本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法与在燃料电池双极板中的应用。本发明专利技术的复合材料含有如下组分和重量百分比：导电骨料２９－５０％，聚合物树脂５０－７０％。本发明专利技术的复合材料还含有增强纤维，其重量百分比为１－５％。利用本发明专利技术复合材料制备的燃料电池双极板具有高导电性能，常温下体积电导率为１３０－２５０Ｓ／ｃｍ；具有高机械强度，常温下弯曲强度为３０－４８ＭＰａ；室温下密度为１．４－１．７ｇ／ｃｍ↑［３］，厚度为２．０－４．０ｍｍ，耐腐蚀、质轻、气密性好。本发明专利技术通过模压成型的方法，省去了在复合材料表面上机械加工流场的过程，从而大幅度降低了双极板的制作成本，且得到的双极板表面流场结构具有很好的一致性。
【技术实现步骤摘要】
一种复合材料及其制备方法与在燃料电池双极板中的应用
本专利技术涉及燃料电池
，具体涉及一种复合材料及其制备方法与在燃料电池双极板中的应用。
技术介绍
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点是能量转换效率高，此外，还具有燃料多样化、环境污染小、噪音低、可靠性及维修性好、低温启动、无电解质泄漏等优点。适用于交通、电站、可移动电源及潜艇等多种用途，具有广阔的市场前景。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸型离子交换膜为电解质、以Pt/C为电催化剂、氢气或重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂、工作温度一般在60～100℃的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种高效、节能、安全可靠的新型环保电池。作为燃料电池的重要组成部分之一，双极板是影响电池性能，尤其是影响电池功率密度和制造成本的一个重要因素。质子交换膜燃料电池使用的双极板要求具有以下功能和特点：(1)分隔氧化剂与还原剂。要求双极板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料。如果采用，必须要采取措施堵孔。-->(2)有收集电流作用，必须采用电的良导体；极板必须是热的良导体，以保证电池组的温度均匀分布和排热方案的实施。(3)双极板材料必须能在电池工作条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。(4)双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道(即所谓的流场)，以确保反应气在整个电极各处均匀分布。(5)双极板材料应质量轻、强度好，并且适于批量加工。目前，PEMFC双极板主要采用无孔石墨材料，金属材料和石墨/树脂复合型材料。石墨双极板性质稳定，但质脆，并且传统的加工方法难度高，成本高，而且成型周期长。金属的导电性、导热性和致密性好，适合用于双极板使用。并且金属的强度高、韧性好，易加工得到很薄的双极板。但金属双极板在酸性、氧化性的实际使用过程中会发生腐蚀和钝化的问题。以石墨为导电基体、高性能树脂为粘合剂的复合材料通过模压或注塑成型技术可一次制备出具有一定形状流场的复合材料双极板。其生产效率高且易于大批量生产，成本大幅度下降，具有和石墨板相同的耐腐蚀性能，是PEMFC双极板发展的主流和方向[short carbon fiber reinforced electrically conductivearomatic polydisulfide/expanded graphite nanocomposites.L.N.Song，M.Xiao，X.H.Li，Y.Z.Meng.Materials Chemistry andPhysics，2005，93：122-128]。国内专利ZL 200310112927.6中，采用高含量的导电骨料，以酚醛改性的乙烯基树脂或不饱和P17-902聚脂树脂为粘合剂，制备得到-->的复合材料。其导电性和透气性比单一的石墨板均有所提高，但其力学性能较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有双极板复合材料存在的不足，提供一种具有高导电性能、高机械强度、耐腐蚀、质轻、气密性好的双极板复合材料。本专利技术的另一个目的是提供上述复合材料的制备方法。本专利技术的另一个目的是提供上述复合材料在制备燃料电池双极板中的应用。本专利技术的进一步目的是提供利用上述复合材料制备燃料电池双极板的方法。本专利技术的复合材料，含有如下组分和重量百分比：导电骨料 29-50％聚合物树脂 50-70％。上述本专利技术的复合材料还含有增强纤维，其重量百分比为1-5％。上述导电骨料为具有不同体积膨胀比的膨胀石墨，其体积膨胀比分别是100mL/g、200mL/g、300mL/g，优选200mL/g。