CN112976651A - 一种用于燃料电池的石墨双极板及其制作工艺 - Google Patents

一种用于燃料电池的石墨双极板及其制作工艺 Download PDF

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Abstract

本申请涉及燃料电池领域，具体公开了一种用于燃料电池的石墨双极板及其制作工艺。用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺包括以下步骤：S1、预压：在石墨板的一面或双面预压出排气纹，制得预压双极板；S2、模压：按照流道设计要求，在预压双极板经过预压后的一面或双面上模压出流道，制得双纹路的石墨双极板。本申请用于燃料电池的石墨双极板具有电导率高，力学性能好的优点。

Description

一种用于燃料电池的石墨双极板及其制作工艺
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，更具体地说，它涉及一种用于燃料电池的石墨双极板及其制作工艺。
背景技术
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置，燃料电池双极板是燃料电池关键部件之一，一般是由极板和流场组成，流场包括气体进口、气体反应区和气体出口，目前双极板的研究和应用主要集中在金属材料板、模压材料板和石墨材料板，石墨材料板是目前国内燃料电池最常用的双极板，导电性、导热性、稳定性和耐腐蚀等性能较好。
传统石墨双极板主要采用无孔石墨板或碳板，其制备方法主要使用石墨粉或焦炭加粘结剂，经捏合、模压后炭化、石墨化制成薄板，再通过模压一次成型技术得到气体流道，即所谓的“流场”，从而制成模压石墨双极板。
针对上述中的相关技术，发明人认为石墨双极板在模压一次成型时，内部易产生气孔，使得电极板在通电后电阻率较高，导电性能有待提升。
发明内容
为了降低石墨双极板的电阻率，提升其导电性能，降低电能损耗，本申请提供一种用于燃料电池的石墨双极板及其制作工艺。
第一方面，本申请提供一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，采用如下的技术方案：
一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预压：在石墨板的一面或双面预压出排气纹，制得预压双极板；
S2、模压：按照流道设计要求，在预压双极板经过预压后的一面或双面上模压出流道，制得双纹路的石墨双极板。
通过采用上述技术方案，由于在进行流道加工时，石墨板内部的石墨颗粒受力挤压，内部气体逸出，在石墨板内留下孔道，造成石墨双极板的密度较低，通电后电阻率较大，电能损耗较大，本申请采用两次加压的方式对石墨板进行加工，使石墨板内气体在预压时先排出一部分，先排出的一部分气体以较细小的气孔排除，防止一次模压成型，导致气体一次性排出，使得石墨板内的排气孔较大，导致石墨板的密度较小，导电性能较差；在预压后，对存在有一部分微小排气孔的石墨板再次加压，因石墨板内气体在预压时已经排出一部分，在模压时，气体排出量少，石墨板内石墨颗粒相互接触，增加了导电通道的数量，并增加了石墨板的密实度，从而提升了石墨电极板的导电性能，降低了电能损耗，
优选的，所述步骤S1中预压的压力小于步骤S2中模压的压力。
通过采用上述技术方案，预压时的压力小于模压时的压力，因压力变大，石墨双极板的密度增大，使石墨双极板内纳米石墨颗粒间有新的接触点，从而增加了石墨板内的导电通道，从而增强了石墨电极板的导电性能，预压时先用较小的压力排出电极板内的一部分气体，使电极板的气体以较小的孔隙内移除，以防止电极板内气体逸出孔隙较大，导电性能下降，然后用较大的压力模压石墨板，进一步增大石墨板的密实度，石墨板内的石墨颗粒相互接触，使预压时气体排出的孔隙消失，进一步降低电极板内气体含量，使电极板的导电性能提升，降低电能损耗。
优选的，所述步骤S1中预压得到的排气纹深度为0.4-2mm，宽度为0.3-20mm；
所述步骤S2中模压得到的流道深度为0.7-0.9mm，宽度为0.4-0.6mm。
通过采用上述技术方案，因预压的压力小于模压的压力，使得排气纹的深度小于流道的深度，两次加压使石墨板更加密实，导电性能得到提升。
优选的，所述石墨板的制备方法如下：(1)将天然鳞片石墨放入插层剂中浸渍，水洗，在850-950℃下膨胀10-15s，得到膨胀石墨；
