CN1330026C - 一种质子交换膜燃料电池双极板制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种质子交换膜燃料电池双极板制备工艺。以石墨矿为原料，经酸化处理、在高温下至容积达到150～350ml/g制得可膨胀石墨；在可膨胀石墨中均匀混合针状矿石粉，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压，制成低密度板材；再对低密度膨胀石墨板通过热固性树脂混合液、在真空度为-0.08～0.1MPa下进行浸渍；浸渍后烘干、辊压，得到密度为1.0～1.4g/cm3薄石墨平板；最后加工成双极板。本发明树脂扩散均匀、可吸附性好、对气体的密封性好、与质子交换膜燃料电池扩散层碳纸的接触电阻小、机械性能也好、易于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的制备，具体地说是一种质子交换膜燃料电池双极板制备工艺。
背景技术
燃料电池(Proton Exchange Membrane fuel Cell，缩写：PEMFC)是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池双极板是燃料电池关键部件之一，一般它是由极板和流场组成的。理想双极板应具备电、热的良导体，良好的机械性能，很好的阻气性能，较低密度，耐腐蚀性好等特点。在常见的PEMFC中，流场与极板可以是一体的，也可以是分体的。目前双极板的研究和应用主要集中在金属板和石墨粉胶粘剂混合压成的石墨板上。采用柔性石墨来制备燃料电池用的双极板的研究很少，而柔性石墨本身特点决定了它是一种非常适合作为燃料电池双极板的材料，目前主要代表性的文献如下：
WO0041260中提到了采用柔性石墨板制备双极板，该双极板是先压成型后灌胶，胶粘剂主要是聚偏二氟乙烯，详细制备工艺没有提及，侧重点在双极板结构对阻力的影响，双极板采用两层结构，即氢流场板与水腔作为一块板，氧流场板作为一块板，二者粘结到一起构成一块双极板，缺点是压制工艺复杂，氢板由于两面流场导致成型困难，容易碎，这样导致废品率高。
由Ballard公司申报的专利WO0064808公开一种质子交换膜燃料电池双极板制备方法，所制备的质子交换膜燃料电池双极板在电阻特性和机械强度方面能满足性能要求，双极板也是采用两层结构，已经应用于Ballard公司MK900系列电池，但该专利在板材制备上可操作性差，而且性能不稳定，主要的缺陷是板材浸渍树脂的方式，它是在常压下，将一定密度的板材以一定的速度沉入树脂中浸渍，由于板材本身的不均匀性和颗粒表面的差异以及板材的孔隙率不同，容易造成树脂扩散和吸附的不均匀性，而且双极板的透气性相对较高，这样导致该双极板应用于燃料电池发动机时必须增加消氢系统，这样就增加了系统的复杂性和不稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种树脂扩散均匀、可吸附性好、对气体的密封性好、与质子交换膜燃料电池扩散层碳纸的接触电阻小、机械性能也好、易于批量生产的新型质子交换膜燃料电池双极板制备工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
以石墨矿为原料，经酸化处理、在800℃～1000℃的高温下至容积达到150～350ml/g，制得可膨胀石墨；按重量百分比计，在可膨胀石墨中均匀混合7～10wt％的针状矿石粉，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压，制成低密度板材；再对低密度膨胀石墨板通过热固性树脂混合液、在真空度为-0.08～0.1MPa下进行浸渍；浸渍后的膨胀石墨在90℃～100℃的烘干温度下烘2～5小时，烘干的板材经辊压，得到密度为1.0～1.4g/cm3薄石墨平板；最后经裁切加工、模压或辊压成型及固化粘结处理形成双极板；
所述针状矿石粉可以为透闪石粉、方解石粉或硅灰石粉，其粒度为80～100目；所述热固性树脂混合液取1～20wt％酚醛、环氧、呋喃和/或脲醛，以80～99wt％乙醇为溶剂；其中：酚醛可以为5～20wt％、环氧树脂可以为1～20wt％，呋喃可以为5～20wt％，脲醛可以为5～20wt％；所述燃料电池双极板可以为2层到7层结构；
