CN111326759A - 一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料及其制备 - Google Patents

一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料及其制备。复合材料由导电骨料、粘合剂和增强填料组成；按重量百分比计，导电骨料含量60‑90wt％，粘合剂组分含量10‑30wt％，增强填料组分含量为0‑20wt％。所得材料电导率150‑420S·cm‑1，弯曲强度40‑70MPa。本发明具有成本低，生产效率高，产品一致性高等优异特性，适合双极板的批量化及产业化生产。

Description

一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料 及其制备
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料及其制备。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、低污染的电化学能量转化设备。它具有高功率密度、高能量转化率及无污染等优点。PEMFC，在未来的车载驱动电源、便携式电源和家庭用电站等方面有着广阔的应用前景。PEMFC核心部件是双极板、电解质、扩散层、催化剂，作为PEMFC电池堆中单电池的连接组件，双极板主要起着隔绝氧化剂和燃料、均匀分布氧化剂与燃料、支撑膜电极和串联单电池形成电子回路等作用，质量占到整个燃料电池堆的60％-80％，而其成本则占到总成本的40％-60％，因此工艺简单、成本低廉、性能优良的双极板是解决PEMFC产业化的关键因素之一。
按材料分类，双极板可分为金属板、纯石墨板和复合材料双极板。为降低燃料电池的价格和重量，近年来许多研究者致力于开发研究石墨/树脂复合材料双极板材料。复合双极板的材料组分一般包括导电填料、聚合物树脂和辅助增强填料组成，它与纯石墨和金属双极板相比具有价格低、质量轻、易于批量化生产的优点，而且可以通过变化不同的聚合物体系和增强体系来调整其导电性、力学强度、耐腐蚀性及稳定性。目前，石墨/聚合物双极板成型方法主要包括模压、注塑等，这些成型方法的制备工艺多具有制备周期长、耗能高、效率低等缺点。对聚合物树脂种类的选择是决定其具有优良成型性能和缩短制备周期的关键因素之一。用于复合板的聚合物树脂分为热塑性树脂和热固性树脂。热塑性树脂与导电填料混合后形成适于模压的混合物，但是取模前需要长时间冷却。热固性树脂则能形成牢固的三维网状结构，具有更高的弯曲强度，能用来制作更薄的双极板，不需要冷却就可以取模，一定程度上缩短了成型周期。
聚苯硫醚树脂(PPS)是一种热塑性，结晶型树脂，可通过冷却工艺调节其结晶程度，进而优化复合材料的各种性能，具有高的耐化学腐蚀性，优良的力学性能，以及良好的尺寸稳定性和耐高温性，使之成为制备复合双极板材料的理想聚合物树脂之一。专利CN101113239A公开了一种制备石墨/聚苯硫醚导电复合材料方法，其树脂材料组分采用一种单一PPS树脂和一种单一石墨粉体材料，未使用增强填料，其成型工艺步骤包括升温、保温、加压、降温过程，制备周期大于5分钟，影响量化生产效率，而且其力学强度较低，最低至10MPa，体电导率较低；专利CN1710738A公开了另外一种中间相碳微球/聚苯硫醚导电复合材料方法，其模压成型周期大于10min，其电导率较低，所述实施例电导率最低至10S·cm-1，且中间相碳微球价格成本高，且需要冷脱模，制备工艺复杂低效，难以实现量化生产。
由此可见急需提供一种能够量化生产、高电导率、高力学强度的导电复合材料。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料及其制备。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料，复合材料由导电骨料、粘合剂和增强填料组成；按重量百分比计，导电骨料含量60-90wt％，粘合剂组分含量10-30wt％，增强填料组分含量为0-20wt％。
所述粘合剂为按重量百分比计50-100wt％聚苯硫醚和0-50wt％酚醛树脂；增强填料为按重量百分比计80-100wt％的石墨纤维和0-20wt％的炭黑。
所述导电骨料组分为石墨材料，其中，石墨材料为人造石墨、鳞片石墨、膨胀石墨或微晶石墨。
所述石墨纤维为短切石墨纤维；其中，短切石墨纤维是聚丙烯腈石墨纤维；所述石墨粒度为100-540目。
所述短切石墨纤维粒度为35-325目。
一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料的制备方法：按上述比例将电骨料、粘合剂和增强填料搅拌混匀获得混合料，而后采用低温模压成型，成型后经过高温后续处理即得到高导电性，高力学强度的石墨基导电复合材料。
所述模压成型时模压温度为90-150℃，模压压力为50-300MPa，模压时间为0.5-60min。
所述成型后于220-360℃下进行强化处理20-60min。
(1)进一步的说，所述模压成型泄压热脱模后，将板材置于高温炉中进行强化处理，以1-5℃每分钟的升温速率升至220-360℃，保温20-60分钟，随炉冷却后制得复合材料双极板。
本发明技术方案与现有技术相比，具有如下特点：
(1)本发明制得的双极板具有优良的电导率和力学强度，且极板一致性均匀性良好，体电导率230-405S·cm-1，弯曲强度42-70MPa，空气渗透率小于1×10-9mol·s-1·cm-2·kPa-1；
(2)本发明所用原料易得，价格低廉，工艺设备简单，所本发明模压周期短，采用最简单的单模单穴模具进行模压成型，生产效率达到1件/分钟，适宜于双极板批量化、产业化生产；
(3)本发明后续处理工艺操作步骤及设备简单，具有高合格率，可根据产能需求来设计一次后续处理的单批次双极板数量；
本发明双极板适用于质子交换膜燃料电池，具有高电导率、高力学强度，特别具有模压周期短的特点，适宜于双极板的批量化、产业化生产，在燃料电池产业化领域具有很大的实用性。
附图说明：
图1为本发明实施例提的合成图。
具体实施例：
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
实施例1
石墨/树脂复合材料双极板，由包含以下重量百分比含量组分组成：石墨含量为70wt％，石墨纤维含量为10wt％，聚苯硫醚含量为18wt％，酚醛树脂含量2wt％，将各种原粉料置于搅拌混料机中混合均匀，将粉料置于模具中铺设均匀，以压强200MPa，温度120℃，保压时间30秒压制成型，重复生产，每小时可制备100片，将100片板材叠放，置于高温炉中以3℃/分钟，升温至350℃，保温30分钟后随炉冷却并取出。按照该实施例，可实现批量化生产，一条单台成型设备生产线可实现日产能1000片板材，生产效率与现有同类型生产方式比较巨大提升。
实施例2
石墨/树脂复合材料双极板，由包含以下重量百分比含量组分组成：石墨含量为70wt％，石墨纤维含量为8wt％，炭黑2wt％，聚苯硫醚含量为15wt％，酚醛树脂含量为5wt％，将混合粉料置于模具中铺设均匀，以压强150MPa，温度110℃，保压时间30秒压制成型；脱模后将板材置于高温炉中300℃，保温40分钟后随炉冷却，制得目标双极板。
实施例3
石墨/树脂复合材料双极板，由包含以下重量百分比含量组分组成：石墨含量为60wt％，石墨纤维含量为28wt％，炭黑2wt％，聚苯硫醚含量为9wt％，酚醛树脂含量为1wt％，混料后，以压强250MPa，温度130℃，保压时间30秒压制成型；脱模后将板材置于高温炉中以2℃/min，升温至320℃，保温60分钟后随炉冷却，制得目标双极板。
实施例4
石墨/树脂复合材料双极板，由包含以下重量百分比含量组分组成：石墨含量为60wt％，石墨纤维含量为20wt％，炭黑5wt％，聚苯硫醚含量为13wt％，酚醛树脂含量为2wt％，以压强300MPa，温度100℃，，保压时间30秒压制成型；脱模后将板材置于高温炉中以1℃/min，升温至300℃，保温40分钟后随炉冷却，制得目标双极板。
实施例5
石墨/树脂复合材料双极板，由包含以下重量百分比含量组分组成：石墨含量为60wt％，聚苯硫醚含量为35wt％，酚醛树脂含量为5wt％，以压强300MPa，温度100℃，保压时间30秒压制成型；升温至200℃，保温1小时，随炉冷却取出。
将上述各实施例获得石墨/树脂复合材料双极板按照GB/T20042.6-2011方法进行导电率和弯曲强度的测试，结果见表1。
表1实施例导电率和弯曲强度
Figure BDA0001905568450000041
由实施例和表1测试结果可见，本发明制得的双极板具有优良的电导率和力学强度，体电导率230-405S·cm-1，弯曲强度最高达70MPa；该制备方法模压周期最短至30秒，高温后续处理步骤可根据产能需求进行调整单批次双极板板材处理的数量，极大的调高了生产需求的灵活性。

