CN109921055B - 一种超薄石墨烯复合柔性石墨双极板及其制备方法 - Google Patents

一种超薄石墨烯复合柔性石墨双极板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超薄石墨烯复合柔性石墨双极板及其制备方法，双极板包括柔性石墨板、石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜黏附在柔性石墨板的外表面，形成带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板，再经过模压成型、极板连接工艺得到超薄石墨烯复合柔性石墨双极板。本发明通过在柔性石墨板原材料表面粘附一张超薄致密的石墨烯薄膜通过模压工艺制备高强度超薄高韧性柔性石墨极板，提高柔性石墨极板的强度和阻气性能，然后将氢氧极板粘接成双极板，在保证原有性能情况下，降低极板厚度，实现超薄柔性石墨双极板的制备，提升电堆的比功率密度，具有很好的实用价值。

Description

一种超薄石墨烯复合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，具体涉及一种超薄石墨烯复合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厚，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；而在石墨烯薄膜加入微褶皱结构，使材料在拉伸弯折时有足够的拉伸空间，从而具有高柔性。将石墨烯薄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石墨烯复合柔性石墨双极板及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，包括柔性石墨板、石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜黏附在柔性石墨板的外表面，形成带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板，再经过模压成型、极板连接工艺得到超薄石墨烯复合柔性石墨双极板。
柔性石墨板具有高导电和耐腐蚀特性，同时又具有一定韧性，柔性石墨双极板原材料强度有限，制备的双极板厚度偏厚，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，本发明通过在柔性石墨板原材料表面粘附一张超薄致密的石墨烯薄膜通过模压工艺制备高强度超薄高韧性柔性石墨极板，提高柔性石墨极板的强度和阻气性能，然后将氢氧极板粘接成双极板，降低极板厚度，实现超薄柔性石墨双极板的制备。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。
作为本发明的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的优选实施方式，所述石墨烯薄膜的厚度为0.05～0.15mm。
作为本发明的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的优选实施方式，所述柔性石墨板的厚度为2～10mm。
作为本发明的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的优选实施方式，通过将带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板经过模压成氢极板与氧极板、氢氧极板连接工艺后，制备得到的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板结构的厚度为1～2mm。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，提升燃料电池电堆比功率密度，操作工艺简单，成本低；双极板电阻小。
作为本发明的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的优选实施方式，所述石墨烯薄膜黏附的位置为氢极板表面的氢流道沟槽、氢冷却通道沟槽、氧极板表面的氢流道沟槽、氧冷却通道沟槽中的至少一处。在极板水流场表面制备一层高导电、接触电阻小的石墨烯薄膜，极大地降低了氢氧极板之间的接触电阻，同时也降低了双极板冷却通道内部的腐蚀速率，提高了燃料电池电堆的性能，延长双极板的使用寿命。
作为本发明的超薄石墨烯复合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。
作为本发明的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的优选实施方式，所述柔性石墨极板的面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)。
本发明还提供了一种超薄柔性石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯薄膜黏附到柔性石墨板材料表面，形成带石墨烯薄膜的柔性石墨基材板。
(2)将黏附有石墨烯膜的柔性石墨板模压出柔性石墨双极板的氢极板和氧极板，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氢流道沟槽和氧冷却通道沟槽；
(3)将带石墨烯薄膜的氢氧极板粘接固化，制备石墨烯薄膜复合柔性石墨双极板。
本发明采用模压技术制备出超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，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。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种超薄石墨烯复合柔性石墨双极板及其制备方法，只是在原有柔性石墨双极板制备基础上进行简单处理，在柔性石墨中黏附石墨烯薄膜，即可制备出超薄高韧性石墨双极板，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是本发明黏附有石墨烯薄膜的柔性石墨双极板的结构示意图；
图2是实施例1的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的结构示意图；
图3为实施例2的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的结构示意图；
图4为实施例3的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的结构示意图；
图5为实施例4的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的结构示意图。
图中：1、柔性石墨板，11、柔性石墨氢极板，12、柔性石墨氧极板；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。
下述实施例中，未作特别说明的物质均从市场上购买得到。
本发明所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的一种实施例，如图1至2所示，本实施例所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板包括柔性石墨板1、石墨烯薄膜2，所述石墨烯薄膜2黏附在柔性石墨板1的外表面，形成带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板。
本实施例的石墨烯薄膜2的厚度为0.05～0.15mm，优选地，石墨烯薄膜2的厚度为0.05mm，柔性石墨板1的厚度为2～10mm，柔性石墨板1的密度为0.1～0.3g/cm3，通过将带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板进过模压成型、极板粘结工艺后，制备得到的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的厚度为1～2mm，优选地，厚度为1.5mm，其中，柔性石墨板1的面积为(10mm×10mm)～(900mm×900mm)，优选地，长100mm×宽400mm。
本实施例的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯薄膜黏附到柔性石墨板材料表面，形成带石墨烯薄膜的柔性石墨基材板。
(2)将黏附有石墨烯膜的柔性石墨板模压出柔性石墨双极板的氢极板11和氧极板12，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氢流道沟槽和氧冷却通道沟槽，如图2所述，石墨烯薄膜黏附在氢极板与氧极板的流道沟槽处，制备出氢极板和氧极板。优选地，制备出0.85mm氢极板厚度和0.65mm的氧极板。
(3)将带石墨烯薄膜的氢氧极板粘接固化，制备出石墨烯薄膜复合柔性石墨双极板。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处仅在于，如图3所示，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氢流道沟槽和氧冷却通道沟槽，石墨烯薄膜黏附在氢极板11与氧极板12的冷却通道沟槽处。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处仅在于，如图4所示，所述的石墨烯薄膜黏附在氢极板11的流道沟槽处、氧极板12的冷却通道沟槽处。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处仅在于，如图5所示，所述的石墨烯薄膜黏附在氧极板11的流道沟槽处、氢极板12的冷却通道沟槽处。
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 (6)

1.一种超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，其特征在于，包括柔性石墨板、石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜黏附在柔性石墨板的外表面，形成带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板，通过将带表面石墨烯薄膜的柔性石墨基材板经过模压成氢极板与氧极板，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氧流道沟槽和氧冷却通道沟槽；
所述石墨烯薄膜黏附的位置为氢极板表面的氢流道沟槽、氢冷却通道沟槽中的至少一处，以及氧极板表面的氧流道沟槽、氧冷却通道沟槽中的至少一处；
氢极板和氧极板经氢氧极板连接工艺后，制备得到超薄石墨烯复合柔性石墨双极板；超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的厚度为1.5mm。
2.根据权利要求1所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，其特征在于，所述石墨烯薄膜的厚度为0.05～0.15mm。
3.根据权利要求1所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，其特征在于，所述柔性石墨板的厚度为2～10mm。
4.根据权利要求1所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，其特征在于，所述柔性石墨板密度为0.1～0.15g/cm3。
5.根据权利要求1所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板，其特征在于，所述柔性石墨极板的面积为（10mm×10mm）～（900mm×900mm）。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的超薄石墨烯复合柔性石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将石墨烯薄膜黏附到柔性石墨板材料表面，形成带石墨烯薄膜的柔性石墨基材板；
（2）将黏附有石墨烯膜的柔性石墨板模压出柔性石墨双极板的氢极板和氧极板，氢极板表面带有氢流道沟槽和氢冷却通道沟槽，氧极板表面带有氧流道沟槽和氧冷却通道沟槽；
（3）将带石墨烯薄膜的氢氧极板粘接固化，制备石墨烯薄膜复合柔性石墨双极板。
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