一种燃料电池用双极板及其表面分区域疏水处理方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用双极板及其表面分区域疏水处理方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种绿色能源转化装置，是一种将燃料的化学能转化为电能的发电技术，不仅可以应用于未来的汽车动力电源，也可作为高可靠性的后备电源以及分布式发电装置，引起了能源工作者的极大关注。具有高能量转化效率且无污染的燃料电池技术能够解决当前能源短缺和环境污染问题，是贯彻落实可持续发展战略的重要举措。
3.由阳极板、膜电极和阴极板组成的燃料电池最小零件单元（单电池）的输出电压一般为0.6
‑
0.85v。实际使用时，通常将多个单电池串联以获得较高的电压和功率，由单电池叠加集成构成了商用燃料电池电堆。双极板是燃料电池电堆的重要零部件，主要起到支撑膜电极并提供氢气、氧气及冷却液流道，还能够收集、传导电化学反应过程产生的电流、热量。此外，燃料电池产生的水也需要通过双极板的气体流道排出。但燃料电池的双极板自身表面疏水性较差，使得水以水珠的形式堆积在气体流道内，不仅会加速双极板的腐蚀从而增加双极板内阻，严重时还会增加气阻发生水淹，进而导致气体无法快速流通，使电堆性能发生不可逆的衰减。为了改善双极板气体流道的排水能力，一般在双极板流道表面进行疏水处理。
4.双极板表面分为流道内壁、槽底和流道肩。现有技术中，对双极板表面进行疏水处理时，一般采用将双极板浸泡在疏水溶液中的方式，浸泡前，需要对流道肩（脊部）进行表面保护，浸泡完后还需要磨掉流道肩（脊部）表面一层。参见公开号为cn1632974a的中国发明专利所述。然而，现有的这种浸泡疏水处理方式存在工艺复杂的问题；并且，不能完全避免对流道肩的疏水处理，仍然存在气体扩散层与流道肩接触的部位接触阻抗较大问题，进而增大燃料电池的内阻，降低燃料电池的输出效率。
5.因此，如果设计一种简单的、低成本的分区域疏水处理方式来避免双极板疏水处理过程中对流道肩的疏水处理，具有十分重要的意义。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用成本低、且能避免流道肩被疏水处理的双极板表面分区域疏水处理方法。
7.为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
8.一种燃料电池用双极板表面分区域疏水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：1）用薄膜及弹性层或直接用与疏水溶液静态接触角大于90度的特种弹性层封住双极板的流道槽口，所述薄膜或所述特种弹性层覆盖所述双极板的流道肩并与之压紧贴合；2）将疏水溶液加压灌注于经步骤1）处理的所述双极板的流道内，使所述疏水溶液与流道内壁及槽底充分接触；3）将步骤 2）中经过所述疏水溶液浸渍的所述双极板取下，进行干燥及高温烧结
处理，得到所述流道内壁及槽底具有疏水性能、所述流道肩无疏水性能的表面分区双极板。
9.更为优选的是，所述薄膜或所述特种弹性层与所述双极板的流道肩压紧贴合是通过在所述弹性层或所述特种弹性层上方压力压合刚性层来实现的。
10.更为优选的是，所述疏水溶液加压灌注于所述双极板的流道内是通过压力泵来实现的，所述压力泵的功率可调。
11.更为优选的是，每完成一片所述双极板的表面疏水处理后，更换所述薄膜继续进行下一片双极板的表面疏水处理。
12.当使用特种弹性层来封住所述双极板的流道槽口时，每完成一片所述双极板的表面疏水处理后，无需更换所述特种弹性层。
13.更为优选的是，在步骤1）中，所述薄膜为塑料薄膜、胶粘剂薄膜、橡胶薄膜中的一种；所述弹性层为橡胶层、海绵层、乳胶层或高聚物层。
14.更为优选的是，在步骤2）中，所述疏水溶液为eptfe的醇溶液，所述醇为甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、丙三醇的一种或几种按任意比例的混合物。
15.更为优选的是，在步骤2）中，所述疏水溶液由带温控功能的调浆桶供应，在所述调浆桶上设有搅拌装置、粘度检测计、溶剂添加口、溶液添加口和疏水溶液输出口；所述搅拌装置和所述粘度检测计均位于所述搅拌桶内，且所述粘度检测计靠近所述疏水溶液输出口设置、用来检测输出的疏水溶液粘度；所述调浆桶与所述双极板的流道组成循环回路，所述双极板浸渍完成后多余的所述疏水溶液回流至所述调浆桶内；实际工作时，通过调节溶剂的补充量及调浆桶的温度控制所述疏水溶液的输出粘度。
