[发明专利]一种质子交换膜燃料电池用流场板及其制备方法和双极板

说明书

技术领域

本发明是关于一种燃料电池用流场板及其制备方法和双极板，更具体地是关于一种质子交换膜燃料电池用流场板及其制备方法和使用该流场板的双极板。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的能源转换装置，具有功率密度高、无污染和无噪声等优点。作为理想的可移动电源，燃料电池在民用、军用各个领域均具有广泛的应用。

由于单个单元燃料电池所产生的电压有限，难以达到所需的电压，因此通常将多个单元燃料电池串联或并联组成燃料电池组，以获得所需的电压。单元燃料电池的连接一般通过采用双极板来实现，多个单元燃料电池和多个双极板间隔分布，一块双极板的两个侧面分别与相邻单元燃料电池的阴极和阳极接触。

双极板一般包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间。阳极流场板将燃料送到阳极，阴极流场板把氧化剂如氧气或空气送到阴极。双极板一般由金属、石墨或复合材料制成，所述复合材料为石墨与树脂的混合物。膨胀石墨是石墨材料中的一个重要分支，膨胀石墨是通过热化学方法或电化学方法，将鳞片石墨进行插层处理，然后在高温环境下进行膨化而获得的高孔隙率的多孔疏松的石墨材料。用膨胀石墨直接压制的双极板的流场板具有良好的耐腐蚀性、导电性和抗冲击性，但是由于膨胀石墨的孔隙率较高，因此由膨胀石墨制成的流场板或双极板的表面需要经过浸渍处理使其不透气。

目前的质子交换膜燃料电池大都采用全氟磺酸膜作为质子交换膜，全氟磺酸膜必须在含水的情况下才具有质子传递的功能，而当质子交换膜燃料电池的工作温度超过80℃时，膜内水分的蒸发速度大于其生成的速度，膜内水分会减少，导电率会显著下降，燃料电池的输出功率也会下降，此时必须对质子交换膜进行增湿。如果双极板具有增湿功能，则不用再额外设置增湿装置，可以提高电池运行的效率。US 4,175,165公开了一种燃料电池组件，该燃料电池组件包括双极板，其中，双极板的表面涂覆有亲水性物质如硅溶胶，这些亲水性物质吸收并保持电池反应所产生的水分，当质子交换膜燃料电池的工作温度超过80℃时，所述亲水性物质所吸收并保持的水分可以补充质子交换膜散失的水分，达到增湿的目的，但是由于所述亲水性物质如硅溶胶的电导率较低，将其涂在双极板表面会增加双极板的表面电阻，使双极板的电导率下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的具有增湿功能的双极板电导率较低的缺点，提供一种具有增湿功能且电导率较高的流场板及其制备方法和使用该流场板的双极板。

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用流场板，该流场板含有主体材料和亲水性物质，其中，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用流场板的制备方法，该方法包括将主体材料模压成型为流场板，其中，所述主体材料为膨胀石墨，该方法在将主体材料模压成型之前，还包括将亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用双极板，该双极板包括阳极流场板、阴极流场板和支撑板，支撑板位于阳极流场板和阴极流场板之间，其中，所述阳极流场板和/或阴极流场板为本发明提供的流场板。

根据本发明提供的流场板，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间，可以吸收、保持水分，对膨胀石墨的电导率影响很小，因此流场板具有增湿功能且电导率较高。

而且由于亲水性物质填充了膨胀石墨的微孔，不需要进行浸渍处理，就能够使流场板具有良好的隔气性能。

具体实施方式

本发明提供的质子交换膜燃料电池用流场板含有主体材料和亲水性物质，其中，所述主体材料为膨胀石墨，所述亲水性物质填充在膨胀石墨的微孔中和晶片片层之间。

所述膨胀石墨可以为现有的用于制作流场板的膨胀石墨。所述膨胀石墨的密度可以为2-10毫克/立方厘米，优选为4-7毫克/立方厘米。膨胀石墨的平均孔直径可以为2-100微米，优选为5-60微米，更优选为10-50微米。所述膨胀石墨可以商购得到，或者根据已知的方法由常规的石墨制备得到。例如，可以用碱金属、卤素、金属卤化物或强氧化性含氧酸对石墨进行插层处理，形成层间化合物(也称作“可膨胀石墨”)；然后对所述层间化合物进行高温或微波处理，层间化合物膨化形成膨胀石墨。

所述亲水性物质可以为任何能够吸收并保持水分的物质，优选为碱金属硅酸盐和/硅溶胶。所述亲水性物质的填充量可以根据质子交换膜的实际增湿需要来确定，一般情况下，所述亲水性物质与膨胀石墨的重量比可以为1∶2-50，优选为1∶5-30。