CN115763868A - 一种表面改性石墨极板及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双极板，具体涉及一种表面改性石墨极板及其制备方法和应用，该石墨极板于气体流场的流道底部表面形成疏水层，于脊背表面形成导电增强层；包括如下步骤：S1：将导电浆料分散于石墨极板胚体表面并进行干燥，形成导电增强层；S2：对干燥后的石墨极板胚体进行模压，其中，模具于脊背表面涂覆有疏水剂，模压后，疏水剂压合于气体流场的流道底部表面，形成疏水层；S3：对模压后的石墨极板半成品进行热处理；S4：对热处理后的石墨极板半成品进行浸渍、清洗和固化，得到表面改性石墨极板。与现有技术相比，本发明解决现有技术中石墨极板表面改性后，效果无法评估，生产一致性无法保证的问题，实现了一种简单可行的极板改性方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种双极板，具体涉及一种表面改性石墨极板及其制备方法和应用。
背景技术
燃料电池的双极板的主要作用是满足导电、导入和排水的功能。传统的金属双极板一般采用PVD、CVD、电镀等方法进行表面处理，但其存在不足：改性后双极板各个位置的亲疏水性都相同，无法满足不同功能区对排水的区别要求。随着燃料电池功率的提高，对于排水和界面电阻的要求越来越高，有效的降低接触电阻和提高排水能力，可以使电堆的运行性能和可靠性大大提高。石墨极板以期优异的耐腐蚀性，得到越来越广泛的使用，目前也有相关的基于双极板的表面改性。
如CN112736263A专利，采用先做表面亲水处理，再组装成假堆的形式进行疏水处理，最终在双极板流道表面形成亲水层在双极板的弧沟部形成疏水层，具体的处理方法包括：对双极板弧沟部进行疏水处理的方法如下：将一块流道表面进行亲水处理的双极板与一块隔板组合成一节假原电池，双极板的脊部与隔板紧密贴靠，将多块这样组装的假原电池组装成灌装假堆；将疏水剂充入组装成灌装假堆的氢气腔和空气腔，并使疏水剂在其中循环，循环5-30分钟，将疏水剂从氢气腔和空气腔放出，再分别对两腔用压缩空气吹扫，去除残留的疏水剂；拆开灌装假堆，取出双极板根据疏水剂的固化条件，对双极板进行固化处理，处理后的双极板弧沟部成为疏水表面，脊部是亲水表面。然而该专利中的表面处理需要组装成假堆后进行，导致无法对表面改性的极板进行疏水处理效果评估，无法保证改性效果，并且生产的一致性无法保证，导致生产的效率低，无法大规模生产。
因此，本发明为解决石墨极板表面疏水性、导电性分区改性的问题提供了一种可行且简单的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种表面改性石墨极板及其制备方法和应用，以解决现有技术中石墨极板表面改性后，改性效果无法评估，生产一致性无法保证的问题，实现了一种可行且简单的极板改性方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种表面改性石墨极板，该石墨极板于气体流场的流道底部表面形成疏水层，于脊背表面形成导电增强层。
优选地，所述的石墨极板为柔性石墨极板。
优选地，所述的石墨极板为为膨胀石墨极板。
本发明第二方面公开了一种制备如上任一所述的表面改性石墨极板的方法，包括如下步骤：
S1：将导电浆料分散于石墨极板胚体表面并进行干燥，形成导电增强层；
S2：对步骤S1干燥后的石墨极板胚体进行模压，其中，模具于脊背表面涂覆有疏水剂，模压后，疏水剂压合于气体流场的流道底部表面，形成疏水层；
S3：对步骤S2模压后的石墨极板半成品进行热处理；
S4：对步骤S3热处理后的石墨极板半成品进行浸渍、清洗和固化，得到所述的表面改性石墨极板。
优选地，步骤S1中，所述的导电浆料由导电物和溶剂混合形成，所述的导电物选自石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种，所述的溶剂选自水、乙二醇和异丙醇中的一种或多种。
优选地，步骤S1中，所述的分散包括喷涂、辊涂等方式。
优选地，步骤S1中，所述的干燥的温度为80-125℃。
优选地，步骤S2中，所述的疏水剂选自聚四氟乙烯、聚偏乙烯、环氧树脂、聚苯硫醚和聚酰亚胺中的一种或两种。
优选地，步骤S3中，所述的热处理的时间为10-90min，温度为60-300℃。
