CN112086650B - 燃料电池、膨胀石墨板及膨胀石墨极板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种燃料电池、膨胀石墨板及膨胀石墨极板的制备方法。所述膨胀石墨板的制备方法通过螺旋挤压的方式，使得膨胀石墨粉在被挤压的过程中会受到垂直于柱面的压力，因此第一原料柱中的每一层原料中的膨胀石墨粉被挤压为垂直于柱面的层片。所述第一原料柱再经切片、表面二次挤压，形成厚度一致的具有层叠挤压结构的膨胀石墨板。所述膨胀石墨板内的膨胀石墨层片间隙远大于层片内，可以大幅降低制备膨胀石墨极板时的浸渍时间。并且，所述膨胀石墨板内的膨胀石墨层内导电性能和导热性能远大于层间导电性能和导热性能，使得经本申请中的所述膨胀石墨板的制备方法制得的膨胀石墨板制备的双极板具有更好的导电性能和导热性能。

Description

燃料电池、膨胀石墨板及膨胀石墨极板的制备方法
技术领域
本申请涉及质子交换膜燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池、膨胀石墨板及膨胀石墨极板的制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池的双极板是质子交换膜燃料电池的重要部件，质子交换膜燃料电池的双极板起着串联单电池的作用。质子交换膜燃料电池的双极板还是氧化剂的通道和冷却剂通道。并且质子交换膜燃料电池的双极板具有分隔燃料、氧化剂和冷却剂的作用。因此，双极板应具有导电性，对气体和冷却剂(水)具有不渗透性，对燃料、氧化剂、电解质膜有抗蚀性等性能。
传统方案中，采用膨胀石墨成型板制作的双极板。但是，采用膨胀石墨成型板制作的双极板的导电性能较差，导热性能也较低。
发明内容
基于此，有必要针对传统方案中，采用膨胀石墨成型板制作的双极板的导电性能较差，导热性能也较低的问题，提供一燃料电池、膨胀石墨板及膨胀石墨极板的制备方法。
一种膨胀石墨板的制备方法，包括：
S10，提供一膨胀石墨粉；
S20，对所述膨胀石墨粉进行螺旋挤压，以形成第一原料柱，所述第一原料柱中的石墨处于层叠挤压态；
S30，对所述第一原料柱进行切片，以形成多个第二原料板，所述第二原料板的第一表面垂直于处于层叠挤压态的石墨层；
S40，对多个所述第二原料板的所述第一表面进行表面二次挤压，以形成多个厚度一致的膨胀石墨板；
所述S20，对所述膨胀石墨粉进行螺旋挤压，以形成第一原料柱，所述第一原料柱中的石墨处于层叠挤压态的具体步骤包括：
将所述膨胀石墨粉置于第一料筒；
通过螺旋施力装置对所述膨胀石墨粉施加沿第一施力方向的压力和沿第二施力方向的压力，以形成第一原料柱，所述第一施力方向和所述第二施力方向互相垂直，所述第一施力方向为与所述第一料筒的侧面垂直的方向，所述第二施力方向为与所述第一料筒的侧面平行的方向。
在其中一个实施例中，所述第一施力方向的压力为2MPa至3MPa，所述第二施力方向的压力为2MPa至3MPa。
在其中一个实施例中，所述螺旋施力装置包括螺旋蜗杆，所述螺旋蜗杆的旋转速度为0.1r/min至1r/min。
在其中一个实施例中，所述S30，对所述第一原料柱进行切片，以形成多个第二原料板，所述第二原料板的第一表面垂直于处于层叠挤压态的石墨层的具体步骤包括：
分别沿第一切割方向和第二切割方向对所述第一原料柱进行边缘切割，以形成第一原料体；
沿所述第二施力方向对所述第一原料体进行层片切割，以形成多个所述第二原料板；
其中，所述第一切割方向和所述第二切割方向互相垂直，且所述第一切割方向和所述第二切割方向均为垂直于所述第一原料柱的圆柱底面的方向。
在其中一个实施例中，所述表面二次挤压的压力为1MPa至3MPa。
在其中一个实施例中，所述膨胀石墨板的厚度为1.5mm至8mm，所述膨胀石墨板的密度为0.15g/cm3至0.5g/cm3。
在其中一个实施例中，所述膨胀石墨粉中的含碳量大于等于95%。
一种膨胀石墨极板的制备方法，包括：
将通过上述方法制备得到的膨胀石墨板浸渍于插入剂溶液；
所述插入剂溶液插入所述膨胀石墨板形成浸渍板，当所述浸渍板中，所述插入剂溶液与所述膨胀石墨板的质量比为1:5至9:20时，取出所述浸渍板；
对所述浸渍板进行固化处理，以使所述浸渍板中的插入剂固化；
对固化后的浸渍板进行干燥处理，以去除所述固化后的浸渍板中的溶液得到膨胀石墨极板。
一种燃料电池，包括：
通过上述方法制备得到的膨胀石墨极板。