所述7层结构双极板由阳极流场、阴极流场、阳极密封框、阳极框垫、阳极分割板、水板、阴极分割板、阴极框垫、阴极密封框组成，阳极密封框、阳极框垫构成空腔，阴极框垫、阴极密封框构成空腔，阳极流场、阴极流场分别镶嵌在阳极密封框、阳极框垫组成的空腔和阴极框垫、阴极密封框组成的空腔中，阳极密封框、阳极框垫、阳极分割板、水板、阴极分割板、阴极框垫、阴极密封框依次设置；所述6层结构双极板工艺是将水板和阴极分割板或水板和阳极分割板或将水板分成两半分别与阳极分割板、阴极分割板合在一起用一片板来实现，阳极密封框和阳极框垫及阴极框垫和阴极密封框保持不变，构成6层板；将阳极密封框和阳极框垫及阴极框垫和阴极密封框分别用一片板来实现，其它板同7层板一样，构成5层板；将水板和阴极分割板或水板和阳极分割板或将水板分成两半分别与阳极分割板、阴极分割板合在一起用一片板来实现，将阳极密封框和阳极框垫及阴极框垫和阴极密封框分别用一片板来实现，构成4层板；将阳极密封框、阳极框垫、阳极分割板及阴极分割板、阴极框垫、阴极密封框分别合到一起，然后与水板粘结到一起；阳极密封框、阳极框垫、阳极分割板合到一起成为氢板，阴极分割板、阴极框垫、阴极密封框合到一起成为氧板，构成3层板；将水板和氢板合到一起，然后与氧板粘到一起；或将水板和氧板合到一起，然后与氢板粘到一起，构成2层板。
本发明具有如下有益效果：
1.工艺简单。在可膨胀石墨中混合针状矿石粉，混合均匀，操作方便，且采用模压或辊压成型，工艺简单。
2.树脂扩散均匀，可吸附性好。由于本发明采用酚醛、环氧树脂和乙醇混合树脂，浸渍低密度膨胀石墨板，所以使树脂在石墨板孔隙中扩散均匀，可吸附性好，板的强度和透气性都有大幅改善。
3.机械性能好。可膨胀石墨中均匀混合7～10％的针状矿石粉，破坏石墨板的层状结构，使其物理性能得以改善。
4.分布均匀。本发明采用真空方法浸渍树脂，其树脂增重稳定、分布均匀。
5.对气体的密封性好。本发明采用压制方法制备柔性石墨板材，使其对气体的密封性能大大提高，与质子交换膜燃料电池扩散层碳纸的接触电阻小。
6.具有产业化意义。本发明制造质子交换膜燃料电池双极板，可为2～7层不同结构，其浸渍树脂选用低成本的热固性树脂以及这些树脂之间的混合溶液，可降低成本；低密度膨胀石墨板制成燃料电池所需双极板，操作设备简单，易规模化生产。
附图说明
图1为本发明生产工艺图。
图2燃料电池双极板7层结构分解图。
图3为本发明实施例1电池的双极板为7层结构，电池节数为2节的平均性能曲线。
图4为本发明实施例2电池的双极板为3层结构，电池节数为4节的平均性能曲线。
图5为本发明实施例3电池的双极板为2层结构，电池节数为4节的寿命曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明采用的生产工艺如图1所示，采用天然鳞片石墨原料，经常规酸化处理制得可膨胀石墨，可膨胀石墨在800℃的高温炉中瞬间膨胀，至膨胀容积达到350ml/g；在可膨胀石墨中均匀混合了针状矿石粉(本实施例采用透闪石粉)，其比例为10％，针状矿石粉的平均粒度为100目，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压(公知技术)，制0.2g/cm3的低密度板材(低密度一般指低于1.0)，板材厚度按照双极板的要求确定，一般在3～10mm之间(本实施例为10mm)，辊压设备采用一般的柔性石墨纸生产线；将低密度膨胀石墨板再进行浸渍，浸溃树脂选用热固性树脂，如酚醛、环氧、呋喃、脲醛等树脂以及它们按照一定比例的混合溶液，(本实施例采用酚醛20wt％、乙醇80wt％混合形成的混合液，浸渍在专用的真空浸渍箱中进行，浸渍真空度为-0.08Mpa，浸渍后的膨胀石墨在90℃的烘干温度下烘2小时，烘干的板材经辊压，得到密度为1.4g/cm3薄石墨板。双极板的水流场则采用该平板进行裁切加工；氢氧流场板也利用该板经模压或辊压成型，成型后的板材经150℃的固化处理，固化后的板材再用胶粘剂或胶膜粘结到一起，成为一片完整的双极板。
本发明由于采用了模压或辊压成型，简化了生产工艺；采用酚醛、环氧树脂和乙醇混合树脂，既增加了双极板的强度，又减少了气体的渗透性，而且降低成本。其中拉伸强度可以达到30MPa以上，弯曲强度可以达到50MPa以上；透气量小于10-6cm3/cm2.s，完全能够满足燃料电池的需要。
燃料电池双极板由2层到7层的不同结构，(见附图2，本实施例为7层结构)；
由阳极流场a、阴极流场b、阳极密封框1、阳极框垫2、阳极分割板3、水板4、阴极分割板5、阴极框垫6、阴极密封框7组成，阳极密封框1、阳极框垫2构成空腔，阴极框垫6、阴极密封框7构成空腔，阳极流场a、阴极流场b分别镶嵌在阳极密封框1、阳极框垫2组成的空腔和阴极框垫6、阴极密封框7组成的空腔中，阳极密封框1、阳极框垫2、阳极分割板3、水板4、阴极分割板5、阴极框垫6、阴极密封框7依次粘结在一起。
可以根据需要选择不同的结构，一般来说，考虑到设备的能力和费用，主要是压力机或辊压机的压力范围，如果所需双极板的面积在500cm2以下，选用2或3层板结构，流场与分割板、密封边框及框垫作成一体；如果所需双极板面积超过500cm2，一般选用4～7层结构，流场是单独制备的。
