CN100438174C - 一种地聚合物基复合材料双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法。一种地聚合物基复合材料双极板，其特征在于它由偏高岭土、电导材料和水玻璃溶液原料制备而成；电导材料由石墨和碳纤维组成，石墨掺量为偏高岭土质量的20～40%，碳纤维掺量为偏高岭土质量的10%～20%；水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.4～0.8∶1；所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液的模数m＝2.8～3.5，波美度Be＝35～45。本发明制作的双极板具有成本低、耐腐蚀性能好、机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种质子交换膜燃料电池双极板及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于能量转化效率高、环境友好、性能稳定、清洁化生产，在车载驱动电源、便携式电源和家庭用电站等方面有着十分广阔的应用前景，已成为新型能源的一个重要发展方向。
但是，成本太高是PEMFC目前难以商业化应用的主要因素。其中，双极板约占整个PEMFC总质量的70％～80％，成本约占总成本的40％～50％。目前，双极板材料主要有三种：石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板，但它们都有明显的缺陷：石墨类材料机械强度(特别是弯曲强度)低，脆性大，难以薄片化，气密性差，而且加工成本高(其加工成本占总成本的50％以上)；金属双极板的密度大，易腐蚀；复合材料双极板则技术仍不很成熟，而且成本也高。因此，要选择合适的双极板材料、合理的制备工艺，以求降低电池的内阻、提高电池的输出功率，改善电池的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本高性能的地聚合物基复合材料双极板及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种地聚合物基复合材料双极板，其特征在于它由偏高岭土、电导材料和水玻璃溶液原料制备而成；电导材料由石墨和碳纤维组成，石墨掺量为偏高岭土质量的20～40％，碳纤维掺量为偏高岭土质量的10％～20％；水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.4～0.8∶1；
所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液的模数m＝2.8～3.5，波美度Be＝35～45。水玻璃溶液由硅酸钠、氢氧化钠和水构成，由氢氧化钠和水调整模数和波美度。
所述的水玻璃溶液的模数m＝3.19，波美度Be＝39.2。
所述的石墨的纯度≥99.85wt％，细度＜90μm。
所述的碳纤维的长度小于4mm，直径＜0.2mm。
上述一种地聚合物基复合材料双极板的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)按照石墨掺量为偏高岭土质量的20～40％，碳纤维掺量为偏高岭土质量的10％～20％，水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.4～0.8∶1选取偏高岭土、石墨、碳纤维和水玻璃溶液原料，其中电导材料由石墨和碳纤维组成；所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液的模数m＝2.8～3.5，波美度Be＝35～45；
2)将偏高岭土和电导材料混合搅拌均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料注入带有反向气体流道的金属模具中，在120～180℃条件下热压15min～20min，脱模，脱模后放在20±2℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液中浸泡10～12h，弱酸溶液的pH＝5～6，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
本发明水化机理为：当水玻璃溶液加入粉料(偏高岭土和电导材料)中，与粉料颗粒接触后，大量溶解出OH-阴离子，形成碱金属阳离子和OH-离子胶体溶液，这些离子键力迅速将Si-O-Si、Si-O-Al等共价键溶解，释放出自由移动的Si和Al单体，溶解出的单体接着进行重构和自组织，经重构的单体发生类似于有机高分子聚合物形成时的缩聚反应，聚合成为网络状类沸石硅铝化合物，化学式表达如下：
硅酸盐水泥水化硬化生成Ca(OH)2晶体和低聚水化硅酸凝胶(主要在二聚和三聚体)，晶体互相交织并与无定型物质粘结在一起，主要以范德华键以及氢键为主。而地聚合物材料的为[-Si-O-Al-O-]n组成的三维网络结构，聚合程度高，且不存在Ca组分，主要以离子键及共价键为主，在高温下亦能保持网络结构完整，因而地聚合物材料具有比水泥更高的强度、硬度、韧性、高温稳定性、耐强酸腐蚀、耐水热环境作用。
偏高岭土(地聚合物)具有以下主要特点：
1)耐腐蚀性优良，在5％的H2SO4溶液浸泡60d后，质量损失率只有7％；
2)体积稳定性好，28d的体积收缩值只有0.5％；
3)低渗透性，偏高岭土的渗透率为10-10m/s的数量级(普通混凝土则为10-9～10-10的数量级)；
4)强度高，28d抗弯强度10～15MPa，抗压强度为90MPa以上；
5)生产成本低，偏高岭土的能耗是生产水泥的1/6～1/4，陶瓷的1/20，钢的1/70，塑料的1/150。
地聚合物基复合材料双极板的性能指标：
1)、电导率＞100S/cm；
2)、耐腐蚀性：腐蚀速度＜0.016mA/cm2；
3)、强度：弯曲强度＞20MPa；
4)、阻气性：最大平均透过系数＜1.0×10-4cm3/(s·cm2)；
5)、密度：＜2.2g/cm3；
6)、原料成本：＜100RMB/kg；
7)、双极板总成本：＜0.05RMB/cm2。
