CN114156491B - 一种燃料电池极板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池极板的制备方法，该方法包括如下步骤：(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；将纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；(3)将混合涂料涂布至碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；(4)将涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到极板；(5)将极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理后，冲洗后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板；制得的极板重量轻、气密性好。
Description
技术领域
本申请属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池极板的制备方法。
背景技术
燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。相比于传统能源而言，燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，近年来得到了国内外的普遍重视。目前，燃料电池在宇宙飞船、航天飞机及潜艇动力源方面已经得到应用，在汽车、电站及便携式电源等民用领域成功地示范。双极板是燃料电池部件中的重要部件，主要起到支撑和分配气体的作用。
目前，质子交换膜燃料电池的主要发展方向是车用或便携式移动电源，这就要求设计过程中涉及到的所有材料和部件都必须尽可能地追求轻量化、小型化。现在市场上的燃料电池大多采用金属双极板或石墨双极板组装电堆，其制造成本较高，膜电极的利用率低，而且重量占电堆重量的一半以上，体积占燃料电池体积的30～70％左右，使得燃料电池的重量与体积偏大，限制了燃料电池的应用范围与应用领域。因此，燃料电池的轻量化是当前急需解决的问题。
为解决燃料电池轻量化的问题，不同的学者、企业给出了不同的解决方案。JIXiuling,W Lou等人在其论文‘基于MEMS技术的微型直接甲醇燃料电池设计(Design of aNew Micro Direct Methanol Fuel Cell Utilizing MEMS Technology)’中提出了如管(圆柱)形异形燃料电池结构的想法，该结构简化了电池的外围设备，大大降低了燃料电池的体积和重量。但该方法对于燃料电池轻量化而言成本较大，且只能用于小功率场景，无法大规模量产。因此，现有的燃料电池轻量化技术与思路还有待于改进与发展。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种燃料电池极板的制备方法以解决燃料电池的轻量化和气密性问题。本申请通过湿法制备碳纤维片材，并对极板进行浸胶处理，可以大幅度减轻燃料电池极板的重量，在有效解决现有的燃料电池轻量化的技术问题的同时，大幅度减轻燃料电池的重量、减小燃料电池体积，同时可以很好的保证极板的气密性，并且实现连续化生产，降低生产成本、提高生产效率。
本发明实施例提供一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于(900～2900)℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌(2～4)h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比(2～5)：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为(6～20)：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的(0.01～0.04)wt％；所述树脂和所述石墨粉的重量比为(0.01～1)：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为(0.05～0.5)：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为20g/m2～35g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理(0.5～1)h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有(0.005～0.01)wt％分散剂的水溶液。
所述分散剂优选为羧甲基纤维素(CMC)、聚氧化乙烯(又称聚环氧乙烷，PEO)、聚丙烯酰胺(PAM)或者阴离子聚丙烯酰胺(APAM)中的一种。
所述压制处理的压力为(3.5～6)N，压制处理的温度为(130～150)℃，压制处理的时间为(0.5～2)h。
所述纤维片材的长度优选为(2～12)mm。
所述惰性气体优选为氮气或者氩气。
所述碳化处理的时间优选为(30～60)分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有(1.2～2.4)wt％改性剂的水溶液。所述改性剂优选为酚醛树脂或者聚乙烯醇缩丁醛。
所述碳纤维片材的厚度为(0.10～0.50)mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为(50～80)MPa，拉伸强度为(35～50)MPa。
所述碳纤维片材的导电率为(1.5～10)S/cm，密度为(1.3～1.8)g/cm3，抗张指数为(40～82)Nm/g，孔隙率为(8～35)％。
所述碳纤维片材优选为碳纤维毛毡、碳纤维编织布或者碳纤维预浸布。
所述混合优选在纤维解离器中进行。
步骤(2)中，
所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂、乙烯基树脂酯、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂和聚偏氟乙烯树脂中的一种或至少两种的混合物。
所述导电剂粉末为银单质、银合金、铜单质、铜合金、铝单质或者铝合金中的一种或至少两种的混合物，优选为铜单质、铜合金、铝单质或铝合金中至少两种的混合物。
所述有机溶剂优选为乙醇、乙醚或者N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
所述混合涂料的粘度优选为(1500～4000)CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于(0～60)℃干燥(25～30)min；所述固化的条件为于(155～170)℃固化(20～25)min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为(0.2～0.6)mm。
