CN101552339A - 低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法 - Google Patents

低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池技术领域的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，包括：将中间相炭微球与催化剂溶液混合后球磨0.5～5小时，然后加热77～79℃，加热0.5～5小时回收处理溶剂乙醇，再采用模压成型法得到带完整流道的双极板素坯；将双极板素坯进行低温催化石墨化处理，然后自然冷却至室温，最后依次进行清洗处理和干燥处理，制成质子交换膜燃料电池双极板。本发明很好地满足质子交换膜燃料电池双极板高性能低成本的要求，为制备高性能、低成本的质子交换膜燃料电池双极板提出了新的路径。

Description

低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种燃料电池技术领域的制备方法，具体是一种低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种清洁、高效的发电装置。燃料电池根据所用电解质的不同分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池五大类。其中，质子交换膜燃料电池除具有燃料电池的一般特点(如能量转化效率高、环境友好等)之外，同时还具有可在室温快速启动、无电解质流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点。因此，它不仅可以用于建设分散电站，也特别适宜于用作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军、民通用的一种新型可移动动力源，也是利用氯碱厂副产物氢气发电的最佳候选电源。在未来的以氢为主要能量载体的氢能时代，它是最佳的家庭动力源。
质子交换膜燃料电池的主要结构部件有：膜电极、双极板(也叫流场板和隔离板)、扩散层和密封材料。其中双极板占有电池堆80％以上的重量和体积比，而制备成本则占整个电堆成本的40～60％。目前普遍采用的制备质子交换膜燃料电池双极板的材料有石墨、导电填料/树脂复合材料和金属材料，采用的加工工艺则有机加工(石墨板，费时耗材，成本高)、模压成型、注射成型(导电填料/树脂复合材料，但导电性、导热性及稳定性差)以及冲压成型(金属材料，会对质子交换膜产生污染，增加内阻以及寿命短)。
经过对现有技术的检索尚未发现相关材料和工艺结合可以很好地满足质子交换膜燃料电池双极板高性能低成本的要求。这成为质子交换膜燃料电池商业化发展的一个瓶颈问题而必须解决。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，很好地满足质子交换膜燃料电池双极板高性能低成本的要求，为制备高性能、低成本的质子交换膜燃料电池双极板提出了新的路径。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明涉及低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将中间相炭微球与催化剂溶液混合后球磨0.5～5小时，然后加热进行加热回收处理，再采用模压成型法得到带完整流道的双极板素坯。
所述的催化剂溶液与中间相炭微球的质量比为0.05∶100～20∶100。
所述的催化剂溶液是指：溶剂为乙醇，浓度为0.5wt.％～20wt.％的CoCl2·6H2O溶液。
所述的催化剂溶液优选浓度为5wt.％～10wt.％的CoCl2·6H2O乙醇溶液。
所述的加热回收处理是指：加热温度为77～79℃，加热时间为05～5小时，以回收催化剂溶液中的溶剂乙醇。
(2)将步骤(1)得到的双极板素坯进行低温催化石墨化处理，然后自然冷却至室温，最后依次进行清洗处理和干燥处理，制成质子交换膜燃料电池双极板。
所述的质子交换膜燃料电池双极板为整体石墨化碳材料。
所述的低温催化石墨化处理是指：将双极板素坯置于埋粉或者惰性气氛保护的烧结炉中以1℃/min的升温速度升至600℃并恒温2小时，然后以5℃/min的升温速度升至1400℃并恒温1小时，随炉冷却至室温。
所述的清洗处理是指：用5％的盐酸对低温催化石墨化处理后的双极板进行酸洗直至双极板的表面洗至无色，最后采用去离子水对双极板进行水洗直至pH＝7。
所述的干燥处理是指：在120℃环境下干燥2小时。
本发明的优点是避开了为了得到高导电导热性能的炭材料而必需的高温石墨化过程(2800℃以上)，降低了生产成本，节约能源，利于批量生产，为制备高性能低成本的质子交换膜燃料电池双极板提出了新的路径。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
(1)制备双极板素坯：称取10gCoCl2·6H2O溶解于200ml乙醇溶液中，然后将100g中间相炭微球加入到该溶液中球磨混合5小时，再加热温度79℃下1小时以回收催化剂溶液中的乙醇并彻底干燥，容器中的固体残留物即为浸渍有催化剂的中间相炭微球，将浸渍后的中间相炭微球模压成型，得到双极板素坯；
(2)制备双极板：将素坯置于真空烧结炭化炉中，以5℃/min的升温速度升至600℃保温2小时，然后再以10℃/min的升温速度升至1400℃，保温1小时后随炉冷却至室温；
(3)待双极板冷却至室温后用5％的盐酸洗至无色，然后再用去离子水洗至pH＝7；最后置于120℃环境下干燥2小时，制成整体低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板。
比较例：
(1)制备双极板素坯：称取100g中间相炭微球加入到乙醇溶液中球磨混合5小时，然后加热回收乙醇并彻底干燥，将干燥后的中间相炭微球模压成型，得到双极板素坯；
(2)制备双极板：将素坯置于真空烧结炭化炉中，以5℃/min的升温速度升至600℃保温2小时，然后再以10℃/min的升温速度升至1400℃，保温1小时后随炉冷却至室温；
(3)待双极板冷却至室温后用5％的盐酸洗至无色，然后再用去离子水洗至pH＝7；最后置于120℃环境下干燥2小时，制成质子交换膜燃料电池双极板。
将本实施例制备所得的整体低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板与比较例中制备的双极板的d002层间距进行比较。本实施例与比较例的XRD数据的对比表如下：
 XRD测得的d002层间距
  实施例  0.3374nm
  比较例  0.3482nm
石墨化度的计算公式为：g＝(0.344-d002)/0.0086。则实施例的双极板的石墨化度为76.74％，而比较例的d002值大于0.344nm，可以认为几乎没有石墨化发生。
采用本发明制备的双极板的电阻率为15μΩ·m，导热率为312w/(m·k)，抗折强度为52MPa。而采用比较例方法制备的双极板的电阻率为36μΩ·m，导热率为292w/(m·k)，抗折强度为67MPa。

