CN109910259B - 基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法 - Google Patents

基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，包括以下步骤：(1)粉末真空浸渍：将燃料电池石墨板的原料粉末放入反应釜，抽真空并维持10‑30分钟，在不释放真空条件下注入液态树脂，使原料粉末能够被完全浸没；充分混合后释放真空，得到“湿料”备用；(2)制板：将湿料通过挤压的方法制成膨胀石墨板；(3)切割与成型；(4)固化。与现有技术相比，本发明方法制得的基板具有导电性、强度和密封性好等优点。

Description

基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法。
背景技术
燃料电池是一种电化学发电装置，等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能，能量转化效率高，可达40％-60％。燃料电池环境友好，几乎不排放氮氧化物或硫氧化物等有害气体，二氧化碳排放量低。燃料电池的燃料可以不断地由外部供给，可以持续地提供能量。因此燃料电池的研究和开发备受青睐，被认为是21世纪首选的高效、洁净的发电装置。
其中，双极板作为燃料电池的重要组成部分之一，其性能好坏制约着燃料电池的商业化进程。燃料电池的双极板具有多种功能，它的主要作用是分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入到燃料电池中，收集并传导电流，支撑膜电极以及承担整个燃料电池的散热和排水功能。另外，双极板上的流道决定了其反应剂与生成物在流场内的流动方向、电池的散热能力及电池长期运行的稳定性。
目前燃料电池双极板的主要材料有石墨、金属和复合材料。其中，石墨材料具有低密度、高导电性和良好的耐腐蚀性，使它成为被较早开发并投入应用的双极板材料。
目前膨胀石墨制备燃料电池双极板主要通过混合挤塑成型和膨胀石墨板浸渍树脂这两种方法。前者因制备过程对设备投资要求高、生产节拍时间长，不具备量产条件。后者浸渍法所制成的双极板在制备过程中浸渍时间与透气性和导电性的矛盾关系，也必然会影响其量产规模。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种导电性、强度和密封性好的基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粉末真空浸渍：将燃料电池石墨板的原料粉末放入反应釜，抽真空并维持10-30分钟，在不释放真空条件下注入液态树脂，使原料粉末能够被完全浸没；充分混合后释放真空，得到“湿料”备用；
(2)制板：将湿料通过挤压的方法制成膨胀石墨板；
(3)切割与成型：将步骤(2)制得的膨胀石墨板分割成燃料电池极板需要的尺寸，同时，切割出燃料电池极板上所必备的各流体进出口，将切割好的板放入平板或者辊压式印花模具，挤压出燃料电池极板上各反应区流道和密封槽，完成后将带有流道的板从模具出取出备用；
(4)固化：将步骤(3)得到的带有流道的板放入高温环境中，其中的液态树脂在高温作用下溶剂挥发，并快速交联，最终完成固化，形成强度和密封性较好的极板。
步骤(1)所述的燃料电池石墨板的原料为常规石墨板配方。常规燃料电池石墨板配方中采用的石墨粉为蠕虫石墨粉，同时还包括导电剂、纤维增强材料，例如以1-5％炭黑为导电剂，以5-10％碳纤维为增强材料。蠕虫石墨粉具有天然鳞片状结构，经挤压后导电特性好，力学性能优，容易印花成型。
步骤(1)原料粉末被液态树脂浸没后根据蠕虫石墨粉的需要加压至0.5-1MPa维持8～12分钟，再释放压力。在高压作用下，液态树脂可以快速克服表面张力浸入蠕虫石墨粉的层片间的空隙内，进而在后续挤压过程中保证石墨板的良好气密性。
步骤(2)所述的挤压的方法包括压滤机方式的挤压或者滚压控制厚度方式制板，其间，也将挤压出多余的树脂，使板内树脂含量降低。压滤机方式的挤压或者滚压控制厚度方式均为本领域常规的制板方式。
步骤(3)所述的切割采用刀口模具或者其他切割工具。
步骤(3)所述的切割出的燃料电池极板上各流体进出口包括燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体进出口。
步骤(4)所述的高温环境是指温度为100-200℃，固化时间为30-90分钟与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本方法采用了特殊的石墨粉为原料，该石墨粉为蠕虫石墨粉具有天然鳞片状结构，在真空状态下，可以使液体树脂均匀进入蠕虫石墨粉的各层级之间，保证了板具有良好的透气性和导电性；由于粉末出于较为松散状态，树脂和石墨粉浸润程度更高，浸渍所需要的时间也远小于碰着石墨板成板之后再浸渍的时间；
2、本发明采用常规制板方法将特殊方法配置的湿料制备燃料电池极板，然后再高温下固化，其中的液态树脂在高温作用下溶剂挥发，并快速交联，最终完成固化，形成强度和密封性较好的极板，强度可达60MPa以上。透气性可以下降一个数量级。该发明使得更薄石墨板的制造成为可能，解决了原膨胀石墨高压紧强度制备薄板与树脂浸渍量低导致透气高的矛盾。
3、本发明中以湿料制板到固化成型可以实现连续化生产过程，而无需中断过程，能够实现流水线作业，大幅度提高生产效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，包括以下步骤：
(1)粉末真空浸渍：将燃料电池石墨板的原料粉末放入反应釜，抽真空并维持10-30分钟，在不释放真空条件下注入液态树脂，使原料粉末能够被完全浸没；加压至0.5-1MPa维持8～12分钟，再释放压力，得到“湿料”备用；所述的燃料电池石墨板的原料为常规石墨板配方燃料，其中采用的石墨粉为蠕虫石墨粉。
(2)制板：将湿料通过压滤机方式的挤压制成膨胀石墨板其间，也将挤压出多余的树脂，使板内树脂含量降低；
(3)切割与成型：将步骤(2)制得的膨胀石墨板采用刀口模具分割成燃料电池极板需要的尺寸，同时，切割出燃料电池极板上所必备的各流体进出口(包括燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体进出口)，将切割好的板放入平板或者辊压式印花模具，挤压出燃料电池极板上各反应区流道和密封槽，完成后将带有流道的板从模具出取出备用；
(4)固化：将步骤(3)得到的带有流道的板放入100-200℃高温环境中，固化30-90分钟，其中的液态树脂在高温作用下溶剂挥发，并快速交联，最终完成固化，形成强度和密封性较好的极板。
实施例2
基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，包括以下步骤：
(1)粉末真空浸渍：将燃料电池石墨板的原料粉末放入反应釜，抽真空并维持10-30分钟，在不释放真空条件下注入液态树脂，使原料粉末能够被完全浸没，充分混合后释放真空，得到“湿料”备用；所述的燃料电池石墨板的原料为常规石墨板配方燃料，其中采用的石墨粉为蠕虫石墨粉。
(2)制板：将湿料通过滚压控制厚度方式挤压制成膨胀石墨板，其间，也将挤压出多余的树脂，使板内树脂含量降低；
(3)切割与成型：将步骤(2)制得的膨胀石墨板采用刀口模具分割成燃料电池极板需要的尺寸，同时，切割出燃料电池极板上所必备的各流体进出口(包括燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体进出口)，将切割好的板放入平板或者辊压式印花模具，挤压出燃料电池极板上各反应区流道和密封槽，完成后将带有流道的板从模具出取出备用；
(4)固化：将步骤(3)得到的带有流道的板放入100-200℃高温环境中，固化30-90分钟，其中的液态树脂在高温作用下溶剂挥发，并快速交联，最终完成固化，形成强度和密封性较好的极板。
上述实施例所得基板的性能如下表所示：
Figure BDA0001958422690000041

