CN103117397A

CN103117397A - 一种燃料电池用双极板的制造工艺

Info

Publication number: CN103117397A
Application number: CN2013100434241A
Authority: CN
Inventors: 顾荣鑫; 管俊生; 张超; 沈军; 徐麟; 袁亦林; 李富国; 陈安定
Original assignee: Kunshan FUersai Energy Co Ltd
Current assignee: Kunshan FUersai Energy Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN103117397B

Abstract

本发明公开一种燃料电池用双极板的制造工艺，其利用膨胀石墨为碳基材料，树脂粉末为粘接剂，在复合材料制备中加入炭黑，小的炭黑颗粒帮助在石墨颗粒之间形成传导通道，增加电导率，碳纤维合并入复合双极板会产生很好的弯曲强度。这样经过合理的复合可制备一种具备良好耐蚀性、导电导热性、阻气性与机械强度，成本低廉的燃料电池双极板。

Description

一种燃料电池用双极板的制造工艺

所属技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用双极板的制造工艺，通过模压石墨双极板及其制造工艺，具体的说就是通过适当比例的膨胀石墨/树脂/第三组分，采用合理的工艺方法，一次成型制造燃料电池双极板。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是将燃料(氢气)和空气中的氧气进行化学反应将化学能转变成电能。它的基本原理是在阳极侧通入燃料(H₂)，在阴极侧通入氧化剂(O₂或者空气)，并使之分别在催化剂的作用下发生电化学反应，产生电能，其反应产物只有水，对环境无污染。在燃料电池正常工作时，内部的燃料、氧化剂与冷却液必须通过双极板有效地进行运送与分隔开来。在质子交换膜燃料电池的主要部件中，双极板不仅在重量上，也在体积上和成本上占据着重要部分。比如在成本方面，如果采用天然石墨作为双极板，其材料及制造成本将占整个电堆的10～30％。双极板不仅是将单电池串联起来组装成电池堆的关键部件，而且还需将反应气体导入催化层并传导反应产生的电流，同时还担负起整个电池的散热和排水功能。因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆性能的优劣和使用寿命的长短。一般地，质子交换膜燃料电池运行在60～80℃温度、pH2～3的酸度、80～100％相对湿度，并具有一定电势的环境中。相对苛刻的工况条件要求双极板不但要具有优异的导电导热性、一定的机械强度、良好的化学稳定性、耐气体渗透性，而且还必须具备材料成本低、易加工、良好的尺寸稳定性等。因此，高性能、低成本的双极板的开发，对于促进燃料电池的商业化显得非常重要。

现在对于双极板的研究已经包括金属板、纯石墨板和复合材料板三大类。其中，金属板具有良好的导电导热性，减薄至0.1mm也不漏气，并且气体流道可冲压成型，易于实现批量化生产，这有利于体积比功率的提升和制造成本的下降。但是，金属双极板的成型模具精度要求高，成本也高；必须对金属基材，尤其是表面进行特殊处理以提高其化学稳定性，否则易出现金属板腐蚀甚至锈穿，导致电池的使用寿命缩短甚至发生灾难性的破坏。

还有现在虽然纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，纯石墨板一般采用传统的机加工方法加工流道，流道就不能太窄(比如不能低于0.7mm)。因为如果流道过窄，加工刀具在加工过程中的磨损所引起的尺寸误差将不能容忍；此外，机加工过程耗时也很长，生产效率不高，这些都导致双极板的加工成本偏高，甚至超过材料成本；另一方面，纯石墨板性脆，其内部孔隙的存在导致其易漏气，必须保持一定的厚度以保证其气密性，这就制约了电堆体积比功率和重量比功率的提升，所以寻求更好的制作工艺与方法，是燃料电池商业化的必经之路。

现在也有不少这方面的研究，其中各种类型的复合材料，比如金属/石墨复合板、天然石墨/树脂复合板及膨胀石墨(EG)/树脂复合板等都在被实验当中。由于膨胀石墨在具备天然石墨优良耐蚀性与导电导热性的同时，由于其体积急剧膨胀和压缩后易形成致密的层状结构，膨胀石墨还具有易于成型、高阻气率和不易粉化、不易溶出金属离子等优点。所以有想把膨胀石墨/树脂/第三组份进行合理比例的混合制备出满足需求的燃料电池双极板。

专利申请号为200710052762.6的专利公开了一种用于质子交换膜燃料电池中的双极板及其制备方法。膨胀石墨基复合材料双极板,其特征在于它由两层膨胀石墨材料和一张中间层碳布或碳纸放入带有气体流场的双极板模具中模压而成;所述的膨胀石墨材料,以及碳布或碳纸,预先用固含量为10-50WT%的热塑性树脂的乳液或溶液浸渍;所述的膨胀石墨材料为蠕虫状石墨。该发明因为增加了中间层碳布或碳纸，使得其垂直方向的电导率可能不能满足燃料电池对于双极板的性能需求。

