一种碳纤维石墨复合双极板及其制备方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种碳纤维石墨复合双极板及其制备方法。


背景技术：

2.燃料电池是将化学能转化为电能的装置，具有清洁、高效、环保的优点，备受人们的关注。双极板是燃料电池电堆中的核心部件，双极板的主要作用是分隔燃料与氧化剂，支撑膜电极，通过其表面的流场来运输气体，并收集、传导电化学反应中生成的电流、热量和水等。
3.目前，双极板主要有金属双极板、石墨双极板还有复合双极板；其中碳纤维石墨复合双极板由于其良好的导热性、稳定性和耐腐蚀性等性能，具有较好的应用前景，以碳纤维做基材可以为产品提供很高的抗弯强度。
4.碳纤维材料具有轴向导电的优势，但是其径向导电能力差，导致产品穿体电阻较大，若应用于双极板的制造中，会导致燃料电池电堆的内阻过高，影响整个燃料电池的发电效率和输出性能。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供一种碳纤维石墨复合双极板及其制备方法，旨在解决现有的石墨复合双极板中碳纤维材料径向导电能力差，导致燃料电池内阻过高影响电池性能等问题。
6.为了达到上述目的，一方面，本发明实施例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，适用于燃料电池，包括如下步骤：
7.s01：将碳纤维材料进行石墨化，得到部分石墨化碳纤维，所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％；
8.s02：将石墨材料加入粘结溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；
9.s03：将步骤s02的混合浆料均匀涂布于步骤s01的部分石墨化碳纤维的侧面，烘干，得到涂布石墨化碳纤维；
10.s04：将步骤s03的涂布石墨化碳纤维进行热压成型，得到碳纤维石墨复合双极板。
11.作为优选的实施方式，步骤s01中，
12.所述碳纤维材料为碳纤维编织布。
13.所述碳纤维编织布为单向碳纤维编织布或者双向碳纤维编织布。
14.所述双向碳纤维编织布的纹路为平纹、缎纹或者斜纹。
15.所述石墨化通过如下方法实现：在氩气保护条件下，将所述碳纤维材料加热至2300℃～2500℃，保温15s-10min，得到部分石墨化碳纤维；所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％。
16.所述加热的方式为电阻加热、感应加热或者激光加热。
17.作为优选的实施方式，步骤s02中，
18.所述石墨材料为石墨。
19.所述粘结溶液为由树脂和无水乙醇按质量比1：1～1：10混合得到的溶液。
20.所述树脂和所述石墨材料的质量比为1：2～1：9。
21.所述树脂为环氧树脂或者酚醛树脂。
22.所述搅拌的时间为5min～30min。
23.作为优选的实施方式，步骤s03中，
24.所述涂布的厚度为0.1mm～1.0mm。
25.所述烘干的温度为≤60℃。
26.作为优选的实施方式，步骤s04中，
27.所述热压成型的温度为80℃～150℃，时间为5min～30min。
28.在本技术中，热压成型可以将双极板模具升温后再进行压制；或者可以冷模压制，并随压制升温至所需温度。成型均在模具中压制成型。
29.另一方面，本发明实施例还提供由上述制备方法制备得到的碳纤维石墨复合双极板。
30.所述碳纤维石墨复合双极板的穿体电阻0.08ω～0.2ω。
31.本技术通过将碳纤维材料进行石墨化并控制其石墨化程度，然后将含石墨的混合浆料涂布于石墨化碳纤维的表面，并烘干热压，能够使碳纤维内部由杂乱的石墨片层结构转变成规整的三维石墨晶体结构，大大提高碳纤维的径向导电能力，从而有效增强碳纤维石墨复合双极板的穿体导电性能，并有效降低整个燃料电池电堆的内阻，进而提高其输出效率。采用树脂作为粘接剂，与石墨充分混匀后涂布于石墨化碳纤维的表面，进一步提高了复合双极板的导电效率，也提高了复合双极板的物理强度。本技术的制备方法简单，制备得到的碳纤维石墨复合双极板穿体导电性能高，物理强度好，能够有效降低燃料电池电堆的内阻，大大提高整个燃料电池的发电效率和输出性能，进而提高其电池性能。
具体实施方式
32.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
35.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另
一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
36.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
37.目前，现有的石墨复合双极板中碳纤维材料径向导电能力差，会导致燃料电池内阻过高，从而影响电池性能。
38.为了解决上述问题，一方面，本发明实施例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，适用于燃料电池，包括如下步骤：
