專利名稱：：膨脹石墨基復合材料雙極板及其制備方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種用于質子交換膜燃料電池中的雙極板及其制備方法。
背景技術：
：質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉換效率高、無污染、可室溫快速啟動、壽命長和功率密度高等特點，在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應用前景，尤其是電動車的驅動電源，并被認為是繼蒸汽機和內燃機之后的第三代動力系統(tǒng)。正是由于PEMFC有這么多的優(yōu)點，對PEMFC的研究已經成為目前電化學和能源科學領域里的一個熱點，PEMFC的技術研究和開發(fā)受到各國政府和大公司的極大重視。單個燃料電池中起發(fā)電作用的是膜電極(MEA)，MEA主要由在質子交換膜兩側分別起電催化劑作用的Pt/C電極和碳紙制成的氣體擴散層組成，而一個單電池所產生的電壓較低，為了使燃料電池在實際中得到應用，必須把多個單電池通過起導電作用的隔板串連起來組成電堆，此隔板的一側與一個單電池的陽極側接觸，另一側則與相鄰單電池的陰極側接觸，因此把此板叫做雙極板(bipolarplate)。雙極板作為PEMFC的關鍵材料之一，是PEMFC電堆的主要支撐材料，其性能優(yōu)劣直接影響燃料電池的輸出功率和使用壽命，目前主要研究和應用的雙極板材料有三種，人造石墨(無孔石墨)雙極板，金屬改性雙極板和碳復合材料雙極板。人造石墨雙極板耐腐蝕，阻氣性能較好，但加工復雜，成本很高；金屬改性雙極板阻氣性能好，易加工，但耐腐蝕性能差，成本也比較高；碳復合材料雙極板成本較低，加工比較簡單，但阻氣性能和導電性較差。采用膨脹石墨來制作雙極板的研究很少，而膨脹石墨導電性能良好、耐高溫、耐腐蝕、價格低，其特性決定了它是一種非常適合制作雙極板的材料。采用天然磷片石墨通過化學插層法即可制得可膨脹石墨，經高溫膨化處理制得外觀呈蠕蟲形狀的膨脹石墨。膨脹石墨內含有豐富的孔結構，石墨內部基片之間容易相互嚙合而形成具有一定結合強度的膨脹石墨板，也就是說，用蠕蟲狀石墨可以直接壓制出不同密度的膨脹石墨板，比電阻率隨膨脹石墨密度的增大而減小。該膨脹石墨雙極板加工工藝簡單，具有耐腐蝕，導電、導熱性能好等優(yōu)點，但是該膨脹石墨板質軟，機械強度不高，在燃料電池的使用過程中尺寸穩(wěn)定性差，另外，該板內含有大量孔洞，存在輕微漏氣。因此，欲使膨脹石墨雙極板能在燃料電池上使用，必須提高強度和防止氣體滲透。目前用來提高柔性石墨強度的方法通常為(1)加入有效的添加劑，如通過復合插入磷酸、硼酸、鉬酸或三者的鹽類來提高其強度指標，但是收效并不明顯；(2)與其他材料復合，制備碳纖維或金屬增強膨脹石墨復合材料，但是碳纖維或金屬與膨脹石墨的界面結合不是很理想，使用過程中層與層之間容易脫落，影響燃料電池性能。改善膨脹石墨雙極板的氣體滲透性的方法大都是采用浸漬高分子樹脂(如酚醛樹脂)，干燥除去樹脂溶劑。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種成本低、具有高電導率、很好的力學性能和優(yōu)異的抗腐蝕性能的膨脹石墨基復合材料雙極板及其制備方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是膨脹石墨基復合材料雙極板，其特征在于它由兩層膨脹石墨材料和一張中間層碳布或碳紙放入帶有氣體流場的雙極板模具中模壓而成；所述的膨脹石墨材料，以及碳布或碳紙，預先用固含量為10-50wt%(重量百分比)的熱塑性樹脂的乳液或溶液浸漬；所述的膨脹石墨材料為蠕蟲狀石墨。所述的熱塑性樹脂為含氟樹脂(如聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯)。