CN115117380A - 一种多孔双极板及制备方法 - Google Patents

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CN115117380A CN202210898703.5A CN202210898703A CN115117380A CN 115117380 A CN115117380 A CN 115117380A CN 202210898703 A CN202210898703 A CN 202210898703A CN 115117380 A CN115117380 A CN 115117380A
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方帅男
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Abstract

本发明公开一种多孔双极板及制备方法，涉及燃料电池技术领域，以解决现有的燃料电池中的自增湿双极板涉及到高温碳化工艺导致生产成本高的问题。该多孔双极板的制备方法包括：在碳纸表面形成混合浆料，混合浆料包括导电材料和可溶性造孔剂；对表面形成有所述混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板；采用溶解法对所述双极板进行造孔，获得多孔双极板。该多孔双极板采用该制备方法制备。本发明提供的多孔双极板及制备方法用于在提高燃料电池电导率的同时降低生产工艺成本。

Description

一种多孔双极板及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种多孔双极板及制备方法。
背景技术
燃料电池是通过氢气和氧气在电催化剂作用下发生电化学反应，直接将燃料中的化学能转换为电能的电化学装置。质子交换膜燃料电池与其它燃料电池相比具有高效，低工作温度，环保，快速启动和快速响应等优点，是商用车和乘用车的优选燃料电池。质子交换膜燃料电池关键部件主要由膜电极和双极板组成。双极板主要功能是提供气体流动通道，防止氢气和氧气串通，以及提供电流通路。
质子在质子交换膜中传导过程是以水合质子的形式从阳极传导至阴极，因此，必须保持质子交换膜充足的水含量，以作为传导质子的有效载体，提高燃料电池的电导率和电池性能。在一定范围内，一种质子交换膜质子传导速率与膜含水量成正比。因此，为保证膜的湿度，反应气体一般需要进行增湿以提升膜的电导率，同时为防止电池气相流道中水的累积，燃料电池阴极侧反应产生的水要及时移除，从而避免运输反应气体的气体流道被水淹没，提高电池的电导率，提升电池性能。
然而现有的燃料电池中的自增湿双极板涉及到高温碳化工艺，提高了生产成本。因此，开发一种不需要高温条件即可实现自增湿的双极板十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔双极板及制备方法，可以在提高燃料电池电导率的同时降低生产工艺成本。
第一方面，本发明提供一种多孔双极板的制备方法，包括：
在碳纸表面形成混合浆料，所述混合浆料包括导电材料和可溶性造孔剂；
对表面形成有所述混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板；
采用溶解法对所述双极板进行造孔，获得多孔双极板。
与现有技术相比，本发明提供的多孔双极板的制备方法具有以下优势：
本发明提供的多孔双极板的制备方法，首先，在碳纸表面形成混合浆料，对表面形成有混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板。相当于碳纸在双极板内作为隔层，水分子对其有润湿效果，润湿的碳纸对燃料电池中的气体起到进一步的隔绝作用，可以保证氢气的气密性和安全性，混合浆料中的导电材料具有导电性，可以增强燃料电池的导电性。同时，由于碳纸具有很强的抗机械压能力，采用碳纸作为基底可以起到增强双极板弯曲强度的作用。另外，混合浆料中含有可溶性造孔剂，可以采用溶解法对双极板进行造孔，获得多孔双极板。可见，本发明实施例的多孔双极板由于其多孔结构中含有很多孔隙，孔隙和孔隙之间形成传送物质的贯通微孔通道，因此，多孔双极板具有渗透性，可以将电池内水流场的冷却水通过多孔双极板渗透至反应气体侧蒸发进行加湿，使得双极板实现自增湿的目的，从而提高了燃料电池的电导率和电池性能。同时，由于本发明实施例是采用溶解法对双极板进行造孔，由于双极板生产过程本身就需要浸泡水清洗处理，可以利用该步骤进行造孔，不仅可以简化生产过程，还不需要进行高温烧结造孔，不改变原有的工艺流程，工艺设备简单适宜于双极板批量化生产，降低了生产成本。
由上可见，本发明提供的多孔双极板的制备方法，可以在电池制造过程中，使得双极板实现自增湿的目的，提高燃料电池电导率的同时降低生产工艺成本。
第二方面，本发明还提供一种多孔双极板，包括：碳纸以及形成在碳纸表面的导电微孔层。
与现有技术相比，本发明提供的多孔双极板的有益效果与第一方面多孔双极板的制备方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的电池的结构示意图；
图2为本发明实施例的多孔双极板的制备流程图；
图3为本发明实施例的双极板的处理流程图。
附图标记：