专利号为200910072406.X的专利公开了一种膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板及其制备方法,它涉及一种双极板及其制备方法。本发明解决了质子交换膜燃料电池双极板导电性差、机械性能差问题。本发明双极板由膨胀石墨、热塑性酚醛树脂和六次甲基四胺制成,方法如下:将膨胀石墨与热塑性酚醛树脂的水溶液混合、过滤,然后将滤渣干燥后与六次甲基四胺球磨混合,再加入模具中模压,然后减压、升温,再保温模压、脱模,即得膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板。

专利申请号为200810246970.4的专利公开了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。

上两种发明是一种湿法工艺，该法有利于树脂与膨胀石墨的相互分散和均匀混合。但湿混法的缺陷也是显而易见的，因为引入的溶剂必须在后续树脂固化工序中挥发去除。这一方面会增加操作时间，不利于产能提高；同时还会恶化操作环境，甚至危害工人健康；更为严重的是，溶剂在挥发过程中，会在膨胀石墨中留下孔道，使复合板的孔隙率上升，这就增加了产品的漏气率；即使这种孔隙率是在可以容忍的范围，如果固化过程不够缓慢，还会导致复合板中出现气泡和裂隙。

专利申请号为200810014872.8的专利公开了一种导电复合材料及其制备工艺,尤其是涉及环氧、酚醛混合树脂/石墨基导电复合材料及其制备工艺。其材料配方质量比为:石墨材料:70-90%,环氧树脂:0-24%,酚醛树脂:30-2%。制备工艺为:(1)按质量百分比备料环氧树脂、酚醛树脂与石墨;(2)混合磨碎环氧树脂、酚醛树脂和石墨,获得细化、均匀的混合粉体,粒度在100目到180目之间;(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180-310℃,成型压力为10-40MPA,保温保压时间为30-120MIN。该专利的想法是采用干法工艺来进行双极板的生产，但需要提供双极板的导电性问题。

最简单的干混法可采用文献[S.R.Dhakate，etal.Int.J.Hydrogen Energy，2008，33：7146]和[S.I.Heo，et al.J.Power Sources，2007，171：396]描述的研磨法。然而，由于蠕虫状的膨胀石墨的密度只是天然石墨的数百分之一，且极易破碎，如果只是将膨胀石墨与树脂进行简单的研磨混合，很难达到良好的混合效果且耗时较长，

膨胀石墨也会部分乃至完全碎断，失去原来的蠕虫状结构。

发明内容

由于现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种燃料电池用双极板的制造工艺，利用膨胀石墨为碳基材料，树脂粉末为粘接剂，在复合材料制备中加入炭黑，小的炭黑颗粒帮助在石墨颗粒之间形成传导通道，增加电导率，碳纤维合并入复合双极板会产生很好的弯曲强度。这样经过合理的复合可制备一种具备良好耐蚀性、导电导热性、阻气性与机械强度，成本低廉的燃料电池双极板。

为实现上述目的，本发明的一种燃料电池用双极板的制造工艺，包括以下步骤：

1)将研磨筛分过后的满足粒径需求的树脂粉末70～90wt%与炭黑或碳纤维10～30wt%进行干混，并达到混合均匀的程度；

2）之后把适当比例均匀混合炭黑或碳纤维的树脂30～50wt%与现制的膨胀石墨50～70wt%进行比例混合；

3)将混合好的膨胀石墨、树脂、炭黑或碳纤维的混合料压制成预压板，预压板的厚度为3～7mm，密度为0.2～1.0g/cm³；

4)将制备好的光面预压板装入带有成型流道模具内，并将整体开始升温预热，当温度达到目标后保温预热一段时间，使内部的树脂软化，同时也是在模压成型之前将预压板内的气体排出来，防止模压成型固化之后出现气泡开裂；

5)将预热好的预压板与模具整体转移到模压机平台上，模压成进一步带流道的成型双极板；

6)当模压成型之后，把整套模具用夹具夹住后放入固化炉中进行固化，固化成型之后使其自然冷却，拆开模具取出固化成型的双极板。

作为本发明的进一步特征，所述步骤2）中，采用混料仪进行混合，混合时间10～30min，每次混合的量是按一份模压双极板的量进行混合的。

作为本发明的进一步特征，所述步骤3）中，使用模压机进行进行压制，下压速度的控制在1～4mm/min，当达到压制厚度后进行保压，保压时间是10～20min,保压压强为10MPa～30MPa，把混合料内部的空气尽量的排出。

