一種pem燃料電池復(fù)合雙極板及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板及其制備方法。該雙極板包括以蠕蟲(chóng)石墨為基材制得的上下表層和經(jīng)導(dǎo)電顆粒嵌在有機(jī)物薄膜中制得的多個(gè)層板單元預(yù)制體組成，其中相鄰的層板單元預(yù)制體上有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電顆粒重疊區(qū)域，形成一個(gè)或多個(gè)曲折的導(dǎo)電通路。將下表層材料、多個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層材料依次鋪疊在模具中，經(jīng)二次模壓，獲得PEM燃料電池雙極板。本發(fā)明提高了PEM燃料電池復(fù)合雙極板生產(chǎn)效率，降低了其制造成本，具有高的抗彎強(qiáng)度、良好的導(dǎo)電性和氣密性。
【專利說(shuō)明】一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明公開(kāi)了 一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板及其制造方法，屬于燃料電池雙極板材料與制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]雙極板作為PEM燃料電池雙極板的關(guān)鍵部件之一，具有支撐膜電極、運(yùn)輸燃料、分隔反應(yīng)氣體、收集并傳導(dǎo)電流的作用，同時(shí)還擔(dān)負(fù)起整個(gè)電池的排水和散熱功能。
[0003]無(wú)孔石墨雙極板是最早的雙極板材料，具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性能，但其質(zhì)脆、機(jī)械強(qiáng)度低，需做到5飛mm厚才能保證機(jī)械強(qiáng)度，這增加了雙極板體積和重量，不利于燃料電池的輕量化；為了提高其氣密性和導(dǎo)電性，這種雙極板需要多次浸潰和石墨化處理，且其氣體流道機(jī)加工工藝過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)、費(fèi)用高，不利于商業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]金屬雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、抗彎強(qiáng)度、氣密性，而且成本較低，表面氣體流場(chǎng)可以通過(guò)機(jī)加工、蝕刻獲得，便于大批量制造。但金屬材料雙極板的耐腐蝕性差，在酸性環(huán)境中極易腐蝕產(chǎn)生鈍化和電離，這增加了雙極板的接觸電阻；更為糟糕的是產(chǎn)生的金屬離子擴(kuò)散到膜電極中，將使催化劑中毒，影響整個(gè)電池堆的能量輸出。因此，如何低成本地制備金屬雙極板耐腐蝕涂層并保證其導(dǎo)電性能不變是亟待解決的關(guān)鍵性技術(shù)難題。
[0005]研究表明，石墨/有機(jī)物復(fù)合雙極板已成為PEM燃料電池雙極板的主流，但目前存在的主要問(wèn)題是如何使石墨/有機(jī)物復(fù)合雙極板同時(shí)兼具高導(dǎo)電率和高抗彎強(qiáng)度。這是因?yàn)橛捎诓粚?dǎo)電的有機(jī)物加入，降低了復(fù)合雙極板的導(dǎo)電性，增加石墨摻雜顆粒數(shù)量可以提高其導(dǎo)電能力，但過(guò)多的石墨顆粒會(huì)對(duì)復(fù)合雙極板的抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。因此，如何協(xié)調(diào)兩者之間比例關(guān)系是技術(shù)難點(diǎn)。
[0006]目前，用于制造石墨/有機(jī)物復(fù)合雙極板的方法主要有:模壓成形、注射成形或擠出成形。無(wú)論采取上述哪種方法，混料是不可或缺的一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，目前混料方法主要有干混法和濕混法兩種。