專利名稱：一種石墨雙極板的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池用石墨雙極板的表面處理方法。根據(jù)此技術(shù)處理的石墨雙極板適用于氫-氧質(zhì)子交換膜燃料電池及直接醇類燃料電池。
背景技術(shù)：
在燃料電池電池組中，雙極板起著非常重要的作用首先，它可以割斷相鄰的兩個電池的物料之間的聯(lián)系；其次，在雙極板上可以做成用于物料傳輸?shù)牧鞯?，使得物料分配的更加均勻；而且，雙極板要求導(dǎo)電性良好，可以用來收集電流和傳遞電流。石墨板由于其具有良好的機械性能，且易于加工，并且石墨還具有良好的導(dǎo)電性，因此被廣泛用于制作雙極板。
下列文獻介紹了幾種目前正在使用的石墨雙極板及處理方法1、美國專利4339322介紹了一種用導(dǎo)電性石墨與熱塑性含氟聚合物按照一定比例混合制得雙極板的方法。該方法制得的雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。
2、中國專利申請?zhí)?2132327.5中燃料電池用雙極板及其制造方法是導(dǎo)電性材料在由酚醛清漆型酚醛樹脂或者酚二環(huán)戊二烯樹脂和具有至少2個乙烯性不飽和雙鍵的化合物的加成交聯(lián)反應(yīng)固化物中分散而成的。
3、中國專利申請?zhí)?1144972.1公開了一種聚合物膜燃料電池的復(fù)合層雙極板及其制造方法。該雙極板特征在于整體結(jié)構(gòu)由石墨蠕蟲構(gòu)成，在其外表面是聚吡咯或聚苯胺膜層，在板壁石墨蠕蟲層中間摻和聚吡咯或者是聚苯胺網(wǎng)絡(luò)層，或者是在板壁石墨蠕蟲層中間夾附著金屬薄板。其特征在于以10～80MPa壓力下成型，在板壁石墨蠕蟲內(nèi)部電合成法制成聚吡咯或聚苯胺網(wǎng)絡(luò)層。該發(fā)明的復(fù)合層雙極板耐腐蝕、重量輕、導(dǎo)電性能好、制造成本低。
從實用效果上面來看，石墨板也并非十全十美，受加工工藝的限制，石墨板本身并非十分致密，在較高溫度和較高的壓力下，石墨板會出現(xiàn)串氣現(xiàn)象；增大石墨板中粘合劑的用量，雖然可以避免串氣，但會導(dǎo)致導(dǎo)電性的下降；并且石墨板表面趨于親水，會造成用于物料傳輸?shù)目椎辣凰氯瑥亩绊懫溥\行的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有的石墨雙極板的基礎(chǔ)上，提供一種表面處理方法，運用該方法處理的石墨雙極板不會出現(xiàn)串氣現(xiàn)象，且導(dǎo)電性不會比處理前有所降低，并且在孔道中的表面上會形成憎水趨勢。
本發(fā)明提供的石墨雙極板的表面處理方法，其具體步驟為1、先將未經(jīng)表面處理的碳板按照設(shè)計要求，在其上加工用于物料傳輸?shù)牧鞯馈？刹捎脵C械加工、線切割、電火花等加工方法。
2、將其與電極接觸的表面(即相鄰兩流道之間的脊部表面)保護起來。可以采用膠帶封、蠟封等方法。
3、向流道中通入化學溶液，或直接將此石墨板置于化學溶液中進行浸漬。該化學溶液應(yīng)為有機憎水溶液，如聚四氟乙烯的乙醇溶液、或某些有機硅溶液；浸漬時間與所用溶液的濃度成反比，即溶液濃度愈小，浸漬時間愈長；也可通過適當提高浸漬溫度來減少浸漬時間。也可采用多次浸漬的方法。
4、除掉對脊部表面的保護。
5、將石墨板置于馬福爐中進行熱處理。溫度一般控制在100～180℃之間，最高不應(yīng)超過200℃；時間一般控制在一個小時以內(nèi)；如溫度過高，時間過長，會引起石墨本身性質(zhì)發(fā)生變化。
在上面所述的步驟2中，也可以對與電極接觸的表面(即相鄰兩流道之間的脊部表面)不進行保護；直接進行步驟3、4、5；6、將處理完的石墨板的與電極接觸的表面(即相鄰兩流道之間的脊部表面)磨掉一層?？梢杂蒙拜?、砂紙或刨光等辦法。
經(jīng)過上述步驟處理的石墨極板便可以使用了。


下列附圖是關(guān)于本發(fā)明的一些具體化實例，它們可以解釋本發(fā)明的原理；圖1a為經(jīng)過表面處理的石墨雙極板的示意圖。
圖1b為經(jīng)過表面處理的石墨雙極板的局部放大圖。
圖2為采用該表面處理方法的石墨板所組裝的電池的放電性能圖。
圖3為采用該表面處理方法的石墨板所組裝的電池的壽命性能圖。
具體實施例方式
在附圖1a和1b中，1是石墨雙極板，2是與電極接觸的表面(即所說的相鄰兩流道之間的脊部表面)，3就是用于物料傳輸?shù)牧鞯馈Ｔ趫D1b的局部放大圖中，可以清楚地看到經(jīng)過表面技術(shù)處理后，在流道的底部和兩個側(cè)面上都形成了薄層，該薄層是由有機憎水物質(zhì)組成；實際上，在浸漬的過程中有一部分物質(zhì)已經(jīng)進入到了石墨板的孔道的表面以下，并形成了較致密的一層。
石墨板的具體處理步驟如下先用機械加工的方法將石墨板加工成為流道深為0.8mm、寬為1.2mm，脊部寬為0.8mm的流場形狀；將脊部保護好后，置于重量百分比為20％的聚四氟乙烯乙醇溶液中，放置不少于24小時，可適當加溫；除掉保護，放入馬福爐中進行熱處理，180℃下1小時，取出后，待用。
