一種高功率密度pemfc電堆專用極板制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，具體設及一種質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電堆專用 極板制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種高效、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，在基站電源、中小型電 站、電動車、備用電源、便攜電源等方面，具有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)的燃料電池，是由膜電 極、雙極板、集電板、端板和緊固件組成，在實際應用中，是由多個電池單元疊加在一起進行 串聯(lián)起來，形成電堆。目前的燃料電池由于體積、重量等原因，只能在一些特定場所適用，極 大的制約了燃料電池的推廣應用，雙極板是燃料電池部件中最重的構(gòu)件，主要起支撐和分 配氣體的作用。目前市場上的燃料電池中，大多采用金屬雙極板或石墨雙極板組裝電堆，其 制造成本較高，膜電極的利用率低，同時重量占電堆重量一半W上，體積占燃料電池體積的 30~70%左右，使得燃料電池重量與體積偏大，限制燃料電池應用范圍與領(lǐng)域，在當今對燃 料電池的體積密度和重量密度要求接近苛求的條件下，越來越制約著燃料電池的商業(yè)化腳 步，輕質(zhì)化和結(jié)構(gòu)緊湊化成為燃料電池未來發(fā)展的重點之一。
[0003] 如何減輕燃料電池電堆的重量，提高燃料電池體積能量密度，將燃料電池應用范 圍更廣泛，成為目前急需解決的重要問題，燃料電池電堆輕質(zhì)化和緊湊化的問題重點便在 于對傳統(tǒng)燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)的改造。在解決該問題的過程中，現(xiàn)有技術(shù)提供了幾種方案， 舍棄了金屬雙極板和石墨雙極板，通過使用無極板式PEMFC，從而達到減輕燃料電池電堆的 重量的目的，但無極板式PEMFC不僅為電極反應提供氣體通道、電子通道和排水通道的多種 功能，還起到支撐催化劑層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用，因此在對無極板式PEMFC的設計必須考 慮到使用時的綜合性能。
[0004] 易培云在其上海交通大學博±學位論文"無極板式質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)設計 與制造工藝研究"中提供了一種無極板式陽MFC，由CMEA、端板、密封件和緊固件組成，CMEA 為無極板式PEMFC的最基本單元，由兩側(cè)分別涂覆有催化劑的膜電極合一"組件 Ka1:alyst Coated Membrane，CCM)與金屬氣體擴散層（Metallie Gas DifTusion Layer, MG化)經(jīng)過熱壓而成。無極板式PEMFC基本工作原理為：相鄰的波浪型CMEA裝配后自然形成 型腔，構(gòu)成了反應氣體流道，反應氣體通過金屬GDL微孔擴散作用到達電極表面發(fā)生電化學 反應。采用上述無極板式PEMFC結(jié)構(gòu)可W去除傳統(tǒng)意義上的雙極板，降低了原料和加工成 本，減小了電堆重量和體積;但是加工的氣體流場為波浪型、流場特征復雜，加工成本高，采 用燒結(jié)金屬纖維材料制成的GDL在加工氣體流道時對成型模具有較高的精度要求，加工過 程存在誤差大、纖維易斷裂的問題，且加工后的極限成形深度僅為0.658mm;且其在設計時 并未考慮電堆冷卻問題、裝配等多種問題，僅停留在理論研究階段，無法推廣應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的:本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可大幅度減輕重量、減 小體積的高功率密度PEMFC電堆專用極板制造方法。
