CN102244271B - 质子交换膜燃料电池复合材料双极板及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板及生产方法，由酚醛树脂、碳化钛、石墨、固化剂组成。本发明选用石墨粉、改性酚醛树脂和碳化钛粉末。碳化钛（TiC）属面心立方晶型，熔点高，导热性能好，硬度大，化学稳定好，高温抗氧化性好，在常温下不与酸起反应，有很强的耐腐蚀性能和很高的导电性（比纯石墨还高），可以大大提高酚醛树脂/石墨复合材料双极板的力学性能、导电和导热性，制得的双极板不仅具有较高的电导率、导热率、较高的强度和耐氢腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池的一种新型复合材料双极板配方及成形方法。
背景技术
二十一世纪是能源紧缺的世纪，对新型能源的开发、现有能源的合理高效利用已成为本世纪发展的主题。目前，人类赖以生存的石油、天然气和煤等化石能源正在日趋减少，取而代之的将是氢能、太阳能和风能等可再生资源。同时，由于对现有资源（如石油、天然气和煤）的低效燃烧使用，既浪费了能源，也对环境造成了严重污染，已成为本世纪必须解决的重要问题。
燃料电池（Fuel Cells）是一种电可以直接将化学能转化为电能的发电装置。能量转换效率高（40%—60%）；环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少50%以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与世界大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，成为大家研究和开发焦点。
氢氧质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）使用氢气燃料、空气或氧气为氧化剂，除具有燃料电池一般的特点（如能量转化效率高、环境友好等）之外，同时还具有可在室温快速启动（工作温度一般在60～100 ℃）、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与能量高等突出特点，特别是其排放物为水，实现了无污染零排放。因此，它被公认为最有希望成为军事、航天、航海、电动汽车和区域性电站的首选电源。
双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的主要部件，双极板外形一般为平板型，单面或双面开有深1mm、宽1mm左右的流场（沟槽），为供氢气和氧气流动的通道。双极板的主要功能有：（1）分配电池中的燃料和氧化剂；（2）分离电池组中的单电池；（3）传导电流；（4）传输生成水、湿气；（5）冷却电池组。双极板的费用占燃料电池的一半以上，已严重阻碍质子交换膜燃料电池的商业化，找到价格低廉，寿命长的双极板材料成为质子交换膜燃料电池商业化迫在眉睫的问题。
目前，制造双极板的主要材料和方法有：
（1） 纯石墨双极板
一般采用石墨粉、粉碎的焦炭与可石墨化的树脂或沥青混合，在石墨化炉中严格按一定的升温程序，升温至2500～2700 ℃，制备无孔或低孔率（不大于1%），仅含纳米级孔的石墨块，再经切割和研磨，制备厚度为2～5 mm的石墨板，机加工共用孔道和用电脑刻绘机在其表面刻绘需要的流场。这种石墨双极板的制备工艺不但复杂、耗时、费用高，而且难以实现批量生产。石墨材料具有优越的导电性能，导热性和耐磨性能，是一种低密度材料，一直是双极板的首选材料，机加工工艺中的高温石墨化和气体流道的机加工是造成双极板价格昂贵的主要原因。
（2）金属双极板
金属材料双极板具有高电导率、高导热性、机械强度好及气体透过率低等优点，但金属在燃料电池运行的环境下,容易腐蚀不能满足长期使用的要求。用薄金属板作双极板材料突出的优点是特别适于批量生产，如采用冲压技术制备各种构形的双极板。采用薄金属板制备双极板的首要问题是解决其在PEMFC工作条件（氧化、还原气氛，一定的电位与弱酸性电解质）下的稳定性（即抗腐蚀问题），另一个问题就是还需进一步考察其寿命。
（3）石墨/聚合物
为降低石墨双极板的制备成本，满足大批量使用的要求，由石墨粉和聚合物树脂及其它各种配方和类似方法来制备复合材料双极板。这种方法由于采用模压成型，所以流道可直接一次成型出，具有效率高、成本低的特点，已成为目前PEMFC双极板具有发展前景的研究方向之一，国外已有规模化生产。但这种方法生产的双极板和上述二种方法生产的双极板比存在电导率低、强度低、导热率低等不足。
发明内容
对于双极板力学性能方面要求，主要是装配密封和紧固时，须有一定的抗压和弯曲强度，工作时并没有冲击、交变载荷复杂受力状况，所以在满足一定力学性能条件下，主要是提高其导电、导热性能和抗腐蚀性能。本发明的目的在于提供一种力学性能、导电和导热性好的质子交换膜燃料电池复合材料双极板及生产方法。
本发明的就是解决方案是：
一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板，其特征是：由下列重量百分比的原料制成：
酚醛树脂 5%~20%
碳化钛 1%~10%
石墨 60%~93%
固化剂 1%~10%。
所述固化剂为六次甲基四胺。