(2)向膨胀石墨中添加固含量为10-15％的纳米二氧化锡和氧化铈混合物，混合均匀，混合物的添加量为膨胀石墨用量的5-10％，氧化铈的添加量为纳米二氧化锡的1-2％；
(3)将膨胀石墨在温度为350-400℃，微波频率为2400-2500MHz的条件下干燥；
(4)将干燥后的膨胀石墨经辊压，制得密度为1.6-2.0g/cm3的石墨板。
通过采用上述技术方案，使用天然石墨鳞片为原料制备可膨胀石墨，插层剂在石墨层之间形成化合物，保留石墨原有连续相的结构基础上增加石墨层间距，并减少边缘化合物的生成，经高温膨化，制成膨胀石墨，因膨化后的石墨较为蓬松，孔隙较大，向膨胀石墨内添加纳米二硫化锡和氧化铈，纳米二硫化锡和氧化铈的粒径较小，能充分填充在膨胀石墨的片层之间，从而使膨胀石墨的密实度增大，且二氧化锡的是一种非常好的透明导电材料，能改善石墨板的导电率，但力学性能较差，而氧化铈对二氧化锡的抗折、增韧效果显著，能在一定程度上增加二氧化锡晶相的形成的生长，是二氧化硅晶体成三维生长，从而提高石墨板的强韧性和导电性。
优选的，所述步骤(3)中，将膨胀石墨干燥前，将膨胀石墨平铺在传送带上，向膨胀石墨上均匀喷涂固含量为5-10％的粒径为0.5-1.0um的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维粉末的喷涂量为膨胀石墨总量的2-5％。
通过采用上述技术方案，向掺入纳米二氧化锡和氧化铈的膨胀石墨上喷涂辉绿岩粉末，辉绿岩粉末的粒径小，能填充至膨胀石墨的片层之间，而辉绿岩纤维的柔韧性高，强度稳定，易分散，能进一步提升膨胀石墨的强韧性。
优选的，所述辉绿岩纤维粉末的制备方法如下：将辉绿岩矿石、焦粒和白云石按照1:0.3-0.4：0.2-0.5的质量比混合，在1450-1500℃熔融后，以3-3.5m/min的速度拉丝，制成纤维中间体，在拉丝的过程中，将碳纳米管以6-10MPa的压力雾化喷吹至纤维中间体的表面，碳纳米管的厚度为0.1-0.3um，干燥、粉碎，制成辉绿岩纤维粉末。
通过采用上述技术方案，辉绿岩的化学性质稳定，耐热性好，熔体粘度较低，制成的纤维细度较小，抗拉强度较高，柔韧性较强，在制备辉绿岩纤维时向纤维中间体上喷吹碳纳米管，碳纳米管在在纤维中间体表面裹覆，形成厚度为0.1-0.3um的碳纳米管膜，碳纳米管的导电性能强，柔韧性非常好，可以拉伸，从而增强了辉绿岩纤维的柔韧性和拉伸性能，并使辉绿岩纤维具有导电性能，从而进一步增强石墨板的导电性能。
优选的，所述膨胀石墨的平铺厚度为0.5-1cm。
通过采用上述技术方案，因辉绿岩纤维粉末的粒径较小，喷吹时容易飞散，使膨胀石墨的平铺厚度较薄，能使辉绿岩纤维粉末在喷吹时，能充分接触到膨胀石墨，进而填充均匀、密实。
优选的，所述步骤(1)中天然石墨和插层剂溶液的质量比为1:1-2.5。
通过采用上述技术方案，插层剂的用量比天然石墨的用量高，能使天然石墨充分浸泡在插层剂内，使天然石墨差层充分，天然石墨膨胀完全。
优选的，所述插层剂为由1-3重量份硝酸、0.6-1.2重量份高锰酸钾和0.3-0.8重量份磷酸混合制成。
通过采用上述技术方案，硝酸、高锰酸钾和磷酸进行插层，能避免天然石墨边缘化合物的生成，对天然石墨膨胀效果好。
第二方面，本申请提供一种用于燃料电池的石墨双极板，采用如下的技术方案：
一种用于燃料电池的石墨双极板，由一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺制成。
通过采用上述技术方案，制成的石墨双极板电阻率小，导电率高，电能损耗小，且力学性能好。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用两次加压的方式在石墨板上分别加工出排气纹和流道，由于石墨板内存在较多孔隙，预压能预先排出石墨板内的一部分气体，并使气体排出时的气孔直径较小，模压能使预压产生的排气孔消失，石墨板内石墨颗粒相互接触，导电通道增多，密实度增大，导电性能得到提升，电能损耗降低，节约了电能资源。
2、本申请中模压的压力大于预压的压力，石墨板内气体预先排出，石墨板内存在排气孔，模压时，石墨板内颗粒相互接触，排气孔消失，石墨板的密实度增大，导电通道增多，导电性能得到提升。
3、本申请中以天然石墨制备成膨胀石墨后，掺入纳米二氧化锡和氧化铈制备石墨板，纳米二氧化锡的导电性好，能增强石墨双极板的导电率，氧化铈的加入能有效改善纳米二氧化锡的抗折强度和柔韧性能，从而提升石墨双极板的力学性能。
