CN103746131A - 一种pem燃料电池复合双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PEM燃料电池复合双极板及其制备方法。该双极板包括以蠕虫石墨为基材制得的上下表层和经导电颗粒嵌在有机物薄膜中制得的多个层板单元预制体组成，其中相邻的层板单元预制体上有一个或多个导电颗粒重叠区域，形成一个或多个曲折的导电通路。将下表层材料、多个层板单元预制体、上表层材料依次铺叠在模具中，经二次模压，获得PEM燃料电池双极板。本发明提高了PEM燃料电池复合双极板生产效率，降低了其制造成本，具有高的抗弯强度、良好的导电性和气密性。

Description

一种PEM燃料电池复合双极板及其制备方法
技术领域
本发明公开了一种PEM燃料电池复合双极板及其制造方法，属于燃料电池双极板材料与制造技术领域。
背景技术
双极板作为PEM燃料电池双极板的关键部件之一，具有支撑膜电极、运输燃料、分隔反应气体、收集并传导电流的作用，同时还担负起整个电池的排水和散热功能。
无孔石墨双极板是最早的双极板材料，具有良好的导电性和耐腐蚀性能，但其质脆、机械强度低，需做到5~6mm厚才能保证机械强度，这增加了双极板体积和重量，不利于燃料电池的轻量化；为了提高其气密性和导电性，这种双极板需要多次浸渍和石墨化处理，且其气体流道机加工工艺过程复杂、耗时、费用高，不利于商业化生产。
金属双极板具有优良的导电性、抗弯强度、气密性，而且成本较低，表面气体流场可以通过机加工、蚀刻获得，便于大批量制造。但金属材料双极板的耐腐蚀性差，在酸性环境中极易腐蚀产生钝化和电离，这增加了双极板的接触电阻；更为糟糕的是产生的金属离子扩散到膜电极中，将使催化剂中毒，影响整个电池堆的能量输出。因此，如何低成本地制备金属双极板耐腐蚀涂层并保证其导电性能不变是亟待解决的关键性技术难题。
研究表明，石墨/有机物复合双极板已成为PEM燃料电池双极板的主流，但目前存在的主要问题是如何使石墨/有机物复合双极板同时兼具高导电率和高抗弯强度。这是因为由于不导电的有机物加入，降低了复合双极板的导电性，增加石墨掺杂颗粒数量可以提高其导电能力，但过多的石墨颗粒会对复合双极板的抗弯强度产生不利影响。因此，如何协调两者之间比例关系是技术难点。
目前，用于制造石墨/有机物复合双极板的方法主要有：模压成形、注射成形或挤出成形。无论采取上述哪种方法，混料是不可或缺的一个工艺环节，目前混料方法主要有干混法和湿混法两种。干混法难以将导电颗粒和有机物粉末混合均匀，注射成形或挤出成形时会破坏原有的分散效果，导电颗粒只是杂乱无章地、孤立地存在于有机物中，未形成良好的导电通道，为了获得三维导电网络、保证复合双极板的导电性，常需要加入更多的导电颗粒（一般为70~80wt%）才能实现这一目标，这进一步增加粉料混合难度，无法保证复合双极板的抗弯强度。湿混法对导电颗粒的分散效果虽优于干混法，但其未完全解决导电颗粒混合均匀性问题，导电颗粒仍是毫无规律地存在于有机物中，同样需要加入一定数量，才能保证复合双极板的导电性能。由于需要更多的能量和更长时间才能去除原溶液中的溶剂，这直接影响复合双极板成型效率和生产成本，此外，溶剂在缓慢挥发过程中在复合双极板内部留下许多细小的孔洞，这会增加模压或挤压成形工艺难度，也会对复合双极板的气密性和抗弯强度产生不利影响。
因此，对于PEM燃料电池复合双极板，迫切需要一种全新的设计和制造方法，以协调其导电性能和抗弯强度之间的矛盾，保证气密性，兼顾复合双极板生产效率和成本。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种PEM燃料电池复合双极板，以协调双极板导电性能和抗弯强度之间的矛盾，保证气密性，同时兼顾复合双极板生产效率和成本。
本发明是这样实现上述目的的：一种PEM燃料电池复合双极板，包括上、下表层和多个层板单元预制体，其中，上、下表层上分布气体流道，上、下表层间设置有n个层板单元预制体。
所述的层板单元预制体上包覆有有机物薄膜，有机物薄膜上嵌有导电颗粒，相邻的层板单元预制体上的导电颗粒有一个或多个重叠区域，进一步相邻的层板单元预制体上导电颗粒为部分重叠，形成一条或多条曲折的导电通路，所述的层板单元预制体是在外加气压作用下，导电颗粒嵌在有机物薄膜上，经干燥、加热后获得的。
所述的上、下表层材料为蠕虫石墨经可溶性树脂浸渍后干燥而成，所述的可溶性树脂经有机溶剂溶解。其中可溶性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、聚氯乙烯中的一种，有机溶剂为无水乙醇、丙酮、环己烷中的一种或多种。
所述的导电颗粒是鳞片石墨片、微晶石墨片、铝粉、铜粉中的一种或几种组合。
所述的有机物薄膜为可溶性树脂经高速旋转后制得，其中有机物薄膜厚度为0.01~0.2mm，所述的可溶性树脂经有机溶剂溶解。
所述的可溶性树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、聚氯乙烯中的一种，有机溶剂为无水乙醇、丙酮、环己烷中的一种或多种。
依次将下表层材料、多个层板单元预制体、上表层铺叠在带有气体通道结构的金属模具中经一次热模压和二次真空模压，获得所需的PEM燃料电池双极板。
