專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃料電池領(lǐng)域，涉及質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板及其制 作方法。
背景技術(shù)：
由于質(zhì)子交換膜燃料電池特有的突出優(yōu)點(diǎn)及其廣闊的市場(chǎng)前景，已受到各國(guó)的高 度重視。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵部件之一，雙極板的功能和作用如下(1)分 隔氧化劑與還原劑，⑵收集輸送電流，⑶保證電池堆的溫度分布均勻及排熱方案的實(shí) 施，⑷抗腐蝕，(5)均勻分布反應(yīng)氣體，因此，對(duì)制備雙極板的材料要求是⑴低透氣性，必須是電的良好導(dǎo)體，(3)具有高的熱傳導(dǎo)率，(4)耐腐蝕，(5)質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度好，機(jī) 加工生能好，并且制作工藝簡(jiǎn)單，適于批量生產(chǎn)。目前制作雙極板的材料主要有石墨材料、金屬板及其表面改性材料、復(fù)合材料。較 早開發(fā)利用的石墨材料，由于制作工藝復(fù)雜、機(jī)加工性能差、成品率低，已逐漸被金屬材料 及復(fù)合材料所取代；金屬板材料具有良好的導(dǎo)電性、阻氣性及易加工成型，但其耐腐蝕性能 較差，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成電池堆的性能降低，對(duì)金屬板進(jìn)行表面改性或采用合金，雖然能大 幅度提高金屬雙極板的耐腐蝕性能，但制作工藝較復(fù)雜，成本較高。復(fù)合材料主要是由導(dǎo)電填料填充聚合物樹脂，再通過擠壓、模壓或注射成型，其機(jī) 加工性能優(yōu)良，制作工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，目前已成為雙極板材料研究的主流和方向。其不 足之處在于，導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石墨材料和金屬板材料，而導(dǎo)電性能的好壞直接影響電池 堆的輸出功率，是燃料電池的關(guān)鍵性指標(biāo)。導(dǎo)電性能主要取決于導(dǎo)電填料的種類、用量以 及主要由制作工藝決定的導(dǎo)電填料在聚合物樹脂中的分布狀況，增加導(dǎo)電填料用量雖然能 提高導(dǎo)電性能，但往往是以犧牲復(fù)合材料的機(jī)械性能及機(jī)加工性能為代價(jià)?，F(xiàn)有技術(shù)中， 復(fù)合材料雙極板及其制作方法中，就復(fù)合材料而言，大體有兩類，一類是，其導(dǎo)電填料均為 炭材料，大都為不同種類的石墨，所制作的雙極板的機(jī)械強(qiáng)度尚能滿足要求，彎曲強(qiáng)度能 達(dá)50 60MPa，但導(dǎo)電性能均不理想，電導(dǎo)率最高只達(dá)6. 0X104S/m左右；另一類是，其導(dǎo) 電填料中具有金屬材料，公開號(hào)為CN1710738A公開的技術(shù)方案中，導(dǎo)電填料中還具有炭材 料粉末、金屬粉末或二者的混合物，從其給出的實(shí)施例可見，電導(dǎo)率僅有103S/m，公開號(hào)為 CN1771354A公開的技術(shù)方案中，導(dǎo)電填料為金屬絲編織的織物埋置在聚合物樹脂中，未給 出具體性能數(shù)據(jù)，其電導(dǎo)率應(yīng)該比較高；就制作方法而言，大都為將預(yù)處理后的原材料按比 例均勻混合，之后在一定的溫度、壓力及時(shí)間下模壓成型，而CN1771354A則先擠壓制作聚 合物樹脂壁，再層壓式埋置金屬絲編織的織物，制作工藝復(fù)雜，成本較高，難以進(jìn)行大批量 工業(yè)生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
