專利名稱：：一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種提高質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板電導(dǎo)率的方法，具體涉及一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法。
背景技術(shù)：
：雙極板作為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的關(guān)鍵材料之一，目前廣泛采用機加工石墨板，但由于它的制作成本太高從而限制了PEMFC的商業(yè)化。有望代替機加工石墨板的是導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板，它是目前最主要的一個研究方向，即由石墨或炭粉等導(dǎo)電填料與聚合物樹脂或其它粘結(jié)劑復(fù)合來制作雙極板，一般采用模壓成型，采用合適模具可以一次性得到氣體流場，這樣的復(fù)合材料可以看作是一種高含量導(dǎo)電填料填充材料，為了滿足雙極板的電導(dǎo)率要求，石墨的體積含量必須達(dá)到45％。為了進(jìn)一步縮短生產(chǎn)周期，對于采用熱塑性高分子材料作為粘結(jié)劑的導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板，理想的制作工藝是采用注射成型，這就要求導(dǎo)電復(fù)合材料具有很好的流動性和成型加工性，因此在滿足雙極板電導(dǎo)率的前提下，必須盡量使用少的導(dǎo)電填料，這樣雙極板的力學(xué)強度也可大大提高?？傊?，通過導(dǎo)電復(fù)合材料來制作雙極板的關(guān)鍵問題是雙極板的電導(dǎo)率和力學(xué)強度必須同時滿足燃料電池的使用要求，并且還具有很好的成型加工性。在通過導(dǎo)電復(fù)合材料來制作雙極板的過程中，有許多專利通過精心選擇導(dǎo)電顆粒的尺寸來提高雙極板的電導(dǎo)率，但他們大都采用的是具有同一尺寸的一種導(dǎo)電填料，所以電導(dǎo)率提高的不是很大。從圖1我們可以看出，在導(dǎo)電填料聚集的某些區(qū)域，導(dǎo)電填料堆積的是否緊密肯定會影響導(dǎo)電復(fù)合材料的電導(dǎo)率。采用兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料進(jìn)行合理的顆粒級配來提高雙極板電導(dǎo)率的方法還沒見報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是通過兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料進(jìn)行合理的顆粒級配來提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率，解決導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率和力學(xué)強度不能兼得的難題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法，其特征是包括如下步驟1).研磨并篩分導(dǎo)電填料，得到直徑為D的大尺寸導(dǎo)電填料和直徑為d的小尺寸導(dǎo)電填料，D＝80-100μm，d＝0.1-0.5D；2).根據(jù)小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比為10-30％，分別稱量兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料并進(jìn)行充分干混；3).干混后的導(dǎo)電填料中加入膠粘劑，導(dǎo)電填料所占重量百分比為50-60％，膠粘劑所重量百分比為40-50％，膠粘劑為有機高分子膠粘劑或無機膠粘劑；采用密煉機、攪拌、震蕩、球磨機或超聲波等進(jìn)行混合；4).將混合物在模具內(nèi)模壓，模壓壓力為10-15MPa，模壓溫度根據(jù)使用的膠粘劑不同而采用相應(yīng)的溫度，得產(chǎn)品。所述的小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比為10-20％。所述的導(dǎo)電填料為石墨、Ti3SiC2粉末、TiB2、碳黑、碳納米管或碳纖維等。所述的有機高分子膠粘劑為聚偏氟乙烯、聚丙烯、不飽和聚酯或環(huán)氧樹脂等；無機膠粘劑為硅酸鹽或磷酸鹽等。本發(fā)明選擇兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料作為混合導(dǎo)電填料來制作導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板，通過嚴(yán)格控制小尺寸導(dǎo)電填料與大尺寸導(dǎo)電填料的直徑比以及重量比，由于向大尺寸導(dǎo)電填料中加入小尺寸導(dǎo)電填料，進(jìn)一步增加大尺寸導(dǎo)電填料之間的接觸程度(如圖2所示)，從而進(jìn)一步提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率。與現(xiàn)有采用同一尺寸導(dǎo)電填料的雙極板相比，本發(fā)明在導(dǎo)電填料含量的沒有增加的前提下(即保持雙極板很強的力學(xué)強度)，其電導(dǎo)率得以提高；當(dāng)采用小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比為10-20％，其電導(dǎo)率提高更為顯著。同時，采用兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料進(jìn)行合理的顆粒級配還可改善導(dǎo)電復(fù)合材料的流變性能，從而有利于模壓和注射成型。圖1為采用同一尺寸導(dǎo)電填料的導(dǎo)電復(fù)合材料的示意2為采用兩種不同尺寸導(dǎo)電填料的導(dǎo)電復(fù)合材料的示意中○代表大尺寸導(dǎo)電填料，●代表小尺寸導(dǎo)電填料，代表膠粘劑。具體實施例方式實施例1研磨并篩分人造石墨粉，得到尺寸分別為45μm和90μm的兩種石墨粉，根據(jù)小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比分別為10％，20％，30％稱量石墨粉并在球磨機內(nèi)進(jìn)行干混。