CN109921052A - 一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，包括以下方法：1、将膨胀石墨蠕虫(3)均匀放置于低密度成型模具(2)中；利用压机对低密度成型模具上压头(1)施加压力，将膨胀石墨蠕虫(3)压缩成低密度柔性石墨板(4)；2、取出低密度柔性石墨板(4)，将其平放于高密度成型模具(5)中；利用加压装置对高密度成型模具左右压头施加压力，将低密度柔性石墨板的长度减小为原长的0.05～0.50倍，获得高密度立式片层结构柔性石墨板(9)；3、将高密度立式片层结构柔性石墨板(9)放置于极板成型模具中，利用压机施加200～600T压力，保压时间为3～120s；起模后，得到立式片层单极板。与现有技术相比，本发明可大幅提升柔性石墨极板垂直方向电导率与热导率。

Description

一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池极板，尤其是涉及一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。根据国际氢能源委员会发布的《氢能源未来发展趋势调研报告》，预计到2030年，全球燃料电池乘用车将达到1000万辆至1500万辆。由于市场潜力巨大，各企业加大研发，一些国家也加大支持力度，力图通过发展氢能解决来能源安全，并掌握国际能源领域的制高点。随着资源的投入，燃料电池技术的研究与开发已经取得了许多成果。其高效、无污染等众多优势，将带来21世纪的新能源革命。
燃料电池双极板是燃料电池的核心部件，常用的双极板材料有不透性石墨、金属材料、柔性石墨材料等。其中，人造石墨双极板耐蚀性与导电性好，但制造工序复杂，无法批量化生产，导致生产成本高昂。金属材料的强度高，阻气性好，可以制备成超薄板(厚度约0.1mm)，但缺点是耐蚀性差、接触电阻大。柔性石墨材料耐蚀性好，接触电阻小，且因内部片层结构的取向性导致拥有水平方向良好的导电与导热性，但也由此导致垂直方向的导电与导热性差。
对于柔性石墨板，现有技术中，通常利用模压或辊压的方式制备。中国专利CN101222052A介绍了一种两面带沟槽的柔性石墨极板的制造方法，该方法利用模压的方式制备柔性石墨极板。中国专利CN106876724A披露了一种燃料电池用柔性石墨单极板的辊压生产方法，该方法能够连续化生产柔性石墨单极板，提高了生产效率。然而现有技术的不足是：由于柔性石墨板的片层堆叠，导致其产生各向异性。水平方向由于形成连续的片层结构石墨相，导致其水平方向的导电和导热性能优异。而垂直方向由于堆叠的片层结构，导致有效接触面积小，进而使得垂直方向的导电和导热性能相比水平方向相差甚远。
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可大幅提升柔性石墨极板垂直方向电导率与热导率的立式片层结构柔性石墨极板的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，包括以下方法：
1、将膨胀石墨蠕虫均匀放置于低密度成型模具中；
2、利用压机对低密度成型模具上压头施加压力，将膨胀石墨蠕虫压缩成厚度为0.1～3.0mm，密度为0.05～0.60g/cm3的低密度柔性石墨板；
3、取出低密度柔性石墨板，将其平放于高密度成型模具中；
4、利用加压装置对高密度成型模具左右压头施加压力，将低密度柔性石墨板的长度减小为原长的0.05～0.50倍，获得高密度立式片层结构柔性石墨板的密度为0.80～1.80g/cm3；
5、将高密度立式片层结构柔性石墨板放置于极板成型模具中，利用压机施加200～600T压力，保压时间为3～120s；
6、起模后，得到立式片层单极板。
步骤所述的低密度成型模具包括箱体式下模，以及平板状上模，其中上模上方设有低密度成型模具上压头。
步骤中压机对低密度成型模具上压头施加压力的速度为1～5mm/s。
步骤所述的高密度成型模具呈方形箱体状，其左右侧板分别为与压机连接的左压头和右压头。
压机通过左压头和右压头对低密度柔性石墨板施加压力的速度为1～5mm/s。
步骤所述的极板成型模具包括单极板成型模具上压头和单极板成型模具下压头。