100-电池，101a-阳极板，101b-阴极板，102a-第一气体扩散层，102b-第二气体扩散层，103a-第一催化层，103b-第二催化层，104-质子交换膜。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
燃料电池是一种把所具有的化学能直接转换为电能的化学装置，又称电化学发电器。燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，所以没有噪声污染，排放出的有害气体极少。从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术，各国均努力发展其相关技术。质子交换膜燃料电池属于常温燃料电池，是最重要的燃料电池。目前已有相关产品应用于汽车等相关领域，但国内相对来说正处于赶超状态。
燃料电池双极板在燃料电池中的作用是通过表面的流场给膜电极输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应的热量及产物水。燃料电池双极板是由极板和流场组成，主要作用是气体分配、集流、导热和密封，其性能决定了燃料电池堆体积比功率和质量比功率，是燃料电池的核心部件。
为保证质子交换膜的湿度，反应气体一般需要进行增湿以提升膜的电导率，同时为防止电池气相流道中水的累积，燃料电池阴极侧反应产生的水要及时移除，从而避免运输反应气体的气体流道被水淹没。然而现有的燃料电池中的自增湿双极板涉及到高温碳化工艺，提高了生产成本。
针对上述问题，本发明实施例提供一种燃料电池，其可以包括本发明实施例的多孔双极板，以提高燃料电池电导率的同时降低生产工艺成本。应理解，该燃料电池可以为质子交换膜电池，该质子交换膜电池可以包括阳极板、阴极板、第一气体扩散层、第二气体扩散层、第一催化层、第二催化层和质子交换膜。图1示出了本发明实施例的电池的结构示意图，如图1所示，本发明实施例的燃料电池100，从电池正面由左到右依次为阳极板101a、第一气体扩散层102a、第一催化层103a、质子交换膜104、第二催化层103b、第二气体扩散层102b、阴极板101b。
本发明实施例提供的一种多孔双极板，可以应用于上述燃料电池。包括：碳纸以及形成在碳纸表面的导电微孔层，导电微孔层含有的微孔内壁形成有炭层。本发明实施例提供的多孔双极板包括碳纸以及形成在碳纸表面的导电微孔层，由于碳纸具有很强的抗机械压能力，采用碳纸作为基底可以起到增强双极板弯曲强度的作用。同时，由于碳纸表面的导电微孔层含有的微孔内壁形成有炭层，炭具有导电性，因此可以进一步提高极板的电导率。
在一种可选方式中，本发明实施例的多孔双极板的弯曲强度为58Mpa，多孔双极板的电导率为167S·cm-1～170S·cm-1。多孔双极板的泡点为0.018MPa～0.022MPa，在0.03MPa的压差下，透水量为0.88mL/min·cm2～1.80mL/min·cm2，在100％RH，80℃，3atm的条件下，气体透过率小于1.25×10～14cm3/scm2Pa。本发明实施例提供的多孔双极板由于具有高泡点和高透水量，多孔双极板具有良好的增湿效果。
图2示出了本发明实施例提供的多孔双极板的制备流程图，如图2所示，本发明还提供该多孔双极板的制备方法，包括：
步骤201：在碳纸表面形成混合浆料，所述混合浆料包括导电材料和可溶性造孔剂。
例如：首先，将导电材料、粘结树脂、增强填料和可溶性造孔剂按照配方比称量，并通过机械混合方式混料形成均匀的混合浆料，然后，将混合浆料分别涂布到碳纸卷材两个表面上，经热压固化得到涂布碳纸卷材，涂布碳纸卷材的厚度为0.15mm～0.22mm。其中，碳纸卷材是经碳纤维湿法造纸制得，厚度为0.088mm～0.105mm。
步骤202：对表面形成有所述混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板。
示例性的，图3示出了本发明实施例提供的双极板的处理流程图，如图3所示，本发明实施例提供的多孔双极板的制备方法中，对表面形成有所述混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板，包括：
步骤301：将表面形成有所述混合浆料的碳纸依次进行真空固化和热压固化，获得固化碳纸。
例如：将步骤201涂布的碳纸卷材置于30MPa～120MPa，80℃～135℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在220℃～300℃温度下进行热压固化，固化时间为30min～50min，得到固化碳纸。
步骤302：在所述固化碳纸的第一面形成蛇形气体流场，在所述固化碳纸的第二面形成冷却水流道面，获得双极板。
例如：将固化碳纸进行部分裁切，得到一面具有蛇形气体流场面，一面具有冷却水流道面的极板。其中，具有蛇形气体流场面用于将气体传输至气体扩散层，蛇形气体流场面可以增大气体传输的横截面积。具有冷却水流道面的极板用于传输电化学反应生成的水，从而通过多孔双极板渗透至反应气体侧蒸发进行加湿，使得双极板实现自增湿的目的，从而提高了燃料电池的电导率和电池性能。
步骤203：采用溶解法对所述双极板进行造孔，获得多孔双极板。
例如：采用水溶法对双极板进行造孔，水溶法的工艺包括：水溶时长为40min～80min，水溶温度为50℃～100℃。将步骤202得到的双极板转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗。
