专利名称：一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法
技术领域：
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率控制方法。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)被认为是继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。目前，对于千瓦级PEMFC电堆，主要采用外增湿辅助系统对进入PEMFC的反应气体进行增湿处理来保持质子交换膜的含水量，这种增湿方法非常有效，可以根据PEMFC的输出功率来调整增湿的水量。然而，这些外增湿辅助系统使得整个发电系统变得复杂，增加了系统成本、重量和体积，当PEMFC应用于电动汽车作为动力源时，增加了电堆组装的复杂程度。所以，研究无外增湿辅助系统的自增湿燃料电池，对推动燃料电池的商业化具有重要研究意义和应用价值。综观国内外各种自增湿技术，对双极板设计新的流场结构和对双极板材料改性来完成对膜的增湿也许是一个行之有效的自增湿技术。但是上述增湿方法大多是利用阴极反应生成的一部分水，增湿量有限，可能还需要借助外增湿系统。为了提高增湿量和使增湿量可以调控，美国联合技术动力公司(UTC Power)率先提出采用多孔双极板来组装PEMFC电堆，两块双极板之间冷却流道内的水可以通过多孔双极板运输进入气体流场来达到增湿目的，因此，该多孔双极板也被称为“水运输板”。他们采用该多孔双极板来对PEMFC进行水管理进行了一些研究工作，收到了很好的效果。但是该多孔双极板的详细制备工艺不得而知，估计仍然依托对传统的价格昂贵的机加工石墨板的改性，石墨板的气体流场需要机械加工导致其价格高昂，这也是阻碍燃料电池商业化的障碍之一。美国劳伦斯伯克力国家实验室(LBNL)与美国UTC Power共同撰文提出多孔双极板在PEMFC电堆中能正常工作，首先它必须具备基本的符合燃料电池使用要求的电、热和力学性能；另外它必须具备合适的孔尺寸(几十个纳米至几百个纳米)和亲水性，这样孔内可以保存液态水形成液封，避免反应气体进入到冷却水流道内形成互渗。无机胶凝材料如水泥，其水化硬化后的孔尺寸和亲水性应该能满足该多孔双极板的要求，因此，最近几年，申请者以水泥作为胶凝材料，与石墨复合通过模压的方法制作了多种PEMFC用多孔亲水水泥基双极板，并获得两项授权权利(ZL200410013350. 8，一种质子交换膜燃料电池用双极板及其制备方法；ZL200710052158. 3，一种地聚合物基复合材料双极板及其制备方法)。前期研究表明，通过导电填料石墨合理的颗粒级配，当复合材料中石墨的体积百分比为60%时，可以制备出电导率和力学强度都符合燃料电池使用要求的多孔亲水双极板，但是为了有效发挥该双极板的内增湿功能，如何调控该多孔亲水水泥基双极板的孔径和孔隙率，是亟待解决的一个关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法，该方法可调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率。为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是包括如下步骤
1)研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径为 90 μ m,小尺寸石墨直径为25 μ m ;
2)根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混，得到混合好的石墨；
3)将混合好的石墨与水泥在球磨机内干混，混合好的石墨与水泥的重量比为6:4;加水(去离子水)搅拌让水泥常温水化30—120分钟，得到混合物；其中水泥与水(去离子水)的重量比为I 0. 2 — O. 4 ；
4)在精密压机上，对上述混合物采用模具模压成型，得到制品，模压压力10-15MPa，模压时间10—30分钟；
5)制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。所述的水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高铝酸盐水泥。为了有效发挥水泥基双极板的增湿功能，本发明采用两种不同尺寸的石墨作为导电填料来制备水泥基双极板，通过控制水与水泥的比例以及模压压力、模压时间来调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率。一般情况下，随着水泥与水的重量比的增加，双极板中孔的尺寸以及孔隙率将增加；随着模压压力和模压时间的增加，双极板中孔的尺寸以及孔隙率将减小。合适的配比与制备条件可以获得合适的孔尺寸和孔隙率，具有这样孔尺寸的双极板，一方面亲水孔可以保存液态水形成液封，避免反应气体进入到冷却水流道内形成互渗，另一方面通过该孔可以运输水给质子交换膜增湿，有效地发挥增湿功能。本发明与现有的方法比较具有如下的优点
I)采用本发明方法可以很好地控制所制备的双极板内孔的尺寸以及孔隙率的大小，孔直径为几十个纳米至几百个纳米，孔隙率7V%-15V%。2)本发明方法除可以在多孔双极板制备上应用外，还可以应用于其他水泥基制品制备，来控制其内部孔尺寸。
具体实施例方式为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例I :
研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径为90 μ m,小尺寸石墨直径为25 μ m ;根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混；将混合好的石墨与高铝酸盐水泥在球磨机内干混，石墨与水泥的重量比为6:4 ;加去离子水搅拌让水泥常温水化30分钟；水泥与去离子水的重量比为I :0. 2 ;在精密压机上，对上述混合物采用合适模具模压成型得到制品，模压压力lOMPa，模压时间10分钟；制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。其(产品)比表面积分析仪测试结果如表I。
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实施例2:
