CN212676306U - 分层式超薄碳基双极板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种分层式超薄碳基双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层，导电添加剂层的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层和导电基材/树脂复合层，且导电基材/树脂复合层的外表面具有流道结构。与现有技术相比，本实用新型解决了传统碳基复合双极板为满足强度条件而产生的厚度过大问题，以及碳基复合双极板工艺性能与导电性之间的矛盾；预浸料层能够在有效降低双极板厚度的情况下，保证极板良好的抗弯强度，同时又避免了成型厚度低引起的成型难度大的问题；厚度在1.4mm以内，能够显著降低燃料电池的整体体积及质量，制备难度低，工序少，适合批量生产。

Description

分层式超薄碳基双极板

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种分层式超薄碳基双极板。

背景技术

燃料电池与内燃机相比，是一种直接将化学能转换为电能的发电装置，区别于内燃机复杂的能量转换过程，因此能量转换率高。质子交换膜燃料电池通过将氢气和氧气分别通入阳极和阴极，在催化剂的作用下分别发生氧化反应和还原反应，电子经过外电路传导产生电能，氢离子通过质子交换膜传输到阴极生成水。

质子交换膜燃料电池的发电过程中，双极板对燃料电池的正常运行起着至关重要的作用。双极板需要将两极的反应气体完全隔开，防止两极气体混合后引发剧烈的氧化反应。同时，外电路的电子传导需要经过双极板，因此要求双极板有良好的导电性。反应气体的传输和生成水的排出依靠双极板上的气体流道，因此双极板需要有良好的流道成型性能，确保较小的流体阻力和良好的水气传输性能。双极板在燃料电池***中占据了相当大比重的质量和体积，其厚度和质量对燃料电池比功率有着很大的影响。

目前各个企业和研究机构已经开发出各种材料的双极板，主要包括金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板。石墨导电性、耐腐蚀性能好，但是机械强度差，需要较大厚度才能在承受电堆组装的加紧力和气体压力下保持电堆安全运行。金属双极板机械强度高，隔离气体性能好，可以通过冲压等机械加工方法成型超薄双极板，但是在燃料电池工作状态下易发生电化学腐蚀，需要添加涂层等方法进行表面处理。碳基复合双极板以石墨聚合物复合材料作基体，机械强度和耐腐蚀性良好，可以采用注塑成型和模压成型的加工方法，适合批量生产，但是导电性、阻气性、结构强度等性能较难平衡。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了提供一种分层式超薄碳基双极板。采用导电基材/树脂复合外层与预浸料中间夹导电添加剂层的内层结构来分别制作碳基复合双极板的功能层。分层式超薄碳基复合双极板能够减小燃料电池电堆的体积和质量，提高比功率，同时生产工艺难度低，便于批量生产。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型第一方面提供一种分层式超薄碳基双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层，导电添加剂层的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层和导电基材/树脂复合层，经热模压在极板表面固化形成流道结构。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的流道结构的流道深度小于导电基材/树脂复合层的厚度，所述的预浸料层和导电添加剂层为平面结构。由于预浸料取向不同，若预浸料层参与成型，则会造成各层间内应力不平衡，极大地影响极板的平面度。且预浸料层强度大，流道精密成型性能差。故本实用新型只有导电基材/树脂复合层参与成型流道结构。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的预浸料层为单向碳纤维或单向碳纤维织物的预浸料，且导电添加剂层两侧的预浸料层的取向相互垂直。预浸料层的面内导电性良好，机械强度高，是一种生产复合材料的工业中间材料。利用预浸料制备分层式超薄碳基复合双极板能够在有效降低双极板厚度的情况下，保证极板具有良好的抗弯强度，通过比较容易的生产工艺制备超薄双极板。

单向碳纤维预浸料或单向碳纤维织物预浸料具有良好的机械强度，并且有利于辅助复合双极板的厚度控制，降低超薄复合双极板的成型工艺难度。外层采用导电基材/树脂复合材料，能够保证良好的流道成型性能。

