CN1560947A - 一种柔性石墨双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纯柔性石墨燃料电池双极板及其制备方法，属于燃料电池双极板材料技术领域。其特征在于：整个双极板是由石墨蠕虫组成，并且利用浸渍和直接添加的方法在蠕虫中混和少量添加剂，或者利用直接涂抹的方法在双极板表面形成薄膜。具体制备方法是将石墨蠕虫填加入模具中，采用模压或辊压的方法直接成型或分步成型双极板，成型压力为30～100MPa。本发明制备的燃料电池双极板密度为1.2～1.7g/cm3，厚度为1.0～3.0mm。直接成型的纯石墨蠕虫双极板抗拉强度为6～15MPa，经过浸渍处理的双极板抗拉强度为8～20MPa。浸渍后的双极板具有耐腐蚀，与电极、电解质不发生作用、重量轻、厚度小、导电、导热性能好，防透气性能好，且制备工艺简单、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种纯柔性石墨燃料电池双极板及其制备方法。属于燃料电池双极板材料与制造技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)的双极板(Bipolar Plates)，也称集流板，起着分隔氧化剂与还原剂的作用，并将反应物通过板面的流场均匀分配到电极各处，与电极催化剂层进行电化学反应。
因此，为了有效的分隔氧化剂与还原剂，双极板要求具有很好的阻气功能；双极板具有集流作用，要求双极板必须是电的良导体；确保电池在工作时温度分布均匀并使电池的废热顺利排除，双极板必须是热的良导体；而且双极板必须具有很强的抗腐蚀能力，因为燃料电池电解质为酸性条件；同时，双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道(即所谓的流场)，以确保反应气在整个电极各处的均匀分布，因此双极板应具有良好的加工性能和机械性能；为了提高电池的体积功率和质量功率，双极板还应具有密度小、质量轻、体积小的优点。这样，作为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池双极板的基本要求为耐腐蚀，导电性能好，透气率低，重量轻。
目前双极板主要采用的材料有金属材料、不透性石墨(人造石墨)、炭—炭复合材料。
采用人造石墨制造的双极板导电及耐腐蚀性均好。缺点是人造石墨的制作程序复杂而严格，耗工费时。而且，由于人造石墨质脆，因此要求双极板的厚度较大，一般为3mm左右，不利于电池体积比功率的提高，同时使得流场加工困难，成本极高，不利于批量商业化生产。目前人造石墨多使用于燃料电池性能测试和燃料电池研究。
金属材料制造的双极板，厚度小(一般可达到0.1～0.5mm)，有利于体积比功率的提高；可采用冲压冲剪等机械化生产方法加工孔道与流场，加工成本低、方法简单，适于商业化大批量生产。但是，金属材料双极板经过长期使用易受腐蚀，腐蚀后产生氧化膜，造成导电率降低，因此必须解决金属板的腐蚀问题。目前，多采用的是金属表面改性。通过改性，不但可防止轻微腐蚀的产生，而且可以使接触电阻保持恒定，不随时间而增大。如专利US6,426,161介绍了利用镁、铝制造燃料电池双极板，并且提出了利用电镀、电化学沉积或其它方法在金属表面合成薄膜，如金属—聚四氟乙烯；专利US5,776,624介绍了利用黄铜制备质子交换膜燃料电池双极板，并且提出双极板由几层构成，表面为一种合金，含有镍、铬、钛；专利WO2001/28020-A1提出在金属表面镀(PVD)TixAlyN耐蚀导电涂层，并用非晶石墨封孔制备燃料电池双极板。还有利用柔性石墨纸与不锈钢板一起模压制造金属材料双极板。总之，其主要目的是增强金属板的耐腐蚀性，但是这些保护膜会影响金属的导电性并且使双极板的成本大大提高。因此，金属材料制造质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池双极板还需要深入的研究。
近年来，国内外还开发了一系列炭类双极板材料，如专利US6,248,467-B1提出模压乙烯基树脂+石墨粉末制造PEMFC双极板；专利CN1282349提出了用10～30wt％低粘度热固性树脂和70～90wt％导电骨料模压制造复合材料双极板；专利EP1192032-A1提出用膨胀石墨和热塑性树脂制备燃料电池双极板；还有专利提出用树脂浸渍改善硬石墨材料，使流场容易加工，并且采用模压、注塑等快速成型方法，或者用石墨填充聚合物的方法等等。这些双极板多采用炭与树脂作基体材料，利用注塑、热压成型的方法，可以大大降低双极板的制造成本，但是其导电性能、双极板厚度、重量方面都不是很理想。
柔性石墨具有双极板所需的耐腐蚀，导电、导热性能好，密度低等基本优点，因此有专利提出柔性石墨与树脂或金属板复合，但是一方面成本较高，另一方面仍会出现导电率不好的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种耐腐蚀，导电、导热性能好、且制备工艺简单、成本低的柔性石墨双极板及其制备方法。
本发明提出的一种柔性石墨双极板，其特征在于：它主要含有膨胀石墨蠕虫和添加剂，所述石墨蠕虫中含碳量不小于99wt％。
在上述柔性石墨双极板中，所述膨胀石墨蠕虫用电化学法插层鳞片制备，也可用已有方法制备膨胀石墨，并且在900～1000℃下膨化制备膨胀石墨蠕虫。
