CN105428670A - 一种高功率密度pemfc电堆专用极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：(1)将碳纤维短纤与树脂或沥青混合，再加入碳粉或石墨粉、造孔剂、增强剂；(2)将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有流场结构的极板；(3)将压制成型的极板进行石墨化处理；(4)将石墨化后的极板放入PTFE溶液中浸泡，沥干后，灼烧疏水处理并冷却，得到该高功率密度PEMFC电堆专用极板。本发明采用新工艺制备高功率密度PEMFC电堆专用的极板，并在该极板的表面压制出流场，代替传统的双极板和气体扩散层，即可对进入燃料电池电堆内部的气体进行分布，具有轻质、紧凑、高效的优点，有利于拓宽燃料电池的应用领域。

Description

一种高功率密度PEMFC电堆专用极板及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆专用极板及其制备方法。
背景技术
燃料电池是将氢气的化学能转化为电能的装置，其优点是产物是水，零排放无污染，噪音低，转化效率高。工作温度可在低温环境下运行，是移动电源和基站电源和固定电源的首选。传统的燃料电池，是由膜电极、双极板、集电板、端板和紧固件组成。由于聚合物膜燃料电池单片电压低，在实际应用中，是由多个电池单元叠加在一起进行串联起来，形成电堆。
轻质化和结构紧凑化是燃料电池未来发展的重点之一，目前的燃料电池由于体积、重量等原因，只能在一些特定场所适用，极大的制约了燃料电池的推广应用，如何减轻燃料电池电堆的重量，提高燃料电池体积能量密度，将燃料电池应用范围更广泛，成为目前急需解决的重要问题。
双极板是燃料电池部件中最重的构件，主要起支撑和分配气体的作用。传统的双极板基本上是石墨双极板或金属双极板，重量占电堆重量一半以上，体积占燃料电池体积的30～70％左右，使得燃料电池重量与体积偏大，限制燃料电池应用范围与领域，在当今对燃料电池的体积密度和重量密度要求接近苛求的条件下，越来越制约着燃料电池的商业化脚步。因此，燃料电池电堆轻质化和紧凑化的问题重点便在于对传统燃料电池双极板结构的改造。
目前市场上的燃料电池中，大多采用金属双极板或石墨双极板组装电堆，还很少见不使用双极板直接组装电堆的，即使有，也是出于一定的目的使用其它装置来代替双极板，比如公开号为CN102422469A的一件发明专利申请，便公开了一种未设置双极板的电堆，具有固体聚合物电解质膜和夹持所述聚合物电解质膜的一对催化剂层。固体聚合物电解质膜和催化剂层的层压体由一对气体扩散层进一步夹持。相邻的催化剂层和气体扩散层构成气体扩散电极。固体聚合物电解质膜和一对气体扩散电极进一步以层压状态构成膜电极组件(MEA)。MEA进一步由一对隔离膜夹持。该隔离膜通过以下方式来获得：将冲压成型工艺应用在厚度0.5mm以下的薄板上，成型为凹凸形状。从MEA侧观察到的隔离膜的凸部与MEA接触。从MEA侧观察到的隔离膜的凹部用作在燃料电池运行期间气体通过用气体通路。该公开文件中，包括电解质膜层、催化剂层、气体扩散层和最外侧的隔离膜，其中虽然未设置双极板，然而隔离膜不论从形状上还是功能上与双极板所起的作用都是一致的，相比双极板减轻了一些重量，但仍占据一定的重量与体积，并不能从根本上解决问题。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种可大幅度减轻重量、减小体积的高功率密度PEMFC电堆专用极板；
本发明的另一目的在于提供一种该极板的制备方法。
技术方案：本发明所述高功率密度PEMFC电堆专用极板，包括如下组分：
各组分以重量份计。
优选地，所述单板型高功率密度PEMFC电堆专用极板，包括如下组分：
优选地，所述碳纤维短纤为T300～T1000其中一种；短纤长度为3～9mm。
优选地，所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙稀酸类树脂、聚酯树脂或含氟类树脂的其中一种或几种的混合物。
优选地，所述碳粉为XC-72、科琴黑、中间相碳微球或碳纳米管其中一种或几种的混合物，所述碳粉或石墨粉的粒径为1000～15000目。
一种高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与树脂或沥青混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉或石墨粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌；
(2)压制：根据设计的流场形状与尺寸，将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有流场结构的极板，该极板厚度为0.6～3mm，孔隙率为50％～80％，孔径为0.1～3μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：高温1800---2300℃，氮气保护或者在真空氛围内，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的极板放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300～400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到该高功率密PEMFC电堆专用极板。
本发明进一步优选地技术方案为，步骤(2)中流场包括阴极侧流场和阳极侧流场两种。
进一步地，所述阴极侧流场的极板流道深度为0.5～2mm，阳极侧流场的极板流道深度为0.3～1mm。
优选地，步骤(2)中流场的形状包括蛇形流场、直流场、混合流场、点状流场，但不限于上述流场形状。