本发明的另一目的在于提供一种PEM燃料复合双极板的制备方法，具体为：
（1）上下表层材料制备：将可溶性树脂投入质量浓度为70-90%的有机溶剂中，搅拌均匀，使其溶解，再将蠕虫石墨放入经溶剂溶解的可溶性树脂中，浸渍30-100min后，在30-50℃，83-98KPa下真空干燥60-150min或在50~250μm下红外线干燥5-20min，取出备用；按重量份计，可溶性树脂为50-80份，70~90%的有机溶剂为20-50份。
（2）层板单元预制体制备：取（1）中所述的有机溶剂，在旋转速度为1000-1200r/min下制备有机物薄膜，控制有机物薄膜厚度在0.01~0.2mm之间，将导电颗粒在外加0.3-0.9MPa的气压作用下喷射到机物薄膜中，保证相邻的层板单元间导电颗粒有一个或n个重叠区域，并形成一个或n个曲折的导电通路，将嵌有导电颗粒的有机物薄膜在30-50℃，83-98KPa下真空干燥60-150min或在50~250μm红外线下干燥5-20min后制得层板单元预制体，重复上述过程，制得n个层板单元预制体；
（3）多层铺叠：依次将下表层材料、多个层板单元预制体、上表层材料铺叠在带有气体通道结构的金属模具中；
（4）模压成型：将（3）铺叠的材料进行两次模压，一次模压在温度低于可溶性树脂固化温度10-20℃，压力为3-5MPa条件下模压5-15min；二次模压在温度高于可溶性树脂固化温度30~50℃，压力为30-60MPa，真空度为100~200Pa下模压20-60min。
所述的n大于等于3。
采用本发明的技术方案具有如下优异效果：
（1）所述的双极板具有多层结构，包括上下表层和多个层板单元。上下表层以具有可压缩的蠕虫石墨为原材料，易模压出复杂的气体流通通道。
（2）每个层板单元上的导电部位位置和大小均可控，多个层板单元叠加后易形成一条或多条曲折的导电通道，从而保证双极板具有良好的气密性以及导电通道结构的多样性。
（3）在有机物薄膜的指定部位嵌入导电颗粒，形成三维导电网络和载流子迁移界面，保证导电性，在没有导电颗粒的部位是有机物薄膜，保证抗弯强度，协调了导电颗粒的掺入量和有机物绝缘体之间比例关系。
（4）采用一次模压成型和二次真空模压成型，使得双极板具有更高的表面质量，同时消除了双极板内部气泡。
（5）导电颗粒直接嵌在有机物薄膜中，无需混料，控制有机物薄膜厚度，使得单个层板单元干燥时间更短，可实现双极板低成本大批量生产。
附图说明
图1所示为PEM燃料电池双极板的结构示意图。其中，1是上下表层，为柔性石墨板，2是n个层板单元，3是气体流道，4是层板单元导电颗粒，5是有机物薄膜。
图2所示为PEM燃料电池双极板制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1
将液态酚醛树脂溶入质量浓度80%的无水乙醇中，配制质量浓度为70%的酚醛树脂溶液，再将蠕虫石墨放入上述有机溶剂中浸渍30min，随后放入在50℃，98KPa下真空干燥60min。取上述有机溶剂50克注射到旋转速度为1000转/min旋转工作台上，获得厚度为0.1mm酚醛树脂薄膜基材；在0.8MPa气体压力作用下将250目鳞片石墨喷射到酚醛树脂薄膜中，在50℃，98KPa下真空干燥60min，获得层板单元预制体，重复上述过程10次，获得10个层板单元预制体。将下表层材料、10个层板单元预制体、上表层材料铺叠在模具中，先在80℃、5MPa的条件下模压5min，接着在130℃、30MPa的真空条件下保持30min，真空度控制在200Pa以下。测得上述燃料电池双极板的导电率为110S/cm，抗弯强度为70MPa，氢气透过率为1.8×10-6 cm3(cm·s)-1。
实施例2：
以环氧树脂作有机物基材，质量浓度为75%丙酮作溶剂，配制质量浓度为60%的环氧树脂溶液，将蠕虫石墨放入环氧树脂溶液中浸渍处理90min，在100μm红外线，60℃下干燥10min，干燥120~150min。将60克环氧树脂溶液注射到旋转速度为1200转/min旋转工作台上，获得厚度为0.08mm环氧树脂薄膜基材；在1.0MPa外加气压作用下将300目鳞片石墨喷射到环氧树脂薄膜基材中，在100μm红外线，60℃下干燥10min，获得层板单元预制体，重复上述过程5次，获得5个层板单元预制体。将下表层材料、5个层板单元预制体、上表层材料铺叠在模具中，先在160℃、3MPa的条件下热压15min，接着在240℃、30MPa的真空条件下保压20min，真空度控制在200Pa以下。测得上述燃料电池双极板的导电率为105S/cm，抗弯强度为72MPa，氢气透过率为1.6×10-6cm3(cm·s)-1。50~250μm下红外线干燥5-20min。
实施例3：
以聚氯乙烯作有机物基材，质量浓度为95%环己烷作溶剂，配制浓度为60%的环氧树脂溶液，将蠕虫石墨放入有机物溶液中浸渍处理90min，200μm红外线，60℃下干燥10min。将65克聚氯乙烯溶液注射到旋转速度为1200转/min旋转工作台上，获得厚度为0.2mm环氧树脂薄膜基材；在1.0MPa外加气压作用下将250目鳞片石墨和300目铜粉（二者质量比为3：1）喷射到环氧树脂薄膜基材中，200μm红外线，60℃下干燥10min，获得层板单元预制体，重复上述过程3次，获得3个层板单元预制体。将下表层材料、多个层板单元预制体、上表层材料铺叠在模具中，先在100℃、3MPa的条件下热压5min，接着在150℃、30MPa的真空条件下保压20min，真空度控制在200Pa以下。测得上述燃料电池双极板的导电率为150S/cm，抗弯强度为59.5MPa，氢气透过率为2.0×10-6 cm3(cm·s)-1。

