CN100464450C - 一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的非活性区域，所述的活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述的非活性导电区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料；该导流极板的制造方法包括采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，所述的热压成型的温度为100℃～400℃。与现有技术相比，本发明具有重量轻、导电性性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉以及高机械强度等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法。
背景技术
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：H2→2H++2e
阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池的用途十分广泛，可以用作一切车、船等运载工具的动力系统，也可以作为发电系统，用作地面固定式发电站及可移动电源等。
目前，质子交换膜燃料电池的造价较高，主要是构成燃料电池的某些关键部件材料价格较高。质子交换膜燃料电池中的导流极板是燃料电池中最关键的部件之一，其价格对整个燃料电池的造价产生决定性的影响。
用作质子交换膜电池中的导流极板材料要求较高，主要有以下要求：(1)有一定的机械强度及硬度，不易碎裂、破损；(2)优良的导电、导热体；(3)容易加工成导流极板上的导流槽形状与导流孔；(4)燃料电池长期工作时，不会产生对电池造成污染或本身受到腐蚀变质。
目前能完全符合上述要求的材料不多，只有少数价格昂贵的材料，例如：优质纯石墨板材料、优质钛合金板材料、镀金或特种金属板等可以用作质子交换膜燃料电池的导流板材料。但这些材料的价格昂贵，而且导流槽、导流孔加工时又昂贵，导致整个燃料电池的造价居高不下，严重妨碍了燃料电池产业化的进程。
为了降低质子交换膜燃料电池导流板材料的成本，目前有大量的专利申请旨在找到相应的廉价替代材料，这些专利综合起来主要有以下几类：(1)采用廉价金属板，如不锈钢板等，再进行表面改性处理。例如：中国科学院大连化学物理研究所申请的专利“用于质子交换膜燃料电池组的机加工金属双极板”(专利号：99113159.2)。(2)采用石墨粉加粘接树脂。例如：热固性树脂，酚醛树脂等热压成复合板材。(3)采用软石墨板进行模压成型，然后用树脂浸渍处理后硬化成双极板。例如：US Patent 5,521,018所述的方法就是利用软石墨板进行模压成型的。(4)上海神力科技公司的专利“一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板”(实用新型专利号：03231865.0，发明专利号：03129070.1)，该专利公开了一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，包括设置在正、反面的导空气流槽面、导氢气流槽面，以及设置在极板两端的进出导空气流孔、进出导氢气流孔，其特征在于，还包括设置在上述导空气流槽面与导氢气流槽面之间的导冷却流体通道，以及设置在该通道两端的进出导冷却流体孔；所述的导冷却流体通道包括具有导冷却流体功能的加强网，该加强网的纵向线为导冷却流体的空心细管，横向线为连接各空心细管的加强条，该加强条与空心细管的厚度一致，所述的空心细管的上下两端分别与进出导冷却流体孔连通。
以上现有技术存在如下缺陷：(1)采用金属板，如不锈钢、铝等廉价金属板表面改性处理难度高，用作质子交换膜燃料电池中的导流极板时，长时间运行后表面性能下降，如电阻增加或抗腐蚀性能下降，对电极造成污染。(2)用石墨粉与树脂一次成型模压导流极板，虽然技术上已较成熟，但目前要求燃料电池堆要有很高的功率密度，一种提高电堆的功率密度的主要方法是采用超薄型的导流极板，使这种一次成型模压出来的超薄型导流极板机械强度大大降低。在用作车载动力系统时，由于振动极易造成导流极板碎裂。(3)采用软石墨板一次成型模压成导流极板，再用树脂浸渍硬化处理技术也同样有与第(2)点相似的技术缺陷，在用作超薄型导流极板时，应用于燃料电池发动机或移动式电源时，由于振动极易造成导流极板碎裂。(4)采用上海神力科技公司专利“一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板”方法，在制造工艺上较麻烦，该专利技术必须先制作有导冷却流体功能的加强网，制作的技术难度较大。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种重量轻、导电性性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高机械强度的燃料电池导流极板，包括设置在该导流极板正反面上的导空气流场，或导氢气流场，或导冷却流体流场，以及设置在该导流极板上的各流体的进出流体口，一般是氢气进、空气进、冷却流体进，氢气出、空气出、冷却流体出共六个流体进出口；该导流极板既可以是正反面分别是导空气流场或导氢气流场的双极板，也可以是正面是导空气流场或氢气流场，反面是导冷却流体场的导流极板；其特征在于，所述的导流极板采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的非活性区域，所述的活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述的非活性导电区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料。