Claims (6)

1.基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)粉末真空浸渍：将燃料电池石墨板的原料粉末放入反应釜，抽真空并维持10-30分钟，在不释放真空条件下注入液态树脂，加压至0.5-1MPa维持8～12分钟，使原料粉末能够被完全浸没；充分混合后释放真空，得到“湿料”备用；采用的石墨粉为蠕虫石墨粉；(2)制板：将湿料通过挤压的方法制成膨胀石墨板；
(3)切割与成型：将步骤(2)制得的膨胀石墨板分割成燃料电池极板需要的尺寸，同时，切割出燃料电池极板上所必备的各流体进出口，将切割好的板放入平板或者辊压式印花模具，挤压出燃料电池极板上各反应区流道和密封槽，完成后将带有流道的板从模具出取出备用；
(4)固化：将步骤(3)得到的带有流道的板放入高温环境中，其中的液态树脂在高温作用下溶剂挥发，并快速交联，最终完成固化，形成强度和密封性较好的极板。
2.根据权利要求1所述的基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，步骤(1)所述的燃料电池石墨板的原料为常规石墨板配方燃料。
3.根据权利要求1所述的基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，步骤(2)所述的挤压的方法包括压滤机方式的挤压或者滚压控制厚度方式制板，其间，也将挤压出多余的树脂。
4.根据权利要求1所述的基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，步骤(3)所述的切割采用刀口模具或者其他切割工具。
5.根据权利要求1所述的基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，步骤(3)所述的切割出的燃料电池极板上各流体进出口包括燃料进出口、氧化剂进出口和冷却流体进出口。
6.根据权利要求1所述的基于膨胀石墨的燃料电池极板成型方法，其特征在于，步骤(4)所述的高温环境是指温度为100-200℃，固化时间为30-90分钟。
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