质子交换膜燃料电池双极性隔板制造技术

一种用于质子交换膜燃料电池（２０）的不透气双极性隔板（２０），具有重量为隔板的约５０ｗｔ％－约９５ｗｔ％范围内的至少一种电子传导性材料，重量占所述隔板的至少约５ｗｔ％的至少一种树脂和至少一种亲水剂，其中电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀分散在整个隔板中。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及在质子交换膜燃料电池叠层中使用的双极性隔板。该隔板是亲水的并且具有可控的空隙率，有利于使燃料电池的内部增湿以及从燃料电池去除生成水，并且同时提供控制燃料电池叠层温度的装置。通常，燃料电池电输出单元是由双极性电子传导性隔板隔开的层叠的多个单电池构成。单个电池层叠在一起并且固定成一个多层单元来得到希望的燃料电池能量输出。每个单个电池通常包括阳极和阴极、公用电解质、以及燃料和氧化剂气体源。燃料和氧化剂气体通过在燃料电池叠层内部或外部的支管引入到隔板和电解质之间的各个反应室。现有技术目前已存在和/或正研究的许多燃料电池系统设计成用于各种用途，包括发电、车辆和要避免环境污染的其它用途。包括熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池和质子交换膜燃料电池。与这些燃料电池中每个的成功运行相关的一个问题是燃料电池温度的控制以及燃料电池内电化学反应产生的产物的排除。有商业价值的燃料电池叠层包含多至约600个单个燃料电池单元，每个有多至12平方英尺的平面积。在层叠单个电池时，隔板隔开该单个电池，燃料和氧化剂中的每个引入在一组隔板之间，燃料引入在隔板的一面和电解质的阳极侧之间，而氧化剂引入在隔板的另一面和第二电解质的阴极侧之间。包含600个电池的电池叠层可以达200英尺高，对于电池叠层发热和运行期间保持电池整体性存在严重问题。由于电池组件和电池工作环境之间的热梯度、不同的热膨胀和各个部件所需材料的必要强度，提出了紧密容差和很难的工程问题。鉴于此，电池温度控制极为重要，如果用最小温度梯度不能完成，将不能保持均匀电流密度，并且会发生电池退化。在质子交换膜(PEM)燃料电池中，电解质是呈质子传导膜形式的有机聚合物，例如全氟磺酸聚合物。因为该隔膜在干燥时不能有效运行，当该电解质隔膜用水保持潮湿时这种燃料电池运行最好。伴随着质子通过隔膜的移动，带动水通过隔膜从阳极侧到阴极侧。这趋于使隔膜阳极侧变干，并且趋于在隔膜的阴极侧上产生水膜。电化学反应中形成的生成水进一步润湿阴极表面。因此，从隔膜阴极侧连续地除去生成水，同时保持隔膜阳极侧润湿对PEM燃料电池的运行非常重要，以使电化学反应和隔膜传导容易。许多美国专利涉及质子交换膜燃料电池的水控制问题。美国专利4769297教导使用固体聚合物燃料电池，其中阳极气体提供水给隔膜阳极侧。一些水通过叠层在电池间迁移，水迁移是水从阳极通过隔膜带动到阴极并且通过使用插入在相邻电池单元之间的亲水多孔隔板的结果。通过在阴极和阳极之间保持的反应物压力差来迫使水通过多孔隔板。阳极支撑板提供由此蒸发水的大表面积以发挥冷却作用。指出该隔板由石墨制成。美国专利4824741教导了使用多孔石墨阳极板的燃料电池系统。提供给该多孔板和阳极反应物气体的水通过从该板表面蒸发来增湿。通过与湿的多孔阳极板接触来润湿质子交换膜。与阴极板相邻的无孔不透气隔板用于防止气体从阳极穿过到阴极。也参见美国专利4826741、美国专利4826742、美国专利5503944和PCT申请No.WO94/15377。在由石墨或树脂粘合的石墨碳复合材料构成并具有气流通道的质子交换膜电池中使用的双极性隔板在美国专利4175165中已教导。该专利教导用润湿剂如胶态硅溶胶涂覆表面以使该表面呈亲水性来处理双极性隔板。这样，从该电极吸走燃料电池中的生成水用于后续处理。然而，用润湿剂涂覆表面不利地增加极板的电阻，导致电导率降低。美国专利3634569教导了从石墨粉末和酸燃料电池使用的热固树脂的混合物中制备致密石墨板的方法。该方法采用5wt％-25wt％热固酚树脂粘合剂和75wt％-95wt％筛分粉末石墨的混合物。