CN1971983B - 降低燃料电池石墨板透气性的处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种降低直接甲醇燃料电池及质子交换膜燃料电池石墨板透气性的处理方法，即首先配置含结构式为Rm-Si-(OR′)n的硅烷溶液，然后在80～150℃下，将石墨板浸泡到该溶液中6～72小时，取出后用去离子水或无水乙醇洗净表面，随即再浸入到稀盐酸中，取出凉置1～24小时，最后放入真空干燥箱中60～100℃，-0.1MPa下脱除未反应的硅烷。本发明用于对已加工流道或未加工流道、或已长时间使用后的电池石墨极板进行处理，能有效降低其透气性，解决燃料电池应用中的串气问题，进而提高电池性能。

Description

降低燃料电池石墨板透气性的处理方法
技术领域
本发明涉及一种直接甲醇燃料电池及质子交换膜燃料电池用石墨板的处理工艺，具体是一种降低石墨极板透气性的处理方法。
背景技术
燃料电池作为一项新型的发电技术，以其绿色、环保、高效的特点日益受到人们的关注，世界各国竞相投入对燃料电池的研究，其中以直接甲醇燃料电池和质子交换膜燃料电池发展最为迅速。直接甲醇燃料电池主要应用在移动式、便携式电源如笔记本电脑、数码相机以及电动自行车小型交通工具上；质子交换膜燃料电池主要应用在电动汽车、备用电源、小型电站等领域，燃料电池具有极其广阔的应用前景。
极板是燃料电池的关键部件，起到导电、散热、分隔氧化剂和还原剂及提供反应物流场的作用，石墨板具有密度轻、耐腐蚀、导电性好等突出优点因而在燃料电池中得到广泛使用。目前燃料电池石墨板材料主要采用炭粉或石墨粉与高分子粘结剂如酚醛树脂、沥青经混捏，压型，高温处理等工艺制作而成。
由于制造工艺的制约，石墨板内部结构并非完全致密，还存在一些细小的裂纹和微孔，在两侧存在压力差情况下，气体可以透过石墨板达到另一侧，产生透气(串气)现象。这就会导致在燃料电池的使用过程中，在氧化剂侧的空气或氧气透过石墨双极板达到负极甲醇和氢气一侧导致电池内部微短路，降低了电池性能。
为了有效减小燃料电池体积和重量，目前石墨极板也在朝着密度低，厚度薄的方向发展，越薄的石墨板存在的透气性问题越严重；而且石墨双极板的机械加工过程中，极板的双面都要刻上一定深度的流场，使得流场内的实际厚度更薄，更容易产生串气现象。另外燃料电池最佳的工作温度一般在80℃以上，在较高的温度下，石墨板中的一些有机物、添加剂会在水、甲醇的侵蚀下缓慢溶出，也会造成极板内的一些新的微孔，导致使用一段时间后的石墨极板透气性增大，燃料电池性能下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，旨在降低石墨极板的透气性能，解决燃料电池应用中的串气问题进而提高电池性能。
本发明的技术方案是：降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，按照如下步骤进行：
A、配制硅烷溶液，硅烷结构式为Rm-Si-(OR′)n，其中R为H-、CH3-、C2H5-、C6H5-中的一种，R′为CH3-、C2H5-、中的一种或两种，m为0～2，n为2～4，m与n的和为4，所用溶剂为有机醇；
B、将石墨板浸入硅烷溶液中6～72小时；
C、取出石墨板用去离子水或无水乙醇洗净表面，随即再浸入稀盐酸，取出凉置1～24小时；
D、最后将石墨板放入真空干燥箱中，在60～100℃温度、-0.1～-0.02MPa压力下脱除未反应的硅烷。
上述硅烷溶液浓度为45％～95％，所用的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或几种的混合物；浸入硅烷溶液时控制温度为80℃～150℃，压力0～0.5MPa；石墨板浸入稀盐酸中1～20小时；所处理的石墨板为已加工流道或尚未加工流道的燃料电池石墨极板，或者为已组装成电堆长时间使用后的石墨极板。
本发明采用硅烷有机溶液在较高温度和压力下浸泡石墨板，溶出石墨板内的部分残余有机物，同时以硅烷渗透入石墨板内部孔隙，在酸性条件下硅烷缓慢水解，在较高温度下生成二氧化硅或含硅高分子聚合物，使石墨板内部孔隙减小或消失，从而有效降低石墨板的透气性能。
附图说明
图1为石墨板在采用本发明处理前后的透气系数测试曲线，横坐标为测试气压，单位MPa，纵坐标为透气系数，单位10-12m·s-1Pa-1；
图2给出了一个五单体电堆石墨双极板在采用本发明处理前后的放电性能对比，图中横坐标为放电电流，单位A，纵坐标为电堆工作电压，单位V。
具体实施方式
实施例1：
取一块规格150mm×150mm，2.0mm厚的石墨板洗净表面凉干，以甲醇为溶剂配置含三甲氧基硅烷55％的硅烷溶液1.5L，随即将硅烷溶液和石墨板一起置于密闭容器中，硅烷溶液完全浸没石墨板。缓慢升温至85℃，压力0.1MPa，保温24小时。
自然冷却至室温取出石墨板，用去离子水清洗石墨板表面，随即再将石墨板浸入2mol/L盐酸中，2小时后取出悬挂凉置9小时，最后将石墨板放入真空干燥箱中加热到60℃，真空度-0.1MPa下脱除少量未反应的硅烷，降温后取出。
实施例2：
取一块规格180mm×180mm，1.5mm厚，刻有0.4mm深流场的燃料电池石墨双极板，洗净表面后凉干，以甲醇为溶剂配置含甲基三甲氧基硅烷60％的硅烷溶液2.0L，随即将硅烷溶液和石墨板一起置于密闭容器中，硅烷溶液完全浸没石墨板。缓慢升温至80℃，压力0.10MPa，保温30小时。
自然冷却至室温取出石墨板，用无水乙醇清洗石墨板的表面，随即再将石墨板浸入2mol/L盐酸中，5小时后取出悬挂凉置12小时，最后将石墨板放入真空干燥箱中加热到70℃，真空度-0.1MPa下脱除少量未反应的硅烷，降温后取出。
以透气系数来表征石墨板的透气性能，其定义为单位面积(m2)的石墨板两侧在单位压差(Pa)下透过石墨板达到另一侧的气体的流量(m3/s)。图1给出了石墨板在处理前后的透气系数对比曲线。
实施例3：
取一块规格120mm×120mm，1.5mm厚，已使用200小时的直接甲醇燃料电池石墨双极板，洗净表面凉干，以甲醇∶乙醇(体积比)为1∶5的混合溶液为溶剂配置含四乙氧基硅烷80％的硅烷溶液2.0L，随即将硅烷溶液和石墨板一起置于密闭容器中，硅烷溶液完全浸没石墨板.缓慢升温至105℃，压力0.2MPa，保温50小时.
自然冷却至室温取出石墨板，用无水乙醇清洗石墨板的表面，随即再将石墨板浸入2.5mol/L盐酸中，15小时后取出悬挂凉置12小时，最后将石墨板放入真空干燥箱中加热到100℃，真空度-0.05MPa下脱除少量未反应的硅烷，降温后取出。
采用以上方法处理已使用200小时的5单体直接甲醇燃料电池的石墨双极板，并将该燃料电池用处理过的石墨双极板重新组装成电堆。图2给出了处理前后该五单体电堆的放电性能对比。

