本發(fā)明屬于燃料電池流場(chǎng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種高孔隙率多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)的性能與電池內(nèi)水的積聚有關(guān)，當(dāng)水量增多并伴有膜降解的時(shí)候，電池的性能迅速降低，因此在水管理不好的情況下，將導(dǎo)致電池內(nèi)水狀態(tài)的不平衡及電池性能的降低。所以確保pem電池中各部分水量平衡十分關(guān)鍵，否則將直接影響燃料電池的使用壽命。

控制水平衡的方法有：選擇合適的膜材料、對(duì)膜電極和電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)反應(yīng)氣的進(jìn)氣濕度等。其中通過(guò)對(duì)電極結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),可以有利于電池內(nèi)多余水的排出,避免發(fā)生陰極水淹的現(xiàn)象。除此之外，對(duì)雙極板的材質(zhì)及表面進(jìn)行改進(jìn)也可達(dá)到保存或分配水分的目的。例如，shelekhin提出在雙極板兩側(cè)的流道上鋪設(shè)親水條,該親水條由惰性親水材料,如濾紙、玻璃纖維組成,電池工作時(shí)陰極側(cè)的親水條均勻吸收并貯存多余水分,電池缺水時(shí)親水條中貯存的水可補(bǔ)給膜電極(shelekhinab,bushnellcl,pienms.air-cooled,hydrogen-airfuelcell[p].u.s.patent:5972530,1999.)。adalhart采用在雙極板流場(chǎng)面上沉積親水性硅凝膠、高比表面積的礬士或它們的混合物來(lái)使雙極板流場(chǎng)側(cè)表面親水,貯存水分(adlhart.fuelcellsystemutilizingionexchangemembranesandbipolarplates[p].u.s.patent:4175165,1979.)。koncar等人在此研究基礎(chǔ)上對(duì)流場(chǎng)材料進(jìn)行改進(jìn),把親水無(wú)機(jī)氧化物微粒與石墨粉、樹(shù)脂混合沖壓成型,來(lái)實(shí)現(xiàn)雙極板流道側(cè)的親水性(koncargj,marianowshilg.protonexchangemembranefuelcellseparatorplate[p].u.s.patent:5942347,1999.)。

多孔碳材料作為一種多孔性的碳結(jié)構(gòu)，是以碳為基礎(chǔ)骨架，伴隨著相互貫通或者封閉的孔道結(jié)構(gòu)形成的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)材料。多孔碳因具有超高的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、低密度、高電導(dǎo)率、良好的化學(xué)及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)在大分子吸附、燃料電池、電催化、儲(chǔ)氫、雙電層電容等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近期karthikeyan等將多孔碳材料填充到雙極板流場(chǎng)脊部位置實(shí)現(xiàn)了pemfc功率密度和電流密度的有效提高，他們認(rèn)為這有賴于多孔碳能夠通過(guò)毛細(xì)作用有效地將流道表面積累的多余水分吸收(karthikeyanp,vasanthrj,muthukumarm.experimentalinvestigationonuniformandzigzagpositionedporousinsertsontheribsurfaceofcathodeflowchannelforperformanceenhancementinpemfc[j].internationaljournalofhydrogenenergy,2015,40(13):4641-4648.)。但是這種方法步驟繁瑣，對(duì)燒結(jié)溫度和氣氛要求較高，不利于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種高孔隙率多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種高孔隙率多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)為燃料電池雙極板的流道內(nèi)填充具有高孔隙率的多孔碳結(jié)構(gòu)；其中，多孔碳的孔隙率為50％-90％。所述多孔碳填充至雙極板的流道內(nèi)，添加量為任意，一般為流道體積的10-100％，通常將多孔碳填滿流道磨平即可。

在燃料電池雙極板的流道內(nèi)填充具有高孔隙率的多孔碳結(jié)構(gòu)，用多孔碳作為親水層替代空氣以增強(qiáng)雙極板的水管理能力。

所述多孔碳為：

1)稱取粗細(xì)碳纖維和熱塑性酚醛樹(shù)脂并混合均勻，作為碳源前驅(qū)體，其中，熱塑性酚醛樹(shù)脂和粗細(xì)碳纖維的質(zhì)量比為1％-5％；