单向碳纤维或单向碳纤维织物预浸料层作中间层。单向碳纤维或单向碳纤维织物与短切纤维相比既可以提高双极板的面内电导率，又可以显著增强碳基复合双极板的机械性能；与非单向碳纤维织物相比，导电性具有单一纤维取向，通过将两个单向碳纤维或单向碳纤维织物预浸料层垂直堆叠，不仅可以提高双极板两个轴向的面内电导率，还可以使双极板两个轴向的面内电导率均匀分布。从而增大双极板的强度，提高双极板的面内导电率，减小双极板的厚度和重量，有效提高燃料电池电堆的比功率。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的预浸料层的厚度为0.06mm～0.20mm。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的预浸料层含有单一或组合的半固态热固性树脂，所述的半固态热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸氨树脂、双马树脂或不饱和聚酯树脂。

预浸料之间制备导电添加剂层作隔层。预浸料在热模压过程中表面涂布的过多树脂会被挤出，增大双极板的贯穿电阻。两个预浸料层夹的导电添加剂层可以吸收模压成型过程预浸料层中被挤出的树脂，在相邻预浸料层间构建导电通路，提升所述分层式碳基复合双极板的贯穿电导率。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的导电添加剂层含有石墨粉(主要由石墨粉为主构成)。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的石墨粉直径为1μm～200μm。进一步优选石墨粉的直径为3μm-50μm。更进一步优选石墨粉直径为6μm～20μm。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的导电剂添加层含有的石墨粉的量为25g/m²～135g/m²。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的石墨粉包括天然鳞片石墨、和/或膨胀石墨、和/或碳纤维、和/或高导电性炭黑。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的导电剂添加层通过将石墨粉在分散剂中分散形成浆料，再涂覆于预浸料层表面，烘干得到。进一步优选涂覆时采用涂膜机进行涂覆。

作为本实用新型优选的技术方案，导电剂添加层制备过程中，所述的分散剂为易挥发的溶剂，包括无水乙醇、甲醇或丙酮。进一步优选分散剂为无水乙醇或丙酮。

作为本实用新型优选的技术方案，导电剂添加层制备过程中，通过将分散剂倒入石墨粉中，经过超声分散，离心，得到石墨均匀离散的浆料。进一步优选超声分散的时间为10min，离心的时间为30min。

作为本实用新型优选的技术方案，导电剂添加层制备过程中，所述的分散剂与石墨粉的质量比为0.18:1～0.48:1。

作为本实用新型优选的技术方案，导电剂添加层制备过程中，浆料仅涂覆于预浸料层的单面，涂覆完成后在真空烘箱中烘干得到位于两层预浸料层间的导电添加剂层。目的是使导电添加剂层均匀稳定的黏附在预浸料表面。

作为本实用新型优选的技术方案，导电剂添加层制备过程中，烘干是指采用真空烘箱进行烘干。

作为本实用新型优选的技术方案，导电剂添加层制备过程中，烘干的温度在40～120℃。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的导电基材/树脂复合层的厚度为0.01mm～0.4mm。

导电基材/树脂复合层作表面缓冲层提高流道成型性能。预浸料在热模压成型过程中精细流道成型性能差，且易在双极板流道表面挤出预浸料中过多的树脂成分，增大双极板的表面接触电阻。采用导电基材/树脂复合层作缓冲层可以显著提高双极板的表面成型性能，吸收预浸料中被挤出的过多树脂，降低双极板的接触电阻。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的导电基材/树脂复合层以导电基材和热固性树脂混合而成的母料制成，导电基材包括天然石墨、人工石墨或膨胀石墨，热固性树脂应选用与预浸料层类型相同的树脂材料。导电基材/树脂复合层母料选用预浸料树脂成分相同的热固性树脂，可以保证分层结构模压后层与层之间的粘合性。

作为本实用新型优选的技术方案，母料通过将导电基材与树脂依次溶于溶剂中，并在室温条件下进行搅拌混合，然后均匀放入预设厚度的平板模具中，进行干燥脱溶剂得到。

作为本实用新型优选的技术方案，母料的制备过程中，所述的导电基材的直径为4μm～200μm。

作为本实用新型优选的技术方案，母料的制备过程中，所述的导电基材与树脂的质量比例为1:9～9:1。

作为本实用新型优选的技术方案，母料的制备过程中，溶剂与母料的质量比例为1:9-3:7。

作为本实用新型优选的技术方案，母料的制备过程中，所述的溶剂包括丙酮、和/或无水乙醇、和/或正丁醇、和/或乙二醇、和/或异丙醇。将导电基材与树脂依次溶于溶剂可采用的方法包括球磨混合和离心搅拌。

