CN113320194A - 复合双极板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合双极板的制备方法及复合双极板，复合双极板的制备方法包括步骤：提供一成型模具，成型模具具有上模和下模；向下模的模腔中放入膨胀石墨板，并倒入树脂浆液；将上模与下模合模，并对模具的模腔进行抽真空处理；合模压紧模具的模腔内的膨胀石墨板；脱模得到阳极板或阴极板中的一者，再通过同样的方式得到阳极板或阴极板中的另一者；将阳极板和阴极板固接得到复合双极板。本发明提供的复合双极板的制备方法及复合双极板，通过下模与上模的配合，并结合抽真空操作，可一次成型阳极板或阴极板，相对传统的复合双极板制备方法，无需经过整形模压、浸胶、漂洗及固化多个不同步骤，因此，简化了制备流程，提高了制备效率。

Description

复合双极板及其制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种复合双极板及其制备方法。
背景技术
近几年，燃料电池由于高效、无噪音、无污染受到很多国家的重视，并在众多领域有着广泛的应用。其中，质子交换膜燃料电池是目前市场上最受欢迎的燃料电池。
双极板是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，在燃料电池中起到收集电流、气体分配、支撑膜电极以及水管理、热管理的作用。因此，为满足双极板功能要求，双极板材料必须具有良好的导电性、优异的气密性、优异的抗腐蚀性、良好的导热性以及易于加工。
目前，燃料电池双极板材料主要有三类：金属材料、石墨材料和复合材料。其中，石墨基复合材料双极板相较于其他材料的双极板，可同时兼具耐腐蚀性能、优异的导电性、导热性及气密性，但存在制备效率低的问题。
发明内容
基于此，有必要针对现有的石墨基复合材料双极板制备效率低的问题，提供一种制备效率高的复合双极板及其制备方法。
本申请的一方面，提供一种复合双极板的制备方法，包括步骤：
提供一成型模具，所述成型模具具有上模和下模；
向所述下模的模腔中放入膨胀石墨板，并倒入树脂浆液；
将所述上模与所述下模合模，并对所述成型模具的模腔进行抽真空处理；
合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板；
脱模得到阳极板或阴极板中的一者，再通过同样的方式得到阳极板或阴极板中的另一者；
将所述阳极板和所述阴极板固接得到复合双极板。
在其中一个实施例中，所述树脂浆液的加入量为所述膨胀石墨板的质量的1％～100％。
在其中一个实施例中，所述树脂浆液的加入量为所述膨胀石墨板的质量的30％～50％。
在其中一个实施例中，所述合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板具体包括：
合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板至预设压力，并保压第一预设时长。
在其中一个实施例中，所述预设压力范围为50千牛顿～180千牛顿，且所述第一预设时长范围为10秒～600秒。
在其中一个实施例中，在所述脱模得到阳极板或阴极板中的一者之前，且在所述合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板之后，还包括步骤：
对所述成型模具进行加热处理。
在其中一个实施例中，所述对所述成型模具进行加热处理具体包括：
对所述成型模具加热至预设温度，并保持第二预设时长。
在其中一个实施例中，所述预设温度范围为90度～300度，且所述第二预设时长范围为10秒～1800秒。
在其中一个实施例中，所述将所述上模与所述下模合模，并对所述成型模具的模腔进行抽真空处理具体包括：
所述上模与所述下模合模至所述上模与所述膨胀石墨板的表面接触时，对所述成型模具的模腔进行抽真空处理。
在其中一个实施例中，所述膨胀石墨板的密度范围为0.07克/立方厘米～0.5克/立方厘米。
在其中一个实施例中，所述树脂浆液为导电聚合物树脂浆液。
在其中一个实施例中，所述将所述阳极板和所述阴极板固接得到复合双极板具体包括：
将所述阳极板和所述阴极板粘接固化得到复合双极板。
本申请的另一方面，还提供一种复合双极板，通过上述的复合双极板的制备方法制备形成。
上述复合双极板的制备方法及复合双极板，通过下模与上模的配合，并结合抽真空操作，可一次成型阳极板或阴极板，相对传统的复合双极板制备方法，无需经过整形模压、浸胶、漂洗及固化多个不同步骤，因此，简化了制备流程，提高了制备效率。
附图说明
图1为本发明一实施例中的复合双极板的制备方法的流程图；
图2中的(a)～(d)为本发明一实施例中的复合双极板的制备的步骤分解结构示意图；
图3中的(a)～(d)为本发明另一实施例中的复合双极板的制备的步骤分解结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明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发明。但是本发明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发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
