力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池復(fù)合材料雙極板，由酚醛樹脂、碳化鈦、石墨、固化劑組成；電導(dǎo)率210S/cm，抗彎強(qiáng)度36Mpa，抗壓強(qiáng)度105Mpa，熱傳導(dǎo)率40-6W/mK。本發(fā)明選用石墨粉、改性酚醛樹脂和碳化鈦粉末。碳化鈦（TiC）屬面心立方晶型，熔點高，導(dǎo)熱性能好，硬度大，化學(xué)穩(wěn)定好，高溫抗氧化性好，在常溫下不與酸起反應(yīng)，有很強(qiáng)的耐腐蝕性能和很高的導(dǎo)電性（比純石墨還高），可以大大提高酚醛樹脂/石墨復(fù)合材料雙極板的力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，制得的雙極板不僅具有較高的電導(dǎo)率、導(dǎo)熱率、較高的強(qiáng)度和耐氫腐蝕性。
【專利說明】力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板
[0001]本申請是申請?zhí)?201110145554.7、申請日:2011-06_01、名稱“質(zhì)子交換膜燃料電池復(fù)合材料雙極板及生產(chǎn)方法”的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池的一種新型復(fù)合材料雙極板配方及成形方法。
【背景技術(shù)】
[0003]二十一世紀(jì)是能源緊缺的世紀(jì)，對新型能源的開發(fā)、現(xiàn)有能源的合理高效利用已成為本世紀(jì)發(fā)展的主題。目前，人類賴以生存的石油、天然氣和煤等化石能源正在日趨減少，取而代之的將是氫能、太陽能和風(fēng)能等可再生資源。同時，由于對現(xiàn)有資源(如石油、天然氣和煤)的低效燃燒使用，既浪費(fèi)了能源，也對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，已成為本世紀(jì)必須解決的重要問題。
[0004]燃料電池(Fuel Cells)是一種電可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。能量轉(zhuǎn)換效率高(40% — 60%);環(huán)境友好，幾乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常規(guī)發(fā)電廠減少50%以上。正是由于這些突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究和開發(fā)備受各國政府與世界大公司的重視，被認(rèn)為是21世紀(jì)首選的潔凈、高效的發(fā)電技術(shù)，成為大家研究和開發(fā)焦點。
[0005]氧氧質(zhì)子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)使用氧氣燃料、空氣或氧氣為氧化劑，除具有燃料電池一般的特點(如能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好等)之外，同時還具有可在室溫快速啟動(工作溫度一般在60?100 °C)、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與能量高等突出特點，特別是其排放物為水，實現(xiàn)了無污染零排放。因此，它被公認(rèn)為最有希望成為軍事、航天、航海、電動汽車和區(qū)域性電站的首選電源。
[0006]雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的主要部件，雙極板外形一般為平板型，單面或雙面開有深1_、寬Imm左右的流場(溝槽)，為供氫氣和氧氣流動的通道。雙極板的主要功能有:(1)分配電池中的燃料和氧化劑；(2)分離電池組中的單電池；(3)傳導(dǎo)電流；
(4)傳輸生成水、濕氣；(5)冷卻電池組。雙極板的費(fèi)用占燃料電池的一半以上，已嚴(yán)重阻礙質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化，找到價格低廉，壽命長的雙極板材料成為質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化迫在眉睫的問題。
[0007]目前，制造雙極板的主要材料和方法有:
(I)純石墨雙極板
