CN109904485A - 一种燃料电池导水双极板的密封方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池技术，具体为燃料电池导水双极板的密封方法。其处理方法：将导水双极板的微孔板边缘浸入封边物质中，该物质可以是溶液或熔融状态，一定时间后取出后冷却；再将导水双极板边缘打磨、抛光或雕铣，对边缘微孔进行密封处理，即可达到防止反应气渗透的作用。本发明的导水板具有较好的耐压能力和气密性，适用于一定压力下工作的质子交换膜燃料电池。

Description

一种燃料电池导水双极板的密封方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术领域，具体涉及燃料电池导水双极板的密封方法，主要是关于具有导水功能的燃料电池双极板的封边方法。
背景技术
双极板是质子交换膜燃料电池电池组的关键部件，在燃料电池电堆中主要起导电、集流、分隔氧化剂和还原剂、引导氧化剂和还原剂在电池内的流动以及引导冷却水在电池内的流动等作用。不同类型质子交换膜燃料电池堆所采用排水方式不同，其使用的双极板及其结构也有重大差异，比如有动态排水方式和静态排水方式等。
当燃料电池堆采用静态排水方式时，其双极板是一种新型的燃料电池结构，它将传统致密型双极板由多孔结构的双极板代替。导水双极板具有微孔结构，水可以充满于孔隙之中进行迁移，同时在气体泡点压力以下起到液封气体的作用。当燃料电池工作时，如果膜的润湿程度不够，则冷却水腔的水穿过导水双极板微孔增湿反应气体，进而润湿膜；当扩散层或流场中液态水过多时，导水双极板可以将水传递至水腔中，保证气体的有效传输。
由于燃料电池导水双极板具有微米级别的孔径结构，当燃料电池在一定压力下操作时，反应气体极易从极板边缘的微孔处漏出，导致密封困难。所以，为防止反应气泄露，必须对导水双极板的边缘进行密封处理，即将极板密封边框区域的表面及其微孔完全覆盖。
CN200810034172介绍了一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法。它将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中真空浸渍；再将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理；然后用铣削或磨削的方法去掉浸渍后的石墨双极板坯料表面；再按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板。该方法主要采用浸渍法对整个石墨双极板坯料的微孔进行填充。
本专利提出了一种针对具有静态排水功能的导水双极板的密封方法。该方法对导水双极板的边缘进行密封处理，可以将极板密封边框区域的表面及其微孔完全覆盖，确保反应气体和冷却介质不易从极板边缘的微孔漏出，具有很好的密封效果。
发明内容
本发明涉及一种燃料电池导水双极板的密封方法，具体为：将封边物质采用浸渍、涂覆或注塑的方式进入导水双极板边缘内部或表面，该物质可以是在其溶液或熔融状态，一定时间后取出后冷却；再将导水双极板边缘打磨、抛光或雕铣，对边缘微孔进行密封处理，即可达到防止反应气渗透的作用。本发明的导水板具有较好的耐压能力和气密性，适用于一定压力下工作的质子交换膜燃料电池。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明采用的技术方案包括以下步骤：(1)将导水双极板的微孔板边缘用树脂或固态高级烷烃的一种进行热处理，处理方式可以是浸渍、涂覆或注塑的一种；(2)待其固化后，将微孔板边缘用电火花或机械进行抛光或雕铣处理，使微孔板边缘基材覆盖导水微孔板边缘微孔。
