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CN112993294A - 一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备与应用 - Google Patents

一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池领域，公开了一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备与应用。所述复合双极板是由聚苯硫醚、聚偏氟乙烯、氢化乙烯‑丁烯‑苯乙烯三嵌段共聚物、导电填料、增强纤维组成的碳塑复合板。所选填料导热性能好，强度高，化学稳定好，有很强的耐腐蚀性能和很高的导电性，可以大大提高复合材料双极板的力学性能、导电性和导热性。能够大幅度降低双极板的本体电阻和接触电阻，提高全电池性能。

Description

一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备与应用
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备与应用。
背景技术
能源问题与环境的日益严峻迫使人们不断地寻求更加清洁高效的新型能源，燃料电池(Fuel Cells)是一种将化学能直接转化为电能的能量转化装置，具有能量转化效率高、能量密度高、环境友好等众多优点，受到人们的日益关注。
目前商业化的双极板主要是无孔石墨板和改性金属板，无孔石墨板是由石墨和可石墨化的树脂混合，经复杂的石墨化工艺处理所得。这种方法制备的双极板存在强度低，需要3-5mm的厚度才能保持良好的机械性能，此外为了保证良好的气密性，这种石墨板需要多次浸渍树脂，且流场的机加工工艺费时费力，成本高。金属板易于批量化生产，机械性能好，但是存在在酸性介质中耐蚀性较差，与气体扩散层接触电阻较大的特点。
碳塑复合材料双极板制备材料来源广泛、加工工艺简单、成本低廉、能够实现批量化生产，大幅度降低成本，流场可以直接模压成型，避免了昂贵的机加工工艺。此外还可以通过组分调变和结构调变，使碳/聚合物复合双极板达到绝大多数应用场合下的使用标准。
燃料电池为了达到较高的功率密度，必须有效降低双极板本身的欧姆电阻、与扩散层间的接触电阻。为了保障双极板在使用过程中不易折断和破碎，起着粘结剂作用的树脂往往含量较高，造成了复合板的电导率较低，欧姆电阻大，全电池性能不佳。
中国专利公开说明书CN 109599574 A公开了一种高导电导热的电池复合材料双极板，具有高导电性、高导热性。该专利选用聚乙烯PE等作为热塑性高聚，并增加石墨纤维、石墨烯或碳纳米管作为填料。所选填料导热性能好，强度高，化学稳定好，有良好的耐腐蚀性能和导电性，可以提高复合材料双极板的力学性能、导电性和导热性。但是该专利工艺复杂，制备流程难以实现全自动化。
中国专利公开说明书CN103746131A中提出了一种将可溶性树脂融入有机溶剂，再灌入石墨蠕虫制备复合板的方法。该方法制备的双极板在较低的压力即可成型，具有较好的抗弯强度和电导率。但是在实验过程中采用了二次模压工艺，增加了制备过程中的工艺复杂性，降低了生产效率。
中国专利公开说明书CN106486683A中提出了一种磷酸镁水泥基复合双极板的制备方法，该方法制备的复合板具有低的气体渗透率和优异的耐蚀性能。但是这种工艺制备的双极板需要长达1天的固化时间，生产效率低，不利于双极板成本的降低，制备成本偏高。
发明内容
针对上述复合双极板所存在的问题，本发明提供了一种燃料电池用碳塑复合双极板及其制备方法与应用，可以在保持较高的电导率、良好的机械强度、耐蚀性等性能的同时，降低双极板的成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明一方面提供一种碳塑复合双极板，所述双极板由PPS树脂(聚苯硫醚树脂)、PVDF树脂(聚偏氟乙烯树脂)、SEBS树脂(氢化乙烯-丁烯-苯乙烯三嵌段共聚物)、导电填料、纤维增强材料组成；所述双极板中，PPS树脂的质量分数为5-20％，PVDF树脂的质量分数为5-15％，SEBS树脂的质量分数为2-5％，导电填料的质量分数为65-85％，纤维增强材料质量分数为3-15％。
基于以上技术方案，优选的，所述PPS树脂分子量为10万-20万；所述PVDF树脂分子量为25万-70万；所述SEBS树脂中，苯乙烯含量为15％-25％，所述SEBS树脂的200℃的熔融指数为5-15g/10min。
基于以上技术方案，优选的，所述导电填料为天然鳞片石墨、膨胀石墨、乙炔黑或石墨烯中的至少一种。
基于以上技术方案，优选的，所述天然鳞片石墨的纯度为85％-99.95％，粒径为200目-1500目，所述膨胀石墨的粒径为500目-3000目，所述乙炔黑粒径为2nm-50nm，石墨烯的层数为N层，所述1≤N≤5。
基于以上技术方案，优选的，所述纤维增强材料为碳纤维、碳纳米管、聚酯纤维中的至少一种；所述碳纤维、聚酯纤维直径为1-15μm，所述碳纤维、聚酯纤维的长径比为10:1-50:1；所述碳纳米管的直径为20-100nm，所述碳纳米管的长径比为20:1-80:1。
本发明另一方面提供一种上述双极板的制备方法，所述双极板是将原料预处理、混匀后采用模压成型工艺制备而成。
所述双极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将按上述比例所称量的PPS树脂、PVDF树脂、SEBS树脂、导电填料、增强纤维在室温20～30℃下球磨混合后得到原料物料，所述球磨的转速为40-150r/min，球磨混合时间为10min-40min；
(2)将步骤(1)中所制备的混合后的原料物料转移至带有流场的模具中，预压压力为50-100MPa，模压温度为280-360℃，模压压力为60-200MPa，模压时间为10min-40min；
(3)采用循环水冷却或者液压油冷却的方式，将步骤(2)中模具温度降至室温20～30℃，卸压、脱模、后处理制得所述双极板。
本发明再一方面提供一种上述双极板的应用，所述应用为：将上述双极板应用于质子交换膜燃料电池、碱性阴离子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池中。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明所选取的PPS树脂具有良好的力学强度，与SEBS树脂和PVDF树脂的结合可以使复合板达到优异的机械性能，此外，PVDF树脂与另外两种树脂的结合可以在复合板体系中形成良好的疏水结构，有利于生成水的排出。
2、本发明所选取的SEBS属于热塑性弹性体树脂，可以在PPS、PVDF树脂熔体中形成良好的弹性部分，降低复合板的脆性和空隙率。
3、本发明设计的模压工艺，设备要求简单，流场可以直接模压成型，工艺简单，成本低，同时生产的复合板高导电性能高，制品质量好。
4、与现有技术相比，本发明降低了树脂含量，提高碳塑复合双极板的电导率。
附图说明
图1为实施例1、2复合双极板电池的极化曲线图。
图2为商业化全石墨板与实施例1、2碳塑复合板接触角示意图。
具体实施方式
实施例1
分别称取PPS树脂(分子量为10万)1.0kg，PVDF树脂(分子量为30万)0.8kg，SEBS树脂(苯乙烯含量15％，200℃下熔融指数为6g/10min)0.2kg，天然鳞片石墨粉(纯度99.0％，400目)8.5kg，碳纤维(直径为5μm，长径比为20)0.4kg，加入到球磨机中，球磨温度为室温25℃，球磨速度为50r/min，球磨时间20min。然后将混合均匀的物料转移至带有流场的模具中，预压压力为60MPa，模压温度为320℃，模压压力为120MPa，模压时间为20min。最后采用循环水冷却的方式，将模具温度降至室温25℃，卸压、脱模制得碳/聚合物复合双极板。单池的操作条件为：阴、阳极铂担量为0.4/0.2mg cm-2，电池温度为65℃，氢气和空气全增湿，流量分别为0.1/0.8mL min-1.
实施例2
分别称取PPS树脂(分子量为10万)1.5kg，PVDF树脂(分子量为30万)0.75kg，SEBS树脂(苯乙烯含量20％，200℃下熔融指数为10g/10min)0.2kg，天然鳞片石墨粉(纯度99.0％，400目)9.0kg，碳纤维(直径为5μm，长径比为20)0.5kg，加入到球磨机中，球磨温度为室温25℃，球磨速度为80r/min，球磨时间15min。然后将混合均匀的物料转移至带有流场的模具中，预压压力为80MPa，模压温度为350℃，模压压力为100MPa，模压时间为30min。最后采用循环水冷却的方式，将模具温度降至室温25℃，卸压、脱模制得碳/聚合物复合双极板。
所制备的复合双极板应用于燃料电池的步骤以及电池性能测试条件同实施例1。
表1实施例1、2碳塑复合板的电导率、抗弯强度、接触电阻
Figure BDA0002318446010000041

