CN108199058B - 一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导电聚合物‑石墨烯复合双极板的制备方法，其特征在于制备步骤如下：采用3D打印机将导电聚合物加工成型，制成双极板基底，对双极板基底进行脱油脱脂后，将石墨烯涂到双极板的外表面，涂布方式为喷涂，将酚醛树脂或聚氨酯溶于乙醇，质量分数为1~2%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的3~5%，采用800W超声处理器超声10~15min，得到石墨烯胶体涂料；待表面涂层干燥固化后，既得到导电聚合物‑石墨烯复合双极板。其解决了目前燃料电池双极板物理性能、耐腐蚀性能和电性能提升的问题，特别适用于质子交换膜燃料电池。

Description

一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电聚合物-石墨烯复合双极板，特别是涉及一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法，用于氢氧燃料电池领域。
背景技术
氢氧燃料电池中体系中，双极板是电池堆中最重要的性能元件，它负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。因此双极板必须是电、热的良导体，具有良好的机械性能，很好的阻气性能，较低密度，耐腐蚀性好等特点。目前采用的石墨双极板，是较早开发和利用的双极板，传统双极板主要采用无孔石墨板，并通过机械加工沟槽。这种石墨双极板的热膨胀系数低，热导性良好，化学性质稳定，耐腐蚀性能好，导电性较强。但是石墨的脆性造成了加工困难，同时也限制了石墨板厚度的降低，而且在制造过程中容易产生气孔，使燃料与氧化剂相互渗透。金属材料与石墨双极板相比，金属双极板具有良好的导电性、导热性、机械加工性、致密性，适合批量生产。铝、铬、镍、不锈钢等都是制造双极板的金属材料。但是金属材料存在单位密度高、易腐蚀等缺点。由于 PEMFC 要在酸性高温的环境中工作，金属有可能被腐蚀或溶解，溶解后产生的金属离子会扩散到质子交换膜，增加了被蚀双极板的电阻，降低了电池的输出功率。复合材料复合双极板结合了石墨双极板与金属双极板的优点，价格便宜、制造工艺简单、质量轻、抗腐蚀性好，但也存在如导电效果与机械性能较差的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法，其解决了目前燃料电池双极板物理性能、耐腐蚀性能和电性能提升的问题，特别适用于质子交换膜燃料电池。
本发明的技术方案是这样实现的：一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法， 其特征在于制备步骤如下：
步骤1.采用计算机辅助设计绘制双极板的3D图纸，利用切片软件完成数据处理并将数据上传至3D打印机。建模软件为可生成stl文件格式的三维制图软件，生成的3D图纸stl文件采用具有路径规划功能的软件进行切片，随后进行文件存储并上传至3D打印机；
步骤2.采用3D打印技术将导电聚合物加工成型，制成双极板基底，其中导电聚合物包括聚醚醚酮、聚吡咯、聚苯硫醚中的一种；
步骤3.对双极板基底进行脱油脱脂后，将石墨烯涂到双极板的外表面，涂布方式为喷涂，具体喷涂所用的石墨烯胶体涂料制作方法为，将酚醛树脂或聚氨酯溶于乙醇，质量分数为1~2%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的3~5%，采用800W超声处理器超声10~15min，得到石墨烯胶体涂料；
步骤4.待表面涂层干燥固化后，既得到导电聚合物-石墨烯复合双极板。
本发明的积极效果是制备方法简单、适用于大规模生产。采用本发明制成的双极板，和金属双极板相比，具有更轻的质量，同时由于具有石墨烯涂层，对于氢气的腐蚀作用的耐受性更强。和石墨双极板相比，具有更高的导热系数，更轻的质量，性能更佳；和同样工作面积的金属双极板相比,质量降低15%,和同样工作面积的石墨双极板相比,质量降低30%,和同样工作面积的石墨双极板相比,面积比电阻降低100%,和同样工作面积的石墨双极板相比,导热系数提高60%。本发明制备的双极板在1 A/cm2,80℃下连续运行4000 h后电压依然稳定,双极板未出现"氢脆"现象，相比同样尺寸的不锈钢双极板，同等条件下工作1300h，性能下降，电阻升高至初始电阻的3倍以上。
附图说明
图1 本发明所述的双极板模型。
图2 为本发明截面示意图，1为导电聚合物基底，2为石墨烯涂层。
图3 为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
实施例1
1.对双极板进行3-维模型建立并完成模型的切片，设置3D打印参数为：层厚0.2mm，填充度85%，挤出头温度295℃，平台温度160℃。
2.采用聚吡咯材料进行3D打印，材料成型后，随平台温度冷却，去除打印支撑，得到双极板基底。
3.将步骤2中得到的双极板基底放置于20g/L 氢氧化钠，35g/L碳酸钠，30g/L磷酸钠，1ml/L的OP乳化剂组成的化学去油剂中，60℃下浸泡15min。取出后用无水乙醇清洗表面，随后用氮气吹干。
4.将酚醛树脂溶于乙醇，质量分数为2%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的5%，采用800W超声处理器超声15min，得到石墨烯胶体涂料。
