一种磷酸型燃料电池用双极板及其制备方法

摘要

本发明属新能源材料领域，特别是涉及一种磷酸型燃料电池用双极板及其制备方法。该磷酸型燃料电池用双极板以石墨为导电填料、碳纤维为增强材料、聚苯硫醚树脂和氟树脂混合物为粘结剂，各组分的质量百分比为：石墨45～55％，碳纤维5～10％，聚苯硫醚树脂30～40％，氟树脂5～10％。其制备方法采用模铸法一次热压成型，压力为15～25MPa，保温时间为20～30min。本发明制备的双极板耐热温度高和热稳定性高，耐腐蚀性好；具有一定疏水性，可以省去电池中的疏水材料及疏水处理；具有润滑性能，在模压过程中有利于脱模；废旧双极板材料可以重复利用。

说明书

技术领域

本发明属新能源材料领域，特别是涉及一种磷酸型燃料电池用双极板及其制备方法。

背景技术

磷酸型燃料电池具有磷酸易得、反应温和及燃料来源广等优点，而成为研究和发展最成熟的燃料电池之一，被认为是继火力、水利和核能之后的第四种发电形式。磷酸型燃料电池双极板的性能和价格直接影响电池堆的性能，目前主要用碳板、石墨(或碳粉)-树脂复合材料制作。碳板材料双极板的机械强度低、孔隙率高和流场加工困难，石墨-酚醛树脂复合材料双极板的耐热温度低和加压操作腐蚀严重，石墨-聚苯硫醚树脂复合材料双极板的脆性大和加压操作出现开裂现象。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐腐蚀性强、耐热温度高和热稳定性好、脆性低、并具有较好疏水性及润滑性能的磷酸型燃料电池用双极板及其制备方法。

本发明是通过以下方式实现的：

一种磷酸型燃料电池用双极板，其特征是由石墨、碳纤维、聚苯硫醚树脂、氟树脂组成，各组分的质量百分比为：石墨45％～55％，碳纤维5％～10％，聚苯硫醚树脂30％～40％，氟树脂5％～10％。氟树脂为聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯和可熔性聚四氟乙烯中的至少一种，用氟树脂代替部分聚苯硫醚树脂，可以解决石墨-聚苯硫醚树脂双极板的脆性问题，增加石墨-聚苯硫醚树脂双极板的疏水性能和润滑性能；添加碳纤维用于提高石墨-聚苯硫醚树脂双极板的抗加压操作性能。

上述磷酸型燃料电池用双极板的制备方法，其特征是包括以下步骤：

1.根据磷酸型燃料电池用双极板的特点，设计流场结构和加工模具，控制流道宽度和深度分别为0.5～1.5mm；

2.选择长度为10～200um碳纤维，在65～68％的浓硝酸中采用回流方法进行活化预处理，回流10～20h后用去离子水反复清洗得到表面改性碳纤维；将其余各种原料过筛，控制粒度为200～300目；

3.按比例称取各种原料，采用湿法球磨使其混合均匀，然后经沉淀、过滤、干燥、过筛后得到粉末状混合物原料；或将配好的各种原料采用共混挤出造粒得到粒状混合物原料；

4.根据双极板的厚度、面积和密度，称取混合好的粉末状原料或粒状原料；

5.将称好的混合物原料装入模具，置于加热加热炉中，首先在3～5MPa压力下冷压预成型，然后以3～5℃/min的速度升温至310～330℃，在恒温条件下施加15～25MPa的压力，最后保温、保压20～30min；

6.从加热炉中取出装有双极板的模具，迅速置于自来水中冷却至室温，这样可以降低双极板的结晶度和增加双极板的韧性；

7.从模具中取出即得到磷酸型燃料电池用双极板。

该双极板主要技术指标：密度2.1～2.2g/cm³；弯曲强度大于40MPa；长期耐热温度220℃，短期耐热240℃，在200～220℃的85～100％浓磷酸中长期使用不腐蚀；电导率为100～250S.cm^-1(石墨-酚醛树脂模压双极板为25～200S.cm^-1，美国能源部对燃料电池双极板电导率的要求大于100S.cm^-1)。该双极板的特征表现在：一是耐热温度高和热稳定性好；二是耐腐蚀；三是具有一定疏水性，可以省去电池中的疏水材料及疏水处理；四是具有润滑性能，在模压过程中有利于脱模，有利于提高双极板的精密度；五是废旧双极板材料可以重复利用。

具体实施方式

下面给出本发明的三个最佳实施例：

实施例1

根据磷酸型燃料电池用双极板的特点，设计流场结构和加工模具，控制流道宽度为1.0mm，流到道深度为1.0mm；分别称取石墨450g、聚苯硫醚树脂400g、聚四氟乙烯30g、聚全氟乙丙烯70g、碳纤维50g，采用湿法球磨使其混合均匀得到粉末状混合物原料；称取105g混合物原料加入模具，置于加热炉中，在5MPa压力下冷压预成型，以3℃/min的速度升温至310℃，在恒温条件下施加15MPa的压力，在恒温恒压条件下保持30min；从加热炉中取出迅速置于自来水中冷却至室温，从模具中取出得到石墨-聚苯硫醚/氟树脂复合材料双极板。双极板尺寸为100×100×5mm，电导率为100～125S.cm^-1，密度为2.2g/cm³，弯曲强度大于40MPa，耐热温度220℃，短期耐热温度大于240℃。

实施例2

设计流场结构和加工模具，控制流道宽度1.5mm，流道深度为1.0mm；分别称取石墨550g、聚苯硫醚树脂300g、可熔性聚四氟乙烯30g、聚全氟乙丙烯50g、碳纤维70g，采用湿法球磨使其混合均匀得到粉末状混合物原料；称取105g混合物原料加入模具中，置于加热炉中，在3MPa压力下冷压预成型，以5℃/min的速度升温至330℃，在恒温条件下施加25MPa的压力，在恒温恒压条件下保持20min；从加热炉中取出迅速置于自来水中冷却至室温，从模具中取出得到石墨-聚苯硫醚/氟树脂复合材料双极板。双极板尺寸为100×100×5mm，电导率为150～250S.cm^-1，密度为2.1g/cm³，其余同实施例1。

实施例3

设计流场结构和加工模具，控制流道宽度为1.0mm，流道深度为0.5mm；分别称取石墨500g、聚苯硫醚树脂330g、可熔性聚四氟乙烯20g、聚全氟乙丙烯40g、聚四氟乙烯10g、碳纤维100g，采用湿法球磨使其混合均匀得到粉末状混合物原料；称取105g混合物原料加入模具中，置于加热炉中，在4MPa压力下冷压预成型，以4℃/min的速度升温至320℃，在恒温条件下施加20MPa的压力，在恒温、恒压条件下保持25min；从加热炉中取出迅速置于自来水中冷却至室温，从模具中取出得到石墨-聚苯硫醚/氟树脂复合材料双极板。双极板尺寸为100×100×5mm，电导率为120～180S.cm^-1，密度为2.15g/cm³，其余同实施例1。