CN111509251B - 一种氢燃料电池用双极板及其制备方法 - Google Patents

一种氢燃料电池用双极板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢燃料电池用双极板及其制备方法，属于燃料电池领域。该制备方法包括如下步骤：(1)制浆，(2)流延成膜、烘干，(3)真空轧膜增密、辊压制槽，(4)裁片、整形、冲孔；(5)烧结再次增密。本发明首次将流延成膜技术应用到氢燃料电池的双极板制备中，该制备方法可替代落后的机械加工成型或模压成型方式，可以批量生产超薄的双极板，制备出的双极板致密性、耐腐蚀、韧性、导电性、强度性能都十分优异。

Description

一种氢燃料电池用双极板及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，尤其涉及一种氢燃料电池用双极板及其制备方法。
背景技术
氢燃料电池常采用的双极板主要包括石墨碳板、金属双极板、复合双极板类，石墨双极板目前是国内应用的主流。石墨双极板多数采用机械加工或模压成型的方式，而国外厂商直接采用压铸成型或膨胀石墨挤压成型方式，加工方式单一。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氢燃料电池用双极板的制备方法。该方法为新型流延成膜的双极板制造方法，其可替代落后的机械加工成型方式或模压成型方式，并且可以批量生产0.1mm—1mm超薄厚度的双极板。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种氢燃料电池用双极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)制浆：将石墨粉与一定的比例分散剂加入溶剂(水基或有机溶剂)中，通过球磨或超声波振荡打开颗粒团聚，并保证溶剂润湿石墨粉体，再加入一定比例的粘结剂、增塑剂，通过二次球磨，并加入除泡剂进行真空除泡，就可得到稳定、均一的浆料；
(2)流延成膜、烘干：将浆料输送到流延机容器中，合理设定浆料液面高度、流延刮刀的刀口高度、流延机的走带速度三个参数，可获得所需膜的厚度，静置稳定的膜经钢带平移，通过多个烘干温区烘干；
(3)真空轧膜增密(真空度在0.1pa-1000pa之间)、辊压制槽：将具备一定强度的膜导入轧膜机双辊中，轧膜机设定为真空状态，轧膜机布置有多组不同间距的辊轮，逐步减小间距增加密度定型，最后一组辊轮为成型槽轮，是根据双极板氢气扩散要求设计的成型模辊，经过辊压，形成氢气、氧气、水等气流场；
(4)裁片、整形、冲孔：根据设计尺寸要求设计冷压膜，双极板冲压成型，冲压后去毛刺，棱角倒钝修光，进行冲孔；
(5)烧结再次增密：在惰性气体保护情况下，对石墨双极板进行高温处理，利用沥青等液相物质粘结固体颗粒，起到再次增密作用。
本发明可采用100-500目人造石墨为原料，并按照石墨粉质量百分比加入如下组分：10-25％的分散剂，所述分散剂为二甲基甲硫胺、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种；10-25％的溶剂，所述溶剂为乙醇；10-20％的粘结剂，所述粘结剂为乙烯基树脂或双酚；5-20％的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇；0.1-1.5％的除泡剂，所述除泡剂为聚醚消泡剂、乙二醇或正丁醇；二次球磨时间为2-20小时。
本发明还可采用表面包覆有质量百分比5-10％100-150℃沥青的100-500目人造石墨粉为原料，并按照包裹沥青后的石墨粉质量百分比加入如下组分：15-30％的分散剂，所述分散剂为二甲基甲硫胺、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种；10-25％的溶剂，所述溶剂为乙醇；5-10％的粘结剂，所述粘结剂为乙烯基树脂或双酚；5-20％的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇；0.1-1.5％的除泡剂，所述除泡剂为聚醚消泡剂、乙二醇或正丁醇；二次球磨时间为2-20小时。
进一步的，所述步骤(2)中烘干温度为200℃-500℃，所述步骤(5)中烧结温度为900℃-1300℃，烧结时间为0.5-3小时。
本发明还可采用表面包覆有质量百分比2-5％的金属镍的100-500目人造石墨粉为原料，并按照包裹金属镍的石墨粉质量百分比加入如下组分：15-30％的分散剂，所述分散剂为二甲基甲硫胺、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种；10-25％的溶剂，所述溶剂为乙醇；5-10％的粘结剂，所述粘结剂为乙烯基树脂或双酚；5-20％的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇；0.1-1.5％的除泡剂，所述除泡剂为聚醚消泡剂、乙二醇或正丁醇；二次球磨时间为2-20小时。
