专利名称：一种具有阻气导水功能的石棉-石墨复合板的制备方法
技术领域：
本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种具备良好导电性、阻气导水性石棉-石墨复合板的制备方法，
背景技术：
质子交换膜燃料电池(ProtonExchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs)是一种将化学反应自由能通过电极-电解质系统直接转换为电能的装置，不仅具有一般燃料电池的特点，如高效、环境友好、噪音低、可靠性高等，同时还具有可在室温快速启动、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量密度高等突出的优点。水管理是PEMFC技术的一个重要方面，其包括去除阴极的产物水以及质子交换膜增湿。现有的技术通常是采用分水器和增湿器进行水管理，这些辅助的水管理系统使得整个燃料电池系统较为复杂，增加了系统成本、重量和体积，不利于燃料电池的推广应用。电池运转过程中，在阴极上电化学反应生成的水要及时排出去，否则会发生水淹，导致电池性能衰减。当以空气为氧化剂时，未参与反应的氮气会带走大部分生成水；而以氧气为氧化剂时，生成水却难以排出。所以，利用阴极气室和冷却循环水水腔之间的压力差，将阴极气室内的生成水导至水腔中，再由冷却循环水导至电池体外，实现排水，是一种较好的解决方案。国际燃料电池有限责任公司(W099/66577)根据毛细现象的原理，将阴极流场板制作成充水的多孔结构。在燃料电池工作过程中，阴极的产物水通过多孔板迁移到循环水侦牝同时多孔板也可以供水以维持质子交换膜的湿润。石墨粉末、纤维质纤维、增强纤维和热固性树脂混合成浆料，摊铺成薄片后多片压制，最后石墨化成形，制成导水双极板。缺点是工艺较为复杂，成本比较昂贵。柔性石墨是一种软质、疏松多孔的新型石墨材料，由天然鳞片石墨经插层反应和高温膨化后压制而成的。其除了具备天然石墨本身的耐腐蚀能力和良好的导电导热性能以夕卜，还具有天然石墨所没有的柔软、回弹性、低端应力松弛率以及低成本等优点。柔性石墨板已经被成功应用于燃料电池的双极板(CN101381244A，CN171965A)，通过向柔性石墨灌注树脂以填充孔隙和增强机械强度，达到阻气以及保持良好电导率的目的。但是这些柔性石墨双极板的孔隙已经被全部填充满，并且双极板表面憎水，无法实现导水的目的。石棉是指具有高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀、电绝缘和具有可纺性的硅酸盐类矿物产品。石棉的成分为氧化镁和氧化硅，其由纤维束组成，而纤维束又由很长很细的能相互分离的纤维组成。石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料。石棉膜是由石棉纤维，经轻度打浆，加入胶料和填料(最多可达15% )，在造纸机或湿抄机上抄造而成，有时配加部分木浆，并用浙青或树脂浸溃，以提高强度。石棉膜的孔径为百纳米级(平均孔径在70 90纳米间)，气体穿透压(泡点压力)大于1.0MPa,是一种优异的多孔隔膜材料，已经被成功的应用于碱性燃料电池内和PEMFC的静态排水装置中。
发明内容
本发明利用柔性石墨板的导电性和石棉膜的导水功能以及阻气功能，将石棉膜嵌入到柔性石墨板中，最终制备成石棉-石墨复合板，同时具有导电、导水和阻气三种功能。一种石棉-石墨复合板的制备方法，将柔性石墨板预压并打孔后，取形状与石墨板所开孔相同、且尺寸等于或略大于石墨板上所开孔的石棉膜置于石墨板上所开孔内，石棉膜与石墨板上所开孔的内壁面间涂有粘合剂，用粘合剂将石棉膜粘贴在柔性石墨板上所开孔内，并将孔堵住，粘合剂固化后，模压成型，获得复合型柔性石墨板。该复合型柔性石墨板可作为质子交换膜燃料电池导水板。本发明将商品化的柔性石墨板预压至一个中间厚度后打孔，将准备好的面积比所打的孔略大的石棉膜用粘合剂粘贴在柔性石墨板上，石棉膜能将孔盖住。