作为本实用新型优选的技术方案，母料的制备过程中，所述的平板模具的预设厚度为0.1mm～2.8mm。

作为本实用新型优选的技术方案，母料的制备过程中，干燥脱溶剂的条件为80℃的温度下处理0.1h～10h。

本实用新型第二方面提供所述的分层式超薄碳基双极板的制备方法，采用热模压成型，包括以下步骤：

(1)在带流道结构的模具内由下至上依次放置母料、涂覆导电添加剂层的预浸料层、预浸料层、母料。

(2)按照设定的成型压力和成型温度，加压成型，然后保持压力自然冷却至室温，卸去压力，得到所述的分层式超薄碳基双极板。

作为本实用新型优选的技术方案，步骤(1)中，应使预浸料层上涂覆的导电添加剂层处于两个预浸料层之间，且相邻两层预浸料层的取向应相互垂直。

作为本实用新型优选的技术方案，步骤(1)中，模具内表面喷涂有脱模剂。

作为本实用新型优选的技术方案，步骤(2)中，成型后导电基材/树脂复合层的厚度在0.01mm～0.4mm。

作为本实用新型优选的技术方案，步骤(2)中，成型压力为20MPa，成型温度为150℃，加压时间为1h。

利用GBT20042.6标准测试，本实用新型得到的极板的氢气渗透系数小于1×10^{- 14}cm³/(s·cm²Pa)，抗弯强度在50～90MPa之间。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

通过分层式结构，分别满足碳基复合双极板对于厚度(体积)、气密性、结构强度、导电性、工艺难度等方面的要求，进而实现复合石墨双极板整体性能的优化。单向碳纤维预浸布的使用不仅有利于实现超薄碳基复合双极板结构强度的优化，同时对于气密性，超薄板的成型都有良好的辅助功能。石墨/树脂复合层能够实现流道结构的高精度成型，极板的接触面电阻能够保持在较低水平。同时本实用新型工艺难度低，步骤简便，适用于大批量生产。

附图说明

图1为本实用新型热模压成型过程中的分层堆叠结构示意图。

图2为本实用新型的分层式超薄碳基复合双极板热模压成型后的结构示意图。

图3为图2的局部放大图。

图中，1为导电基材/树脂复合层，2为预浸料层，3为导电添加剂层，4为流道结构。

具体实施方式

一种分层式超薄碳基双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层3，导电添加剂层3的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层2和导电基材/树脂复合层1，经热模压固化在极板表面形成流道结构4。如图2和图3所示。

作为优选的一种实施方式，所述的流道结构4的流道深度小于导电基材/树脂复合层1的厚度，所述的预浸料层2和导电添加剂层3为平面结构，该实施方式有利于提高流道的精细成型精度，并消除由于取向不同导致预浸料成型后应力分布不均的问题。

作为优选的一种实施方式，所述的预浸料层2为单向碳纤维或单向碳纤维织物的预浸料，且导电添加剂层3两侧的预浸料层2的取向相互垂直。预浸料层2的面内导电性良好，机械强度高，是一种生产复合材料的工业中间材料。利用预浸料制备分层式超薄碳基复合双极板能够在有效降低双极板厚度的情况下，保证极板具有良好的抗弯强度，通过比较容易的生产工艺制备超薄双极板。

作为优选的一种实施方式，所述的预浸料层2的厚度为0.06mm～0.20mm。

作为优选的一种实施方式，所述的预浸料层2含有单一或组合的半固态热固性树脂，所述的半固态热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸氨树脂、双马树脂或不饱和聚酯树脂。

作为优选的一种实施方式，所述的导电添加剂层3含有石墨粉(主要由石墨粉为主构成)。

作为优选的一种实施方式，所述的石墨粉直径为1μm～200μm。进一步优选石墨粉的直径为3μm-50μm。更进一步优选石墨粉直径为6μm～20μm。

作为优选的一种实施方式，所述的导电剂添加层含有的石墨粉的量为25g/m²～135g/m²。

作为优选的一种实施方式，所述的石墨粉包括天然鳞片石墨、和/或膨胀石墨、和/或碳纤维、和/或高导电性炭黑。

作为优选的一种实施方式，所述的导电剂添加层通过将石墨粉在分散剂中分散形成浆料，再涂覆于预浸料层2表面，烘干得到。进一步优选涂覆时采用涂膜机进行涂覆。

作为优选的一种实施方式，导电剂添加层制备过程中，所述的分散剂为易挥发的溶剂，包括无水乙醇、甲醇或丙酮。进一步优选分散剂为无水乙醇或丙酮。

作为优选的一种实施方式，导电剂添加层制备过程中，通过将分散剂倒入石墨粉中，经过超声分散，离心，得到石墨均匀离散的浆料。进一步优选超声分散的时间为10min，离心的时间为30min。

