[发明专利]一种亲水多孔石墨水传输板的制备方法及其水传输板

说明书

本发明公开了一种亲水多孔石墨水传输板的制备方法及其水传输板，该方法是将经过预处理的硬质多孔石墨板置于电辅助沉积前驱液中，用电辅助沉积法在其孔内沉积一层均匀的亲水层。将该亲水化处理的多孔石墨板用作固体聚合物电解质燃料电池水传输板具有良好的透水、阻气、电导率和抗压强度等特性，并可以有效地缓解电池缺水和水淹情况，提高电池性能和稳定性。本发明的水传输板制作过程中亲水氧化物的沉积量可控。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，属于燃料电池多孔双极板的制备方法，具体为一种质子交换膜燃料电池用石墨多孔亲水板及其制备方法。

背景技术

燃料电池以其高能量密度和少污染，有希望将来代替化石能源发电方式成为主流。而PEMFC具有室温启动快、无电解液流失、噪声低等优点，具有作为移动电源、各种便携式电源及不间断电源的潜力。在PEMFC运行过程中，阴极会产生水，生成水必须从电池排出，否则会造成阴极侧的水淹，影响气体的传输。而氢离子从阳极电迁移到阴极会带走一部分水分子，必然会造成阳极侧的干燥，必须向电池的阳极侧提供补充水，补充水的量将能保持阳极侧催化剂和质子交换膜处于润湿状态。所以保证电池内增湿和排水的平衡具有重要的意义。通常PEMFC采用外部辅助增湿系统对电池气体进行增湿，但辅助系统增加了电池的重量、体积和复杂性。对于水淹，研究者们通常用脉冲吹扫、提高化学计量比等方法进行排水，但是此策略会导致严重的附加损失，使得燃料电池系统更加复杂。通常PEMFC采用复杂的动态排水和增湿辅助系统分别进行排水和增湿来实现水的管理，但辅助系统增加了电池的重量、体积和复杂性，且容易降低电池操作过程中的稳定性。因此研究如何简化系统的增湿和排水设计，具有重要的意义。

美国Institute of Gas Technology单位的Konar等人【US 5942347】把亲水无机氧化物微粒与石墨粉、树脂混合模压成型，来实现双极板流道侧亲水，亲水物质吸收阴极生成水对不饱和气体进行增湿。武汉理工大学【CN 1004546450】使用高铝酸盐水泥作为粘结剂和导电填充物石墨进行模压形成多孔石墨板，因高铝酸盐分解形成亲水物质使石墨板内含有凝胶毛细孔，且通过调节水压可以达到增湿和排水的水平衡。UTC公司申请的“水传输板及其使用方法”发明专利【CN 11794280】将导电石墨粉，增强碳纤维，纤维质纤维(软木浆)，热固性树脂和溶剂混合均匀后喷涂在筛网上，经真空干燥去筛网，滚压卷曲，多层叠压，高温石墨化过程，孔内亲水化处理后得到多孔石墨板。这种方法制备所得的水传输板虽然具有良好的气泡压力、透水性、平面电阻率和抗压屈服强度，但是制备过程需要2000℃以上的高温进行石墨化处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种电辅助沉积法制备燃料电池用亲水多孔石墨水传输板，保证其具有良好的透水、阻气、电导率和抗压强度等特性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种亲水多孔石墨水传输板的制备方法包括以下步骤：

(1)将多孔石墨板作为工作电极置于电辅助沉积前驱液中，用电辅助沉积法在多孔石墨板孔内沉积一层亲水薄膜；

(2)将上述亲水化处理的板高温焙烧后即得亲水多孔石墨水传输板。

步骤(1)所述电辅助沉积前驱液的配制方法为：在亲水物质前驱体中加入电解质溶液，并用酸溶液调节pH为2-6。上述的前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、钛酸丁酯其中的一种或二种以上，前驱体的浓度为0.1-1mol/L；电解质溶液为NaCl溶液、NaNO₃溶液、KCl溶液、KNO₃溶液中的一种或二种以上，电解质溶液中上述溶质的总浓度为0.05-0.5mol/L；酸溶液为盐酸、硫酸、高氯酸溶液中的一种或多种，酸溶液中上述三种酸的总的浓度为0.01-1mol/L。

步骤(1)所述的多孔石墨板孔径为0.1-20μm。

步骤(1)所述的电辅助沉积法为恒电压法、恒电流法、脉冲电压沉积、脉冲电流沉积的一种。