与现有技术相比，本发明提供的多孔双极板的制备方法具有以下优势：
本发明提供的多孔双极板的制备方法，首先，在碳纸表面形成混合浆料，对表面形成有混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板。相当于碳纸在双极板内作为隔层，水分子对其有润湿效果，润湿的碳纸对燃料电池中的气体起到进一步的隔绝作用，保留了双极板良好的气体密封性，混合浆料中的导电材料具有导电性，可以增强燃料电池的导电性。同时，由于碳纸具有很强的抗机械压能力，采用碳纸作为基底可以起到增强双极板弯曲强度的作用。另外，混合浆料中含有可溶性造孔剂，可以采用溶解法对双极板进行造孔，获得多孔双极板。可见，本发明实施例的多孔双极板由于其多孔结构中含有很多孔隙，孔隙和孔隙之间形成传送物质的贯通微孔通道，因此，多孔双极板具有渗透性，可以将电池内水流场的冷却水通过多孔双极板渗透至反应气体侧蒸发进行加湿，使得双极板实现自增湿的目的，从而提高了燃料电池的电导率和电池性能。同时，由于本发明实施例是采用溶解法对双极板进行造孔，由于双极板生产过程本身就需要浸泡水清洗处理，可以利用该步骤进行造孔，不仅可以简化生产过程，还不需要进行高温烧结造孔，不改变原有的工艺流程，工艺设备简单适宜于双极板批量化生产，降低了生产成本。
由上可见，本发明提供的多孔双极板的制备方法，可以在电池制造过程中，使得双极板实现自增湿的目的，提高燃料电池电导率的同时降低生产工艺成本。
在一种可选方式中，本发明实施例的导电材料包括石墨粉和/或乙炔黑，可溶性造孔剂为水溶性造孔剂，可溶性造孔剂包括蔗糖、氯化钠和/或聚乙二醇。本发明实施例通过使用石墨粉和/或乙炔黑作为导电材料，不仅具有较高的导电性能，还具有耐腐蚀、耐磨、耐高温、强度高、质轻的特点，提高了燃料电池的导电率。同时，可溶性造孔剂为水溶性造孔剂，本发明实施例的双极板不需要高温条件碳化造孔，直接利用可溶性造孔剂使用溶解法即可对双极板进行造孔。
示例性的，本发明实施例的混合浆料还包括粘结剂和增强填料，增强填料包括端羧基碳纳米管、短切碳纤维、氧化石墨烯中的至少一种，粘结剂可以为酚醛树脂。本发明实施例通过使用增强填料和粘结剂可以使得导电材料和可溶性造孔剂与碳纸表面具有很好的粘结性和韧性。
在一种可选方式中，本发明实施例的导电材料和可溶性造孔剂、粘接剂、增强填料的质量比为(40-60)：(2-8)：(10-50)：(5-20)。可见，本发明实施例的多孔双极板中只需要加入少量的可溶性造孔剂即可制备出具有多孔结构的双极板，具有良好的增湿效果。
示例性的，本发明实施例中，每平碳纸形成的混合浆料的质量为0.75g～18g。当每平碳纸形成的混合浆料的质量为0.75g～18g时，既能保证碳纸表面被均匀涂布，而且还能保证所加入的混合浆料含有的可溶性造孔剂的含量足以制备多孔双极板。
在一种可选方式中，本发明实施例的多孔双极板的制备方法还包括：在真空环境下利用成炭溶液处理所述多孔双极板。
例如：将步骤203制得的双极板置于室温真空环境，在静置的成碳溶液中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在250℃～300℃下干燥0.5h～1h，制得多孔自调节碳纸双极板。其中，成碳溶液可以为氧化剂溶液，例如：成碳溶液可以为含有质量浓度为48％的硫酸和含有质量浓度为8.5％的过氧化氢。当使用含有质量浓度为48％的硫酸和含有质量浓度为8.5％的过氧化氢对双极板的孔表面进行成碳处理时，硫酸脱水成炭。加入质量浓度为8.5％的过氧化氢，一方面，可以促进硫酸脱水成炭，另一方面，可以与硫酸脱炭过程中产生的二氧化硫作用生成硫酸，避免有毒有害气体的产生，又提高了硫酸的利用率。
本发明实施例的多孔双极板的制备方法通过使用成炭溶液对多孔双极板的孔表面进行成炭处理，使得多孔双极板的孔表面附着一层炭，由于炭具有导电性，因此，水溶法形成的多孔经氧化之后形成炭，也具有导电性，可以进一步提高双极板的导电率。
本发明提供的多孔双极板的制备方法，首先，在碳纸表面形成混合浆料，对表面形成有混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板。相当于碳纸在双极板内作为隔层，水分子对其有润湿效果，润湿的碳纸对燃料电池中的气体起到进一步的隔绝作用，保留了双极板良好的气体密封性，混合浆料中的导电材料具有导电性，可以增强燃料电池的导电性。同时，由于碳纸具有很强的抗机械压能力，采用碳纸作为基底可以起到增强双极板弯曲强度的作用。另外，混合浆料中含有可溶性造孔剂，可以采用溶解法对双极板进行造孔，获得多孔双极板。可见，本发明实施例的多孔双极板由于其多孔结构中含有很多孔隙，孔隙和孔隙之间形成传送物质的贯通微孔通道，因此，多孔双极板具有渗透性，可以将电池内水流场的冷却水通过多孔双极板渗透至反应气体侧蒸发进行加湿，使得双极板实现自增湿的目的，从而提高了燃料电池的电导率和电池性能。同时，由于本发明实施例是采用溶解法对双极板进行造孔，由于双极板生产过程本身就需要浸泡水清洗处理，可以利用该步骤进行造孔，不仅可以简化生产过程，还不需要进行高温烧结造孔，不改变原有的工艺流程，工艺设备简单适宜于双极板批量化生产，降低了生产成本。
为了验证本发明实施例提供的电极浆料的效果，本发明实施例采用实施例与对比例对比的方式进行证明。
实施例一
本发明实施例提供的多孔双极板，按质量百分比计，包括：45wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和5wt％的蔗糖。