[0006] 技術(shù)方案:本發(fā)明所述高功率密度PEMFC電堆專用極板制造方法，包括如下步驟：
[0007] (1)制胚:將碳纖維短纖放入分散液中配置成分散漿液，使用抄紙機抄造成0.3~ 0.5mm厚的碳纖維拉，干燥后收卷、待用；
[0008] (2)浸潰:將熱固性樹脂、碳粉或石墨粉、造孔劑、增強劑DH-4按重量份數(shù)混合攬拌 配置成浸潰液，其中熱固性樹脂35~60份、碳粉或石墨粉45~65份、造孔劑0.5~1.5份、增 強劑DH-41.5~2.5份，將步驟（1)制成的碳纖維拉放置在浸潰液中10~15min，拱出漸干，在 70~120°C條件下真空預固化30min，收卷、待用；
[0009] (3)裁片:使用裁切設備將步驟(2)預固化后的浸潰碳纖維拉裁切成片、待用；
[0010] (4)成型:將步驟(3)裁切成片的碳纖維拉層疊放在模具中進行模壓，模壓成型后 形成一面具有氣體流場面、一面具有平板面的專用極板，層疊的層數(shù)根據(jù)專用極板的厚度 設置；
[0011] (5)石墨化:將模壓成型的專用極板進行高溫石墨化處理，石墨化條件為：純氣氣 保護氛圍內(nèi)、高溫1800~2300°C ;
[0012] (6)疏水:將石墨化后的專用極板放入20wt %~50wt %的PTFE溶液中浸泡，漸干 后，在300~400 °C下灼燒疏水處理，完成后冷卻，得到疏水處理后的專用極板；
[0013] (7)涂覆:將疏水處理后的專用極板放在涂布機上，在專用極板的平板面上涂布一 層導電緩沖層。
[0014] 優(yōu)選地，所述碳纖維短纖為T300~Tiooo碳纖維中一種、短纖長度為3~8mm;所述 分散液采用5000ml水與5~15g分散劑配比攬拌溶解而成。進一步優(yōu)選，所述碳纖維短纖長 度為5mm，所述分散液采用5000ml水與IOg聚丙締酷胺攬拌溶解而成。
[0015] 優(yōu)選地，所述浸潰液采用熱固性樹脂、石墨粉或碳粉、造孔劑、增強劑DH-4按重量 份數(shù)比44:53:1:2混合攬拌配置而成。
[0016] 優(yōu)選地，所述熱固性樹脂為酪醒樹脂、環(huán)氧樹脂、乙締基類、丙稀酸類樹脂或聚醋 樹脂中一種或幾種的混合物;所述碳粉為XC-72、科琴黑、中間相碳微球、碳納米管中一種或 幾種的混合物;所述碳粉或石墨粉的粒徑為1000~15000目。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟(5)石墨化完成后的專用極板厚度為0.6~3mm，孔隙率為55%~ 85%，孔徑為0.2~如m。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟(4)中氣體流場包括陰極極板流場和陽極極板流場兩種。
[0019] 優(yōu)選地，所述陰極極板流場的流道深度為0.5~2mm，陽極極板流場的流道深度為 0.3 ~ImniD
[0020] 優(yōu)選地，所述氣體流場的形狀包括蛇形流場、直流場、混合流場、點狀流場。
[0021] 優(yōu)選地，所述步驟(7)導電緩沖層的厚度為10-100皿。
[0022] 本發(fā)明的工作原理是:氨氣與氧氣分別由各自的進氣口進入電堆，在專用極板表 面氣體流場的作用下均勻分布，并通過該專用極板的孔隙擴散到膜電極表面進行相應的電 化學反應。
[0023] 有益效果：（1)本發(fā)明采用新配方、工藝制備燃料電池的專用極板，具有高強度、巧U 性強，氣體透過性好，其彎曲強度> 30MPa，拉伸強度> 20MPa，抗壓強度> IG化，其表面壓制 出氣體流場，無需設置雙極板，即可對進入燃料電池電堆內(nèi)部的氣體進行分布，重新定義了 燃料電池的概念，具有輕質(zhì)、緊湊、高效的優(yōu)點，有利于拓寬燃料電池的應用領(lǐng)域；
[0024] (2)本發(fā)明配方及工藝制備的專用極板加入增強劑，達到傳統(tǒng)雙極板的機械強度， 能夠在電堆內(nèi)部起到支撐作用，在確保輕質(zhì)的同時，保證極板的硬度，無需雙極板或隔板支 撐，有利于減輕電堆的重量與體積;提高了電堆的比體積密度和比重量密度，又具有適當?shù)?剛性與柔性、利于電極的制作，在組裝成電池單元等情況下能承受施加的結(jié)合壓力而不變 形，滿足長期操作條件下電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；