解決的技術(shù)問題提供質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板及其制作方法，能克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，使雙極板具有較高機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，大幅度有效地提高其導(dǎo)電性能，制作工藝簡(jiǎn) 單，成本低，適于進(jìn)行大批量工業(yè)生產(chǎn)。采用的技術(shù)方案質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板的制作方法為，采用復(fù)合材料，其中包 括導(dǎo)電填料、纖維增強(qiáng)劑及酚醛樹脂，所述導(dǎo)電填料為石墨和金屬，采用模壓工藝成型，其 特征在于原材料組分及質(zhì)量份數(shù)比為，酚醛樹脂20 40份；導(dǎo)電填料60 80份，其中石 墨與金屬的質(zhì)量份數(shù)比為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述 金屬為金屬粉末和/或金屬纖維；纖維增強(qiáng)劑1 5份，具體制作工藝依序如下第一，原料預(yù)處理，將所用量的石墨、纖維增強(qiáng)劑置于烘箱內(nèi)，在50 100°C溫度 下，烘干2 4小時(shí)，以除去原料吸附的水分，干燥待用；第二，制備樹脂溶液I，將所用量的酚醛樹脂用無水乙醇稀釋，配制質(zhì)量百分比濃 度為60 80 %的樹脂溶液I，待用；第三，將干燥待用的石墨、纖維增強(qiáng)劑及樹脂溶液I放入混料機(jī)中充分混合，制成 混合料；第四，團(tuán)塊物料制作，將混合料置于恒溫振蕩器上，在60 80°C溫度下，振蕩5 30分鐘，振蕩頻率為50 100次/分鐘，制成幾何尺寸為5 15mm，并且形狀不規(guī)則的團(tuán) 塊物料；團(tuán)塊物料的大小主要決定于振蕩頻率及振蕩時(shí)間；第五，金屬包覆團(tuán)塊物料，首先依據(jù)所用量的金屬，配制質(zhì)量百分比濃度為1 10%預(yù)浸泡金屬用的酚醛樹脂的無水乙醇溶液一即樹脂溶液II，必須充分滿足所用量的 金屬能全部完全浸泡在樹脂溶液II內(nèi)的需要，然后將所用量的金屬同時(shí)全部置于樹脂溶 液II內(nèi)浸泡5 30分鐘后取出，并去除金屬表面帶出的處于自由懸浮狀態(tài)的殘留的樹脂 溶液II，使金屬表面成“干”態(tài)；并盡快及時(shí)、均勻地撒入“第四”中所述的團(tuán)塊物料，“撒入” 過程中，團(tuán)塊物料應(yīng)繼續(xù)連續(xù)被加熱振蕩，使所用量的金屬全部均勻包覆在團(tuán)塊物料上，應(yīng) 與“第四”中的團(tuán)塊物料制作協(xié)調(diào)進(jìn)行，必須在所述團(tuán)塊物料制成后的30分鐘內(nèi)完成“撒 入”所用量的金屬；最后，將被金屬包覆的團(tuán)塊物料置于干燥箱內(nèi)，在60 80°C下，加熱干 燥15分鐘 1小時(shí)，除去殘留的無水乙醇；第六，模壓成型，將“第五”中制成的被金屬包覆后，并經(jīng)加熱干燥后的團(tuán)塊物料放 入模具中，在平板硫化機(jī)上熱壓成型，成型溫度為150 190 (°C，成型壓力為20 200MPa， 成型時(shí)間為1 2小時(shí)，即得質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板。按上述方法制作的質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板，其電導(dǎo)率為 5.0父104 3.0\1055/111，彎曲強(qiáng)度為50 IOOMPa體積，密度為1. 90 2. 50g/cm3 ；復(fù)合材 料中，包括導(dǎo)電填料、纖維增強(qiáng)劑及酚醛樹脂，所述導(dǎo)電填料為石墨和金屬；原材料組分及 質(zhì)量份數(shù)比為，酚醛樹脂20 40份；導(dǎo)電填料60 80份，其中石墨與金屬的質(zhì)量份數(shù)比 為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述金屬為金屬粉末和/或 金屬纖維；纖維增強(qiáng)劑1 5份。