作为优选的一种实施方式，导电剂添加层制备过程中，所述的分散剂与石墨粉的质量比为0.18:1～0.48:1。

作为优选的一种实施方式，导电剂添加层制备过程中，浆料仅涂覆于预浸料层2的单面，涂覆完成后在真空烘箱中烘干得到位于两层预浸料层2间的导电添加剂层3。目的是使导电添加剂层3均匀稳定的黏附在预浸料表面。

作为优选的一种实施方式，导电剂添加层制备过程中，烘干是指采用真空烘箱进行烘干。

作为优选的一种实施方式，导电剂添加层制备过程中，烘干的温度在40～120℃。

作为本实用新型优选的技术方案，所述的导电基材/树脂复合层1的厚度为0.01mm～0.4mm。

作为优选的一种实施方式，所述的导电基材/树脂复合层1以导电基材和热固性树脂混合而成的母料制成，导电基材包括天然石墨、人工石墨或膨胀石墨，热固性树脂应选用与预浸料层2类型相同的树脂材料。导电基材/树脂复合层1母料选用预浸料树脂成分相同的热固性树脂，可以保证分层结构模压后层与层之间的粘合性。

作为优选的一种实施方式，母料通过将导电基材与树脂依次溶于溶剂中，并在室温条件下进行搅拌混合，然后均匀放入预设厚度的平板模具中，进行干燥脱溶剂得到。

作为优选的一种实施方式，母料的制备过程中，所述的导电基材的直径为4μm～200μm。

作为优选的一种实施方式，母料的制备过程中，所述的导电基材与树脂的质量比例为1:9～9:1。

作为优选的一种实施方式，母料的制备过程中，溶剂与母料的质量比例为1:9-3:7。

作为优选的一种实施方式，母料的制备过程中，所述的溶剂包括丙酮、和/或无水乙醇、和/或正丁醇、和/或乙二醇、和/或异丙醇。将导电基材与树脂依次溶于溶剂可采用的方法包括球磨混合和离心搅拌。

作为优选的一种实施方式，母料的制备过程中，所述的平板模具的预设厚度为0.1mm～2.8mm。

作为优选的一种实施方式，母料的制备过程中，干燥脱溶剂的条件为80℃的温度下处理0.1h～10h。

分层式超薄碳基双极板的制备方法，采用热模压成型，如图1所示，包括以下步骤：

(1)在带流道结构的模具内由下至上依次放置母料、涂覆导电添加剂层3的预浸料层2、预浸料层2、母料。

(2)按照设定的成型压力和成型温度，加压成型，然后保持压力自然冷却至室温，卸去压力，得到所述的分层式超薄碳基双极板。

作为优选的一种实施方式，步骤(1)中，应使预浸料层2上涂覆的导电添加剂层3处于两个预浸料层2之间，且相邻两层预浸料层2的取向应相互垂直。

作为优选的一种实施方式，步骤(1)中，模具内表面喷涂有脱模剂。

作为优选的一种实施方式，步骤(2)中，成型后导电基材/树脂复合层1的厚度在0.01mm～0.4mm。

作为优选的一种实施方式，步骤(2)中，成型压力为20MPa，成型温度为150℃，加压时间为1h。

最终成型的分层式超薄碳基复合双极板的厚度一般小于1.4mm。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

一种分层式超薄碳基复合双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层3，导电添加剂层3的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层2和导电基材/树脂复合层1(即：包括表面两层导电基材/树脂复合层1和由两层预浸料层2夹导电添加剂层3组成的内层)，且导电基材/树脂复合层1的外表面具有流道结构。

其中预浸料层2为厚度为0.2mm的环氧预浸料(环氧树脂为基体的单向碳纤维预浸料)；预浸料层2所夹导电添加剂层3通过涂布10μm粒径天然鳞片石墨浆料制备而成；导电基材/树脂复合外层为质量比例为8:2的天然鳞片石墨粉和环氧树脂，石墨粒径为40μm。

