CN109599574A - 一种高导电导热的电池复合材料双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高导电导热的电池复合材料双极板，具有高导电性、高导热性。本发明选用聚乙烯PE、聚丙烯PC、聚氯乙烯PVC等作为热塑性高聚物或选用环氧树脂、酚醛树脂等作为热固性高聚物，并增加石墨纤维、石墨烯或碳纳米管作为填料。所选填料导热性能好，强度高，化学稳定好，有很强的耐腐蚀性能和很高的导电性，可以大大提高复合材料双极板的力学性能、导电性和导热性。

Description

一种高导电导热的电池复合材料双极板及其制备方法

技术领域

本发明涉及双极板技术领域，具体为一种高导电导热的电池复合材料双极板及其制备方法。

背景技术

二十一世纪是能源紧缺的世纪，对新型能源的开发、现有能源的合理高效利用已成为本世纪发展的主题。目前，人类赖以生存的石油、天然气和煤等化石能源正在日趋减少，取而代之的将是氢能、太阳能和风能等可再生资源。同时，由于对现有资源(如石油、天然气和煤)的低效燃烧使用，既浪费了能源，也对环境造成了严重污染，已成为本世纪必须解决的重要问题。

燃料电池(Fuel Cells)是一种电可以直接将化学能转化为电能的发电装置。能量转换效率高(40％—60％)；环境友好，几乎不排放氮氧化物和硫氧化物；二氧化碳的排放量也比常规发电厂减少50％以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发备受各国政府与世界大公司的重视，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，成为大家研究和开发焦点。

氢氧质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)使用氢气燃料、空气或氧气为氧化剂，除具有燃料电池一般的特点(如能量转化效率高、环境友好等)之外，同时还具有可在室温快速启动(工作温度一般在60～100℃)、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与能量高等突出特点，特别是其排放物为水，实现了无污染零排放。因此，它被公认为最有希望成为军事、航天、航海、电动汽车和区域性电站的首选电源。

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的主要部件，双极板外形一般为平板型，单面或双面开有深1mm、宽1mm左右的流场(沟槽)，为供氢气和氧气流动的通道。双极板的主要功能有：(1)分配电池中的燃料和氧化剂；(2)分离电池组中的单电池；(3)传导电流；(4)传输生成水、湿气；(5)冷却电池组。

液流电池储能技术是一种大规模高效电化学储能(电)新技术，相比于其他储能技术，具有如下优势：输出功率和容量相互独立，系统设计非常灵活；能量效率高；电池使用寿命长，可深度放电而不损坏电池，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低；安全环保等，液流储能电池系统作为高效的储能装置有着广阔的应用领域和市场前景，具体包括：用作太阳能、风能等可再生能源大规模发电的配套储能系统；用于局部电网的削峰填谷，平衡负载，构建智能电网，提高电能利用效率和电网安全；用于电动车的快速充电站；用作国家重要部门非常时期的大型备用电站或不间断电源；用于边远地区的分布式供能(电)及通讯基站的备用电源等领域。

还有其他大型的储能电池，在此不再赘述，但是，不管哪种储能电池，其双极板的费用占电池的成本都很高，甚至达到一半以上，已严重阻碍储能电池的商业化，找到价格低廉、寿命长的双极板材料成为储能电池商业化迫在眉睫的问题。

目前，制造双极板的主要材料和方法有：

(1)纯石墨双极板

一般采用石墨粉、粉碎的焦炭与可石墨化的树脂或沥青混合，在石墨化炉中严格按一定的升温程序，升温至2500～2700℃，制备无孔或低孔率(不大于1％)，仅含纳米级孔的石墨块，再经切割和研磨，制备厚度为2～5mm的石墨板，机加工共用孔道和用电脑刻绘机在其表面刻绘需要的流场。这种石墨双极板的制备工艺不但复杂、耗时、费用高，而且难以实现批量生产。石墨材料具有优越的导电性能，导热性和耐磨性能，是一种低密度材料，一直是双极板的首选材料，机加工工艺中的高温石墨化和气体流道的机加工是造成双极板价格昂贵的主要原因。

(2)金属双极板

金属材料双极板具有高电导率、高导热性、机械强度好及气体透过率低等优点，但金属在燃料电池运行的环境下，容易腐蚀不能满足长期使用的要求。用薄金属板作双极板材料突出的优点是特别适于批量生产，如采用冲压技术制备各种构形的双极板。采用薄金属板制备双极板的首要问题是解决其在PEMFC工作条件(氧化、还原气氛，一定的电位与弱酸性电解质)下的稳定性(即抗腐蚀问题)，另一个问题就是还需进一步考察其寿命。

(3)石墨聚合物

为降低石墨双极板的制备成本，满足大批量使用的要求，由石墨粉和聚合物树脂及其它各种配方和类似方法来制备复合材料双极板。这种方法由于采用模压成型，所以流道可直接一次成型出，具有效率高、成本低的特点，已成为目前PEMFC双极板具有发展前景的研究方向之一，国外已有规模化生产。但这种方法生产的双极板和上述二种方法生产的双极板比存在电导率低、强度低、导热率低等不足。

