專利名稱：一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板及其制造方法。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池是一種能夠?qū)淙剂霞把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡(jiǎn)稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽(yáng)極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽(yáng)極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽(yáng)極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽(yáng)極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會(huì)相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽(yáng)極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽(yáng)極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)陽(yáng)極反應(yīng)
陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)電極板上的導(dǎo)流孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽(yáng)極區(qū)與陰極區(qū)。在一個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個(gè)膜電極，膜電極兩邊分別是陽(yáng)極燃料的導(dǎo)流極板與陰極氧化劑的導(dǎo)流極板。這些導(dǎo)流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽(yáng)極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個(gè)或兩個(gè)以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個(gè)膜電極的陽(yáng)極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個(gè)相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個(gè)電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個(gè)典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池的用途十分廣泛，可以用作一切車、船等運(yùn)載工具的動(dòng)力系統(tǒng)，也可以作為發(fā)電系統(tǒng)用作地面固定式發(fā)電站，可移動(dòng)電源等。
目前質(zhì)子交換膜燃料電池的造價(jià)較高，主要是構(gòu)成燃料電池的某些關(guān)鍵部件材料價(jià)格較高。質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板是燃料電池中最關(guān)鍵的部件之一，其價(jià)格對(duì)整個(gè)燃料電池的造價(jià)產(chǎn)生決定性的影響。
用作質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板極板材料要求較高，主要有以下要求(1)有一定的機(jī)械強(qiáng)度及硬度，不易碎裂、破損；(2)優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱體；(3)容易加工成導(dǎo)流極板上的導(dǎo)流槽形狀；(4)燃料電池長(zhǎng)期工作時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)電池造成污染，或本身受到腐蝕變質(zhì)。目前能完全符合上述要求的材料不多，只有少數(shù)價(jià)格昂貴的材料，例如優(yōu)質(zhì)純石墨板材料、優(yōu)質(zhì)鈦合金板材料、鍍金金屬板等可以用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流板材料。但這些材料的價(jià)格昂貴，導(dǎo)致整個(gè)燃料電池的造價(jià)居高不下，嚴(yán)重妨礙了燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
為了降低質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流板材料的成本，目前有大量的專利申請(qǐng)，旨在企圖找到相應(yīng)的廉價(jià)替代材料，這些專利綜合起來主要有以下幾類(1)采用廉價(jià)金屬板，如不銹鋼板等，再進(jìn)行表面改性處理；(2)采用石墨粉加粘接樹脂，例如聚偏二氟乙烯(KYNAR)樹脂熱壓成復(fù)合板材。
這二類方法，雖然與昂貴的純石墨板、鈦或鍍金金屬板相比有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但用于質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板材料有不可克服的缺點(diǎn)。第一類方法的缺點(diǎn)主要有不銹鋼等廉價(jià)金屬板表面改性處理難度很高，用作質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，表面性能下降，如電阻增加，或抗腐蝕性能下降，對(duì)電池造成污染。第二類方法的缺點(diǎn)主要是石墨粉與樹脂粘接后，形成的復(fù)合板材由于石墨粉顆粒太細(xì)，而樹脂將石墨粉顆粒表面覆蓋粘接后，造成電阻與石墨板相比大大增大，造成燃料電池內(nèi)部發(fā)熱，發(fā)電效率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、導(dǎo)電性性能好、長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o毒害與污染、價(jià)格低廉的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板及其制造方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，其特征在于，該導(dǎo)流極板由多塊石墨塊、增強(qiáng)材料及粘接樹脂組成，所述的多塊石墨塊間隔排列，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)均勻后填充于上述多塊石墨塊構(gòu)成的間隔空間內(nèi)，所述的石墨塊、增強(qiáng)材料及粘接樹脂經(jīng)復(fù)合壓合，形成整塊復(fù)合板材，該復(fù)合板材經(jīng)磨平后銑刻有導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔。