分层式超薄碳基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用环氧树脂为基体的单向碳纤维预浸料作为增强机械性能的中间层，厚度为0.2mm(纤维单位面积质量为200g/m²，树脂含量为20％～40％)。

步骤2，将丙酮作为分散剂倒入天然鳞片石墨粉中，分散剂与石墨的质量比为0.3:1，经过超声分散10min，后离心30min，得到石墨均匀离散的浆料。

步骤3，使用涂膜机将步骤2中的石墨浆料均匀的涂布在预浸料的单个表面，涂布厚度不大于50μm，使石墨的含量在50g/m²～134g/m²。放入真空干燥箱中，60℃干燥24h，使用模切机将干燥好的涂布导电添加剂层3的预浸料裁剪成目标双极板形状和尺寸。

步骤4，选用环氧树脂和天然鳞片石墨粉制备表面导电基材/树脂复合层1母料，天然鳞片石墨直径为40μm。将天然鳞片石墨粉与树脂依次溶于丙酮中，并在室温条件下进行搅拌混合。其中天然鳞片石墨粉与树脂的质量比例为8:2；丙酮溶剂与母料的质量比例为1:9。将混合均匀的母料框形平板模具中，填充厚度为0.8mm，置入鼓风干燥箱中80℃脱溶剂1h，即制备的表面导电基材/树脂复合层1母料。

步骤5，按照导电基材/树脂复合层1母料、涂布好导电添加剂层3的预浸料层2、预浸料层2、导电基材/树脂复合层1母料的顺序将层叠结构装入带流道结构的模具中，其中两个预浸料层2的碳纤维取向应垂直，导电添加剂层3应处于两个预浸料层2之间，装模具前将甲基硅油喷涂在模腔内表面以便脱模。

步骤6，将组装好的模具安装上平板硫化机进行热模压成型，设定成型压力为20MPa，成型温度为150℃，加压1h，后保持压力自然冷却至室温，卸去压力。将成型好的双极板取出模具，即得到所述分层式超薄复合石墨双极板。经测量，成型极板的最大厚度为1.00±0.05mm，且复合层的厚度为0.2±0.02mm，流道的深度为0.15±0.01mm。

实施例2

一种分层式超薄碳基复合双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层3，导电添加剂层3的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层2和导电基材/树脂复合层1(即：包括表面两层导电基材/树脂复合层1和由两层预浸料层2夹导电添加剂层3组成的内层)，且导电基材/树脂复合层1的外表面具有流道结构。

其中预浸料层2为厚度为0.1mm的环氧预浸料(环氧树脂为基体的单向碳纤维预浸料)；预浸料层2所夹导电添加剂层3通过涂布20μm粒径天然鳞片石墨浆料制备而成；导电基材/树脂复合外层为质量比例为8:2的天然鳞片石墨粉和环氧树脂，石墨粒径为40μm。

分层式超薄碳基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用环氧树脂为基体的单向碳纤维预浸料作为增强机械性能的中间层，厚度为0.1mm(纤维单位面积质量为100g/m²，树脂含量为20％～40％)。

步骤2，将无水乙醇作为分散剂倒入天然鳞片石墨粉中，分散剂与石墨的质量比为0.3:1，经过超声分散10min，后离心30min，得到石墨均匀离散的浆料。

步骤3，使用涂膜机将步骤2中的石墨浆料均匀的涂布在预浸料的单个表面，涂布厚度不大于50μm，使石墨的含量在25g/m²～67g/m²。放入真空干燥箱中，60℃干燥24h，使用模切机将干燥好的涂布导电添加剂层3的预浸料裁剪成目标双极板形状和尺寸。

步骤4，选用环氧树脂和天然鳞片石墨粉制备表面导电基材/树脂复合层1母料，天然鳞片石墨直径为40μm。将天然鳞片石墨粉与树脂依次溶于丙酮中，并在室温条件下进行搅拌混合。其中天然鳞片石墨粉与树脂的质量比例为8:2；丙酮溶剂与母料的质量比例为1:9。将混合均匀的母料放入框形平板模具中，填充厚度为0.8mm，置入鼓风干燥箱中80℃脱溶剂1h，即制备的表面导电基材/树脂复合层1母料。

