質子交換膜燃料電池復合雙極板專利技術分析

王翠蓮 曹興麗 賈翠樂

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

質子交換膜燃料電池復合雙極板專利技術分析

王翠蓮 曹興麗 賈翠樂

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450000）

質子交換膜燃料電池的雙極板中，復合材料類雙極板具有石墨類雙極板與金屬材料類雙極板的雙重優點，工藝簡單、成本低、重量輕且耐腐蝕，因而被廣泛研究。本文從專利技術角度介紹了復合雙極板的種類及其制備工藝，并對其優/缺點進行了分析。

質子交換膜燃料電池；雙極板；復合材料；專利

在質子交換膜燃料電池中雙極板的主要功能是分隔氧化劑與還原劑、分隔電池堆中的電池和收集輸送電流，其性能和成本直接影響著燃料電池的產業化進程。傳統的石墨類雙極板機械強度差、加工成本高，而金屬材料類雙極板會發生輕微腐蝕進而降低電極觸媒的活性，復合材料類雙極板已成為極具潛力的雙極板材料候選者［1-2］。

1　復合材料雙極板專利技術研究

1.1石墨/高分子聚合物復合材料雙極板

該類復合雙極板通常將以石墨為導電填料、工程塑料（或其它樹脂）為粘結劑的復合材料通過注塑或模壓成型技術制備得到復合雙極板。

專利文件US4301222A于1981年公開了一種復合材料雙極板，其是將純石墨粉和炭化熱固性酚醛樹脂混合注塑，然后進行石墨化制備得到，得到的雙極板化學穩定性好，承受強度可達到27.6 MPa，但石墨化成本很高，且孔隙率大。專利文件US4339322A1于1982年提出了一種改進的復合雙極板，其通過在導電石墨粉和熱塑性含氟聚合物中加入碳纖維進而提高了雙極板的強度和導電性能，且制得的雙極板具有優異的抗腐蝕性。

專利文件US6087034A于2000年提出一種柔性石墨復合材料雙極板，其是將較低密度膨脹石墨板浸漬一次樹脂后壓制而成，可以提高柔性石墨材料強度、硬度和較低的吸水性，但柔性石墨材料的增塑度不足，且板易裂縫。針對該文獻存在的不足，專利文件CN1992399A于2007年進行了改進，將膨脹石墨板裝入浸漬罐抽真空，加入環氧樹脂溶液，接著將浸漬板干燥，然后再次浸漬環氧樹脂溶液，再次干燥，最后進行壓制并用模具制成上下面都帶溝槽的基板，然后在升溫熱處理使樹脂固化，通過該方法制備的雙極板密度大，塑性好，強度高。

專利文件CN1355573A于2002年通過將石墨蠕蟲在模具中進行壓制成型，然后在成型后的極板表面電合成或涂覆一層聚苯胺或者聚吡咯，而且在極板的板壁石墨蠕蟲的內部孔隙中電合成聚苯胺或者聚吡咯網絡層，進而制備得到一種重量輕、導電性好、成本低廉且耐腐蝕的石墨類復合雙極板。

專利文件CN1555106A于2004年在不飽和聚脂樹脂P17－902的苯乙烯溶液粘合劑或酚醛改性的乙烯基樹脂粘合劑中加入過氧化甲乙酮固化劑或過氧化苯甲酰固化劑，混勻后加入由天然鱗片石墨與人造石墨按一定比例混合制成的導電骨料，并加少量的輔助組分碳黑或天然石墨細粉，經過模壓一次成型制得一種石墨基雙極板，制成的雙極板的空氣透過率、電導率及抗折強度等相比單一石墨均了很大提高，而且成本較低、工藝簡單。

專利文件CN101132067A于2008年以經過表面預處理的碳納米管作為增強體，將酚醛樹脂粘結劑、石墨原料與上述增強體進行球磨混合或攪拌混合，然后進行熱壓、燒結制成了碳納米管增強的酚醛樹脂/石墨基雙極板，其物理及化學性能明顯優于現有的樹脂/石墨基復合雙極板，且工藝簡單，經測試，其電導率為100-200S/cm，常溫彎曲強度為55-75MPa。

專利文件CN102244278A于2011年將顆粒狀膨脹石墨和聚酰亞胺干混形成的混合物經過熱壓成型得到了一種由膨脹石墨和聚酰亞胺組成的復合雙極板，其具有耐熱性好、導電性強、強度高、透氣性小、制造工藝簡單、成本低等優點。

