專利名稱：一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法
技術領域：
本發明涉及一種質子交換膜燃料電池用水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率控制方法。
背景技術：
質子交換膜燃料電池(PEMFC)被認為是繼蒸汽機和內燃機之后的第三代動力系統。目前，對于千瓦級PEMFC電堆，主要采用外增濕輔助系統對進入PEMFC的反應氣體進行增濕處理來保持質子交換膜的含水量，這種增濕方法非常有效，可以根據PEMFC的輸出功率來調整增濕的水量。然而，這些外增濕輔助系統使得整個發電系統變得復雜，增加了系統成本、重量和體積，當PEMFC應用于電動汽車作為動力源時，增加了電堆組裝的復雜程度。所以，研究無外增濕輔助系統的自增濕燃料電池，對推動燃料電池的商業化具有重要研究意義和應用價值。綜觀國內外各種自增濕技術，對雙極板設計新的流場結構和對雙極板材料改性來完成對膜的增濕也許是一個行之有效的自增濕技術。但是上述增濕方法大多是利用陰極反應生成的一部分水，增濕量有限，可能還需要借助外增濕系統。為了提高增濕量和使增濕量可以調控，美國聯合技術動力公司(UTC Power)率先提出采用多孔雙極板來組裝PEMFC電堆，兩塊雙極板之間冷卻流道內的水可以通過多孔雙極板運輸進入氣體流場來達到增濕目的，因此，該多孔雙極板也被稱為“水運輸板”。他們采用該多孔雙極板來對PEMFC進行水管理進行了一些研究工作，收到了很好的效果。但是該多孔雙極板的詳細制備工藝不得而知，估計仍然依托對傳統的價格昂貴的機加工石墨板的改性，石墨板的氣體流場需要機械加工導致其價格高昂，這也是阻礙燃料電池商業化的障礙之一。美國勞倫斯伯克力國家實驗室(LBNL)與美國UTC Power共同撰文提出多孔雙極板在PEMFC電堆中能正常工作，首先它必須具備基本的符合燃料電池使用要求的電、熱和力學性能；另外它必須具備合適的孔尺寸(幾十個納米至幾百個納米)和親水性，這樣孔內可以保存液態水形成液封，避免反應氣體進入到冷卻水流道內形成互滲。無機膠凝材料如水泥，其水化硬化后的孔尺寸和親水性應該能滿足該多孔雙極板的要求，因此，最近幾年，申請者以水泥作為膠凝材料，與石墨復合通過模壓的方法制作了多種PEMFC用多孔親水水泥基雙極板，并獲得兩項授權權利(ZL200410013350. 8，一種質子交換膜燃料電池用雙極板及其制備方法；ZL200710052158. 3，一種地聚合物基復合材料雙極板及其制備方法)。前期研究表明，通過導電填料石墨合理的顆粒級配，當復合材料中石墨的體積百分比為60%時，可以制備出電導率和力學強度都符合燃料電池使用要求的多孔親水雙極板，但是為了有效發揮該雙極板的內增濕功能，如何調控該多孔親水水泥基雙極板的孔徑和孔隙率，是亟待解決的一個關鍵問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法，該方法可調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率。為了實現上述目的，本發明所采取的技術方案是一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是包括如下步驟
1)研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑為 90 μ m,小尺寸石墨直徑為25 μ m ;
2)根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混，得到混合好的石墨；
3)將混合好的石墨與水泥在球磨機內干混，混合好的石墨與水泥的重量比為6:4;加水(去離子水)攪拌讓水泥常溫水化30—120分鐘，得到混合物；其中水泥與水(去離子水)的重量比為I 0. 2 — O. 4 ；
4)在精密壓機上，對上述混合物采用模具模壓成型，得到制品，模壓壓力10-15MPa，模壓時間10—30分鐘；
5)制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。所述的水泥為硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥或高鋁酸鹽水泥。為了有效發揮水泥基雙極板的增濕功能，本發明采用兩種不同尺寸的石墨作為導電填料來制備水泥基雙極板，通過控制水與水泥的比例以及模壓壓力、模壓時間來調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率。一般情況下，隨著水泥與水的重量比的增加，雙極板中孔的尺寸以及孔隙率將增加；隨著模壓壓力和模壓時間的增加，雙極板中孔的尺寸以及孔隙率將減小。合適的配比與制備條件可以獲得合適的孔尺寸和孔隙率，具有這樣孔尺寸的雙極板，一方面親水孔可以保存液態水形成液封，避免反應氣體進入到冷卻水流道內形成互滲，另一方面通過該孔可以運輸水給質子交換膜增濕，有效地發揮增濕功能。本發明與現有的方法比較具有如下的優點
I)采用本發明方法可以很好地控制所制備的雙極板內孔的尺寸以及孔隙率的大小，孔直徑為幾十個納米至幾百個納米，孔隙率7V%-15V%。2)本發明方法除可以在多孔雙極板制備上應用外，還可以應用于其他水泥基制品制備，來控制其內部孔尺寸。
具體實施例方式為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。實施例I :
研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑為90 μ m,小尺寸石墨直徑為25 μ m ;根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混；將混合好的石墨與高鋁酸鹽水泥在球磨機內干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水攪拌讓水泥常溫水化30分鐘；水泥與去離子水的重量比為I :0. 2 ;在精密壓機上，對上述混合物采用合適模具模壓成型得到制品，模壓壓力lOMPa，模壓時間10分鐘；制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。其(產品)比表面積分析儀測試結果如表I。
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實施例2:
研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑為90 P m,小尺寸石墨直徑為25 μ m ;根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1,分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混；將混合好的石墨與高鋁酸鹽水泥在球磨機內干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水攪拌讓水泥常溫水化60分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 3 ;在精密壓機上，對上述混合物采用合適模具模壓成型得到制品，模壓壓力13MPa，模壓時間15分鐘；制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。其(產品)比表面積分析儀測試結果如表I。實施例3