优选地，极板的平板面上还涂布有一层厚度为10～700μm的导电缓冲层。
本发明的工作原理是：氢气与氧气分别由各自的进气口进入电堆，在极板表面流场的作用下均匀分布，并通过该极板的孔隙扩散到膜电极表面进行相应的电化学反应。
有益效果：(1)本发明采用新配方、工艺制备燃料电池的极板，具有高强度、强刚性，气体透过性好，其弯曲强度＞30MPa，拉伸强度＞20MPa，抗压强度＞1GPa，并在极板的表面压制出流场，无需设置双极板，即可对进入燃料电池电堆内部的气体进行分布，使用极板代替传统的双极板和气体扩散层，重新定义了燃料电池的概念，具有轻质、紧凑、高效的优点，有利于拓宽燃料电池的应用领域；
(2)本发明配方及工艺制备的极板加入增强剂，可在电堆内部起到一定的支撑作用，在确保轻质的同时，保证极板的硬度，无需双极板或隔板支撑，有利于减轻电堆的重量与体积，提高了电堆的比体积密度和比重量密度；
(3)本发明根据阴极流场和阳极流场的不同，在极板的表面压制出不同深度的流道，确保氧化剂气体和燃料气气体在各自的流场内均匀分布，提高电堆的性能。
附图说明
图1为本发明所述极板的流道面结构示意图；
图2为本发明所述极板的平板面结构示意图；
图3为图1的A-A截面图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1-3所示：下列各实施例中的高功率密度PEMFC电堆专用极板的正反两面分别为流场面1和平板面2，其中流场面1上具有流场流道4，平板面2上涂覆有缓冲层3。
实施例1：一种高功率密度PEMFC电堆专用极板：包括如下组分：
各组分以重量份计。
该高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌，其中碳纤维为T300，短纤长度为3mm，树脂为环氧树脂，碳粉为VC-72，碳粉粒径为1000目；
(2)压制：将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有蛇形流场流道结构的极板，其中：阴极侧流场流道的深度加工为0.5mm，阳极侧流场流道深度加工为0.3mm；该极板整体厚度为0.6mm，孔隙率为50％，孔径为0.1μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板放入高温炉中进行石墨化处理，石墨化条件：高温1800℃，氮气保护，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的极板放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300℃下灼烧疏水处理，完成后冷却；
(5)制备导电缓冲层：将疏水处理后的极板放在涂布机上，在极板的平板面上涂布一层厚度为10μm的导电缓冲层。
实施例2：一种高功率密度PEMFC电堆专用极板：包括如下组分：
各组分以重量份计。
该高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与沥青混合，并搅拌均匀后，再加入石墨粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌，其中碳纤维为T1000，短纤长度为9mm，石墨粉粒径为15000目；
(2)压制：将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有直流场流道结构的极板，其中：阴极侧流场流道深度加工为2mm，阳极侧流场流道深度加工为1mm；该极板整体厚度为3mm，孔隙率为70％，孔径为3μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板放入高温炉中进行石墨化处理，石墨化条件：真空氛围内，高温2300℃，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的高强度气体扩散层放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却；
(5)制备导电缓冲层：将疏水处理后的极板放在涂布机上，在极板的平板面上涂布一层厚度为700μm的导电缓冲层。
实施例3：一种高功率密度PEMFC电堆专用极板：包括如下组分：
各组分以重量份计。
该高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌，其中碳纤维为T300，短纤长度为3mm，树脂为含氟类树脂，碳粉为VC-72，碳粉粒径为1000目；
(2)压制：将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有蛇形流场流道结构的极板，其中：阴极侧流场流道的深度加工为0.5mm，阳极侧流场流道深度加工为0.3mm；该极板整体厚度为0.6mm，孔隙率为50％，孔径为0.1μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板放入高温炉中进行石墨化处理，石墨化条件：高温1800℃，氮气保护，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的极板放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300℃下灼烧疏水处理，完成后冷却；
(5)制备导电缓冲层：将疏水处理后的极板放在涂布机上，在单极板的平板面上涂布一层厚度为10μm的导电缓冲层。
实施例4：一种高功率密度PEMFC电堆专用极板：包括如下组分：
各组分以重量份计。
该高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入石墨粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌，其中碳纤维为T1000，短纤长度为9mm，树脂为丙稀酸类树脂，石墨粉粒径为15000目；
