[發(fā)明專利]一種聚酰亞胺-石墨復(fù)合材料雙極板的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810136390.3
• 申請(qǐng)日: 2018-02-09
• 公開（公告）號(hào): CN108376785B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝志勇;歐陽(yáng)濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/86
• 分類號(hào): H01M4/86;H01M4/88
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 張偉;魏娟

本發(fā)明公開了一種聚酰亞胺?石墨復(fù)合材料雙極板的制備方法，該方法是將以石墨作為第一導(dǎo)電填料，將其與聚酰亞胺通過(guò)溶液混合方法得到聚酰亞胺/石墨混合粉料，采用表面負(fù)載聚酰亞胺的碳纖維紙作為第二導(dǎo)電填料和增強(qiáng)材料，碳纖維紙平鋪在聚酰亞胺/石墨混合粉料內(nèi)部，再將加有碳纖維紙的混合料夾在兩塊表面浸漬有聚酰亞胺的石墨紙之間，通過(guò)模壓成型，熱固化處理，得到聚酰亞胺/石墨復(fù)合材料雙極板，其同時(shí)具有優(yōu)異的電導(dǎo)率和抗彎強(qiáng)度；克服了現(xiàn)有的復(fù)合材料雙極板的抗彎強(qiáng)度和電導(dǎo)率之間存在“此消彼長(zhǎng)”的現(xiàn)象。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙極板，特別涉及一種聚酰亞胺-石墨復(fù)合材料雙極板的制備方法，屬于碳材料技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

雙極板是PEM燃料電池的關(guān)鍵組件。它們對(duì)這些電化學(xué)裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。它們?cè)谒蜌怏w管理，燃料電池的機(jī)械穩(wěn)定性和電氣性能方面發(fā)揮主要作用。

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池或質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是小規(guī)模固定電站和移動(dòng)應(yīng)用的一個(gè)非常有希望的電源，由于其低的工作溫度(60～80℃)和高的體積功率密度，PEMFC的結(jié)構(gòu)包括雙極板和膜電極組件(MEA)和氣體擴(kuò)散層(GDL)。雙極板在PEMFC中具有多種功能：如收集電流，分離單個(gè)電池，在電池內(nèi)分配燃料和氧化劑，將水從每個(gè)電池中排出，并冷卻電池，并提供用于電池堆疊的結(jié)構(gòu)支撐。

目前，傳統(tǒng)PEMFC石墨雙極板的成本占整個(gè)電池成本的至少38％，因?yàn)殡p極板主要是通過(guò)加工薄的石墨板制造的，而機(jī)械加工時(shí)間較長(zhǎng)、效率低，導(dǎo)致成本增高。

很多文獻(xiàn)中研究了不銹鋼，鋁，鎳，銅，鈦，塊狀非晶合金甚至碳鋼。由于技術(shù)性能的合適結(jié)合和易于制造的低成本，大多數(shù)科學(xué)報(bào)告集中在不銹鋼上。不過(guò)，不要忽視金屬雙極板在PEM燃料電池環(huán)境中經(jīng)受電化學(xué)腐蝕性的過(guò)程。因此，較不導(dǎo)電的氧化物層的生長(zhǎng)對(duì)組分的導(dǎo)電性產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，從金屬表面浸出的離子可能會(huì)使膜電極組件中的催化劑層中毒。即使非常少量的金屬離子也可能大大降低燃料電池的整體功率密度。因此，需要進(jìn)行表面改性或涂層保護(hù)以確保這些缺點(diǎn)不會(huì)縮短雙極板的使用壽命。

具有熱塑性或熱固性樹脂基體的石墨/聚合物復(fù)合材料雙極板在耐腐蝕性和低重量方面優(yōu)于金屬材料雙極板。另外，它們可以以經(jīng)濟(jì)的方式以模壓，注射成型工藝生產(chǎn)，具體方法取決于待制造樣品的單元數(shù)量。有幾種不同類型的市售石墨/聚合物復(fù)合雙極板,如聚丙烯(PP)，聚苯硫醚(PPS)，聚偏二氟乙烯(PVDF)和酚醛樹脂。然而，它們對(duì)氣體更具滲透性，并且比金屬板具有更低的體積電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。然而，復(fù)合雙極板對(duì)于固定式燃料電池來(lái)說(shuō)機(jī)械強(qiáng)度是完全足夠的。只有當(dāng)燃料電池取代內(nèi)燃機(jī)時(shí)，才考慮車輛應(yīng)用的典型特征。所以最重要的障礙是缺乏電導(dǎo)率和穩(wěn)定性，這是最終設(shè)備獨(dú)立應(yīng)用的關(guān)鍵。盡管PEM燃料電池的制造商已經(jīng)有成熟的商業(yè)產(chǎn)品，但是不斷尋求開發(fā)更好的復(fù)合材料，使其具有最大化的電導(dǎo)率，更好的穩(wěn)定性。定制這種先進(jìn)材料的途徑是在聚合物基質(zhì)中摻入除傳統(tǒng)石墨之外的其它碳基導(dǎo)電填料。這些是碳黑(CB)，多壁和單壁碳納米管(MWCNT和SWCNT)，碳纖維，石墨及其組合。導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度取決于添加顆粒的含量，形態(tài)，加工工藝和尺寸。這種非常復(fù)雜的行為通常在文獻(xiàn)中針對(duì)特定的填料和樹脂基體對(duì)進(jìn)行研究。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有的PEM燃料電池雙極板存在的問題，本發(fā)明的目的是在于提供一種抗彎強(qiáng)度和電導(dǎo)率等綜合性能高的雙極板的制備方法，該雙極板還能夠克服傳統(tǒng)石墨雙極板易脆斷，氫氣透過(guò)率高等缺陷。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供了一種聚酰亞胺-石墨復(fù)合材料雙極板的制備方法，其包括以下步驟：

1)將石墨與聚酰亞胺溶液混合并超聲處理后，在攪拌條件下進(jìn)行干燥，干燥物料進(jìn)行粉碎，得到聚酰亞胺/石墨混合粉料；

2)將石墨紙和碳纖維紙分別置于聚酰亞胺溶液中反復(fù)浸漬和干燥，得到表面負(fù)載聚酰亞胺的石墨紙和碳纖維紙；