一种复合石墨双极板、制备方法及其应用与流程

本发明涉及燃料电池，特别涉及一种复合石墨双极板、制备方法及其应用。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池（pemfc）能够直接将氢气和氧气中的化学能转换为电能，具有能量转换率高、功率密度高等优点，特别适用于交通运输、分布式发电站等多种应用场景；双极板的主要作用是提供反应气的输运通道，分隔气流，导电，将反应生成的热量和水排出燃料电池，双极板需要具有很高的导热和导电性能，以及良好的耐久性、低成本；同时，为了满足燃料电池工作运行条件的需求，双极板还需要有较高的强度，保证电堆的结构稳定性。

2、车用工况下，燃料电池还需要具有较小的体积，以便在汽车有限的空间内存放，石墨材料由于具有良好的电导率和耐腐蚀性，最早在燃料电池上得到应用，但是由于材料机械性能较弱，石墨双极板普遍较厚，通常在1.5-2mm左右，难以满足车用燃料电池对高质量比功率和高体积比功率的要求。

3、金属极板加工效率高、导电性能高，便于成型加工，但是目前表面涂层技术依旧没有彻底解决，导致涂层成本较高，价格甚至超过极板材料本身，金属极板在高电位下耐久性较低，寿命远低于石墨板；复合材料双极板是采用树脂、导电填料、增强纤维等材料，通过热压工艺制成，具有密度低、阻气性好、强度高、可加工性好、导电导热性高等特点，完全满足pemfc双极板对材料端的性能要求，优质的树脂混合物与导电增添料可以使得极板具有石墨的各种优良性能，又能保证良好的韧性和机械强度，结构可设计性优异，被认为最有前景的双极板材料，据报道最薄处可以做到为0.1mm。

4、复合石墨材料是制备复合石墨板的原料，原料的配方设计及分散工艺设计均会对复合板产品的影响产生重要影响，但是，复合石墨双极板的相关专利和文献报道更聚焦于材料本身的配方设计，而各组分之间的分散工艺研究较少；随着复合石墨双极板需求量日益增大，分散工艺对复合石墨材料的大批量制备影响显著，尤其是纤维类材料在复合材料体系内分散难度很大，因此亟待开发与大批量制备相匹配的分散技术。

5、为解决复合石墨材料均匀分散难度大的问题，cn202311113065.2报道了一种分区式复合双极板及其制备方法，通过改变粉料中树脂、导电材料的含量，得到具有不同性能优势的石墨树脂混合粉料，对功能区域和密封区域填铺不同粉料，制备得到分区式复合双极板，解决了现有石墨双极板强度低，难以将厚度降低的问题；解决了现有复合石墨双极板导电率低，传输电子能力差的问题，但是石墨树脂的混合方式为超声混合，这种混合方式对复合材料的流道性要求较高，而良好流动性的实现通常需要提高液态树脂含量，这不可避免会对石墨板电导率造成不利影响；此外，还需要将得到的固液混合物抽滤、洗涤、干燥、粉碎，以上这些后处理步骤，基本都是为了部分除去石墨树脂混合料在超声混合中额外增加的树脂。

6、cn202210655848.2报道了一种燃料电池双极板用双树脂体系复合石墨及其制备方法，制备方法主要是将分散剂和树脂超声混合，形成分散液，然后向树脂分散液中加入导电剂，继续超声分散。再加入水和石墨，并进行超声和搅拌；将混料置于干燥箱中进行干燥，将干燥后的混料进行球磨处理，超声及球磨混合均有利于材料的分散，但是超声对混合料的流动性要求较高，影响配方的可设计性和产品性能，球磨分散生产效率较低，难以实现大批量制备，而且球磨机的清理过程较为繁琐，增加了生产步骤和成本。

7、cn202310903764.0报道了一种高性能石墨基复合材料双极板的制备方法，生产工艺是在混粉系统中利用高速气流进行粉末混合，接着在模压系统内，真空条件下对模具中的混合粉末进行加热施压操作，随后结束加热并继续保持成形压力，待温度降低至树脂的固化成形温度以下，卸去成形压力并充入空气，进行脱模；但是高速气流不适合密度差别较大的不同物料之间的混合，尤其是纤维材料极易团聚，很难通过气流进行均匀分散，混合完毕还需要进行真空脱气环节，可能会造成粉末倒吸，影响复合石墨材料分散的一致性。