2)向步驟1)制備的前驅(qū)體中加入水和乙醇的混合液，使體系混合均勻，而后50-200℃下恒溫?zé)Y(jié)，即得到50％-90％孔隙率的多孔碳。

所述粗細(xì)碳纖維為按重量比為1:10-1:2的粗碳纖維和細(xì)碳纖維混合；其中，細(xì)碳纖維為50-500目碳纖維粉，粗碳纖維為1mm-10mm短切碳纖維。

一種高孔隙率多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的制備方法：

1)稱取粗細(xì)碳纖維和熱塑性酚醛樹(shù)脂并混合均勻，作為碳源前驅(qū)體，其中，熱塑性酚醛樹(shù)脂和粗細(xì)碳纖維的質(zhì)量比為1％-5％；

2)向步驟1)制備的前驅(qū)體中加入水和乙醇的混合液，使體系混合均勻；

3)將步驟2)的混合體捏成泥狀填入雙極板的流道之內(nèi)，而后于50-200℃下恒溫?zé)Y(jié)5-30分鐘；

4)將步驟3)燒制好的雙極板取出置于室溫下冷卻，得到高孔隙率多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

所述粗細(xì)碳纖維為按重量比為1:10-1:2的粗碳纖維和細(xì)碳纖維混合；其中，細(xì)碳纖維為50-500目碳纖維粉，粗碳纖維為1mm-10mm短切碳纖維。

所述雙極板的流場(chǎng)材質(zhì)采用石墨、不銹鋼或鈦材料。

本發(fā)明特點(diǎn)如下：

1.本發(fā)明新的燃料電池流場(chǎng)處理方法，其在于在燃料電池流道內(nèi)填充具有高孔隙率的多孔碳結(jié)構(gòu)，利用多孔碳優(yōu)良的浸潤(rùn)性增強(qiáng)燃料電池雙極板的水管理能力。

2.相比常規(guī)多孔碳結(jié)構(gòu)的制備方法，本發(fā)明提供的多孔碳結(jié)構(gòu)的制備方法更快捷、條件更溫和，實(shí)驗(yàn)條件的選擇也更靈活。具體包括：1)直接以碳纖維為碳源，以酚醛樹(shù)脂作為交聯(lián)劑，低溫條件下快速制備優(yōu)良浸潤(rùn)性的多孔碳結(jié)構(gòu)；2)利用乙醇、去離子水、粗細(xì)碳纖維相結(jié)合的方法增大多孔碳的孔隙率。

3.本發(fā)明所使用的設(shè)備簡(jiǎn)單，合成材料均為常用的化工原料，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單、快捷、條件溫和，適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的多孔碳的微觀結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的多孔碳的微觀結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明將多孔碳填充于燃料電池雙極板流道之內(nèi)以增強(qiáng)其水管理能力，在多孔碳的制備在其利用了酚醛樹(shù)脂凝膠化階段低溫、短時(shí)間下即制備出具有良好浸潤(rùn)性、高強(qiáng)度、高孔隙率的多孔碳結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明利用酚醛樹(shù)脂凝膠化階段制備出具有良好浸潤(rùn)性、高強(qiáng)度、高孔隙率的多孔碳結(jié)構(gòu)，并將多孔碳填充于燃料電池雙極板流道之內(nèi)以增強(qiáng)其水管理能力。相比常規(guī)多孔碳結(jié)構(gòu)的制備方法，本發(fā)明提供的方法更快捷、條件更溫和，實(shí)驗(yàn)條件的選擇也更靈活。具體包括：1)直接以碳纖維為碳源，以酚醛樹(shù)脂作為交聯(lián)劑，低溫條件下快速制備優(yōu)良浸潤(rùn)性的多孔碳結(jié)構(gòu)；2)利用乙醇、去離子水、粗細(xì)碳纖維相結(jié)合的方法增大多孔碳的孔隙率。本發(fā)明所使用的設(shè)備簡(jiǎn)單，合成材料均為常用的化工原料，成本低，制備工藝簡(jiǎn)單、快捷、條件溫和，適用于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

以下將通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

以下實(shí)施例中，所用試劑如下所示：碳纖維由上?？鼗た萍加邢薰举?gòu)買，酚醛樹(shù)脂、乙醇均由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買。

多孔碳微觀形貌由掃描電子顯微鏡(sem，hitachi－s4800，加速電壓一般為10kv)表征測(cè)得。

實(shí)施例1

稱取300目碳纖維粉2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.07g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀，將其切成大小一致的0.5cm³的正方體之后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳，待用，所得多孔碳孔隙率為54％。

