一种复合双极板及其制备方法和应用

文档序号：1630092 发布日期：2020-01-14 浏览：29次 >En<

阅读说明：本技术 一种复合双极板及其制备方法和应用 (Composite bipolar plate and preparation method and application thereof ) 是由韩建崔龙倪大龙米新艳张克金张苡铭苏中辉曲英雪付中博于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合双极板及其制备方法和应用,复合双极板包括连接在一起的阳极板层和阴极板层,所述阳极板和阴极板均包括交替设置的石墨层和带有节点的碳纤维网层,且带有节点的碳纤维网层的两侧均设置有石墨层；通过在阳极板层和阴极板层交替设置石墨层和带有节点的碳纤维网层,使得到的复合双极板具有较好的柔韧性、机械强度、导电性以及导热性,在用于燃料电池中能够有效降低燃料电池的内阻,从而提高电池性能和放电效率。(The invention provides a composite bipolar plate and a preparation method and application thereof, wherein the composite bipolar plate comprises an anode plate layer and a cathode plate layer which are connected together, the anode plate and the cathode plate respectively comprise graphite layers and carbon fiber net layers with nodes which are alternately arranged, and the graphite layers are arranged on two sides of the carbon fiber net layers with the nodes; the graphite layers and the carbon fiber net layers with the nodes are alternately arranged on the anode plate layer and the cathode plate layer, so that the obtained composite bipolar plate has better flexibility, mechanical strength, electrical conductivity and thermal conductivity, and can effectively reduce the internal resistance of a fuel cell when being used for the fuel cell, thereby improving the cell performance and the discharge efficiency.)

一种复合双极板及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种复合双极板及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接、连续转变成电能的发电装置。作为一种新型化学能源，被誉为继水力发电、火力发电和核电之后的***发电技术。燃料电池的能量转化效率高(40％～60％)，环境友好，排放物只有水。质子交换膜燃料电池由许多单电池组成，而每个单电池由膜电极、扩散层和双极板三部分组成。双极板是PEMFC中的重要组成部分，其作用是分隔气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池，收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能。双极板的成本、重量分别占PEMFC的45％和80％，其高成本导致PEMFC的价格昂贵。

现阶段双极板的研究主要包括金属板、纯石墨板和复合材料板三大类。金属双极板具有良好的导电导热性，不会出现漏气问题，气体流道可冲压成型，易于实现批量化生产。但是金属双极板表面必须进行特殊处理以提高其化学稳定性，否则会导致金属双极板表面氧化膜增厚，导致接触电阻增大，降低电池性能。

纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，纯石墨板一般采用传统的机加工方法加工流道，因此加工过程耗时长，生产效率不高；再有纯石墨板性脆，其内部孔隙的存在易导致其易漏气，必须保持一定的厚度以保证其气密性，这就制约了电堆体积比功率和重量比功率的提升。

石墨基复合材料双极板具有和石墨相同的耐腐蚀性能，并具有优异的导电性和导热性，利用这类材料制作的双极板可通过模压工艺成型，流场可被一次成型，因而石墨基复合材料双极板易于一次成型，适合大规模生产，可以降低双极板的生产成本。

申请号为201310043424.1的专利公开了一种燃料电池用双极板的制造工艺，其利用膨胀石墨为碳基材料，树脂粉末为粘结剂，在复合材料制备中加入炭黑，小的炭黑颗粒帮助在石墨颗粒之间形成传导通道，通过增加电导率，碳纤维合并入复合双极板会产生很好的弯曲强度，但是其电导率和耐弯折强度仍有待提高。

申请号为200910072406.X的专利公开了一种膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板及其制备方法，它涉及一种双极板及其制备方法。该发明解决了质子交换膜燃料电池双极板导电性差、机械性能差问题。该发明双极板由膨胀石墨、热塑性酚醛树脂和六次甲基四胺制成，方法如下：将膨胀石墨与热塑性酚醛树脂的水溶液混合、过滤，然后将滤渣干燥后与六次甲基四胺球磨混合，再加入模具中模压，然后减压、升温，再保温模压、脱模，即得到膨胀石墨/酚醛树脂复合材料双极板，但是其抗弯折强度仍有待提高。

