專利名稱：利用熱塑性樹(shù)脂為粘合劑制備燃料電池雙極板的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用熱塑性樹(shù)脂基炭素復(fù)合物制備燃料電池雙極板的工藝方法，屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
燃料電池(FC)是一種將化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。其特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程不涉及化石燃料，能量轉(zhuǎn)換效率不受“卡諾循環(huán)”的限制，因此能量轉(zhuǎn)換效率高。質(zhì)子交換膜燃料電池的能量換率高達(dá)60％～80％，實(shí)際使用效率則是普通內(nèi)燃機(jī)的2倍[參見(jiàn) 國(guó)際電力，2001(2)24～26]。燃料的多樣化、環(huán)境污染小、噪音低、可靠性及維修性好，低溫啟動(dòng)、無(wú)電解質(zhì)泄露等優(yōu)點(diǎn)，是其它電池?zé)o可比擬的。因此被公認(rèn)為最有希望成為航天、軍事、電動(dòng)汽車和區(qū)域性電站的首選電源。
雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要部件，也是影響電池性能，尤其是影響電池功率密度和制造成本的一個(gè)重要因素。在PEMFC電池組內(nèi)，要求雙極板材料是電和熱的良導(dǎo)體，具有高抗腐蝕能力和適宜的流道。目前，燃料電池技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，處于商業(yè)化的前夜，由于燃料電池的制作成本和售價(jià)較高(2000～3000 dollars/Kw)，文章[Per Ekdunge，MonikaRaberg.The fuel cell vehicle analysis of energy use，Emissions and cost，Int.J Hydrigeb Ebergym1998，23(5)381～385]，對(duì)燃料電池的制作成本進(jìn)行了評(píng)估，其中雙極板的制作成本占整個(gè)燃料電池的60％-70％，已成為限制其商業(yè)化的障礙之一。
HENTALL L P等人在1999年[J Power Sources第80期]“New materials for polymerelectrolyte membrane fuel cell current collectors”一文對(duì)可用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的幾種材料進(jìn)行了研究，這些材料包括鍍金、鋁的不銹鋼、鈦以及片狀石墨等。片狀石墨與標(biāo)準(zhǔn)石墨相比性能有很大提高，而且價(jià)格低廉、易于機(jī)加工。但它易于碰撞損傷，其壓縮性阻礙了它在多電池堆的應(yīng)用。鍍金、鋁板作為質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板必須保證涂層完全無(wú)孔隙，以避免鋁板與電解質(zhì)溶液反應(yīng)。涂有氮化物的鈦板的性能與傳統(tǒng)石墨相似，易于制備，而且鈦板堅(jiān)固，體積小，同時(shí)還可在板中裝入水冷卻裝置，但鈦材料成本較高。鍍金的不銹鋼板性能優(yōu)于傳統(tǒng)石墨板，而且比鈦 便宜，但它的密度大，同時(shí)由于其鈍化表面層在結(jié)合溫度下很穩(wěn)定，因此難以進(jìn)行擴(kuò)散結(jié)合。由于不銹鋼相對(duì)成本低、強(qiáng)度高、易加工和成型，英國(guó)伯明翰大學(xué)燃料電池研究小組仍將其作為質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板材料。
在雙極板研制方面，大連化學(xué)物理所燃料電池工程研究中心首創(chuàng)了薄金屬板改性制備雙極板工藝，與傳統(tǒng)的石墨雙極板相比，成本下降，但制作成本仍然很高。
單一柔性石墨制作的雙極板，雖具有很好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，但板的強(qiáng)度低，因此如何通過(guò)工藝手段提高其強(qiáng)度以滿足使用要求具有一定難度；對(duì)于大尺寸薄形雙極板，雖然可以加入金屬箔強(qiáng)化，但在厚度較小的情況下，如何使柔性石墨均勻包覆金屬箔的全表面是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。