干混法難以將導(dǎo)電顆粒和有機(jī)物粉末混合均勻，注射成形或擠出成形時(shí)會(huì)破壞原有的分散效果，導(dǎo)電顆粒只是雜亂無(wú)章地、孤立地存在于有機(jī)物中，未形成良好的導(dǎo)電通道，為了獲得三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、保證復(fù)合雙極板的導(dǎo)電性，常需要加入更多的導(dǎo)電顆粒(一般為7(T80wt%)才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，這進(jìn)一步增加粉料混合難度，無(wú)法保證復(fù)合雙極板的抗彎強(qiáng)度。濕混法對(duì)導(dǎo)電顆粒的分散效果雖優(yōu)于干混法，但其未完全解決導(dǎo)電顆粒混合均勻性問(wèn)題，導(dǎo)電顆粒仍是毫無(wú)規(guī)律地存在于有機(jī)物中，同樣需要加入一定數(shù)量，才能保證復(fù)合雙極板的導(dǎo)電性能。由于需要更多的能量和更長(zhǎng)時(shí)間才能去除原溶液中的溶劑，這直接影響復(fù)合雙極板成型效率和生產(chǎn)成本，此外，溶劑在緩慢揮發(fā)過(guò)程中在復(fù)合雙極板內(nèi)部留下許多細(xì)小的孔洞，這會(huì)增加模壓或擠壓成形工藝難度，也會(huì)對(duì)復(fù)合雙極板的氣密性和抗彎強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。
[0007]因此，對(duì)于PEM燃料電池復(fù)合雙極板，迫切需要一種全新的設(shè)計(jì)和制造方法，以協(xié)調(diào)其導(dǎo)電性能和抗彎強(qiáng)度之間的矛盾，保證氣密性，兼顧復(fù)合雙極板生產(chǎn)效率和成本。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供了一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板，以協(xié)調(diào)雙極板導(dǎo)電性能和抗彎強(qiáng)度之間的矛盾，保證氣密性，同時(shí)兼顧復(fù)合雙極板生產(chǎn)效率和成本。
[0009]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)上述目的的:一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板，包括上、下表層和多個(gè)層板單元預(yù)制體，其中，上、下表層上分布?xì)怏w流道，上、下表層間設(shè)置有η個(gè)層板單元預(yù)制體。
[0010]所述的層板單元預(yù)制體上包覆有有機(jī)物薄膜，有機(jī)物薄膜上嵌有導(dǎo)電顆粒，相鄰的層板單元預(yù)制體上的導(dǎo)電顆粒有一個(gè)或多個(gè)重疊區(qū)域，進(jìn)一步相鄰的層板單元預(yù)制體上導(dǎo)電顆粒為部分重疊，形成一條或多條曲折的導(dǎo)電通路，所述的層板單元預(yù)制體是在外加氣壓作用下，導(dǎo)電顆粒嵌在有機(jī)物薄膜上，經(jīng)干燥、加熱后獲得的。
[0011]所述的上、下表層材料為蠕蟲(chóng)石墨經(jīng)可溶性樹(shù)脂浸潰后干燥而成，所述的可溶性樹(shù)脂經(jīng)有機(jī)溶劑溶解。其中可溶性樹(shù)脂包括酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氯乙烯中的一種，有機(jī)溶劑為無(wú)水乙醇、丙酮、環(huán)己烷中的一種或多種。
[0012]所述的導(dǎo)電顆粒是鱗片石墨片、微晶石墨片、鋁粉、銅粉中的一種或幾種組合。
[0013]所述的有機(jī)物薄膜為可溶性樹(shù)脂經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)后制得，其中有機(jī)物薄膜厚度為
0.θ1~θ.2_，所述的可溶性樹(shù)脂經(jīng)有機(jī)溶劑溶解。
[0014]所述的可溶性樹(shù)脂包括酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氯乙烯中的一種，有機(jī)溶劑為無(wú)水乙醇、丙酮、環(huán)己烷中的一種或多種。
[0015]依次將下表層材料、多個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層鋪疊在帶有氣體通道結(jié)構(gòu)的金屬模具中經(jīng)一次熱模壓和二次真空模壓，獲得所需的PEM燃料電池雙極板。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種PEM燃料復(fù)合雙極板的制備方法，具體為:
