質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板及其制作方法

專利名稱：質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板及其制作方法
技術領域：
本發明屬于燃料電池領域，涉及質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板及其制 作方法。
背景技術：
由于質子交換膜燃料電池特有的突出優點及其廣闊的市場前景，已受到各國的高 度重視。雙極板是質子交換膜燃料電池的關鍵部件之一，雙極板的功能和作用如下(1)分 隔氧化劑與還原劑，⑵收集輸送電流，⑶保證電池堆的溫度分布均勻及排熱方案的實 施，⑷抗腐蝕，(5)均勻分布反應氣體，因此，對制備雙極板的材料要求是⑴低透氣性，必須是電的良好導體，(3)具有高的熱傳導率，(4)耐腐蝕，(5)質量輕、機械強度好，機 加工生能好，并且制作工藝簡單，適于批量生產。目前制作雙極板的材料主要有石墨材料、金屬板及其表面改性材料、復合材料。較 早開發利用的石墨材料，由于制作工藝復雜、機加工性能差、成品率低，已逐漸被金屬材料 及復合材料所取代；金屬板材料具有良好的導電性、阻氣性及易加工成型，但其耐腐蝕性能 較差，長時間運行會造成電池堆的性能降低，對金屬板進行表面改性或采用合金，雖然能大 幅度提高金屬雙極板的耐腐蝕性能，但制作工藝較復雜，成本較高。復合材料主要是由導電填料填充聚合物樹脂，再通過擠壓、模壓或注射成型，其機 加工性能優良，制作工藝簡單，成本低廉，目前已成為雙極板材料研究的主流和方向。其不 足之處在于，導電性能遠遠低于石墨材料和金屬板材料，而導電性能的好壞直接影響電池 堆的輸出功率，是燃料電池的關鍵性指標。導電性能主要取決于導電填料的種類、用量以 及主要由制作工藝決定的導電填料在聚合物樹脂中的分布狀況，增加導電填料用量雖然能 提高導電性能，但往往是以犧牲復合材料的機械性能及機加工性能為代價。現有技術中， 復合材料雙極板及其制作方法中，就復合材料而言，大體有兩類，一類是，其導電填料均為 炭材料，大都為不同種類的石墨，所制作的雙極板的機械強度尚能滿足要求，彎曲強度能 達50 60MPa，但導電性能均不理想，電導率最高只達6. 0X104S/m左右；另一類是，其導 電填料中具有金屬材料，公開號為CN1710738A公開的技術方案中，導電填料中還具有炭材 料粉末、金屬粉末或二者的混合物，從其給出的實施例可見，電導率僅有103S/m，公開號為 CN1771354A公開的技術方案中，導電填料為金屬絲編織的織物埋置在聚合物樹脂中，未給 出具體性能數據，其電導率應該比較高；就制作方法而言，大都為將預處理后的原材料按比 例均勻混合，之后在一定的溫度、壓力及時間下模壓成型，而CN1771354A則先擠壓制作聚 合物樹脂壁，再層壓式埋置金屬絲編織的織物，制作工藝復雜，成本較高，難以進行大批量 工業生產。

發明內容
解決的技術問題提供質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板及其制作方法，能克服現有技術中的不足，使雙極板具有較高機械強度的同時，大幅度有效地提高其導電性能，制作工藝簡 單，成本低，適于進行大批量工業生產。采用的技術方案質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板的制作方法為，采用復合材料，其中包 括導電填料、纖維增強劑及酚醛樹脂，所述導電填料為石墨和金屬，采用模壓工藝成型，其 特征在于原材料組分及質量份數比為，酚醛樹脂20 40份；導電填料60 80份，其中石 墨與金屬的質量份數比為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述 金屬為金屬粉末和/或金屬纖維；纖維增強劑1 5份，具體制作工藝依序如下第一，原料預處理，將所用量的石墨、纖維增強劑置于烘箱內，在50 100°C溫度 下，烘干2 