一种用于燃料电池的超薄石墨双极板的制造方法与流程

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种超薄石墨双极板的制造方法。

背景技术：

1、双极板(bipolar plates)，也称集流板，起着分隔氧化剂与还原剂的作用，并将反应物通过板面的流场均匀分配到电极各处，与电极催化剂层进行电化学反应。作为双极板的基本要求为耐腐蚀，导电性能好，透气率低，重量轻。

2、目前双极板的研究和应用主要集中在金属材料板和石墨材料板，金属材料双极板强度好，导电好，不透性好，弱点是耐腐蚀性差。石墨材料板具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，因此加工费用较高，同时也限制了石墨板厚度的减小。此外，石墨在制造过程中容易产生气孔，使燃料与氧化剂相互渗透，影响电池性能。

技术实现思路

1、本发明公开了一种用于燃料电池的超薄石墨双极板的制造方法，所述制造方法包括：将碳纤维和膨胀石墨进行预处理，将预处理的碳纤维制备纤维布并作为双极板的骨架层，然后在骨架层的两侧形成包括预处理的膨胀石墨的表面层，冷冻干燥，热压固化得到板坯，将板坯在浸渍剂中浸渍，加热干燥固化，得到用于燃料电池的超薄石墨双极板；本发明的制造方法提高了双极板的机械强度和抗弯性能，能够得到厚度超薄，高导电率，机械性和气密性好的燃料电池双极板。

2、具体方案包括：

3、一种用于燃料电池的超薄石墨双极板制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、1）将氯甲基化酚醛树脂分散在n,n-二甲基甲酰胺中，加入叠氮化钠，反应，得到叠氮化酚醛树脂；将碳纤维浸入双氧水中，密闭加热，取出干燥，然后放入含有叠氮化酚醛树脂的n-甲基吡咯烷酮中，密闭加热，取出干燥，得到预处理碳纤维；将多根所述预处理碳纤维制成粗纱后纺织成碳纤维布；

5、2）称取石墨烯和膨胀石墨球磨混合；然后浸泡于硝酸亚锡溶液中，再将其置于氢氧化钠中浸泡，再将其置于双氧水中浸泡，得到氧化锡和石墨烯改性的膨胀石墨；将所述改性的膨胀石墨，酚醛树脂分散在n-甲基吡咯烷酮中，得到混合浆料；

6、3）将所述混合浆料均匀刮涂在碳纤维布上，冷冻干燥，然后热压固化，得到极板胚；

7、4）将环氧丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯混合均匀，然后向其中加入陶瓷ti3sic2纳米粉末和硅烷偶联剂，搅拌均匀，加入过氧引发剂，得到浸渍液；

8、5）将极板转移至密闭容器中，注入浸渍液，使极板胚浸没至浸渍液中，重复抽真空和加压，使其浸渍充分；

9、6）将浸渍后的膨胀石墨板材进行水浴加热固化，然后置于烘箱中干燥固化，得到超薄石墨双极板。

10、进一步的，所述步骤1中，将18-20g氯甲基化酚醛树脂分散在450-500ml的n,n-二甲基甲酰胺中，加入0.5-0.6g叠氮化钠，40-50℃下反应完全，水洗，得到叠氮化酚醛树脂；将8-10g碳纤维浸入浓度为4-6wt%的双氧水中，80-100℃密闭加热1-2h，取出干燥，然后放入含有0.4-0.5wt%叠氮化酚醛树脂的n-甲基吡咯烷酮中，150-180℃密闭加热2-4h，取出干燥，得到预处理碳纤维。

11、进一步的，所述步骤2中，称取2-4g石墨烯和40-50g膨胀石墨球磨混合；然后置于浓度为2-3wt%的硝酸亚锡溶液中，浸泡预定时间，过滤，将过滤得到的固体置于氢氧化钠中浸泡0.5-1h，过滤，将过滤得到的固体置于双氧水中浸泡0.5-1h，过滤，清洗，干燥，得到改性的膨胀石墨；将75-80g改性的膨胀石墨，20-25g酚醛树脂分散在200-250ml的n-甲基吡咯烷酮中，得到混合浆料。

12、进一步的，所述步骤3中热压固化的参数为，热压温度为160-180℃，压力为15-25mpa，热压时间为10-30min；得到极板胚。

13、进一步的，所述步骤4中，将120-150g环氧丙烯酸酯、200-220g甲基丙烯酸甲酯、60-80g三羟甲基丙烷三丙烯酸酯混合均匀，然后向其中加入20-25g 陶瓷ti3sic2纳米粉末和5-10g硅烷偶联剂，搅拌均匀，加入5-10g过氧化苯甲酰，搅拌均匀得到浸渍液。

14、进一步的，所述步骤5中，将极板转移至密闭容器中，注入浸渍液，使极板胚浸没至浸渍液中，抽真空至100pa以下，保持20-30min，然后加压至3-5mpa，保持20-30min，重复抽真空和加压3-5次，使其浸渍充分。

15、进一步的，所述步骤6中，水浴的温度为80-90℃，时间为4-5h，然后置于烘箱中干燥固化，烘箱的温度为150-170℃，时间为1-2h，得到超薄石墨双极板。