(O上下表層材料制備:將可溶性樹(shù)脂投入質(zhì)量濃度為70-90%的有機(jī)溶劑中，攪拌均勻，使其溶解，再將蠕蟲(chóng)石墨放入經(jīng)溶劑溶解的可溶性樹(shù)脂中，浸潰30-100min后，在30-50°C,83-98KPa下真空干燥60_150min或在50~250 μ m下紅外線干燥5_20min，取出備用；按重量份計(jì)，可溶性樹(shù)脂為50-80份，70~90%的有機(jī)溶劑為20-50份。
[0017](2)層板單元預(yù)制體制備:取(I)中所述的有機(jī)溶劑，在旋轉(zhuǎn)速度為1000_1200r/min下制備有機(jī)物薄膜，控制有機(jī)物薄膜厚度在0.01"0.2mm之間，將導(dǎo)電顆粒在外加
0.3-0.9MPa的氣壓作用下噴射到機(jī)物薄膜中，保證相鄰的層板單元間導(dǎo)電顆粒有一個(gè)或η個(gè)重疊區(qū)域，并形成一個(gè)或η個(gè)曲折的導(dǎo)電通路，將嵌有導(dǎo)電顆粒的有機(jī)物薄膜在30-500C，83-98KPa下真空干燥60_150min或在50~250 μ m紅外線下干燥5_20min后制得層板單元預(yù)制體，重復(fù)上述過(guò)程，制得η個(gè)層板單元預(yù)制體；
(3)多層鋪疊:依次將下表層材料、多個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層材料鋪疊在帶有氣體通道結(jié)構(gòu)的金屬模具中；
(4)模壓成型:將(3)鋪疊的材料進(jìn)行兩次模壓，一次模壓在溫度低于可溶性樹(shù)脂固化溫度10-20°C，壓力為3-5MPa條件下模壓5_15min ;二次模壓在溫度高于可溶性樹(shù)脂固化溫度 3(T50°C，壓力為 30-60MPa，真空度為 10(T200Pa 下模壓 20_60min。
[0018]所述的η大于等于3。
[0019]采用本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)異效果:
(I)所述的雙極板具有多層結(jié)構(gòu)，包括上下表層和多個(gè)層板單元。上下表層以具有可壓縮的蠕蟲(chóng)石墨為原材料，易模壓出復(fù)雜的氣體流通通道。
[0020](2)每個(gè)層板單元上的導(dǎo)電部位位置和大小均可控，多個(gè)層板單元疊加后易形成一條或多條曲折的導(dǎo)電通道，從而保證雙極板具有良好的氣密性以及導(dǎo)電通道結(jié)構(gòu)的多樣性。
[0021](3)在有機(jī)物薄膜的指定部位嵌入導(dǎo)電顆粒，形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和載流子遷移界面，保證導(dǎo)電性，在沒(méi)有導(dǎo)電顆粒的部位是有機(jī)物薄膜，保證抗彎強(qiáng)度，協(xié)調(diào)了導(dǎo)電顆粒的摻入量和有機(jī)物絕緣體之間比例關(guān)系。
[0022](4)采用一次模壓成型和二次真空模壓成型，使得雙極板具有更高的表面質(zhì)量，同時(shí)消除了雙極板內(nèi)部氣泡。
[0023](5)導(dǎo)電顆粒直接嵌在有機(jī)物薄膜中，無(wú)需混料，控制有機(jī)物薄膜厚度，使得單個(gè)層板單元干燥時(shí)間更短，可實(shí)現(xiàn)雙極板低成本大批量生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1所示為PEM燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I是上下表層，為柔性石墨板，2是η個(gè)層板單元，3是氣體流道，4是層板單元導(dǎo)電顆粒，5是有機(jī)物薄膜。
[0025]圖2所示為PEM燃料電池雙極板制備工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
將液態(tài)酚醛樹(shù)脂溶入質(zhì)量濃度80%的無(wú)水乙醇中，配制質(zhì)量濃度為70%的酚醛樹(shù)脂溶液，再將蠕蟲(chóng)石墨放入上述有機(jī)溶劑中浸潰30min，隨后放入在50°C，98KPa下真空干燥60min。取上述有機(jī)溶劑50克注射到旋轉(zhuǎn)速度為1000轉(zhuǎn)/min旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，獲得厚度為
