一種孔徑梯度分布的水傳輸板及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種孔徑梯度分布的水傳輸板及其制備方法。該水傳輸板由2層及以上的碳層堆疊而成，且這些堆疊的碳層平均孔徑為從多孔碳板一側到另一側平均孔徑從大到小或從小到大分布的結構。該方法是將造孔劑、導電石墨粉、導電碳纖維和樹脂粘結劑混合均勻后導入模具中進行熱壓處理得到多孔碳板，再將多孔碳板進行高溫石墨化處理和親水化處理即得親水多孔石墨水傳輸板。本發明專利技術可通過調節造孔劑的加入類型、加入量和加入次數分別調控石墨板的孔徑、孔隙率和平均孔結構梯度數。所制備的親水多孔石墨水傳輸板可為平均孔徑多級梯度分布結構。

Water transmission plate with pore size gradient distribution and preparation method thereof

The invention discloses a water transmission plate with an aperture gradient distribution and a preparation method thereof. The water transport plate is stacked with carbon layers of 2 layers and above, and the average pore diameter of the stacked carbon layers is from the porous carbon plate side to the other side, and the average pore size is from big to small or from small to large. The pore forming agent, conductive graphite powder, conductive carbon fiber and resin binder are mixed evenly into the mould to be thermally treated to obtain the porous carbon plate, then the porous carbon plate processing and hydrophilic treatment of graphite is hydrophilic porous stone ink transfer plate. The invention can adjust the pore size, porosity and average pore structure ladder number of the graphite plate by adjusting the adding type, adding amount and adding times of the pore forming agent. The prepared porous porous ink transmission plate has an average pore diameter and a multi gradient distribution structure.

【技術實現步驟摘要】
一種孔徑梯度分布的水傳輸板及其制備方法
本專利技術涉及燃料電池
，屬于燃料電池多孔雙極板的制備方法，具體為一種質子交換膜燃料電池用親水多孔石墨水傳輸板及其制備方法。
技術介紹
質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有比功率與比能量高、室溫快速啟動、對環境無污染等突出優點，是目前很有希望應用于便攜式電源、電動汽車、無人機、水下潛器等的動力電源。目前，PEMFC研究的主要目標是降低系統成本和提高電池性能和穩定性。而合適的水管理對于實現PEMFCs的性能最優化和穩定性發揮著至關重要的作用。在電池運行過程中，氫氣會還原生成氫離子，其中氫離子會帶著陽極側的水通過電滲透作用到達陰極，并在陰極與電子、氧氣發生電化學反應，生成液態水。因氫離子會攜帶水分子，所以陽極側需要補充水來防止質子交換膜的干燥。