CN111805899A - 一种燃料电池双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种燃料电池双极板及其制备方法，属于燃料电池技术领域。该制备方法包括如下步骤：步骤S01：于真空下将石墨与树脂粉末混合，于40～50℃搅拌均匀，得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述石墨的质量份数为97～98份，所述树脂粉末的质量份数为2～3份；步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至80～150℃，继续反应5～10min，得到膏状物；步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图纸、于30～90℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。本申请的方法操作简单、制作成本低，制备时间短；制得的燃料电池双极板可以满足燃料电池双极板的要求。

Description

一种燃料电池双极板及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池双极板及其制备 方法。
背景技术
燃料电池双极板(Bipolar Plate，BP)又称流场板，是电堆中的“骨架”， 与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提 供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。
一般地，功能性方面要求双极板材料是电与热的良导体，具有一定的强 度以及气体致密性等；稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性(pH＝2～3)、 电位(E＝～1.1V)、湿热(气水两相流，～80℃)环境下具有耐腐蚀性且对 燃料电池其他部件与材料的相容无污染性；产品化方面要求双极板材料要易 于加工、成本低廉。
石墨双极板在燃料电池的环境中具有非常良好的化学稳定性，同时具有 很高的导电率，是目前质子交换膜燃料电池研究和应用中最为广泛的材料。 石墨双极板因为耐久性长，广泛应用于商用车。但是，石墨双极板质量较重、 具有较大的脆性、以及加工成本昂贵等缺陷，石墨双极板加工费为双极板费 用的80％以上。
3D打印技术又称增材制造技术，具有制造成本低、生产周期短等优势， 被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D打印技术是以数字模 型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式 来构造物体，目前主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制 作等领域，也逐渐应用于医学、生物工程、建筑、服装、航空等领域。3D打 印技术包括固化型技术、分层实体制造技术、选择性激光烧技术和熔融沉积 成型技术，其中选择性激光烧结技术具有适用性广、制造工艺简单等优点， 但是选择性激光烧结工艺可供烧结的聚合物材料十分有限。
基于此，有必要提供一种燃料电池双极板及其制备方法以解决上述技术 问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种燃料电池双极 板及其制备方法。本发明的制备方法工艺简单、制作成本低，制备得到的双 极板具有良好的柔韧性和优异的力学性能及电学性能，可以满足燃料电池双 极板的要求。
一方面，本发明实施例提供一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下 步骤：
步骤S01：于真空下将石墨与树脂粉末混合，于40℃～50℃搅拌均匀， 得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述石墨的质量份数为 97～98份，所述树脂粉末的质量份数为2～3份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至80～150℃，继续反应5～10min， 得到膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于30～90℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
进一步地，步骤S01中，
所述石墨优选为膨胀石墨、微晶石墨、鳞片石墨、天然石墨、人造石墨 或中间相碳微球中的一种或至少两种的混合物。
所述树脂优选为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚酰亚 胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、酚醛树脂、苯并噁嗪、液晶树脂、沥青、 聚苯硫醚、聚醚醚酮、环氧树脂或聚醚砜中的一种或至少两种的混合物。
所述树脂粉末优选为酚醛树脂和环氧树脂按质量份数比1:1混合的粉末。
所述树脂粉末优选为酚醛树脂、环氧树脂和聚偏氟乙烯按质量份数比 1:1:1混合的粉末。
所述混合优选在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；
所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分 数优选为15％。
所述搅拌的时间优选为30min。
进一步地，步骤S02中，所述加热的温度优选为100℃～110℃。
进一步地，步骤S03中，所述3D打印的温度优选为45℃。
进一步地，所述燃料电池双极板的密度为1.5g/cm3～1.6g/cm3，接触电阻 为7mΩ·cm2～8mΩ·cm2，电导率为180S/cm～190S/cm；透气率为 1.2×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为60MPa～65Mpa，拉伸强度为40MPa～ 48MPa；接触角为110°～118°。可见，制备得到的燃料电池双极板符合燃料 电池双极板的相关要求。
