專利名稱：質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法。屬于燃料電池技術領域。
背景技術：
燃料電池是一種可以高效地將燃料和氧化劑轉化為電能的發電裝置。與傳統發電技術相比，它具有能量轉化效率高、污染小、噪聲低等優點。隨著人類對能源的需求越來越大，常規能源越來越匱乏。因此，燃料電池的開發與研究已越來越受到各國政府與科學家們的重視。
質子交換膜燃料電池是以全氟磺酸型離子交換膜為電解質，氫氣或重整氣為燃料，空氣或氧氣為氧化劑的燃料電池。最簡單的質子交換膜燃料電池是由質子交換膜組件、雙極板、密封圈等構成。
雙極板是質子交換膜燃料電池的關鍵部件之一，其作用是分隔反應氣體并通過流場將燃料反應氣體導入燃料電池、收集并傳導電流和支撐膜電極，同時還擔負起整個電池系統的散熱功能和排水功能，因此雙極板質量的好壞將直接決定燃料電池堆輸出功率的大小和使用壽命的長短。降低雙極板材料和成型工藝的成本，有利于質子交換膜燃料電池的發展與產業化。
目前雙極板材料主要有金屬材料、石墨材料和復合材料等。其中金屬雙極板具有良好的導電性、導熱性、機械加工性、致密性等，適合批量生產，但金屬材料也存在諸如單位密度高、易腐蝕等缺點。普通石墨材料也是較早開發和利用的雙極板材料，其制成的極板質量輕、耐腐蝕性能好、導電性較強，但石墨本身性脆，達到合格極板的后處理工藝復雜，產品組裝困難，且石墨板材制造和流場機械加工工藝都比較復雜，導致制造成本昂貴。
復合材料雙極板結合了金屬和石墨材料的優點，由石墨或碳粉填料與聚合物樹脂復合來制作雙極板是目前研究的方向之一。它可通過典型的塑料加工技術如擠出、模壓或注射成型工藝來生產極板。復合材料雙極板的性能主要取決于導電粉末、樹脂的類型及其相應配伍應選擇與石墨或碳材料結合力好，工藝流程中無小分子溢出的樹脂。加入樹脂量必須合適，若石墨或者碳材料過少而樹脂量過多，雖然產品有很好的力學性能和機械加工性能，但會造成極板體積電阻率過大；若加入樹脂量偏少，石墨或碳材料比例過高，不僅會降低極板的抗壓強度和彎曲強度，而且也會增大極板的孔隙率。另外，加入合適的偶聯劑和纖維增強劑對于提高雙極板的品質也是非常重要的。
在雙極板的常規制備過程中，如使用酚醛樹脂等熱固性樹脂，在模壓過程中易生成縮合水與其它小分子氣體，這將導致極板的孔隙率過大。專利US4301222提出了一種薄的電化學電池分隔板的制備方法，即將純石墨粉和炭化熱固性酚醛樹脂各50％混合注塑成所需的雙極板，然后產品再進行后處理工藝使其完全石墨化。所獲石墨板在機械強度、單位重量等方面的性能優于純石墨板。但其缺點是石墨化成本很高，而且孔隙率也較大，約為5％。產品還必須進一步處理來增加雙極板的致密性。
新型耐高溫工程塑料聚酰亞胺(PI)樹脂作為一種性能突出的高分子材料，以其優異的耐磨性、抗高溫輻射和物理機械性能，廣泛用于機電、電子電氣、儀表、石油化工、計量等領域，已成為工業領域不可缺少的材料之一。PI樹脂可分為熱固性和熱塑性兩大類熱固性聚酰亞胺樹脂，因其可加工性差，只能采用流延法制成薄膜使用，其應用領域受到限制。熱塑性聚酰亞胺樹脂改善了其自身的加工性能以及與其他材料的相容性。它不僅具有優異的力學性能、耐熱、耐腐、耐磨等特點，而且還克服了大多數聚酰亞胺不溶或不熔、難以加工的缺陷，表現出良好的熱加工特性。它可采用熱模壓、擠出和注射等方法成型。在加工過程中熱塑性聚酰亞胺樹脂無小分子溢出，從而減小了極板的氣孔率。
200510050279.5專利提出了一種質子交換膜燃料電池用復合雙極板的制備方法，通過此方法制備的產品，盡管能用于質子交換膜燃料電池中，但還存在著機械強度不夠好的缺點。
發明內容
本發明的目的是改進現有極板制造技術中的不足，提供一種由球狀石墨、熱塑性聚酰亞胺樹脂等混合來制備質子交換膜燃料電池用雙極板的方法。通過改變原有配方(如加入熱塑性聚酰亞胺樹脂)，所制備的復合雙極板產品不僅具有良好導電性和氣密性，而且機械性能也大大提高。
為了達到上述目的，本發明所采用的復合雙極板制備流程如附
圖1所示將球狀石墨、熱塑性聚酰亞胺樹脂、脫模劑、偶聯劑和極板纖維增強劑(短碳纖維)放入混料機中，在高速攪拌下進行混合，其中球狀石墨70～80wt％，熱塑性聚酰亞胺樹脂15～25wt％，偶聯劑0.5～1.5wt％，極板纖維增強劑3～10wt％。混合料放入經預熱的模具中，然后在真空液壓機上進行真空模壓成型，產品脫模、后處理得成品。
本發明中，混料時間控制在15～35分鐘。混合料預熱至80～100℃，放入經80～100℃預熱涂覆脫膜劑(硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣的其中一種)的模具中，然后控制真空液壓機的真空度為-0.085MPa，模壓成型溫度為120～180℃，模壓壓力為0.5～15MPa進行模壓成型，復合雙極板在液壓機內的保溫時間控制在2～50分鐘。產品脫模并放入烘箱中進行后處理，其溫度控制在80～180℃，時間控制在0.2～2小時，取出后室溫冷卻得成品。
