CN1299372C - 一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法，该导流极板由多块石墨块、增强材料及粘接树脂组成，所述的多块石墨块间隔排列，所述的增强材料与粘接树脂调均匀后填充于上述多块石墨块构成的间隔空间内，所述的石墨块、增强材料及粘接树脂经复合压合，形成整块复合板材，该复合板材经磨平后铣刻有导流槽及导流孔。与现有技术相比，本发明具有机械强度高、重量轻、硬度高等优点；其导电性与纯石墨板一样，长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害、污染，表面性能不变，价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种能够将氢燃料及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学反应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。
在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。
在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。
在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：
阳极反应：
阴极反应：
在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导电极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导电极板可以是金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导电极板上的导流孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流极板与阴极氧化剂的导流极板。这些导流极板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流极板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。
为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
质子交换膜燃料电池的用途十分广泛，可以用作一切车、船等运载工具的动力系统，也可以作为发电系统用作地面固定式发电站，可移动电源等。
目前质子交换膜燃料电池的造价较高，主要是构成燃料电池的某些关键部件材料价格较高。质子交换膜燃料电池中的导流极板是燃料电池中最关键的部件之一，其价格对整个燃料电池的造价产生决定性的影响。
用作质子交换膜燃料电池中的导流极板极板材料要求较高，主要有以下要求：(1)有一定的机械强度及硬度，不易碎裂、破损；(2)优良的导电、导热体；(3)容易加工成导流极板上的导流槽形状；(4)燃料电池长期工作时，不会产生对电池造成污染，或本身受到腐蚀变质。目前能完全符合上述要求的材料不多，只有少数价格昂贵的材料，例如优质纯石墨板材料、优质钛合金板材料、镀金金属板等可以用作质子交换膜燃料电池的导流板材料。但这些材料的价格昂贵，导致整个燃料电池的造价居高不下，严重妨碍了燃料电池的产业化进程。
为了降低质子交换膜燃料电池的导流板材料的成本，目前有大量的专利申请，旨在企图找到相应的廉价替代材料，这些专利综合起来主要有以下几类：(1)采用廉价金属板，如不锈钢板等，再进行表面改性处理；(2)采用石墨粉加粘接树脂，例如聚偏二氟乙烯(KYNAR)树脂热压成复合板材。
这二类方法，虽然与昂贵的纯石墨板、钛或镀金金属板相比有一定的价格优势，但用于质子交换膜燃料电池中的导流极板材料有不可克服的缺点。第一类方法的缺点主要有不锈钢等廉价金属板表面改性处理难度很高，用作质子交换膜燃料电池中的导流极板时，长时间运行后，表面性能下降，如电阻增加，或抗腐蚀性能下降，对电池造成污染。第二类方法的缺点主要是石墨粉与树脂粘接后，形成的复合板材由于石墨粉颗粒太细，而树脂将石墨粉颗粒表面覆盖粘接后，造成电阻与石墨板相比大大增大，造成燃料电池内部发热，发电效率大大降低。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种机械强度高、重量轻、导电性性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的可用作质子交换膜燃料电池的导流极板及其制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，该导流极板由多块石墨块、增强材料及粘接树脂组成，所述的多块石墨块间隔排列，所述的增强材料与粘接树脂调均匀后填充于上述多块石墨块构成的间隔空间内，所述的石墨块、增强材料及粘接树脂经复合压合，形成整块复合板材，该复合板材经磨平后铣刻有导流槽及导流孔。
所述的石墨块为条状、圆状或方状。
所述的增强材料选自玻璃纤维、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一种。
所述的粘接树脂选自热塑性树脂，包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，或者选自热固性树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂。
所述的多块石墨块合并成一整块石墨板，所述的增强材料与粘接树脂调均匀后填充于上述石墨板的四周。
一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
A.制模，根据导流极板的大小，制得相应的模具；
B.排列，将石墨块在模具内间隔排列，或者将整块石墨板设置于模具中央；
C.填充，将增强材料与粘接树脂调制均匀并填充于上述排列好的石墨块的间隔空间内，或者填充于上述设置于模具中央整块石墨板的四周；
D.压合，将上述排列及填充好的石墨块或石墨板、增强材料、粘接树脂在一定的温度及压力下压合，形成一整块复合板材；
E.加工，将上述复合板材进行机械铣磨成平整、光洁的板材，再机械铣刻出导流槽及导流孔，即制得可用作质子交换膜燃料电池的导流极板。
所述的石墨块为条状、圆状或方状。
所述的增强材料选自玻璃纤维、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一种。