所述的单极板成型模具上压头连接高吨位液压机，高吨位液压机驱动单极板成型模具上压头以0.3～0.5mm/s的速度下压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)实现将材料的垂直方向电导率与热导率提升一个量级。通过立式片层结构，垂直方向电导率从普通柔性石墨板的22.70S/cm增加至1031.10S/cm，热导率从普通柔性石墨板的6.27W/m·K提升至36.03W/m·K。
(2)能够极大的降低树脂浸渍时长。由于立式片层结构，使得树脂更易从短的片层通道中浸入石墨板，从而显著降低浸渍时长。
(3)能够显著增加树脂浸渍率。由于片层通道的长度即为厚度，树脂溶液浸渍率能够显著增加。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图中，1为低密度成型模具上压头，2为低密度成型模具，3为膨胀石墨蠕虫，4为低密度柔性石墨板，5为高密度成型模具，6为左压头，7为右压头，8为翻转放置的低密度柔性石墨板，9为高密度立式片层结构柔性石墨板，10为单极板成型模具上压头，11为翻转放置的高密度立式片层结构柔性石墨板，12为单极板成型模具下压头，13为模压成型后的柔性石墨单极板。步骤1中，H’为压缩前膨胀石墨粉厚度，H为低密度柔性石墨板厚度，L为低密度柔性石墨板宽度。步骤2中，W’为压缩前低密度柔性石墨板长度，W为压缩后高密度立式片层结构柔性石墨板宽度，L为低密度柔性石墨板宽度(即高密度柔性石墨板长度)。步骤3中，H为高密度立式片层结构柔性石墨板，W为高密度柔性石墨板(同成型后的单极板)宽度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将膨胀石墨蠕虫3均匀放置于低密度成型模具2中，所述的低密度成型模具2包括箱体式下模，以及平板状上模，其中上模上方设有低密度成型模具上压头1，模具内腔底面尺寸为1520mm×320mm，膨胀石墨蠕虫堆积高度(即压缩前膨胀石墨粉厚度H’)为18mm。利用压机对低密度成型模具上压头1施加压力，施加压力的速度为3mm/s，将膨胀石墨蠕虫3压缩成厚度(即低密度柔性石墨板厚度H)为1.2mm，密度为0.3g/cm3、尺寸为1520mm×320mm×1.2mm的低密度柔性石墨板4，该低密度柔性石墨板4宽度为L；
步骤2、待低密度成型模具2达到预设位置后，保压5s，取出低密度柔性石墨板4，将其平放于高密度成型模具5中，成翻转放置的低密度柔性石墨板8(如图1中L由原来的宽度方向翻转成纵向长度，W’为压缩前低密度柔性石墨板长度)，其中高密度成型模具5呈方形箱体状，其左右侧板分别为与压机连接的左压头6和右压头7。将高密度成型模具5调节至内腔体积与低密度柔性石墨板8体积一致后，利用加压装置对高密度成型模具左右压头施加压力，施加压力的速度为3mm/s，最终将原尺寸为1520mm×320mm×1.2mm的低密度柔性石墨板压缩成尺寸为152mm×320mm×1.2mm的高密度立式片层结构柔性石墨板9(即L不变，W’变成了W压缩后高密度立式片层结构柔性石墨板宽度)；
步骤3、待高密度成型模具5达到预设位置后，保压5s，取出高密度立式片层结构柔性石墨板9放置于极板成型模具中，成为转放置的高密度立式片层结构柔性石墨板11(厚度为H，宽度W保持不变)，极板成型模具包括单极板成型模具上压头10和单极板成型模具下压头12，利用高吨位液压机对单极板成型模具上压头10施压，压机压头接触单极板成型模具上压头后，以0.5mm/s的速度继续下压，达到预设位置后，保压15s，起模后，得到立式片层单极板。
实施例2
参考图1，一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将膨胀石墨蠕虫3均匀放置于低密度成型模具2中；所述的低密度成型模具2包括箱体式下模，以及平板状上模，其中上模上方设有低密度成型模具上压头1。利用压机对低密度成型模具上压头1施加压力，施加压力的速度为1mm/s，将膨胀石墨蠕虫3压缩成厚度为0.1mm，密度为0.05g/cm3的低密度柔性石墨板4；
