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一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法

阅读：973发布：2022-03-10

专利汇可以提供一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法，属于燃料电池技术领域，包括两层柔性石墨板及位于两层柔性石墨极板之间的中间层，所述中间层为多孔金属层、金属纤维网、泡沫金属或非金属夹层。本发明中间层采用泡沫金属，泡沫金属的三维空间结构在垂直于双极板平面方向有金属支撑，提供了更好的导电特性。同时金属纤维有较好的韧性可以提供更高的强度。制成的单板粘接之后，再进行树脂浸渍，可以提高密封性。最后的双极板表面处理抛光，清洁，确保双极板的高导电性。浸渍的树脂会沉积在双极板的表面，直接的问题是厚度增加，通过抛光可以减薄，将电阻高的树脂清除，是石墨之间直接导通，降低接触电阻，降低电堆的内阻，提高发电性能。，下面是一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高导电性的柔性石墨双极板，其特征在于，包括两层柔性石墨板及位于两层柔性石墨极板之间的中间层，所述中间层为多孔金属层、金属纤维网、泡沫金属或非金属夹层。
2.如权利要求1所述的一种高导电性的柔性石墨双极板，其特征在于，所述柔性石墨板的厚度为3-10mm，优选厚度5-7mm，膨胀石墨的密度在0.1-0.5g/cm3之间。
3.如权利要求1所述的一种高导电性的柔性石墨双极板，其特征在于，所述泡沫金属为高导电金属，如泡沫镍，泡沫铜等，泡沫金属厚度为3-5mm，孔径为5-100ppi，优选5-30ppi，
3
孔隙率60％-95％，体积密度0.1-0.8g/cm。
4.如权利要求1所述的一种高导电性的柔性石墨双极板，其特征在于，所述柔性石墨板的厚度大于泡沫金属的厚度。
5.如权利要求1所述的一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
a)制备复合柔性石墨板；
b)在复合柔性石墨板表面压制得到燃料电池的燃料流场、氧化剂流场和冷却流场结构，得到燃料电池阳极或是阴极的极板，在阳极板或是阴极板气体流场流道相对的面制备冷却流场流道；
c)在阳极板和阴极板相互接触的平面印刷涂敷导电胶，粘接在一起得到燃料电池多层复合柔性石墨双极板，阳极板和阴极板接触面有冷却流场流道，粘合后的双极板在加热的条件下，固化成为一个整体的复合柔性石墨双极板；
d)将制成的双极板浸渍导电树脂，填充密封双极板中的空隙，提高双极板的气密性；
e)将浸渍树脂后的双极板进行表面的抛光、清洁处理，使导电石墨裸露出来。
6.如权利要求5所述的一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤a所述制备复合柔性石墨板，具体为在两张膨胀石墨原板之间放置泡沫金属板带，使用压力机将蓬松的状态的膨胀石墨原板与多孔的泡沫金属，压合在一起制成复合板。
7.如权利要求5所述的一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤a所述制备复合柔性石墨板，具体为在两张膨胀石墨原板之间放置膨胀石墨原板与金属层或非金属的导电层，所述膨胀石墨原板与金属层或非金属的导电层交替放置。
8.如权利要求5或6所述的一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：所述的膨胀石墨原板的制备方法，具体步骤如下：
A)将膨胀石墨研磨，研磨后膨胀石墨的粒径小于多孔的泡沫金属的孔径；
B)在研磨的膨胀石墨中加入树脂，配置成一定黏度的浆料；
C)将膨胀石墨浆料注入多孔泡沫金属，使泡沫金属内部填充膨胀石墨浆料，表面覆盖一定厚度的膨胀石墨浆料；
D)将过量的树脂排除，得到具有一定粘性的含有膨胀石墨和泡沫金属的材料块体；所述一定粘性为1Pa.s-10Pa.s,25℃；
E)将D中得到的膨胀石墨和泡沫金属的材料块体进行压制得到膨胀石墨原板。
9.如权利要求8所述的一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，步骤A所述的膨胀石墨的体积密度为0.1-0.5g/cm3，研磨后的膨胀石墨粒径为0.01-0.1mm。
10.如权利要求8所述的一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，步骤B所述的树脂为苯并噁嗪。

