專利名稱：燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具體涉及燃料電池的雙極板及其制作方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是本世紀(jì)理想的能源轉(zhuǎn)換裝置，雙極板是其重要組成部件，一直以來，雙極板費(fèi)用占燃料電池成本的一半以上。燃料電池雙極板成本高居不下的主要原因之一是所用碳材料雙極板的生產(chǎn)過程必須經(jīng)過碳化/石墨化處理，而這一過程的加工費(fèi)用高昂。專利申請?zhí)枮?3156680.4所提供的一種燃料電池復(fù)合材料雙極板雖然也提供了一種解決傳統(tǒng)燃料電池雙極板高成本的問題，但是它采用熱固性樹脂作為原料，而熱固性樹脂的模壓力一般較小且需要再加入固化劑使混合物固化，混合物成型前室溫一般呈液乳態(tài)，碳材料成分含量少，導(dǎo)致導(dǎo)電性和強(qiáng)度差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決燃料電池雙極板導(dǎo)電性和強(qiáng)度差，并且加工工藝復(fù)雜、成本高的問題，從而提供了燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板及其制作方法。本發(fā)明的復(fù)合材料雙極板主要由中間相碳微球和聚苯硫醚原料組成，中間相碳微球和聚苯硫醚原料混合模壓制成所述復(fù)合材料雙極板，復(fù)合材料雙極板的上下表面有均勻分布的流場，中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％～95％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的5％～70％，本復(fù)合材料雙極板還包括填料原料，填料的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的0％～65％。本發(fā)明的復(fù)合材料雙極板的制作方法按以下步驟進(jìn)行制備一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和填料分別過50～400目篩，然后在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的原料按本發(fā)明復(fù)合材料雙極板原料組成的比例進(jìn)行混合，再在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；三、混碾烘干將混合烘干后的混合粉料混碾均勻，過50～400目篩，在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；四、模壓成型將經(jīng)過混碾烘干后的混合粉料轉(zhuǎn)入模壓模具中并置于臥式或立式油壓機(jī)中，在溫度為250～450℃、壓力為20～500Mpa的條件下模壓成型，形成上下表面均帶有均勻分布流場的雙極板，成型時(shí)間為10～60分鐘；五、后處理在上述模壓成型步驟結(jié)束后，保持油壓機(jī)的壓力不變，將模壓模具自然冷卻至20～200℃時(shí)去掉油壓機(jī)的壓力，得成品。熱塑性樹脂聚苯硫醚，具有耐熱、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，并且無毒、尺寸精度高，用它制作復(fù)合材料雙極板時(shí)可以減少粘結(jié)劑用量，并且模壓力大，模壓成品致密性好、強(qiáng)度高；中間相碳微球是將調(diào)制的瀝青等原料經(jīng)熱縮聚反應(yīng)得到的中間相(液晶相)瀝青球經(jīng)過分離、碳化、石墨化而獲得的，它可用作超細(xì)石墨、高純(核)石墨原料，用它制作復(fù)合材料雙極板時(shí)，可以提高雙極板的導(dǎo)電性；添加填料是為了改善本發(fā)明雙極板的導(dǎo)電性和抗彎曲強(qiáng)度。本發(fā)明將上述材料結(jié)合在一起制作的燃料電池復(fù)合材料雙極板具有高強(qiáng)度、耐堿、耐腐蝕、抗?jié)B透能力強(qiáng)，導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)，彎曲強(qiáng)度大于64Mpa，體積密度大于1.8g/cm3，電阻率小于0.1Ω·cm。本發(fā)明的制作方法過程簡單，不須經(jīng)碳化/石墨化處理，節(jié)約了制作成本。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一本具體實(shí)施方式
由中間相碳微球、聚苯硫醚和填料原料組成，中間相碳微球、聚苯硫醚和填料原料混合模壓制成所述復(fù)合材料雙極板，復(fù)合材料雙極板的上下表面有均勻分布的流場，中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％～95％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的5％～70％，填料的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的0％～65％。
具體實(shí)施例方式
二本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的填料原料包括碳材料粉末、金屬粉末或所述碳材料粉末和金屬粉末的混合物。其他組成與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施例方式
三本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的碳材料粉末選自碳纖維、乙炔黑、活性碳、石墨粉、石墨化及非石墨化碳粉末中的一種或幾種。其他組成與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施例方式
四本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的金屬粉末選自銅粉、鋁粉、鎳粉、金粉、銀粉中的一種或幾種。其他組成與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施例方式
五本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的70％。
具體實(shí)施例方式
六本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的80％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的20％。
具體實(shí)施例方式
七本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的95％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的5％。
具體實(shí)施例方式
八本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的40％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的20％，填料原料是活性碳粉末，所述活性碳粉末的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的40％。
具體實(shí)施例方式
九本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的60％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％，填料原料是乙炔黑粉末和碳纖維粉末的混合物，所述乙炔黑粉末的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的5％，所述碳纖維粉末的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的5％。
