專利名稱：一種具有阻氣導水功能的石棉-石墨復合板的制備方法
技術領域：
本發明涉及質子交換膜燃料電池，具體地說是一種具備良好導電性、阻氣導水性石棉-石墨復合板的制備方法，
背景技術：
質子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cells, PEMFCs)是一種將化學反應自由能通過電極-電解質系統直接轉換為電能的裝置，不僅具有一般燃料電池的特點，如高效、環境友好、噪音低、可靠性高等，同時還具有可在室溫快速啟動、無電解液流失、壽命長、比功率與比能量密度高等突出的優點。水管理是PEMFC技術的一個重要方面，其包括去除陰極的產物水以及質子交換膜增濕。現有的技術通常是采用分水器和增濕器進行水管理，這些輔助的水管理系統使得整個燃料電池系統較為復雜，增加了系統成本、重量和體積，不利于燃料電池的推廣應用。電池運轉過程中，在陰極上電化學反應生成的水要及時排出去，否則會發生水淹，導致電池性能衰減。當以空氣為氧化劑時，未參與反應的氮氣會帶走大部分生成水；而以氧氣為氧化劑時，生成水卻難以排出。所以，利用陰極氣室和冷卻循環水水腔之間的壓力差，將陰極氣室內的生成水導至水腔中，再由冷卻循環水導至電池體外，實現排水，是一種較好的解決方案。國際燃料電池有限責任公司(W099/66577)根據毛細現象的原理，將陰極流場板制作成充水的多孔結構。在燃料電池工作過程中，陰極的產物水通過多孔板遷移到循環水偵牝同時多孔板也可以供水以維持質子交換膜的濕潤。石墨粉末、纖維質纖維、增強纖維和熱固性樹脂混合成漿料，攤鋪成薄片后多片壓制，最后石墨化成形，制成導水雙極板。缺點是工藝較為復雜，成本比較昂貴。柔性石墨是一種軟質、疏松多孔的新型石墨材料，由天然鱗片石墨經插層反應和高溫膨化后壓制而成的。其除了具備天然石墨本身的耐腐蝕能力和良好的導電導熱性能以夕卜，還具有天然石墨所沒有的柔軟、回彈性、低端應力松弛率以及低成本等優點。柔性石墨板已經被成功應用于燃料電池的雙極板(CN101381244A，CN171965A)，通過向柔性石墨灌注樹脂以填充孔隙和增強機械強度，達到阻氣以及保持良好電導率的目的。但是這些柔性石墨雙極板的孔隙已經被全部填充滿，并且雙極板表面憎水，無法實現導水的目的。石棉是指具有高抗張強度、高撓性、耐化學和熱侵蝕、電絕緣和具有可紡性的硅酸鹽類礦物產品。石棉的成分為氧化鎂和氧化硅，其由纖維束組成，而纖維束又由很長很細的能相互分離的纖維組成。石棉具有高度耐火性、電絕緣性和絕熱性，是重要的防火、絕緣和保溫材料。石棉膜是由石棉纖維，經輕度打漿，加入膠料和填料(最多可達15% )，在造紙機或濕抄機上抄造而成，有時配加部分木漿，并用浙青或樹脂浸潰，以提高強度。石棉膜的孔徑為百納米級(平均孔徑在70 90納米間)，氣體穿透壓(泡點壓力)大于1.0MPa,是一種優異的多孔隔膜材料，已經被成功的應用于堿性燃料電池內和PEMFC的靜態排水裝置中。
發明內容
本發明利用柔性石墨板的導電性和石棉膜的導水功能以及阻氣功能，將石棉膜嵌入到柔性石墨板中，最終制備成石棉-石墨復合板，同時具有導電、導水和阻氣三種功能。一種石棉-石墨復合板的制備方法，將柔性石墨板預壓并打孔后，取形狀與石墨板所開孔相同、且尺寸等于或略大于石墨板上所開孔的石棉膜置于石墨板上所開孔內，石棉膜與石墨板上所開孔的內壁面間涂有粘合劑，用粘合劑將石棉膜粘貼在柔性石墨板上所開孔內，并將孔堵住，粘合劑固化后，模壓成型，獲得復合型柔性石墨板。該復合型柔性石墨板可作為質子交換膜燃料電池導水板。本發明將商品化的柔性石墨板預壓至一個中間厚度后打孔，將準備好的面積比所打的孔略大的石棉膜用粘合劑粘貼在柔性石墨板上，石棉膜能將孔蓋住。粘合劑固化后，將嵌有石棉膜的柔性石墨板進行模壓成型，得到石棉-石墨復合板。