[发明专利]一种聚酰亚胺-石墨复合材料双极板的制备方法

说明书

本发明公开了一种聚酰亚胺‑石墨复合材料双极板的制备方法，该方法是将以石墨作为第一导电填料，将其与聚酰亚胺通过溶液混合方法得到聚酰亚胺/石墨混合粉料，采用表面负载聚酰亚胺的碳纤维纸作为第二导电填料和增强材料，碳纤维纸平铺在聚酰亚胺/石墨混合粉料内部，再将加有碳纤维纸的混合料夹在两块表面浸渍有聚酰亚胺的石墨纸之间，通过模压成型，热固化处理，得到聚酰亚胺/石墨复合材料双极板，其同时具有优异的电导率和抗弯强度；克服了现有的复合材料双极板的抗弯强度和电导率之间存在“此消彼长”的现象。

技术领域

本发明涉及一种双极板，特别涉及一种聚酰亚胺-石墨复合材料双极板的制备方法，属于碳材料技术开发领域。

背景技术

双极板是PEM燃料电池的关键组件。它们对这些电化学装置的长期运行具有至关重要的作用。它们在水和气体管理，燃料电池的机械稳定性和电气性能方面发挥主要作用。

聚合物电解质膜燃料电池或质子交换膜燃料电池(PEMFC)是小规模固定电站和移动应用的一个非常有希望的电源，由于其低的工作温度(60～80℃)和高的体积功率密度，PEMFC的结构包括双极板和膜电极组件(MEA)和气体扩散层(GDL)。双极板在PEMFC中具有多种功能：如收集电流，分离单个电池，在电池内分配燃料和氧化剂，将水从每个电池中排出，并冷却电池，并提供用于电池堆叠的结构支撑。

目前，传统PEMFC石墨双极板的成本占整个电池成本的至少38％，因为双极板主要是通过加工薄的石墨板制造的，而机械加工时间较长、效率低，导致成本增高。

很多文献中研究了不锈钢，铝，镍，铜，钛，块状非晶合金甚至碳钢。由于技术性能的合适结合和易于制造的低成本，大多数科学报告集中在不锈钢上。不过，不要忽视金属双极板在PEM燃料电池环境中经受电化学腐蚀性的过程。因此，较不导电的氧化物层的生长对组分的导电性产生负面影响。此外，从金属表面浸出的离子可能会使膜电极组件中的催化剂层中毒。即使非常少量的金属离子也可能大大降低燃料电池的整体功率密度。因此，需要进行表面改性或涂层保护以确保这些缺点不会缩短双极板的使用寿命。

具有热塑性或热固性树脂基体的石墨/聚合物复合材料双极板在耐腐蚀性和低重量方面优于金属材料双极板。另外，它们可以以经济的方式以模压，注射成型工艺生产，具体方法取决于待制造样品的单元数量。有几种不同类型的市售石墨/聚合物复合双极板,如聚丙烯(PP)，聚苯硫醚(PPS)，聚偏二氟乙烯(PVDF)和酚醛树脂。然而，它们对气体更具渗透性，并且比金属板具有更低的体积电导率和机械强度。然而，复合双极板对于固定式燃料电池来说机械强度是完全足够的。只有当燃料电池取代内燃机时，才考虑车辆应用的典型特征。所以最重要的障碍是缺乏电导率和稳定性，这是最终设备独立应用的关键。尽管PEM燃料电池的制造商已经有成熟的商业产品，但是不断寻求开发更好的复合材料，使其具有最大化的电导率，更好的稳定性。定制这种先进材料的途径是在聚合物基质中掺入除传统石墨之外的其它碳基导电填料。这些是碳黑(CB)，多壁和单壁碳纳米管(MWCNT和SWCNT)，碳纤维，石墨及其组合。导电网络和复合材料的机械强度取决于添加颗粒的含量，形态，加工工艺和尺寸。这种非常复杂的行为通常在文献中针对特定的填料和树脂基体对进行研究。

发明内容

针对现有的PEM燃料电池双极板存在的问题，本发明的目的是在于提供一种抗弯强度和电导率等综合性能高的双极板的制备方法，该双极板还能够克服传统石墨双极板易脆断，氢气透过率高等缺陷。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种聚酰亚胺-石墨复合材料双极板的制备方法，其包括以下步骤：

1)将石墨与聚酰亚胺溶液混合并超声处理后，在搅拌条件下进行干燥，干燥物料进行粉碎，得到聚酰亚胺/石墨混合粉料；

2)将石墨纸和碳纤维纸分别置于聚酰亚胺溶液中反复浸渍和干燥，得到表面负载聚酰亚胺的石墨纸和碳纤维纸；