[0025] (3)本發(fā)明根據(jù)陰極流場和陽極流場的不同，在專用極板的表面壓制出不同深度 的流場，使加工工差控制在±0.Olmm內(nèi)，保證產(chǎn)品的均一性，具有均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)和透氣 性能，確保氧化劑氣體和燃料氣氣體在各自的流場內(nèi)均勻分布，結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小 接觸電阻，提高電堆的性能；
[0026] (4)本發(fā)明提供的本發(fā)明采用的配方具有化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，制造過程簡單， 成本低，易于批量化、規(guī)?；茝V應用。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明所述專用極板的流道面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明所述專用極板的平板面結(jié)構(gòu)示意圖；
[00巧]圖3為圖1的A-A截面圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但是本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施 例。
[0031] 如圖1-3所示:下列各實施例中的極板超輕PEMFC電堆專用極板制造方法的正反兩 面分別為流場面1和平板面2,其中流場面1上具有流場4,平板面2上涂覆有導電緩沖層3。
[0032] 實施例1:上述極板超輕PEMFC電堆專用極板制造方法:包括如下步驟：
[0033] (1)制胚:將碳纖維短纖T1000、短切長度為5mm放入分散液中配置成分散漿液，分 散液采用5000ml水與IOg聚丙締酷胺攬拌溶解而成，使用抄紙機抄造成0.4mm厚的碳纖維 拉，干燥后收卷、待用；
[0034] (2)浸潰:將酪醒樹脂、12000目的碳納米管、造孔劑、增強劑DH-4按重量份數(shù)比44: 53:1:2混合攬拌配置成浸潰液，將步驟（1)制成的碳纖維拉放置在浸潰液中13min，拱出漸 干，在100°C條件下真空預固化30min，收卷、待用；
[0035] (3)裁片:使用裁切設備將步驟(2)預固化后的浸潰碳纖維拉裁切成片、待用；
[0036] (4)成型:根據(jù)專用極板厚度將步驟(3)裁切成片的碳纖維拉層疊放在模具中進行 模壓，模壓成型后形成一面具有蛇形流場面、一面具有平板面的專用極板，具有陰極極板流 場流道深度加工為1mm，具有陽極極板流場流道深度加工為0.6mm;
[0037] (5)石墨化:將模壓成型的專用極板進行高溫石墨化處理，石墨化條件為：純氣氣 保護氛圍內(nèi)、高溫2000°C，完成后的專用極板厚度為2mm，孔隙率為65%，孔徑為化m;
[003引（6)疏水:將石墨化后的專用極板放入30wt%的PT陽溶液中浸泡，漸干后，在350°C 下灼燒疏水處理，完成后冷卻，得到疏水處理后的專用極板；
[0039] (7)涂覆:將疏水處理后的專用極板放在涂布機上，在專用極板的平板面上涂布一 層厚度為60wn導電繪沖層。
[0040] 實施例2:上述高功率密度PEMFC電堆專用極板制造方法:包括如下步驟：
[0041 ] (1)制胚:將碳纖維短纖T300、短切長度為3mm放入分散液中配置成分散漿液，分散 液采用5000ml水與5g聚丙締酷胺攬拌溶解而成，使用抄紙機抄造成0.3mm厚的碳纖維拉，干 燥后收卷、待用；
[0042] (2)浸潰:將環(huán)氧樹脂、15000目的石墨粉、造孔劑、增強劑DH-4按重量份數(shù)比38: 45:0.5:1.5混合攬拌配置成浸潰液，將步驟（1)制成的碳纖維拉放置在浸潰液中IOmin，拱 出漸干，在75°C條件下真空預固化30min，收卷、待用；
[0043] (3)裁片:使用裁切設備將步驟(2)預固化后的浸潰碳纖維拉裁切成片、待用；