CN100433427C - 一种质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池领域，具体为一种质子交换膜燃料电池用双极板的制作工艺。在一定的真空度的条件下，在专用真空箱中，对膨胀石墨板材进行浸灌热固性树脂或其混合溶液。浸灌树脂的板材在合适的温度下进行烘干，然后分别平压或辊压成平板，最后模压成氢流场和氧流场，水腔分成两部分，分别在氢、氧流场板的另一面。成型后的氢、氧流场板在合适的温度下进行固化，固化后再进行第二次浸灌树脂。最后将氢、氧流场板用胶粘剂或胶膜粘结到一起，成为一片完整的双极板。用本发明制作的双极板合格率高，透气量小，且生产工艺简单，成本低，对于促进燃料电池产业化发展具有重要的意义。

Description

一种质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体为一种质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法。
背景技术
燃料电池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。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。其中电池的双极板是燃料电池关键部件之一，重量大约是电池总重的80％，成本大约是电池总成本的45％。理想的双极板应是电、热的良导体，具有很好的阻气性能，很高的耐腐蚀性，具有一定的机械强度，为降低电池的成本，制备双极板的材料必须易加工。目前制备PEMFCS双极板广泛采用的材料是石墨和金属板，其中膨胀石墨本身所具有的特点决定它是一种非常适合作为PEMFCS双极板的材料。目前主要的代表文献如下：
加拿大Ballard公司在专利文献(公开号WO00/41260，公开日2000.7.13)中提出用膨胀石墨采用冲压或滚压浮雕方法制备带流场的石墨双极板，该双极板采用先成型后灌树脂的方法。缺点是石墨双极板的机械强度不能得到保证。
美国UCAR公司在专利文献(公开号WO/2000/064808，公开日2000.11.2)中制备的PEMFCS双极板在电阻及机械强度方面都能满足要求，但双极板制备的可操作性差，而且双极板的透气性相对较高，这样由此双极板组装的燃料电池发动机必须增加消氢***，从而增加了发动机***的复杂性。
中国科学院大连化学物理研究所在专利(申请号：200410020905.1，发明名称：一种新型质子交换膜燃料电池双极板制备工艺)提出将低密度的膨胀石墨板用热固性树脂在真空箱中在真空的条件下进行浸灌树脂，然后进行成型的方法，双极板可采用2-7层的结构。但在实际制作双极板过程中，用两层结构很难制作成合格的双极板，采用多层结构，这就造成双极板厚度大，双极板各处密度很不均匀，这就会造成电池组的组装和运行的难度，从而降低了电池组运行的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用膨胀石墨双极板的制作方法。采用这种方法制作的双极板的强度高且非常稳定，透气量低，成本低，易于批量生产，对于促进燃料电池产业化生产具有重要的意义。
本发明的技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法，具体步骤如下：
(1)采用天然鳞片石墨原料，制成0.19～0.22g/cm3的低密度石墨板材，板材厚度在3～10mm之间；
(2)将石墨板材根据双极板的大小进行剪裁，然后在真空度为0.08～0.1MPa的条件下，对石墨板材进行第一次浸灌树脂，浸灌树脂选用热固性树脂，时间为15～30分钟；
(3)浸灌后的膨胀石墨板在40℃～80℃的温度下烘4～8小时，烘干的板材经辊压或平压，得到密度为1.0～1.4g/cm3薄石墨板；
(4)将两块薄石墨板一面分别模压氢流场和氧流场，氢、氧流场板的氢流场和氧流场的另一面粘接，粘接处开设水腔，水腔分成两部分，分别在氢、氧流场板的粘接面；
(5)成型后的板材经150～200℃的固化处理，然后在真空度为0.08～0.1MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为15～30分钟；
(6)第二次浸灌树脂后在80℃～100℃的温度下固化30～60分钟；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。
