一種高功率密度pemfc電堆專用極板及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于燃料電池領域，具體設及一種質子交換膜燃料電池（PEMFC)電堆專用 極板及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 燃料電池是將氨氣的化學能轉化為電能的裝置，其優點是產物是水，零排放無污 染，噪音低，轉化效率高。工作溫度可在低溫環境下運行，是移動電源和基站電源和固定電 源的首選。傳統的燃料電池，是由膜電極、雙極板、集電板、端板和緊固件組成。由于聚合物 膜燃料電池單片電壓低，在實際應用中，是由多個電池單元疊加在一起進行串聯起來，形成 電堆。
[0003] 輕質化和結構緊湊化是燃料電池未來發展的重點之一，目前的燃料電池由于體 積、重量等原因，只能在一些特定場所適用，極大的制約了燃料電池的推廣應用，如何減輕 燃料電池電堆的重量，提高燃料電池體積能量密度，將燃料電池應用范圍更廣泛，成為目前 急需解決的重要問題。
[0004] 雙極板是燃料電池部件中最重的構件，主要起支撐和分配氣體的作用。傳統的雙 極板基本上是石墨雙極板或金屬雙極板，重量占電堆重量一半W上，體積占燃料電池體積 的30~70%左右，使得燃料電池重量與體積偏大，限制燃料電池應用范圍與領域，在當今 對燃料電池的體積密度和重量密度要求接近苛求的條件下，越來越制約著燃料電池的商業 化腳步。因此，燃料電池電堆輕質化和緊湊化的問題重點便在于對傳統燃料電池雙極板結 構的改造。
[0005]目前市場上的燃料電池中，大多采用金屬雙極板或石墨雙極板組裝電堆，還很少 見不使用雙極板直接組裝電堆的，即使有，也是出于一定的目的使用其它裝置來代替雙極 板，比如公開號為CN102422469A的一件發明專利申請，便公開了一種未設置雙極板的電 堆，具有固體聚合物電解質膜和夾持所述聚合物電解質膜的一對催化劑層。固體聚合物電 解質膜和催化劑層的層壓體由一對氣體擴散層進一步夾持。相鄰的催化劑層和氣體擴散層 構成氣體擴散電極。固體聚合物電解質膜和一對氣體擴散電極進一步W層壓狀態構成膜電 極組件（MEA)。MEA進一步由一對隔離膜夾持。該隔離膜通過W下方式來獲得：將沖壓成型 工藝應用在厚度0. 5mmW下的薄板上，成型為凹凸形狀。從MEA側觀察到的隔離膜的凸部 與MEA接觸。從MEA側觀察到的隔離膜的凹部用作在燃料電池運行期間氣體通過用氣體通 路。該公開文件中，包括電解質膜層、催化劑層、氣體擴散層和最外側的隔離膜，其中雖然未 設置雙極板，然而隔離膜不論從形狀上還是功能上與雙極板所起的作用都是一致的，相比 雙極板減輕了一些重量，但仍占據一定的重量與體積，并不能從根本上解決問題。

【發明內容】

[0006] 發明目的：本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種可大幅度減輕重量、減 小體積的高功率密度PEMFC電堆專用極板；
[0007] 本發明的另一目的在于提供一種該極板的制備方法。
[0008] 技術方案：本發明所述高功率密度PEMFC電堆專用極板，包括如下組分：
[0009] 碳舒維短纖 40~60份; 樹脂或滿青 4~18份； 碳粉或石墨粉 10~40份； 造孔劑 0.5~1.5份； 增強劑DH-4 1.5~2.5份，
[0010] 各組分W重量份計。
[0011] 優選地，所述單板型高功率密度PEMFC電堆專用極板，包括如下組分：
[0012] 碳纖維短纖 49份； 樹脂 10份; 碳粉 38份； 造孔劑 1檢 增強劑DH-4 2份。
[0013] 優選地，所述碳纖維短纖為T300~TlOOO其中一種；短纖長度為3~9mm。
[0014] 優選地，所述樹脂為酪醒樹脂、環氧樹脂、丙稀酸類樹脂、聚醋樹脂或含氣類樹脂 的其中一種或幾種的混合物。
[0015] 優選地，所述碳粉為XC-72、科琴黑、中間相碳微球或碳納米管其中一種或幾種的 混合物，所述碳粉或石墨粉的粒徑為1000~15000目。
[0016] 一種高功率密度PEMFC電堆專用極板的制備方法，包括如下步驟：
[0017] (1)混料：將碳纖維短纖與樹脂或漸青混合，并攬拌均勻后，再加入碳粉或石墨 粉、造孔劑、增強劑畑-4,繼續攬拌；
[001引 似壓制：根據設計的流場形狀與尺寸，將步驟（1)處理后混合物放入模具內壓 制成一面為平板，另一面具有流場結構的極板，該極板厚度為0. 6~3mm，孔隙率為50 %~ 80%，孔徑為0. 1~3ym;
