CN113185835A - 一种石墨/聚苯硫醚复合材料双极板及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨/聚苯硫醚复合材料双极板及其制备方法和应用，属于导电复合材料技术领域。该双极板由质量百分比含量为80％–85％的F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨和石墨蠕虫按质量比6:4:3:3.6复配的混合物和15％–20％的聚苯硫醚组成，原料粉末置于粉碎机中高速粉碎并混匀，得到的预混料在175–185℃的条件下加压，升温，在360–370℃和20MPa的条件下保温15–25min，自然冷却得到。本发明的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板导电性高、耐腐蚀性好，力学性能优异，可以满足其作为车载燃料电池的使用性能要求，还可以应用于高腐蚀工作场合。

Description

一种石墨/聚苯硫醚复合材料双极板及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于导电复合材料技术领域，具体涉及一种石墨/聚苯硫醚复合材料双极板及其制备方法和应用。
背景技术
双极板又称集流板，是燃料电池关键组成部分，在电池中主要起到分隔燃料与氧化剂、阻止气体透过以及收集、传导电流的作用。传统的双极板材料主要有炭质材料、金属材料以及炭质与金属的复合材料，其中炭质材料双极板主要是致密石墨板，致密石墨板具有良好的导电性能以及极佳的耐腐蚀性能，但机械强度往往不理想，当使用环境稳定时能勉强使用，而随着新能源汽车的飞速发展，车载燃料电池对力学性能要求越来越高，从而导致其无法满足使用要求；金属材料双极板的力学性能能满足要求，但是在燃料电池酸性条件下会逐渐被腐蚀，难以长时间稳定使用。因此，传统的双极板材料作为新能源汽车的车载燃料电池存在较大缺陷，急需开发新的具有高导电率以及优越耐腐蚀性能的双极板材料。
发明内容
为克服现有技术的上述不足，本发明的第一目的是提供一种石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，复合材料具有高电导率和良好的耐腐蚀性能，力学性能优异，能够满足其作为车载燃料电池的使用性能要求。
本发明的第二目的是提供上述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的制备方法，采用模压成型工艺，操作简单，易于产业化生产。
本发明的第三目的是提供上述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板在车载燃料电池或者高腐蚀工作环境中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，以石墨为导电基体、聚苯硫醚为粘接材料经过模压成型得到，按照质量百分比含量计由80％–85％的石墨和15％–20％的聚苯硫醚组成；其中：
所述石墨为F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨和石墨蠕虫按照质量比为6:4:3:3.6复配的混合物，且所述F2胶体石墨、F3胶体石墨和F4胶体石墨的粒度依次变小。
优选地，所述F2胶体石墨的粒度为1000目，所述F3胶体石墨的粒度为500目，所述F4胶体石墨的粒度为250目。
优选地，所述石墨蠕虫先经过预粉碎提高其堆密度后与所述F2胶体石墨、F3胶体石墨和F4胶体石墨复配。
更优选地，所述F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨、石墨蠕虫和聚苯硫醚的质量百分比含量分别为30％、20％、15％、18％和17％。
本发明的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板具有如下优势：导电率高，耐腐蚀性能和力学性能均好。
本发明还提供所述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料预混合：按照配比称取石墨和聚苯硫醚的粉末置于粉碎机中高速粉碎并混匀，得到石墨/聚苯硫醚预混料；
(2)模压成型：将模具预热至175–185℃后，取出模具表面均匀涂覆脱模剂，待所述脱模剂干燥后，将步骤(1)得到的石墨/聚苯硫醚预混料装模，保持所述粉料均匀压实，合模，在175–185℃的条件下加压至20MPa，同时升温至加工温度为360–370℃，升温过程中当加工温度大于200℃时反复放气直至放气时几乎无气体逸出，重新加压至20MPa，在360–370℃和20MPa的条件下保温15–25min，自然冷却至室温后脱模，得到石墨/聚苯硫醚复合材料双极板。
优选地，步骤(1)中，单次高速粉碎的时间为2min，重复若干次直至原料混匀。
优选地，步骤(2)中，所述石墨/聚苯硫醚预混料装模在365℃和20MPa的条件下保温20min。
本发明还提供所述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板在车载燃料电池或者高腐蚀工作环境中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过原料配比和加工参数的优化，采用多种粒度的胶体石墨配合膨胀石墨蠕虫粉碎得到的高比表面积，改善其内部孔隙状况，有利于搭建复合材料内部导电通路，得到的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板结构密实且力学强度优异，导电性高，耐腐蚀性好，，可以满足其作为车载燃料电池的使用性能要求。
(2)本发明的模压成型过程中，原料经过高速粉碎进行预混合的同时可以提高原料粉末的比表面积，且粉碎机粉碎速度快、成本低，工艺相较于球磨机简单且易于工业化生产。另外，升温过程中反复放气可以避免胶体石墨和聚苯硫醚中存在的小分子有机物转为气体压力增大可能造成顶模喷料的现象。
参考以下详细说明更易于理解本发明的上述以及其他特征、方面和优点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更显著：
图1是实施例中制备石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的工艺流程示意图；
图2是实施例1中石墨/聚苯硫醚预混料的形貌照片；
图3是实施例1中制备的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的外观照片；
图4是实施例1制备的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板经酸碱刻蚀试验后表面照片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中采用的F2胶体石墨、F3胶体石墨和F4胶体石墨的粒度分别为1000目、500目和250目，聚苯硫醚为粉料，石墨蠕虫先经过预粉碎提高其堆密度后再与F2胶体石墨、F3胶体石墨和F4胶体石墨复配。
如图1所示，以下实施例中制备石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的工艺流程如下：
按照配比称取由F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨和石墨蠕虫按质量比6:4:3:3.6复配的混合物和聚苯硫醚的粉末，其中石墨蠕虫需要先经过预粉碎提高其堆密度。将上述粉末置于粉碎机中高速粉碎并混匀，得到石墨/聚苯硫醚预混料。将模具预热至175–185℃后，取出模具表面均匀涂覆脱模剂，待脱模剂干燥后，将上述石墨/聚苯硫醚预混料装模，保持粉料均匀压实，合模，在175–185℃的条件下加压至20MPa，同时升温至加工温度为360–370℃，升温过程中当加工温度大于200℃时反复放气直至放气时几乎无气体逸出，重新加压至20MPa，在360–370℃和20MPa的条件下保温15–25min，自然冷却至室温后脱模，得到石墨/聚苯硫醚复合材料双极板。
一些实施例中，F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨、石墨蠕虫和聚苯硫醚的质量百分比含量分别为30％、20％、15％、18％和17％。
一些实施例中，步骤(1)中，单次高速粉碎的时间为2min，重复若干次直至原料混匀。
一些实施例中，步骤(2)中，石墨/聚苯硫醚预混料装模后在365℃和20MPa的条件下保温20min。
以下通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例中制备石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，采用的原料F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨、石墨蠕虫和聚苯硫醚的质量百分比含量分别为30％、20％、15％、18％和17％，且石墨蠕虫先经过预粉碎提高其堆密度后复配，步骤如下：
按照上述配比称取150g F2胶体石墨、100g F3胶体石墨、75g F4胶体石墨、90g石墨蠕虫和85g聚苯硫醚的粉末置于粉碎机中高速粉碎2min，重复多次直至原料混匀，得到石墨/聚苯硫醚预混料(如图2所示)。将模具预热至180℃后，取出模具表面均匀涂覆脱模剂，待脱模剂干燥后，将180g上述石墨/聚苯硫醚预混料装模，模具内径尺寸为24cm×12cm，保持粉料均匀压实，合模，在180℃的条件下加压至20MPa，同时升温至加工温度为365℃，升温过程中当加工温度大于200℃时反复放气直至放气时几乎无气体逸出，重新加压至20MPa，在365℃和20MPa的条件下保温20min，自然冷却至室温后脱模，得到尺寸为23cm×11.5cm的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板(如图3所示)。
采用四探针对上述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板进行多点位置的电导率测试，制备尺寸为60mm×10mm的弯曲样条在电子万能材料试验机上进行弯曲强度测试，平均电导率为104.5s/cm，平均弯曲强度为74.52MPa，平均厚度为3.17mm。
对上述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板进行酸碱刻蚀试验，酸碱刻蚀后表面无明显腐蚀痕迹(如图4所示)，证明其耐蚀性能好。