申请号为201610741160.0的专利公开了一种热压石墨双极板及制作工艺，具体方法为根据重量百分比选取石墨粉、酚醛树脂、炭黑、碳纤维，将石墨粉和酚醛树脂放入140-160℃捏合锅中进行初步混合，在初步混合后的混合物中加入炭黑和碳纤维，直至混合均匀，将混合后的复合材料在温度240-260℃、压力24-26MPa的环境下进行模压成型，并保温保压4-6分钟，将模压成型后的复合材料在温度340-360℃的保温箱中进行固化。但是其制备工艺条件复杂。

因此，开发一种电导率高以及耐弯折强度高的复合双极板非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合双极板及其制备方法和应用，通过在阳极板层和阴极板层交替设置石墨层和带有节点的碳纤维网层，使得到的复合双极板具有较好的柔韧性、机械强度、导电性以及导热性，在用于燃料电池中能够有效降低燃料电池的内阻，从而提高电池性能和放电效率。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种复合双极板，包括连接在一起的阳极板层和阴极板层，所述阳极板和阴极板均包括交替设置的石墨层和带有节点的碳纤维网层，且带有节点的碳纤维网层的两侧均设置有石墨层。

在本发明中，复合双极板中阳极板层和阴极板层均包括交替设置的石墨层和带有节点的碳纤维网层，使得到的复合双极板层具有较好的柔韧性、机械强度、导电性以及导热性，在用于燃料电池中能够有效降低燃料电池的内阻，从而提高电池的性能和放电效率。其中石墨层用来形成反应气体流动的流道以及电子的传导，通过带有节点的碳纤维网层能够使石墨层更好的结合在一起，提高复合板的抗折强度以及导电性。

在本发明中，所述阳极板层包括带有节点的碳纤维网层以及设置在带有节点的碳纤维网层两侧的石墨层。

在本发明中，所述阳极板层包括石墨层以及位于石墨层两侧依次设置的带有节点的碳纤维网层和石墨层。

在本发明中，所述阴极板层包括带有节点的碳纤维网层以及设置在带有节点的碳纤维网层两侧的石墨层。

在本发明中，所述阴极板层包括石墨层以及位于石墨层两侧依次设置的带有节点的碳纤维网层和石墨层。

在本发明中，所述石墨层的厚度为3-10mm，例如3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm等。当石墨层的厚度低于3mm，则模压后形成的复合板较薄，存在漏气的风险；当石墨层的厚度高于10mm，则模压后形成的复合板过厚，不利于电堆的小型化以及体积功率密度的提升。

在本发明中，所述石墨层的灰分含量低于0.4％，例如0.01％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.39％等。

在本发明中，所述石墨层中金属元素的含量低于10ppm，例如1ppm、2ppm、3ppm、4ppm、5ppm、6ppm、7ppm、8ppm、9ppm、10ppm等。

在本发明中，所述石墨层为膨胀石墨板层或石墨纸层。

在本发明中，所述膨胀石墨板层的密度为0.05-0.5g/cm³，例如0.05g/cm³、0.1g/cm³、0.15g/cm³、0.2g/cm³、0.25g/cm³、0.3g/cm³、0.35g/cm³、0.4g/cm³、0.45g/cm³、0.5g/cm³等。当膨胀石墨板的密度在该限定范围之内，便于模压成型；当膨胀石墨板层的密度低于0.05g/cm³，则模压成板后孔隙率过高，注胶后导致复合板的电导率过低；当膨胀石墨板层的密度高于0.5g/cm³，则模压成板厚孔隙率过低，注胶量过少，机械强度过低。

在本发明中，所述石墨纸层的密度为0.8-1.2g/cm³，例如0.8g/cm³、0.85g/cm³、0.9g/cm³、0.95g/cm³、1.0g/cm³、1.05g/cm³、1.1g/cm³、1.15g/cm³、1.2g/cm³等。当石墨纸层的密度在该限定范围之内，便于形成注胶和成型；当石墨纸层的密度低于0.8g/cm³，则会造成注胶量过多，导致复合板电导率过低；当石墨纸层的密度高于1.2g/cm³，则会造成注胶量过少，导致复合板机械强度过低。