本发明第一次浸灌的树脂选用酚醛、环氧、呋喃、脲醛树脂之一，或者两种以上热固性树脂与溶剂混合制成的溶液，溶剂采用乙醇、丙酮或乙酸乙酯，按质量比计，酚醛、环氧、呋喃、脲醛树脂所占比例为10％～20％，溶剂所占比例为90％～80％。
本发明第二次浸灌的树脂选用甲基丙烯酸环氧酯或甲基丙烯酸氨基甲酸酯或环氧甲基丙烯酸双酯。
本发明氢流场和氧流场采用平行沟槽流场。
本发明石墨原料经酸化处理、在800～1000℃下至容积达到150～350ml/g制得可膨胀石墨，再制成0.19～0.22g/cm3的低密度石墨板材。
本发明的有益效果是：
1、本发明将双极板的水腔分开分别在氢、氧流场板上，使流场容易成型，双极板的制造合格率大大提高。
2、本发明选用合适的烘干温度，使石墨板模压流场的过程中，不会产生裂纹，双极板的制造合格率大大提高。
3、本发明采用二次浸灌树脂，对双极板的有可能的微空进行灌封，使双极板的透气量大大减小。
4、本发明采用两层结构合成一个双极板，提高了生产双极板的效率。
5、采用本发明制作的双极板机械强度得到加强，且各处密度基本相等。
6、本发明生产工艺简单，成本低，对于促进燃料电池产业化发展具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明的生产工艺。
图2为电池平均性能曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用天然鳞片石墨原料，经酸化处理(常规技术)、在800～1000℃下至容积达到150～350ml/g，制得可膨胀石墨，制成0.19～0.22g/cm3的低密度石墨板材，板材厚度按照双极板的要求确定，一般在3～10mm之间。将石墨板材根据双极板的大小进行剪裁，然后在专用真空箱中，在真空度为0.08～0.1MPa的条件下，对石墨板材进行第一次浸灌树脂，浸灌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，时间为15～30分钟。浸灌后的膨胀石墨在40℃～80℃的烘干温度下烘4～8小时，烘干的板材经辊压机辊压或油压机平压，得到密度为1.0～1.4g/cm3薄石墨板。将两块薄石墨板(氢流场板和氧流场板)一面分别模压氢流场和氧流场，氢、氧流场板的氢流场和氧流场的另一面粘接，粘接处开设水腔，水腔分成两部分，分别在氢、氧流场板的粘接面。成型后的板材经150～200℃的固化处理，然后在专用真空箱中，在真空度为0.08～0.1MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为15～30分钟，第二次浸灌的树脂选用甲基丙烯酸环氧酯或甲基丙烯酸氨基甲酸酯或环氧甲基丙烯酸双酯等，第二次浸灌树脂后在80℃～100℃的温度下固化30～60分钟；固化后的板材再用胶粘剂或胶膜(如PS-2透明聚酯胶带、PS-1聚氯乙烯胶带、J-47-A结构胶等)粘结到一起，成为一片完整的双极板。
实施例1
按照本发明的思想，用膨胀石墨制作质子膜燃料电池的双极板，在真空度为0.1MPa的条件下，第一次浸灌的树脂为酚醛、环氧和乙醇的混合溶液，其质量比为5∶10∶85，时间为20分钟，采用的烘干温度为55℃，烘干时间为6小时，烘干的板材经辊压或平压，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，然后在真空度为0.1MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为20分钟，第二次浸灌的树脂为甲基丙烯酸环氧酯，流场采用平行沟槽流场，第二次浸灌树脂后在90℃的温度下固化40分钟。成型后的膨胀石墨双极板对透气量、导电性、导热性及机械强度指标进行测试，双极板的合格率达到85％以上。
用上述合格的膨胀石墨双极板组装10节氢气/空气(H2/Air)电池组，电极面积为270cm2，Cu催化剂Pt担量0.4mg/cm2。氢气的入口压力为40KPa，空气的入口压力为30KPa，电池平均性能的曲线，即单节平均电压与电流密度的关系如图2，空气利用率η＝40％，电池温度T＝65℃。由图2可以看出，在电池的电流密度在500mA/cm2时，单节电池的平均电压为0.67V左右，完全满足要求。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
