一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的非活性区域，所述的活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述的非活性导电区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料；该导流极板的制造方法包括采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，所述的热压成型的温度为１００℃～４００℃。与现有技术相比，本发明专利技术具有重量轻、导电性性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉以及高机械强度等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及一种高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法。
技术介绍
电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：-->阳极反应：阴极反应：在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。质子交换膜燃料电池的用途十分广泛，可以用作一切车、船等运载工具的动力系统，也可以作为发电系统，用作地面固定式发电站及可移动电源等。目前，质子交换膜燃料电池的造价较高，主要是构成燃料电池的某些关-->键部件材料价格较高。质子交换膜燃料电池中的导流极板是燃料电池中最关键的部件之一，其价格对整个燃料电池的造价产生决定性的影响。用作质子交换膜电池中的导流极板材料要求较高，主要有以下要求：(1)有一定的机械强度及硬度，不易碎裂、破损；(2)优良的导电、导热体；(3)容易加工成导流极板上的导流槽形状与导流孔；(4)燃料电池长期工作时，不会产生对电池造成污染或本身受到腐蚀变质。目前能完全符合上述要求的材料不多，只有少数价格昂贵的材料，例如：优质纯石墨板材料、优质钛合金板材料、镀金或特种金属板等可以用作质子交换膜燃料电池的导流板材料。但这些材料的价格昂贵，而且导流槽、导流孔加工时又昂贵，导致整个燃料电池的造价居高不下，严重妨碍了燃料电池产业化的进程。为了降低质子交换膜燃料电池导流板材料的成本，目前有大量的专利申请旨在找到相应的廉价替代材料，这些专利综合起来主要有以下几类：(1)采用廉价金属板，如不锈钢板等，再进行表面改性处理。例如：中国科学院大连化学物理研究所申请的专利“用于质子交换膜燃料电池组的机加工金属双极板”(专利号：99113159.2)。(2)采用石墨粉加粘接树脂。例如：热固性树脂，酚醛树脂等热压成复合板材。(3)采用软石墨板进行模压成型，然后用树脂浸渍处理后硬化成双极板。例如：US Patent 5,521,018所述的方法就是利用软石墨板进行模压成型的。(4)上海神力科技公司的专利“一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板”(技术专利号：03231865.0，专利技术专利号：03129070.1)，该专利公开了一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板，包括设置在正、反面的导空气流槽面、导氢气流槽面，以及设置在极板两端的进出导空气流孔、进出导氢气流孔，其特征在于，还包括设置在上述导空气流槽面与导氢气流槽面之间的导冷却流体通道，以及设置在该通道两端的进出导冷却流体孔；所述的导冷却流体通道包括具有导冷却流体功能的加强网，该加强网的纵向线为导冷却流体的空心细管，横向线为连接各空心细管的加强条，该加强条与空心细管的厚度一致，所述的空心细管的上下两端分别与进出导冷却流体孔连通。以上现有技术存在如下缺陷：(1)采用金属板，如不锈钢、铝等廉价金-->属板表面改性处理难度高，用作质子交换膜燃料电池中的导流极板时，长时间运行后表面性能下降，如电阻增加或抗腐蚀性能下降，对电极造成污染。(2)用石墨粉与树脂一次成型模压导流极板，虽然技术上已较成熟，但目前要求燃料电池堆要有很高的功率密度，一种提高电堆的功率密度的主要方法是采用超薄型的导流极板，使这种一次成型模压出来的超薄型导流极板机械强度大大降低。在用作车载动力系统时，由于振动极易造成导流极板碎裂。(3)采用软石墨板一次成型模压成导流极板，再用树脂浸渍硬化处理技术也同样有与第(2)点相似的技术缺陷，在用作超薄型导流极板时，应用于燃料电池发动机或移动式电源时，由于振动极易造成导流极板碎裂。(4)采用上海神力科技公司专利“一种可用作质子交换膜燃料电池的导流极板”方法，在制造工艺上较麻烦，该专利技术必须先制作有导冷却流体功能的加强网，制作的技术难度较大。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种重量轻、导电性性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的高机械强度的燃料电池导流极板及其制造方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高机械强度的燃料电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高机械强度的燃料电池导流极板，包括设置在该导流极板正反面上的导空气流场，或导氢气流场，或导冷却流体流场，以及设置在该导流极板上的各流体的进出流体口，一般是氢气进、空气进、冷却流体进，氢气出、空气出、冷却流体出共六个流体进出口；该导流极板既可以是正反面分别是导空气流场或导氢气流场的双极板，也可以是正面是导空气流场或氢气流场，反面是导冷却流体场的导流极板；其特征在于，所述的导流极板采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的非活性区域，所述的活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述的非活性导电区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料。

【技术特征摘要】
1.一种高机械强度的燃料电池导流极板，包括设置在该导流极板正反面上的导空气流场，或导氢气流场，或导冷却流体流场，以及设置在该导流极板上的各流体的进出流体口，一般是氢气进、空气进、冷却流体进，氢气出、空气出、冷却流体出共六个流体进出口；该导流极板既可以是正反面分别是导空气流场或导氢气流场的双极板，也可以是正面是导空气流场或氢气流场，反面是导冷却流体场的导流极板；其特征在于，所述的导流极板采用石墨粉加粘接树脂通过模具一次性热压成型制得，该导流极板分为二个区域，中间为活性导电区域，周边为高机械强度的非活性区域，所述的活性导电区域采用石墨粉以及有利于该石墨粉导电的热固性树脂为原料，所述的非活性导电区域采用石墨粉以及有利于提高机械强度的热固性树脂为原料。2.如权利要求1所述的高机械强度的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的活性导电区域的原料中石墨粉的比例高于有利于该石墨粉导电的热固性树脂。3.如权利要求1所述的高机械强度的燃料电池导流极板，其特征在于，所述的非活性导电区域的原料...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡里清，
申请(专利权)人：上海神力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]