CN116682986B - 亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池 - Google Patents

亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池，属于燃料电池双极板技术领域。该亲水性双极板的制备方法包括：将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，改性剂溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，使二者混合并超声振荡，得到浸渍液；将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空后保持0.5‑2h，然后将脊取出，并将其在250‑400℃下处理1‑2h；将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将脊粘结在基材一侧，加热熔融后，再向脊和基材的相对两侧同时施压，加热固化后，冷却即得亲水性双极板。该亲水性双极板在保证其良好导电性的同时，具有优异的水管理特性，并且结构稳固，制作成本更低。

Description

亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池
技术领域
本申请涉及一种亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池，属于燃料电池双极板技术领域。
背景技术
质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）相比其他类型燃料电池，具有工作能量转化率高、无废气排放、温度低、启动快等特点，被公认为是解决当下能源危机和环境污染的最具前景的方案之一。质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、质子交换膜、催化剂和外部电路构成。其工作原理为：氢气通过气体流道到达阳极，在阳极催化剂的作用下解离为质子和电子，质子通过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。在阴极催化剂的作用下，质子与阴极的氧气反应生成水。在这个过程中，质子是以水合质子的形式通过质子交换膜，因此质子交换膜必须保持湿润性；质子交换膜的湿润性越高，质子交换率就越高；相反，质子交换膜的湿润性越低，质子交换率就越低，甚至失去传导质子的能力；质子交换膜一旦缺水，就会对燃料电池造成不可逆的损坏。缺水现象尤其是在氢燃料电池堆的各组件的燃料入口处附近更加普遍。不完全饱和的气体在燃料电池的入口处增加了电池的干燥性，造成缺水现象。为了保持质子交换膜的润湿性，就需要增强燃料电池的水管理能力。双极板在燃料电池中，起到传输气体、隔绝氢气和氧气、收集电子的作用。为了增强燃料电池的水管理能力，一般要求双极板的表面具有亲水性。目前普遍的方法是在双极板的气体流道表面喷涂亲水性的导电涂层，厚度一般为50nm以内。
中国专利CN101160675B公开了在双极板表面添加亲水性涂层，使双极板表面亲水，在燃料高功率工作时吸收水分并储存起来，低功率工作时储存的水分释放，对燃料和氧化剂加湿，避免燃料电池缺水。然而，该涂层较薄，仅为纳米级别，储存的水很少，难以满足加湿需求。再者，涂层为金属氧化物，属于绝缘材料，喷涂在双极板的表面，会增加双极板与膜电极的接触电阻，影响电池性能，并且涂层还易受电流的腐蚀，导致涂层被破坏。另外，涂层的涂覆需要昂贵的设备，增加了双极板的成本。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种亲水性双极板的制备方法及亲水性双极板、燃料电池，在保证良好导电性的前提下，亲水性的脊可以吸收大量的水并将其储存起来，避免燃料电池缺水，同时双极板的结构牢固可靠，制作成本更低，有利于推广应用。
本发明的技术方案如下：
根据本申请的一个方面，提供了一种亲水性双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，改性剂溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，并使二者混合，于70-90℃下超声振荡0.5-2h，得到浸渍液；
（2）将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空至-0.1～-0.05Mpa并保持0.5-2h，然后将脊取出，并将其在250-400℃下处理1-2h；
（3）将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并在130-150℃下加热3-5min，再向脊和基材的相对两侧同时施加4000-5000N的力，并于60-80℃下保持5-8min，冷却后即得亲水性双极板。
可选地，还包括对基材进行预处理的步骤：将基材放入强酸中，于100℃下浸泡120-180min，再将经过酸处理的基材水洗至中性即可。
可选地，脊的材质为多孔石墨，孔隙率为15-50%，颗粒度为10-20μm，孔径为1-2μm，电导率为25-35μΩm，强度为35-45MPa；基材的材质为无孔石墨。
可选地，步骤（1）中，纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为3-8wt%，纳米二氧化钛和改性剂的质量比为1：（0.02-0.05）。
可选地，步骤（1）中，乙醇和去离子水的混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为（15-20）：1。
可选地，步骤（1）中，所述改性剂为脲丙基三甲氧基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三甲氧基硅烷。
可选地，步骤（3）中，所述亲水性树脂溶液的制备方法如下：
