专利名称：一种高强度柔性石墨双极板及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纯柔性石墨与酚醛树脂复合的燃料电池双极板及其制备方法。属于燃料电池双极板材料与制造技术领域。
背景技术：
质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)的双极板(Bipolar Plates)，也称集流板，起着分隔氧化剂与还原剂的作用，并将反应物通过板面的流场均勻分配到电极各处，与电极催化剂层进行电化学反应。因此，为了有效的分隔氧化剂与还原剂，双极板要求具有很好的阻气功能；双极板具有集流作用，要求双极板必须是电的良导体；确保电池在工作时温度分布均勻并使电池的废热顺利排除，双极板必须是热的良导体；而且双极板必须具有很强的抗腐蚀能力，因为燃料电池电解质为酸性条件；同时，双极板两侧应加工或置有使反应气体均勻分布的通道(即所谓的流场)，以确保反应气在整个电极各处的均勻分布，因此双极板应具有良好的加工性能和机械性能；为了提高电池的体积功率和质量功率，双极板还应具有密度小、质量轻、体积小的优点。这样，作为质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池双极板的基本要求为耐腐蚀，导电性能好，透气率低，重量轻。目前双极板主要采用的材料有金属材料、不透性石墨(人造石墨)、炭-炭复合材料。采用人造石墨制造的双极板导电及耐腐蚀性均好。缺点是人造石墨的制作程序复杂而严格，耗工费时。而且，由于人造石墨质脆，因此要求双极板的厚度较大，一般为3mm左右，不利于电池体积比功率的提高，同时使得流场加工困难，成本极高，不利于批量商业化生产。目前人造石墨多使用于燃料电池性能测试和燃料电池研究。金属材料制造的双极板，厚度小(一般可达到0. 1 0. 5mm)，有利于体积比功率的提高；可采用冲压冲剪等机械化生产方法加工孔道与流场，加工成本低、方法简单，适于商业化大批量生产。但是，金属材料双极板经过长期使用易受腐蚀，腐蚀后产生氧化膜，造成导电率降低，因此必须解决金属板的腐蚀问题。目前，多采用的是金属表面改性。通过改性，不但可防止轻微腐蚀的产生，而且可以使接触电阻保持恒定，不随时间而增大。如专利 US6, 426, 161介绍了利用镁、铝制造燃料电池双极板，并且提出了利用电镀、电化学沉积或其它方法在金属表面合成薄膜，如金属-聚四氟乙烯；专利US5，776,6 介绍了利用黄铜制备质子交换膜燃料电池双极板，并且提出双极板由几层构成，表面为一种合金，含有镍、铬、 钛；专利W02001/28020-A1提出在金属表面镀(PVD)TixAlyN耐蚀导电涂层，并用非晶石墨封孔制备燃料电池双极板。还有利用柔性石墨纸与不锈钢板一起模压制造金属材料双极板。 总之，其主要目的是增强金属板的耐腐蚀性，但是这些保护膜会影响金属的导电性并且使双极板的成本大大提高。因此，金属材料制造质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池双极板还需要深入的研究。近年来，国内外还开发了一系列炭类双极板材料，如专利US6，248, 467-B1提出模
3压乙烯基树脂+石墨粉末制造PEMFC双极板；专利CN1282349提出了用10 30wt%低粘度热固性树脂和70 90wt%导电骨料模压制造复合材料双极板；专利EP1192032-A1提出用膨胀石墨和热塑性树脂制备燃料电池双极板；还有专利提出用树脂浸渍改善硬石墨材料，使流场容易加工，并且采用模压、注塑等快速成型方法，或者用石墨填充聚合物的方法等等。这些双极板多采用炭与树脂作基体材料，利用注塑、热压成型的方法，可以大大降低双极板的制造成本，但是其导电性能、双极板厚度、重量方面都不是很理想。柔性石墨具有双极板所需的耐腐蚀，导电、导热性能好，密度低等基本优点，因此有专利提出柔性石墨与树脂或金属板复合，但是一方面成本较高，另一方面仍会出现导电率不好的问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种耐腐蚀，导电、导热性能好、且制备工艺简单、成本低的柔性石墨双极板及其制备方法。本发明提出的一种高强度柔性石墨双极板，其特征在于它主要含有膨胀石墨蠕虫和添加剂，所述石墨蠕虫中含碳量不小于99wt%。在上述柔性石墨双极板中，所述膨胀石墨蠕虫用电化学法插层鳞片制备，也可用已有方法制备膨胀石墨，并且在900 1000°C下膨化制备膨胀石墨蠕虫。本发明提出的一种柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于所述方法依次按如下步骤进行(1)将石墨蠕虫填入模具中，在30 IOOMI^压力下直接成型，一步形成流场及进、 出气、水孔；(2)用酚醛树脂浸渍双极板，并在100 200°C进行热处理1 2小时。在上述制备方法中，步骤(1)可采用分步成型方法，即先将石墨蠕虫填入模具中， 在10 20MPa压力下成型柔性石墨平板，然后放入上下模芯及烘干后的平板，在30 IOOMI5a压力下成型双极板，直接形成流场及进、出气、水孔。