质子交换膜燃料电池复合双极板专利技术分析

王翠莲 曹兴丽 贾翠乐

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

质子交换膜燃料电池复合双极板专利技术分析

王翠莲 曹兴丽 贾翠乐

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450000）

质子交换膜燃料电池的双极板中，复合材料类双极板具有石墨类双极板与金属材料类双极板的双重优点，工艺简单、成本低、重量轻且耐腐蚀，因而被广泛研究。本文从专利技术角度介绍了复合双极板的种类及其制备工艺，并对其优/缺点进行了分析。

质子交换膜燃料电池；双极板；复合材料；专利

在质子交换膜燃料电池中双极板的主要功能是分隔氧化剂与还原剂、分隔电池堆中的电池和收集输送电流，其性能和成本直接影响着燃料电池的产业化进程。传统的石墨类双极板机械强度差、加工成本高，而金属材料类双极板会发生轻微腐蚀进而降低电极触媒的活性，复合材料类双极板已成为极具潜力的双极板材料候选者［1-2］。

1　复合材料双极板专利技术研究

1.1石墨/高分子聚合物复合材料双极板

该类复合双极板通常将以石墨为导电填料、工程塑料（或其它树脂）为粘结剂的复合材料通过注塑或模压成型技术制备得到复合双极板。

专利文件US4301222A于1981年公开了一种复合材料双极板，其是将纯石墨粉和炭化热固性酚醛树脂混合注塑，然后进行石墨化制备得到，得到的双极板化学稳定性好，承受强度可达到27.6 MPa，但石墨化成本很高，且孔隙率大。专利文件US4339322A1于1982年提出了一种改进的复合双极板，其通过在导电石墨粉和热塑性含氟聚合物中加入碳纤维进而提高了双极板的强度和导电性能，且制得的双极板具有优异的抗腐蚀性。

专利文件US6087034A于2000年提出一种柔性石墨复合材料双极板，其是将较低密度膨胀石墨板浸渍一次树脂后压制而成，可以提高柔性石墨材料强度、硬度和较低的吸水性，但柔性石墨材料的增塑度不足，且板易裂缝。针对该文献存在的不足，专利文件CN1992399A于2007年进行了改进，将膨胀石墨板装入浸渍罐抽真空，加入环氧树脂溶液，接着将浸渍板干燥，然后再次浸渍环氧树脂溶液，再次干燥，最后进行压制并用模具制成上下面都带沟槽的基板，然后在升温热处理使树脂固化，通过该方法制备的双极板密度大，塑性好，强度高。

专利文件CN1355573A于2002年通过将石墨蠕虫在模具中进行压制成型，然后在成型后的极板表面电合成或涂覆一层聚苯胺或者聚吡咯，而且在极板的板壁石墨蠕虫的内部孔隙中电合成聚苯胺或者聚吡咯网络层，进而制备得到一种重量轻、导电性好、成本低廉且耐腐蚀的石墨类复合双极板。

专利文件CN1555106A于2004年在不饱和聚脂树脂P17－902的苯乙烯溶液粘合剂或酚醛改性的乙烯基树脂粘合剂中加入过氧化甲乙酮固化剂或过氧化苯甲酰固化剂，混匀后加入由天然鳞片石墨与人造石墨按一定比例混合制成的导电骨料，并加少量的辅助组分碳黑或天然石墨细粉，经过模压一次成型制得一种石墨基双极板，制成的双极板的空气透过率、电导率及抗折强度等相比单一石墨均了很大提高，而且成本较低、工艺简单。

专利文件CN101132067A于2008年以经过表面预处理的碳纳米管作为增强体，将酚醛树脂粘结剂、石墨原料与上述增强体进行球磨混合或搅拌混合，然后进行热压、烧结制成了碳纳米管增强的酚醛树脂/石墨基双极板，其物理及化学性能明显优于现有的树脂/石墨基复合双极板，且工艺简单，经测试，其电导率为100-200S/cm，常温弯曲强度为55-75MPa。

专利文件CN102244278A于2011年将颗粒状膨胀石墨和聚酰亚胺干混形成的混合物经过热压成型得到了一种由膨胀石墨和聚酰亚胺组成的复合双极板，其具有耐热性好、导电性强、强度高、透气性小、制造工艺简单、成本低等优点。

