CN111952619A - 一种质子交换膜燃料电池复合双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池复合双极板及其制备方法。本发明将三聚氰胺海绵加热碳化成碳海绵，把海绵加工成双极板需要的形状、刻制流场，通过浸渍‑干燥法在海绵孔洞中生成导电聚合物膜，使得导电聚合物与碳海绵形成互穿的网络结构，最后使用热固性树脂作为填充聚合物，补充孔隙，加大强度，制得复合双极板。本发明制得的改性复合材料双极板具有电导性好、体积密度小、机械性能好、润湿性能好、热稳定性能好等优点。

Description

一种质子交换膜燃料电池复合双极板及其制备方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，特别是指一种复合双极板及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种直接将燃料和氧化剂中的化学能连续转化为电能的装置，具有高效环保、比能量和比功率高、启动快等很多优点，被看作是未来重要的新型能源，已成为世界各国研究热点之一。
双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件，主要作用是为了实现单电池之间的连接起到收集电流的作用，为电池分配燃料和氧化剂等。双极板质量的好坏直接决定电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短，其成本占电池堆总成本的40%左右。因此，寻求和制备廉价、质轻、轻薄、力学性能好、电导率高、透气系数低、耐腐蚀的双极板材料以及成本较低的制备工艺是双极板发展的目标。
目前，用于生产质子交换膜燃料电池双极板的材料有石墨、金属材料和复合材料等。石墨板具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，因此生产成本高。金属材料也可以用来制备双极板，其优点在于金属材料的导电和导热性能非常好，易于加工，选用非常薄的极板就能达到隔离反应气体的目的，金属材料的主要不足在于密度较大，接触电阻较高且易于腐蚀。另外，石墨-树脂复合材料双极板也得到了实际应用，复合板结合了石墨板和金属板的优点，在石墨-树脂复合材料中，树脂作为粘结剂，在增强石墨板力学强度的同时也提高了其阻气性，但复合板的电导率低，体积密度大仍然限制了双极板的商业化进程。
发明内容
本发明是要解决现有方法制备的双极板电导性差、体积密度大和机械性能差的问题，而提供一种复合材料双极板及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，将三聚氰胺海绵加热碳化成碳海绵，把海绵加工成双极板需要的形状、刻制流场，通过浸渍-干燥法在海绵孔洞中生成导电聚合物膜，使得导电聚合物与碳海绵形成互穿的网络结构，最后使用热固性树脂作为填充聚合物，补充孔隙，加大强度，制得复合双极板。
本发明涉及一种质子燃料电池的复合双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将三聚氰胺树脂海绵清洁干燥，放置于石墨坩埚中，并将坩埚放置于感应炉中，在氩气气氛下以5~30℃/min的升温速率加热到1200~1800℃碳化。当加热至目标温度后，保温0.5~2小时，而后随炉冷却至室温后取出。
（2）将步骤（1）中得到的碳化海绵，加工成双极板所需要的形状、刻制流场。
（3）将步骤（2）所制得的碳海绵浸渍在导电聚合物的溶液中，在完全浸润后，将海绵取出，干燥去除溶剂，使得导电聚合物在碳海绵孔隙中凝聚成膜。重复浸渍-干燥过程若干次，最后充分干燥，得到碳海绵-导电聚合物互穿网络结构的复合碳材料板。
所述的导电聚合物为聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物其中的一种或几种的混合物。
（4）将步骤（3）得到的复合碳材料板用热固性树脂浸渍封孔。将板材放入环氧树脂溶液中，在真空环境下，浸渍压力为5Mpa左右，将复合碳材料板浸渍0.5~2h后取出。当热固性树脂完全固化后，通过机械打磨除去复合碳材料板表面浸渍的多余的树脂。浸渍过程可进行一次或多次，得到经过热固性树脂封孔并带有清晰流道的质子交换膜燃料电池复合双极板。
所述的热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、呋喃树脂等中的一种或几种的混合物。
本发明的优点：
本发明制得的改性复合材料双极板具有电导性好、体积密度小、机械性能好、润湿性能好、热稳定性能好等优点。
碳海绵做支撑主体，重量轻，强度高，有利于电池的小型化和薄型化，具有良好的化学稳定性；在海绵上加工流道，简易方便，从而大大降低机械加工费用；产品孔隙率低，可提高耐气体渗透性；复合双极板具有优异的导电导热性，便于提高燃料电池的功率密度和散热性，保证燃料电池的运行稳定。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
（1）将三聚氰胺树脂海绵清洁干燥，放置于石墨坩埚中，并将坩埚放置于感应炉中，在氩气气氛下以8℃/min的升温速率加热到1500℃碳化。当加热至目标温度后，保温0.5个小时，而后随炉冷却至室温后取出。
（2）将步骤（1）中得到的碳化海绵，加工成双极板所需要的形状、刻制流场。
（3）将步骤（2）所制得的碳海绵浸渍在聚苯胺的溶液中，再完全浸润后，将海绵取出，干燥去除溶剂，使得聚苯胺在碳海绵孔隙中凝聚成膜。重复浸渍-干燥过程3次，最后充分干燥，得到碳海绵-聚苯胺互穿网络结构的复合板。
（4）将步骤（3）得到的复合碳材料板用环氧树脂浸渍封孔。将板材放入环氧树脂溶液中，在真空环境下，浸渍压力为5Mpa左右，将板材浸渍1h后取出。当环氧树脂完全固化后，通过机械打磨除去碳材料板表面浸渍的多余的环氧树脂。浸渍过程可进行2次，得到经过环氧树脂封孔并带有清晰流道的质子交换膜燃料电池复合双极板。
实施例2
（1）将三聚氰胺树脂海绵清洁干燥，放置于石墨坩埚中，并将坩埚放置于感应炉中，在氩气气氛下以10℃/min的升温速率加热到1700℃碳化。当加热至目标温度后，保温0.5个小时，而后随炉冷却至室温后取出。
（2）将步骤（1）中得到的碳化海绵，加工成双极板所需要的形状，刻制流场。
（3）将步骤（2）所制得的碳海绵浸渍在聚苯胺的溶液中，再完全浸润后，将海绵取出，干燥去除溶剂，使得聚苯胺在碳海绵孔隙中凝聚成膜。重复浸渍-干燥过程5次，最后充分干燥，得到碳海绵-聚苯胺互穿网络结构的复合板。
（4）将步骤（3）得到的复合碳材料板用酚醛树脂浸渍封孔。将板材放入酚醛树脂溶液中，在真空环境下，浸渍压力为5Mpa左右，将板材浸渍0.5h后取出。当酚醛树脂完全固化后，通过机械打磨除去碳材料板表面浸渍的多余的酚醛树脂。浸渍过程可进行3次，得到经过酚醛树脂封孔并带有清晰流道的质子交换膜燃料电池复合双极板。