Claims (8)

1.一种石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，其特征在于，以石墨为导电基体、聚苯硫醚为粘接材料经过模压成型得到，按照质量百分比含量计由80％–85％的石墨和15％–20％的聚苯硫醚组成；其中：
所述石墨为F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨和石墨蠕虫按照质量比为6:4:3:3.6复配的混合物，且所述F2胶体石墨、F3胶体石墨和F4胶体石墨的粒度依次变小。
2.根据权利要求1所述的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，其特征在于，所述F2胶体石墨的粒度为1000目，所述F3胶体石墨的粒度为500目，所述F4胶体石墨的粒度为250目。
3.根据权利要求1所述的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，其特征在于，所述石墨蠕虫先经过预粉碎提高其堆密度后与所述F2胶体石墨、F3胶体石墨和F4胶体石墨复配。
4.根据权利要求1至3任一项所述的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板，其特征在于，所述F2胶体石墨、F3胶体石墨、F4胶体石墨、石墨蠕虫和聚苯硫醚的质量百分比含量分别为30％、20％、15％、18％和17％。
5.权利要求1至4任一项所述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原料预混合：按照配比称取石墨和聚苯硫醚的粉末置于粉碎机中高速粉碎并混匀，得到石墨/聚苯硫醚预混料；
(2)模压成型：将模具预热至175–185℃后，取出模具表面均匀涂覆脱模剂，待所述脱模剂干燥后，将步骤(1)得到的石墨/聚苯硫醚预混料装模，保持所述粉料均匀压实，合模，在175–185℃的条件下加压至20MPa，同时升温至加工温度为360–370℃，升温过程中当加工温度大于200℃时反复放气直至放气时几乎无气体逸出，重新加压至20MPa，在360–370℃和20MPa的条件下保温15–25min，自然冷却至室温后脱模，得到石墨/聚苯硫醚复合材料双极板。
6.根据权利要求5所述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，单次高速粉碎的时间为2min，重复若干次直至原料混匀。
7.根据权利要求5所述石墨/聚苯硫醚复合材料双极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述石墨/聚苯硫醚预混料装模在365℃和20MPa的条件下保温20min。
8.权利要求1至4任一项所述的石墨/聚苯硫醚复合材料双极板在车载燃料电池或者高腐蚀工作环境中的应用。
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