CN109921051A - 一种超薄柔性石墨双极板及其制备方法 - Google Patents

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王继明
黄振旭
贾佳
王铎霖
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孙注江
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Guangdong Guohong Hydrogen Energy Technology Co ltd
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Foshan University
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Abstract

本发明公开了一种超薄柔性石墨双极板及其制备方法，涉及燃料电池技术领域，柔性石墨双极板包括上下两层柔性石墨极板、中间层的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜位于两层柔性石墨极板之间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基双材板结构。本发明通过在柔性石墨板原材料内部加入石墨烯薄膜，提高柔性石墨板的强度和阻气性能，采用模压工艺制备出超薄柔性石墨氢氧极板，在保证原有性能情况下，提高双极板的强度，降低双极板的厚度，柔性石墨双极板厚度为1.0～2.0mm，本发明的超薄石墨双极板制备工艺，提升电堆的比功率密度，具有很好的实用价值。

Description

一种超薄柔性石墨双极板及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种超薄柔性石墨双极板及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池直接把氢气和氧气中化学能直接转化为电能，不受卡诺循环限制，因此能量转换效率高，同时环境友好，可以广泛用于交通运输和地面发电等。但是，单节电池电压较低(0.6V～1.0V)，因此，为了得到实际可用的电压，需要把多个单电池串联起来，串联的连接件叫双极板，双极板起到分隔氢气、氧气，收集电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能和排水功能的作用，因此双极板材料需要耐腐蚀、导电、良好的机械强度和价格低廉，易于批量加工等。
双极板主要分为石墨双极板(硬石墨双极板和柔性石墨双极板)、复合材料双极板和金属双极板。其中，硬石墨通过机械打磨和雕刻而成，硬石墨双极板耐腐蚀和导电均良好，可以满足燃料电池使用，但该类型双极板质脆，缺乏韧性，且是加工成本高，不适合批量制备。而加拿大巴拉德开发出一种柔性石墨双极板，具有高导电和耐腐蚀特性，同时又具有一定韧性，可以模压批量化生产，是较为理想的燃料电池双极板，但柔性石墨双极板原材料强度有限，制备的双极板厚度偏后，成品板厚度约为2mm～3mm，导致燃料电池堆体积大，不利于电池体积比功率的提高。
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料；石墨烯膜具有高导电、导热率；而在石墨烯膜加入微褶皱结构，使材料在拉伸弯折时有足够的拉伸空间，从而具有高柔性。将石墨烯膜用于制备燃料电池双极板将会大幅改变双极板的多方面特性，极大提升双极板的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种超薄燃料电池柔性石墨双极板及其制备方法，本发明采用柔性石墨板材料中夹心石墨烯薄膜，加工制备超薄燃料电池柔性石墨双极板，降低双极板厚度，提高燃料电池堆的比功率密度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种超薄柔性石墨双极板，包括上下两层柔性石墨极板、中间层的石墨烯薄膜，所述的石墨烯薄膜位于两层柔性石墨极板之间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基双材板结构。
柔性石墨双极板耐腐蚀非常强，寿命长，已被大量应用到燃料电池电堆中，但由于柔性石墨双极板强度没有金属板好，所以柔性双极板的厚度远大于金属双极板的厚度。本发明的超薄柔性石墨双极板，通过采用柔性石墨板材料中夹心石墨烯薄膜，加工制备超薄燃料电池柔性石墨双极板，有效降低了柔性石墨板的厚度，大幅提升柔性石墨板电堆的体积比功率密度。
作为本发明的超薄柔性石墨双极板的优选实施方式，所述的石墨烯薄膜厚度为0.05～0.15mm。经过发明人大量实验研究发现，选用此厚度的石墨烯薄膜既能保证提供其韧性、提高体积比功率密度，又可以大大降低柔性石墨板的厚度的厚度，具有传统的柔性石墨双极板耐腐蚀性能优点，同时又克服了传统柔性石墨双极板韧性不足，厚度过厚，电堆的体积比功率密度低的缺点。
作为本发明的超薄柔性石墨双极板的优选实施方式，所述的上、下两层柔性石墨极板厚度均为1～5mm。
作为本发明的超薄柔性石墨双极板的优选实施方式，通过将两层柔性石墨极板、石墨烯薄膜经过模压成型、极板粘结工艺后，制备得到的带石墨烯薄膜夹心的超薄柔性石墨基双材板结构的厚度为1～2mm。
作为本发明的超薄柔性石墨双极板的优选实施方式，所述柔性石墨板密度0.1～0.2g/cm3。
作为本发明的超薄柔性石墨双极板的优选实施方式，上下两层柔性石墨极板的面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
本发明还提供了所述的超薄柔性石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯薄膜放置在上下层柔性石墨板板材料中间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基材板；
