[发明专利]一种燃料电池双极板复合材料及其制备工艺

说明书

一、技术领域

本发明属于导电复合材料及其制备工艺领域，尤其是涉及到一种碳纳米管增强酚醛树脂/石墨基燃料电池双极板复合材料及其制备工艺。

二、背景技术

燃料电池被认为是本世纪首选的洁净、高效的发电装置。由于其能量转化效率高，污染小，排放二氧化碳少等诸多因素，而备受各国政府与科学家的重视。而其中最主要元件-双极板，所占费用比较高，如质子交换膜燃料电池中成本的60-70％由双极板占有。目前燃料电池双极板材料主要有金属材料，石墨材料和树脂/石墨复合材料；树脂/石墨复合材料是目前制造质子交换膜燃料电池双极板的重要的研究热点之一，因为这种材料的双极板可以通过典型的塑料加工技术如挤压、模压或注射工艺成型。因此树脂/石墨双极板易于大规模生产，一次成型，可以大大降低生产成本，从而可以推动燃料电池的产业化进程。但在该项新材料的研究中，面临着强度和电导率之间不可避免的矛盾难点，即提高复合材料的强度，就需要增加树脂的含量，而增加树脂的含量，必然会导致复合材料的电导率的下降，因此，克服两个物理量之间相互制约的矛盾是提高导电复合材料性能的关键。

三、发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足和缺陷，提供一种导电性好、耐腐蚀性强、弯曲强度高、阻气性好、成本低廉、制备工艺简单的石墨基燃料电池双极板复合材料及其制备工艺。

本发明的技术方案如下：

利用碳纳米管优良的导电性能与力学性能，提供一种由碳纳米管作为增强体，酚醛树脂作为粘结剂，石墨作为基体的燃料电池双极板复合材料。

材料配方质量比为：石墨材料：72.0-88.0％，酚醛树脂：11.5-23.0％，碳纳米管：0.50-5.00％。

本发明的碳纳米管增强酚醛树脂/石墨燃料电池双极板复合材料的制备工艺：

制备工艺过程包括：为了提高碳纳米管与其他材料的界面结合力，首先对碳纳米管进行表面预处理；而后按材料配方质量比进行配料；将配好的材料进行球磨混合或搅拌混合；最后将混合粉料热压烧结成型。

(1)碳纳米管的表面处理工艺：

将Fe²⁺、碳纳米管以及H₂O₂依次放入容器内，Fe²⁺与H₂O₂的质量比在1∶10-1∶50之间，调节pH值在1-5之间，并在波长为185-436nm的紫外线照射下进行表面处理1-5h，然后对溶液进行抽滤，将所得碳纳米管进行真空干燥；

(2)配料：按材料配方质量比，对经表面处理过的碳纳米管、酚醛树脂及石墨材料进行配料；

(3)将配制好的材料进行球磨混合或搅拌混合1-3h；

(4)将混合粉体装入模压成型模具中热压烧结成型，成型温度为200～300℃，成型压力为10～40MPa，保温保压时间为40～120min。

本发明导电复合材料及其制备工艺，具有以下特点：①常温体积电导率为100-200S/cm；②常温弯曲强度为55-75MPa。其工艺简单，该材料的物理及化学性能明显优于目前已有树脂/石墨基导电复合材料的性能，是制造燃料电池双极板的优良材料。

四、具体实施方式

实施例1：配料成分：石墨79wt％，酚醛树脂20wt％，碳纳米管1％；碳纳米管的预处理工艺参数为：Fe²⁺与H₂O₂的质量比在1∶20，pH值为2，紫外线波长386nm，照射时间1h；配料球磨混合时间2h；将混合粉末装入模具热压，成型压力：20MPa，成型温度：240℃，固化时间：60min。

所制备的导电复合材料性能如下：弯曲强度：58.6MPa；电导率：145S/cm。

实施例2：配料成分：石墨84wt％，酚醛树脂14.85wt％，碳纳米管1.15％；碳纳米管的预处理工艺参数为：Fe²⁺与H₂O₂的质量比在1∶40，pH值为3，紫外线波长254nm，照射时间4h；配料球磨混合时间2.5h；将混合粉末装入模具热压，成型压力：30MPa，成型温度：260℃，固化时间：100min。

所制备的导电复合材料性能如下：弯曲强度：70.3MPa；电导率：163.2S/cm。