Claims (2)

1.一种质子交换膜燃料电池复合双极板，其特征在于该双极板是通过将三聚氰胺海绵加热碳化成碳海绵，把海绵加工成双极板需要的形状、刻制流场，用浸渍-干燥法在海绵孔洞中生成导电聚合物膜，使得导电聚合物与碳海绵形成互穿的网络结构，最后使用热固性树脂作为填充聚合物，补充孔隙，加大强度而制得。
2.根据权利要求1所述的一种质子交换膜燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
（1）将三聚氰胺树脂海绵清洁干燥，放置于石墨坩埚中，并将坩埚放置于感应炉中，在氩气气氛下以5~30℃/min的升温速率加热到1200~1800℃碳化，当加热至目标温度后，保温0.5~2小时，而后随炉冷却至室温后取出；
（2）将步骤（1）中得到的碳化海绵，加工成双极板所需要的形状，刻制流场；
（3）将步骤（2）所制得的碳海绵浸渍在导电聚合物的溶液中，在完全浸润后，将海绵取出，干燥去除溶剂，使得导电聚合物在碳海绵孔隙中凝聚成膜，重复浸渍-干燥过程若干次，最后充分干燥，得到碳海绵-导电聚合物互穿网络结构的复合碳材料板；
（4）将步骤（3）得到的复合碳材料板用热固性树脂浸渍封孔：将板材放入环氧树脂溶液中，在真空环境下，浸渍压力为5Mpa左右，将复合碳材料板浸渍0.5~2h后取出；当热固性树脂完全固化后，通过机械打磨除去复合碳材料板表面浸渍的多余的树脂；浸渍过程可进行一次或多次，得到经过热固性树脂封孔并带有清晰流道的质子交换膜燃料电池复合双极板；
所述的导电聚合物为聚苯胺及其衍生物、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物其中的一种或几种的混合物；
所述的热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、呋喃树脂等中的一种或几种的混合物。
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