进一步的，所述步骤(2)中烘干温度为200℃-500℃，所述步骤(5)中烧结温度为900℃-1300℃，烧结时间为0.5-3小时。
本发明还提供了由上述方法制备的氢燃料电池的双极板。
利用以上方法可获得厚度0.1-1mm、致密性高、高强度、韧性好、导电性好、耐腐蚀的氢燃料电池用石墨类双极板。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明首次将流延成膜技术应用到了氢燃料电池的双极板制备中，该制备方法可替代落后的机械加工成型方式或模压成型方式，并且可以批量生产超薄的双极板，且制备出的电极板致密性、耐腐蚀、韧性、导电性、强度性能都十分优异。
具体实施方式
实施例1
本实施例采用100-500目人造石墨为原料制备氢燃料电池用石墨类双极板，步骤如下：
(1)制浆：按照石墨粉质量百分比10-25％加入分散剂二甲基甲硫胺，10-25％加入溶剂乙醇，5-20％加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯，通过球磨或超声波振荡打开颗粒团聚，并保证溶剂润湿石墨粉体，按照石墨粉质量百分比10-20％加入粘结剂乙烯基树脂(P104-02)，二次球磨2-20小时，0.3％加入除泡剂乙二醇进行真空除泡，即可得到稳定、均一的浆料；
(2)流延成膜、烘干：将浆料输送到流延机容器中，合理设定浆料液面高度、流延刮刀的刀口高度、流延机的走带速度三个参数，可获得所需膜的厚度，静置稳定的膜经钢带平移，通过多个烘干温区烘干，烘干温度为200℃；
(3)真空轧膜增密、辊压制槽：将具备一定强度的膜导入轧膜机双辊中，轧膜机设定为真空状态，轧膜机布置有多组不同间距的辊轮，逐步减小间距增加密度定型，最后一组辊轮为成型槽轮，是根据双极板氢气扩散要求设计的成型模辊，经过辊压，形成氢气、氧气、水等气流场；
(4)裁片、整形：根据设计尺寸要求设计冷压膜，双极板冲压成型，冲压后去毛刺，棱角倒钝修光；
(5)烧结再次增密：在惰性气体保护下，对石墨双极板进行900℃高温烧结，时间为2小时，利用液相物质粘结固体颗粒，起到再次增密作用。
利用以上方法制备的氢燃料电池用石墨双极板的性能参数如表1所示，其厚度为0.3mm。
表1
Figure BDA0002472620620000031
由上表可知，本实施例制备的双极板其致密性、强度、导电性、耐腐蚀等都十分优良。
实施例2
本实施例采用以质量百分比5-10％120℃的沥青包覆100-500目人造石墨粉为原料制备氢燃料电池用石墨类双极板，步骤如下：
(1)制浆：按照包覆沥青的石墨粉质量百分比15-30％加入分散剂羧甲基纤维素(CMC)，10-25％加入溶剂乙醇，5-20％加入增塑剂聚乙二醇(聚合度8-100)，通过球磨或超声波振荡打开颗粒团聚，并保证溶剂润湿石墨粉体，5-10％加入粘结剂双酚，二次球磨2-20小时，0.2％加入除泡剂正丁醇进行真空除泡，即可得到稳定、均一的浆料；
(2)流延成膜、烘干：将浆料输送到流延机容器中，合理设定浆料液面高度、流延刮刀的刀口高度、流延机的走带速度三个参数，可获得所需膜的厚度，静置稳定的膜经钢带平移，通过多个烘干温区烘干，烘干温度为500℃；
(3)真空轧膜增密、辊压制槽：将具备一定强度的膜导入轧膜机双辊中，轧膜机设定为真空状态，轧膜机布置有多组不同间距的辊轮，逐步减小间距增加密度定型，最后一组辊轮为成型槽轮，是根据双极板氢气扩散要求设计的成型模辊，经过辊压，形成氢气、氧气、水等气流场；
(4)裁片、整形：根据设计尺寸要求设计冷压膜，双极板冲压成型，冲压后去毛刺，棱角倒钝修光。
(5)烧结再次增密：在惰性气体保护情况下，石墨双极板在1100℃条件下烧结3小时，利用液相物质粘结固体颗粒，起到再次增密作用。
利用以上方法可获得厚度0.1-1mm、致密性高、高强度、韧性好、导电性好、耐腐蚀的氢燃料电池用石墨类双极板。
实施例3
本实施例采用以质量百分比2-5％金属镍包覆100-500目人造石墨粉为原料制备氢燃料电池用石墨类双极板，步骤如下：
(1)制浆：按照包覆金属镍的石墨粉质量百分比15-30％加入分散剂十二烷基苯磺酸钠，10-25％加入溶剂乙醇，5-20％加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯，通过球磨或超声波振荡打开颗粒团聚，并保证溶剂润湿石墨粉体，5-10％加入粘结剂双酚，0.1-1.5％加入除泡剂乙二醇进行真空除泡，球磨2-20小时，即可得到稳定、均一的浆料；
(2)流延成膜、烘干：将浆料输送到流延机容器中，合理设定浆料液面高度、流延刮刀的刀口高度、流延机的走带速度三个参数，可获得所需膜的厚度，静置稳定的膜经钢带平移，通过多个烘干温区烘干，烘干温度为300℃。
