CN110437589A - 一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以用于制作燃料电池双极板具有低电阻率的碳纤维复合材料及其制备方法。所述碳纤维复合材料包含作为导电和增强的短切碳纤维和导电填料以及作为粘结的树脂组成。通过本法发明所制得的具有低电阻率的碳纤维复合材料，由于其高电导率、高的机械强度和优良的耐腐蚀性，可以用来制作燃料电池的双极板。并且，碳纤维复合材料可以使燃料电池实现轻量化。

Description

一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高性能纤维复合材料和燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
燃料电池中，双极板是重要的性能元件，它负责把气体分配到两个电极表面以及电池堆的散热并且每个双极板都必须有稳定的密封措施。目前燃料电池双极板主要采用不透性石墨以及金属。石墨双极板导电耐腐蚀性好但是制作程序复杂且脆性大；金属双极板存在严重的耐腐蚀性问题。并且，由于在燃料电池体积、质量和制造成本上，双极板占据很大比例，目前双极板成本仍然根据不同规格电池总成本的10-30％之间。
另一方面，因为石油、煤炭、天然气等化石燃料资源耗竭和严重的环境问题，需要交通车辆、飞行器等轻量化以实现更高的能源利用效率。因此，当含有碳纤维的复合材料在轻量化领域受到关注的同时，其导电、耐腐蚀、高机械强度在燃料电池领域也受到了重视。
另外，中国专利公开号CN106159280A公开了一种热压石墨双极板及制作工艺。在起某一实施例中，该双极板由石墨粉65wt％、酚醛树脂10wt％、炭黑 7wt％、碳纤维5wt％。该双极板具有的缺点在于，其主要成分为石墨，较少的具有长导电通路的碳纤维，在模制体内部难以形成复杂的导电网络，且模制体需要高温碳化，具有较多的工段和额外能耗，其模制体力学性能欠佳。
因此，开发同时满足性能要求而且具有低廉成本的双极板材料极其制造工艺已经成为推进燃料电池商业化应用的关键之一
发明内容
基于此，有必要针对现有石墨电极脆性大、金属耐腐蚀能力差以及两者的重量大、制造成本高的问题，提供一种工艺简单、易于批量化生产并且具有良好力学强度、耐腐蚀、低成本且轻量化的双极板材料及其制备方法。
在优选地方面，本发明提供了包含碳纤维作为导电网络和增强结构。碳纤维材料可以增加电导率和良好的机械强度，并且实现双极板轻量化。
如本文所用，碳纤维是指包含原丝或被进一步上浆处理或纤维表面包覆金属及其化合物的纤维。
而且，本发明提供了用于制备碳纤维复合材料以实现轻质的方法。
进一步提供的是包括含有碳纤维复合材料用于双极板的模制体。
在一个方面，本发明提供的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料及其制备方法。碳纤维的平均长度可以为1mm-100mm。
附图说明
现在将参考附图中所示的某些示例性实施方式详细描述本发明的以上和其他特种，仅以示例的方式提供，不限制本发明，其中：
图1：流程图
附表说明
表格1：测试结果对比
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料及其制备方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料包括树脂基体、碳纤维和导电填料。
根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、改性环氧、酚醛、改性酚醛、乙烯基酯树脂、丙烯酸酯、聚氨酯、不饱和聚酯等热固性树脂和聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚醚酮聚砜等热塑性树脂中的一种或几种混合的材料。
优选地，树脂为环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和树脂、丙烯酸酯中地一种或几种混合的材料。具体地，所述树脂质量为固体含量，因为降低树脂体系粘度可加入定量稀释剂稀释。
更优选地，树脂为环氧树脂、乙烯基酯树脂中地一种或两种的组合。
根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维为短切碳纤维形式，包含未经任何表面处理的原丝或被进一步上浆处理或表面包覆金属及其化合物的碳纤维。
优选地，碳纤维为未经任何表面处理的原丝和表面包覆金属及其化合物的碳纤维中的一种或两者的组合。
根据权利要求3所述的短切碳纤维，其特征在于，所述短切碳纤维长度为 1mm-100mm之中的一种或几种纤维的组合。具体地，当纤维长度小于1mm，导电网络密度降低，力学性能下降；当纤维长度大于100mm时，纤维容易缠结，纤维、树脂和填料体系难以均匀分散。
优选地，碳纤维地平均长度可为10mm-40mm。
更优选地，碳纤维地平均长度可为15mm-30mm。
根据权利要求3所述的短切碳纤维，其特征在于，所述碳纤维为丝束形式、单丝形式或为两种形式的组合。
优选地，碳纤维为3k，20mm。
根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述导电填料为碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨烯、镀金属碳纤维、镀金属石墨中的一种或几种的组合。具体地，导电填料可以随着树脂流动填充纤维之间空隙增密导电网络。纳米级线状碳纳米管、片状石墨烯具有高比表面积、高电导率。对增加复合材料电导率具有极好地协同作用。
优选地，导电填料可以是碳纳米管、石墨烯中的一种或两种的组合。