粘合剂固化后，将嵌有石棉膜的柔性石墨板进行模压成型，得到石棉-石墨复合板。所述商品化柔性石墨板密度为0.15 1.3g/cm3,其厚度常为1.5 8mm。所述预压到一个中间厚度，可以采用油压机或辊压机，压制后的柔性石墨板预压厚度为I 1.5_。所述的柔性石墨板上的打孔，打孔率为20% 30%，孔的形状可以为圆形、多边形、多角形中的一种或多种，孔面积为3 30平方毫米。所述的石棉膜的形状与石墨板上打的孔相对应，可以为圆形、多边形或多角形中的一种或多种，其面积为3 32平方毫米其厚度为0.2 1mm，孔隙率为50 % 85 %，平均孔半径为90 20nm，穿透压(泡点压力)大于0.1MPa0所述的圆形石棉膜，其直径为3 8mm。所述的粘合剂，需要采用液态树脂作粘合剂，包括环氧树脂或酚醛树脂等。所述的复合型柔性石墨板，其厚度为0.9 1.2mm。本发明具有如下优点:1、功能复合型柔性石墨板和石棉膜均已成功应用于燃料电池，将两种材料结合，利用柔性石墨板的导电性和石棉膜的导水性以及阻气性，制备石棉-石墨复合板，应用于质子交换膜燃料电池，技术可靠。2、工艺简单 将石棉纸嵌入柔性石墨板中，工艺过程为“预压-打孔-粘贴-模压成型”，操作方便，工艺简单。3、成本低廉基体原料为已经商品化的柔性石墨板和石棉膜，原料和工艺成本均较为低廉，适于工业化推广。
具体实施例方式实施例1厚度为3mm的商品化柔性石墨板,用油压机预压制Imm厚度,用打孔器打孔,孔径为4mm,开孔率为20%。孔周围涂抹环氧树脂,用直径为8_、厚度为0.4mm的圆形石棉膜，盖住柔性石墨板的孔。室温条件下使环氧树脂固化后，再用油压机将贴有石棉膜的柔性石墨板进行压制，得石棉-石墨复合导水板。
权利要求
1.一种具有阻气导水功能的石棉-石墨复合板的制备方法，可作为质子交换膜燃料电池导水板，其特征在于:将柔性石墨板预压并打孔后，取形状与石墨板所开孔相同、且尺寸等于或略大于石墨板上所开孔的石棉膜置于石墨板上所开孔内，石棉膜与石墨板上所开孔的内壁面间涂有粘合剂，用粘合剂将石棉膜粘贴在柔性石墨板上所开孔内，并将孔堵住，粘合剂固化后，模压成型，获得复合型柔性石墨板。
2.按照权利要求1所述的石棉-石墨复合板的制备方法，其特征在于:所述的柔性石墨板上的打孔，打孔率为20% 30%，孔的形状可以为圆形、多边形或多角形中的一种或多种，孔面积为3 30平方毫米。
3.按照权利要求1或2所述的石棉-石墨复合板的制备方法，其特征在于:所述的石棉膜的形状与石墨板上打的孔相对应，可以为圆形、多边形或多角形中的一种或多种，其面积为3 32平方毫米，厚度为0.2 1mm，孔隙率为50% 85%，平均孔半径为20 90nm，泡点压力大于0.1MPa0
4.按照权利要求1所述的石棉-石墨复合板的制备方法，其特征在于:柔性石墨板和石棉膜之间用粘合剂粘贴，采用液态树脂作粘合剂，包括环氧树脂或酚醛树脂。
5.按照权利要求1所述的石棉-石墨复合板的制备方法，其特征在于: 所述商品化柔性石墨板密度为0.15 1.3g/cm3,其厚度常为1.5 8mm ； 所述预压到一个中间厚度，可以采用油压机或辊压机，压制后的柔性石墨板预压厚度为 1-1.5mm ； 所述模压后的复合型柔性石墨板，其厚度为0.9 1.2mm。
全文摘要
本发明涉及一种石棉-石墨复合板的制备方法，具体的说是利用“预压-打孔-粘贴-模压成型”工艺，将石棉膜嵌入到柔性石墨板中，使其同时具备柔性石墨板的良好导电性和石棉膜阻气导水性。本发明石棉-石墨复合板的制备方法具有工艺简单、成本低廉以及技术可靠的特点。该复合板可用于质子交换膜燃料电池中。
文档编号H01M8/02GK103151545SQ20111040227
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者周利, 邵志刚, 衣宝廉, 郭明钢, 付磊 申请人:中国科学院大连化学物理研究所