CN1710738A - 燃料电池的一种复合材料双极板及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
燃料电池的一种复合材料双极板及其制作方法，它具体涉及燃料电池的双极板及其制作方法，它的目的是为了解决燃料电池双极板导电性和强度差，并且加工工艺复杂、成本高的问题。本发明的双极板主要由中间相碳微球和聚苯硫醚原料组成，所述原料混合模压制成所述双极板，双极板的上下表面有均匀分布的流场，中间相碳微球占双极板总重量的30％～95％，聚苯硫醚占双极板总重量的5％～70％，本双极板还包括填料，填料占双极板总重量的0％～65％。本发明的制备步骤为：一、预处理，二、混合烘干，三、混碾烘干，四、模压成型，五、后处理。本发明的双极板具有高强度、导电性能好的优点，并且不须经碳化/石墨化处理，节约了制作成本。
Description
技术领域：
本发明具体涉及燃料电池的双极板及其制作方法。
背景技术：
燃料电池是本世纪理想的能源转换装置，双极板是其重要组成部件，一直以来，双极板费用占燃料电池成本的一半以上。燃料电池双极板成本高居不下的主要原因之一是所用碳材料双极板的生产过程必须经过碳化/石墨化处理，而这一过程的加工费用高昂。专利申请号为03156680.4所提供的一种燃料电池复合材料双极板虽然也提供了一种解决传统燃料电池双极板高成本的问题，但是它采用热固性树脂作为原料，而热固性树脂的模压力一般较小且需要再加入固化剂使混合物固化，混合物成型前室温一般呈液乳态，碳材料成分含量少，导致导电性和强度差。
发明内容：
本发明的目的是为了解决燃料电池双极板导电性和强度差，并且加工工艺复杂、成本高的问题，从而提供了燃料电池的一种复合材料双极板及其制作方法。本发明的复合材料双极板主要由中间相碳微球和聚苯硫醚原料组成，中间相碳微球和聚苯硫醚原料混合模压制成所述复合材料双极板，复合材料双极板的上下表面有均匀分布的流场，中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的30％～95％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的5％～70％，本复合材料双极板还包括填料原料，填料的重量占复合材料双极板总重量的0％～65％。本发明的复合材料双极板的制作方法按以下步骤进行制备：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和填料分别过50～400目筛，然后在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；二、混合烘干：将预处理后的原料按本发明复合材料双极板原料组成的比例进行混合，再在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；三、混碾烘干：将混合烘干后的混合粉料混碾均匀，过50～400目筛，在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；四、模压成型：将经过混碾烘干后的混合粉料转入模压模具中并置于卧式或立式油压机中，在温度为250～450℃、压力为20～500Mpa的条件下模压成型，形成上下表面均带有均匀分布流场的双极板，成型时间为10～60分钟；五、后处理：在上述模压成型步骤结束后，保持油压机的压力不变，将模压模具自然冷却至20～200℃时去掉油压机的压力，得成品。热塑性树脂聚苯硫醚，具有耐热、耐腐蚀的优点，并且无毒、尺寸精度高，用它制作复合材料双极板时可以减少粘结剂用量，并且模压力大，模压成品致密性好、强度高；中间相碳微球是将调制的沥青等原料经热缩聚反应得到的中间相(液晶相)沥青球经过分离、碳化、石墨化而获得的，它可用作超细石墨、高纯(核)石墨原料，用它制作复合材料双极板时，可以提高双极板的导电性；添加填料是为了改善本发明双极板的导电性和抗弯曲强度。本发明将上述材料结合在一起制作的燃料电池复合材料双极板具有高强度、耐碱、耐腐蚀、抗渗透能力强，导电性能好的优点，弯曲强度大于64Mpa，体积密度大于1.8g/cm3，电阻率小于0.1Ω·cm。本发明的制作方法过程简单，不须经碳化/石墨化处理，节约了制作成本。
具体实施方式：
具体实施方式一：本具体实施方式由中间相碳微球、聚苯硫醚和填料原料组成，中间相碳微球、聚苯硫醚和填料原料混合模压制成所述复合材料双极板，复合材料双极板的上下表面有均匀分布的流场，中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的30％～95％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的5％～70％，填料的重量占复合材料双极板总重量的0％～65％。
具体实施方式二：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的填料原料包括碳材料粉末、金属粉末或所述碳材料粉末和金属粉末的混合物。其他组成与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的碳材料粉末选自碳纤维、乙炔黑、活性碳、石墨粉、石墨化及非石墨化碳粉末中的一种或几种。其他组成与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的金属粉末选自铜粉、铝粉、镍粉、金粉、银粉中的一种或几种。其他组成与具体实施方式二相同。
具体实施方式五：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的30％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的70％。
具体实施方式六：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的80％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的20％。
具体实施方式七：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的95％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的5％。