步骤(5)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的(0.3～0.6)wt％。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间优选为2h。
所述干燥的条件为于(50～60)℃干燥(1～3)h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为(50～80)MPa，拉伸强度为(35～50)MPa，抗压强度为(200～900)MPa。
本申请通过湿法制备碳纤维片材，并对极板进行浸胶处理，解决了燃料电池极板和燃料电池的轻量化和气密性问题，可以大幅度减轻燃料电池极板的重量、减小燃料电池的体积，同时可以很好的保证极板的气密性，进而保证燃料电池的良好性能。
并且，本申请通过在碳纤维片材上采用湿法涂布混合涂料，充分保证了混合涂料与碳纤维片材的接触面积，保证了燃料电池极板的稳定性。一次性模压成型，实现了燃料电池极板的连续化生产，同时大幅度减轻了极板的重量，减小了燃料电池的体积，降低了生产成本，提高了生产效率。本发明的制备方法简单，易于批量化或大规模生产。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明一实施例的燃料电池极板的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，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并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)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。
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。
如图1所示，本发明实施例提供一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于(900～2900)℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌(2～4)h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比(2～5)：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为(6～20)：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的(0.01～0.04)wt％；所述树脂和所述石墨粉的重量比为(0.01～1)：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为(0.05～0.5)：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为20g/m2～35g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理(0.5～1)h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有(0.005～0.01)wt％分散剂的水溶液。通过控制分散剂浓度为(0.005～0.01)wt％，可以保证碳纤维的分散效果，进而保证碳纤维片材的理化性能，而且成本较低。
所述分散剂优选为羧甲基纤维素(CMC)、聚氧化乙烯(又称聚环氧乙烷，PEO)、聚丙烯酰胺(PAM)或者阴离子聚丙烯酰胺(APAM)中的一种。
所述压制处理的压制压力为(3.5～6)N，压制处理的温度为(130～150)℃，压制处理的时间为(0.5～2)h。
所述纤维片材的长度优选为(2～12)mm。
所述惰性气体优选为氮气或者氩气。
所述碳化处理的时间优选为(30～60)分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有(1.2～2.4)wt％改性剂的水溶液。通过控制改性剂浓度为(1.2～2.4)wt％，可以保证碳纤维片材的理化性能，而且成本较低，改性剂浓度过高或过低，都会对碳纤维片材的质量和性能产生不良影响。
所述改性剂优选为酚醛树脂或者聚乙烯醇缩丁醛。
所述碳纤维片材的厚度为(0.10～0.50)mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为(50～80)MPa，拉伸强度为(35～50)MPa。
所述碳纤维片材的导电率为(1.5～10)S/cm，密度为(1.3～1.8)g/cm3，抗张指数为(40～82)Nm/g，孔隙率为(8～35)％。
所述碳纤维片材优选为碳纤维毛毡、碳纤维编织布或者碳纤维预浸布。
所述混合优选在纤维解离器中进行。
通过步骤(1)的方法对碳纤维进行处理，可以很明显的增强碳纤维片材的理化性能(包括力学性能和导电性)，在有效将燃料电池极板轻量化的同时，大幅度减轻燃料电池的重量和体积，同时也很好的保证了极板的气密性。其处理方法简单快捷，生产成本较低，可以实现连续化生产，提高生产效率。
将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中并搅拌2～4小时，可以保证所述碳化纤维片材与改性剂溶液充分混合，进而保证碳纤维片材的理化性能。
步骤(1)中的冲洗为采用纯水进行冲洗，把片材表面的改性剂容易冲洗干净即可；晾干为自然晾干。
步骤(2)中，
所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、丙烯酸类树脂、乙烯基树脂酯、聚酰亚胺树脂、氰酸酯树脂和聚偏氟乙烯树脂中的一种或至少两种的混合物。
所述导电剂粉末为银单质、银合金、铜单质、铜合金、铝单质或者铝合金中的一种或至少两种的混合物，优选为铜单质、铜合金、铝单质或铝合金中至少两种的混合物。
所述有机溶剂优选为乙醇、乙醚或者N-甲基吡咯烷酮(NMP)。
所述混合涂料的粘度优选为(1500～4000)CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于(0～60)℃干燥(25～30)min；所述固化的条件为于(155～170)℃固化(20～25)min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。这样可以保证长期操作条件下电极结构的稳定性。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为(0.2～0.6)mm。这样，可以保证极板具有适当的刚性与柔性、利于电极的制作，从而保证燃料电池极板的良好性能，使其具有较好的弯曲、拉伸以及抗压强度，也能够保证电堆的比体积密度和比重量密度。
在步骤(4)中，将涂布碳纤维片材先低温干燥后进行模压，然后再进行高温固化，可以防止涂布碳纤维片材提前固化，有效保证涂布碳纤维片材的固化效果。