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发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明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，不是旨在于限制本发明。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“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。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
此外，附图并不是1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。
图1示出本发明一实施例中的复合双极板的制备方法的流程图；图2中的(a)～(d)示出了本发明一实施例中的复合双极板的制备的步骤分解结构示意图；图3中的(a)～(d)示出了本发明另一实施例中的复合双极板的制备的步骤分解结构示意图。为便于描述，附图仅示出了与本发明实施例相关的结构。
参阅附图，本发明一实施例提供一种复合双极板的制备方法100，包括步骤：
S100：提供一成型模具10，成型模具10具有上模11和下模12；
其中，下模12具有模腔，在一些实施例中，上模11也具有模腔，上模11的模腔和下模12的模腔121形成了成型模具10的模腔。为了便于区分，将下模12的模腔命名为第一子模腔121，上模11的模腔121命名为第二子模腔111，第一子模腔121与第二子模腔111共同形成了成型模具10的模腔。
S200：向下模12的模腔中放入膨胀石墨板20，并倒入树脂浆液30；
如图3所示，具体地，可先向下模12的第一子模腔121中放入膨胀石墨板20，再倒入树脂浆液30，如图2所示，在其他实施方式中，也可以先向下模21的第一子模腔121中倒入树脂浆液30，再放入膨胀石墨板20，在此不作限制。其中，先向下模12的第一子模腔121中放入膨胀石墨板20，再倒入树脂浆液30的方式，还能够使树脂浆液30在重力作用下渗入至膨胀石墨板20的内部。
S300：将上模11与下模12合模，并对成型模具10的模腔进行抽真空处理。
具体地，可在成型模具10上设置与成型模具10的模腔连通的抽气通道，使用抽气设备40，具体为真空泵对抽气通道进行抽真空，进而对成型模具10的模腔进行抽真空。
S400：合模压紧成型模具10的模腔内的膨胀石墨板20；
具体地，可使上模11朝向下模12下压，合模压紧成型模具10的模腔内的膨胀石墨板20，在其他实施例中，也可使下模12朝向上模11压合，也可以是上模11和下模12同时朝向彼此移动，在此不作限制。
S500：脱模得到阳极板或者阴极板中的一者，再通过同样的方式得到阳极板或阴极板中的另一者；
具体地，使上模11与下模12分离，进而脱模得到阳极板或者阴极板中的一者，再重复步骤S100～S400，并通过脱模得到阳极板或者阴极板中另的一者。
需要指出的是，通过同样步骤得到的阳极板与阴极板，不一定是完全相同的，可以存在厚度上的差异，或者因不同密度或结构的膨胀石墨板20而带来的结构上的差异。
S600：将阳极板和阴极板固接得到复合双极板。
如此，由于膨胀石墨板20为多孔结构板，因此，在将膨胀石墨板20与树脂浆液30一同放入下模12的第一子模腔121内后，可在毛细作用下将树脂浆液30吸入至膨胀石墨板20的孔内，然后在合模且对成型模具10的模腔进行抽真空过程中，树脂浆液30又可进一步地在膨胀石墨板20的孔内扩散，并分布逐步均匀，随后再进行合模压紧，使得树脂浆液30在膨胀石墨板20的孔内分布更加完全且均匀，故可以得到兼具耐腐蚀性能、优异的导电性、导热性及气密性的复合双极板。
本申请的复合双极板的制备方法，通过下模12与上模11的配合，并结合抽真空操作，可一次成型阳极板或阴极板，相对传统的复合双极板制备方法，无需经过整形模压、浸胶、漂洗及固化多个不同步骤，因此，简化了制备流程，提高了制备效率。
为了使树脂浆液30能够在阳极板或者阴极板制备完成后，能够很好地进入到膨胀石墨板20的所有孔内，且又能够在脱模后免于清洗，经研究人员发现，可通过控制树脂浆液30的加入量来控制。具体到本申请的实施例中，树脂浆液30的加入量为膨胀石墨板20的质量的1％～100％。优选地，树脂浆液30的加入量为膨胀石墨板20的质量的30％～50％。在优选方式下，经检测，树脂浆液30能够很好地进入到膨胀石墨板20的所有孔内，且无脱模后树脂浆液30残留于阳极板或阴极板外部的情况。
在一些实施例中，树脂浆液30为导电聚合物树脂浆液。如此，可进一步地提高双极板的贯通面的电导率。在其他实施方式中，树脂浆液30也可为热固型树脂，在此不作限制。
在一些实施例中，步骤S300具体包括：
上模11与下模12合模至上模11与膨胀石墨板20的表面接触时，对成型模具10的模腔进行抽真空处理。如此，可使得膨胀石墨板20定位在上模11与下模12之间，避免抽真空时，膨胀石墨板20运动而影响树脂浆液30的吸入，故可提高树脂浆液30吸入的稳定性。