[0019] (3)石墨化：將壓制成型的極板進行高溫石墨化處理，石墨化條件為：高溫 1800---2300°C，氮氣保護或者在真空氛圍內，完成后冷卻待用；
[0020] (4)疏水：將石墨化后的極板放入10 %~60 %的PT陽溶液中浸泡，漸干后，在 300~400°C下灼燒疏水處理，完成后冷卻，得到該高功率密PEMFC電堆專用極板。
[0021] 本發明進一步優選地技術方案為，步驟（2)中流場包括陰極側流場和陽極側流場 兩種。
[0022] 進一步地，所述陰極側流場的極板流道深度為0. 5~2mm，陽極側流場的極板流道 深度為0. 3~1臟。
[0023] 優選地，步驟似中流場的形狀包括蛇形流場、直流場、混合流場、點狀流場，但不 限于上述流場形狀。
[0024] 優選地，極板的平板面上還涂布有一層厚度為10~700ym的導電緩沖層。
[0025] 本發明的工作原理是：氨氣與氧氣分別由各自的進氣口進入電堆，在極板表面流 場的作用下均勻分布，并通過該極板的孔隙擴散到膜電極表面進行相應的電化學反應。
[0026] 有益效果：（1)本發明采用新配方、工藝制備燃料電池的極板，具有高強度、強剛 性，氣體透過性好，其彎曲強度> 30MPa，拉伸強度> 20MPa，抗壓強度>IGPa,并在極板的 表面壓制出流場，無需設置雙極板，即可對進入燃料電池電堆內部的氣體進行分布，使用極 板代替傳統的雙極板和氣體擴散層，重新定義了燃料電池的概念，具有輕質、緊湊、高效的 優點，有利于拓寬燃料電池的應用領域；
[0027] (2)本發明配方及工藝制備的極板加入增強劑，可在電堆內部起到一定的支撐作 用，在確保輕質的同時，保證極板的硬度，無需雙極板或隔板支撐，有利于減輕電堆的重量 與體積，提高了電堆的比體積密度和比重量密度；
[002引 （3)本發明根據陰極流場和陽極流場的不同，在極板的表面壓制出不同深度的流 道，確保氧化劑氣體和燃料氣氣體在各自的流場內均勻分布，提高電堆的性能。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發明所述極板的流道面結構示意圖；
[0030] 圖2為本發明所述極板的平板面結構示意圖；
[0031] 圖3為圖1的A-A截面圖。
【具體實施方式】
[0032] 下面對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護范圍不局限于所述實施 例。
[0033] 如圖1-3所示：下列各實施例中的高功率密度陽MFC電堆專用極板的正反兩面分 別為流場面1和平板面2,其中流場面1上具有流場流道4,平板面2上涂覆有緩沖層3。
[0034] 實施例1 :一種高功率密度PEMFC電堆專用極板：包括如下組分：
[0035] 碳舒維短纖 40份； 絲臘 4份； 碳綾 10份; 造孔劑 0.5份； 増強劑DH-4 1.5化，
[0036] 各組分W重量份計。
[0037] 該高功率密度PEMFC電堆專用極板的制備方法，包括如下步驟：
[0038] (1)混料：將碳纖維短纖與樹脂混合，并攬拌均勻后，再加入碳粉、造孔劑、增強劑 DH-4,繼續攬拌，其中碳纖維為T300,短纖長度為3mm，樹脂為環氧樹脂，碳粉為VC-72,碳粉 粒徑為1000目；
[003引似壓制：將步驟（1)處理后混合物放入模具內壓制成一面為平板，另一面具有蛇 形流場流道結構的極板，其中：陰極側流場流道的深度加工為0. 5mm，陽極側流場流道深度 加工為0. 3mm;該極板整體厚度為0. 6mm，孔隙率為50 %，孔徑為0. 1ym;
[0040] (3)石墨化：將壓制成型的極板放入高溫爐中進行石墨化處理，石墨化條件：高溫 1800°C，氮氣保護，完成后冷卻待用；
[0041] (4)疏水：將石墨化后的極板放入10 %~60 %的PT陽溶液中浸泡，漸干后，在 300°C下灼燒疏水處理，完成后冷卻；
[004引妨制備導電緩沖層：將疏水處理后的極板放在涂布機上，在極板的平板面上涂 布一層厚度為10ym的導電緩沖層。
[004引實施例2:-種高功率密度陽MFC電堆專用極板：包括如下組分：
[0044] 碳舒維短纖 60份； 規青 18份， 石墨粉 40份； 造孔劑 1.5份； 增強劑DH-4 2.5份，
[0045] 各組分W重量份計。
[0046] 該高功率密度PEMFC電堆專用極板的制備方法，包括如下步驟：
[0047] (1)混料：將碳纖維短纖與漸青混合，并攬拌均勻后，再加入石墨粉、造孔劑、增強 劑DH-4,繼續攬拌，其中碳纖維為T1000,短纖長度為9mm，石墨粉粒徑為15000目；
[0048] (2)壓制：將步驟（1)