步骤(5)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的(0.3～0.6)wt％。通过环氧树脂乙醇溶液对极板进行浸胶处理，在轻量化的同时，可以进一步消除极板上的微孔或者空隙，进而更好的保证极板的气密性，在保证极板弯曲强度的同时也很好的提高了极板的抗压强度。
所述冲洗优选通过20MPa的纯水进行冲洗，冲洗干净的标准为冲洗至极板表面多余的环氧树脂溶液被冲洗掉即可。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间优选为2h。
所述干燥的条件为于(50～60)℃干燥(1～3)h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为(50～80)MPa，拉伸强度为(35～50)MPa，抗压强度为(200～900)MPa。
在本申请中，如果碳纤维片材的厚度小于0.10mm或者混合浆料的涂布量低于20g/m2，则很难保证极板的刚性、电堆的比体积密度和比重量密度；如果碳纤维片材的厚度大于0.50mm或者混合浆料的涂布量大于35g/m2，极板则容易欠缺柔性，不利于电极制作，从而保证燃料电池极板的良好性能，使其具有较好的弯曲、拉伸以及抗压强度。
本申请通过湿法制备碳纤维片材，并对极板进行浸胶处理，解决了燃料电池极板和燃料电池的轻量化和气密性问题，可以大幅度减轻燃料电池极板的重量、减小燃料电池的体积，同时可以很好的保证极板的气密性，进而保证燃料电池的良好性能。
并且，本申请通过在碳纤维片材上采用湿法涂布混合涂料，充分保证了混合涂料与碳纤维片材的接触面积，保证了燃料电池极板的稳定性。本发明通过在碳纤维片材上采用湿法涂布混合涂料、且一次性模压成型，实现了燃料电池极板的连续化生产，同时大幅度减轻了极板的重量，减小了燃料电池的体积，降低了生产成本，提高了生产效率。本发明的制备方法简单，易于批量化或大规模生产。
实施例1
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于900℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌2h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比2：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为6：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.01wt％；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.01：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.05：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为20g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理1h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有0.005wt％分散剂的水溶液。
所述分散剂为羧甲基纤维素(CMC)。
所述压制处理的压制压力为3.5N，压制处理的温度为130℃，压制处理的时间为0.5h。
所述纤维片材的长度为10mm。
所述惰性气体为氮气。
所述碳化处理的时间为30分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有1.2wt％改性剂的水溶液。所述改性剂为酚醛树脂。
所述碳纤维片材的厚度为0.10mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为50MPa，拉伸强度为35MPa。
所述碳纤维片材的导电率为1.5S/cm，密度为1.3g/cm3，抗张指数为40Nm/g，孔隙率为8％。
所述碳纤维片材为碳纤维毛毡。
所述混合在纤维解离器中进行。
步骤(1)中的冲洗为采用纯水进行冲洗，把片材表面的改性剂容易冲洗干净即可；晾干为自然晾干。
步骤(2)中，
所述树脂为环氧树脂。
所述导电剂粉末为铜单质。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度为1500CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于0℃干燥25min；所述固化的条件为于155℃固化20min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.2mm。
步骤(5)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的0.3wt％。
所述冲洗通过20MPa的纯水进行冲洗，冲洗干净的标准为冲洗至极板表面多余的环氧树脂溶液被冲洗掉即可。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间优选为2h。
所述干燥的条件为于50℃干燥1h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为50MPa，拉伸强度为35MPa，抗压强度为200MPa。
实施例2
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于1900℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌3h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比3：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为12：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.03％wt；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.6：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.3：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为25g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理0.8h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有0.007wt％分散剂的水溶液。
所述分散剂为羧聚氧化乙烯(又称聚环氧乙烷，PEO)。
所述压制处理的压制压力为5N，压制处理的温度为140℃，压制处理的时间为1h。
所述纤维片材的长度为6mm。
所述惰性气体为氩气。
所述碳化处理的时间为45分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有1.9wt％改性剂的水溶液。所述改性剂为酚醛树脂。
