气体扩散层带流场膜电极组件及其配套双极板制备方法技术

气体扩散层带流场膜电极组件及其配套双极板制备方法,气体扩散层带流场的膜电极组件制作包括：将碳纸用碳粉浆料在网印机上网印出空气流场或氢气流场，网印流场的碳纸放到焙烧炉焙烧，得到了带流场的气体扩散层，将带流场的气体扩散层、膜电极和聚酯边框压合，制成气体扩散层带流场膜电极组件；配套双极板制作包括：用柔性石墨板裁剪成不设反应气体流场的单极板，将膨胀石墨板冲剪出的冷却剂流场粘结在两块单极板之间，制得与气体扩散层带流场膜电极组件配套的双极板。有益效果是：降低了双极板加工成本和厚度，流场憎水且多孔，有利于增大气体向电极扩散速度，流场可根据不同的工况条件，灵活的改变流场的结构和形式。

Gas Diffusion Layer with Flow Field Membrane Electrode Module and Its Matched Bipolar Plate Preparation Method

Gas diffusion layer with flow field membrane electrode assembly and its matching bipolar plate preparation method, gas diffusion layer with flow field membrane electrode assembly production includes: carbon paper with carbon powder slurry screen printing machine air flow field or hydrogen flow field, screen printing flow field carbon paper roasted in roaster, obtained gas diffusion layer with flow field, gas diffusion layer with flow field, film electrode and polyester rim. The bipolar plate includes: cutting the flexible graphite plate into a unipolar plate without reacting gas flow field, bonding the coolant flow field from the expanded graphite plate between the two unipolar plates, and making the bipolar plate with the film electrode assembly of gas diffusion layer flow field. The beneficial effects are as follows: the cost and thickness of bipolar plate processing are reduced, the flow field is hydrophobic and porous, which is conducive to increasing the gas diffusion speed to the electrode. The flow field can flexibly change the structure and form of the flow field according to different working conditions.

【技术实现步骤摘要】
气体扩散层带流场膜电极组件及其配套双极板制备方法
本专利技术涉及燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池的膜电极组件及配套双极板的制备方法。
技术介绍
