具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“以上”或“以下”包含本数，例如2以上的正整数包括但不限于2、3、4、5、6等正整数。

本发明实施例提供了一种复合双极板，包括导电填料和粘结剂，导电填料的质量占复合双极板的总质量的25％-40％。

本发明实施例提供的复合双极板，包括导电填料和粘结剂，导电填料的质量占复合双极板的总质量的25％-40％。经测试，该复合双极板的弯曲强度在50MPa以上，导电率在100s/cm以上，甚至高达125s/cm，在进一步提升复合双极板的机械性能的同时，还提升了复合双极板的导电性能，保证了低碳含量复合双极板的导电性能和机械性能能够同时满足燃料电池的基本要求，从而达到了复合双极板理想中导电性能和机械性能之间的平衡。

一些实施例中，导电填料包括第一碳材料和第二碳材料，且第一碳材料和第二碳材料的平均粒径相差1000倍以上。如此，使得第一碳材料的平均粒径大于或小于第二碳材料的平均粒径，有利于提升各导电填料之间的接触程度，从而提高低碳含量复合双极板的导电率；而且，采用粒径差异明显的导电填料，类似于树干和树叶之间的关系，大粒径导电填料相当于树干，小粒径导电填料相当树叶，有利于构建更大更立体的导电网络，从而进一步提升低碳含量复合双极板的导电率。

在上一实施例的基础上，第一碳材料的平均粒径优选为50-400μm，第二碳材料的平均粒径优选为2-400nm。第一碳材料的平均粒径大于第二碳材料的平均粒径，第一碳材料成为导电网络的主要骨架材料，通过调节第一碳材料和第二碳材料的平均粒径在上述范围内，有利于构建更加完善的导电网络，进一步提高复合双极板的导电性能。在第二碳材料的平均粒径为2-400nm的条件下，当第一碳材料的平均粒径小于50μm时，各第一碳材料之间容易发生聚集，且容易被粘结剂隔断而导致无法形成有效导电网络；当第一碳材料的平均粒径大于400μm时，颗粒太大，比表面积太小，例如石墨材料等第一碳材料自身机械性能不足，导致复合双极板机械性能、气密性皆无法满足要求。在具体实施例中，第一碳材料的平均粒径为50μm、100μm、150μm、175μm、200μm、225μm、250μm、275μm、300μm、355μm、400μm，第二碳材料的平均粒径为2nm、4nm、6nm、8nm、10nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm、120nm、140nm、160nm、180nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm。

在上一实施例的基础上，第一碳材料与第二碳材料的质量比优选为(10-1000):1。第一碳材料作为主要导电填料，第二碳材料作为导电增强材料，通过调节第一碳材料和第二碳材料的质量比在上述范围内，进一步提升了复合双极板的导电率。在具体实施例中，第一碳材料与第二碳材料的质量比为10:1、25:1、50:1、75:1、100:1、200:1、300:1、400:1、500:1、600:1、700:1、800:1、1000:1。

在上述的基础上，以复合双极板的总重量为100％计，复合双极板包括以下重量百分含量组分：

第一碳材料 35％-38％；

第二碳材料 0.01％-1.5％；

粘结剂 61％-64％；

或，复合双极板包括以下重量百分含量组分：

第一碳材料 22％-26％；

第二碳材料 0.1％-1.5％；

粘结剂 73％-77％；

或，复合双极板包括以下重量百分含量组分：

第一碳材料 27％-33％；

第二碳材料 1％-3％；

粘结剂 65％-71％。

本发明实施例对上述第一碳材料的材料种类作了进一步优化筛选，发现当第一碳材料选为石墨时，可进一步提高复合双极板的导电性能。一些实施例中，第一碳材料包括膨胀石墨、鳞片状石墨中的至少一种。这类石墨具有良好的导电性能，比表面积大，有利于和第二碳材料协同构建完善的导电网络结构，进一步提升复合双极板的导电性能；而且，在采用热压处理的方法形成复合双极板的工艺中，这类石墨容易受热膨胀，利于增加石墨内部的层间距，促进受热熔融的粘结剂分散至石墨内部的层间空隙中，从而提高粘结剂在石墨内的分散效果，有利于提升复合双极板的机械性能，进而达到同时提高复合双极板的导电性能和机械性能。