4、本申请中制备石墨板时，添加表面裹覆有碳纳米管的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维的柔韧性强，碳纳米管的导电效果好，柔软度高，加入裹覆有碳纳米管的辉绿岩纤维粉末，不仅能增强石墨双极板的导电性能，还能增加石墨双极板的力学性能。
附图说明
图1是本申请实施例1中石墨双夹板的结构示意图；
图2是本申请实施例1中石墨双极板的制作工艺示意图；
图3是本申请实施例4中石墨双极板的结构示意图；
图4是本申请实施例6中石墨双极板的结构示意图；
图5是本申请实施例7中石墨双极板的结构示意图；
图6是本申请实施例8中石墨双极板的结构示意图；
图7是本申请实施例9中石墨双极板的结构示意图；
图8是本申请实施例10中石墨双极板的结构示意图。
图中：1、石墨板；11、排气纹；12、流道。
具体实施方式
辉绿岩纤维粉末的制备例1-4
制备例1-4焦粒选自安阳煜鼎冶金有限公司，白云石选自灵寿县东风白云石有限公司，碳纳米管选自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT104。
制备例1：将辉绿岩矿石、焦粒和白云石按照1:0.3:0.2的质量比混合，在1450℃下熔融后，以3m/min的速度拉丝，制成纤维中间体，在拉丝的过程中，将碳纳米管以6MPa的压力雾化喷吹至纤维中间体表面，碳纳米管的厚度为0.1um，在120℃下干燥2h、粉碎，制得辉绿岩纤维粉末，辉绿岩的化学成分如表1所示，白云石中氧化钙和氧化镁的质量比为2:1，焦粒中固定碳含量为84％，硫含量为0.8％，挥发分为2％，灰分为13.5％，发热量为4602kcal/kg，辉绿岩和白云石的粒径为20mm，焦粒的粒径为60mm。
表1辉绿岩的化学成分
wt SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> FeO Na<sub>2</sub>O K<sub>2</sub>O Ti0<sub>2</sub> P<sub>2</sub>O<sub>3</sub> H<sub>2</sub>O
％ 50.12 15.58 8.8 5.89 4.55 6.73 2.25 1.38 1.41 0.37 1.93
制备例2：将辉绿岩矿石、焦粒和白云石按照1:0.4:0.3的质量比混合，在1480℃下熔融后，以3.3m/min的速度拉丝，制成纤维中间体，在拉丝的过程中，将碳纳米管以8MPa的压力雾化喷吹至纤维中间体表面，碳纳米管的厚度为0.2um，在130℃下干燥1.5h、粉碎，制得辉绿岩纤维粉末，辉绿岩的化学成分如表1所示，白云石中氧化钙和氧化镁的质量比为2:1，焦粒中固定碳含量为84％，硫含量为0.8％，挥发分为2％，灰分为13.5％，发热量为4602kcal/kg，辉绿岩和白云石的粒径为50mm，焦粒的粒径为90mm。
制备例3：将辉绿岩矿石、焦粒和白云石按照1:0.4:0.5的质量比混合，在1500℃下熔融后，以3.5m/min的速度拉丝，制成纤维中间体，在拉丝的过程中，将碳纳米管以10MPa的压力雾化喷吹至纤维中间体表面，碳纳米管的厚度为0.3um，在140℃下干燥1h、粉碎，制得辉绿岩纤维粉末，辉绿岩的化学成分如表1所示，白云石中氧化钙和氧化镁的质量比为2:1，焦粒中固定碳含量为84％，硫含量为0.8％，挥发分为2％，灰分为13.5％，发热量为4602kcal/kg，辉绿岩和白云石的粒径为80mm，焦粒的粒径为120mm。
制备例4：与制备例1的区别在于，未在纤维中间体上喷吹碳纳米管。
石墨板的制备例1-8
制备例1-8中天然鳞片石墨选自青岛岩海碳材料有限公司，型号为KS-6，碳含量为99.85％，纳米二氧化锡选自上海比客新材料科技有限公司，型号为012-N50，氧化铈选自苏州优锆纳米材料有限公司，型号为UG-Ce01。
制备例1：(1)将1kg天然鳞片石墨放入插层剂中浸渍，水洗，在850℃下膨胀15s，得到膨胀石墨，天然石墨和插层剂的质量比为1:1，插层剂由1kg硝酸、0.6kg高锰酸钾和0.3kg磷酸混合制成，浸渍温度为30℃，时间为60min，天然石墨的粒径为80目；
(2)向膨胀石墨中添加固含量为10％的纳米二氧化锡和氧化铈混合物，混合均匀，混合物的添加量为膨胀石墨用量的5％，氧化铈的添加量为纳米二氧化锡的1％，纳米二氧化锡的粒径为50nm，氧化铈的粒径为30nm；
(3)将膨胀石墨在温度为350℃，微波频率为2400MHz的条件下干燥5min；
