CN112786912A - 一种多孔石墨基自增湿双极板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用作质子交换膜燃料电池的多孔石墨基自增湿双极板制备工艺。双极板流道区域为多孔结构，将电池内水流场的冷却水在压差的作用下通过微孔传导至反应气体侧，对气体进行加湿。工艺步骤包括石墨基混合料、模压成型、高温热处理碳化和极板分部封孔等步骤。所制备的双极板具有较高电导率和高透水量，电导率达到102‑333S·cm^‑1，透水量达到0.38‑2.5ml/min·cm²，使双极板对反应气具有明显增湿作用。

Description

一种多孔石墨基自增湿双极板制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种自增湿双极板模压成型及后处理方法，通过本技术所制备的自增湿燃料电池双极板具有透水量高、较高电导率和高力学强度，本工艺步骤和设备简单，制备效率高，适合于商业批量化生产和推广。

背景技术

在质子交换膜燃料电池多以固体聚合物膜作为传导质子的电解质，即C-F链的全氟磺酸膜（Nafion），如杜邦公司生产的nafion-117，115，212等系列产品，均已得到商业规模化应用。质子在质子交换膜中传导过程是以水合质子的形式从阳极传导至阴极，因此，保持质子交换膜充足的水含量，作为传导质子的有效载体，在电池阴阳极侧进行电化学反应并传输质子过程中非常重要。在一定范围内，一种质子交换膜质子传导速率与膜含水量成正比，因为较高的增湿条件可以提升膜的电导率，从而提高电堆输出功率。

目前，增湿方法包括外增湿、内增湿和自增湿。外增湿是将反应气体进入电池之前先通过独立于电池本体的增湿装置进行反应气增湿，增湿装置按照增湿原理不同可分为鼓泡增湿、直接液态水注射、液态水喷射、平板膜增湿或中空纤维膜增湿、焓轮增湿、水蒸汽注射等。外增湿方式是最为常见的增湿方式，它具有增湿效率高、增湿可控且动态反应较快、稳定性好等特点，但其由于要增设独立于电池本体之外的增湿器，因此导致整个燃料电池系统复杂、成本高等缺点。内增湿是将增湿系统与电池一体化，将具有增湿作用的内置式增湿器或 “假电池”用做电池的增湿，它的作用是是将水（如冷却水）直接通入到电池内部，反应气和冷却水之间通过诸如多孔板、多孔网或微孔膜隔开。冷却水在压力差的作用下进入到反应气通道并对其进行加湿。内增湿增加了电池组装和密封的困难，且在整个电堆内水分布也会不均匀，导致增湿程度不高，且此种增湿方式动态反应慢。自增湿不同于内/外增湿方式，它不增加燃料电池系统复杂性，具有很好的增湿效果和良好的可靠性和稳定性。目前，对于自增湿的技术开发主要集中在两个思路①自增湿MEA，即对扩散层、催化层、质子交换膜及它们的组件进行优化或改性，加强了阴极侧电化学反应生成水向阳极侧的反扩散输水作用，增加阳极侧保水能力，达到阳极增湿效果。②自增湿双极板，通过对双极板流场结构和多孔可透水特性的设计，实现对电池反应气在二维面上流动增湿和在电池轴向上渗透传输水能力，即而将加强阴极侧生成水或者电池水流场腔体内的冷却水向阳极侧扩散输水，从而对阳极侧起到增湿效果。

多孔碳板结构中含有很多微米级孔隙，孔隙和孔隙之间形成传送物质的贯通微孔通道，因此，多孔板具有渗透性。自增湿双极板可利用多孔碳板这一渗透特性，在一定压差作用下，将电池内水流场的冷却水在压差的作用下通过多孔碳板至反应气体侧蒸发进行加湿。美国UTC公司US5503944专利公布了一种燃料电池用多孔碳板双极板。冷却水在两块多孔碳板之间的流道内流动，在毛细压力和压差的作用进入阳极侧，对阳极侧起到增湿的作用。CN1710740A公开了一种自增湿双极板结构，通过联通冷却水腔和反应气流道的微孔，分别对氢气和空气进行加湿，微孔布置在双极板气体流道的入口，控制双极板内用于加湿的冷却水的压力，当有进气流动时冷却水被吸入气体流道从而对反应气进行增湿。但是目前公开的研究结果都是以多孔石墨板为基材，通过机加工方式进行流道的雕刻加工，其加工效率较低，且并未对多孔石墨板的制备方法进行研究。