所述的活性导电区域的原料中石墨粉的比例高于有利于该石墨粉导电的热固性树脂。
所述的非活性导电区域的原料中石墨粉的比例低于有利于提高机械强度的热固性树脂。
所述的有利于石墨粉导电的热固性树脂为马来酸酐接枝的树脂。
所述的有利于提高机械强度的热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。
所述的活性导电区域还可通过绝缘体将其等分为至少二块互相绝缘分隔的活性区。
所述的绝缘体包括塑料树脂或橡胶。
一种高机械强度的燃料电池导流极板的制造方法，其特征在于，所述的导流极板采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的非活性区域，上述二个区域的原料采用石墨粉与不同的粘结树脂结合，或者采用石墨粉与相同的粘结树脂按不同的比例结合，所述的热压成型的温度为100℃～400℃。
这些经过模具高温(100℃～400℃)一次性热压成型的燃料电池导流极板明显分为二个或数个区域，分成二个区域情况(如图1、图2)主要是导流极板活性导电区域，与导流板非活性、非导电加强区域。导流极板活性的导电区域内的石墨粉与粘接树脂配料上主要是达到高导电性，与防电化腐蚀的目的，而非活性、非导电加强区域内的石墨粉与粘接树脂配料上主要是达到高机械强度目的，可以允许导电性差，甚至绝缘。在配料上，既可以增加树脂比例，也可以用于活性区域不同的粘接树脂，以强化机械强度。
附图说明
图1a为本发明实施例1导流双极板的导电活性区域与非活性区域的结构示意图；
图1b为本发明实施例1导流双极板的导空气流场的结构示意图；
图1c为本发明实施例1导流双极板的导氢气流场的结构示意图；
图2a为本发明实施例2导流双极板的导电活性区域与非活性区域的结构示意图；
图2b为本发明实施例2导流双极板的导空气流场的结构示意图；
图2c为本发明实施例2导流双极板的导氢气流场的结构示意图；
图3a为本发明实施例3导流双极板的导电活性区域与非活性区域的结构示意图；
图3b为本发明实施例3导流双极板的导空气流场的结构示意图。
具体实施方式
经过模具高温一次性热压成型的燃料电池导流极板，分二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的开设密封槽及六个导流流体孔的非活性区域。
实施例1
如图1a、图1b、图1c所示，将高纯石墨粉与不同类型的粘接树脂调配好二种浆料A、B；浆料A中的石墨粉比例较高，而且采用有利于石墨粉导电的热固性树脂，如马来酸酐等，而浆料B中的石墨粉比例较低，而且采用有利于提高机械强度的热固性树脂，如酚醛、环氧树脂等。将浆料A放入钢模具的活性中央区域，将浆料B放入钢模具的周边区域，并将二个钢模具合模在压机上高温100～400℃经程序化升温，压模成形制得导流双极板。该导流双极板结构包括空气进导流孔1，空气出导流孔1’，冷却流体进导流孔2，冷却流体出导流孔2’，氢气进导流孔3，氢气出导流孔3’。
实施例2
如图2a、图2b、图2c所示，制作步骤同实施例1，但用不同模具，制得导流双极板。该导流双极板包括空气进导流孔1，空气出导流孔1’，冷却流体进导流孔2，冷却流体出导流孔2’，氢气进导流孔3，氢气出导流孔3’。
实施例3
如图3a、图3b所示，制作步骤同实施例1，但用不同模具，制得导流板，活性区域用绝缘树脂或绝缘塑料片C分隔成为四个区域。该导流板包括空气进导流孔1，空气出导流孔1’，冷却流体进导流孔2，冷却流体出导流孔2’，氢气进导流孔3，氢气出导流孔3’。
Claims (5)
1.一种燃料电池导流极板，包括设置在该导流极板正反面上的导空气流场，或导氢气流场，或导冷却流体流场，以及设置在该导流极板上的各流体的进出流体口，该进出流体口是氢气进、空气进、冷却流体进，氢气出、空气出、冷却流体出共六个流体进出口；该导流极板是在正反面分别是导空气流场或导氢气流场的双极板，或者该导流极板是正面是导空气流场或导氢气流场，反面是导冷却流体流场的导流极板；其特征在于，所述的导流极板采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为非活性区域，所述的活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述的非活性导电区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料；所述的活性导电区域的原料中石墨粉的比例高于有利于该石墨粉导电的热固性树脂；所述的非活性导电区域的原料中石墨粉的比例低于有利于提高机械强度的热固性树脂；所述的有利于石墨粉导电的热固性树脂为马来酸酐接枝的树脂；所述的有利于提高机械强度的热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。
2.如权利要求1所述的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的活性导电区域通过绝缘体将其等分为至少二块互相绝缘分隔的活性区。
3.如权利要求2所述的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的绝缘体包括塑料树脂。
4.如权利要求2所述的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的绝缘体包括橡胶。
5.一种制造权利要求1所述的燃料电池导流极板的方法，其特征在于，所述的导流极板采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，所述的热压成型的温度为100℃～400℃。
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