而如果聚集在陰極側的水沒有及時排出，就會造成電池水淹，進而阻止并抑制氧氣到達催化活性位點表面，影響電池的性能，嚴重情況下導致電池反極。所以為了維持電池性能和穩定性，就要保持電池內的水平衡：既要保持膜的良好潤濕，又要及時移走催化層和擴散層內多余的液態水。因此研究如何保持合適的電池水平衡，具有非常重要的意義。不同于密實傳統板，水傳輸板呈現親水多孔結構，此親水孔道提供了水的傳輸通道。所以水傳輸板有兩個作用：在電池缺水的情況下，冷卻腔中的水由于水傳輸板的毛細作用可以蒸發到氣體腔從而增濕燃料進氣；而當電池有多余的液態水時，它又可以通過壓差將水排出到冷卻腔中。水傳輸板的這兩個作用可以有效地緩解電池的膜干燥和水淹問題，達到合適的電池水平衡。美國專利【US6746982B2】將微米級的石墨粉進行親水處理，在其表面生成如羥基、磺酸基等親水有機基團，將經過親水處理的石墨粉與導電石墨粉、導電支撐碳纖維和高分子樹脂粘結劑干粉混合后熱壓成形得到水傳輸板。美國InstituteofGasTechnology單位的Konar等人【US5942347】把親水無機氧化物微粒與石墨粉、樹脂混合模壓成型，來實現雙極板流道側親水，親水物質吸收陰極生成水并透過水傳輸板到陽極對不飽和氣體進行增濕。通過將親水物質與導電物質混合熱壓的方法得到的水傳輸板具有較好的透水阻氣性能，但是隨著親水物質添加物的增加，水傳輸板的導電性有所下降，親水物質硅含量從0％增加到10％時，水傳輸板的導電性從130Scm-2降到了50Scm-2。為了解決增加親水混合物導致水傳輸板導電性下降的問題，InternationalFuelCell公司【US5840414】提出直接在多孔石墨板的孔內生成親水性金屬氧化物SnO2的方法來制備水傳輸板，因多孔石墨板自身的導電網絡，在孔內生成親水物質后對板的導電性不會產生影響，板的導電性得到了有效提高。因為液態水更易進入孔徑小的親水孔中，所以為了增加水傳輸板的排水和增濕能力，研究者們致力于將水傳輸板制備成孔徑梯度分布的結構。澳大利亞專利【389020】設計了一種質子交換膜燃料電池疊置結構，它利用一個梯度孔徑的水冷卻板組件來提供被動的冷卻劑和水管理控制。在水冷卻板組件中間有刻有流場的冷卻水腔，水腔兩側具有不同的孔徑，將小孔徑和薄厚度的一側作為陽極側，大孔徑和大厚度一側作為相鄰的陰極側。當電池陰極積累液態水時，該冷卻板組件就會吸收多余液態水到冷卻腔，而因為靠近陽極側的板更薄且孔徑更小，所以因為毛細作用力，冷卻水腔中的水可以透過水冷卻板組件進入陽極側對氣體進行增濕。雖然這種方法制備的多孔板擁有良好的導電性，但此水冷卻板是由石墨機加工得到的。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種制備燃料電池用親水多孔石墨水傳輸板及其制備方法，保證其具有良好的透水、阻氣、電導率和抗壓強度等特性。為了實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：1)將造孔劑、導電石墨粉、導電碳纖維和樹脂粘結劑混合均勻后置于模具中，改變造孔劑種類或者添加量并重復上述步驟，其中重復次數為n次(n≥0，n為整數)，將模具中的粉末進行熱壓成形處理，除去造孔劑即得多孔碳板(當n＝0，多孔碳板沒有形成平均孔徑梯度分布結構；當n>0，且每層加入不同的造孔劑時多孔碳板可形成平均孔徑n+1級梯度變化結構，所述的n+1級梯度變化結構是由2層及以上的碳層堆疊而成，這些堆疊的碳層平均孔徑為從多孔碳板一側到另一側平均孔徑從大到小或從小到大分布的結構)；2)將熱壓碳板通過2000-3500℃高溫石墨化處理1-3h后得多孔石墨板；3)將多孔石墨板置于鈦酸丁酯溶液中，其中溶劑為水和乙醇，在真空度為0.02-0.1MPa下進行抽真空處理10-60min，然后取出烘干，最后置于馬弗爐中400-500℃高溫焙燒處理2-5h。步驟(1)所述的造孔劑、導電石墨粉、增強纖維和粘結劑樹脂的比例為5-30wt％:50-75wt％:5-15wt％:10-20wt％，四者之和為100wt％，熱壓壓力為1-10MPa,熱壓溫度為100-250℃，熱壓時間為10-60min；步驟(1)所述的造孔劑為(NH4)2C2O4、NH4NO3、NH4HCO3、(NH4)2SO4、NaCl、KCl中的一種或二種以上。