[发明专利]质子交换膜燃料电池用石墨基复合材料双极板的制备方法

说明书

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用石墨基复合材料双极板的制备方法。本发明的制备方法包括以下步骤：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，添加氨基化改性碳纳米管和增强纤维；将得到的块状模塑料在50~250℃、5~50 MPa下模压0.5~10 min，即得到石墨基复合材料双极板。本发明将石墨粉、热固性树脂、氨基化改性的碳纳米管及增强纤维制成块状模塑料，将块状模塑料经一次模压成型制成石墨基复合材料双极板，氨基化改性的碳纳米管能够均匀分散在热固性树脂中，制备的石墨基复合材料双极板具备高导电性、高耐腐蚀性、优异的力学性能、超薄的厚度、优良的尺寸稳定性及耐高温性良好等优点。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种质子交换膜燃料电池用石墨基复合材料双极板的制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池具有高功率密度、允许较低的工作温度、方便燃料加注、运行寿命长等吸引人的特点，是各种便携式电子设备、汽车应用中很有前途的替代能源。

双极板是质子交换膜燃料电池的一种核心构成零部件，主要作用为支撑膜电极、提供氢气、氧气和冷却液流体通道并分隔氢气和氧气、收集电流、传导热量。

制造双极板的材料主要有石墨、金属材料、石墨复合材料。机加工石墨双极板是最常用的双极板，但其制作工艺复杂、加工成本高、效率慢、合格率低。尽管如此，目前已商用化的质子交换膜燃料电池双极板仍采用此种通过机加工工艺得到的石墨双极板，导致电堆的主要成本无法快速下降。金属双极板的优点在于其良好的可加工性和力学性能，适合于批量生产，但主要问题在于长时间工作时其抗腐蚀性能较差容易引起膜电极的中毒行为，导致单电池的功率密度损失。

为了降低成本与提高生产效率，石墨基复合材料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塑成型等加工方法制成，具有成本更低、生产效率更高以及导电性与力学性能更高的优点。

由于碳纳米管具有优异的力学性能，电化学性能，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，碳纳米管自身优异的各项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。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种质子交换膜燃料电池用石墨基复合材料双极板的制备方法。本发明的制备方法通过对碳纳米管进行表面修饰改性，能够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。本发明将石墨粉与热固性树脂、氨基化改性碳纳米管、增强纤维混合形成的BMC团料通过一次模压成型制备超薄石墨基复合材料双极板，从而获得了兼具高导电性、高耐腐性、优异的力学性能、超薄的厚度、优良尺寸稳定性及耐高温性的质子交换膜燃料电池双极板。

为解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池用石墨基复合材料双极板的制备方法，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% 的改性碳纳米管和0.1%~15%的增强纤维；

（b）将步骤（a）中得到的块状模塑料在50~250℃、5~50 MPa下模压0.5~10 min，即得到质子交换膜燃料电池用石墨基复合材料双极板。

进一步地，所述改性碳纳米管的制备包括以下步骤：

1）将原始碳纳米管放入强酸中进行高温回流酸处理，将酸处理后的碳纳米管进行多次洗涤并烘干，即得到羧基化碳纳米管；

2）将步骤1）得到的羧基化碳纳米管与二氯亚砜反应，得到酰氯基碳纳米管；