16.更为优选的是，灌注于所述双极板流道内的所述疏水溶液的质量分数为5
‑
30%，粘度为0.2
‑
2pa
•
s，流速为0.01
‑
0.1m/s，处理时间0.5
‑
2h。
17.更为优选的是，在步骤3）中，所述高温烧结处理的温度为300
‑
400℃，烧结时间为10
‑
40min。
18.一种燃料电池用双极板，其特征在于，它为利用如上所述的双极板表面分区域疏水处理方法制得的表面分区双极板。
19.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果。
20.一、利用薄膜或特种弹性层封住双极板的流道槽口、并覆盖双极板流道肩后，再进行疏水处理；简单地实现了双极板分区域疏水处理的目的，使得气体扩散层与双极板的流道肩接触的部位接触阻抗减小，进而减小燃料电池的内阻，提高燃料电池的输出效率。
21.二、由于使用低成本的一次性薄膜以及与疏水溶液的静态接触角大于90度的永久性特种弹性层，每处理一片双极板更换薄膜或特种弹性层即可，无需额外的表面保护和后期的磨削处理，疏水处理方法简单，成本低廉，尤其适用于快速批量处理，在燃料电池双极板领域适合推广应用。
附图说明
22.图1为本发明的双极板前处理示意图。
23.图2为本发明的双极板表面分区域疏水处理方法示意图。
24.附图标记说明。
25.1―刚性层，2―弹性层，3―薄膜，4―流道内壁及槽底，5―流道肩，6―双极板，7―
压力泵，8―调浆桶，9―搅拌装置，10―粘度检测计，11―溶剂添加口，12―溶液添加口，13―底部出口。
具体实施方式
26.在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向
”ꢀ
、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
27.在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征
ꢀ“
之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
28.下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
30.一种燃料电池用双极板表面分区域疏水处理方法，其基本原理包括如下步骤：第一步、使用一层薄膜及弹性层覆盖于未进行疏水处理的双极板表面，双极板的流道肩与薄膜接触；或者，使用与eptfe的静态接触角大于90度的特种弹性层覆盖于未进行疏水处理的双极板表面；然后通过弹性层上方压力压合的刚性层实现双极板与覆盖层的紧密贴合。第二步、通过施加压力将混合均匀的eptfe溶液灌注于双极板的流道内使eptfe溶液与流道内壁充分接触，经过干燥、高温烧结固化即可完成流道内壁表面的疏水处理。第三步、卸载压力更换薄膜或特种弹性层继续进行下一片双极板的疏水处理。
31.与现有技术相比，本发明使用的低成本一次性薄膜或与eptfe溶液的静态接触角大于90度的永久性特种弹性层来遮盖双极板的流道肩，使得在对双极板进行疏水处理时，避免流道肩部位被疏水化，从而避免出现流道肩接触阻抗大的问题，确保燃料电池的输出效率。并且，每处理一片双极板更换薄膜或特种弹性层即可，无需额外的表面保护和后期的磨削处理，疏水处理方法简单，成本低廉，尤其适用于快速批量处理，在燃料电池双极板领域适合推广应用。
32.实施例1。
33.结合图1、图2所示，一种燃料电池用双极板表面分区域疏水处理方法，其包括以下步骤。
34.1）将一层塑料薄膜3覆盖于双极板6表面，使塑料薄膜3与双极板6的流道肩5接触。
35.2）在塑料薄膜3上方放置弹性层2和刚性层1，通过1kpa的压力实现双极板6与覆盖层的紧密贴合。显然，这里的压力大小是根据实际需要进行选择的，只要确保双极板6与覆
盖层紧密贴合即可。
36.3）通过压力泵7将质量分数为15%的eptfe乙醇溶液泵入双极板6的流道内，通过调节新溶剂的补充量及控制调浆桶8的温度、将eptfe调浆桶8底部出口13处的粘度控制在0.5pa
·
s，流速为0.02m3/s。
