一种高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法

摘要

本发明公开一种高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，包括如下步骤：将碳纤维短纤放入分散液中使用抄纸机抄造成0.3~0.5mm厚的碳纤维毡；将热固性树脂、碳粉或石墨粉、造孔剂、增强剂DH‑4按重量份数混合搅拌配置成浸渍液，将碳纤维毡放置在浸渍液中10~15min，真空预固化；使用裁切设备将浸渍碳纤维毡裁切成片；模压形成一面具有气体流场面、一面具有平板面的极板；高温石墨化处理；放入PTFE溶液中浸泡，沥干后在进行灼烧疏水处理；在极板的平板面上涂布导电缓冲层。本发明采用新配方、工艺制备的专用极板，表面压制出流场，代替传统的双极板和气体扩散层，即可对进入燃料电池电堆内部的气体进行分布，无需设置双极板，具有轻质、紧凑、高效的优点。

权利要求

1.一种高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制胚：将碳纤维短纤放入分散液中配置成分散浆液，使用抄纸机抄造成0.3 0.5mm~厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

（2）浸渍：将热固性树脂、碳粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数混合搅拌配置成浸渍液，其中热固性树脂35 60份、碳粉45 65份、造孔剂0.5 1.5份、增强剂DH-4 1.5 2.5份，将~ ~ ~ ~步骤（1）制成的碳纤维毡放置在浸渍液中10 15min，捞出沥干，在70 120℃条件下真空预固~ ~化30min，收卷、待用；

（3）裁片：使用裁切设备将步骤（2）预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

（4）成型：将步骤（3）裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有气体流场面、一面具有平板面的专用极板，层叠的层数根据专用极板的厚度设置；

（5）石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温1800 2300 ℃；

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（6）疏水：将石墨化后的专用极板放入20wt% 50wt%的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300~ ~

400 ℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

（7）涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层导电缓冲层。

2.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述碳纤维短纤为T300 T1000碳纤维中一种、短纤长度为3 8 mm；所述分散液采用5000ml水与5~ ~

15g分散剂配比搅拌溶解而成。

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3.根据权利要求2所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述碳纤维短纤长度为5 mm，所述分散液采用5000ml水与10g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成。

4.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述浸渍液采用热固性树脂、碳粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比44:53:1:2混合搅拌配置而成。

5.根据权利要求1或4所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂或聚酯树脂中一种或几种的混合物；所述碳粉为XC-72、科琴黑、中间相碳微球、碳纳米管中一种或几种的混合物；所述碳粉的粒径为1000 15000目。

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6.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述步骤（5）石墨化完成后的专用极板厚度为0.6 3 mm，孔隙率为55% 85%，孔径为0.2 5μm。

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7.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板的制造方法，其特征在于：所述步骤（4）中气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场两种。

8.根据权利要求7所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述阴极极板流场的流道深度为0.5 2 mm，阳极极板流场的流道深度为0.3 1 mm。

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9.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述气体流场的形状包括蛇形流场、直流场、混合流场、点状流场。

10.根据权利要求1所述的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，其特征在于：所述步骤（7）中导电缓冲层的厚度为10-100 μm。

说明书

一种高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆专用极板制造方法。

背景技术

[0002] 质子交换膜燃料电池作为一种高效、环境友好的发电装置，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。传统的燃料电池，是由膜电极、双极板、集电板、端板和紧固件组成，在实际应用中，是由多个电池单元叠加在一起进行串联起来，形成电堆。目前的燃料电池由于体积、重量等原因，只能在一些特定场所适用，极大的制约了燃料电池的推广应用，双极板是燃料电池部件中最重的构件，主要起支撑和分配气体的作用。目前市场上的燃料电池中，大多采用金属双极板或石墨双极板组装电堆，其制造成本较高，膜电极的利用率低，同时重量占电堆重量一半以上，体积占燃料电池体积的30～70％左右，使得燃料电池重量与体积偏大，限制燃料电池应用范围与领域，在当今对燃料电池的体积密度和重量密度要求接近苛求的条件下，越来越制约着燃料电池的商业化脚步，轻质化和结构紧凑化成为燃料电池未来发展的重点之一。