在pH至9-10的条件下，向二氧化硅溶胶中加入过量引发剂，于惰性气氛中充分搅拌，并于2-5℃下冷藏过夜，然后调节pH至6-8，加入丙烯酸单体搅拌均匀，再依次加入交联剂、消泡剂和助剂，即得亲水性树脂溶液。
可选地，所述二氧化硅溶胶、引发剂和丙烯酸单体的质量比为（0.2-0.5）：1：（0.5-0.8）；
所述交联剂、消泡剂和助剂的添加量分别为2-5wt%、0.5-2wt%和0.1-1wt%。
可选地，所述引发剂为过硫酸钾或过氯酸铵。
可选地，所述交联剂为甲基丙烯酸甲酯或N,N-亚甲基双丙烯酰胺；
消泡剂为有机硅消泡剂或聚醚消泡剂；
助剂为醇酯十二、丙二醇乙醚或二乙二醇丁醚。
根据本申请的另一个方面，提供了一种亲水性双极板，所述亲水性双极板由上述任一所述的亲水性双极板的制备方法制成。
根据本申请的又一个方面，提供了一种燃料电池，具有上述所述的亲水性双极板，所述亲水性双极板的脊间隔排列在基材一侧，相邻两个脊之间设置有流道，所述脊远离基材的一侧与燃料电池的气体扩散层连接。
本申请的有益效果包括但不限于：
1．本申请的亲水性双极板的制备方法，空气抽出后能够促进浸渍液在脊中的均匀渗透，提高浸渍效果；在130-150℃的温度下加热一定时间，有利于亲水性树脂的固化，使得脊与基材之间更好的结合，施加4000-5000N的力并于60-80℃下保持一定时间，有助于加强脊与基材之间的粘结，提高双极板的结构稳定性和耐久性；采用该制备方法制得的双极板，在保证其良好导电性的同时，具有优异的水管理特性，并且结构稳固，制作成本更低，有效的解决了现有技术中存在的问题。
2．本申请的亲水性双极板的制备方法，浸渍液中改性剂可以对纳米二氧化钛表面进行修饰，使得纳米二氧化钛的比表面能减小，有效阻止了纳米颗粒之间的团聚；同时能够与纳米二氧化钛和多孔石墨相互作用，形成化学键或物理吸附，提高了纳米二氧化钛与多孔石墨的相容性和亲和性，使得纳米二氧化钛能够稳定附着在多孔石墨上，防止颗粒的脱落或剥离，延长双极板的使用寿命；并且改性剂中脲基官能团或巯基官能团均为亲水性基团，因此能够使纳米二氧化钛和多孔石墨的亲水性得到进一步改善，从而有助于脊吸收大量的水并将其储存起来，对燃料电池进行加湿，增强双极板的水管理能力。
3．本申请的亲水性双极板的制备方法，通过在pH9-10的条件下将过量引发剂加入二氧化硅溶胶中，保证SiO2亲水性的同时提高SiO2表面的包覆率，能够改善SiO2的分散性，并且增强SiO2与聚丙烯酸的界面相容性；低温下冷藏过夜有利于引发剂的均匀分散，以便于丙烯酸单体在SiO2表面均匀聚合，有助于生成具有良好亲水性的聚合物；交联剂可以增强聚合物的网络结构，有助于形成更加均匀、稳定的亲水性树脂溶液；消泡剂的添加可以有效降低溶液中的表面张力，防止气泡的产生和聚集；助剂进一步增强脊与基材之间的粘结力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例涉及的燃料电池的结构示意图。
图2为本申请实施例涉及的亲水性双极板的结构示意图。
部件和附图标记列表：
1、阳极扩散层，2、阳极催化剂层，3、质子交换膜，4、阴极催化剂层，5、阴极扩散层，6、亲水性双极板，7、脊，8、流道，9、基材。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用原料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
如图2所示，一种亲水性双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，使得纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为3wt%，脲丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为15：1，并使二者混合，纳米二氧化钛和脲丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：0.02，于70℃下超声振荡2h，得到浸渍液；
（2）将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空至-0.1Mpa并保持0.5h，然后将脊取出，并将其在250℃下处理2h；
（3）将基材放入强酸中，于100℃下浸泡120min，再将经过酸处理的基材水洗至中性，将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并在130℃下加热5min，再向脊和基材的相对两侧同时施加4000N的力，并于60℃下保持8min，冷却后即得亲水性双极板；
其中，脊的材质为多孔石墨，孔隙率为15%，颗粒度为10μm，孔径为1μm，电导率为25μΩm，强度为35MPa；基材的材质为无孔石墨；
亲水性树脂溶液的制备方法如下：
在pH至9的条件下，向二氧化硅溶胶中加入过量过氯酸铵，于惰性气氛中充分搅拌，并于2℃下冷藏过夜，然后调节pH至6，加入丙烯酸单体搅拌均匀，二氧化硅溶胶、过氯酸铵和丙烯酸单体的质量比为0.2：1：0.5，再依次加入2wt%甲基丙烯酸甲酯、0.5wt%聚醚消泡剂和0.1wt%醇酯十二，即得亲水性树脂溶液。
实施例2
如图2所示，一种亲水性双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，使得纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为5wt%，3-巯丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为18：1，并使二者混合，纳米二氧化钛和3-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：0.03，于80℃下超声振荡1.2h，得到浸渍液；
（2）将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空至-0.07Mpa并保持1.2h，然后将脊取出，并将其在300℃下处理1.5h；
