CN101859905B - 一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法 - Google Patents

一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN101859905B
CN101859905B CN2010102069056A CN201010206905A CN101859905B CN 101859905 B CN101859905 B CN 101859905B CN 2010102069056 A CN2010102069056 A CN 2010102069056A CN 201010206905 A CN201010206905 A CN 201010206905A CN 101859905 B CN101859905 B CN 101859905B
Authority
CN
China
Prior art keywords
coupling agent
bipolar plates
preparation
silane
ultrasonic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN2010102069056A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101859905A (zh
Inventor
刘洪波
陈惠�
李建新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hunan University
Original Assignee
Hunan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hunan University filed Critical Hunan University
Priority to CN2010102069056A priority Critical patent/CN101859905B/zh
Publication of CN101859905A publication Critical patent/CN101859905A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101859905B publication Critical patent/CN101859905B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

本发明提供了一种制备双极板的方法，将粘结剂溶解于有机溶剂中，加入添加剂炭黑，在超声器中超声分散后，再向其中加入所需的石墨导电填料和水，之后，在超声器中超声分散，同时搅拌，之后干燥，超声波频率为：20～80KHz；上述混合物料粉碎后再经成型-固化工艺后制得双极板。为增强无机导电物与有机聚合物之间的浸润性，还可使用偶联剂。本发明使各物料混合得更均匀，而采用该方法制备的双极板，其导电率可提高近70％。