另一方面，本发明实施例还提供由上述制备方法得到的燃料电池双极板。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本申请的制备方法操作简单、 制作成本低，制备时间短，本申请的膏状物可以适用于选择性激光烧结技术 进行3D打印，可以根据实际需要快速制备所需的燃料电池双极板。制备得到 的双极板具有良好的柔韧性和优异的力学性能及电学性能，可以满足燃料电 池双极板的要求。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、 前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部 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。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第 一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对 重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第 二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之 间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为 基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案 的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
针对现有的石墨双极板质量较重、具有较大的脆性、以及加工成本昂贵 (石墨双极板加工费为双极板费用的80％以上)、加工工艺复杂等缺陷，有 必要提供一种燃料电池双极板及其制备方法以解决上述技术问题。本发明的 制备方法工艺简单、制作成本低，其制得的膏状物可以适用于采用选择性激 光烧结技术进行3D打印。制备得到的双极板具有良好的柔韧性和优异的力学 性能及电学性能，可以满足燃料电池双极板的要求。
具体的，本发明实施例提供一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下 步骤：
步骤S01：于真空下将石墨与树脂粉末混合，于40℃～50℃搅拌均匀， 得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述石墨的质量份数为 97～98份，所述树脂粉末的质量份数为2～3份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至80～150℃，继续反应5～10min， 得到膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于30～90℃将所述膏状物进行3D打印(本申请实施例均采用选择性激 光烧结技术进行3D打印)，得到燃料电池双极板。
通过控制石墨与树脂粉末的比例，即以所述半成品的质量份数为100份 计，所述石墨的质量份数为97～98份，所述树脂粉末的质量份数为2～3份， 能够很好的改善现有石墨基双极板质量较重、具有较大的脆性的缺陷，其制 得的膏状物可以适用于采用选择性激光烧结技术进行3D打印，同时也使得制 备得到的双极板具有良好的柔韧性和优异的力学性能及电学性能。如果石墨 的质量份数低于97份，其制得的膏状物不适用于采用选择性激光烧结技术进 行3D打印，且制得的双极板的电学性能较差，不符合燃料电池双极板的要求； 如果石墨的质量份数高于98份，因脆性大、质量重，其制得的膏状物若采用 选择性激光烧结技术进行3D打印易损耗材料，成品率较低，且制得的双极板 脆性较大，柔韧性和力学性能欠佳，不符合燃料电池双极板的要求。
进一步地，步骤S01中，
所述石墨优选为膨胀石墨、微晶石墨、鳞片石墨、天然石墨、人造石墨 或中间相碳微球中的一种或至少两种的混合物。具体的，在一实施例中，所 述石墨为膨胀石墨；在另一实施例中，所述石墨也可以为天然石墨。或者， 所述石墨可以为膨胀石墨与天然石墨的混合物。以石墨制作的双极板在燃料 电池的环境中具有非常良好的化学稳定性，同时具有很高的导电率，耐久性 长。
所述树脂优选为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚酰亚 胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、酚醛树脂、苯并噁嗪、液晶树脂、沥青、 聚苯硫醚、聚醚醚酮、环氧树脂或聚醚砜中的一种或至少两种的混合物。
具体的，在本申请的一实施例中，所述树脂粉末为酚醛树脂和环氧树脂 按质量份数比1:1混合的粉末。以酚醛树脂和环氧树脂按质量份数比1:1混合 的粉末作为树脂粉末制作燃料电池双极板，可以很好的改善石墨的脆性，其 制得的膏状物可以适用于采用选择性激光烧结技术进行3D打印，同时也提高 双极板的柔韧性和力学性能。
可以理解的是，在本申请的另一实施例中，所述树脂粉末也可以为酚醛 树脂、环氧树脂和聚偏氟乙烯按质量份数比1:1:1混合的粉末。以酚醛树脂、 环氧树脂和聚偏氟乙烯按质量份数比1:1:1混合的粉末制作燃料电池双极板， 可以很好的改善石墨的脆性，其制得的膏状物可以适用于采用选择性激光烧 结技术进行3D打印，同时也提高双极板的柔韧性和力学性能。
所述混合优选在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；这样可以很好的 隔离氧气，使得物料粉末混合均匀。
所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分 数优选为15％，在很好隔离氧气的同时，能够有效降低成本。