说明书全文

一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法。

背景技术

[0002] 燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应实现发电的装置。燃料电池市场前景非常广阔，在交通运输，分布电网，汽车，通讯基站，船舶、军事野外作业场所均有应用。质子交换膜燃料电池，氢气能量转化效率高，同时对环境友好。目前质子交换膜燃料电池在新能源汽车行业应用得到广泛的认可和接受，是新能源汽车的电动化的一个主要方向。

[0003] 双极板是燃料电池的关键部件之一，主要作用是分配反应气体、排除反应产物水，收集并传导电流，支撑膜电极，散出反应生成的热量。双极板主要分为石墨双极板和金属双极板。石墨双极板包括硬石墨板和柔性石墨板，硬石墨板的应用在启程上的应用受到一定的限制，柔性石墨板是应用的一个方向，柔性石墨板以膨胀石墨为主要材料，经过压制和注胶制成。膨胀石墨板为蓬松的多孔状态，在双极板面内的石墨的片层结构具有较高的电导率，在垂直于双极板平面方向，由于蓬松结构，电阻较高，会影响燃料电池的电子传导。

发明内容

[0004] 为了克服现有技术中存在的柔性石墨双极板在垂直于平面方向的电导率低等问题，本发明提供了一种高导电性的柔性石墨双极板及其制备方法，该方法能够有效的提高纯柔性石墨双极板的韧性和强度。

[0005] 本发明通过如下技术方案实现：

[0006] 一种高导电性的柔性石墨双极板，包括两层柔性石墨板及位于两层柔性石墨极板之间的中间层，所述中间层为多孔金属层、金属纤维网、泡沫金属或非金属夹层。

[0007] 进一步地，所述柔性石墨板的厚度为3-10mm，优选厚度5-7mm，膨胀石墨的密度在0.1-0.5g/cm3之间。

[0008] 进一步地，所述泡沫金属为高导电金属，如泡沫镍，泡沫铜等，泡沫金属厚度为3-5mm，孔径为5-100ppi，优选5-30ppi，孔隙率60％-95％，体积密度0.1-0.8g/cm3。

[0009] 进一步地，所述柔性石墨板的厚度大于泡沫金属的厚度。

[0010] 一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，具体步骤如下：

[0011] a)制备复合柔性石墨板；

[0012] b)在复合柔性石墨板表面压制得到燃料电池的燃料流场、氧化剂流场和冷却流场结构，得到燃料电池阳极或是阴极的极板，在阳极板或是阴极板气体流场流道相对的面制备冷却流场流道；

[0013] c)在阳极板和阴极板相互接触的平面印刷涂敷导电胶，粘接在一起得到燃料电池多层复合柔性石墨双极板，阳极板和阴极板接触面有冷却流场流道，粘合后的双极板在加热的条件下，固化成为一个整体的复合柔性石墨双极板；

[0014] d)将制成的双极板浸渍导电树脂，填充密封双极板中的空隙，提高双极板的气密性；

[0015] e)将浸渍树脂后的双极板进行表面的抛光、清洁处理，使导电石墨裸露出来。

[0016] 进一步地，步骤a所述制备复合柔性石墨板，具体为在两张膨胀石墨原板之间放置泡沫金属板带，使用压力机将蓬松的状态的膨胀石墨原板与多孔的泡沫金属，压合在一起制成复合板。

[0017] 进一步地，步骤a所述制备复合柔性石墨板，具体为在两张膨胀石墨原板之间放置膨胀石墨原板与金属层或非金属的导电层，所述膨胀石墨原板与金属层或非金属的导电层交替放置。