(4)将干燥后的膨胀石墨经辊压，制得厚度为5mm，密度为1.6g/cm3的石墨板，压力辊的压力为1MPa。
制备例2：(1)将1kg天然鳞片石墨放入插层剂中浸渍，水洗，在900℃下膨胀13s，得到膨胀石墨，天然石墨和插层剂的质量比为1:2，插层剂由2kg硝酸、0.9kg高锰酸钾和0.6kg磷酸混合制成，浸渍温度为40℃，时间为50min，天然石墨的粒径为120目；
(2)向膨胀石墨中添加固含量为13％的纳米二氧化锡和氧化铈混合物，混合均匀，混合物的添加量为膨胀石墨用量的8％，氧化铈的添加量为纳米二氧化锡的1.5％，纳米二氧化锡的粒径为50nm，氧化铈的粒径为30nm；
(3)将膨胀石墨在温度为380℃，微波频率为2450MHz的条件下干燥4min；
(4)将干燥后的膨胀石墨经辊压，制得厚度为5mm，密度为1.8g/cm3的石墨板，压力辊的压力为5MPa。
制备例3：(1)将1kg天然鳞片石墨放入插层剂中浸渍，水洗，在950℃下膨胀10s，得到膨胀石墨，天然石墨和插层剂的质量比为1:2.5，插层剂由3kg硝酸、1.2kg高锰酸钾和0.8kg磷酸混合制成，浸渍温度为50℃，时间为40min，天然石墨的粒径为200目；
(2)向膨胀石墨中添加固含量为15％的纳米二氧化锡和氧化铈混合物，混合均匀，混合物的添加量为膨胀石墨用量的10％，氧化铈的添加量为纳米二氧化锡的2％，纳米二氧化锡的粒径为50nm，氧化铈的粒径为30nm；
(3)将膨胀石墨在温度为400℃，微波频率为2500MHz的条件下干燥3min；
(4)将干燥后的膨胀石墨经辊压，制得厚度为5mm，密度为2.0g/cm3的石墨板，压力辊的压力为10MPa。
制备例4：与制备例1的区别在于，步骤(2)中未添加氧化铈。
制备例5：与制备例1的区别在于，步骤(3)中，将膨胀石墨干燥前，将膨胀石墨平铺在传送带上，平铺厚度为0.5cm，向膨胀石墨上均匀喷涂固含量为5％的粒径为0.5um的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维粉末的喷涂量为膨胀石墨总量的2％，辉绿岩纤维粉末选自辉绿岩纤维粉末的制备例1。
制备例6：与制备例1的区别在于，步骤(3)中，将膨胀石墨干燥前，将膨胀石墨平铺在传送带上，平铺厚度为0.8cm，向膨胀石墨上均匀喷涂固含量为8％的粒径为0.8um的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维粉末的喷涂量为膨胀石墨总量的3％，辉绿岩纤维粉末选自辉绿岩纤维粉末的制备例2。
制备例7：与制备例1的区别在于，步骤(3)中，将膨胀石墨干燥前，将膨胀石墨平铺在传送带上，平铺厚度为1.0cm，向膨胀石墨上均匀喷涂固含量为10％的粒径为1.0um的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维粉末的喷涂量为膨胀石墨总量的5％，辉绿岩纤维粉末选自辉绿岩纤维粉末的制备例3。
制备例8：与制备例1的区别在于，步骤(3)中，将膨胀石墨干燥前，将膨胀石墨平铺在传送带上，平铺厚度为0.5cm，向膨胀石墨上均匀喷涂固含量为5％的粒径为0.5um的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维粉末的喷涂量为膨胀石墨总量的2％，辉绿岩纤维粉末选自辉绿岩纤维粉末的制备例4。
实施例
以下实施例中石墨板市售产品，选自巩义市瑞丰石墨制品有限公司，其密度为1.63g/cm3。
实施例1：一种用于燃料电池的石墨双极板，如图1所示，包括石墨双极板和位于石墨双极板同一面上的多条排气纹和多条流道，多条排气纹呈长条形，且多条排气纹相互平行，多条流道呈长条形且相互平行，排气纹和流道相互平行，且每条流道均设置于相邻的排气纹之间，相邻两排气纹之间形成排气纹脊部，排气纹深度为0.4mm，宽度为0.3mm，排气纹的脊部宽度为1.2mm，流道的深度为0.7mm，宽度为0.4mm，流道设置于排气纹脊部中间位置处。
该用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，如图2所示，包括以下步骤：
S1、预压：将石墨板传输至压力辊下，在石墨板的一面预压出排气纹，制得预压双极板，石墨板选自市售产品，石墨板的厚度为5mm，石墨板的传输速度为4m/min，压力辊的压力为36MPa；
S2、模压：将预压双极板运输至压力辊下，在预压双极板经过预压后形成第一流道的一面上模压出流道，制得双纹路的石墨双极板，预压双极板的传输速度为4m/min，压力辊的压力为63MPa。