39.s01：将碳纤维材料进行石墨化，得到部分石墨化碳纤维，所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％；
40.s02：将石墨材料加入粘结溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；
41.s03：将步骤s02的混合浆料均匀涂布于步骤s01的部分石墨化碳纤维的侧面，烘干，得到涂布石墨化碳纤维；
42.s04：将步骤s03的涂布石墨化碳纤维进行热压成型，得到碳纤维石墨复合双极板。
43.通过将碳纤维材料进行石墨化并控制其石墨化程度，然后将含石墨的混合浆料涂布于石墨化碳纤维的表面，并烘干热压，即采用先石墨化再成型的方式，可以在不添加催化剂的条件下，能够使碳纤维内部由杂乱的石墨片层结构转变成规整的三维石墨晶体结构，大大提高碳纤维的径向导电能力。
44.作为优选的实施方式，步骤s01中，
45.所述碳纤维材料为碳纤维编织布。
46.所述碳纤维编织布为单向碳纤维编织布或者双向碳纤维编织布。
47.所述双向碳纤维编织布的纹路为平纹、缎纹或者斜纹。
48.所述石墨化通过如下方法实现：在氩气保护条件下，将所述碳纤维材料加热至2300℃～2500℃(根据实际使用的需要，可以为2300℃，或者为2350℃，或者为2400℃，或者为2500℃等等)，保温15s-10min(根据实际使用的需要，可以为15s，或者为1min，或者为5min，或者为10min等等)，得到部分石墨化碳纤维；所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％。
49.在本技术实施例中，根据实际使用的需要，部分石墨化碳纤维的石墨化度控制为25％～35％，例如可以为25％，或者为28％，或者为30％，或者为35％等等。如果石墨化的程度过高，例如大于35％，则制备得到的复合双极板的强度较低，很难满足实际使用的需要；如果石墨化的程度过低，例如小于25％，则制备得到的复合双极板的强度过高，其抗弯强度较差，也很难满足实际使用的需要。并且，将石墨化程度控制在25％～35％，可以在不添加催化剂的条件下，能够使碳纤维内部由杂乱的石墨片层结构转变成规整的三维石墨晶体结构，大大提高碳纤维的径向导电能力。
50.所述加热的方式为电阻加热、感应加热或者激光加热。加热的方式可以根据实际
使用的需要进行设置。
51.作为优选的实施方式，步骤s02中，
52.所述石墨材料为石墨。
53.所述粘结溶液为由树脂和无水乙醇按质量比1：1～1：10(根据实际使用的需要，可以为1：1，或者为1：3，或者为1：6，或者为1：10等等)混合得到的溶液。采用树脂和无水乙醇并控制其质量比作为粘结溶液，能够有效保证石墨涂布的均匀性和石墨的粘结效果，从而进一步提高复合双极板的导电效率和物理强度。
54.所述树脂和所述石墨材料的质量比为1：2～1：9(根据实际使用的需要，可以为1：2，或者为1：5，或者为1：7，或者为1：9等等)。通过控制树脂和石墨材料的质量比，能够进一步提高复合双极板的导电效率和物理强度。
55.所述树脂为环氧树脂或者酚醛树脂。
56.所述搅拌的时间为5min～30min(根据实际使用的需要，可以为5min，或者为10min，或者为20min，或者为30min等等)。这样，在保证石墨具有良好状态的同时，能够保证混合的均匀性。
57.作为优选的实施方式，步骤s03中，
58.所述涂布的厚度为0.1mm～1.0mm(根据实际使用的需要，可以为0.1mm，或者为0.3mm，或者为0.7mm，或者为1.0mm等等)。通过控制涂布的厚度，能够有效保证石墨涂布的均匀性和石墨的粘结效果，并能进一步提高复合双极板的导电效率和物理强度。
59.所述烘干的温度为≤60℃。根据实际使用的需要，烘干的温度可以为35℃，或者为45℃，或者为50℃，或者为60℃等等。
60.作为优选的实施方式，步骤s04中，
61.所述热压成型的温度为80℃～150℃(根据实际使用的需要，可以为80℃，或者为80℃，或者为120℃，或者为150℃等等)，时间为5min～30min(根据实际使用的需要，可以为5min，或者为10min，或者为20min，或者为30min等等)。通过控制热压成型的条件，能够进一步有效保证复合双极板的导电效率和物理强度。
62.在本技术中，热压成型可以将双极板模具升温后再进行压制；或者可以冷模压制，并随压制升温至所需温度。成型均在模具中压制成型。
63.另一方面，本发明实施例还提供由上述制备方法制备得到的碳纤维石墨复合双极板。
64.所述碳纤维石墨复合双极板的穿体电阻0.08ω～0.2ω。
65.本技术通过将碳纤维材料进行石墨化并控制其石墨化程度，然后将含石墨的混合浆料涂布于石墨化碳纤维的表面，并烘干热压，即采用先石墨化再成型的方式(相对于先成型再石墨化，本技术能够有效避免先成型造成的碳纤维碳化，保证有效提高碳纤维的径向导电能力。)，可以在不添加催化剂的条件下，能够使碳纤维内部由杂乱的石墨片层结构转变成规整的三维石墨晶体结构，大大提高碳纤维的径向导电能力，从而有效增强碳纤维石墨复合双极板的穿体导电性能，并有效降低整个燃料电池电堆的内阻，进而提高其输出效率。采用树脂作为粘接剂，与石墨充分混匀后涂布于石墨化碳纤维的表面，进一步提高了复合双极板的导电效率，也提高了复合双极板的物理强度。本技术的制备方法简单，制备得到的碳纤维石墨复合双极板穿体导电性能高，物理强度好，能够有效降低燃料电池电堆的内
