专利名称：质子交换膜燃料电池双极板制造方法
技术领域：
本发明涉及一种制备质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)双极板的方法，属于燃料电池技术领域。
背景技术：
质子交换膜燃料电池主要由膜电极、双极板和电池管理系统构成。双极板是将单个PEMFC串联起来组装成电池堆的关键部件，同时还担负将反应气导入燃料电池、传导电流及电池的散热和排水功能，其性能的优劣直接决定电池堆的功率密度的大小和使用寿命的长短。苛刻的工况条件要求双极板具有优异的导电导热性、耐气体渗透性、良好的机械强度和化学稳定性。
采用传统碳材料制备的双极板，由于材料成型工艺复杂、周期长，造成双极板的成品价格昂贵。特别地，需要通过后续的机械加工引入流道，这种加工非常困难。后续流道加工费用是板材成本的3到5倍。目前碳质材料双极板成本要占整个燃料电池生产成本的60％以上。对于使用金属板作为PEMFC的双极板，虽然其成本较低，但突出的问题是如何提高电池长时间运行的稳定性和降低电池性能的衰减，此外其抗腐蚀问题仍未很好解决。对于双极板的另一个关键技术是减少体积和减轻重量，这对减少电池尺寸和重量非常必要，尤其是对于电动汽车、笔记本电脑、移动手机等移动电源。目前碳质材料双极板由于所选用的材料和工艺限制，双极板的体积超过整个电池堆体积的2/3，这不仅阻碍了PEMFC的商业化应用，也限制了电池的薄型化、小型化。
经文献检索发现，张海峰等人在《电源技术》27卷2期(2003)129-133上发表的《质子交换膜燃料电池双极板的材料与制备》一文，该文介绍了碳或石墨双极板的制作方法。这种方法主要使用石墨粉或焦碳加粘结剂，粘结剂可以是树脂或沥青，经捏合、模压而后炭化、石墨化而制成双极板。由于炭化后所得的石墨板具有多孔性，不能满足耐气体渗透性的要求，需要进行多次浸渍和炭化。这导致了生产周期的延长和成本的大幅提高。同时后续的流道加工困难，费用很高。由于石墨是脆性材料，目前的石墨板或碳板的厚度不能低于3mm。模压工艺不能获得大面积的均匀薄板，难以实现电池的小型化和薄型化。国内所用石墨板大多从日本进口。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种制作的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染特点的质子交换膜燃料电池双极板制造方法。
本发明的技术解决方案是一种质子交换膜燃料电池双极板制造方法，其特征是包括下列步骤①配制第一、第二组份浆料将丙烯酰胺单体、中间相碳颗粒、碳纤维、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂吐温80、催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺、分散剂介质--去离子水以下列重量比例在球磨机中球磨混合均匀，得第一组份浆料丙烯酰胺单体5～18％，中间相碳颗粒40～60％，碳纤维5～15％，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％，分散剂吐温800.1～0.3％，催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺0.2～0.6％，余量为分散剂介质--去离子水；将丙烯酰胺单体、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、中间相碳颗粒、碳纤维、分散剂吐温80、引发剂过硫酸铵及分散剂介质去离子水以下列重量比例在球磨机中球磨混合均匀，得第二组份浆料丙烯酰胺单体5～18％，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％，中间相碳颗粒40～60％，碳纤维5～15％，引发剂过硫酸铵0.2～0.6％，分散剂吐温800.1～0.3％，余量为分散剂介质去离子水；②素坯成型将上述第一、第二组份浆料分别放入不同的设有搅拌器的储料罐中，开启与储料罐连接的低压循环系统进行低压循环，浆料混合均匀，然后关闭低压阀门，将浆料通过高压循环装置进行高压循环，通过高压计量泵按1∶1的重量比将第一、第二组份浆料送入混合头，再开启混合头进行注射至模具，脱模得中间相碳颗粒与碳纤维的复合素坯；③干燥处理将素坯在60wt％～100wt％乙醇水溶液中浸泡24～72小时，然后在室温下干燥至素坯体积不再发生变化，然后将素坯在80～100℃条件下再干燥处理2～24小时；④埋碳烧结将经上述处理的素坯用硅砂包覆，然后用碳粉包覆在硅砂外面，然后进行烧结处理，得到双极板制品；⑤浸渍处理将烧结后的双极板制品用煤沥青或芳香族热固性树脂浸渍，然后在真空反应釜中进行抽真空处理，抽真空结束后，向真空反应釜中加入160～180℃的煤沥青，浸没双极板制品，并对浸渍液用氮气加压处理2～4小时，然后将将剩余的煤沥青压回贮槽，然后将冷却水通入浸渍真空反应釜中，将浸渍品冷却，取出制品；⑥炭化处理将经上述处理的双极板制品，在1000～1200℃下炭化处理1～5小时，得到产品。