一般采用石墨粉、粉碎的焦炭與可石墨化的樹脂或浙青混合，在石墨化爐中嚴(yán)格按一定的升溫程序，升溫至2500?2700 V，制備無孔或低孔率(不大于1%)，僅含納米級孔的石墨塊，再經(jīng)切割和研磨，制備厚度為2?5 _的石墨板，機(jī)加工共用孔道和用電腦刻繪機(jī)在其表面刻繪需要的流場。這種石墨雙極板的制備工藝不但復(fù)雜、耗時、費(fèi)用高，而且難以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。石墨材料具有優(yōu)越的導(dǎo)電性能，導(dǎo)熱性和耐磨性能，是一種低密度材料，一直是雙極板的首選材料，機(jī)加工工藝中的高溫石墨化和氣體流道的機(jī)加工是造成雙極板價格昂貴的主要原因。
[0008](2)金屬雙極板
金屬材料雙極板具有高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度好及氣體透過率低等優(yōu)點，但金屬在燃料電池運(yùn)行的環(huán)境下，容易腐蝕不能滿足長期使用的要求。用薄金屬板作雙極板材料突出的優(yōu)點是特別適于批量生產(chǎn)，如采用沖壓技術(shù)制備各種構(gòu)形的雙極板。采用薄金屬板制備雙極板的首要問題是解決其在PEMFC工作條件(氧化、還原氣氛，一定的電位與弱酸性電解質(zhì))下的穩(wěn)定性(即抗腐蝕問題)，另一個問題就是還需進(jìn)一步考察其壽命。
[0009](3)石墨/聚合物
為降低石墨雙極板的制備成本，滿足大批量使用的要求，由石墨粉和聚合物樹脂及其它各種配方和類似方法來制備復(fù)合材料雙極板。這種方法由于采用模壓成型，所以流道可直接一次成型出，具有效率高、成本低的特點，已成為目前PEMFC雙極板具有發(fā)展前景的研究方向之一，國外已有規(guī)?；a(chǎn)。但這種方法生產(chǎn)的雙極板和上述二種方法生產(chǎn)的雙極板比存在電導(dǎo)率低、強(qiáng)度低、導(dǎo)熱率低等不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]對于雙極板力學(xué)性能方面要求，主要是裝配密封和緊固時，須有一定的抗壓和彎曲強(qiáng)度，工作時并沒有沖擊、交變載荷復(fù)雜受力狀況，所以在滿足一定力學(xué)性能條件下，主要是提高其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和抗腐蝕性能。本發(fā)明的目的在于提供一種力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的質(zhì)子交換膜燃料電池復(fù)合材料雙極板及生產(chǎn)方法。
[0011]本發(fā)明的就是解決方案是:
一種質(zhì)子交換膜燃料電池復(fù)合材料雙極板，其特征是:由下列重量百分比的原料制
成:
酚醛樹脂5%~20%
碳化鈦1%~10%
石墨60%~93%
固化劑1%~10%。
[0012]所述固化劑為六次甲基四胺。
[0013]一種質(zhì)子交換膜燃料電池復(fù)合材料雙極板的生產(chǎn)方法，其特征是:包括如下步驟:
1)將5%~20%重量百分比的酚醛樹脂、1%~10%重量百分比的碳化鈦和60%~93%重量百分比的石墨進(jìn)行混合，再放入60~100°c烘箱中烘干1~5 h ；
2)將干燥后的粉料取出，加入固化劑，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道(流場)，使通過模壓后流道可全部一次成型；(2)合模:加料后進(jìn)行合模,合模時間為5s~30s,合模的壓力在5~6O MPa，模壓成型溫度為130·220°C，保溫時間為fl5min。；3)排氣:模具合模后需要卸壓排氣，排氣的次數(shù)為1~3次，每次的時間為3s~20S ;(5)脫模:固化完成后，用推桿脫模。
[0014]3)在模壓成型之后，用夾具夾住雙極板放入烘箱中，保溫處理，使雙極板進(jìn)一步固化得成品。退火溫度為80~130°C，保溫時間為4~24h。
[0015]步驟1)中所述混合方式為球磨干混或以為乙醇溶劑濕混。[0016]本發(fā)明選用石墨粉、改性酚醛樹脂和碳化鈦粉末。碳化鈦(TiC)屬面心立方晶型，熔點高，導(dǎo)熱性能好，硬度大，化學(xué)穩(wěn)定好，高溫抗氧化性好，在常溫下不與酸起反應(yīng)，有很強(qiáng)的耐腐蝕性能和很高的導(dǎo)電性(比純石墨還高)，可以大大提高酚醛樹脂/石墨復(fù)合材料雙極板的力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，制得的雙極板不僅具有較高的電導(dǎo)率、導(dǎo)熱率、較高的強(qiáng)度和耐氫腐蝕性。