实施例2：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例1的区别在于，排气纹的深度为1.2mm，宽度为12mm，排气纹脊部宽度为2mm，流道深度为0.8mm，宽度为0.5mm；预压时，石墨板的传输速度为6m/min，压力辊的压力为45MPa，模压时，预压双极板的传输速度为6m/min，压力辊的压力为72MPa。
实施例3：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例1的区别在于，排气纹的深度为2mm，宽度为20mm，排气纹脊部宽度为3mm，流道深度为0.9mm，宽度为0.6mm；预压时，石墨板的传输速度为8m/min，压力辊的压力为54MPa，模压时，预压双极板的传输速度为8m/min，压力辊的压力为81MPa。
实施例4：一种用于燃料电池的石墨双极板，参见图3，与实施例1的区别在于，流道和排气纹相互垂直，流道的脊部宽度为0.4mm。
实施例5：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例1的区别在于，流道和排气纹相互交叉，且交叉角度为60°，流道的脊部宽度为0.6mm。
实施例6：一种用于燃料电池的石墨双极板，参见图4，与实施例1的区别在于，流道和排气纹相互交叉，且交叉角度为30°，流道的脊部宽度为0.8mm。
实施例7：一种用于燃料电池的石墨双极板，参见图5，与实施例1的区别在于，排气纹和流道部分重合，重合宽度为0.2mm。
实施例8：一种用于燃料电池的石墨双极板，参见图6，与实施例1的区别在于，石墨板的双面均设置有排气纹和流道，位于石墨板两面的排气纹相互垂直，石墨板同一面上的排气纹和流道相互垂直，石墨板另一面上的排气纹和流道相互交叉，交叉角度为60°，流道的脊部宽度为0.4mm。
实施例9：一种用于燃料电池的石墨双极板，参见图7，与实施例1的区别在于，石墨板的双面均设置有排气纹和流道，位于石墨板两面上的排气纹相互平行，位于石墨板同一面的排气纹和流道相互垂直，流道的脊部宽度为0.4mm。
实施例10：一种用于燃料电池的石墨双极板，参见图8，与实施例1的区别在于，石墨板的双面均设置有排气纹和流道，位于石墨板双面的排气纹相互平行，位于石墨板同一面的排气纹和流道相互平行，且每条流道均设置于相邻的排气纹之间。
实施例11：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例1。
实施例12：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例2。
实施例13：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例3。
实施例14：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例4。
实施例15：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例5。
实施例16：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例6。
实施例17：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例7。
实施例18：一种用于燃料电池的石墨双极板，与实施例10的区别在于，石墨板选自石墨板的制备例8。
对比例
对比例1：一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，与实施例1的区别在于，未进行预压步骤。
对比例2：一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，与实施例1的区别在于，步骤S2中流道的深度与步骤S1中排气纹的深度相同，均为0.4mm。
对比例3：一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，与实施例1的区别在于，步骤S2中流道深度为0.3mm。
对比例4：一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，与实施例1的区别在于，步骤S1中排气纹的深度为0.7mm，步骤S2中流道的深度为0.4mm。
