專利名稱：一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板及其制造方法。
背景技術(shù)：
電化學燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發(fā)電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發(fā)生電化學發(fā)應過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應，形成反應產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學反應就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應，生成反應產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達
陽極反應陰極反應在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導流極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導流極板上的流體孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流板與陰極氧化劑的導流板。這些導流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通?？赏ㄟ^直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
燃料電池堆有一關鍵材料——雙極板，該雙極板可由石墨板或金屬板來制造。目前為了降低成本，加快燃料電池產(chǎn)業(yè)化，都傾向于采用石墨材料來制作雙極板，但是原先將燒結(jié)的純石墨板進行機加工、刻槽來制造雙極板，這個制造成本無法下降，過于昂貴。采用石墨粉加熱固性樹脂一次模壓成型，帶導流孔、導流槽的雙極板，是目前最有希望降低雙極板制作成本的方法。但該方法有如下缺陷樹脂與石墨粉存在一定量比，當樹脂比例增大或石墨粉比例降低時，可加大雙極板強度，但同時也增大了雙極板的電阻。
當樹脂比例降低或石墨粉比例增大時，雙極板導電率增加，但強度不夠，容易破碎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種導電性好、機械強度高的可用作質(zhì)子交換膜的導流極板及其制造方法。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板，該導流極板為帶有導流槽、導流孔的導流雙極板或單極板，其特征在于，所述的導流極板由石墨粉、熱固性樹脂及碳纖維三者混合一次性模壓成型，所述的導流極板的原料配方為石墨粉100重量份、熱固性樹脂10～60重量份、碳纖維1～50重量份。
所述的熱固性樹脂包括酚醛樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂。
所述的碳纖維的纖維長度為1～100mm。
一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)配料將原料按配方石墨粉100重量份、熱固性樹脂10～60重量份、碳纖維1～50重量份進行均混；(2)模壓將上述均混料加入導流極板模具中，經(jīng)100～300℃，400～600atm的壓力一次性模壓成型，得到帶有導流槽、導流孔的導流極板。
所述的熱固性樹脂包括酚醛樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂。
所述的碳纖維的纖維長度為1～100mm。
本發(fā)明采用優(yōu)質(zhì)石墨粉加熱固性樹脂，再加上導電性良好的碳纖維。該碳纖維可以是長纖維也可以是短纖維，長度為1～100mm，導電率與純石墨粉相當。在石墨粉與熱固性樹脂加碳纖維均勻混合過程中控制樹脂比例不用太高，經(jīng)一次性模壓成型成為帶導流槽、導流孔的雙極板。該雙極板內(nèi)含樹脂量比例不高，但由于有碳纖維的存在，因而強度大增，不易破碎，而且導電性好。
現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明石墨粉、熱固性樹脂及碳纖維三者混合一次性模壓成型，帶有導流槽、導流孔的雙極板，其強度高不易折斷、導電率好、價格成本低，有利于推進燃料電池的產(chǎn)業(yè)化。


圖1為本發(fā)明導流極板的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1一種可用作質(zhì)子交換膜的導流雙極板及其制造方法，該導流雙極板的尺寸206mm×206mm，厚1mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；所述的導流雙極板的原料配方為石墨粉100公斤、酚醛樹脂50公斤、長度為10mm的碳纖維50公斤；所述的導流雙極板由上述石墨粉、酚醛樹脂及碳纖維三者混合加入導流雙極板模具中，經(jīng)200℃，500atm的壓力一次性模壓成型。
該產(chǎn)品表面光滑，導電率是純石墨板的90％，機械強度比原相同厚度的純石墨板高20％。
實施例2一種可用作質(zhì)子交換膜的導流雙極板及其制造方法，該導流雙極板的尺寸206mm×206mm，厚1mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；所述的導流雙極板的原料配方為石墨粉100公斤、環(huán)氧樹脂30公斤、長度為2mm的碳纖維25公斤；所述的導流雙極板由上述石墨粉、環(huán)氧樹脂及碳纖維三者混合加入導流雙極板模具中，經(jīng)100℃，600atm的壓力一次性模壓成型。
該產(chǎn)品表面光滑，導電率是純石墨板的90％，機械強度比原相同厚度的純石墨板高20％。
實施例3一種可用作質(zhì)子交換膜的導流雙極板及其制造方法，該導流雙極板的尺寸206mm×206mm，厚1mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示；所述的導流雙極板的原料配方為石墨粉100公斤、氨基樹脂10公斤、長度為100mm的碳纖維1公斤；所述的導流雙極板由上述石墨粉、氨基樹脂及碳纖維三者混合加入導流雙極板模具中，經(jīng)300℃，400atm的壓力一次性模壓成型。
該產(chǎn)品表面光滑，導電率是純石墨板的90％，機械強度比原相同厚度的純石墨板高10％。
權(quán)利要求
1.一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板，該導流極板為帶有導流槽、導流孔的導流雙極板或單極板，其特征在于，所述的導流極板由石墨粉、熱固性樹脂及碳纖維三者混合一次性模壓成型，所述的導流極板的原料配方為石墨粉100重量份、熱固性樹脂10～60重量份、碳纖維1～50重量份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板，其特征在于，所述的熱固性樹脂包括酚醛樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板，其特征在于，所述的碳纖維的纖維長度為1～100mm。
4.一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)配料將原料按配方石墨粉100重量份、熱固性樹脂10～60重量份、碳纖維1～50重量份進行均混；(2)模壓將上述均混料加入導流極板模具中，經(jīng)100～300℃，400～600atm的壓力一次性模壓成型，得到帶有導流槽、導流孔的導流極板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板的制造方法，其特征在于，所述的熱固性樹脂包括酚醛樹脂、氨基樹脂、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板的制造方法，其特征在于，所述的碳纖維的纖維長度為1～100mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用作質(zhì)子交換膜的導流極板及其制造方法，該導流極板為帶有導流槽、導流孔的導流雙極板或單極板，所述的導流極板由石墨粉、熱固性樹脂及碳纖維三者混合一次性模壓成型，所述的導流極板的原料配方為石墨粉100重量份、熱固性樹脂10～60重量份、碳纖維1～50重量份；該導流極板的制造方法包括配料、模壓等工藝步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明產(chǎn)品具有導電性好、機械強度高等優(yōu)點。
文檔編號H01M4/88GK1929176SQ20051002943
公開日2007年3月14日 申請日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月6日
發(fā)明者胡里清, 郭偉良, 胡卓滔 申請人:上海神力科技有限公司