CN111516193A - 一种燃料电池用复合材料极板的成型方法 - Google Patents

一种燃料电池用复合材料极板的成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，该方法包括以下步骤：以带有流体进出口的薄石墨平板为基板，在该基板上通过点胶机将导电碳胶按照导流板的流场样式点胶成型，加热固化得到复合材料极板。与现有技术相比，本发明方法可快速度成型很多种流场，流场设计灵活多变、成型成本低。

Description

一种燃料电池用复合材料极板的成型方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，主要提出一种燃料电池用复合材料极板的成型方法。
背景技术
燃料电池是新能源电池的一种，具有工作温度低、比功率大、启动迅速等优点，已经成为新能源领域研究的热点之一。燃料电池的关键部件是膜电极(MEA)和双极板。双极板包括有流场的阴极板和阳极板，MEA包含有反应区以及支撑边框，放置在阴阳极板之间，反应区提供铂催化剂支持电化学反应，边框起到支撑反应区以及隔绝阴阳极板防止短路。
为了方便MEA与氢气、空气的接触以及产物水的排出，需要在阴阳极板上成型各种方便气体液体流动的流场，流场的设计也是整个极板设计的核心。
目前燃料电池所使用的流场板材料主要有金属和石墨。金属材料的流场板具有良好的导电、导热及阻气性能，而且良好的机加工性能使流场加工工艺简单。其缺点是阴极容易产生氧化物薄膜，导致与扩散层的接触电阻增大，降低电池性能；阳极易被腐蚀，产物致使催化剂中毒。因此有很多专利报导了用贵金属材料对金属流场板表面进行改性，以适应燃料电池的运行环境，但这类方法导致流场板制备工艺复杂，费用提高。碳材料为主的流场板可分为无孔石墨板和石墨/聚合物复合板两种。无孔石墨板导电性能好，与扩散层有较低的接触电阻，但是制作工艺复杂，质脆，需要机加工流道，导致它的价格非常高，应用受到限制。石墨/聚合物复合材料流场板结合了金属板与无孔石墨板的优点，具有耐腐蚀，质量轻，体积小，强度高等特点，而且良好的可加工性能使其在价格和批量生产上具有优势。当复合材料流场板中聚合物比例大时，可以采用注塑成型工艺，但是由于聚合物含量过高导致石墨/聚合物流场板本体电阻高，与扩散层的接触电阻也很高。石墨比例大时，可以采用模压成型工艺，但是在热压过程中聚合物会在流场板的表面富集，此种方法制得的流场板与扩散层有较高的接触电阻。
中国专利申请CN100533831C公开了一种燃料电池石墨复合流场板及制造方法。该流场板板壁上有流体进口、流体出口以及构成流场的脊和流道，流场板的特征在于它是由石墨复合材料构成的中间层和柔性石墨材料构成的上、下表面层通过夹层复合而成。制备过程包括：将一定配比的导电颗粒与树脂或聚合物混和均匀后，放入模具中加热，加压并保持一定时间后，冷却脱模，得到预制板。在预制板的两侧各加柔性石墨层，放入模具中加热到树脂固化温度或热塑性聚合物的熔融温度，加压并保持一定时间后，冷却脱模，得到夹层复合板。该燃料电池石墨复合流场板与碳纸扩散层有较低的接触电阻，耐腐蚀性强，导电导热性能好，阻气性能好，制备工艺简单、成本低。但是因为树脂固化需要在模具内进行，导致单片生产的周期较长，而且热压机和模具的设备投入较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低、流场样式灵活多变的燃料电池用复合材料极板的成型方法，
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：以带有流体进出口的薄石墨平板为基板，在该基板上通过点胶机将导电碳胶按照导流板的流场样式点胶成型，加热固化得到复合材料极板。
所述的薄石墨平板的厚度为0.4-2mm。
所述的薄石墨平板上设有流体进出口，通过机加工加工成型。
所述的薄石墨平板的导电率<15μΩm，抗压强度:>100Mpa，抗弯强度:>50MPa
所述的导电碳胶由环氧树脂、石墨烯和导电炭黑组成，按质量比1：0.3～0.5：1～1.5的比例混合而成。
所述的导电碳胶的导电率<12μΩm，具有高触变性，触边指数＞5。
所述的环氧树脂粘度要求＞500Pa.s，触变指数＞5
所述的石墨烯要求比表面积5～9㎡/g，片层尺寸5～15μm
所述的导电炭黑要求粒径＜30nm，导电碳黑的粒径越小导电性能越强，但也会导致炭黑在胶水中的分散差和导电性差，所以需要补充一定量石墨烯来起到不同区域的导通。
所述的点胶机的针头大小为0.3～1mm，距离薄石墨平板的距离为0.2～1.5mm，出胶量为5～10g/min，速度为10～50mm/s。代表产品有日本武藏的SCREW MASTER3 MSD-3系列，深圳轴心的V-300HP系列。
