[发明专利]一种燃料电池用复合双极板及其制备方法与应用

说明书

本发明属于燃料电池领域，公开了一种复合双极板的制备方法。所述双极板是由聚甲基丙烯酸甲酯树脂、聚苯乙烯树脂、氢化乙烯‑丁烯‑苯乙烯三嵌段共聚物、导电填料、纤维增强材料组成的碳塑复合板。该复合双极板具有良好的机械加工性能、优异的电导率及耐久性。能够在保证电堆组装的前提下，降低双极板的本体电阻和接触电阻，提高全电池性能。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体是涉及一种碳/聚合物基复合双极板及其制备方法与应用。

背景技术

燃料电池(FC)是一种能够将化学能直接转化为电能的能量转换装置。它具有较高的能量转化效率(40-60％)、对环境友好、启动速度快、工作寿命长等优点，因此已经受到越来越广泛的关注，目前很有希望应用于便携式电源、电动汽车、无人机、水下潜器等的动力电源。目前，PEMFC研究的主要目标是降低系统成本和提高电池性能和稳定性。但是燃料电池的高成本极大程度上制约了它的商业化应用，双极板的成本占据燃料电池电堆成本的30％-45％。

目前商业化的双极板主要是无孔石墨板和改性金属板，无孔石墨板是由石墨和可石墨化的树脂混合，经复杂的石墨化工艺处理所得。这种方法制备的双极板存在强度低，需要3-5mm的厚度才能保持良好的机械性能，此外为了保证良好的气密性，这种石墨板需要多次浸渍树脂，且流场的机加工工艺费时费力，成本高。金属板易于批量化生产，机械性能好，但是存在在酸性介质中耐蚀性较差，与气体扩散层接触电阻较大的特点。碳塑复合材料双极板制备材料来源广泛、加工工艺简单、成本低廉、能够实现批量化生产，大幅度降低成本，流场可以直接模压成型，避免了昂贵的机加工工艺。此外还可以通过组分调变和结构调变，使碳/聚合物复合双极板达到绝大多数应用场合下的使用标准。

中国专利公开说明书CN103746131A中提出了一种将可溶性树脂融入有机溶剂，再灌入石墨蠕虫制备复合板的方法。该方法制备的双极板在较低的压力即可成型，具有较好的抗弯强度和电导率。但是在实验过程中采用了二次模压工艺，增加了制备过程中的工艺复杂性，降低了生产效率。中国专利公开说明书CN106486683A中提出了一种磷酸镁水泥基复合双极板的制备方法，该方法制备的复合板具有低的气体渗透率和优异的耐蚀性能。但是这种工艺制备的双极板需要长达1天的固化时间，生产效率低，不利于双极板成本的降低。Daniel Adams等人(Energy Fuels2017,31,14320-14331)采用了加入碳毡中间过渡层的方法，制得了一种“三明治”结构的复合双极板，该复合板具有较高的抗弯强度和电导率，但是制备工艺相对复杂，制备成本偏高。

发明内容

因此针对上述复合双极板所存在的问题，本发明开发了一种燃料电池用复合双极板，可以在保持良好电导率、机械强度、耐蚀性等性能的同时，降低双极板的成本。

燃料电池为了达到较高的功率密度，必须有效降低双极板本身的欧姆电阻、与扩散层间的接触电阻。为了保障双极板在使用过程中不易折断和破碎，起着粘结剂作用的聚合物往往需要在20％以上，这就造成了复合板的电导率较低，欧姆电阻大，全电池性能不佳。

为此，本发明的目的在于提供一种具有较高电导率、良好机械性能、兼具低成本的碳基/聚合物复合双极板的制备方法及应用。依据本方法制备的双极板，具备较低的欧姆极化损失、良好的机械强度和全电池性能。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明一方面提供一种碳塑复合双极板，所述双极板由PMMA树脂(聚甲基丙烯酸甲酯树脂)、PS树脂(聚苯乙烯树脂)、SEBS树脂(氢化乙烯-丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物)、导电填料、纤维增强材料组成；所述双极板中，PMMA树脂的质量分数为3-30％，PS树脂的质量分数为3-25％，SEBS树脂的质量分数为2-8％，导电填料的质量分数为50-90％，纤维增强材料质量分数为1-15％。

基于以上技术方案，优选的，所述PMMA树脂分子量为8万-12万；所述PS树脂分子量为20万-45万；所述SEBS树脂中，苯乙烯含量为15％-25％，所述SEBS树脂的200℃的熔融指数为5-15g/10min