專利名稱：一種柔性石墨雙極板及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種純?nèi)嵝允剂想姵仉p極板及其制備方法。屬于燃料電池雙極板材料與制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)的雙極板(Bipolar Plates)，也稱集流板，起著分隔氧化劑與還原劑的作用，并將反應(yīng)物通過板面的流場均勻分配到電極各處，與電極催化劑層進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
因此，為了有效的分隔氧化劑與還原劑，雙極板要求具有很好的阻氣功能；雙極板具有集流作用，要求雙極板必須是電的良導(dǎo)體；確保電池在工作時溫度分布均勻并使電池的廢熱順利排除，雙極板必須是熱的良導(dǎo)體；而且雙極板必須具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，因為燃料電池電解質(zhì)為酸性條件；同時，雙極板兩側(cè)應(yīng)加工或置有使反應(yīng)氣體均勻分布的通道(即所謂的流場)，以確保反應(yīng)氣在整個電極各處的均勻分布，因此雙極板應(yīng)具有良好的加工性能和機(jī)械性能；為了提高電池的體積功率和質(zhì)量功率，雙極板還應(yīng)具有密度小、質(zhì)量輕、體積小的優(yōu)點。這樣，作為質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池雙極板的基本要求為耐腐蝕，導(dǎo)電性能好，透氣率低，重量輕。
目前雙極板主要采用的材料有金屬材料、不透性石墨(人造石墨)、炭—炭復(fù)合材料。
采用人造石墨制造的雙極板導(dǎo)電及耐腐蝕性均好。缺點是人造石墨的制作程序復(fù)雜而嚴(yán)格，耗工費時。而且，由于人造石墨質(zhì)脆，因此要求雙極板的厚度較大，一般為3mm左右，不利于電池體積比功率的提高，同時使得流場加工困難，成本極高，不利于批量商業(yè)化生產(chǎn)。目前人造石墨多使用于燃料電池性能測試和燃料電池研究。
金屬材料制造的雙極板，厚度小(一般可達(dá)到0.1～0.5mm)，有利于體積比功率的提高；可采用沖壓沖剪等機(jī)械化生產(chǎn)方法加工孔道與流場，加工成本低、方法簡單，適于商業(yè)化大批量生產(chǎn)。但是，金屬材料雙極板經(jīng)過長期使用易受腐蝕，腐蝕后產(chǎn)生氧化膜，造成導(dǎo)電率降低，因此必須解決金屬板的腐蝕問題。目前，多采用的是金屬表面改性。通過改性，不但可防止輕微腐蝕的產(chǎn)生，而且可以使接觸電阻保持恒定，不隨時間而增大。如專利US6,426,161介紹了利用鎂、鋁制造燃料電池雙極板，并且提出了利用電鍍、電化學(xué)沉積或其它方法在金屬表面合成薄膜，如金屬—聚四氟乙烯；專利US5,776,624介紹了利用黃銅制備質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，并且提出雙極板由幾層構(gòu)成，表面為一種合金，含有鎳、鉻、鈦；專利WO2001/28020-A1提出在金屬表面鍍(PVD)TixAlyN耐蝕導(dǎo)電涂層，并用非晶石墨封孔制備燃料電池雙極板。還有利用柔性石墨紙與不銹鋼板一起模壓制造金屬材料雙極板?？傊?，其主要目的是增強(qiáng)金屬板的耐腐蝕性，但是這些保護(hù)膜會影響金屬的導(dǎo)電性并且使雙極板的成本大大提高。因此，金屬材料制造質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池雙極板還需要深入的研究。
近年來，國內(nèi)外還開發(fā)了一系列炭類雙極板材料，如專利US6,248,467-B1提出模壓乙烯基樹脂+石墨粉末制造PEMFC雙極板；專利CN1282349提出了用10～30wt％低粘度熱固性樹脂和70～90wt％導(dǎo)電骨料模壓制造復(fù)合材料雙極板；專利EP1192032-A1提出用膨脹石墨和熱塑性樹脂制備燃料電池雙極板；還有專利提出用樹脂浸漬改善硬石墨材料，使流場容易加工，并且采用模壓、注塑等快速成型方法，或者用石墨填充聚合物的方法等等。這些雙極板多采用炭與樹脂作基體材料，利用注塑、熱壓成型的方法，可以大大降低雙極板的制造成本，但是其導(dǎo)電性能、雙極板厚度、重量方面都不是很理想。
柔性石墨具有雙極板所需的耐腐蝕，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，密度低等基本優(yōu)點，因此有專利提出柔性石墨與樹脂或金屬板復(fù)合，但是一方面成本較高，另一方面仍會出現(xiàn)導(dǎo)電率不好的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出一種耐腐蝕，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好、且制備工藝簡單、成本低的柔性石墨雙極板及其制備方法。
本發(fā)明提出的一種柔性石墨雙極板，其特征在于它主要含有膨脹石墨蠕蟲和添加劑，所述石墨蠕蟲中含碳量不小于99wt％。
在上述柔性石墨雙極板中，所述膨脹石墨蠕蟲用電化學(xué)法插層鱗片制備，也可用已有方法制備膨脹石墨，并且在900～1000℃下膨化制備膨脹石墨蠕蟲。
本發(fā)明提出的一種柔性石墨雙極板的制備方法，其特征在于所述方法依次按如下步驟進(jìn)行(1)將石墨蠕蟲填入模具中，在30～100MPa壓力下直接成型，一步形成流場及進(jìn)、出氣、水孔；(2)濃度為5～20wt％的硼酸溶液、膠類聚合物中的一種或兩種浸漬雙極板，并在100～200℃進(jìn)行熱處理1～2小時。