4小時，以除去原料吸附的水分，干燥待用；第二，制備樹脂溶液I，將所用量的酚醛樹脂用無水乙醇稀釋，配制質量百分比濃 度為60 80 %的樹脂溶液I，待用；第三，將干燥待用的石墨、纖維增強劑及樹脂溶液I放入混料機中充分混合，制成 混合料；第四，團塊物料制作，將混合料置于恒溫振蕩器上，在60 80°C溫度下，振蕩5 30分鐘，振蕩頻率為50 100次/分鐘，制成幾何尺寸為5 15mm，并且形狀不規則的團 塊物料；團塊物料的大小主要決定于振蕩頻率及振蕩時間；第五，金屬包覆團塊物料，首先依據所用量的金屬，配制質量百分比濃度為1 10%預浸泡金屬用的酚醛樹脂的無水乙醇溶液一即樹脂溶液II，必須充分滿足所用量的 金屬能全部完全浸泡在樹脂溶液II內的需要，然后將所用量的金屬同時全部置于樹脂溶 液II內浸泡5 30分鐘后取出，并去除金屬表面帶出的處于自由懸浮狀態的殘留的樹脂 溶液II，使金屬表面成“干”態；并盡快及時、均勻地撒入“第四”中所述的團塊物料，“撒入” 過程中，團塊物料應繼續連續被加熱振蕩，使所用量的金屬全部均勻包覆在團塊物料上，應 與“第四”中的團塊物料制作協調進行，必須在所述團塊物料制成后的30分鐘內完成“撒 入”所用量的金屬；最后，將被金屬包覆的團塊物料置于干燥箱內，在60 80°C下，加熱干 燥15分鐘 1小時，除去殘留的無水乙醇；第六，模壓成型，將“第五”中制成的被金屬包覆后，并經加熱干燥后的團塊物料放 入模具中，在平板硫化機上熱壓成型，成型溫度為150 190 (°C，成型壓力為20 200MPa， 成型時間為1 2小時，即得質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板。按上述方法制作的質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板，其電導率為 5.0父104 3.0\1055/111，彎曲強度為50 IOOMPa體積，密度為1. 90 2. 50g/cm3 ；復合材 料中，包括導電填料、纖維增強劑及酚醛樹脂，所述導電填料為石墨和金屬；原材料組分及 質量份數比為，酚醛樹脂20 40份；導電填料60 80份，其中石墨與金屬的質量份數比 為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述金屬為金屬粉末和/或 金屬纖維；纖維增強劑1 5份。有益效果由于本發明中在制作工藝中，采用非均勻混合法制備混合料，先將除金屬之外的 原材料混合并制成團塊物料，再將金屬均勻包覆在團塊物料上，然后對被金屬包覆的團塊 物料加熱模壓成型，因此，加熱模壓成型過程中，金屬在雙極板的基體內部呈不均勻分布，并且能形成大量連續便捷而低阻的金屬導電鏈，從而能大幅度有效地提高復合材料的導電 性能，常溫下電導率按JB/T8133 · 2-1999標準測試，可達5. O X IO4 3. OX 105S/m，另外， 由于制作工藝中采用了對所用量的金屬以樹脂溶液II預先浸泡，使金屬表面預先吸附樹 脂分子，從而能提高加熱模壓成型后，金屬在雙極板的基體內部與其它原材料之間的界面 結合力，從而能有效地提高復合材料的強度，常溫下彎曲強度按JB/T8133 · 7-1999標準測 試可達60 lOOMPa，在具有較高的導電性能的同時，具有較高的機械強度；本發明原材料 易得、制作工藝簡單、成本低廉，適于進行大批量工業生產。


圖1、復合材料雙極板內部 形成的金屬網絡示意圖；
具體實施例方式本發明中所述復合材料包括的原材料的選用及規格如下，并且均為市購酚醛樹脂為液態熱固性氨酚醛樹脂，固含量為40 70%。石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，粒徑2 100 μ m。金屬為鎳、鎳合金、鈦、鈦合金或不銹鋼中的一種或幾種混合；金屬形態為金屬粉 末和/或金屬纖維；金屬粉末的粒徑25 75 μ m ；金屬纖維的直徑0. 02 0. 8mm,長度1 8mm ο纖維增強劑為聚丙烯腈基炭纖維、浙青基炭纖維或石墨基炭纖維，并且采用短切 纖維，其直徑3 7 μ m，長度3 6mm。