现有技术中，质子交换膜燃料电池是把多个单电池串联起来使用，串联结构是：一张双极板上面放个密封件、再放一张膜电极组件、再放一个密封件、再放一张双极板，依次叠加。膜电极组件的结构是：中间一张质子交换膜，两侧分别是阳极气体扩散层(GDL)和阴极气体扩散层(GDL)，周边由两张聚酯边框热熔压合组成了膜电极组件(MEA)。双极板正反两面，分别设有空气流场和氢气流场。现有技术的不足是：双极板正反两面的空气流场和氢气流场加工复杂，使双极板制造成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种气体扩散层(GDL)带流场的膜电极组件及配套双极板，将流场加工在气体扩散层(GDL)上，从而降低双极板加工成本，减少双极板的厚度，并可根据不同的工况条件，灵活的改变流场的结构和形式。本专利技术的技术方案是：气体扩散层带流场的膜电极组件的制备方法，其特征在于；所述气体扩散层带流场的膜电极组件的制备方法包括以下步骤：1)将碳纸裁割成设计尺寸，对裁割好的碳纸称重并记录原始重量后，放到重量百分比为60％的聚四氟乙烯乳液中浸渍，浸渍5分钟后，取出控干，在温度为125℃～135℃的烘干箱中烘干，取出称重，并与原始重量比较，测出碳纸上的聚四氟乙烯的增量，如果增量未达到设计规定的增量，重复上述浸渍步骤，直至增量达到设计规定的增量；2)配制草酸铵水溶液，按照每3克草酸铵加入50ml去离子水的比例，配制草酸铵水溶液，草酸铵加入去离子水中后，在95℃～98℃水的水浴锅中加热溶解，冷却后即得一份草酸铵水溶液；3)配制乙炔黑碳粉浆料，按一份步骤2)配制的草酸铵水溶液加入5克乙炔黑碳粉、100ml异丙醇和20克重量百分比为20％聚四氟乙烯乳液的比例，依次将乙炔黑碳粉、异丙醇和聚四氟乙烯乳液加入草酸铵水溶液中，搅拌三分钟后，制得乙炔黑碳粉浆料；4)将步骤1)制得的聚四氟乙烯增量达到设计规定的碳纸，放到网印机上，将步骤3)制得的乙炔黑碳粉浆料在碳纸单面均匀的网印上乙炔黑碳粉浆料涂层，将网印好的碳纸在温度为125℃～135℃的烘干箱内烘干，取出称重，测取乙炔黑碳粉浆料的增量，如果乙炔黑碳粉浆料的增量未达到设定值，则重复上述网印步骤，直至乙炔黑碳粉浆料的增量达到设定值；5)将步骤4)制备的碳纸，放到网印机上，将网印机的网板换为气体流场网印板，用步骤3)制得的乙炔黑碳粉浆料在经步骤4)网印了乙炔黑碳粉浆料涂层的碳纸的面上网印气体流场，将网印了气体流场的碳纸，在温度为125℃～135℃的烘干箱内烘干，重复网印、烘干，至气体流场的脊高达到设定值，所述气体流场网印板包括空气流场网印板和氢气流场网印板，用空气流场网印板在碳纸上网印出的是空气流场，用氢气流场网印板在碳纸上网印出的是氢气流场；6)将步骤5)网印好流场的碳纸，在焙烧炉内在345℃±5℃恒温保持50分钟，冷却后取出，得到带空气流场的阴极扩散层和带氢气流场的阳极扩散层；7)用与带气体流场的扩散层配套的聚酯边框，按照一张聚酯边框、一张带氢气流场的阳极扩散层、一张CCM膜电极、一张带空气流场的阴极扩散层、一张聚酯边框的顺序叠放，带空气流场的阴极扩散层和带氢气流场的阳极扩散层的流场面都朝向聚酯边框，将叠放好的聚酯边框、阳极扩散层、CCM膜电极、阴极扩散层和聚酯边框放到平板热压机上，加热模压，加热温度是135℃±5℃，使两张聚酯边框热熔，制成一张扩散层带流场的膜电极组件。一种与气体扩散层带流场的膜电极组件配套的双极板，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板的两端部设有空气通道、氢气通道和冷却剂通道剂，双极板的四周及空气通道、氢气通道和冷却剂通道剂之间设有密封胶线槽，其特征在于：所述阳极板和阴极板上不设氢气流场和空气流场，阳极板和阴极板相对的面构成的冷却腔里设有冷却剂流场。