選用合適的樹(shù)脂作粘合劑，用石墨作導(dǎo)電骨料在一定的工藝條件下，可制備出性能滿足電堆要求的復(fù)合材料雙極板。專利CN 1555106A(申請(qǐng)?zhí)?00310112927.6)公開(kāi)了一種可用于制備樹(shù)脂基炭素復(fù)合材料雙極板的復(fù)合物及雙極板的制備工藝。該專利采用熱固性酚醛改性乙烯基樹(shù)脂作粘合劑，用人造和天然的混合石墨作導(dǎo)電骨料，制備出樹(shù)脂與石墨的復(fù)合物。該復(fù)合物在一定的溫度條件下，通過(guò)模壓一次成型技術(shù)制備出電導(dǎo)率在110～500S/cm，抗折強(qiáng)度大于25MPa的樹(shù)脂基炭素復(fù)合材料雙極板。通過(guò)裝堆運(yùn)行和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，雙極板的透氣性、耐腐蝕性等性能及穩(wěn)定性均能達(dá)到使用要求。但該專利采用熱固性樹(shù)脂作粘合劑的不足之處是固化溫度高；含粘合劑的成型粉料短時(shí)間(3天)內(nèi)發(fā)生固化，不利于雙極板成型粉料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和機(jī)械化生產(chǎn)；其次用熱固性樹(shù)脂置備出的雙極板表面粗糙，影響產(chǎn)品質(zhì)量。國(guó)外(參見(jiàn)Injection moulded low cost bipolar plates for PEM fuel cells，J Power Sources131(2004)35-40)使用熱塑性樹(shù)脂通過(guò)注塑成型制備出雙極板的電導(dǎo)率為5-150S/cm，雖然生產(chǎn)效率高，但導(dǎo)電性差；同時(shí)使用樹(shù)脂的熔融粘度大，難以和導(dǎo)電骨料混合均勻，很難保證雙極板性能的均一性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用熱塑性樹(shù)脂基炭素復(fù)合物制備燃料電池雙極板的工藝方法，使其制得的雙極板不僅具有較高的電導(dǎo)率、較高的強(qiáng)度和較低的透氣率、低成本，能在較低的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且所用的熱塑性樹(shù)脂具有較低的成型溫度和較短的成型時(shí)間，且熔融物具有較低的粘度，粘合劑和導(dǎo)電骨料易于混合均勻，制得的成型粉料易于運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間存放。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種利用熱塑性樹(shù)脂基炭素復(fù)合物制備燃料電池雙極板的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)以熱塑性丙烯酸樹(shù)脂B-3或A-804為粘合劑，將B-3或A-804用丙酮溶解成樹(shù)脂溶液，在混捏鍋內(nèi)把樹(shù)脂溶液和導(dǎo)電骨料混捏成糊料；所述的熱塑性丙烯酸樹(shù)脂和導(dǎo)電骨料的質(zhì)量百分比含量分別為7％～20％和80％～93％；所述的導(dǎo)電骨料采用人造石墨粉、天然石墨粉或兩種石墨粉的混合粉；2)用造粒機(jī)將上述糊料制成φ4～5mm，長(zhǎng)度4～5mm的顆粒，通過(guò)真空干燥除去丙酮；3)用粉碎機(jī)將干燥后的顆粒粉碎成粒度＜1.5mm的粉料；4)采用模壓成型工藝將所述粉料成型，模壓成型壓力為6MPa～50MPa，優(yōu)選為20MPa～30MPa；成型溫度120℃～180℃，優(yōu)選為130℃～140℃。
上述步驟1)中所述的熱塑性丙烯酸樹(shù)脂和導(dǎo)電骨料的質(zhì)量百分比含量分別優(yōu)選為10％～16％和84％～90％。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果所用的熱塑性樹(shù)脂具有較低的成型溫度和較短的成型時(shí)間，且熔融物具有較低的粘度，粘合劑和導(dǎo)電骨料易于混合均勻，制得的成型粉料易于運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間存放；用本發(fā)明的復(fù)合物制得的雙極板，在常溫下的體積電導(dǎo)率為200S/cm～500S/cm；常溫下雙極板的抗折強(qiáng)度為25MPa～40MPa；常溫下的空氣透過(guò)率為10-7cm2/s；室溫下雙極板的密度為1.85g/cm3～2.0g/cm3。


圖1為本發(fā)明所提供的制備燃料電池雙極板的工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施作進(jìn)一步的說(shuō)明。
導(dǎo)電骨料在本發(fā)明的復(fù)合材料中，所用的導(dǎo)電骨料為天然石墨粉，或人造石墨粉，或兩種石墨粉的混合粉料，石墨的粒度一般為-150目；導(dǎo)電骨料用量占復(fù)合材料重量的80％～93％，優(yōu)選值為84％～90％。
粘合劑樹(shù)脂粘合劑樹(shù)脂不僅起到將復(fù)合材料中的其它固體顆粒粘合到一起的作用，還會(huì)影響到雙極板的強(qiáng)度，同時(shí)還會(huì)影響雙極板的導(dǎo)電性和雙極板在使用過(guò)程中的性能穩(wěn)定性以及成型的工藝條件。作為雙極板的粘合劑樹(shù)脂，不僅要求提高雙極板的導(dǎo)電性，同時(shí)要具有適宜的成型溫度和成型壓力，具有優(yōu)良的耐酸、耐堿性。作為本發(fā)明復(fù)合材料的粘合劑樹(shù)脂為A-804和B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂。
