CN1765603A - 质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域,它涉及一种质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法。其制备方法是:将70~80wt%球状石墨,15~25wt%热塑性聚酰亚胺树脂,0.5~1.5wt%偶联剂(KH-560)和3~10wt%极板纤维增强剂(短碳纤维)放入混料机中进行混合,混料时间控制在15~35分钟。混合料预热至80~100℃,放入经80~100℃预热的模具中。真空液压机的真空度为-0.085MPa,混合料的模压成型温度控制在120~180℃,模压压力为0.5~15MPa进行真空模压成型,复合双极板在液压机内的保温时间控制在2~50分钟。产品脱模并放入烘箱中进行后处理,其温度控制在80~ 180℃,时间控制在0.2~2小时,取出后室温冷却得成品。其质量指标符合质子交换膜燃料电池用复合双极板标准。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法。属于燃料电池技术领域。
背景技术
燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂转化为电能的发电装置。与传统发电技术相比,它具有能量转化效率高、污染小、噪声低等优点。随着人类对能源的需求越来越大,常规能源越来越匮乏。因此,燃料电池的开发与研究已越来越受到各国政府与科学家们的重视。
质子交换膜燃料电池是以全氟磺酸型离子交换膜为电解质,氢气或重整气为燃料,空气或氧气为氧化剂的燃料电池。最简单的质子交换膜燃料电池是由质子交换膜组件、双极板、密封圈等构成。
双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一,其作用是分隔反应气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池、收集并传导电流和支撑膜电极,同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能,因此双极板质量的好坏将直接决定燃料电池堆输出功率的大小和使用寿命的长短。降低双极板材料和成型工艺的成本,有利于质子交换膜燃料电池的发展与产业化。
目前双极板材料主要有金属材料、石墨材料和复合材料等。其中金属双极板具有良好的导电性、导热性、机械加工性、致密性等,适合批量生产,但金属材料也存在诸如单位密度高、易腐蚀等缺点。普通石墨材料也是较早开发和利用的双极板材料,其制成的极板质量轻、耐腐蚀性能好、导电性较强,但石墨本身性脆,达到合格极板的后处理工艺复杂,产品组装困难,且石墨板材制造和流场机械加工工艺都比较复杂,导致制造成本昂贵。
复合材料双极板结合了金属和石墨材料的优点,由石墨或碳粉填料与聚合物树脂复合来制作双极板是目前研究的方向之一。它可通过典型的塑料加工技术如挤出、模压或注射成型工艺来生产极板。复合材料双极板的性能主要取决于导电粉末、树脂的类型及其相应配伍:应选择与石墨或碳材料结合力好,工艺流程中无小分子溢出的树脂。加入树脂量必须合适,若石墨或者碳材料过少而树脂量过多,虽然产品有很好的力学性能和机械加工性能,但会造成极板体积电阻率过大;若加入树脂量偏少,石墨或碳材料比例过高,不仅会降低极板的抗压强度和弯曲强度,而且也会增大极板的孔隙率。另外,加入合适的偶联剂和纤维增强剂对于提高双极板的品质也是非常重要的。
在双极板的常规制备过程中,如:使用酚醛树脂等热固性树脂,在模压过程中易生成缩合水与其它小分子气体,这将导致极板的孔隙率过大。专利US4301222提出了一种薄的电化学电池分隔板的制备方法,即:将纯石墨粉和炭化热固性酚醛树脂各50%混合注塑成所需的双极板,然后产品再进行后处理工艺使其完全石墨化。所获石墨板在机械强度、单位重量等方面的性能优于纯石墨板。但其缺点是石墨化成本很高,而且孔隙率也较大,约为5%。产品还必须进一步处理来增加双极板的致密性。
新型耐高温工程塑料聚酰亚胺(PI)树脂作为一种性能突出的高分子材料,以其优异的耐磨性、抗高温辐射和物理机械性能,广泛用于机电、电子电气、仪表、石油化工、计量等领域,已成为工业领域不可缺少的材料之一。PI树脂可分为热固性和热塑性两大类:热固性聚酰亚胺树脂,因其可加工性差,只能采用流延法制成薄膜使用,其应用领域受到限制。热塑性聚酰亚胺树脂改善了其自身的加工性能以及与其他材料的相容性。它不仅具有优异的力学性能、耐热、耐腐、耐磨等特点,而且还克服了大多数聚酰亚胺不溶或不熔、难以加工的缺陷,表现出良好的热加工特性。它可采用热模压、挤出和注射等方法成型。在加工过程中热塑性聚酰亚胺树脂无小分子溢出,从而减小了极板的气孔率。
200510050279.5专利提出了一种质子交换膜燃料电池用复合双极板的制备方法,通过此方法制备的产品,尽管能用于质子交换膜燃料电池中,但还存在着机械强度不够好的缺点。
发明内容
本发明的目的是改进现有极板制造技术中的不足,提供一种由球状石墨、热塑性聚酰亚胺树脂等混合来制备质子交换膜燃料电池用双极板的方法。通过改变原有配方(如:加入热塑性聚酰亚胺树脂),所制备的复合双极板产品不仅具有良好导电性和气密性,而且机械性能也大大提高。
为了达到上述目的,本发明所采用的复合双极板制备流程如附图1所示:将球状石墨、热塑性聚酰亚胺树脂、脱模剂、偶联剂和极板纤维增强剂(短碳纤维)放入混料机中,在高速搅拌下进行混合,其中:球状石墨70~80wt%,热塑性聚酰亚胺树脂15~25wt%,偶联剂0.5~1.5wt%,极板纤维增强剂3~10wt%。混合料放入经预热的模具中,然后在真空液压机上进行真空模压成型,产品脱模、后处理得成品。
本发明中,混料时间控制在15~35分钟。混合料预热至80~100℃,放入经80~100℃预热涂覆脱膜剂(硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸钙的其中一种)的模具中,然后控制真空液压机的真空度为-0.085MPa,模压成型温度为120~180℃,模压压力为0.5~15MPa进行模压成型,复合双极板在液压机内的保温时间控制在2~50分钟。产品脱模并放入烘箱中进行后处理,其温度控制在80~180℃,时间控制在0.2~2小时,取出后室温冷却得成品。