16、一种用于燃料电池的超薄石墨双极板，所述双极板由所述的制造方法制备得到。

17、本发明的有益技术效果

18、1）本发明使用酚醛树脂接枝的碳纤维编织成纤维布作为双极板骨架，酚醛聚酯能够提高碳纤维的机械强度和弯曲性能，同时，接枝后的材料与膨胀石墨浆料的结合度大大提高，提高了双极板的机械性能；同时，接枝后的碳纤维布与膨胀石墨层具有极好的结合性能，能够提高石墨双极板的抗弯性能，提高骨架层和表面层的结合力；

19、2）本发明采用膨胀石墨和石墨烯混合，石墨烯具有良好的导电性能，修饰膨胀石墨后，能够大大提高膨胀石墨的导电性能，同时，进一步采用氧化锡进行表面修饰，提高了与酚醛树脂之间的亲和性，使得石墨烯和膨胀石墨能够均匀分散在浆料中形成导电网络，提高导电性能；

20、3）陶瓷ti3sic2纳米粉末为max相陶瓷材料，具有较高的导电性，本发明使用钛碳化硅作为填充导电介质，通过将其加入到浸渍液中，在浸渍的过程中分散到双极板的孔隙中，在提高导电性的同时，进一步提高极板的机械性能；

21、4）本发明采用冷冻干燥的方式能够形成多孔结构的石墨板胚，有利于浸渍液的渗透，同时，三种丙烯酸酯单体复配后，具有较低粘度，与极板胚的浸润性好，有利于降低极板的孔隙率，降低气体渗透率；同时加入硅烷偶联剂，使得max相的钛碳化硅，并在极板的孔隙中均匀分散，提高导电率。

技术特征：

1.一种用于燃料电池的超薄石墨双极板的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的超薄石墨双极板的制造方法，所述步骤1中，将18-20g氯甲基化酚醛树脂分散在450-500ml的n,n-二甲基甲酰胺中，加入0.5-0.6g叠氮化钠，40-50℃下反应完全，水洗，得到叠氮化酚醛树脂；将8-10g碳纤维浸入浓度为4-6wt%的双氧水中，80-100℃密闭加热1-2h，取出干燥，然后放入含有0.4-0.5wt%叠氮化酚醛树脂的n-甲基吡咯烷酮中，150-180℃密闭加热2-4h，取出干燥，得到预处理碳纤维。

3.如权利要求1所述的超薄石墨双极板的制造方法，所述步骤2中，称取2-4g石墨烯和40-50g膨胀石墨球磨混合；然后置于浓度为2-3wt%的硝酸亚锡溶液中，浸泡预定时间，过滤，将过滤得到的固体置于氢氧化钠中浸泡0.5-1h，过滤，将过滤得到的固体置于双氧水中浸泡0.5-1h，过滤，清洗，干燥，得到改性的膨胀石墨；将75-80g改性的膨胀石墨，20-25g酚醛树脂分散在200-250ml的n-甲基吡咯烷酮中，得到混合浆料。

4.如权利要求1所述的超薄石墨双极板的制造方法，所述步骤3中热压固化的参数为，热压温度为160-180℃，压力为15-25mpa，热压时间为10-30min；得到极板胚。

5.如权利要求1所述的超薄石墨双极板的制造方法，所述步骤4中，将120-150g环氧丙烯酸酯、200-220g甲基丙烯酸甲酯、60-80g三羟甲基丙烷三丙烯酸酯混合均匀，然后向其中加入20-25g 陶瓷ti3sic2纳米粉末和5-10g硅烷偶联剂，搅拌均匀，加入5-10g过氧化苯甲酰，搅拌均匀得到浸渍液。

6.如权利要求1所述的超薄石墨双极板的制造方法，所述步骤5中，将极板转移至密闭容器中，注入浸渍液，使极板胚浸没至浸渍液中，抽真空至100pa以下，保持20-30min，然后加压至3-5mpa，保持20-30min，重复抽真空和加压3-5次，使其浸渍充分。

7.如权利要求1所述的超薄石墨双极板的制造方法，所述步骤6中，水浴的温度为80-90℃，时间为4-5h，然后置于烘箱中干燥固化，烘箱的温度为150-170℃，时间为1-2h，得到超薄石墨双极板。

8.一种用于燃料电池的超薄石墨双极板，其特征在于，所述极板由权利要求1-7任一项所述的制造方法制备得到。

技术总结本发明公开了一种用于燃料电池的超薄石墨双极板的制造方法，所述制造方法包括：将碳纤维和膨胀石墨进行预处理，将预处理的碳纤维制备纤维布并作为双极板的骨架层，然后在骨架层的两侧形成包括预处理的膨胀石墨的表面层，冷冻干燥，热压固化得到板坯，将板坯在浸渍剂中浸渍，加热干燥固化，得到用于燃料电池的超薄石墨双极板；本发明的制造方法提高了双极板的机械强度和抗弯性能，能够得到厚度超薄，高导电率，机械性和气密性好的燃料电池双极板。技术研发人员：周远利,顾明明,何雄受保护的技术使用者：江苏金亚隆科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/29