优选地，步骤S4中，所述的浸渍的压力范围为50-100kPa(a)；所述的固化的温度为90-120℃。
本发明第三方面公开了一种如上任一所述的表面改性石墨极板在燃料电池中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
根据极板功能分区分别形成疏水层和导电增强层，可以有效提高极板脊背部的导电性以及增加流场底部的排水能力；通过在石墨极板胚体表面和模具表面涂覆对应的导电浆料或疏水剂，使得最终产品表面的疏水层和导电增强层的分散性与一致性得到保障，进而能够保证极板性能的一致性；进行表面改性的方法简单、成本低，易于大规模生产，并且可以方便地直接在原有的生产线上进行改造，具有良好的应用推广前景。
附图说明
图1为表面改性石墨极板的结构示意图；
图2为表面改性石墨极板制备工艺的流程示意图；
图中：1-极板；2-导电增强层；3-疏水层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如下实施例中若未做特别说明，则所用试剂可采用本领域技术人员能够常规购得的市售产品，所用方法可采用本领域中的常规手段。
整体的制备流程示意图参见图2，以下实施例1-5均采用该流程制得；实施例1-5制备完成的表面改性石墨极板的结构示意图参见图1。
实施例1
1)将柔性石墨胚体(厚度：5mm，面密度：70mg/cm2)，使用导电增强剂(0.5wt％含量的单壁碳纳米管的水溶液)通过喷涂的方式在柔性石墨胚体表面形成一定厚度的导电增强层2，随后于100℃下烘干。
2)在模压机的阴、阳极模具的脊背上均匀涂覆聚四氟乙烯疏水剂进行疏水处理，将形成导电增强层2的柔性石墨胚体按照对应表面置于模压机中，进行模压，于流道底部形成疏水层3。
3)对模压后的柔性石墨胚体在220℃下进行热处理，形成极板1半成品；
4)对极板1半成品依次进行浸渍(真空度：100kPa；温度：10℃；时间：60分钟)、清洗(去离子水，40℃，时间30分钟)和固化(温度120℃，时间60分钟)后得到表面改性的石墨极板1。
实施例2
1)将柔性石墨胚体(厚度：3mm，面密度：50mg/cm2)，使用导电增强剂(0.2wt％含量的多壁碳纳米管的水溶液)通过喷涂的方式在柔性石墨胚体表面形成一定厚度的导电增强层2，随后于120℃下烘干。
2)在模压机的阴、阳极模具的脊背上均匀涂覆环氧树脂疏水剂进行疏水处理，将形成导电增强层2的柔性石墨胚体按照对应表面置于模压机中，进行模压，于流道底部形成疏水层3。
3)对模压后的柔性石墨胚体在300℃下进行热处理，形成极板1半成品；
4)对极板1半成品依次进行浸渍(真空度：80kPa；温度：5℃；时间：90分钟)、清洗(去离子水，30℃，时间90分钟)和固化(温度100℃，时间：60分钟)后得到表面改性的石墨极板1。
实施例3
1)将柔性石墨胚体(厚度：7mm，面密度：90mg/cm2)，使用导电增强剂(0.5wt％含量的石墨烯的乙二醇溶液)通过喷涂的方式在柔性石墨胚体表面形成一定厚度的导电增强层2，随后于80℃下烘干。
2)在模压机的阴、阳极模具的脊背上均匀涂覆由聚苯硫醚和聚酰亚胺按1：1质量比形成的疏水剂进行疏水处理，将形成导电增强层2的柔性石墨胚体按照对应表面置于模压机中，进行模压，于流道底部形成疏水层3。
3)对模压后的柔性石墨胚体在280℃下进行热处理，形成极板1半成品；
4)对极板1半成品依次进行浸渍(真空度：80kPa；温度：5℃；时间：90分钟)、清洗(去离子水，30℃，时间90分钟)和固化(温度100℃，时间：60分钟)后得到表面改性的石墨极板1。
实施例4
1)将柔性石墨胚体(厚度：5mm，面密度：75mg/cm2)，使用导电增强剂(0.2wt％含量的多壁碳纳米管的异丙醇溶液)通过喷涂的方式在柔性石墨胚体表面形成一定厚度的导电增强层2，随后于125℃下烘干。
2)在模压机的阴、阳极模具的脊背上均匀涂覆由聚偏乙烯和聚苯硫醚按2：3质量比形成的疏水剂进行疏水处理，将形成导电增强层2的柔性石墨胚体按照对应表面置于模压机中，进行模压，于流道底部形成疏水层3。
3)对模压后的柔性石墨胚体在60℃下进行热处理，形成极板1半成品；
4)对极板1半成品依次进行浸渍(真空度：100kPa；温度：10℃；时间：60分钟)、清洗(去离子水，40℃，时间30分钟)和固化(温度90℃，时间：60分钟)后得到表面改性的石墨极板1。
