一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺-聚醚醚酮复合双极板及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺

A graphene reinforced expanded graphite / polyimide PEEK composite bipolar plate and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种复合双极板，具体涉及一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板及其制备方法，属于燃料电池制备


技术介绍

[0002]氢能是一种新型清洁能源，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将氢能转化为电能的化学装置，具有巨大的应用潜力。PEMFC采用氢气与氧气作为燃料生成无污染的水，不会产生二氧化碳等废气，对环境友好，符合未来对能源的要求，因此是最有潜力的未来电池之一；然而质子交换膜燃料电池由于催化剂成本高，双极板工艺复杂，扩散层制造成本高等缺点，使得其在商业化，实用化的道路上进展缓慢。尽管燃料电池的相关研究进展迅速；但是仍有许多制约燃料电池应用的因素。双极板(BP)是该设备的关键组件，它承担着膜电极组件(MEA)之间提供电连接和机械支撑，向阳极和阴极输送反应气体，并从电池中除去反应产物的作目前，质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板主要可以分为以下几类：传统石墨材料双极板，金属双极板和复合材料双极板。由于石墨的微结构的多孔性和脆性导致了传统石墨双极板的机械强度差、透气率比较高和加工性能也差等缺点。金属双极板存在的主要问题是在质子交换膜燃料电池内部的复杂环境下，由于金属腐蚀作用，使得双极板表面接触电阻变大，所产生的金属离子会对质子交换膜有毒害作用，会导致燃料电池的效率降低甚至导致燃料电池失效。复合材料双极板是由导电填料和聚合物树脂两部分组成，导电填料一般包括炭黑、碳纤维(CF)、膨胀石墨、碳纳米管、合成石墨(SG)和石墨烯等；聚合物树脂主要有聚丙烯、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)环氧树脂和酚醛树脂等。
[0003]与石墨双极板和金属双极板相比，复合材料双极板具有易于加工、耐腐蚀性好、导电性好等优点，但也存在透气率较高，机械强度不足等缺点。因此需要就石墨粉和树脂的类型及其配比进行高度优化对其性能进行改良，才能制造出符合要求的复合材料双极板。目前，美国能源部(DOE)提出的目标BP性能列于表1。
[0004]表1.美国能源部对双极板材料的要求
[0005][0006]这对复合材料双极板的透气率和机械性能提出了更高要求，为了改善复合材料双极板透气率和机械性能，许多学者将研究重点放在了树脂填料的选择和改性以及向双极板原料中加入碳纤维，石墨烯等增强体上。但是改性效果仍然不理想，存在抗弯强度和电导率
不高，石墨双极板易脆断，氢气透过率高等缺陷。
[0007]此外，聚酰亚胺(PI)是一种性能优异的工程树脂，其强度高，耐高温性、抗氧化性、耐腐蚀性能好，已被用作各类绝缘材料、航空发动机护罩和各类耐热防火材料，但是在燃料电池双极板领域的应用还未被开发。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中，复合材料双极板存在综合性能差(抗弯强度和电导率较低)、易脆断以及氢气透过率高等缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种具有较高抗弯强度和高电导率的石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板，能够克服现有传统复合石墨双极板存在易脆断、氢气透过率高等缺陷。
[0009]本专利技术的第二个目的是在于提供一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板的制备方法，该制备方法简单、原料成本低，有利于大规模生产。
[0010]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板的制备方法，该方法是将聚酰亚胺和聚醚醚酮与膨胀石墨和石墨烯通过湿法混料，得到混合物料；将混合物料依次通过干燥、模压和固化，即得石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板。