步骤④中埋碳烧结处理分以下阶段进行第一阶段是室温到600℃，升温速度为30～60℃/小时，然后在600℃下保温1～5小时；第二阶段是从600℃升温到1100℃，升温速度为30～60℃/小时，并在1100℃下保温1～5小时；第三阶段是从1100℃升到1450℃～2800℃升温速度为60～120℃/小时，并在1450℃～2800℃下保温1～5小时；第四阶段是从最高烧结温度到室温，降温速度控制在120℃/小时以下，得到双极板制品。
利用本发明制作的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染等特点。是一种快速、高效、低成本、批量地生产PEMFC双极板的工艺。
下面结合附图
和实施例对本发明作进一步说明。
附图是本发明制造素坯所用的凝胶反应注射成型装置结构示图。
具体实施例方式①配制第一、第二组份浆料将单体(丙烯酰胺)、中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)、碳纤维、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂吐温80、催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺、分散剂介质--去离子水以下列重量比例在球磨机中球磨混合均匀，得第一组份浆料单体(丙烯酰胺)5～18％(可以是5％、11％、18％)，中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)40～60％(可以是40％、50％、60％)，碳纤维5～15％(可以是5％、19％、15％)，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％(可以是0.16％、1.5％、3％)，分散剂吐温800.1～0.3％(例0.1％、0.2％、0.3％)，催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺0.2～0.6％(例0.2％、0.4％、0.6％)，余量为分散剂介质--去离子水；将单体(丙烯酰胺)、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)、碳纤维、分散剂吐温80、引发剂过硫酸铵及分散剂介质去离子水以下列重量比例在球磨机中球磨混合均匀，得第二组份浆料单体(丙烯酰胺)5～18％(例5％、11％、18％)，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％(可以是0.16％、1.5％、3％)，中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)40～60％(例40％、50％、60％)，碳纤维5～15％(例5％、10％、15％)，引发剂过硫酸铵0.2～0.6％(例0.2％、0.4％、0.6％)，分散剂吐温80 0.1～0.3％(例0.1％、0.2％、0.3％)，余量为分散剂介质去离子水；②素坯成型将上述第一、第二组份浆料分别放入不同的设有搅拌器的储料罐1、2中，开启与储料罐与连接的低压循环系统3进行低压循环，由低压循环泵将储罐中的物料抽出、流经热交换器，再返回储罐，浆料混合均匀，然后关闭低压阀门，将浆料通过高压循环装置(包括高压计量泵4、高压软管5)进行高压循环，通过高压计量泵按1∶1的重量比将第一、第二组份浆料送入混合头，再开启混合头6(静态混合器)在液压装置7(油压机)作用下进行注射至模具8，脱模得中间相碳颗粒与碳纤维的复合素坯；③干燥处理将素坯在60wt％～100wt％(例60wt％、80wt％、99wt％)乙醇水溶液中浸泡24～72小时(可以是24小时、48小时、72小时)，然后在室温下干燥至素坯体积不再发生变化，然后将素坯在80～100℃(例80℃、90℃、100℃)条件下再干燥处理2～24小时(例2小时、12小时、24小时)，得到的素坯质地坚硬，带有完整的气体流道，外观平整而无裂纹；④埋碳烧结将经上述处理的素坯用硅砂包覆，然后用碳粉包覆在硅砂外面，然后进行烧结处理，这样可使碳粉等填充料不与素坯直接接触，既可以避免碳粉在烧结过程中发生结焦而破坏素坯表面光滑度，同时可以防止烧结引起的坯体变形。然后进行烧结处理，烧结处理分以下阶段进行第一阶段是室温到600℃，升温速度为30～60℃/小时，然后在600℃下保温1～5小时；第二阶段是从600℃升温到1100℃，升温速度为30～60℃/小时，并在1100℃下保温1～5小时；第三阶段是从1100℃升到1450℃～2800℃(例1450℃、2000℃、2800℃)升温速度为60～120℃/小时，并在1450℃～2800℃(例1450℃、2000℃、2800℃)下保温1～5小时；第四阶段是从最高烧结温度到室温，降温速度控制在120℃/小时以下，得到双极板制品。