在真空度为0.08MPa的条件下，第一次浸灌的树脂为酚醛树脂，时间为15分钟，采用的烘干温度为40℃，烘干时间为8小时，烘干的板材经辊压或平压，得到密度为1.4g/cm3薄石墨板；成型后的板材经200℃的固化处理，然后在真空度为0.08MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为15分钟，第二次浸灌的树脂为甲基丙烯酸环氧酯，流场采用平行沟槽流场，第二次浸灌树脂后在80℃的温度下固化60分钟。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
在真空度为0.09MPa的条件下，第一次浸灌的树脂为环氧树脂，时间为30分钟，采用的烘干温度为80℃，烘干时间为4小时，烘干的板材经辊压或平压，得到密度为1.0g/cm3薄石墨板；成型后的板材经150℃的固化处理，然后在真空度为0.09MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为30分钟，第二次浸灌的树脂为甲基丙烯酸氨基甲酸酯，流场采用平行沟槽流场，第二次浸灌树脂后在100℃的温度下固化30分钟。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
在真空度为0.08MPa的条件下，第一次浸灌的树脂为呋喃树脂，时间为25分钟，采用的烘干温度为60℃，烘干时间为6小时，烘干的板材经辊压或平压，得到密度为1.0g/cm3薄石墨板；成型后的板材经180℃的固化处理，然后在真空度为0.08MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为25分钟，第二次浸灌的树脂为环氧甲基丙烯酸双酯，流场采用平行沟槽流场，第二次浸灌树脂后在100℃的温度下固化40分钟。
对上述成型后的膨胀石墨双极板对透气量、导电性、导热性及机械强度指标进行测试，试验表明，双极板的合格率达到85％以上。

Claims (5)

1、一种质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)采用天然鳞片石墨原料，制成0.19～0.22g/cm3的低密度石墨板材，板材厚度在3～10mm之间；
(2)将石墨板材根据双极板的大小进行剪裁，然后在真空度为0.08～0.1MPa的条件下，对石墨板材进行第一次浸灌树脂，浸灌树脂选用热固性树脂，时间为15～30分钟；
(3)浸灌后的膨胀石墨板在40℃～80℃的温度下烘4～8小时，烘干的板材经辊压或平压，得到密度为1.0～1.4g/cm3薄石墨板；
(4)将两块薄石墨板一面分别模压氢流场和氧流场，氢、氧流场板的氢流场和氧流场的另一面粘接，粘接处开设水腔，水腔分成两部分，分别在氢、氧流场板的粘接面；
(5)成型后的板材经150～200℃的固化处理，然后在真空度为0.08～0.1MPa的条件下进行第二次浸灌厌氧性树脂，时间为15～30分钟；
(6)第二次浸灌树脂后在80℃～100℃的温度下固化30～60分钟；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。
2、按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法，其特征在于：第一次浸灌的树脂选用酚醛、环氧、呋喃、脲醛树脂之一，或者两种以上热固性树脂与溶剂混合制成的溶液，溶剂采用乙醇、丙酮或乙酸乙酯，按质量比计，酚醛、环氧、呋喃、脲醛树脂所占比例为10％～20％，溶剂所占比例为90％～80％。
3、按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法，其特征在于：第二次浸灌的树脂选用甲基丙烯酸环氧酯或甲基丙烯酸氨基甲酸酯或环氧甲基丙烯酸双酯。
4、按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法，其特征在于：所述氢流场和氧流场采用平行沟槽流场。
5、按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用双极板的制作方法，其特征在于：石墨原料经酸化处理、在800～1000℃下至容积达到150～350ml/g制得可膨胀石墨，再制成0.19～0.22g/cm3的低密度石墨板材。
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