Claims (8)

1.一种碳塑复合双极板，其特征在于：所述双极板由PPS树脂、PVDF树脂、SEBS树脂、导电填料、纤维增强材料组成；
所述双极板中，PPS树脂的质量分数为5-20％，PVDF树脂的质量分数为5-15％，SEBS树脂的质量分数为2-5％，导电填料的质量分数为65-85％，纤维增强材料的质量分数为3-15％。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述PPS树脂分子量为10万-25万；所述PVDF树脂分子量为25万-70万；所述SEBS树脂中，苯乙烯含量为15％-25％，所述SEBS树脂的200℃的熔融指数为5-15g/10min。
3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述导电填料为天然鳞片石墨、膨胀石墨、乙炔黑或石墨烯中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：所述纤维增强材料为碳纤维、碳纳米管、聚酯纤维中的至少一种；所述碳纤维、聚酯纤维的直径为5-20μm，所述碳纤维、聚酯纤维的长径比为10:1-50:1；所述碳纳米管的直径为20-100nm，所述碳纳米管的长径比为20:1-80:1。
5.根据权利要求3所述的双极板，其特征在于：所述天然鳞片石墨的纯度为85％-99.9％，粒径为200目-1500目，所述膨胀石墨的粒径为500目-3000目，所述乙炔黑粒径为2nm-50nm，所述石墨烯的层数为N层，所述1≤N≤5。
6.一种权利要求1-5任意一项所述的双极板的制备方法，其特征在于：所述双极板是将原料预处理、混匀后采用模压成型工艺制备而成。
7.根据权利要求书6所述的双极板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
a)将按权利要求1中的比例所称量的PPS树脂、PVDF树脂、SEBS树脂、导电填料、纤维增强材料在室温20～30℃下球磨混合后得到原料物料，所述球磨的转速为40-150r/min，球磨混合时间为10min-40min；
b)将步骤a)所制备的混合后的原料物料转移至带有流场的模具中，预压压力为50-100MPa，模压温度为280-360℃，模压压力为60-200MPa，模压时间为10min-40min；
c)采用循环水冷却或者液压油冷却的方式，将步骤b)中模具温度降至室温20～30℃，卸压、脱模、后处理制得所述双极板。
8.一种权利要求1所述双极板的应用，其特征在于：所述双极板应用于质子交换膜燃料电池、碱性阴离子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池中。
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