水傳輸板及其使用方法技術

一種水傳輸板，它具有最佳的物理特性，從而大大地改善了燃料電池的工作，在一種最佳的制造方法中，石墨粉末、增強纖維、纖維質纖維和熱固性樹脂與一種液體混合，形成漿料并噴涂在篩網上，從而形成平整薄片（４），薄片經干燥形成紙。紙被切成需要的尺寸并且疊置。疊置結構（２）被加壓和加熱而層壓在一起，并且經碳化和石墨化處理形成水傳輸板，以便隨后按要求進行機加工。最終的水傳輸板呈現最佳的物理特性，其中包括氣泡壓力、透水性、中值孔隙尺寸、孔隙率、貫穿平面電阻率和抗壓屈服強度。（*該技術在2019年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及水傳輸板。更具體地講，本專利技術涉及。奧地利專利389020描述了一種氫離子交換薄膜燃料電池疊置結構，它利用一個小孔隙的水冷卻板組件來提供被動的冷卻劑和水管理控制。奧地利專利所描述的系統利用一個電池的陰極側和相鄰電池的陽極側之間的飽含水的小孔隙板組件，來冷卻電池并防止相鄰電池之間的反應物交換。小孔隙板組件還用于將生成水從離子交換薄膜的陰極側引出到冷卻水流中，并且使冷卻水流朝向離子交換薄膜的陽極側移動，以防止陽極干燥。生成水和冷卻水的優選的定向移動是通過水冷卻板組件形成為兩個部分而實現的，一個部分具有的孔隙尺寸將能保證陰極側形成的生成水被吸收到小孔隙板上并且通過毛細作用移動到冷卻板組件內的冷卻水通路網絡。冷卻板組件還包括第二板，它具有比第一板更小的孔隙結構，并能夠將水從冷卻水通路吸出且通過毛細作用使水流向陽極。每個組件中的小孔隙板和更小孔隙板上刻槽，從而形成冷卻劑通路網絡，并且在相鄰電池之間面對面地對準放置。更小孔隙板比小孔隙板更薄，使得冷卻水通路更靠近陽極而不是陰極。由于小孔隙板和更小孔隙板的質量控制要求，上述的用于解決離子交換薄膜燃料電池動力裝置中的水管理和電池冷卻的方案是難以實現的，而且由于板元件不是按均勻尺寸制造的，因此這種方案也是高成本的。在燃料電池技術中，水傳輸板是充水的多孔結構。在燃料電池工作過程中，水傳輸板局部地供給水以維持質子交換薄膜(PEM)的濕潤，使陰極處形成的生成水遷移，通過循環的冷卻水流使附帶產生的熱量遷移，使電池間導電，在電池之間提供氣體隔離，并且為使反應物流過電池提供通路。水傳輸板向燃料電池供給水，以補充因蒸發而損耗的水。由于水傳輸板形成工藝的制約，這些板制造成本高，并且其強度有限。例如，水傳輸板可以用干法成形工藝形成，其中石墨粉末和粉狀的酚醛樹脂被噴到一個模具上而形成一個層。此層被壓實形成0.100英寸厚的一個層，爾后此層被加熱直到酚醛樹脂熔化并且涂敷石墨粉末。隨后樹脂被固化，由此與石墨粉末結合形成復合體。雖然這是通常的水傳輸板形成工藝，但形成速度低，并且難以結合水傳輸板結構堅固性所需的較長纖維。在干法成形工藝的供料器中，較長的纖維趨向于變成纏繞的，由此在所形成的復合體中形成纖維束。這種纖維束與不均勻的纖維分布對應會在復合體中形成軟弱的區域，軟弱的區域容易導致結構故障。在纖維長度大于約1.0mm(約0.040英寸)時復合體結構堅固性最大，而干法成形工藝被限制為大約0.51mm(約0.02英寸)的纖維長度。因此，水傳輸板的技術條件容差是小的，并且制造困難，這導致產生許多報廢零件。此外，為了獲得整個燃料電池的最佳特性，水傳輸板的環境和工作參數必須細致地保證平衡。例如，諸如孔隙尺寸、電阻率、顆粒尺寸、樹脂含量和屈服強度之類的水傳輸板參數必須合適地選擇，以獲得燃料電池有效工作可以接受的氣泡壓力特性和透水性。考慮到以上情況，希望獲得一種改進的水傳輸板，其氣泡壓力和透水性特性對于燃料電池有效工作最佳地和適當地保持平衡。本專利技術總體上講是涉及新的。該水傳輸板可以按多種方法制造，但最好包括已形成為平整薄片的以下材料的混合物石墨粉末、增強纖維、纖維質纖維和熱固性樹脂。該水傳輸板可以由平整薄片形成，這些平整薄片已被切成多張基本薄片并且已被疊置、層壓在一起、而且經過了碳化和石墨化處理。本專利技術的水傳輸板可以是層壓結構，并且包括以下步驟將石墨粉末、增強纖維、纖維質纖維和熱固性樹脂與一種液體混合，形成漿料，用此漿料形成平整薄片。隨后從平整薄片中去除液體，并且將平整薄片切成多張基本薄片。對基本薄片進行疊置、層壓、碳化和石墨化處理，從而形成水傳輸板。