按上述发明构思，设计了以柔性石墨为流场板千瓦级H2/air质子交换膜燃料电池组，酚醛(5wt％)、环氧树脂(1wt％)和乙醇(94wt％)按照比例，流场采用平行沟槽流场，7层结构，电极面积为573cm2，电池为2节，催化剂Pt担量0.4mg/cm2。电池平均性能曲线如图3所示，并且与采用铜双极板的电池组的性能作了比较。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
可膨胀石墨在1000℃的高温炉中瞬间膨胀，至膨胀容积达到150ml/g；在可膨胀石墨中均匀混合了针状矿石粉(本实施例采用方解石粉)，其比例为7％，针状矿石粉的平均粒度为8目，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压，制成0.18g/cm3的低密度板材，板材厚度按照双极板的要求确定，本实施例为3mm；浸渍树脂选用热固性树脂采用酚醛(5wt％)、乙醇95wt％混合形成的混合液，浸渍真空度为0.1Mpa，浸渍后的膨胀石墨在100℃的烘干温度下烘5小时，烘干的板材经辊压，得到密度为1.0g/cm3薄石墨板。成型后的板材经200℃的固化处理。
如图4所示，本实施例以柔性石墨为流场板3层结构的H2/Air质子交换膜燃料电池组为例。其3层板结构是将阳极密封框1、阳极框垫2、阳极分割板3及阴极分割板5、阴极框垫6、阴极密封框7分别合到一起，然后于水板4粘结到一起；阳极密封框1、阳极框垫2、阳极分割板3合到一起成为氢板，阴极分割板5、阴极框垫6、阴极密封框7合到一起成为氧板；以柔性石墨为流场板3层结构的H2/Air质子交换膜燃料电池组，酚醛(10wt％)、环氧树脂(10wt％)和乙醇(80wt％)按照比例，流场采用平行沟槽流场，利用率＞40％，电极面积为350cm2，电池为4节，催化剂Pt担量0.4mg/cm2。电池平均性能曲线如图4所示。并且与采用铜双极板的电池组的性能作了比较。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
可膨胀石墨在900℃的高温炉中瞬间膨胀，至膨胀容积达到200ml/g；在可膨胀石墨中均匀混合针状矿石粉(本实施例采用硅灰石粉)，其比例为8％，平均粒度为90目，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压后制成0.2g/cm3的低密度板材，板材厚度7mm；浸渍树脂选用热固性树脂采用1wt％、环氧树脂，乙醇99wt％混合形成的混合液，浸渍真空度为0.05Mpa，浸渍后的膨胀石墨在95℃的烘干温度下烘4小时，烘干的板材经辊压得到密度为1.2g/cm3薄石墨板。成型后的板材经180℃的固化处理。
如图5所示，本实施例为2层板结构，它是将水板4和氢板合到一起，然后与氧板粘到一起；或将水板4和氧板合到一起，然后与氢板粘到一起；或将水板4分成两半分别与氧板、氢板合在一起。以柔性石墨为流场板2层结构的H2/Air质子交换膜燃料电池组，酚醛(20wt％)、环氧树脂(20wt％)和乙醇(60wt％)按照比例，流场采用平行沟槽流场，利用率＞40％，电极面积为128cm2，电池为4节，催化剂Pt担量0.4mg/cm2，作了寿命实验，稳定运行将近400h，电池性能没有出现明显地衰减，进一步证实了该板完全能够满足要求。曲线见图5。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
在可膨胀石墨中均匀混合针状矿石粉(本实施例采用硅灰石粉)，其比例为9％，平均粒度为95目，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压后制成0.22g/cm3的低密度板材，板材厚度8mm；浸渍树脂选用热固性树脂采用15wt％呋喃、乙醇85wt％混合形成的混合液。
将水板4和阴极分割板5或水板4和阳极分割板3或将水板4分成两半分别与阳极分割板3、阴极分割板5合在一起用一片板来实现，其余板保持不变，构成6层板。
实施例5
与实施例1不同之处在于：
在可膨胀石墨中均匀混合针状矿石粉(本实施例采用硅灰石粉)，其比例为9％，平均粒度为95目，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压后制成0.22g/cm3的低密度板材，板材厚度8mm；浸溃树脂选用热固性树脂采用10t％呋喃，乙醇90wt％混合形成的混合液。将阳极密封框1和阳极框垫2及阴极框垫6和阴极密封框7分别用一片板来实现，其它板同7层板一样，构成5层板。
实施例6
与实施例1不同之处在于：
在可膨胀石墨中均匀混合针状矿石粉(本实施例采用硅灰石粉)，其比例为9％，平均粒度为95目，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压后制成0.22g/cm3的低密度板材，板材厚度8mm；浸溃树脂选用热固性树脂采用20wt％脲醛，乙醇80wt％混合形成的混合液。