專利文件CN103633340A于2014年將炭氣凝膠加入到熱塑性酚醛樹脂中，將膨脹石墨與熱塑性酚醛樹脂、炭氣凝膠的混合物的沸水溶液混合，經減壓抽濾、干燥、球磨、裝模、冷壓、熱壓、脫模制得雙極板，電導率為108.3S/ cm～162.7S/cm、抗折強度為53MPa～77MPa、接觸角65.32°～82.78°、體積密度為1.42g/cm3～1.62g/cm3、孔隙率為0.083g/cm3～0.122g/cm3、在燃料電池運行溫度80℃時質量損失為0.53%～0.76%即熱穩定性較好。

專利文件CN105406092A于2016年采用兩種不同尺寸天然鱗片石墨進行級配，再添加適量納米填料導電炭黑或石墨烯復配與酚醛環氧型乙烯基樹脂粘結劑制備模壓料，然后進行模壓固化制備雙極板；顆粒級配與復配技術的使用，使復合材料構建起更加完善的導電網絡和更好的樹脂浸潤情況，導致電導率和彎曲強度同時提高。

1.2碳-碳復合材料雙極板

由碳-碳復合材料制成的雙極板具有較高的電導、熱導率，耐高溫、耐腐蝕，重量輕、機械強度高、化學穩定性高、且可沖壓形成流場，諸多優點使得碳-碳復合材料成為較為理想的雙極板材料。現有技術中，通常是將聚合物樹脂和填料混合，形成預制料并固化成型，然后進行碳化、石墨化、氣相沉積等過程來制備碳-碳復合材料雙極板。

專利文件US6039823A于2000年在由碳粉、酚醛樹脂、乙醇溶劑組成的混合物中加入碳纖維，充分攪拌后進行烘干、壓制成型，首先進行炭化，其次進行石墨化，得到石墨化的雙極板，所得雙極板經過4 000 h的運行沒有發現透氣現象。

專利文件CN1472833A于2004年以中間相碳顆粒作為原材料，同時采用短碳纖維或石墨粉作為為增強改性材料，通過流延成型工藝及層板模壓工藝制備得到一種碳碳復合材料雙極板，避開了傳統工藝流道后續機械加工的局限，降低了生產成本，縮短了生產周期同時也提高了產品成品率。

專利文件CN1540787A于2004年以碳纖維作為增強材料，以中間相碳顆粒為原材料，通過凝膠注模成型工藝一次成型制備得到一種碳碳復合雙極板，所得雙極板具有高的機械強度高和良好的導電性能，且成本低、重量輕、無毒害與污染、價格低廉。

專利文件CN101101994A于2008年將蠕蟲狀石墨在平板模具中進行預壓制制成膨脹石墨材料，接著將膨脹石墨材料和碳布或碳紙用熱塑性樹脂的乳液或溶液浸漬，然后將兩層浸漬過樹脂的膨脹石墨材料和一張中間層碳布或碳紙在模具中進行模壓制成復合雙極板，該雙極板及其工藝降低了生產成本，且電導率高、力學性能好、抗腐蝕性能優異。

專利文件CN101552341A于2009年先采用模壓法制得帶流道的雙極板素坯，并對素坯進行炭化處理制得板坯，并對板坯進行表面催化處理和干燥，接著進行石墨催化處理和表面干燥處理，進而制備得到復合雙極板，所得雙極板由厚度為0.5～5mm的炭層和包覆于炭層的外部且厚度為0.1～500μm的石墨層構成，避開了現有技術中為提高炭材料的導電導熱性能而必需的高溫石墨化工藝，從而降低了生產成本，節約了能源，利于批量生產，為制備高性能低成本的雙極板提出了新的路徑。

2　結語

雖然復合材料類雙極板相較于傳統的石墨類雙極板和金屬雙極板在性能和成本上有一定的優勢，但技術仍不很成熟，研究人員仍需要尋找更合適的雙極板材料和合理的制備工藝，使雙極板更完善，更加適合實際應用。

［1］李國華，等，柔性石墨板的氫氣透過率研究［J］.材料導報，2004，18（1）：97-99.

［2］王海鵬，等，質子交換膜燃料電池雙極板的研究進展［J］.材料研究與應用，2014，8（12）：211-218.

Analysison theCompositeBipolar PlatePatent Technology of Proton ExchangeMembraneFuel Cell

Wang Cuilian Cao Xingli Jia Cuile
（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office，State Intellectual Property Office，Zhengzhou Henan 450000）

In the bipolar plates of proton exchange membrane fuel cell，composite bipolar plate has the double advantages of graphite bipolar plate and metal bipolar plate，due to the simple process，low cost，light weight，and corrosion resistance，it has been extensively researched.In this paper，the types of composite bipolar plate and its preparation technology are introduced from the perspective of patent technology，and its advantages and disadvantages are also analyzed.

proton exchange membrane fuel cell；bipolar plate；composite；patent

TM911.4

A

1003-5168（2015）12-0149-2

2015-11-13

王翠蓮（1986.04-），女，碩士，研究實習員，研究方向：電化學。