阻，大大提高整个燃料电池的发电效率和输出性能，进而提高其电池性能。
66.实施例一
67.本实施例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，适用于燃料电池，包括如下步骤：
68.s01：将碳纤维材料进行石墨化，得到部分石墨化碳纤维，所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～30％；
69.s02：将石墨材料加入粘结溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；
70.s03：将步骤s02的混合浆料均匀涂布于步骤s01的部分石墨化碳纤维的侧面，烘干，得到涂布石墨化碳纤维；
71.s04：将步骤s03的涂布石墨化碳纤维进行热压成型，得到碳纤维石墨复合双极板。
72.步骤s01中，
73.所述碳纤维材料为碳纤维编织布。
74.所述碳纤维编织布为单向碳纤维编织布。
75.所述石墨化通过如下方法实现：在氩气保护条件下，将所述碳纤维材料加热至2300℃，保温10min，得到部分石墨化碳纤维；所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～30％。
76.所述加热的方式为电阻加热。
77.步骤s02中，
78.所述石墨材料为石墨。
79.所述粘结溶液为由树脂和无水乙醇按质量比1：8混合得到的溶液。
80.所述树脂和所述石墨材料的质量比为1：4。
81.所述树脂为酚醛树脂。
82.所述搅拌的时间为30min。
83.步骤s03中，
84.所述涂布的厚度为0.3mm。
85.所述烘干的温度为60℃。
86.步骤s04中，
87.所述热压成型的温度为80℃，时间为30min。
88.在本技术中，热压成型为将双极板模具升温后再进行压制。成型均在模具中压制成型。本实施例制备得到的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻为0.1ω～0.2ω。
89.实施例二
90.本实施例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，适用于燃料电池，包括如下步骤：
91.s01：将碳纤维材料进行石墨化，得到部分石墨化碳纤维，所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为30％～35％；
92.s02：将石墨材料加入粘结溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；
93.s03：将步骤s02的混合浆料均匀涂布于步骤s01的部分石墨化碳纤维的侧面，烘干，得到涂布石墨化碳纤维；
94.s04：将步骤s03的涂布石墨化碳纤维进行热压成型，得到碳纤维石墨复合双极板。
95.步骤s01中，
96.所述碳纤维材料为碳纤维编织布。
97.所述碳纤维编织布为双向碳纤维编织布。
98.所述双向碳纤维编织布的纹路为平纹。
99.所述石墨化通过如下方法实现：在氩气保护条件下，将所述碳纤维材料加热至2500℃，保温10min，得到部分石墨化碳纤维；所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为30％～35％。
100.所述加热的方式为感应加热。
101.步骤s02中，
102.所述石墨材料为石墨。
103.所述粘结溶液为由树脂和无水乙醇按质量比1：8混合得到的溶液。
104.所述树脂和所述石墨材料的质量比为1：4。
105.所述树脂为酚醛树脂。
106.所述搅拌的时间为30min。
107.步骤s03中，
108.所述涂布的厚度为0.3mm。
109.所述烘干的温度为60℃。
110.步骤s04中，
111.所述热压成型的温度为150℃，时间为5min。
112.在本技术中，热压成型为冷模压制，并随压制升温至所需温度。成型均在模具中压制成型。本实施例制备得到的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻为0.08ω～0.12ω。
113.实施例三
114.本实施例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法同实施例二，区别在于：所述粘结溶液使用环氧树脂液体；所述混合浆料中，所述石墨和所述环氧树脂液体的质量比为2：1；其余制备步骤与实施例二相同。
115.本实施例制备得到的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻为0.2ω。
116.对比实施例一
117.本对比例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，所述制备方法中不对碳纤维材料进行石墨化，即不进行步骤s01的操作，其余操作步骤与实施例一相同。
118.本对比例制备得到的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻为1.6ω～1.8ω，与实施例一相比，未进行石墨化的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻明显要高很多。
