[發明專利]一種膨脹石墨復合雙極板材料及其制造方法

無效

• 申請號: 201110143823.6
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102244278A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發明（設計）人: 李平;楊代軍;袁奕林;徐麟;馬建新;李富國;張世淵
• 申請（專利權）人: 華東理工大學;同濟大學;寧波信遠工業器材有限公司
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張睿

技術領域

本發明涉及燃料電池技術領域，特別涉及可用于高溫型質子交換膜燃料電池的雙極板材料及其制造方法。

背景技術

燃料電池是直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的發電裝置，是一項高效利用能源而又不污染環境的新技術。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，一般由許多單電池組成，每個單電池通常由膜電極、擴散層和雙極板三部分構成。雙極板是將燃料單電池串聯起來組裝成電池堆的關鍵部件，它的一側與一個單電池的陽極接觸，另一側與毗鄰單電池的陰極接觸，其作用是分隔氣體并通過流場將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和排水功能。因此，雙極板在燃料電池中的地位舉足輕重，需同時具備高導電導熱性、高化學穩定性、高力學性、低透氣性等特點。另一方面，質子交換膜燃料電池是一種新興的能源利用技術，在汽車應用等領域尚處于開發和推廣階段，迫切需要在運行性能尤其是制造成本方面能大力氣突破，以提高實用競爭力。而目前雙極板的成本和重量約占質子交換膜燃料電池的45％和60％，是限制燃料電池推廣應用的瓶頸因素，因此，降低雙極板的成本和重量，在保證和提高性能的同時，生產制造出價廉輕巧的燃料電池是當前的首要工作。

目前已開發使用的雙極板材料主要有金屬、石墨及復合材料三種。金屬板具有良好的導電導熱性，減薄至0.1mm也不漏氣，并且氣體流道可沖壓成型，因而有利于體積比功率的提升和制造成本的下降。但是金屬板易出現腐蝕甚至銹穿，導致電池的使用壽命縮短甚至完全損壞。純石墨板具有良好的導電導熱性、化學穩定性，是率先成功用于商業化電池堆制造的雙極板材料。但純石墨板性脆、流道機加工成本昂貴，并且孔隙的存在導致其易漏氣，因而制約了電池堆的重量比功率的提升。

為了替代上述兩種單一材料制造的雙極板，出現了石墨/樹脂復合雙極板，其中石墨為導電填料，樹脂為高分子粘結劑。這類材料具有和石墨相同的耐腐蝕性能，可一次成型制備出帶流場的雙極板，易于大規模生產，降低了雙極板的生產成本。石墨復合雙極板的性能取決于石墨類型、樹脂類型以及制造工藝。這三項因素還可交互作用，對性能產生影響，因此，材料與工藝選擇時需綜合考慮。石墨復合雙極板的制造工藝通常有濕混和干混兩大類。以往應用較多的是濕混法，即先用有機溶劑將樹脂溶解，再與石墨混合模壓成型。這種工藝過程復雜，不但消耗大量有毒溶劑和添加劑，產生浪費并增加成本，還會造成嚴重的環境污染，且復合材料性能偏低。干混法則無須加入溶劑，可以避免濕混法的缺陷。

膨脹石墨又稱蠕蟲石墨或柔性石墨，是石墨在高溫下膨脹所致，具有價格低廉，導電性好，耐熱耐腐蝕等特點，且密度小重量輕，可塑性強，密封性好，非常適合作為雙極板材料的原料。如羅曉寬等(電源技術，2008，32(3)：174-176)選用高分子雙酚A型環氧樹脂及線型酚醛樹脂與膨脹石墨復合制成雙極板。但是，作者采用了濕混成型工藝，使用大量乙醇做溶劑，先與樹脂混合后配成溶液，在一定的壓力條件下將溶液灌入膨脹石墨，而后再將所得材料在烘箱中加溫蒸發除去溶劑，工藝復雜且成本高。中國專利(公開號：CN1560947A)公開了一種柔性石墨雙極板及其制備方法，利用浸漬和直接添加的方法在蠕蟲石墨中混合少量添加劑，或者利用直接涂抹的方法在雙極板表面形成薄膜，浸漬液為硼酸溶液和膠類聚合物。但是，直接成型的純蠕蟲石墨雙極板的抗拉強度僅為6～15MPa，且抗透氣性能差，而經過浸漬處理的雙極板強度也僅為8～20MPa，不能達到美國能源部于2003年提出的對碳質填料/聚合物復合材料雙極板的性能要求。