將上述處理后的石墨板與事先準備好的膜電極(采用涂抹法)一起組裝成電池。所測得的電池放電性能曲線見圖3，電池的壽命曲線見圖4。
電池的操作條件如下電池溫度25℃；甲醇濃度1mol/L；甲醇流量0.3L/h；氧化劑環(huán)境的空氣本發(fā)明具有如下效果1.雙極板的集流主要發(fā)生在雙極板與電極相接觸的表面上，經(jīng)過該技術(shù)處理的石墨雙極板由于在與電極接觸的表面上(即相鄰兩流道之間的脊部)并未受到浸漬的影響。因此，并不影響其集流效果。
2.在物料傳輸過程中，由于物料傳輸?shù)牧鞯辣砻娑加幸粚咏?jīng)過處理的致密層，阻止了氣體向石墨板內(nèi)部傳遞的趨勢，有效的防止了串氣現(xiàn)象。
3.由于在流道表面進行了憎水處理，使得液態(tài)水不易在其上面聚集，使得多余的水能夠及時的排出電池，提高了電池運行的穩(wěn)定性。
本發(fā)明適用于采用石墨板作為雙極板的質(zhì)子交換膜燃料電池和直接醇類燃料電池。
與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)比較例1、美國專利4339322介紹了一種用導(dǎo)電性石墨與熱塑性含氟聚合物按照一定比例混合制得雙極板的方法。該方法制得的雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和耐腐蝕性。但未考慮在實際運行過程中水的排出問題。
2、中國專利申請?zhí)?2132327.5中燃料電池用雙極板及其制造方法是導(dǎo)電性材料在由酚醛清漆型酚醛樹脂或者酚二環(huán)戊二烯樹脂和具有至少2個乙烯性不飽和雙鍵的化合物的加成交聯(lián)反應(yīng)固化物中分散而成的。同樣也未考慮在運行過程中水的排出問題。
3、中國專利申請?zhí)?1144972.1公開了一種聚合物膜燃料電池的復(fù)合層雙極板及其制造方法。該雙極板特征在于整體結(jié)構(gòu)由石墨蠕蟲構(gòu)成，在其外表面是聚吡咯或聚苯胺膜層，在板壁石墨蠕蟲層中間摻和聚吡咯或者是聚苯胺網(wǎng)絡(luò)層，或者是在板壁石墨蠕蟲層中間夾附著金屬薄板。以10～80MPa壓力下成型，在板壁石墨蠕蟲內(nèi)部電合成法制成聚吡咯或聚苯胺網(wǎng)絡(luò)層。該發(fā)明的復(fù)合層雙極板耐腐蝕、重量輕、導(dǎo)電性能好、制造成本低。在集流與流道內(nèi)其不同作用的區(qū)域并未分別進行處理。
權(quán)利要求
1.一種石墨雙極板的表面處理方法，其主要步驟為a)在未經(jīng)表面處理的石墨板上加工出用于物料傳輸?shù)牧鞯溃籦)將石墨板與電極接觸的表面保護起來；c)向流道中通入有機憎水溶液進行浸漬，浸漬時間在12-72小時；d)除掉對脊部表面的保護；e)將石墨板進行熱處理，熱處理溫度為100～180℃，熱處理時間為0.5-2小時；f)將處理完的石墨板與電極接觸的表面磨掉一層。
2.一種石墨雙極板的表面處理方法，其主要步驟為A)在未經(jīng)表面處理的石墨板上加工出用于物料傳輸?shù)牧鞯?；B)向流道中通入有機憎水溶液進行浸漬，浸漬時間在12-72小時；C)將石墨板進行熱處理，熱處理溫度為100～180℃，熱處理時間為0.5-2小時；D)將處理完的石墨板與電極接觸的表面磨掉一層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的處理方法，其特征在于，在石墨板上采用機械加工、線切割、電火花方法加工流道。
4.如權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于，石墨板與電極接觸表面采用膠帶、蠟封方法保護。
5.如權(quán)利要求1或2所述的處理方法，其特征在于，所述有機憎水溶液為聚四氟乙烯的乙醇溶液或有機硅溶液。
6.如權(quán)利要求1或2所述的處理方法，其特征在于，將石墨板置于有機憎水溶液中進行浸漬。
7.如權(quán)利要求1、2或6所述的處理方法，其特征在于，浸漬溫度為20-50℃
8.如權(quán)利要求1所述的處理方法，其特征在于，石墨板與電極接觸的表面采用砂輪、砂紙或刨光方法磨掉一層。
全文摘要
一種石墨雙極板的表面處理方法，先將未處理的石墨板加工出物料傳輸?shù)牧鞯?；將其與電極接觸的表面(即相鄰兩流道之間的脊部表面)保護起來；用有機憎水溶液對石墨板浸漬；除掉對脊部表面的保護；將石墨板進行熱處理，溫度為100～180℃；時間為一個小時以內(nèi)；將處理完的石墨板的與電極接觸的表面(即相鄰兩流道之間的脊部表面)磨掉一層。
文檔編號H01M4/96GK1632974SQ200310121179
公開日2005年6月29日 申請日期2003年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月22日
發(fā)明者孫公權(quán), 趙鋼, 劉建國, 陳利康, 趙鋒良, 楊少華 申請人:中國科學院大連化學物理研究所