一种导电纤维复合石墨极板及其制备方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种导电纤维复合石墨极板及其制备方法。


背景技术：

2.与内燃机等传统能源转换技术相比，燃料电池是一种高效能源转换装置，其将燃料中的化学能转化为电能，反应过程中不受卡诺循环的限制，具有更高的能量转换效率和更低的温室气体排放。双极板是燃料电池电堆内的核心部件，其主要起到分隔和阻绝气体、支撑电堆、收集电子和散热等作用。通过设计的流场能有效均匀气体燃料和冷却液的分布。
3.目前，双极板有金属双极板和石墨双极板两种，其中，金属双极板的优点为薄、适用于对体积较为要求的场景；石墨双极板的优点则是便宜、技术较为成熟，为目前市面上的主流。
4.现有的金属双极板一般有镀层脱落的问题，其寿命约为石墨双极板的一半。石墨双极板由于脆性大，在降低厚度的同时存在机械强度过低的问题，导致极板容易开裂，很难满足实际使用的需要。


技术实现要素：

5.基于此，本发明实施例提供一种导电纤维复合石墨极板及其制备方法，旨在解决现有的双极板镀层脱落、寿命短、脆性大、机械强度过低、容易开裂、很难满足实际使用的需要等问题。
6.为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：
7.s01、将纤维基材浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置0.1克～2.0克的石墨导电物，得到导电基材；
8.s02、将步骤s01的导电基材置于模具中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。
9.作为优选的实施方式，步骤s01中，
10.所述纤维基材为单向碳纤维预浸料、编织碳纤维预浸料、炭纸或者玻璃纤维。
11.所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。
12.所述树脂为聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜、不饱和聚酯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯和聚醚酮酮中的一种或至少两种的混合物。
13.所述浸泡的温度为55℃～65℃，优选为60℃；所述浸泡的时间为1h～2h，优选为1h。
14.所述浸泡优选在真空中浸泡。
15.所述石墨导电物为膨胀石墨、微晶石墨、鳞片石墨、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、石墨烯、碳纳米管、炭黑和金属粉末中的一种或至少两种的混合物。
16.所述石墨导电物为粉体导电物、块状导电物、浆料导电物、膏状导电物或片状导电物。
17.所述设置的方式为直接涂布、喷涂、转印、均匀撒粉、直接贴合或贴合后机械剥离。
18.在本技术实施例中，导电基材两侧的石墨导电物可以是不同种类的导电物。
19.作为优选的实施方式，步骤s02中，
20.所述压制为冷压或者热压。热压时可以预热模具或者不预热模具，压制过程可以选择抽真空或不抽真空。
21.所述压制在压机中进行，所述压制的压强为0.1mpa～70mpa，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。
22.所述固化通过如下方法实现：以5℃/min～6℃/min速率升温至150℃～200℃，然后保温保压20min～30min。
23.所述固化优选通过如下方法实现：以5℃/min速率升温至150℃，然后保温保压30min。
24.当所述压制为冷压时，所述固化为脱模取出后统一固化。
25.当所述压制为热压时，所述固化为模具中保压固化，或者为脱模取出后统一固化，或者为模具中半固化脱模后二次固化。
26.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导电纤维复合石墨极板。
27.本技术能够有效解决现有的双极板镀层脱落、寿命短、脆性大、机械强度过低、容易开裂、很难满足实际使用的需要等问题。本技术的制备方法简单，制备时间短，制作成本较低，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。制备得到的导电纤维复合石墨极板厚度小，机械强度高，寿命长，能够满足实际使用的需要。
28.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例做进一步说明。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例中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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.目前，现有的金属双极板一般有镀层脱落的问题，其寿命约为石墨双极板的一半。石墨双极板由于脆性大，在降低厚度的同时存在机械强度过低的问题，导致极板容易开裂，很难满足实际使用的需要。基于此，有必要提供一种导电纤维复合石墨极板及其制备方法以解决上述技术问题。
35.为实现上述目的，一方面，本发明实施例提供一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：
36.s01、将纤维基材浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置0.1克～2.0克(可以为0.1克、1.0克、或者2.0克等等；优选为1.0克。)的石墨导电物，得到导电基材；
37.s02、将步骤s01的导电基材置于模具中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。
38.作为优选的实施方式，步骤s01中，
39.所述纤维基材为单向碳纤维预浸料、编织碳纤维预浸料、炭纸或者玻璃纤维。
40.所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。这样，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。
41.所述树脂为聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜、不饱和聚酯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯和聚醚酮酮中的一种或至少两种的混合物。
42.所述浸泡的温度为55℃～65℃(可以为55℃、60℃、或者65℃等等)，优选为60℃；所述浸泡的时间为1h～2h(可以为1h、1.5h、或者2h等等)，优选为1h。这样，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。
43.所述浸泡优选在真空中浸泡。
