CN110544781A - 一种用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：提供一种已预成型的石墨极板，对石墨极板进行加热干燥，以除去夹杂在石墨极板的内部孔隙的水分；将纳米导电导热材料与胶水混合，制备导电导热浸渗胶水；采用导电导热胶水对加热干燥后的石墨极板进行注胶处理，以使导电导热胶注入石墨极板的内部孔隙中，注胶处理包括依次进行的第一次负压注胶、正压注胶和第二次负压注胶；清洗注胶处理完成后的石墨极板，以清除石墨极板表面残胶；固化石墨极板的内部孔隙中的导电导热胶；通过该工艺通过对石墨极板的连续注胶，可以显著提高石墨极板的气密性和结构强度，有效提高极板在垂直方向的导热导电性能。

Description

一种用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于提高燃料电池柔性石墨极板导热导电的闭孔增强处理工艺。

背景技术

燃料电池发电原理是将氢气和氧气的化学能经电化学反应方式产生电能，氢气在阳极解离为氢离子，通过质子交换膜后，在阴极与氧气反应生成水，电子从阳极通过外电路到达阴极，在外电路上形成电流回路。这种方式不受卡诺循环限制，由于其能量转化率高40％－60％，并且具有清洁、无污染、无噪声、无红外等特点，被认为是21世纪首选的高效、洁净的发电技术，同时也是一种理想的移动电源技术，可被广泛应用于汽车交通、军事备用电源、水下航潜器等诸多领域。

电池极板作为燃料电池的关键组件之一，占据燃料电池电堆重量的80％和成本的45％，其主要作用是分配反应物气体、输运反应物产物、收集并传导电流、支撑膜电极、传递多余热量等。因此，极板要求具备良好的机械强度和优越的气密性。

目前燃料电池用极板材料主要包括四类：传统人造石墨双极板、金属表面改性双极板、复合材料双极板和膨胀石墨双极板，其中膨胀石墨极板由天然鳞片石墨经氧化插层、高温膨胀后压制而成，也归属为石墨极板，在导电性、导热性、耐腐蚀性等方面都比较优异，具备燃料电池极板应用的广泛潜质。文献资料显示，压制成型后的柔性石墨极板的微观层状结构，其层间仍然存在各种细微孔隙，导致极板在垂直方向和水平方向在导电导热方面存在较大的差异，这些孔隙一方面影响石墨极板的导电导热性，同时还会影响石墨极板的气密性；此外仅靠蠕虫石墨之间的相互咬合难以承受结构的抗弯强度，极板整体机械强度较低，很容易导致裂纹、撕毁和破坏性的损坏，难以直接满足燃料电池组装使用要求。为此需要对已成型的膨胀石墨极板进行闭孔增强处理，提高极板气密性和机械强度以及产品的一致性。但是，注入填充的普通树脂胶水为非良好的导电导热材料，又进一步影响膨胀石墨极板在垂直方向的导电导热性能。

发明内容

本发明公开了一种用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其目的在于解决现有石墨极板采用膨胀石墨成型，在垂直方向形成石墨层状结构及间隙，存在气密差、结构强度低、导热导电性能差等缺陷。

本发明解决上述技术问题的方案如下：一种用于提高燃料电池石墨极板垂直热传导、电传导的闭孔增强处理工艺，包括如下步骤：

S1，提供一预成型的柔性石墨极板，对石墨极板进行加热干燥，以除去夹杂在极板内石墨层状孔隙的水分；

S2，将纳米导电导热材料与胶水混合，制成导电导热胶；

S3，采用导电导热胶对加热干燥后的石墨极板进行注胶处理，以使导电导热胶注入石墨极板的内部孔隙中，所述注胶处理包括依次进行的第一次负压注胶、正压注胶和第二次负压注胶；

