CN110590230B - 一种燃料电池石墨双极板制备方法 - Google Patents

一种燃料电池石墨双极板制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池石墨双极板制备方法，取天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液，加入过程中搅拌，天然鳞片石墨加入完成再加入高锰酸钾与三氯化铁，保持温度24‑26℃，搅拌30‑40min后离心分离，水洗至中性后脱水制得可膨胀石墨；取制得的可膨胀石墨与炭黑、聚苯硫醚采用混料仪进行混合，混合时间为20min‑25min，将）所得的混合料加入至溶剂无水乙醇，采用机械搅拌与超声分散进行混匀，并干燥破碎成粉，制得的粉放入模具，在25‑30℃下成型压力为10‑11MPa，加压持续3min后压制成形；再通过阶梯升温对压制成形的样品进行固化处理，最后进行冷却制得成品。本发明的优点在于制得的双极板抗弯强度更高，电导率性能更好。

Description

一种燃料电池石墨双极板制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池石墨双极板制备方法。
背景技术
石墨双极板又称石墨集流板、石墨隔板，是燃料电池的重要部件之一。石墨双极板在燃料电池中起到提供气体流道，防止不同气体传统，建立电流通路等作用。
石墨材料是较早开发和利用的双极板材料，传统双极板主要采用无孔石墨板，并通过机械加工沟槽。这种石墨双极板的热膨胀系数低，热导性良好，化学性质稳定，耐腐蚀性能好，导电性较强。但是石墨的脆性造成了加工困难，，而且在制造过程中容易产生气孔，使燃料与氧化剂相互渗透，因此必须添加其它物质来提高电池性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池石墨双极板制备方法。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）取天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液，所述天然鳞片石墨、硫酸与硝酸的质量比为1：（1.8-2.1）：（1-1.1），加入过程中搅拌，天然鳞片石墨加入完成再加入高锰酸钾与三氯化铁，保持温度24-26℃，搅拌30-40min后离心分离，水洗至中性后脱水制得可膨胀石墨；
（2）取步骤（1）中制得的可膨胀石墨与炭黑、聚苯硫醚采用混料仪进行混合，混合时间为20min-25min，所述可膨胀石墨、炭黑与聚苯硫醚的质量比为15：（1-1.2）：（3.8-4.2）；
（3）将步骤（2）所得的混合料加入至溶剂无水乙醇，采用机械搅拌与超声分散进行混匀，并干燥破碎成粉；
（4）将步骤（3）中制得的粉放入模具，在25-30℃下成型压力为10-11MPa，加压持续3min后压制成形；
（5）再通过阶梯升温对步骤（4）压制成形的样品进行固化处理，最后进行冷却制得成品。
优选的，所述步骤（2）中炭黑先分散于聚苯硫醚中，再加入可膨胀石墨。
优选的，所述步骤（3）中无水乙醇质量至少为混合料质量的3倍。
优选的，所述步骤（5）中阶梯升温为先以20℃/h的速率升至180℃，再以15℃/h的速率升至318℃，保温2-2.5h。
优选的，所述步骤（1）中天然鳞片石墨粒径小于74μm。
优选的，所述步骤（2）中炭黑粒径小于20μm。
优选的，所述步骤（1）中加入的高锰酸钾与三氯化铁质量均为石墨质量的7%-9%。
优选的，所述步骤（1）中脱水在惰性气体下完成。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明先将天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液混合均匀后再加入高锰酸钾与三氯化铁，在固定温度下反应能够使得产生的可膨胀石墨减少边缘化合物的生成，分散更加均匀，惰性气体下脱水防止与空气反应，从而影响可膨胀石墨质量。
2.本发明先将可膨胀石墨与炭黑、聚苯硫醚采用混料仪进行混合，加入溶剂后再通过机械搅拌与超声分散进行混匀，减少成品的气孔率，改善产品的质量。
3.本发明通过阶梯升温的方法对样品进行固化，使得成片更加致密，电导率和抗折强度都得到了提高。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明，本实施例不构成对本发明的限制。
实施例1
（1）取天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液，天然鳞片石墨粒径小于74μm，所述天然鳞片石墨、硫酸与硝酸的质量比为1：1.8：1，加入过程中搅拌，天然鳞片石墨加入完成再加入高锰酸钾与三氯化铁，所述高锰酸钾与三氯化铁质量均为石墨质量的7%，保持温度24℃，搅拌30min后离心分离，水洗至中性后在惰性气体下脱水制得可膨胀石墨；
（2）取步骤（1）中制得的可膨胀石墨与炭黑采用混料仪进行混合5min，再加入聚苯硫醚，混合时间为20min，所述可膨胀石墨、炭黑与聚苯硫醚的质量比为15：1：3.8，炭黑粒径小于20μm；
（3）将步骤（2）所得的混合料加入至溶剂无水乙醇，所述无水乙醇的质量为混合料的4倍，再采用机械搅拌与超声分散进行混匀，并干燥破碎成粉；
（4）将步骤（3）中制得的粉放入模具，在26℃下成型压力为10MPa，加压持续3min后压制成形；
（5）再通过阶梯升温对步骤（4）压制成形的样品进行固化处理，阶梯升温具体为先以20℃/h的速率升至180℃，再以15℃/h的速率升至318℃，保温2h，最后进行冷却制得成品。
实施例2