具體實(shí)施例方式
十本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％，填料原料是活性碳粉末和鋁粉的混合物，所述活性碳粉末的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的20％，所述鋁粉的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的20％。
具體實(shí)施例方式
十一本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的50％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％，填料原料是鋁粉，所述鋁粉的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的20％。
具體實(shí)施例方式
十二本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的50％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％，填料原料是鋁粉和銅粉的混合物，所述鋁粉的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的10％，所述銅粉的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的10％。
具體實(shí)施例方式
十三本具體實(shí)施方式
的復(fù)合材料雙極板的制作方法按以下步驟進(jìn)行制備一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和填料分別過50～400目篩，然后在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的原料按本發(fā)明復(fù)合材料雙極板原料組成的比例進(jìn)行混合，再在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；三、混碾烘干將混合烘干后的混合粉料混碾均勻，過50～400目篩，在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；四、模壓成型將經(jīng)過混碾烘干后的混合粉料轉(zhuǎn)入模壓模具中并置于臥式或立式油壓機(jī)中，在溫度為250～450℃、壓力為20～500Mpa的條件下模壓成型，形成上下表面均帶有均勻分布流場的雙極板，成型時(shí)間為10～60分鐘；五、后處理在上述模壓成型步驟結(jié)束后，保持油壓機(jī)的壓力不變，將模壓模具自然冷卻至20～200℃時(shí)去掉油壓機(jī)的壓力，得成品。
具體實(shí)施例方式
十四本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟為一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球和聚苯硫醚按3∶7的比例混合，再在120～140℃烘箱內(nèi)烘干1小時(shí)；三、混碾烘干將混合烘干后的混合粉料混碾均勻，過200目篩，在120～140℃烘箱內(nèi)烘干1小時(shí)；四、模壓成型將經(jīng)過混碾烘干后的混合粉料轉(zhuǎn)入模壓模具中并置于臥式或立式油壓機(jī)中，在溫度為320～350℃、壓力為320Mpa的條件下模壓成型，形成上下表面均帶有均勻分布流場的雙極板，成型時(shí)間為30分鐘；五、后處理在上述模壓成型步驟結(jié)束后，保持油壓機(jī)的壓力不變，將模壓模具自然冷卻至150℃時(shí)去掉油壓機(jī)的壓力，得成品。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的彎曲強(qiáng)度為89.75Mpa。
具體實(shí)施例方式
十五本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四的不同之處在于步驟二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球和聚苯硫醚按4∶1的比例混合。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的體密度為1.8342g/cm3，電阻率為0.0956Ω·cm，彎曲強(qiáng)度為65.19Mpa。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。采用本具體實(shí)施方式
時(shí)，不用添加金屬板制備復(fù)合材料雙極板，可以從根本上解決離子污染的問題。
具體實(shí)施例方式
十六本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四的不同之處在于步驟二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球和聚苯硫醚按19∶1的比例混合。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的體密度為1.8455g/cm3。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。
具體實(shí)施例方式
十七本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四的不同之處在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末按2∶1∶2的比例混合。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的體密度為1.8029g/cm3，電阻率為0.0974Ω·cm，彎曲強(qiáng)度為68.65Mpa。本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
十五相比加入活性碳填料增加了本發(fā)明雙極板的抗彎曲強(qiáng)度。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。
具體實(shí)施例方式
十八本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四的不同之處在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚、乙炔黑和碳纖維分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚、乙炔黑和碳纖維按12∶6∶1∶1的比例混合。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的體密度為1.8100g/cm3，本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
十七相比體密度增大了。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。
具體實(shí)施例方式
十九本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四的不同之處在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和鋁粉分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和鋁粉按3∶3∶2∶2的比例混合。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的體密度為1.8231g/cm3，電阻率為0.09741Ω·cm，彎曲強(qiáng)度為68.19Mpa。本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
