CN104201391A - 一种低温成型树脂碳板及其制备方法 - Google Patents

一种低温成型树脂碳板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低温成型树脂碳板及其制备方法，低温成型树脂碳板按重量百分比，包括：5%-85%的热固型树脂、5%-85%的导电材料和5%-85%热反应型填充材料。所述方法包括以下几个步骤：步骤A:将导电材料混合均匀，再加入热反应型填充材料，用干粉均质机混合均匀；步骤B：将步骤A得到的混合均匀的材料与热固型树脂按比例混合均匀，静置，使导电材料与树脂混合；步骤C：取所述步骤B得到的材料倒入模具中脱膜，脱膜后可得树脂碳板。本发明的树脂碳板：1.高导电率；2.机械强度可调适，加工性及耐久性强；3.气密性佳，树脂的配方搭配热反应型填料，形成较佳的连续接口；4.耐蚀性佳；5.直接低温成型，节省加工制程及成本；6.应用扩充性广泛。

Description

一种低温成型树脂碳板及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，涉及一种燃料电池结构中的电极双极板，尤其涉及一种低温成型树脂碳板及其制备方法。
背景技术
燃料电池为近年来逐渐被广泛应用之绿色能源，其制作及发电机制，改变了传统液态电池形式，使用高效率的固态质子交换膜以气体作为发电之能源，第二发电站及行动电源等应用日益增加。燃料电池结构中，多使用金属与石墨板复合双极板。其中石墨板系以高温高压先制成石墨柱，再切片研磨成石墨片，用于燃料电池中需再CNC加工，刻出气体流道。高压石墨板成本高，制程加工成本也高，其易脆的特性使得成型加工、组装上机的困难度增加。美国专利6,248,467公开了一种热固性树脂-导电填料复合材料双极板，由乙烯基树脂加石墨粉铸模而成，但在实际应用上，于燃料电池的操作环境中有易形变的缺陷。美国专利6,379,795公开了一种以注模方式成型的高导电复合材料，但其导电率仅能达到102s/cm，已不符合现今燃料电池效率所须。其它若干复合电极则以金属板为基础，在金属板上增加抗腐蚀层，制程较为复杂，成本也较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是搭配金属双极板用的树脂导电碳板,其目的在于保护金属板受腐蚀,并提供通气及导电特质。本发明基于此以树脂碳板取代石墨碳板，其特性在于低成本、导电性佳、可少量制造生产、低温成型及树脂具弹性体的特性，不易碎裂且在燃料电池的发电环境中，树脂碳板较石墨碳板更具热胀冷缩的缓冲性，更适于燃料电池之组装。
一种低温成型树脂碳板，按重量百分比，包括：5％-85％的热固型树脂、5％-85％的导电材料和5％-85％热反应型填充材料。
本发明采用以上技术特征，其优点在于，热反应型填充材料在高温高压铸模反应时，可与树脂及碳反应及包覆，转化为导电性较强的金属态。反应型填充材料，其特性为调整树脂碳板之机械强度、提高导电性，并且在热压铸膜时，于碳板表面形成一层硬度较高之致密保护层，且耐刮伤特性及调节导流气体水分。
优选的，所述热固型树脂选自酚酫环氧树脂、尼龙材料、醇酸树脂、树脂硬化剂、亚克力树脂和聚酯树脂中的至少一种；所述导电材料选自石墨粉、碳粉、纳米碳管、纳米银线、石墨烯和碳纤维中的至少一种；所述热反应型填充材料选自氢氧化锌和氧化金属中的至少一种。
优选的，低温成型树脂碳板，按重量百分比，包括：35％-50％的热固型树脂、25％-40％的导电材料和10％-30％热反应型填充材料。
优选的，所述氧化金属采用氧化铝、氧化钛或者氧化锌。
本发明还提供了一种制备低温成型树脂碳板的方法，包括以下几个步骤：
步骤A:将导电材料混合均匀，再加入热反应型填充材料，用干粉均质机混合均匀；
步骤B：将步骤A得到的混合均匀的材料与热固型树脂按比例混合均匀，静置1至3小时，使导电材料与树脂混合；
步骤C：取所述步骤B得到的材料倒入模具中脱膜，脱膜后可得树脂碳板。
优选的，还包括：将步骤C得到的树脂碳板置于500℃-900℃烤箱，烘烤30分钟-12小时。
优选的，所述步骤C中，条件为：温度设定100℃至300℃、压力设定1至200MPa、时间3分钟至12小时。
本发明所得到的树脂碳板具备以下特性：1.高导电率，高于高压石墨碳板；2.机械强度可调适，加工性及耐久性强；3.气密性佳，树脂的配方搭配热反应型填料，形成较佳的连续接口；4.耐蚀性佳；5.直接低温成型，节省加工制程及成本；6.应用扩充性广泛。
附图说明
图1是本发明直接压铸成型之树脂碳板-气体导流设计。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：
实施例1
1.燃料电池石墨双极板应用
按重量百分比，30％的酚醛环氧树脂、15％的醇酸树脂、5％的树脂硬化剂、35％石墨粉(粒径0.05mm)、5％的碳粉(粒径<0.001mm)+5％的氢氧化锌+5％的三氧化二铝混合均匀,静置30分钟后倒入模具中,温度250℃、压力20MPa,时间30分钟后开模取出静置冷却。
表1同步导电性测试
