CN113036171A - 一种燃料电池双极板及其成型工艺 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池双极板，按照重量份数，所述燃料电池双极板的原料包括：40‑50份石墨粉；35‑45份沥青焦粉和/或石油焦粉；8‑12份碳化硅；2‑4份石墨烯；5‑10份陶瓷粘接剂；其中，所述陶瓷粘接剂为硅酸盐溶液。本发明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，本发明对石墨双极板进行材料上的优化，以及工艺上的改进，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。

Description

一种燃料电池双极板及其成型工艺

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池双极板及其成型工艺。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEM Fuel Cell)是一种电化学转化装置，它可以通过电化学反应将氢气和氧气中的化学能转化为电能。其中双极板是燃料电池非常重要的一个组件，它占有燃料电池30％的成本、80％的质量和几乎全部的体积。同时双极板还在燃料电池中起着分隔氧化剂与还原剂、收集电流、为冷却液提供流道、电堆的“骨架”等作用。因此，就要求燃料电池双极板具有高的导电率、良好的抗弯强度、良好的耐腐蚀性能以及良好的气密性。

目前比较常见的双极板有三种：石墨板、金属板和复合材料双极板。其中，金属板具有良好的导电导热性，气密性好。但是，金属双极板由于金属自身的特性以及工艺的限制，易出现腐蚀甚至锈穿，导致电池的使用寿命缩短甚至发生灾难性的破坏；

纯石墨板具有良好的导电导热性、化学稳定性，纯石墨板一般采用传统的机加工方法加工流道，流道就不能太窄(比如不能低于0.7mm)。如果流道过窄，加工刀具在加工过程中的磨损所引起的尺寸误差将不能容忍。此外，纯石墨板的机加工过程耗时也很长，生产效率不高，这些都导致纯石墨板双极板的加工成本偏高，甚至超过材料成本。另一方面，纯石墨板性脆，其内部孔隙的存在导致其易漏气，必须保持一定的厚度以保证其气密性，这就制约了电堆体积比功率和重量比功率的提升。

故而目前对于复合材料双极板的研究越来越多，但现有的复合材料双极板，比如金属/石墨复合板、天然石墨/树脂复合板等，受限于工艺或者材料因素，仍主要在导电率、强度、气密性这三个方面存在不足，所以寻求双极板更好的制备工艺与方法，是燃料电池商业化的必经之路。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种燃料电池双极板及其成型工艺，成型工艺完全不同于现有的双极板制备工艺，且双极板以石墨粉为核心原料，通过复合多种性能材质，并采用冷压成型工艺，成型出的双极板在导电率、强度和气密性这三方面均得到了显著的性能提高。

本发明为了解决上述问题所采取的技术方案为：

一种燃料电池双极板，按照重量份数，所述燃料电池双极板的原料包括：

40-50份石墨粉；

35-45份沥青焦粉和/或石油焦粉；

8-12份碳化硅；

2-4份石墨烯；

5-10份陶瓷粘接剂；

其中，所述陶瓷粘接剂为硅酸盐溶液。

作为优选的，所述石墨粉的平均粒径小于30微米。

作为优选的，所述氮化硅的平均粒径小于15微米。

作为优选的，所述石墨烯的平均粒径为6-8微米。

一种燃料电池双极板的成型工艺，包括以下步骤：

S1、将40-50份石墨粉、35-45份沥青焦粉和/或石油焦粉、8-12份碳化硅、2-4份石墨烯分别均匀混合，搅拌均匀，得粉料混合物；

S2、向S1所得粉料混合物中加入5-10份陶瓷粘接剂，均匀搅拌混合，得基料；

S3、将基料在300t压力下冷压成型，得到燃料电池双极板毛坯；

S4、将燃料电池双极板毛坯在350-400℃下焙烧4-5h，冷却后即得燃料电池双极板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一方面，本发明所述的燃料电池双极板，以石墨为核心原料，其占比最大，石墨具有天然的高韧性，其能够为成型后的双极板提供充分的韧性保障；

以沥青焦粉或/和石油焦粉为次要原料，不论是沥青焦粉还是石油焦粉，其在烧结后具有石墨所不具备的高强度性能，其与石墨粉混合后，能够为成型后的双极板提供充分的强度保障，另外，沥青焦粉或/和石油焦粉与石墨粉混合后，还能够很大程度上弥补石墨材料气密性差的不足；

在上述两种原料的基础上，添加氮化硅微分，氮化硅是十分优异的结构陶瓷材料，其化学性能十分稳定，且硬度大，本身具有润滑性，并具有优异的抗腐蚀、抗冷热冲击的性能，其与石墨、焦粉混合后，能够极大的提升成型后的双极板的抗腐蚀性能与抗温变性能；

另外，石墨粉具有优异的导电性能，但沥青焦粉或/和石油焦粉以及氮化硅的加入，会在一定程度上降低成型后双极板的导电性能，而为了弥补上述先天条件的不足，加入了导电性能更佳的石墨烯，且石墨烯自身的物理性能优异，其不仅导电性能好，自身还具有极高的强度与韧性，作为复合双极板的原料之一，能够为成型后的双极板提供优异的导电性保障。

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。

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，本发明对石墨双极板进行材料上的优化，以及工艺上的改进，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，实施例1，本发明实施例提供一种燃料电池双极板，按照重量份数，所述燃料电池双极板的原料包括：

