CN115403897B - 一种石墨烯复合双极板基材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯复合双极板基材，基材各组分及其重量百分比组成为：石墨粉20％‑30％，酚醛树脂27％‑55％，石墨烯20％‑30％，固化剂2％‑5％，促进剂1％‑3％，脱模剂2％‑5％；还公开了一种石墨烯复合双极板基材的制备方法，其包括以下步骤：a、将石墨粉、石墨烯进行搅拌混合，得到混合料A；b、在密炼机中加入酚醛树脂和混合料A，进行加压密炼密炼得到混合料B；c、混合料B密炼出料后收卷、破碎成颗粒，并研磨得到粉体C；d、将粉体C、固化剂、促进剂、脱模剂搅拌混合后进行造粒；e、进行压铸成型得到复合双极板基材。本发明所制得的复合双极板基材具有高导热性、高导电性、耐腐蚀、致密性好等特点，市场应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种石墨烯复合双极板基材及其制备方法。
背景技术
双极板在氢能源燃料电池中起到连接单电池、提供气体/液体流动通路、传递电流等作用，这就要求双极板具有较高的力学性能、较好的导电导热性能以及酸性环境下具有良好的耐腐蚀能力。
氢能源燃料电池双极板分为金属双极板、石墨双极板及复合双极板，其中，金属双极板具备高导电导热性能、价格低廉、工艺多样、机械强度高等特点，但存在易受腐蚀、涂层不稳定、单价高、使用寿命较短等缺陷而无法大量推广；石墨双极板是在石墨板上进行机加工制造的带流道的双极板，应用最早，其具有化学性能稳定性、高导电性、耐腐蚀性能好等优点，但是由于加工工艺时间过长、产品的力学性能较差等问题，导致产品的单价高，满足不了大批量生产需求；而复合双极板较好的结合了石墨双极板与金属双极板的优点，具有成本较低、均衡了产品的各项性能等优点，但受限于复合材料中添加传统原材料本身的限制，复合双极板的导电导热性能、耐腐蚀能力等始终无法得到突破。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯复合双极板基材及其制备方法，复合双极板具有更好的导电导热性能和耐腐蚀能力，且产品的成型时间较短、工艺环保。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种石墨烯复合双极板基材，基材各组分及其重量百分比组成为：
石墨粉20％-30％，
酚醛树脂27％-55％，
石墨烯20％-30％，
固化剂2％-5％，
促进剂1％-3％，
脱模剂2％-5％。
在上述方案的基础上，进一步地，所述石墨粉为800目的片状石墨粉。
在上述方案的基础上，进一步地，所述石墨烯包括高导电型石墨烯粉体和高导热型石墨烯粉体，所述高导电型石墨烯粉体的电导率为1500S/cm-2000S/cm，所述高导热型石墨烯粉体的比表面积为160-200m2/g。
在上述方案的基础上，进一步地，基材中所述高导电型石墨烯粉体的重量百分比为10％-15％，所述高导热型石墨烯粉体的重量百分比为10％-15％。
在上述方案的基础上，进一步地，所述固化剂为乌洛托品。
在上述方案的基础上，进一步地，所述促进剂为对甲苯磺酰氯。
在上述方案的基础上，进一步地，所述脱模剂为硬脂酸锌。
一种石墨烯复合双极板基材的制备方法，包括以下步骤：
a、将800目的片状石墨粉、石墨烯进行搅拌混合，得到混合料A；
b、在密炼机中加入酚醛树脂，并分多次加入混合料A进行加压密炼，密炼得到混合料B；
c、混合料B密炼出料后进入开炼机中进行收卷，待料温降至室温时进入破碎机破碎成颗粒，并使用球磨机将颗粒进行研磨，得到粉体C；
d、将粉体C、固化剂、促进剂、脱模剂搅拌混合后，进入造粒机进行造粒；
e、造粒完成后使用压铸机进行压铸成型，得到复合双极板基材。
在上述方案的基础上，进一步地，步骤a中的石墨烯包括高导电型石墨烯粉体、高导热型石墨烯粉体两种，步骤d中的固化剂为乌洛托品、促进剂为甲苯磺酰氯、脱模剂为硬脂酸锌。