所述碳纤维片材的厚度为0.3mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为70MPa，拉伸强度为45MPa。
所述碳纤维片材的导电率为5S/cm，密度为1.6g/cm3，抗张指数为65Nm/g，孔隙率为20％。
所述碳纤维片材为碳纤维编织布。
所述混合在纤维解离器中进行。
步骤(1)中的冲洗为采用纯水进行冲洗，把片材表面的改性剂容易冲洗干净即可；晾干为自然晾干。
步骤(2)中，
所述树脂为酚醛树脂。
所述导电剂粉末为铜合金。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度为3000CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于35℃干燥28min；所述固化的条件为于165℃固化22min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。这样可以保证长期操作条件下电极结构的稳定性。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.4mm。
步骤(5)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的0.5wt％。
所述冲洗通过20MPa的纯水进行冲洗，冲洗干净的标准为冲洗至极板表面多余的环氧树脂溶液被冲洗掉即可。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间为2h。
所述干燥的条件为于55℃干燥2h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为65MPa，拉伸强度为45MPa，抗压强度为600MPa。
实施例3
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于2900℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌4h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比5：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为20：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.04wt％；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.9：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.5：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为35g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理1h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有0.01wt％分散剂的水溶液。
所述分散剂为阴离子聚丙烯酰胺(APAM)。
所述压制处理的压制压力为6N，压制处理的温度为150℃，压制处理的时间为2h。
所述纤维片材的长度为4mm。
所述惰性气体为氮气。
所述碳化处理的时间为60分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有2.4wt％改性剂的水溶液。所述改性剂为聚乙烯醇缩丁醛。
所述碳纤维片材的厚度为0.5mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为80MPa，拉伸强度为50MPa。
所述碳纤维片材的导电率为10S/cm，密度为1.8g/cm3，抗张指数为82Nm/g，孔隙率为35％。
所述碳纤维片材为碳纤维预浸布。
所述混合在纤维解离器中进行。
步骤(1)中的冲洗为采用纯水进行冲洗，把片材表面的改性剂容易冲洗干净即可；晾干为自然晾干。
步骤(2)中，
所述树脂为酚醛树脂。
所述导电剂粉末为铝单质。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度优选为4000CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于60℃干燥30min；所述固化的条件为于170℃固化25min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.6mm。
步骤(5)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的0.6wt％。
所述冲洗通过20MPa的纯水进行冲洗，冲洗干净的标准为冲洗至极板表面多余的环氧树脂溶液被冲洗掉即可。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间为2h。
所述干燥的条件为于60℃干燥3h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为80MPa，拉伸强度为50MPa，抗压强度为900MPa。
实施例4
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于2500℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌2.5h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比3.5：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为8：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.02％wt；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.09：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.15：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为23g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理0.9h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有0.006wt％分散剂的水溶液。
所述分散剂为阴离子聚丙烯酰胺(APAM)。
所述压制处理的压制压力为4.5N，压制处理的温度为135℃，压制处理的时间为1.5h。
所述纤维片材的长度为12mm。
所述惰性气体为氮气。
所述碳化处理的时间为35分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有2.1wt％改性剂的水溶液。
