專利名稱：一種磷酸型燃料電池用雙極板及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬新能源材料領域，特別是涉及一種磷酸型燃料電池用雙極 板及其制備方法。
背景技術：
磷酸型燃料電池具有磷酸易得、反應溫和及燃料來源廣等優(yōu)點，而 成為研究和發(fā)展最成熟的燃料電池之一，被認為是繼火力、水利和核能 之后的第四種發(fā)電形式。磷酸型燃料電池雙極板的性能和價格直接影響 電池堆的性能，目前主要用碳板、石墨(或碳粉)-樹脂復合材料制作。 碳板材料雙極板的機械強度低、孔隙率高和流場加工困難，石墨-酚醛 樹脂復合材料雙極板的耐熱溫度低和加壓操作腐蝕嚴重，石墨-聚苯硫 醚樹脂復合材料雙極板的脆性大和加壓操作出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種耐腐蝕性強、耐熱溫 度高和熱穩(wěn)定性好、脆性低、并具有較好疏水性及潤滑性能的磷酸型燃料 電池用雙極板及其制備方法。
本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的
一種磷酸型燃料電池用雙極板，其特征是由石墨、碳纖維、聚苯硫醚
樹脂、氟樹脂組成，各組分的質量百分比為石墨45% 55%，碳纖維5% 10%，聚苯硫醚樹脂30% 40%，氟樹脂5% 10%。氟樹脂為聚四氟乙烯、聚 全氟乙丙烯和可熔性聚四氟乙烯中的至少一種，用氟樹脂代替部分聚苯硫 醚樹脂，可以解決石墨-聚苯硫醚樹脂雙極板的脆性問題，增加石墨-聚苯 硫醚樹脂雙極板的疏水性能和潤滑性能；添加碳纖維用于提高石墨-聚苯硫 醚樹脂雙極板的抗加壓操作性能。
上述磷酸型燃料電池用雙極板的制備方法，其特征是包括以下步驟
1. 根據(jù)磷酸型燃料電池用雙極板的特點，設計流場結構和加工模具， 控制流道寬度和深度分別為0. 5 1. 5mm;
2. 選擇長度為10 200 um碳纖維，在65 68 %的濃硝酸中采用回流
方法進行活化預處理，回流10 20 h后用去離子水反復清洗得到表面改性 碳纖維；將其余各種原料過篩，控制粒度為200 300目；
3. 按比例稱取各種原料，采用濕法球磨使其混合均勻，然后經(jīng)沉淀、 過濾、干燥、過篩后得到粉末狀混合物原料；或將配好的各種原料采用共 混擠出造粒得到粒狀混合物原料；
4. 根據(jù)雙極板的厚度、面積和密度，稱取混合好的粉末狀原料或粒狀 原料；
5. 將稱好的混合物原料裝入模具，置于加熱加熱爐中，首先在3 5MPa 壓力下冷壓預成型，然后以3 5 。C/min的速度升溫至310 330 。C,在恒 溫條件下施加15 25 MPa的壓力，最后保溫、保壓20 30 min;
6. 從加熱爐中取出裝有雙極板的模具，迅速置于自來水中冷卻至室溫， 這樣可以降低雙極板的結晶度和增加雙極板的韌性；
7. 從模具中取出即得到磷酸型燃料電池用雙極板。 該雙極板主要技術指標密度2. l 2.2g/cm3;彎曲強度大于40MPa;
長期耐熱溫度220 。C，短期耐熱240 °C，在200 220 。C的85 100 %濃 磷酸中長期使用不腐蝕；電導率為100 250 S. cnf1 (石墨-酚醛樹脂模壓雙 極板為25 200 S.cnf1，美國能源部對燃料電池雙極板電導率的要求大于 100 S.cm—0。該雙極板的特征表現(xiàn)在 一是耐熱溫度高和熱穩(wěn)定性好；二 是耐腐蝕；三是具有一定疏水性，可以省去電池中的疏水材料及疏水處理； 四是具有潤滑性能，在模壓過程中有利于脫模，有利于提高雙極板的精密 度；五是廢舊雙極板材料可以重復利用。
具體實施例方式
下面給出本發(fā)明的三個最佳實施例
實施例l
根據(jù)磷酸型燃料電池用雙極板的特點，設計流場結構和加工模具，控 制流道寬度為1. 0 mm，流到道深度為1. 0 mm;分別稱取石墨450 g、聚苯 硫醚樹脂400 g、聚四氟乙烯30 g、聚全氟乙丙烯70 g、碳纖維50 g，采 用濕法球磨使其混合均勻得到粉末狀混合物原料；稱取105g混合物原料加 入模具，置于加熱爐中，在5MPa壓力下冷壓預成型，以3 。C/min的速度 升溫至310 'C，在恒溫條件下施加15MPa的壓力，在恒溫恒壓條件下保持 30 min;從加熱爐中取出迅速置于自來水中冷卻至室溫，從模具中取出得 到石墨-聚苯硫醚/氟樹脂復合材料雙極板。雙極板尺寸為100X100X5 mm, 電導率為100 125 S. cm—1，密度為2. 2 g/cm3，.彎曲強度大于40MPa，耐熱 溫度220°C ，短期耐熱溫度大于240°C 。
