一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法，本方法利用石墨毡或碳毡为导电骨料，通过粉碎设备加工成为的不规则多孔小球，将其与碳粉等导电填料和树脂溶液搅拌均匀形成高粘稠度的浆料，注入带有流道的双极板模具中，采用高温真空热压的方式形成预制板，然后对预制板进行酸蚀、洗涤、烘干处理，最后通过碳气相渗透的方法进行后处理，最终形成石墨复合双极板；本发明专利技术方法制备成的石墨复合双极板具有良好的机械性能、优良的导电性能以及低透氢率和长寿命等优点。率和长寿命等优点。率和长寿命等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
，尤其是涉及一种燃料电池石墨双极板的制 备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池是一种通过供给燃料和氧化剂，从而能连续不断地转化成电能的 化学装置。双极板是燃料电池的关键部件之一，双极板起着支撑膜电极、隔绝 燃料和氧化剂、导气排水以及导通电流的作用；因此，双极板需要耐腐蚀性好、 导电和导热的良导体以及具有一定的机械强度。目前，质子交换膜燃料电池双 极板主要有两大技术路线：金属双极板和石墨双极板。金属双极板存在易腐蚀、 寿命短的问题；石墨双极板具有耐腐蚀性好、成本低、寿命长等优点。石墨双 极板主要分为机加工石墨双极板、柔性石墨双极板和复合石墨双极板。相比于 其它两种，复合石墨双极板具有更低的成本，更适合于大规模生产制造，从而 降低燃料电池的成本。
[0003]但是复合石墨双极板还存在导电率偏低和机械强度不足的问题。主要是因 为碳材料与树脂的配比不合理以及碳材料在树脂中的分散不均导致。导电填料 添加不足或者分布不均都会导致双极板导电性差，而添加过多则会导致树脂材 料含量少导致机械强度不好。
[0004]因此，很多关于石墨复合双极板的文献和专利都是关于石墨复合双极板如 何改性上。专利CN200310108263.6提出利用中间相碳颗粒和碳纤维作为导电填 料；专利CN202110361420.2提出采用石墨粉和改性碳纳米管作为导电填料，工 艺路线基本为碳材料和树脂材料进行一定比例的混合，然后进行高温模压成型。 但是依然存在无法在复合双极板内部形成导电网络以及由于模压导致的表面由 于树脂含量高导致的表面电阻偏大。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种质子交换膜燃料电池石墨复合 双极板制备方法，该方法具有可操作、低成本、高导电性、高气密性和优良的 机械强度等优点。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种燃料电池石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：
[0008]采用质量百分比60％
‑
90％的导电骨料、5％
‑
20％的导电填料、5％
‑
20％的粘合剂； 导电骨料采用粉碎后的石墨毡或碳毡；导电填料采用碳粉、碳纳米管、炭黑、 石墨烯中的一种或几种；粘合剂以环氧树脂、改性环氧、酚醛、改性酚醛、乙 烯基酯树脂、聚氨酯、不饱和聚酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚酰胺、 聚醚醚酮中的一种或几种；石墨毡或碳毡包括沥青基石墨毡、聚丙烯腈基石墨 毡和黏胶基石墨毡中的一种或几种；碳粉、碳纳米管、炭黑、石墨烯等导电填 料采用粒度分布为100
‑
400目。
[0009]将石墨毡或碳毡通过粉碎设备加工成直径1
‑
3mm的不规则球状多孔材料；
[0010]将加工好的不规则的不规则球状多孔材料与碳粉和树脂溶液投入到混料机 中混
合均匀形成糊状浆料；
[0011]将所得浆料注入到带有流场形状模具中，在压力为15Mpa
‑
30Mpa，成型温度 为150
‑
200℃，真空度为
‑
0.01
‑‑
0.1Mpa的条件下模压成型得到预制板；
[0012]酸蚀，采用稀硫酸、盐酸、氢氟酸中的一种或几种对模压成型的预制板表 面进行处理，然后进行洗涤、烘干处理；
[0013]化学气相镀碳工艺，采用甲烷、乙烷、丙烷、乙炔等气体的一种或几种为 前驱体，气相温度为1000
‑
2000℃，气体流速在1000
‑
2000cm3/min夹杂在 2000
‑
3000cm3/min的氩气或氦气流中，反应时间为2
‑