研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径为90 P m,小尺寸石墨直径为25 μ m ;根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1,分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混；将混合好的石墨与高铝酸盐水泥在球磨机内干混，石墨与水泥的重量比为6:4 ;加去离子水搅拌让水泥常温水化60分钟；水泥与水的重量比为I :0. 3 ;在精密压机上，对上述混合物采用合适模具模压成型得到制品，模压压力13MPa，模压时间15分钟；制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。其(产品)比表面积分析仪测试结果如表I。实施例3
研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径约为90 μ m,小尺寸石墨直径约为25 μ m ;根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混；将混合好的石墨与硅酸盐水泥在球磨机内干混，石墨与水泥的重量比为6:4 ;加去离子水搅拌让水泥常温水化90分钟；水泥与水的重量比为I :0. 4 ;在精密压机上，对上述混合物采用合适模具模压成型得到制品，模压压力lOMPa，模压时间10分钟；制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。其(产品)比表面积分析仪测试结果如表I。实施例4:
研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径约为90 μ m,小尺寸石墨直径约为25 μ m ;根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混；将混合好的石墨与硅酸盐水泥在球磨机内干混，石墨与水泥的重量比为6:4 ;加去离子水搅拌让水泥常温水化120分钟；水泥与水的重量比为I :0. 4 ;在精密压机上，对上述混合物采用合适模具模压成型得到制品，模压压力15MPa，模压时间20分钟；制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。其比表面积分析仪测试结果如表I。实施例5:
研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径约为90 μ m,小尺寸石墨直径约为25 μ m ;根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混；将混合好的石墨与硫铝酸盐水泥在球磨机内干混，石墨与水泥的重量比为6:4 ;加去离子水搅拌让水泥常温水化90分钟；水泥与水的重量比为I :0. 4 ;在精密压机上，对上述混合物采用合适模具模压成型得到制品，模压压力12MPa，模压时间30分钟；制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。其比表面积分析仪测试结果如表I。实施例6:
研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径约为90 μ m,小尺寸石墨直径约为25 μ m ;根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行充分干混；将混合好的石墨与硫铝酸盐水泥在球磨机内干混，石墨与水泥的重量比为6:4 ;加去离子水搅拌让水泥常温水化90分钟；水泥与水的重量比为I :0. 3 ;在精密压机上，对上述混合物采用合适模具模压成型得到制品，模压压力lOMPa，模压时间20分钟；在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板(产品)。其比表面积分析仪测试结果如表I。表I,各实施例双极板产品的比表面积分析仪测试结果
权利要求
1.一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是包括如下步骤1)研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料，大尺寸石墨直径为90 μ m,小尺寸石墨直径为25 μ m ;2)根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，分别称量两种不同尺寸的石墨并进行干混，得到混合好的石墨；3)将混合好的石墨与水泥在球磨机内干混，混合好的石墨与水泥的重量比为6:4;加水搅拌让水泥常温水化30 - 120分钟，得到混合物；其中水泥与水的重量比为I :0. 2 —O.4 ；4)对上述混合物采用模具模压成型，得到制品，模压压力10-15MPa，模压时间10— 30分钟；5)制品在90%的相对湿度条件下保养I天，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板。
2.根据权利要求I所述的一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是所述的水泥为硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或高铝酸盐水泥。
全文摘要
本发明涉及一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法。一种调控水泥基双极板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是包括如下步骤1)研磨并筛分石墨导电填料，得到两种不同尺寸的石墨导电填料；2)根据大尺寸石墨与小尺寸石墨的重量比为4:1，干混；3)将混合好的石墨与水泥在球磨机内干混，混合好的石墨与水泥的重量比为6:4；加去离子水搅拌让水泥常温水化30－120分钟；其中水泥与水的重量比为10.2－0.4；4)模压成型，模压压力10-15MPa，模压时间10－30分钟；5)保养，得到具有不同孔径和孔隙率的水泥基双极板。本发明方法可以很好地控制所制备的双极板内孔的尺寸以及孔隙率的大小，孔直径为几十个纳米至几百个纳米，孔隙率7V%-15V%。
文档编号H01M8/10GK102938466SQ201210422708
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者沈春晖, 邓凯 申请人:武汉理工大学