本发明是以偏高岭土(地聚合物)为基体，加入石墨和碳纤维做导电填料，以水玻璃溶液为碱激发剂，从而获得一种低成本高性能的地聚合物基复合材料双极板(在保证导电率、强度的基础上大幅度降低双极板的成本)。本发明制作的双极板具有成本低、耐腐蚀性能好、机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行对质子交换膜燃料电池无毒害与污染、价格低廉的特点。
具体实施方式
比较实施例1(导电材料为石墨)：
1)按表1选取3组原料(序号1-3)，表1中液为水玻璃溶液，固为偏高岭土和电导材料(以下相同)。
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料注入带有反向气体流道的金属模具中，在120～180℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在20℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝5～6)中浸泡12h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
对其各项性能进行测试，结果见表2。
表1
表2性能测试结果
| 序号 | 电导率 | 强度/MPa | 腐蚀率 | 最大平均透 | 密度 |
| S/cm | 抗压强度 | 抗弯强度 | mA/cm<sup>2</sup> | 过系数cm<sup>3</sup>/(s·cm<sup>2</sup>) | g/cm<sup>2</sup> | |
| 1 | 56 | 80 | 18 | 0.0057 | 3.7×10<sup>-6</sup> | 2.34 |
| 2 | 89 | 67 | 14 | 0.0059 | 1.9×10<sup>-6</sup> | 2.08 |
| 3 | 112 | 50 | 12 | 0.0048 | 0.7×10<sup>-6</sup> | 1.82 |
表2的结果表明：导电材料为石墨时，强度低。
比较实施例2(导电材料为碳纤维)：
1)按表3选取2组原料(序号1-2)。
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料注入带有反向气体流道的金属模具中，在120～180℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在20℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝5～6)中浸泡12h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
对其各项性能进行测试，结果见表4。
表3
表4性能测试结果
表4的结果表明：导电材料为碳纤维时，强度高。
比较实施例3(导电材料为石墨和碳纤维)：
1)按表5选取2组原料(序号1-2)。
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料注入带有反向气体流道的金属模具中，在120～180℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在20℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝5～6)中浸泡12h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
对其各项性能进行测试，结果见表6。
表5
表6性能测试结果
表6性能测试结果表明，当石墨掺量小于偏高岭土质量的20％时，电导率＜100S/cm。
实施例1：
一种地聚合物基复合材料双极板的制备方法，它包括如下步骤：
1)按表7选取4组原料(序号1-4)。所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得。所述的石墨的纯度≥99.85wt％，细度＜90μm。所述的碳纤维的长度小于4mm，直径＜0.2mm。
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料在JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌后，注入带有反向气体流道的金属模具(双极板成型模具)中，在120～180℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在20±2℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯，得到的素坯质地坚硬，表面光滑平整，无裂纹；
4)由于碱激发剂(即水玻璃溶液)在地聚合物(即偏高岭土)形成时不可能完全反应掉，少量多余的水玻璃在燃料电池中将会分解，Na+、SiO3 2-等离子溶出，从而影响燃料电池的输出功率；为了解决这个问题，将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝5～6，如硫酸溶液)中浸泡10～12h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
地聚合物基复合材料双极板性能测试结果见表8
表7
表8性能测试结果
表8性能测试结果表明所得地聚合物基复合材料双极板，低成本高性能(石墨的成本低，碳纤维提高性能，偏高岭土成本低)。
实施例2：
一种地聚合物基复合材料双极板的制备方法，它包括如下步骤：
1)按表9选取12组原料(序号1-12，相应制成12个双极板)。所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得。所述的石墨的纯度≥99.85wt％，细度＜90μm。所述的碳纤维的长度小于4mm，直径＜0.2mm。
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料在JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌后，注入带有反向气体流道的金属模具(双极板成型按现有方法实施)中，在120～180℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在20±2℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯，得到的素坯质地坚硬，表面光滑平整，无裂纹；
