一种木材基双极板及其制备方法和在燃料电池中的应用与流程

本发明涉及固体废弃物资源化利用，具体来说是一种木材基双极板及其制备方法和在燃料电池中的应用。

背景技术：

1、燃料电池因具有能量转换效率高、启动迅速、环境友好等诸多优点，在便携式电源和零排放交通动力方面具有极其广阔的应用前景。双极板是燃料电池的重要组成部件之一，其作用是分配反应气体、传导收集电流、并通过双极板上的流场对燃料电池进行热管理。由于其在酸性润湿的环境中运行，因此双极板的耐腐蚀性、导电性、疏水性和机械性能成为对其必不可少的要求。更重要的是，双极板占据了燃料电池电堆整体质量的～80％、整体成本的～30％，双极板的轻量化及生产成本的降低，能够提高燃料电池的比质量能量密度，还有利于燃料电池的市场化推广。

2、双极板主要分为三类：石墨双极板、复合双极板及金属双极板。传统的石墨双极板在技术、商业化层面均已成熟，且占据了大量的市场份额，石墨双极板或者含有石墨的复合双极板目前依然是市场应用的主流，市场规模占比高达65％；然而石墨双极板的加工工序严格且复杂，加工时间长，另外石墨具有脆性及易碎的特点，在组装过程中特别易损坏，这些因素均影响了石墨双极板的应用和使用寿命。

3、复合双极板结合了石墨板和金属板的优点，具有强度高、质量轻、耐腐蚀性能好和体积小的特点，但其制造工艺复杂，生产周期长、成本高居不下。

4、金属双极板的机械强度高、加工性能好、气密性优良、导电性和导热性好、成形性/抗冲击性好，但是在燃料电池工作过程中，由于nafion树脂造成的酸性恶劣环境，会导致金属双极板发生表面钝化，造成双极板与膜电极之间的接触电阻增大；其次，金属双极板被腐蚀后，cr3+、ni2+、fe3+等金属离子析出，会造成质子交换膜污染，从而降低燃料电池的输出功率和运行寿命。

技术实现思路

1、基于上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种木材基双极板及其制备方法和在燃料电池中的应用。本发明以木材为原料，依次经历脱木质素预处理、浸渍、加压紧实、煅烧碳化、浸渍、煅烧碳化、流道雕刻、粘接，得到具有高强度、高导电性的燃料电池用木材基双极板。本发明的木材基双极板克服了现有技术双极板存在的成本高、制造工艺复杂、生产周期长、使用寿命短的技术缺陷。

2、本发明的第一个目的在于提供一种木材基双极板的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤s1、脱木质素预处理：将天然木材用去离子水清洗干净，切成10～20mm厚度的板片备用，采用脱木质素液浸渍天然木材进行处理，得到脱木质素木材，脱木质素木材能够形成网络结构，有利于双极板强度的提高，最终能够提高双极板的加工成品率和使用寿命；

4、步骤s2、浸渍：将步骤s1的脱木质素木材浸入至含纳米碳的高分子树脂溶液i中，充分真空搅拌混合，使纳米碳和高分子树脂浸透木材，得到浸有纳米碳和高分子树脂i的木材，高分子树脂i作为碳源，纳米碳作为导电材料；

5、步骤s3、加压紧实：将步骤s2浸有纳米碳和高分子树脂i的木材置于压力机上，加压紧实，得到0.5～2mm厚度的复合木片；加压紧实的过程使得天然木材的质地增强，继而提升双极板的机械强度；因为脱木质素之后的木材质地很软，很容易进行压制成型，所以压实操作过程中，还能够通过采用模具压制得到流道；

6、步骤s4、煅烧碳化处理i：将步骤s3复合木片置于气氛炉中，进行一次煅烧碳化处理i，煅烧过程使得高分子树脂i和木材碳化，所得产物用去离子水反复冲洗，洗掉表面残留的碎渣，得到起始碳片，碳化之后提高导电率；

7、步骤s5、浸渍：将步骤s4的起始碳片浸入至含纳米碳的高分子树脂溶液ii中，充分真空搅拌混合，直至起始碳片的孔隙被完全填充，得到浸有纳米碳和高分子树脂ii的木材；再浸渍是为了将双极板的孔隙填满，避免氢气与氧气混合，引起爆炸；高分子树脂ii作为碳源，纳米碳作为导电材料；