所述导水双极板包含氧极板、氢极板，所述氧极板或/和氢极板为微孔板；氧极板一侧表面周边设有密封结构，中部设有氧化剂流道；氢极板一侧表面周边设有密封结构，中部设有燃料剂流道；氧极板和氢极板相互叠合形成双极板，且于氧极板和/或氢极板的相互靠近的一侧表面中部设有冷却液流道。
所述的树脂为热塑性树脂或热固性树脂。
所述的固态高级烷烃的分子式为CnH2n+2，其中，35≥n≥17，热处理温度为50～150℃。
所述的微孔板可以是石墨板、钛板或不锈钢板的一种，其平均孔径范围在0.05μm～5μm。
所述的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS树脂、热塑性酚醛树脂和尼龙的一种，热处理温度为60～150℃；所述的热固性树脂为酚醛树脂、脲醛树脂或环氧树脂的一种，热处理温度为60～300℃。
所述导水双极板边缘包括密封槽及其周围区域，氧化剂孔、燃料剂孔和冷却液孔的周围区域，导水双极板四周。
所述的抛光或雕铣处理是在导水双极板边缘的表面或侧面处理掉厚度为1μm～100μm的基材。
本发明的导水板具有较好的耐压能力和气密性，适用于一定压力下工作的质子交换膜燃料电池。
本发明具有如下优点：
1.防漏效果好。树脂或固态高级烷烃固化后，再用电火花或机械方式封孔，确保微孔全部被堵住，增加密封性。
2.工艺简单。工艺步骤少，且都简单可行。
3.耐压。边缘经密封处理后，导水双极板能够耐0.3～0.4MPa的工作压力。
总之，本发明对导水双极板密封结构区域处理后，能够极大的提高其耐压能力防止了反应气体和冷却水的外漏现象，提高了氢燃料电池的安全性、可靠性及气体利用率，对氢燃料电池的市场化具有重要意义。
附图说明
图1导水双极板分体结构图：1燃料剂流道；2氧化剂孔；3冷却液孔；4燃料剂孔；5氢极板；6氧极板；7氧化剂流道。
图2导水双极板外观图；1导水双极板四周；2密封槽及其周围区域；3氧化剂孔周围区域；4冷却液孔周围区域；5燃料剂孔周围区域。
表1采用酚醛树脂密封处理前后的导水双极板和传统双极板的气密性对比表。
表2采用C18H38固态烷烃密封处理前后的导水双极板和传统双极板的气密性对比表。
具体实施方式
所述微孔板边缘包括：密封槽及密封槽开口端所在表面的四周边缘区域，氧化剂孔内壁面及二开口端所在表面的四周边缘区域，燃料剂孔内壁面及二开口端所在表面的四周边缘区域，冷却液孔内壁面及二开口端所在表面的四周边缘区域，导水双极板侧壁面及二侧表面靠近侧壁的四周边缘区域。
实验分别采用酚醛树脂和C18H38固态烷烃处理导水双极板，具体工艺流程如图1和2所示。
实施例1
取不锈钢基材的微孔板作导水双极板基材，用液态酚醛树脂在220℃、真空条件下浸渍微孔板边缘后，将表面的酚醛树脂刮平，待其固化后，用雕刻机将酚醛树脂所在位置处表面处理，加工后的导水板密封槽及其周围边缘区域表面、氧化剂孔及周围边缘区域、冷却液孔及周围边缘区域、燃料剂孔及周围边缘区域均比原来减少厚度50μm，使得金属基材能够完全覆盖住填有酚醛树脂的微孔，从而提高了极板的气密性。组装成导水双极板。实验对比了导水双极板处理前后(处理前是指微孔板未经处理的导水双极板直接组装)、及传统双极板(实验材料基本相同，但组件为致密材料，无微孔板)的气密性参数，见表1。处理前，导水双极板的外漏压力为0.045MPa，内串压力为0.4MPa。处理后，导水双极板的外漏压力为0.35MPa，内串压力为0.15MPa。达到了传统双极板的性能，所以本发明方法满足燃料电池使用要求。
实施例2
