[發明專利]一種改性膨脹石墨基復合材料雙極板及其制備方法

有效

• 申請號: 201310692603.8
• 申請日: 2013-12-17
• 公開（公告）號: CN103633340A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 王進福;王慧;戴長松;韓喜江
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/96
• 分類號: H01M4/96;H01M4/88
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種雙極板及其制備方法。

背景技術

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高效環保、比能量和比功率高、啟動快等諸多優點，被看作是未來重要的新型能源。已成為世界各國研究熱點之一。雙極板作為質子交換膜燃料電池的關鍵部件,主要作用是為實現單電池之間的連接起到收集電流的作用，為電池分配燃料和氧化劑等。目前用于生產質子交換膜燃料電池雙極板的材料有石墨、金屬材料和復合材料等。石墨板具有良好的導電性、導熱性和耐腐蝕性，但石墨的脆性造成了加工困難，因此加工費用較高。金屬材料也可以用來制備雙極板，其優點在于金屬材料的導電和導熱性能非常好，易于加工，選用非常薄的極板就能達到隔離反應氣體的目的，金屬材料的主要不足在于密度較大，接觸電阻較高且易于腐蝕。目前除傳統石墨材料雙極板和金屬雙極板外，石墨/樹脂復合材料雙極板也得到了實際應用，復合板結合了石墨板和金屬板的優點，在石墨/樹脂復合材料中，樹脂作為粘結劑，在增強石墨板力學強度的同時也提高了其阻氣性，但復合板的電導率低，體積密度大仍然限制了雙極板的商業化進程。

發明內容

本發明是要解決現有方法制備的雙極板電導性差、體積密度大和機械性能差的問題。而提供一種改性膨脹石墨基復合材料雙極板及其制備方法。

本發明一種改性膨脹石墨基復合材料雙極板由膨脹石墨、熱塑性酚醛樹脂和炭氣凝膠制成；所述膨脹石墨與熱塑性酚醛樹脂的質量比為(0.66～3):1；所述炭氣凝膠的質量為膨脹石墨與熱塑性酚醛樹脂質量總和的1%～4%，所述炭氣凝膠的粒徑為1μm～5μm，所述膨脹石墨的膨脹系數為150ml/g～250ml/g。

上述改性膨脹石墨基復合材料雙極板的制備方法，按以下步驟進行：

一、將炭氣凝膠加入到熱塑性酚醛樹脂中，得到炭氣凝膠/熱塑性酚醛樹脂；二、將步驟一得到的炭氣凝膠/熱塑性酚醛樹脂放入溫度為90℃～100℃的水中，得到炭氣凝膠/熱塑性酚醛樹脂水溶液，將膨脹石墨加入到炭氣凝膠/熱塑性酚醛樹脂水溶液中，攪拌20min～30min，冷卻至室溫，過濾，將濾渣在溫度為70℃～100℃的條件下干燥24h，得到改性復合材料；三、將步驟二得到的改性復合材料放入球磨機中按球料比為(10～30):1球磨混合6h～18h，轉速為400r/min～450r/min，得到粉末狀改性復合材料；四、將步驟三得到的粉末狀改性復合材料放入模具中，然后將模具放在手動液壓機上，在室溫、壓力為15MPa～40MPa的條件下模壓模具15min～30min；然后在壓力為10MPa～30MPa條件下以10℃/min～20℃/min的升溫速度使熱壓爐內的溫度從室溫升溫至140℃～200℃，并在溫度為140℃～200℃、壓力為10MPa～30MPa的條件下保溫模壓模具15min～30min；五、在溫度為90℃～120℃的條件下脫模，冷卻至室溫，得到改性膨脹石墨基復合材料雙極板；步驟一中所述炭氣凝膠的粒徑為1μm～5μm；步驟一中所述炭氣凝膠的質量為步驟二中所述膨脹石墨與步驟一中所述熱塑性酚醛樹脂質量總和的1%～4%；步驟二中所述膨脹石墨與步驟一中所述熱塑性酚醛樹脂的質量比為(0.66～3):1；步驟二中所述膨脹石墨的膨脹系數為150ml/g～250ml/g；步驟三中所述球磨機的型號為QM-SB的行星式球磨機，所用磨球由直徑為2cm的大球和直徑為1cm的小球按照1:1的個數比組成；步驟四中所述手動液壓機的型號為YSS-1型雙速手動液壓機。

本發明的優點：

本發明制得的改性復合材料雙極板具有電導性好、體積密度小、機械性能好、潤濕性能好、熱穩定性能好等優點。其電導率為電導率為108.3S/cm～162.7S/cm、抗折強度53MPa～77MPa、接觸角65.32°～82.78°、體積密度為1.42g/cm³～1.62g/cm³、孔隙率為0.083g/cm³～0.122g/cm³、在燃料電池運行溫度80℃時質量損失為0.53%～0.76%即熱穩定性較好。

附圖說明

圖1為試驗四制得的炭氣凝膠放大25000倍的SEM圖；

圖2為試驗四制得的炭氣凝膠放大7000倍的SEM圖；

圖3為試驗一制得的改性膨脹石墨基復合材料雙極板的表面放大3000倍的SEM圖；

圖4為試驗一制得的改性膨脹石墨基復合材料雙極板的表面放大15000倍的SEM圖；