專利名稱：一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池柔性 石墨復(fù)合雙極板的制備工藝。
背景技術(shù)：
雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中的關(guān)鍵組件，在燃料電池中它起 著分配燃料氣和空氣、實現(xiàn)單片電池之間的電的聯(lián)結(jié)、從活性區(qū)域帶出廢熱、 防止氣體和冷卻劑的泄漏以及促進電池中的水管理等功能。此外，雙極板的成 本約占電池總成本的30%_45%左右，而其質(zhì)量占總重量的80%，因此其對于整 個PEMFC系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本也有著顯著的作用。由此可見，如果能選用 一種廉價的、質(zhì)量輕的、性能卓越的雙極板材料，將會使雙極板乃至整個燃料 電池系統(tǒng)向前邁進一大步，也為它們的產(chǎn)業(yè)化作了良好的鋪墊。
近年來，由于低成本、高導(dǎo)電性能、高撓曲性以及易加工等特點，聚合物/ 柔性石墨材料已成為一種適宜的燃料電池雙極板材料?，F(xiàn)有的技術(shù)中，利用柔 性石墨板材為原料制備此類雙極板的主要方法有兩種。 一種是將低密度柔性石 墨板材一次成型，形成流場板，再進行樹脂浸漬，最終固化成型。如，Ballard 公司在專利W00041260中提出聚偏氟乙烯/柔性石墨雙極板就是采用此種工藝。 這種方法制備的雙極板易于成型，但是樹脂浸漬效果不理想，會影響材料的氣 體滲透性能和機械性能。另一種方法是直接利用低密度柔性石墨板材進行樹脂 浸漬，經(jīng)烘干后在進行壓制成型并固化。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所采用 此種方法開發(fā)了熱固性樹脂/柔性石墨雙極板(專利200410020905.1)。這種工 藝制備的雙極板有著良好的導(dǎo)電、機械和密封性，但是厚度較大，對電池組的 組裝和實際應(yīng)用，特別是車用方面，有一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制 備工藝。采用此種工藝制備的雙極板材料有著良好的導(dǎo)電、機械以及氣體密封 性能。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法，包括柔性石墨 板的處理方法和用柔性石墨復(fù)合板制作陽極流場、陰極流場及水板，并將它們 與密封框和分割板組裝成雙極板，其特征在于所述的柔性石墨板的處理方法
是將低密度柔性石墨板材，在真空下進行預(yù)壓，制成密度為0. 65—0. 75 g/cm3
的板材，然后用低粘度樹脂溶液對該板材進行真空浸漬，浸漬后的板材經(jīng)表面
處理后在70—90 。C的溫度下烘干1—4小時；所述的用柔性石墨板制作陽極流 場、陰極流場及水板，是用上述經(jīng)過預(yù)壓、樹脂浸漬和烘干制得的密度為0.65 一O. 75 g/cnf的板材，在真空條件下輥壓或模壓出流場，后在160—180 。C下進 行固化，得到密度為1. 6—2. 0 g/cm3的聚合物/柔性石墨復(fù)合材料制成的陽極流 場、陰極流場及水板。
本發(fā)明所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法， 其特征在于所述的將低密度柔性石墨板材預(yù)壓成密度為0. 65—0. 75 g/cm3的板 材的預(yù)壓條件是預(yù)壓壓力為l一l. 5 MPa，預(yù)壓的真空度為-O. 08—-0. 10 MPa， 所述的用經(jīng)過預(yù)壓、樹脂浸漬和烘干后的密度為0.65—0. 75 g/cm3柔性石墨板 材在真空條件下輥壓或模壓出流場的壓制條件是;輥壓或模壓壓力為8—12 Mpa， 輥壓或模壓的真空度為-0. 08—_0. 10 Mpa。
本發(fā)明所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法， 其特征在于所述的低粘度樹脂為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂、呋喃 樹脂和脲醛樹脂中的一種，或者兩種以上的混合液，樹脂的質(zhì)量分數(shù)為20—40%。 樹脂的溶劑是乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙烯中的一種。
