[发明专利]双极板,制备双极板的方法以及PEM燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及双极板，制备双极板的方法以及使用所述双极板的燃料电池。

背景技术

双极板是PEM(Proton Exchange Membrane，质子交换膜，也称为聚合体电解质膜)燃料电池堆内部的多功能组件。它尤其是将单独的燃料电池串联连接并分离从而形成具有所需电压的燃料电池堆，帮助燃料气体和氧气在膜电极组件的整个活性表面区域上均匀分配，将电流从一个电池的阳极传到下一个电池的阴极，促进电池内部的水管理，支持薄的膜和电极以及承受电池堆组装体的闭合力。

在燃料电池中，金属双极板、碳双极板以及碳复合材料双极板通常被用作双级板。金属因为其固有的传导性以及易加工特性而被选用。然而，燃料电池内部众多相互影响的化学物质以及反应中产生的水带来导致金属腐蚀等诸多问题。碳双极板的缺点在于它的高生产成本和低机械强度。

由于生产技术的问题，双极板占到现有PEM燃料电池生产成本的约25％。双极板同时构成PEM燃料电池堆的大部分重量。因而，迫切需要更划算的材料以及生产工艺来降低双极板的成本。

此外，将燃料电池的温度从现在的80℃提高到120-150℃是PEM燃料电池发展中的一个主要趋势，其提高电池的CO耐受性(对催化剂中毒的敏感性降低)和电池堆的热量排除(在汽车应用中尤其重要)。由石墨制成的双极板通常用于操作温度为150℃左右的PEM燃料电池中。

聚合物合成材料可以缓解一些与重量和体积相关的问题，因而降低燃料电池堆的成本。已经开发出各种复合材料双极板，这些复合材料双极板最通常通过填充了例如石墨粉末的导电微粒的聚合物基体(热塑性和热固性树脂)的压缩模制(compression moulding)来制备。因为大部分聚合物具有极低的导电性，所以必须加入过多的导电填充物，这样就导致了被填充的聚合物的高粘度，因此导致其很难加工。换言之，碳复合材料双极板的一个问题就是低导电性。

上述提及的复合材料双极板的另外一个问题是储存稳定性不足。胺常被用作复合双极配混物中的固化剂，在成分混合期间其就已被激活。另外，常规复合材料双极板材料在高操作温度下不稳定。

为了成本有效的大规模生产双极板，生产过程必须在很短的循环时间内完成。而且，模制组合物要具有高潜伏期(latency)来实现这种性质状态。

发明内容

本发明的目的是为PEM燃料电池双极板提供一种新的碳填充的复合材料，其中使上述现有技术中存在的问题基本上得以避免。更确切的，目标是提供一种不含溶剂、贮藏稳定、固化迅速的具有高热稳定性和导电性的环氧树脂体系，该体系可以通过有效的方法制得，尤其是可通过用于制备环氧模制组合物的一般方法制得。

根据本发明，提供了一种双极板，它由含有至少一种环氧树脂、石墨填充物以及作为环氧树脂固化剂的金属胺络合物的组合物制成。

本发明的双极板尤其适用于PEM燃料电池。

本发明进一步提供了双极板的制备方法，该方法包括制备包括至少一种环氧树脂、石墨填充物以及作为环氧树脂固化剂的金属胺络合物的双极板组合物，以及在适当的条件下将该组合物模制成双极板。

本发明是由石墨环氧配混物制得的双极板，该配混物基于低粘度的环氧树脂、热激活的潜在金属胺络合物固化剂(heat activated latent metal amine complexcuring agent)以及高填充量的石墨填充物。环氧体系的低粘度提供了石墨粉末的高填充度。优选的，以组合物体积计算，填充度为70-90％。不需要用来降低环氧体系粘度的任何溶剂，环氧体系中的所有成分都参予到交联反应中。石墨填充物的高填充量为所制得的双极板提供了良好的耐热性和导电性。

优选的环氧树脂固化剂是潜在的并且热激活的金属胺络合物固化剂。潜在固化剂是允许配制单一部分的自身稳定环氧树脂体系的一类化合物。首选的金属胺络合物是三氯化硼单乙胺络合物(BCl₃-MEA)，该络合物仅用来固化环氧树脂。BCl₃-MEA在室温下是潜在的，只有在升高的温度下才被激活。固化将在120℃的温度开始，但本发明所述环氧体系在120-190℃，优选170-190℃的温度下固化。

本发明所述的双极板组合物是一种在PEM燃料电池环境中化学和物理稳定的材料。由本发明的组合物制成的双极板可以在-20℃到160℃的燃料电池温度下使用，也就是在低温和高温燃料电池应用中都可以使用。它们特别适用于高操作温度，例如120-160℃的操作温度。因为这一点，它们同样适用于汽车应用中。