在第一碳材料选为石墨的基础上，本发明实施例对第二碳材料的材料种类也作了进一步优化筛选，以进一步提高复合双极板的导电性能。一些实施例中，第二碳材料包括碳纳米管、石墨烯、炭黑中的至少一种。将石墨复配碳纳米管、石墨烯、炭黑等增强材料，有利于进一步提升复合双极板导电性能。

在第一碳材料选为石墨的基础上，本发明实施例对粘结剂的材料种类也作了进一步优化筛选，以进一步提高复合双极板的机械性能。一些实施例中，粘结剂选为聚苯硫醚。粘结剂作为复合双极板良好机械性能的保证，通过采用聚苯硫醚复配上述第一碳材料以及第二碳材料，可协同提高复合双极板的导电性能和机械性能。

综上，通过对导电填料的占比、第一碳材料和第二碳材料的平均粒径、第一碳材料和第二碳材料的质量比以及各原料的具体材料选择等关键因素进上述优化，有效平衡了复合双极板导电性能和机械性能，且当各关键因素处于上述优选范围内时，可使得复合双极板的综合性能达到最优。

基于上述技术方案，本发明实施例还提供了上述复合双极板的制备方法。

一种复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

S01、按照上述复合双极板提供原料，将原料进行混合处理，获得混合物；

S02、将混合物进行多次恒温恒压处理，获得复合双极板；

其中，将恒温恒压处理的初始温度为T₁，目标温度为T_m，并在T₁和T_m之间设置多个温度点：T₂、…、T_m-1，且在T₁、T₂、…、T_m-1和T_m下进行恒温恒压处理的压力分别标记为P₁、P₂、…、P_m-1和P_m，T_m大于或等于粘结剂的熔点且小于粘结剂的分解温度，m为2以上的正整数；

将混合物进行多次恒温恒压处理的步骤包括：

1)在温度T₁和压力P₁的条件下进行第一次恒温恒压处理；

2)在温度T₂和压力P₂的条件下进行第二次恒温恒压处理；

……

m-1)在温度T_m-1和压力P_m-1的条件下进行第m-1次恒温恒压处理；

m)在温度T_m和压力P_m下进行第m次恒温恒压处理。

本发明实施例提供的复合双极板的制备方法，将混合物进行多次恒温恒压处理以制得复合双极板，方法简单，操作方便。通过将混合物进行多次恒温恒压处理，有效促进了粘结剂充分、均匀地分布在导电填料中，提高了粘结剂在导电填料中的分散效果，协同提升了复合双极板的机械性能和导电性能，实现了低碳含量高导电复合双极板的制备。

具体地，步骤S01中，制备复合双极板所需要的原料参考上述复合双极板，包括：导电填料和粘结剂，且导电填料包括第一碳材料和第二碳材料，其中，第一碳材料、第二碳材料和粘结剂的材料种类、用量和作用效果与上文的基本相同，应具有相同的材料种类、用量和作用效果。

将原料进行混合处理，以获得混合物。

一些实施例中，进行混合处理的步骤包括：

S011、将第二碳材料和粘结剂分散在溶剂中，进行第一混合处理，干燥，获得第一混料；

S012、将第一碳材料和第一混料进行第二混合处理，获得混合物。

通过先将第二碳材料和粘结剂在溶剂中液相混合，再与第一碳材料固相混合，使得小粒径的第二碳材料能够充分地填充在大粒径的第一碳材料与粘结剂之间，在不降低复合双极板整体机械性能的基础上，有效地促进形成立体式导电网络，有利于提升复合双极板的导电率。当第一碳材料为石墨材料且粘结剂为聚苯硫醚时，采用上述方法，可最大限度地提高复合双极板的机械性能和导电性能。

步骤S011中的第一混合处理以及步骤S012的第二混合处理，可采用本领域的常规技术，例如采用机械搅拌或超声等方法，使得各原料充分混合均匀。一些实施例中，第一混合处理和/或第二混合处理采用高速分散设备。

溶剂可采用本领域的常规有机溶剂，使得第二碳材料和粘结剂能够均匀分散在溶剂中即可。一些实施例中，溶剂选为N-甲基吡咯烷酮。

步骤S02中，将混合物进行多次恒温恒压处理，以获得复合双极板。

采用恒温恒压处理的方法制备复合双极板为本领域的常规成型工艺，不同于采用一次热压成型的现有技术，本发明实施例采用的是多次恒温恒压处理的方法，以提高粘结剂在导电填料中的分散效果，实现使用最少的粘结剂最大化地提高复合双极板的机械性能。