加入鈉水玻璃耐酸水泥膠粘劑，并借助超聲設(shè)備讓石墨粉充分分散。最后在平板硫化機上采用合適模具室溫模壓成型，模壓壓力12MPa。測量樣品的電導(dǎo)率，其測試結(jié)果如表1。表1<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="729">小尺寸石墨/石墨總含量(wt％)鈉水玻璃耐酸水泥/石墨電導(dǎo)率(s/cm)1000102030339.24522.60551.60531.20529.73</table></tables>表1為鈉水玻璃耐酸水泥/石墨導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試結(jié)果。注石墨總含量58wt％。實施例2方法同實施例1，把膠粘劑鈉水玻璃耐酸水泥更換為高鋁水泥。其測試結(jié)果如表2。表2表2為高鋁水泥/石墨導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試結(jié)果。注石墨總含量60wt％。實施例3研磨并篩分Ti3SiC2粉末，Ti3SiC2粉末的制備方法可采用專利98114247.8(一種鈦碳化硅粉末的制備方法)。得到尺寸分別為45μm和90μm的兩種Ti3SiC2粉末，根據(jù)小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比分別為10％，20％，30％稱量Ti3SiC2粉末并在球磨機內(nèi)進(jìn)行干混。加入聚偏氟乙烯膠粘劑進(jìn)一步混合，最后在平板硫化機上采用合適模具模壓成型，模壓溫度180℃，模壓壓力10MPa。測量樣品的電導(dǎo)率，其測試結(jié)果如表3。表3表3為聚偏氟乙烯/Ti3SiC2導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試結(jié)果。注Ti3SiC2總含量50wt％。實施例4方法同實施例3，把導(dǎo)電填料Ti3SiC2粉末更換為人造石墨粉。其測試結(jié)果如表4。表4表4聚偏氟乙烯/石墨導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試結(jié)果。注石墨總含量60wt％。實施例5研磨并篩分人造石墨粉，選擇尺寸為90μm的石墨粉作為大尺寸導(dǎo)電填料，尺寸為1μm的碳黑粉末作為小尺寸導(dǎo)電填料，根據(jù)小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比分別為10％，20％稱量石墨粉和碳黑粉末并在球磨機內(nèi)進(jìn)行干混。加入聚偏氟乙烯膠粘劑進(jìn)一步混合，最后在平板硫化機上采用合適模具模壓成型，模壓溫度180℃，模壓壓力10MPa。測量樣品的電導(dǎo)率，其測試結(jié)果如表5。表5表5聚偏氟乙烯/填料導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試結(jié)果。注導(dǎo)電填料總含量50wt％。實施例6方法同實施例5，把尺寸為1μm的碳黑粉末小尺寸導(dǎo)電填料更換為尺寸為36μm的碳黑粉末。其測試結(jié)果如表6。表6表6聚偏氟乙烯/填料導(dǎo)電復(fù)合材料電導(dǎo)率的測試結(jié)果。注導(dǎo)電填料總含量50wt％。權(quán)利要求1.一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法，其特征是包括如下步驟1).研磨并篩分導(dǎo)電填料，得到直徑為D的大尺寸導(dǎo)電填料和直徑為d的小尺寸導(dǎo)電填料，D＝80-100μm，d＝0.1-0.5D；2).根據(jù)小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比為10-30％，分別稱量兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料并進(jìn)行充分干混；3).干混后的導(dǎo)電填料中加入膠粘劑，導(dǎo)電填料所占重量百分比為50-60％，膠粘劑所重量百分比為40-50％，膠粘劑為有機高分子膠粘劑或無機膠粘劑；采用密煉機、攪拌、震蕩、球磨機或超聲波進(jìn)行混合；4).將混合物在模具內(nèi)模壓，模壓壓力為10-15MPa，得產(chǎn)品。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法，其特征是所述的小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比為10-20％。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法，其特征是所述的導(dǎo)電填料為石墨、Ti3SiC2粉末、TiB2、碳黑、碳納米管或碳纖維。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法，其特征是所述的有機高分子膠粘劑為聚偏氟乙烯、聚丙烯、不飽和聚酯或環(huán)氧樹脂；無機膠粘劑為硅酸鹽或磷酸鹽。全文摘要本發(fā)明公開了一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法。一種提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板電導(dǎo)率的方法，其特征是在通過導(dǎo)電復(fù)合材料來制作雙極板的過程中，采用兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料進(jìn)行合理的顆粒級配來提高雙極板的電導(dǎo)率；當(dāng)大尺寸導(dǎo)電填料的直徑D確定后，選擇小尺寸導(dǎo)電填料的直徑d＝0.1－0.5D，小尺寸導(dǎo)電填料占導(dǎo)電填料總量的重量百分比為10－30％。由于小尺寸導(dǎo)電填料的加入，可以進(jìn)一步增加大尺寸導(dǎo)電填料之間的接觸程度，從而進(jìn)一步提高導(dǎo)電復(fù)合材料雙極板的電導(dǎo)率；同時，采用兩種不同尺寸的導(dǎo)電填料進(jìn)行合理的顆粒級配還可改善導(dǎo)電復(fù)合材料的流變性能，從而有利于模壓和注射成型。文檔編號H01M8/02GK1776944SQ20051001949公開日2006年5月24日申請日期2005年9月27日優(yōu)先權(quán)日2005年9月27日發(fā)明者沈春暉,潘牧,袁潤章申請人:武漢理工大學(xué)