44.所述石墨导电物为膨胀石墨、微晶石墨、鳞片石墨、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、石墨烯、碳纳米管、炭黑和金属粉末中的一种或至少两种的混合物。这样，通过控制石墨导电物的种类和用量，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。
45.所述石墨导电物为粉体导电物、块状导电物、浆料导电物、膏状导电物或片状导电物。石墨导电物一般均匀设置在所述浸胶基材的两侧面。
46.所述设置的方式为直接涂布、喷涂、转印、均匀撒粉、直接贴合或贴合后机械剥离。
47.在本技术实施例中，导电基材两侧的石墨导电物可以是不同种类的导电物。
48.作为优选的实施方式，步骤s02中，
49.所述压制为冷压或者热压。热压时可以预热模具或者不预热模具，压制过程可以选择抽真空或不抽真空。
50.所述压制在压机中进行，所述压制的压强为0.1mpa～70mpa(可以为0.1mpa、
30mpa、或者70mpa等等)，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。这样，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。
51.所述固化通过如下方法实现：以5℃/min～6℃/min(可以为5℃/min、5.5℃/min、或者6℃/min等等)速率升温至150℃～200℃(可以为150℃、180℃、或者200℃等等)，然后保温保压20min～30min(可以为20min、25min、或者30min等等)。这样，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。
52.所述固化优选通过如下方法实现：以5℃/min速率升温至150℃，然后保温保压30min。当所述压制为冷压时，所述固化为脱模取出后统一固化。
53.当所述压制为热压时，所述固化为模具中保压固化，或者为脱模取出后统一固化，或者为模具中半固化脱模后二次固化。
54.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导电纤维复合石墨极板。
55.本技术能够有效解决现有的双极板镀层脱落、寿命短、脆性大、机械强度过低、容易开裂、很难满足实际使用的需要等问题。本技术的制备方法简单，制备时间短，制作成本较低，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。制备得到的导电纤维复合石墨极板厚度小，机械强度高，寿命长，能够满足实际使用的需要。
56.实施例1
57.一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：
58.s01、将纤维基材(14.8cm x 42.45cm)浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置1.0克石墨导电物，得到导电基材；
59.s02、将步骤s01的导电基材置于模具(导电基材不能有凸起或褶皱)中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。
60.步骤s01中，
61.所述纤维基材为单向碳纤维预浸料。
62.所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。
63.所述树脂为环氧树脂。
64.所述浸泡的温度为60℃；所述浸泡的时间为1h；所述浸泡在真空中浸泡。
65.所述石墨导电物为膨胀石墨和炭黑的混合物，膨胀石墨和炭黑的质量比为80：20。
66.所述设置的方式为转印(把涂布在铝箔上的石墨导电物转印至浸胶基材的侧面)。
67.在本技术实施例中，导电基材两侧的石墨导电物是同种类的导电物。
68.步骤s02中，
69.所述压制在压机中进行，所述压制的压强为10mpa，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。
70.所述固化通过如下方法实现：以5℃/min速率升温至150℃，然后保温保压20min。脱模取样后去除边缘胶水或毛刺即可。
71.所得极板的厚度为0.53mm，接触电阻为11mω
·
cm2，电导率为122.1s/cm；透气率为2.0
×
10-7
cm3/(cm2·
s)，弯曲强度为97mpa；接触角为84
°
。
72.实施例2
73.一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：
74.s01、将纤维基材(14.8cm x 42.45cm)浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置1.0克石墨导电物，得到导电基材；
75.s02、将步骤s01的导电基材置于模具(导电基材不能有凸起或褶皱)中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。
76.步骤s01中，
77.所述纤维基材为编织碳纤维预浸料(撕掉离型纸或pe膜)。
78.所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。
79.所述树脂为环氧树脂。
80.所述浸泡的温度为60℃；所述浸泡的时间为1h；所述浸泡在真空中浸泡。
81.所述石墨导电物为膨胀石墨和炭黑的混合物，膨胀石墨和炭黑的质量比为80：20。
82.所述设置的方式为转印(把涂布在铝箔上的石墨导电物转印至浸胶基材的侧面)。
83.在本技术实施例中，导电基材两侧的石墨导电物是同种类的导电物。
84.步骤s02中，
85.所述压制在压机中进行，所述压制的压强为10mpa，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。
86.所述固化通过如下方法实现：以5℃/min速率升温至150℃，然后保温保压30min。脱模取样后去除边缘胶水或毛刺即可。
87.所得极板的厚度为0.49mm，接触电阻为8.2mω
·
cm2，电导率为172s/cm；透气率为1.6
×
10-7
cm3/(cm2·
s)，弯曲强度为101mpa；接触角为82
°
。
88.实施例3
89.一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：
90.s01、将纤维基材(14.8cm x 42.45cm)浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置1.0克石墨导电物，得到导电基材；
91.s02、将步骤s01的导电基材置于模具(导电基材不能有凸起或褶皱)中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。
92.步骤s01中，
93.所述纤维基材为炭纸。
94.所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。