在本发明实施例中，m为2以上的正整数，包括但不限于2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13和14等。当m为2时，进行恒温恒压处理的次数总共为2次，且进行恒温恒压处理的初始温度表示为T₁，目标温度表示为T₂，对应的压力分别为P₁、P₂。

进行恒温恒压处理时所涉及的温度和时间，可参考导电填料和粘结剂的具体材料种类，以不破坏导电填料和粘结剂自身的性质为前提。例如，当主要导电填料为石墨时，进行恒温恒压处理的温度应避免导致石墨过度受热膨胀，以保持石墨良好的导电性能。

一些实施例中，恒温恒压处理的温度：T_m＞T_m-1＞…＞T₂＞T₁。通过逐步升温的方法，使得粘结剂的熔融程度逐渐提高，以有效调节粘结剂在导电填料中的分散效果，从而最大限度地提高复合双极板的导电性能和机械性能。

在上述恒温恒压处理的温度设定的基础上，恒温恒压处理的压力：P_m＞P_m-1＞…＞P₂＞P₁。根据热胀冷缩的原理，在温度递增的同时递增压力，可有效维持原料自身的结构形态，保证原料自身的结构性质不被破坏。

一些实施例中，导电填料包括第一碳材料和第二碳材料，第一碳材料选为石墨。通过按照上述设定的温度和压力进行多次恒温恒压处理，促进了石墨在升温过程中逐级膨胀，且使得石墨内部的层间距也随之增加，促进受热熔融的粘结剂充分、均匀地分散至石墨内的层间空隙中，从而有效提高粘结剂在石墨内的分散效果，进而提升复合双极板的机械性能。在具体实施例中，第一碳材料选为石墨，粘结剂为聚苯硫醚。

在第一碳材料选为石墨的基础上，m＝5；T₁＝60-120℃，T₂＝140-180℃，T₃＝190-250℃，T₄＝280-300℃，T₅＝310-360℃；P₁＝15-30MPa，P₂＝30-40MPa，P₃＝30-40MPa，P₄＝30-40MPa，P₅＝30-40MPa。在该温度、压力条件下，且当粘结剂为聚苯硫醚时，可使得复合双极板的机械性能达到最优。

在上一实施例的基础上，每一次恒温恒压处理的时间为0.5-2分钟。如此，有效提升了工序效率，并能够确保聚苯硫醚充分、均匀地分散在导电填料中。

在上一实施例的基础上，在温度T_m和压力P_m下进行第m次恒温恒压处理的步骤之前，还包括：在恒温恒压处理后释放部分压力或全部压力。通过恒温恒压处理后采用释放部分或全部压力的方法，可促进石墨梯度膨胀，促进粘结剂逐级分散到石墨内部，进一步提高粘结剂的分散效果。具体实施例中，在温度T_m和压力P_m下进行第m次恒温恒压处理的步骤之前，每一次恒温恒压处理后释放部分压力或全部压力，之后再进行下一次恒温恒压处理。

在上一实施例的基础上，在温度T_m和压力P_m下进行第m次恒温恒压处理的步骤之后，保持压力进行冷却处理。进行冷却处理过程中，随着温度的降低，熔融的聚苯硫醚的力学状态由粘流态转化到高弹态再到玻璃态，经历流动性降低、体积收缩的过程，在目标温度下进行恒温恒压处理后采用保压冷却的方法，可防止聚苯硫醚在冷却过程中由于力学状态变化而导致原来均匀分散在导电填料中的聚苯硫醚重新收缩聚集而降低粘结强度，从而有效维持复合双极板的良好导电网络，使得该复合双极板兼具有良好的机械性能和导电性能。