具体实施方式八：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的40％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的20％，填料原料是活性碳粉末，所述活性碳粉末的重量占复合材料双极板总重量的40％。
具体实施方式九：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的60％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的30％，填料原料是乙炔黑粉末和碳纤维粉末的混合物，所述乙炔黑粉末的重量占复合材料双极板总重量的5％，所述碳纤维粉末的重量占复合材料双极板总重量的5％。
具体实施方式十：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的30％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的30％，填料原料是活性碳粉末和铝粉的混合物，所述活性碳粉末的重量占复合材料双极板总重量的20％，所述铝粉的重量占复合材料双极板总重量的20％。
具体实施方式十一：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的50％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的30％，填料原料是铝粉，所述铝粉的重量占复合材料双极板总重量的20％。
具体实施方式十二：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的50％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的30％，填料原料是铝粉和铜粉的混合物，所述铝粉的重量占复合材料双极板总重量的10％，所述铜粉的重量占复合材料双极板总重量的10％。
具体实施方式十三：本具体实施方式的复合材料双极板的制作方法按以下步骤进行制备：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和填料分别过50～400目筛，然后在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；二、混合烘干：将预处理后的原料按本发明复合材料双极板原料组成的比例进行混合，再在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；三、混碾烘干：将混合烘干后的混合粉料混碾均匀，过50～400目筛，在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；四、模压成型：将经过混碾烘干后的混合粉料转入模压模具中并置于卧式或立式油压机中，在温度为250～450℃、压力为20～500Mpa的条件下模压成型，形成上下表面均带有均匀分布流场的双极板，成型时间为10～60分钟；五、后处理：在上述模压成型步骤结束后，保持油压机的压力不变，将模压模具自然冷却至20～200℃时去掉油压机的压力，得成品。
具体实施方式十四：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤为：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球和聚苯硫醚按3∶7的比例混合，再在120～140℃烘箱内烘干1小时；三、混碾烘干：将混合烘干后的混合粉料混碾均匀，过200目筛，在120～140℃烘箱内烘干1小时；四、模压成型：将经过混碾烘干后的混合粉料转入模压模具中并置于卧式或立式油压机中，在温度为320～350℃、压力为320Mpa的条件下模压成型，形成上下表面均带有均匀分布流场的双极板，成型时间为30分钟；五、后处理：在上述模压成型步骤结束后，保持油压机的压力不变，将模压模具自然冷却至150℃时去掉油压机的压力，得成品。采用本具体实施方式获得的双极板的弯曲强度为89.75Mpa。
具体实施方式十五：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四的不同之处在于：步骤二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球和聚苯硫醚按4∶1的比例混合。采用本具体实施方式获得的双极板的体密度为1.8342g/cm3，电阻率为0.0956Ω·cm，弯曲强度为65.19Mpa。其他组成和步骤与具体实施方式十四相同。采用本具体实施方式时，不用添加金属板制备复合材料双极板，可以从根本上解决离子污染的问题。
具体实施方式十六：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四的不同之处在于：步骤二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球和聚苯硫醚按19∶1的比例混合。采用本具体实施方式获得的双极板的体密度为1.8455g/cm3。其他组成和步骤与具体实施方式十四相同。
具体实施方式十七：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四的不同之处在于：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末按2∶1∶2的比例混合。采用本具体实施方式获得的双极板的体密度为1.8029g/cm3，电阻率为0.0974Ω·cm，弯曲强度为68.65Mpa。本具体实施方式与具体实施方式十五相比加入活性碳填料增加了本发明双极板的抗弯曲强度。其他组成和步骤与具体实施方式十四相同。
具体实施方式十八：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四的不同之处在于：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚、乙炔黑和碳纤维分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚、乙炔黑和碳纤维按12∶6∶1∶1的比例混合。采用本具体实施方式获得的双极板的体密度为1.8100g/cm3，本具体实施方式与具体实施方式十七相比体密度增大了。其他组成和步骤与具体实施方式十四相同。