步驟(1)所述的導電石墨粉為KS75、K150或膨脹石墨的一種或二種以上，其粒徑為1-60μm。步驟(1)所述的增強纖維為碳纖維、石墨纖維、玻璃纖維中的一種或二種以上，直徑為1-15μm，長徑比為10-50。步驟(1)所述的粘結劑樹脂為熱塑性樹脂，熱塑性樹脂為聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚砜、熱塑性酚醛樹脂和聚苯二甲酸乙二醇酯的一種或二種以上。步驟(2)所述高溫石墨化處理溫度為2000-3500℃,處理時間為1-3h。步驟(3)所述的鈦酸丁酯溶液濃度為0.01-1molL-1，溶劑為水和乙醇的混合液，溶劑中水和乙醇的體積比為0.1-2。本專利技術的優點主要體現在：1.本專利技術可通過調節造孔劑的加入類型和加入量有效調控石墨板的孔徑和孔隙率；2.制備的親水多孔石墨水傳輸板可為平均孔徑多級梯度分布結構。附圖說明圖1為n＝0時水傳輸板的剖面結構示意圖；圖2為n＝1時水傳輸板的剖面結構示意圖；圖3為n＝2時水傳輸板的剖面結構示意圖；具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作進一步詳細說明。實施例1將造孔劑NH4NO3，導電石墨粉KS150(粒徑35μm)，碳纖維(直徑為11μm，長徑比為5)和粘結劑酚醛樹脂混合均勻后用模具進行熱壓，各組分比例為10％:70％:10％:10％，熱壓溫度為150℃，壓力為4MPa，熱壓時間為40min，即得孔徑無梯度結構的多孔碳板，孔徑示意圖見圖1。多孔碳板的厚度為1mm，平均孔徑為2.5μm，孔隙率為22％。再將多孔碳板進行高溫石墨化處理得多孔石墨板，處理溫度為2000℃，處理時間為2h。多孔石墨板的平均孔徑為2.3μm，孔隙率為26％。將多孔石墨板置于濃度為0.05molL-1鈦酸丁酯溶液(水和乙醇的體積比為0.5)中用真空度0.03MPa抽真空處理30min，500℃焙燒3h后即得親水多孔石墨水傳輸板。所得水傳輸板平均孔徑為1.9μm，孔隙率為21％。實施例2將造孔劑NaCl，導電石墨粉KS75(粒徑50μm)，碳纖維(直徑為17μm，長徑比為10)和粘結劑三聚氰胺-甲醛樹脂混合均勻后倒入模具中鋪平，各組分比例為10％:70％本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種平均孔徑梯度分布的水傳輸板，其特征在于：由2層或3層以上的碳層堆疊而成，這些堆疊的碳層平均孔徑為從多孔碳板一側到另一側平均孔徑從大到小或從小到大分布的結構。

【技術特征摘要】
1.一種平均孔徑梯度分布的水傳輸板，其特征在于：由2層或3層以上的碳層堆疊而成，這些堆疊的碳層平均孔徑為從多孔碳板一側到另一側平均孔徑從大到小或從小到大分布的結構。2.根據權利要求1所述的水傳輸板，其特征在于：所述水傳輸板平面電阻率為1-5mΩcm，彎曲強度為5-50MP，透水壓為0-0.03MPa，泡點為0.05-0.2MPa，接觸角為5°-85°，厚度為0.5-7mm，平均孔徑為0.1-20μm，孔隙率為5％-50％，以水傳輸板所有的孔為基準，親水孔比例為50％-100％。3.一種權利要求1或2所述的的水傳輸板的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)將造孔劑、導電石墨粉、導電碳纖維和樹脂粘結劑混合均勻后置于模具中，改變造孔劑的種類或者添加量并重復上述步驟，其中重復次數為n次(n≥0，n為整數)，將模具中的粉末進行熱壓成形處理，除去造孔劑即得多孔碳板；(2)將熱壓形成的多孔碳板通過高溫石墨化處理得多孔石墨板；(3)將多孔石墨板置于鈦酸丁酯溶液中，進行在真空度為0.02-0.1MPa下抽真空處理10-60min，然后取出烘干，最后置于馬弗爐中400-500℃高溫焙燒處理2-5h。4.根據權利要求3所述的水傳輸板的制備方法，其特征在于：步驟(1)所述造孔劑、導電石墨粉、增強纖維和粘結劑樹脂的比例為5-30wt％:50-75...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邵志剛，郭曉倩，王志強，曾亞超，瞿麗娟，衣寶廉，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧,21