实施例5
1)将柔性石墨胚体(厚度：4mm，面密度：80mg/cm2)，使用导电增强剂(0.3wt％含量的石墨烯的水溶液)通过喷涂的方式在柔性石墨胚体表面形成一定厚度的导电增强层2，随后于105℃下烘干。
2)在模压机的阴、阳极模具的脊背上均匀涂覆由聚四氟乙烯和环氧树脂按2：1质量比形成的疏水剂进行疏水处理，将形成导电增强层2的柔性石墨胚体按照对应表面置于模压机中，进行模压，于流道底部形成疏水层3。
3)对模压后的柔性石墨胚体在180℃下进行热处理，形成极板1半成品；
4)对极板1半成品依次进行浸渍(真空度：100kPa；温度：15℃；时间：80分钟)、清洗(去离子水，40℃，时间50分钟)和固化(温度100℃，时间：60分钟)后得到表面改性的石墨极板1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种表面改性石墨极板，其特征在于，该石墨极板于气体流场的流道底部表面形成疏水层，于脊背表面形成导电增强层。
2.根据权利要求1所述的一种表面改性石墨极板，其特征在于，所述的石墨极板为柔性石墨极板。
3.根据权利要求2所述的一种表面改性石墨极板，其特征在于，所述的石墨极板为为膨胀石墨极板。
4.一种制备如权利要求1-3任一所述的表面改性石墨极板的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将导电浆料分散于石墨极板胚体表面并进行干燥，形成导电增强层；
S2：对步骤S1干燥后的石墨极板胚体进行模压，其中，模具于脊背表面涂覆有疏水剂，模压后，疏水剂压合于气体流场的流道底部表面，形成疏水层；
S3：对步骤S2模压后的石墨极板半成品进行热处理；
S4：对步骤S3热处理后的石墨极板半成品进行浸渍、清洗和固化，得到所述的表面改性石墨极板。
5.根据权利要求4所述的一种表面改性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的导电浆料由导电物和溶剂混合形成，所述的导电物选自石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的一种或多种，所述的溶剂选自水、乙二醇和异丙醇中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的一种表面改性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的干燥的温度为80-125℃。
7.根据权利要求4所述的一种表面改性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述的疏水剂选自聚四氟乙烯、聚偏乙烯、环氧树脂、聚苯硫醚和聚酰亚胺中的一种或两种。
8.根据权利要求4所述的一种表面改性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述的热处理的时间为10-90min，温度为60-300℃。
9.根据权利要求4所述的一种表面改性石墨极板的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述的浸渍的压力范围为50-100kPa(a)；所述的固化的温度为90-120℃。
10.一种如权利要求1-3任一所述的表面改性石墨极板在燃料电池中的应用。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116470082A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-07-21 | 上海氢晨新能源科技有限公司 | 燃料电池的极板及燃料电池 |
| CN116682986A (zh) * | 2023-08-02 | 2023-09-01 | 山东美燃氢动力有限公司 | 亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池 |
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2022
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