具体实施方式十九：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四的不同之处在于：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和铝粉分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和铝粉按3∶3∶2∶2的比例混合。采用本具体实施方式获得的双极板的体密度为1.8231g/cm3，电阻率为0.09741Ω·cm，弯曲强度为68.19Mpa。本具体实施方式与具体实施方式十五相比本发明复合材料双极板的抗弯曲强度增大了。其他组成和步骤与具体实施方式十四相同。
具体实施方式二十：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四同之处在于：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和铝粉分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚和铝粉按5∶3∶2的比例混合。采用本具体实施方式获得的双极板的体密度为1.8991g/cm3，电阻率为0.0834Ω·cm，弯曲强度为70.28Mpa。其他组成和步骤与具体实施方式十四。本具体实施方式与具体实施方式十五相比添加铝粉增强了本发明复合材料双极板的导电性和抗弯曲强度。
具体实施方式二十一：本具体实施方式的燃料电池复合材料双极板的制备步骤与具体实施方式十四的不同之处在于：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚、铝粉和铜粉分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚、铝粉和铜粉按5∶3∶1∶1的比例混合。其他组成和步骤与具体实施方式十四相同。
Claims (10)
1、燃料电池的一种复合材料双极板，其特征在于它主要由中间相碳微球和聚苯硫醚原料组成，中间相碳微球和聚苯硫醚原料混合模压制成所述复合材料双极板，复合材料双极板的上下表面有均匀分布的流场，中间相碳微球的重量占复合材料双极板总重量的30％～95％，聚苯硫醚的重量占复合材料双极板总重量的5％～70％，本复合材料双极板还包括填料原料，填料的重量占复合材料双极板总重量的0％～65％。
2、根据权利要求1所述的燃料电池的一种复合材料双极板，其特征在于填料包括碳材料粉末、金属粉末或所述碳材料粉末和金属粉末的混合物。
3、根据权利要求2所述的燃料电池的一种复合材料双极板，其特征在于碳材料粉末选自碳纤维、乙炔黑、活性碳、石墨粉、石墨化及非石墨化碳粉末中的一种或几种。
4、根据权利要求2所述的燃料电池的一种复合材料双极板，其特征在于金属粉末选自铜粉、铝粉、镍粉、金粉、银粉中的一种或几种。
5、燃料电池的一种复合材料双极板的制作方法，其特征在于它按以下步骤进行制备：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和填料分别过50～400目筛，然后在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；二、混合烘干：将预处理后的原料按前述材料组成的比例进行混合，再在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；三、混碾烘干：将混合烘干后的混合粉料混碾均匀，过50～400目筛，在60～150℃烘箱内烘干0.5～5小时；四、模压成型：将经过混碾烘干后的混合粉料转入模压模具中并置于卧式或立式油压机中，在温度为250～450℃、压力为20～500Mpa的条件下模压成型，形成上下表面均带有均匀分布流场的双极板，成型时间为10～60分钟；五、后处理：在上述模压成型步骤结束后，保持油压机的压力不变，将模压模具自然冷却至20～200℃时去掉油压机的压力，得成品。
6、根据权利要求5所述的燃料电池的一种复合材料双极板的制作方法，其特征在于它按以下步骤进行制备：一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球和聚苯硫醚按3∶7的比例混合，再在120～140℃烘箱内烘干1小时；三、混碾烘干：将混合烘干后的混合粉料混碾均匀，过200目筛，在120～140℃烘箱内烘干1小时；四、模压成型：将经过混碾烘干后的混合粉料转入模压模具中并置于卧式或立式油压机中，在温度为320～350℃、压力为320Mpa的情况下模压成型，形成上下表面均带有均匀分布流场的双极板，成型时间为30分钟；五、后处理：在上述模压成型步骤结束后，保持油压机的压力不变，将模压模具自然冷却至150℃时去掉油压机的压力，得成品。
7、根据权利要求5所述的燃料电池的一种复合材料双极板的制作方法，其特征在于步骤二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球和聚苯硫醚按4∶1的比例混合。
8、根据权利要求5所述的燃料电池的一种复合材料双极板的制作方法，其特征在于一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末按2∶1∶2的比例混合。
9、根据权利要求5所述的燃料电池的一种复合材料双极板的制作方法，其特征在于一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和铝粉分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和铝粉按3∶3∶2∶2的比例混合。
10、根据权利要求5所述的燃料电池的一种复合材料双极板的制作方法，其特征在于一、预处理：将中间相碳微球、聚苯硫醚和铝粉分别过100目筛，然后在120～140℃烘箱内烘干3小时；二、混合烘干：将预处理后的中间相碳微球、聚苯硫醚和铝粉按5∶3∶2的比例混合。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |