用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法

摘要

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：第一步：按照质量份数计，将1.2~1.5份超导纤维、20~25份膨胀石墨依次加入200~220份去离子水中分散均匀，得悬浮液；第二步：将高分子有机粘结剂滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到150~180时，保压5~15分钟脱模即得，本发明利用超导纤维、膨胀石墨与高分子有机粘结剂在常温下直接压合形成双极板，该方法稳定性良好且具有优异的重现性；本发明方法制得的双极板电导率高，硬度高，耐压且耐酸腐蚀。

说明书

技术领域

本发明属于质子交换膜燃料电池领域，具体涉及一种用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是当前国际研究非常热门的新型能源之一，由于其双极板通常采用价格高昂的电碳碳板经打磨与雕刻而成，致使双极板的价格占据整个电池总价60%~80%。开发低价、超导的新型石墨双极板是降低该电池成本的关键点之一。

目前有关质子交换膜燃料电池的复合石墨双极板的而研究颇多，但是仍存在以下不足：第一、内电阻大，由于参杂了5~30%的常用不导电的高分子有机粘结剂，在不同程度上引起电子传递不畅通，导致双夹板的电阻很大；第二、产生热量高，质子燃料电池是低压高电流放电，由于双极板的内电阻很大，必然会在放电过程中产生大量的热而引起质子燃料电池的MEA失水过多；第三抗压能力不足，一般性的高分子有机粘结剂制备的双极板在使用过程中产热量高，长期使用引起这些高分子加速老化，导致碳板易裂，使抗压能力下降；

本发明利用超导纤维、膨胀石墨与高分子有机粘结剂在常温下直接压合形成双极板且所得双极板具有优异的耐压和硬度高等性能，目前现有技术尚未发现采用相关原材料经该方法制得成本低廉且性能优异的用于质子交换膜燃料电池的超导复合石墨双极板。

发明内容

解决的技术问题：本发明克服现有技术的不足而提出一种用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，该制备方法简单易行且具有良好的重现性。

本发明的技术方案：

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：

第一步：按照质量份数计，将1.2~1.5份超导纤维、20~25份膨胀石墨依次加入200~220份去离子水中分散均匀，得悬浮液；

第二步：将高分子有机粘结剂滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到150~180时，保压5~15分钟脱模即得。

步骤一所述超导纤维为PAN基碳纤维或再聚合成纤维。

所述再聚合成纤维为聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维或沥青基碳纤维中的一种。

所述高分子有机粘结剂为聚吡咯或聚噻吩。

所述步骤二将高分子有机粘结剂以1~1.2ml/min的速度滴加至步骤一所得悬浮液中。

有益效果

第一，                本发明利用超导纤维、膨胀石墨与高分子有机粘结剂在常温下直接压合形成双极板，该方法稳定性良好且具有优异的重现性；

第二，                本发明制备方法一方面避免使用高昂的电碳石墨板，极大降低了原物料成本，省去使用大型石墨打磨机与雕刻机，而且生产过程中密封无粉尘污染，对人体与环境友好；另一方面，通过常温高压直接固化形成双极板省去了机械加工复杂步骤，有效提升了工艺的精密度与重现性且降低了生产成本；

第三，                本发明方法制得的双极板电导率高，硬度高，耐压且耐酸腐蚀。

具体实施方式

本发明中所用的超导纤维为PAN基碳纤维，聚丙烯腈基碳纤维，粘胶基碳纤维以及沥青基碳纤维等类型的超导纤维。超导纤维具有导电率、高抗拉能力以及结构能力强等优点；本发明所用膨胀石墨购买自青岛星远公司，其碳含量≥99.95%。

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：按照质量份数计，将1.2份PAN基碳纤维、20份膨胀石墨依次加入200份去离子水中分散均匀，得悬浮液；

第二步：将聚吡咯以1ml/min的速度滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到150MPa时，保压15min脱模即得。

实施例2

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：按照质量份数计，依次将1.5份聚丙烯腈基碳纤维、25份膨胀石墨依次加入220份去离子水中分散均匀，得悬浮液；

第二步：将聚噻吩以1.2ml/min的速度滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到180MPa时，保压5min脱模即得。

实施例3

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：按照质量份数计，依次将1.3份粘胶基碳纤维、22份膨胀石墨依次加入210份去离子水中分散均匀，得悬浮液；

第二步：将聚噻吩以1.1ml/min的速度滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到160MPa时，保压10min脱模即得。

实施例4

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：按照质量份数计，依次将1.4份沥青基碳纤维、23份膨胀石墨依次加入215份去离子水中分散均匀，得悬浮液；

第二步：将聚吡咯以1.2ml/min的速度滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到160MPa时，保压12min脱模即得。

实施例5

用于质子交换膜燃料电池超导复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：按照质量份数计，依次将1.3份聚丙烯腈基碳纤维、22份膨胀石墨依次加入210份去离子水中分散均匀，得悬浮液；

第二步：将聚噻吩以1.1ml/min的速度滴加至步骤一所得悬浮液中，待粘度为20000~21000CPS时，将所得混合料流延至磨具中进行模压，待压力达到180MPa时，保压10min脱模即得。

将实施例1~5制得的双极板与市面上现有的双极板进行性能比较，测试结果见下表1：

表1 双极板的性能测试结果

注：“无”表示本实验室未获得此方面的数据

由上表可见，本发明所得双极板与现有双极板相比，在电阻率、抗折强度、洛氏硬度及邵氏硬度等方面均有明显改善，且每块成本明显降低，其中，实施例5为最佳实施例。