CN110698081A - 一种改性纤维、复合双极板及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改性纤维、复合双极板及其制备方法和应用，所述改性纤维包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括贵金属纳米粒子和/或石墨烯；通过对无机纤维改性，使得到的改性纤维具有较好的机械强度和导电性；将该改性纤维添加到复合双极板中，能够起到桥联作用，既增加了复合双极板的机械强度，又能为电子在复合双极板内传输提供了快速导电通路，提高了复合双极板的电导率，便于较好的用于质子交换膜燃料电池。

Description

一种改性纤维、复合双极板及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于燃料电池领域，涉及一种改性纤维、复合双极板及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，以其特有的高效率、高可靠性和良好的环境效益等优点，成为能源研究的热点，并有可能取代内燃机成为主要的能量转换方式。

燃料电池通过电化学反应将化学能直接转化为电能，其间没有热动能的转化，故转化效率高；由于燃料电池内部不存在机械传动装置，故噪声极低，且可靠性较高；当以纯氢作为燃料时，其电化学反应产物仅为水。当以富氢气体为燃料时，其电化学反应产物含有少量二氧化碳。故其排放污染物极少，是一种十分清洁的能源方式。

质子交换膜燃料电池由许多单电池组成，而每个单电池由膜电极、扩散层和双极板三部分组成。双极板是PEMFC中的重要组成部分，其成本、重量分别占PEMFC的45％和80％，其高成本导致PEMFC的价格昂贵。因此，双极板材料及其制备工艺的突破将有利于PEMFC实现产业化。双极板的作用是分隔气体并通过流场将燃料反应气体导入燃料电池，收集并传导电流和支撑膜电极，同时还担负起整个电池系统的散热功能。因此，为满足双极板功能要求，双极板材料必须具有良好的导电性、优异的气密性、优异的抗腐蚀性、良好的导热性以及易于加工。

现阶段双极板的研究主要包括金属板、纯石墨板和复合材料板三大类。金属双极板具有良好的导电导热性，不会出现漏气问题，气体流道可冲压成型，易于实现批量化生产。但是金属双极板表面必须进行特殊处理以提高其化学稳定性，否则会导致金属双极板表面氧化膜增厚，导致接触电阻增大，降低电池性能。

纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，纯石墨板一般采用传统的机加工方法加工流道，因此加工过程耗时长，生产效率不高；再有纯石墨板性脆，其内部孔隙的存在易导致其易漏气，必须保持一定的厚度以保证其气密性，这就制约了电堆体积比功率和重量比功率的提升。

石墨基复合材料双极板具有和石墨相同的耐腐蚀性能，并具有优异的导电性和导热性，利用这类材料制作的双极板可通过模压工艺成型，流场可被一次成型，因而石墨基复合材料双极板易于一次成型，适合大规模生产，可以降低双极板的生产成本。

因此，提供一种电导率高且机械强度高的复合双极板非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改性纤维、复合双极板及其制备方法和应用，通过在复合双极板中加入改性纤维，改性纤维在复合双极板中能够起到桥联作用，既增加了复合双极板的机械强度，又能为电子在复合双极板内传输提供了快速导电通路，提高了复合双极板的电导率。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种改性纤维，所述改性纤维包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括贵金属纳米粒子层和/或石墨烯层中的任意一种或至少两种的组合。

本发明中通过对无机纤维进行改性，可以增加无机纤维的导电性能以及机械性能。

本发明中无机纤维可以是指单根纤维，也可以是指纤维束，纤维束中纤维丝的数量为2-20根；其中纳米粒子层是位于单根纤维的表面或者纤维束中单根纤维的表面，后续中无机纤维的直径以及长度均是指单根纤维的直径以及厚度，若无机纤维为纤维束，则指纤维束中单根纤维的直径以及厚度。本发明中将该改性纤维用于复合双极板中，能够起到桥联的作用，在增加复合双极板机械强度的前提下，又为电子在复合双极板中传输提供了快速导电通路，提高了复合双极板的电导率。

在本发明中，所述无机纤维包括短切玻璃纤维、莫来石纤维或玄武岩纤维中的任意一种或至少两种的组合。

在本发明中，所述无机纤维的直径为5-20μm，例如5μm、7μm、10μm、12μm、15μm、17μm、20μm等。在本发明中，选用该直径的无机纤维能够在保证纤维强度的条件下提供更大的纤维表面积；当无机纤维的直径低于5μm时，则纤维在混料过程中不易分散，容易形成纤维球；当无机纤维的直径高于20μm时，则在同样质量的前提下，大直径纤维的比表面积相对较小，相对来说能够提供与膨胀石墨等材料的接触面积较小，不利于极板导电性以及抗折强度的提高。