本發(fā)明所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法， 其特征在于所述的用低粘度樹脂溶液進行真空浸漬的板材的表面處理的方法 是用表面活性劑或溶劑擦洗或浸泡板材，去除表面殘留的樹脂。
本發(fā)明所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法，
其特征在于所述的用低粘度樹脂溶液進行真空浸漬的板材的表面處理所用的
表面活性劑為十六烷基三甲基氯化銨、吐溫、十二垸基三甲基溴化銨、OP乳化
劑和十二烷基苯磺酸鈉中的一種，所用的溶劑為乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙 烯中的一種。發(fā)明中所述的極板流場采用平行溝槽流場。
本發(fā)明的有益效果是
1、將低密度柔性石墨板材進行預(yù)壓，可以更容易控制樹脂的浸漬量，同時可以增強柔性石墨材料基體的機械性能和氣體的密封性；
2、 二次壓制可以繼續(xù)減少材料中原有的孔隙以及溶劑揮發(fā)產(chǎn)生的微孔，進 一步增加材料的致密性，增強復(fù)合雙極板的氣體密封性和機械強度；
3、 真空條件下壓制，降低了成型過程中產(chǎn)生細小裂紋和氣泡的幾率；
4、 制備的雙極板材料有著良好的導(dǎo)電、機械以及氣體密封性能。


圖1為本發(fā)明的制備工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明的雙極板組裝的燃料電池性能曲線圖。
附圖中，1、以本發(fā)明的雙極板組裝的燃料電池的電流密度與電壓的關(guān)系曲
線，2、以本發(fā)明的雙極板組裝的燃料電池的電流密度與功率密度的關(guān)系曲線。
具體實施例方式
結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。 實施例1
本發(fā)明采用附圖1所示的制備工藝流程。選取厚度為7 mm，密度為0.20 g/cm3的柔性石墨板材，在真空下(真空度-0.08MPa)對其進行預(yù)壓，預(yù)壓壓力 為1.5MPa，制成密度為0.69g/cm3的板材。選擇環(huán)氧樹脂為聚合物填料，以酚 醛樹脂為固化劑，溶劑選用乙醇，配制質(zhì)量分數(shù)為40%的樹脂溶液。利用該樹脂 溶液對板材進行真空浸漬(真空度-0.08MPa) 18小時。取出后，利用酒精擦洗 的后處理方法處理浸漬后的板材表面殘留的樹脂，并在80 "C下烘干2小時。烘 干后的板材在真空條件下(真空度-0.08MPa)經(jīng)二次輥壓出流場流道，輥壓壓 力為10Mpa;最后經(jīng)由程序升溫至175 X:下固化，升溫速率為0.5 。C/min。得 到厚度為l ■，密度為1.91 g/cm3的聚合物/柔性石墨復(fù)合極板。 對制得的極板進行性能分析，結(jié)果如下
表1
性能指標 復(fù)合板材性能值
如 加 EEC: 寞27.84
表觀密度(g/cm3)1.91
層內(nèi)電導(dǎo)率(S /cm)115. 94
接角蟲電阻 (mohm cm2)20. 10
氣體滲透率(cm3 cm—2 s—05. 80E-07
抗彎強度(MPa)56. 62實施例2
與實施例l不同之處在于選用了質(zhì)量分數(shù)為20%的樹脂溶液。最終得到
:為1 mm，密度為1.79 g/cm3的聚合物/柔性石墨極復(fù)合板。 對制得的板材進行性能分析，結(jié)果如下
表2
性能指標
復(fù)合板材性能值
樹脂含量(%) 表觀密度(g/cm3) 層內(nèi)電導(dǎo)率(S /cm) 接角蟲電阻 (mohm cm2) 氣體滲透率(cm3 cm—2 s—') 抗彎強度(MPa)
22. 21 1. 79 116. 62 20. 12 3.44E-06 34.87
實施例3
與實施例l不同之處在于選用了質(zhì)量分數(shù)為23%的樹脂溶液。最終得到 厚度為lmm，密度為1.81 g/cm3的聚合物/柔性石墨極復(fù)合板。對制得的板材進
，結(jié)果如下
表3
性能指標復(fù)合板材性能值
樹脂含量(%)22. 21
表觀麥疳。/mn3、1. 81
層內(nèi)電導(dǎo)率(S /cm)119. 76
接角蟲電阻 (mohm cm2)16. 76
氣體滲透率(cm3 cm—2 s—')1. 94E-06
抗彎強度(MPa)45. 75
利用該復(fù)合材料制備的雙極板組裝成電池，其性能如圖2所示。 實施例4