（3）将基材放入强酸中，于100℃下浸泡150min，再将经过酸处理的基材水洗至中性，将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并在140℃下加热4min，再向脊和基材的相对两侧同时施加4500N的力，并于70℃下保持6min，冷却后即得亲水性双极板；
其中，脊的材质为多孔石墨，孔隙率为30%，颗粒度为15μm，孔径为1.5μm，电导率为30μΩm，强度为40MPa；基材的材质为无孔石墨；
亲水性树脂溶液的制备方法如下：
在pH至9.5的条件下，向二氧化硅溶胶中加入过量过硫酸钾，于惰性气氛中充分搅拌，并于4℃下冷藏过夜，然后调节pH至7，加入丙烯酸单体搅拌均匀，二氧化硅溶胶、过硫酸钾和丙烯酸单体的质量比为0.3：1：0.7，再依次加入3wt%N,N-亚甲基双丙烯酰胺、1.5wt%有机硅消泡剂和0.6wt%丙二醇乙醚，即得亲水性树脂溶液。
实施例3
如图2所示，一种亲水性双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，使得纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为8wt%，γ-巯丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为20：1，并使二者混合，纳米二氧化钛和γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：0.05，于90℃下超声振荡0.5h，得到浸渍液；
（2）将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空至-0.05Mpa并保持2h，然后将脊取出，并将其在400℃下处理1h；
（3）将基材放入强酸中，于100℃下浸泡180min，再将经过酸处理的基材水洗至中性，将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并在150℃下加热3min，再向脊和基材的相对两侧同时施加5000N的力，并于80℃下保持5min，冷却后即得亲水性双极板；
其中，脊的材质为多孔石墨，孔隙率为50%，颗粒度为20μm，孔径为2μm，电导率为35μΩm，强度为45MPa；基材的材质为无孔石墨；
亲水性树脂溶液的制备方法如下：
在pH至10的条件下，向二氧化硅溶胶中加入过量过氯酸铵，于惰性气氛中充分搅拌，并于5℃下冷藏过夜，然后调节pH至8，加入丙烯酸单体搅拌均匀，二氧化硅溶胶、过氯酸铵和丙烯酸单体的质量比为0.5：1：0.8，再依次加入5wt%甲基丙烯酸甲酯、2wt%聚醚消泡剂和1wt%二乙二醇丁醚，即得亲水性树脂溶液。
对比例1
如图2所示，一种亲水性双极板的制备方法，包括以下步骤：
（1）将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，使得纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为1wt%，3-巯丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为10：1，并使二者混合，纳米二氧化钛和3-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为1：0.01，于80℃下超声振荡1.2h，得到浸渍液；
（2）将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空至-0.02Mpa并保持0.2h，然后将脊取出，并将其在200℃下处理3h；
（3）将基材放入强酸中，于80℃下浸泡200min，再将经过酸处理的基材水洗至中性，将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并在120℃下加热10min，再向脊和基材的相对两侧同时施加3000N的力，并于50℃下保持10min，冷却后即得亲水性双极板；
其中，脊的材质为多孔石墨，孔隙率为70%，颗粒度为25μm，孔径为3μm，电导率为40μΩm，强度为30MPa；基材的材质为无孔石墨；
亲水性树脂溶液的制备方法如下：
在pH至8的条件下，向二氧化硅溶胶中加入过量过硫酸钾，于惰性气氛中充分搅拌，并于7℃下冷藏过夜，然后调节pH至5.5，加入丙烯酸单体搅拌均匀，二氧化硅溶胶、过硫酸钾和丙烯酸单体的质量比为0.8：1：0.2，再依次加入1wt%N,N-亚甲基双丙烯酰胺、3wt%有机硅消泡剂和2wt%丙二醇乙醚，即得亲水性树脂溶液。
对比例2
与实施例2的不同之处在于：步骤（1）为：将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，使得纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为5wt%，得到浸渍液。
对比例3
与实施例2的不同之处在于：将3-巯丙基三甲氧基硅烷替换为硅烷偶联剂KH560。
对比例4
与实施例2的不同之处在于：步骤（2）为：将浸渍液涂覆在双极板的脊表面，涂覆厚度为30nm。
对比例5
与实施例2的不同之处在于：步骤（3）为：将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并于70℃下保持6min，冷却后即得亲水性双极板。
对比例6
与实施例2的不同之处在于：未公开亲水性树脂溶液的制备方法，将亲水性树脂溶液替换为聚丙烯酸溶液。
对比例7
与实施例2的不同之处在于：将过硫酸钾替换为过硫酸钠。
试验例
