一种燃料电池用硅基金属复合材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了燃料电池用硅基金属复合材料，由下列重量份的原料制成：二氧化硅10?20份、晶体硅5?10份、四氯化硅6?12份、硅化铁3?6份、硅化钼2?4份、氮化硅5?8份、钛2?6份、铝2?5份、镁1?3份、云母6?10份、黏土5?9份、稀土3?7份、四氟乙烯4?8份、环戊基甲胺3?7份、N?羟基丁二酰亚胺5?9份、4?氯丁醛缩二乙醇3?6份、4?丁氧基苯基甲醇2?4份、硅烷偶联剂5?10份、热稳定剂5?10份。制备而成的燃料电池用硅基金属复合材料，其使用寿命长、放电电压平稳。同时，还公开了相应的制备方法。
【专利说明】
一种燃料电池用硅基金属复合材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种燃料电池用硅基金属复合材料及其 制备方法。
【背景技术】
[0002] 燃料电池一般是指将氢或者富氢燃料(如天然气、汽油、甲醇等）的化学能直接以 电化学反应方式转换为电能的装置，作为燃料的氢气和作为氧化剂的氧气(或空气中的氧） 源源不断输送燃料电池的两个电极表面，发生电化学反应输出电能。金属燃料电池具有低 成本、无毒、无污染、放电电压平稳、高比能量和高比功率等优点，又有丰富的资源，还能再 生利用，而且比氢气燃料电池简单，是具有良好发展前景的新能源。但是目前金属燃料电池 的发展及应用还是比较局限的，技术方面还有很多可以提升的空间，尤其是燃料电池的电 极所使用的金属材料方面可以有很大的提升。现阶段研制出一款复合的硅基金属材料来满 足燃料电池行业的使用是非常有必要的，也是急需解决的事情。
【发明内容】
[0003] 为解决上述技术问题，本发明提供燃料电池用硅基金属复合材料及其制备方法， 通过采用特定原料进行组合，配合相应的生产工艺，得到了燃料电池用硅基金属复合材料， 其使用寿命长、放电电压平稳，能够满足行业的要求，具有较好的应用前景。
[0004] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现： 燃料电池用硅基金属复合材料，由下列重量份的原料制成:二氧化硅10-20份、晶体硅 5-10份、四氯化硅6-12份、硅化铁3-6份、硅化钼2-4份、氮化硅5-8份、钛2-6份、铝2-5份、镁 1-3份、云母6-10份、黏土 5-9份、稀土 3-7份、四氟乙烯4-8份、环戊基甲胺3-7份、N-羟基丁二 酰亚胺5-9份、4-氯丁醛缩二乙醇3-6份、4-丁氧基苯基甲醇2-4份、硅烷偶联剂5-10份、热稳 定剂5-10份。
[0005] 优选地，所述的硅烷偶联剂选自乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三（2 -甲氧基乙氧 基）硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几 种。
[0006] 优选地，所述热稳定剂选自抗坏血酸棕榈酸酯、藻酸丙二醇酯、羧甲基纤维素钠、 乙酰磺胺酸钾中的一种或几种。
[0007] 所述的燃料电池用硅基金属复合材料的制备方法，包括以下步骤： (1) 按照重量份称取各原料； (2) 将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、铝、镁、热稳定剂加入 坩埚电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为950-980°C，烧结时间为3.5-4小时，得到真空烧 结混合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、硅烷偶联剂加入搅拌釜混合，加入等质 量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度300-500转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强10-15MPa，反应温度420-460 °C，反应时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度750-780°C， 反应时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为360-400 °C，得到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在惰性气体中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为2-5MPa，即得成品。
[0008] 优选地，步骤(7 )中的惰性气体为氩气。
[0009] 本发明与现有技术相比，其有益效果为： (1)本发明的燃料电池用硅基金属复合材料以二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅 化钼、氮化硅、钛、铝、镁、云母、黏土、稀土、四氟乙烯为主要成分，通过加入环戊基甲胺、N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇、硅烷偶联剂、热稳定剂，辅以真空 烧结、高温密炼、加压密炼、喷雾干燥、过筛活化、加压喷射成型等工艺，使得制备而成的燃 料电池用硅基金属复合材料，其使用寿命长、放电电压平稳，能够满足行业的要求，具有较 好的应用前景。
[0010] (2)本发明的燃料电池用硅基金属复合材料原料廉价、工艺简单，适于大规模工业 化运用，实用性强。
【具体实施方式】
[0011]下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。
[0012] 实施例1 (1)称取二氧化硅10份、晶体硅5份、四氯化硅6份、硅化铁3份、硅化钼2份、氮化硅5份、 钛2份、铝2份、镁1份、云母6份、黏土 5份、稀土 3份、四氟乙烯4份、环戊基甲胺3份、N-羟基丁 二酰亚胺5份、4-氯丁醛缩二乙醇3份、4-丁氧基苯基甲醇2份、乙烯基三甲氧基硅烷5份、抗 坏血酸棕榈酸酯5份； (2 )将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、铝、镁、抗坏血酸棕榈 酸酯加入坩埚电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为950°C，烧结时间为3.5小时，得到真空 烧结混合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、乙烯基三甲氧基硅烷加入搅拌釜混合， 加入等质量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度300转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强1 OMPa，反应温度420 °C，反应 时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度750°C，反应 时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为360°C，得 到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在氩气中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为2MPa，即得成品。