在具体实施例中，将混合物进行多次恒温恒压处理的步骤具体包括：

1)将混合物在60-120℃下将压力增加至15-30MPa，恒温恒压处理0.5-2分钟，保持温度不变释放部分或全部压力，获得第一中间体；

2)将第一中间体继续升温至140-180℃，将压力增加至30-40MPa，恒温恒压处理0.5-2分钟，保持温度不变释放部分或全部压力，获得第二中间体；

3)将第二中间体继续升温至190-250℃，将压力增加至30-40MPa，恒温恒压处理0.5-2分钟，保持温度不变释放部分或全部压力，获得第三中间体；

4)将第三中间体继续升温至280-300℃，将压力增加至30-40MPa，恒温恒压处理0.5-2分钟，保持温度不变释放部分或全部压力，获得第四中间体；

5)将第四中间体继续升温至310-360℃，将压力增加至30-40MPa，恒温恒压处理0.5-2分钟，保持压力不变冷却至23-60℃，获得复合双极板。

由于导电填料和粘结剂具有不同的物理性能，例如热容，相同温度下具有不同的膨胀速度，容易导致原料在升温后因膨胀发生重新混合，导致相同材料间发生团聚，引起导电性能下降。为了有效避免这一问题，在将混合物进行热压处理之前，常常对混合物进行预成型处理。一些实施例中，将混合物进行多次恒温恒压处理的步骤还包括：在温度T₁和压力P₁的条件下进行第一次恒温恒压处理之前，将混合物在2-15Mpa下室温保压1-5分钟。

为使本发明上述实施细节和操作能清楚地被本领域技术人员理解，以及本发明实施例一种复合双极板及其制备方法的进步性能显著地体现，以下通过实施例对本发明的实施进行举例说明。

实施例1

本实施例提供了一种复合双极板，其制备方法具体包括以下步骤：

S11、提供复合双极板的原料，并进行混合处理

1)备料：

第一碳材料 8.75g；

第二碳材料 0.25g；

粘结剂 15g；

其中，第一碳材料选为膨胀石墨，第二碳材料选为石墨烯，粘结剂选为聚苯硫醚(PPS)；

第一碳材料的平均粒径为300-355μm，第二碳材料的平均粒径为100-200nm，粘结剂的平均粒径在300目以下。

2)将石墨烯、PPS粒料和N-甲基吡咯烷酮(NMP)置于行星分散设备中，在2000rpm下进行高速混合，混合1-5次，每次混合5-10min，干燥，获得第一混料；观察发现，第一混料中的PPS粒料表面均匀涂覆有石墨烯。

3)将膨胀石墨与步骤2)制得的第一混料于行星分散设备中继续混合，混合1-5次，每次混合5-10min，获得混合物；将混合物进行充分干燥，备用。

S12、进行多次恒温恒压处理

1)将步骤S11制得的混合物置于模压设备上，将压力从0MPa增加至15Mpa，然后在室温下保压2min，释放压力，获得预成型的混合物。

2)将预成型的混合物升温至80℃，将压力增加至20MPa，保温保压1min，释放压力，获得第一中间体；

3)将第一中间体继续升温至150℃，将压力增加至30MPa，保温保压1min，释放压力，获得第二中间体；

4)将第二中间体继续升温至200℃，将压力增加至35MPa，保温保压1.5min，释放压力，获得第三中间体；

5)将第三中间体继续升温至280℃，将压力增加至40MPa，保温保压2min，释放压力，获得第四中间体；

6)将第四中间体继续升温至320℃，将压力增加至40MPa，保温保压2min，保压冷却至50℃，获得复合双极板。

经测试，本实施例制得的复合双极板的弯曲强度为70MPa，导电率为120s/cm。

实施例2-7和对比例1-2提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，不同之处如表1所示。

如表1结果显示，对比例1的导电填料含量为50％，其弯曲强度为43.5MPa，小于50MPa，不满足燃料电池对复合双极板机械性能的基本要求；对比例2的导电填料含量为20％，其导电率为59.3s/cm，远小于100s/cm，不满足燃料电池对复合双极板导电性能的基本要求。

与对比例1和对比例2进行对比，实施例1-7的导电填料含量在25％-40％之间，其弯曲强度均在50MPa以上，导电率在100s/cm以上，满足了燃料电池对复合双极板的机械性能和导电性能的基本要求，表明本发明实施例在第一碳材料的平均粒径为300-355μm和第二碳材料的平均粒径为100-200nm的基础上，调整导电填料的含量，有效平衡了复合双极板的导电性能和机械性能。

表1

实施例8-10和对比例3-5提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，不同之处如表2所示。

如表2结果显示，对比例3的第一碳材料粒径大于400μm，对比例4的第一碳材料粒径小于50μm，对比例5的第一碳材料和第二碳材料的粒径相同，其弯曲强度均小于50MPa，导电率均远小于100s/cm。