（1）取天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液，天然鳞片石墨粒径小于74μm，所述天然鳞片石墨、硫酸与硝酸的质量比为1：2：1，加入过程中搅拌，天然鳞片石墨加入完成再加入高锰酸钾与三氯化铁，所述高锰酸钾与三氯化铁质量均为石墨质量的8%，保持温度26℃，搅拌35min后离心分离，水洗至中性后在惰性气体下脱水制得可膨胀石墨；
（2）取步骤（1）中制得的可膨胀石墨与炭黑采用混料仪进行混合5min，再加入聚苯硫醚，混合时间为25min，所述可膨胀石墨、炭黑与聚苯硫醚的质量比为15：1.1：4，炭黑粒径小于20μm；
（3）将步骤（2）所得的混合料加入至溶剂无水乙醇，所述无水乙醇的质量为混合料的4.5倍，再采用机械搅拌与超声分散进行混匀，并干燥破碎成粉；
（4）将步骤（3）中制得的粉放入模具，在27℃下成型压力为10MPa，加压持续3min后压制成形；
（5）再通过阶梯升温对步骤（4）压制成形的样品进行固化处理，阶梯升温具体为先以20℃/h的速率升至180℃，再以15℃/h的速率升至318℃，保温2h，最后进行冷却制得成品。
实施例3
（1）取天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液，天然鳞片石墨粒径小于74μm，所述天然鳞片石墨、硫酸与硝酸的质量比为1：2.1：1.1，加入过程中搅拌，天然鳞片石墨加入完成再加入高锰酸钾与三氯化铁，所述高锰酸钾与三氯化铁质量均为石墨质量的9%，保持温度25℃，搅拌40min后离心分离，水洗至中性后在惰性气体下脱水制得可膨胀石墨；
（2）取步骤（1）中制得的可膨胀石墨与炭黑采用混料仪进行混合5min，再加入聚苯硫醚，混合时间为30min，所述可膨胀石墨、炭黑与聚苯硫醚的质量比为15：1.2：4.1，炭黑粒径小于20μm；
（3）将步骤（2）所得的混合料加入至溶剂无水乙醇，所述无水乙醇的质量为混合料的5倍，再采用机械搅拌与超声分散进行混匀，并干燥破碎成粉；
（4）步骤（3）中制得的粉放入模具，在30℃下成型压力为10MPa，加压持续3min后压制成形；
（5）将再通过阶梯升温对步骤（4）压制成形的样品进行固化处理，阶梯升温具体为先以20℃/h的速率升至180℃，再以15℃/h的速率升至318℃，保温3h，最后进行冷却制得成品。
对比例1
将天然鳞片石墨、炭黑和酚醛树脂按照质量比10:6:2混合均匀，然后将混合物放入模具中在室温、10MPa的压力下保压3min压制成型，再固化升温进行固化处理，冷却后即得所制备的样品。
将上述实施例制得的样品加工成60mm×5mm×2mm的试样，采用LWK-250型微控电子拉力实验机和三点弯曲法测定各试样的抗弯强度，跨距为40mm，冲头的运动速度为1.0mm/min。试样的形貌采用JSM-6700F型扫描电镜观察。采用SX1934型数字式四探针测试仪测定各试样的体积电阻率ρ，电导率σ＝１／ρ。
由此可得实施例1-3的样品抗弯强度均大于60Mpa，电导率均大于80S/cm,对比例的抗弯强度为15.5MPa，电导率为18.3S/cm，可见采用本发明方法制得的双极板材料的性能更加优异，强度更高，性能更加优异。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，不用于限制本发明，本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
取天然鳞片石墨加入硫酸与硝酸的混合溶液，所述天然鳞片石墨、硫酸与硝酸的质量比为1：（1.8-2.1）：（1-1.1），加入过程中搅拌，天然鳞片石墨加入完成再加入高锰酸钾与三氯化铁，保持温度24-26℃，搅拌30-40min后离心分离，水洗至中性后脱水制得可膨胀石墨；
取步骤（1）中制得的可膨胀石墨与炭黑、聚苯硫醚采用混料仪进行混合，混合时间为20min-25min，所述可膨胀石墨、炭黑与聚苯硫醚的质量比为15：（1-1.2）：（3.8-4.2）；
将步骤（2）所得的混合料加入至溶剂无水乙醇，采用机械搅拌与超声分散进行混匀，并干燥破碎成粉；
将步骤（3）中制得的粉放入模具，在25-30℃下成型压力为10-11MPa，加压持续3min后压制成形；
再通过阶梯升温对步骤（4）压制成形的样品进行固化处理，最后进行冷却制得成品。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中炭黑先分散于聚苯硫醚中，再加入可膨胀石墨。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中无水乙醇质量至少为混合料质量的3倍。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中阶梯升温为先以20℃/h的速率升至180℃，再以15℃/h的速率升至318℃，保温2-2.5h。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中天然鳞片石墨粒径小于74μm。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中炭黑粒径小于20μm。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中加入的高锰酸钾与三氯化铁质量均为石墨质量的7%-9%。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池石墨双极板制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中脱水在惰性气体下完成。
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