實(shí)施例2

稱取300目碳纖維粉2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.05g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀，將其切成大小一致的0.5cm³的正方體之后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳，以備后用；其所得多孔碳孔隙率是56％，隨酚醛樹(shù)脂含量減小而升高。

實(shí)施例3

稱取300目碳纖維粉2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.03g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀，將其切成大小一致的0.5cm³的正方體之后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳(參見(jiàn)圖1)，以備后用；由圖1可見(jiàn)所得多孔碳孔道清晰可見(jiàn),孔隙率為60％。

實(shí)施例4

稱取300目碳纖維粉2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.05g，3mm碳纖維0.4g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀，將其切成0.5cm³的正方體之后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳(參見(jiàn)圖2)，待用。

由圖2可見(jiàn)所得多孔碳出現(xiàn)更大孔徑的孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙率為68％。

實(shí)施例5

稱取300目碳纖維粉2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.05g，3mm碳纖維0.6g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀，將其切成0.5cm³的正方體之后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳，以備后用；其所得多孔碳孔隙率提高，為74％。

實(shí)施例6

稱取300目碳纖維粉2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.05g，3mm碳纖維0.8g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀，將其切成0.5cm³的正方體之后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳，以備后用；其所得多孔碳孔隙率進(jìn)一步提高，為80％。

通過(guò)吸滲法對(duì)上述獲得的多孔碳的孔隙率進(jìn)行測(cè)試：

多孔材料的孔隙率是孔隙在材料的總體積中所占的分?jǐn)?shù)。這一參數(shù)通常用φ表示：

其中vp是有效孔隙體積，v0是總體積。

吸滲法：由于多孔材料表面疏松的多孔結(jié)構(gòu)使它們很容易吸滲水。

在這樣的情況下，如果在真空下,一塊多孔碳沉沒(méi)在水中,經(jīng)過(guò)一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間之后,其孔隙空間會(huì)全部為水所充滿,此時(shí)飽和水樣品的質(zhì)量為：

m＝m0+ρwvp公式(2)

其中m0是樣品的干質(zhì)量，ρw是水的密度，因此得到有效孔隙體積：

繼而有：

由以上所述方法，得到表1對(duì)實(shí)施例1-6的孔隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1

每個(gè)實(shí)施例的統(tǒng)計(jì)次數(shù)在5次以上。

如表1所示，所述多孔碳孔隙率隨酚醛樹(shù)脂含量的降低會(huì)逐漸提升，而粗碳纖維的加入則顯著提高了多孔碳的孔隙率；但酚醛樹(shù)脂的含量不能過(guò)低，否則會(huì)引起多孔碳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，容易坍塌；過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致孔道堵塞，孔隙率降低。粗碳纖維含量過(guò)高也會(huì)引起多孔碳結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

實(shí)施例7

稱取碳纖維2g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.05g，3mm碳纖維0.8g，用研缽混合均勻，加入1ml去離子水、1ml乙醇之后用研缽研成泥狀并均勻涂抹至鈦雙極板流場(chǎng)流道之內(nèi)，然后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，待用。

實(shí)施例8

稱取碳纖維10g，熱塑性酚醛樹(shù)脂0.25g，3mm碳纖維4g，用研缽混合均勻，加入5ml去離子水、5ml乙醇之后用研缽研成泥狀并均勻涂抹至鈦雙極板流場(chǎng)流道之內(nèi)，然后置于150℃烘箱里燒制15分鐘，之后取出置于室溫下冷卻，即得多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖3)，待用。

由圖3的光學(xué)圖可見(jiàn)多孔碳結(jié)構(gòu)均勻填充于流場(chǎng)流道內(nèi)，且強(qiáng)度堅(jiān)固、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

利用本發(fā)明多孔碳填充的燃料電池流場(chǎng)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的親水特性，可有效通過(guò)毛細(xì)作用吸收流道表面積累的多余水分，排出電池內(nèi)多余水,避免發(fā)生陰極水淹的現(xiàn)象。另外因?yàn)槎嗫滋嫉母唠妼?dǎo)率也不會(huì)引起電池內(nèi)阻的增大。同時(shí)采用本發(fā)明適用于所有流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說(shuō)明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開(kāi)的內(nèi)容。