一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板的生产方法，其特征是：包括如下步骤：
1）将5%~20%重量百分比的酚醛树脂、1%~10%重量百分比的碳化钛和60%~93%重量百分比的石墨进行混合，再放入60~100℃烘箱中烘干1~5 h；
2）将干燥后的粉料取出，加入固化剂，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道（流场），使通过模压后流道可全部一次成型；（2）合模：加料后进行合模，合模时间为5s~30s,合模的压力在5~60 MPa，模压成型温度为130~220℃，保温时间为1~15min。；3）排气：模具合模后需要卸压排气，排气的次数为1~3次，每次的时间为3s~20s；（5）脱模：固化完成后，用推杆脱模。
3）在模压成型之后，用夹具夹住双极板放入烘箱中，保温处理，使双极板进一步固化得成品。退火温度为80~130℃，保温时间为4~24h。
步骤1）中所述混合方式为球磨干混或以为乙醇溶剂湿混。
本发明选用石墨粉、改性酚醛树脂和碳化钛粉末。碳化钛(TiC)属面心立方晶型，熔点高，导热性能好，硬度大，化学稳定好，高温抗氧化性好，在常温下不与酸起反应，有很强的耐腐蚀性能和很高的导电性（比纯石墨还高），可以大大提高酚醛树脂/石墨复合材料双极板的力学性能、导电和导热性，制得的双极板不仅具有较高的电导率、导热率、较高的强度和耐氢腐蚀性。
本发明制得的双极板的性能可达：
电导率210S/cm，抗弯强度36 MPa，抗压强度105 MPa，热传导率40-6 W/mK。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个实施例的生产方法流程图。
具体实施方式
实施例1：
1）将10%重量百分比的酚醛树脂、10%重量百分比的碳化钛和77%重量百分比的石墨进行球磨干混，再放入60~100℃烘箱中烘干1~5 h；
2）将干燥后的粉料取出，加入3%重量百分比的固化剂六次甲基四胺，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道（流场），使通过模压后流道可全部一次成型；（2）合模：加料后进行合模，合模时间为5s~30s,合模的压力在40 MPa，模压成型温度为200℃，保温时间为5min。；3）排气：模具合模后需要卸压排气，排气的次数为1~3次，每次的时间为3s~20s；（5）脱模：固化完成后，用推杆脱模。
3）在模压成型之后，用夹具夹住双极板放入烘箱中，保温处理，使双极板进一步固化得成品。退火温度为80~130℃，保温时间为4~24h。
制得的双极板的性能如下：
电导率210S/cm，抗弯强度36 Mpa，抗压强度105 Mpa，热传导率40-6 W/mK。
实施例2：
1）将5%~20%（例5%、12%、20%）重量百分比的酚醛树脂、1%~10%（例1%、5%、10%）重量百分比的碳化钛和60%~93%（例60%、75%、93%）重量百分比的石墨进行混合，再放入60~100℃（例60℃、80℃、100℃）烘箱中烘干1~5 h；
2）将干燥后的粉料取出，加入1~10%（例1%、6%、10%）重量百分比的固化剂，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道（流场），使通过模压后流道可全部一次成型；（2）合模：加料后进行合模，合模时间为5s~30s,合模的压力在5~60 MPa（例5 MPa、30 MPa、60 MPa），模压成型温度为130~220℃（例130℃、180℃、220℃），保温时间为1~15min。；3）排气：模具合模后需要卸压排气，排气的次数为1~3次，每次的时间为3s~20s；（5）脱模：固化完成后，用推杆脱模。
3）在模压成型之后，用夹具夹住双极板放入烘箱中，保温处理，使双极板进一步固化得成品。退火温度为80~130℃（例80℃、100℃、130℃），保温时间为4~24h。
步骤1）中所述混合方式为球磨干混或以为乙醇溶剂湿混。
Claims (1)
1.一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板的生产方法，其特征是：包括如下步骤：
1）将10%重量百分比的酚醛树脂、10%重量百分比的碳化钛和77%重量百分比的石墨进行球磨干混，再放入60～100℃烘箱中烘干1～5h；
2）将干燥后的粉料取出，加入3%重量百分比的固化剂六次甲基四胺，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道，使通过模压后流道可全部一次成型；（2）合模：加料后进行合模，合模时间为5s～30s,合模的压力在40MPa，模压成型温度为200℃，保温时间为5min；（3）排气：模具合模后需要卸压排气，排气的次数为1～3次，每次的时间为3s～20s；（4）脱模：固化完成后，用推杆脱模；
3）在模压成型之后，用夹具夹住双极板放入烘箱中，保温处理，使双极板进一步固化得成品；退火温度为80～130℃，保温时间为4～24h。
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