在上述方案的基础上，进一步地，步骤a中，石墨粉和石墨烯在高速混合机中的搅拌速度为1000-1200r/min，搅拌时间为60min，混合搅拌完成后静置30min得到混合料A；步骤b中，密炼机的温度为120℃，密炼机上顶栓压力为0.6-0.8MPa，密炼时间为60min；步骤c中，研磨得到粉体C的颗粒大小为400目；步骤e中，压铸机的压铸温度为170-180℃、压力为25MPa、压铸时间为4min。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
1、本发明所制得的复合双极板基材具有高导热性、高导电性、耐腐蚀、致密性好等特点，市场应用前景广阔。
2、本发明制备复合双极板的成型时间较短，热固成型无后道工序，易大批量快速生产，且工艺过程中全部使用固体材料，不存在废液问题，减少生产过程中产生的环保问题。
附图说明
图1为本发明中复合双极板在高倍电子显微镜下的材料表面结构图；
图2为本发明中复合双极板在高倍电子显微镜下的材料截面结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种石墨烯复合双极板基材，基材各组分及其重量百分比组成为：
石墨粉20％-30％，酚醛树脂27％-55％，石墨烯20％-30％，固化剂2％-5％，促进剂1％-3％，脱模剂2％-5％。
优选地，所述石墨粉为800目的片状石墨粉；所述石墨烯包括高导电型石墨烯粉体和高导热型石墨烯粉体，所述高导电型石墨烯粉体的电导率为1500S/cm-2000S/cm，电导率大小代表物质传送电流的能力大小，电导率越大电阻率越小，相反电导率越小电阻率越大，所述高导热型石墨烯粉体的比表面积为160-200m2/g，比表面积大则说明与热源接触点也会相应的增多，这就意味着散热效果、导热效果会非常好，所述高导电型石墨烯粉体的重量百分比为10％-15％，所述高导热型石墨烯粉体的重量百分比为10％-15％；所述固化剂为乌洛托品(六亚甲基四胺)，固化剂使酚醛树脂由热塑性转变为热固性，进一步缩聚得到不溶不熔的体型结构固化产物；所述促进剂为对甲苯磺酰氯，促进剂可以降低酚醛树脂的固化温度、缩短其固化时间；所述脱模剂为硬脂酸锌，脱模剂注射到模腔中以后会沉淀成一种胶状物，并随着固化的进行而迁移到部件的表面，从而在模腔界面处形成了一层高脱模性的薄膜。
酚醛树脂不仅对强酸、强电流有明显的耐腐蚀性，而且固化后具有很强的韧性与可塑性，不需要冷却就可以取模，可以大大地缩短生产周期，而石墨类材料具有高电热传导性。当将两者结合在一起时，若酚醛树脂含量较多、石墨类材料含量相对减少时，酚醛树脂对石墨类材料的包覆性更好，粘接更加紧密、弯曲强度更高，但酚醛树脂的包覆阻断了通路，导致导电导热率下降，相反，若酚醛树脂含量较少、石墨类材料相对增多，导电导热率提高，但酚醛树脂对石墨类材料的包覆性较差，导致弯曲强度降低，因此，平衡两者的比例，以确保产品各项性能指标均衡尤为重要。
本发明还公开了一种石墨烯复合双极板基材的制备方法，包括以下步骤：
a、将800目的片状石墨粉、高导电型石墨烯粉体、高导热型石墨烯粉体加入高速混合机中进行搅拌混合，搅拌速度为1000-1200r/min，搅拌时间为60min，混合搅拌完成后静置30min得到混合料A。
b、在密炼机中加入酚醛树脂，并分多次加入混合料A进行加压密炼，密炼机的温度为120℃，密炼机上顶栓压力为0.6-0.8MPa，密炼时间为60min，密炼得到混合料B，石墨烯材料经过高温密炼后能与酚醛树脂充分且均匀混合，不会出现局部性能参差不齐的差异。
c、混合料B密炼出料后进入开炼机中进行收卷，待料温降至室温时进入破碎机破碎成颗粒，并使用球磨机将颗粒进行研磨，研磨得到颗粒大小为400目的粉体C。
d、将粉体C、乌洛托品(六亚甲基四胺)、甲苯磺酰氯、硬脂酸锌搅拌混合，搅拌混合10min后，进入造粒机进行造粒。
e、造粒完成后使用压铸机进行压铸成型，压铸机的压铸温度为170-180℃、压力为25MPa、压铸时间为4min，模压成型后修边即可得到复合双极板基材，通过压铸模具加温加压进行压制、保压，可以保证基材的均匀性，且使用压铸机可快速生产，热固成型无后道工序，节能环保。