40份石墨粉；

35份沥青焦粉和/或石油焦粉；

8份碳化硅；

2份石墨烯；

5份陶瓷粘接剂；

其中，所述陶瓷粘接剂为硅酸盐溶液。

作为优选的，所述石墨粉的平均粒径为25微米。

作为优选的，所述氮化硅的平均粒径10微米。

作为优选的，所述石墨烯的平均粒径为6微米。

一种燃料电池双极板的成型工艺，包括以下步骤：

S1、将40份石墨粉、3份沥青焦粉和/或石油焦粉、8份碳化硅、2份石墨烯分别均匀混合，搅拌均匀，得粉料混合物；

S2、向S1所得粉料混合物中加入5份陶瓷粘接剂，均匀搅拌混合，得基料；

S3、将基料在300t压力下冷压成型，得到燃料电池双极板毛坯；

S4、将燃料电池双极板毛坯在350℃下焙烧5h，冷却后即得燃料电池双极板。

实施例2，本发明实施例提供一种燃料电池双极板，按照重量份数，所述燃料电池双极板的原料包括：

50份石墨粉；

45份沥青焦粉和/或石油焦粉；

12份碳化硅；

4份石墨烯；

10份陶瓷粘接剂；

其中，所述陶瓷粘接剂为硅酸盐溶液。

作为优选的，所述石墨粉的平均粒径20微米。

作为优选的，所述氮化硅的平均粒径8微米。

作为优选的，所述石墨烯的平均粒径为8微米。

一种燃料电池双极板的成型工艺，包括以下步骤：

S1、将50份石墨粉、45份沥青焦粉和/或石油焦粉、12份碳化硅、4份石墨烯分别均匀混合，搅拌均匀，得粉料混合物；

S2、向S1所得粉料混合物中加入10份陶瓷粘接剂，均匀搅拌混合，得基料；

S3、将基料在300t压力下冷压成型，得到燃料电池双极板毛坯；

S4、将燃料电池双极板毛坯在400℃下焙烧4h，冷却后即得燃料电池双极板。

实施例3，本发明实施例提供一种燃料电池双极板，按照重量份数，所述燃料电池双极板的原料包括：

45份石墨粉；

30份沥青焦粉和/或石油焦粉；

10份碳化硅；

4份石墨烯；

8份陶瓷粘接剂；

其中，所述陶瓷粘接剂为硅酸盐溶液。

作为优选的，所述石墨粉的平均粒径20微米。

作为优选的，所述氮化硅的平均粒径小于8微米。

作为优选的，所述石墨烯的平均粒径为6微米。

一种燃料电池双极板的成型工艺，包括以下步骤：

S1、将45份石墨粉、30份沥青焦粉和/或石油焦粉、10份碳化硅、4份石墨烯分别均匀混合，搅拌均匀，得粉料混合物；

S2、向S1所得粉料混合物中加入8份陶瓷粘接剂，均匀搅拌混合，得基料；

S3、将基料在300t压力下冷压成型，得到燃料电池双极板毛坯；

S4、将燃料电池双极板毛坯在400℃下焙烧4.5h，冷却后即得燃料电池双极板。

在上述实施例的基础上，本发明可在原料中加入经过修饰的氧化石墨烯微粉，具体地，采用改进Hummers法制备氧化石墨烯，将氧化石墨烯与去离子水混合后超声，得到氧化石墨烯分散液；所述的氧化石墨烯分散液中氧化石墨烯的浓度1-3mg/mL，再向氧化石墨烯分散液中加入超细铜粉，所述超细铜粉的平均粒径不超过1.5微米，混合均匀，得到超细铜粉-氧化石墨烯分散液，将超细铜粉-氧化石墨烯分散液在真空条件下烘干至粉浆状态，得到粉浆液，所述分浆液的含水率保持在14-16%，然后，将粉浆液均匀涂覆在S3制得的燃料电池双极板毛坯的表面，在160-180℃下烘干至完全干燥，再在300t的压力下冷压带有粉浆液涂层的燃料电池双极板毛坯，之后进行S4步骤，焙烧完成后，即得燃料电池双极板。

在上述操作中，超细铜粉-氧化石墨烯均匀涂覆在燃料电池双极板毛坯的表面，在高温焙烧过程中，附着在双极板表面的铜粉和氧化石墨烯结合形成铜基氧化石墨烯层，其借助氧化石墨烯优异的附着性能，能够稳固的附着在燃料电池双极板的表面，经烧结后与燃料电池双极板形成一体，且铜基氧化石墨烯层的导电性能与抗腐蚀性能兼具，附着后进一步提升燃料电池双极板的气密性，对燃料电池双极板气密性、导电性与抗腐蚀性能的提升提供有力保障。

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 (5)

1.一种燃料电池双极板，其特征在于：按照重量份数，所述燃料电池双极板的原料包括：

40-50份石墨粉；

35-45份沥青焦粉和/或石油焦粉；

8-12份碳化硅；

2-4份石墨烯；

5-10份陶瓷粘接剂；

其中，所述陶瓷粘接剂为硅酸盐溶液。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于：所述石墨粉的平均粒径小于30微米。

3.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于：所述氮化硅的平均粒径小于15微米。

4.如权利要求1所述的一种燃料电池双极板，其特征在于：所述石墨烯的平均粒径为6-8微米。

5.一种燃料电池双极板的成型工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将40-50份石墨粉、35-45份沥青焦粉和/或石油焦粉、8-12份碳化硅、2-4份石墨烯分别均匀混合，搅拌均匀，得粉料混合物；

S2、向S1所得粉料混合物中加入5-10份陶瓷粘接剂，均匀搅拌混合，得基料；

S3、将基料在300t压力下冷压成型，得到燃料电池双极板毛坯；

S4、将燃料电池双极板毛坯在350-400℃下焙烧4-5h，冷却后即得燃料电池双极板。