[0013] 制得的燃料电池用硅基金属复合材料的性能测试结果如表1所示。
[0014] 实施例2 (1)称取二氧化硅15份、晶体硅7份、四氯化硅8份、硅化铁4份、硅化钼3份、氮化硅6份、 钛3份、铝3份、镁2份、云母8份、黏土 6份、稀土 4份、四氟乙烯5份、环戊基甲胺4份、N-羟基丁 二酰亚胺7份、4-氯丁醛缩二乙醇4份、4-丁氧基苯基甲醇3份、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基） 硅烷7份、藻酸丙二醇酯7份； (2 )将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、铝、镁、藻酸丙二醇酯 加入坩埚电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为960°C，烧结时间为3.7小时，得到真空烧结 混合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷加入 搅拌釜混合，加入等质量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度350转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强12MPa，反应温度430 °C，反应 时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度760°C，反应 时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为380°C，得 到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在氩气中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为3MPa，即得成品。
[0015]制得的燃料电池用硅基金属复合材料的性能测试结果如表1所示。
[0016] 实施例3 (1)称取二氧化硅18份、晶体硅8份、四氯化硅10份、硅化铁5份、硅化钼3份、氮化硅7份、 钛5份、铝4份、镁2份、云母9份、黏土 8份、稀土 6份、四氟乙烯7份、环戊基甲胺6份、N-羟基丁 二酰亚胺8份、4-氯丁醛缩二乙醇5份、4-丁氧基苯基甲醇3份、γ -氨丙基三乙氧基硅烷9份、 羧甲基纤维素钠8份； (2 )将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、错、镁、羧甲基纤维素 钠加入坩埚电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为970Γ，烧结时间为3.9小时，得到真空烧 结混合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、γ-氨丙基三乙氧基硅烷加入搅拌釜混 合，加入等质量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度450转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强14MPa，反应温度450 °C，反应 时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度770°C，反应 时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为390°C，得 到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在氩气中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为4MPa，即得成品。
[0017]制得的燃料电池用硅基金属复合材料的性能测试结果如表1所示。
[0018] 实施例4 (1)称取二氧化硅20份、晶体硅10份、四氯化硅12份、硅化铁6份、硅化钼4份、氮化硅8 份、钛6份、铝5份、镁3份、云母10份、黏土 9份、稀土 7份、四氟乙烯8份、环戊基甲胺7份、N-羟 基丁二酰亚胺9份、4-氯丁醛缩二乙醇6份、4-丁氧基苯基甲醇4份、γ -缩水甘油醚氧基丙基 三甲氧基硅烷10份、乙酰磺胺酸钾10份； (2 )将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、铝、镁、乙酰磺胺酸钾 加入坩埚电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为980°C，烧结时间为4小时，得到真空烧结混 合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷 加入搅拌釜混合，加入等质量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度500转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强15MPa，反应温度460 °C，反应 时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度780°C，反应 时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为400°C，得 到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在氩气中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为5MPa，即得成品。
[0019] 制得的燃料电池用硅基金属复合材料的性能测试结果如表1所示。
