CN103137982A - 一种热塑性树脂为粘结剂的水传输板及其制备 - Google Patents

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邵志刚
秦晓平
王永丰
衣宝廉
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Abstract

本发明涉及一种以热塑性树脂为粘结剂的水传输板的制备方法。在一种最佳的制备方法中，将亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂混合，混合均匀后在模具中热压成型。将其用作固体聚合物电解质燃料电池双极板具有较好的透水、阻气特性。

Description

一种热塑性树脂为粘结剂的水传输板及其制备
技术领域
本发明涉及一种热塑性树脂为粘结剂的水传输板及其制备，具体地说是一种透水、阻气的复合板的制备方法，可应用于固体聚合物电解质燃料电池。 
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接将化学能转化为电能而不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，对环境几近零污染；同时，PEMFC还具有可低温快速启动，噪声小，功率密度高等优点，是作为电动汽车动力源、便携式小型电源以及水下动力系统电源等最为有潜力的化学电源之一。因而受到世界各国政府和各方面的广泛关注，技术发展迅速。 
在质子交换膜燃料电池中，氢离子、电子和氧分子在阴极侧经过电化学反应生成水。生成的水必须从阴极侧排出，以免引起阴极侧的水淹，从而造成电池供气不足。同时，由于氢离子从阳极到阴极的电迁移过程会带着水分子，必然会造成阳极侧干燥，所以必须向电池的阳极侧补充水，防止质子交换膜的干燥，同时避免阴极侧水淹。在PEMFC中，一个至关重要的问题就是水管理。PEMFC在运行过程中，必须有一定含量水存在才能保证电池运行所需的质子传导。因此电池的进气需要一定程度的增湿，电池内合适的水量对于保持催化层和质子交换膜的高质子传导率和电池的高性能具有重要意义。通常PEMFC采用复杂的动态排水辅助系统来实现水的管理，降低了气体的利用率、增加了电池的重量，复杂性，并且容易导致电池操作的稳定性降低。因此探索如何简化系统的排水设计，具有重要的研究意义。 
在PEMFC中，采用多孔结构的导水阻气的水传输板，可以在燃料电池工作过程中，通过水传输板与压力差，使阴极形成的生成水经水传输板迁移，进而通过水腔将生成水迅速排除，避免动态排水的不稳定性。同时，水传输板可以阻止气体通过，在各单电池之间提供气体隔离，使之成为双极板的候选材料。 
奥地利专利389020描述了一种氢离子交换薄膜燃料电池叠置结构，它利用一个小孔隙的水冷却板组件来提供被动的冷却剂和水管理控制。但是，这种方案难以实现，而且由于板元件的不均匀性，使得这种方案成本较高。ZL 99807423.3中将石墨粉末、纤维质纤维、增强纤维和热固性树脂制造了一种水传输板用于固体聚合物电解质燃料电池，具有很好的气泡压力、透水性、中值孔隙尺寸、孔隙率、贯穿平面电阻率和抗压屈服强度，但是其必须经过碳化步骤，且经碳化后的石墨板质地较脆。CN200680049748.4通 过适当地选择石墨粒子或者对石墨粒子进行预处理，使得制品中的至少一部分石墨粒子具有令人满意的润湿率从而使该制品具有亲水性或可润湿性，但是，石墨粒子的预处理会增加石墨的电阻，从而造成制品的电阻较大。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种热塑性树脂为粘结剂的水传输板的制备方法。 
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 
一种以热塑性树脂为粘结剂的水传输板的制备方法，其特征在于：由亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂混合热压而成；亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂的比例为65-80wt％∶5-15wt％∶10-20wt％。 
一种以热塑性树脂为粘结剂的水传输板的制备方法，将亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂以65-80wt％∶5-15wt％∶10-20wt％的配比混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具热压，模压压力为51-170MPa，模压温度为120-320℃，模压时间为10-30min。 
所述亲水性碳粉为煤基碳、椰壳碳、杏壳碳或石墨粉。 
所述亲水性碳粉较好为煤基碳、椰壳碳或杏壳碳，其粒径为1-100μm。 
所述的增强纤维为：碳纤维或石墨纤维，直径为110nm-15μm，长径比为10-50。 
热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚醚砜和热塑性酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、聚醚酰胺中的一种。 
本发明较好的实施条件是： 
所用的亲水性碳粉可以是1-75μm的煤基碳、椰壳碳或杏壳碳，其较好的亲水性有助于制备的水传输板的透水性。与憎水性碳粉成型后亲水化处理的工艺相比，更利于透水； 
其亲水的微孔结构有利于满足双极板的阻气需求； 
所用的热塑性树脂利于水传输板制备过程的简化，不经过碳化过程有利于增加水传输板的韧性。 
本发明的优点主要体现在： 
1.本发明的粘结剂为热塑性树脂，其软化温度高于PEMFC的操作温度，制备方法简单易控，制备效率高； 
2.本发明制备的水传输板无需经过碳化过程，所制水传输板的韧性好，利于燃料电池电堆的组装； 
