[发明专利]一种燃料电池用高导电复合材料双极板及其制备方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池用高导电复合材料双极板及其制备方法。所述复合材料双极板由热固性树脂和三维石墨网络结构构成。本发明首先将石墨粉与粉状碳酸氢铵在高混机内混合均匀，在室温和高压下将混合后的石墨粉与碳酸氢铵压制成双极板形状，然后将所得石墨/碳酸氢铵复合板转移至鼓风烘箱加热，碳酸氢铵在高温下挥发后剩余三维石墨骨架。最后将液体热固性树脂在真空条件下浸渍三维石墨骨架，固化后制得具有三维石墨导电网络的复合双极板。本发明制备的复合材料双极板具有电导率高、接触电阻小、导热性好、弯曲强度高以及疏水性好等优点，该复合双极板能够显著提升燃料电池性能。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池用高导电复合材料双极板及其制备方法。涉及燃料电池双极板制造技术领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其具有能量转化效率高、清洁无污染等优势，逐渐被应用于交通运输、储能、发电和移动便携式电源等领域。双极板是PEMFC非常重要的多功能部件，其重量约占燃料电池堆的60-80％，成本约占30-50％。双极板的主要作用是通过表面的气体流场向膜电极输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应的热量及产物水。因此，双极板必须具备优异的导电性和导热性、良好的疏水性以及优异的力学性能。

目前主要研究和应用的双极板材料有三种：石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。石墨双极板的导电性和耐腐蚀性好，是最先应用于燃料电池双极板制造的材料，但制造加工困难、成本高、气密性较差；金属双极板具有良好的导电性、导热性、机械加工性、气体致密性，但耐腐蚀性差，金属双极板腐蚀后将极大地降低PEMFC电堆的使用寿命。复合材料双极板是以石墨为导电填料和聚合物树脂为粘结剂制备得到的。复合材料双极板由于其具有耐腐蚀性好、加工性能好、成本低等特点，成为是未来燃料电池双极板发展的新趋势。但复合材料双极板在加工过程中树脂会发生流动，以致于导电填料形成连续导电网络困难，并且树脂会富集到双极板表面，从而导致复合双极板的本体导电性较差和接触电阻较高。传统的复合双极板通常采用碳纳米管、石墨烯和碳纤维等昂贵的填料与石墨复合的方法虽然可以提高导电性，但填充量高达70-80％，如此高的填料含量会对复合双极板的力学性能和加工性能造成严重的影响。为了解决复合材料本体导电性较差和接触电阻较高的两大关键问题，本发明提出以下一些发明内容。

发明内容

针对目前复合材料双极板存在成型过程中由于聚合物树脂流动造成三维导电网络构建困难和树脂在双极板表面富集而影响复合双极板本体导电性和接触电阻的问题，本发明的目的在于提供一种具有高效的三维导电网络的复合材料双极板及其制备方法。

为了实现上述的技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种燃料电池用高导电复合材料双极板的制备方法，首先将石墨粉与碳酸氢铵在高混机内混合均匀，在室温和高压下压制成具有双极板形状的石墨/碳酸氢铵复合板，然后加热使碳酸氢铵挥发得到三维石墨骨架，最后使用液体热固性树脂浸渍三维石墨骨架得到具有三维石墨导电网络的复合材料双极板。

更为优选的是，所述的一种燃料电池用高导电复合材料双极板的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

1)将石墨粉与粉状碳酸氢铵在高速混合机中均匀混合后，倒入带有流场的双极板成型模具中，在室温和200-300MPa下模压5-10min，得到石墨/碳酸氢铵复合板。

2)将步骤1)中得到的石墨/碳酸氢铵复合板在85-100℃鼓风烘箱中加热5-10h使碳酸氢铵挥发，得到三维石墨骨架。

3)将步骤2)中得到的三维石墨骨架用液体热固性树脂浸渍：在室温和真空条件下，用液体热固性树脂浸渍三维石墨骨架，浸渍30-60min后去除复合双极板表面多余的热固性树脂，然后再进行室温固化，固化时间6-10h，最终得到具有三维石墨导电网络的复合材料双极板。

更为优选的是，在上述步骤1)中，所述的石墨粉为鳞片石墨、人造石墨和膨胀石墨中的一种或几种；所述石墨粉的粒径在10-100μm，所述石墨粉的体积含量为10％-60％。