[发明专利]具有防渗漏和疏水性能的燃料电池流场板以及专用浸渍剂、浸渍方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体来说是燃料电池的石墨流场板。

背景技术

燃料电池是一种直接将化学能转化成电能的发电装置，该装置发电时对环境友好，可以完全实现零排放、噪音低，且发电效率高、功率密度高、启动快，应用广泛。基于这些优点，燃料电池越来越受到国内外政府能源部的大力支持。其中质子交换膜燃料电池的发展情况尤其受到各个领域的研究和应用。

质子交换膜燃料电池中的电堆由多个单片电池串联而成，在每一个单电池单体中，均由两块气体流场板和流场板中间的膜电极(MEA)组成。其中每一个单电池的阳极则与相邻单电池的阴极紧贴在一起；或者是同一流场板的两面都雕刻有气体流过的流场，其中一面为阳极，另一面为阴极。

质子交换膜燃料电池中使用的燃料气体为氢气，由于氢气分子直径小，且氢气又是在一定压力下在流场板中流动，所以氢气表现出很强的渗透能力，故选做流场板的材料应该是致密、气体不易渗透的材料。质子交换膜燃料电池的流场板绝大多数以石墨碳板为原材经加工而成。由于受石墨碳板的生产烧结工艺条件影响，导致生产出的石墨碳板内部有许多孔径在5-10μm的微孔，且空隙率高达18％-32％；而氢气分子动力学直径仅仅为0.289nm，所以石墨碳板内的孔径对于氢气来说就像一个巨大的通道，这样会直接导致阳极使用的燃料气体或者阴极使用的氧气互串，造成燃料电池内部氢气和氧气的直接反应，轻者产生很大的热量而将MEA烧坏，重者则导致燃烧。因此，燃料电池所采用的烧结出来的石墨流场板必须经过浸渍处理，用浸渍剂填充内部孔隙。

又因为质子交换膜燃料电池在工作的时候阴极有水生成，且有的燃料电池系统中使用的气体可能经过加湿处理，导致流场板内有大量水的存在，如果水不能及时排出，则容易导致MEA的水淹，这种情况对燃料电池性能有很大的影响。因此对流场板表面疏水处理也显得尤为重要。

目前的碳板浸渍处理工艺中，浸渍剂为煤焦油、沥青、油、油脂、石蜡、无机盐和有机试剂等，均能对材料内部孔隙起到很好的填充效果，能达到防止气体串气的功能。但对于燃料电池来说，由于这些浸渍剂的自身特性，浸渍后有的可能会释放一定的有毒有气体，有的甚至会有有机油脂物质渗出来，有的浸渍剂中还存在一些金属离子，会对燃料电池的MEA性能产生非常大的影响。

PTFE(聚四氟乙烯)乳液成分比较简单，加热固化后形成一种性能优良的塑料树脂，不会产生有毒气体或有机油脂物，也不含金属离子，目前多用作抗粘材料，例如不粘锅的涂层。

发明内容

针对燃料电池的流场板存在的气体渗透和防水问题，本发明的目的在于提供一种新型的燃料电池流场板，这种流场板兼具良好的防渗漏和疏水性能，且不存在有害物质。

本发明采用如下技术方案：一种具有防渗漏和疏水性能的燃料电池流场板，包括流场板基体，所述的流场板基体经过PTFE乳液浸渍。

本发明还提供了一种流场板专用浸渍剂，其特征在于所述浸渍剂为PTFE乳液。

所述浸渍用的PTFE乳液，可以采用质量百分含量为5～90的乳液，优选60％，含量太高渗透性能差，不利于浸渍时向流场板内部渗透，太低浸渍效果不好需要反复浸渍，增加浸渍处理时间的工作量。

另外，本发明还提供了一种流场板的浸渍处理方法：

(1)用丙酮等有机溶剂和水清洗雕刻有流道的流场板，清洗完后进行烘干处理；

(2)将已冷却的流场板用PTFE乳液浸渍；

(3)将浸渍后的石墨流场板表面进行擦拭，将檫拭过的石墨流场板进行加热处理，使PTFE塑化。

根据浸渍的情况，还可以至少重复一次上述步骤(2)和(3)的操作过程，以使浸渍均匀、充分。

所述的步骤(1)中的烘干过程，可以在烘箱中进行，在50～200℃条件下保温。

为了提高浸渍过程中浸渍剂向流场板渗透的速率以及流场板内外浸渍的均匀性，比较理想的是采用真空浸渍，即在真空状态下浸渍，以减少孔隙内空气阻力，具体可以采用如下过程进行操作：①将已冷却的流场板放入浸渍罐内，将浸渍罐抽真空到0.001～0.05MPa；②将PTFE乳液通过浸渍管上的进料阀门和管道向浸渍罐内进料，直到PTFE乳液高出流场板，关闭进料阀门，继续抽真空，使储料罐内保持真空状一定时间。

为提高浸渍效果，还可以进一步地包括一个加压过程③，即在步骤②完成后，启动空气压缩机，向浸渍罐内加压，以促进浸渍剂的渗透。采用抽真空与加压两步方式，可以提高浸渍效率和质量。