专利文件CN103633340A于2014年将炭气凝胶加入到热塑性酚醛树脂中，将膨胀石墨与热塑性酚醛树脂、炭气凝胶的混合物的沸水溶液混合，经减压抽滤、干燥、球磨、装模、冷压、热压、脱模制得双极板，电导率为108.3S/ cm～162.7S/cm、抗折强度为53MPa～77MPa、接触角65.32°～82.78°、体积密度为1.42g/cm3～1.62g/cm3、孔隙率为0.083g/cm3～0.122g/cm3、在燃料电池运行温度80℃时质量损失为0.53%～0.76%即热稳定性较好。

专利文件CN105406092A于2016年采用两种不同尺寸天然鳞片石墨进行级配，再添加适量纳米填料导电炭黑或石墨烯复配与酚醛环氧型乙烯基树脂粘结剂制备模压料，然后进行模压固化制备双极板；颗粒级配与复配技术的使用，使复合材料构建起更加完善的导电网络和更好的树脂浸润情况，导致电导率和弯曲强度同时提高。

1.2碳-碳复合材料双极板

由碳-碳复合材料制成的双极板具有较高的电导、热导率，耐高温、耐腐蚀，重量轻、机械强度高、化学稳定性高、且可冲压形成流场，诸多优点使得碳-碳复合材料成为较为理想的双极板材料。现有技术中，通常是将聚合物树脂和填料混合，形成预制料并固化成型，然后进行碳化、石墨化、气相沉积等过程来制备碳-碳复合材料双极板。

专利文件US6039823A于2000年在由碳粉、酚醛树脂、乙醇溶剂组成的混合物中加入碳纤维，充分搅拌后进行烘干、压制成型，首先进行炭化，其次进行石墨化，得到石墨化的双极板，所得双极板经过4 000 h的运行没有发现透气现象。

专利文件CN1472833A于2004年以中间相碳颗粒作为原材料，同时采用短碳纤维或石墨粉作为为增强改性材料，通过流延成型工艺及层板模压工艺制备得到一种碳碳复合材料双极板，避开了传统工艺流道后续机械加工的局限，降低了生产成本，缩短了生产周期同时也提高了产品成品率。

专利文件CN1540787A于2004年以碳纤维作为增强材料，以中间相碳颗粒为原材料，通过凝胶注模成型工艺一次成型制备得到一种碳碳复合双极板，所得双极板具有高的机械强度高和良好的导电性能，且成本低、重量轻、无毒害与污染、价格低廉。

专利文件CN101101994A于2008年将蠕虫状石墨在平板模具中进行预压制制成膨胀石墨材料，接着将膨胀石墨材料和碳布或碳纸用热塑性树脂的乳液或溶液浸渍，然后将两层浸渍过树脂的膨胀石墨材料和一张中间层碳布或碳纸在模具中进行模压制成复合双极板，该双极板及其工艺降低了生产成本，且电导率高、力学性能好、抗腐蚀性能优异。

专利文件CN101552341A于2009年先采用模压法制得带流道的双极板素坯，并对素坯进行炭化处理制得板坯，并对板坯进行表面催化处理和干燥，接着进行石墨催化处理和表面干燥处理，进而制备得到复合双极板，所得双极板由厚度为0.5～5mm的炭层和包覆于炭层的外部且厚度为0.1～500μm的石墨层构成，避开了现有技术中为提高炭材料的导电导热性能而必需的高温石墨化工艺，从而降低了生产成本，节约了能源，利于批量生产，为制备高性能低成本的双极板提出了新的路径。

2　结语

虽然复合材料类双极板相较于传统的石墨类双极板和金属双极板在性能和成本上有一定的优势，但技术仍不很成熟，研究人员仍需要寻找更合适的双极板材料和合理的制备工艺，使双极板更完善，更加适合实际应用。

［1］李国华，等，柔性石墨板的氢气透过率研究［J］.材料导报，2004，18（1）：97-99.

［2］王海鹏，等，质子交换膜燃料电池双极板的研究进展［J］.材料研究与应用，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

王翠莲（1986.04-），女，硕士，研究实习员，研究方向：电化学。