利用本发明的方法制备的燃料电池双极板密度为1. 5 1. 8g/cm3，厚度为1. 0 3. 0mm。直接成型的纯石墨蠕虫双极板抗拉强度为6 15MPa，经过浸渍处理的双极板强度为20 30MPa。浸渍后的双极板具有耐腐蚀，与电极、电解质不发生作用、重量轻、厚度小、 导电、导热性能好，防透气性能好，且制备工艺简单、成本低等优点。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明实施例11)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，放入上、下模芯，在40士 lOMI^a压力下直接成型双极板；2)浸渍酚醛树脂，150°C热处理2小时；3)所得双极板厚度为1.0 3. 0mm，密度为1. 2 1. 5g/cm3，导电率为LOXlO4S/ m 1. 0 X 105S/m,导热率大于 90ff/m · k。实施例2
1)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在10 20MPa压力下成型柔性石墨平板；2)放入上下模芯及平板，在80士 IOMPa压力下，成型双极板；3)表面涂502胶，100°C热处理1小时；4)所得双极板厚度为1. 0 3. Omm,密度为1. 5 1. 7g/cm3,导电率为1.0X IO4S/ m 1. 0 X 105S/m,导热率大于 100ff/m · k。实施例31)利用120°C电化学插层得到的可膨胀石墨半小时；2)在900 1000°C下膨化制备膨胀石墨蠕虫；3)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在15MPa压力下成型柔性石墨平板；4)浸渍酚醛树脂，200°C热处理2小时；5)放入上下模芯及平板，在50士 IOMPa压力下，成型双极板；6)所得双极板厚度为1. O 3. Omm，密度为1. 2 1. 6g/cm3,导电率大于 1.0X 104S/m,导热率大于 80W/m · k。实施例41)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在10 20MPa压力下成型柔性石墨平板；2)取出平板，并将平板放入120°C，10wt%硼酸溶液中浸渍半小时；3)放入上下模芯及平板，在60 士 IOMPa压力下成型双极板；4)浸渍酚醛树脂，120°C热处理2小时；5)所得双极板厚度为1. O 3. Omm，密度为1. 3 1. 6g/cm3,导电率大于 1.0X 104S/m,导热率大于 80W/m · k。实施例51)将膨胀石墨蠕虫填入模具中，在10 20MPa压力下成型柔性石墨平板；2)放入上下模芯，在70 士 IOMPa压力下成型双极板；3)浸渍酚醛树脂，180°C热处理2小时；4)所得双极板厚度为1. O 3. Omm，密度为1. 5 1. 7g/cm3,导电率大于 1.0X 104S/m,导热率大于 80W/m · k。
权利要求
1.一种高强度柔性石墨双极板，其特征在于它主要含有膨胀石墨蠕虫和酚醛树脂， 所述石墨蠕虫中含碳量不小于99wt% ；所述膨胀石墨蠕虫用电化学法插层鳞片制备，或用已有方法制备膨胀石墨，并且在900 1000°C下膨化制备膨胀石墨蠕虫。
2.一种高强度柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于所述方法依次按如下步骤进行(1)将石墨蠕虫填入模具中，在30 IOOMI5a压力下直接成型，一步形成流场及进、出气、水孔；(2)用浓度为5 20wt%的酚醛树脂浸渍双极板，并在100 200°C进行热处理1 2 小时。
3.按照权利要求2所述的一种高强度柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于步骤 (1)采用分步成型方法，即先将石墨蠕虫填入模具中，在10 20MI^压力下成型柔性石墨平板，然后放入上下模芯及烘干后的平板，在30 IOOMI^压力下成型双极板，直接形成流场及进、出气、水孔。
全文摘要
本发明涉及一种高强度柔性石墨燃料电池双极板及其制备方法，属于燃料电池双极板材料技术领域。其特征在于整个双极板是由石墨蠕虫和酚醛树脂组成。具体制备方法是将石墨蠕虫填加入模具中，采用模压或辊压的方法直接成型或分步成型双极板，成型压力为30～100MPa。本发明制备的燃料电池双极板密度为1.2～1.7g/cm3，厚度为1.0～3.0mm。直接成型的石墨蠕虫与酚醛树脂复合双极板抗拉强度为6～15MPa，经过浸渍处理的双极板抗拉强度为20～30MPa。浸渍后的双极板具有耐腐蚀，与电极、电解质不发生作用、重量轻、厚度小、导电、导热性能好，防透气性能好，且制备工艺简单、成本低的优点。
文档编号H01M4/88GK102569834SQ20101059937
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者冯彪, 沈万慈, 郑永平 申请人:清华大学