S4，清洗注胶处理完成后的石墨极板，以清除石墨极板表面残胶；

S5，固化所述石墨极板的内部孔隙中的导电导热胶，形成稳定结构。

本发明提供的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，先通过加热干燥除去石墨极板的内部孔隙中的水分，降低石墨极板注胶填充存在缺陷或者注胶不完全等不良风险；同时制得导电导热胶；然后采用三次注胶工艺，利用真空和正压渗透毛细作用原理，将导电导热胶充分填充到石墨极板的缝隙中去，填充石墨层状结构中的缝隙起到良好气密的效果，纳米导电导热材料的介入可以良好的桥接层状结构之间的电热传递，提高极板垂直方向的导电导热性能；通过清洗清除石墨极板表面残余的胶水后，使石墨极板的内部孔隙中的胶水固化，即完成了整个闭孔增强处理工艺，该工艺通过对石墨极板的连续注胶，不但可以显著提高石墨极板的气密性和结构强度，而且有效提高极板在垂直方向的导热导电性能，使石墨极板获得良好的气密性、机械强度和导电导热性能。

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并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例步骤流程的逻辑示意图；

图2为采用本发明实施例闭孔增强处理工艺前石墨极板的层状截面示意图；

图3为采用本发明实施例闭孔增强处理工艺后石墨极板的层状截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图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。在下列段落中参照附图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。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1，并结合图2、图3，本发明提供了一种用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，包括如下步骤：

S1，提供一预成型的石墨极板1，对石墨极板1进行加热干燥，以除去夹杂在石墨极板1的内部孔隙2的水分。

具体的，对石墨极板1进行加热干燥包括以吊篮装载石墨极板1后，将石墨极板1吊装送入干燥箱内，向干燥箱内通入加热气体；其加热时间为1.5h-2h，加热温度为105℃～150℃。

S2，将纳米导电导热材料31与胶水32混合，制成导电导热胶3；

其中，本实施例中的胶水32为混合胶水32，包括A组分——甲基丙烯酸十二烷基酯与B组分——聚(乙烯)乙二醇酯，将两种组分混合均匀后，通过超声震动和/或高速搅拌使纳米导电导热材料31与混合胶水32充分混合，制得具有良好导电导热性能的导电导热胶3。

具体的，通过电子秤将甲基丙烯酸十二烷基酯和聚(乙烯)乙二醇酯按5:1-10:1范围配比成胶水，再按200:1-250:1加入少量的偶氮双二甲基戊腈充分混合形成透明的混合胶水32，通过电子天平计量一定量的纳米导电导热材料31，将混合胶水32和纳米导电导热材料31按100：4-100:7的比例进行混合，通过高速机械搅动和超声振荡加速纳米导电导热材料31在混合胶水32中的分散，形成稳定的悬浮浑浊胶水，即导电导热胶3，控制胶水32混合过程温度控制在4-13℃。

可以理解的是，混入的纳米导电导热材料31优选为纳米金属材料，如纳米铜金属材料、纳米银金属材料、纳米铝金属材料等，在一些实施例中，纳米导电导热材料31也可以是一些导电导热性能良好的金属氧化材料，在另一些实施例中，纳米导电导热材料31还可以是几种纳米金属材料的混合物组成。

可以理解的是，由于纳米金属材料的比表面积大，在有氧环境容易导致纳米金属颗粒形成氧化物而降低导电导热性能，因而混合胶水32和纳米金属材料的混合过程应在真空环境下完成，其真空环境小于20kpa以下，以保证胶水32内溶解的氧气被稀释排出。

更具体的，为保证纳米导电导热材料31的颗粒能顺利的注入石墨极板1的层状间隙中去，纳米导电导热材料31的颗粒直径为20纳米-100纳米。

S3，采用导电导热胶3对加热干燥后的石墨极板1进行注胶处理，以使导电导热胶3注入石墨极板1的内部孔隙2中，所述注胶处理包括依次进行的第一次负压注胶、正压注胶和第二次负压注胶；

具体的，第一次负压注胶过程中注胶缸内的真空度不大于200pa，第一次负压注胶时间不低于30min；所述正压注胶过程中注胶缸内压强为800-900kPa，正压注胶时间为2h-3h；所述第二次负压注胶的工艺参数与第一次负压注胶的工艺参数保持相同。

可以理解的是，为了保证导电导热胶3的理化性能，注胶过程中，导电导热胶3的温度控制在2℃～15℃。

注胶处理过程中的三次依次进行的注胶过程主要利用真空和正压渗透以及毛细作用原理，使导电导热胶3充分填充到石墨极板1的缝隙中去。

S4，清洗注胶处理完成后的石墨极板1，以清除石墨极板1表面残胶；

其中，清洗注胶处理完成后的石墨极板1包括依次对石墨极板1进行漂洗和对石墨极板1进行超声清洗。

具体的，所述对石墨极板1进行漂洗包括：将石墨极板1转运至盛装有漂洗液的漂洗缸中，向漂洗液中添加表面活性剂并保持漂洗液循环流动，使石墨极板1在漂洗缸中做往复升降运动；其中，所述漂洗液的温度为20℃～30℃。