对比例5：一种燃料电池石墨双极板的制作方法，首先以1焙或1浸两焙的高纯石墨块为原材料，根据所需石墨双极板的规格机械切割成双极板素坯；然后将双极板素坯平磨成双极板片材；再采用平行多片圆片锯刀排列组成的卧铣刀在双极板片材上加工出多槽平行分布的直通式流场结构，形成双极板半成品；最后将双极板半成品用环氧胶进行密封后固化，即成为双极板成品。
对比例6：一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，具体步骤如下：
(1)将石墨原材料切割成产品要求的厚度放1mm余量，用去离子水清洗并烘干；
(2)将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为24小时；浸渍的树脂为呋喃、环氧和脲醛树脂，其质量比为5∶10∶85，其中浸渍时间与石墨板的厚度成正比；得到密度为1.90g/cm3的石墨双极板坯料；
(3)将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理，固化温度为200℃时间为8小时；
(4)用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面0.5mm；
(5)按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板。
性能检测试验
按照各实施例和各对比例中的方法制备石墨双极板，以市售石墨板作为空白组，本申请石墨板的制备例1制备的石墨板作为对照组1，石墨板的制备例4制备的石墨板作为对照组2，并按照以下方法检测石墨双极板的性能，将检测结果记录于表2中：
1、电阻率：用四探针检测仪检测；
2、面电阻：用四探针检测仪检测；
3、平均气体透过率：用济南思克测试技术有限公司出售的燃料电池石墨板气体透过率测试仪进行检测，测试压力为0.1MPa，测试气体为氢气；
4、抗弯强度：按照GB/T13465.2-2002《不透性石墨材料抗弯强度试验方法》进行检测。
表2石墨电极板的性能测试结果
Figure BDA0002937468880000101
Figure BDA0002937468880000111
因空白组为市售石墨板，对照组1和对照组2分别本申请制备1和制备例4制成的石墨板，由表2中数据可知，市售石墨板的电阻率为0.301mΩ.cm，而对照组1和对照组2分别为0.289mΩ.cm和0.276mΩ.cm，且抗弯强度分别为86.4MPa和91.2MPa,说明本申请制备的石墨板导电性能和柔韧性高于市售产品，而且制备例4中掺入辉绿岩纤维制备的石墨板导电性能和力学性能高于制备例1，另外空白组与实施例1相比，经两次机械辊压制成的石墨电极板，其电阻率显著降低，导电性能有效提升。
结合实施例1-10和表2中数据可知，实施例1-3中，石墨电极板的一面经预压和模压形成的流道相互平行，制成的石墨电极板的电阻率与未进行加工的空白组相比，电阻率显著降低，导电性能得到提升。
实施例4-7中，石墨电极板的一面经过预压和模压后形成的流道相互交叉，且交叉角度分别为90°、60°和30°，表2内数据显示，实施例4-7制备的电极板的电阻率小于实施例1-3，说明预压和模压形成的流道相互交叉时的导电性能没有相互平行的导电效果好。
实施例8-10中，石墨电极板的两面均经过预压和模压，表2内数据显示，实施例8-10制备的电极板的电阻率明显低于实施例1-7，说明电极板两侧均经过预压和模压，能提升石墨电极板的电阻率，增大导电性能，降低电能损耗。
实施例11-13中制备石墨电极板时，使用了本申请制备的石墨板，制成的石墨电极板电阻率为0.201-0.211mΩ.cm，抗弯强度为85.7-87.6MPa，与实施例10相比，使用本申请制备的石墨板制备石墨电极板，能显著增强石墨电极板的导电性能和力学强度，从而降低损耗，增加耐久性。
实施例14中石墨板中未添加氧化铈，石墨电极板的电阻率与实施例10相差不大，但抗弯强度显著下降，说明氧化铈与纳米二氧化锡配合，能显著增加石墨板的力学性能。
实施例15-17中在制备石墨板时，添加了辉绿岩纤维，实施例15-17制备的石墨电极板的电阻率为0.182-0.184mΩ.cm，抗弯强度为90.8-91.7MPa，比实施例11-13相比，电阻率下降，抗弯强度得到改善，说明辉绿岩纤维的掺入，能有效增强石墨电极板的导电率和力学性能。
