[发明专利]一种质子膜燃料电池用流场板及其制备方法

说明书

本发明公开了一种质子膜燃料电池用流场板及其制备方法。其中，所述流场板主要由碳纤维纱、碳素粉料和树脂以拉挤工艺制得。本发明制得的流场板具有易成型、成本低、比重小、质量及精度高、导电及导热性能优异、机械强度高、不易开裂、耐腐蚀性好的特点，满足于质子膜燃料电池对流场板的技术需求，有利于质子膜燃料电池在市场上商业化推广。

技术领域：

本发明涉及质子膜燃料电池，具体是一种质子膜燃料电池用的流场板，以及该流场板的制备方法。

背景技术：

质子膜燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。从节约能源和保护生态环境的角度而言，质子膜燃料电池是最有发展前途的发电技术。

流场板作为质子膜燃料电池的氢电极板/氧电极板，是质子膜燃料电池的重要组成部分。在质子膜燃料电池中，流场板的作用主要在于提供气体分配和收集电流，且能够适应于质子膜燃料电池在PH2～3酸度、80～100％相对湿度工况环境下有一定电势。基于此，流场板应具有优异的导电性、导热性、一定的机械强度、良好的化学稳定性和耐气体渗透性，除此之外，为了促进质子膜燃料电池的商业化，流场板还需要满足于高的体积比功率和相对低的制造成本。因此，开发一种高性能、低成本的流场板成了行业内共同关注的技术课题。

目前，质子膜燃料电池常用的流场板有纯石墨板结构、金属板结构和复合板结构三种类型。其中，相较于纯石墨板结构和金属板结构的流场板，复合板结构的流场板可以同时克服石墨板结构的难成型、高成本、以及金属板结构的耐腐蚀性差等技术问题，是质子膜燃料电池用的流场板的公认最佳选择。

市场上常见的复合结构流场板是以膨胀石墨(或石墨粉)和树脂复合而成的。

其中，膨胀石墨和树脂复合的制备工艺是，先将膨胀石墨预压制成一定厚度的流场板初品；再真空浸渍或喷洒树脂；然后用溶剂清洗表面树脂；最后烘干固化成型得到流场板。此类流场板具有比重轻的特点，但是其精度较差。

石墨粉和树脂复合的制备工艺是，采用传统的辊压、模压、注射等一种或多种组合的生产工艺成型。由于此类复合板的高导电性和导热性需要有高的石墨粉含量，高气密性和机械强度则要求有高的树脂含量，面临石墨粉和树脂配比难平衡的技术矛盾。一般情况下，此类复合板的导电填料含量不低于75％，如此高的填料含量致使其工艺成型性并不好，整个工艺连续化程度不高，虽然此类复合板的比重较纯石墨板有所降低，但降低不多。

除此之外，也有很多文献报道采用碳纤维布和树脂制备复合结构流场板的。此类复合结构流场板虽然具有小的比重和高的强度，但其导电性较差，且其表面粗糙度较高，较难满足于质子膜燃料电池对流场板的技术需求。

发明内容：

本发明的技术目的在于：针对上述质子膜燃料电池的特殊性和现有技术的不足，提供一种易成型、成本低、比重小、质量及精度高、导电及导热性能优异、机械强度高、耐腐蚀性好的流场板，以及该流场板的制备方法。

本发明的技术目的通过下述技术方案实现：一种质子膜燃料电池用流场板，所述流场板主要由碳纤维纱、碳素粉料和树脂以拉挤工艺制得。该技术措施以密度低、强度高、比重轻、耐腐蚀、价格低的碳纤维纱作为主要原料，在流场板的整体结构体系中，以碳纤维纱的纤维轴向形成连续相导电通路，以碳素粉料(石墨或碳黑)来增加碳纤维纱的纤维在横向方向上的导电通路，即碳纤维纱的横向方向导电通路由碳素粉料来协同，从而形成轴向和横向的完整导电网络，导电及导热性能优异；碳纤维纱与树脂具有较好的浸润性，在拉挤工艺作用下易于连续化的制造成型，制造成本低；以此制得的流场板具有易成型、成本低、比重小、质量及精度高、导电及导热性能优异、机械强度高、耐腐蚀性好的特点，满足于质子膜燃料电池对流场板的技术需求，有利于质子膜燃料电池的商业推广。

进一步的，所述碳纤维纱为连续无捻结构，所述碳纤维纱的碳含量为90～ 95％。再进一步的，所述碳纤维纱为12K、24K或36K的小丝束碳纤维纱。该技术措施的连续性好，导电性能优异，易于流场板连续化的制造成型。