在本发明中，所述无机纤维的长度为0.5-3mm，例如0.5mm、0.7mm、1mm、1.2mm、1.5mm、1.7mm、2mm、2.2mm、2.5mm、2.7mm、3mm等。当无机纤维的长度高于3mm，则制备出的极板中容易造成纤维支出，及纤维丝会对燃料电池的其它部件产生损害。

在本发明中，所述纳米粒子层的厚度为10-1000nm，例如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm等。

在本发明中，所述纳米粒子层中纳米粒子的粒径为1-10nm，例如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm等。

在本发明中，所述贵金属纳米粒子层包括金纳米粒子层、银纳米粒子层或铂纳米粒子层中的任意一种或至少两种的组合。

本发明的目的之二在于提供一种如目的之一所述的改性纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将无机纤维加入多巴胺溶液中，反应，得到聚多巴胺改性的无机纤维。

(2)将步骤(1)得到的聚多巴胺改性的无机纤维中加入贵金属盐溶液和/或氧化石墨烯，反应，得到所述改性纤维。

本发明中改性纤维的制备方法简单、原料易得、价格低廉、易于实现，便于工业大规模生产应用。

在本发明中，步骤(1)所述多巴胺溶液的浓度为2-40g/L，例如2g/L、5g/L、8g/L、10g/L、12g/L、15g/L、18g/L、20g/L、22g/L、25g/L、28g/L、30g/L、32g/L、35g/L、37g/L、40g/L等。当多巴胺溶液的浓度过低，则不利于无机纤维表面聚多巴胺层的形成；当多巴胺溶液的浓度过高，则聚多巴胺层在无机纤维表面形成速率过快，制备过程的可控性较差。

在本发明中，步骤(1)所述多巴胺溶液的pH为8.5-10.5，例如8.5、8.7、9、9.2、9.5、9.7、10、10.2、10.5等。

在本发明中，步骤(1)所述反应的温度为20-30℃，例如20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃、30℃等。

在本发明中，步骤(1)所述反应的时间为2-48h，例如2h、5h、8h、10h、12h、15h、18h、20h、22h、25h、28h、30h、32h、35h、38h、40h、42h、45h、48h等。

在本发明中，所述步骤(1)还包括将反应后得到的反应物依次进行固液分离、清洗以及干燥。

在本发明中，所述清洗用溶剂为去离子水。

在本发明中，所述清洗的次数为3-5次，例如3次、4次、5次。

在本发明中，所述干燥的温度为80-100℃，例如80℃、82℃、85℃、87℃、90℃、92℃、95℃、97℃、100℃等。

在本发明中，所述干燥的时间为0.5-3h，例如0.5h、0.8h、1h、1.2h、1.5h、1.7h、2h、2.2h、2.5h、2.7h、3h等。

在本发明中，步骤(2)所述贵金属盐溶液包括氯金酸溶液和/或氯铂酸溶液。

在本发明中，步骤(2)所述贵金属盐溶液的浓度为1-10％，例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％等。

在本发明中，步骤(2)所述反应是在超声条件下进行反应的。

在本发明中，步骤(2)所述反应的温度为10-60℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃等。

在本发明中，步骤(2)所述反应的时间为1-12h，例如1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h等。

在本发明中，所述步骤(2)还包括将反应后得到的反应物依次进行固液分离、清洗以及干燥。

在本发明中，所述清洗用溶剂为去离子水。

在本发明中，所述清洗的时间为3-7min，例如3min、4min、5min、6min、7min等。

本发明的目的之三在于提供一种复合双极板，所述复合双极板包括阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均包括目的之一所述的改性纤维。

在本发明中，所述阳极板包括质量百分比为71-79％的膨胀石墨、1-20％的改性纤维和1-5％的炭黑。

本发明中通过膨胀石墨、改性纤维以及炭黑三者配合使用，使得到的阳极板具有较好的机械强度以及导电性能，其中改性纤维和炭黑二者协同使用，能进一步增加复合双极板的导电性能。