本发明实施例一提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将45wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和5wt％的蔗糖通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，固化碳纸制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.088mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，130℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在250℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为30min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在300℃下干燥0.5h，获得多孔碳纸双极板。
实施例二
本发明实施例提供的多孔双极板，按质量百分比计，包括：45wt％的石墨粉、35wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和8wt％的蔗糖。
本发明实施例二提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将45wt％的石墨粉、35wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和8wt％的蔗糖通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，固化碳纸制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.01mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于50MPa，130℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在250℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为30min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在250℃下干燥1h，获得多孔碳纸双极板。
实施例三
本发明实施例提供的多孔双极板，按质量百分比计，包括：0wt％的石墨粉、47wt％的酚醛树脂、5wt％的端羧基碳纳米管和8wt％的氯化钠。
本发明实施例三提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将40wt％的石墨粉、47wt％的酚醛树脂、5wt％的端羧基碳纳米管和8wt％的氯化钠通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，固化碳纸制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.0105mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于120MPa，80℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在220℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为30min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在280℃下干燥0.7h，获得多孔碳纸双极板。
实施例四
本发明实施例提供的多孔双极板，按质量百分比计，包括：60wt％的石墨粉、13wt％的酚醛树脂、20wt％的氧化石墨烯和7wt％的聚乙二醇。
本发明实施例四提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将60wt％的石墨粉、13wt％的酚醛树脂、20wt％的氧化石墨烯和7wt％的聚乙二醇通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，固化碳纸制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.0105mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，135℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在300℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为50min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在280℃下干燥0.7h，获得多孔碳纸双极板。
实施例五
本发明实施例提供的多孔双极板，按质量百分比计，包括：60wt％的石墨粉、33wt％的酚醛树脂、5wt％的氧化石墨烯和2wt％的聚乙二醇。
