CN106935885B - 一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池流场设计领域，具体涉及一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法。燃料电池流场结构为燃料电池双极板的流道内填充具有高孔隙率的多孔碳结构；其中，多孔碳的孔隙率为50％‑90％。本发明利用酚醛树脂凝胶化阶段制备出具有良好浸润性、高强度、高孔隙率的多孔碳结构，并将多孔碳填充于燃料电池双极板流道之内以增强其水管理能力。相比常规多孔碳结构的制备方法，本发明提供的方法更快捷、条件更温和，实验条件的选择也更灵活。本发明所使用的设备简单，合成材料均为常用的化工原料，成本低，制备工艺简单、快捷、条件温和，适用于大规模的工业生产。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池流场设计领域，具体涉及一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能与电池内水的积聚有关，当水量增多并伴有膜降解的时候，电池的性能迅速降低，因此在水管理不好的情况下，将导致电池内水状态的不平衡及电池性能的降低。所以确保PEM电池中各部分水量平衡十分关键，否则将直接影响燃料电池的使用寿命。
控制水平衡的方法有：选择合适的膜材料、对膜电极和电池结构进行优化设计、调节反应气的进气湿度等。其中通过对电极结构和流场结构的改进,可以有利于电池内多余水的排出,避免发生阴极水淹的现象。除此之外，对双极板的材质及表面进行改进也可达到保存或分配水分的目的。例如，Shelekhin提出在双极板两侧的流道上铺设亲水条,该亲水条由惰性亲水材料,如滤纸、玻璃纤维组成,电池工作时阴极侧的亲水条均匀吸收并贮存多余水分,电池缺水时亲水条中贮存的水可补给膜电极(Shelekhin A B,Bushnell C L,PienM S.Air-cooled,hydrogen-air fuel cell[P].U.S.Patent:5972530,1999.)。Adalhart采用在双极板流场面上沉积亲水性硅凝胶、高比表面积的矾士或它们的混合物来使双极板流场侧表面亲水,贮存水分(Adlhart.Fuel cell system utilizing ion exchangemembranes and bipolar plates[P].U.S.Patent:4175165,1979.)。Koncar等人在此研究基础上对流场材料进行改进,把亲水无机氧化物微粒与石墨粉、树脂混合冲压成型,来实现双极板流道侧的亲水性(Koncar G J,Marianowshi L G.Proton exchange membrane fuelcell separator plate[P].U.S.Patent:5942347,1999.)。
多孔碳材料作为一种多孔性的碳结构，是以碳为基础骨架，伴随着相互贯通或者封闭的孔道结构形成的网络状结构材料。多孔碳因具有超高的比表面积、发达的孔隙结构、低密度、高电导率、良好的化学及热稳定性等优点在大分子吸附、燃料电池、电催化、储氢、双电层电容等领域展现出广阔的应用前景。近期Karthikeyan等将多孔碳材料填充到双极板流场脊部位置实现了PEMFC功率密度和电流密度的有效提高，他们认为这有赖于多孔碳能够通过毛细作用有效地将流道表面积累的多余水分吸收(Karthikeyan P,Vasanth R J,Muthukumar M.Experimental investigation on uniform and zigzag positionedporous inserts on the rib surface of cathode flow channel for performanceenhancement in PEMFC[J].International Journal of Hydrogen Energy,2015,40(13):4641-4648.)。但是这种方法步骤繁琐，对烧结温度和气氛要求较高，不利于大规模工业应用。
发明内容
本发明的目的在于实现一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构，燃料电池流场结构为燃料电池双极板的流道内填充具有高孔隙率的多孔碳结构；其中，多孔碳的孔隙率为50％-90％。所述多孔碳填充至双极板的流道内，添加量为任意，一般为流道体积的10-100％，通常将多孔碳填满流道磨平即可。
在燃料电池双极板的流道内填充具有高孔隙率的多孔碳结构，用多孔碳作为亲水层替代空气以增强双极板的水管理能力。
所述多孔碳为：