发明内容

对于双极板力学性能方面要求，主要是装配密封和紧固时，须有一定的抗压和弯曲强度，工作时并没有冲击、交变载荷复杂受力状况，所以在满足一定力学性能条件下，主要是提高其导电、导热性能和抗腐蚀性能。本发明的目的在于提供一种力学性能、导电性和导热性好的电池复合材料双极板及生产方法。

本发明提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板，所述双极板包括热塑性高聚物或热固性高聚物和填料，其中，所述填料包括石墨纤维、石墨烯或碳纳米管。

优选地，在所述的高导电导热的电池复合材料双极板中，所述热塑性高聚物包括聚乙烯PE、聚丙烯PC、聚氯乙烯PVC及其改性塑料其中一种或多种。

优选地，在所述的高导电导热的电池复合材料双极板中，所述热固性高聚物包括环氧树脂、酚醛树脂及其改性塑料其中一种或多种。

优选地，在所述的高导电导热的电池复合材料双极板中，所述填料还包括石墨粉、碳纤维、炭黑、热解石墨、热解碳中一种或多种的粉状或纸或布状。

此外，在本发明中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将填料粉末按照一定比例和热塑性高聚物共混，用挤出机造粒；

将造好粒的改性塑料直接模塑成型，制备出双极板。

在本发明中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将填料粉末按照一定比例和热塑性高聚物共混，用挤出机造粒；

将造好粒的改性塑料经过压延成型、多道滚压后，根据双极板的具体尺寸，裁剪成所需要的双极板。

在本发明中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：将填料按照一定比例和热固性高聚物共混后，进行压延成型、多道滚压处理，裁剪成所需的尺寸，测试；在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；或在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；获得所需的双极板。

在本发明中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将热固性高聚物溶液于填料共混搅拌均匀后，按照电极板设计制作的模具进行模塑成型，制备出双极板。

在本发明中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将热塑性高聚物或热固性高聚物均匀分布在多孔的纸或布状增强基体的填料上模压成型，获得所需的双极板。

本发明选用聚乙烯PE、聚丙烯PC、聚氯乙烯PVC等作为热塑性高聚物或环氧树脂、酚醛树脂等作为热固性高聚物，并增加石墨纤维、石墨烯或碳纳米管作为填料。所选填料导热性能好，强度高，化学稳定好，有很强的耐腐蚀性能和很高的导电性，可以大大提高复合材料双极板的力学性能、导电性和导热性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的生产方法流程图；

图2为本发明另一个实施例的生产方法流程图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例来阐述本发明的技术方案。具体的，本发明提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板，该双极板包括热塑性高聚物或热固性高聚物和填料，其中，所述填料包括石墨纤维、石墨烯或碳纳米管。

其中，所述热塑性高聚物包括聚乙烯PE、聚丙烯PC、聚氯乙烯PVC及其改性塑料其中一种或多种。所述热固性高聚物包括环氧树脂、酚醛树脂及其改性塑料其中一种或多种。所述填料还包括石墨粉、碳纤维、炭黑、热解石墨、热解碳其中一种或多种的粉状或纸或布状。

在本方案中，所选填料导热性能好，导热性能甚至超过铜，导热性能最高可以是铜的3倍，强度高，化学稳定好，有很强的耐腐蚀性能和很高的导电性，某些填料的导电性甚至超过石墨，可以大大提高复合材料双极板的力学性能、导电性和导热性。

请参考图1，在本实施例中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将填料粉末按照一定比例和热塑性高聚物共混，用挤出机造粒；

将造好粒的改性塑料直接模塑成型，制备出双极板。

其中，模塑成型包括两种方式，一种为模压成型，另一种为注塑成型。两种成型方式均可用于制备出双极板，可根据实际情况进行选择使用。

请继续参考图1，在本实施例中，提出了一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将填料粉末按照一定比例和热塑性高聚物共混，用挤出机造粒；

将造好粒的改性塑料经过压延成型、多道滚压后，根据双极板的具体尺寸，裁剪成所需要的双极板。

此外，当选用热固性高聚物时，还可以采用以下方法，所述方法包括如下步骤：

将填料按照一定比例和热固性高聚物共混后，进行压延成型、多道滚压处理，裁剪成所需的尺寸，测试；在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；或在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；获得所需要的双极板。

请参考图2，采用另一种方法进行制备，所述方法包括如下步骤：

将热固性高聚物溶液于填料共混搅拌均匀后，按照电极板设计制作的模具进行模塑成型，制备出双极板。

此外，当使用纸或布状增强基体的填料时，可将塑性高聚物或热固性高聚物均匀分布在多空的纸或布上模压成型，获得所需的双极板。

以下将结合具体实施例进行详细参数的描述：

实施例1：

1)将20％重量百分比的石墨纤维粉、少量相容剂、增塑剂和PE按照比例共混，造粒；

2)将造好粒的改性塑料加入双螺杆挤出机，通过改装好的出料口，将熔融的塑料预先模塑成10mm厚的板材；

3)将模塑好的板材牵伸到热压双辊机上，通过六道热压，达到2.5mm厚度后，放入退火箱冷却12h，形成成品板材；

4)裁剪成所需的25mm*30mm*2.5mm尺寸，测试；

5)在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；也可以在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；