Description

一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法。
背景技术
目前，在采用一次成型法制作双极板的技术中，是以热固性或热塑性树脂有机物为粘结剂，以石墨或碳黑无机填料为导电骨料，上述物料经预处理后混合均匀，经干燥-破碎-过筛，制备得到复合粉料，再通过模压、挤压或注射等成型方法一次性将粉料成型得到带流场的各种形状和尺寸的复合材料双极板。上述复合粉料制备工艺中，普遍采用机械混合法。但实验发现，采用该混合法制作的复合粉料，再加工成双极板，在扫描电镜下观察该双极板，可看到其中分别存在树脂的聚集区和石墨的聚集区，且有局部大块现象，因此双极板压制得不紧密，其抗折强度、导电性能受到很大影响；并且，现有技术中，直接采用无机物填料和有机聚合物粘结剂，没有其它辅助试剂，由于这两类物质在化学结构和物理形态上存在着显著的差异，两者缺乏亲和性，也使得最后制得的双极板石墨与树脂间的结合界面疏松，存在孔洞，压制不紧密，大大影响其抗折强度和导电性能。
发明内容
本发明旨在提供一种压制紧密、抗折强度和导电性能优良的双极板的制备方法。
本发明采用下述方案实现：将粘结剂用树脂溶解于有机溶剂中，加入添加剂炭黑，在超声器中超声分散后，再向其中加入所需的导电填料和水，之后在超声器中超声分散，同时施以机械搅拌，频率一股可选择3000-4500转/分钟，超声波频率为：20～80KHz，将物料混合均匀后，再将混合料在不高于40℃环境中干燥，上述混合物料粉碎后再经成型——固化工艺后制得双极板，各物料加入比例与现有技术中各物料加入比例相同，成型步骤可采用现有技术中的模压、挤压、注射等各种方式，如模压成型条件：压力120-200MPa，保压时间1-10min，固化程序为：80℃-100℃-120℃-140℃-160℃-180℃，在各温度段间保温1小时，最后在180℃保温两小时以上。
为进一步提高树脂粘结剂和无机填料两者之间的浸润性，对所述的导电填料先进行表面预处理，方法是：取导电填料、有机溶剂、水及偶联剂于容器内，用超声波振荡、搅拌混合均匀，超声波频率为：20～80KHz，然后在不高于80℃条件下烘干即可。
另一种提高浸润性的方法是：向所述的粘结剂用树脂中加入偶联剂，超声分散后再向其中加入添加剂炭黑。
上述两种提高浸润性的方法中，所采用的偶联剂是下述两类物质中的一种，一类是如Y-Si-(OR)3式表示的硅烷类物质，其中Y为有机官能基团，OR指可水解的烷氧有机基团，如γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷；另一类偶联剂则可采用钛酸有机酯类物质，如异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯，复合型单烷氧基类钛酸酯。
上述偶联剂的添加量为所用导填料质量的0.5％-1％。
与现有技术相比，本发明优点体现如下：1.本发明在加入导电填料和水后采用超声分散和搅拌同时进行的方式，该方法被称为超分散法，在这种超声波环境下，树脂体系受高强交变声强的作用产生空化效应，分子的构象发生改变，分子运动加剧，从而导致树脂的粘度及表面张力迅速下降，流动性变好。这些因素减小了导电粒子运动时的粘滞阻力，使石墨颗粒等导电粒子的表面能均匀充分地被树脂浸润，各物料混合得更均匀。采用该方法得到的复合材料再制备成双极板，其导电率可提高近70％。
2.采用本发明的对导电填料先进行偶联剂表面预处理的方法，制得的复合材料再制作成双极板后，双极板压制得非常紧密，可大大提高其抗折强度。
3.采用本发明的直接向粘结剂中加入偶联剂的方法，制得的复合材料再制作成双极板后一方面双极板压制紧密，可提高其抗折强度，另一方面可降低偶联剂对导电性能的不利影响，提高双极板的综合性能，且该方法工艺简化，实用性强。
具体实施方式
实施例1将10g无水乙醇溶液加入到置有14.3g酚醛树脂的容器中，在超声清洗器内超声5分钟使树脂充分稀释。然后加入2.5g添加剂炭黑，在超声清洗器内超声分散20分钟，再加入37.5g导电填料石墨粉搅拌10分钟，加入50ml蒸馏水后，再将容器置于超声振荡器内超声分散，同时用机械搅拌器搅拌1小时，搅拌频率为4500转/分钟，超声波频率为：80KHz。物料混合均匀后，将泥浆状混合料取出置于鼓风干燥箱中于40℃下恒温烘干；之后将上述混合物料经模压成型-固化步骤后制得双极板。成型条件：压力160MPa，保压时间5min，固化程序为：80℃-100℃-120℃-140℃-160℃-180℃，在各温度段间保温1小时，最后在180℃保温两小时。
作为对比，将采用现有技术的机械混合方法制备前期混合物料后再做成双极板，进行性能对比实验，结果见表1：表1不同混合方式制备的双极板性能对比
混合方法 密度(g/cm3) 电导率(s×cm-1)   抗折强度(MPa)
  机械混合   1.73   55.6   34.0
  超分散法   1.74   93.8   36.6
从表中可看到，采用实施例1的超分散法制备的双极板其电导率提高近70％，抗折强度也提高近8％。
_实施例2采用实施例1基本相同的工艺流程，不同之处在于，一是模压压力为200MPa，模压保压时间3min；二是先要对导电填料石墨粉进行表面预处理，方法如下：向容器中加入60克石墨、54毫升无水乙醇、6毫升蒸馏水，0.54克γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，即偶联剂添加量为石墨质量的0.9％，将容器置于超声波振荡器内，同时机械搅拌30分钟，然后在烘箱中80℃条件下烘干，即得经表面预处理的石墨粉。
采用本实施例的方法制成的双极板，抗折强度可达42.9MPa，较未经偶联剂预处理的36.6MPa提高近20％，电导率有所减小，但减小的幅度不大。
_实施例3采用如实施例2的工艺流程，偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷，添加量分别为0、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％，超声频率为40KHz，机械搅拌频率为3000转/分钟以考察该预处理方法中偶联剂添加量对双极板性能的影响，结果见表2。从表中可看出，随着硅烷偶联剂量的增加，密度变化不大，可见用硅烷偶联剂对石墨进行预处理时，偶联剂的量对双极板密度的影响不大，随硅烷偶联剂用量的增加，双极板的电导率在一定范围里呈下降的趋势，而抗折强度则先增大后减小，且在偶联剂含量为0.9％左右时达到最大值42.9MPa。由此说明对导电填料进行偶联剂预处理的方法，可有效提高双极板的抗折强度。
表2硅烷偶联剂预处理石墨时双极板的性能
  偶联剂含量   密度g.cm-3  电导率S·cm-1  抗折强度MPa
  0   1.74   93.8   36.6
  0.5％   1.71   75.74   36.80
  0.6％   1.75   79.39   36.90
  0.7％   1.78   79.76   42.01
  0.8％   1.76   78.52   42.30
  0.9％   1.72   78.14   42.90
  1.0％   1.74   75.61   40.20
实施例4将酚醛树脂溶解于无水乙醇中，超声分散5分钟，向其中直接加入乙烯基三乙酰氧基硅烷偶联剂，加入量为所需用石墨粉质量的0.7％，超声分散10分钟后再加入添加剂碳黑，其余步骤与实施例1基本相同，但成型模压的压力120MPa，保压时间10min。
采用本实施例法制得双极板，抗折强度可达43.34MPa，电导率84.33S·cm-1，与未添加偶联剂的双极板各性能相比，抗折强度提高18.4％，与实施例2和3的偶联剂预处理法相比，电导率的下降幅度大大降低，因此该方法可有效提高双极板的综合性能，且该方法工艺实现方式简单，易控制。
实施例5采用如实施例4的工艺流程，偶联剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯，添加量分别为所需用石墨粉质量的0、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1.0％，超声频率为20KHz，机械搅拌频率为3500转/分钟，以考察该直接加入方法中偶联剂添加量对双极板性能的影响，结果见表3。
表3钛酸酯偶联剂直接加在树脂中时双极板的性能
  偶联剂含量   密度g.cm-3  电导率S·cm-1  抗折强度MPa
  0   1.73   93.8   36.6
  0.5％   1.758   84.15   36.50
  0.6％   1.758   83.52   39.20
  0.7％   1.738   83.81   42.10
  0.8％   1.750   75.07   40.50
  0.9％   1.740   68.07   39.22
  1.0％   1.708   68.56   31.10
从表中可发现，钛酸酯偶联剂的添加导致了双极板导电性能略有下降，但对抗折强度的提高有一定的贡献。随着钛酸酯偶联剂用量的增加，电导率总体上呈下降趋势，抗折强度随着钛酸酯偶联剂的用量的增加而增加，在0.7％左右时达到最大值42.1MPa，随后又随着添加剂用量的增加而降低。与未添加偶联剂的空白样相比，抗折强度提高幅度较大，与偶联剂预处理法相比，电导率的下降幅度大大降低，在满足双极板电性能要求同时保持较高的抗折性能，双极板的综合性能较高，且与预处理法相比，该直接加入法工艺实现方式简单，易控制。
实施例6采用与实施例4的基本相同的工艺流程，不同的条件如下：偶联剂为植物酸型单烷氧基类钛酸酯，添加量为所需用石墨粉质量的0.7％，超声频率为80KHz。
采用本实施例法制得双极板，其双极板的抗折强度可达40.8MPa，电导率86.1S·cm- 1。
实施例7所有工艺及条件均与实施例6相同，仅将偶联剂换为复合型单烷氧基类钛酸酯。双极板抗折强度可达43.6MPa，电导率79.7S·cm-1。

