一种浸渍燃料电池用石墨双极板的新方法.pdf

业羔生一溯黼黼麓鬻藿坠竺血型越趟坠一种浸渍燃料电池用石墨双极板的新方法王明华，曹广益，朱新坚，隋升，余晴春，范征宇(上海交通大学燃料电池研究所，上海200030)摘要：石墨板虽然具有良好的导电、导热以及耐腐蚀等性能，但在制造过程中不可避免地产生气孔，含有气孔的石墨板作为质子交换腰燃料电池双极板会使H2和q互相渗透，降低电池性能。采用真空加压方法以硅酸钠浓溶液浸渍石墨双极板然后加酸加热使之转变为si02，使石墨板气孔率由182降低至33以下，在03MPaH2压力下不透气。经硅酸钠溶液浸渍后的石墨板电阻没有增加，而用其做的石墨双极板使电池性能在同样电流密度下约增加40mV以上。浸渍工艺保证了燃料电池的性能。关键词：石墨艰极板，气孔率；燃料电池硅酸钠溶液中囝分类号：TM9114；TH1451文献标识码：A文章编号：1002087X(2003)06049202NewofimpregnatinggraphitebipolarplatesusedinfuelceWANGMinghuaCAOGuangyi，ZHUXinjian，SUISheng，YUQingchun，FANZhengyu(InstituteofFuelCellShanghaiJitongUniwrsity，Shanghai200030，lm)Abstract：Graphiteischaracteredbygoodconductivity，goodheatconductionandrustresistance，butgraphitecontainsmanyporesduringtheirmanufacturingprocessinevitablyH2and02willbemixedifthegraphitebipolarplateswhichcontainporesareusedinPEMFC(protonexchangemembranefuelcell)，andtheperanceoffuelcellislowGraphitebipolarplateswereimpregnatedbythickNa2Si03mlutioninvacuumandpressureNa2Si03ingraphiteplatewasturnedintoSi02afterbeingreactedwithacidandheatedPorosityofgraphiteplatedroppedto33from182，NoH2leakageoccurredatthepressureof03MPaTheresistanceofgraphiteplateafterimpregnationdidnotriseThevoltageoffuelcellusedthegraphiteplatesadded40mVatthesanlecurrentdensityPerormancesoffuelcellwereguaranteedKeywords：graphitebipolarplate；porosity；fuelcell；NazSi03solution石墨板由于具有良好的导电、导热性以及耐腐蚀等功能而被普遍用做质子交换膜燃料电池的双极板。但由于在石墨板烧制过程中作为粘接剂的煤焦油会氧化或挥发，造成石墨板产品中存在大小不一的孔洞-lJ，气孔率大约为182-243，如此高的气孔率影响了石墨板的用途。目前世界上各研究者更多采用有机物如酚醛树脂、石蜡、沥青、聚碳硅烷等充填石墨板的子L洞，降低气孔率，达到密封石墨板的目的口叫J。有机物的优点是分子量大、分子链长、形变性能好，故能很好地密封石墨板。但由于有机物似乎渗透入石墨板孔洞，甚至渗透入石墨片层，形成复合材料，从而加大了石墨板的体电阻和面电阻【5引。质子交换膜燃料电池单电池的理论电压仅为1229v，电池材料电阻越大输出功率越小固此，大多数有机物不适合甩来浸渍质子交换膜燃料电池用石墨双极顿。收稿日期：20030226作者简介：王明华197l一)，男，山东省、博士后主要研究方向为质子交换膜燃料电池。Blography：WANGMins-hua(1971一)，male，pogtdoctor本文采用Na2Si03溶液慢浈，进一步酸浸加热使其生成siQ的方法处理石墨双极板，降低了石墨板的气孔率，并且没有增加石墨双板板的电阻，提高了质子交换膜燃料电池的性能。1实验11实验所需仪器与药品仪器：A6012型空气压缩机，2XZ一2型真空泵，马福炉；药品：60Na2Si03溶液(化学纯)，10H2S04溶液(化学纯)均为质量百分数。12实验步骤将待浸渍的石墨双极板用丙酮擦洗，去除表面有机物。置于超声容器内超声洗涤，去除表面灰尘。在120真空干燥，取出后放入真空釜内，抽真空为一0LMPa，并保持30rain。输入Na2Si03浓溶液，使其液面在石墨板之上。Na2Si03溶液输入完毕，使用空压机加大釜内压力至06MPa。维持实验所需时间后卸压取料。将含有Na2Si03溶液的石墨板置于10的HzS04溶液中，再次加压并维持一定时间，取出石墨板。将干燥后的石墨板于马福炉中300烧结30min，然后进行性能测万方数据韭羔L一鬻黼豢瓣黼蕤卜堕唑纽业塑试。样品孔隙率的测定按文献7进行。