所述的粘接树脂选自热塑性树脂，包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，或者选自热固性树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂。
所述的压合温度为140～160℃，压合压力为1～1.5兆帕。
本发明由于采用了以上技术方案，即在这些石墨块中间加其他一些增强材料，如玻璃纤维、石墨粉及树脂在一定压力温度下进行复合压合，形成整块复合板材料。当树脂固化后这张复合板材料可以进行机械铣磨成非常平整、光洁的板材，再按要求进行机械铣刻出导流槽及导流孔，即成质子交换膜燃料电池中的导流极板。必要时可以在中间区域调整石墨板块的间距，或减少边缘区域石墨板块，甚至根据燃料电池导流极板的特点可以设计成中间用整块石墨板块，边缘区域均用树脂增强材料。因此本发明产品具有机械强度高、重量轻、硬度高等优点；其导电性与纯石墨板一样，长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害、污染，表面性能不变，价格低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明第一实施例的结构示意图；
图3为本发明第二实施例的结构示意图；
图4为本发明第三实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，该导流极板由多块石墨块1、增强材料及粘接树脂2组成，所述的多块石墨块1间隔排列，所述的增强材料与粘接树脂2调均匀后填充于上述多块石墨块1构成的间隔空间内，或者所述的多块石墨块合并成一整块石墨板(或由一整块石墨板代替)，所述的增强材料与粘接树脂2调均匀后填充于上述石墨板1的四周；所述的石墨块1、增强材料及粘接树脂2经复合压合形成整块复合板材，该复合板材铣刻有导流槽及导流孔。
实施例1
如图2所示，将石墨块1裁成大约面积3平方厘米，厚1厘米，110块正方形条块，将这些条块状的石墨条块平行排列在模具内，每块间隔一定距离；再将碳粉与环氧树脂按重量1∶1调均匀并倒入形成碳粉树脂填充物2，一起在模具里经150℃，1兆帕压力下固化，得到一张厚度为1.2厘米，长为20多厘米，宽大约20多厘米的复合板；再将这块复合板进行机械精磨到厚度为0.5厘米，得到一块表面既有石墨板，又有树脂的复合板；然后再在这块板表面进行机械铣刻出相应的导流槽3与导流孔4，即成一块质子交换膜燃料电池的导流极板。
实施例2
如图3所示，将石墨块1裁成直径大约相等，面积3平方厘米，厚1厘米的81块圆块，将这些81块石墨圆块均匀排列在模具内；再将玻璃纤维与环氧树脂按重量1∶1调均匀并倒入形成玻璃纤维环氧树脂填充物2，一起在模具里经150℃，1兆帕压力下固化，得到一张厚度为1.2厘米，长为20多厘米，宽大约20多厘米的复合板；再将这块复合板进行机械精磨到厚度为0.5厘米，得到一块表面既有石墨块，又有树脂的复合板；然后再在这块板表面进行机械铣刻出相应的导流槽3与导流孔4，即成一块质子交换膜燃料电池的导流极板。
实施例3
如图4所示，将环氧树脂与石墨粉按重量比1∶1调均匀，并将一块边长为8厘米、厚1厘米的正八角形石墨板1放置于模具中央，再将上述环氧树脂、石墨粉调均匀后倒入上述石墨板四周，形成一石墨树脂填充物2，并在150℃，2Mpa压力下固化，固化后得到一块宽20厘米，长20厘米，厚1厘米的复合板，将该复合板进行机械磨铣出相应的导流槽3与导流孔4后，可得中间区域为导电非常好，四周为复合材料构成的质子交换膜燃料电池导流极板。
Claims (10)
1.一种用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，该导流极板由多块石墨块、增强材料及粘接树脂组成，所述的多块石墨块间隔排列，所述的增强材料与粘接树脂调均匀后填充于上述多块石墨块构成的间隔空间内，所述的石墨块、增强材料及粘接树脂经压合，形成整块复合板材，该复合板材经磨平后铣刻有导流槽及导流孔。
2.根据权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，所述的石墨块为条状、圆状或方状。
3.根据权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，所述的增强材料选自玻璃纤维、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一种。
4.根据权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，所述的粘接树脂选自热塑性树脂或者热固性树脂。
5.根据权利要求4所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，所述的热塑性树脂或者热固性树脂包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、环氧树脂或酚醛树脂。
6.根据权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板，其特征在于，所述的多块石墨块合并成一整块石墨板，所述的增强材料与粘接树脂调均匀后填充于上述石墨板的四周。
7.一种用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，该方法包括以下工艺步骤：
A.制模，根据导流极板的大小，制得相应的模具；
B.排列，将石墨块在模具内间隔排列，或者将整块石墨板设置于模具中央；
C.填充，将增强材料与粘接树脂调制均匀并填充于上述排列好的石墨块的间隔空间内，或者填充于上述设置于模具中央整块石墨板的四周；
D.压合，将上述排列及填充好的石墨块或石墨板、增强材料、粘接树脂在一定的温度及压力下压合，形成一整块复合板材；
E.加工，将上述复合板材进行机械铣磨成平整、光洁的板材，再机械铣刻出导流槽及导流孔，即制得可用作质子交换膜燃料电池的导流极板。
8.根据权利要求7所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，所述的石墨块为条状、圆状或方状。
9.根据权利要求7所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，所述的增强材料选自玻璃纤维、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一种。
10.根据权利要求7所述的用作质子交换膜燃料电池的导流极板的制造方法，其特征在于，所述的压合温度为140～160℃，压合压力为1～1.5兆帕。
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