Claims (8)

1.一种双极板的制备方法，将粘结剂用树脂溶解于有机溶剂中，加入添加剂炭黑，在超声器中超声分散后，再向其中加入所需的石墨导电填料和水，将物料混合均匀后在不高于40℃环境中干燥，上述混合物料粉碎后再经成型——固化工艺后制得双极板，其特征在于：上述加入石墨导电填料和水后物料混合方式是在超声器中超声分散，同时施以机械搅拌，超声波频率为20～80KHz。
2.如权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述的导电填料先进行表面预处理，方法是：取导电填料、有机溶剂、水及偶联剂于容器内，用超声波振荡、搅拌混合均匀，超声波频率为20～80KHz，然后在不高于80℃条件下烘干即可，其中偶联剂采用下述物质中的一种，一种是如Y-Si-(OR)3式表示的硅烷类物质，其中Y为有机官能基团，OR指可水解的烷氧有机基团；另一种是钛酸有机酯类物质。
3.如权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于：向所述的溶于有机溶剂中的粘结剂用树脂中先加入偶联剂超声分散后，再向其中加入添加剂炭黑，其中偶联剂采用下述物质中的一种，一种是如Y-Si-(OR)3式表示的硅烷类物质，其中Y为有机官能基团，OR指可水解的烷氧有机基团；另一种是钛酸有机酯类物质。
4.如权利要求2或3所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述的偶联剂添加量为所用导电填料质量的0.5％～1％。
5.如权利要求2或3所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述的硅烷类偶联剂优选下述物质中的一种或多种：γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷。
6.如权利要求4所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述的硅烷类偶联剂优选下述物质中的一种或多种：γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷。
7.如权利要求2或3所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述的钛酸有机酯类偶联剂优选下述物质中的一种或多种：异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯、复合型单烷氧基类钛酸酯。
8.如权利要求4所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述的钛酸有机酯类偶联剂优选下述物质中的一种或多种：异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯、植物酸型单烷氧基类钛酸酯、复合型单烷氧基类钛酸酯。
CN2010102069056A 2010-06-23 2010-06-23 一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法 Active CN101859905B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010102069056A CN101859905B (zh) 2010-06-23 2010-06-23 一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010102069056A CN101859905B (zh) 2010-06-23 2010-06-23 一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101859905A CN101859905A (zh) 2010-10-13
CN101859905B true CN101859905B (zh) 2012-06-20

Family

ID=42945655

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010102069056A Active CN101859905B (zh) 2010-06-23 2010-06-23 一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101859905B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102074714A (zh) * 2010-12-17 2011-05-25 湖南大学 一种以过渡金属—石墨层间复合物为填料制备燃料电池双极板的方法
CN102580747A (zh) * 2011-12-23 2012-07-18 湖南大学 一种金刚石合成用复合触媒及制备方法
CN103311515B (zh) * 2013-06-28 2015-08-19 深圳市动力创新科技企业（有限合伙） 一种石墨烯基硅碳复合负极材料及其制备方法
CN105006583A (zh) * 2015-06-12 2015-10-28 陈曦 一种全钒氧化还原液流电池用集流板制备方法
CN110474067A (zh) * 2018-05-10 2019-11-19 北京普能世纪科技有限公司 聚合物复合材料双极板、其制备方法与钒液流电池