上述膨胀石墨板的制备方法，通过将膨胀石墨粉螺旋挤压形成的第一原料柱为平行于柱面。由于螺旋挤压的方式，使得膨胀石墨粉在被挤压的过程中也会受到垂直于柱面的压力，因此第一原料柱中的每一层原料中的膨胀石墨粉被挤压为垂直于柱面的层片。所述第一原料柱再经切片、表面二次挤压，形成厚度一致的具有层叠挤压结构的膨胀石墨板。所述膨胀石墨板内的膨胀石墨层片间隙远大于层片内，可以大幅降低制备膨胀石墨极板时的浸渍时间。并且，所述膨胀石墨板内的膨胀石墨层内导电性能和导热性能远大于层间导电性能和导热性能，使得经本申请中的所述膨胀石墨板的制备方法制得的膨胀石墨板制备的双极板具有更好的导电性能和导热性能。
附图说明
图1为本申请的一个实施例提供的一种膨胀石墨粉的结构图；
图2为本申请的一个实施例提供的一种原料板的结构图；
图3为本申请的一个实施例提供的一种经本申请的制备方法制备的膨胀石墨板结构图；
图4为本申请提供的通过传统方法制备的一种膨胀石墨板的结构图；
图5为本申请的一个实施例提供的一种螺旋挤压装置图；
图6为本申请的一个实施例提供的一种原料切片工艺装置图；
图7为本申请的一个实施例提供的一种滑道传送扩张示意图。
主要元件附图标号说明
1 膨胀石墨粉
2 第一料筒
3 螺旋蜗杆
4 驱动电机
5 液压推进装置
6 固定导轨
11 第一原料柱
12 第一切割刀片
13 第二切割刀片
14 层片切割刀
15 第二原料板
151 第一表面
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。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或者可能同时存在居中元件。
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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是旨在于限制本申请。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。
本申请一个实施例提供一种膨胀石墨板的制备方法。所述膨胀石墨板的制备方法包括：
S10，提供一膨胀石墨粉1。步骤S10中，所述膨胀石墨粉1为制备燃料电池的主要导电材料。所述膨胀石墨粉1是一种多孔材料，其孔经在纳米数量级范围。在化学电池的发展过程中，采用多孔材料制作电极是一次重要的技术进步。多孔材料电极使得参与电化学反应的活性表面得到很大的提高，从而提高了活性物质的利用率，同理使电极的真实电流密度大大降低，减小了电池的能量损失，使电池质量和性能明显改善。在一个可选实施例中，所述膨胀石墨粉1中的含碳量大于等于95%。膨胀石墨微粉主要作为制备碱性电池、扣式电池导电材料，可使电池的性能得到有效的改进，使容量大大提高。所述膨胀石墨粉1(Expanded Graphite，EG)是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。所述膨胀石墨的具体结构请参见图1。
S20，对所述膨胀石墨粉1进行螺旋挤压，以形成第一原料柱11，所述第一原料柱11中的石墨粒子处于层叠挤压态。步骤S20中，可以通过螺旋挤压设备对所述膨胀石墨粉1进行螺旋挤压。所述膨胀石墨在挤压过程中会受到螺旋挤压力。所述螺旋挤压力可以分解成两个互相垂直的方向的力。其中一个力使得进入所述螺旋挤压设备的所述膨胀石墨粉1粘接在一起，以形成第一原料柱11。另一个力使得所述第一原料柱11中的膨胀石墨粉1粒子形成垂直于所述第一原料柱11柱面的层叠挤压态。
S30，对所述第一原料柱11进行切片，以形成多个第二原料板15，所述第二原料板15的第一表面垂直于处于层叠挤压态的石墨层。步骤S30中，由于制备燃料电池双极板的材料为体形，因此需要对所述第一原料柱11进行切割。将所述第一原料柱11切割，以形成多个所述第二原料板15的具体过程不做具体限定。只要保证所述第二原料板15中的膨胀石墨层垂直于所述第二原料板15中面积较大的一面即可。在一个可选实施例中，可以先对所述第一原料柱11进行边缘切割，以形成第一原料体。然后再对所述第一原料体沿垂直于所述原料柱柱面的方向进行层片切割，以形成第二原料板15。请参见图2，所述第二原料板15的第一外表面151为所述第二原料板15的面积最大的一面。在一个可选实施例中，还可以对所述第一原料体沿垂直于所述原料柱柱面的方向进行层片切割，以形成弧形层板。再对所述圆形层板进行边缘切割，以形成所述第二原料板15。