本發明中所用輔料為市購無水乙醇，用以稀釋酚醛樹脂原料及配制樹脂溶液II。本發明中所述復合材料中包括的原材料及其質量份數比為酚醛樹脂20 40份，以無水乙醇稀釋制成質量百分比濃度為60 80%的樹脂溶 液I ；導電填料60 80份，其中石墨與金屬的質量份數比為1 1 3 1;纖維增強劑1 5份。模壓成型中成型溫度優選165 180°C，成型壓力優選60 120MPa ；關于制作工藝中用以預先浸泡所用量的金屬的樹脂溶液II 是以“預浸泡金屬用 的酚醛樹脂”配制而成的質量百分比濃度為1 10%的無水乙醇溶液，a)所述“預浸泡金屬 用的酚醛樹脂”與復合材料中包括的原材料中的“酚醛樹脂”必須是同一物質，b)所述“預 浸泡金屬用的酚醛樹脂”未計入復合材料中包括的原材料中的“酚醛樹脂”所占的質量份數 比中，c)所述配制而成的樹脂溶液II必須充分滿足所用量的金屬能全部完全浸泡在其內 的需要，d)每批量生產(實驗)中所用量的金屬因預浸樹脂溶液II后再包覆在制作工藝中 的“團塊物料”上而帶入的酚醛樹脂量是可以計算出來的，但計算出來也是不必要的，不同 批量生產(實驗)中帶入的酚醛樹脂量是不同的，既使不同批量生產(實驗)中所用量的 金屬的種類、規格、質量及樹脂溶液II的濃度均相同，計算出的帶入的酚醛樹脂量也難以 相同；制作工藝中基于對原料處理及定性的需要及實際情況，所述“預浸泡金屬用的酚醛樹 脂”未計入所述復合材料中包括的原材料中的“酚醛樹脂”所占的質量份數比中是合理的， 也是應該被允許的。
實施例1，質子交換膜燃料電池用的復合雙極板的制作方法依序如下第一、原料預處理，將天然鱗片石墨50份及浙青基短切炭纖維5份，置于干燥箱 內，在80°C下烘干2小時，以除去原料吸附的水分，干燥待用；第二、制備樹脂溶液I，將酚醛樹脂20份，用無水乙醇稀釋，配制質量百分比濃度 為65%的樹脂溶液I ；第三、將干燥待用的天然鱗片石墨及浙青基短切纖維及樹脂溶液I放入混料機中 充分混合，制成混合料；第四、團塊物料制作，將混合料置于恒溫振蕩器上，在70°C下，振蕩20分鐘，振蕩 頻率為60次/分鐘，制成幾何尺寸為5 15mm，并且形狀不規則的團塊物料；制作中以排 風法排除被蒸發出的無水乙醇；第五，金屬包覆團塊物料，原料鎳粉末25份，配制充分滿足25份鎳粉末全部完全 浸泡在其內的質量百分比濃度為3 %的樹脂溶液11，將所用鎳粉末25份同時全部置于樹脂 溶液II內浸泡15分鐘后取出，并以濾紙吸附方法去除鎳粉末表面上殘留的樹脂溶液II，之 后，及時將鎳粉末逐漸均勻地撒入團塊物料，撒入過程中，團塊物料繼續連續被加熱振蕩， 致使鎳粉末全部均勻包覆在團塊物料上，最后將被鎳粉末包覆的團塊物料置于干燥箱內， 在70°C下，加熱干燥20分鐘，除去其中殘留的無水乙醇；第六，模壓成型，將上述制成的被鎳粉末包覆后，并經加熱干燥后的團塊物料放入 模具中，在平板硫化機上熱壓成型，成型溫度為170°C，成型壓力為lOOMPa，成型時間為1小 時，制成所述質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板，其主要性能見表二。實施例2 8依次按表一中所述的工藝條件，均按上述實施例1所述的制作方法 進行，所制作的雙極板的主要性能見表二。采用的技術方案內容中所述的“所用量”，是指在每批量生產(實驗)時，復合材料 中包括的原材料，依其相應的質量份數比所用的質量份數量。表一、
權利要求
1.質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板的制作方法為，采用復合材料，其中包括 導電填料、纖維增強劑及酚醛樹脂，所述導電填料為石墨和金屬，采用模壓工藝成型，其特 征在于原材料組分及質量份數比為，酚醛樹脂20 40份；導電填料60 80份，其中石墨 與金屬的質量份數比為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述金 屬為金屬粉末和/或金屬纖維；纖維增強劑1 5份，具體制作工藝依序如下第一，原料預處理，將所用量的石墨、纖維增強劑置于烘箱內，在50 100°C溫度下，烘 干2 4小時，以除去原料吸附的水分，干燥待用；第二，制備樹脂溶液I，將所用量的酚醛樹脂用無水乙醇稀釋，配制質量百分比濃度為 60 80%的樹脂溶液I，待用。