CN110371968B - 一种低析出物石墨原板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低析出物石墨原板的制备方法，以解决现有技术中石墨原板制成柔性石墨双极板后在使用过程中有析出物导致铂催化剂中毒，速膜电极组件以及密封件老化，降低燃料电池寿命等问题，其包括如下步骤：S1、选取石墨原料，采用强氧化剂对石墨原料进行化学提纯，得到提纯石墨；S2、采用酸性插层剂对提纯石墨进行插层，得到插层石墨；S3、采用碱性清洗剂对插层石墨进行清洗，再选用去离子水进行冲洗；S4、加入导电碳黑进行混合并干燥，得到干燥石墨；S5、对干燥石墨进行高温膨化，得到蠕虫石墨；S6、将蠕虫石墨压制形成石墨原板。

Description

一种低析出物石墨原板的制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种低析出物石墨原板的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是将氢气与空气中的氧气发生电化学反应并释放电能的技术。PEMFC具有能量转换效率高、低噪音、零排放等优点，属于环保型能源，未来具有广阔的市场前景。
双极板是PEMFC中重要的组件之一，主要起到反应气体导流、传导电流、阻隔气流、结构支撑和导热等作用。现阶段双极板的技术路线主要有金属双极板和石墨双极板两大类，石墨双极板相比金属双极板而言具有良好的化学稳定性，在对电堆体积功率密度要求不高的领域，石墨电堆具有广阔的应用前景。
柔性石墨双极板是将柔性石墨原板经模压、浸渗、清洗干燥、单极板粘接和密封圈成型制成。现有技术中，柔性石墨原板的制备工艺一般为将插层后的原料石墨经高温膨化得到蠕虫石墨，再将蠕虫石墨压制形成石墨原板，生产过程中为对石墨提纯，且插层后石墨也未进行清洗处理。由于石墨属于矿物，其本身携带有很多杂质，如果不进行提纯和插层后清洗，就会残留有溶解性金属盐、酸、硫、磷等杂质。在电堆运行过程中，会有大量水生成，金属盐、酸以及含硫、磷化合物都会遇水溶解析出，该类杂质超过一定限度，就会导致催化剂中毒、膜电极组件以及密封件加速老化，燃料电池寿命降低等问题。
发明内容
本发明提供了一种低析出物石墨原板的制备方法，以解决现有技术中石墨原板制成柔性石墨双极板后在使用过程中有析出物导致铂催化剂中毒，膜电极组件以及密封件加速老化，燃料电池寿命降低等问题。
本发明解决上述技术问题的方案如下：一种低析出物石墨原板的制备方法，包括如下步骤：
S1、选取石墨原料，采用强氧化剂对石墨原料进行化学提纯，得到提纯石墨；
S2、采用酸性插层剂对提纯石墨进行插层，得到插层石墨；
S3、采用碱性清洗剂对插层石墨进行清洗，再选用去离子水进行冲洗；
S4、加入导电碳黑进行混合并干燥，得到干燥石墨；
S5、对干燥石墨进行高温膨化，到蠕虫石墨；
S6、将蠕虫石墨压制形成石墨原板。
本发明提供的低析出物石墨原板的制备方法，由于在石墨原板的制备过程中，在插层之前对石墨进行提纯并在插层后采用碱性清洗剂对残留有酸性插层剂的插层石墨进行中和清洗，该石墨原板制成双极板后，使用过程中析出物的量大大降低，有效的保证了燃料电池的使用寿命。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例详细给出。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
本发明提供了一种低析出物石墨原板的制备工艺，其包括如下步骤：
S1、选取石墨原料，采用强氧化剂对石墨原料进行化学提纯，得到提纯石墨。
本实施例中石墨原料优选为目数≤80的天然大鳞片石墨的天然石墨，这种石墨容易插层，从而容易膨化形成蠕虫石墨。
其中，在本实施例中，用于对石墨原料进行化学提纯的强氧化剂为硝酸，优选的，化学提纯后的提纯石墨中固定碳含量达到99.5wt％。
在其他实施例中，该强氧化剂还可以选用氢氟酸，这两种强氧化剂可与石墨原料中的金属、硅酸盐类物质产生反应，使石墨原料提纯后提纯石墨中固定碳含量达到99wt％以上；另外，氢氟酸和硝酸具有易挥发，高温加热分解无残留等特点，降低外来杂质引入。
其中，氢氟酸浓度为10％-40％，硝酸浓度为30％-98％，两者可以单独使用也可以混合使用，优选的，混合使用时氢氟酸和硝酸的混合比例为1～5:1。
得到提纯石墨后进入下一步骤：