Claims (5)

1.一种降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，其特征是操作步骤如下：
A、配制硅烷溶液，硅烷结构式为Rm-Si-(OR′)n，其中R为H-、CH3-、C2H5-、C6H5-中的一种，R′为CH3-、C2H5-、中的一种或两种，m为0～2，n为2～4，m与n的和为4，所用溶剂为有机醇；
B、将石墨板浸入硅烷溶液中6～72小时；
C、取出石墨板用去离子水或无水乙醇洗净表面，随即再浸入浓度为2mol/L或2.5mol/L的稀盐酸，取出凉置1～24小时；
D、最后将石墨板放入真空干燥箱中，在60～100℃温度、-0.1～-0.02MPa压力下脱除未反应的硅烷。
2.按权利要求1所述的降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，其特征是硅烷溶液浓度为45％～95％，所用的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或几种的混合物。
3.按权利要求1所述的降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，其特征是浸入硅烷溶液时控制温度为80℃～150℃，压力为0～0.5MPa。
4.按权利要求1所述的降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，其特征是石墨板浸入浓度为2mol/L或2.5mol/L的稀盐酸中1～20小时。
5.按权利要求1所述的降低燃料电池石墨板透气性的处理方法，其特征是所处理的石墨板为已加工流道或尚未加工流道的燃料电池石墨极板，或者为已组装成电堆长时间使用后的石墨极板。
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