[0017]本發(fā)明制得的雙極板的性能可達(dá):
電導(dǎo)率210S/cm，抗彎強(qiáng)度36 MPa，抗壓強(qiáng)度105 MPa，熱傳導(dǎo)率4(T6 W/mK。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0019]圖1是本發(fā)明一個實施例的生產(chǎn)方法流程圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1:
1)將10%重量百分比的酚醛樹脂、10%重量百分比的碳化鈦和77%重量百分比的石墨進(jìn)行球磨干混，再放入60-100?烘箱中烘干廣5 h ；
2)將干燥后的粉料取出，加入3%重量百分比的固化劑六次甲基四胺，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道(流場)，使通過模壓后流道可全部一次成型；(2)合模:加料后進(jìn)行合模，合模時間為5s~30s,合模的壓力在40 MPa,模壓成型溫度為200°C,保溫時間為5mint);3)排氣:模具合模后需要卸壓排氣，排氣的次數(shù)為廣3次，每次的時間為3iT20S ;(5)脫模:固化完成后，用推桿脫模。
[0021]3)在模壓成型之后，用夾具夾住雙極板放入烘箱中，保溫處理，使雙極板進(jìn)一步固化得成品。退火溫度為8(T13(TC，保溫時間為4~24h。
[0022]制得的雙極板的性能如下:
電導(dǎo)率210S/cm，抗彎強(qiáng)度36 Mpa，抗壓強(qiáng)度105 Mpa，熱傳導(dǎo)率4(T6 W/mK。
[0023]實施例2:
1)將5%~20%(例5%、12%、20%)重量百分比的酚醛樹脂、1%~10% (例1%、5%、10%)重量百分比的碳化鈦和60%~93% (例60%、75%、93%)重量百分比的石墨進(jìn)行混合，再放入6(Tl00°C(例 60°C、80°C、100°C)烘箱中烘干1-5 h ；
2)將干燥后的粉料取出，加入1-10%(例1%、6%、10%)重量百分比的固化劑，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道(流場)，使通過模壓后流道可全部一次成型；(2)合模:加料后進(jìn)行合模，合模時間為5s~30s，合模的壓力在5~60 MPa (例5 MPa,30 MPa,60 MPa)，模壓成型溫度為13(T220°C (例130°C、180°C、220°C)，保溫時間為I~15min。;3)排氣:模具合模后需要卸壓排氣，排氣的次數(shù)為1-3次，每次的時間為3iT20S ;(5)脫模:固化完成后，用推桿脫模。
[0024]3)在模壓成型之后，用夾具夾住雙極板放入烘箱中，保溫處理，使雙極板進(jìn)一步固化得成品。退火溫度為8(Tl30°C (例80°〇、1001:、130°0，保溫時間為4~2411。
[0025]步驟I)中所述混合方式為球磨干混或以為乙醇溶劑濕混。
【權(quán)利要求】
1.一種力學(xué)性能、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，其特征是:由下列重量百分比的原料制成: 酚 醛樹脂10% 碳化鈦10% 石墨77% 固化劑3%。 所述固化劑為六次甲基四胺； 電導(dǎo)率210S/cm，抗彎強(qiáng)度36 Mpa，抗壓強(qiáng)度105 Mpa，熱傳導(dǎo)率4(T6 ff/mK ； 制備方法包括如下步驟: 1)將10%重量百分比的酚醛樹脂、10%重量百分比的碳化鈦和77%重量百分比的石墨進(jìn)行球磨干混，再放入60-100?烘箱中烘干1-5 h ； 2)將干燥后的粉料取出，加入3%重量百分比的固化劑六次甲基四胺，放入模具型腔中，模具型腔加工有流道，使通過模壓后流道可全部一次成型；(2)合模:加料后進(jìn)行合模，合模時間為5s~30s，合模的壓力在40 MPa，模壓成型溫度為200°C，保溫時間為5min ；(3)排氣:模具合模后需要卸壓排氣，排氣的次數(shù)為1-3次，每次的時間為3iT20S ； (4)脫模:固化完成后，用推桿脫模； 3)在模壓成型之后，用夾具夾住雙極板放入烘箱中，保溫處理，使雙極板進(jìn)一步固化得成品；退火溫度為8(T13(TC，保溫時間為4~24h。
【文檔編號】H01M8/02GK103811778SQ201410049561
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月1日
【發(fā)明者】黃明宇, 問朋朋, 賈中實, 萬曉峰, 汪興興, 倪紅軍, 廖萍, 周一丹, 朱昱 申請人:南通大學(xué)