[发明专利]一种膨胀石墨复合双极板材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及可用于高温型质子交换膜燃料电池的双极板材料及其制造方法。

背景技术

燃料电池是直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置，是一项高效利用能源而又不污染环境的新技术。质子交换膜燃料电池是以全氟磺酸型离子交换膜为电解质，氢气或重整气为燃料，空气或氧气为氧化剂的燃料电池，一般由许多单电池组成，每个单电池通常由膜电极、扩散层和双极板三部分构成。双极板是将燃料单电池串联起来组装成电池堆的关键部件，它的一侧与一个单电池的阳极接触，另一侧与毗邻单电池的阴极接触，其作用是分隔气体并通过流场将反应气体导入燃料电池，收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热和排水功能。因此，双极板在燃料电池中的地位举足轻重，需同时具备高导电导热性、高化学稳定性、高力学性、低透气性等特点。另一方面，质子交换膜燃料电池是一种新兴的能源利用技术，在汽车应用等领域尚处于开发和推广阶段，迫切需要在运行性能尤其是制造成本方面能大力气突破，以提高实用竞争力。而目前双极板的成本和重量约占质子交换膜燃料电池的45％和60％，是限制燃料电池推广应用的瓶颈因素，因此，降低双极板的成本和重量，在保证和提高性能的同时，生产制造出价廉轻巧的燃料电池是当前的首要工作。

目前已开发使用的双极板材料主要有金属、石墨及复合材料三种。金属板具有良好的导电导热性，减薄至0.1mm也不漏气，并且气体流道可冲压成型，因而有利于体积比功率的提升和制造成本的下降。但是金属板易出现腐蚀甚至锈穿，导致电池的使用寿命缩短甚至完全损坏。纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，是率先成功用于商业化电池堆制造的双极板材料。但纯石墨板性脆、流道机加工成本昂贵，并且孔隙的存在导致其易漏气，因而制约了电池堆的重量比功率的提升。

为了替代上述两种单一材料制造的双极板，出现了石墨/树脂复合双极板，其中石墨为导电填料，树脂为高分子粘结剂。这类材料具有和石墨相同的耐腐蚀性能，可一次成型制备出带流场的双极板，易于大规模生产，降低了双极板的生产成本。石墨复合双极板的性能取决于石墨类型、树脂类型以及制造工艺。这三项因素还可交互作用，对性能产生影响，因此，材料与工艺选择时需综合考虑。石墨复合双极板的制造工艺通常有湿混和干混两大类。以往应用较多的是湿混法，即先用有机溶剂将树脂溶解，再与石墨混合模压成型。这种工艺过程复杂，不但消耗大量有毒溶剂和添加剂，产生浪费并增加成本，还会造成严重的环境污染，且复合材料性能偏低。干混法则无须加入溶剂，可以避免湿混法的缺陷。

膨胀石墨又称蠕虫石墨或柔性石墨，是石墨在高温下膨胀所致，具有价格低廉，导电性好，耐热耐腐蚀等特点，且密度小重量轻，可塑性强，密封性好，非常适合作为双极板材料的原料。如罗晓宽等(电源技术，2008，32(3)：174-176)选用高分子双酚A型环氧树脂及线型酚醛树脂与膨胀石墨复合制成双极板。但是，作者采用了湿混成型工艺，使用大量乙醇做溶剂，先与树脂混合后配成溶液，在一定的压力条件下将溶液灌入膨胀石墨，而后再将所得材料在烘箱中加温蒸发除去溶剂，工艺复杂且成本高。中国专利(公开号：CN1560947A)公开了一种柔性石墨双极板及其制备方法，利用浸渍和直接添加的方法在蠕虫石墨中混合少量添加剂，或者利用直接涂抹的方法在双极板表面形成薄膜，浸渍液为硼酸溶液和胶类聚合物。但是，直接成型的纯蠕虫石墨双极板的抗拉强度仅为6～15MPa，且抗透气性能差，而经过浸渍处理的双极板强度也仅为8～20MPa，不能达到美国能源部于2003年提出的对碳质填料/聚合物复合材料双极板的性能要求。