雙極板的制備本發(fā)明提供的制備復(fù)合物粉料及雙極板的工藝流程如下(如圖1)先將熱塑性樹(shù)脂A-804和B-3用丙酮溶解制得樹(shù)脂溶液，溶解溫度一般在15～56℃，再將該樹(shù)脂溶液與石墨導(dǎo)電骨料混捏，混捏后通過(guò)造粒機(jī)將制成φ4～5mm，長(zhǎng)度4～5mm的顆粒，通過(guò)真空干燥除去丙酮；利用粉碎機(jī)粉碎過(guò)篩，得到粒度＜1.5mm的復(fù)合物粉料。所述的導(dǎo)電骨料可以是人造石墨粉，也可以是天然石墨粉，也可以是兩種石墨粉的混合粉料；所述的熱塑性樹(shù)脂為A-804和B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂；本發(fā)明所述的制備燃料電池雙極板的復(fù)合材料中其導(dǎo)電骨料的優(yōu)選含量為84％～90％；熱塑性樹(shù)脂含量為7％～20％，優(yōu)選含量為10％～16％?；炷笫窃陔p螺旋混合機(jī)中進(jìn)行；造粒是用市場(chǎng)上的普通造粒機(jī)進(jìn)行造粒；干燥是用真空干燥設(shè)備進(jìn)行干燥；粉碎是用錘式粉碎機(jī)粉碎，粉碎后的粉料粒度＜1.5mm。
采用模壓成型工藝將所述粉料成型采用模壓成型或注塑成型，模壓成型壓力為6MPa～50MPa，優(yōu)選成型壓力為20MPa～30Mpa，成型溫度120℃～180℃，優(yōu)選成型溫度為130℃～140℃。采用模壓成型使用一種為直接涂敷到模具上的XTEND 19W型的外脫模劑，一般在高于25℃、低于250℃下成膜。涂膜時(shí)，首先將模具表面上的油物、灰塵清理干凈，然后將模具加熱到操作溫度，用純棉布將脫模劑XTEND 19W涂敷到模具上，擦去多余的脫模劑，再涂敷兩層或兩層以上的XTEND 19W，干燥、固化，然后將混料加入到膜腔中進(jìn)行模壓。這種脫模劑可以從北京科拉斯復(fù)合材料有限責(zé)任公司直接購(gòu)買(mǎi)。
實(shí)施例1材料質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料)59天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料)29B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 12成型壓力 20MPa成型溫度 140℃性能如下密度1.98g/cm3 電導(dǎo)率340S/cm 抗折強(qiáng)度39MPa實(shí)施例2材料質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料)0天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料)88B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 12成型壓力 20MPa成型溫度 140℃雙極板性能如下密度2.01g/cm3電導(dǎo)率470S/cm 抗折強(qiáng)度36MPa實(shí)施例3材料質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料)88天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料)0B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 12成型壓力 20MPa成型溫度 140℃雙極板性能如下密度1.96g/cm3電導(dǎo)率240S/cm 抗折強(qiáng)度40MPa實(shí)施例4材料質(zhì)量百分比(％)
人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 16成型壓力20MPa成型溫度140℃雙極板性能如下密度1.95g/cm3電導(dǎo)率260S/cm 抗折強(qiáng)度35MPa實(shí)施例5材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 16成型壓力50MPa成型溫度140℃雙極板性能如下密度1.94g/cm3電導(dǎo)率230S/cm 抗折強(qiáng)度34MPa實(shí)施例6材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 46.5天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 46.5B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 7成型壓力20MPa成型溫度140 ℃雙極板性能如下密度1.94g/cm3電導(dǎo)率520S/cm 抗折強(qiáng)度20MPa實(shí)施例7材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 45天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 45B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 10成型壓力20MPa成型溫度140℃雙極板性能如下