在本发明中，膨胀石墨的添加质量百分比可以为71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％等。

在本发明中，改性纤维的添加质量百分比可以为1％、3％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％等。

在本发明中，炭黑的添加质量百分比可以为1％、2％、3％、4％、5％等。

在本发明中，所述阳极板还包括质量百分比为10-30％的树脂胶，例如10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％等。

在本发明中，所述阳极板中设置有蛇形流道。在阳极板设置蛇形通道的作用是为了便于氢气的流通。

在本发明中，所述阴极板包括质量百分比为71-79％的膨胀石墨、1-20％的改性纤维和1-5％的炭黑。

本发明中通过膨胀石墨、改性纤维以及炭黑三者配合使用，使得到的阴极板具有较好的机械强度以及导电性能，其中改性纤维和炭黑二者协同使用，能进一步增加复合双极板的导电性能。

在本发明中，膨胀石墨的添加质量百分比可以为71％、72％、73％、74％、75％、76％、77％、78％、79％等。

在本发明中，改性纤维的添加质量百分比可以为1％、3％、5％、7％、10％、12％、15％、17％、20％等。

在本发明中，炭黑的添加质量百分比可以为1％、2％、3％、4％、5％等。

在本发明中，所述阴极板还包括质量百分比为10-30％的树脂胶，例如10％、12％、15％、17％、20％、22％、25％、27％、30％等。

在本发明中，所述阴极板中设置有直形的流道。在阴极板层设置直流通道的作用是为了便于空气的流通。

在本发明中，所述膨胀石墨的灰分含量低于0.4％，例如0.01％、0.05％、0.1％、0.15％、0.2％、0.25％、0.3％、0.35％、0.39％等。

在本发明中，所述膨胀石墨中金属元素的含量低于10ppm，例如1ppm、2ppm、3ppm、4ppm、5ppm、6ppm、7ppm、8ppm、9ppm、10ppm等。

在本发明中，所述炭黑包括SP型炭黑。

在本发明中，所述树脂胶赫能41814胶水。

在本发明中，所述树脂胶的粘度为(1-10)Pa·s，例如1Pa·s、2Pa·s、3Pa·s、4Pa·s、5Pa·s、6Pa·s、7Pa·s、8Pa·s、9Pa·s、10Pa·s等。

本发明的目的之四在于提供一种如目的之三所述复合双极板的制备方法，所述复合双极板的制备方法包括：将阳极板和阴极板粘接，得到所述复合双极板。

在本发明中，所述阳极板的制备方法包括：将膨胀石墨、炭黑以及改性纤维混合，压制，而后胶黏，得到所述阳极板。

在本发明中，所述阴极板的制备方法包括：将膨胀石墨、炭黑以及改性纤维混合，压制，而后胶黏，得到所述阴极板。

在本发明中，所述压制的方式为模压。

在本发明中，所述模压是通过模压机压制的。

在本发明中，所述模压包括预模压和后模压。

在本发明中，所述模压机在预模压过程中的工作参数包括：下压速度为1-10mm/min，(例如1mm/min、2mm/min、3mm/min、4mm/min、5mm/min、6mm/min、7mm/min、8mm/min、9mm/min、10mm/min等)，下压压强为5-40MPa，(例如5MPa、8MPa、10MPa、12MPa、15MPa、17MPa、20MPa、22MPa、25MPa、28MPa、30MPa、32MPa、35MPa、38MPa、40MPa等)，模压时间5-30min，(例如5min、8min、10min、12min、15min、17min、20min、22min、25min、28min、30min等)。

在本发明中，所述模压机在后模压过程中的工作参数包括：下压速度为0.2-2mm/min，(例如0.2mm/min、0.5mm/min、0.7mm/min、1mm/min、1.2mm/min、1.5mm/min、1.7mm/min、2mm/min等)，下压压强为50-150MPa，(例如50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa、110MPa、120MPa、130MPa、140MPa、150MPa等)，模压时间5-20min，(例如5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min、20min等)。

在本发明中，在进行所述后压制过程中，同时进行抽真空处理。

在本发明中，所述抽真空处理用的真空度为(-0.08～-0.1)MPa，例如-0.08MPa、-0.081MPa、-0.082MPa、-0.083MPa、-0.084MPa、-0.085MPa、-0.086MPa、-0.087MPa、-0.088MPa、-0.089MPa、-0.09MPa、-0.091MPa、-0.092MPa、-0.093MPa、-0.094MPa、-0.095MPa、-0.096MPa、-0.097MPa、-0.098MPa、-0.099MPa、-0.1MPa等。

