CN110993980B - 一种燃料电池极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池极板的制备方法，该制备方法包括如下步骤：(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.10mm～0.30mm，所述混合浆料的涂布量为5～20g/m2；(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于125～150℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。本发明通过在碳纤维片材上采用湿法涂布混合涂料、且一次性模压成型，实现了燃料电池极板的连续化生产，同时减轻了极板的重量，提高了生产效率。

Description

一种燃料电池极板的制备方法
技术领域
本申请属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池极板的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效、环境友好的发电装置，它直接将燃料(氢气)和空气中的氧气反应，把化学能转换成电能，在基站电源、中小型电站、电动车、备用电源、便携电源等方面，具有广阔的应用前景。双极板是燃料电池部件中最重要的构件，主要起支撑和分配气体的作用。目前，市场上的燃料电池大多采用金属双极板或石墨双极板组装电堆，其制造成本较高，膜电极的利用率低，同时重量占电堆重量一半以上，体积占燃料电池体积的30～70％左右，使得燃料电池重量与体积偏大，限制燃料电池应用范围与领域。
燃料电池轻量化是当前急需解决的问题，不同研究学者给出不同的方案。易培云在其上海交通大学博士学位论文“无极板式质子交换膜燃料电池结构设计与制造工艺研究”中提供了一种无极板式PEMFC，由两侧分别涂覆有催化剂的膜电极“三合一”组件与金属气体扩散层经过热压而成，反应气体通过金属气体扩散微孔扩散到达电极表面发生电化学反应。但是该方法流场特征复杂，加工成本高，且未考虑电堆冷却、装配等多种问题，仅停留在理论研究阶段，无法推广应用。因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种燃料电池极板的制备方法，解决现有的燃料电池轻量化的技术问题，可大幅度减轻燃料电池极板重量、减小燃料电池体积，同时可以连续化生产，降低生产成本、提高生产效率。
本发明实施例提供一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.10mm～0.30mm，所述混合浆料的涂布量为5g/m2～20g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于125℃～150℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂或聚醋树脂中的一种或至少两种的混合物。
所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中，
所述碳纤维片材为碳纤维毛毡、碳纤维编织布、或碳纤维预浸布。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.3mm～0.5mm。
步骤(4)中，
所述燃料电池极板的弯曲强度为35MPa～40MPa，拉伸强度为25MPa～26MPa，抗压强度为1.5GPa～1.6GPa。
本发明通过在碳纤维片材上采用湿法涂布混合涂料，充分保证了混合涂料与碳纤维片材的接触面积，保证了燃料电池极板的稳定性。一次性模压成型，实现了燃料电池极板的连续化生产，同时大幅度减轻了极板的重量，减小了燃料电池的体积，降低了生产成本，提高了生产效率。本发明的制备方法简单，易于批量化或大规模生产。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明一实施例的燃料电池极板的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.10mm～0.30mm，所述混合浆料的涂布量为5g/m2～20g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于125～150℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂或聚醋树脂中的一种或至少两种的混合物。所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中，
所述碳纤维片材为由碳纤维毛毡、或碳纤维编织布、或碳纤维预浸布。
如果碳纤维片材的厚度小于0.10mm或者混合浆料的涂布量低于5g/m2，则很难保证极板的刚性、电堆的比体积密度和比重量密度；如果碳纤维片材的厚度大于0.30mm或者混合浆料的涂布量大于20g/m2，极板则容易欠缺柔性，不利于电极制作，从而保证燃料电池极板的良好性能，使其具有较好的弯曲、拉伸以及抗压强度。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm，这样可以保证长期操作条件下电极结构的稳定性。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.3mm～0.5mm，可以保证极板具有适当的刚性与柔性、利于电极的制作，从而保证燃料电池极板的良好性能，使其具有较好的弯曲、拉伸以及抗压强度，也能够保证电堆的比体积密度和比重量密度。
步骤(4)中所述燃料电池极板的弯曲强度为35MPa～40MPa，拉伸强度为25MPa～26MPa，抗压强度为1.5GPa～1.6GPa。
本发明以热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合制备混合涂料，以该混合涂料涂布碳纤维片材制备燃料电池极板，并控制混合浆料的涂布量为5g/m2～20g/m2，涂布碳纤维片材的真空预固化温度为125～150℃，不加入增强剂即可达到传统双极板的机械强度，能够在电堆内部起到支撑作用，在确保轻质的同时，保证极板的硬度，无需双极板或阳板支撑，有利于减轻电堆的重量与体积。
并且，控制碳纤维片材的厚度为0.10mm～0.30mm，可以有效提高电堆的比体积密度和比重量密度，又具有适当的刚性与柔性、利于电极的制作，在组装成电池单元等情况下能承受施加的结合压力而不变形，满足长期操作条件下电极结构的稳定性。
实施例1
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.10mm，所述混合浆料的涂布量为5g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于150℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述热固性树脂为酚醛树脂。