有益效果由于本發(fā)明中在制作工藝中，采用非均勻混合法制備混合料，先將除金屬之外的 原材料混合并制成團(tuán)塊物料，再將金屬均勻包覆在團(tuán)塊物料上，然后對(duì)被金屬包覆的團(tuán)塊 物料加熱模壓成型，因此，加熱模壓成型過程中，金屬在雙極板的基體內(nèi)部呈不均勻分布，并且能形成大量連續(xù)便捷而低阻的金屬導(dǎo)電鏈，從而能大幅度有效地提高復(fù)合材料的導(dǎo)電 性能，常溫下電導(dǎo)率按JB/T8133 · 2-1999標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，可達(dá)5. O X IO4 3. OX 105S/m，另外， 由于制作工藝中采用了對(duì)所用量的金屬以樹脂溶液II預(yù)先浸泡，使金屬表面預(yù)先吸附樹 脂分子，從而能提高加熱模壓成型后，金屬在雙極板的基體內(nèi)部與其它原材料之間的界面 結(jié)合力，從而能有效地提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，常溫下彎曲強(qiáng)度按JB/T8133 · 7-1999標(biāo)準(zhǔn)測(cè) 試可達(dá)60 lOOMPa，在具有較高的導(dǎo)電性能的同時(shí)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；本發(fā)明原材料 易得、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，適于進(jìn)行大批量工業(yè)生產(chǎn)。


圖1、復(fù)合材料雙極板內(nèi)部 形成的金屬網(wǎng)絡(luò)示意圖；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中所述復(fù)合材料包括的原材料的選用及規(guī)格如下，并且均為市購(gòu)酚醛樹脂為液態(tài)熱固性氨酚醛樹脂，固含量為40 70%。石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，粒徑2 100 μ m。金屬為鎳、鎳合金、鈦、鈦合金或不銹鋼中的一種或幾種混合；金屬形態(tài)為金屬粉 末和/或金屬纖維；金屬粉末的粒徑25 75 μ m ；金屬纖維的直徑0. 02 0. 8mm,長(zhǎng)度1 8mm ο纖維增強(qiáng)劑為聚丙烯腈基炭纖維、浙青基炭纖維或石墨基炭纖維，并且采用短切 纖維，其直徑3 7 μ m，長(zhǎng)度3 6mm。本發(fā)明中所用輔料為市購(gòu)無水乙醇，用以稀釋酚醛樹脂原料及配制樹脂溶液II。本發(fā)明中所述復(fù)合材料中包括的原材料及其質(zhì)量份數(shù)比為酚醛樹脂20 40份，以無水乙醇稀釋制成質(zhì)量百分比濃度為60 80%的樹脂溶 液I ；導(dǎo)電填料60 80份，其中石墨與金屬的質(zhì)量份數(shù)比為1 1 3 1;纖維增強(qiáng)劑1 5份。模壓成型中成型溫度優(yōu)選165 180°C，成型壓力優(yōu)選60 120MPa ；關(guān)于制作工藝中用以預(yù)先浸泡所用量的金屬的樹脂溶液II 是以“預(yù)浸泡金屬用 的酚醛樹脂”配制而成的質(zhì)量百分比濃度為1 10%的無水乙醇溶液，a)所述“預(yù)浸泡金屬 用的酚醛樹脂”與復(fù)合材料中包括的原材料中的“酚醛樹脂”必須是同一物質(zhì)，b)所述“預(yù) 浸泡金屬用的酚醛樹脂”未計(jì)入復(fù)合材料中包括的原材料中的“酚醛樹脂”所占的質(zhì)量份數(shù) 比中，c)所述配制而成的樹脂溶液II必須充分滿足所用量的金屬能全部完全浸泡在其內(nèi) 的需要，d)每批量生產(chǎn)(實(shí)驗(yàn))中所用量的金屬因預(yù)浸樹脂溶液II后再包覆在制作工藝中 的“團(tuán)塊物料”上而帶入的酚醛樹脂量是可以計(jì)算出來的，但計(jì)算出來也是不必要的，不同 批量生產(chǎn)(實(shí)驗(yàn))中帶入的酚醛樹脂量是不同的，既使不同批量生產(chǎn)(實(shí)驗(yàn))中所用量的 金屬的種類、規(guī)格、質(zhì)量及樹脂溶液II的濃度均相同，計(jì)算出的帶入的酚醛樹脂量也難以 相同；制作工藝中基于對(duì)原料處理及定性的需要及實(shí)際情況，所述“預(yù)浸泡金屬用的酚醛樹 脂”未計(jì)入所述復(fù)合材料中包括的原材料中的“酚醛樹脂”所占的質(zhì)量份數(shù)比中是合理的， 也是應(yīng)該被允許的。