5.用喷枪将石墨烯胶体涂料均匀喷涂在步骤3所得的双极板基底中，喷嘴口径为1mm，喷枪压力为0.4MPa，工作距离为25cm。
6.喷涂后的双极板，室温下干燥20min后，既得到导电聚合物-石墨烯双极板。
实施例2
1.对双极板进行3-维模型建立并完成模型的切片，设置3D打印参数为：层厚0.2mm，填充度90%，挤出头温度287℃，平台温度140℃。
2.采用聚苯硫醚材料进行3D打印，材料成型后，随平台温度冷却，去除打印支撑，得到双极板基底。
3.将步骤2中得到的双极板基底放置于30g/L 氢氧化钠，50g/L碳酸钠，35g/L磷酸钠，2ml/L的OP乳化剂组成的化学去油剂中，65℃下浸泡10min。取出后用无水乙醇清洗表面，随后用氮气吹干。
4.将聚氨酯溶于乙醇，质量分数为2%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的5%，采用800W超声处理器超声15min，得到石墨烯胶体涂料。
5.用喷枪将石墨烯胶体涂料均匀喷涂在步骤3所得的双极板基底中，喷嘴口径为1mm，喷枪压力为0.4MPa，工作距离为25cm。
6.喷涂后的双极板，室温下干燥20min后，既得到导电聚合物-石墨烯双极板。
实施例3
1.对双极板进行3-维模型建立并完成模型的切片，设置3D打印参数为：层厚0.2mm，填充度90%，挤出头温度287℃，平台温度140℃。
2.采用聚苯硫醚材料进行3D打印，材料成型后，随平台温度冷却，去除打印支撑，得到双极板基底。
3.将步骤2中得到的双极板基底放置于20g/L 氢氧化钠，50g/L碳酸钠，40g/L磷酸钠，1ml/L的OP乳化剂组成的化学去油剂中，50℃下浸泡10min。取出后用无水乙醇清洗表面，随后用氮气吹干。
4.将聚氨酯溶于乙醇，质量分数为1%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的3%，采用800W超声处理器超声10min，得到石墨烯胶体涂料。
5.用喷枪将石墨烯胶体涂料均匀喷涂在步骤3所得的双极板基底中，喷嘴口径为1mm，喷枪压力为0.4MPa，工作距离为25cm。
6.喷涂后的双极板，室温下干燥20min后，既得到导电聚合物-石墨烯双极板。
在所有粘结剂的筛选中, 羟甲基纤维素钠（CMC）等水性粘结剂尽管有较好的粘结效果，但是在燃料电池的使用过程中，需要在热的富水环境下进行工作，此时此类粘结剂容易因溶解而导致失效，而经过试验验证，采用酚醛树脂或者聚氨酯作为粘结剂，则可以使石墨烯涂层很好的附着在导电聚合物的表面，同时粘结剂的参入比例不能过高，过高会导致因电绝缘性带来的双极板性能下降。
实施例4
1.对双极板进行3-维模型建立并完成模型的切片，设置3D打印参数为：层厚0.2mm，填充度90%，挤出头温度360℃，平台温度140℃。
2.采用聚醚醚酮材料进行3D打印，材料成型后，随平台温度冷却，去除打印支撑，得到双极板基底。
3.将步骤2中得到的双极板基底放置于20g/L 氢氧化钠，50g/L碳酸钠，40g/L磷酸钠，1ml/L的OP乳化剂组成的化学去油剂中，50℃下浸泡10min。取出后用无水乙醇清洗表面，随后用氮气吹干。
4.将聚氨酯溶于乙醇，质量分数为1%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的3%，采用800W超声处理器超声10min，得到石墨烯胶体涂料。
5.用喷枪将石墨烯胶体涂料均匀喷涂在步骤3所得的双极板基底中，喷嘴口径为1mm，喷枪压力为0.4MPa，工作距离为25cm。
6.喷涂后的双极板，室温下干燥20min后，既得到导电聚合物-石墨烯双极板。
性能测试
实施例1制备的复合双极板, 和同样工作面积的金属双极板相比,质量降低15%,和同样工作面积的石墨双极板相比,质量降低30%,和同样工作面积的石墨双极板相比,面积比电阻降低100%,和同样工作面积的石墨双极板相比,导热系数提高60%。本发明制备的双极板在1 A/cm2,80℃下连续运行4000 h后电压依然稳定,双极板未出现"氢脆"现象，相比同样尺寸的不锈钢双极板，同等条件下工作1300h，性能下降，电阻升高至初始电阻的3倍以上。对表层石墨烯涂层进行划格试验，结合强度可以达到1级以内。

Claims (1)

1.一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法， 其特征在于制备步骤如下：
步骤1.采用计算机辅助设计绘制双极板的3D图纸，利用切片软件完成数据处理并将数据上传至3D打印机；建模软件为可生成stl文件格式的三维制图软件，生成的3D图纸stl文件采用具有路径规划功能的软件进行切片，随后进行文件存储并上传至3D打印机；
步骤2.采用3D打印技术将导电聚合物加工成型，制成双极板基底，其中导电聚合物包括聚醚醚酮、聚吡咯、聚苯硫醚中的一种；
步骤3.对双极板基底进行脱油脱脂后，将石墨烯涂到双极板的外表面，涂布方式为喷涂，具体喷涂所用的石墨烯胶体涂料制作方法为，将酚醛树脂或聚氨酯溶于乙醇，质量分数为1~2%，充分溶解后加入石墨烯粉末，石墨烯粉末占总质量的3~5%，采用800W超声处理器超声10~15min，得到石墨烯胶体涂料；
步骤4.待表面涂层干燥固化后，既得到导电聚合物-石墨烯复合双极板。
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