所述商品化柔性石墨板密度為0.15 1.3g/cm3,其厚度常為1.5 8mm。所述預壓到一個中間厚度，可以采用油壓機或輥壓機，壓制后的柔性石墨板預壓厚度為I 1.5_。所述的柔性石墨板上的打孔，打孔率為20% 30%，孔的形狀可以為圓形、多邊形、多角形中的一種或多種，孔面積為3 30平方毫米。所述的石棉膜的形狀與石墨板上打的孔相對應，可以為圓形、多邊形或多角形中的一種或多種，其面積為3 32平方毫米其厚度為0.2 1mm，孔隙率為50 % 85 %，平均孔半徑為90 20nm，穿透壓(泡點壓力)大于0.1MPa0所述的圓形石棉膜，其直徑為3 8mm。所述的粘合劑，需要采用液態樹脂作粘合劑，包括環氧樹脂或酚醛樹脂等。所述的復合型柔性石墨板，其厚度為0.9 1.2mm。本發明具有如下優點:1、功能復合型柔性石墨板和石棉膜均已成功應用于燃料電池，將兩種材料結合，利用柔性石墨板的導電性和石棉膜的導水性以及阻氣性，制備石棉-石墨復合板，應用于質子交換膜燃料電池，技術可靠。2、工藝簡單 將石棉紙嵌入柔性石墨板中，工藝過程為“預壓-打孔-粘貼-模壓成型”，操作方便，工藝簡單。3、成本低廉基體原料為已經商品化的柔性石墨板和石棉膜，原料和工藝成本均較為低廉，適于工業化推廣。
具體實施例方式實施例1厚度為3mm的商品化柔性石墨板,用油壓機預壓制Imm厚度,用打孔器打孔,孔徑為4mm,開孔率為20%。孔周圍涂抹環氧樹脂,用直徑為8_、厚度為0.4mm的圓形石棉膜，蓋住柔性石墨板的孔。室溫條件下使環氧樹脂固化后，再用油壓機將貼有石棉膜的柔性石墨板進行壓制，得石棉-石墨復合導水板。
權利要求
1.一種具有阻氣導水功能的石棉-石墨復合板的制備方法，可作為質子交換膜燃料電池導水板，其特征在于:將柔性石墨板預壓并打孔后，取形狀與石墨板所開孔相同、且尺寸等于或略大于石墨板上所開孔的石棉膜置于石墨板上所開孔內，石棉膜與石墨板上所開孔的內壁面間涂有粘合劑，用粘合劑將石棉膜粘貼在柔性石墨板上所開孔內，并將孔堵住，粘合劑固化后，模壓成型，獲得復合型柔性石墨板。
2.按照權利要求1所述的石棉-石墨復合板的制備方法，其特征在于:所述的柔性石墨板上的打孔，打孔率為20% 30%，孔的形狀可以為圓形、多邊形或多角形中的一種或多種，孔面積為3 30平方毫米。
3.按照權利要求1或2所述的石棉-石墨復合板的制備方法，其特征在于:所述的石棉膜的形狀與石墨板上打的孔相對應，可以為圓形、多邊形或多角形中的一種或多種，其面積為3 32平方毫米，厚度為0.2 1mm，孔隙率為50% 85%，平均孔半徑為20 90nm，泡點壓力大于0.1MPa0
4.按照權利要求1所述的石棉-石墨復合板的制備方法，其特征在于:柔性石墨板和石棉膜之間用粘合劑粘貼，采用液態樹脂作粘合劑，包括環氧樹脂或酚醛樹脂。
5.按照權利要求1所述的石棉-石墨復合板的制備方法，其特征在于: 所述商品化柔性石墨板密度為0.15 1.3g/cm3,其厚度常為1.5 8mm ； 所述預壓到一個中間厚度，可以采用油壓機或輥壓機，壓制后的柔性石墨板預壓厚度為 1-1.5mm ； 所述模壓后的復合型柔性石墨板，其厚度為0.9 1.2mm。
全文摘要
本發明涉及一種石棉-石墨復合板的制備方法，具體的說是利用“預壓-打孔-粘貼-模壓成型”工藝，將石棉膜嵌入到柔性石墨板中，使其同時具備柔性石墨板的良好導電性和石棉膜阻氣導水性。本發明石棉-石墨復合板的制備方法具有工藝簡單、成本低廉以及技術可靠的特點。該復合板可用于質子交換膜燃料電池中。
文檔編號H01M8/02GK103151545SQ20111040227
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者周利, 邵志剛, 衣寶廉, 郭明鋼, 付磊 申請人:中國科學院大連化學物理研究所