步骤5，按照导电基材/树脂复合层1母料、涂布好导电添加剂层3的预浸料层2、预浸料层2、导电基材/树脂复合层1母料的顺序将层叠结构装入带流道结构的模具中，其中两个预浸料层2的碳纤维取向应垂直，导电添加剂层3应处于两个预浸料层2之间，装模具前将甲基硅油喷涂在模腔内表面以便脱模。

步骤6，将组装好的模具安装上平板硫化机进行热模压成型，设定成型压力为20MPa，成型温度为150℃，加压1h，后保持压力自然冷却至室温，卸去压力。将成型好的双极板取出模具，即得到所述分层式超薄碳基复合双极板。经测量，成型极板的最大厚度为0.80±0.05mm，且复合层的厚度为0.2±0.02mm，流道的深度为0.15±0.01mm。

实施例3

一种分层式超薄碳基复合双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层3，导电添加剂层3的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层2和导电基材/树脂复合层1(即：包括表面两层导电基材/树脂复合层1和由两层预浸料层2夹导电添加剂层3组成的内层)，且导电基材/树脂复合层1的外表面具有流道结构。

其中预浸料层2为厚度为0.06mm的环氧预浸料(环氧树脂为基体的单向碳纤维预浸料)；预浸料层2所夹导电添加剂层3通过涂布40μm粒径天然鳞片石墨浆料制备而成；导电基材/树脂复合外层为质量比例为8:2的天然鳞片石墨粉和环氧树脂，石墨粒径为40μm。

分层式超薄碳基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用环氧树脂为基体的单向碳纤维预浸料作为增强机械性能的中间层，厚度为0.06mm(纤维单位面积质量为54g/m²，树脂含量为35％～40％)。

步骤2，将丙酮作为分散剂倒入天然鳞片石墨粉中，分散剂与石墨的质量比为0.3:1，经过超声分散10min，后离心30min，得到石墨均匀离散的浆料。

步骤3，使用涂膜机将步骤2中的石墨浆料均匀的涂布在预浸料的单个表面，涂布厚度不大于50μm，使石墨的含量在29g/m²～36g/m²。放入真空干燥箱中，60℃干燥24h，使用模切机将干燥好的涂布导电添加剂层3的预浸料裁剪成目标双极板形状和尺寸。

步骤4，选用环氧树脂和天然鳞片石墨粉制备表面导电基材/树脂复合层1母料，天然鳞片石墨直径为40μm。将天然鳞片石墨粉与树脂依次溶于丙酮中，并在室温条件下进行搅拌混合。其中天然鳞片石墨粉与树脂的质量比例为8:2；丙酮溶剂与母料的质量比例为1:9。将混合均匀的母料放入0.8mm厚的框形平板模具中，置入鼓风干燥箱中80℃脱溶剂1h，即制备的表面导电基材/树脂复合层1母料。

步骤5，按照导电基材/树脂复合层1母料、涂布好导电添加剂层3的预浸料层2、预浸料层2、导电基材/树脂复合层1母料的顺序将层叠结构装入带流道结构的模具中，其中两个预浸料层2的碳纤维取向应垂直，导电添加剂层3应处于两个预浸料层2之间，装模具前将甲基硅油喷涂在模腔内表面以便脱模。

步骤6，将组装好的模具安装上平板硫化机进行热模压成型，设定成型压力为20MPa，成型温度为150℃，加压2h，后保持压力自然冷却至室温，卸去压力。将成型好的双极板取出模具，即得到所述分层式超薄复合石墨双极板。经测量，成型极板的最大厚度为0.70±0.05mm，且复合层的厚度为0.20±0.02mm，流道的深度为0.15±0.01mm。

实施例4

一种分层式超薄碳基复合双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层3，导电添加剂层3的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层2和导电基材/树脂复合层1(即：包括表面两层导电基材/树脂复合层1和由两层预浸料层2夹导电添加剂层3组成的内层)，且导电基材/树脂复合层1的外表面具有流道结构。

其中预浸料层2为厚度为0.2mm的酚醛预浸料(酚醛树脂为基体的单向碳纤维预浸料)；预浸料层2所夹导电添加剂层3通过涂布10μm粒径天然鳞片石墨浆料制备而成；导电基材/树脂复合外层为质量比例为8:2的天然鳞片石墨粉和酚醛树脂，石墨粒径为40μm。

