CN101656316A - 一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料 - Google Patents

一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料 Download PDF

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李爱菊
李二磊
尤铭铭
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Abstract

本发明涉及燃料电池双极板材料技术领域，尤其是一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料。磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料由石墨粉体、酚醛树脂粉体和磨碎碳纤维复合而成，磨碎碳纤维粒度为100～400目，酚醛树脂粉体粒度目数为200目及以上，石墨粉体粒度为80～200目。材料配方质量百分比为：磨碎碳纤维为1～12％；酚醛树脂粉体为12％～23％；石墨粉体65％～87％。由以上成分及配比制备的复合材料性能为：弯曲强度：50～68MPa，导电率：157～209s/cm，密度：1.79～1.88g/cm3，完全符合燃料电池双极板对弯曲强度及导电率的要求，同时，本发明的材料总成分缩减至3种，成分简化，性价比进一步提高。

Description

一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料
一、技术领域
本发明涉及燃料电池双极板材料技术领域，尤其是一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料。
二、背景技术
新型能源的开发与研究是当前国民经济发展的一个重要内容，也是世界各国经济发展重中之重的一个领域。燃料电池是一种将燃料气体和氧化剂的化学能通过电极反应直接转化为电能的装置，具有能量转换效率高，污染物排放量和噪音较低等优点，被誉为二十一世纪的清洁能源。燃料电池种类较多，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)虽研究较晚，但因其具有室温下启动快、比功率与比能量高、无电解液流失、产物易排出、寿命长、品种繁多、应用场合广泛等特点，得到越来越多国家的重视，发展势头良好。然而因制造成本高昂，PEMFC一直都被作为“概念”“环保”产品，没有价格优势，限制了它的推广应用。PEMFC中的关键组件之一——双极板，重量占整个PEMFC电堆的80％，成本占60～70％，因此其生产成本的降低对PEMFC的推广有着重要的意义。目前双极板材料主要有金属材料、石墨材料和树脂/石墨复合材料。树脂/石墨复合材料是目前制造质子交换膜燃料电池双极板的重要研究热点之一，它可通过典型的塑料加工技术如挤压、模压或注射成型工艺制造双极板，有望大大降低生产成本，推动燃料电池的产业化进程。然而该类型双极板材料的复合改进仍然面临着很多矛盾，例如高导电导热性需要高的石墨含量，而高气密性与适度机械强度又要求高的树脂含量。高树脂含量导致材料的导电性能降低、硬度升高、表面接触不良，进而对燃料电池的密封系统提出更高的要求。为解决这一问题，人们开展了多种树脂/石墨复合材料的研究，并提出了采用增强体来增强树脂/石墨复合双极板材料，以期在不降低材料导电性的前提下，提高材料的机械强度和减小双极板的厚度。
中国国家知识产权局专利局公开的，公开号为CN1929176，名称为“一种可用作质子交换膜的导流极板及其制造方法”的发明专利，提出了采用碳纤维增强树脂/石墨复合材料，但因所用碳纤维长度为1～100mm，较难实现均匀混料，尤其当制作1～2mm厚双极板或其他小型电极板时，混料不匀使得成型加工质量难于保证。
中国国家知识产权局专利局2009年6月3日公开的，公开号为CN101445649的“一种磨碎碳纤维增强树脂/石墨导电复合材料及其制备工艺”的发明专利克服了现有碳纤维增强树脂/石墨导电复合材料和工艺存在的缺陷，提供一种导电性好、耐腐蚀性强、机械强度高、阻气性好、工艺性能好，质量稳定、可靠，性价比好的导电复合材料及其加工工艺。但该发明专利采用混合树脂作为粘结剂，包括环氧树脂粉体、酚醛树脂粉体和硬脂酸锌粉体，总成分达4～5种，材料成分偏多，成本构成偏高。