本發明是提供一種質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法，其中聚酰亞胺樹脂主要起粘接劑的作用，用量控制在15～25wt％，因為其用量過多會降低復合板的導電能力，過少則會使球狀石墨與高分子材料之間的粘合力小，不易緊密結合；采用的偶聯劑是KH-560(γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷)，以原料總量的0.5～1.5wt％為宜。使用偶聯劑可提高樹脂基體與增強材料界面結合強度，從而提高產品的機械性能；極板纖維增強劑為短碳纖維，極板纖維增強劑可提高雙極板的生產加工能力及產品的抗壓強度和抗拉強度；模具上涂抹的脫模劑為硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣的其中一種，脫模劑能使極板容易脫模。采用抽真空模壓，能使雙極板的致密性提高。產品在0.1MPa條件下檢測，其氣密性達到質子交換膜燃料電池用復合雙極板要求。
本發明涉及一種質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法。它具有以下優點良好的導電性，氣孔率小，抗彎強度與抗壓強度好，平整度高，本制備方法其優點是配方較為合理，制造成本低廉，成品率高，技術指標好且可確保批量生產。
具體實施例方式
下面用實施例進一步說明本發明并通過權利要求更具體地確定，但在任何條件下不要把實施例看成是對本發明的范圍限制實施例1在98.0～112.0g球狀石墨中加入21.0～35.0g熱塑性聚酰亞胺樹脂，偶聯劑(KH-560)0.7～2.1mL，極板纖維增強劑(短碳纖維)4.2～14.0g。混合料放入混料機中進行混合15～35分鐘、預熱至80～100℃。混合料放入經涂覆脫膜劑并預熱至80～100℃的模具中。然后將模具置于真空液壓機上，真空液壓機的真空度是-0.085MPa，控制溫度在120～180℃和壓力在0.5～15MPa下進行真空模壓成型，在液壓機內的保溫時間控制在2～50分鐘。產品脫模并放入烘箱中進行后處理，其溫度控制在80～180℃，時間控制在0.2～2.0小時，取出后室溫冷卻得成品。
實施例2-15按實施例1的制備流程，按照下表所列實驗條件進行實驗，所獲成品的質量指標符合質子交換膜燃料電池用復合雙極板標準。
注1.預熱溫度為混合料與模具的預熱溫度。
2.實施例中采用的脫膜劑2～6為硬脂酸鋅，7～11為硬脂酸鎂，12～15為硬脂酸鈣。
權利要求
1.一種質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法，其步驟是(1)將70～80wt％球狀石墨，15～25wt％熱塑性聚酰亞胺樹脂，0.5～1.5wt％偶聯劑和3～10wt％極板纖維增強劑放入混料機中進行混合，混料時間控制在15～35分鐘；(2)混合料預熱至80～100℃，放入經80～100℃預熱并已涂覆脫模劑的模具中；(3)在真空液壓機上控制模壓成型溫度為120～180℃，模壓壓力為0.5～15MPa及保溫時間在2～50分鐘進行真空模壓成型；(4)產品脫模并放入烘箱中，控制溫度80～180℃，時間0.2～2小時，取出后室溫冷卻得成品。
2.按照權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法，其特征在于所述與球狀石墨、樹脂、極板纖維增強劑相混合的偶聯劑為γ-縮水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷。
3.按照權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法，其特征在于模壓所用的在模具上涂抹的脫模劑為硬脂酸鋅、硬脂酸鎂、硬脂酸鈣的其中一種。
4.按照權利要求1所述的質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法，其特征在于真空液壓機的真空度為-0.085MPa。
全文摘要
本發明屬于燃料電池技術領域，它涉及一種質子交換膜燃料電池用高分子樹脂復合雙極板的制備方法。其制備方法是將70～80wt％球狀石墨，15～25wt％熱塑性聚酰亞胺樹脂，0.5～1.5wt％偶聯劑(KH－560)和3～10wt％極板纖維增強劑(短碳纖維)放入混料機中進行混合，混料時間控制在15～35分鐘。混合料預熱至80～100℃，放入經80～100℃預熱的模具中。真空液壓機的真空度為－0.085MPa，混合料的模壓成型溫度控制在120～180℃，模壓壓力為0.5～15MPa進行真空模壓成型，復合雙極板在液壓機內的保溫時間控制在2～50分鐘。產品脫模并放入烘箱中進行后處理，其溫度控制在80～ 180℃，時間控制在0.2～2小時，取出后室溫冷卻得成品。其質量指標符合質子交換膜燃料電池用復合雙極板標準。
文檔編號B29C43/58GK1765603SQ20051006151
公開日2006年5月3日 申請日期2005年11月11日 優先權日2005年11月11日
發明者方衛民, 馬小杰 申請人:浙江大學