所述改性剂为聚乙烯醇缩丁醛。
所述碳纤维片材的厚度为0.2mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为75MPa，拉伸强度为48MPa。
所述碳纤维片材的导电率为7S/cm，密度为1.6g/cm3，抗张指数为78Nm/g，孔隙率为30％。
所述碳纤维片材为碳纤维毛毡。
所述混合在纤维解离器中进行。
步骤(1)中的冲洗为采用纯水进行冲洗，把片材表面的改性剂容易冲洗干净即可；晾干为自然晾干。
步骤(2)中，
所述树脂为环氧树脂。
所述导电剂粉末为铜单质和铝单质按重量比1:1混合的混合物。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度为3500CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于55℃干燥30min；所述固化的条件为于160℃固化25min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.5mm。
步骤(5)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的0.38wt％。
所述冲洗通过20MPa的纯水进行冲洗，冲洗干净的标准为冲洗至极板表面多余的环氧树脂溶液被冲洗掉即可。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间为2h。
所述干燥的条件为于55℃干燥1.5h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为75MPa，拉伸强度为47MPa，抗压强度为890MPa。
对比实施例1
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.03％wt；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.6：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.3：1；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材(该碳纤维片材为市售材料，没有经过本申请的方法进行前处理)上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为25g/m2；
(3)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(4)将步骤(4)的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理0.8h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述树脂为酚醛树脂。
所述导电剂粉末为铜合金。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度为3000CP。
步骤(3)中，
所述干燥的条件为于35℃干燥28min；所述固化的条件为于165℃固化22min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。这样可以保证长期操作条件下电极结构的稳定性。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.4mm。
步骤(4)中，
所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的0.5wt％。
所述冲洗通过20MPa的纯水进行冲洗，冲洗干净的标准为冲洗至极板表面多余的环氧树脂溶液被冲洗掉即可。
所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间为2h。
所述干燥的条件为于55℃干燥2h。
所述燃料电池极板的弯曲强度为33MPa，拉伸强度为32MPa，抗压强度为150MPa。
对比实施例2
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于1900℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌3h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比3：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为12：1；
(2)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.03％wt；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.6：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.3：1；
(3)将步骤(2)的混合涂料涂布至步骤(1)的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为25g/m2；
(4)将步骤(3)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(5)将步骤(4)的极板裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
以所述分散剂溶液的重量为100％计，所述分散剂溶液为含有0.007wt％分散剂的水溶液。
所述分散剂为羧聚氧化乙烯(又称聚环氧乙烷，PEO)。
所述压制处理的压制压力为5N，压制处理的温度为140℃，压制处理的时间为1h。
所述纤维片材的长度为6mm。
所述惰性气体为氩气。
所述碳化处理的时间为45分钟。
以所述改性剂溶液的重量为100％计，所述改性剂溶液为含有1.9wt％改性剂的水溶液。所述改性剂为酚醛树脂。
所述碳纤维片材的厚度为0.3mm。
所述碳纤维片材的弯曲强度为70MPa，拉伸强度为45MPa。
所述碳纤维片材的导电率为5S/cm，密度为1.6g/cm3，抗张指数为65Nm/g，孔隙率为20％。
所述碳纤维片材为碳纤维编织布。
所述混合在纤维解离器中进行。
步骤(1)中的冲洗为采用纯水进行冲洗，把片材表面的改性剂容易冲洗干净即可；晾干为自然晾干。
步骤(2)中，
所述树脂为酚醛树脂。
所述导电剂粉末为铜合金。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度为3000CP。
步骤(4)中，
所述干燥的条件为于35℃干燥28min；所述固化的条件为于165℃固化22min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。这样可以保证长期操作条件下电极结构的稳定性。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.4mm。
