[发明专利]可注射模塑的导电芳香族热塑性液晶聚合物组合物

说明书

                     发明领域

本发明涉及一种可注射模塑的含有芳香族热塑性液晶聚合物(LCPs)的导电组合物、由它们制造的导电制品及制造它们的注射模塑方法。本发明组合物在各种应用中有广泛的用途，这些应用包括电化学装置如电池电流集电极、高效电磁/无线电频率干扰屏蔽、及静电消耗包装和设备外罩。本发明特别有用于燃料电池。

                     发明背景

目前本领域中，典型的燃料电池包括图1所示的组件。一种膜/电极组件(MEA)10，它包括膜隔离板11及其任意一侧的催化剂涂层12、及两个(2)气体扩散反向薄板20，在两个(2)传导电子的石墨板40之间由密封垫片30密封。石墨板经常起多种作用，如运送电子到外部负载的电流集电极，外部负载是通过电连接的，在此处未显示；如燃料电池其他部件的机械支撑；及如气体和水通过刻在其表面上的流动场模式的分配网50。气体和水的输入和输出通常与石墨板是整体，不过在此处未显示。石墨板通常用作邻近的层叠电池之间的界面。已知各种石墨板作电流集电极、流动场、及双极(或单极)板。进一步的资料可参阅“乌尔曼工业化学大全”，第5版，12A卷，55页以后，VCH，纽约，1989年。

由于双极板的多种作用，它必须符合各种要求。双极板必须在化学反应燃料电池环境中具有良好的导电性、良好的机械或结构性能和高的化学稳定性。此外，由于其气体分配作用，它必须由不能渗透气体的材料制成，并形成穿过其表面的复杂的气体传递通道。

在本领域目前的实践中，石墨由于其高导电性、高强度和抗腐蚀性，被选作双电极板的材料。不过，它易碎、价格昂贵、需要高费用加工生产。石墨的易碎性使得必须使用约6毫米厚的厚片，这给燃料电池既增加了重量，也增加了体积，这样在使用中降低了它的能量密度(kW/l或kW/千克)。

长期以来碳/石墨填充的热塑性聚合物被确认是双极板中石墨的有希望的替代物。原则上，可使用低成本高速度模压加工将导电的增强热塑性聚合物组合物直接模压成综合的、复杂形式的组件。此外，这些更加可塑造的材料使得能够发展一些新的设计，因为可模压的塑料提供了更大的柔韧性以形成燃料电池组件。遗憾的是尽管作了很多这样的尝试，本领域没有认识到这一潜力。

本领域已经了解体积电阻率10^-3-10^-2欧姆-厘米的导电热塑性聚合物组合物，它在生产燃料电池电流集电极方面受到特别的关注。

Nickols的US-A3,945,844公开了聚合物/金属组合物。聚砜、聚苯硫醚、聚苯醚、丙烯腈丁二烯-苯乙烯共聚物以各种方式与不锈钢、银、金和镍结合。在聚合物/金属组合物中无论金属粉末或填料或二者的数量都在50～80重量％百分数变化。报道的电阻率在10^-3欧姆-厘米的低的水平。

Biddick等人的US-A-4,098,967提供了一种双极板，它是由40-80体积％精细粉碎的玻璃质碳填充的热塑性树脂形成的。在组合物中使用的塑料包括聚偏二氟乙烯和聚苯醚，双极板通过模压干混组合物来形成，并具有电阻率在0.002欧姆-厘米的数量级。Dews等人的US-3,801,374公开了由溶液混合的石墨粉和聚偏二氟乙烯组合物模压制成的双极板，这样形成双极板密度为2.0克/毫升，体积电阻率为4×10^-3欧姆-厘米。

Lawrance的US-A-4,214,969公开了一种双极板，它是由碳或石墨颗粒和一种含氟聚合物树脂的干燥混合物压模制成的。碳或石墨的存在量与聚合物的重量比为2.5∶1～16∶1之间；聚合物浓度在6-28重量％范围内时，体积电阻率在1.2-3.5×10^-3欧姆-英寸范围内。

在Balko等人的US-A-4,339,322中，通过碳纤维或其他纤维性碳结构替代若干石墨粉，US-A-4,214,969的模压组合物的物理强度得以改善。典型的组合物包括20％(按重量计)聚偏二氟乙烯(PVDF)、16％(按重量计)碳纤维、和石墨粉。将干燥混合物混合，然后加压模塑成板。当粘合剂/树脂的装填水平为7-26重量％时，体积电阻率在1.9×10^-3～3.9×10^-3欧姆-英寸范围内。