[发明专利]一种燃料电池用石墨基复合双极板及其制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用石墨基复合双极板及其制备方法。本发明石墨基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：（a）将配制好的热固性树脂浆料和石墨粉混合形成块状模塑料，在混合过程中，添加基于石墨粉与热固性树脂浆料总重量0.1%~10%的改性碳纳米管；（b）将步骤（a）中得到的块状模塑料在50~300℃、5~35 MPa下模压0.5~5 min，即得到燃料电池用石墨基复合双极板。本发明将羧基化反应改性的碳纳米管用于石墨基复合双极板的制备中，制备的石墨基复合双极板具备高导电性、高耐腐蚀性、优异的机械性能、超薄的厚度、优良的尺寸稳定性及高热稳定性等优点，能够提高燃料电池的体积功率密度及安全性。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池用石墨基复合双极板及其制备方法。

背景技术

双极板作为质子交换膜燃料电池的关键零部件，在燃料电池电堆中进行电流传输，并输送气体与排水。目前研究的双极板材料主要分三类：纯石墨双极板、金属双极板(镀层、无镀层)和石墨基复合双极板。

石墨是较早用来开发并用以制作双极板的材料，传统纯石墨双极板主要采用无孔石墨板，其拥有优良的耐腐蚀性、良好的化学稳定性、高的热导率与电导率。然而纯石墨双极板生产成本较高，机械性能差，难以进行工业化生产。由于石墨板机械性能较差并且流场加工成本较高，并不适合用于需要耐冲击和震动以及批量化生产的移动和运输工具中，此外，石墨板厚度无法减小，导致燃料电池体积大比较笨重，体积比功率密度低。

为了降低成本与提高生产效率，石墨基复合双极板成为了更好的选择。石墨基聚合物复合材料双极板是由石墨、高分子材料树脂、导电填料组成，采用传统的高分子材料压缩或注射成型等加工方法制成。它们提供了更低的成本、更高的生产效率、更高的导电性与力学性能。

由于碳纳米管具有优异的力学性能、电化学性能及低密度等特性，且具有与高分子材料相似的结构，所以一直被认为是聚合物材料的理想增强体。尽管如此，碳纳米管自身的各项优异性能并不足以保证其复合材料获得相应的性能，这是因为，碳纳米管与聚合物基体之间界面的结合性能、应力从基体向碳纳米管的传递方式以及界面屈服等很大程度上影响着复合材料的整体性能。为了提高碳纳米管在有机溶剂中的分散性，增强其与聚合物基体的界面结合力，对其进行表面修饰和功能化成为解决问题的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供了一种燃料电池用石墨基复合双极板及其制备方法。本发明将羧基化反应改性的碳纳米管用于石墨基复合双极板的制备过程中，羧基化反应改性的碳纳米管能够均匀分散在热固性树脂中，制备的燃料电池用石墨基复合双极板具备高导电性、高耐腐蚀性、优异的机械性能、超薄的厚度、优良的尺寸稳定性及高热稳定性等优点。相比目前国内市场上的纯石墨双极板，本发明制得的石墨基复合双极板具有更好的电化学性能、机械性能并且因其超薄的厚度，能够提高质子交换膜燃料电池电堆的体积功率密度，因其优良的机械性能使得质子交换膜燃料电池电堆的安全性更高。

为解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：一种燃料电池用石墨基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

(a)将配制好的热固性树脂浆料和石墨粉混合形成块状模塑料，在混合过程中，添加基于石墨粉与热固性树脂浆料总重量0.1％～10％的改性碳纳米管；

(b)将步骤(a)中得到的块状模塑料在50～300℃、5～35MPa下模压0.5～5min，即得到燃料电池用石墨基复合双极板。

进一步地，所述改性碳纳米管通过羧基化反应改性，包括以下步骤：

(1)将原始碳纳米管放入强酸中在100～130℃高温回流酸处理，将酸处理后的碳纳米管进行多次洗涤并烘干，即得到羧基化反应改性的碳纳米管；

所述原始碳纳米管为多壁碳纳米管或单壁碳纳米管，优选地，所述原始碳纳米管为多壁碳纳米管；