在本发明中，所述阳极板在后模压过程中用的模具为带有蛇形形状的模具。

在本发明中，所述阴极板在后模压过程中用的模具为带有直形形状的模具。

在本发明中，所述胶黏包括将压制后得到的层状物放入树脂胶中浸渍，而后固化。

在本发明中，所述浸渍的时间为2-12h，例如2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h等。

在本发明中，所述浸渍是在真空环境中进行的。

在本发明中，所述真空环境的真空度为(-0.08～-0.1)MPa，例如-0.08MPa、-0.081MPa、-0.082MPa、-0.083MPa、-0.084MPa、-0.085MPa、-0.086MPa、-0.087MPa、-0.088MPa、-0.089MPa、-0.09MPa、-0.091MPa、-0.092MPa、-0.093MPa、-0.094MPa、-0.095MPa、-0.096MPa、-0.097MPa、-0.098MPa、-0.099MPa、-0.1MPa等。

在本发明中，所述固化是在水浴中进行固化。

在本发明中，所述固化的时间为10-120min，例如10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等。

在本发明中，所述固化的温度为70-95℃，例如70℃、72℃、75℃、77℃、80℃、82℃、85℃、87℃、90℃、92℃、95℃等。

在本发明中，所述胶黏还包括将固化后得到的固化物进行干燥。

在本发明中，所述干燥包括将固化后得到的固化物放入干燥罐中，用干燥空气进行吹扫。

在本发明中，所述吹扫的温度为30-60℃，例如30℃、32℃、35℃、37℃、40℃、42℃、45℃、47℃、50℃、52℃、55℃、57℃、60℃等。

在本发明中，所述吹扫的时间为10-120min，例如10min、20min、30min、40min、50min、60min、70min、80min、90min、100min、110min、120min等。

在本发明中，所述干燥空气的湿度为5-30％，例如5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、27％、30％等。

本发明的目的之五在于提供一种质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池包括如目的之三所述的复合双极板。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明中通过对无机纤维改性，使得到的改性纤维具有较好的机械强度和导电性；导电纤维的制备方法简单、易于实现、便于工业大规模生产应用；将该改性纤维添加到复合双极板中，能够起到桥联作用，既增加了复合双极板的机械强度，又能为电子在复合双极板内传输提供了快速导电通路，提高了复合双极板的电导率，便于较好的用于质子交换膜燃料电池；其中采用金纳米粒子对无机纤维进行改性时，电导率高达91S·cm，抗折强度高达51MPa；采用铂纳米粒子对无机纤维进行改性时，电导率高达51S·cm，抗折强度高达85MPa。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本实施方式中原料均是通过常规渠道购买得到，如阿拉丁、西格玛、上海泰坦等公司购入。

实施例1

本实施例提供一种改性纤维，包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括金纳米粒子层；其中无机纤维为玄武岩纤维(吉林通鑫玄武岩短切纤维)，玄武岩纤维的直径为10μm，长度为1mm；金纳米粒子层的厚度为100nm，金纳米层中金纳米粒子的平均粒径为5nm。

本实施例提供一种改性纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将10g玄武岩纤维放入100mL的多巴胺溶液(pH值为8.5，浓度为40g/L)中，在25℃条件下处理10h，然后将玄武岩纤维取出，并用去离子水淋洗，接下来在85℃条件下，干燥2h，得到表面包覆有聚多巴胺层的玄武岩纤维。

(2)将上述包覆有聚多巴胺层的玄武岩纤维放入100mL浓度为5％的氯金酸水溶液中超声混合2h，在此过程中玄武岩纤维表面的聚多巴胺能够将氯金酸水溶液中的金离子还原出来并沉积于玄武岩纤维表面，然后取出用去离子水淋洗5min，即得到改性纤维。

通过对得到的改性纤维进行扫描电镜观察，发现玄武岩纤维表面形成有金纳米粒子层，粒子层的平均厚度约为100nm。

本实施例还提供一种复合双极板，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板均包括10g改性纤维、6g SP炭黑以及184g膨胀石墨；其中膨胀石墨中灰分含量为0.1％，金属元素的含量为5ppm。