研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑約為90 μ m,小尺寸石墨直徑約為25 μ m ;根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混；將混合好的石墨與硅酸鹽水泥在球磨機內干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水攪拌讓水泥常溫水化90分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 4 ;在精密壓機上，對上述混合物采用合適模具模壓成型得到制品，模壓壓力lOMPa，模壓時間10分鐘；制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。其(產品)比表面積分析儀測試結果如表I。實施例4:
研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑約為90 μ m,小尺寸石墨直徑約為25 μ m ;根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混；將混合好的石墨與硅酸鹽水泥在球磨機內干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水攪拌讓水泥常溫水化120分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 4 ;在精密壓機上，對上述混合物采用合適模具模壓成型得到制品，模壓壓力15MPa，模壓時間20分鐘；制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。其比表面積分析儀測試結果如表I。實施例5:
研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑約為90 μ m,小尺寸石墨直徑約為25 μ m ;根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混；將混合好的石墨與硫鋁酸鹽水泥在球磨機內干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水攪拌讓水泥常溫水化90分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 4 ;在精密壓機上，對上述混合物采用合適模具模壓成型得到制品，模壓壓力12MPa，模壓時間30分鐘；制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。其比表面積分析儀測試結果如表I。實施例6:
研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑約為90 μ m,小尺寸石墨直徑約為25 μ m ;根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行充分干混；將混合好的石墨與硫鋁酸鹽水泥在球磨機內干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水攪拌讓水泥常溫水化90分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 3 ;在精密壓機上，對上述混合物采用合適模具模壓成型得到制品，模壓壓力lOMPa，模壓時間20分鐘；在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產品)。其比表面積分析儀測試結果如表I。表I,各實施例雙極板產品的比表面積分析儀測試結果
權利要求
1.一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是包括如下步驟1)研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料，大尺寸石墨直徑為90 μ m,小尺寸石墨直徑為25 μ m ;2)根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，分別稱量兩種不同尺寸的石墨并進行干混，得到混合好的石墨；3)將混合好的石墨與水泥在球磨機內干混，混合好的石墨與水泥的重量比為6:4;加水攪拌讓水泥常溫水化30 - 120分鐘，得到混合物；其中水泥與水的重量比為I :0. 2 —O.4 ；4)對上述混合物采用模具模壓成型，得到制品，模壓壓力10-15MPa，模壓時間10— 30分鐘；5)制品在90%的相對濕度條件下保養I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板。
2.根據權利要求I所述的一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是所述的水泥為硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥或高鋁酸鹽水泥。
全文摘要
本發明涉及一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法。一種調控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法，其特征是包括如下步驟1)研磨并篩分石墨導電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導電填料；2)根據大尺寸石墨與小尺寸石墨的重量比為4:1，干混；3)將混合好的石墨與水泥在球磨機內干混，混合好的石墨與水泥的重量比為6:4；加去離子水攪拌讓水泥常溫水化30－120分鐘；其中水泥與水的重量比為10.2－0.4；4)模壓成型，模壓壓力10-15MPa，模壓時間10－30分鐘；5)保養，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板。本發明方法可以很好地控制所制備的雙極板內孔的尺寸以及孔隙率的大小，孔直徑為幾十個納米至幾百個納米，孔隙率7V%-15V%。
文檔編號H01M8/10GK102938466SQ201210422708
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者沈春暉, 鄧凱 申請人:武漢理工大學