发明内容

在本发明的目的在于提供一种自增湿石墨双极板制备方法，其主要制备工艺包括先将石墨基复合材料通过模压进行成型，然后经过高温碳化获得多孔自增湿石墨双极板。

本发明具体技术措施如下：

（1）配料：

一种石墨基导电混合料，其特征在于其组分包括导电骨料、粘合剂和增强填料，其中导电骨料是石墨，粘合剂是以改性煤沥青为主的复合粘结剂，增强填料包括石墨纤维、碳纳米管等二维导电材料；其中，导电骨料质量百分比占40-60%wt，粘合剂质量百分比10-50wt%，增强填料质量百分比占5-20wt%。按照配方比进行称量混料，混料方式为机械混料，直至达到均匀的混合料；

（2）模压成型：

将混好完成的物料投入预热完成的模具中实施模压成型，压力25-120MPa，温度140-190℃，保压时间为2分钟-30分钟，模压完成后进行脱模取出极板；

（3）高温碳化造孔：

将模压成型后的极板在N2或惰性等非氧化气氛保护下高温碳化，由室温升至800℃，保温结束后随炉冷却至室温，得到多孔石墨双极板；

（4）极板封孔：

将极板边缘非气体流道区域进行注胶密封，防止极板发生反应气外漏。

本发明的制备方法具有如下特点：

（1）极板具有高电导率和力学强度，电导率102-333S·cm^-1，弯曲强度22-41MPa；

（2）极板具有高泡点和高透水量，泡点达到0.020-0.025MPa，透水量达到0.38-2.5ml/min·cm2@0.03MPa压差，保证了双极板的增湿效果；

（3）生产工艺易连续化生产，从混料，模压成型，批量高温热处理，封孔等工艺步骤可实现不间断连续作业模式，生产周期短，工艺设备简单适宜于双极板批量化；

总之，该技术发明具有很大的实用性。

具体实施例

实施例1

按照复合材料组分配方质量比称量石墨60wt%、石墨纤维10wt%、改性煤沥青30wt%，混料5分钟。将粉料置于模具中模压成型，模压压力60MPa，模温150℃，保压时间10min。将模压成型后的极板在Ar气氛保护下升温碳化，由室温升至800℃，保温1h，升温速率为4℃/min，保温结束后随炉冷却至室温，停止供Ar，得到多孔石墨双极板。

实施例2

将10%wt石墨纤维置于甲基纤维素分散液中，获得均匀分散浆料，然后再加入50%wt石墨粉和40%wt改性煤沥青复合粘结剂，搅拌获得均匀混合的浆料。将浆料流延整平。将干燥后得到的薄片剪裁成符合模具要求的尺寸，叠置于模具中模压成型。模压压力60MPa，模温140℃，保压时间15min。将模压成型后的样品在Ar气氛保护下升温碳化，由室温升至800℃，保温1h，升温速率为4℃/min，保温结束后随炉冷却至室温，停止供Ar，得到多孔石墨双极板。

实施例3

按照复合材料组分配方质量比称量石墨10wt%、石墨纤维50wt%、改性煤沥青40wt%，混料。将粉料置于模具中模压成型，模压压力20MPa，模温130℃，保压时间30min。将模压成型后的极板在氮气气氛保护下升温碳化，由室温升至800℃，升温速率为4℃/min，保温结束后随炉冷却至室温，得到多孔石墨双极板。

表1 实施例双极板透水量和泡点

	透水量ml/min·cm<sup>2</sup>	泡点MPa
			实施例1	0.38	0.020
实施例2	2.5	0.025
			实施例3	0.78	0.025

Claims (7)

1.一种自增湿双极板，其特征在于将石墨基混合料通过模压成型、高温热处理碳化和分部封孔工艺步骤得到多孔石墨基自增湿双极板。

2.根据权利要求1所述石墨基混合料包括导电骨料、粘合剂和增强填料，其中导电骨料是石墨，粘合剂是以改性煤沥青为主复合粘结剂，增强填料包括石墨纤维、碳纳米管等二维导电增强材料。

3.根据权利要求1所述石墨基混合料，其特征在于导电骨料质量百分比占40-60%wt，粘合剂质量百分比10-30wt%，增强填料质量百分比占5-20wt%。

4.根据权利要求1所述石墨基混合料，其特征在于其混料方式包括搅拌机械混料和湿法浆料混料。

5.根据权利要求1所述的模压成型，其特征在于压力25-120MPa，温度120-190℃，保压时间为2 -30分钟。

6.根据权利要求1所述的高温碳化，其特征在于非氧化气氛保护下，碳化温度700-1100℃，升温速率1-10℃/分钟。

7.根据权利要求1所述的分部封孔，其特征在用胶浸入极板需封孔区域。