本发明实施例五提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将60wt％的石墨粉、33wt％的酚醛树脂、5wt％的氧化石墨烯和2wt％的聚乙二醇通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，固化碳纸制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.01mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，135℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在300℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为50min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在280℃下干燥0.7h，获得多孔碳纸双极板。
实施例六
本发明实施例提供的多孔双极板，按质量百分比计，包括：60wt％的石墨粉、33wt％的酚醛树脂、5wt％的氧化石墨烯和2wt％的聚乙二醇。
本发明实施例六提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将40wt％的石墨粉、50wt％的酚醛树脂、8wt％的氧化石墨烯和2wt％的聚乙二醇通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，固化碳纸制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.01mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，135℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在300℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为50min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在280℃下干燥0.7h，获得多孔碳纸双极板。
对比例一
本发明对比例一提供的双极板，不含有本申请的造孔剂。按质量百分比计，包括：50wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维。
本发明对比例一提供的双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将50wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，双极板制备：将混合浆料分别涂布到厚度为0.01mm的碳纸两面，转移至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，130℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在250℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为30min，得到固化碳纸。
对比例二
本发明对比例二提供的多孔双极板，不含有本申请的碳纸，按质量百分比计，包括：45wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和5wt％蔗糖。
本发明对比例二提供的多孔双极板的制备方法包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将45wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和5wt％蔗糖通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，双极板制备：将混合浆料至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，130℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在250℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为30min，得到固化碳纸。
第三步，制备多孔双极板：将固化碳纸转移至90℃的热水中浸泡60min，再转移至室温下去离子水水洗，获得多孔双极板。
第四步，制备多孔碳纸双极板：在室温真空环境下，将多孔双极板浸渍在氧化剂溶液(含48wt％硫酸和8.5wt％过氧化氢)中浸泡30min。然后用去离子水冲洗，并在300℃下干燥0.5h，获得多孔碳纸双极板。
对比例三
本发明对比例三提供的双极板，不含有本申请的碳纸和造孔剂，按质量百分比计，包括：45wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂、10wt％的短切碳纤维和5wt％蔗糖。
本发明对比例三提供的双极板的制备方法，直接进行高温碳化，包括如下步骤：