與實施例3不同之處在于選用了 OP乳化劑浸漬處理材料表面的殘留樹 脂。最終得到厚度為l mm，密度為1.83 g/cm3的聚合物/柔性石墨極復(fù)合板。對制得的板材進行性能分析，結(jié)果如下
性能指標 復(fù)合板材性能值
樹脂含量(%)22.87
表觀密度(g/cm3)1.83
層內(nèi)電導(dǎo)率(S /'cm)119. 05
接觸電阻(mohmcm2)18. 31
氣體滲透率(cm3cm s j2.15E-06
抗彎強度(MPa)48
權(quán)利要求
1、一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法，包括柔性石墨板的處理方法和用柔性石墨板制作陽極流場、陰極流場及水板，并將它們與密封框和分割板組裝成雙極板，其特征在于所述的柔性石墨板的處理方法是將低密度柔性石墨板材，在真空下進行預(yù)壓，制成密度為0.65—0.75g/cm3的板材，然后用低粘度樹脂溶液對該板材進行真空浸漬，浸漬后的板材經(jīng)表面處理后在70—90℃的溫度下烘干1—4小時；所述的用柔性石墨板制作的陽極流場、陰極流場及水板，是用上述經(jīng)過預(yù)壓、樹脂浸漬和烘干制得的密度為0.65—0.75g/cm3的板材，在真空條件下輥壓或模壓出流場，后在160—180℃下進行固化，得到密度為1.6—2.0g/cm3的聚合物/柔性石墨復(fù)合板制成的陽極流場、陰極流場及水板。
2、 按照權(quán)利要求1所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的 制備方法，其特征在于所述的將低密度柔性石墨板材預(yù)壓成密度為0. 65—0. 75 g/cm3的板材的預(yù)壓條件是預(yù)壓壓力為1—1.5 MPa，預(yù)壓的真空度為-0. 08— -0.10 MPa，所述的經(jīng)過預(yù)壓、樹脂浸漬和烘干后的聚合物/柔性石墨板材在真 空條件下輥壓或模壓出流場的壓制條件是輥壓或模壓壓力為8—12MPa，輥壓 或模壓的真空度為-0.08—_0. 10 MPa。
3、 按照權(quán)利要求2所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的 制備方法，其特征在于所述的低粘度樹脂為酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯 樹脂、呋喃樹脂和脲醛樹脂中的一種，或者兩種以上的混合液，樹脂的質(zhì)量分數(shù) 為20_40%。樹脂的溶劑是乙醇、丙酮、乙酸乙酯和苯乙烯中的一種。
4、 按照權(quán)利要求3所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的 制備方法，其特征在于所述的用低粘度樹脂溶液進行真空浸漬的板材的表面 處理的方法是用表面活性劑或溶劑擦洗或浸泡板材，去除表面殘留的樹脂。
5、 按照權(quán)利要求4所述的一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的 制備方法，其特征在于所述的用低粘度樹脂溶液進行真空浸漬的板材的表面 處理所用的表面活性劑為十六垸基三甲基氯化銨、吐溫、十二烷基三甲基溴化 銨、OP乳化劑和十二垸基苯磺酸鈉中的一種，所用的溶劑為乙醇、丙酮、乙酸 乙酯和苯乙烯中的一種。
全文摘要
一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復(fù)合雙極板的制備方法，包括用柔性石墨板制作陽極流場、陰極流場及水板，并將它們與密封框和分割板組裝成雙極板。方法是先將低密度柔性石墨板材，在真空下預(yù)壓成密度為0.65-0.75g/cm³的板材，后在低粘度樹脂溶液中真空浸漬，經(jīng)表面處理并烘干后，在真空條件下輥壓或模壓出流場，固化后得到聚合物/柔性石墨復(fù)合板制成的流場和水板。最后，將用聚合物/柔性石墨復(fù)合板制成的流場和水板與密封框和分割板組合成雙極板。本發(fā)明的優(yōu)點是更易于控制極板中的樹脂含量，對氣體的密封性能好，機械性能好，并利于降低極板的厚度，且制備工藝簡單，易于批量生產(chǎn)，對促進燃料電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展有一定的意義。
文檔編號H01M4/88GK101447571SQ200810246970
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者傅云峰, 明平文, 超 杜, 羅曉寬 申請人:新源動力股份有限公司