在上述制備方法中，步驟(1)可采用分步成型方法，即先將石墨蠕蟲填入模具中，在10～20MPa壓力下成型柔性石墨平板，然后放入上下模芯及烘干后的平板，在30～100MPa壓力下成型雙極板，直接形成流場及進(jìn)、出氣、水孔。
在上述制備方法中，步驟(2)所述膠類聚合物為502膠、聚醋酸乙酯、導(dǎo)電膠中的任何一種。
利用本發(fā)明的方法制備的燃料電池雙極板密度為1.5～1.8g/cm3，厚度為1.0～3.0mm。直接成型的純石墨蠕蟲雙極板抗拉強(qiáng)度為6～15MPa，經(jīng)過浸漬處理的雙極板強(qiáng)度為8～20MPa。浸漬后的雙極板具有耐腐蝕，與電極、電解質(zhì)不發(fā)生作用、重量輕、厚度小、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，防透氣性能好，且制備工藝簡單、成本低等優(yōu)點。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明實施例11)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，放入上、下模芯，在40±10MPa壓力下直接成型雙極板；2)浸漬聚醋酸乙酯，150℃熱處理2小時；3)所得雙極板厚度為1.0～3.0mm，密度為1.2～1.5g/cm3，導(dǎo)電率為1.0×104S/m～1.0×105S/m，導(dǎo)熱率大于90W/m·k。
實施例21)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在10～20MPa壓力下成型柔性石墨平板；2)放入上下模芯及平板，在80±10MPa壓力下，成型雙極板；3)表面涂502膠，100℃熱處理1小時；4)所得雙極板厚度為1.0～3.0mm，密度為1.5～1.7g/cm3，導(dǎo)電率為1.0×104S/m～1.0×105S/m，導(dǎo)熱率大于100W/m·k。
實施例31)利用120℃、10wt％硼酸溶液浸漬電化學(xué)插層得到的可膨脹石墨半小時；2)在900～1000℃下膨化制備膨脹石墨蠕蟲；3)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在15MPa壓力下成型柔性石墨平板；4)浸漬聚醋酸乙酯，200℃熱處理2小時；5)放入上下模芯及平板，在50±10MPa壓力下，成型雙極板；6)所得雙極板厚度為1.0～3.0mm，密度為1.2～1.6g/cm3，導(dǎo)電率大于1.0×104S/m，導(dǎo)熱率大于80W/m·k。
實施例41)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在10～20MPa壓力下成型柔性石墨平板；2)取出平板，并將平板放入120℃，10wt％硼酸溶液中浸漬半小時；3)放入上下模芯及平板，在60±10MPa壓力下成型雙極板；4)浸漬聚醋酸乙酯，120℃熱處理2小時；5)所得雙極板厚度為1.0～3.0mm，密度為1.3～1.6g/cm3，導(dǎo)電率大于1.0×104S/m，導(dǎo)熱率大于80W/m·k。
實施例51)將膨脹石墨蠕蟲填入模具中，在10～20MPa壓力下成型柔性石墨平板；2)放入上下模芯，在70±10MPa壓力下成型雙極板；3)浸漬導(dǎo)電膠，180℃熱處理2小時；4)所得雙極板厚度為1.0～3.0mm，密度為1.5～1.7g/cm3，導(dǎo)電率大于1.0×104S/m，導(dǎo)熱率大于80W/m·k。
權(quán)利要求
1.一種柔性石墨雙極板，其特征在于它主要含有膨脹石墨蠕蟲，所述石墨蠕蟲中含碳量不小于99wt％。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種柔性石墨雙極板，其特征在于所述膨脹石墨蠕蟲用電化學(xué)法插層鱗片制備，也可用已有方法制備膨脹石墨，并且在900～1000℃下膨化制備膨脹石墨蠕蟲。
3.一種柔性石墨雙極板的制備方法，其特征在于所述方法依次按如下步驟進(jìn)行(1)將石墨蠕蟲填入模具中，在30～100MPa壓力下直接成型，一步形成流場及進(jìn)、出氣、水孔；(2)用濃度為5～20wt％的硼酸溶液、膠類聚合物中的一種或兩種浸漬雙極板，并在100～200℃進(jìn)行熱處理1～2小時。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種柔性石墨雙極板的制備方法，其特征在于步驟(1)可采用分步成型方法，即先將石墨蠕蟲填入模具中，在10～20MPa壓力下成型柔性石墨平板，然后放入上下模芯及烘干后的平板，在30～100MPa壓力下成型雙極板，直接形成流場及進(jìn)、出氣、水孔。
5.按照權(quán)利要求3所述的一種柔性石墨雙極板的制備方法，其特征在于步驟(2)所述膠類聚合物為502膠、聚醋酸乙酯、導(dǎo)電膠中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種純?nèi)嵝允剂想姵仉p極板及其制備方法，屬于燃料電池雙極板材料技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于整個雙極板是由石墨蠕蟲組成，并且利用浸漬和直接添加的方法在蠕蟲中混和少量添加劑，或者利用直接涂抹的方法在雙極板表面形成薄膜。具體制備方法是將石墨蠕蟲填加入模具中，采用模壓或輥壓的方法直接成型或分步成型雙極板，成型壓力為30～100MPa。本發(fā)明制備的燃料電池雙極板密度為1.2～1.7g/cm
文檔編號H01M4/96GK1560947SQ20041000846
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者鄭永平, 武濤, 沈萬慈, 康飛宇 申請人:清華大學(xué)