步骤2、取出低密度柔性石墨板4，将其平放于高密度成型模具5中，成翻转放置的低密度柔性石墨板8，其中高密度成型模具5呈方形箱体状，其左右侧板分别为与压机连接的左压头6和右压头7。利用加压装置对高密度成型模具左右压头施加压力，施加压力的速度为1～5mm/s，将低密度柔性石墨板的长度减小为原长的0.05倍，获得高密度立式片层结构柔性石墨板9的密度为0.80g/cm3；
步骤3、将高密度立式片层结构柔性石墨板9放置于极板成型模具中，成为转放置的高密度立式片层结构柔性石墨板11，利用压机施加200T压力，保压时间为3s，施压速度为0.3mm/s；起模后，得到立式片层单极板。
实施例3
参考图1，一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将膨胀石墨蠕虫3均匀放置于低密度成型模具2中；所述的低密度成型模具2包括箱体式下模，以及平板状上模，其中上模上方设有低密度成型模具上压头1。利用压机对低密度成型模具上压头1施加压力，施加压力的速度为5mm/s，将膨胀石墨蠕虫3压缩成厚度为3.0mm，密度为0.60g/cm3的低密度柔性石墨板4；
步骤2、取出低密度柔性石墨板4，将其平放于高密度成型模具5中，成翻转放置的低密度柔性石墨板8，其中高密度成型模具5呈方形箱体状，其左右侧板分别为与压机连接的左压头6和右压头7。利用加压装置对高密度成型模具左右压头施加压力，施加压力的速度为5mm/s，将低密度柔性石墨板的长度减小为原长的0.50倍，获得高密度立式片层结构柔性石墨板9的密度为1.80g/cm3；
步骤3、将高密度立式片层结构柔性石墨板9放置于极板成型模具中，成为转放置的高密度立式片层结构柔性石墨板11，利用压机施加600T压力，保压时间为120s，施压速度为0.5mm/s；起模后，得到立式片层单极板。

Claims (7)

1.一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，包括以下方法：
(1)将膨胀石墨蠕虫(3)均匀放置于低密度成型模具(2)中；
(2)利用压机对低密度成型模具上压头(1)施加压力，将膨胀石墨蠕虫(3)压缩成厚度为0.1～3.0mm，密度为0.05～0.60g/cm3的低密度柔性石墨板(4)；
(3)取出低密度柔性石墨板(4)，将其平放于高密度成型模具(5)中；
(4)利用加压装置对高密度成型模具左右压头施加压力，将低密度柔性石墨板的长度减小为原长的0.05～0.50倍，获得高密度立式片层结构柔性石墨板(9)的密度为0.80～1.80g/cm3；
(5)将高密度立式片层结构柔性石墨板(9)放置于极板成型模具中，利用压机施加200～600T压力，保压时间为3～120s；
(6)起模后，得到立式片层单极板。
2.根据权利要求1所述的一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的低密度成型模具(2)包括箱体式下模，以及平板状上模，其中上模上方设有低密度成型模具上压头(1)。
3.根据权利要求1所述的一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中压机对低密度成型模具上压头(1)施加压力的速度为1～5mm/s。
4.根据权利要求1所述的一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述的高密度成型模具(5)呈方形箱体状，其左右侧板分别为与压机连接的左压头(6)和右压头(7)。
5.根据权利要求4所述的一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，压机通过左压头(6)和右压头(7)对低密度柔性石墨板施加压力的速度为1～5mm/s。
6.根据权利要求1所述的一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述的极板成型模具包括单极板成型模具上压头(10)和单极板成型模具下压头(12)。
7.根据权利要求4所述的一种立式片层结构柔性石墨极板的制备方法，其特征在于，所述的单极板成型模具上压头(10)连接高吨位液压机，高吨位液压机驱动单极板成型模具上压头(10)以0.3～0.5mm/s的速度下压。
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