CN100533831C - 燃料电池石墨复合流场板及制造方法 - Google Patents

燃料电池石墨复合流场板及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池石墨复合流场板及制造方法。该流场板板壁上有流体进口、流体出口以及构成流场的脊和流道，流场板的特征在于它是由石墨复合材料构成的中间层和柔性石墨材料构成的上、下表面层通过夹层复合而成。制备过程包括：将一定配比的导电颗粒与树脂或聚合物混和均匀后，放入模具中加热，加压并保持一定时间后，冷却脱模，得到预制板。在预制板的两侧各加柔性石墨层，放入模具中加热到树脂固化温度或热塑性聚合物的熔融温度，加压并保持一定时间后，冷却脱模，得到夹层复合板。本发明制备的燃料电池石墨复合流场板与碳纸扩散层有较低的接触电阻，耐腐蚀性强，导电导热性能好，阻气性能好，制备工艺简单、成本低。

Description

燃料电池石墨复合流场板及制造方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池流场板的材料及其制造方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池(PEMFC)是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转变成电能的发电装置。它具有能量转化率高、可靠性强、质能比高、清洁易启动等优点。
目前燃料电池所使用的流场板材料主要有金属和石墨。金属材料的流场板具有良好的导电、导热及阻气性能，而且良好的机加工性能使流场加工工艺简单。其缺点是阴极容易产生氧化物薄膜，导致与扩散层的接触电阻增大，降低电池性能；阳极易被腐蚀，产物致使催化剂中毒。因此有很多专利报导了用贵金属材料对金属流场板表面进行改性，以适应燃料电池的运行环境，但这类方法导致流场板制备工艺复杂，费用提高。碳材料为主的流场板可分为无孔石墨板和石墨/聚合物复合板两种。无孔石墨板导电性能好，与扩散层有较低的接触电阻，但是制作工艺复杂，质脆，需要机加工流道，导致它的价格非常高，应用受到限制。石墨/聚合物复合材料流场板结合了金属板与无孔石墨板的优点，具有耐腐蚀，质量轻，体积小，强度高等特点，而且良好的可加工性能使其在价格和批量生产上具有优势。当复合材料流场板中聚合物比例大时，可以采用注塑成型工艺，但是由于聚合物含量过高导致石墨/聚合物流场板本体电阻高，与扩散层的接触电阻也很高。石墨比例大时，可以采用模压成型工艺，但是在热压过程中聚合物会在流场板的表面富集，此种方法制得的流场板与扩散层有较高的接触电阻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池流场板及其制备方法。该燃料电池石墨复合流场板不仅具有较高的导电率，较低的接触电阻，较高的机械强度，而且阻气性能好，耐腐蚀，其制备工艺简单，成本低。
本发明的技术方案如下：一种燃料电池石墨复合流场板，该流场板的板壁上开设气体或液体的进出口，流场板的板面由相间排列的槽和脊组成，以垂直于槽方向为准的流场板壁横断面的形状是由两条对称的矩形脉冲线围成，其中基线表示槽底，峰线表示脊顶，其特征在于：流场板由中间层和中间两侧的表层组成，所述的中间层厚度为1.5～2.6mm，该中间层由质量百分比98％～65％的选自鳞片石墨、导电碳黑、膨化石墨的一种或两种与质量百分比2％～35％的选自酚醛树脂树脂、环氧树脂、硅树脂、乙烯基树脂、聚丙烯和聚酰胺一种所组成，所述的表层厚度为0.2～0.4mm的柔性石墨纸或者厚度为0.04～0.6mm的膨胀石墨层。
上述的燃料电池石墨复合流场板的制造方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将质量百分比98％～65％的鳞片石墨、导电碳黑、膨化石墨的一种或两种与质量百分比2％～35％的酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、乙烯基树脂、聚丙烯和聚酰胺的一种混合均匀，然后把混合粉料放入模具中加热到80～200℃，在模具上施加压力为10～80MPa，保持压力2～5分钟，然后模具冷却到35～60℃以下，脱模得到厚度为1.7～3.0mm石墨复合流场板中间层的预制板；
2)在经步骤1)所制得的石墨复合流场板中间层的预制板的两侧面各加一片跟预制板表面面积大小相等，厚度为0.26～0.6mm柔性石墨纸，然后将它们放入模具中加热到150～230℃，在10～140MPa下，保持2～20分钟后，模具冷却到40℃脱模，制得厚度为1.9～3.4mm石墨复合流场板；或首先在模具底面放一层膨胀石墨颗粒，再把经步骤1)所制得的石墨复合流场板中间层的预制板放在膨胀石墨颗粒层上面，然后再在预制板上面放置一层与底层相同的膨胀石墨颗粒，然后把模具加热到150～230℃，在10～140MPa下，保持2～20分钟时间后，模具冷却到35～60℃脱模，得到厚度为1.58～3.8mm石墨复合流场板，石墨复合流场板中膨胀石墨层的厚度为0.04～0.6mm。
本发明制备工艺简单，所制得的燃料电池石墨复合流场板与碳纸扩散层有较低的接触电阻，导电导热性能好，阻气性能好，耐腐蚀性好，成本低。
附图说明
图1为本发明的燃料电池石墨复合流场板的结构示意图。
图中：1和6为进/出口；2为流道；3为脊；4为表面层；5为中间层。
具体实施方式
实施实例1
将含有固化剂六次甲基四胺0.014g的酚醛树脂0.14g和天然鳞片石墨1.66g，放入高速万能粉碎机中混合均匀。将混合均匀的粉料放入平面模具中加热到90℃，加压到50MPa，保持2分钟后，经冷却到40℃脱模，得到厚度为2.1mm的石墨复合流场板中间层的预制板。在中间层的预制板两侧各加一片与预制板表面面积大小相等厚度为0.22mm的柔性石墨纸，将它们一起放入带有流道的模具中加热到150℃，恒温2分钟，在110MPa下压制成型得到石墨复合流场板厚度为2.48mm。该石墨复合流场板两表面分别由10个脊，10个槽组成，脊的宽度为1mm，槽宽1mm，槽深0.8mm。对该石墨复合流场板性能参数测试结果如下：流场板的密度为1.97g.cm-3，带流道表面的面电阻率2.74mΩ.cm2，抗弯强度为31MPa，氢气透气率为2.8×10-11mol.cm-1.min-1.kpa-1，与水的接触角为94.9°。在与碳纸扩散层的接触压力为3.2MPa时，测得接触电阻率为1.35mΩ.cm2。
实施实例2
将含有固化剂六次甲级四胺0.06g的酚醛树脂0.6g，天然鳞片石墨2.2g，放入高速万能粉碎机中混合均匀。将混合均匀的粉料放入平面模具中加热到90℃，加压到50MPa，保持2分钟后，经冷却到40℃脱模，得到厚度为2.4mm的石墨复合流场板中间层的预制板。在带有流道的模具底层放入一层质量为0.05g的膨胀石墨颗粒，再把预制板放在膨胀石墨颗粒上，然后在预制板的上面再放置一层质量为0.05g的膨胀石墨颗粒。把模具加热到150℃，恒温2分钟，在70MPa下压制成型得到石墨复合流场板厚度为2.1mm。该石墨复合流场板两表面分别由10个脊，10个槽组成，脊的宽度为1mm，槽宽1mm，槽深0.8mm。对该石墨复合流场板性能参数测试结果如下：流场板的密度为1.85g.cm-3，带流道表面的面电阻率为8.59mΩ.cm2，抗弯强度为74MPa，氢气透气率为6.9×10-12mol.cm-1.min-1.kpa-1，与水的接触角为91.7°，在与碳纸扩散层接触压力为2.4MPa时，测得接触电阻率为1.11mΩ.cm2。
实施实例3
将聚丙烯0.28g，天然鳞片石墨2.52g，放入高速万能粉碎机中混合均匀，将混合均匀的粉料放入平面模具中加热到175℃，加压到50MPa，保持3分钟后，冷却到60℃脱模，得到厚度为2.2mm的石墨复合流场板中间层的预制板。在中间层的预制板两侧各加一片与预制板表面面积大小相等厚度为0.3mm柔性石墨纸，放入带有流道的模具中加热到210℃，恒温5分钟，在100MPa下压制得到石墨复合流场板厚度为2.6mm。该石墨复合流场板两表面分别由10个脊，10个槽组成，脊的宽度为1mm，槽宽1mm，槽深0.8mm。对该石墨复合流场板性能参数测试结果如下：流场板密度为1.76g.cm-3，带流道表面的面电阻率为2.08mΩ.cm2，抗弯强度为13MPa，氢气透气率为7×10-10mol.cm-1.min-1.kpa-1，与水的接触角为90.3°，在与碳纸扩散层接触压力为1.6MPa时，测得接触电阻率为1.124mΩ.cm2。

