CN100359732C - 一种提高导电复合材料双极板电导率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高导电复合材料双极板电导率的方法。一种提高导电复合材料双极板电导率的方法，其特征是：在通过导电复合材料来制作双极板的过程中，采用两种不同尺寸的导电填料进行合理的颗粒级配来提高双极板的电导率；当大尺寸导电填料的直径D确定后，选择小尺寸导电填料的直径d＝0.1-0.5D，小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比为10-30%。由于小尺寸导电填料的加入，可以进一步增加大尺寸导电填料之间的接触程度，从而进一步提高导电复合材料双极板的电导率；同时，采用两种不同尺寸的导电填料进行合理的颗粒级配还可改善导电复合材料的流变性能，从而有利于模压和注射成型。

Description

一种提高导电复合材料双极板电导率的方法
技术领域
本发明涉及一种提高质子交换膜燃料电池的双极板电导率的方法，具体涉及一种提高导电复合材料双极板电导率的方法。
背景技术
双极板作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键材料之一，目前广泛采用机加工石墨板，但由于它的制作成本太高从而限制了PEMFC的商业化。有望代替机加工石墨板的是导电复合材料双极板，它是目前最主要的一个研究方向，即由石墨或炭粉等导电填料与聚合物树脂或其它粘结剂复合来制作双极板，一般采用模压成型，采用合适模具可以一次性得到气体流场，这样的复合材料可以看作是一种高含量导电填料填充材料，为了满足双极板的电导率要求，石墨的体积含量必须达到45％。为了进一步缩短生产周期，对于采用热塑性高分子材料作为粘结剂的导电复合材料双极板，理想的制作工艺是采用注射成型，这就要求导电复合材料具有很好的流动性和成型加工性，因此在满足双极板电导率的前提下，必须尽量使用少的导电填料，这样双极板的力学强度也可大大提高。总之，通过导电复合材料来制作双极板的关键问题是：双极板的电导率和力学强度必须同时满足燃料电池的使用要求，并且还具有很好的成型加工性。
在通过导电复合材料来制作双极板的过程中，有许多专利通过精心选择导电颗粒的尺寸来提高双极板的电导率，但他们大都采用的是具有同一尺寸的一种导电填料，所以电导率提高的不是很大。从图1我们可以看出，在导电填料聚集的某些区域，导电填料堆积的是否紧密肯定会影响导电复合材料的电导率。采用两种不同尺寸的导电填料进行合理的颗粒级配来提高双极板电导率的方法还没见报道。
发明内容
本发明的目的是通过两种不同尺寸的导电填料进行合理的颗粒级配来提高导电复合材料双极板的电导率，解决导电复合材料双极板电导率和力学强度不能兼得的难题。
本发明的技术方案是：一种提高导电复合材料双极板电导率的方法，其特征是包括如下步骤：
1).研磨并筛分导电填料，得到直径为D的大尺寸导电填料和直径为d的小尺寸导电填料，D＝80-100μm，d＝0.1-0.5D；
2).根据小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比为10-30％，分别称量两种不同尺寸的导电填料并进行充分干混；
3).干混后的导电填料中加入胶粘剂，导电填料所占重量百分比为50-60％，胶粘剂所重量百分比为40-50％，胶粘剂为有机高分子胶粘剂或无机胶粘剂；采用密炼机、搅拌、震荡、球磨机或超声波等进行混合；
4).将混合物在模具内模压，模压压力为10-15MPa，模压温度根据使用的胶粘剂不同而采用相应的温度，得产品。
所述的小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比为10-20％。
所述的导电填料为石墨、Ti3SiC2粉末、TiB2、碳黑、碳纳米管或碳纤维等。
所述的有机高分子胶粘剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯或环氧树脂等；无机胶粘剂为硅酸盐或磷酸盐等。
本发明选择两种不同尺寸的导电填料作为混合导电填料来制作导电复合材料双极板，通过严格控制小尺寸导电填料与大尺寸导电填料的直径比以及重量比，由于向大尺寸导电填料中加入小尺寸导电填料，进一步增加大尺寸导电填料之间的接触程度(如图2所示)，从而进一步提高导电复合材料双极板的电导率。与现有采用同一尺寸导电填料的双极板相比，本发明在导电填料含量的没有增加的前提下(即保持双极板很强的力学强度)，其电导率得以提高；当采用小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比为10-20％，其电导率提高更为显著。同时，采用两种不同尺寸的导电填料进行合理的颗粒级配还可改善导电复合材料的流变性能，从而有利于模压和注射成型。
附图说明
图1为采用同一尺寸导电填料的导电复合材料的示意图
图2为采用两种不同尺寸导电填料的导电复合材料的示意图
图中：○代表大尺寸导电填料，●代表小尺寸导电填料，-代表胶粘剂。
具体实施方式
实施例1：
研磨并筛分人造石墨粉，得到尺寸分别为45μm和90μm的两种石墨粉，根据小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比分别为10％，20％，30％称量石墨粉并在球磨机内进行干混。加入钠水玻璃耐酸水泥胶粘剂，并借助超声设备让石墨粉充分分散。最后在平板硫化机上采用合适模具室温模压成型，模压压力12MPa。测量样品的电导率，其测试结果如表1。