根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维含量为50wt％至90wt％,所述树脂含量为5wt％至35wt％，所述导电填料含量为0.05wt％至30wt％，所有比例均基于所述碳纤维复合材料的总质量。具体地，当碳纤维含量低于50wt％，或导电填料含量大于30wt％,或树脂含量大于35wt％,因为致密导电网络不够致密，需要用较多的树脂和具有高比表面积的填料填充。但是填料比例增加提升树脂粘度，降低树脂流动性，不利于树脂浸润碳纤维，导致复合材料内部具有大量孔隙缺陷，降低力学性能和气密性。
根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料为片状模塑料、团状模塑料或无纺织物复合的形式。
本发明还提供一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
通过将基体树脂和导电填料混合的步骤来制备具有一定导电能力的树脂糊状物；以及通过将糊状物和碳纤维经过混合步骤来制备所述的碳纤维复合材料。
根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维含量为50wt％至90wt％,所述树脂含量为5wt％至35wt％，所述导电填料含量为0.05wt％至 30wt％，所有比例均基于所述碳纤维复合材料的总质量。
根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述混合通过机械搅拌、捏合成型工艺、团装模塑料(BMC)或片状模塑料(SMC)工艺进行。具体地，片状模塑料和团装模塑料成型属于快速固化成型工艺，模制品制作周期可以低于5min/件，利于减短生产周期，降低生产成本。另外，团状模塑料(BMC)或片状模塑料(SMC)对于制备薄的双极板具有良好地效果。
因此，本发明可以通过应用碳纤维复合材料制备具有耐腐蚀、低电阻率、高的力学强度的双极板。另外，通过轻量化、减小双极板尺寸和生产周期来降低生产成本和提高能源利用率。
以下结合具体实施例对本发明做进一步的说明。
实施例
包含所述40mm，丝束3k，表面未经任何处理短切碳纤维含量为70wt％,乙烯基酯树脂(固含)含量为25wt％，所述导电填料含量为5wt％，稀释剂MEK为树脂质量的100wt％。
制备方法:
步骤一：将树脂、稀释剂、导电填料置入容器中用机械搅拌混合；
步骤二：将碳纤维加入至步骤一所在的容器中，继续机械搅拌混合。
步骤三：取用步骤二的混合物，置于模具中模塑成型。
此时，模具温度设定为150℃，模具压力10Mpa。并且在树脂硬化之后，模具冷却至65℃以下打开，最后裁剪为250mm*150mm*1.5mm的双极板。
测试结果对比
表1
根据表1的比较结果，实施例相较于通用石墨双极板减重约21％，相较于金属双极板减重约77％。实施例电阻率低于通用石墨双极板约一个数量级，数据结果略高于金属双极板。
以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施方式仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，包括树脂基体、碳纤维和导电填料。
2.根据权利要求所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、改性环氧、酚醛、改性酚醛、乙烯基酯树脂、丙烯酸酯、聚氨酯、不饱和聚酯等热固性树脂和聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚醚酮聚砜等热塑性树脂中的一种或几种混合的材料。
3.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维为短切碳纤维形式，包含未经任何表面处理的原丝或被进一步上浆处理或表面包覆金属及其化合物的碳纤维。
4.根据权利要求3所述的短切碳纤维，其特征在于，所述短切碳纤维长度为1mm-100mm之中的一种或几种纤维的组合。
5.根据权利要求3所述的短切碳纤维，其特征在于，所述碳纤维为丝束形式、单丝形式或为两种形式的组合。
6.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述导电填料为碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨、镀金属碳纤维、镀金属石墨中的一种或几种的组合。
7.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维复合材料为片状模塑料、团状模塑料或无纺织物复合的形式。
8.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料，其特征在于，所述碳纤维含量为50wt％至90wt％,所述树脂含量为5wt％至35wt％，所述导电填料含量为0.05wt％至30wt％，所有比例均基于所述碳纤维复合材料的总质量。
9.一种用于燃料电池双极板的碳纤维复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
通过将基体树脂和导电填料混合的步骤来制备具有一定导电能力的树脂糊状物；以及通过将糊状物和碳纤维经过混合步骤来制备所述的碳纤维复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述碳纤维含量为50wt％至90wt％,所述树脂含量为5wt％至35wt％，所述导电填料含量为0.05wt％至30wt％，所有比例均基于所述碳纤维复合材料的总质量。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述混合通过机械搅拌、捏合成型工艺、团装模塑料(BMC)或片状模塑料(SMC)工艺进行。
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