1)称取粗细碳纤维和热塑性酚醛树脂并混合均匀，作为碳源前驱体，其中，热塑性酚醛树脂和粗细碳纤维的质量比为1％-5％；
2)向步骤1)制备的前驱体中加入水和乙醇的混合液，使体系混合均匀，而后50-200℃下恒温烧结，即得到50％-90％孔隙率的多孔碳。
所述粗细碳纤维为按重量比为1:10-1:2的粗碳纤维和细碳纤维混合；其中，细碳纤维为50-500目碳纤维粉，粗碳纤维为1mm-10mm短切碳纤维。
一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构的制备方法：
1)称取粗细碳纤维和热塑性酚醛树脂并混合均匀，作为碳源前驱体，其中，热塑性酚醛树脂和粗细碳纤维的质量比为1％-5％；
2)向步骤1)制备的前驱体中加入水和乙醇的混合液，使体系混合均匀；
3)将步骤2)的混合体捏成泥状填入双极板的流道之内，而后于50-200℃下恒温烧结5-30分钟；
4)将步骤3)烧制好的双极板取出置于室温下冷却，得到高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构。
所述粗细碳纤维为按重量比为1:10-1:2的粗碳纤维和细碳纤维混合；其中，细碳纤维为50-500目碳纤维粉，粗碳纤维为1mm-10mm短切碳纤维。
所述双极板的流场材质采用石墨、不锈钢或钛材料。
本发明特点如下：
1.本发明新的燃料电池流场处理方法，其在于在燃料电池流道内填充具有高孔隙率的多孔碳结构，利用多孔碳优良的浸润性增强燃料电池双极板的水管理能力。
2.相比常规多孔碳结构的制备方法，本发明提供的多孔碳结构的制备方法更快捷、条件更温和，实验条件的选择也更灵活。具体包括：1)直接以碳纤维为碳源，以酚醛树脂作为交联剂，低温条件下快速制备优良浸润性的多孔碳结构；2)利用乙醇、去离子水、粗细碳纤维相结合的方法增大多孔碳的孔隙率。
3.本发明所使用的设备简单，合成材料均为常用的化工原料，成本低，制备工艺简单、快捷、条件温和，适用于大规模的工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多孔碳的微观结构图。
图2为本发明实施例提供的多孔碳的微观结构图。
图3为本发明实施例提供的多孔碳填充的燃料电池流场结构图。
具体实施方式
本发明将多孔碳填充于燃料电池双极板流道之内以增强其水管理能力，在多孔碳的制备在其利用了酚醛树脂凝胶化阶段低温、短时间下即制备出具有良好浸润性、高强度、高孔隙率的多孔碳结构。
本发明利用酚醛树脂凝胶化阶段制备出具有良好浸润性、高强度、高孔隙率的多孔碳结构，并将多孔碳填充于燃料电池双极板流道之内以增强其水管理能力。相比常规多孔碳结构的制备方法，本发明提供的方法更快捷、条件更温和，实验条件的选择也更灵活。具体包括：1)直接以碳纤维为碳源，以酚醛树脂作为交联剂，低温条件下快速制备优良浸润性的多孔碳结构；2)利用乙醇、去离子水、粗细碳纤维相结合的方法增大多孔碳的孔隙率。本发明所使用的设备简单，合成材料均为常用的化工原料，成本低，制备工艺简单、快捷、条件温和，适用于大规模的工业生产。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，所用试剂如下所示：碳纤维由上海卡吉特化工科技有限公司购买，酚醛树脂、乙醇均由国药集团化学试剂有限公司购买。
多孔碳微观形貌由扫描电子显微镜(SEM，Hitachi－S4800，加速电压一般为10kV)表征测得。
实施例1
称取300目碳纤维粉2g，热塑性酚醛树脂0.07g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状，将其切成大小一致的0.5cm3的正方体之后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳，待用，所得多孔碳孔隙率为54％。
实施例2
称取300目碳纤维粉2g，热塑性酚醛树脂0.05g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状，将其切成大小一致的0.5cm3的正方体之后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳，以备后用；其所得多孔碳孔隙率是56％，随酚醛树脂含量减小而升高。
实施例3
称取300目碳纤维粉2g，热塑性酚醛树脂0.03g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状，将其切成大小一致的0.5cm3的正方体之后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳(参见图1)，以备后用；由图1可见所得多孔碳孔道清晰可见,孔隙率为60％。