本专利技术所述一种与气体扩散层带流场的膜电极组件配套的双极板的制备方法，其特征在于：所述配套的双极板的制备方法包括以下步骤：1)将0.2mm～0.3mm厚的膨胀石墨板按双极板设计要求裁剪成单极板尺寸，在单极板单面模压出密封胶线槽，在单极板两端冲剪出空气通道、氢气通道和冷却剂通道，分别制得空气单极板和氢气单极板，将空气单极板和氢气单极板浸入树脂封闭剂中在真空度133Pa下真空浸渍三小时，取出控干；2)将浸渍、控干好的空气单极板和氢气单极板，在惰性气体保护条件下，在烘干炉内，用150℃～180℃固化两小时，冷却后取出，得到树脂封闭剂浸渍的空气单极板和氢气单极板；3)将0.3mm～0.5mm厚的膨胀石墨板冲剪出冷却剂流场，在冷却剂流场的正反面，用丝网印刷技术涂敷树脂粘结剂，将涂敷了树脂粘结剂的冷却剂流场放到浸渍树脂后的空气单极板和氢气单极板中间，加热模压，加热温度为135℃±5℃，使粘结剂固化，得到与扩散层带流场膜电极组件配套的双极板。本专利技术所述一种与气体扩散层带流场的膜电极组件配套的双极板的制备方法，其特征在于：所述树脂封闭剂为粘度在300mPa.s～400mPa.s的酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸酯中的一种；所述脂粘结剂为酚醛树脂或环氧树脂。本专利技术的有益效果是：1、气体流场加工在扩散层上，降低了双极板加工的复杂程度，从而降低了双极板加工成本，也降低了双极板厚度。2、采用憎水的聚四氟乙烯为粘结剂与碳粉混合形成收集电流的流场的脊，其自身憎水且多孔，有利于增大气体向电极反应面的扩散速度。3、采用丝网印刷制备流场，加工成本低，可根据不同的工况条件，灵活的改变流场的结构和形式。附图说明附图1是带空气流场的阴极扩散层平面图。附图2是带氢气流场的阳极扩散层平面图。附图3是聚酯框平面图。附图4是CCM膜电极平面图。附图5是阴极侧膜电极组件平面图。附图6是阳极侧膜电极组件平面图。附图7是空气单极板平面图。附图8是氢气单极板平面图。附图9是冷却剂流场平面图。图中：1、空气流场，2、氢气流场，3、聚酯边框，4、CCM膜电极，5、阴极侧膜电极组件，6、阳极侧膜电极组件，7、空气单极板，8、氢气单极板，9、冷却剂流场，10、空气通道，11、冷却剂通道，12、氢气通道，13、密封胶线槽。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。气体扩散层带流场的膜电极组件的件制备方法包括以下步骤：1)将碳纸裁割成设计尺寸，对裁割好的碳纸称重并记录原始重量后，放到重量百分比为60％的聚四氟乙烯乳液中浸渍，浸渍5分钟后，取出控干，在温度为125℃～135℃的烘干箱中烘干，取出称重，并与原始重量比较，测出碳纸上的聚四氟乙烯的增量，如果增量未达到设计规定的增量，重复上述浸渍步骤，直至增量达到设计规定的增量；2)草酸铵水溶液配制，按照每3克草酸铵加入50ml去离子水的比例，配制草酸铵水溶液，草酸铵加入去离子水中后，在95℃～98℃水的锅水浴加热溶解，冷却后即得一份草酸铵水溶液；3)乙炔黑碳粉浆料配制，按一份步骤2)配制的草酸铵水溶液加入5克乙炔黑碳粉、100ml异丙醇和20克重量百分比为20％聚四氟乙烯乳液的比例，依次将乙炔黑碳粉、异丙醇和聚四氟乙烯乳液加入草酸铵水溶液中，搅拌三分钟后，取出备用；4)将步骤1)制得的聚四氟乙烯增量达到设计规定的碳纸，放到网印机上，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.气体扩散层带流场的膜电极组件的制备方法，其特征在于；所述气体扩散层带流场的膜电极组件的制备方法包括以下步骤：1)将碳纸裁割成设计尺寸，对裁割好的碳纸称重并记录原始重量后，放到重量百分比为60％的聚四氟乙烯乳液中浸渍，浸渍5分钟后，取出控干，在温度为125℃～135℃的烘干箱中烘干，取出称重，并与原始重量比较，测出碳纸上的聚四氟乙烯的增量，如果增量未达到设计规定的增量，重复上述浸渍步骤，直至增量达到设计规定的增量；2)配制草酸铵水溶液，按照每3克草酸铵加入50ml去离子水的比例，配制草酸铵水溶液，草酸铵加入去离子水中后，在95℃～98℃水的水浴锅中加热溶解，冷却后即得一份草酸铵水溶液；3)配制乙炔黑碳粉浆料，按一份步骤2)配制的草酸铵水溶液加入5克乙炔黑碳粉、100ml异丙醇和20克重量百分比为20％聚四氟乙烯乳液的比例，依次将乙炔黑碳粉、异丙醇和聚四氟乙烯乳液加入草酸铵水溶液中，搅拌三分钟后，制得乙炔黑碳粉