步骤(5)中，
所述燃料电池极板的气密性较差，弯曲强度为35MPa，拉伸强度为40MPa，抗压强度为100MPa。
对比实施例3
一种燃料电池极板的制备方法，包括如下步骤：
(1)将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.03％wt；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.6：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.3：1；
(2)将步骤(1)的混合涂料涂布至碳纤维片材(该碳纤维片材为市售材料，没有经过本申请的方法进行处理)上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为25g/m2；
(3)将步骤(2)的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
(4)将步骤(3)的极板裁切，得到燃料电池极板。
步骤(1)中，
所述树脂为酚醛树脂。
所述导电剂粉末为铜合金。
所述有机溶剂为乙醇。
所述混合涂料的粘度为3000CP。
步骤(3)中，
所述干燥的条件为于35℃干燥28min；所述固化的条件为于165℃固化22min。
所述气体流场包括阴极极板流场和阳极极板流场。
进一步地，所述阴极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm；所述阳极极板流场的流道的宽度为(0.1～0.3)mm。这样可以保证长期操作条件下电极结构的稳定性。
所述流道包括气道、水道、密封槽和定位孔。
所述极板的厚度为0.4mm。
步骤(4)中，
所述燃料电池极板的气密性较差，弯曲强度为25MPa，拉伸强度为25MPa，抗压强度为100MPa。
本发明将树脂和石墨粉按重量比(0.01～1)：1、导电剂与石墨粉按重量比(0.05～0.5)：1以有机溶剂混合制备混合涂料，以该混合涂料涂布湿法制得的碳纤维片材上以制备燃料电池极板，并控制混合浆料的涂布量为20g/m2～35g/m2，涂布碳纤维片材的真空预固化温度为155～170℃，并对涂布后的极板进行浸胶处理，不加入增强剂即可达到传统双极板的机械强度，能够在电堆内部起到支撑作用，在确保轻质的同时，保证极板的硬度，无需双极板或阳板支撑，有利于减轻电堆的重量与体积，并且可以增强极板的气密性。
并且，控制碳纤维片材的厚度为0.10mm～0.50mm，可以有效提高电堆的比体积密度和比重量密度，又具有适当的刚性与柔性、利于电极的制作，在组装成电池单元等情况下能承受施加的结合压力而不变形，满足长期操作条件下电极结构的稳定性。
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 (9)
1.一种燃料电池极板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将碳纤维和分散剂溶液混合均匀，得到混合浆料；将所述混合浆料进行压制处理，得到纤维片材；在惰性气体保护下，于900～2900℃将所述纤维片材进行碳化处理，得到碳化纤维片材；将所述碳化纤维片材置于改性剂溶液中，搅拌2～4h，然后冲洗并晾干，得到碳纤维片材；所述碳纤维与所述分散剂的质量比2～5：1，所述碳纤维与所述改性剂的质量比为6～20：1；
（2）将树脂、石墨粉和导电剂粉末加入有机溶剂中，搅拌均匀，得到混合涂料；所述石墨粉的重量为所述有机溶剂重量的0.01～0.04wt %；所述树脂和所述石墨粉的重量比为0.01～1：1；所述导电剂与所述石墨粉的重量比为0.05～0.5：1；
（3）将步骤（2）的混合涂料涂布至步骤（1）的碳纤维片材上，得到涂布碳纤维片材；所述混合涂料的涂布量为20 g/m2～35g/m2；
（4）将步骤（3）的涂布碳纤维片材置于真空中，干燥后进行模压，然后固化，得到一面为气体流场面、另一面为水流场面的极板；
（5）将步骤（4）的极板置于环氧树脂乙醇溶液中，浸胶处理0.5～1h后，冲洗极板表面，然后将极板置于水浴中进行固化，干燥，裁切，得到燃料电池极板；
步骤（1）中，以所述改性剂溶液的重量为100%计，所述改性剂溶液为含有1.2～2.4wt%改性剂的水溶液；所述改性剂为酚醛树脂或者聚乙烯醇缩丁醛；
步骤（2）中，所述导电剂粉末为银单质、银合金、铜单质、铜合金、铝单质或者铝合金中的一种或至少两种的混合物。
2.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，以所述分散剂溶液的重量为100%计，所述分散剂溶液为含有0.005～0.01wt%分散剂的水溶液；所述分散剂为羧甲基纤维素、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺或者阴离子聚丙烯酰胺中的一种。
3.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述压制处理的压力为3.5～6N，压制处理的温度为130～150℃，压制处理的时间为0.5～2h。
4.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述纤维片材的长度为2～12mm；
所述惰性气体为氮气或者氩气；
所述碳化处理的时间为30～60分钟。
5.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述碳纤维片材的厚度为0.10～0.50mm；
所述碳纤维片材的弯曲强度为50～80MPa，拉伸强度为35～50MPa；
所述碳纤维片材的导电率为1.5～10S/cm，密度为1.3～1.8g/cm3，抗张指数为40～82Nm⁄g，孔隙率为8～35%。
6.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，
所述有机溶剂为乙醇、乙醚或者N-甲基吡咯烷酮；
所述混合涂料的粘度为1500～4000CP。
7.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述干燥的条件为于0～60℃干燥25～30min；所述固化的条件为于155～170℃固化20～25min；所述极板的厚度为0.2～0.6mm。
8.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述环氧树脂乙醇溶液中，所述环氧树脂的重量为所述乙醇重量的0.3～0.6wt%。
9.根据权利要求1所述的燃料电池极板的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，所述水浴的条件为于80℃水浴；所述固化的时间为2h；所述干燥的条件为于50～60℃干燥1～3h；
所述燃料电池极板的弯曲强度为50～80MPa，拉伸强度为35～50MPa，抗压强度为200～900MPa 。
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