CN110534766A - 一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料。针对现有金属双极板的耐腐蚀性不足和现有石墨电极的机械强度低、工艺性能差、安装难度大等用于燃料电池方面的不足，通过本发明所制得的具有高电导率的碳纤维燃料电池双极板，包括(1)碳纤维和(2)树脂膜(片)，满足燃料电池的双极板高电导率、高的机械强度和优良的耐腐蚀性并实现燃料电池轻量化。可广泛应用于通信电子、新能源交通、飞行器等领域。

Description

一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料

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，特别是涉及一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料。

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、金属以及复合材料。

碳或石墨是目前最常用的PEMFC用双极板材料。其优点在于该类材料耐腐蚀性强、导热和导电性能好，缺点则是其强度较低，脆性较大，不易成型超薄的双极板(如<0.5mm)。

金属双极板虽然具有高的电导率，好的力学强度，可加工成薄板，减少电池体积，但是在燃料电池的高温及pH约2～3的酸性环境下，溶解和腐蚀不可避免，特别是金属离子渗入质子交换膜内导致离子导电率下降以及腐蚀层会增加接触电阻，降低燃料电池性能。

复合材料双极板，其根据原料不同可可挤出、注射和模压成型，根据所用模具的不同可制备出不同形状的制品，所以根据适合工艺要求的双极板及流场，并由此制成模具，选取耐腐蚀性高分子材料与导电填料复合，一次性复合模压成型直接得到带流场的双极板，这种方法是目前制备低成本双极板最主要的研究方向之一。

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和降低对环境的影响。因此，在碳纤维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％。该双极板的缺点在于，其模制体力学性能欠佳。

另外，苏州大学专利公开号CN101613531A公开了一种树脂膜熔渗工艺用树脂及其制备方法。其使用双马来酰亚胺树脂、二烯苯基化合物以及氰酸酯树脂制备一种树脂膜熔渗树脂膜(片)。由该膜片制得的复合材料具有良好的力学性能但是不具备良好的导电性。

另外，西安交通大学专利公开号CN04774424公开了一种树脂膜熔渗工艺用乃烧蚀树脂及其制备方法。其采用热塑性聚氨酯、硼酚醛树脂来协同提高热固性酚醛树脂的工艺性能和耐热性能，并获得满足树脂膜熔渗工艺用耐烧蚀树脂膜(片)。由该膜片制得的复合材料具有良好的耐烧蚀性能和抗氧化性能但是不具备导电性。

因此，需要开发同时满足力学和电气性能要求而且具有低廉成本的双极板材料。

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复合材料导电性不足的问题，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。

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。同时选用具有良好导电性能的碳纳米管、炭黑、石墨烯、石墨、镀金属碳纤维、镀金属石墨等，通过填充纤维间隙，增强导电网络起导电协同作用。

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。

进一步地，所述碳纤维为编织碳纤维织物、碳纤维毡或无纺布中的一种或几种的组合。

在一个方面，本发明提供的一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其制备方法是通过将树脂和导电填料混合后经涂敷、压制成膜(片)；以及通过将膜(片)和碳纤维经过混合铺放来制备所述的一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料。

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，仅以示例的方式提供，不限制本发明，其中：

图1：复合材料示意图

附表说明

表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。

本发明提供一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其特征在于，包含作为导电和增强的碳纤维、树脂膜(片)。

根据权利要求1所述的一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其特征在于，所述树脂膜(片)为树脂和导电填料经过混合后，经涂敷或压制得到。

优选地，所述树脂膜(片)经涂敷得到。

根据权利要求2所述的树脂膜(片)，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、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的组合。

优选地，所述树脂为环氧树脂、酚醛、乙烯基酯树脂、聚醚醚酮、聚苯硫醚中的一种或几种的组合。

更优选地，所述树脂为环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚苯硫醚中的一种或几种的组合

根据权利要求2所述的树脂膜(片)，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。

优选地，所述导电填料为碳纳米管、石墨烯、镀金属碳纤维中的一种或几种的组合。

更优选地，所述导电填料为碳纳米管、石墨烯中的一种或几种的组合。

根据权利要求1所述的一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其特征在于，所述碳纤维为编织碳纤维织物、碳纤维毡或无纺布中的一种或几种的组合。