在一些实施例中，步骤S400具体包括：
合模压紧成型模具10的模腔内的膨胀石墨板20至预设压力，并保持第一预设时长。如此，可为树脂浆液30提供一定的扩散时间，进一步地提高了阳极板或阴极板的气密性。
经研究人员研究发现，当预设压力范围为50千牛顿～180千牛顿，且所述第一预设时长范围为10秒～600秒时，阳极板或阴极板的气密封最佳，且可提高膨胀石墨板20的结构强度。
在一些实施例中，在步骤S500之前，步骤S400之后还包括步骤：
S450：对成型模具10进行加热处理。通过对成型模具10进行加热，可使树脂浆液30固化，另外，由于直接对成型模具10进行加热，而不是在脱模后进行加热，可使得树脂浆液30在膨胀石墨板20内处于最佳状态时进行固化，从而在脱模后能够保持树脂浆液30在膨胀石墨板20内的状态。
在一些实施方式中，步骤S450具体包括：
对成型模具10加热至预设温度，并保持第二预设时长。如此，可使得树脂浆液30在膨胀石墨板20内的固化效果更佳且稳定。
经研究人员研究发现，当预设温度范围为90度～300度，且第二预设时长范围为10秒～1800秒时，固化效果最佳。
在一些实施例中，膨胀石墨板20的密度范围为0.5克/立方厘米～1克/立方厘米。膨胀石墨板20的密度越小，其内的孔越多，树脂浆液30受到的阻力越小，且越容易进入孔内，故树脂浆液30更易完全地填装在膨胀石墨板20的孔内。优选地，膨胀石墨板20的密度范围为0.07克/立方厘米～0.5克/立方厘米。
还需要指出的是，膨胀石墨板20在入模前的厚度为3毫米～10毫米，在脱模后，阳极板或阴极板的厚度为0.4毫米～1.2毫米。因此，通过本申请的制备方法，可使双极板的厚度低，因此，形成的电堆的比功率高。
在一些实施例中，步骤S600具体包括：
将阳极板和阴极板粘接固化得到复合双极板。相对与传统辊压或者模压的方式，此方式更加简单且效率高。
为了方便理解本申请，以下给出了一些具体实施例进行详述。
第一实施例：
在膨胀石墨板20模压成型前，将25克丙烯酸树脂倒入成型模具10的下模12的第一子模腔121中，然后将质量为60克、密度为0.1克/立方厘米，厚度为6毫米的膨胀石墨板20放于第一子模腔121中，在毛细作用下即可将树脂浆液30吸入膨胀石墨板20内部，随后进行合模，待成型模具10的上模11与膨胀石墨板20上表面接触时开始抽真空，此时上模11保持静止，在抽真空过程中，树脂浆液30可进一步在膨胀石墨板20内部扩散，使其分布逐步均匀，待真空度达到-95千牛顿时，上模11继续下行，下压压力达到80千牛顿时，继续保压300秒。随后泄压，接下来给模具加热至95摄氏度，并保持300秒，然后脱模，得到厚度为0.6毫米的阳极板。
第二实施例：
在膨胀石墨板20模压成型前，将25克丙烯酸树脂浆液倒入成型模具10的下模12的第一子模腔121中，然后将质量为60克、密度为0.1克/立方厘米，厚度为6毫米的膨胀石墨板20放于第一子模腔121中，在毛细作用下即可将树脂浆液30吸入膨胀石墨板20内部，随后进行合模，待成型模具10的上模11与膨胀石墨板20上表面接触时开始抽真空，此时上模11保持静止，在抽真空过程中，树脂浆液30可进一步在膨胀石墨板20内部扩散，使其分布逐步均匀，待真空度达到-95千牛顿时，上模11继续下行，下压压力达到60千牛顿时，继续保压300秒。随后泄压，接下来给模具加热至95摄氏度，并保持300秒，然后脱模，得到厚度为0.9毫米的阴极板。
第三实施例：
在膨胀石墨板20模压成型前，将40克导电聚合物树脂浆液倒入成型模具10的下模12的第一子模腔121中，然后将质量为50克、密度为0.1克/立方厘米，厚度为5毫米的膨胀石墨板20放于第一子模腔121中，在毛细作用下即可将树脂浆液30吸入膨胀石墨板20内部，随后进行合模，待成型模具10的上模11与膨胀石墨板20上表面接触时开始抽真空，此时上模11保持静止，在抽真空过程中，树脂浆液30可进一步在膨胀石墨板20内部扩散，使其分布逐步均匀，待真空度达到-95千牛顿时，上模11继续下行，下压压力达到60千牛顿时，继续保压300秒。随后泄压，接下来给模具加热至200摄氏度，并保持600秒，然后脱模，得到厚度为0.4毫米的阳极板。
第四实施例：
在膨胀石墨板20模压成型前，将40克导电聚合物树脂浆液倒入成型模具10的下模12的第一子模腔121中，然后将质量为50克、密度为0.1克/立方厘米，厚度为5毫米的膨胀石墨板20放于第一子模腔121中，在毛细作用下即可将树脂浆液30吸入膨胀石墨板20内部，随后进行合模，待成型模具10的上模11与膨胀石墨板20上表面接触时开始抽真空，此时上模11保持静止，在抽真空过程中，树脂浆液30可进一步在膨胀石墨板20内部扩散，使其分布逐步均匀，待真空度达到-95千牛顿时，上模11继续下行，下压压力达到50千牛顿时，继续保压300秒。随后泄压，接下来给模具加热至200摄氏度，并保持600秒，然后脱模，得到厚度为0.6毫米的阴极板。
第五实施例：