5小时，降至室温后得到 最终的石墨复合双极板。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0015](1)本专利技术以具有多孔结构的石墨毡和碳毡为导电骨料，充分利用了其多 孔结构和优良的导电性，可以在双极板内部形成导电网络；
[0016](2)本专利技术提出的酸蚀双极板表面可以改进由于模压过程中导致表面树脂 积累导致的表面导电性差的问题；
[0017](3)本专利技术提出的化学渗透镀碳的方法可以是表面酸蚀后形成的微孔渗入 碳微粒，可以提高表面的平整度和光滑性，改善双极板的密封性，也可以提升 双极板的表面电导率。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的流程示意图；
[0019]图2为利用本专利技术的实施例1的测试数据；
[0020]图3为利用本专利技术的实施例2的测试数据。
具体实施方式
[0021]下面结合附图及具体实施例，对本专利技术作进一步的描述，以便于更清楚地 理解本专利技术要求保护的技术思想。
[0022]实施例1
[0023]采用质量百分比60％的导电骨料、25％的导电填料、15％的粘合剂；
[0024]导电骨料采用粉碎后的石墨毡；导电填料采用碳粉；粘合剂以环氧树脂溶 液；
[0025]石墨毡采用聚丙烯腈石墨毡，面积重量为500g/m2，电阻率为4Ω
·
mm，比 表面积为2m2/g，灰分为0.3％，含硫量为0.01％；
[0026]导电填料采用粒度分布为400目的碳粉；
[0027]将石墨毡通过粉碎设备加工成直径1mm的不规则球状多孔材料；
[0028]将加工好的不规则球状多孔材料与碳粉和树脂溶液投入到混料机中混合均 匀形成糊状浆料；
[0029]将所得浆料注入到带有流场形状模具中，在压力为15Mpa，成型温度为150℃， 真空度为
‑
0.01Mpa的条件下模压成型得到预制板；
[0030]酸蚀采用稀硫酸对模压成型的预制板板表面进行处理，然后进行洗涤、烘 干处理；
[0031]采用化学气相镀碳工艺，采用甲烷为前驱体，气相温度为1000℃，气体流 速在
1000cm3/min夹杂在2000cm3/min的氩气流中，反应时间为2小时，降至室 温后得到最终的石墨复合双极板，测试结果见图2。
[0032]实施例2
[0033]采用质量百分比75％的导电骨料、15％的导电填料、10％的粘合剂；
[0034]导电骨料采用粉碎后的石墨毡；导电填料采用碳粉；粘合剂以酚醛树脂溶 液；
[0035]石墨毡采用聚丙烯腈石墨毡，面积重量为500g/m2，电阻率为4Ω
·
mm，比 表面积为2m2/g，灰分为0.3％，含硫量为0.01％；
[0036]导电填料采用粒度分布为400目的碳纳米管；
[0037]将石墨毡通过粉碎设备加工成直径1mm的不规则球状多孔材料；
[0038]将加工好的不规则球状多孔材料与碳粉和树脂溶液投入到混料机中混合均 匀形成糊状浆料；
[0039]将所得浆料注入到带有流场形状模具中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用导电骨料、导电填料和粘合剂作为石墨复合双极板的原料；(2)原材料前处理：将石墨毡或碳毡材料进行破碎，制成不规则球状多孔材料；(3)浆料制备：将步骤(1)所得前处理材料与碳粉和树脂溶液投入到混料机中混合均匀形成糊状浆料；(4)模压成型：将步骤(2)所得浆料注入到带有流场形状模具中，在真空条件下模压成型得到预制板；(5)采用酸蚀工艺对模压成型的预制板板表面进行处理，然后进行洗涤、烘干处理；(6)采用化学气相渗透工艺对酸蚀后的预制板进行化学镀碳处理后，降至室温后得到最终的石墨复合双极板。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述石墨复合双极板含有质量百分比60％
‑
90％的导电骨料、5％
‑
20％的导电填料、5％
‑
20％的粘合剂；所述导电骨料采用粉碎后的石墨毡或碳毡，所述导电填料采用碳粉、碳纳米管、炭黑、石墨烯其中的一种或几种，所述粘合剂以环氧树脂、改性环氧、酚醛、改性酚醛、乙烯基酯树脂、聚氨酯、不饱和聚酯、聚丙烯、聚苯硫醚、聚碳酸酯、聚酰胺、聚醚醚酮其中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的一种燃料电池石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述石墨毡或碳毡的面积重量≥500g/m2，电阻率≤4Ω
·

【专利技术属性】
技术研发人员：余欢欢，
申请(专利权)人：佛山市南海宝碳石墨制品有限公司，
类型：发明
国别省市：