(3)真空轧膜增密、辊压制槽：将具备一定强度的膜导入轧膜机双辊中，轧膜机设定为真空状态，轧膜机布置有多组不同间距的辊轮，逐步减小间距增加密度定型，最后一组辊轮为成型槽轮，是根据双极板氢气扩散要求设计的成型模辊，经过辊压，形成氢气、氧气、水等气流场；
(4)裁片、整形：根据设计尺寸要求设计冷压膜，双极板冲压成型，冲压后去毛刺，棱角倒钝修光；
(5)烧结再次增密：在惰性气体保护情况下，将石墨双极板在1300℃条件下烧结0.5小时，利用液相物质粘结固体颗粒，起到再次增密作用。
利用以上方法可获得厚度0.1-1mm、致密性高、高强度、韧性好、导电性好、耐腐蚀的氢燃料电池用石墨类双极板。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种氢燃料电池用双极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制浆：将石墨粉与一定比例的分散剂加入溶剂中，使其混合均匀，再加入一定比例的粘结剂、增塑剂，通过二次球磨，并加入除泡剂进行真空除泡，就可得到稳定、均一的浆料；
(2)流延成膜、烘干；
(3)真空轧膜增密、辊压制槽：将具备一定强度的膜导入轧膜机双辊中，轧膜机设定为真空状态，轧膜机布置有多组不同间距的辊轮，逐步减小间距增加密度定型，最后一组辊轮为成型槽轮；
(4)裁片、整形、冲孔；
(5)烧结再次增密；
所述石墨粉以100-500目石墨为原料；
按照石墨粉质量百分比加入如下组分：10-25％的分散剂，所述分散剂为二甲基甲硫胺、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种；10-25％的溶剂，所述溶剂为乙醇；10-20％的粘结剂，所述粘结剂为乙烯基树脂或双酚；5-20％的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇；0.1-1.5％的除泡剂，所述除泡剂为聚醚消泡剂、乙二醇或正丁醇；二次球磨时间为2-20小时；
所述石墨粉中加入质量百分比5-10％的100℃-150℃的沥青包覆后再与分散剂一起加入到溶剂中；或所述石墨粉为表面包覆有质量百分比2-5％的金属镍的石墨粉，将所述石墨粉与分散剂一起加入到溶剂中。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池用双极板的制备方法，其特征在于，按照包裹沥青后的石墨粉质量百分比加入如下组分：15-30％的分散剂，所述分散剂为二甲基甲硫胺、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种；10-25％的溶剂，所述溶剂为乙醇；5-10％的粘结剂，所述粘结剂为乙烯基树脂或双酚；5-20％的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇；0.1-1.5％的除泡剂，所述除泡剂为聚醚消泡剂、乙二醇或正丁醇；二次球磨时间为2-20小时。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池用双极板的制备方法，其特征在于，按照包裹金属镍的石墨粉质量百分比加入如下组分：15-30％的分散剂，所述分散剂为二甲基甲硫胺、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种或多种；10-25％的溶剂，所述溶剂为乙醇；5-10％的粘结剂，所述粘结剂为乙烯基树脂或双酚；5-20％的增塑剂，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或聚乙二醇；0.1-1.5％的除泡剂，所述除泡剂为聚醚消泡剂、乙二醇或正丁醇；二次球磨时间为2-20小时。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池用双极板的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中烘干温度为200℃-500℃，所述步骤(5)中烧结温度为900℃-1300℃，烧结时间为0.5-3小时。
5.根据权利要求3所述的氢燃料电池用双极板的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中烘干温度为200℃-500℃，所述步骤(5)中烧结温度为900℃-1300℃，烧结时间为0.5-3小时。
6.一种应用于氢燃料电池的双极板，其特征在于，所述应用于氢燃料电池的双极板由权利要求1-5中任一所述的制备方法制备得到。
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