所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中所述碳纤维片材为碳纤维毛毡。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.3mm。
步骤(4)中所述燃料电池极板的弯曲强度为35MPa，拉伸强度为25MPa，抗压强度为1.5GPa。
实施例2
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.20mm，所述混合浆料的涂布量为10g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于125℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述热固性树脂为环氧树脂。
所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中所述碳纤维片材为碳纤维编织布。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.4mm。
步骤(4)中，
所述燃料电池极板的弯曲强度为38MPa，拉伸强度为25.5MPa，抗压强度为1.55GPa。
实施例3
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.28mm，所述混合浆料的涂布量为15g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于150℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述热固性树脂为聚醋树脂。
所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中所述碳纤维片材为碳纤维预浸布。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.5mm。
步骤(4)中所述燃料电池极板的弯曲强度为40MPa，拉伸强度为26MPa，抗压强度为1.6GPa。
实施例4
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.30mm，所述混合浆料的涂布量为20g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于140℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述热固性树脂为聚醋树脂。
所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中所述碳纤维片材为碳纤维预浸布。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.5mm。
步骤(4)中所述燃料电池极板的弯曲强度为40MPa，拉伸强度为26MPa，抗压强度为1.6GPa。
对比实施例1
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比40:60混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.10mm，所述混合浆料的涂布量为5g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于100℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述热固性树脂为酚醛树脂。
所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
步骤(2)中所述碳纤维片材为碳纤维毛毡。
步骤(3)中，
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.3mm。
步骤(4)中所述燃料电池极板的弯曲强度为32MPa，拉伸强度为23MPa，抗压强度为1.2GPa。
本发明通过在碳纤维片材上采用湿法涂布混合涂料，充分保证了混合涂料与碳纤维片材的接触面积，保证了燃料电池极板的稳定性。一次性模压成型，实现了燃料电池极板的连续化生产，同时大幅度减轻了极板的重量，减小了燃料电池的体积，降低了生产成本，提高了生产效率。本发明的制备方法简单，易于批量化或大规模生产。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种燃料电池极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将热固性树脂和石墨粉按重量比1:1混合，搅拌均匀，得到混合涂料；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述碳纤维片材的厚度为0.10mm～0.30mm，所述混合涂料的涂布量为5g/m2～20g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于125～150℃真空，预固化30min后进行模压，得到一面具有蛇形气体流场面、一面具有平板面的极板；
(4)将步骤(3)的极板进行裁切，得到燃料电池极板；
步骤(3)中，所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场；所述阴极极板流场及所述阳极极板流场均设置有流道。
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述热固性树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂或聚醋树脂中的一种或至少两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述石墨粉的含碳量大于99％，所述石墨粉的膨胀倍数为100～300。
4.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述碳纤维片材为碳纤维毛毡、或碳纤维编织布、或碳纤维预浸布。
5.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，所述阴极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为0.3mm～0.8mm。
6.根据权利要求5所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
7.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述极板的厚度为0.3mm～0.5mm。
8.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述燃料电池极板的弯曲强度为35MPa～40MPa，拉伸强度为25MPa～26MPa，抗压强度为1.5GPa～1.6GPa。
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