水傳輸板在一體式可再生質子交換膜燃料電池中的應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一體式可再生燃料電池技術領域，屬于一體式可再生燃料電池親水多孔雙極板的制備方法，具體為一種一體式可再生質子交換膜燃料電池用水傳輸板及其制備方法。
【背景技術】
[0002]燃料電池以其高能量密度和少污染，有希望將來代替化石能源成為主流。一體式可再生質子交換膜燃料電池是在同一系統中既可以實現燃料功能，又可以實現水電解功能的儲能和供電系統，具有能量密度高、使用壽命長、無自放電、無放電深度及電池容量限制等優點，是極有希望在空間、軍事及備用電源領域替代傳統二次電池的儲能系統。在燃料電池工作模式下，陰極會產生水，生成水必須從電池排出，否則會造成陰極側的水淹，影響氣體的傳輸。而氫離子從陽極電遷移到陰極會帶走一部分水分子，必然會造成陽極側的干燥，所以必須向電池的陽極側提供補充水，補充水的量將能保持陽極側催化劑和質子交換膜處于潤濕狀態。因此，保證電池內增濕和排水的平衡具有重要的意義。通常質子交換膜燃料電池采用復雜的動態排水和增濕輔助系統分別進行排水和增濕來實現水的管理，而在水電解池工作模式下，陽極還需要額外采用循環水泵進行動態供水。這些輔助系統不僅增加了電池的重量、體積和復雜性，且容易降低電池操作過程中的穩定性。因此研究如何簡化系統的增濕、排水和供水設計，具有重要的意義。
[0003]美國專利【US 6833207B2】在一體式可再生燃料電池堆中設置兩種不同結構的流場。水電解流場板在水電解模式下為電解水以及產生氫氣和氧氣提供流道，在燃料電池模式下起到預熱和增濕氣體作用；燃料電池流場板在燃料電池模式下提供原料氫氣和氧氣流道，在水電解模式下提供電解水通道。兩種模式之間可以進行快速切換，保障兩種模式下的高效運行。但使用兩套流場板容易造成系統成本增加，其不利于降低系統質量比功率和體積比功率。
[0004]奧地利專利【389020】描述了一種燃料電池疊置結構，陰陽兩側的多孔雙極板孔徑大小不同，在靠近陽極側孔徑更小板厚度更薄，有助于將陰極側排出的水吸到陽極側用于增濕。但是該雙極板設計僅針對燃料電池運行模式特點，若在水電解池工作模式下，容易造成陽極(對應燃料電池工作模式下的陰極)缺水，因而無法滿足再生燃料電池需求。此外，該方法中板元件不是按均勻尺寸制造的，在同一板上制備梯度孔徑比較困難。
[0005]UTC公司申請的“水傳輸板及其使用方法”發明專利【CN 11794280】將導電石墨粉，增強碳纖維，纖維質纖維(軟木漿)，熱固性樹脂和溶劑混合均勻后噴涂在篩網上，經真空干燥去篩網，滾壓卷曲，多層疊壓，高溫石墨化，孔內親水化處理等過程得到多孔碳水傳輸板。這種方法制備所得的水傳輸板雖然具有良好的氣泡壓力、透水性、平面電阻率和抗壓屈服強度，但是制備過程需要進行高溫碳化，碳化后石墨板質地較脆，不利于電池組裝。
[0006]CN 102181878A提出了一種靜態供水質子交換膜電解水裝置。該裝置采用質子交換膜為透水阻氣膜，直接將低壓水電解成高壓的氫氣和氧氣，節省了氣體增壓裝置；并且電解產生的氫氣和氧氣含水量較低，節省了復雜的水氣分離裝置。但是質子交換膜的水通量有限，極大地限制了高電流密度條件下的電解池性能。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種制備一體式可再生質子交換膜燃料電池用水傳輸板的方法，保證組裝后的一體式可再生質子交換膜燃料電池可以在燃料電池模式和水電解模式下穩定工作，并顯著提高其性能。
[0008]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:
[0009]I)將碳材料置于濃硫酸和濃硝酸的混合溶液中攪拌處理使其親水化，其中濃硫酸的質量分數為70% -98%，濃硝酸的質量分數為65% -98%，濃硫酸和濃硝酸的體積比為1-5，親水處理時間為l_24h，處理溫度為20-50°C。
[0010]2)親水性水傳輸板由親水碳材料、導電添加劑、增強纖維和粘結性樹脂混合均勻后用模具熱壓而成，其中親水碳材料、導電添加劑、增強纖維和粘結劑樹脂的比例為5-40wt%:40-80wt%:5-15wt%: 10_20wt%，熱壓壓力為 1-lOMPa,溫度為 100-250°C，時間為10_60min。
[0011]3)將親水性水傳輸板應用于一體式可再生質子交換膜燃料電池系統中不僅可以有效緩解燃料電池工作模式下的缺水和水淹情況，提高燃料電池性能，而且可以在電解池工作模式下，直接利用冷卻水實現靜態供水，降低陽極濃差極化現象，提升高電密下的電解性能，簡化系統并降低能耗。
[0012]所述親水碳材料為碳材料為碳粉、石墨粉、乙炔黑、碳納米管和石墨烯中的一種或兩種以上的混合物，其粒徑為30-300nm。
[0013]所述導電添加劑為石墨粉、碳粉、碳納米管或石墨烯中的一種或兩種以上的混合物，其粒徑為10-150 μ m。。
[0014]所述增強纖維為碳纖維或石墨纖維，直徑為1-25 μ m，長徑比為10_50。
[0015]所述的粘結劑樹脂為聚乙烯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚醚砜、熱塑性酚醛樹脂、聚苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、脲醛樹脂、熱固性酚醛樹脂和三聚氰胺-甲醛樹脂中的一種或兩種以上的混合物。
[0016]本發明的特點主要體現在:
[0017]1.本發明制備的親水性水傳輸板無需經過碳化和石墨化過程，制備的水傳輸板韌性好，利于電解池的組裝；
[0018]2.本發明用處理的碳材料作為親水填充劑，可有效降低板和擴散層的接觸電阻；
[0019]3.本發明用親水碳材料在水傳輸板中形成親水孔，有利于導水阻氣；
[0020]4.本發明制備的水傳輸板具有良好的透水、阻氣、電導率特性，將水傳輸板與膜電極組裝成一體式可再生質子交換膜燃料電池后，水傳輸板一側直接與電池的冷卻水接觸，不僅可以有效緩解燃料電池工作模式下的缺水和水淹情況，提高燃料電池性能，而且可以在電解池工作模式下，直接利用冷卻水實現靜態供水，降低陽極濃差極化現象，提升高電密下的電