第一步，混合浆料制备：将50wt％的石墨粉、40wt％的酚醛树脂和10wt％的短切碳纤维通过机械混合方式混料，得到混合浆料。
第二步，双极板制备：将混合浆料至模具中热压成型，模压压力20MPa。然后将涂布的碳纸卷材置于30MPa，130℃的真空烘箱进行预固化，预固化25min后再在250℃温度下进行热压固化后冷却，取出，固化时间为30min，得到固化碳纸。
第三步，制备双极板：将固化碳纸在氮气气氛保护下升温碳化，由室温升至800℃，升温速率为4℃/min，保温结束后随炉冷却至室温，得到多孔石墨双极板。
本实施例和对比例提供的双极板的测试结果如下表：
Figure BDA0003770043910000101
从上表可以看出，实施例一至实施例六中将通过在碳纸表面形成混合浆料，处理后获得双极板，然后采用溶解法对双极板进行造孔，获得多孔双极板，而对比例一不含有本发明实施例的造孔剂，对比例二不含有本发明实施例的碳纸，对比例三不含有本发明实施例的碳纸和造孔剂。实施例一至实施例六的透水率和气体透过率远远大于对比例一至对比例三的透水率和气体透过率，且抗弯强度和电导率好于对比例一至对比例三的中的抗弯强度和电导率，泡点高于对比例一至对比例三中的泡点。因此，本发明实施例的多孔双极板中由于其多孔结构中含有很多孔隙，孔隙和孔隙之间形成传送物质的贯通微孔通道，可以将电池内水流场的冷却水通过多孔双极板渗透至反应气体侧蒸发进行加湿，使得双极板实现自增湿的目的，从而提高了燃料电池的电导率和电池性能。同时，由于本发明实施例是采用溶解法对双极板进行造孔，由于双极板生产过程本身就需要浸泡水清洗处理，可以利用该步骤进行造孔，不仅可以简化生产过程，还不需要进行高温烧结造孔，不改变原有的工艺流程，工艺设备简单适宜于双极板批量化生产，降低了生产成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明的意图包括这些改动和变型在内。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种多孔双极板的制备方法，其特征在于，包括：
在碳纸表面形成混合浆料，所述混合浆料包括导电材料和可溶性造孔剂；
对表面形成有所述混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板；
采用溶解法对所述双极板进行造孔，获得多孔双极板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电材料包括石墨粉和/或乙炔黑，所述可溶性造孔剂为水溶性造孔剂，所述可溶性造孔剂包括蔗糖、氯化钠和/或聚乙二醇。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合浆料还包括粘结剂和增强填料，所述增强填料包括端羧基碳纳米管、短切碳纤维、氧化石墨烯中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述导电材料和所述可溶性造孔剂、所述粘结剂、所述增强填料的质量比为(40-60)：(2-8)：(10-50)：(5-20)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每平所述碳纸形成的所述混合浆料的质量为0.75g～18g。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对表面形成有所述混合浆料的碳纸进行处理，获得双极板，包括：
将表面形成有所述混合浆料的碳纸依次进行真空固化和热压固化，获得固化碳纸；
在所述固化碳纸的第一面形成蛇形气体流场，在所述固化碳纸的第二面形成冷却水流道面，获得双极板。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述真空固化的压力为30-120MPa，温度为80℃～135℃，固化时长为20min～30min；
所述热压固化的温度为220℃～300℃，固化时长为30min～50min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶解法为水溶法，所述水溶法的工艺包括：水溶时长为40min～80min，水溶温度为50℃～100℃。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在真空环境下利用成炭溶液处理所述多孔双极板。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述成炭溶液含有质量浓度为48％的硫酸和质量浓度为8.5％的过氧化氢。
11.一种多孔双极板，其特征在于，包括：碳纸以及形成在碳纸表面的导电微孔层。
12.根据权利要求11所述的多孔双极板，其特征在于，所述导电微孔层含有的微孔内壁形成有炭层。
13.根据权利要求11所述的多孔双极板，其特征在于，所述多孔双极板的弯曲强度为38Mpa～88Mpa，所述多孔双极板的电导率为167S·cm-1～170S·cm-1；
所述多孔双极板的泡点为0.018MPa～0.022MPa，在0.03MPa的压差下，透水量为0.88mL/min·cm2～1.80mL/min·cm2，在100％RH，80℃，3atm的条件下，气体透过率小于1.25×10～14cm3/scm2Pa。
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