如图1和2所示，一种燃料电池，包括质子交换膜3、阳极催化剂层2、阴极催化剂层4、阳极扩散层1、阴极扩散层5和实施例1-3和对比例1-7任一制备方法制得的亲水性双极板6，阳极催化剂层2和阴极催化剂层4分别设置在质子交换膜3的两侧，阳极扩散层1和阴极扩散层5分别设置在阳极催化剂层2和阴极催化剂层4远离质子交换膜3的一侧，亲水性双极板6的脊7间隔排列在基材9一侧，相邻两个脊7之间设置有流道8，脊7远离基材9的一侧分别与阳极扩散层1和阴极扩散层5连接。
通过四探针测试仪、接触角测试仪、自动双极板接触电阻测试仪分别对亲水性双极板的电导率、接触角、接触电阻进行测试，结果如表1所示。
表1
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种亲水性双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将纳米二氧化钛分散于乙醇溶液中，改性剂溶于乙醇和去离子水的混合溶液中，并使二者混合，于70-90℃下超声振荡0.5-2h，得到浸渍液；
（2）将双极板的脊浸渍在盛有浸渍液的密闭容器中，抽真空至-0.1～-0.05Mpa并保持0.5-2h，然后将脊取出，并将其在250-400℃下处理1-2h；
（3）将亲水性树脂溶液涂覆在双极板的基材表面，然后将步骤（2）处理后的脊粘结在基材一侧，并在130-150℃下加热3-5min，再向脊和基材的相对两侧同时施加4000-5000N的力，并于60-80℃下保持5-8min，冷却后即得亲水性双极板。
2.根据权利要求1所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，纳米二氧化钛在乙醇溶液中的质量百分比为3-8wt%，纳米二氧化钛和改性剂的质量比为1：（0.02-0.05）。
3.根据权利要求1所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，乙醇和去离子水的混合溶液中乙醇和去离子水的体积比为（15-20）：1。
4.根据权利要求1所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述改性剂为脲丙基三甲氧基硅烷、3-巯丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三甲氧基硅烷。
5.根据权利要求1所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述亲水性树脂溶液的制备方法如下：
在pH至9-10的条件下，向二氧化硅溶胶中加入过量引发剂，于惰性气氛中充分搅拌，并于2-5℃下冷藏过夜，然后调节pH至6-8，加入丙烯酸单体搅拌均匀，再依次加入交联剂、消泡剂和助剂，即得亲水性树脂溶液。
6.根据权利要求5所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，所述二氧化硅溶胶、引发剂和丙烯酸单体的质量比为（0.2-0.5）：1：（0.5-0.8）；
所述交联剂、消泡剂和助剂的添加量分别为2-5wt%、0.5-2wt%和0.1-1wt%。
7.根据权利要求5所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾或过氯酸铵。
8.根据权利要求5所述的亲水性双极板的制备方法，其特征在于，所述交联剂为甲基丙烯酸甲酯或N,N-亚甲基双丙烯酰胺；
消泡剂为有机硅消泡剂或聚醚消泡剂；
助剂为醇酯十二、丙二醇乙醚或二乙二醇丁醚。
9.一种亲水性双极板，其特征在于，所述亲水性双极板由权利要求1-8中任一项所述的亲水性双极板的制备方法制成。
10.一种燃料电池，其特征在于，具有权利要求9所述的亲水性双极板，所述亲水性双极板的脊间隔排列在基材一侧，相邻两个脊之间设置有流道，所述脊远离基材的一侧与燃料电池的气体扩散层连接。
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Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1719645A (zh) * 2004-07-06 2006-01-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种新型质子交换膜燃料电池双极板制备工艺
CN101057350A (zh) * 2004-11-12 2007-10-17 通用汽车公司 双极板的亲水性表面改性
CN101308934A (zh) * 2007-04-04 2008-11-19 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池双极板槽脊上非导电亲水涂层的去除
CN101401240A (zh) * 2006-01-17 2009-04-01 汉高公司 粘结的燃料电池组件，方法，体系和生产它的密封剂组合物
CN101447571A (zh) * 2008-12-29 2009-06-03 新源动力股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法
CN102615026A (zh) * 2011-01-26 2012-08-01 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于双极板的水解稳定的亲水涂层
CN105655611A (zh) * 2009-07-20 2016-06-08 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性
CN110492127A (zh) * 2019-08-12 2019-11-22 吉林大学 一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法
CN110998937A (zh) * 2017-08-24 2020-04-10 日清纺控股株式会社 燃料电池隔离物前体和燃料电池隔离物
CN111082089A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 一汽解放汽车有限公司 一种流道沟槽和脊表面为异种涂层的金属双极板及其制备方法