0.1mm酚醛樹(shù)脂薄膜基材；在0.SMPa氣體壓力作用下將250目鱗片石墨噴射到酚醛樹(shù)脂薄膜中，在50°C，98KPa下真空干燥60min，獲得層板單元預(yù)制體，重復(fù)上述過(guò)程10次，獲得10個(gè)層板單元預(yù)制體。將下表層材料、10個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層材料鋪疊在模具中，先在80°C、5MPa的條件下模壓5min，接著在130°C、30MPa的真空條件下保持30min，真空度控制在200Pa以下。測(cè)得上述燃料電池雙極板的導(dǎo)電率為llOS/cm，抗彎強(qiáng)度為70MPa，氫氣透過(guò)率為 1.8 X 10 6 cm3 (cm.s)、
[0027]實(shí)施例2:
以環(huán)氧樹(shù)脂作有機(jī)物基材，質(zhì)量濃度為75%丙酮作溶劑，配制質(zhì)量濃度為60%的環(huán)氧樹(shù)脂溶液，將蠕蟲(chóng)石墨放入環(huán)氧樹(shù)脂溶液中浸潰處理90min，在100 μ m紅外線，60°C下干燥lOmin，干燥12(Tl50min。將60克環(huán)氧樹(shù)脂溶液注射到旋轉(zhuǎn)速度為1200轉(zhuǎn)/min旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，獲得厚度為0.08mm環(huán)氧樹(shù)脂薄膜基材；在1.0MPa外加氣壓作用下將300目鱗片石墨噴射到環(huán)氧樹(shù)脂薄膜基材中，在100 μ m紅外線，60°C下干燥IOmin,獲得層板單元預(yù)制體，重復(fù)上述過(guò)程5次，獲得5個(gè)層板單元預(yù)制體。將下表層材料、5個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層材料鋪疊在模具中，先在160°C、3MPa的條件下熱壓15min，接著在240°C、30MPa的真空條件下保壓20min，真空度控制在200Pa以下。測(cè)得上述燃料電池雙極板的導(dǎo)電率為105S/cm，抗彎強(qiáng)度為72MPa,氫氣透過(guò)率為1.6 X 10 6cm3 (cm.s)、50?250 μ m下紅外線干燥5_20min。
[0028]實(shí)施例3:以聚氯乙烯作有機(jī)物基材，質(zhì)量濃度為95%環(huán)己烷作溶劑，配制濃度為60%的環(huán)氧樹(shù)脂溶液，將蠕蟲(chóng)石墨放入有機(jī)物溶液中浸潰處理90min，200 μ m紅外線，60°C下干燥lOmin。將65克聚氯乙烯溶液注射到旋轉(zhuǎn)速度為1200轉(zhuǎn)/min旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，獲得厚度為0.2mm環(huán)氧樹(shù)脂薄膜基材；在1.0MPa外加氣壓作用下將250目鱗片石墨和300目銅粉(二者質(zhì)量比為3:1)噴射到環(huán)氧樹(shù)脂薄膜基材中，200 μ m紅外線，60°C下干燥lOmin，獲得層板單元預(yù)制體，重復(fù)上述過(guò)程3次，獲得3個(gè)層板單元預(yù)制體。將下表層材料、多個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層材料鋪疊在模具中，先在100°C、3MPa的條件下熱壓5min，接著在150°C、30MPa的真空條件下保壓20min，真空度控制在200Pa以下。測(cè)得上述燃料電池雙極板的導(dǎo)電率為150S/cm，抗彎強(qiáng)度為59.5MPa，氫氣透過(guò) 率為2.0XlO^6 cm3 (cm.s)'
【權(quán)利要求】
1.一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:該復(fù)合雙極板包括上、下表層(1)，上、下表層(I)上間隔分布有氣體流道(3)，上、下表層間設(shè)置有η個(gè)層板單元預(yù)制體(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:所述的層板單元預(yù)制體上包覆有有機(jī)物薄膜(5 )，有機(jī)物薄膜(5 )上嵌有導(dǎo)電顆(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:所述的導(dǎo)電顆粒(4)是鱗片石墨片、微晶石墨片、鋁粉、銅粉中的一種或幾種組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:所述的有機(jī)物薄膜(5)為可溶性樹(shù)脂經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)后制得，其中有機(jī)物薄膜厚度為0.01~0.2_，所述的可溶性樹(shù)脂經(jīng)有機(jī)溶劑溶解。