分层式超薄碳基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用酚醛树脂为基体的单向碳纤维预浸料作为增强机械性能的中间层，厚度为0.2mm(纤维单位面积质量为200g/m²，树脂含量为20％～40％)。

步骤2，将丙酮作为分散剂倒入天然鳞片石墨粉中，分散剂与石墨的质量比为0.3:1，经过超声分散10min，后离心30min，得到石墨均匀离散的浆料。

步骤3，使用石墨喷涂设备将步骤2中的石墨浆料均匀的喷涂在预浸料的单个表面，涂布厚度不大于50μm，使石墨的含量在50g/m²～134g/m²。放入真空干燥箱中，60℃干燥24h，使用模切机将干燥好的涂布导电添加剂层3的预浸料裁剪成目标双极板形状和尺寸。

步骤4，选用酚醛树脂和天然鳞片石墨粉制备表面导电基材/树脂复合层1母料，天然鳞片石墨粒径为40μm。将天然鳞片石墨粉与树脂依次溶于丙酮中，并在室温条件下进行搅拌混合。其中天然鳞片石墨粉与树脂的质量比例为8:2；丙酮溶剂与母料的质量比例为1:9。将混合均匀的母料放入框形平板模具中，填充厚度为0.6mm，置入鼓风干燥箱中80℃脱溶剂1h，即制备的表面导电基材/树脂复合层1母料。

步骤5，按照导电基材/树脂复合层1母料、涂布好导电添加剂层3的预浸料层2、预浸料层2、导电基材/树脂复合层1母料的顺序将层叠结构装入带流道结构的模具中，其中两个预浸料层2的碳纤维取向应垂直，导电添加剂层3应处于两个预浸料层2之间，装模具前将聚四氟乙烯喷涂在模腔内表面以便脱模。

步骤6，将组装好的模具安装上平板硫化机进行热模压成型，设定成型压力为25MPa，成型温度为160℃，加压2h，后保持压力自然冷却至室温，卸去压力。将成型好的双极板取出模具，即得到所述分层式超薄复合石墨双极板。经测量，成型极板的最大厚度为0.6±0.05mm，且复合层的厚度为0.12±0.02mm，流道的深度为0.09±0.01mm。

实施例5

一种分层式超薄碳基复合双极板，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层3，导电添加剂层3的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层2和导电基材/树脂复合层1(即：包括表面两层导电基材/树脂复合层1和由两层预浸料层2夹导电添加剂层3组成的内层)，且导电基材/树脂复合层1的外表面具有流道结构。

其中预浸料层2为厚度为0.1mm的酚醛预浸料(酚醛树脂为基体的单向碳纤维预浸料)；预浸料层2所夹导电添加剂层3通过涂布20μm粒径天然鳞片石墨浆料制备而成；导电基材/树脂复合外层为质量比例为8:2的天然鳞片石墨粉和酚醛树脂，石墨粒径为40μm。

分层式超薄碳基复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，选用酚醛树脂为基体的单向碳纤维预浸料作为增强机械性能的中间层，厚度为0.1mm(纤维单位面积质量为200g/m²，树脂含量为20％～40％)。

步骤2，将丙酮作为分散剂倒入天然鳞片石墨粉中，分散剂与石墨的质量比为0.4:1，经过超声分散15min，后离心40min，得到石墨均匀离散的浆料。

步骤3，使用石墨喷涂设备将步骤2中的石墨浆料均匀的喷涂在预浸料的单个表面，涂布厚度不大于50μm，使石墨的含量在25g/m²～67g/m²。放入真空干燥箱中，60℃干燥24h，使用模切机将干燥好的涂布导电添加剂层3的预浸料裁剪成目标双极板形状和尺寸。

步骤4，选用酚醛树脂和天然鳞片石墨粉制备表面导电基材/树脂复合层1母料，天然鳞片石墨直径为40μm。将天然鳞片石墨粉与树脂依次溶于丙酮中，并在室温条件下进行搅拌混合。其中天然鳞片石墨粉与树脂的质量比例为8:2；丙酮溶剂与母料的质量比例为1:9。将混合均匀的母料放入框形平板模具中，填充厚度为0.6mm，置入鼓风干燥箱中80℃脱溶剂1h，即制备的表面导电基材/树脂复合层1母料。