(2)将带石墨烯薄膜夹心柔性石墨板模压出柔性石墨双极板的氢极板和氧极板，极板表面带有氢氧流道沟槽和冷却通道沟槽，制备出氢极板和氧极板；
(3)将氢氧极板粘接固化，形成超薄柔性石墨双极板。
本发明采用模压技术制备出超薄高韧性石墨双极板，简化了柔性石墨双极板的制备工艺，大幅提高双极板的强度和韧性，降低双极板的厚度，提升电堆的比功率密度，具有很好的实用价值。
作为本发明超薄柔性石墨双极板的制备方法的优选实施方式，所述步骤(1)中将石墨烯薄膜采用粘结胶黏附在上下层柔性石墨板板材料中间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基材板。
作为本发明超薄柔性石墨双极板的制备方法的优选实施方式，进行步骤(3)氢氧极板粘接固化之前，进行注胶处理。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种超薄燃料电池柔性石墨双极板及其制备方法，在两片柔性石墨板之间夹附一层致密高韧性石墨烯薄膜，采用模压技术制备出超薄高韧性石墨双极板，简化了柔性石墨双极板的制备工艺，大幅提高双极板的强度和韧性，降低双极板的厚度，提升电堆的比功率密度，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明模压处理前的柔性石墨基板结构示意图；
图2是本发明模压后的石墨烯薄膜夹心的柔性石墨双极板的结构示意图。
图中：1、柔性石墨板；2、石墨烯薄膜。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本发明所述的超薄柔性石墨双极板的实施例，如图1至2所示，本实施例所述的超薄柔性石墨双极板包括两层柔性石墨极板1、一层石墨烯薄膜2，所述的石墨烯薄膜2位于两层柔性石墨极板1之间，形成带石墨烯薄膜2夹心的柔性石墨基双材板结构。
所述的石墨烯薄膜厚度采用0.05～0.15mm，优选地，石墨烯薄膜厚度采用0.05mm，上、下两层柔性石墨极板厚度采用1～5mm，其中上、下两层柔性石墨极板的厚度可相同，也可以不同；通过将两层柔性石墨极板1、一层石墨烯薄膜2经过模压成型、极板粘结工艺后，制备得到的带石墨烯薄膜夹心的超薄柔性石墨基双材板结构的厚度为1～2mm。其中，上、下两层柔性石墨极板面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)，优选为100mm×500mm。
本实施例的超薄柔性石墨双极板的制备方法包括以下步骤：
(1)将0.05mm的石墨烯薄膜采用粘结胶黏附在2片厚度为2.5mm的柔性石墨板材料中间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基材板；
(2)将带石墨烯薄膜夹心柔性石墨板模压出柔性石墨双极板的氢极板和氧极板，氢极板表面氢流道沟槽和冷却通道沟槽，氧极板表面有氧流道沟槽和冷却通道沟槽，制备出氢极板和的氧极板；然后进行注胶处理；优选地，制备出0.85mm氢极板厚度和0.65mm的氧极板；
(3)将氢氧极板粘接固化，形成1.5mm厚超薄柔性石墨双极板。
所述柔性石墨板密度0.1～0.2g/cm3。
本发明所涉及到的粘结胶黏附、注胶处理、粘接固化工艺均采用现有技术实现，在此不做特别的描述。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种超薄柔性石墨双极板，其特征在于，包括上下两层柔性石墨极板、中间层的石墨烯薄膜，所述的石墨烯薄膜位于上下两层柔性石墨极板之间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基双材板结构。
2.根据权利要求1所述的超薄柔性石墨双极板，其特征在于，所述的石墨烯薄膜厚度为0.05～0.15mm。
3.根据权利要求1所述的超薄柔性石墨双极板，其特征在于，所述的上、下两层柔性石墨极板厚度均为1～5mm。
4.根据权利要求1所述的超薄柔性石墨双极板，其特征在于，通过将两层柔性石墨极板、石墨烯薄膜经过模压成型、极板连接工艺后，制备得到的带石墨烯薄膜夹心的超薄柔性石墨基双材板结构的厚度为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的超薄柔性石墨双极板，其特征在于，所述柔性石墨板密度0.1～0.2g/cm3。
6.根据权利要求1所述的超薄柔性石墨双极板，其特征在于，上下两层柔性石墨极板的面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
7.一种如权利要求1至6任一项所述的超薄柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯薄膜放置在上下层柔性石墨板板材料中间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基材板；
(2)将带石墨烯薄膜夹心柔性石墨板模压出柔性石墨双极板的氢极板和氧极板，极板表面带有氢氧流道沟槽和冷却通道沟槽，制备出氢极板和氧极板；
(3)将氢氧极板粘接固化，形成超薄柔性石墨双极板。
8.根据权利要求7所述的超薄柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中将石墨烯薄膜采用粘结胶黏附在上下层柔性石墨板板材料中间，形成带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基材板。
9.根据权利要求7所述的超薄柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，进行步骤(3)氢氧极板粘接固化之前，进行注胶处理。
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