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:所述的η個(gè)層板單元預(yù)制體(2)中，相鄰的層板單元預(yù)制體(2)上導(dǎo)電顆粒(4)有一個(gè)或多個(gè)重疊區(qū)域，形成一條或多條曲折的導(dǎo)電通路。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:相鄰的層板單元預(yù)制(2)體上導(dǎo)電顆粒(4)為部分重疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:所述的上、下表層(I)材料為蠕蟲(chóng)石墨經(jīng)可溶性樹(shù)脂浸潰后干燥而成，所述的可溶性樹(shù)脂經(jīng)有機(jī)溶劑溶解。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板，其特征在于:所述可溶性樹(shù)脂為酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、聚氯乙烯中的任意一種，有機(jī)溶劑為無(wú)水乙醇、丙酮、環(huán)己烷中的一種或多種。
9.一種PEM燃料電池復(fù)合雙極板的制備方法，其特征在于:包括以下步驟， 1)上、下表層材料的制備:將可溶性樹(shù)脂投入質(zhì)量濃度為70-90%的有機(jī)溶劑中，攪拌均勻，使其溶解，再將蠕蟲(chóng)石墨放入經(jīng)溶劑溶解的可溶性樹(shù)脂中，浸潰30-100min后，干燥，取出備用； 2)層板單元預(yù)制體:取1)中所述的經(jīng)有機(jī)溶劑溶解的可溶性樹(shù)脂，在旋轉(zhuǎn)速度為1000-1200r/min下制備有機(jī)物薄膜，控制有機(jī)物薄膜厚度在0.1~1.2mm之間，將導(dǎo)電顆粒嵌入到有機(jī)物薄膜上，將嵌有導(dǎo)電顆粒的有機(jī)物薄膜經(jīng)干燥后制得層板單元預(yù)制體，重復(fù)上述過(guò)程，制得n個(gè)層板單元預(yù)制體； 3)鋪疊:依次將下表層材料、n個(gè)層板單元預(yù)制體、上表層材料鋪疊在帶有氣體流道結(jié)構(gòu)的金屬模具中； 4)模壓成型:將3)鋪疊的材料進(jìn)行兩次模壓，具體為在低溫、低壓下進(jìn)行一次模壓成型，然后提高溫度和壓力、在真空條件下進(jìn)行二次模壓成型。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板的制備方法，其特征在于:步驟1)及步驟2)中所述的干燥為在30-50°C，83-98KPa下真空干燥60_150min或在50~250 μ m紅外線，50-80°C下干燥 5-20min。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板的制備方法，其特征在于:步驟1)中，按重量份計(jì)，可溶性樹(shù)脂為50-80份，70~90%的有機(jī)溶劑為20-50份。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板的制備方法，其特征在于:步驟2)中導(dǎo)電顆粒嵌在有機(jī)物薄膜中是指導(dǎo)電顆粒在外加0.3-0.9MPa的氣壓作用下噴射到機(jī)物薄膜中，保證相鄰的層板單元間導(dǎo)電顆粒有一個(gè)或n個(gè)重疊區(qū)域，并形成一個(gè)或n個(gè)曲折的導(dǎo)電通路。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板的制備方法，其特征在于:步驟4)中一次模壓在溫度低于可溶性樹(shù)脂固化溫度10-20°C，壓力為3-5MPa條件下模壓5_15min ；二次模壓在溫度高于可溶性樹(shù)脂固化溫度3(T50°C，壓力為30-60MPa，真空度為10(T200Pa下模壓20_60min。
14.根據(jù)權(quán)利要求9或12所述的PEM燃料電池復(fù)合雙極板的制備方法，其特征在于:所述的η大于等于3。`
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK103746131SQ201410021214
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】吳海華, 黃川 , 劉富林, 李廳 申請(qǐng)人:三峽大學(xué)