[發明專利]一種孔徑梯度分布的水傳輸板及其制備方法

有效

• 申請號: 201510933430.3
• 申請日: 2015-12-15
• 公開（公告）號: CN106887597B
• 公開（公告）日: 2019-06-04
• 發明（設計）人: 邵志剛;郭曉倩;王志強;曾亞超;瞿麗娟;衣寶廉
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種孔徑梯度分布的水傳輸板及其制備方法。該水傳輸板由2層及以上的碳層堆疊而成，且這些堆疊的碳層平均孔徑為從多孔碳板一側到另一側平均孔徑從大到小或從小到大分布的結構。該方法是將造孔劑、導電石墨粉、導電碳纖維和樹脂粘結劑混合均勻后導入模具中進行熱壓處理得到多孔碳板，再將多孔碳板進行高溫石墨化處理和親水化處理即得親水多孔石墨水傳輸板。本發明可通過調節造孔劑的加入類型、加入量和加入次數分別調控石墨板的孔徑、孔隙率和平均孔結構梯度數。所制備的親水多孔石墨水傳輸板可為平均孔徑多級梯度分布結構。

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，屬于燃料電池多孔雙極板的制備方法，具體為一種質子交換膜燃料電池用親水多孔石墨水傳輸板及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有比功率與比能量高、室溫快速啟動、對環境無污染等突出優點，是目前很有希望應用于便攜式電源、電動汽車、無人機、水下潛器等的動力電源。目前，PEMFC研究的主要目標是降低系統成本和提高電池性能和穩定性。而合適的水管理對于實現PEMFCs的性能最優化和穩定性發揮著至關重要的作用。在電池運行過程中，氫氣會還原生成氫離子，其中氫離子會帶著陽極側的水通過電滲透作用到達陰極，并在陰極與電子、氧氣發生電化學反應，生成液態水。因氫離子會攜帶水分子，所以陽極側需要補充水來防止質子交換膜的干燥。而如果聚集在陰極側的水沒有及時排出，就會造成電池水淹，進而阻止并抑制氧氣到達催化活性位點表面，影響電池的性能，嚴重情況下導致電池反極。所以為了維持電池性能和穩定性，就要保持電池內的水平衡：既要保持膜的良好潤濕，又要及時移走催化層和擴散層內多余的液態水。因此研究如何保持合適的電池水平衡，具有非常重要的意義。不同于密實傳統板，水傳輸板呈現親水多孔結構，此親水孔道提供了水的傳輸通道。所以水傳輸板有兩個作用：在電池缺水的情況下，冷卻腔中的水由于水傳輸板的毛細作用可以蒸發到氣體腔從而增濕燃料進氣；而當電池有多余的液態水時，它又可以通過壓差將水排出到冷卻腔中。水傳輸板的這兩個作用可以有效地緩解電池的膜干燥和水淹問題，達到合適的電池水平衡。

美國專利【US 6746982 B2】將微米級的石墨粉進行親水處理，在其表面生成如羥基、磺酸基等親水有機基團，將經過親水處理的石墨粉與導電石墨粉、導電支撐碳纖維和高分子樹脂粘結劑干粉混合后熱壓成形得到水傳輸板。美國Institute of Gas Technology單位的Konar等人【US 5942347】把親水無機氧化物微粒與石墨粉、樹脂混合模壓成型，來實現雙極板流道側親水，親水物質吸收陰極生成水并透過水傳輸板到陽極對不飽和氣體進行增濕。通過將親水物質與導電物質混合熱壓的方法得到的水傳輸板具有較好的透水阻氣性能，但是隨著親水物質添加物的增加，水傳輸板的導電性有所下降，親水物質硅含量從0％增加到10％時，水傳輸板的導電性從130S cm^-2降到了50S cm^-2。為了解決增加親水混合物導致水傳輸板導電性下降的問題，International Fuel Cell公司【US5840414】提出直接在多孔石墨板的孔內生成親水性金屬氧化物SnO₂的方法來制備水傳輸板，因多孔石墨板自身的導電網絡，在孔內生成親水物質后對板的導電性不會產生影響，板的導電性得到了有效提高。因為液態水更易進入孔徑小的親水孔中，所以為了增加水傳輸板的排水和增濕能力，研究者們致力于將水傳輸板制備成孔徑梯度分布的結構。澳大利亞專利【389020】設計了一種質子交換膜燃料電池疊置結構，它利用一個梯度孔徑的水冷卻板組件來提供被動的冷卻劑和水管理控制。在水冷卻板組件中間有刻有流場的冷卻水腔，水腔兩側具有不同的孔徑，將小孔徑和薄厚度的一側作為陽極側，大孔徑和大厚度一側作為相鄰的陰極側。當電池陰極積累液態水時，該冷卻板組件就會吸收多余液態水到冷卻腔，而因為靠近陽極側的板更薄且孔徑更小，所以因為毛細作用力，冷卻水腔中的水可以透過水冷卻板組件進入陽極側對氣體進行增濕。雖然這種方法制備的多孔板擁有良好的導電性，但此水冷卻板是由石墨機加工得到的。

發明內容

本發明的目的是提供一種制備燃料電池用親水多孔石墨水傳輸板及其制備方法，保證其具有良好的透水、阻氣、電導率和抗壓強度等特性。