本发明是提供一种质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法,其中聚酰亚胺树脂主要起粘接剂的作用,用量控制在15~25wt%,因为其用量过多会降低复合板的导电能力,过少则会使球状石墨与高分子材料之间的粘合力小,不易紧密结合;采用的偶联剂是KH-560(γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷),以原料总量的0.5~1.5wt%为宜。使用偶联剂可提高树脂基体与增强材料界面结合强度,从而提高产品的机械性能;极板纤维增强剂为短碳纤维,极板纤维增强剂可提高双极板的生产加工能力及产品的抗压强度和抗拉强度;模具上涂抹的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸钙的其中一种,脱模剂能使极板容易脱模。采用抽真空模压,能使双极板的致密性提高。产品在0.1MPa条件下检测,其气密性达到质子交换膜燃料电池用复合双极板要求。
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法。它具有以下优点:良好的导电性,气孔率小,抗弯强度与抗压强度好,平整度高,本制备方法其优点是配方较为合理,制造成本低廉,成品率高,技术指标好且可确保批量生产。
具体实施方式
下面用实施例进一步说明本发明并通过权利要求更具体地确定,但在任何条件下不要把实施例看成是对本发明的范围限制:
实施例1:
在98.0~112.0g球状石墨中加入21.0~35.0g热塑性聚酰亚胺树脂,偶联剂(KH-560)0.7~2.1mL,极板纤维增强剂(短碳纤维)4.2~14.0g。混合料放入混料机中进行混合15~35分钟、预热至80~100℃。混合料放入经涂覆脱膜剂并预热至80~100℃的模具中。然后将模具置于真空液压机上,真空液压机的真空度是-0.085MPa,控制温度在120~180℃和压力在0.5~15MPa下进行真空模压成型,在液压机内的保温时间控制在2~50分钟。产品脱模并放入烘箱中进行后处理,其温度控制在80~180℃,时间控制在0.2~2.0小时,取出后室温冷却得成品。
实施例2-15:按实施例1的制备流程,按照下表所列实验条件进行实验,所获成品的质量指标符合质子交换膜燃料电池用复合双极板标准。
实施例 | 球状石墨g | 热塑性聚酰亚胺树脂g | KH-560mL | 纤维增强剂(短碳纤维)g | 混料时间min | 预热温度℃ | 模压温度℃ | 模压压力MPa | 压机保温时间min | 后处理温度℃ | 后处理时间min |
2 | 98.0 | 32.2 | 2.1 | 7.7 | 15 | 80 | 130 | 0.5 | 3 | 80 | 20 |
3 | 98.0 | 28.0 | 1.4 | 12.6 | 15 | 80 | 130 | 0.5 | 3 | 80 | 20 |
4 | 105.0 | 28.0 | 2.1 | 4.9 | 15 | 80 | 140 | 5 | 10 | 160 | 60 |
5 | 105.0 | 23.8 | 2.1 | 9.1 | 20 | 80 | 140 | 10 | 10 | 160 | 60 |
6 | 105.0 | 28.0 | 2.1 | 4.9 | 20 | 90 | 160 | 10 | 10 | 100 | 90 |
7 | 105.0 | 28.0 | 0.7 | 6.3 | 30 | 90 | 160 | 15 | 15 | 100 | 90 |
8 | 112.0 | 22.4 | 1.4 | 4.2 | 30 | 90 | 170 | 15 | 20 | 100 | 120 |
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12 | 105.0 | 28.0 | 2.1 | 4.9 | 20 | 90 | 160 | 10 | 30 | 100 | 90 |
13 | 105.0 | 28.0 | 0.7 | 6.3 | 30 | 90 | 160 | 15 | 30 | 100 | 90 |
14 | 112.0 | 22.4 | 1.4 | 4.2 | 30 | 90 | 170 | 15 | 10 | 100 | 120 |
15 | 112.0 | 22.4 | 0.7 | 4.9 | 30 | 90 | 170 | 15 | 10 | 100 | 120 |
注:1.预热温度为混合料与模具的预热温度。
2.实施例中采用的脱膜剂:2~6为硬脂酸锌,7~11为硬脂酸镁,12~15为硬脂酸钙。
Claims (4)
1.一种质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法,其步骤是:(1)将70~80wt%球状石墨,15~25wt%热塑性聚酰亚胺树脂,0.5~1.5wt%偶联剂和3~10wt%极板纤维增强剂放入混料机中进行混合,混料时间控制在15~35分钟;(2)混合料预热至80~100℃,放入经80~100℃预热并已涂覆脱模剂的模具中;(3)在真空液压机上控制模压成型温度为120~180℃,模压压力为0.5~15MPa及保温时间在2~50分钟进行真空模压成型;(4)产品脱模并放入烘箱中,控制温度:80~180℃,时间:0.2~2小时,取出后室温冷却得成品。
2.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法,其特征在于所述与球状石墨、树脂、极板纤维增强剂相混合的偶联剂为γ-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷。
3.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法,其特征在于模压所用的在模具上涂抹的脱模剂为硬脂酸锌、硬脂酸镁、硬脂酸钙的其中一种。
4.按照权利要求1所述的质子交换膜燃料电池用高分子树脂复合双极板的制备方法,其特征在于真空液压机的真空度为-0.085MPa。
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