S40，对多个所述第二原料板15进行表面二次挤压，以形成多个厚度一致的膨胀石墨板。步骤S40中，可以通过辊压或模压的方式，对所述第二原料板15进行表面二次挤压，以确保形成的膨胀石墨板的厚度一致。请参见图3和图4，图3为本申请提供的具有层叠挤压态的膨胀石墨板。所述层叠挤压态代表所述膨胀石墨板中的膨胀石墨层的层面垂直于所述第一原料柱11柱面。图4为传统制备方式制备的膨胀石墨板。传统的所述膨胀石墨板中的膨胀石墨层为平行于所述第一原料柱11的柱面的结构。
上述膨胀石墨板的制备方法，通过将膨胀石墨粉1螺旋挤压形成的第一原料柱11为平行于柱面。由于螺旋挤压的方式，使得膨胀石墨粉1在被挤压的过程中也会受到垂直于柱面的压力，因此第一原料柱11中的每一层原料中的膨胀石墨粉1被挤压为垂直于柱面的层片。所述第一原料柱11再经切片、表面二次挤压，形成厚度一致的具有层叠挤压结构的膨胀石墨板。所述膨胀石墨板内的膨胀石墨层片间隙远大于层片内，可以大幅降低制备膨胀石墨极板时的浸渍时间。并且，所述膨胀石墨板内的膨胀石墨层内导电性能和导热性能远大于层间导电性能和导热性能，使得经本申请中的所述膨胀石墨板的制备方法制得的膨胀石墨板制备的双极板具有更好的导电性能和导热性能。
请参见图5，在其中一个实施例中，所述S20，对所述膨胀石墨粉1进行螺旋挤压，以形成第一原料柱11，所述第一原料柱11中的石墨粒子处于层叠挤压态的具体步骤包括：
将所述膨胀石墨粉1置于第一料筒2。通过螺旋施力装置对所述膨胀石墨粉1施加沿第一施力方向的压力和沿第二施力方向的压力，以形成第一原料柱11，所述第一施力方向和所述第二施力方向互相垂直。所述螺旋施力装置可以包括螺旋蜗杆3、驱动电机4和液压推进装置5。所述液压推进装置5与所述驱动电机4电连接。所述驱动电机4与所述螺旋蜗杆3电连接。当所述膨胀石墨粉1通过一固定导轨6进入所述液压推进装置5后，在所述液压推进装置5和所述驱动电机4的驱动下，所述螺旋蜗杆3开始旋转并带动所述膨胀石墨粉1向所述料筒的底端行进，直至将所述膨胀石墨粉1推到所述螺旋蜗杆3的最前端。所述螺旋蜗杆3在旋转前进的过程中与所述料筒的壁面之间形成挤压力。所述挤压力可以分解成沿第一施力方向的压力和第二施力方向的压力。所述第一施力方向的压力为2MPa至3MPa，所述第二施力方向的压力为2MPa至3MPa。所述第一施力方向的压力可以和所述第二施力方向的压力大小相等。所述第一施力方向的压力也可以与所述第二施力方向的压力大小不相等。所述螺旋蜗杆3的旋转速度可以为0.1r/min至1r/min。以确保进入所述第一料筒2的膨胀石墨粉1受到了充分的挤压。通过所述螺旋施力装置可以确保所述膨胀石墨粉1受到充分的旋转挤压，以形成具有层叠挤压态的第一原料柱11。
请参见图6，在其中一个实施例中，所述S30，对所述第一原料柱11进行切片，以形成多个第二原料板15的具体步骤包括：
分别沿第一切割方向和第二切割方向对所述第一原料柱11进行边缘切割，以形成第一原料体。沿所述第二施力方向对所述第一原料体进行层片切割，以形成多个所述第二原料板15。其中，所述第一切割方向和所述第二切割方向两两互相垂直。所述第一切割方向和所述第二切割方向可以均为垂直于所述第一原料柱11的圆柱底面的方向。可以通过第一切割刀片12沿第一切割方向对所述第一原料体进行边缘切割。再通过第二切割刀片13沿第二切割方向对所述第一原料体进行边缘切割。所述第一切割刀12和所述第二切割刀13的切割深度可以根据所述第一原料柱11的直径任意设定。只要通过所述第一切割刀和所述第二切割刀13切割后形成第一原料体即可。所述第一原料体可以通过多个层片切割刀14沿所述第二施力方向进行层片切割，以形成第二原料板15。所述第二原料板15的厚度与相邻两个层片切割刀之间的间距相等。通过对所述第一原料柱11进行边缘切割和层片切割，可以得到多个第二原料板15中的膨胀石墨层垂直于所述第二原料板15的面积最大的一面。
请参见图7，在一个实施例中，经层片切割后的多个所述第二原料板15可以通过传送滑道传送至表面二次挤压设备中。在一个可选的实施例中，可以表面二次挤压设备可以为辊压设备。所述辊压设备通过表面光滑的辊子对单个所述第二原料板15进行厚度统一的辊压。在一个可选的实施例中，所述表面二次挤压的压力为1MPa至3MPa。在一个可选实施例中，所述膨胀石墨板的厚度为1.5mm至8mm，所述膨胀石墨板的密度为0.15g/cm3至0.5g/cm3。通过表面二次挤压设备的表面二次挤压可以得到厚度一致的膨胀石墨板。