十五相比本發(fā)明復(fù)合材料雙極板的抗彎曲強(qiáng)度增大了。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。
具體實(shí)施例方式
二十本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四同之處在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和鋁粉分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚和鋁粉按5∶3∶2的比例混合。采用本具體實(shí)施方式
獲得的雙極板的體密度為1.8991g/cm3，電阻率為0.0834Ω·cm，彎曲強(qiáng)度為70.28Mpa。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四。本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
十五相比添加鋁粉增強(qiáng)了本發(fā)明復(fù)合材料雙極板的導(dǎo)電性和抗彎曲強(qiáng)度。
具體實(shí)施例方式
二十一本具體實(shí)施方式
的燃料電池復(fù)合材料雙極板的制備步驟與具體實(shí)施方式
十四的不同之處在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚、鋁粉和銅粉分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚、鋁粉和銅粉按5∶3∶1∶1的比例混合。其他組成和步驟與具體實(shí)施方式
十四相同。
權(quán)利要求
1.燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板，其特征在于它主要由中間相碳微球和聚苯硫醚原料組成，中間相碳微球和聚苯硫醚原料混合模壓制成所述復(fù)合材料雙極板，復(fù)合材料雙極板的上下表面有均勻分布的流場，中間相碳微球的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的30％～95％，聚苯硫醚的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的5％～70％，本復(fù)合材料雙極板還包括填料原料，填料的重量占復(fù)合材料雙極板總重量的0％～65％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板，其特征在于填料包括碳材料粉末、金屬粉末或所述碳材料粉末和金屬粉末的混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板，其特征在于碳材料粉末選自碳纖維、乙炔黑、活性碳、石墨粉、石墨化及非石墨化碳粉末中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板，其特征在于金屬粉末選自銅粉、鋁粉、鎳粉、金粉、銀粉中的一種或幾種。
5.燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板的制作方法，其特征在于它按以下步驟進(jìn)行制備一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和填料分別過50～400目篩，然后在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的原料按前述材料組成的比例進(jìn)行混合，再在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；三、混碾烘干將混合烘干后的混合粉料混碾均勻，過50～400目篩，在60～150℃烘箱內(nèi)烘干0.5～5小時(shí)；四、模壓成型將經(jīng)過混碾烘干后的混合粉料轉(zhuǎn)入模壓模具中并置于臥式或立式油壓機(jī)中，在溫度為250～450℃、壓力為20～500Mpa的條件下模壓成型，形成上下表面均帶有均勻分布流場的雙極板，成型時(shí)間為10～60分鐘；五、后處理在上述模壓成型步驟結(jié)束后，保持油壓機(jī)的壓力不變，將模壓模具自然冷卻至20～200℃時(shí)去掉油壓機(jī)的壓力，得成品。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板的制作方法，其特征在于它按以下步驟進(jìn)行制備一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球和聚苯硫醚按3∶7的比例混合，再在120～140℃烘箱內(nèi)烘干1小時(shí)；三、混碾烘干將混合烘干后的混合粉料混碾均勻，過200目篩，在120～140℃烘箱內(nèi)烘干1小時(shí)；四、模壓成型將經(jīng)過混碾烘干后的混合粉料轉(zhuǎn)入模壓模具中并置于臥式或立式油壓機(jī)中，在溫度為320～350℃、壓力為320Mpa的情況下模壓成型，形成上下表面均帶有均勻分布流場的雙極板，成型時(shí)間為30分鐘；五、后處理在上述模壓成型步驟結(jié)束后，保持油壓機(jī)的壓力不變，將模壓模具自然冷卻至150℃時(shí)去掉油壓機(jī)的壓力，得成品。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板的制作方法，其特征在于步驟二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球和聚苯硫醚按4∶1的比例混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板的制作方法，其特征在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚和活性碳粉末按2∶1∶2的比例混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板的制作方法，其特征在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和鋁粉分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚、活性碳粉末和鋁粉按3∶3∶2∶2的比例混合。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板的制作方法，其特征在于一、預(yù)處理將中間相碳微球、聚苯硫醚和鋁粉分別過100目篩，然后在120～140℃烘箱內(nèi)烘干3小時(shí)；二、混合烘干將預(yù)處理后的中間相碳微球、聚苯硫醚和鋁粉按5∶3∶2的比例混合。
全文摘要
燃料電池的一種復(fù)合材料雙極板及其制作方法，它具體涉及燃料電池的雙極板及其制作方法，它的目的是為了解決燃料電池雙極板導(dǎo)電性和強(qiáng)度差，并且加工工藝復(fù)雜、成本高的問題。本發(fā)明的雙極板主要由中間相碳微球和聚苯硫醚原料組成，所述原料混合模壓制成所述雙極板，雙極板的上下表面有均勻分布的流場，中間相碳微球占雙極板總重量的30％～95％，聚苯硫醚占雙極板總重量的5％～70％，本雙極板還包括填料，填料占雙極板總重量的0％～65％。本發(fā)明的制備步驟為一、預(yù)處理，二、混合烘干，三、混碾烘干，四、模壓成型，五、后處理。本發(fā)明的雙極板具有高強(qiáng)度、導(dǎo)電性能好的優(yōu)點(diǎn)，并且不須經(jīng)碳化/石墨化處理，節(jié)約了制作成本。
文檔編號H01M4/86GK1710738SQ20051001016
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者史鵬飛, 楊濤, 杜春雨, 程新群, 尹鴿平, 王成揚(yáng) 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)