實(shí)施例1，質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合雙極板的制作方法依序如下第一、原料預(yù)處理，將天然鱗片石墨50份及浙青基短切炭纖維5份，置于干燥箱 內(nèi)，在80°C下烘干2小時(shí)，以除去原料吸附的水分，干燥待用；第二、制備樹脂溶液I，將酚醛樹脂20份，用無水乙醇稀釋，配制質(zhì)量百分比濃度 為65%的樹脂溶液I ；第三、將干燥待用的天然鱗片石墨及浙青基短切纖維及樹脂溶液I放入混料機(jī)中 充分混合，制成混合料；第四、團(tuán)塊物料制作，將混合料置于恒溫振蕩器上，在70°C下，振蕩20分鐘，振蕩 頻率為60次/分鐘，制成幾何尺寸為5 15mm，并且形狀不規(guī)則的團(tuán)塊物料；制作中以排 風(fēng)法排除被蒸發(fā)出的無水乙醇；第五，金屬包覆團(tuán)塊物料，原料鎳粉末25份，配制充分滿足25份鎳粉末全部完全 浸泡在其內(nèi)的質(zhì)量百分比濃度為3 %的樹脂溶液11，將所用鎳粉末25份同時(shí)全部置于樹脂 溶液II內(nèi)浸泡15分鐘后取出，并以濾紙吸附方法去除鎳粉末表面上殘留的樹脂溶液II，之 后，及時(shí)將鎳粉末逐漸均勻地撒入團(tuán)塊物料，撒入過程中，團(tuán)塊物料繼續(xù)連續(xù)被加熱振蕩， 致使鎳粉末全部均勻包覆在團(tuán)塊物料上，最后將被鎳粉末包覆的團(tuán)塊物料置于干燥箱內(nèi)， 在70°C下，加熱干燥20分鐘，除去其中殘留的無水乙醇；第六，模壓成型，將上述制成的被鎳粉末包覆后，并經(jīng)加熱干燥后的團(tuán)塊物料放入 模具中，在平板硫化機(jī)上熱壓成型，成型溫度為170°C，成型壓力為lOOMPa，成型時(shí)間為1小 時(shí)，制成所述質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板，其主要性能見表二。實(shí)施例2 8依次按表一中所述的工藝條件，均按上述實(shí)施例1所述的制作方法 進(jìn)行，所制作的雙極板的主要性能見表二。采用的技術(shù)方案內(nèi)容中所述的“所用量”，是指在每批量生產(chǎn)(實(shí)驗(yàn))時(shí)，復(fù)合材料 中包括的原材料，依其相應(yīng)的質(zhì)量份數(shù)比所用的質(zhì)量份數(shù)量。表一、
權(quán)利要求
1.質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板的制作方法為，采用復(fù)合材料，其中包括 導(dǎo)電填料、纖維增強(qiáng)劑及酚醛樹脂，所述導(dǎo)電填料為石墨和金屬，采用模壓工藝成型，其特 征在于原材料組分及質(zhì)量份數(shù)比為，酚醛樹脂20 40份；導(dǎo)電填料60 80份，其中石墨 與金屬的質(zhì)量份數(shù)比為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述金 屬為金屬粉末和/或金屬纖維；纖維增強(qiáng)劑1 5份，具體制作工藝依序如下第一，原料預(yù)處理，將所用量的石墨、纖維增強(qiáng)劑置于烘箱內(nèi)，在50 100°C溫度下，烘 干2 4小時(shí)，以除去原料吸附的水分，干燥待用；第二，制備樹脂溶液I，將所用量的酚醛樹脂用無水乙醇稀釋，配制質(zhì)量百分比濃度為 60 80%的樹脂溶液I，待用。