美国专利4339322(双极性板由模压热塑性氟树脂、石墨和碳素纤维构成)、美国专利4738872(隔板包括50wt％石墨和50wt％热固酚树脂)、美国专利5108849(燃料电池隔板中的蛇状流动板由无孔石墨或其它耐蚀性金属粉末和如聚偏氟乙烯的热塑性树脂构成，其成分是10-30wt％树脂和70-90wt％石墨粉末)、美国专利4670300(燃料电池板包括20-80％石墨，余量是纤维素纤维或相同比例的纤维素纤维和热固树脂)、美国专利4592968(隔板由石墨、焦碳和在2650℃下石墨化的可碳化热固酚树脂构成)、美国专利4737421(燃料电池板的碳或石墨在5％-45％的范围内、热固树脂在40％-80％的范围内、余量是纤维素纤维)、美国专利4627944(燃料电池板由碳或石墨、热固树脂和纤维素纤维构成)、美国专利4652502(燃料电池板由50％石墨和50％热固树脂构成)、美国专利4301222(隔板由40％-65％石墨和35％-55％树脂的混合物构成)和美国专利4360485(隔板由45％-65％石墨和35％-55％树脂的混合物构成)也教导了石墨和树脂双极性板。我们已发现在质子交换膜燃料电池中使用的双极性隔板的许多特性，这些特性对于制造和运行是重要的，但它们未被现有技术所研究。包括相对于隔板电子传导性性的隔板透水性；关于能保持吸水性能的隔板功能性；隔板经历冻结和解冻条件之间热循环的能力，正类似于碰到例如燃料电池的车辆应用。此外，该隔板应当能由便宜的原材料构成，该材料优选使用一步法模压工艺并且利用制造隔板的方法容易地形成任何板结构，该材料在低温燃料电池中耐蚀并且不需要进一步处理如高温热处理，其中能控制隔板的亲水性和空隙率。专利技术概述因此，本专利技术目的是提供适合在质子交换膜燃料电池中使用的双极性隔板，其制造相对便宜。本专利技术另一目的是提供一双极性隔板，具有改进的从质子交换膜燃料电池中除去水的性能和质子交换膜燃料电池的内部增湿。本专利技术的又一目的是提供挤压强度大于约200psi、用于质子交换膜燃料电池的双极性隔板。本专利技术的又一目的是提供适合在完全内部支管燃料电池叠层中使用的用于质子交换膜燃料电池的双极性隔板。本专利技术的又一目的是提供适合在质子交换膜燃料电池中使用的双极性隔板的制造方法。通过双极性隔板实现本专利技术的这些和其它目的，该隔板包括重量在隔板重量的约50％-95％范围内的至少一种电子传导性材料，重量占隔板重量的至少约5％的至少一种树脂，以及适合在质子交换膜燃料电池中使用的用于把水吸入到隔板的至少一种亲水剂。电子传导性材料、树脂和亲水剂基本均匀分散在整个隔板中。根据本专利技术的一个特定优选实施例，电子传导性材料是电子传导性含碳材料并且亲水剂是亲水树脂。本专利技术的双极性隔板的制造是混合至少一种电子传导性材料即优选含碳材料、至少一种树脂和至少一种亲水剂以形成基本均匀的混合物，该混合物包括重量在混合物重量的约50％-95％范围内的电子传导性材料、重量占混合物重量的至少约5％的至少一种树脂以及所述的至少一种亲水剂。然后该混合物在温度约250°F-800°F的范围内以及在压力约500psi-4000psi的范围内模压成所想要的形状，形成双极性板，该温度是所用树脂的函数。按照该方法制造的双极性隔板的空隙率在隔板体积的约0％-25％的范围内并且优选形成中间孔尺寸在约0.25微米-约2.0微米范围内的多个孔。附图简述从结合附图的下面详细描述中将更好理解本专利技术的这些和其它目的及特征。附图说明图1a是根据本专利技术的一个实施例、具有一片隔板的PEM燃料电池叠层的侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于质子交换膜燃料电池的不透气双极性隔板，包括：重量在所述隔板的约５０ｗｔ％－约９５ｗｔ％范围内的至少一种电子传导性材料；重量占所述隔板的至少约５ｗｔ％的至少一种树脂；以及适合在质子交换膜燃料电池中使用的用于把水吸入到所述隔 板的至少一种亲水剂，所述至少一种电子传导性材料、所述至少一种树脂和所述至少一种亲水剂基本均匀分散在整个所述隔板中。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GJ康卡，LG马里尔诺夫斯基，
申请(专利权)人：瓦斯技术协会，
类型：发明
国别省市：US[美国]