本发明在各组分的含量取最佳的比例区间的条件下，通过设置最佳的工艺温度、压力、时间等条件，可以确保制备得到的复合双极板抗腐蚀能力强、致密性好(如图1和图2所示)、导热导电性能优异。同时，工艺过程中全部使用固体材料，不存在废液问题，避免生产过程中产生的环保问题。
以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例一
(1)取总重量20％的800目片状石墨粉、10％的高导电型石墨烯粉体10％的高导热型石墨烯粉体，加入高速混合机中进行搅拌混合，搅拌速度为1000-1200r/min，搅拌时间为60min，混合搅拌完成后静置30min得到混合料A。
(2)在密炼机中加入总重量55％的酚醛树脂，并分5次加入混合料A进行加压密炼，密炼机的温度为120℃，密炼机上顶栓压力为0.6-0.8MPa，密炼时间为60min，密炼得到混合料B。
(3)混合料B密炼出料后进入开炼机中进行收卷，待料温降至室温时进入破碎机破碎成颗粒，并使用球磨机将颗粒进行研磨，研磨得到颗粒大小为400目的粉体C。
(4)将粉体C、总重量2％的乌洛托品(六亚甲基四胺)、1％的甲苯磺酰氯、2％的硬脂酸锌搅拌混合，搅拌混合10min后，进入造粒机进行造粒。
(5)造粒完成后使用压铸机进行压铸成型，压铸机的压铸温度为170-180℃、压力为25MPa、压铸时间为4min，模压成型后修边即可得到复合双极板基材。
实施例二
(1)取总重量25％的800目片状石墨粉、12.5％的高导电型石墨烯粉体12.5％的高导热型石墨烯粉体，加入高速混合机中进行搅拌混合，搅拌速度为1000-1200r/min，搅拌时间为60min，混合搅拌完成后静置30min得到混合料A。
(2)在密炼机中加入总重量41％的酚醛树脂，并分5次加入混合料A进行加压密炼，密炼机的温度为120℃，密炼机上顶栓压力为0.6-0.8MPa，密炼时间为60min，密炼得到混合料B。
(3)混合料B密炼出料后进入开炼机中进行收卷，待料温降至室温时进入破碎机破碎成颗粒，并使用球磨机将颗粒进行研磨，研磨得到颗粒大小为400目的粉体C。
(4)将粉体C、总重量3.5％的乌洛托品(六亚甲基四胺)、2％的甲苯磺酰氯、3.5％的硬脂酸锌搅拌混合，搅拌混合10min后，进入造粒机进行造粒。
(5)造粒完成后使用压铸机进行压铸成型，压铸机的压铸温度为170-180℃、压力为25MPa、压铸时间为4min，模压成型后修边即可得到复合双极板基材。
实施例三
(1)取总重量30％的800目片状石墨粉、15％的高导电型石墨烯粉体15％的高导热型石墨烯粉体，加入高速混合机中进行搅拌混合，搅拌速度为1000-1200r/min，搅拌时间为60min，混合搅拌完成后静置30min得到混合料A。
(2)在密炼机中加入总重量27％的酚醛树脂，并分5次加入混合料A进行加压密炼，密炼机的温度为120℃，密炼机上顶栓压力为0.6-0.8MPa，密炼时间为60min，密炼得到混合料B。
(3)混合料B密炼出料后进入开炼机中进行收卷，待料温降至室温时进入破碎机破碎成颗粒，并使用球磨机将颗粒进行研磨，研磨得到颗粒大小为400目的粉体C。
(4)将粉体C、总重量5％的乌洛托品(六亚甲基四胺)、3％的甲苯磺酰氯、5％的硬脂酸锌搅拌混合，搅拌混合10min后，进入造粒机进行造粒。
(5)造粒完成后使用压铸机进行压铸成型，压铸机的压铸温度为170-180℃、压力为25MPa、压铸时间为4min，模压成型后修边即可得到复合双极板基材。
对实施例一至实施例三制得的复合双极板基材进行各项性能测试，具体测试结果如下表所示：
| 序号 | 性能 | 实施例一 | 实施例二 | 实施例三 | 燃料电池技术指标 |
| 1 | 弯曲强度(Mpa) | 55 | 45 | 30 | 25 |
| 2 | 电导率(S/cm) | 110 | 155 | 185 | 100 |
| 3 | 热导率(w.m-1.k-1) | 40 | 55 | 60 | 20 |