[0003] 如何减轻燃料电池电堆的重量，提高燃料电池体积能量密度，将燃料电池应用范围更广泛，成为目前急需解决的重要问题，燃料电池电堆轻质化和紧凑化的问题重点便在于对传统燃料电池双极板结构的改造。在解决该问题的过程中，现有技术提供了几种方案，舍弃了金属双极板和石墨双极板，通过使用无极板式PEMFC，从而达到减轻燃料电池电堆的重量的目的，但无极板式PEMFC不仅为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道的多种功能，还起到支撑催化剂层、稳定电极结构的作用，因此在对无极板式PEMFC的设计必须考虑到使用时的综合性能。

[0004] 易培云在其上海交通大学博士学位论文“无极板式质子交换膜燃料电池结构设计与制造工艺研究”中提供了一种无极板式PEMFC，由CMEA、端板、密封件和紧固件组成，CMEA为无极板式PEMFC的最基本单元，由两侧分别涂覆有催化剂的膜电极“三合一”组件(Catalyst Coated Membrane，CCM)与金属气体扩散层(Metallic Gas Diffusion Layer，MGDL)经过热压而成。无极板式PEMFC基本工作原理为：相邻的波浪型CMEA装配后自然形成型腔，构成了反应气体流道，反应气体通过金属GDL微孔扩散作用到达电极表面发生电化学反应。采用上述无极板式PEMFC结构可以去除传统意义上的双极板，降低了原料和加工成本，减小了电堆重量和体积；但是加工的气体流场为波浪型、流场特征复杂，加工成本高，采用烧结金属纤维材料制成的GDL在加工气体流道时对成型模具有较高的精度要求，加工过程存在误差大、纤维易断裂的问题，且加工后的极限成形深度仅为0.658mm；且其在设计时并未考虑电堆冷却问题、装配等多种问题，仅停留在理论研究阶段，无法推广应用。

发明内容

[0005] 发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种可大幅度减轻重量、减小体积的高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法。

[0006] 技术方案：本发明所述高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法，包括如下步骤：

[0007] (1)制胚：将碳纤维短纤放入分散液中配置成分散浆液，使用抄纸机抄造成0.3～0.5mm厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

[0008] (2)浸渍：将热固性树脂、碳粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数混合搅拌配置成浸渍液，其中热固性树脂35～60份、碳粉45～65份、造孔剂0.5～1.5份、增强剂DH-41.5～2.5份，将步骤(1)制成的碳纤维毡放置在浸渍液中10～15min，捞出沥干，在70～120℃条件下真空预固化30min，收卷、待用；

[0009] (3)裁片：使用裁切设备将步骤(2)预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

[0010] (4)成型：将步骤(3)裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有气体流场面、一面具有平板面的专用极板，层叠的层数根据专用极板的厚度设置；

[0011] (5)石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温1800～2300℃；

[0012] (6)疏水：将石墨化后的专用极板放入20wt％～50wt％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300～400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

[0013] (7)涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层导电缓冲层。

[0014] 优选地，所述碳纤维短纤为T300～T1000碳纤维中一种、短纤长度为3～8mm；所述分散液采用5000ml水与5～15g分散剂配比搅拌溶解而成。进一步优选，所述碳纤维短纤长度为5mm，所述分散液采用5000ml水与10g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成。

[0015] 优选地，所述浸渍液采用热固性树脂、碳粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比44:53:1:2混合搅拌配置而成。

[0016] 优选地，所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂或聚酯树脂中一种或几种的混合物；所述碳粉为XC-72、科琴黑、中间相碳微球、碳纳米管中一种或几种的混合物；所述碳粉的粒径为1000～15000目。

[0017] 优选地，所述步骤(5)石墨化完成后的专用极板厚度为0.6～3mm，孔隙率为55％～85％，孔径为0.2～5μm。

[0018] 优选地，所述步骤(4)中气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场两种。

[0019] 优选地，所述阴极极板流场的流道深度为0.5～2mm，阳极极板流场的流道深度为0.3～1mm。

[0020] 优选地，所述气体流场的形状包括蛇形流场、直流场、混合流场、点状流场。

[0021] 优选地，所述步骤(7)导电缓冲层的厚度为10-100μm。

[0022] 本发明的工作原理是：氢气与氧气分别由各自的进气口进入电堆，在专用极板表面气体流场的作用下均匀分布，并通过该专用极板的孔隙扩散到膜电极表面进行相应的电化学反应。