實施例2
設計流場結構和加工模具，控制流道寬度1. 5 mm，流道深度為1.0mm; 分別稱取石墨550 g、聚苯硫醚樹脂300 g、可熔性聚四氟乙烯30g、聚全 氟乙丙烯50 g、碳纖維70 g，采用濕法球磨使其混合均勻得到粉末狀混 合物原料；稱取105 g混合物原料加入模具中，置于加熱爐中，在3 MPa 壓力下冷壓預成型，以5 tVmin的速度升溫至330 °C，在恒溫條件下施加 25MPa的壓力，在恒溫恒壓條件下保持20min;從加熱爐中取出迅速置于 自來水中冷卻至室溫，從模具中取出得到石墨-聚苯硫醚/氟樹脂復合材料 雙極板。雙極板尺寸為100X100X5 mm，電導率為150 250 S. cm—、密度 為2. 1 g/cm3，其余同實施例l。
實施例3
設計流場結構和加工模具，控制流道寬度為l.Omm，流道深度為 0.5mm;分別稱取石墨500 g、聚苯硫醚樹脂330 g、可熔性聚四氟乙烯
20 g、聚全氟乙丙烯40 g、聚四氟乙烯10 g、碳纖維100 g，采用濕法 球磨使其混合均勻得到粉末狀混合物原料；稱取105 g混合物原料加入 模具中，置于加熱爐中，在4 MPa壓力下冷壓預成型，以4 tVmin的 速度升溫至320 °C，在恒溫條件下施加20 MPa的壓力，在恒溫、恒壓 條件下保持25min;從加熱爐中取出迅速置于自來水中冷卻至室溫，從 模具中取出得到石墨-聚苯硫醚/氟樹脂復合材料雙極板。雙極板尺寸為 100X100X5 mm，電導率為120 180 S. cm習1，密度為2. 15g/cm3，其余 同實施例1。
權利要求
1.一種磷酸型燃料電池用雙極板，其特征是由石墨、碳纖維、聚苯硫醚樹脂、氟樹脂組成，各組分的質量百分比為石墨45％～55％，碳纖維5％～10％，聚苯硫醚樹脂30％～40％，氟樹脂5％～10％。
2. 根據(jù)權利要求1所述的磷酸型燃料電池用雙極板，其特征是氟樹脂 為聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯和可熔性聚四氟乙烯中的至少一種。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述磷酸型燃料電池用雙極板的制備方法，其 特征是包括以下步驟-(a) 根據(jù)磷酸型燃料電池用雙極板的特點，設計流場結構和加工模具， 控制流道寬度和深度分別為0. 5 1. 5mm;(b) 選擇長度為10 200 um碳纖維，在65 68 %的濃硝酸中采用回流方法進行活化預處理，回流10 20 h后用去離子水反復清洗得到表面改 性碳纖維；將其余各種原料過篩，控制粒度為200 300目；(c) 按比例稱取各種原料，采用濕法球磨使其混合均勻，然后經(jīng)沉淀、 過濾、千燥、過篩后得到粉末狀混合物原料；或將配好的各種原料采用共 混擠出造粒得到粒狀混合物原料；(d) 根據(jù)雙極板的厚度、面積和密度，稱取混合好的粉末狀原料或粒狀 原料；(e) 將稱好的混合物原料裝入模具，置于加熱加熱爐中，首先在3 5MPa 壓力下冷壓預成型，然后以3 5 。C/min的速度升溫至310 330 °C，在恒 溫條件下施加15 25 MPa的壓力，最后保溫、保壓20 30 min;(f) 從加熱爐中取出裝有雙極板的模具，迅速置于自來水中冷卻至室溫；(g) 從模具中取出即得到磷酸型燃料電池用雙極板。
全文摘要
本發(fā)明屬新能源材料領域，特別是涉及一種磷酸型燃料電池用雙極板及其制備方法。該磷酸型燃料電池用雙極板以石墨為導電填料、碳纖維為增強材料、聚苯硫醚樹脂和氟樹脂混合物為粘結劑，各組分的質量百分比為石墨45～55％，碳纖維5～10％，聚苯硫醚樹脂30～40％，氟樹脂5～10％。其制備方法采用模鑄法一次熱壓成型，壓力為15～25MPa，保溫時間為20～30min。本發(fā)明制備的雙極板耐熱溫度高和熱穩(wěn)定性高，耐腐蝕性好；具有一定疏水性，可以省去電池中的疏水材料及疏水處理；具有潤滑性能，在模壓過程中有利于脫模；廢舊雙極板材料可以重復利用。
文檔編號H01M4/86GK101174695SQ200710113259
公開日2008年5月7日 申請日期2007年10月24日 優(yōu)先權日2007年10月24日
發(fā)明者張華勇, 李自強, 管從勝 申請人:山東大學