95.所述树脂为环氧树脂。
96.所述浸泡的温度为60℃；所述浸泡的时间为1h；所述浸泡在真空中浸泡。
97.所述石墨导电物为膨胀石墨和炭黑的混合物，膨胀石墨和炭黑的质量比为80：20。
98.所述设置的方式为转印(把涂布在铝箔上的石墨导电物转印至浸胶基材的侧面)。
99.在本技术实施例中，导电基材两侧的石墨导电物是同种类的导电物。
100.步骤s02中，
101.所述压制在压机中进行，所述压制的压强为10mpa，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。
102.所述固化通过如下方法实现：以5℃/min速率升温至150℃，然后保温保压30min。脱模取样后去除边缘胶水或毛刺即可。
103.所得极板的厚度为0.41mm，接触电阻为6.2mω
·
cm2，电导率为210s/cm；透气率为
6.2
×
10-7
cm3/(cm2·
s)，弯曲强度为40mpa；接触角为83
°
。
104.实施例4
105.一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：
106.s01、将纤维基材(14.8cm x 42.45cm)浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置1.0克石墨导电物，得到导电基材；
107.s02、将步骤s01的导电基材置于模具(导电基材不能有凸起或褶皱)中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。
108.步骤s01中，
109.所述纤维基材为单向碳纤维预浸料(撕掉离型纸或pe膜)。
110.所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。
111.所述树脂为环氧树脂。
112.所述浸泡的温度为60℃；所述浸泡的时间为1h；所述浸泡在真空中浸泡。
113.所述石墨导电物为膨胀石墨和炭黑的混合物，膨胀石墨和炭黑的质量比为80：20。
114.所述设置的方式为转印(把涂布在铝箔上的石墨导电物转印至浸胶基材的侧面)。
115.在本技术实施例中，导电基材两侧的石墨导电物是同种类的导电物。
116.步骤s02中，
117.所述压制在压机中进行，所述压制的压强为10mpa，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。
118.所述固化通过如下方法实现：以5℃/min速率升温至150℃，然后保温保压30min。脱模取样后去除边缘胶水或毛刺即可。
119.所得极板的厚度为0.41mm，接触电阻为7.2mω
·
cm2，电导率为192s/cm；透气率为2.8
×
10-7
cm3/(cm2·
s)，弯曲强度为51mpa；接触角为84
°
。
120.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s01、将纤维基材浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置0.1克～2.0克石墨导电物，得到导电基材；s02、将步骤s01的导电基材置于模具中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。2.根据权利要求1所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述纤维基材为单向碳纤维预浸料、编织碳纤维预浸料、炭纸或者玻璃纤维。3.根据权利要求1所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述浸胶通过如下方法实现：将所述纤维基材置于树脂中浸泡，得到浸胶基材。4.根据权利要求3所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，所述树脂为聚氨酯、环氧树脂、酚醛树脂、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜、不饱和聚酯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯和聚醚酮酮中的一种或至少两种的混合物；所述浸泡的温度为55℃～65℃；所述浸泡的时间为1h～2h；所述浸泡在真空中浸泡。5.根据权利要求1所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述石墨导电物为膨胀石墨、微晶石墨、鳞片石墨、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、石墨烯、碳纳米管、炭黑和金属粉末中的一种或至少两种的混合物。6.根据权利要求1所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述石墨导电物为粉体导电物、块状导电物、浆料导电物、膏状导电物或片状导电物；所述设置的方式为直接涂布、喷涂、转印、均匀撒粉、直接贴合或贴合后机械剥离。7.根据权利要求1所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述压制为冷压或者热压；所述压制在压机中进行，所述压制的压强为0.1mpa～70mpa，所述压制的工进速度为150r/min，所述压制的温度为室温。8.根据权利要求7所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述固化通过如下方法实现：以5℃/min～6℃/min速率升温至150℃～200℃，然后保温保压20min～30min。9.根据权利要求8所述的导电纤维复合石墨极板的制备方法，其特征在于，当所述压制为冷压时，所述固化为脱模取出后统一固化；当所述压制为热压时，所述固化为模具中保压固化，或者为脱模取出后统一固化，或者为模具中半固化脱模后二次固化。10.一种导电纤维复合石墨极板，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。

技术总结
本申请提供一种导电纤维复合石墨极板的制备方法，包括如下步骤：S01、将纤维基材浸胶，得到浸胶基材；在所述浸胶基材的两侧面设置0.1克～2.0克石墨导电物，得到导电基材；S02、将步骤S01的导电基材置于模具中，压制，固化，得到导电纤维复合石墨极板。本申请还提供由上述制备方法制备得到的导电纤维复合石墨极板。本申请的制备方法简单，制备时间短，制作成本较低，能够显著减小复合石墨双极板厚度和提高复合石墨双极板的机械强度。制备得到的导电纤维复合石墨极板厚度小，机械强度高，寿命长，能够满足实际使用的需要。够满足实际使用的需要。


技术研发人员：李建毅 张华农 高鹏然
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：2023.03.21
技术公布日：2023/7/20