实施例18中因制备辉绿岩纤维时未添加碳纳米管，制成的辉绿岩纤维制成石墨板后，制作石墨电极板时，石墨电极板的电阻率、面电阻与实施例14-16相比，有所下降，与实施例10相比明显在能加，说明掺入碳纳米管制成辉绿岩纤维，用该辉绿岩纤维制备石墨电极板时，能有效增加石墨电极板的导电率，降低电能损耗。
对比例1因未对石墨电极板进行预压，制成的石墨电极板电阻率与实施例1相比，明显增大，说明经过预压和模压后，石墨板的电阻率显著降低，导电性能得到提升。
对比例2因模压时的压力辊压力与预压时的压力辊压力相同，制成的石墨电极板电阻率0.276mΩ.cm，与实施例1相比，电阻率增大，说明模压时压力较小，石墨电极板的密度下降，导电性能下降。
对比例3因模压时压力为27MPa，模压压力变小，与实施例1和对比例2相比，对比例3制备的石墨电极板电阻率增大，说明模压的压力大于预压的压力，能有效提升石墨电极板的导电性能。
对比例4因预压的压力大，模压的压力小，使得石墨板内排气孔较大，石墨板紧实度下降，导电性能降低。
对比例5和对比例6为现有技术制备的石墨电极板，其性能与实施例1相比，电阻率增加显著，说明本申请制备的石墨电极板具有较强的导电性能，电能损耗下降。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预压：在石墨板的一面或双面预压出排气纹，制得预压双极板；
S2、模压：按照流道设计要求，在预压双极板经过预压后的一面或双面上模压出流道，制得双纹路的石墨双极板。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于：所述步骤S1中预压的压力排小于步骤S2中模压的压力。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述步骤S1中预压得到的排气纹深度为0.4-2mm，宽度为0.3-20mm；
所述步骤S2中模压得到的流道深度为0.7-0.9mm，宽度为0.4-0.6mm。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述石墨板的制备方法如下：（1）将天然鳞片石墨放入插层剂中浸渍，水洗，在850-950℃下膨胀10-15s，得到膨胀石墨；
（2）向膨胀石墨中添加固含量为10-15%的纳米二氧化锡和氧化铈混合物，混合均匀，混合物的添加量为膨胀石墨用量的5-10%，氧化铈的添加量为纳米二氧化锡的1-2%；
（3）将膨胀石墨在温度为350-400℃，微波频率为2400-2500MHz的条件下干燥；
（4）将干燥后的膨胀石墨经辊压，制得密度为1.6-2.0g/cm3的石墨板。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述步骤（3）中，将膨胀石墨干燥前，将膨胀石墨平铺在传送带上，向膨胀石墨上均匀喷涂固含量为5-10%的粒径为0.5-1.0um的辉绿岩纤维粉末，辉绿岩纤维粉末的喷涂量为膨胀石墨总量的2-5%。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述辉绿岩纤维粉末的制备方法如下：将辉绿岩矿石、焦粒和白云石按照1:0.3-0.4：0.2-0.5的质量比混合，在1450-1500℃熔融后，以3-3.5m/min的速度拉丝，制成纤维中间体，在拉丝的过程中，将碳纳米管以6-10MPa的压力雾化喷吹至纤维中间体的表面，碳纳米管的厚度为0.1-0.3um，干燥、粉碎，制成辉绿岩纤维粉末。
7.根据权利要求5所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述膨胀石墨的平铺厚度为0.5-1cm。
8.根据权利要求4所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述步骤（1）中天然石墨和插层剂溶液的质量比为1:1-2.5。
9.根据权利要求4所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺，其特征在于，所述插层剂为由1-3重量份硝酸、0.6-1.2重量份高锰酸钾和0.3-0.8重量份磷酸混合制成。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的用于燃料电池的石墨双极板的制作工艺制成的用于燃料电池的石墨双极板。
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