CN112151824A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 东风汽车集团有限公司 一种燃料电池用带有图案化亲水-疏水涂层的双极板及其制备工艺
CN112341848A (zh) * 2020-11-05 2021-02-09 上海理工大学 一种石墨烯涂层及石墨烯导电耐蚀涂层的制备方法
CN113036173A (zh) * 2019-12-24 2021-06-25 未势能源科技有限公司 复合材料双极板及制造方法
CN113921842A (zh) * 2021-12-13 2022-01-11 浙江天能氢能源科技有限公司 一种燃料电池用金属双极板及其制备方法
CN114447356A (zh) * 2022-01-20 2022-05-06 常州翊迈新材料科技有限公司 一种亲水涂层及其制备方法
CN115347208A (zh) * 2022-10-17 2022-11-15 江苏金亚隆科技有限公司 一种石墨极板的制备工艺
CN115692755A (zh) * 2022-10-28 2023-02-03 中国航发北京航空材料研究院 一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法
CN115763868A (zh) * 2022-11-24 2023-03-07 上海神力科技有限公司 一种表面改性石墨极板及其制备方法和应用

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8815335B2 (en) * 2008-12-16 2014-08-26 GM Global Technology Operations LLC Method of coating a substrate with nanoparticles including a metal oxide
US11811102B2 (en) * 2018-09-01 2023-11-07 Clarkson University Material compositions and methods for porous graphite-polymer composite bipolar plates

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1719645A (zh) * 2004-07-06 2006-01-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种新型质子交换膜燃料电池双极板制备工艺
CN101057350A (zh) * 2004-11-12 2007-10-17 通用汽车公司 双极板的亲水性表面改性
CN101401240A (zh) * 2006-01-17 2009-04-01 汉高公司 粘结的燃料电池组件，方法，体系和生产它的密封剂组合物
CN101308934A (zh) * 2007-04-04 2008-11-19 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池双极板槽脊上非导电亲水涂层的去除
CN101447571A (zh) * 2008-12-29 2009-06-03 新源动力股份有限公司 一种质子交换膜燃料电池柔性石墨复合双极板的制备方法
CN105655611A (zh) * 2009-07-20 2016-06-08 通用汽车环球科技运作公司 燃料电池双极板的传导性的和亲水性的表面改性
CN102615026A (zh) * 2011-01-26 2012-08-01 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于双极板的水解稳定的亲水涂层
CN110998937A (zh) * 2017-08-24 2020-04-10 日清纺控股株式会社 燃料电池隔离物前体和燃料电池隔离物
CN110492127A (zh) * 2019-08-12 2019-11-22 吉林大学 一种梯度渐变定向输水和引流的燃料电池双极板及方法
CN113036173A (zh) * 2019-12-24 2021-06-25 未势能源科技有限公司 复合材料双极板及制造方法
CN111082089A (zh) * 2019-12-31 2020-04-28 一汽解放汽车有限公司 一种流道沟槽和脊表面为异种涂层的金属双极板及其制备方法
CN112151824A (zh) * 2020-09-02 2020-12-29 东风汽车集团有限公司 一种燃料电池用带有图案化亲水-疏水涂层的双极板及其制备工艺
CN112341848A (zh) * 2020-11-05 2021-02-09 上海理工大学 一种石墨烯涂层及石墨烯导电耐蚀涂层的制备方法
CN113921842A (zh) * 2021-12-13 2022-01-11 浙江天能氢能源科技有限公司 一种燃料电池用金属双极板及其制备方法
CN114447356A (zh) * 2022-01-20 2022-05-06 常州翊迈新材料科技有限公司 一种亲水涂层及其制备方法
CN115347208A (zh) * 2022-10-17 2022-11-15 江苏金亚隆科技有限公司 一种石墨极板的制备工艺
CN115692755A (zh) * 2022-10-28 2023-02-03 中国航发北京航空材料研究院 一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法
CN115763868A (zh) * 2022-11-24 2023-03-07 上海神力科技有限公司 一种表面改性石墨极板及其制备方法和应用

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