所述的石墨塊為條狀、圓狀或方狀。
所述的增強(qiáng)材料選自玻璃纖維、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一種。
所述的粘接樹脂選自熱塑性樹脂，包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，或者選自熱固性樹脂，包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。
所述的多塊石墨塊合并成一整塊石墨板，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)均勻后填充于上述石墨板的四周。
一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟A.制模，根據(jù)導(dǎo)流極板的大小，制得相應(yīng)的模具；B.排列，將石墨塊在模具內(nèi)間隔排列，或者將整塊石墨板設(shè)置于模具中央；C.填充，將增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)制均勻并填充于上述排列好的石墨塊的間隔空間內(nèi)，或者填充于上述設(shè)置于模具中央整塊石墨板的四周；D.壓合，將上述排列及填充好的石墨塊或石墨板、增強(qiáng)材料、粘接樹脂在一定的溫度及壓力下壓合，形成一整塊復(fù)合板材；E.加工，將上述復(fù)合板材進(jìn)行機(jī)械銑磨成平整、光潔的板材，再機(jī)械銑刻出導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔，即制得可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板。
所述的石墨塊為條狀、圓狀或方狀。
所述的增強(qiáng)材料選自玻璃纖維、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一種。
所述的粘接樹脂選自熱塑性樹脂，包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，或者選自熱固性樹脂，包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。
所述的壓合溫度為140～160℃，壓合壓力為1～1.5兆帕。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，即在這些石墨塊中間加其他一些增強(qiáng)材料，如玻璃纖維、石墨粉及樹脂在一定壓力溫度下進(jìn)行復(fù)合壓合，形成整塊復(fù)合板材料。當(dāng)樹脂固化后這張復(fù)合板材料可以進(jìn)行機(jī)械銑磨成非常平整、光潔的板材，再按要求進(jìn)行機(jī)械銑刻出導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔，即成質(zhì)子交換膜燃料電池中的導(dǎo)流極板。必要時(shí)可以在中間區(qū)域調(diào)整石墨板塊的間距，或減少邊緣區(qū)域石墨板塊，甚至根據(jù)燃料電池導(dǎo)流極板的特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)成中間用整塊石墨板塊，邊緣區(qū)域均用樹脂增強(qiáng)材料。因此本發(fā)明產(chǎn)品具有機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、硬度高等優(yōu)點(diǎn)；其導(dǎo)電性與純石墨板一樣，長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o毒害、污染，表面性能不變，價(jià)格低廉。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖1所示，一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，該導(dǎo)流極板由多塊石墨塊1、增強(qiáng)材料及粘接樹脂2組成，所述的多塊石墨塊1間隔排列，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂2調(diào)均勻后填充于上述多塊石墨塊1構(gòu)成的間隔空間內(nèi)，或者所述的多塊石墨塊合并成一整塊石墨板(或由一整塊石墨板代替)，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂2調(diào)均勻后填充于上述石墨板1的四周；所述的石墨塊1、增強(qiáng)材料及粘接樹脂2經(jīng)復(fù)合壓合形成整塊復(fù)合板材，該復(fù)合板材銑刻有導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔。
實(shí)施例1如圖2所示，將石墨塊1裁成大約面積3平方厘米，厚1厘米，110塊正方形條塊，將這些條塊狀的石墨條塊平行排列在模具內(nèi)，每塊間隔一定距離；再將碳粉與環(huán)氧樹脂按重量1∶1調(diào)均勻并倒入形成碳粉樹脂填充物2，一起在模具里經(jīng)150℃，1兆帕壓力下固化，得到一張厚度為1.2厘米，長(zhǎng)為20多厘米，寬大約20多厘米的復(fù)合板；再將這塊復(fù)合板進(jìn)行機(jī)械精磨到厚度為0.5厘米，得到一塊表面既有石墨板，又有樹脂的復(fù)合板；然后再在這塊板表面進(jìn)行機(jī)械銑刻出相應(yīng)的導(dǎo)流槽3與導(dǎo)流孔4，即成一塊質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板。