在本发明中，所述带有节点的碳纤维网层中碳纤维网的目数为50-2000目，例如50目、100目、150目、200目、250目、300目、350目、400目、450目、500目、550目、600目、650目、700目、750目、800目、850目、900目、950目、1000目等。当碳纤维网的目数在该范围之内，便于模压成型后的复合板具有适宜的机械强度和电导率；当碳纤维网的目数低于50目，则不利于石墨层与层之间的结合；当碳纤维网的目数高于2000目，则模压成型后复合板机械强度提升不明显。

在本发明中，所述带有节点的碳纤维网层中经线碳纤维束和纬线碳纤维束的直径均为0.05-2mm，例如0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm等。当经线和纬线纤维束的直径高于2mm，则模压成型后石墨层与碳纤维容易分离翘曲；当直径低于0.05mm，则模压成型后复合板的机械强度以及电导率提升不明显。

本发明中经线纤维束和纬线纤维束仅是为了便于描述引入的概念，作为本领域公知，形成碳纤维网状结构，需要一组若干条平行设置的纤维束，以及另外一组若干条平行设置的纤维束，其中一组和另外一组交叉设置，能够形成纤维网状结构，其中将一组平行设置的纤维束称为经线纤维束，另一组与经线纤维束交叉设置的称为纬线纤维素。

在本发明中，所述带有节点的碳纤维网层中节点是通过在经线碳纤维束和纬线碳纤维束交界处打结处理形成的。

在本发明中，通过在经线碳纤维束和纬线碳纤维束交界处打结处理，能够明显改善复合板的机械强度和电导率；

在本发明中，所述节点的径向尺寸为0.1-2mm，例如0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm等。当节点的径向尺寸在给定的范围之内，则模压成型后的复合极板就有适宜的机械强度和电导率；当节点的径向尺寸低于0.1mm，则性能提升不明显；当节点的径向尺寸高于2mm，则容易造成石墨层的分离和翘曲。

在本发明中，所述阳极板层中设置有蛇形的流道。在阳极板设置蛇形通道的作用是为了便于氢气的流通。在本发明中，所述阴极板层中设置有直形的流道。在阴极板层设置直流通道的作用是为了便于空气的流通。

本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的复合双极板的制备方法包括：将阳极板层和阴极板层粘接，得到所述复合双极板。

在本发明中，所述阳极板层的制备方法包括：将石墨层和带有节点的碳纤维网层交替设置，确保带有节点的碳纤维网层两侧均设置有石墨层，压制，而后胶黏，得到所述阳极板层。

在本发明中，所述阴极板层的制备方法包括：将石墨层和带有节点的碳纤维网层交替设置，确保带有节点的碳纤维网层两侧均设置有石墨层，压制，而后胶黏，得到所述阴极板层。

本发明中，复合双极板的制备方法简单，原料易得，价格低廉，易于实现，便于工业大规模生产应用。

在本发明中，所述压制的方法包括模压和/或滚压，优选模压。

在本发明中，所述模压是通过模压机压制的。

在本发明中，所述模压机在模压过程中，采用的下压速度为0.2-2mm/min，下压压强为50-150MPa，模压时间5-20min。

在本发明中，在进行所述压制过程中，同时进行抽真空处理。

在本发明中，所述抽真空处理采用的真空度为(-0.09～-0.1)MPa，例如-0.09MPa、-0.091MPa、-0.092MPa、-0.093MPa、-0.094MPa、-0.095MPa、-0.096MPa、-0.097MPa、-0.098MPa、-0.099MPa、-0.1MPa等。