8、步骤s6、煅烧碳化处理ii：将步骤s5浸有纳米碳和高分子树脂ii的木材置于气氛炉中，进行煅烧碳化处理ii，煅烧过程使得高分子树脂ii碳化，所得产物用去离子水反复冲洗，洗掉表面残留的碎渣；再碳化进一步提高双极板的导电性；

9、重复步骤s5和步骤s6的操作，重复的次数≥1，得到最终碳片；

10、步骤s7、流道雕刻：于若干步骤s6最终碳片的一面上，用精密微雕雕刻出相应的流道，若于压实阶段获得了流道，则无需进行雕刻处理，分别得到氢极板或氧极板；

11、步骤s8、粘接：将步骤s7的氢极板和氧极板组合，用胶水粘接，得到双极板，按照要求进行加工即可。

12、优选的，步骤s1中的脱木质素液为亚氯酸钠的水溶液、次氯酸钠的水溶液、氢氧化钠的水溶液、亚硫酸钠的水溶液、过氧化氢的水溶液中的一种或几种，脱木质素液中溶质的质量百分比为5-50wt％。

13、优选的，步骤s1中天然木材的脱木质素率为30～100％，进一步的，脱木质素率为30～80％。

14、优选的，步骤s2和步骤s5中的纳米碳分别独立的选自石墨粉、膨胀石墨、鳞片石墨、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯中的一种或几种。

15、优选的，步骤s2和步骤s5中的高分子树脂分别独立的选自环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂、苯并噁嗪树脂、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚中的一种。

16、优选的，步骤s2中，高分子树脂溶液i中高分子树脂的质量分数为1-10wt.％，纳米碳在高分子树脂i溶液中的质量百分比为10～50wt.％，脱木质素木材与含纳米碳的高分子树脂溶液i中纳米碳的质量比为1-5：1。

17、优选的，步骤s5中，高分子树脂溶液ii中高分子树脂的质量分数为0.1-5wt.％，纳米碳在高分子树脂溶液ii中的质量百分比为1～10wt.％；起始碳片与含纳米碳的高分子树脂溶液ii中纳米碳的质量比为50-100：1；经过一次煅烧后，大部分的孔隙已经被填充，且碳片的亲水性变差，所以再次浸渍时，将含纳米碳的高分子树脂溶液稍微弄稀一些，高分子树脂溶液ii与高分子树脂溶液i相比，纳米碳含量变低，流动性变大，使得第二次/第n次浸渍时，碳片的孔隙更容易被填充。

18、优选的，高分子树脂i和高分子树脂ii分别采用去离子水、异丙醇、甲苯、二甲基亚砜、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺进行分散。

19、优选的，步骤s3中，热压机的压力为50～200mpa，加热温度为50～200℃，将浸有纳米碳和高分子树脂i的木材压实，得到厚度为0.5～2mm的复合木片。

20、优选的，步骤s4的煅烧碳化处理i和步骤s6的煅烧碳化处理ii均为惰性气氛，煅烧温度为1000～2000℃，煅烧时间为1～10h。

21、优选的，步骤s7中流道结构的雕刻为精密微雕，按照现有流道进行雕刻即可。

22、本发明的第二个目的在于提供一种采用上述制备方法制得的木材基双极板。

23、本发明的第三个目的在于提供木材基双极板在制备燃料电池双极板中的应用。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、1、本发明提供了一种以木材为原料，获得木材基双极板的方法。就制备工艺来讲，与现有技术相比，本发明的制备工艺简单快捷，原料廉价易得且可再生。

26、2、本发明以木材为原料，依次经历脱木质素预处理、浸渍、加压紧实、煅烧碳化、重复浸渍、重复煅烧碳化、流道雕刻、粘接，得到具有高强度、高导电性的燃料电池用木材基双极板。本发明的制备原理是：利用天然的木材为原料，通过脱木质素后形成多孔网络结构，于网络结构中填充纳米碳和高分子树脂i，压制成机械强度高的木片，再进行煅烧，得到碳片，进一步反复填充纳米碳和高分子树脂ii，煅烧，得到廉价、导电性高、强度高、气密性好的碳片，经过雕刻流道或者在压制过程中直接压成相应流道，即可形成极板。

27、3、本发明以木材为原料，获得了木材基双极板，在脱木质素和压实过程中，实现了机械强度的提高，并采用填充纳米碳、以及碳化的方式提升导电性，继而获得了具有高强度、高导电性的木材基双极板，并将其替代现有石墨双极板、复合双极板及金属双极板，以作为燃料电池的双极板进行应用。