浆料；4)将步骤1)制得的聚四氟乙烯增量达到设计规定的碳纸，放到网印机上，将步骤3)制备的乙炔黑碳粉浆料在碳纸单面均匀的网印上乙炔黑碳粉浆料涂层，将网印好的碳纸在温度为125℃～135℃的烘干箱内烘干，取出称重，测取乙炔黑碳粉浆料的增量，如果乙炔黑碳粉浆料的增量未达到设定值，则重复上述网印步骤，直至乙炔黑碳粉浆料的增量达到设定值；5)将步骤4)制得的碳纸，放到网印机上，将网印机的网板换为气体流场网印板，用步骤3)制备的乙炔黑碳粉浆料在经步骤4)网印了乙炔黑碳粉浆料涂层的碳纸的面上网印气体流场，将网印了气体流场的碳纸，在温度为125℃～135℃的烘干箱内烘干，重复网印、烘干，至气体流场的脊高达到设定值；所述气体流场网印板包括空气流场网印板和氢气流场网印板，用空气流场网印板在碳纸上网印出的是空气流场，用氢气流场网印板在碳纸上网印出的是氢气流场；6)将步骤5)网印好流场的碳纸，在焙烧炉内在345℃±5℃恒温保持50分钟，冷却后取出，得到带空气流场的阴极扩散层和带氢气流场的阳极扩散层；7)用与带气体流场的扩散层配套的聚酯边框(3)，按照一张聚酯边框(3)、一张带氢气流场的阳极扩散层、一张CCM膜电极(4)、一张带空气流场的阴极扩散层、一张聚酯边框(3)的顺序叠放，带空气流场的阴极扩散层和带氢气流场的阳极扩散层的流场面都朝向聚酯边框(3)，将叠放好的聚酯边框(3)、阳极扩散层、CCM膜电极(4)、阴极扩散层和聚酯边框(3)放到平板热压机上，加热模压，加热温度是135℃±5℃，使两张聚酯边框(3)热熔，制成一张扩散层带流场的膜电极组件。...

【技术特征摘要】
1.气体扩散层带流场的膜电极组件的制备方法，其特征在于；所述气体扩散层带流场的膜电极组件的制备方法包括以下步骤：1)将碳纸裁割成设计尺寸，对裁割好的碳纸称重并记录原始重量后，放到重量百分比为60％的聚四氟乙烯乳液中浸渍，浸渍5分钟后，取出控干，在温度为125℃～135℃的烘干箱中烘干，取出称重，并与原始重量比较，测出碳纸上的聚四氟乙烯的增量，如果增量未达到设计规定的增量，重复上述浸渍步骤，直至增量达到设计规定的增量；2)配制草酸铵水溶液，按照每3克草酸铵加入50ml去离子水的比例，配制草酸铵水溶液，草酸铵加入去离子水中后，在95℃～98℃水的水浴锅中加热溶解，冷却后即得一份草酸铵水溶液；3)配制乙炔黑碳粉浆料，按一份步骤2)配制的草酸铵水溶液加入5克乙炔黑碳粉、100ml异丙醇和20克重量百分比为20％聚四氟乙烯乳液的比例，依次将乙炔黑碳粉、异丙醇和聚四氟乙烯乳液加入草酸铵水溶液中，搅拌三分钟后，制得乙炔黑碳粉浆料；4)将步骤1)制得的聚四氟乙烯增量达到设计规定的碳纸，放到网印机上，将步骤3)制备的乙炔黑碳粉浆料在碳纸单面均匀的网印上乙炔黑碳粉浆料涂层，将网印好的碳纸在温度为125℃～135℃的烘干箱内烘干，取出称重，测取乙炔黑碳粉浆料的增量，如果乙炔黑碳粉浆料的增量未达到设定值，则重复上述网印步骤，直至乙炔黑碳粉浆料的增量达到设定值；5)将步骤4)制得的碳纸，放到网印机上，将网印机的网板换为气体流场网印板，用步骤3)制备的乙炔黑碳粉浆料在经步骤4)网印了乙炔黑碳粉浆料涂层的碳纸的面上网印气体流场，将网印了气体流场的碳纸，在温度为125℃～135℃的烘干箱内烘干，重复网印、烘干，至气体流场的脊高达到设定值；所述气体流场网印板包括空气流场网印板和氢气流场网印板，用空气流场网印板在碳纸上网印出的是空气流场，用氢气流场网印板在碳纸上网印出的是氢气流场；6)将步骤5)网印好流场的碳纸，在焙烧炉内在345℃±5℃恒温保持50分钟，冷却后取出，得到带空气流场的阴极扩散层和带氢气流场的阳极扩散层；7)用与带气体流场的扩散层配套的聚酯边框(3)，按照一张聚酯边框(3)、一张带氢气流场的阳极扩散层、一张CCM膜电极(4)、一张带...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洪峰，卢璐，蔡健，王国香，孙基文，孙茂喜，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21