[发明专利]一种改性膨胀石墨基复合材料双极板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种双极板及其制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高效环保、比能量和比功率高、启动快等诸多优点，被看作是未来重要的新型能源。已成为世界各国研究热点之一。双极板作为质子交换膜燃料电池的关键部件,主要作用是为实现单电池之间的连接起到收集电流的作用，为电池分配燃料和氧化剂等。目前用于生产质子交换膜燃料电池双极板的材料有石墨、金属材料和复合材料等。石墨板具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，因此加工费用较高。金属材料也可以用来制备双极板，其优点在于金属材料的导电和导热性能非常好，易于加工，选用非常薄的极板就能达到隔离反应气体的目的，金属材料的主要不足在于密度较大，接触电阻较高且易于腐蚀。目前除传统石墨材料双极板和金属双极板外，石墨/树脂复合材料双极板也得到了实际应用，复合板结合了石墨板和金属板的优点，在石墨/树脂复合材料中，树脂作为粘结剂，在增强石墨板力学强度的同时也提高了其阻气性，但复合板的电导率低，体积密度大仍然限制了双极板的商业化进程。

发明内容

本发明是要解决现有方法制备的双极板电导性差、体积密度大和机械性能差的问题。而提供一种改性膨胀石墨基复合材料双极板及其制备方法。

本发明一种改性膨胀石墨基复合材料双极板由膨胀石墨、热塑性酚醛树脂和炭气凝胶制成；所述膨胀石墨与热塑性酚醛树脂的质量比为(0.66～3):1；所述炭气凝胶的质量为膨胀石墨与热塑性酚醛树脂质量总和的1%～4%，所述炭气凝胶的粒径为1μm～5μm，所述膨胀石墨的膨胀系数为150ml/g～250ml/g。

上述改性膨胀石墨基复合材料双极板的制备方法，按以下步骤进行：

一、将炭气凝胶加入到热塑性酚醛树脂中，得到炭气凝胶/热塑性酚醛树脂；二、将步骤一得到的炭气凝胶/热塑性酚醛树脂放入温度为90℃～100℃的水中，得到炭气凝胶/热塑性酚醛树脂水溶液，将膨胀石墨加入到炭气凝胶/热塑性酚醛树脂水溶液中，搅拌20min～30min，冷却至室温，过滤，将滤渣在温度为70℃～100℃的条件下干燥24h，得到改性复合材料；三、将步骤二得到的改性复合材料放入球磨机中按球料比为(10～30):1球磨混合6h～18h，转速为400r/min～450r/min，得到粉末状改性复合材料；四、将步骤三得到的粉末状改性复合材料放入模具中，然后将模具放在手动液压机上，在室温、压力为15MPa～40MPa的条件下模压模具15min～30min；然后在压力为10MPa～30MPa条件下以10℃/min～20℃/min的升温速度使热压炉内的温度从室温升温至140℃～200℃，并在温度为140℃～200℃、压力为10MPa～30MPa的条件下保温模压模具15min～30min；五、在温度为90℃～120℃的条件下脱模，冷却至室温，得到改性膨胀石墨基复合材料双极板；步骤一中所述炭气凝胶的粒径为1μm～5μm；步骤一中所述炭气凝胶的质量为步骤二中所述膨胀石墨与步骤一中所述热塑性酚醛树脂质量总和的1%～4%；步骤二中所述膨胀石墨与步骤一中所述热塑性酚醛树脂的质量比为(0.66～3):1；步骤二中所述膨胀石墨的膨胀系数为150ml/g～250ml/g；步骤三中所述球磨机的型号为QM-SB的行星式球磨机，所用磨球由直径为2cm的大球和直径为1cm的小球按照1:1的个数比组成；步骤四中所述手动液压机的型号为YSS-1型双速手动液压机。

本发明的优点：

本发明制得的改性复合材料双极板具有电导性好、体积密度小、机械性能好、润湿性能好、热稳定性能好等优点。其电导率为电导率为108.3S/cm～162.7S/cm、抗折强度53MPa～77MPa、接触角65.32°～82.78°、体积密度为1.42g/cm³～1.62g/cm³、孔隙率为0.083g/cm³～0.122g/cm³、在燃料电池运行温度80℃时质量损失为0.53%～0.76%即热稳定性较好。

附图说明

图1为试验四制得的炭气凝胶放大25000倍的SEM图；

图2为试验四制得的炭气凝胶放大7000倍的SEM图；

图3为试验一制得的改性膨胀石墨基复合材料双极板的表面放大3000倍的SEM图；

图4为试验一制得的改性膨胀石墨基复合材料双极板的表面放大15000倍的SEM图；