[發明專利]一種燃料電池雙極板復合材料及其制備工藝

無效

• 申請號: 200710016748.0
• 申請日: 2007-08-03
• 公開（公告）號: CN101132067A
• 公開（公告）日: 2008-02-27
• 發明（設計）人: 李愛菊;孫康寧;王威強;陰強;邵磊;姜程程
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M8/02;B01J19/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司
• 代理人: 王緒銀

一、技術領域

本發明屬于導電復合材料及其制備工藝領域，尤其是涉及到一種碳納米管增強酚醛樹脂/石墨基燃料電池雙極板復合材料及其制備工藝。

二、背景技術

燃料電池被認為是本世紀首選的潔凈、高效的發電裝置。由于其能量轉化效率高，污染小，排放二氧化碳少等諸多因素，而備受各國政府與科學家的重視。而其中最主要元件-雙極板，所占費用比較高，如質子交換膜燃料電池中成本的60-70％由雙極板占有。目前燃料電池雙極板材料主要有金屬材料，石墨材料和樹脂/石墨復合材料；樹脂/石墨復合材料是目前制造質子交換膜燃料電池雙極板的重要的研究熱點之一，因為這種材料的雙極板可以通過典型的塑料加工技術如擠壓、模壓或注射工藝成型。因此樹脂/石墨雙極板易于大規模生產，一次成型，可以大大降低生產成本，從而可以推動燃料電池的產業化進程。但在該項新材料的研究中，面臨著強度和電導率之間不可避免的矛盾難點，即提高復合材料的強度，就需要增加樹脂的含量，而增加樹脂的含量，必然會導致復合材料的電導率的下降，因此，克服兩個物理量之間相互制約的矛盾是提高導電復合材料性能的關鍵。

三、發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足和缺陷，提供一種導電性好、耐腐蝕性強、彎曲強度高、阻氣性好、成本低廉、制備工藝簡單的石墨基燃料電池雙極板復合材料及其制備工藝。

本發明的技術方案如下：

利用碳納米管優良的導電性能與力學性能，提供一種由碳納米管作為增強體，酚醛樹脂作為粘結劑，石墨作為基體的燃料電池雙極板復合材料。

材料配方質量比為：石墨材料：72.0-88.0％，酚醛樹脂：11.5-23.0％，碳納米管：0.50-5.00％。

本發明的碳納米管增強酚醛樹脂/石墨燃料電池雙極板復合材料的制備工藝：

制備工藝過程包括：為了提高碳納米管與其他材料的界面結合力，首先對碳納米管進行表面預處理；而后按材料配方質量比進行配料；將配好的材料進行球磨混合或攪拌混合；最后將混合粉料熱壓燒結成型。

(1)碳納米管的表面處理工藝：

將Fe²⁺、碳納米管以及H₂O₂依次放入容器內，Fe²⁺與H₂O₂的質量比在1∶10-1∶50之間，調節pH值在1-5之間，并在波長為185-436nm的紫外線照射下進行表面處理1-5h，然后對溶液進行抽濾，將所得碳納米管進行真空干燥；

(2)配料：按材料配方質量比，對經表面處理過的碳納米管、酚醛樹脂及石墨材料進行配料；

(3)將配制好的材料進行球磨混合或攪拌混合1-3h；

(4)將混合粉體裝入模壓成型模具中熱壓燒結成型，成型溫度為200～300℃，成型壓力為10～40MPa，保溫保壓時間為40～120min。

本發明導電復合材料及其制備工藝，具有以下特點：①常溫體積電導率為100-200S/cm；②常溫彎曲強度為55-75MPa。其工藝簡單，該材料的物理及化學性能明顯優于目前已有樹脂/石墨基導電復合材料的性能，是制造燃料電池雙極板的優良材料。

四、具體實施方式

實施例1：配料成分：石墨79wt％，酚醛樹脂20wt％，碳納米管1％；碳納米管的預處理工藝參數為：Fe²⁺與H₂O₂的質量比在1∶20，pH值為2，紫外線波長386nm，照射時間1h；配料球磨混合時間2h；將混合粉末裝入模具熱壓，成型壓力：20MPa，成型溫度：240℃，固化時間：60min。

所制備的導電復合材料性能如下：彎曲強度：58.6MPa；電導率：145S/cm。

實施例2：配料成分：石墨84wt％，酚醛樹脂14.85wt％，碳納米管1.15％；碳納米管的預處理工藝參數為：Fe²⁺與H₂O₂的質量比在1∶40，pH值為3，紫外線波長254nm，照射時間4h；配料球磨混合時間2.5h；將混合粉末裝入模具熱壓，成型壓力：30MPa，成型溫度：260℃，固化時間：100min。

所制備的導電復合材料性能如下：彎曲強度：70.3MPa；電導率：163.2S/cm。