本发明提出的一种柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：
(1)将石墨蠕虫填入模具中，在30～100MPa压力下直接成型，一步形成流场及进、出气、水孔；
(2)浓度为5～20wt％的硼酸溶液、胶类聚合物中的一种或两种浸渍双极板，并在100～200℃进行热处理1～2小时。
在上述制备方法中，步骤(1)可采用分步成型方法，即先将石墨蠕虫填入模具中，在10～20MPa压力下成型柔性石墨平板，然后放入上下模芯及烘干后的平板，在30～100MPa压力下成型双极板，直接形成流场及进、出气、水孔。
在上述制备方法中，步骤(2)所述胶类聚合物为502胶、聚醋酸乙酯、导电胶中的任何一种。
利用本发明的方法制备的燃料电池双极板密度为1.5～1.8g/cm3，厚度为1.0～3.0mm。直接成型的纯石墨蠕虫双极板抗拉强度为6～15MPa，经过浸渍处理的双极板强度为8～20MPa。浸渍后的双极板具有耐腐蚀，与电极、电解质不发生作用、重量轻、厚度小、导电、导热性能好，防透气性能好，且制备工艺简单、成本低等优点。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
1)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，放入上、下模芯，在40±10MPa压力下直接成型双极板；
2)浸渍聚醋酸乙酯，150℃热处理2小时；
3)所得双极板厚度为1.0～3.0mm，密度为1.2～1.5g/cm3，导电率为1.0×104S/m～1.0×105S/m，导热率大于90W/m·k。
实施例2
1)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在10～20MPa压力下成型柔性石墨平板；
2)放入上下模芯及平板，在80±10MPa压力下，成型双极板；
3)表面涂502胶，100℃热处理1小时；
4)所得双极板厚度为1.0～3.0mm，密度为1.5～1.7g/cm3，导电率为1.0×104S/m～1.0×105S/m，导热率大于100W/m·k。
实施例3
1)利用120℃、10wt％硼酸溶液浸渍电化学插层得到的可膨胀石墨半小时；
2)在900～1000℃下膨化制备膨胀石墨蠕虫；
3)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在15MPa压力下成型柔性石墨平板；
4)浸渍聚醋酸乙酯，200℃热处理2小时；
5)放入上下模芯及平板，在50±10MPa压力下，成型双极板；
6)所得双极板厚度为1.0～3.0mm，密度为1.2～1.6g/cm3，导电率大于1.0×104S/m，导热率大于80W/m·k。
实施例4
1)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在10～20MPa压力下成型柔性石墨平板；
2)取出平板，并将平板放入120℃，10wt％硼酸溶液中浸渍半小时；
3)放入上下模芯及平板，在60±10MPa压力下成型双极板；
4)浸渍聚醋酸乙酯，120℃热处理2小时；
5)所得双极板厚度为1.0～3.0mm，密度为1.3～1.6g/cm3，导电率大于1.0×104S/m，导热率大于80W/m·k。
实施例5
1)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在10～20MPa压力下成型柔性石墨平板；
2)放入上下模芯，在70±10MPa压力下成型双极板；
3)浸渍导电胶，180℃热处理2小时；
4)所得双极板厚度为1.0～3.0mm，密度为1.5～1.7g/cm3，导电率大于1.0×104S/m，导热率大于80W/m·k。
Claims (5)
1、一种柔性石墨双极板，其特征在于：它主要含有膨胀石墨蠕虫，所述石墨蠕虫中含碳量不小于99wt％。
2、按照权利要求1所述的一种柔性石墨双极板，其特征在于：所述膨胀石墨蠕虫用电化学法插层鳞片制备，也可用已有方法制备膨胀石墨，并且在900～1000℃下膨化制备膨胀石墨蠕虫。
3、一种柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于：所述方法依次按如下步骤进行：
(1)将石墨蠕虫填入模具中，在30～100MPa压力下直接成型，一步形成流场及进、出气、水孔；
(2)用浓度为5～20wt％的硼酸溶液、胶类聚合物中的一种或两种浸渍双极板，并在100～200℃进行热处理1～2小时。
4、按照权利要求3所述的一种柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于：步骤(1)可采用分步成型方法，即先将石墨蠕虫填入模具中，在10～20MPa压力下成型柔性石墨平板，然后放入上下模芯及烘干后的平板，在30～100MPa压力下成型双极板，直接形成流场及进、出气、水孔。
5、按照权利要求3所述的一种柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述胶类聚合物为502胶、聚醋酸乙酯、导电胶中的任何一种。
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