本專利技術的水傳輸板還可以這樣制造將石墨粉末、增強纖維和纖維質纖維與一種液體混合，形成漿料，用此漿料形成平整薄片。從平整薄片中去除液體，形成干燥的薄片，薄片用熱固性樹脂浸漬。將浸漬的薄片切成多張基本薄片，并進行層壓、碳化和石墨化處理，從而形成水傳輸板。應當理解的是，本專利技術的水傳輸板可以按照多種不同的方法制造。但是，為了使燃料電池的工作和效率達到最佳，根據本專利技術，最終的水傳輸板要具有特定的優選特性和參數。本專利技術的水傳輸板最好具有以下特性貫穿平面電阻率(＠100 psi軸向負荷)為0.02Ω-cm，抗壓屈服強度為1050psi，中值孔隙尺寸為1.9微米，開孔孔隙率為40％(容積)。因此，本專利技術的目的是要提供一種水傳輸板，它使所裝備的燃料電池的工作達到最佳。本專利技術的另一目的是要提供一種水傳輸板，其結構具有氣泡壓力和透水性的最佳平衡。本專利技術的再一目的是要提供一種水傳輸板，它具有最佳的孔隙尺寸、開孔孔隙率、電阻率和屈服強度。本專利技術的水傳輸板可以按不同的方法制造。不過，為了實現氣泡壓力和透水性之間的最佳協調，水傳輸板的孔隙尺寸和孔隙率必須精心設計。氣泡壓力是允許水傳輸板起到氣體隔離器作用的物理特性。毛細作用力使水維持在多孔結構內，直到氣體-液體壓差超過氣泡壓力。氣泡壓力隨著水傳輸板的孔隙尺寸的減小而增大。透水性是用于使液體水從陰極遷移到水傳輸板所需要的，正如美國專利5503944中所描述的那樣。圖3大體上顯示出透水性是如何隨水傳輸板的平均孔隙尺寸增大而增大的。根據本專利技術，中值孔隙尺寸最好為1-3微米，并且30％的最小孔隙率提供了可以接受的氣泡壓力和透水性組合(特性)。因此，石墨粉末的中值顆粒尺寸通常為大約1微米(μ)-150μ，并且中值顆粒尺寸最好為大約2-75μ，以便使中值孔隙尺寸達到3.0微米。本專利技術的水傳輸板最好具有0.02Ω-cm的最大貫穿平面(thru-plane)電阻率(＠100psi軸向負荷)、1050psi(磅/英寸2)的最小抗壓屈服強度、1.9微米的最大中值孔隙尺寸以及40％(容積)的最小開孔孔隙率。此外，最好水傳輸板的氣泡壓力的范圍是10.5psig(計示磅/英寸2)，水傳輸板的透水性的范圍最好是200×10-17m2。在最終的水傳輸板中，石墨粉末的濃度通常為大約25％-55％(重量)，最好含有大約35％-45％(重量)的石墨粉末?？赡艿氖勰┌ㄓ商蓟?石墨集團公司(St.Marys，賓夕法尼亞州)生產的AIRCO90石墨粉末、由Asbury石墨粉碎機公司(Asbury，新澤西州)生產的Asbury4234石墨粉末、由Dixon Ticonderoga(Lakehurst，新澤西州)生產的Dixon200-42石墨粉末、這些粉末的混合物以及其它常規的石墨粉末。在本專利技術的一種最佳制造工藝中，石墨粉末與增強纖維結合，后者使最終的水傳輸板具有結構堅固性。水傳輸板的極限強度是由粘結的增強碳纖維表面積的值決定的。如果增強纖維直徑顯著地增大到大約15μ以上，則在熱固工藝(將在下面論述)過程中，每單位重量的纖維可用于粘結的表面積較小。不過，如果增強纖維直徑大大低于約5μ，為將水傳輸板粘結在一起就需要過量的熱固性樹脂。因此，這些纖維的直徑一般小于約15μ，并且纖維的直徑最好為大約5μ-10μ。而且，增強纖維最好具有大約20MMpsi以上的拉伸模量。當增強纖維的拉伸模量低于約20MMpsi時，復合體的撓曲強度就不再由增強纖維的粘結表面積決定而是由其拉伸強度決定，并且水傳輸板的結構堅固性會降低到低于約1000psi的撓曲強度。因此，可以采本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種將水傳輸板使用在燃料電池中的方法，包括以下步驟： 提供一個水傳輸板，它具有：０．０４Ω－ｃｍ的最大貫穿平面電阻率、７５０ｐｓｉ的最小抗壓屈服強度、３．０微米的最大孔隙尺寸和３０％（容積）的最小開孔孔隙率；和 將所述水傳輸板用于燃料電池中，以管理其中的水。

【技術特征摘要】
...

【專利技術屬性】
技術研發人員：邁克爾E戈爾曼，
申請(專利權)人：UTC燃料電池有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]