表1：
  小尺寸石墨/石墨总含量(wt％)   钠水玻璃耐酸水泥/石墨电导率(s/cm)
  1000102030   339.24522.60551.60531.20529.73
表1为钠水玻璃耐酸水泥/石墨导电复合材料电导率的测试结果。
注：石墨总含量58wt％。
实施例2：
方法同实施例1，把胶粘剂钠水玻璃耐酸水泥更换为高铝水泥。其测试结果如表2。
表2：
  小尺寸石墨/石墨总含量(wt％)     高铝水泥/石墨电导率(s/cm)
  1000102030     367.54467.61493.36476.33469.82
表2为高铝水泥/石墨导电复合材料电导率的测试结果。
注：石墨总含量60wt％。
实施例3：
研磨并筛分Ti3SiC2粉末，Ti3SiC2粉末的制备方法可采用专利98114247.8(一种钛碳化硅粉末的制备方法)。得到尺寸分别为45μm和90μm的两种Ti3SiC2粉末，根据小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比分别为10％，20％，30％称量Ti3SiC2粉末并在球磨机内进行干混。加入聚偏氟乙烯胶粘剂进一步混合，最后在平板硫化机上采用合适模具模压成型，模压温度180℃，模压压力10MPa。测量样品的电导率，其测试结果如表3。
表3：
小尺寸Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>/Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>总含量(wt％)     聚偏氟乙烯/Ti<sub>3</sub>SiC<sub>2</sub>电导率(s/cm)
1000102030     267.54337.61363.27346.39340.34
表3为聚偏氟乙烯/Ti3SiC2导电复合材料电导率的测试结果。
注：Ti3SiC2总含量50wt％。
实施例4：
方法同实施例3，把导电填料Ti3SiC2粉末更换为人造石墨粉。其测试结果如表4。
表4：
  小尺寸石墨/石墨总含量(wt％)   聚偏氟乙烯/石墨电导率(s/cm)
  1000102030   588.46677.16713.54696.30684.74
表4聚偏氟乙烯/石墨导电复合材料电导率的测试结果。
注：石墨总含量60wt％。
实施例5：
研磨并筛分人造石墨粉，选择尺寸为90μm的石墨粉作为大尺寸导电填料，尺寸为1μm的碳黑粉末作为小尺寸导电填料，根据小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比分别为10％，20％称量石墨粉和碳黑粉末并在球磨机内进行干混。加入聚偏氟乙烯胶粘剂进一步混合，最后在平板硫化机上采用合适模具模压成型，模压温度180℃，模压压力10MPa。测量样品的电导率，其测试结果如表5。
表5：
  小尺寸碳黑/导电填料总含量(wt％)     聚偏氟乙烯/填料电导率(s/cm)
  10001020     550.74677.16725.75703.70
表5聚偏氟乙烯/填料导电复合材料电导率的测试结果。
注：导电填料总含量50wt％。
实施例6：
方法同实施例5，把尺寸为1μm的碳黑粉末小尺寸导电填料更换为尺寸为36μm的碳黑粉末。其测试结果如表6。
表6：
    小尺寸碳黑/导电填料总含量(wt％)     聚偏氟乙烯/填料电导率(s/cm)
    10001020     597.61677.16744.38727.93
表6聚偏氟乙烯/填料导电复合材料电导率的测试结果。
注：导电填料总含量50wt％。

Claims (3)

1.一种提高导电复合材料双极板电导率的方法，其特征是包括如下步骤：
1).研磨并筛分导电填料，得到直径为D的大尺寸导电填料和直径为d的小尺寸导电填料，D＝80-100μm，d＝0.1 D-0.5D；
2).根据小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比为10-30％，分别称量两种不同尺寸的导电填料并进行充分干混；
3).干混后的导电填料中加入胶粘剂，导电填料所占重量百分比为50-60％，胶粘剂所占重量百分比为40-50％，胶粘剂为有机高分子胶粘剂或无机胶粘剂；采用密炼机、搅拌、震荡、球磨机或超声波进行混合；所述的有机高分子胶粘剂为聚偏氟乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯或环氧树脂；无机胶粘剂为硅酸盐或磷酸盐；
4).将混合物在模具内模压，模压压力为10-15MPa，得产品。
2.根据权利要求1所述的一种提高导电复合材料双极板电导率的方法，其特征是所述的小尺寸导电填料占导电填料总量的重量百分比为10-20％。
3.根据权利要求1所述的一种提高导电复合材料双极板电导率的方法，其特征是所述的导电填料为石墨、Ti3SiC2粉末、TiB2、碳黑、碳纳米管或碳纤维。
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