CN101192672B - 一种质子交换膜燃料电池用流场板及其制备方法和双极板 - Google Patents
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Abstract
一种质子交换膜燃料电池用流场板含有主体材料和亲水性物质，其中，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。本发明还提供了所述流场板的制备方法和双极板。根据本发明提供的流场板，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间，可以吸收、保持水分，对膨胀石墨的电导率影响很小，因此流场板具有增湿功能且电导率较高。而且由于亲水性物质填充了膨胀石墨的微孔，不需要进行浸渍处理，就能够使流场板具有良好的隔气性能。
Description
技术领域
本发明是关于一种燃料电池用流场板及其制备方法和双极板，更具体地是关于一种质子交换膜燃料电池用流场板及其制备方法和使用该流场板的双极板。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的能源转换装置，具有功率密度高、无污染和无噪声等优点。作为理想的可移动电源，燃料电池在民用、军用各个领域均具有广泛的应用。
由于单个单元燃料电池所产生的电压有限，难以达到所需的电压，因此通常将多个单元燃料电池串联或并联组成燃料电池组，以获得所需的电压。单元燃料电池的连接一般通过采用双极板来实现，多个单元燃料电池和多个双极板间隔分布，一块双极板的两个侧面分别与相邻单元燃料电池的阴极和阳极接触。
双极板一般包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间。阳极流场板将燃料送到阳极，阴极流场板把氧化剂如氧气或空气送到阴极。双极板一般由金属、石墨或复合材料制成，所述复合材料为石墨与树脂的混合物。膨胀石墨是石墨材料中的一个重要分支，膨胀石墨是通过热化学方法或电化学方法，将鳞片石墨进行插层处理，然后在高温环境下进行膨化而获得的高孔隙率的多孔疏松的石墨材料。用膨胀石墨直接压制的双极板的流场板具有良好的耐腐蚀性、导电性和抗冲击性，但是由于膨胀石墨的孔隙率较高，因此由膨胀石墨制成的流场板或双极板的表面需要经过浸渍处理使其不透气。
目前的质子交换膜燃料电池大都采用全氟磺酸膜作为质子交换膜，全氟磺酸膜必须在含水的情况下才具有质子传递的功能，而当质子交换膜燃料电池的工作温度超过80℃时，膜内水分的蒸发速度大于其生成的速度，膜内水分会减少，导电率会显著下降，燃料电池的输出功率也会下降，此时必须对质子交换膜进行增湿。如果双极板具有增湿功能，则不用再额外设置增湿装置，可以提高电池运行的效率。US 4,175,165公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件包括双极板，其中，双极板的表面涂覆有亲水性物质如硅溶胶，这些亲水性物质吸收并保持电池反应所产生的水分，当质子交换膜燃料电池的工作温度超过80℃时，所述亲水性物质所吸收并保持的水分可以补充质子交换膜散失的水分，达到增湿的目的，但是由于所述亲水性物质如硅溶胶的电导率较低，将其涂在双极板表面会增加双极板的表面电阻，使双极板的电导率下降。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的具有增湿功能的双极板电导率较低的缺点，提供一种具有增湿功能且电导率较高的流场板及其制备方法和使用该流场板的双极板。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用流场板，该流场板含有主体材料和亲水性物质，其中，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间.