[0018] 进一步地，所述的膨胀石墨原板的制备方法，具体步骤如下：

[0019] A)将膨胀石墨研磨，研磨后膨胀石墨的粒径小于多孔的泡沫金属的孔径；

[0020] B)在研磨的膨胀石墨中加入树脂，配置成一定黏度的浆料；

[0021] C)将膨胀石墨浆料注入多孔泡沫金属，使泡沫金属内部填充膨胀石墨浆料，表面覆盖一定厚度的膨胀石墨浆料；

[0022] D)将过量的树脂排除，得到具有一定粘性的含有膨胀石墨和泡沫金属的材料块体；所述一定粘性为1Pa.s-10Pa.s,25℃；

[0023] E)将D中得到的膨胀石墨和泡沫金属的材料块体进行压制得到膨胀石墨原板。

[0024] 进一步地，步骤A所述的膨胀石墨的体积密度为0.1-0.5g/cm3，研磨后的膨胀石墨粒径为0.01-0.1mm。

[0025] 进一步地，步骤B所述的树脂为苯并噁嗪。

[0026] 与现有技术相比，本发明的优点如下：

[0027] 本发明中间层采用泡沫金属，泡沫金属的三维空间结构在垂直于双极板平面方向有金属支撑，提供了更好的导电特性。同时金属纤维有较好的韧性可以提供更高的强度。制成的单板粘接之后，再进行树脂浸渍，可以提高密封性。最后的双极板表面处理抛光，清洁，确保双极板的高导电性。浸渍的树脂会沉积在双极板的表面，直接的问题是厚度增加，通过抛光可以减薄，将电阻高的树脂清除，是石墨之间直接导通，降低接触电阻，降低电堆的内阻，提高发电性能。附图说明

[0028] 图1为实施例1的石墨双极板的分解结构示意图；

[0029] 图2为实施例1的压制之后膨胀石墨与泡沫金属制成的柔性石墨板示意图；

[0030] 图3为常规的冲压方法得到的石墨双极板的结构形状；

[0031] 图4为实施例2制备的柔性石墨双极板的结构示意图；

[0032] 图5为膨胀石墨原板的制备流程示意图；

[0033] 图中：柔性石墨原板1、泡沫金属2、柔性石墨层4、碳纤维层5、膨胀石墨6、泡沫金属7。

具体实施方式

[0034] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

[0035] 实施例1

[0036] 一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，具体步骤如下：

[0037] a)在两张膨胀石墨原板1之间放置泡沫金属板2，膨胀石墨板与泡沫金属板带呈夹层状结构；

[0038] b)选择膨胀石墨原板，板厚度2-7mm；泡沫金属使用泡沫镍，孔径25ppi，使用压力机将蓬松的状态的膨胀石墨板与多孔的泡沫金属，压合在一起制成复合板；并同时在复合板的表面压制出阳极流场得到阳极极板单板，阴极流场与冷却流场在另一块双极板单板，阳极极板单板厚度在0.6mm，阴极/冷却双极板单板厚度在0.75mm。

[0039] c)将阳极流场单板和阴极/冷却双极板单板的接触面印刷涂胶粘接，在90℃加热的条件下，固化成为一个整体的柔性石墨复合双极板。

[0040] d)将制成的双极板浸渍树脂，密封双极板中的空隙；水热固化树脂后清洗取出；

[0041] e)将浸渍树脂后的柔性石墨双极板进行表面的抛光，使导电石墨裸露出，确保石墨的良好接触性，清洁处理。

[0042] 实施例2

[0043] 一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，具体步骤如下：

[0044] a)取0.3mm厚度膨胀石墨置于最下层，在膨胀石墨层上方放置0.2mm厚度纤维层，在碳纤维层上方放置0.3mm厚度膨胀石墨，将叠放好的多层复合石墨板模压在一起，得到柔性多层复合柔性石墨板。

[0045] b)在多层复合柔性石墨阳极板表面一侧成型得到燃料电池的氢气流场；在多层复合柔性石墨阴极板表面一侧成型得到氧化剂空气(氧气)流场，板子的另一侧表面得到冷却流场结构，得到燃料电池阳极和阴极的极板。

