[发明专利]一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池流场设计领域，具体涉及一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法。燃料电池流场结构为燃料电池双极板的流道内填充具有高孔隙率的多孔碳结构；其中，多孔碳的孔隙率为50％‑90％。本发明利用酚醛树脂凝胶化阶段制备出具有良好浸润性、高强度、高孔隙率的多孔碳结构，并将多孔碳填充于燃料电池双极板流道之内以增强其水管理能力。相比常规多孔碳结构的制备方法，本发明提供的方法更快捷、条件更温和，实验条件的选择也更灵活。本发明所使用的设备简单，合成材料均为常用的化工原料，成本低，制备工艺简单、快捷、条件温和，适用于大规模的工业生产。

技术领域

本发明属于燃料电池流场设计领域，具体涉及一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能与电池内水的积聚有关，当水量增多并伴有膜降解的时候，电池的性能迅速降低，因此在水管理不好的情况下，将导致电池内水状态的不平衡及电池性能的降低。所以确保PEM电池中各部分水量平衡十分关键，否则将直接影响燃料电池的使用寿命。

控制水平衡的方法有：选择合适的膜材料、对膜电极和电池结构进行优化设计、调节反应气的进气湿度等。其中通过对电极结构和流场结构的改进,可以有利于电池内多余水的排出,避免发生阴极水淹的现象。除此之外，对双极板的材质及表面进行改进也可达到保存或分配水分的目的。例如，Shelekhin提出在双极板两侧的流道上铺设亲水条,该亲水条由惰性亲水材料,如滤纸、玻璃纤维组成,电池工作时阴极侧的亲水条均匀吸收并贮存多余水分,电池缺水时亲水条中贮存的水可补给膜电极(Shelekhin A B,Bushnell C L,PienM S.Air-cooled,hydrogen-air fuel cell[P].U.S.Patent:5972530,1999.)。Adalhart采用在双极板流场面上沉积亲水性硅凝胶、高比表面积的矾士或它们的混合物来使双极板流场侧表面亲水,贮存水分(Adlhart.Fuel cell system utilizing ion exchangemembranes and bipolar plates[P].U.S.Patent:4175165,1979.)。Koncar等人在此研究基础上对流场材料进行改进,把亲水无机氧化物微粒与石墨粉、树脂混合冲压成型,来实现双极板流道侧的亲水性(Koncar G J,Marianowshi L G.Proton exchange membrane fuelcell separator plate[P].U.S.Patent:5942347,1999.)。

多孔碳材料作为一种多孔性的碳结构，是以碳为基础骨架，伴随着相互贯通或者封闭的孔道结构形成的网络状结构材料。多孔碳因具有超高的比表面积、发达的孔隙结构、低密度、高电导率、良好的化学及热稳定性等优点在大分子吸附、燃料电池、电催化、储氢、双电层电容等领域展现出广阔的应用前景。近期Karthikeyan等将多孔碳材料填充到双极板流场脊部位置实现了PEMFC功率密度和电流密度的有效提高，他们认为这有赖于多孔碳能够通过毛细作用有效地将流道表面积累的多余水分吸收(Karthikeyan P,Vasanth R J,Muthukumar M.Experimental investigation on uniform and zigzag positionedporous inserts on the rib surface of cathode flow channel for performanceenhancement in PEMFC[J].International Journal of Hydrogen Energy,2015,40(13):4641-4648.)。但是这种方法步骤繁琐，对烧结温度和气氛要求较高，不利于大规模工业应用。

发明内容

本发明的目的在于实现一种高孔隙率多孔碳填充的燃料电池流场结构及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：