119.对比实施例二
120.本对比例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，所述制备方法中对碳纤维材料进行石墨化，石墨化的石墨化度控制在40％～45％，其余操作步骤与实施例一相同。
121.本对比例制备得到的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻为0.6ω～0.9ω。
122.对比实施例三
123.本对比例提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，所述制备方法中对碳纤维材料进行石墨化，石墨化的石墨化度控制在15％～20％，其余操作步骤与实施例一相同。
124.本对比例制备得到的所述碳纤维石墨复合双极板穿体电阻为1.1ω～1.2ω。
125.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
126.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
127.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，适用于燃料电池，其特征在于，包括如下步骤：s01：将碳纤维材料进行石墨化，得到部分石墨化碳纤维，所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％；s02：将石墨材料加入粘结溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；s03：将步骤s02的混合浆料均匀涂布于步骤s01的部分石墨化碳纤维的侧面，烘干，得到涂布石墨化碳纤维；s04：将步骤s03的涂布石墨化碳纤维进行热压成型，得到碳纤维石墨复合双极板。2.根据权利要求1所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述碳纤维材料为碳纤维编织布。3.根据权利要求2所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述碳纤维编织布为单向碳纤维编织布或者双向碳纤维编织布；所述双向碳纤维编织布的纹路为平纹、缎纹或者斜纹。4.根据权利要求1所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述石墨化通过如下方法实现：在氩气保护条件下，将所述碳纤维材料加热至2300℃～2500℃，保温15s-10min，得到部分石墨化碳纤维；所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％。5.根据权利要求1所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述石墨材料为石墨；所述粘结溶液为由树脂和无水乙醇按质量比1：1～1：10混合得到的溶液。6.根据权利要求5所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述树脂和所述石墨材料的质量比为1：2～1：9。7.根据权利要求5所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂或者酚醛树脂；所述搅拌的时间为5min～30min。8.根据权利要求1所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤s03中，所述涂布的厚度为0.1mm～1.0mm；所述烘干的温度为≤60℃。9.根据权利要求1所述的碳纤维石墨复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤s04中，所述热压成型的温度为80℃～150℃，时间为5min～30min。10.一种碳纤维石墨复合双极板，其特征在于，由权利要求1至9任一项所述的制备方法制备得到。11.根据权利要求10所述的碳纤维石墨复合双极板，其特征在于，所述碳纤维石墨复合双极板的穿体电阻0.08ω～0.2ω。

技术总结
本发明属于燃料电池技术领域，提供一种碳纤维石墨复合双极板的制备方法，该方法包括如下步骤：S01：将碳纤维材料进行石墨化，得到部分石墨化碳纤维，所述部分石墨化碳纤维的石墨化度为25％～35％；S02：将石墨材料加入粘结溶液中，搅拌均匀，得到混合浆料；S03：将步骤S02的混合浆料均匀涂布于步骤S01的部分石墨化碳纤维的侧面，烘干，得到涂布石墨化碳纤维；S04：将步骤S03的涂布石墨化碳纤维进行热压成型，得到碳纤维石墨复合双极板。本发明还提供由上述制备方法得到的碳纤维石墨复合双极板。本申请制备方法简单，制得的复合双极板穿体导电性能高，物理强度好，能够有效降低燃料电池电堆的内阻，进而提高其电池性能。进而提高其电池性能。


技术研发人员：付振闯
受保护的技术使用者：深圳市雄韬电源科技股份有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/20