8、综上所述，本领域尚缺乏一种兼具分散效率高、分散均匀性好的批量化制备复合石墨材料的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种复合石墨双极板、制备方法及其应用，各组分采用低速分散和高速剪切进行混合，可以实现复合石墨材料各组分的均匀分散，尤其是纤维材料的分散，避免了材料的团聚和各组分密度差别大分散均匀难度大的问题，制备得到的复合双极板具有良好的电导率和机械强度。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种复合石墨双极板，其中：按重量份数计，包括以下组分：复合树脂15-55份，导电填料40-90份，导电辅料1-8份，增强纤维0.5-3份。

4、优选的是，所述的复合石墨双极板，其中：复合树脂选自丙烯酸树脂、环氧树脂、改性环氧树脂、聚酰亚胺树脂中的至少两种或多种，所述导电填料选自膨胀石墨粉、鳞片石墨粉、碳微球、乙炔黑粉末中的一种或多种，改性环氧树脂为缩水甘油醚型或酚醛型改性环氧树脂。

5、优选的是，所述的复合石墨双极板，其中：所述导电辅料选自多壁碳纳米管、碳纳米片、石墨烯中的一种或多种；所述增强纤维选自金属纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种。

6、一种复合石墨双极板的制备方法，其中：包括以下步骤：

7、步骤s1.称取导电填料40-90份，导电辅料1-8份，增强纤维0.5-3份，随后将导电填料、导电辅料、增强纤维转移至分散机中，低速预混2-5min，得到混合粉料；

8、步骤s2.按照复合树脂的配方比例，采用计量泵抽取不同树脂进行混合，得到复合树脂，随后将复合树脂分多次喷淋至分散机内与混合粉料进行混合，在混合的同时进行高速剪切和低速搅拌，得到复合石墨材料；

9、步骤s3.称取复合石墨材料，粗胚常温压制成预制石墨饼，随后将预制石墨饼转移至预热过的阳极侧流道的模具内，上下合模进行模压，脱模，得到带有流道的阳极石墨板；将预制石墨饼转移至预热过的阴极侧流道的模具内，上下合模进行模压，脱模，得到阴极石墨板；

10、步骤s4.将阴极石墨板、阳极石墨板粘接后得到复合石墨双极板。

11、优选的是，所述的制备方法，其中：步骤s2中高速剪切和低速混合同时开启，其中高速剪切的速度为1000-8000r/min，低速搅拌的速度为40-1000r/min，高速剪切和低速搅拌的总时间为0.5-5h，高速剪切和低速搅拌的运动轨迹，可以覆盖整个物料桶，不存在物料分散不到的死区。

12、优选的是，所述的制备方法，其中：步骤s3中模压温度为120-160℃，模压压力为40-80mpa，模压时间为0.5-3min。

13、优选的是，所述的制备方法，其中：步骤s3中复合石墨双极板的厚度为0.8-1.5mm，其中最薄处厚度为0.18-0.25mm。

14、一种复合石墨双极板的制备方法得到的双极板在燃料电池中的应用，其中，所述复合石墨双极板应用于质子交换膜燃料电池、碱性阴离子交换膜燃料电池、甲醇燃料电池、液流电池中。

15、本发明的优点：

16、（1）本发明的复合石墨双极板的制备方法，制备过程简单，无需额外溶剂/分散剂的加入，避免了湿法混合脱溶剂，以及球磨混合、高速气流混合等常规方法对材料性能的不利影响，制备步骤有利于规模放大生产。

17、（2）本发明的复合石墨双极板的制备方法，分散过程高效，低速分散有利于粉体之间的充分混合，高速剪切有利于纤维类材料的单丝分散，避免纤维团聚，高低速配合使用可以达到分散效率高、分散效果好的目的。

18、（3）本发明的复合石墨双极板的制备方法，复合石墨材料分散度更高，模压成型后板材的机械强度也更高，复合石墨双极板可以做的更薄，进一步提高电堆的质量比功率和体积比功率，所制得的复合石墨双极板在燃料电池中具有更好的性能。