| 4 | 抗拉强度(Mpa) | 30 | 45 | 65 | / |
| 5 | 腐蚀电流(μA.cm-2) | 0.6 | 0.55 | 0.5 | 1 |
| 6 | 透气率(cm.S-1.cm-2) | 0 | 0 | 0 | 2*10-6 |
| 7 | 气孔率(％) | 0 | 0 | 0 | / |
| 8 | 肖氏硬度(H.S-1) | 77 | 75 | 70 | / |
| 9 | 密度(g/cm3) | 1.975 | 1.873 | 1.835 | / |
从上表可以看出，实施例一至实施例三制得的复合双极板基材，弯曲强度最大可达55Mpa，高于燃料电池双极板技术指标的弯曲强度(25Mpa)；电导率最大可达185S/cm，高于燃料电池双极板技术指标的电导率(100S/cm)；热导率最大可达60w.m-1.k-1，高于燃料电池双极板技术指标的热导率(20w.m-1.k-1)；腐蚀电流最小可达0.5μA.cm-2，低于燃料电池双极板技术指标的腐蚀电流(1μA.cm-2)。本发明通过对各组分的含量取最佳的比例区间，使得复合双极板的弯曲强度、电导率、热导率、腐蚀电流等主要性能指标更加均衡。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种石墨烯复合双极板基材，其特征在于，基材各组分及其重量百分比组成为：
石墨粉20%-30%，
酚醛树脂27%-55%，
石墨烯20%-30%，
固化剂2%-5%，
促进剂1%-3%，
脱模剂2%-5%；
所述石墨烯包括高导电型石墨烯粉体和高导热型石墨烯粉体，且基材中所述高导电型石墨烯粉体的重量百分比为10%-15%，所述高导热型石墨烯粉体的重量百分比为10%-15%；
所述石墨粉为800目的片状石墨粉。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯复合双极板基材，其特征在于，所述高导电型石墨烯粉体的电导率为1500-2000S/cm，所述高导热型石墨烯粉体的比表面积为160-200m2/g。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯复合双极板基材，其特征在于，所述固化剂为乌洛托品。
4.如权利要求1所述的一种石墨烯复合双极板基材，其特征在于，所述促进剂为对甲苯磺酰氯。
5.如权利要求1所述的一种石墨烯复合双极板基材，其特征在于，所述脱模剂为硬脂酸锌。
6.一种如权利要求1所述的石墨烯复合双极板基材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将800目的片状石墨粉、石墨烯进行搅拌混合，得到混合料A；
b、在密炼机中加入酚醛树脂，并分多次加入混合料A进行加压密炼，密炼得到混合料B；
c、混合料B密炼出料后进入开炼机中进行收卷，待料温降至室温时进入破碎机破碎成颗粒，并使用球磨机将颗粒进行研磨，得到粉体C；
d、将粉体C、固化剂、促进剂、脱模剂搅拌混合后，进入造粒机进行造粒；
e、造粒完成后使用压铸机进行压铸成型，得到复合双极板基材。
7.如权利要求6所述的一种石墨烯复合双极板基材的制备方法，其特征在于，步骤a中的石墨烯包括高导电型石墨烯粉体、高导热型石墨烯粉体两种，步骤d中的固化剂为乌洛托品、促进剂为甲苯磺酰氯、脱模剂为硬脂酸锌。
8.如权利要求6所述的一种石墨烯复合双极板基材的制备方法，其特征在于，步骤a中，石墨粉和石墨烯在高速混合机中的搅拌速度为1000-1200r/min，搅拌时间为60min，混合搅拌完成后静置30min得到混合料A；步骤b中，密炼机的温度为120℃，密炼机上顶栓压力为0.6-0.8MPa，密炼时间为60min；步骤c中，研磨得到粉体C的颗粒大小为400目；步骤e中，压铸机的压铸温度为170-180℃、压力为25MPa、压铸时间为4min。
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