第三，將干燥待用的石墨、纖維增強(qiáng)劑及樹脂溶液I放入混料機(jī)中充分混合，制成混合料；第四，團(tuán)塊物料制作，將混合料置于恒溫振蕩器上，在60 80°C溫度下，振蕩5 30分 鐘，振蕩頻率為50 100次/分鐘，制成幾何尺寸為5 15mm，并且形狀不規(guī)則的團(tuán)塊物 料；團(tuán)塊物料的大小主要決定于振蕩頻率及振蕩時(shí)間；第五，金屬包覆團(tuán)塊物料，首先依據(jù)所用量的金屬，配制質(zhì)量百分比濃度為1 10%預(yù) 浸泡金屬用的酚醛樹脂的無水乙醇溶液——即樹脂溶液II，必須充分滿足所用量的金屬能 全部完全浸泡在樹脂溶液II內(nèi)的需要，然后將所用量的金屬同時(shí)全部置于樹脂溶液II內(nèi) 浸泡5 30分鐘后取出，并去除金屬表面帶出的處于自由懸浮狀態(tài)的殘留的樹脂溶液II， 使金屬表面成“干”態(tài)；并盡快及時(shí)、均勻地撒入“第四”中所述的團(tuán)塊物料，“撒入”過程中， 團(tuán)塊物料應(yīng)繼續(xù)連續(xù)被加熱振蕩，使所用量的金屬全部均勻包覆在團(tuán)塊物料上，應(yīng)與“第 四”中的團(tuán)塊物料制作協(xié)調(diào)進(jìn)行，必須在所述團(tuán)塊物料制成后的30分鐘內(nèi)完成“撒入”所用 量的金屬；最后，將被金屬包覆的團(tuán)塊物料置于干燥箱內(nèi)，在60 80°C下，加熱干燥15分 鐘 1小時(shí)，除去殘留的無水乙醇；第六，模壓成型，將“第五”中制成的被金屬包覆后，并經(jīng)加熱干燥后的團(tuán)塊物料放入模 具中，在平板硫化機(jī)上熱壓成型，成型溫度為150 190°C，成型壓力為20 200MPa，型時(shí) 間為1 2小時(shí)，即得質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法制作的質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板， 其電導(dǎo)率為5. OXlO4 3. OX 105S/m，彎曲強(qiáng)度為50 lOOMPa，體積密度為1. 90 2. 50g/ cm3 ；復(fù)合材料中，包括導(dǎo)電填料、纖維增強(qiáng)劑及酚醛樹脂，所述導(dǎo)電填料為石墨和金屬；原 材料組分及質(zhì)量份數(shù)比為，酚醛樹脂20 40份；導(dǎo)電填料60 80份，其中石墨與金屬的 質(zhì)量份數(shù)比為1 1 3 1，所述石墨為天然鱗片石墨和/或人造石墨，所述金屬為金屬 粉末和/或金屬纖維；纖維增強(qiáng)劑1 5份。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換燃料電池用的復(fù)合材料雙極板，其特征在于酚醛 樹脂為液態(tài)熱固性氨酚醛樹脂，固含量為40 70% ；天然鱗片石墨和/或人造石墨的粒徑 2 100 μ m ；金屬粉末和/或金屬纖維中所述的金屬為鎳、鎳合金、鈦、鈦合金或不銹鋼中 的一種或幾種混合，金屬粉末的粒徑25 75 μ m,金屬纖維的直徑0. 02 0. 8mm,長(zhǎng)度1 8mm ；纖維增強(qiáng)劑為聚丙烯腈基炭纖維、浙青基炭纖維或石墨基炭纖維，并且采用短切纖維， 其直徑3 7 μ m，長(zhǎng)度3 6mm。
全文摘要
質(zhì)子交換膜燃料電池用的復(fù)合材料雙極板及其制作方法屬于燃料電池領(lǐng)域；復(fù)合材料包括組分及質(zhì)量份數(shù)比為，導(dǎo)電填料60～80份、酚醛樹脂20～40份、纖維增強(qiáng)劑1～5份，導(dǎo)電填料為石墨和/或金屬，其質(zhì)量份數(shù)比為1∶1～3∶1；將酚醛樹酯配成質(zhì)量百分比濃度為60～80％的無水乙醇溶液，之后與石墨、纖維增強(qiáng)劑混合并制成團(tuán)塊物料，再將經(jīng)質(zhì)量百分比濃度為1～10％的酚醛樹脂無水乙醇溶液預(yù)先浸泡過的金屬撒入并均勻包覆在團(tuán)塊物料上，之后加熱模壓成型；體積密度1.90～2.50g/cm3、彎曲強(qiáng)度60～100MPa、電導(dǎo)率5.0×104～3.0×105S/m，原材料易得、制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，適于進(jìn)行大批量工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01M4/88GK102064328SQ20101057770
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者李密丹 申請(qǐng)人:北京印刷學(xué)院