与对比例3-5进行对比，实施例8-10的第一碳材料的平均粒径大于第二碳材料的平均粒径，且第一碳材料的平均粒径为50-400μm，第二碳材料的平均粒径为2-400nm，其弯曲强度均在50MPa以上，导电率在100s/cm以上，表明本发明实施例通过采用平均粒径差异明显的第一碳材料和第二碳材料，协同提高了复合双极板的导电性能和机械性能，有效平衡了复合双极板的导电性能和机械性能，从而获得低碳含量高导电性能和高机械性能的复合双极板。

表2

对比例6

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：步骤S12中省略步骤1)。

经测试，本对比例制得的复合双极板的弯曲强度为43.3MPa，导电率为62.8s/cm，均不符合燃料电池对复合双极板机械性能和导电性能的基本要求，这一定程度上说明了本发明实施例在多次恒温恒压处理之前对混合物进行预成型处理，促进各原料进一步均匀混合，以及协调各原料的膨胀速度，从而协同提高复合双极板的机械性能和导电性能。

对比例7

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：步骤S12中，将预成型的双极板基料升温至280℃，将压力增加至40MPa，保温保压2min，释放压力；然后，继续升温至320℃，将压力增加至40MPa，保温保压2min，保压冷却至50℃。

经测试，本对比例制得的复合双极板的弯曲强度为45.2MPa，导电率为35s/cm，均不符合燃料电池对复合双极板机械性能和导电性能的基本要求，这一定程度上说明了进行多次恒温恒压处理步骤所采用的具体工艺对协同提升复合双极板机械性能和导电性能具有关键作用。

对比例8

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：步骤S12中，将预成型的双极板基料升温至200℃，将压力增加至35MPa，保温保压1.5min，释放压力；然后，继续升温至280℃，将压力增加至40MPa，保温保压2min，释放压力；接着，继续升温至320℃，将压力增加至40MPa，保温保压2min，保压冷却至50℃。

经测试，本对比例制得的复合双极板的弯曲强度为43.7MPa，导电率为40s/cm，均不符合燃料电池对复合双极板机械性能和导电性能的基本要求，这一定程度上说明了进行多次恒温恒压处理步骤所采用的具体工艺对协同提升复合双极板机械性能和导电性能具有关键作用。

对比例9

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：步骤S11中，将石墨烯、PPS粒料、膨胀石墨和NMP置于行星分散设备中，在2000rpm下进行高速混合，混合6-10次，每次混合5-10min，干燥，获得双极板基料，备用。

经测试，本对比例制得的复合双极板的弯曲强度为40.6MPa，导电率为10s/cm，均不符合燃料电池对复合双极板机械性能和导电性能的基本要求，这一定程度上说明了采用本发明实施例提供的混合处理方法对协同提升复合双极板机械性能和导电性能也存在关键作用。

对比例10

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：双极板基料包括：

膨胀石墨 30g；

聚苯硫醚 60g；

玻璃纤维 10g。

经测试，本对比例例制得的复合双极板的弯曲强度为83.6MPa，导电率为2.0s/cm，不符合燃料电池对复合双极板导电性能的基本要求，这一定程度上说明了在碳含量小于或等于40％的条件下，采用本发明实施例提供的原料组合对协同提升复合双极板机械性能和导电性能也存在关键作用。

对比例11

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：双极板基料包括：

膨胀石墨 30g；

聚丙烯 60g；

玻璃纤维 10g。

经测试，本对比例制得的复合双极板的弯曲强度为60MPa，导电率为2.0s/cm，不符合燃料电池对复合双极板导电性能的基本要求，这一定程度上说明了在碳含量小于或等于40％的条件下，采用本发明实施例提供的原料组合对协同提升复合双极板机械性能和导电性能也存在关键作用。

对比例12

本对比例提供了一种复合双极板，与实施例1基本相同，区别在于：双极板基料包括：

碳纳米管 30g；

聚苯硫醚 60g；

石墨烯 10g。

经测试，本对比例制得的复合双极板的弯曲强度为30MPa，导电率为100s/cm，不符合燃料电池对复合双极板机械性能的基本要求，这一定程度上说明了在碳含量小于或等于40％的条件下，采用本发明实施例提供的原料组合对协同提升复合双极板机械性能和导电性能也存在关键作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。