[发明专利]一种燃料电池双极板复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种提高双极板复合材料性能的方法。一种同时提高双极板复合材料电导率和弯曲强度的方法，其特征是：采用两种不同尺寸的天然鳞片石墨进行级配，大尺寸石墨粒径为D，小尺寸石墨粒径d为0.092～0.586D，将两者按合理比例进行颗粒级配，其中大尺寸天然鳞片石墨占总量的重量百分比为60～90％，小尺寸天然鳞片石墨占总量的重量百分比为0～10％，再添加适量纳米填料导电炭黑(0～10％)或石墨烯(0～2％)复配与酚醛环氧型乙烯基树脂粘结剂制备模压料；然后将模压料在一定温度、压力、时间下模压固化制备样品。颗粒级配与复配技术的使用，使复合材料构建起更加完善的导电网络和得到更好的树脂浸润情况，导致电导率和弯曲强度的同时提高。

技术领域

本发明属于导电复合材料领域，特别涉及到一种燃料电池双极板复合材料及其制备方法。

背景技术

双极板是质子交换膜燃料电池（PEMFC）关键组件之一，它的作用是分隔气体并通过流场将反应气体导入燃料电池，收集传导电流并支撑膜电极，同时还担负起整个燃料电池系统的散热和排水功能。因此双极板复合材料要求具有较好的的导电性能和力学性能。

目前双极板按材料分类可分为以下三种：石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板，其中石墨/树脂复合材料双极板具有加工性能好、易批量生产、耐腐蚀性好、成本低的优点，从而成为研究的热点。但复合材料的弯曲强度和电导率很难同时提高，呈现此消彼长的关系，使其发展面临巨大挑战。

对于电导率和弯曲强度两大性能的影响因素众多，归纳如下：

1.粘结剂种类与含量

复合材料粘结剂有热塑性树脂和热固性树脂两大类，常用的热塑性树脂有丙烯酸树脂、聚苯硫醚、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等，热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚苯并噁嗪、酚醛环氧树脂、聚酰亚胺等。热塑性树脂与导电填料混合后模压，但是取模前需要长时间冷却；热固性树脂则不需要冷却就可以取模，缩短了生产周期。此外，热塑性树脂相对较脆，用于制作双极板需要较大厚度才能保证机械强度，而热固性树脂能形成结实的三维网状结构，具有更高的弯曲强度，制作的双极板更薄。因此，热固性树脂具有较大的优势。其中酚醛环氧型乙烯基树脂兼具酚醛环氧树脂热稳定、耐腐蚀性好和乙烯基树脂成型加工性好的双重优点，热变形温度可达150℃以上，固化交联速度快，固化后交联密度、强度高，性能较佳。

当树脂含量较多时，导电填料含量相对减少，树脂对导电填料的包覆性更好，粘接更加紧密，弯曲强度提高，但填料与填料间无法直接相互接触，树脂的包覆阻断了导电通路，破坏了部分导电网络，导致导电率下降；相反，当树脂含量较少时，导电填料相对增多，填料与填料间可以直接接触，导电通路较多，构建的导电网络相对更加完善，导致电导率提高，但是导电填料间仅有少量的树脂进行粘接，对导电填料的包覆性必然较差，弯曲强度降低。只有树脂与导电填料取得一个最佳比例时，两大性能才能取得平衡。

2.导电填料种类与分散情况

复合材料导电填料的种类、粒径选择对复合材料的电导率和弯曲强度都有显著的影响。导电填料包括天然鳞片石墨、人造石墨、膨胀石墨、球状石墨等，辅助导电填料包括导电炭黑、石墨烯、金属粉、中间相碳微球等，增强材料包括碳纤维、碳纳米管等。其中，天然鳞片石墨具有良好的热传导性、导电性、抗热震性、耐腐蚀性等，是一种良好的导电基体材料。

对于导电填料的粒径来说，常见的情况是小粒径填料与粘结剂粘接状况比较好，界面结合状态较强致使裂纹很难沿着填料与树脂界面层扩展，从而获得较好的力学性能，但是粘结剂包覆于填料表面形成树脂绝缘层，阻断了部分导电通路，并且同等质量下小粒径填料之间的界面增多，界面电阻增大，双重作用导致了电导率的下降；而相同质量下大粒径填料数量较少，颗粒间界面减少，界面电阻减小，从而获得较得高电导率，但是大粒径填料与粘结剂粘接性能较差，存在粘结剂对部分填料包覆不完全，导致了力学性能下降。因为粒径对两大性能的影响，所以选择恰当的粒径才可以得到较好的综合性能。