所述的碳布或碳紙，其孔隙均勻，孔隙率40%-70%，厚度0.2-0.5mm。上述膨脹石墨基復合材料雙極板的制備方法,其特征在于它包括如下步驟1)向平板模具中加入蠕蟲狀石墨，在5-10MPa的壓力、室溫模壓成厚0.5-0.8mm的膨脹石墨預制板；所述的蠕蟲狀石墨含碳量不小于99wt%，膨脹倍數210-260;2)將上述兩塊膨脹石墨預制板，以及超聲波清洗過的碳布或碳紙，放入固含量為10-50wt。/。的熱塑性樹脂的乳液或溶液中浸漬，室溫晾干，然后在100-20(TC下熱處理1-2小時；3)將上述浸漬后的兩塊膨脹石墨預制板，浸漬后的碳布或碳紙，按照膨脹石墨預制板、碳布或碳紙、膨脹石墨預制板的順序依次放入帶有氣體流場的雙極板模具中，在10-50MPa的壓力、180-25(TC的溫度下模壓成型，保壓下自然冷卻至室溫，然后出模并用砂紙打磨樣品表面即得厚度為1.0-3.Omm的膨脹石墨基復合材料雙極板。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的機加工石墨雙極板復雜的制備工藝，提出了一種膨脹石墨基復合材料雙極板，該板由蠕蟲狀石墨、碳布或碳紙、熱塑性樹脂復合模壓而成，在復合過程中可以直接得到帶有氣體流場的雙極板，面層膨脹石墨可以賦予雙極板在模壓成型時直接形成流場-，中間層碳布或碳紙可提高雙極板的強度；熱塑性樹脂可以填充雙極板的孔隙，防止反應氣體的互滲，也有利于雙極板強度的提高以及碳布或碳紙與膨脹石墨的界面結合強度。本發(fā)明制作成本低，克服了聚合物/導電填料復合材料模壓成型制作雙極板時，電導率與力學性能不能同時兼得的難題，克服了金屬及表面改性材料雙極板的不耐腐蝕問題，克服了膨脹石墨雙極板力學性能較差的問題。本發(fā)明與現(xiàn)有的方法比較具有如下的優(yōu)點1)本發(fā)明采用蠕蟲狀石墨、碳布或碳紙、熱塑性樹脂復合通過模壓的方法來制作雙極板，雙極板體積電導率可達103-104S/cm，抗拉強度可達20-50MPa，遠遠超過美國能源部所提出的性能要求。2)本發(fā)明制作的雙極板具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和抗氧化性能，由其組裝的質子交換膜燃料輸出功率高，耐久性好，運行時間長，性能穩(wěn)定。具體實施例方式實施例1:采用天然鱗片石墨通過化學法插層(浸漬于H2S04、HN03的混合溶液中，H2S04所占體積百分比為80%，HNO:,所占體積百分比為20%,攪拌，反應30分鐘)過濾，水洗至pH值5-6，烘干即制得可膨脹石墨?？膳蛎浭?00(TC高溫膨化處理制得膨脹倍數為240的蠕蟲狀石墨；向模具中加入蠕蟲狀石墨，在8MPa的壓力、室溫模壓成厚0.7咖的膨脹石墨預制板。將上述兩塊膨脹石墨預制板以及超聲波清洗過的碳布(厚度0.4mm，孔隙率50%)放入固含量40wt。/。的聚偏氟乙烯/N，N-二甲基甲酰胺溶液中浸漬，室溫晾干，然后在16(TC下熱處理2小時。將上述浸漬后的兩塊膨脹石墨預制板和碳布按照膨脹石墨預制板、碳布、膨脹石墨預制板的順序依次放入帶有氣體流場的雙極板模具中，在30MPa的壓力、200'C的溫度下模壓成型，保壓下自然冷卻至室溫，然后出模并用砂紙打磨樣品表面即得一種膨脹石墨基復合材料雙極板，該板的厚度約為2.0mm。其基本物理性能測試結果如表l。實施例2:制備方法同實施例l，把浸漬液更換為固含量50wt。/。的聚四氟乙烯乳液。其基本物理性能測試結果如表l。實施例3:制備方法同實施例l，把碳布更換為碳紙。其基本物理性能測試結果如表l。實施例4:制備方法同實施例3，把浸漬液更換為固含量50wt。/。的聚四氟乙烯乳液。其基本物理性能測試結果如表l。