优选地，所述碳纤维为编织碳纤维织物。

根据权利要求1所述的碳纤维，其特征在于，包含未经任何表面处理的原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中的一种或几种的组合。

优选地，所述的碳纤维包含未经任何表面处理的原或表面包覆金属及其化合物的碳纤维中的一种或几种的组合。

一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其包括以下步骤：

通过将树脂和导电填料混合后经涂敷、压制制成膜(片)；以及通过将膜(片)和碳纤维经过混合铺放来制备所述的一种树脂膜工艺制备碳纤维燃料电池双极板的材料。

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并减少对环境的影响。

以下结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例

碳纤维：150g,3k平纹碳纤维织物(纤维表面惰性气体400摄氏度30分钟去除上浆剂)，裁成300mm*200mm共10片。

树脂膜(片)制备:

步骤一：将树脂固含量(65wt％)100g、CNTs(管径5nm,长度5μm)1.5g置入容器中用机械搅拌混合；

步骤二：将树脂和导电填料混合物经线棒涂膜，湿膜厚度为1mm,自然晾干。

步骤三：取用步骤二的膜，与碳纤维织物以一层织物一层膜交替铺放共10层织物内含6层膜做夹芯，压制厚度限1.5mm,置于平板模具中模塑成型。

此时，模具温度设定为150℃，模具压力7Mpa。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。

测试结果记为A1。

对比例1

与实施例相比，所述碳纤维为未经过去除表面上浆剂处理的碳纤维织物。测试结果记为B1。

对比例2

与实施例相比，所述填料为CNT，添加量为5g。测试结果记为B2。

对比例3

与实施例相比，所述填料为石墨，为5g。测试结果记为B3。

对比例4

与实施例相比，所述碳纤维为碳纤维毡，厚度1mm。

取用实施例步骤二的膜，与碳纤维毡以一层织物一层膜交替铺放共2层织物含3层膜，压制厚度限1.5mm,置于平板模具中模塑成型。

此时，模具温度设定为150℃，模具压力7Mpa。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。

测试结果记为B4。

测试结果对比

测试均在室温下测量，采用四探针法测定材料体积电阻率；

每组测试5个样品，取测试结果平均值；

所有样品均经过清洗处理。

表1

根据表1的比较结果，实施例相较于通用石墨双极板电阻率可以达到相同数量级。对比例1与实施例比较，碳纤维表面没有上浆剂可以提升导电效果，因为上浆剂为为绝缘层，阻碍电子在碳纤维和导电介质之间的传递。对比例2与实施例比较，碳纳米管作为导电体添加具有一定的阈值，超过阈值后继续添加对结果影响不大。对比例3与对比例2比较，石墨作为导电体在相同添加量下复合材料导电性不如碳纳米管作为导体的复合材料，因为碳纳米管微观为纳米纤维，其细长的形态相比于多片层石墨更容易形成导电网络。对比例4与实施例比较，碳纤维毡因为短碳纤维之间的接触，相比于实施例中的连续纤维编织布，其接触电阻较大，影响其电阻率。

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 (7)

1.一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其特征在于，包含作为导电和增强的碳纤维、树脂膜(片)。

2.根据权利要求1所述的一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料，其特征在于，所述树脂膜(片)为树脂和导电填料经过混合后，经涂敷或压制得到。

3.根据权利要求2所述的树脂膜(片)，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、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的组合。

4.根据权利要求2所述的树脂膜(片)，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。

5.根据权利要求1所述的一种树脂膜工艺制备碳纤维燃料电池双极板的材料，其特征在于，所述碳纤维为编织碳纤维织物、碳纤维毡或无纺布中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的碳纤维，其特征在于，包含未经任何表面处理的原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中的一种或几种的组合。

7.一种树脂膜法制备燃料电池双极板的材料的制备方法，其包括以下步骤：

通过将树脂和导电填料混合后经涂敷、压制制成膜(片)；以及通过将膜(片)和碳纤维经过混合铺放来制备所述的一种树脂膜工艺制备碳纤维燃料电池双极板的材料。