密度1.97g/cm3電導(dǎo)率500S/cm 抗折強(qiáng)度38MPa實(shí)施例8材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 40天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 40B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑)20成型壓力 20MPa成型溫度 140℃雙極板性能如下密度1.90g/cm3電導(dǎo)率180S/cm 抗折強(qiáng)度38MPa實(shí)施例9材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑)16成型壓力 30MPa成型溫度 160℃雙極板性能如下密度1.96g/cm3電導(dǎo)率225S/cm 抗折強(qiáng)度40MPa實(shí)施例10材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42B-3熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑)16成型壓力 30MPa成型溫度 180℃雙極板性能如下密度1.95g/cm3電導(dǎo)率230S/cm 抗折強(qiáng)度40MPa實(shí)施例11材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42A-804熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 16
成型壓力 30MPa成型溫度 120℃雙極板性能如下密度1.90g/cm3電導(dǎo)率180S/cm 抗折強(qiáng)度25MPa實(shí)施例12材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42A-804熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 14成型壓力 30MPa成型溫度 130℃雙極板性能如下密度1.95g/cm3電導(dǎo)率200S/cm 抗折強(qiáng)度27MPa實(shí)施例13材料 質(zhì)量百分比(％)人造石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42天然石墨粉(-150目，導(dǎo)電骨料) 42A-804熱塑性丙烯酸樹(shù)脂(粘合劑) 7成型壓力 6MPa成型溫度 140℃雙極板性能如下密度1.85g/cm3電導(dǎo)率250S/cm 抗折強(qiáng)度20MPa
權(quán)利要求
1.一種利用熱塑性樹(shù)脂為粘合劑制備燃料電池雙極板的方法，其特征在于該方法包括如下步驟1)以熱塑性丙烯酸樹(shù)脂B-3或A-804為粘合劑，將B-3或A-804用丙酮溶解成樹(shù)脂溶液，在混捏鍋內(nèi)把樹(shù)脂溶液和導(dǎo)電骨料混捏成糊料；所述的熱塑性丙烯酸樹(shù)脂和導(dǎo)電骨料的質(zhì)量百分比含量分別為7％～20％和80％～93％；所述的導(dǎo)電骨料采用人造石墨粉、天然石墨粉或兩種石墨粉的混合粉；2)用造粒機(jī)將上述糊料制成φ4～5mm，長(zhǎng)度4～5mm的顆粒，通過(guò)真空干燥除去丙酮；3)用粉碎機(jī)將干燥后的顆粒粉碎成粒度＜1.5mm的粉料；4)采用模壓成型工藝將所述粉料成型，模壓成型壓力為6MPa～50MPa，成型溫度120℃～180℃。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟1)中所述的熱塑性丙烯酸樹(shù)脂和導(dǎo)電骨料的質(zhì)量百分比含量分別為10％～16％和84％～90％。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟4)中所述模壓成型壓力為20MPa～30MPa，成型溫度為130℃～140℃。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的導(dǎo)電骨料的粒度為-150目。
全文摘要
利用熱塑性樹(shù)脂為粘合劑制備燃料電池雙極板的方法，屬于質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用天然石墨粉、人造石墨粉或兩種組份的混合粉為導(dǎo)電骨料，以B－3或A－804熱塑性丙烯酸樹(shù)脂為粘合劑，先將B－3或A－804溶解制得樹(shù)脂溶液，再將該樹(shù)脂溶液與導(dǎo)電骨料混捏，混捏后通過(guò)造粒、干燥、粉碎，經(jīng)過(guò)模壓一次成型，制備出質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板。采用該方法制得的雙極板不僅具有較高的電導(dǎo)率、較高的強(qiáng)度和較低的透氣率、成本低，能在較低的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，而且所用的熱塑性樹(shù)脂具有較低的成型溫度和較短的成型時(shí)間，且熔融物具有較低的粘度，粘合劑和導(dǎo)電骨料易于混合均勻，制得的成型粉料易于運(yùn)輸和長(zhǎng)時(shí)間存放。
文檔編號(hào)H01M4/88GK1688052SQ20051001144
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月18日
發(fā)明者皺彥文, 張 杰, 孫斌, 賀俊, 鄭永平 申請(qǐng)人:清華大學(xué)