[发明专利]一种石墨化纳米碳纤维/纳米碳纤维@石墨复合粉体材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种石墨化纳米碳纤维/纳米碳纤维@石墨复合粉体材料及其制备方法和的应用。将炭粉和/或石墨粉与过渡金属盐催化剂通过液相混合后，干燥处理，所得复合粉体材料的表面通过CVD沉积方法原位生成纳米碳纤维后，进行高温石墨化处理，即得石墨颗粒表面具有均匀、完整、稳定的网状三维结构的石墨化纳米碳纤维或纳米碳纤维包覆层的复合粉体材料；该复合粉体材料既能提高粘接树脂对石墨粉体材料的润湿性，又能改善石墨粉体材料模压过程中的膨胀和反弹，以及抑制成型极板的体积效应和微裂纹的产生，能够用于制备导电导热性能、耐腐蚀性能和力学性能更好的燃料电池复合石墨双极板。

技术领域

本发明涉及一种石墨化纳米碳纤维/纳米碳纤维@石墨复合粉体材料，还涉及一种石墨化纳米碳纤维/纳米碳纤维@石墨复合粉体材料的制备方法以及石墨化纳米碳纤维/纳米碳纤维@石墨复合粉体材料在制备燃料电池复合石墨双极板中的应用，属于燃料电池技术领域。

背景技术

燃料电池是新能源领域重点产业，其发展相当迅速，被广泛应用于汽车、航空航天、军事、电脑及各类电子智能终端等领域。双极板材料是燃料电池非常重要的四大组成部分之一。目前应用最广的是石墨双极板材料，一般来说双极板的主要材料类型有石墨双极板、金属双极板、复合石墨双极板，三种双极板各有自己的优缺点，其中，石墨双极板的优点在于其导电、导热、耐腐蚀等性能较好，但是其为多孔材料堵气性能差，后续需要浸渍树脂等处理工艺，而且由于其是一种脆断材料，需要采用较大的厚度才能满足组装电池的需要，所以其组装的电池功率密度较低；金属双极板包括不锈钢和钛材料，其优点是综合力学性能好，有利于加工，致密性堵气性能好，有利于低温启动，但是由于电池使用环境为弱酸性，金属材料的耐酸性能差，需要特殊的涂层处理，因此成本和寿命问题难以解决；石墨复合双极板结合了金属双极板和石墨双极板的优点，可以一次性成型，工艺简单流程短，环保可以循环利用。

石墨复合双极板制备的主要流程是将一定粒级的石墨粉体与某种树脂粘接剂混合均匀，然后布粉到模腔里面进行压制成型。在产品成型的过程中可能存在的问题是：1)石墨粉呈颗粒状，强度较低，导致双极板的强度难以提高；2)石墨粉体与树脂粘接剂的润湿性较差，容易形成界面效应，导致强度较低。因此，为了使石墨复合双极板的强度、导电导热性能、气密性等性能进一步提高，需要对石墨材料进行表面改性，提高其表面性能和界面性能，达到提高石墨复合双极板的强度和减薄的目的，从而提高燃料电池的寿命和功率密度。

目前，PEMFC大规模商业化的困难之一是电池电堆的功率密度低，为解决这个问题，可以通过减少PEMFC内阻以及对复合双极板在力学性能性能达到DOE标准下进一步减薄。因此，复合双极板导电率的提高以及机械强度的提升是当今复合双极板研究重点。目前，攻克难点的关键是导电填料和树脂的选择，复合双极板的模压工艺以及探明各添加料之间相互影响的机制。可以通过对树脂和导电填料的优化选择、对树脂或导电填料进行改性处理以及在复合混料中加入小颗粒导电填料如碳黑(CB)、多壁碳纳米管(MWCNT)、碳纳米纤维(CNF)、导电纳米金属颗粒及其组合来优化材料体系。国内外研究中用于复合双极板最常见的导电填料是各种类型的石墨，树脂为强度高、疏水性能良好的高分子聚合物，不同树脂添加量制备出复合双极板的特性存在明显差异。

发明内容

针对现有技术中用于制备燃料电池复合石墨双极板导电填料材料存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种由三维网状结构的纳米碳纤维层或石墨化纳米碳纤维层均匀包覆在石墨颗粒表面构成的复合粉体材料，该复合粉体材料的表面具有均匀、完整、稳定的网状三维纳米碳纤维层结构，既能提高粘接树脂对石墨粉体材料的润湿性，又能改善石墨粉体材料模压过程中的膨胀和反弹，抑制成型极板的体积效应和微裂纹的产生，能够获得导电导热性能、耐腐蚀性能和力学性能更好的燃料电池复合石墨双极板。

本发明的第二个目的是在于提供一种石墨化纳米碳纤维/纳米碳纤维@石墨复合粉体材料的制备方法，该制备方法简单、成本低，有利于大规模生产。