Claims (2)

1.一种燃料电池石墨复合流场板，该流场板的板壁上开设气体或液体的进出口，流场板的板面由相间排列的槽和脊组成，垂直于槽方向的流场板壁横断面的形状是由两条对称的矩形脉冲线围成，其中基线表示槽底，峰线表示脊顶，其特征在于：流场板由中间层和中间层外侧的表层组成，所述的中间层厚度为1.5～2.6mm，该中间层由质量百分比98％～65％的选自鳞片石墨、导电碳黑、膨化石墨的一种或两种与质量百分比2％～35％的选自酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、乙烯基树脂、聚丙烯和聚酰胺一种所组成，所述的表层厚度为0.2～0.4mm的柔性石墨纸或者厚度为0.04～0.6mm的膨胀石墨层。
2.一种制造权利要求1所述的燃料电池石墨复合流场板的方法，其特征在于包含以下步骤：
1)将质量百分比98％～65％的鳞片石墨、导电碳黑、膨化石墨的一种或两种与质量百分比2％～35％的酚醛树脂、环氧树脂、硅树脂、乙烯基树脂、聚丙烯和聚酰胺的一种混合均匀，然后把混合粉料放入模具中加热到80～200℃，在模具上施加压力为10～80MPa，保持压力2～5分钟，然后模具冷却到35～60℃以下，脱模得到厚度为1.7～3.0mm石墨复合流场板中间层的预制板；
2)在经步骤1)所制得的石墨复合流场板中间层的预制板的两侧面各加一片跟预制板表面面积大小相等，厚度为0.26～0.6mm柔性石墨纸，然后将它们放入模具中加热到150～230℃，在10～140MPa下，保持2～20分钟后，模具冷却到40℃脱模，制得厚度为1.9～3.4mm石墨复合流场板；或首先在模具底面放一层膨胀石墨颗粒，再把经步骤1)所制得的石墨复合流场板中间层的预制板放在膨胀石墨颗粒层上面，然后再在预制板上面放置一层与底层相同的膨胀石墨颗粒，然后把模具加热到150～230℃，在10～140MPa下，保持2～20分钟时间后，模具冷却到35～60℃脱模，得到厚度为1.58～3.8mm石墨复合流场板，石墨复合流场板中膨胀石墨层的厚度为0.04～0.6mm。
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