37.4）经过1h疏水处理后卸载压力，将双极板6干燥，在300℃下烧结30min即可完成流道内壁及槽底4的疏水化处理。
38.处理完一片双极板6后，更换一次性塑料薄膜3后即可对下一片双极板进行分区域疏水处理。
39.本实施例中，在所述调浆桶8上设有搅拌装置9、粘度检测计10、溶剂添加口11和溶液添加口12；所述搅拌装置9和所述粘度检测计10均位于所述搅拌桶8内，且所述粘度检测计10靠近所述底部出口13设置、用来检测输出的疏水溶液粘度。实际工作时，通过溶剂添加口11调节溶剂的补充量，通过温控装置控制调浆桶8的温度，进而实现eptfe乙醇溶液的输出粘度的控制。至于溶剂补充量具体调孔装置和调控方法、以及调浆桶温控装置的具体调控结构设计及调控方法均为本领域技术人员所掌握的普通技术知识，这里不再详细赘述。
40.特别地，在本实施例中，所述调浆桶8与所述双极板6的流道组成循环回路，所述双极板浸渍完成后多余的所述疏水溶液回流至所述调浆桶内；这样，可以实现疏水溶液的循环利用，节约成本。
41.另外，在本实施例中，所述弹性层2优选为橡胶层。显然，本领域技术人员根据实际需要的不同，还可以采用海绵层、乳胶层或其他高聚物层代替橡胶层。
42.实施例2。
43.一种燃料电池用双极板表面分区域疏水处理方法，其包括以下步骤。
44.1）将与eptfe溶液的静态接触角大于90度的特种弹性层覆盖于双极板表面，使弹性层与双极板的流道肩接触。
45.2）在弹性层上方放置刚性层，通过1kpa的压力实现双极板与覆盖层的紧密贴合。
46.3）通过压力泵将质量分数为5%的eptfe异丙醇溶液泵入双极板流道内，通过调节新溶剂的补充量及温度控制装置将eptfe调浆桶底部出口处的粘度控制在1pa
·
s，流速为0.01m3/s。
47.4）经过2h疏水处理后卸载压力，将双极板干燥，在350℃下烧结20min。无需更换弹性层即可对下一片双极板进行分区域疏水处理。
48.实施例3。
49.一种燃料电池用双极板表面分区域疏水处理方法，其包括以下步骤。
50.1）将一层胶粘剂薄膜覆盖于双极板表面，使胶粘剂薄膜与双极板的流道肩接触。
51.2）在胶粘剂薄膜上方放置弹性层、并在弹性层上方放置刚性层，通过1kpa的压力压紧刚性层实现双极板与胶粘剂薄膜的紧密贴合。
52.3）通过压力泵将质量分数为5%的eptfe甲醇溶液泵入双极板流道内，通过调节新溶剂的补充量及温度控制装置将eptfe调浆桶底部出口处的粘度控制在0.2pa
·
s，流速为0.1m3/s。
53.4）经过2h疏水处理后卸载压力，将双极板干燥，在400℃下烧结10min。即可完成对双极板的流道内壁及槽底的疏水化处理。
54.处理完一片双极板后，更换一次性胶粘剂薄膜后即可对下一片双极板进行分区域疏水处理。
55.实施例4。
56.一种燃料电池用双极板表面分区域疏水处理方法，其包括以下步骤。
57.1）将一层橡胶薄膜覆盖于双极板表面，使橡胶薄膜与双极板的流道肩接触。
58.2）在橡胶薄膜上方放置弹性层、并在弹性层上方放置刚性层，通过1kpa的压力压紧刚性层实现双极板与橡胶薄膜的紧密贴合。
59.3）通过压力泵将质量分数为30%的eptfe异丙醇和甲醇溶液泵入双极板流道内，通过调节新溶剂的补充量及温度控制装置将eptfe调浆桶底部出口处的粘度控制在2pa
·
s，流速为0.01m3/s。
60.4）经过0.5h疏水处理后卸载压力，将双极板干燥，在300℃下烧结40min。即可完成对双极板的流道内壁及槽底的疏水化处理。
61.处理完一片双极板后，更换一次性橡胶薄膜后即可对下一片双极板进行分区域疏水处理。
62.经实验验证，利用本发明实施例1
‑
实施例4制得的表面分区双极板均可实现流道内壁及槽底的疏水化、而避免流道肩被疏水化，使得气体扩散层与双极板的流道肩接触的部位接触阻抗减小，进而减小燃料电池的内阻，有效提高燃料电池的输出效率。
63.需要说明的是，疏水化处理时所用到的疏水溶液不局限于以上各实施例举例的eptfe醇溶液；显然，根据实际需要的不同，本领域技术人员还可以采用现有已知的或将来能够实现的其他疏水溶液代替eptfe醇溶液；不限于以上实施例。
64.通过上述原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。
65.名词解释：eptfe，膨体聚四氟乙烯；英文名expanded poly tetra fluoroethylene。