在膨胀石墨板20模压成型前，将质量为60克、密度为0.1克/立方厘米，厚度为6毫米的膨胀石墨板20放于第一子模腔121中，然后将25克丙烯酸树脂浆液倒入成型模具10的下模12的第一子模腔121中，在毛细作用和重力作用下即可将树脂浆液30渗入膨胀石墨板20内部，随后进行合模，待成型模具10的上模11与膨胀石墨板20上表面接触时开始抽真空，此时上模11保持静止，在抽真空过程中，树脂浆液30可进一步在膨胀石墨板20内部扩散，使其分布逐步均匀，待真空度达到-95千牛顿时，上模11继续下行，下压压力达到80千牛顿时，继续保压300秒。随后泄压，接下来给模具加热至95摄氏度，并保持300秒，然后脱模，得到厚度为0.6毫米的阳极板。
第六实施例：
在膨胀石墨板20模压成型前，将质量为60克、密度为0.1克/立方厘米，厚度为6毫米的膨胀石墨板20放于第一子模腔121中，然后将25克丙烯酸树脂浆液倒入成型模具10的下模12的第一子模腔121中，在毛细作用和重力作用下即可将树脂浆液30渗入膨胀石墨板20内部，随后进行合模，待成型模具10的上模11与膨胀石墨板20上表面接触时开始抽真空，此时上模11保持静止，在抽真空过程中，树脂浆液30可进一步在膨胀石墨板20内部扩散，使其分布逐步均匀，待真空度达到-95千牛顿时，上模11继续下行，下压压力达到60千牛顿时，继续保压300秒。随后泄压，接下来给模具加热至95摄氏度，并保持300秒，然后脱模，得到厚度为0.9毫米的阴极板。
本发明实施例提供的复合双极板的制备方法100、复合双极板的制备方法总成300及车辆，相较于现有技术，具有以下有益效果：
通过下模12与上模11的配合，并结合抽真空操作，可一次成型阳极板或阴极板，相对传统的复合双极板制备方法，无需经过整形模压、浸胶、漂洗及固化多个不同步骤，因此，简化了制备流程，提高了制备效率。
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发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种复合双极板的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一成型模具，所述成型模具具有上模和下模；
向所述下模的模腔中放入膨胀石墨板，并倒入树脂浆液；
将所述上模与所述下模合模，并对所述成型模具的模腔进行抽真空处理；
合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板；
脱模得到阳极板或阴极板中的一者，再通过同样的方式得到阳极板或阴极板中的另一者；
将所述阳极板和所述阴极板固接得到复合双极板。
2.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述树脂浆液的加入量为所述膨胀石墨板的质量的1％～100％。
3.根据权利要求2所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述树脂浆液的加入量为所述膨胀石墨板的质量的30％～50％。
4.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板具体包括：
合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板至预设压力，并保压第一预设时长。
5.根据权利要求4所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述预设压力范围为50千牛顿～180千牛顿，且所述第一预设时长范围为10秒～600秒。
6.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，在所述脱模得到阳极板或阴极板中的一者之前，且在所述合模压紧所述成型模具的模腔内的膨胀石墨板之后，还包括步骤：
对所述成型模具进行加热处理。
7.根据权利要求6所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述对所述成型模具进行加热处理具体包括：
对所述成型模具加热至预设温度，并保持第二预设时长。
8.根据权利要求7所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述预设温度范围为90度～300度，且所述第二预设时长范围为10秒～1800秒。
9.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述将所述上模与所述下模合模，并对所述成型模具的模腔进行抽真空处理具体包括：
所述上模与所述下模合模至所述上模与所述膨胀石墨板的表面接触时，对所述成型模具的模腔进行抽真空处理。
10.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述膨胀石墨板的密度范围为0.07克/立方厘米～0.5克/立方厘米。
11.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述树脂浆液为导电聚合物树脂浆液。
12.根据权利要求1所述的复合双极板的制备方法，其特征在于，所述将所述阳极板和所述阴极板固接得到复合双极板具体包括：
将所述阳极板和所述阴极板粘接固化得到复合双极板。
13.一种复合双极板，其特征在于，通过如权利要求1～12任一项所述的复合双极板的制备方法制备形成。
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