上述聚合物树脂为热塑性树脂或热固性树脂或其混合物；所述热塑性树脂为聚丙烯、聚酰胺、聚酯、含氟聚合物、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮酮或聚芳醚砜；所述热固性树脂为乙烯酯树脂、环氧树脂或砜树脂。上述增强纤维是碳纤维，为预氧化PAN纤维、热固性沥青纤维、-->石墨化PAN纤维、碳化沥青纤维、长碳纤维、短碳纤维。上述复合材料的制备方法是：采用溶剂将聚合物树脂溶解，然后把导电骨料和增强纤维分散到聚合物溶液中，混合均匀后，除去溶剂，得到复合材料。所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基亚砜(DMSO)。溶剂的用量为完全浸润膨胀石墨为宜。上述复合材料制备燃料电池双极板的方法是：将复合材料放入模压模具中，将其置于带有温控装置的平板硫化机中，在成型温度280-380℃，成型压力10-25MPa下进行模压加工，脱模后得到带有均匀流场的双极板。成型温度优选320-360℃，成型压力优选15-20Mpa，保温时间10-30min。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1、利用本专利技术复合材料制备的燃料电池双极板具有高导电性能，常温下体积电导率为130-250S/cm；具有高机械强度，常温下弯曲强度为30-48Mpa；室温下密度为1.4-1.7g/cm3，厚度为2.0-4.0mm，耐腐蚀、质轻、气密性好。2、本专利技术通过模压成型的方法，省去了在复合材料表面上机械加工流场的过程，从而大幅度降低了双极板的制作成本，且得到的双极板表面流场结构具有很好的一致性。附图说明图1为均匀流场的双极板图。具体实施方法实施例1：-->将重量比为70％的聚芳醚砜(PES)溶解于N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，加入重量比为30％的膨胀石墨EG(200mL/g)，搅拌均匀后去除溶剂，将干燥后的复合材料放入到模板中，冷压使其密实。然后在340℃，20MPa，保温15min的条件下，模压成型。因所使用的模板具有刻好的流场，从而可直接得到具有均匀流场的双极板，如图1。其主要性能见表1.实施例2：将聚芳醚砜(PES)和膨胀石墨EG(200mL/g)重量比调整为50∶50。其余同实施例1。其主要性能见表1。实施例3：在实施例2中保持聚芳醚砜(PES)比例不变，加入重量比为4％短碳纤维(3mm)。其余同实施例1。其主要性能见表1。实施例4：将实施例3中的短碳纤维(3mm)换为短碳纤维(74μm)。其余同实施例3。其主要性能见表1。 表1 燃料电池双极板的主要性能 密度 (g/cm3) 电导率(S/cm) 弯曲强度 (MPa) 弯曲模量 (MPa) 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 1.462 1.561 1.635 1.627 151.06 227.27 196.08 192.31 34.98 31.35 43.29 44.27 2717.5 2669.9 2910.2 3369.3本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种复合材料，其特征在于含有如下组分和重量百分比：导电骨料２９－５０％聚合物树脂５０－７０％。
【技术特征摘要】
1、一种复合材料，其特征在于含有如下组分和重量百分比： 导电骨料 29-50％ 聚合物树脂 50-70％。2、如权利要求1所述的复合材料，其特征在于还含有增强纤维，其重量百分比为1-5％。3、如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述导电骨料为膨胀石墨，其体积膨胀比分别为100mL/g、200mL/g、300mL/g。4、如权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述聚合物树脂为热塑性树脂或热固性树脂或其混合物。5、如权利要求4所述的复合材料，其特征在于所述热塑性树脂为聚丙烯、聚酰胺、聚酯、含氟聚合物、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚酮酮或聚芳醚砜；所述热固性树脂为乙烯酯树脂、环氧树脂或砜树脂。6、如权利要求2所述的复合材...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟跃中，赵芸芳，肖敏，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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