4)由于碱激发剂(即水玻璃溶液)在地聚合物(即偏高岭土)形成时不可能完全反应掉，少量多余的水玻璃在燃料电池中将会分解，Na+、SiO3 2-等离子溶出，从而影响燃料电池的输出功率；为了解决这个问题，将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝5～6，如硫酸溶液)中浸泡10～12h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
表9
实施例3：
一种地聚合物基复合材料双极板的制备方法，它包括如下步骤：
1)按照石墨掺量为偏高岭土质量的20％，碳纤维掺量为偏高岭土质量的10％；水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.4∶1选取偏高岭土、石墨、碳纤维和水玻璃溶液原料，其中电导材料由石墨和碳纤维组成；所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土在600℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液的模数m＝2.8，波美度Be＝35；所述的石墨的纯度≥99.85wt％，细度＜90μm；所述的碳纤维的长度小于4mm，直径＜0.2mm；
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料在JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌后，注入带有反向气体流道的金属模具中，在120℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在18℃，相对湿度90％的条件下养护14d得到双极板素坯，得到的素坯质地坚硬，表面光滑平整，无裂纹；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝5，如硫酸溶液)中浸泡10h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
实施例4：
一种地聚合物基复合材料双极板的制备方法，它包括如下步骤：
1)按照石墨掺量为偏高岭土质量的40％，碳纤维掺量为偏高岭土质量的20％；水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.8∶1选取偏高岭土、石墨、碳纤维和水玻璃溶液原料，其中电导材料由石墨和碳纤维组成；所述的偏高岭土为纯高岭土在850℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液的模数m＝3.5，波美度Be＝45；所述的石墨的纯度≥99.85wt％，细度＜90μm；所述的碳纤维的长度小于4mm，直径＜0.2mm；
2)将偏高岭土和电导材料用JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌，混合均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到混合均匀的粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料在JJ-5型水泥砂浆搅拌机充分搅拌后，注入带有反向气体流道的金属模具中，在180℃条件下热压15min，脱模，脱模后放在22℃，相对湿度100％的条件下养护14d(天)得到双极板素坯，得到的素坯质地坚硬，表面光滑平整，无裂纹；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液(pH＝6，如硫酸溶液)中浸泡12h，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
Claims (5)
1.一种地聚合物基复合材料双极板，其特征在于它由偏高岭土、电导材料和水玻璃溶液原料制备而成；电导材料由石墨和碳纤维组成，石墨掺量为偏高岭土质量的20～40％，碳纤维掺量为偏高岭土质量的10％～20％；水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.4～0.8∶1；
所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液由硅酸钠、氢氧化钠和水构成，由氢氧化钠和水调整模数和波美度；水玻璃溶液的模数m＝2.8～3.5，波美度Be＝35～45。
2.根据权利要求1所述的一种地聚合物基复合材料双极板，其特征在于：所述的水玻璃溶液的模数m＝3.19，波美度Be＝39.2。
3.根据权利要求1所述的一种地聚合物基复合材料双极板，其特征在于：所述的石墨的纯度≥99.85wt％，细度＜90μm。
4.根据权利要求1所述的一种地聚合物基复合材料双极板，其特征在于：所述的碳纤维的长度小于4mm，直径＜0.2mm。
5.如权利要求1所述的一种地聚合物基复合材料双极板的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)按照石墨掺量为偏高岭土质量的20～40％，碳纤维掺量为偏高岭土质量的10％～20％，水玻璃溶液与偏高岭土和电导材料的质量比为0.4～0.8∶1选取偏高岭土、石墨、碳纤维和水玻璃溶液原料，其中电导材料由石墨和碳纤维组成；所述的偏高岭土为市面出售的煤系高岭土或纯高岭土，在600～850℃的高温下煅烧所得；所述的水玻璃溶液的模数m＝2.8～3.5，波美度Be＝35～45；
2)将偏高岭土和电导材料混合搅拌均匀，得粉料；将水玻璃溶液加入到粉料中，再充分搅拌获得浆料；
3)浆料注入带有反向气体流道的金属模具中，在120～180℃条件下热压15～20min，脱模，脱模后放在20±2℃，相对湿度95±5％的条件下养护14d得到双极板素坯；
4)将双极板素坯放在循环的弱酸溶液中浸泡10～12h，弱酸溶液的pH＝5～6，然后经过净水循环漂洗后，烘干成地聚合物基复合材料双极板。
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