S2、采用酸性插层剂对提纯石墨进行插层，得到插层石墨。
其中，在本实施例中，用于对提纯石墨进行插层的酸性插层剂为硝酸，硝酸浓度为30％-98％，且硝酸与提纯石墨的质量比为3:1。
在其他实施例中，插层剂也可以采用浓度为30％-98％的醋酸，在另一些实施例中，插层剂也可采用硝酸和醋酸的混合酸，硝酸和醋酸混合比例为1～3:1。
在其他实施例中，该酸性插层剂还可以选用醋酸，这两种插层剂加热易分解，其中，需要说明的是，虽然硫酸插层膨化倍数高，但是由于硫酸中含有硫元素，易导致石墨原板中硫元素含量超标，故而在此不选用。
得到插层石墨后进入下一步骤：
S3、采用碱性清洗剂对插层石墨进行清洗，再选用去离子水进行冲洗。
其中S3包括：
S31、采用碱性清洗剂对插层石墨进行清洗，以中和步骤S2中残留的酸性插层剂，再采用去离子水对插层石墨进行冲洗；
S32、对清洗后的石墨进行检测，控制清洗后的石墨PH值为中性，确保无金属盐类残留。
在清洗和冲洗该插层石墨的过程中，还能清除插层石墨中的油污。
进入下一步骤：
S4、加入导电碳黑进行混合并干燥，得到干燥石墨；
其中，导电碳黑添加量为石墨重量的0.5％-10％，碳黑比表面积为300cm2/g-1500cm2/g。
比表面积为300cm2/g-1500cm2/g的导电碳黑可增强石墨原板的吸附性能，减少析出物产生，同时，导电碳黑还能增加石墨原板的导电性能。
得到干燥石墨后进入下一步骤：
S5、对干燥石墨进行高温膨化，得到蠕虫石墨。
其中，在本实施例中，膨化温度为900℃。
得到蠕虫石墨后进入下一步骤：
S6、将蠕虫石墨压制形成石墨原板。
其中S6包括：
S61、精确称量一定质量的蠕虫石墨，并将其导入专用模具内；
S62、对专用模具内的蠕虫石墨进行压制形成石墨原板。
在本实施例中，精确称量的标准为保证每块压制成型后的石墨原板的重量偏差不大于5％。
为了方便对本实施例的制得的石墨原板与现有技术中的石墨原板的性能形成直观认知，现按照上述实施例的制备工艺制作第一原板，并在省略步骤S3和S4后制作第二原板，将第一原板和第二原板的制作参数及性能结果列为下表：
Figure BDA0002123704360000051
通过上表可以明显看出，石墨在经过碱性清洗剂清洗后制成的石墨原板，其析出物远远低于未中和清洗的石墨原板，因而利用按照本发明提供的低析出物石墨原板的制备工艺制备的石墨原板来制作双极板，相较于现有技术中的石墨双极板，可有效防止铂催化剂中毒，减缓膜电极组件以及密封件老化，延长了燃料电池的寿命。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低析出物石墨原板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选取石墨原料，采用强氧化剂对石墨原料进行化学提纯，得到提纯石墨，所述强氧化剂为硝酸；
S2、采用酸性插层剂对提纯石墨进行插层，所述酸性插层剂为硝酸，得到插层石墨；
S3、采用碱性清洗剂对插层石墨进行清洗，再选用去离子水进行冲洗；
S4、加入导电碳黑进行混合并干燥，得到干燥石墨；
S5、对干燥石墨进行高温膨化，对干燥石墨进行高温膨化的膨化温度为800℃-1000℃，得到蠕虫石墨；
S6、将蠕虫石墨压制形成石墨原板；
其中，所述步骤S4中导电碳黑添加量为石墨重量的0.5%-10%，碳黑比表面积为300cm2/g-1500cm2/g，所述插层剂与提纯石墨的质量比为2~10：1。
2.根据权利要求1所述的低析出物石墨原板的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31、采用碱性清洗剂对插层石墨进行清洗，以中和步骤S2中残留的酸性插层剂，再采用去离子水对插层石墨进行冲洗；
S32、对清洗后的石墨进行检测，控制清洗后的石墨PH值为中性，确保无金属盐类残留。
3.根据权利要求1所述的低析出物石墨原板的制备方法，其特征在于，所述步骤S6包括：
S61、精确称量一定质量的蠕虫石墨，并将其导入专用模具内；
S62、对专用模具内的蠕虫石墨进行压制形成石墨原板。
4.根据权利要求3所述的低析出物石墨原板的制备方法，其特征在于，所述步骤S61中精确称量的标准为保证每块压制成型后的石墨原板的重量偏差不大于5%。
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