所述的加热固化的温度为100～150℃，时间5～30min
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)由于成型过程中的流场图案形式是通过点胶机路径编程来决定的，所以在极板设计初期，可快速度成型很多种流场形式进行验证，流场设计灵活多变。
(2)成型成本低，成型过程只需要点胶机以及热烘箱，无需大型设备投入(CNC机床、液态注射成型机)。
附图说明
图1为薄石墨平板的结构示意图；
图2为成型后的极板的结构示意图；
图3为极板侧视图；
图中：1薄石墨平板、2导电碳胶。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，通过以下方法制得：
(1)首先准备一块带有PORT口的薄石墨平板1(如图1所示)，薄石墨平板1可通过机加工加工而成，要求薄石墨平板1的导电性以及强度满足燃料电池的性能要求。
(2)再通过点胶机点胶的方式将导电碳胶2按照设计好的图案进行点胶，导电碳胶2主要由环氧树脂、石墨烯和导电炭按质量比1：0.3：1的比例混合而成。
导电碳胶2的成型高度由点胶针头的大小、出较量、速度以及针头与板间距来进行控制。在本实施例中所述的点胶机的针头大小为0.5mm，距离薄石墨平板的距离为0.7mm，出胶量为5g/min，速度为20mm/s。
(3)点胶完成后放入热烘箱内于100～150℃*5～30min进行热固化，固化后即得到所需的极板。(如图2～3所示)
实施例2：
在本实施例中导电碳胶2主要由环氧树脂、石墨烯、导电炭黑按质量比1：0.4：1.3的比例混合而成，在本实施例中所述的点胶机的针头大小为0.7mm，距离薄石墨平板的距离为0.9mm，出胶量为8g/min，速度为30mm/s。
其余同实施例1。
实施例3：
在本实施例中导电碳胶2主要由环氧树脂、石墨烯、导电炭黑按质量比1：0.5：1.5的比例混合而成，在本实施例中所述的点胶机的针头大小为1mm，距离薄石墨平板的距离为1.2mm，出胶量为10g/min，速度为50mm/s。
其余同实施例1。
上述各实施例所得极板的性能如下：
导电性 抗弯强度 成型时间
实施例1 13μΩm 60Mpa 2min
实施例2 11μΩm 60Mpa 1.5min
实施例3 9μΩm 60Mpa 1min
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：以带有流体进出口的薄石墨平板为基板，在该基板上通过点胶机将导电碳胶按照导流板的流场样式点胶成型，加热固化得到复合材料极板。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的薄石墨平板的厚度为0.4-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的薄石墨平板上设有流体进出口，通过机加工加工成型。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的薄石墨平板的导电率<12μΩm，抗压强度:>100Mpa，抗弯强度:>50Mpa。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的导电碳胶由环氧树脂、石墨烯和导电炭黑组成，按质量比1：0.3～0.5：1～1.5的比例混合而成。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的导电碳胶的导电率<12μΩm，具有高触变性，触边指数＞5。
7.根据权利要求5所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的环氧树脂粘度要求＞500Pa.s，触变指数＞5；
所述的石墨烯要求比表面积5～9㎡/g，片层尺寸5～15μm
所述的导电炭黑要求粒径＜30nm。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的点胶机的针头大小为0.3～1mm，距离薄石墨平板的距离为0.2～1.5mm，出胶量为5～10g/min，速度为10～50mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池用复合材料极板的成型方法，其特征在于，所述的加热固化的温度为100～150℃。
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