3.本发明所采用的碳材料为亲水性碳材料，孔径在微米级，利于导水阻气； 
4.本发明制备的水传输板具有良好的透水、阻气能力，做为燃料电池双极板材料使用，可实现PEMFC的静态排水，有利于电池系统的稳定运行。 
附图说明
图1.水传输板的制备流程； 
图2.以不同方法制备的水传输板的电阻随压力的变化曲线。其中，WTP1是实施例2压制而成的水传输板，它的接触角为0，常压透水，泡点为0.105MPa；而WTP2是实施例3压制而成的水传输板，它的接触角为0，常压透水，泡点为0.1MPa。 
具体实施方式
实施例1 
将8g粒径为1μm的杏壳碳、1.2g聚丙烯和0.8g直径为110nm、长度为3μm的增强纤维混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具在120℃、8MPa下热压30min，脱模，制备得到的板厚度为1.37mm，表面分布有平行的条形流道。 
实施例2 
将8g粒径为75μm的煤基碳、1.4g热塑性酚醛树脂和0.6g直径为11-15μm、长度为100μm的增强纤维混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具在160℃、4MPa下热压20min，脱模，制备得到的板厚度为1.42mm，表面分布有平行的条形流道。 
实施例3 
将7.4g粒径为75μm的煤基碳、1.4g热塑性酚醛树脂和1.2g直径为11-15μm、长度为100μm的增强纤维混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具在160℃、4MPa下热压20min，脱模，制备得到的板厚度为1.39mm，表面分布有平行的条形流道。 
实施例4 
将5.35g粒径为75μm的椰壳碳、1.15g粒径为21nm的P25(二氧化钛)、2g聚乙烯和1.5g直径为110nm、长度为7μm的增强纤维混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具在120℃、3MPa下热压10min，脱模，制备得到的板厚度为1.40mm，表面分布有平行的条形流道。 
实施例5 
将6.5g粒径为38.5μm的煤基碳、2g聚对苯二甲酸乙二醇酯和1.5g直径为11-15μm、长度为100μm的增强纤维混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具在260℃、4MPa下热压30min，脱模，制备得到的板厚度为1.37mm，表面分布有平行的条形流道。 
实施例6 
将6.5g粒径为75μm的椰壳碳、2g聚苯硫醚和1.5g直径为11-15μm、长度为100μm的增强纤维混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具在320℃、4MPa下热压30min，脱模，制备得到的板厚度为1.50mm，表面分布有平行的条形流道。 
表.1以不同热塑性树脂为粘结剂制备的水传输板的性能。 
 名称   接触角   透水压力   泡点压力
 实施例2   0   常压   0.105MPa
 实施例3   0   常压   0.1MPa
 实施例4   0   常压   0.039MPa
表1的测试条件为：接触角测试时，水滴体积3.0μl，下降速度800μl/min；透水压力测试时，将水加到板的一侧，在水侧加压，看在多少气体压力下，板的另一侧会有水滴出现；泡点压力测试时，将水加到板的一侧，在另一侧加压，看在多少气体压力下，水表面有气泡产生。
本发明水传输板的制备是以亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂混合热压而成，整个工艺过程简单易控，经济合理。该水传输板作为固体聚合物电解质燃料电池双极板，具有良好的透水、阻气与导电能力 。

Claims (6)

1.一种以热塑性树脂为粘结剂的水传输板的制备方法，其特征在于：由亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂混合热压而成；
亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂的比例为65-80wt％∶5-15wt％∶10-20wt％。
2.一种权利要求1所述水传输板的制备方法，其特征在于：将亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂混合均匀，然后将混合料置于模具中，并将模具热压，模压压力为51-170MPa，模压温度为120-320℃，模压时间为10-30min；
亲水性碳粉、增强纤维和热塑性树脂的比例为65-80wt％：5-15wt％∶10-20wt％。
3.根据权利要求1或2所述的水传输板的制备方法，其特征在于：所述亲水性碳粉为煤基碳、椰壳碳、杏壳碳或石墨粉。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：所述亲水性碳粉为煤基碳、椰壳碳或杏壳碳，其粒径为1-100μm。
5.根据权利要求1或2所述的水传输板的制备方法，其特征在于：所述的增强纤维为：碳纤维或石墨纤维，直径为110nm-15μm，长径比为10-50。
6.根据权利要求1或2所述的水传输板的制备方法，其特征在于：热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、氟树脂、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚砜、聚醚砜和热塑性酚醛树脂、聚酯、聚酰胺、聚醚酰胺中的一种。
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