所述对石墨极板1进行超声清洗包括：将石墨极板1转运至清洗缸中，保持清洗缸内水的循环流动，使石墨极板1在清洗缸中做往复升降运动。

通过漂洗和超声清洗后确保石墨极板1上的表面残胶被彻底清洗干净。

S5，固化所述石墨极板1的内部孔隙2中的导电导热胶3，形成稳定结构。

其中，固化所述石墨极板1的内部孔隙2中的导电导热胶3包括依次对石墨极板1进行水浴固化和对石墨极板1进行真空干燥。

具体的，对石墨极板1进行水浴固化包括：将石墨极板1转运至盛装有热水的水浴缸中，所述水浴缸中的热水温度为60℃～97℃；

对石墨极板1进行真空干燥包括：在真空环境下干燥石墨极板1，干燥温度40℃～50℃，干燥时间1h～2h。

通过固化后，导电导热胶3填充在石墨极板1的缝隙中，使石墨极板1获得良好的气密性、机械强度和导电导热性能。

以下为采用该工艺制得1号石墨极板和2号石墨极板与未采用上述工艺制得的对比极板的气密性、机械强度和导电导热等性能的对比表。

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说明书附图所示和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 (9)

1.一种用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1，提供一种已预成型的石墨极板，对石墨极板进行加热干燥，以除去夹杂在石墨极板的内部孔隙的水分；

S2，将纳米导电导热材料与胶水混合，制备导电导热浸渗胶水；

S3，采用导电导热胶水对加热干燥后的石墨极板进行注胶处理，以使导电导热胶注入石墨极板的内部孔隙中，所述注胶处理包括依次进行的第一次负压注胶、正压注胶和第二次负压注胶；

S4，清洗注胶处理完成后的石墨极板，以清除石墨极板表面残胶；

S5，固化所述石墨极板的内部孔隙中的导电导热胶。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，步骤S1中所述对石墨极板进行加热干燥包括以吊篮装载石墨极板后，将石墨极板吊装送入干燥箱内，向所述干燥箱内通入加热气体，加热时间为1.5h-2h，加热温度为105℃～150℃。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，步骤S2中所述纳米导电导热材料通过机械搅拌/或超声震动分散与所述胶水混合。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，步骤S3中所述第一次负压注胶过程中注胶缸内的真空度不大于200pa，第一次负压注胶时间不低于30min；所述正压注胶过程中注胶缸内压强为800-900kPa，正压注胶时间为2h-3h；所述第二次负压注胶的工艺参数与第一次负压注胶的工艺参数保持相同。

5.根据权利要求1所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，所述步骤S3中所述清洗注胶处理完成后的石墨极板包括依次对石墨极板进行漂洗和对石墨极板进行超声清洗。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，所述对石墨极板进行漂洗包括：将石墨极板转运至盛装有漂洗液的漂洗缸中，向所述漂洗液中添加表面活性剂并保持漂洗液循环流动，使石墨极板在漂洗缸中做往复升降运动；其中，所述漂洗液的温度为20℃～30℃。

7.根据权利要求5所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，所述对石墨极板进行超声清洗包括：将石墨极板转运至清洗缸中，保持清洗缸内水的循环流动，使石墨极板在清洗缸中做往复升降运动。

8.根据权利要求1所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，所述固化石墨极板的内部孔隙中的胶水包括：依次对石墨极板进行水浴固化和对石墨极板进行真空干燥。

9.根据权利要求1所述的用于燃料电池柔性石墨极板的闭孔增强处理工艺，其特征在于，所述对石墨极板进行水浴固化包括：将石墨极板转运至盛装有热水的水浴缸中，所述水浴缸中的热水温度为60℃～97℃；所述对石墨极板进行真空干燥包括：在真空环境下干燥石墨极板，干燥温度40℃～50℃，干燥时间1h～2h。