实施例4
称取300目碳纤维粉2g，热塑性酚醛树脂0.05g，3mm碳纤维0.4g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状，将其切成0.5cm3的正方体之后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳(参见图2)，待用。
由图2可见所得多孔碳出现更大孔径的孔隙结构，孔隙率为68％。
实施例5
称取300目碳纤维粉2g，热塑性酚醛树脂0.05g，3mm碳纤维0.6g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状，将其切成0.5cm3的正方体之后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳，以备后用；其所得多孔碳孔隙率提高，为74％。
实施例6
称取300目碳纤维粉2g，热塑性酚醛树脂0.05g，3mm碳纤维0.8g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状，将其切成0.5cm3的正方体之后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳，以备后用；其所得多孔碳孔隙率进一步提高，为80％。
通过吸渗法对上述获得的多孔碳的孔隙率进行测试：
多孔材料的孔隙率是孔隙在材料的总体积中所占的分数。这一参数通常用Φ表示：
其中Vp是有效孔隙体积，V0是总体积。
吸渗法：由于多孔材料表面疏松的多孔结构使它们很容易吸渗水。
在这样的情况下，如果在真空下,一块多孔碳沉没在水中,经过一段足够长的时间之后,其孔隙空间会全部为水所充满,此时饱和水样品的质量为：
m＝m0+ρwVp 公式(2)
其中m0是样品的干质量，ρw是水的密度，因此得到有效孔隙体积：
继而有：
由以上所述方法，得到表1对实施例1-6的孔隙率统计结果。
表1
每个实施例的统计次数在5次以上。
如表1所示，所述多孔碳孔隙率随酚醛树脂含量的降低会逐渐提升，而粗碳纤维的加入则显著提高了多孔碳的孔隙率；但酚醛树脂的含量不能过低，否则会引起多孔碳结构强度不够，容易坍塌；过高则会导致孔道堵塞，孔隙率降低。粗碳纤维含量过高也会引起多孔碳结构不稳定。
实施例7
称取碳纤维2g，热塑性酚醛树脂0.05g，3mm碳纤维0.8g，用研钵混合均匀，加入1ml去离子水、1ml乙醇之后用研钵研成泥状并均匀涂抹至钛双极板流场流道之内，然后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳填充的燃料电池流场结构，待用。
实施例8
称取碳纤维10g，热塑性酚醛树脂0.25g，3mm碳纤维4g，用研钵混合均匀，加入5ml去离子水、5ml乙醇之后用研钵研成泥状并均匀涂抹至钛双极板流场流道之内，然后置于150℃烘箱里烧制15分钟，之后取出置于室温下冷却，即得多孔碳填充的燃料电池流场结构(参见图3)，待用。
由图3的光学图可见多孔碳结构均匀填充于流场流道内，且强度坚固、结构稳定。
利用本发明多孔碳填充的燃料电池流场结构具有优良的亲水特性，可有效通过毛细作用吸收流道表面积累的多余水分，排出电池内多余水,避免发生阴极水淹的现象。另外因为多孔碳的高电导率也不会引起电池内阻的增大。同时采用本发明适用于所有流场结构。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (1)
1.一种高孔隙率多孔碳填充的质子交换膜燃料电池流场结构的制备方法，其特征在于：
1）称取粗细碳纤维和热塑性酚醛树脂并混合均匀，作为碳源前驱体，其中，热塑性酚醛树脂和粗细碳纤维的质量比为1%-5%；
2）向步骤1）制备的前驱体中加入水和乙醇的混合液，使体系混合均匀；
3）将步骤2）的混合体捏成泥状填入双极板的流道之内，而后于50℃-200℃下恒温烧结5-30分钟；
4）将步骤3）烧制好的双极板取出置于室温下冷却，得到高孔隙率多孔碳填充的质子交换膜燃料电池流场结构；
所述粗细碳纤维为按重量比为1:10-1:2的粗碳纤维和细碳纤维混合而成；其中，细碳纤维为50-500目碳纤维粉，粗碳纤维为1mm-10mm短切碳纤维；
所述双极板的流场材质采用石墨、不锈钢或钛材料；
所述质子交换膜燃料电池流场结构为质子交换膜燃料电池双极板的流道内填充具有高孔隙率的多孔碳结构，通过毛细作用吸收流道表面积累的多余水分，排出电池内多余水；其中，多孔碳的孔隙率为50%-90%。
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