第三，將干燥待用的石墨、纖維增強劑及樹脂溶液I放入混料機中充分混合，制成混合料；第四，團塊物料制作，將混合料置于恒溫振蕩器上，在60 80°C溫度下，振蕩5 30分 鐘，振蕩頻率為50 100次/分鐘，制成幾何尺寸為5 15mm，并且形狀不規則的團塊物 料；團塊物料的大小主要決定于振蕩頻率及振蕩時間；第五，金屬包覆團塊物料，首先依據所用量的金屬，配制質量百分比濃度為1 10%預 浸泡金屬用的酚醛樹脂的無水乙醇溶液——即樹脂溶液II，必須充分滿足所用量的金屬能 全部完全浸泡在樹脂溶液II內的需要，然后將所用量的金屬同時全部置于樹脂溶液II內 浸泡5 30分鐘后取出，并去除金屬表面帶出的處于自由懸浮狀態的殘留的樹脂溶液II， 使金屬表面成“干”態；并盡快及時、均勻地撒入“第四”中所述的團塊物料，“撒入”過程中， 團塊物料應繼續連續被加熱振蕩，使所用量的金屬全部均勻包覆在團塊物料上，應與“第 四”中的團塊物料制作協調進行，必須在所述團塊物料制成后的30分鐘內完成“撒入”所用 量的金屬；最后，將被金屬包覆的團塊物料置于干燥箱內，在60 80°C下，加熱干燥15分 鐘 1小時，除去殘留的無水乙醇；第六，模壓成型，將“第五”中制成的被金屬包覆后，并經加熱干燥后的團塊物料放入模 具中，在平板硫化機上熱壓成型，成型溫度為150 190°C，成型壓力為20 200MPa，型時 間為1 2小時，即得質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板。
2.根據權利要求1所述的制作方法制作的質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板， 其電導率為5. OXlO4 3. OX 105S/m，彎曲強度為50 lOOMPa，體積密度為1. 90 2. 50g/ cm3 ；復合材料中，包括導電填料、纖維增強劑及酚醛樹脂，所述導電填料為石墨和金屬；原 材料組分及質量份數比為，酚醛樹脂20 40份；導電填料60 80份，其中石墨與金屬的 質量份數比為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述金屬為金屬 粉末和/或金屬纖維；纖維增強劑1 5份。
3.根據權利要求2所述的質子交換燃料電池用的復合材料雙極板，其特征在于酚醛 樹脂為液態熱固性氨酚醛樹脂，固含量為40 70% ；天然鱗片石墨和/或人造石墨的粒徑 2 100 μ m ；金屬粉末和/或金屬纖維中所述的金屬為鎳、鎳合金、鈦、鈦合金或不銹鋼中 的一種或幾種混合，金屬粉末的粒徑25 75 μ m,金屬纖維的直徑0. 02 0. 8mm,長度1 8mm ；纖維增強劑為聚丙烯腈基炭纖維、浙青基炭纖維或石墨基炭纖維，并且采用短切纖維， 其直徑3 7 μ m，長度3 6mm。
全文摘要
質子交換膜燃料電池用的復合材料雙極板及其制作方法屬于燃料電池領域；復合材料包括組分及質量份數比為，導電填料60～80份、酚醛樹脂20～40份、纖維增強劑1～5份，導電填料為石墨和/或金屬，其質量份數比為1∶1～3∶1；將酚醛樹酯配成質量百分比濃度為60～80％的無水乙醇溶液，之后與石墨、纖維增強劑混合并制成團塊物料，再將經質量百分比濃度為1～10％的酚醛樹脂無水乙醇溶液預先浸泡過的金屬撒入并均勻包覆在團塊物料上，之后加熱模壓成型；體積密度1.90～2.50g/cm3、彎曲強度60～100MPa、電導率5.0×104～3.0×105S/m，原材料易得、制作工藝簡單、成本低廉，適于進行大批量工業生產。
文檔編號H01M4/88GK102064328SQ20101057770
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者李密丹 申請人:北京印刷學院