CN107959033A - 一种质子交换膜燃料电池的双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板及其制备方法。本发明选用石墨粉，热固性树脂和导电聚合物制备复合材料的双极板。其中，导电聚合物具有很好地导电性能，同时，导电聚合物加热可以进行固化。从而使石墨/热固性树脂复合材料双极板在保证导电率的同时能够很好地提高强度和气密性。从而制得高电导率、高强度和良好气密性的复合材料双极板，而且制造的质子交换膜燃料电池的双极板的成本低，加工工艺简单，易于实现自动化生产。本发明制得的质子交换膜燃料电池的双极板的性能可达：电导率558S/cm,抗弯强度72MPa，气体透过率<2*10‑6cm3sec‑1cm‑2。

Description

一种质子交换膜燃料电池的双极板及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学转化装置的技术领域，具体而言，涉及一种质子交换膜燃料电池的双极板及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEM Fuel Cell)是一种电化学转化装置，它可以通过电化学反应将氢气和氧气中的化学能转化为电能。其中双极板是燃料电池非常重要的一个组件，它占有燃料电池30％的成本、80％的质量和几乎全部的体积。同时双极板还在燃料电池中起着分隔氧化剂与还原剂、收集电流、为冷却液提供流道、电堆的“骨架”等作用。因此，就要求燃料电池双极板具有高的导电率、良好的抗弯强度、良好的耐腐蚀性能以及良好的气密性。
目前比较常见的双极板有三种：石墨板、金属板和复合材料双极板。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)。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，纯石墨板的机加工过程耗时也很长，生产效率不高，这些都导致纯石墨板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，所以寻求更好的制备工艺与方法，是燃料电池商业化的必经之路。
因此，目前对于复合材料双极板的研究越来越多，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)/树脂复合板等都在实验当中。以其研发出能够很好地结合金属双极板和石墨双极板的优势的复合材料双极板来克服现有双极板的不足。
然而，不论所使用的方法以及尽管做了技术改进，复合材料双极板在应用中仍存在有许多缺点，特别是：
1、导电率低。
2、强度较差。
3、气密性差。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板。
该种质子交换膜燃料电池的双极板：其原料包括按重量百分比的：
热固性树脂：5％～30％
石墨粉：60％～90％
导电聚合物：1％～10％。
在某些实施方式中，所述热固性树脂包括环氧树脂或酚醛树脂。
在某些实施方式中，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚乙炔、聚对苯或Pedot导电液中的任意一种。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1：将石墨粉分散于乙醇溶液中磁力搅拌得到第一混合物；
S2：将导电聚合物分散于乙醇溶液中磁力搅拌得到第二混合物；
S3：将所述第一混合物和所述第二混合物混合后磁力搅拌、加热、烘干成粉末；
S4：将所述粉末与热固性树脂混合并球磨得到第三混合物；
S5：将所述第三混合物热压固化成型，再冷却脱模得到所述双极板。
在某些实施方式中，所述S1和所述S2中的乙醇溶液均为体积比为4：1的乙醇溶液。
在某些实施方式中，所述S1、所述S2和所述S3中的磁力搅拌时长均为10min～60min。
在某些实施方式中，所述S3中的加热温度为40℃～50℃。
在某些实施方式中，所述S4中球磨转速为150r/min～300r/min，球磨时长为1h～3h。
在某些实施方式中，所述S5中将所述第三混合物放入热压机中进行加热固化成型；
加热温度为150℃～200℃，压力为20t～40t，保压时间为10min～40min。
在某些实施方式中，所述S5中采用分段热压的方式将所述第三混合物加热固化成型。
本发明提供的一种质子交换膜燃料电池的双极板相对于现有技术而言，有益效果是：
经发明人研究发现：目前双极板存在上述缺点是由于以下原因造成的：
1、酚醛树脂具有不导电性能，单独与石墨粉进行混合很难在导电率和抗弯强度上达到美国能源部标准。
2、若加入其他导电填料(如炭黑，碳纤维，碳纳米管等)往往会造成三相界面的结合问题。
本发明的目的在于提供一种能够同时在导电率、抗弯强度和气密性等方面来改善双极板性能的配方和加工方法，填补了目前研究领域的空白。
本发明选用石墨粉，热固性树脂和导电聚合物制备复合材料的双极板。其中，导电聚合物具有很好地导电性能，同时，导电聚合物加热可以进行固化。从而使石墨/热固性树脂复合材料双极板在保证导电率的同时能够很好地提高强度和气密性。从而制得高电导率、高强度和良好气密性的复合材料双极板，而且制造的质子交换膜燃料电池的双极板的成本低，加工工艺简单，易于实现自动化生产。
本发明制得的质子交换膜燃料电池的双极板的性能可达：电导率558S/cm,抗弯强度72MPa，气体透过率<2*10-6cm3sec-1cm-2。