所述搅拌的时间优选为30min。搅拌的目的主要是使石墨与树脂粉末混合 均匀，为后面树脂粉末在适宜的温度能够插入石墨层而堵住石墨的多孔结构 做准备。
进一步地，步骤S02中，所述加热的温度优选为100℃～110℃。这样可 以把树脂粉末和石墨能够充分的混合均匀，使树脂粉末能够插入到石墨层， 可以很好的堵住石墨的多孔结构，使其制得的膏状物可以适用于采用选择性 激光烧结技术进行3D打印。如果加热的温度过高，则容易影响树脂的性能， 从而影响制备得到的双极板的柔韧性和力学性能；如果加热温度过低，则树 脂很难插入至石墨层，使得制备得到的双极板脆性较大，柔韧性和力学性能 欠佳。
进一步地，步骤S03中，所述3D打印的温度优选为45℃。
进一步地，所述燃料电池双极板的密度为1.5g/cm3～1.6g/cm3，接触电阻 为7mΩ·cm2～8mΩ·cm2，电导率为180S/cm～190S/cm；透气率为 1.2×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为60MPa～65Mpa，拉伸强度为40MPa～ 48MPa；接触角为110°～118°。可见，制备得到的燃料电池双极板符合燃料 电池双极板的相关要求。
本申请的制备方法操作简单、制作成本低，制备时间短，使其制得的膏 状物可以适用于采用选择性激光烧结技术进行3D打印，可以根据实际需要快 速制备所需的燃料电池双极板；制备得到的双极板具有良好的柔韧性和优异 的力学性能及电学性能，可以满足燃料电池双极板的要求。
实施例1
一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：于真空下将膨胀石墨与树脂粉末混合，于40℃搅拌30min至 均匀，得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述膨胀石墨的 质量份数为98份，所述树脂粉末的质量份数为2份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至100℃，继续反应5min，得到 膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于45℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
所述燃料电池双极板的密度为1.5g/cm3，接触电阻为8mΩ·cm2，电导率 为180S/cm；透气率为1.2×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为60MPa，拉伸强 度为40MPa；接触角为118°。可见，制备得到的燃料电池双极板符合燃料电 池双极板的相关要求。
进一步地，步骤S01中，
所述树脂粉末为酚醛树脂和环氧树脂按质量份数比1:1混合的粉末。
所述混合在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分数优选为15％。
实施例2
一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：于真空下将天然石墨与树脂粉末混合，于50℃搅拌30min至 均匀，得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述天然石墨的 质量份数为97份，所述树脂粉末的质量份数为3份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至110℃，继续反应10min，得到 膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于30～90℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
所述燃料电池双极板的密度为1.6g/cm3，接触电阻为7mΩ·cm2，电导率 为190S/cm；透气率为1.2×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为65Mpa，拉伸强 度为48MPa；接触角为110°。可见，制备得到的燃料电池双极板符合燃料电 池双极板的相关要求。
进一步地，步骤S01中，
所述树脂粉末为酚醛树脂、环氧树脂和聚偏氟乙烯按质量份数比1:1:1混 合的粉末。
所述混合在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分数优选为15％。
实施例3
一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：于真空下将石墨与树脂粉末混合，于45℃搅拌30min至均匀， 得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述石墨的质量份数为 98份，所述树脂粉末的质量份数为2份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至105℃，继续反应7min，得到 膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于45℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
所述燃料电池双极板的密度为1.5g/cm3，接触电阻为7mΩ·cm2，电导率 为185S/cm；透气率为1.2×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为60MPa，拉伸强 度为40MPa；接触角为115°。可见，制备得到的燃料电池双极板符合燃料电 池双极板的相关要求。
进一步地，步骤S01中，
所述石墨为膨胀石墨和天然石墨按质量份数比1:1混合的混合物。
所述树脂粉末为聚酰亚胺和聚四氟乙烯按质量份数比1:1混合的粉末。
所述混合在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分数优选为15％。
对比实施例1