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1677716A (zh) * 2004-03-30 2005-10-05 三星Sdi株式会社 燃料电池的隔板及其制备方法以及包括它的燃料电池
CN1688052A (zh) * 2005-03-18 2005-10-26 清华大学 利用热塑性树脂为粘合剂制备燃料电池双极板的方法
CN1710739A (zh) * 2004-06-19 2005-12-21 韩国轮胎株式会社 燃料电池分隔板成型用材料及其制造方法
CN101123314A (zh) * 2006-06-27 2008-02-13 通用汽车环球科技运作公司 使用硅烷偶合剂改善聚合物涂层对双极板表面的粘附性
CN101346841A (zh) * 2005-12-21 2009-01-14 东海碳素株式会社 燃料电池隔板材料及其制造工艺
CN101593837A (zh) * 2009-06-30 2009-12-02 哈尔滨工业大学 膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板及其制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1677716A (zh) * 2004-03-30 2005-10-05 三星Sdi株式会社 燃料电池的隔板及其制备方法以及包括它的燃料电池
CN1710739A (zh) * 2004-06-19 2005-12-21 韩国轮胎株式会社 燃料电池分隔板成型用材料及其制造方法
CN1688052A (zh) * 2005-03-18 2005-10-26 清华大学 利用热塑性树脂为粘合剂制备燃料电池双极板的方法
CN101346841A (zh) * 2005-12-21 2009-01-14 东海碳素株式会社 燃料电池隔板材料及其制造工艺
CN101123314A (zh) * 2006-06-27 2008-02-13 通用汽车环球科技运作公司 使用硅烷偶合剂改善聚合物涂层对双极板表面的粘附性
CN101593837A (zh) * 2009-06-30 2009-12-02 哈尔滨工业大学 膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘洪波 等.超声分散技术在燃料电池复合材料双极板制备中的应用.《中国金属学会炭素材料分会第二十三次学术交流会会议论文》.2009,第43-49页. *

Also Published As

Publication number Publication date
CN101859905A (zh) 2010-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101859905B (zh) 一种燃料电池用石墨/树脂复合双极板的制备方法
CN101913593B (zh) 一种用于生产纳米碳的石墨材料及其制备方法
CN105777126A (zh) 一种大规格炭石墨密封材料基体的制备方法
CN105802019A (zh) 一种石墨烯/玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
CN101725032A (zh) 一种植物纤维的微波改性方法及其应用
CN1305154C (zh) 利用热塑性树脂为粘合剂制备燃料电池双极板的方法
CN103769047A (zh) 一种成型活性炭的制备方法及成型活性炭
CN108407135B (zh) 采用水辅助熔融混炼挤出制备聚丙烯/膨胀石墨复合材料的方法及其应用
CN104033607B (zh) 一种鳞片石墨复合密封板及制造方法
CN104499380B (zh) 一种利用纤维质固废物制备育苗容器的方法
CN102168325A (zh) 一种多孔碳纤维和基于该多孔碳纤维的吸波复合材料及制备方法
CN102199265A (zh) 一种长碳链尼龙改性酚醛树脂及其制备方法
CN109971047A (zh) 一种天然橡胶-白炭黑复合材料及其制备方法和应用
CN102675717B (zh) 一种改性印刷电路板非金属回收料及其制备方法
CN108022706A (zh) 一种磁功能化石墨烯复合材料的制备方法
CN105799078A (zh) 一种直接雾化橡胶湿法混炼方法
CN104497609A (zh) 一种全纤维可降解复合材料的制备方法
CN105754330A (zh) 一种pa66纳米导电复合材料
CN205766687U (zh) 实木颗粒刨花板生产系统
CN202412519U (zh) 一种液相法制备橡胶复合材料的干燥设备
CN101974207B (zh) 一种基于纳米石墨片的高导电率复合材料及其制备方法
CN207576156U (zh) 一种生产氨基纳米泡沫的快速乳化装置
CN107619554A (zh) 一种高性能导电塑料及其制备方法
CN103242683B (zh) 甲基乙烯基硅橡胶补强用乙烯基官能化白炭黑的制备方法
JP2013170241A (ja) 親水性ナノファイバー複合材料の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20101013

Assignee: Miluo City Hua Xian carbon element Co., Ltd

Assignor: Hunan University

Contract record no.: 2012430000230

Denomination of invention: Method for preparing graphite/resin compound bipolar plate for fuel cell

Granted publication date: 20120620

License type: Exclusive License

Record date: 20121217

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model