优选的，热固性树脂为酚醛树脂或环氧树脂。
优选的，导电聚合物为聚吡咯，聚乙炔，聚对苯等导电类高分子或Pedot导电液。
可以理解的是，原料配比中的Pedot导电液是EDOT(3,4-乙烯二氧噻吩单体)的聚合物。PEDOT具有分子结构简单、能隙小、电导率高等特点。广泛用于太阳能电池材料等。
本发明提供的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法中，优选的采用模压成型的方法。
可以理解的是，复合材料的成型方法主要有注塑成型、冷压之后树脂浸渍石墨板和热压成型。然而注射成型的石墨含量受到限制，不能达到很好的导电效果。
模压成型时将粉料混合加入模具，在模具中粉料流动充满整个行腔，借助于加热、加压成型。模压混料的方法包括干混法与湿混法。湿混法是将聚合粘结剂溶解于有机溶剂中，再将石墨分散在这种溶液中得到一种淤浆，然后除去溶剂，模压成型得到双极板；干混法是将聚合物粉末与石墨等导电颗粒在不加溶剂的情况下干态混合，最后模压或注射成型得到双极板。
可以理解的是，目前复合材料双极板主要由两个方面组成，粘结剂和导电填料。粘结剂一般为树脂，分为热固性树脂和热塑性树脂。导电填料有石墨(膨胀石墨、天然鳞片石墨、人造石墨等)，炭黑，碳纤维，碳纳米管等。发明人经过多次实验选择采用了石墨粉及热固性树脂。
综上所述，本发明提供的一种质子交换膜燃料电池的双极板及其制备方法具有上述诸多的优点及价值，并在同类产品中未见有类似的方法公开发表或使用而确属创新，产生了好用且实用的效果，较现有的技术具有增进的多项功效，从而较为适于实用，并具有广泛的产业价值。
具体实施方式
在下文中，将结合实施例更全面地描述本发明。本公开可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本公开理解为涵盖落入本公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
在下文中，可在本公开的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所公开的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。
在本公开的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本公开的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本公开的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本公开的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本公开的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本公开的各种实施例中被清楚地限定。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板，其原料包括按重量百分比的：
热固性树脂：5％～30％
石墨粉：60％～90％
导电聚合物：1％～10％。
优选的，所述热固性树脂包括环氧树脂或酚醛树脂。
优选的，所述导电聚合物包括聚吡咯、聚乙炔、聚对苯或Pedot导电液中的任意一种。
本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1：将石墨粉分散于乙醇溶液中磁力搅拌得到第一混合物；
S2：将导电聚合物分散于乙醇溶液中磁力搅拌得到第二混合物；
S3：将所述第一混合物和所述第二混合物混合后磁力搅拌、加热、烘干成粉末；
S4：将所述粉末与热固性树脂混合并球磨得到第三混合物；
S5：将所述第三混合物热压固化成型，再冷却脱模得到所述双极板。
上述，可以理解的是，本发明的目的在于提供一种能够同时在导电率、抗弯强度和气密性等方面来改善双极板性能的配方和加工方法，填补了目前研究领域的空白。
本发明选用石墨粉，热固性树脂和导电聚合物制备复合材料的双极板。其中，导电聚合物具有很好地导电性能，同时，导电聚合物加热可以进行固化。从而使石墨/热固性树脂复合材料双极板在保证导电率的同时能够很好地提高强度和气密性。从而制得高电导率、高强度和良好气密性的复合材料双极板，而且制造的质子交换膜燃料电池的双极板的成本低，加工工艺简单，易于实现自动化生产。
本发明制得的质子交换膜燃料电池的双极板的性能可达：电导率558S/cm,抗弯强度72MPa，气体透过率<2*10-6cm3sec-1cm-2。
优选的，所述S1和所述S2中的乙醇溶液均为体积比为4：1的乙醇溶液。
优选的，所述S1、所述S2和所述S3中的磁力搅拌时长均为10min～60min。
优选的，所述S3中的加热温度为40℃～50℃。
优选的，所述S4中球磨转速为150r/min～300r/min，球磨时长为1h～3h。
优选的，所述S5中将所述第三混合物放入热压机中进行加热固化成型；
加热温度为150℃～200℃，压力为20t～40t，保压时间为10min～40min。
优选的，所述S5中采用分段热压的方式将所述第三混合物加热固化成型。
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。
实施例1