本实施例还提供一种复合双极板的制备方法，包括如下步骤：

(1)将导电改性玄武岩纤维、SP炭黑和膨胀石墨放入混料机中进行混合，混合时间为2h，得到混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物利用模压机在压力为5MPa，保压时间为10min条件下，压制成预压板，预压板的厚度为8mm，密度为0.1g/cm³，得到预制品A；

(3)将步骤(2)得到的预制品A装入带有成型流道的模具内并转移到模压机平台上，施加以100MPa的压力，保压10min，压制过程中同时抽真空，真空度为-0.09MPa，压制成带有流道的单极板；

(4)将模压好的单极板放入市售的赫能41484低粘度树脂胶中，并放入真空罐中进行真空浸渍，浸渍时真空度为-0.09MPa，浸渍时长为8h，浸渍后的板材经清水淋洗处理后，放入90℃水浴槽中固化处理50min，然后将固化后的极板放入干燥罐中，用干燥空气(湿度20％，温度50℃)进行吹扫50min。

(5)将按照步骤1至步骤4制备的阳极板和阴极板用市售赫能394胶粘接起来便形成了无机纤维增强复合双极板。

实施例2

本实施例提供一种改性纤维，包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括金纳米粒子层；其中无机纤维为短切玻璃纤维(杭州高科短切纤维)，短切玻璃纤维的直径为5μm，长度为0.5mm；金纳米粒子层的厚度为300nm，金纳米粒子层中金纳米粒子的平均粒径为1nm。

本实施例提供一种改性纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将15g短切玻璃纤维放入150mL的多巴胺溶液(pH值为8.5，浓度为30g/L)中，在25℃条件下处理15h，然后将短切玻璃纤维取出，并用去离子水淋洗，接下来在85℃条件下，干燥2h，得到表面包覆有聚多巴胺层的短切玻璃纤维。

(2)将上述包覆有聚多巴胺层的短切玻璃纤维放入100mL浓度为5％的氯金酸水溶液中超声混合1h，在此过程中短切玻璃纤维表面的聚多巴胺能够将氯金酸水溶液中的金离子还原出来并沉积于短切玻璃纤维表面，然后取出用去离子水淋洗5min，即得到改性纤维。

通过对得到的改性纤维进行扫描电镜观察，发现玄武岩纤维表面形成有金纳米粒子层，粒子层的平均厚度约为300nm。

本实施例还提供一种复合双极板，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板均包括15g改性纤维、10g SP炭黑以及175g膨胀石墨；其中膨胀石墨中灰分含量为0.3％，金属元素的含量为8ppm。

本实施例还提供一种复合双极板的制备方法，包括如下步骤：

(1)将改性纤维、SP炭黑和膨胀石墨放入混料机中进行混合，混合时间为3h，得到混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物利用模压机在压力为10MPa，保压时间为5min条件下，压制成预压板，预压板的厚度为8mm，密度为0.1g/cm³，得到预制品A；

(3)将步骤(2)得到的预制品A装入带有成型流道的模具内并转移到模压机平台上，施加以150MPa的压力，保压5min，压制过程中同时抽真空，真空度为-0.098MPa，压制成带有流道的单极板；

(4)将模压好的单极板放入市售的赫能41484低粘度树脂胶中，并放入真空罐中进行真空浸渍，浸渍时真空度为-0.098MPa，浸渍时长为10h，浸渍后的板材经清水淋洗处理后，放入90℃水浴槽中固化处理60min，然后将固化后的极板放入干燥罐中，用干燥空气(湿度20％，温度50℃)进行吹扫50min。

(5)将按照步骤1至步骤4制备的阳极板和阴极板用胶粘接起来便形成了无机纤维增强复合双极板。

实施例3

本实施例提供一种改性纤维，包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括金纳米粒子层；其中无机纤维为莫来石纤维(淄博华硕，莫来石纤维的直径为10μm，长度为1mm；金纳米粒子层的厚度为500nm，金纳米粒子层中金纳米粒子的粒径为10nm。

本实施例提供一种改性纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将20g莫来石纤维放入200mL的多巴胺溶液(pH值为8.5，浓度为25g/L)中，在25℃条件下处理15h，然后将莫来石纤维取出，并用去离子水淋洗，接下来在85℃条件下，干燥2h，得到表面包覆有聚多巴胺层的莫来石纤维。