實(shí)施例2如圖3所示，將石墨塊1裁成直徑大約相等，面積3平方厘米，厚1厘米的81塊圓塊，將這些81塊石墨圓塊均勻排列在模具內(nèi)；再將玻璃纖維與環(huán)氧樹脂按重量1∶1調(diào)均勻并倒入形成玻璃纖維環(huán)氧樹脂填充物2，一起在模具里經(jīng)150℃，1兆帕壓力下固化，得到一張厚度為1.2厘米，長(zhǎng)為20多厘米，寬大約20多厘米的復(fù)合板；再將這塊復(fù)合板進(jìn)行機(jī)械精磨到厚度為0.5厘米，得到一塊表面既有石墨塊，又有樹脂的復(fù)合板；然后再在這塊板表面進(jìn)行機(jī)械銑刻出相應(yīng)的導(dǎo)流槽3與導(dǎo)流孔4，即成一塊質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板。
實(shí)施例3如圖4所示，將環(huán)氧樹脂與石墨粉按重量比1∶1調(diào)均勻，并將一塊邊長(zhǎng)為8厘米、厚1厘米的正八角形石墨板1放置于模具中央，再將上述環(huán)氧樹脂、石墨粉調(diào)均勻后倒入上述石墨板四周，形成一石墨樹脂填充物2，并在150℃，2Mpa壓力下固化，固化后得到一塊寬20厘米，長(zhǎng)20厘米，厚1厘米的復(fù)合板，將該復(fù)合板進(jìn)行機(jī)械磨銑出相應(yīng)的導(dǎo)流槽3與導(dǎo)流孔4后，可得中間區(qū)域?yàn)閷?dǎo)電非常好，四周為復(fù)合材料構(gòu)成的質(zhì)子交換膜燃料電池導(dǎo)流極板。
權(quán)利要求
1.一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，其特征在于，該導(dǎo)流極板由多塊石墨塊、增強(qiáng)材料及粘接樹脂組成，所述的多塊石墨塊間隔排列，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)均勻后填充于上述多塊石墨塊構(gòu)成的間隔空間內(nèi)，所述的石墨塊、增強(qiáng)材料及粘接樹脂經(jīng)復(fù)合壓合，形成整塊復(fù)合板材，該復(fù)合板材經(jīng)磨平后銑刻有導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的石墨塊為條狀、圓狀或方狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的增強(qiáng)材料選自玻璃纖維、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的粘接樹脂選自熱塑性樹脂，包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，或者選自熱固性樹脂，包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板，其特征在于，所述的多塊石墨塊合并成一整塊石墨板，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)均勻后填充于上述石墨板的四周。
6.一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，該方法包括以下工藝步驟A.制模，根據(jù)導(dǎo)流極板的大小，制得相應(yīng)的模具；B.排列，將石墨塊在模具內(nèi)間隔排列，或者將整塊石墨板設(shè)置于模具中央；C.填充，將增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)制均勻并填充于上述排列好的石墨塊的間隔空間內(nèi)，或者填充于上述設(shè)置于模具中央整塊石墨板的四周；D.壓合，將上述排列及填充好的石墨塊或石墨板、增強(qiáng)材料、粘接樹脂在一定的溫度及壓力下壓合，形成一整塊復(fù)合板材；E.加工，將上述復(fù)合板材進(jìn)行機(jī)械銑磨成平整、光潔的板材，再機(jī)械銑刻出導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔，即制得可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，所述的石墨塊為條狀、圓狀或方狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，所述的增強(qiáng)材料選自玻璃纖維、云母、玻璃粉、石墨粉、碳粉、陶瓷粉中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，所述的粘接樹脂選自熱塑性樹脂，包括聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯，或者選自熱固性樹脂，包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板的制造方法，其特征在于，所述的壓合溫度為140～160℃，壓合壓力為1～1.5兆帕。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用作質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)流極板及其制造方法，該導(dǎo)流極板由多塊石墨塊、增強(qiáng)材料及粘接樹脂組成，所述的多塊石墨塊間隔排列，所述的增強(qiáng)材料與粘接樹脂調(diào)均勻后填充于上述多塊石墨塊構(gòu)成的間隔空間內(nèi)，所述的石墨塊、增強(qiáng)材料及粘接樹脂經(jīng)復(fù)合壓合，形成整塊復(fù)合板材，該復(fù)合板材經(jīng)磨平后銑刻有導(dǎo)流槽及導(dǎo)流孔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、硬度高等優(yōu)點(diǎn)；其導(dǎo)電性與純石墨板一樣，長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o毒害、污染，表面性能不變，價(jià)格低廉。
文檔編號(hào)H01M4/64GK1453891SQ0211150
公開日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月26日
發(fā)明者胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司