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用流场板的制备方法，该方法包括将主体材料模压成型为流场板，其中，所述主体材料为膨胀石墨，该方法在将主体材料模压成型之前，还包括将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用双极板，该双极板包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间，其中，所述阳极流场板和/或阴极流场板为本发明提供的流场板。
根据本发明提供的流场板，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间，可以吸收、保持水分，对膨胀石墨的电导率影响很小，因此流场板具有增湿功能且电导率较高。
而且由于亲水性物质填充了膨胀石墨的微孔，不需要进行浸渍处理，就能够使流场板具有良好的隔气性能。
具体实施方式
本发明提供的质子交换膜燃料电池用流场板含有主体材料和亲水性物质，其中，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。
所述膨胀石墨可以为现有的用于制作流场板的膨胀石墨。所述膨胀石墨的密度可以为2-10毫克/立方厘米，优选为4-7毫克/立方厘米。膨胀石墨的平均孔直径可以为2-100微米，优选为5-60微米，更优选为10-50微米。所述膨胀石墨可以商购得到，或者根据已知的方法由常规的石墨制备得到。例如，可以用碱金属、卤素、金属卤化物或强氧化性含氧酸对石墨进行插层处理，形成层间化合物(也称作“可膨胀石墨”)；然后对所述层间化合物进行高温或微波处理，层间化合物膨化形成膨胀石墨。
所述亲水性物质可以为任何能够吸收并保持水分的物质，优选为碱金属硅酸盐和/硅溶胶。所述亲水性物质的填充量可以根据质子交换膜的实际增湿需要来确定，一般情况下，所述亲水性物质与膨胀石墨的重量比可以为1∶2-50，优选为1∶5-30。
由于碱金属硅酸盐和/硅溶胶具有粘合作用，因此将碱金属硅酸盐和/硅溶胶用作所述亲水性物质时，它们还可以起到粘合作用，不需要使用其它的粘合剂。所述碱金属硅酸盐可以为硅酸锂、硅酸钠和硅酸钾中的一种或几种，优选为硅酸钠。所述硅溶胶、碱金属硅酸盐如硅酸钠可以商购得到，或者通过已知的方法制备得到。
所述亲水性物质能够吸收并保持电池反应所产生的水分，当质子交换膜燃料电池的工作温度超过80℃时，所述亲水性物质所吸收并保持的水分可以补充质子交换膜散失的水分，从而达到增湿的目的；同时，由于所述亲水性物质没有涂覆在流场板的表面而是填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间，因此对膨胀石墨的电导率的影响很小，流场板的电导率较高；此外，与涂覆在流场板表面的亲水性物质相比，填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间亲的水性物质可以更有效地吸收并保持水分，从而增强流场板对质子交换膜的增湿功能。
所述流场板的尺寸可以根据质子交换膜燃料电池的尺寸来确定。一般情况下，流场板的厚度可以为0.1-2毫米，优选为0.5-1.5毫米。流场板的密度可以为0.8-2克/立方厘米，优选为1.2-1.8克/立方厘米。
本发明提供的质子交换膜燃料电池用流场板的制备方法包括将主体材料模压成型为流场板，其中，所述主体材料为膨胀石墨，该方法在将主体材料模压成型之前，还包括将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。
其中，优选情况下，将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的方法包括将亲水性物质的溶液与膨胀石墨接触并在接触后除去膨胀石墨表面的亲水性物质。接触的条件只要使填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的亲水性物质与膨胀石墨的重量比为1∶2-50即可。例如，接触的时间可以为10-100分钟，优选为20-60分钟。接触的形式优选为将膨胀石墨浸泡在所述亲水性物质的溶液中。所述亲水性物质的溶液可以为水溶液，浓度可以为50-250克/升，优选为100-200克/升。
与膨胀石墨接触的亲水性物质溶液所含的亲水性物质的量稍大于填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的亲水性物质的量，例如与膨胀石墨接触的亲水性物质溶液所含的亲水性物质的量和膨胀石墨的重量比可以为1∶1-30。
将亲水性物质的溶液与膨胀石墨接触后，可以通过用水洗涤与所述亲水性物质的溶液接触的膨胀石墨来除去膨胀石墨表面的亲水性物质。所述洗涤的方式优选为冲洗，这样既可以除去膨胀石墨表面的亲水性物质，又不会将填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的亲水性物质去除掉。
将主体材料模压成型为流场板的方法已为本领域技术人员所公知，例如，该方法可以包括将主体材料放入模具中，在20-100兆帕的压力下进行模压。本发明的方法除了在将主体材料模压成型之前，将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间以外，模压成型的方法和步骤可以与现有技术相同。
本发明提供的质子交换膜燃料电池用双极板包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间，流场板含有主体材料和亲水性物质，其中，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。
本发明提供的质子交换膜燃料电池用双极板包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间，其中，所述阳极流场板和/或阴极流场板为本发明提供的流场板。
除了所述阳极流场板和/或阴极流场板为本发明提供的流场板以外，双极板的其它结构可以与现有技术相同。
所述支撑板可以为具有双极板所需机械强度的各种板状物，支撑板的例子包括但不限于金属板、导电塑料板和石墨板。
将阳极流场板、支撑板和阴极流场板组合在一起即可形成双极板，其中组合方法已为本领域技术人员所公知，组合方法的例子包括但不限于镶嵌、层压和包容。
下面通过实施例来更详细地描述本发明。
实施例1
该实施例用于说明本发明提供的流场板。
将购买的可膨胀石墨(9950200，青岛天和石墨有限公司)在800℃下膨化30秒，制得密度为4毫克/立方厘米、平均孔直径为20微米的膨胀石墨。
将上述制得的膨胀石墨浸泡在150克/升的硅酸钠水溶液中，其中，膨胀石墨与硅酸钠水溶液中的硅酸钠的重量比为20∶1.浸泡30分钟后从硅酸钠水溶液中取出膨胀石墨，并用蒸馏水冲洗，除去膨胀石墨表面的溶液.浸泡后的膨胀石墨中，填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的硅酸钠与膨胀石墨的重量比为1∶30.其中，填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的硅酸钠的量＝(用于浸泡膨胀石墨的硅酸钠溶液中所含的硅酸钠的量)-(剩余的硅酸钠溶液中所含的硅酸钠的量)-(膨胀石墨表面的硅酸钠的量).