(2)将上述包覆有聚多巴胺层的短莫来石纤维放入200mL浓度为5％的氯金酸水溶液中超声混合2h，在此过程中莫来石纤维表面的聚多巴胺能够将氯金酸水溶液中的金离子还原出来并沉积于莫来石纤维表面，然后取出用去离子水淋洗10min，即得到改性纤维。

通过对得到的改性纤维进行扫描电镜观察，发现玄武岩纤维表面形成有金纳米粒子层，粒子层的平均厚度约为500nm。

本实施例还提供一种复合双极板，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板均包括20g改性纤维、8g SP炭黑以及172g膨胀石墨；其中膨胀石墨中灰分含量为0.2％，金属元素的含量为1ppm。

本实施例还提供一种复合双极板的制备方法，包括如下步骤：

(1)将改性纤维、SP炭黑和膨胀石墨放入混料机中进行混合，混合时间为3h，得到混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物利用模压机在压力为10MPa，保压时间为5min条件下，压制成预压板，预压板的厚度为8mm，密度为0.1g/cm³，得到预制品A；

(3)将步骤(2)得到的预制品A装入带有成型流道的模具内并转移到模压机平台上，施加以150MPa的压力，保压5min，压制过程中同时抽真空，真空度为-0.098MPa，压制成带有流道的单极板；

(4)将模压好的单极板放入市售的赫能41484低粘度树脂胶中，并放入真空罐中进行真空浸渍，浸渍时真空度为-0.098MPa，浸渍时长为10h，浸渍后的板材经清水淋洗处理后，放入90℃水浴槽中固化处理60min，然后将固化后的极板放入干燥罐中，用干燥空气(湿度20％，温度50℃)进行吹扫50min。

(5)将按照步骤1至步骤4制备的阳极板和阴极板用胶粘接起来便形成了无机纤维增强复合双极板。

实施例4

本实施例提供一种改性纤维，包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括铂纳米粒子层；其中无机纤维为玄武岩纤维(吉林通鑫玄武岩短切纤维)，玄武岩纤维的直径为5μm，长度为3mm；铂纳米粒子层的厚度为300nm，铂纳米离子层中铂纳米粒子的平均粒径为2nm。

本实施例提供一种改性纤维的制备方法，包括如下步骤：

(1)将10g玄武岩纤维放入100mL的多巴胺溶液(pH值为10.5，浓度为2g/L)中，在20℃条件下处理48h，然后将玄武岩纤维取出，并用去离子水淋洗，接下来在80℃条件下，干燥3h，得到表面包覆有聚多巴胺层的玄武岩纤维。

(2)将上述包覆有聚多巴胺层的玄武岩纤维放入100mL浓度为10％的氯铂酸溶液中超声混合1h，在此过程中玄武岩纤维表面的聚多巴胺能够将氯铂酸溶液中的铂离子还原出来并沉积于玄武岩纤维表面，然后取出用去离子水淋洗3min，即得到改性纤维。

通过对得到的改性纤维进行扫描电镜观察，发现玄武岩纤维表面形成有铂纳米粒子层，粒子层的平均厚度约为300nm。本实施例还提供一种复合双极板，包括阳极板和阴极板，阳极板和阴极板均包括40g改性纤维、2g SP炭黑以及158g膨胀石墨；其中膨胀石墨中灰分含量为0.1％，金属元素的含量为9.8ppm。

本实施例还提供一种复合双极板的制备方法，包括如下步骤：

(1)将改性纤维、SP炭黑和膨胀石墨放入混料机中进行混合，混合时间为5h，得到混合物；

(2)将步骤(1)得到的混合物利用模压机在压力为1MPa，保压时间为30min条件下，压制成预压板，预压板的厚度为8mm，密度为0.1g/cm³，得到预制品A；

(3)将步骤(2)得到的预制品A装入带有成型流道的模具内并转移到模压机平台上，施加以50MPa的压力，保压20min，压制过程中同时抽真空，真空度为-0.08MPa，压制成带有流道的单极板；

(4)将模压好的单极板放入市售的赫能41484低粘度树脂胶中，并放入真空罐中进行真空浸渍，浸渍时真空度为-0.08MPa，浸渍时长为2h，浸渍后的板材经清水淋洗处理后，放入70℃水浴槽中固化处理120min，然后将固化后的极板放入干燥罐中，用干燥空气(湿度30％，温度60℃)进行吹扫120min。