表l，膨脹石墨基復合材料雙極板基本物理性能測試結果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>實施例5:上述膨脹石墨基復合材料雙極板的制備方法,它包括如下步驟1)向平板模具中加入蠕蟲狀石墨，在5MPa的壓力、室溫模壓成厚0.5ram的膨脹石墨預制板；所述的蠕蟲狀石墨含碳量為99wt%(重量百分比)，膨脹倍數210;所述的熱塑性樹脂為聚偏氟乙烯；所述的碳布，其孔隙均勻，孔隙率40%%，厚度0.2mm;2)將上述兩塊膨脹石墨預制板，以及超聲波清洗過的碳布，放入固含量為10wt。/。的熱塑性樹脂的乳液中浸漬，室溫晾干，然后在10(TC下熱處理1小時；3)將上述浸漬后的兩塊膨脹石墨預制板，浸漬后的碳布，按照膨脹石墨預制板、碳布、膨脹石墨預制板的順序依次放入帶有氣體流場的雙極板模具中，在lOMPa的壓力、18(TC的溫度下模壓成型，保壓下自然冷卻至室溫，然后出模并用砂紙打磨樣品表面即得厚度為1.0-3.0咖的膨脹石墨基復合材料雙極板。實施例6:上述膨脹石墨基復合材料雙極板的制備方法,它包括如下步驟1)向平板模具中加入蠕蟲狀石墨，在10MPa的壓力、室溫模壓成厚0.8mm的膨脹石墨預制板；所述的蠕蟲狀石墨含碳量為99.9wt%，膨脹倍數260;2)將上述兩塊膨脹石墨預制板，以及超聲波清洗過的碳紙，放入固含量為50wty。的熱塑性樹脂的溶液中浸漬，室溫晾干，然后在20(TC下熱處理2小時；所述的熱塑性樹脂為聚四氟乙烯；所述的碳紙，其孔隙均勻，孔隙率70%，厚度0.5mm;3)將上述浸漬后的兩塊膨脹石墨預制板，浸漬后的碳紙，按照膨脹石墨預制板、碳紙、膨脹石墨板的順序依次放入帶有氣體流場的雙極板模具中，在50MPa的壓力、250'C的溫度下模壓成型，保壓下自然冷卻至室溫，然后出模并用砂紙打磨樣品表面即得厚度為1.0-3.0畫的膨脹石墨基復合材料雙極板。權利要求1.膨脹石墨基復合材料雙極板，其特征在于它由兩層膨脹石墨材料和一張中間層碳布或碳紙放入帶有氣體流場的雙極板模具中模壓而成；所述的膨脹石墨材料，以及碳布或碳紙，預先用固含量為10-50wt％的熱塑性樹脂的乳液或溶液浸漬；所述的膨脹石墨材料為蠕蟲狀石墨。2.根據權利要求1所述的膨脹石墨基復合材料雙極板，其特征在于所述的熱塑性樹脂為含氟樹脂。3.根據權利要求1所述的膨脹石墨基復合材料雙極板，其特征在于所述的碳布或碳紙，其孔隙均勻，孔隙率40%-70%，厚度0.2-0.5mm。4.如權利要求1所述的膨脹石墨基復合材料雙極板的制備方法,其特征在于它包括如下步驟1)向平板模具中加入蠕蟲狀石墨，在5-10MPa的壓力、室溫模壓成厚0.5-0.8鵬的膨脹石墨預制板；所述的蠕蟲狀石墨含碳量不小于99wt11/。，膨脹倍數210-260;2)將上述兩塊膨脹石墨預制板，以及超聲波清洗過的碳布或碳紙，放入固含量為10-50wt。/。的熱塑性樹脂的乳液或溶液中浸漬，室溫晾干，然后在100-20(TC下熱處理1-2小時；3)將上述浸漬后的兩塊膨脹石墨預制板，浸漬后的碳布或碳紙，按照膨脹石墨預制板、碳布或碳紙、膨脹石墨預制板的順序依次放入帶有氣體流場的雙極板模具中，在10-50MPa的壓力、180-250'C的溫度下模壓成型，保壓下自然冷卻至室溫，然后出模并用砂紙打磨樣品表面即得膨脹石墨基復合材料雙極板。全文摘要本發(fā)明涉及一種用于質子交換膜燃料電池中的雙極板及其制備方法。膨脹石墨基復合材料雙極板，其特征在于它由兩層膨脹石墨材料和一張中間層碳布或碳紙放入帶有氣體流場的雙極板模具中模壓而成；所述的膨脹石墨材料，以及碳布或碳紙，預先用固含量為10-50wt％的熱塑性樹脂的乳液或溶液浸漬；所述的膨脹石墨材料為蠕蟲狀石墨。本發(fā)明具有成本低、具有高電導率、很好的力學性能和優(yōu)異的抗腐蝕性能的特點。文檔編號H01M4/86GK101101994SQ20071005276公開日2008年1月9日申請日期2007年7月17日優(yōu)先權日2007年7月17日發(fā)明者沈春暉,牧潘申請人:武漢理工大學