表1石墨双极板浸渍前后电阻率的变化2结果与讨论Tab1Varietyofgraphitebipolarresistance21浸渍时间对Si岛在石墨板中残留量的影响beforeandafterimpregnation圉2s氇在石墨顿中的残留量晟低时可达到33。对石墨板孔隙率的影响在该实验条件下通过Fig2Effectoftheslqigraphit。浸渍工艺可减少70。“。p。osl坤。8rap“。抖88以上的孔隙率，在03MPaH2压力下不透气，基本达至燃料电池用石墨双极板的要求。23石墨双极板在浸渍NazSiq前后电阻率的变化由于有机物有塑性流变性能，不仅仅存在于石墨板的孔道内还会渗入石墨片层内形成复合材料，增加了石墨双极板的电阻。浸渍无机物则不会有这种影响，石墨双极板在浸演前后的电阻率变化见表1。圉3石墨板幔浈前后也平均提高20mV以电池电堆性能的对比卜c经过浸渍处理的3Contrast。ffuelceltpermlcebefore石墨板用做燃料电池and“弛7grgphiteplate8impregna“0n双极板，反应气不内串，H2和空气中的晚不会直接在电催化剂匕反应生成水，造成燃料气的损失，同时有利于电流在电池中的均匀分布，保证了电池电堆的性能。3结论(1)采用石墨双极极中真空加压浸入NazSiO，浓溶液，进一步加酸加热使之转变为SiQ的方法提高燃料电池的性能。在保持真空度为一01MPa、压力为06MPa的实验条件下，siq在石墨板中的残留量随时间延长而增加，最高可达到76。(2)石墨板的孔隙率随si逸残留量的增加而降低，通过浸渍工艺，石墨板孔隙率由182降低至33，减少了70以上的孔腺率。浸渍工艺没有影响百墨板的电阻。(3)浸渍后的石墨板用作质子交换膜燃料电池电堆的双极板，同样电流密度下平均电压提高40mv以上，保证了燃料电池的性能。参考文献：1王俐，郭智广。李砚萍国外提高炭石墨制品性能的一种有效的朴强措施浸渍J】碳索，1997，4：372乔书灿，聂字平，董洁等IX；T溶液浸渍石墨电扳的应用J炼钢19964：93左藤元彦燃料鼋池用疗天不连遇力一水y7phP日本专利：200185031(P200185031A)4罗永臣，刘志刚，刘春，等高分子材料在石墨浸渍材料中的应用J碳索1999，4：445李宝华，李开喜李春香，等酚醛树脂擞石墨复合碳材料用作锂离子电池负极材料的考察J新型碳材料，2001，15(2)：286许宏鼎，罗云敬，周明珠石墨聚四氟乙烯复合涂层电极的研制及应甩c】高等学校化学学撮，1997，18(4)：5357叶铭勋砼空隙率的测定J水利水运科学研究1997，4：379万方数据一种浸渍燃料电池用石墨双极板的新方法一种浸渍燃料电池用石墨双极板的新方法作者：王明华，曹广益，朱新坚，隋升，余晴春，范征宇作者单位：上海交通大学燃料电池研究所上海200030刊名：电源技术英文刊名：CHINESEJOURNALOFPOWERSOURCES年，卷(期)：200327(6)被引用次数：9次参考文献(7条)参考文献(7条)1.王俐郭智广李砚萍国外提高炭-石墨制品性能的一种有效的补强措施浸渍期刊论文-炭素19972.乔书灿聂字平董洁DGT溶液浸渍石墨电极的应用1996(02)3.左藤元彦燃料電池用不透過一一4.罗永臣刘志刚刘春高分子材料在石墨浸渍材料中的应用期刊论文-炭素19995.李宝华李开喜李春香酚醛树脂炭石墨复合碳材料用作锂离子电池负极材料的考察2001(02)6.许宏鼎罗云敬周明珠石墨聚四氟乙烯复合涂层电极的研制及应用期刊论文-高等学校化学学报1997(04)7.叶铭勋砼空隙率的测定1997本文读者也读过(6条)本文读者也读过(6条)1.王继刚.郭全贵.刘朗.宋进仁石墨高温粘接部件的抗热震性能研究期刊论文-新型炭材料200217(1)2.焦明华.尹延国.俞建卫.解挺.杜春宽.刘焜.JIAOMing-hua.YINYan-guo.YUJian-wei.XIETing.DUChun-kuan.LIUKun镀镍石墨粉与铜基自润滑材料摩擦磨损特性研究期刊论文-摩擦学学报200727(5)3.李冰.邱竹贤.李军.叶以富.赵祖欣在石墨基体上电沉积TiB2镀层的研究期刊论文-稀有金属材料与工程200433(7)4.刘仕福.沈以赴.王少刚.王蕾.LiuShifu.ShenYifu.WangShaogang.WangLei石墨表面钛金属化界面的组织及机理期刊论文-稀有金属材料与工程200635(7)5.黄明宇.倪红军.廖萍.骆兵.陈上伟.HuangMingyu.NiHongjun.LiaoPing.LuoBing.ChenShangweiPFMCMB石墨CF复合材料燃料电池双极板的研制期刊论文-工程塑料应用200634(9)6.李东红.陈栋.李旺兴.沈湘黔.景茂祥.LiDonghong.ChenDong.LiWangxing.ShenXiangqian.JingMaoxiang石墨-FeNi核-壳结构复合微球的制备期刊论文-稀有金属材料与工程200736(4)引证文献(9条)引证文献(9条)1.黄岳强.梁剑莹.张晓飞.沈培康PEMFC双极板的材料和加工方法期刊论文-电池2008(1)2.张园园.王匀.戴亚春.丁盛.尹必峰质子交换膜燃料电池双极板的研究进展期刊论文-电源技术2012(6)3.马小杰.方卫民质子交换膜燃料电池双极板研究进展期刊论文-电池工业2006(2)4.马小杰.