然后将浸泡过的膨胀石墨填入模具中，常温下，在20兆帕压力下分别模压出阳极流场板A1和阴极流场板C1。其中，阳极流场板和阴极流场板的尺寸均为60毫米×60毫米×1毫米，密度为1.5克/立方厘米。
实施例2
该实施例用于说明本发明提供的流场板。
将购买的可膨胀石墨(9950300，青岛天和石墨有限公司)在800℃下膨化30秒，制得容积为5毫克/立方厘米、平均孔直径为35微米的膨胀石墨。
将上述制得的膨胀石墨浸泡在100克/升的硅溶胶水溶液中，其中，膨胀石墨与硅溶胶水溶液中的硅溶胶的重量比为5∶1。浸泡50分钟后从硅溶胶水溶液中取出膨胀石墨，并用蒸馏水冲洗，除去膨胀石墨表面的硅溶胶。浸泡后的膨胀石墨中，填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的硅溶胶与膨胀石墨的重量比为1∶9。其中，填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的硅溶胶的量＝(用于浸泡膨胀石墨的硅溶胶水溶液中所含的硅溶胶的量)-(剩余的硅溶胶水溶液中所含的硅溶胶的量)-(膨胀石墨表面的硅溶胶的量)。
然后将浸泡过的膨胀石墨填入模具中，常温下，在50兆帕压力下分别模压出阳极流场板A2和阴极流场板C2。其中，阳极流场板和阴极流场板的尺寸均为60毫米×60毫米×1毫米，密度为1.7克/立方厘米。
对比例1
该对比例用于说明现有技术的流场板。
按照与实施例2相同的方法，制得阳极流场板DA1和阴极流场板DC1，不同的是，膨胀石墨没有在硅酸钠水溶液中进行浸泡而直接进行模压成型；模压成型后在流场板的表面涂覆硅溶胶，硅溶胶的用量与膨胀石墨的用量的重量比为1∶9。
实施例3-4
实施例3-4用于分别测定实施例1制备的阳极流场板A1和阴极流场板C1以及实施例2制备的阳极流场板A2和阴极流场板C2的电导率。
电导率测定：
用数字万用表(VC980+，深圳胜利高电子科技有限公司)测量流场板表面任意两点之间的电阻，根据两点之间的距离计算出电导率，结果如表1所示。其中，表1所示的电导率值为五次测定值的平均值。
对比例2
该对比例用于测定对比例1制备的阳极流场板DA1和阴极流场板DC2的电导率。
按照与实施例3-4相同的方法测定对比例1制备的阳极流场板DA1和阴极流场板DC2的电导率，结果如表1所示。
表1
从表1所示的电导率可以看出，实施例1制备的阳极流场板A1和阴极流场板C1以及实施例2制备的阳极流场板A2和阴极流场板C2的电导率明显高于对比例1制得的阳极流场板DA1和阴极流场板DC2。
实施例5
该实施例用于说明由实施例1制备的阳极流场板A1和阴极流场板C1所组成的双极板对质子交换膜燃料电池的增湿作用。
将实施例1制备的阳极流场板A1和阴极流场板C1与尺寸为60毫米×60毫米×0.2毫米的铝板层压在一起，组成双极板。
按照如下方法制备质子交换膜燃料电池：(1)将0.2重量份碳黑(VulcanXC72R，Cabot公司)和0.1重量份固含量为60重量％的PTFE乳液(FR303A，上海三爱富新材料股份有限公司)、10重量份去离子水混合，超声分散30分钟，得到碳分散液，然后将碳分散液涂布在碳纸(TGP-H-90，Toray公司)上，100℃干燥后碳纸增重量为1毫克/厘米2，然后置于高温烘箱内350℃烘干20分钟，得到气体扩散层；(2)将0.2重量份铂担载量为47.7重量％的Pt/C催化剂(Hispec8100，Johnson Matthey公司产品)和2重量份nafion分散液(DE520，DUPONT公司产品)混合均匀。超声分散30分钟，得到催化剂分散液，然后将分散液涂布在气体扩散层的内面，直至铂载量达到0.5毫克/厘米2，100℃干燥2小时，得到气体扩散电极；(3)将两片上述得到的气体扩散电极裁成5厘米×5厘米的方形，分别夹在面积大于气体扩散电极的nafion膜(NRE212，DUPONT公司产品)的中央两侧，送入热压机130℃、2兆帕热压2分钟，得到质子交换膜燃料电池。质子交换膜燃料电池的活化面积为25厘米2。