[0011]本专利技术的技术方案关键在于：一方面，通过引入石墨烯作为第二导电填料和增强材料，充分利用石墨烯材料的片层化结构，其与粘结树脂和膨胀石墨之间的亲和力都比较好，能够均匀分布处于膨胀石墨与粘结树脂的颗粒间隙中，与膨胀石墨颗粒之间很好地结合，形成导电通路并同时提高力学性能，适合用于双极板性能的改善。另外一方面，采用热固性的聚酰亚胺和热塑性的聚醚醚酮搭配作为粘结材料。聚酰亚胺(PI树脂)具有较好的耐腐蚀性能，与石墨之间具有理想的亲和力；而聚醚醚酮(PEEK树脂)具有柔性的醚键，并且柔性的醚基与石墨具有良好亲和力和浸润性。当PEEK树脂与PI树脂混合时，PEEK树脂能与PI树脂间的酰亚胺环之间形成氢键，从而加强了与PI树脂和PI树脂之间的结合力，提高双极板的性能。PI树脂中的酰亚胺环保证了基体良好的强度，PEEK中的羰基与PI树脂间形成氢键，从而增强PEEK与PI树脂之间的结合力。并且，由于PI树脂是热固性的在升温固化过程中，PI树脂会形成网状结构，具有柔性醚键的PEEK树脂填充在PI树脂网络和膨胀石墨之间，起到缓和热冲击的作用，在到冷却固化时，具有柔性基团醚键的PEEK还会松弛应力，防止裂纹的出现。在间隙热塑性的PEEK树脂对网状热固性的PI树脂起到有效的增韧作用，在复合双极板受力时提供缓冲，防止复合石墨双极板的断裂，从而将两种树脂复合制备双极板，能够带来意想不到的效果。
[0012]作为一个优选的方案，聚酰亚胺和聚醚醚酮的质量比为1∶0.5～4.0。如果聚酰亚胺含量过高会导致双极板脆性增大，在受到力的作用时更容易产生裂纹，而聚醚醚酮含量过高则会导致双极板粘合不紧密，降低力学性能。聚酰亚胺和聚醚醚酮的质量比优选为1∶1～2。
[0013]作为一个优选的方案，聚酰亚胺和聚醚醚酮总质量与膨胀石墨和石墨烯的质量百分比组成为30～50％∶49～69％∶1～6％，以三者的总质量为100％计量。如果膨胀石墨比例过高，会导致双极板力学性能过低，膨胀石墨含量过低则会导致双极板导电性能无法满足要求。而石墨烯添加比例过低，因添加量不足，石墨烯颗粒无法填满双极板孔隙之间，无法
起到增强双极板性能的作用，如果石墨烯比例过高，则会由于石墨烯自身的高比表面能而发生团聚，同时也无法与树脂之间很好的浸润，从而降低双极板性能。聚酰亚胺和聚醚醚酮以及膨胀石墨等都是常规的商品化原料，如膨胀石墨可以购买于青岛恒润达石墨制品有限公司，聚酰亚胺可以购买于东莞亿精发塑胶厂(牌号为YJF520)，聚醚醚酮可以购买于东莞亿精发塑胶厂(牌号为650PF)。石墨烯聚酰亚胺和聚醚醚酮总质量与膨胀石墨和石墨烯的质量百分比组成优选为30～49％∶49～68％∶2～6％。
[0014]作为一个优选的方案，所述聚酰亚胺的平均粒径为30μm～40μm。
[0015]作为一个优选的方案，所述聚醚醚酮的平均粒径为30μm～40μm；
[0016]作为一个优选的方案，所述膨胀石墨的平均粒径为150μm～200μm。
[0017]作为一个优选的方案，所述石墨烯为微纳米片状材料。
[0018]本专利技术技术方案通过控制聚酰亚胺和聚醚砜与膨胀石墨的粒径，有利于组分之间的充分混合。
[0019]作为一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板的制备方法，其特征在于：将聚酰亚胺和聚醚醚酮与膨胀石墨和石墨烯通过湿法混料，得到混合物料；将混合物料依次通过干燥、模压和固化，即得石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板的制备方法，其特征在于：聚酰亚胺和聚醚醚酮的质量比为1∶0.5～4.0。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板的制备方法，其特征在于：聚酰亚胺和聚醚醚酮的总质量与膨胀石墨和石墨烯的质量百分比组成为30～50％∶49～69％∶1～6％。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚醚醚酮复合双极板复合双极板的制备方法，其特征在于：所述聚酰亚胺的平均粒径为30μm～40μm；所述聚醚醚酮的平均粒径为30μm～40μm；所述膨胀石墨的平均粒径为150μm～200μm。5.根据权利要求1所述的一种石墨烯增强膨胀石墨/聚酰亚胺
‑
聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁伊丽，曾浩东，江泽峰，
申请(专利权)人：广东氢发新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：