步骤5，按照导电基材/树脂复合层1母料、涂布好导电添加剂层3的预浸料层2、预浸料层2、导电基材/树脂复合层1母料的顺序将层叠结构装入带流道结构的模具中，其中两个预浸料层2的碳纤维取向应垂直，导电添加剂层3应处于两个预浸料层2之间，装模具前将聚四氟乙烯喷涂在模腔内表面以便脱模。

步骤6，将组装好的模具安装上平板硫化机进行热模压成型，设定成型压力为25MPa，成型温度为160℃，加压2h，后保持压力自然冷却至室温，卸去压力。将成型好的双极板取出模具，即得到所述分层式超薄复合石墨双极板。经测量，成型极板的最大厚度为0.45±0.05mm，且复合层的厚度为0.12±0.02mm，流道的深度为0.09±0.01mm。

实施例6

本实施例与实施例1的区别仅为导电基材/树脂复合外层的天然鳞片石墨粉和酚醛树脂的质量比例为9:1，其余材料及制备方法均与实施例1相同。

实施例7

本实施例与实施例1的区别仅为成型固化温度为180℃，其余材料及制备方法均与实施例1相同。

实施例8

本实施例与实施例1的区别仅为导电基材/树脂复合层1选用的天然鳞片石墨为80μm，其余材料及制备方法均与实施例1相同。

实施例9

本实施例与实施例2的区别仅为导电基材/树脂复合层1选用的天然鳞片石墨为80μm，其余材料及制备方法均与实施例2相同。

实施例10

本实施例与实施例3的区别仅为导电基材/树脂复合层1选用的天然鳞片石墨为80μm，其余材料及制备方法均与实施例3相同。

通过测试实施例1～10制备所得双极板的电导率，测试标准为：GB/T20042.6-2011，得到表1所示结果。

表1

实施例	1	2	3	4	5
						电导率(S/cm)	169	153	58	171	147
实施例	6	7	8	9	10
						电导率(S/cm)	181	175	177	156	64

由表1可知，本实用新型通过使用预浸料中间层提高抗弯性能制备的分层式超薄碳基复合双极板具有良好的导电性能。对比实施例1～3可知，随着预浸料所夹导电添加剂层3选用的石墨粒径的增大，双极板面内电导率会明显下降，当石墨粒径为40μm时，双极板面内电导率下降到58S/m，达不到燃料电池双极板的理想目标，即当预浸料所夹导电添加剂层3的石墨粒径超出本实用新型的最优选范围，会明显影响双极板的面内电导率。对比实施例1～3和实施例8～10可知，在优选范围内，提高导电基材/树脂复合层1的石墨粒径对提高双极板的面内电导率具有有利条件。

利用GBT20042.6标准测试，本实用新型得到的极板的氢气渗透系数小于1×10^{- 14}cm³/(s·cm²Pa)，抗弯强度在50～90MPa之间。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分层式超薄碳基双极板，其特征在于，其为夹心状分层式复合结构，包括导电添加剂层，导电添加剂层的两侧由内向外分别依次设置有预浸料层和导电基材/树脂复合层，经热模压固化在极板表面形成流道结构。

2.根据权利要求1所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的流道结构的流道深度小于导电基材/树脂复合层的厚度，所述的预浸料层和导电添加剂层为平面结构。

3.根据权利要求1所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的预浸料层为单向碳纤维或单向碳纤维织物的预浸料，且导电添加剂层两侧的预浸料层的取向相互垂直。

4.根据权利要求1或3所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的预浸料层含有单一或组合的半固态热固性树脂，所述的半固态热固性树脂包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、氰酸氨树脂、双马树脂或不饱和聚酯树脂。

5.根据权利要求1或3所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的预浸料层的厚度为0.06mm～0.20mm。

6.根据权利要求1所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的导电添加剂层含有石墨粉，石墨粉直径为1μm～200μm。

7.根据权利要求1或6所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的导电添加剂层含有的石墨粉的量为25g/m²～135g/m²。

8.根据权利要求1所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的导电基材/树脂复合层的厚度为0.01mm～0.4mm。

9.根据权利要求1或8所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的导电基材/树脂复合层以导电基材和热固性树脂混合而成的母料制成，母料中导电基材的直径为4μm～200μm，导电基材与树脂的质量比例为1:9～9:1。

10.根据权利要求9所述的分层式超薄碳基双极板，其特征在于，所述的导电基材包括天然石墨、人工石墨或膨胀石墨，热固性树脂应选用与预浸料层类型相同的树脂材料。

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