CN101447571B - 一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法 - Google Patents
一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，包括用柔性石墨板制作阳极流场、阴极流场及水板，并将它们与密封框和分割板组装成双极板。方法是先将低密度柔性石墨板材，在真空下预压成密度为0.65-0.75g/cm3的板材，后在低粘度树脂溶液中真空浸渍，经表面处理并烘干后，在真空条件下辊压或模压出流场，固化后得到聚合物/柔性石墨复合板制成的流场和水板。最后，将用聚合物/柔性石墨复合板制成的流场和水板与密封框和分割板组合成双极板。本发明的优点是：更易于控制极板中的树脂含量，对气体的密封性能好，机械性能好，并利于降低极板的厚度，且制备工艺简单，易于批量生产，对促进燃料电池产业化发展有一定的意义。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备工艺。
背景技术
双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的关键组件，在燃料电池中它起着分配燃料气和空气、实现单片电池之间的电的联结、从活性区域带出废热、防止气体和冷却剂的泄漏以及促进电池中的水管理等功能。此外，双极板的成本约占电池总成本的30％-45％左右，而其质量占总重量的80％，因此其对于整个PEMFC系统的质量、体积和成本也有着显著的作用。由此可见，如果能选用一种廉价的、质量轻的、性能卓越的双极板材料，将会使双极板乃至整个燃料电池系统向前迈进一大步，也为它们的产业化作了良好的铺垫。
近年来，由于低成本、高导电性能、高挠曲性以及易加工等特点，聚合物/柔性石墨材料已成为一种适宜的燃料电池双极板材料。现有的技术中，利用柔性石墨板材为原料制备此类双极板的主要方法有两种。一种是将低密度柔性石墨板材一次成型，形成流场板，再进行树脂浸渍，最终固化成型。如，Ballard公司在专利WO0041260中提出聚偏氟乙烯/柔性石墨双极板就是采用此种工艺。这种方法制备的双极板易于成型，但是树脂浸渍效果不理想，会影响材料的气体渗透性能和机械性能。另一种方法是直接利用低密度柔性石墨板材进行树脂浸渍，经烘干后在进行压制成型并固化。中国科学院大连化学物理研究所采用此种方法开发了热固性树脂/柔性石墨双极板(专利200410020905.1)。这种工艺制备的双极板有着良好的导电、机械和密封性，但是厚度较大，对电池组的组装和实际应用，特别是车用方面，有一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备工艺。采用此种工艺制备的双极板材料有着良好的导电、机械以及气体密封性能。
本发明的技术方案是：
一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，包括柔性石墨板的处理方法和用柔性石墨复合板制作阳极流场、阴极流场及水板，并将它们与密封框和分割板组装成双极板，其特征在于：所述的柔性石墨板的处理方法是：将低密度柔性石墨板材，在真空下进行预压，制成密度为0.65-0.75g/cm3的板材，然后用低粘度树脂溶液对该板材进行真空浸渍，浸渍后的板材经表面处理后在70-90℃的温度下烘干1-4小时；所述的用柔性石墨板制作阳极流场、阴极流场及水板，是用上述经过预压、树脂浸渍和烘干制得的密度为0.65-0.75g/cm3的板材，在真空条件下辊压或模压出流场，后在160-180℃下进行固化，得到密度为1.6-2.0g/cm3的聚合物/柔性石墨复合材料制成的阳极流场、阴极流场及水板。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于所述的将低密度柔性石墨板材预压成密度为0.65-0.75g/cm3的板材的预压条件是：预压压力为1-1.5MPa，预压的真空度为-0.08--0.10MPa，所述的用经过预压、树脂浸渍和烘干后的密度为0.65-0.75g/cm3柔性石墨板材在真空条件下辊压或模压出流场的压制条件是；辊压或模压压力为8-12Mpa，辊压或模压的真空度为-0.08--0.10Mpa。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的低粘度树脂为酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、呋喃树脂和脲醛树脂中的一种，或者两种以上的混合液，树脂的质量分数为20-40％。树脂的溶剂是乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙烯中的一种。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的用低粘度树脂溶液进行真空浸渍的板材的表面处理的方法是用表面活性剂或溶剂擦洗或浸泡板材，去除表面残留的树脂。
本发明所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的用低粘度树脂溶液进行真空浸渍的板材的表面处理所用的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、吐温、十二烷基三甲基溴化铵、OP乳化剂和十二烷基苯磺酸钠中的一种，所用的溶剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙烯中的一种。发明中所述的极板流场采用平行沟槽流场。