在本发明中，所述阳极板层在层压过程中采用的模具为带有蛇形形状的模具。

在本发明中，所述阴极板层在层压过程中采用的模具为带有直形形状的模具。

在本发明中，所述胶黏包括将压制后得到的层状物放入树脂胶中浸渍，而后固化。

在本发明中，所述浸渍的时间为1-24h，例如1h、3h、5h、7h、10h、12h、15h、17h、20h、22h、24h等。

在本发明中，所述浸渍是在真空环境中进行的。

在本发明中，所述真空环境的真空度为(-0.09～-0.1)MPa，例如-0.09MPa、-0.091MPa、-0.092MPa、-0.093MPa、-0.094MPa、-0.095MPa、-0.096MPa、-0.097MPa、-0.098MPa、-0.099MPa、-0.1MPa等。

在本发明中，所述树脂胶的粘度为(1-10)Pa·s，例如1Pa·s、2Pa·s、3Pa·s、4Pa·s、5Pa·s、6Pa·s、7Pa·s、8Pa·s、9Pa·s、10Pa·s等。

在本发明中，所述树脂胶为赫能41814胶水。

本发明中阳极板层和阴极板层通过树脂胶进行黏结，可以将阳极板层和以及板层中的孔隙有效填充，避免出现漏气的情况。

在本发明中，所述固化是在水浴中进行固化。

在本发明中，所述固化的时间为10-120min，例如10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等。

在本发明中，所述固化的温度为70-95℃，例如70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃等。

在本发明中，所述胶黏还包括将固化后得到的固化物进行干燥。

在本发明中，所述干燥包括将固化后得到的固化物放入干燥罐中，用干燥空气进行吹扫。

在本发明中，所述吹扫的温度为30-60℃，例如30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃等。

在本发明中，所述吹扫的时间为10-120min，例如10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等。

在本发明中，所述干燥空气的湿度为5-30％，例如5％、8％、10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％等。

本发明的目的之三在于提供一种质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池包括目的之一所述的复合双极板。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中通过在阳极板层和阴极板层交替设置石墨层和带有节点的碳纤维网层，使得到的复合双极板具有较好的柔韧性、机械强度、导电性以及导热性，在用于燃料电池中能够有效降低燃料电池的内阻，从而提高电池性能和放电效率，其中电导率高达93S·cm，抗折强度高达55MPa；复合双极板的制备方法简单、原料易得、价格低廉、便于工业大规模生产应用。

附图说明

图1为实施例1中阳极板层和阴极板层的结构图；

图2为实施例6中阳极板层和阴极板层的结构图；

其中，1为石墨层，2为带有节点的碳纤维网层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

本实施例提供一种复合双极板，包括连接在一起的阳极板层和阴极板层，其中阳极板和阴极板的结构图均如图1所示，包括两层石墨层1(青岛岩海)以及设置在两层石墨层之间的带有节点的碳纤维网层2(在现有碳纤维网的基础上，在经线和纬线交界处用碳纤维在节点处进行打结处理或者在碳纤维网编织的过程中在经线和纬线处进行打结处理)；其中，石墨层1为石墨板层，厚度为5mm，灰分含量为0.2％，金属元素的含量为5ppm，密度为0.1g/cm³；带有节点的碳纤维网层2中碳纤维网的目数为100目，经线碳纤维束和纬线碳纤维束的直径为0.1mm，节点的径向尺寸为1mm；阳极板层中设置有蛇形的流道，阴极板层中设置有直形的流道。

本实施例还提供一种复合双极板的制备方法，包括：

(1)将碳纤维网层放入两层膨胀石墨板层之间，碳纤维网层和膨胀石墨板层的长宽尺寸均相同，而后将层叠后的复合板组件放置于带有蛇形成型流道的模具内并转移到模压机平台上，模压机下压速度为1mm/min，下压压强为50MPa，保压时间为10min，保压过程中同时进行抽真空处理，真空度为-0.098MPa。将模压好的极板放入赫能41814低粘度树脂胶中，并在真空度为-0.098MPa条件下浸渍处理6h，真空浸渍后取出板材并用纯水冲洗掉表面的胶液，随后将板材放入85℃的水浴槽中固化20min，然后将固化后的极板放入干燥罐中，用干燥空气(湿度20％，温度50℃)进行吹扫20min，得到阳极板层；

(2)按照步骤(1)的制备方法制备阴极板层，区别仅在于采用的模具是带有直形成型流道的模具，其余制备方法均与步骤(1)相同；