專利名稱：一種調(diào)控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)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(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)被認(rèn)為是繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動力系統(tǒng)。目前，對于千瓦級PEMFC電堆，主要采用外增濕輔助系統(tǒng)對進(jìn)入PEMFC的反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕處理來保持質(zhì)子交換膜的含水量，這種增濕方法非常有效，可以根據(jù)PEMFC的輸出功率來調(diào)整增濕的水量。然而，這些外增濕輔助系統(tǒng)使得整個發(fā)電系統(tǒng)變得復(fù)雜，增加了系統(tǒng)成本、重量和體積，當(dāng)PEMFC應(yīng)用于電動汽車作為動力源時，增加了電堆組裝的復(fù)雜程度。所以，研究無外增濕輔助系統(tǒng)的自增濕燃料電池，對推動燃料電池的商業(yè)化具有重要研究意義和應(yīng)用價值。綜觀國內(nèi)外各種自增濕技術(shù)，對雙極板設(shè)計(jì)新的流場結(jié)構(gòu)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(shù)。但是上述增濕方法大多是利用陰極反應(yīng)生成的一部分水，增濕量有限，可能還需要借助外增濕系統(tǒng)。為了提高增濕量和使增濕量可以調(diào)控，美國聯(lián)合技術(shù)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(nèi)的水可以通過多孔雙極板運(yùn)輸進(jìn)入氣體流場來達(dá)到增濕目的，因此，該多孔雙極板也被稱為“水運(yùn)輸板”。他們采用該多孔雙極板來對PEMFC進(jìn)行水管理進(jìn)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(xì)制備工藝不得而知，估計(jì)仍然依托對傳統(tǒng)的價格昂貴的機(jī)加工石墨板的改性，石墨板的氣體流場需要機(jī)械加工導(dǎo)致其價格高昂，這也是阻礙燃料電池商業(yè)化的障礙之一。美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)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(xué)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(nèi)可以保存液態(tài)水形成液封，避免反應(yīng)氣體進(jìn)入到冷卻水流道內(nèi)形成互滲。無機(jī)膠凝材料如水泥，其水化硬化后的孔尺寸和親水性應(yīng)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(fù)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(xiàng)授權(quán)權(quán)利(ZL200410013350. 8，一種質(zhì)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(fù)合材料雙極板及其制備方法)。前期研究表明，通過導(dǎo)電填料石墨合理的顆粒級配，當(dāng)復(fù)合材料中石墨的體積百分比為60%時，可以制備出電導(dǎo)率和力學(xué)強(qiáng)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(fā)揮該雙極板的內(nèi)增濕功能，如何調(diào)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(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種調(diào)控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法，該方法可調(diào)控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是一種調(diào)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(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)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(jī)內(nèi)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(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)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(fā)揮水泥基雙極板的增濕功能，本發(fā)明采用兩種不同尺寸的石墨作為導(dǎo)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(diào)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(tài)水形成液封，避免反應(yīng)氣體進(jìn)入到冷卻水流道內(nèi)形成互滲，另一方面通過該孔可以運(yùn)輸水給質(zhì)子交換膜增濕，有效地發(fā)揮增濕功能。本發(fā)明與現(xiàn)有的方法比較具有如下的優(yōu)點(diǎn)
I)采用本發(fā)明方法可以很好地控制所制備的雙極板內(nèi)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(fā)明方法除可以在多孔雙極板制備上應(yīng)用外，還可以應(yīng)用于其他水泥基制品制備，來控制其內(nèi)部孔尺寸。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例I :
研磨并篩分石墨導(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)行充分干混；將混合好的石墨與高鋁酸鹽水泥在球磨機(jī)內(nèi)干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?0分鐘；水泥與去離子水的重量比為I :0. 2 ;在精密壓機(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)品)。其(產(chǎn)品)比表面積分析儀測試結(jié)果如表I。
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實(shí)施例2:
研磨并篩分石墨導(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)行充分干混；將混合好的石墨與高鋁酸鹽水泥在球磨機(jī)內(nèi)干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?0分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 3 ;在精密壓機(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)品)。其(產(chǎn)品)比表面積分析儀測試結(jié)果如表I。實(shí)施例3
研磨并篩分石墨導(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)行充分干混；將混合好的石墨與硅酸鹽水泥在球磨機(jī)內(nèi)干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?0分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 4 ;在精密壓機(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)品)。其(產(chǎn)品)比表面積分析儀測試結(jié)果如表I。實(shí)施例4:
研磨并篩分石墨導(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)行充分干混；將混合好的石墨與硅酸鹽水泥在球磨機(jī)內(nèi)干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?20分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 4 ;在精密壓機(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)品)。其比表面積分析儀測試結(jié)果如表I。實(shí)施例5:
研磨并篩分石墨導(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)行充分干混；將混合好的石墨與硫鋁酸鹽水泥在球磨機(jī)內(nèi)干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?0分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 4 ;在精密壓機(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)品)。其比表面積分析儀測試結(jié)果如表I。實(shí)施例6:
研磨并篩分石墨導(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)行充分干混；將混合好的石墨與硫鋁酸鹽水泥在球磨機(jī)內(nèi)干混，石墨與水泥的重量比為6:4 ;加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?0分鐘；水泥與水的重量比為I :0. 3 ;在精密壓機(jī)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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板(產(chǎn)品)。其比表面積分析儀測試結(jié)果如表I。表I,各實(shí)施例雙極板產(chǎn)品的比表面積分析儀測試結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種調(diào)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(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)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(jù)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(jìn)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(jī)內(nèi)干混，混合好的石墨與水泥的重量比為6:4;加水?dāng)嚢枳屗喑厮?0 - 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(yǎng)I天，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種調(diào)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(fā)明涉及一種調(diào)控水泥基雙極板的孔尺寸和孔隙率的方法。一種調(diào)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(dǎo)電填料，得到兩種不同尺寸的石墨導(dǎo)電填料；2)根據(jù)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(jī)內(nèi)干混，混合好的石墨與水泥的重量比為6:4；加去離子水?dāng)嚢枳屗喑厮?0－120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(yǎng)，得到具有不同孔徑和孔隙率的水泥基雙極板。本發(fā)明方法可以很好地控制所制備的雙極板內(nèi)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(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者沈春暉, 鄧凱 申請人:武漢理工大學(xué)