6)包装。

实施例2：

1)将20％重量百分比的碳纳米管、少量相容剂、增塑剂和PE按照比例共混，造粒；

2)将造好粒的改性塑料加入双螺杆挤出机，通过改装好的出料口，将熔融的塑料预先模塑成10mm厚的板材；

3)将模塑好的板材牵伸到热压双辊机上，通过六道热压，达到2.5mm厚度后，放入退火箱冷却12h，形成成品板材；

4)裁剪成所需的30mm*35mm*2.5mm尺寸，测试；

5)在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；也可以在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；

6)包装。

实施例3：

1)将20％重量百分比的石墨烯、少量相容剂、增塑剂和PE按照比例共混，造粒；

2)将造好粒的改性塑料加入双螺杆挤出机，通过改装好的出料口，将熔融的塑料预先模塑成10mm厚的板材；

3)将模塑好的板材牵伸到热压双辊机上，通过六道热压，达到2.5mm厚度后，放入退火箱冷却12h，形成成品板材；

4)裁剪成所需的25mm*35mm*2.5mm尺寸，测试；

5)在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；也可以在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；

6)包装。

实施例4：

1)将20％重量百分比的石墨烯、少量相容剂、增塑剂和PE按照比例共混，造粒；

2)将造好粒的改性塑料加入双螺杆挤出机，通过改装好的出料口，将熔融的塑料均匀地挤出到基布或基纸的上下表面，形成板材；

3)将模塑好的板材牵伸到热压双辊机上，通过六道热压，达到1.2mm厚度后，放入退火箱冷却12h，形成板材；

4)裁剪成所需的25mm*35mm*1.2mm尺寸，测试；

5)在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；也可以在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；

6)包装。

实施例5：

1)将20％重量百分比的石墨纤维粉、少量相容剂、增塑剂和PE按照比例共混，造粒；

2)将造好粒的改性塑料加入注射机，注入做好流道和工装位的模具中，冷却，开模，形成成品板材；

3)包装。

实施例6：

1)将20％重量百分比的石墨纤维、少量相容剂和酚醛树脂按照比例共混，搅拌均匀，形成悬浮液；

2)将配好的悬浮液注入做好流道和工装位的阴模中；

3)将阳模合模，加热到190度，恒温45分钟；

4)冷却，开模；

5)去除毛边，得到成品；

6)包装。

实施例7：

1)将20％重量百分比的石墨纤维、少量相容剂和酚醛树脂按照比例共混，搅拌均匀，形成悬浮液；

2)将配好的悬浮液注入做好流道和工装位的阴模中；

3)将注浆好的阴具放置到超声波振动仪上震动，并沿着合模方向上下施加电磁场，保持15分；

4)将阴模放到热压机上，同时将阳模合模，加热到190度，恒温45分钟；

5)冷却，开模；

6)去除毛边，得到成品；

7)包装。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高导电导热的电池复合材料双极板，其特征在于，所述双极板包括热塑性高聚物或热固性高聚物和填料，其中，所述填料包括石墨纤维、石墨烯或碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的高导电导热的电池复合材料双极板，其特征在于，所述热塑性高聚物包括聚乙烯PE、聚丙烯PC、聚氯乙烯PVC及其改性塑料其中一种或多种。

3.根据权利要求1所述的高导电导热的电池复合材料双极板，其特征在于，所述热固性高聚物包括环氧树脂、酚醛树脂及其改性塑料其中一种或多种。

4.根据权利要求1所述的高导电导热的电池复合材料双极板，其特征在于，所述填料还包括石墨粉、碳纤维、炭黑、热解石墨、热解碳中一种或多种的粉状或纸或布状。

5.一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将填料粉末按照一定比例和热塑性高聚物共混，用挤出机造粒；

将造好粒的改性塑料直接模塑成型，制备出双极板。

6.一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将填料粉末按照一定比例和热塑性高聚物共混，用挤出机造粒；

将造好粒的改性塑料经过压延成型、多道滚压后，根据双极板的具体尺寸，裁剪成所需要的双极板。

7.一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将填料按照一定比例和热固性高聚物共混后，进行压延成型、多道滚压处理，裁剪成所需的尺寸，测试；在雕刻机上雕刻所需的流道和工装位；或在冲床或者热模压机上制作流道和工装位；获得所需的双极板。

8.一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将热固性高聚物溶液于填料共混搅拌均匀后，按照电极板设计制作的模具进行模塑成型，制备出双极板。

9.一种高导电导热的电池复合材料双极板的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将热塑性高聚物或热固性高聚物均匀分布在多孔的纸或布状增强基体的填料上模压成型，获得所需的双极板。