由表1可得：
1.在机械强度上，实施例1中的碳板与市售日系高压石墨板无显著差异；
2.应力值<1％(在达到板材弯曲前的最大形变)；
3.本实施例中碳板比石墨板较高的杨式模数，值越大表示在一定应力作用下，发生弹性变形越小；
4.面电阻抗/线性阻抗/穿隧电阻，比日系石墨板要小；
5.在25-200℃的操作条件下，膨胀系数与石墨板皆<10；
6密性显著高于高压石墨碳板2倍以上；
7高温化学侵蚀测试，侵蚀率上，一般树脂高分子高于40％，实施例1中的碳板略优于高压石墨碳板，侵蚀率皆<10％，有极佳的耐蚀性；
8.低温成型树脂碳板特性：(一般陶磁及高压石墨板须>700℃烧结)。
实施例2：锂聚电池高导电极碳板应用
按重量百分比，20％的酚醛环氧树脂、15％的聚酯树脂、40％的石墨粉(粒径0.05mm)、5％氧化钛(粒径<0.003mm)、5％氧化锌、5％的纳米银线和10％的氧化铝粉混合均匀,静置30分钟后倒入模具中,温度250℃、压力20MPa,时间30分钟→开模取出静置冷却后900℃烘烤1小时。
表2
实施例3
步骤A:按重量百分比，将5％的碳粉和20％的纳米碳管混合均匀，再加入自10％的氢氧化锌和20％的氧化钛，用干粉均质机混合均匀；
步骤B：将步骤A得到的混合均匀的材料与45％聚酯树脂混合均匀，静置1小时，使混合平衡；
步骤C：取完整材料倒入已设计好气体流道之模具中脱膜，脱膜后可得所需的树脂碳板。条件为：温度设定100℃、压力设定100MPa、时间3分钟；
步骤D:将得到的树脂碳板置于500℃烤箱，烘烤30分钟。
表3
实施例4
步骤A:按重量百分比，将10％的石墨烯和15％的碳纤维混合均匀，再加入自15％的氢氧化锌和10％的氧化铝，用干粉均质机混合均匀；
步骤B：将步骤A得到的混合均匀的材料与25％尼龙材料和25％聚酯树脂按比例混合均匀，静置3小时，使混合平衡；
步骤C：取完整材料倒入已设计好气体流道之模具中脱膜，脱膜后可得所需之树脂碳板。条件为：温度设定300℃、压力设定200MPa、时间12小时
步骤D:将得到的树脂碳板置于900℃烤箱，烘烤2小时。
表4
由表1至表4可看出，低温压铸成型，再过高温炉高温烧结，直接可用于电器装置中，省去一般石墨板再CNC工艺。高温交联结构：金属-碳-硅-金属-/金属-碳-金属-硅-，大幅提升了导电性。散热性(ThemalConductivity)亦明显优于高压石墨板。
现有技术中，由于采用高温烧结，部分配方中的有机成份烧成空心结构(另部份有机成份则与金属/碳键结)，而本发明的低温烧结型碳板的导热系数优于大部份传统散热材料，由表5数据中，可明显分出本发明材料的优越性。
表5
实施例5
如图1所示，本发明中的树脂碳板可在低温热压成型后，直接取代石墨碳板用于燃料电池之电堆中，其中，热固型树脂本身于热硬化过程中，有粘合基板的效果，因此可将燃料电池电堆最外层的金属板电极，置于模具中，直接将树脂碳板压铸贴合于金属板上，成为耐蚀性及机械强度支撑材料，可降低金属电极板的厚度并保护金属不受腐蚀。
因配方中含热反应型填料，可于高温中(>600℃)形成再胶结反应，具有低温铸模成型，可再高温烧结成为导电散热陶磁特性基材，广泛应用于电池或散热等装置。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低温成型树脂碳板，其特征在于，按重量百分比，包括：5%-85%的热固型树脂、5%-85%的导电材料和5%-85%热反应型填充材料。
2.如权利要求1所述的低温成型树脂碳板，其特征在于，所述热固型树脂选自酚酫环氧树脂、尼龙材料、醇酸树脂、树脂硬化剂、亚克力树脂和聚酯树脂中的至少一种；所述导电材料选自石墨粉、碳粉、纳米碳管、纳米银线、石墨烯和碳纤维中的至少一种；所述热反应型填充材料选自氢氧化锌和氧化金属中的至少一种。
3.如权利要求1所述的低温成型树脂碳板，其特征在于，所述氧化金属采用氧化铝、氧化钛或者氧化锌。
4.一种制备如权利要求1所述的低温成型树脂碳板的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤A:将导电材料混合均匀，再加入热反应型填充材料，用干粉均质机混合均匀；
步骤B：将步骤A得到的混合均匀的材料与热固型树脂按比例混合均匀，静置，使导电材料与树脂混合；
步骤C：取所述步骤B得到的材料倒入模具中脱膜，脱膜后可得树脂碳板。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：将步骤C得到的树脂碳板置于500℃-900℃烤箱，烘烤30分钟-12小时。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，脱膜条件为：温度设定100℃至300℃、压力设定100至200MPa、时间3分钟至12小时。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，静置时间为1至3小时。
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