金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板转让专利
申请号 : CN201911156464.0
文献号 : CN112838234B
文献日 : 2022-03-11
发明人 : 葛鹏 , 高建平 , 王晓哲 , 张欢 , 卢广轩
申请人 : 西部金属材料股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:包括导电分隔板、流场板和气体扩散层,所述流场板设置于所述导电分隔板的顶部,所述气体扩散层设置于所述流场板的顶部,所述流场板和所述气体扩散层均由金属纤维烧结成型,且所述流场板和所述气体扩散层一体化烧结成型;所述流场板的金属纤维的孔隙度大于所述气体扩散层的金属纤维的孔隙度;采用梯度过渡的铺毡方法,在所述流场板的金属纤维上铺制所述气体扩散层,且形成所述气体扩散层的多层金属纤维毡的孔隙度、纤维直径、纤维长度逐渐变小形成梯度过渡;所述流场板与所述导电分隔板焊接连接或烧结连接或胶结,连接的一侧的流场板端面上还加工有流道,所述流道采用辊压法或架空法加工而成。
2.根据权利要求1所述的金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:所述导电分隔板为平板状结构,所述导电分隔板的板厚为0.1mm‑1mm,所述导电分隔板为金属板材或石墨/聚合物复合材料板材。
3.根据权利要求1所述的金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:所述流场板的金属纤维的纤维直径为40μm‑200μm、纤维长度为10mm‑50mm、孔隙率为80‑95%;所述流场板的厚度为0.2mm‑3mm。
4.根据权利要求3所述的金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:所述气体扩散层的金属纤维的纤维直径为1μm‑20μm、纤维长度为2mm‑20mm、孔隙率为70‑90%;金属纤维随机均布后的纤维毡孔隙的当量直径为10μm‑30μm;所述气体扩散层的厚度为100μm‑300μm。
5.根据权利要求1所述的金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:构成所述流场板和所述气体扩散层的金属纤维为钛纤维或不锈钢纤维或铜纤维或高熵合金纤维。
6.根据权利要求1所述的金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:所述气体扩散层做疏水处理,在所述气体扩散层的金属纤维表面形成疏水导电膜。
7.根据权利要求1所述的金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板,其特征在于:所述导电分隔板和所述流场板通过渗氮处理或渗碳处理或碳氮共渗表面处理形成耐腐蚀导电膜。
说明书 :
金属纤维流场和金属纤维气体扩散层一体化烧结的双极板
技术领域
背景技术
化率高达80%。燃料电池结构包括膜电极(MEA)、流场板和集流板,所述膜电极包括气体扩
散层(GDL)、质子交换膜和催化层。其中流场板提供燃料和氧化剂流通的通道,集流板收集
电子,是电极与外电路之间的电流通道。目前应用最广泛的电池结构是将流场板与集流板
合二为一制成双极板(BPP),兼做反应气体流场通道和电流通道。金属双极板具有导电导热
性能好、强度高、阻气性好和成形性好,可以提高PEMFC的功率密度,被认为是质子交换膜燃
料电池商品化的必然选择。目前常用的金属双极板大多是通过模具冲压成形加工出的脊‑
槽”结构,用于气体均匀分布和收集电流。但是冲压成形面临的问题是凹凸模定位误差大、
尺寸回弹和翘曲变形,而且“脊‑槽”式结构中作为“脊”的凸台与膜电极完全贴合,反应气体
难于接触到膜电极,MEA有效反应面积只有一半左右。
传导出去,所以要求GDL有一定的孔隙度,而且导电性和导热性良好,还要保证氧化或还原