取钛基材导水双极板和C18H38固态烷烃。将C18H38固态烷烃放置于注塑机中，加热到80℃，待其完全液化后，将该烷烃注入导水板密封槽及其周围边缘区域的表面及侧面(包括氧化剂孔及周围边缘区域、冷却液孔及周围边缘区域、燃料剂孔及周围边缘区域)，待其冷却后，用抛光机将固态烷烃层所在位置处表面打磨掉厚度约10μm，使得金属基材能够完全覆盖住填有烷烃的微孔，既使将来工作温度高，也能保证导水双极板微孔板内部的烷烃不会从孔内流出，从而提高了极板的气密性。组装成导水双极板。实验对比了导水双极板处理前后(处理前是指微孔板未经处理的导水双极板直接组装)、及传统双极板(实验材料基本相同，但组件为致密材料，无微孔板)的气密性参数，见表2。处理前，导水双极板的外漏压力为0.035MPa，内串压力为0.4MPa。处理后，导水双极板的外漏压力为0.30MPa，内串压力为0.12MPa，基本达到了传统双极板的性能，所以本发明方法满足燃料电池使用要求。
表1
名称 外漏压力/MPa 内串压力/MPa
传统双极板 0.3 0.15
导水双极板(处理前) 0.045 0.04
导水双极板(处理后) 0.35 0.15
表2
名称 外漏压力/MPa 内串压力/MPa
传统双极板 0.3 0.15
导水双极板(处理前) 0.045 0.04
导水双极板(处理后) 0.30 0.12
总之，本发明的密封方法能够有效提高导水双极板的气密性，且工艺简单，满足氢燃料电池的使用要求。

Claims (9)

1.一种燃料电池导水双极板的密封方法，所述导水双极板包含氧极板、氢极板，氧极板和氢极板相互叠合形成双极板，所述氧极板或/和氢极板为微孔板；所述方法包括以下步骤：
(1)将微孔板边缘用树脂或固态高级烷烃的一种或二种以上有机材料进行覆盖热处理；
(2)待有机材料固化后形成有机材料层，将有机材料层用电火花或机械加工进行抛光或雕铣处理，使微孔板边缘基材覆盖微孔板边缘处的微孔。
2.按照权利要求1所述的密封方法，其特征在于：
所述氧极板、氢极板上分别设有相应的氧化剂孔、燃料剂孔、冷却液孔；
氧极板一侧表面周边设有密封结构，中部设有氧化剂流道；氢极板一侧表面周边设有密封结构，中部设有燃料剂流道；氧极板和氢极板相互叠合形成双极板，且于氧极板和/或氢极板的相互靠近的一侧表面中部设有冷却液流道。
3.按照权利要求1或2所述的密封方法，其特征在于：
所述微孔板边缘包括：密封槽及密封槽开口端所在表面的四周边缘区域，氧化剂孔内壁面及二开口端所在表面的四周边缘区域，燃料剂孔内壁面及二开口端所在表面的四周边缘区域，冷却液孔内壁面及二开口端所在表面的四周边缘区域，导水双极板侧壁面及二侧表面靠近侧壁的四周边缘区域。
4.按照权利要求1所述的密封方法，其特征在于：
处理方式可以是浸渍、涂覆或注塑的一种或二种以上。
5.按照权利要求1所述的密封方法，其特征在于：所述的树脂为热塑性树脂或热固性树脂。
6.按照权利要求1所述的密封方法，其特征在于：所述的固态高级烷烃的分子式为CnH2n+2，其中，35≥n≥17，热处理温度为50～150℃。
7.按照权利要求1所述的密封方法，其特征在于：所述的微孔板可以是石墨板、钛板或不锈钢板的一种，其微孔平均孔径范围在0.05μm～5μm。
8.按照权利要求5所述的密封方法，其特征在于：所述的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、ABS树脂、热塑性酚醛树脂和尼龙的一种或二种以上，热处理温度为60～150℃；所述的热固性树脂为酚醛树脂、脲醛树脂或环氧树脂的一种或二种以上，热处理温度为60～300℃。
9.按照权利要求1所述的密封方法，其特征在于：所述的抛光或雕铣处理是在导水双极板边缘的表面或侧面处理掉厚度为1μm～100μm的基材，使基材能够完全覆盖导水双极板边缘微孔。
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