本发明的有益效果是：
1、将低密度柔性石墨板材进行预压，可以更容易控制树脂的浸渍量，同时可以增强柔性石墨材料基体的机械性能和气体的密封性；
2、二次压制可以继续减少材料中原有的孔隙以及溶剂挥发产生的微孔，进一步增加材料的致密性，增强复合双极板的气体密封性和机械强度；
3、真空条件下压制，降低了成型过程中产生细小裂纹和气泡的几率；
4、制备的双极板材料有着良好的导电、机械以及气体密封性能。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
图2为本发明的双极板组装的燃料电池性能曲线图。
附图中，1、以本发明的双极板组装的燃料电池的电流密度与电压的关系曲线，2、以本发明的双极板组装的燃料电池的电流密度与功率密度的关系曲线。
具体实施方式
结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明采用附图1所示的制备工艺流程。选取厚度为7mm，密度为0.20g/cm3的柔性石墨板材，在真空下(真空度-0.08MPa)对其进行预压，预压压力为1.5MPa，制成密度为0.69g/cm3的板材。选择环氧树脂为聚合物填料，以酚醛树脂为固化剂，溶剂选用乙醇，配制质量分数为40％的树脂溶液。利用该树脂溶液对板材进行真空浸渍(真空度-0.08MPa)18小时。取出后，利用酒精擦洗的后处理方法处理浸渍后的板材表面残留的树脂，并在80℃下烘干2小时。烘干后的板材在真空条件下(真空度-0.08MPa)经二次辊压出流场流道，辊压压力为10Mpa；最后经由程序升温至175℃下固化，升温速率为0.5℃/min。得到厚度为1mm，密度为1.91g/cm3的聚合物/柔性石墨复合极板。
对制得的极板进行性能分析，结果如下：
表1
实施例2
与实施例1不同之处在于：选用了质量分数为20％的树脂溶液。最终得到厚度为1mm，密度为1.79g/cm3的聚合物/柔性石墨极复合板。
对制得的板材进行性能分析，结果如下：
表2
实施例3
与实施例1不同之处在于：选用了质量分数为23％的树脂溶液。最终得到厚度为1mm，密度为1.81g/cm3的聚合物/柔性石墨极复合板。对制得的板材进行性能分析，结果如下：
表3
利用该复合材料制备的双极板组装成电池，其性能如图2所示。
实施例4
与实施例3不同之处在于：选用了OP乳化剂浸渍处理材料表面的残留树脂。最终得到厚度为1mm，密度为1.83g/cm3的聚合物/柔性石墨极复合板。
对制得的板材进行性能分析，结果如下：
表4
Claims (5)
1.一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，包括柔性石墨板的处理方法和用柔性石墨板制作阳极流场、阴极流场及水板，并将它们与密封框和分割板组装成双极板，用柔性石墨板制作阳极流场、阴极流场及水板是在真空条件下辊压或模压出流场，后在160-180℃下进行固化，其特征在于：所述的柔性石墨板的处理方法是：将低密度柔性石墨板材，在真空下进行预压，制成密度为0.65-0.75g/cm3的板材，然后用低粘度树脂溶液对该板材进行真空浸渍，浸渍后的板材经表面处理后在70-90℃的温度下烘干1-4小时；所述的用柔性石墨板在真空条件下辊压或模压出阳极流场、阴极流场及水板，是用上述经过预压、树脂浸渍和烘干制得的密度为0.65-0.75g/cm3的板材，在真空条件下辊压或模压成密度为1.6-2.0g/cm3的聚合物/柔性石墨复合板制成的阳极流场、阴极流场及水板。
2.按照权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于所述的将低密度柔性石墨板材预压成密度为0.65-0.75g/cm3的板材的预压条件是：预压压力为1-1.5MPa，预压的真空度为-0.08—-0.10MPa，所述的经过预压、树脂浸渍和烘干后的聚合物/柔性石墨板材在真空条件下辊压或模压出流场的压制条件是：辊压或模压压力为8-12MPa，辊压或模压的真空度为-0.08—-0.10MPa。
3.按照权利要求2所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的低粘度树脂为酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、呋喃树脂和脲醛树脂中的一种，或者两种以上的混合液，树脂的质量分数为20-40％。树脂的溶剂是乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙烯中的一种。
4.按照权利要求3所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的用低粘度树脂溶液进行真空浸渍的板材的表面处理的方法是用表面活性剂或溶剂擦洗或浸泡板材，去除表面残留的树脂。
5.按照权利要求4所述的一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的用低粘度树脂溶液进行真空浸渍的板材的表面处理所用的表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、吐温、十二烷基三甲基溴化铵、OP乳化剂和十二烷基苯磺酸钠中的一种，所用的溶剂为乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙烯中的一种。
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