首先，将一定量的石墨粉和Pedot导电液分别分散在体积比为4：1的乙醇溶液中，磁力搅拌10min，将二者混合之后进行磁力搅拌10min，边搅拌边加热40℃直至基本干燥，然后放入烘箱中干燥至粉末；随后，将干燥好的粉末与酚醛树脂粉末进行混合、球磨处理，球磨转速为221r/min，球磨2h；将混合物放入模具中，整体放在热压机上进行热压固化成型，加热温度为180℃，压力为30t，保压时间为30min，其中采用分段压的方式，先预压预热，然后完全压实；最后冷却，脱模，取出双极板。
实施例2
首先，将一定量的石墨粉和聚吡咯分别分散在体积比为4：1的乙醇溶液中，磁力搅拌60min，将二者混合之后进行磁力搅拌60min，边搅拌边加热50℃直至基本干燥，然后放入烘箱中干燥至粉末；随后，将干燥好的粉末与酚醛树脂粉末进行混合、球磨处理，球磨转速为150r/min，球磨1h；将混合物放入模具中，整体放在热压机上进行热压固化成型，加热温度为150℃，压力为20t，保压时间为10min，其中采用分段压的方式，先预压预热，然后完全压实；最后冷却，脱模，取出双极板。
实施例3
首先，将一定量的石墨粉和聚乙炔分别分散在体积比为4：1的乙醇溶液中，磁力搅拌30min，将二者混合之后进行磁力搅拌30min，边搅拌边加热40℃直至基本干燥，然后放入烘箱中干燥至粉末；随后，将干燥好的粉末与环氧树脂粉末进行混合、球磨处理，球磨转速为300r/min，球磨3h；将混合物放入模具中，整体放在热压机上进行热压固化成型，加热温度为200℃，压力为40t，保压时间为40min，其中采用分段压的方式，先预压预热，然后完全压实；最后冷却，脱模，取出双极板。
实施例4
首先，将一定量的石墨粉和聚对苯分别分散在体积比为4：1的乙醇溶液中，磁力搅拌45min，将二者混合之后进行磁力搅拌45min，边搅拌边加热45℃直至基本干燥，然后放入烘箱中干燥至粉末；随后，将干燥好的粉末与环氧树脂粉末进行混合、球磨处理，球磨转速为200r/min，球磨2h；将混合物放入模具中，整体放在热压机上进行热压固化成型，加热温度为160℃，压力为35t，保压时间为15min，其中采用分段压的方式，先预压预热，然后完全压实；最后冷却，脱模，取出双极板。
实施例5
首先，将一定量的石墨粉和聚吡咯分别分散在体积比为4：1的乙醇溶液中，磁力搅拌35min，将二者混合之后进行磁力搅拌35min，边搅拌边加热48℃直至基本干燥，然后放入烘箱中干燥至粉末；随后，将干燥好的粉末与酚醛树脂粉末进行混合、球磨处理，球磨转速为220r/min，球磨2.5h；将混合物放入模具中，整体放在热压机上进行热压固化成型，加热温度为170℃，压力为25t，保压时间为28min，其中采用分段压的方式，先预压预热，然后完全压实；最后冷却，脱模，取出双极板。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
发明人声明，本发明通过上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程。并且即不意味着本发明应依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于：其原料包括按重量百分比的：
热固性树脂：5％～30％
石墨粉：60％～90％
导电聚合物：1％～10％。
2.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于：所述热固性树脂包括环氧树脂或酚醛树脂。
3.如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池的双极板，其特征在于：所述导电聚合物包括聚吡咯、聚乙炔、聚对苯或Pedot导电液中的任意一种。
4.一种质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将石墨粉分散于乙醇溶液中磁力搅拌得到第一混合物；
S2：将导电聚合物分散于乙醇溶液中磁力搅拌得到第二混合物；
S3：将所述第一混合物和所述第二混合物混合后磁力搅拌、加热、烘干成粉末；
S4：将所述粉末与热固性树脂混合并球磨得到第三混合物；
S5：将所述第三混合物热压固化成型，再冷却脱模得到所述双极板。
5.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：所述S1和所述S2中的乙醇溶液均为体积比为4：1的乙醇溶液。
6.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：所述S1、所述S2和所述S3中的磁力搅拌时长均为10min～60min。
7.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：所述S3中的加热温度为40℃～50℃。
8.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：所述S4中球磨转速为150r/min～300r/min，球磨时长为1h～3h。
9.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：所述S5中将所述第三混合物放入热压机中进行加热固化成型；
加热温度为150℃～200℃，压力为20t～40t，保压时间为10min～40min。
10.如权利要求4所述的质子交换膜燃料电池的双极板的制备方法，其特征在于：所述S5中采用分段热压的方式将所述第三混合物加热固化成型。
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