Claims (8)

1、一种低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将中间相炭微球与催化剂溶液混合后球磨0.5～5小时，然后进行加热回收处理，再采用模压成型法得到带完整流道的双极板素坯；
(2)将步骤(1)得到的双极板素坯进行低温催化石墨化处理，然后自然冷却至室温，最后依次进行清洗处理和干燥处理，制成质子交换膜燃料电池双极板。
2、根据权利要求1所述的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的催化剂溶液与中间相炭微球的质量比为0.05∶100～20∶100。
3、根据权利要求1或2所述的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的催化剂是指：浓度为5wt.％～10wt.％的CoCl2·6H2O乙醇溶液。
4、根据权利要求1或2所述的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的加热回收处理是指：加热温度为77～79℃，加热时间0.5～5小时。
5、根据权利要求1所述的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的低温催化石墨化处理是指：将双极板素坯置于埋粉或者惰性气氛保护的烧结炉中以1℃/min的升温速度升至600℃并恒温2小时，然后以5℃/min的升温速度升至1400℃并恒温1小时，随炉冷却至室温。
6、根据权利要求1所述的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的清洗处理是指：用5％的盐酸对双极板进行酸洗直至双极板的表面洗至无色，最后采用去离子水对双极板进行水洗直至pH＝7。
7、根据权利要求1所述的石墨炭化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的干燥处理是指：在120℃环境下干燥2小时。
8、根据权利要求1所述的低温催化石墨化质子交换膜燃料电池双极板的制备方法，其特征是，所述的质子交换膜燃料电池双极板为整体石墨化碳材料。
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