(5)将按照步骤1至步骤4制备的阳极板和阴极板用胶粘接起来便形成了无机纤维增强复合双极板。

实施例5

与实施例1的区别仅在于玄武岩纤维的直径为1μm，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

实施例6

与实施例1的区别仅在于玄武岩纤维的直径为30μm，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

实施例7

与实施例1的区别仅在于玄武岩纤维的长度为0.1mm，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

实施例8

与实施例1的区别仅在于玄武岩纤维的长度为5mm，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

实施例9

与实施例1的区别仅在于纳米离子层的厚度为5nm，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

对比例1

与实施例1的区别仅在于不包括对玄武岩纤维进行改性，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

对比例2

与实施例1的区别仅在于不包括炭黑，改性纤维的添加量为实施例1中炭黑和改性纤维的添加量之和，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

对比例3

与实施例1的区别仅在于不包括改性纤维，炭黑的添加量为实施例1中炭黑和改性纤维的添加量之和，其余组成以及制备方法均与实施例1相同。

对比例4

与实施例4的区别仅在于不包括对玄武岩纤维进行改性，其余组成以及制备方法均与实施例4相同。

将实施例1-9和对比例1-4得到的复合双极板进行性能测试，测试标准为：GB/T20042.6-2011，测试结果见表1：

表1

	电导率(S·cm)	抗折强度(MPa)
			实施例1	85	47
实施例2	91	45
			实施例3	80	51
实施例4	51	85
			实施例5	73	43
实施例6	78	38
			实施例7	80	39
实施例8	79	38
			实施例9	74	47
对比例1	62	30
			对比例2	65	45
对比例3	68	30
			对比例4	35	68

由表1可知，本发明得到的复合双极板具有较好的电导率和抗折强度；其中采用金纳米粒子对无机纤维进行改性时，电导率高达91S·cm，抗折强度高达51MPa；采用铂纳米粒子对无机纤维进行改性时，电导率高达51S·cm，抗折强度高达85MPa，由实施例1和实施例5的对比可知，当玄武岩纤维的直径低于5μm时，则纤维在混料过程中不易分散，容易形成纤维球，则不利于金纳米粒子层包覆均匀，因此会影响复合双极板的电导率；由实施例1和实施例6的对比可知，当玄武岩纤维的直径高于20μm时，则在同样质量的前提下，大直径纤维的比表面积相对较小，相对来说能够提供与膨胀石墨等材料的接触面积较小，不利于极板导电性以及抗折强度的提高；由实施例1和实施例7-8的对比可知，当玄武岩纤维的长度不在本发明限定的范围之内，则会影响复合双极板的抗弯折强度；由实施例1和实施例9的对比可知，当纳米粒子层的厚度不在本发明限定的范围内，则会影响复合双极板的导电性以及抗弯折强度；由实施例1和对比例1的对比可知，当不对玄武岩纤维进行改性，则会大大降低复合双极板的导电性以及抗弯折强度；由实施例1和对比例2-3的对比可知，当不包括炭黑或者改性纤维中的任意一种时，则会大大降低复合双极板的导电性；由实施例4和对比例4的对比可知，当不对玄武岩纤维进行改性，则会大大降低复合双极板的导电性以及抗弯折强度。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种改性纤维，其特征在于，所述改性纤维包括无机纤维以及位于无机纤维表面的纳米粒子层，所述纳米粒子层包括贵金属纳米粒子和/或石墨烯。

2.根据权利要求1所述的改性纤维，其特征在于，所述无机纤维包括短切玻璃纤维、莫来石纤维或玄武岩纤维中的任意一种或至少两种的组合；

优选地，所述无机纤维的直径为5-20μm；

优选地，所述无机纤维的长度为0.5-3mm；

优选地，所述纳米粒子层的厚度为10-1000nm；

优选地，所述纳米粒子层中纳米粒子的平均粒径为1-10nm；

优选地，所述贵金属纳米粒子层包括金纳米粒子层、银纳米粒子层或铂纳米粒子层中的任意一种或至少两种的组合。

3.根据权利要求1或2所述的改性纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

(1)将无机纤维加入多巴胺溶液中，反应，得到聚多巴胺改性的无机纤维；

(2)将步骤(1)得到的聚多巴胺改性的无机纤维中加入贵金属盐溶液和/或氧化石墨烯，反应，得到所述改性纤维。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述多巴胺溶液的浓度为2-40g/L；