⑤浸渍处理将烧结后的双极板制品用煤沥青或芳香族热固性树脂(例环氧树脂、酚醛树脂或呋喃树脂)浸渍，然后在真空反应釜中进行抽真空处理30～60分钟，真空度大于600mmHg，抽真空处理后，向真空反应釜中加入160～180℃的煤沥青，浸没双极板制品，并对液态煤沥青用氮气加压处理2～4小时，压力1.18Mpa以上，加压浸渍期间，真空反应釜内温度保持在160～180℃，使沥青处于低粘度状态，加压处于氮气加压，可以防止浸渍沥青的氧化变质。然后将将剩余的煤沥青压回贮槽，将冷却水通入浸渍真空反应釜中，将浸渍品冷却，排空冷却水，取出制品；⑥炭化处理将经上述处理的双极板制品，在1000～1200℃下炭化处理1～5小时，得到产品。
根据需要，还可以进一步对外形和流道进行机加工修整。
权利要求
1.一种质子交换膜燃料电池双极板制造方法，其特征是包括下列步骤①配制第一、第二组份浆料将丙烯酰胺单体、中间相碳颗粒、碳纤维、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂吐温80、催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺、分散剂介质--去离子水以下列重量比例在球磨机中球磨混合均匀，得第一组份浆料丙烯酰胺单体5～18％，中间相碳颗粒40～60％，碳纤维5～15％，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％，分散剂吐温80 0.1～0.3％，催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺0.2～0.6％，余量为分散剂介质--去离子水；将丙烯酰胺单体、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、中间相碳颗粒、碳纤维、分散剂吐温80、引发剂过硫酸铵及分散剂介质去离子水以下列重量比例在球磨机中球磨混合均匀，得第二组份浆料丙烯酰胺单体5～18％，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％，中间相碳颗粒40～60％，碳纤维5～15％，引发剂过硫酸铵0.2～0.6％，分散剂吐温80 0.1～0.3％，余量为分散剂介质去离子水；②素坯成型将上述第一、第二组份浆料分别放入不同的设有搅拌器的储料罐中，开启与储料罐连接的低压循环系统进行低压循环，浆料混合均匀，然后关闭低压阀门，将浆料通过高压循环装置进行高压循环，通过高压计量泵按1∶1的重量比将第一、第二组份浆料送入混合头，再开启混合头进行注射至模具，脱模得中间相碳颗粒与碳纤维的复合素坯；③干燥处理将素坯在60wt％～100wt％乙醇水溶液中浸泡24～72小时，然后在室温下干燥至素坯体积不再发生变化，然后将素坯在80～100℃条件下再干燥处理2～24小时；④埋碳烧结将经上述处理的素坯用硅砂包覆，然后用碳粉包覆在硅砂外面，然后进行烧结处理，得到双极板制品；⑤浸渍处理将烧结后的双极板制品用煤沥青或芳香族热固性树脂浸渍，然后在真空反应釜中进行抽真空处理，抽真空结束后，向真空反应釜中加入160～180℃的煤沥青，浸没双极板制品，并对浸渍液用氮气加压处理2～4小时，然后将将剩余的煤沥青压回贮槽，然后将冷却水通入浸渍真空反应釜中，将浸渍品冷却，取出制品；⑥炭化处理将经上述处理的双极板制品，在1000～1200℃下炭化处理1～5小时，得到产品。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池双极板制造方法，其特征是步骤④中埋碳烧结处理分以下阶段进行第一阶段是室温到600℃，升温速度为30～60℃/小时，然后在600℃下保温1～5小时；第二阶段是从600℃升温到1100℃，升温速度为30～60℃/小时，并在1100℃下保温1～5小时；第三阶段是从1100℃升到1450℃～2800℃升温速度为60～120℃/小时，并在1450℃～2800℃下保温1～5小时；第四阶段是从最高烧结温度到室温，降温速度控制在120℃/小时以下，得到双极板制品。
全文摘要
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池双极板制造方法，包括配制浆料、素坯成型、干燥、埋碳烧结、浸渍、碳化等步骤。利用本发明制作的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染等特点。是一种快速、高效、低成本、批量地生产PEMFC双极板的工艺。
文档编号H01M8/02GK1731610SQ200510041339
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月1日 优先权日2005年8月1日
发明者黄明宇, 倪红军, 骆兵, 廖萍, 朱昱, 唐通鸣, 周一丹, 李飞 申请人:南通大学