一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：于真空下将膨胀石墨与树脂粉末混合，于40℃搅拌30min至 均匀，得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述膨胀石墨的 质量份数为95份，所述树脂粉末的质量份数为5份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至100℃，继续反应5min，得到 膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于45℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
所述燃料电池双极板的密度为1.2g/cm3，接触电阻为10mΩ·cm2，电导 率为150S/cm；透气率为0.9×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为70MPa，拉伸 强度为50MPa；接触角为105°。
进一步地，步骤S01中，
所述树脂粉末为酚醛树脂和环氧树脂按质量份数比1:1混合的粉末。
所述混合在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分数优选为15％。
对比实施例2
一种燃料电池双极板的制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：于真空下将膨胀石墨与树脂粉末混合，于40℃搅拌30min至 均匀，得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述膨胀石墨的 质量份数为99份，所述树脂粉末的质量份数为1份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至100℃，继续反应5min，得到 膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图 纸、于45℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
所述燃料电池双极板的密度为1.7g/cm3，接触电阻为7mΩ·cm2，电导率 为180S/cm；透气率为1.3×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为45MPa，拉伸强 度为30MPa；接触角为95°。
进一步地，步骤S01中，
所述树脂粉末为酚醛树脂和环氧树脂按质量份数比1:1混合的粉末。
所述混合在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分数优选为15％。
本申请的制备方法操作简单、制作成本低，制备时间短，使其制得的膏 状物可以适用于采用选择性激光烧结技术进行3D打印，可以根据实际需要快 速制备所需的燃料电池双极板；制备得到的双极板具有良好的柔韧性和优异 的力学性能及电学性能，可以满足燃料电池双极板的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换， 或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S01：于真空下将石墨与树脂粉末混合，于40℃～50℃搅拌均匀，得到半成品；以所述半成品的质量份数为100份计，所述石墨的质量份数为97～98份，所述树脂粉末的质量份数为2～3份；
步骤S02：将步骤S01中的半成品加热至80～150℃，继续反应5～10min，得到膏状物；
步骤S03：将步骤S02的膏状物降至室温，然后按照燃料电池双极板的图纸、于30～90℃将所述膏状物进行3D打印，得到燃料电池双极板。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述石墨为膨胀石墨、微晶石墨、鳞片石墨、天然石墨、人造石墨或中间相碳微球中的一种或至少两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、酚醛树脂、苯并噁嗪、液晶树脂、沥青、聚苯硫醚、聚醚醚酮、环氧树脂或聚醚砜中的一种或至少两种的混合物。
4.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述树脂粉末为酚醛树脂和环氧树脂按质量份数比1:1混合的粉末。
5.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述树脂粉末为酚醛树脂、环氧树脂和聚偏氟乙烯按质量份数比1:1:1混合的粉末。
6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，步骤S01中，所述混合在真空压力为0.1MPa、惰性气体中混合；所述搅拌的时间为30min。
7.根据权利要求6所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为N2和CO2的混合气体，所述混合气体中的CO2的体积分数为15％。
8.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，
步骤S02中，所述加热的温度为100℃～110℃；
步骤S03中，所述3D打印的温度为45℃。
9.根据权利要求1所述的燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述燃料电池双极板的密度为1.5g/cm3～1.6g/cm3，接触电阻为7mΩ·cm2～8mΩ·cm2，电导率为180S/cm～190S/cm；透气率为1.2×10-8cm3/(cm2·s)，弯曲强度为60MPa～65Mpa，拉伸强度为40MPa～48MPa；接触角为110°～118°。
10.一种燃料电池双极板，由权利要求1-9任一项所述的制备方法得到。
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