优选地，步骤(1)所述多巴胺溶液的pH为8.5-10.5；

优选地，以无机纤维的添加量为1g计，步骤(1)所述多巴胺溶液的体积为10-10000mL；

优选地，步骤(1)所述反应的温度为20-30℃；

优选地，步骤(1)所述反应的时间为2-48h；

优选地，所述步骤(1)还包括将反应后得到的反应物依次进行固液分离、清洗以及干燥；

优选地，所述清洗用溶剂为去离子水；

优选地，所述清洗的次数为3-5次；

优选地，所述干燥的温度为80-100℃；

优选地，所述干燥的时间为0.5-3h。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述贵金属盐溶液包括氯金酸溶液和/或氯铂酸溶液；

优选地，步骤(2)所述贵金属盐溶液的浓度为1-10％；

优选地，以无机纤维的添加量为1g计，步骤(2)所述贵金属盐溶液和/或氧化石墨烯溶液的添加量为10-10000mL；

优选地，步骤(2)所述反应是在超声条件下进行反应的；

优选地，步骤(2)所述反应的温度为10-60℃；

优选地，步骤(2)所述反应的时间为1-12h；

优选地，所述步骤(2)还包括将反应后得到的反应物依次进行固液分离、清洗以及干燥；

优选地，所述清洗用溶剂为去离子水；

优选地，所述清洗的时间为3-7min。

6.一种复合双极板，其特征在于，所述复合双极板包括阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板均包括权利要求1或2所述的改性纤维。

7.根据权利要求6所述的复合双极板，其特征在于，所述阳极板包括质量百分比为71-79％的膨胀石墨、1-20％的改性纤维和1-5％的炭黑；

优选地，所述阳极板还包括质量百分比为10-30％的树脂胶；

优选地，所述阳极板中设置有蛇形流道；

优选地，所述阴极板包括质量百分比为71-79％的膨胀石墨、1-20％的改性纤维和1-5％的炭黑；

优选地，所述阴极板还包括质量百分比为10-30％的树脂胶；

优选地，所述阴极板中设置有直形的流道；

优选地，所述膨胀石墨的灰分含量低于0.4％；

优选地，所述膨胀石墨中金属元素的含量低于10ppm；

优选地，所述炭黑为SP型炭黑；

优选地，所述树脂胶为赫能41814胶水；

优选地，所述树脂胶的粘度为(1-10)Pa·s。

8.根据权利要求6或7所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述复合双极板的制备方法包括：将阳极板和阴极板粘接，得到所述复合双极板；

优选地，所述阳极板的制备方法包括：将膨胀石墨、炭黑以及改性纤维混合，压制，而后胶黏，得到所述阳极板；

优选地，所述阴极板的制备方法包括：将膨胀石墨、炭黑以及改性纤维混合，压制，而后胶黏，得到所述阴极板。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述压制的方式为模压；

优选地，所述模压是通过模压机压制的；

优选地，所述模压包括预模压和后模压；

优选地，所述模压机在预模压过程中的工作参数包括：下压速度为1-10mm/min，下压压强为5-40MPa，模压时间5-30min；

优选地，所述模压机在后模压过程中的工作参数包括：下压速度为0.2-2mm/min，下压压强为50-150MPa，模压时间5-20min；

优选地，在进行所述后压制过程中，同时进行抽真空处理；

优选地，所述抽真空处理用的真空度为(-0.08～-0.1)MPa；

优选地，所述阳极板在后模压过程中用的模具为带有蛇形形状的模具；

优选地，所述阴极板在后模压过程中用的模具为带有直形形状的模具；

优选地，所述胶黏包括将压制后得到的层状物放入树脂胶中浸渍，而后固化；

优选地，所述浸渍的时间为2-12h；

优选地，所述浸渍是在真空环境中进行的；

优选地，所述真空环境的真空度为(-0.08～-0.1)MPa；

优选地，所述固化是在水浴中进行固化；

优选地，所述固化的时间为10-120min；

优选地，所述固化的温度为70-95℃；

优选地，所述胶黏还包括将固化后得到的固化物进行干燥；

优选地，所述干燥包括将固化后得到的固化物放入干燥罐中，用干燥空气进行吹扫；

优选地，所述吹扫的温度为30-60℃；

优选地，所述吹扫的时间为10-120min；

优选地，所述干燥空气的湿度为5-30％。

10.一种质子交换膜燃料电池，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池包括权利要求6或7所述的复合双极板。