[0046] c)在阳极板和阴极板相互接触的平面印刷涂敷导电硅胶，粘接在一起，低温固化，24小时以上得到完整的燃料电池多层复合柔性石墨双极板。

[0047] d)将制成的双极板浸渍含有乙炔黑的导电树脂，填充密封双极板中的空隙，提高双极板的气密性；

[0048] e)将浸渍树脂后的双极板进行表面的抛光、清洁处理，使导电石墨裸露出来。

[0049] 实施例3

[0050] 一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，具体步骤如下：

[0051] a)取0.3mm厚度膨胀石墨置于最下层，在膨胀石墨层上方放置0.05mm厚度石墨烯膜，在墨烯膜上方放置0.1mm厚度碳纤维层，在碳纤维层的上方再放置一层0.05mm厚度铜网，铜网上方放置0.3mm厚度柔性石墨，将叠放好的多层复合膨胀石墨板模压在一起，得到多层复合柔性石墨板。

[0052] b)在多层复合柔性石墨阳极板表面一侧得到燃料电池的氢气流场，在多层复合柔性石墨阴极板表面一侧得到氧化剂空气(氧气)流场，板子的另一侧表面得到冷却流场结构，得到燃料电池阳极和阴极的极板。

[0053] c)在阳极板和阴极板相互接触的平面印刷涂敷导电硅胶，粘接在一起，低温固化，24小时以上得到完整的燃料电池多层复合柔性石墨双极板。

[0054] d)将制成的双极板浸渍含有乙炔黑的导电树脂，填充密封双极板中的空隙，提高双极板的气密性；

[0055] e)将浸渍树脂后的双极板进行表面的抛光、清洁处理，使导电石墨裸露出来。

[0056] 实施例4

[0057] 一种高导电性的柔性石墨双极板的制备方法，具体步骤如下：

[0058] a)将膨胀石墨研磨，研磨后膨胀石墨的粒径D50为0.05mm；

[0059] b)将研磨的膨胀石墨加入环氧乙烷树脂，配置成一定黏度膨胀石墨的浆料，黏度0.01Pa.s；

[0060] c)将膨胀石墨浆料注入泡沫金属，使泡沫镍内部充满膨胀石墨浆料，表面覆盖约3mm厚度的膨胀石墨浆料；泡沫镍厚度为3mm，孔径为25ppi，孔隙率90％。

[0061] d)将过量的树脂排除，得到具有一定粘性的含有膨胀石墨和泡沫金属的材料块体，块体的尺寸为150×425mm；

[0062] e)将d中得到的膨胀石墨和泡沫金属的材料块体，进行第一步压制得到复合材料平板，厚度约为3mm；然后将复合材料平板进行第二步压制，在平板表面形成氢气流道流场、空气(氧气)流道流场、冷却流道流场，得到含有流场的双极板单板；两侧有流场流道的单板厚度为0.7mm，单侧有流道的厚度为0.6mm，流道的深度为0.25mm。

[0063] f)将e中得到的双极板单板在加压条件下，温度60℃进行树脂固化，固化后清洗得到进一步的复合柔性石墨双极板单板；

[0064] g)将f中得到的双极板单板进行表面抛光处理，抛光后的单板粘接得到完整的符合柔性石墨双极板。

[0065] 实施例5

[0066] 膨胀石墨原板的制备方法，具体步骤如下：

[0067] A)将膨胀石墨研磨，研磨后膨胀石墨的粒径为0.05mm；

[0068] B)将研磨的膨胀石墨加入环氧乙烷树脂，配置成一定黏度膨胀石墨的浆料，黏度0.01Pa.s；

[0069] C)将膨胀石墨浆料注入泡沫金属，使泡沫镍内部充满膨胀石墨浆料，表面覆盖约3mm厚度的膨胀石墨浆料；泡沫镍厚度为3mm，孔径为25ppi，孔隙率90％。

[0070] D)将过量的树脂排除，得到具有一定粘性的含有膨胀石墨和泡沫金属的材料块体，块体的尺寸为150×425mm；

[0071] E)将d中得到的膨胀石墨和泡沫金属的材料块体，进行第一步压制得到复合材料平板，厚度约为3mm；然后将复合材料平板进行第二步压制，在平板表面形成氢气流道流场、空气(氧气)流道流场、冷却流道流场，得到含有流场的双极板单板；两侧有流场流道的单板厚度为0.7mm，单侧有流道的厚度为0.6mm，流道的深度为0.25mm。

[0072] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

[0073] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

[0074] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

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