质子交换膜燃料电池复合材料双极板注射成型方法

摘要

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板注射成型方法，依次包括导电粉末的制备、混合、注射成型、后处理步骤。本发明原料利用率高，生产效率高，双极板性能好。能直接成型出带有气体通过流道的双极板，同时其制得的双极板具有较高的体积电导率、较高的力学强度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板成型方法。

背景技术

二十一世纪是能源紧缺的世纪，对新型能源的开发、现有能源 的合理高效利用已成为本世纪发展的主题。目前，人类赖以生存的石 油、天然气和煤等化石能源正在日趋减少，取而代之的将是氢能、太 阳能和风能等可再生资源。同时，由于对现有资源(如石油、天然气 和煤)的低效燃烧使用，既浪费了能源，也对环境造成了严重污染， 已成为本世纪必须解决的重要问题。

燃料电池(Fuel Cells)是一种电可以直接将化学能转化为电能 的发电装置。能量转换效率高(40％～60％)；环境友好，几乎不排 放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少50％ 以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受 各国政府与世界大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效 的发电技术，成为大家研究和开发焦点。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)除具有燃料电池一般的特点(如 能量转化效率高、环境友好等)之外，同时还具有可在室温快速启动、 无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与能量高等突出特点。因 此，它被公认为最有希望成为军事、航天、航海、电动汽车和区域性 电站的首选电源。

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的主要部件，它的费 用占燃料电池的一半以上，已严重阻碍质子交换膜燃料电池的商业 化。找价格低廉、性能优越的双极板材料，制定出新的加工工艺，缩 短生产时间已成为质子交换膜燃料电池商业化迫在眉睫的问题。

石墨材料具有优越的导电性能，导热性和耐磨性能，是一种低密 度材料，一直是双极板的首选材料，多采用机加工的方法加工石墨双 极板，机加工工艺中的高温石墨化和气体流道的机加工是造成双极板 价格昂贵的主要原因。金属材料，具有高电导率、高导热性、机械强 度好及气体透过率低等优点，但金属在燃料电池运行的环境下，容易腐 蚀不能满足长期使用的要求。为降低石墨双极板的制备成本，满足长 期使用的要求，由石墨粉和聚合物树脂制备复合材料双极板已成为目 前PEMFC双极板具有发展前景的研究方向之一，国外已转向规模化 生产。

纯石墨双极板主要是通过机加工加工出流道，这种加工方法不仅 加工时间长，并且加工成本也很高，不利于质子交换膜燃料电池的商 业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原料利用率高，生产效率高，双极板 性能好的质子交换膜燃料电池复合材料双极板注射成型方法。

本发明的技术解决方案是：

一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板注射成型方法，其特征 是：依次包括下列步骤：

(1)导电粉末的制备：将碳化钛和石墨混合成导电粉末；

(2)混合：在导电粉末中加入粘结剂，得混合料，粘结剂为改 性酚醛树脂；

(3)注射成型：将混合料采用注射成型方法，制成带有流道的 双极板；

(4)后处理：进行退火处理。

碳化钛为粉态，石墨为粉态，粘结剂为酚醛树脂；在混合料中碳 化钛的重量百分比为5％～15％，石墨的重量百分比为70％～90％， 酚醛树脂的重量百分比为5％～20％。

碳化钛粒径为8000目；石墨纯度≥99.85％，平均粒径为30μm； 改性酚醛树脂的粒度为30-40μm。

步骤(2)中，将导电粉末与酚醛树脂放到球磨机中混合，再放入 干燥箱中干燥，其中球磨速度为350r/min，球磨时间2h；干燥箱温 度为60～100℃，干燥时间为1～24h。

步骤(3)中，注射机械的工作温度为160200℃，工作压力为 80～150MPa，注射的速度为2～5m/s，保压时间为5～60s。

步骤(4)后处理中，用夹具夹住双极板放入烘箱中，退火温度 为80～130℃，保温时间为4～24h。

本发明原料利用率高，生产效率高，双极板性能好。能直接成型 出带有气体通过流道的双极板，同时其制得的双极板具有较高的体积 电导率、较高的力学强度。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

一种质子交换膜燃料电池复合材料双极板注射成型方法，依次包 括下列步骤：

(1)导电粉末的制备：将碳化钛和石墨混合成导电粉末；

(2)混合：在导电粉末中加入粘结剂，得混合料，粘结剂为改 性酚醛树脂；

(3)注射成型：将混合料采用注射成型方法，制成带有流道的 双极板；

(4)后处理：进行退火处理。

碳化钛为粉态，石墨为粉态，粘结剂为酚醛树脂；在混合料中碳 化钛的重量百分比为5％～15％(例5％、10％、15％)，石墨的重量 百分比为70％～90％(例70％、85％、90％)，酚醛树脂的重量百分 比为5％～20％(例5％、15％、20％)。

碳化钛粒径为8000目；石墨纯度≥99.85％，平均粒径为30μm； 改性酚醛树脂的粒度为30-40μm(例30μm、35μm、40μm)。

步骤(2)中，将导电粉末与酚醛树脂放到球磨机中混合，再放入 干燥箱中干燥，其中球磨速度为350r/min，球磨时间2h；干燥箱温 度为60～100℃(例60℃、80℃、100℃)，干燥时间为1～24h(例1 小时、12小时、24小时)。

步骤(3)中，注射机械的工作温度为160～200℃(例160℃、180 ℃、200℃)，工作压力为80～150MPa(例80MPa、110MPa、150MPa)， 注射的速度为2～5m/s(例2m/s、4m/s、5m/s)，保压时间为5～60s (例5s、30s、60s)。

步骤(4)后处理中，用夹具夹住双极板放入烘箱中，退火温度 为80～130℃(例80℃、110℃、130℃)，保温时间为4～24h(例4 小时、14小时、24小时)。

制成的双极板电导率：≥120S/cm，抗弯强度：≥30MPa，抗压 强度：≥30MPa。