中国国家知识产权局专利局授权的，专利号为ZL200710016748.0名称为“一种燃料电池双极板复合材料及其制备工艺”的发明专利，提出了采用碳纳米管增强酚醛树脂/石墨复合材料，但因碳纳米管成本很高，且为提高复合时与基体材料的结合强度，需进行繁杂的表面处理，进一步提高了加工成本。
三、发明内容
磨碎碳纤维是将长纤维脱浆剪切，球磨制成的颗粒细小、表面光滑的圆柱形纤维。磨碎碳纤维具有优良的机械性能与导电性能，同时，因其颗粒细小，对于树脂/石墨基体具有良好的填充效果，是一种非常理想的增强材料。再者，由于呈颗粒状，磨碎碳纤维与粉状石墨和粉状酚醛树脂混合容易，均匀分布在复合材料中，易于起到增强作用。另外，磨碎碳纤维价格便宜，市场供应充沛，且因其在出厂时已进行过400℃以上高温处理，可不需表面处理而直接应用。
本发明的目的是克服现有技术的不足和缺陷，发挥磨碎碳纤维优良的导电性能与力学性能，提供一种满足抗弯强度大于等于50MPa和常温体积电导率大于等于100S/cm要求，以磨碎碳纤维为增强体、酚醛树脂为粘结剂和石墨为基体的成分简单、成本低廉的燃料电池双极板复合材料。
本发明的技术方案如下：
磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料由石墨粉体、酚醛树脂粉体和磨碎碳纤维复合而成，磨碎碳纤维粒度为100～400目，酚醛树脂粉体粒度目数为200目及以上，石墨粉体粒度为80～200目；材料配方质量百分比为：磨碎碳纤维1～12％；酚醛树脂粉体12％～23％；石墨粉体65％～87％。
磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料的制备工艺采用与公开号为CN101445649的“一种磨碎碳纤维增强树脂/石墨导电复合材料及其制备工艺”相同的制备工艺，即：
(1)按质量百分比备料石墨、酚醛树脂、磨碎碳纤维；
(2)混合磨碎所备混合料，获得细化、均匀的混合粉体，混合采用干法工艺进行混合磨碎，不添加任何溶剂；
(3)将混合粉体装入模压成型模具中，热压烧结成型，成型温度为250～300℃，成型压力为25～35MPa，保温保压时间为60～120min。
由以上成分及配比和制备工艺所得复合材料的性能为：弯曲强度：50～68MPa，导电率：157～209s/cm，密度：1.79～1.88g/cm3，完全符合燃料电池双极板对弯曲强度及导电率的要求，同时，本发明的材料总成分缩减至3种，成分简化，性价比进一步提高。
四、具体实施方式
实施例一：
按质量百分比配料，粒度为100目的磨碎碳纤维5％，其他成分：80～200目之间石墨粉体78％、200目及以上酚醛树脂粉体17％；采用球磨混合磨碎；装入模具热压，成型压力：25MPa，成型温度：250℃，固化时间：100min。
所制备的导电复合材料性能如下：
抗弯强度：54MPa；电导率：176S/cm；密度：1.86g/cm3。
实施例二：
按质量百分比配料，粒度为400目的磨碎碳纤维12％，其他成分：80～200目之间石墨粉体67％、200目及以上酚醛树脂粉体21％；采用球磨混合磨碎；装入模具热压，成型压力：30MPa，成型温度：275℃，固化时间：100min。
所制备的导电复合材料性能如下：
抗弯强度：57MPa；电导率：170S/cm；密度：1.79g/cm3。
实施例三：
按质量百分比配料，粒度为200目的磨碎碳纤维7％，其他成分：80～200目之间石墨粉体78％、200目及以上酚醛树脂粉体15％；采用球磨混合磨碎；装入模具热压，成型压力：30MPa，成型温度：300℃，固化时间：100min。
所制备的导电复合材料性能如下：
抗弯强度：68MPa；电导率：209S/cm；密度：1.87g/cm3。
实施例四：
按质量百分比配料，粒度为200目的磨碎碳纤维1％，其他成分：80～200目之间石墨粉体82％、200目及以上酚醛树脂粉体17％；采用球磨混合磨碎；装入模具热压，成型压力：30MPa，成型温度：280℃，固化时间：120min。
所制备的导电复合材料性能如下：
抗弯强度：57MPa；电导率：186S/cm；密度：1.89g/cm3。

Claims (1)

1、一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料，由石墨粉体、酚醛树脂粉体和碳纤维复合而成，其特征在于所述碳纤维为磨碎碳纤维，粒度为100～400目，酚醛树脂粉体粒度目数为200目及以上，石墨粉体粒度为80～200目；
材料配方质量百分比为：
磨碎碳纤维1～12％；酚醛树脂粉体12％～23％；石墨粉体65％～87％。
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