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，具体设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W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±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阳MFC，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合一"组件 Ka1:alyst Coated Membrane，CCM)与金属气体扩散层（Metallie Gas DifTusion Layer, MG化)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W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厚的碳纤维拉，干燥后收卷、待用；
[0008] (2)浸溃:将热固性树脂、碳粉或石墨粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量份数混合揽拌 配置成浸溃液，其中热固性树脂35~60份、碳粉或石墨粉45~65份、造孔剂0.5~1.5份、增 强剂DH-41.5~2.5份，将步骤（1)制成的碳纤维拉放置在浸溃液中10~15min，拱出渐干，在 70~120°C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)预固化后的浸溃碳纤维拉裁切成片、待用；
[0010] (4)成型:将步骤(3)裁切成片的碳纤维拉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溫石墨化处理，石墨化条件为：纯氣气 保护氛围内、高溫1800~2300°C ;
[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，渐干 后，在300~400 °C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~Tiooo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分散剂配比揽拌溶解而成。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IOg聚丙締酷胺揽拌溶解而成。
[0015] 优选地，所述浸溃液采用热固性树脂、石墨粉或碳粉、造孔剂、增强剂DH-4按重量 份数比44:53:1:2混合揽拌配置而成。
[0016] 优选地，所述热固性树脂为酪醒树脂、环氧树脂、乙締基类、丙稀酸类树脂或聚醋 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;所述碳粉或石墨粉的粒径为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~如m。
[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 ~ImniD
[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10-100皿。
[0022] 本发明的工作原理是:氨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、巧U 性强，气体透过性好，其弯曲强度> 30MPa，拉伸强度> 20MPa，抗压强度> IG化，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.Olmm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；
[00巧]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IOg聚丙締酷胺揽拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.4mm厚的碳纤维 拉，干燥后收卷、待用；
[0034] (2)浸溃:将酪醒树脂、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混合揽拌配置成浸溃液，将步骤（1)制成的碳纤维拉放置在浸溃液中13min，拱出渐 干，在100°C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)预固化后的浸溃碳纤维拉裁切成片、待用；
[0036] (4)成型:根据专用极板厚度将步骤(3)裁切成片的碳纤维拉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溫石墨化处理，石墨化条件为：纯氣气 保护氛围内、高溫2000°C，完成后的专用极板厚度为2mm，孔隙率为65%，孔径为化m;
[003引（6)疏水:将石墨化后的专用极板放入30wt%的PT阳溶液中浸泡，渐干后，在350°C 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60wn导电绘冲层。
[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聚丙締酷胺揽拌溶解而成，使用抄纸机抄造成0.3mm厚的碳纤维拉，干 燥后收卷、待用；
[0042] (2)浸溃: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混合揽拌配置成浸溃液，将步骤（1)制成的碳纤维拉放置在浸溃液中IOmin，拱 出渐干，在75°C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)预固化后的浸溃碳纤维拉裁切成片、待用；