[0023] 有益效果：(1)本发明采用新配方、工艺制备燃料电池的专用极板，具有高强度、刚性强，气体透过性好，其弯曲强度＞30MPa，拉伸强度＞20MPa，抗压强度＞1GPa，其表面压制出气体流场，无需设置双极板，即可对进入燃料电池电堆内部的气体进行分布，重新定义了燃料电池的概念，具有轻质、紧凑、高效的优点，有利于拓宽燃料电池的应用领域；

[0024] (2)本发明配方及工艺制备的专用极板加入增强剂，达到传统双极板的机械强度，能够在电堆内部起到支撑作用，在确保轻质的同时，保证极板的硬度，无需双极板或隔板支撑，有利于减轻电堆的重量与体积；提高了电堆的比体积密度和比重量密度，又具有适当的刚性与柔性、利于电极的制作，在组装成电池单元等情况下能承受施加的结合压力而不变形，满足长期操作条件下电极结构的稳定性；

[0025] (3)本发明根据阴极流场和阳极流场的不同，在专用极板的表面压制出不同深度的流场，使加工工差控制在±0.01mm内，保证产品的均一性，具有均匀的多孔质结构和透气性能，确保氧化剂气体和燃料气气体在各自的流场内均匀分布，结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高电堆的性能；

[0026] (4)本发明提供的本发明采用的配方具有化学稳定性和热稳定性，制造过程简单，成本低，易于批量化、规模化推广应用。

附图说明

[0027] 图1为本发明所述专用极板的流道面结构示意图；

[0028] 图2为本发明所述专用极板的平板面结构示意图；

[0029] 图3为图1的A-A截面图。

具体实施方式

[0030] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0031] 如图1-3所示：下列各实施例中的极板超轻PEMFC电堆专用极板制造方法的正反两面分别为流场面1和平板面2，其中流场面1上具有流场4，平板面2上涂覆有导电缓冲层3。

[0032] 实施例1：上述极板超轻PEMFC电堆专用极板制造方法：包括如下步骤：

[0033] (1)制胚：将碳纤维短纤T1000、短切长度为5mm放入分散液中配置成分散浆液，分散液采用5000ml水与10g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.4mm厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

[0034] (2)浸渍：将酚醛树脂、12000目的碳纳米管、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比44:53:1:2混合搅拌配置成浸渍液，将步骤(1)制成的碳纤维毡放置在浸渍液中13min，捞出沥干，在100℃条件下真空预固化30min，收卷、待用；

[0035] (3)裁片：使用裁切设备将步骤(2)预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

[0036] (4)成型：根据专用极板厚度将步骤(3)裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有蛇形流场面、一面具有平板面的专用极板，具有阴极极板流场流道深度加工为1mm，具有阳极极板流场流道深度加工为0.6mm；

[0037] (5)石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温2000℃，完成后的专用极板厚度为2mm，孔隙率为65％，孔径为2μm；

[0038] (6)疏水：将石墨化后的专用极板放入30wt％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在350℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

[0039] (7)涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层厚度为60μm导电缓冲层。

[0040] 实施例2：上述高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法：包括如下步骤：

[0041] (1)制胚：将碳纤维短纤T300、短切长度为3mm放入分散液中配置成分散浆液，分散液采用5000ml水与5g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.3mm厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

[0042] (2)浸渍：将环氧树脂、15000目的石墨粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比38:45:0.5:1.5混合搅拌配置成浸渍液，将步骤(1)制成的碳纤维毡放置在浸渍液中10min，捞出沥干，在75℃条件下真空预固化30min，收卷、待用；

[0043] (3)裁片：使用裁切设备将步骤(2)预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

[0044] (4)成型：根据专用极板厚度将步骤(3)裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有直流流场面、一面具有平板面的专用极板，具有阴极极板流场流道深度加工为0.6mm，具有阳极极板流场流道深度加工为0.3mm；

[0045] (5)石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温1800℃，完成后的专用极板厚度为1mm，孔隙率为55％，孔径为1μm；

[0046] (6)疏水：将石墨化后的专用极板放入20wt％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在300℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

[0047] (7)涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层厚度为10μm导电缓冲层。

[0048] 实施例3：上述高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法：包括如下步骤：

[0049] (1)制胚：将碳纤维短纤T800、短切长度为8mm放入分散液中配置成分散浆液，采用5000ml水与15g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.5mm厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