[0020] 对比例1 (1)称取二氧化硅10份、硅化铁3份、硅化钼2份、氮化硅5份、钛2份、铝2份、镁1份、云母6 份、黏土 5份、稀土 3份、四氟乙烯4份、环戊基甲胺3份、N-羟基丁二酰亚胺5份、4-氯丁醛缩二 乙醇3份、4-丁氧基苯基甲醇2份、乙烯基三甲氧基硅烷5份、抗坏血酸棕榈酸酯5份； (2 )将二氧化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、铝、镁、抗坏血酸棕榈酸酯加入坩埚电阻 炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为950°C，烧结时间为3.5小时，得到真空烧结混合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、乙烯基三甲氧基硅烷加入搅拌釜混合， 加入等质量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度300转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强1 OMPa，反应温度420 °C，反应 时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度750°C，反应 时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为360°C，得 到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在氩气中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为2MPa，即得成品。
[0021] 制得的燃料电池用硅基金属复合材料的性能测试结果如表1所示。
[0022] 对比例2 (1)称取二氧化硅20份、晶体硅10份、四氯化硅12份、硅化铁6份、硅化钼4份、钛6份、铝5 份、镁3份、黏土 9份、稀土 7份、四氟乙烯8份、环戊基甲胺7份、N-羟基丁二酰亚胺9份、4-氯丁 醛缩二乙醇6份、4-丁氧基苯基甲醇4份、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷10份、乙酰 磺胺酸钾10份； (2 )将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、钛、铝、镁、乙酰磺胺酸钾加入坩埚 电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为980°C，烧结时间为4小时，得到真空烧结混合物； (3) 将黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷加入 搅拌釜混合，加入等质量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度500转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3)中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强15MPa，反应温度460 °C，反应 时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度780°C，反应 时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为400°C，得 到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在氩气中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为5MPa，即得成品。
[0023] 制得的燃料电池用硅基金属复合材料的性能测试结果如表1所示。
[0024] 将实施例1-4和对比例1-2的燃料电池用硅基金属复合材料分别进行功率密度、加 热速度、寿命的性能测试。
[0025] 表 1_
本发明的燃料电池用硅基金属复合材料以二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化 钼、氮化硅、钛、铝、镁、云母、黏土、稀土、四氟乙烯为主要成分，通过加入环戊基甲胺、N-羟 基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇、硅烷偶联剂、热稳定剂，辅以真空烧 结、高温密炼、加压密炼、喷雾干燥、过筛活化、加压喷射成型等工艺，使得制备而成的燃料 电池用硅基金属复合材料，其使用寿命长、放电电压平稳，能够满足行业的要求，具有较好 的应用前景。本发明的燃料电池用硅基金属复合材料原料廉价、工艺简单，适于大规模工业 化运用，实用性强。
[0026]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领 域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种燃料电池用硅基金属复合材料，其特征在于：由下列重量份的原料制成:二氧化 硅10-20份、晶体硅5-10份、四氯化硅6-12份、硅化铁3-6份、硅化钼2-4份、氮化硅5-8份、钛 2- 6份、错2-5份、镁1-3份、75：母6-10份、黏土5-9份、稀土 3-7份、四氟乙稀4-8份、环戊基甲胺 3- 7份、N-羟基丁二酰亚胺5-9份、4-氯丁醛缩二乙醇3-6份、4-丁氧基苯基甲醇2-4份、硅烷 偶联剂5-10份、热稳定剂5-10份。2. 根据权利要求1所述的燃料电池用硅基金属复合材料，其特征在于:所述的硅烷偶联 剂选自乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、 γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种或几种。3. 根据权利要求1所述的燃料电池用硅基金属复合材料，其特征在于:所述热稳定剂选 自抗坏血酸棕榈酸酯、藻酸丙二醇酯、羧甲基纤维素钠、乙酰磺胺酸钾中的一种或几种。4. 根据权利要求1-3任一所述的燃料电池用硅基金属复合材料的制备方法，其特征在 于，包括以下步骤： (1) 按照重量份称取各原料； (2) 将二氧化硅、晶体硅、四氯化硅、硅化铁、硅化钼、氮化硅、钛、铝、镁、热稳定剂加入 坩埚电阻炉，抽真空，真空烧结，烧结温度为950-980°C，烧结时间为3.5-4小时，得到真空烧 结混合物； (3) 将云母、黏土、稀土、四氟乙烯、环戊基甲胺、硅烷偶联剂加入搅拌釜混合，加入等质 量的5%碳酸氢三钠溶液中，搅拌速度300-500转/分钟，搅拌45分钟； (4) 将步骤(3 )中的搅拌混合物注入双辊混炼机混炼，压强10-15MPa，反应温度420-460 °C，反应时间为2小时； (5) 再将步骤(2)中的真空烧结混合物和步骤(4)中的混炼混合物依次注入密炼机，然 后再加入N-羟基丁二酰亚胺、4-氯丁醛缩二乙醇、4-丁氧基苯基甲醇，反应温度750-780°C， 反应时间60分钟，得到产品母液； (6) 将步骤6中的产品母液注入喷雾干燥塔，进口温度为850°C，出口温度为360-400 °C，得到颗粒状物料，然后过20目筛； (7) 将过筛后的物料在惰性气体中保温活化，保温时间为60分钟； (8) 将步骤(7)中的活化混合物加入喷射成型机的静态混合器中，进行纤维喷射成型， 压强为2-5MPa，即得成品。5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤(7 )中的惰性气体为氩气。
【文档编号】H01M8/0206GK105895934SQ201610446843
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】黄润翔
【申请人】苏州洪河金属制品有限公司