气氛下,在腐蚀性介质中不产生腐蚀和降解。目前碳纸和碳布是应用最广的气体扩散层材
料,但是碳纤维材料为脆性材料,在装配和车载工况下容易导致纤维断裂、纤维和基体界面
剥落,影响电池寿命,除此之外碳纤维气体扩散层材料工艺复杂,成本非常高。多孔金属材
料本身是热和电的良导体,还具有刚度大、渗透性好、孔径和孔隙可控、加工性强等优点,理
论上可做PEMFC的气体扩散层,但是多孔金属材料比表面积大、活性高,易腐蚀,而且某些金
属多孔材料腐蚀后会生成的钝化膜,增加了GDL与金属双极板之间的接触电阻。
发明内容
度与韧性匹配良好,可提高装配压力;金属纤维支撑的气体扩散层与金属纤维流场板一体
烧结成形,能够消除二者之间的接触电阻,增加传质传热能力。
散层设置于所述流场板的顶部,所述流场板和所述气体扩散层均由金属纤维烧结成型,且
所述流场板和所述气体扩散层一体化烧结成型。
成梯度过渡,所述气体扩散层的金属纤维的纤维直径为1μm‑20μm、纤维长度为2mm‑20mm、孔
隙率为70‑90%;金属纤维随机均布后的纤维毡孔隙的当量直径为10μm‑30μm;所述气体扩
散层的厚度为100μm‑300μm。
支撑的气体扩散层与金属纤维流场板一体烧结成形,且气体扩散层与流场板的金属纤维通
过梯度过渡一体成型,能够消除二者之间的接触电阻,增加传质传热能力。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获
得其他的附图。
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
部,气体扩散层3设置于流场板2的顶部,流场板2和气体扩散层3均由金属纤维烧结成型,且
流场板2和气体扩散层3一体化烧结成型。
胺)复合材料板材;金属板材的材料包括钛及钛合金、不锈钢、铝及铝合金、镍基合金、高熵
合金等。导电分隔板1作用是分隔氧化剂气体和燃料气体、收集电流、导电、起支撑电堆结构
等作用,要求导电分隔板1材料的耐腐蚀性、气密性、导电性、结构强度良好。
隔板1上,随后烧结成金属纤维流场板2、导电分隔板1的一体化金属双极板结构;间接连接
可以采用耐高温高湿的耐腐蚀导电胶,通过胶接方式将二者粘接。
散层3,二者通过在厚度方向上梯度过渡的方法一体化烧结制备。流场板2做反应气体和生
成水的通道,气体扩散层3起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出水等多重作用,实现
了反应气体和产物水在流场和催化层之间的再分配。两者一体化烧结后消除了传统意义上
的双极板和气体扩散层3装配在一起时的接触电阻,有利于提升电池效率,简化电池结构。
散层3选用当量直径较小的细纤维,气体扩散层3的金属纤维的纤维直径为1μm‑20μm、纤维
长度为2mm‑20mm、孔隙率为70‑90%;金属纤维随机均布后的纤维毡孔隙的当量直径为10μ
m‑30μm;气体扩散层3的厚度为100μm‑300μm;铺毡采用不同直径和不同长度的金属纤维混
合布毡,保证金属纤维扩散层良好的排水性、透气性和导电性,同时细的金属纤维有良好的
柔韧性,在施加一定装配压力时可以与“三合一膜电极”接触紧密,降低接触电阻。金属纤维
气体扩散层较碳纸成本降低,耐腐蚀性可以通过表面处理来提高。
端面上还加工有流道4(如图2所示)。加工方法包括辊压法,在金属纤维表面连续压制出流
道4,因为金属纤维板孔隙率高,受压后会发生塌陷形成沟槽,保证其背面为平面状,不影响
与膜电极的接触;或者采用架空法,在金属纤维铺毡时,将粗直的金属丝排布在金属纤维板
中,烧结平整后支出孔隙做流道4。
然冷却后进行烘烤,在纤维表面生成疏水导电膜。
离子渗氮/碳法或碳氮共渗法,以及用磁控溅射、PVD、CVD、多弧离子镀等方法制备耐腐蚀导
电膜,包括贵金属,如金、铱、钌、铂、钯,以及耐蚀金属,钨、钼、钽、铌等。
本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上,本说明书内容不应理
解为对本发明的限制。