作为本发明的进一步特征，所述步骤5）中，下压速度为0.5～1mm/min，下压压强为50MPa～100MPa，保压时间5～10min，之后将模具原位旋转90度再次进行保压，保压时间是5～10min，压力不变，之后再进行90度旋转，进行第三次的保压，保压时间是5～10min，压力不变，之后再旋转90度进行第四次保压，保压时间是5～10min，压力不变。

由于采用了上述方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的工艺方法将充分保持、利用膨胀石墨相互交联构成的三维网状结构，并通过均匀混入拌有第三组份的树脂粉未，制成具有良好的导电导热性和柔性的燃料电池复合双极板；该工艺是一种环保、高效、低成本的工艺。它的实现将可大幅提高双极板的性能、耐久性，并降低材料加工成本。解决这些目前急需要解决的关键问题，对于质子交换膜燃料电池的商业化推广将有重要意义

附图说明

图1为本发明的工艺流程图

图中：

1是筛分之后的树脂粉末

2是炭黑/碳纤维

3是混合均匀的树脂、炭黑/碳纤维

4是现制的膨胀石墨

5是预压板

6是带流道的模压成型双极板

a是第一步混合

b是第二步混合是并压制成预压板

c进一步模压成带流道双极板

具体实施方式

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

1)将研磨筛分过后的满足粒径需求的树脂粉末（70～90wt%）与炭黑/碳纤维（10～30wt%）进行干混，务必达到混合均匀的程度；

2）之后把适当比例均匀混合炭黑/碳纤维的树脂（30～50wt%）与现制的膨胀石墨（50～70wt%）进行比例混合；用混料仪进行混合混合时间10～30min，每次混合的量不宜过多是按一份模压双极板的量进行混合的；

3)将混合好的膨胀石墨、树脂、炭黑/碳纤维的混合料压制成具有一定厚度和形状的预压板，预压板的厚度为3～7mm，密度为0.2～1.0g/cm³,预压时应注意模压机下压的距离与下压时间，即下压速度的控制好1～4mm/min，当达到压制厚度后进行保压，保压时间是10～20min,保压压强为10MPa～30MPa，这是为了把混合料内部的空气尽量的排出；

4)将制备好的光面预压板装入带有成型流道模具内，并将整体开始升温预热，设定温度是100～200℃，当温度达到目标后保温预热一段时间，以便内部的树脂软化，同时也是在模压成型之前将预压板内的气体排出来，防止模压成型固化之后出现气泡开裂；

5)将预热好的预压板与模具整体转移到压机平台上，模压成进一步带流道的成型双极板，在下压时为了保证模压的精度，下压速度与保压时间都应该严格控制；下压速度为0.5～1mm/min，下压压强为50MPa～100MPa，保压时间5～10min，之后将模具原位旋转90度再次进行保压，保压时间是5～10min，压力不变，之后再进行90度旋转，进行第三次的保压，保压时间是5～10min，压力不变，之后再旋转90度进行第四次保压，保压时间是5～10min，压力不变；

6)当模压成型之后，把整套模具用用夹具夹住后进行加紧，加紧压力5MPa～10MPa，之后放入固化炉中进行固化，固化成型之后使其自然冷却，拆开模具取出固化成型的双极板。

工艺当中树脂为热固型树脂，其含量为20～50wt％；所述膨胀石墨的含碳量大于99％，膨胀倍数为100～300；第三组份炭黑/碳纤维的含量为2～10wt％。所述树脂为环氧树脂、聚丙烯酸树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂或氟碳树脂；树脂粉末的直径为50～80μm。模压成型板厚度为1.0～2.0mm，密度为1.0～2.0g/cm³。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims

1.一种燃料电池用双极板的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制造工艺，其特征在于：所述步骤2）中，采用混料仪进行混合，混合时间10～30min，每次混合的量是按一份模压双极板的量进行混合的。

3.根据权利要求1或2所述的制造工艺，其特征在于：所述步骤3）中，使用模压机进行压制，下压速度的控制在1～4mm/min，当达到压制厚度后进行保压，保压时间是10～20min,保压压强为10MPa～30MPa，把混合料内部的空气尽量的排出。

4.根据权利要求3所述的制造工艺，其特征在于：所述步骤5）中，下压速度为0.5～1mm/min，下压压强为50MPa～100MPa，保压时间5～10min，之后将模具原位旋转90度再次进行保压，保压时间是5～10min，压力不变，之后再进行90度旋转，进行第三次的保压，保压时间是5～10min，压力不变，之后再旋转90度进行第四次保压，保压时间是5～10min，压力不变。