Claims (14)

1.一种PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：该复合双极板包括上、下表层（1），上、下表层（1）上间隔分布有气体流道（3），上、下表层间设置有n个层板单元预制体（2）。
2.根据权利要求1所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：所述的层板单元预制体上包覆有有机物薄膜（5），有机物薄膜（5）上嵌有导电颗（4）。
3.根据权利要求2所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：所述的导电颗粒（4）是鳞片石墨片、微晶石墨片、铝粉、铜粉中的一种或几种组合。
4.根据权利要求2所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：所述的有机物薄膜（5）为可溶性树脂经高速旋转后制得，其中有机物薄膜厚度为0.01 ~ 0.2mm，所述的可溶性树脂经有机溶剂溶解。
5.根据权利要求1或2所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：所述的n个层板单元预制体（2）中，相邻的层板单元预制体（2）上导电颗粒（4）有一个或多个重叠区域，形成一条或多条曲折的导电通路。
6.根据权利要求3所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：相邻的层板单元预制（2）体上导电颗粒（4）为部分重叠。
7.根据权利要求1所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：所述的上、下表层（1）材料为蠕虫石墨经可溶性树脂浸渍后干燥而成，所述的可溶性树脂经有机溶剂溶解。
8.根据权利要求6或7所述的PEM燃料电池复合双极板，其特征在于：所述可溶性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚氯乙烯中的任意一种，有机溶剂为无水乙醇、丙酮、环己烷中的一种或多种。
9.一种PEM燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）上、下表层材料的制备：将可溶性树脂投入质量浓度为70-90%的有机溶剂中，搅拌均匀，使其溶解，再将蠕虫石墨放入经溶剂溶解的可溶性树脂中，浸渍30-100min后，干燥，取出备用；
2）层板单元预制体：取1）中所述的经有机溶剂溶解的可溶性树脂，在旋转速度为1000-1200r/min下制备有机物薄膜，控制有机物薄膜厚度在0.01~0.2mm之间，将导电颗粒嵌入到有机物薄膜上，将嵌有导电颗粒的有机物薄膜经干燥后制得层板单元预制体，重复上述过程，制得n个层板单元预制体；
3）铺叠：依次将下表层材料、n个层板单元预制体、上表层材料铺叠在带有气体流道结构的金属模具中；
4）模压成型：将3）铺叠的材料进行两次模压，具体为在低温、低压下进行一次模压成型，然后提高温度和压力、在真空条件下进行二次模压成型。
10.根据权利要求9所述的PEM燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于：步骤1）及步骤2）中所述的干燥为在30-50℃，83-98KPa下真空干燥60-150min或在50~250μm红外线，50-80℃下干燥5-20min。
11.根据权利要求9所述的PEM燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于：步骤1）中，按重量份计，可溶性树脂为50-80份，70~90%的有机溶剂为20-50份。
12.根据权利要求9所述的PEM燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于：步骤2）中导电颗粒嵌在有机物薄膜中是指导电颗粒在外加0.3-0.9MPa的气压作用下喷射到机物薄膜中，保证相邻的层板单元间导电颗粒有一个或n个重叠区域，并形成一个或n个曲折的导电通路。
13.根据权利要求9所述的PEM燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于：步骤4）中一次模压在温度低于可溶性树脂固化温度10-20℃，压力为3-5MPa条件下模压5-15min；二次模压在温度高于可溶性树脂固化温度30~50℃，压力为30-60MPa，真空度为100~200Pa下模压20-60min。
14.根据权利要求9或12所述的PEM燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于：所述的n大于等于3。
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