[0050] (2)浸渍：将环氧树脂与聚酯树脂的混合物、1000目科琴黑、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比50:60:1.4:2.2混合搅拌配置成浸渍液，将步骤(1)制成的碳纤维毡放置在浸渍液中15min，捞出沥干，在110℃条件下真空预固化30min，收卷、待用；

[0051] (3)裁片：使用裁切设备将步骤(2)预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

[0052] (4)成型：根据专用极板厚度将步骤(3)裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有混合流场面、一面具有平板面的专用极板，具有阴极极板流场流道深度加工为1.8mm，具有阳极极板流场流道深度加工为0.6mm；

[0053] (5)石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温2300℃，完成后的专用极板厚度为3mm，孔隙率为80％，孔径为4μm；

[0054] (6)疏水：将石墨化后的专用极板放入40wt％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在400℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

[0055] (7)涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层厚度为100μm导电缓冲层。

[0056] 实施例4：上述高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法：包括如下步骤：

[0057] (1)制胚：将碳纤维短纤T700、短切长度为6mm放入分散液中配置成分散浆液，采用5000ml水与8g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.35mm厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

[0058] (2)浸渍：将丙烯酸类树脂与聚酯树脂的混合物、5000目中间相碳微球、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比45:55:1.2:1.8混合搅拌配置成浸渍液，将步骤(1)制成的碳纤维毡放置在浸渍液中12min，捞出沥干，在90℃条件下真空预固化30min，收卷、待用；

[0059] (3)裁片：使用裁切设备将步骤(2)预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

[0060] (4)成型：根据专用极板厚度将步骤(3)裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有混合流场面、一面具有平板面的高强度气体扩散层，具有阴极极板流场流道深度加工为2mm，具有阳极极板流场流道深度加工为1mm；

[0061] (5)石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温2200℃，完成后的专用极板厚度为1mm，孔隙率为70％，孔径为2.5μm；

[0062] (6)疏水：将石墨化后的专用极板放入45wt％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在380℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

[0063] (7)涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层厚度为70μm导电缓冲层。

[0064] 实施例5：上述高功率密度PEMFC电堆专用极板制造方法：包括如下步骤：

[0065] (1)制胚：将碳纤维短纤T700、短切长度为4mm放入分散液中配置成分散浆液，采用5000ml水与12g聚丙烯酰胺搅拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.45mm厚的碳纤维毡，干燥后收卷、待用；

[0066] (2)浸渍：将丙烯酸类树脂与聚酯树脂的混合物、6000目中间相碳微球、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数比55:62:1.3:2.5混合搅拌配置成浸渍液，将步骤(1)制成的碳纤维毡放置在浸渍液中14min，捞出沥干，在100℃条件下真空预固化30min，收卷、待用；

[0067] (3)裁片：使用裁切设备将步骤(2)预固化后的浸渍碳纤维毡裁切成片、待用；

[0068] (4)成型：根据专用极板厚度将步骤(3)裁切成片的碳纤维毡层叠放在模具中进行模压，模压成型后形成一面具有点状流场面、一面具有平板面的专用极板，具有阴极极板流场流道深度加工为1.2mm，具有阳极极板流场流道深度加工为0.7mm；

[0069] (5)石墨化：将模压成型的专用极板进行高温石墨化处理，石墨化条件为：纯氩气保护氛围内、高温2200℃，完成后的专用极板厚度为1.5mm，孔隙率为68％，孔径为3μm；

[0070] (6)疏水：将石墨化后的专用极板放入40wt％的PTFE溶液中浸泡，沥干后，在330℃下灼烧疏水处理，完成后冷却，得到疏水处理后的专用极板；

[0071] (7)涂覆：将疏水处理后的专用极板放在涂布机上，在专用极板的平板面上涂布一层厚度为60μm导电缓冲层。

[0072] 上述各实施例制备的高功率密度PEMFC电堆专用极板具体参数如下：

[0073]  弯曲强度(MPa) 拉伸强度(MPa) 抗压强度(GPa)
实施例1 32 23 1.26
实施例2 30.5 21.5 1.1
实施例3 31.5 21 1.3
实施例4 31 20.6 1.2
实施例5 30.2 22 1.3

[0074] 如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。