Claims (8)

1.一种用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料，其特征在于：复合材料由导电骨料、粘合剂和增强填料组成；按重量百分比计，导电骨料含量60-90wt％，粘合剂组分含量10-30wt％，增强填料组分含量为0-20wt％。
2.按权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料，其特征在于：所述粘合剂为按重量百分比计50-100wt％聚苯硫醚和0-50wt％酚醛树脂；增强填料为按重量百分比计80-100wt％的石墨纤维和0-20wt％的炭黑。
3.按权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料，其特征在于：所述导电骨料组分为石墨材料，其中，石墨材料为人造石墨、鳞片石墨、膨胀石墨或微晶石墨。
4.按权利要求1或2所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料，其特征在于：所述石墨纤维为短切石墨纤维；其中，短切石墨纤维是聚丙烯腈石墨纤维；所述石墨粒度为100-540目。
5.按权利要求4所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料，其特征在于：所述短切石墨纤维粒度为35-325目。
6.一种权利要求1所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料的制备方法，其特征在于：按上述比例将电骨料、粘合剂和增强填料搅拌混匀获得混合料，而后采用低温模压成型，成型后经过高温后续处理即得到高导电性，高力学强度的石墨基导电复合材料。
7.按权利要求6所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述模压成型时模压温度为90-150℃，模压压力为50-300MPa，模压时间为0.5-60min。
8.按权利要求6所述的用作质子交换膜燃料电池双极板的石墨基导电复合材料的制备方法，其特征在于：所述成型后于220-360℃下进行强化处理20-60min。
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