将两个双极板与一个上述质子交换膜燃料电池组装成质子交换膜燃料电池组，其中，质子交换膜燃料电池位于两个双极板之间，一个双极板的阳极流场板与质子交换膜燃料电池的阳极相对，另一个双极板的阴极流场板与质子交换膜燃料电池的阴极相对.从燃料电池阳极进口通入氢气(90℃)，并保持阳极室内压力为0.1兆帕，使阳极出口氢气流量保持恒定，氢气的利用率为95％；从阴极进口通入空气(90℃)，并保持阴极室内压力为0.1兆帕，使阴极出口空气的流量保持恒定，空气利用率为40％.将燃料电池与一3欧姆的电阻串联使电池构成回路，电池开始放电，控制电池的工作温度为90℃，测定并记录电池的输出电压.电池在90℃下持续工作100小时后，输出电压基本上没有变化，说明电池的输出功率也没有变化，由实施例1制备的阳极流场板A1和阴极流场板C1所组成的双极板对质子交换膜燃料电池很好地起到了增湿作用.
实施例6
该实施例用于说明由实施例2制备的阳极流场板A2和阴极流场板C2所组成的双极板对质子交换膜燃料电池的增湿作用。
按照与实施例5相同的方法测定由实施例2制备的阳极流场板A2和阴极流场板C2所组成的双极板对质子交换膜燃料电池的增湿作用，发现电池在90℃下持续工作100小时后，输出电压基本上没有变化，说明电池的输出功率也没有变化，由实施例2制备的阳极流场板A2和阴极流场板C2所组成的双极板对质子交换膜燃料电池很好地起到了增湿作用。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池用流场板，该流场板由主体材料和亲水性物质组成，其特征在于，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质为碱金属硅酸盐和/或硅溶胶，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间，所述膨胀石墨的密度为2-10毫克/立方厘米，微孔的平均孔直径为2-100微米。
2.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述碱金属硅酸盐为硅酸钠。
3.根据权利要求1所述的流场板，其中，所述亲水性物质与膨胀石墨的重量比为1∶2-50。
4.一种质子交换膜燃料电池用流场板的制备方法，该方法包括将主体材料模压成型为流场板，其特征在于，所述主体材料为膨胀石墨，该方法在将主体材料模压成型之前，还包括将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间，所述亲水性物质为碱金属硅酸盐和/或硅溶胶，所述膨胀石墨的密度为2-10毫克/立方厘米，微孔的平均孔直径为2-100微米。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的方法包括将亲水性物质的溶液与膨胀石墨接触并在接触后除去膨胀石墨表面的亲水性物质，接触的条件使填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间的亲水性物质与膨胀石墨的重量比为1∶2-50。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，亲水性物质的溶液与膨胀石墨接触的时间为10-100分钟，与膨胀石墨接触的亲水性物质溶液中所含的亲水性物质的量和膨胀石墨的重量比为1∶1-30。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述碱金属硅酸盐为硅酸钠。
8.一种质子交换膜燃料电池用双极板，该双极板包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间，其特征在于，所述阳极流场板和/或阴极流场板为权利要求1-3中任意一项所述的流场板。
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