本申请提供一种膨胀石墨极板的制备方法，所述膨胀石墨极板的制备方法包括：
将上述实施例中的制备方法得到的膨胀石墨板浸渍于插入剂溶液。所述插入剂溶液可以为树脂溶液。所述插入剂溶液插入所述膨胀石墨板形成浸渍板，当所述浸渍板中，所述插入剂溶液与所述膨胀石墨板的质量比为1:5至9:20时，取出所述浸渍板。通过上述实施例中的制备方法得到的膨胀石墨板的浸渍时间是传统的膨胀石墨板的浸渍时间1/10。对所述浸渍板进行固化处理，以使所述浸渍板中的插入剂固化。对固化后的浸渍板进行干燥处理，以去除所述固化后的浸渍板中的溶液得到膨胀石墨极板。将插入剂插入所述膨胀石墨板，可以确保所述膨胀石墨极板的硬度更好。
本申请一个实施例中提供一种燃料电池。所述燃料电池包括通过权利要求9制备得到的膨胀石墨极板。所述燃料电池的中的膨胀石墨极板的导电性能达到了155w/m℃。
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申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，包括：
S10，提供一膨胀石墨粉；
S20，对所述膨胀石墨粉进行螺旋挤压，以形成第一原料柱，所述第一原料柱中的石墨处于层叠挤压态；
S30，对所述第一原料柱进行切片，以形成多个第二原料板，所述第二原料板的第一表面垂直于处于层叠挤压态的石墨层；
S40，对多个所述第二原料板的所述第一表面进行表面二次挤压，以形成多个厚度一致的膨胀石墨板；所述S20，对所述膨胀石墨粉进行螺旋挤压，以形成第一原料柱，所述第一原料柱中的石墨处于层叠挤压态的具体步骤包括：
将所述膨胀石墨粉置于第一料筒；
通过螺旋施力装置对所述膨胀石墨粉施加沿第一施力方向的压力和沿第二施力方向的压力，以形成第一原料柱，所述第一施力方向和所述第二施力方向互相垂直，所述第一施力方向为与所述第一料筒的侧面垂直的方向，所述第二施力方向为与所述第一料筒的侧面平行的方向。
2.根据权利要求1所述的膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，所述第一施力方向的压力为2MPa至3MPa，所述第二施力方向的压力为2MPa至3MPa。
3.根据权利要求1所述的膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，所述螺旋施力装置包括螺旋蜗杆，所述螺旋蜗杆的旋转速度为0.1r/min至1r/min。
4.根据权利要求1所述的膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，所述S30，对所述第一原料柱进行切片，以形成多个第二原料板，所述第二原料板的第一表面垂直于处于层叠挤压态的石墨层的具体步骤包括：
分别沿第一切割方向和第二切割方向对所述第一原料柱进行边缘切割，以形成第一原料体；
沿所述第二施力方向对所述第一原料体进行层片切割，以形成多个所述第二原料板；
其中，所述第一切割方向和所述第二切割方向互相垂直，且所述第一切割方向和所述第二切割方向均为垂直于所述第一原料柱的圆柱底面的方向。
5.根据权利要求1所述的膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，所述表面二次挤压的压力为1MPa至3MPa。
6.根据权利要求1所述的膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，所述膨胀石墨板的厚度为1.5mm至8mm，所述膨胀石墨板的密度为0.15g/cm3至0.5g/cm3。
7.根据权利要求1所述的膨胀石墨板的制备方法，其特征在于，所述膨胀石墨粉中的含碳量大于等于95%。
8.一种膨胀石墨极板的制备方法，其特征在于，包括：
将通过权利要求1制备得到的膨胀石墨板浸渍于插入剂溶液；
所述插入剂溶液插入所述膨胀石墨板形成浸渍板，当所述浸渍板中，所述插入剂溶液与所述膨胀石墨板的质量比为1:5至9:20时，取出所述浸渍板；
对所述浸渍板进行固化处理，以使所述浸渍板中的插入剂固化；
对固化后的浸渍板进行干燥处理，以去除所述固化后的浸渍板中的溶液得到膨胀石墨极板。
9.一种燃料电池，其特征在于，包括：
通过权利要求8制备方法得到的膨胀石墨极板。
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