(2)压制：将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有点状流场流道结构的极板，其中：阴极侧流场流道的深度加工为2mm，阳极侧流场流道的深度加工为1mm；该极板整体厚度为3mm，孔隙率为70％，孔径为3μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板放入高温炉中进行石墨化处理，石墨化条件：真空氛围内，高温2300℃，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的极板放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却；
(5)制备导电缓冲层：将疏水处理后的极板放在涂布机上，在极板的平板面上涂布一层厚度为700μm的导电缓冲层。
实施例5：一种高功率密度PEMFC电堆专用极板：包括如下组分：
各组分以重量份计。
该高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与树脂混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌，其中碳纤维为T300，短纤长度为5mm，树脂为酚醛树脂，碳粉为中间相碳微球，碳粉粒径为10000目；
(2)压制：将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有蛇形流场流道结构的极板，其中：阴极侧流场流道深度加工为1mm，阳极侧流场流道深度加工为0.6mm；该极板整体厚度为1.5mm，孔隙率为60％，孔径为1.5μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板放入高温炉中进行石墨化处理，石墨化条件：高温2000℃，氮气保护，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的极板放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在350℃下灼烧疏水处理，完成后冷却；
(5)制备导电缓冲层：将疏水处理后的极板放在涂布机上，在极板的平板面上涂布一层厚度为100μm的导电缓冲层。
上述各实施例制备的高功率密度PEMFC电堆专用极板具体参数如下：
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种高功率密度PEMFC电堆专用极板，其特征在于，包括如下组分：
2.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板，其特征在于，包括如下组分：
3.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板，其特征在于，所述碳纤维短纤为T300～T1000其中一种；短纤长度为3～9mm。
4.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板，其特征在于，所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙稀酸类树脂、聚酯树脂或含氟类树脂的其中一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板，其特征在于，所述碳粉为XC-72、科琴黑、中间相碳微球或碳纳米管其中一种或几种的混合物，所述碳粉或石墨粉的粒径为1000～15000目。
6.一种如权利要求1～5任意一项所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)混料：将碳纤维短纤与树脂或沥青混合，并搅拌均匀后，再加入碳粉或石墨粉、造孔剂、增强剂DH-4，继续搅拌；
(2)压制：根据设计的流场形状与尺寸，将步骤(1)处理后混合物放入模具内压制成一面为平板，另一面具有流场结构的极板，该极板厚度为0.6～3mm，孔隙率为50％～80％，孔径为0.1～3μm；
(3)石墨化：将压制成型的极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：高温1800～2300℃，氮气保护或者在真空氛围内，完成后冷却待用；
(4)疏水：将石墨化后的极板放入10％～60％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300～400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到该高功率密度PEMFC电堆专用极板。
7.根据权利要求6所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中流场包括阴极侧流场和阳极侧流场两种。
8.根据权利要求7所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，其特征在于，所述阴极侧流场的极板流道深度为0.5～2mm，阳极侧流场的极板流道深度为0.3～1mm。
9.根据权利要求6所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中流场的形状包括蛇形流场、直流场、混合流场、点状流场。
10.根据权利要求6所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板的制备方法，其特征在于，极板的平板面上还涂布有一层厚度为10～700μm的导电缓冲层。
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