本实施例为4层板结构，它是将6层板与5层板结构结合在一起实现的，即将水板4和阴极分割板5或水板4和阳极分割板3或将水板4分成两半分别与阳极分割板3、阴极分割板5合在一起用一片板来实现，将阳极密封框1和阳极框垫2及阴极框垫6和阴极密封框7分别用一片板来实现，将四层办粘结到一起即可。
Claims (10)
1.一种质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：以石墨矿为原料，经酸化处理、在800℃～1000℃的高温下至容积达到150～350ml/g，制得可膨胀石墨；按重量百分比计，在可膨胀石墨中均匀混合7～10wt％的针状矿石粉，将混有针状矿石粉的膨胀石墨进行辊压，制成低密度板材；再对低密度膨胀石墨板通过热固性树脂混合液、在真空度为-0.08～0.1MPa下进行浸渍；浸渍后的膨胀石墨在90℃～100℃的烘干温度下烘2～5小时，烘干的板材经辊压，得到密度为1.0～1.4g/cm3薄石墨平板；最后经裁切加工、模压或辊压成型及固化粘结处理形成双极板。
2.按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：所述针状矿石粉为透闪石粉、方解石粉或硅灰石粉，其粒度为80～100目。
3.按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：所述热固性树脂混合液取1～20wt％酚醛、环氧、呋喃和/或脲醛，以80～99wt％乙醇为溶剂；其中：酚醛为5～20wt％、环氧树脂为1～20wt％，呋喃为5～20wt％，脲醛为5～20wt％。
4.按照权利要求1所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：所述燃料电池双极板为2层到7层结构。
5.按照权利要求4所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：所述7层结构双极板由阳极流场(a)、阴极流场(b)、阳极密封框(1)、阳极框垫(2)、阳极分割板(3)、水板(4)、阴极分割板(5)、阴极框垫(6)、阴极密封框(7)组成，阳极密封框(1)、阳极框垫(2)构成空腔，阴极框垫(6)、阴极密封框(7)构成空腔，阳极流场(a)、阴极流场(b)分别镶嵌在阳极密封框(1)、阳极框垫(2)组成的空腔和阴极框垫(6)、阴极密封框(7)组成的空腔中，阳极密封框(1)、阳极框垫(2)、阳极分割板(3)、水板(4)、阴极分割板(5)、阴极框垫(6)、阴极密封框(7)依次设置。
6.按照权利要求5所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：将水板(4)和阴极分割板(5)或水板(4)和阳极分割板(3)或将水板(4)分成两半分别与阳极分割板(3)、阴极分割板(5)合在一起用一片板来实现，阳极密封框(1)、阳极框垫(2)组成的空腔和阴极框垫(6)、阴极密封框(7)组成的空腔中，阳极密封框(1)和阳极框垫(2)及阴极框垫(6)和阴极密封框(7)保持不变，构成6层板。
7.按照权利要求5所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：将阳极密封框(1)和阳极框垫(2)及阴极框垫(6)和阴极密封框(7)分别用一片板来实现，其它板同7层板一样，构成5层板。
8.按照权利要求5所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：将水板(4)和阴极分割板(5)或水板(4)和阳极分割板(3)或将水板(4)分成两半分别与阳极分割板(3)、阴极分割板(5)合在一起用一片板来实现，将阳极密封框(1)和阳极框垫(2)及阴极框垫(6)和阴极密封框(7)分别用一片板来实现，构成4层板。
9.按照权利要求5所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：将阳极密封框(1)、阳极框垫(2)、阳极分割板(3)及阴极分割板(5)、阴极框垫(6)、阴极密封框(7)分别合到一起，然后与水板(4)粘结到一起；阳极密封框(1)、阳极框垫(2)、阳极分割板(3)合到一起成为氢板，阴极分割板(5)、阴极框垫(6)、阴极密封框(7)合到一起成为氧板，构成3层板。
10.按照权利要求9所述质子交换膜燃料电池双极板制备工艺，其特征在于：将水板(4)和氢板合到一起，然后与氧板粘到一起；或将水板(4)和氧板合到一起，然后与氢板粘到一起，构成2层板。
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