CN116914172A - 一种高性能复合双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种高性能复合双极板及其制备方法，本发明提供一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：鳞片石墨50～85份、树脂粉末15～50份、导电助剂1～10份、助剂0.01～1份，本发明还提供一种高性能复合双极板的制备方法，将鳞片石墨、树脂粉末、导电助剂、助剂进行搅拌混合；将混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；将板片坯经四辊压光机进行冷却定型；将冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板，本发明具有良好的导电性和抗弯强度，通过挤压成型生产效率高，产品合格率高。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种高性能复合双极板及其制备方法。
背景技术
石墨/树脂复合双极板弥补了纯石墨双极板脆性大、机械性能差的缺点又比金属双极板更耐腐蚀，结合了石墨和金属的优点，综合性能较好，由于质子交换膜燃料电池运行的工作环境比较苛刻，从性能角度，要求双极板材料是电与热的良导体，具有良好的强度以及气体致密性等，并要求双极板在燃料电池强酸性、强电位、高湿热工作环境下稳定运行，而复合双极板的强度和性能取决于树脂的性能，因此本发明的目的是制备一种抗张强度高，且耐高温耐85%磷酸的高性能复合双极板。
目前，授权公开号为CN113270605B的中国发明专利，其公开了一种冷压复合双极板的制备方法，取原料天然鳞片石墨、人造石墨或/和膨胀石墨、导电助剂、粘结树脂组合物、增韧树脂和溶剂，粘结树脂组合物由酚醛环氧树脂、固化剂和促进剂混合组成，但是其采用的环氧树脂耐热性能较低、脆性大、耐酸性能也较低，无法满足双极板在85wt%磷酸溶液环境下运行，从而影响复合双极板的强度和性能。
发明内容
本发明的目的之一是针对现有技术的不足之处，提供一种高性能复合双极板，该高性能复合双极板抗张强度高，耐高温耐强酸。
本发明的技术解决措施如下：
一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：
鳞片石墨50～85份；
树脂粉末15～50份；
导电助剂1～10份；
助剂0.01～1份。
作为一种优选，所述鳞片石墨的粒径为10～80μm，所述树脂粉末的粒径为10～80μm，所述导电助剂的粒径为100～200μm。
作为一种优选，所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
作为一种优选，所述树脂粉末为PPS树脂粉末、PEEK树脂粉末、PVC树脂粉末中的至少一种。
作为一种优选，所述导电助剂为炭黑和碳纤维中的至少一种。
作为又一种优选，所述助剂为抗氧剂、热稳定剂、抗静电剂中的任意一种。
本发明的另一设计目的是提供一种高性能复合双极板的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、将鳞片石墨、树脂粉末、导电助剂、助剂进行真空干燥，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
作为一种优选，S1中，真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min。
作为一种优选，S1中，搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min。
作为又一种优选，S2中，锥形同向双螺杆挤出机的进料段温度为80～150℃，压缩段温度为160～350℃，均化段温度为160～350℃，模头温度为200～350℃，螺杆转速为10～350r/min，冷却温度30～180℃，辊压压力5MPa。
本发明的有益效果在于：
本发明的复合双极板它既有高分子材料耐腐蚀性和耐久性特性，又具有石墨类双极板的优良性能，具有易操作加工且制作成本低，既满足钒电池电极板耐酸、耐氧化性、无渗液的要求，又增加了电极板的强度、比表面积、导电性。
2. 本发明采用的PPS树脂粉末、PEEK树脂粉末、PVC树脂粉末具有高抗张性和耐酸性，使制得的复合双极板抗张强度高，且耐高温耐强酸，并且热塑性树脂易加工，可反复加工。
3. 本发明通过挤出辊将极片挤压成型，此工艺简单，生产效率高，产品合格率高，可满足大批量的双极板生产。
综上所述，本发明的复合双极板具有抗张强度高，且耐高温耐强酸的优点，适合燃料电池技术领域。
附图说明
图1为本发明5个实施例中的高性能复合双极板性能测试结果。
具体实施方式
以下所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明的范围进行限定。
实施例1
一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：鳞片石墨80kg、PPS树脂粉末20kg、炭黑1kg、抗氧剂0.05kg。
所述鳞片石墨的粒径为40μm，所述树脂粉末的粒径为40μm，所述导电助剂的粒径为150μm。
所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
该高性能复合双极板的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、将80kg鳞片石墨、20kgPPS树脂粉末、1kg炭黑、0.05kg抗氧剂进行真空干燥，其中真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料，其中搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，其中挤出机的进料段温度为260℃、压缩段温度为320℃、均化段温度为320℃、模头温度为320℃，螺杆转速为50r/min，辊压冷却温度为150℃，辊压压力5MPa，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
最后，对本实施例中最终获得的高性能复合双极板进行性能测试，测试项目包括：电阻率和抗弯强度，测试结果见附图1。
实施例2
与实施例1不同的部分，仅仅为以下的高性能双极板的物料组成，以及压制成型的工况参数。
一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：鳞片石墨70kg、PPS树脂粉末30kg、碳纤维0.05kg、抗氧剂0.05kg。
所述鳞片石墨的粒径为40μm，所述树脂粉末的粒径为40μm，所述导电助剂的粒径为150μm。
所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
该高性能复合双极板的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、将70kg鳞片石墨、30kgPPS树脂粉末、0.05kg碳纤维、0.05kg抗氧剂进行真空干燥，其中真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料，其中搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，其中挤出机的进料段温度为260℃、压缩段温度为320℃、均化段温度为320℃、模头温度为320℃，螺杆转速为60r/min，辊压冷却温度为150℃，辊压压力5MPa，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
最后，对本实施例中最终获得的高性能复合双极板进行性能测试，测试项目包括：电阻率和抗弯强度，测试结果见附图1。
实施例3
与实施例1不同的部分，仅仅为以下的高性能双极板的物料组成，以及压制成型的工况参数。
一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：鳞片石墨80kg、PEEK树脂粉末20kg、碳纤维0.05kg、抗氧剂0.05kg。
所述鳞片石墨的粒径为40μm，所述树脂粉末的粒径为40μm，所述导电助剂的粒径为150μm。
所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
该高性能复合双极板的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、将80kg鳞片石墨、20kgPEEK树脂粉末、0.05kg碳纤维、0.05kg抗氧剂进行真空干燥，其中真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料，其中搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，其中挤出机的进料段温度为260℃、压缩段温度为320℃、均化段温度为320℃、模头温度为320℃，螺杆转速50r/min，辊压冷却温度为150℃，辊压压力5MPa，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
最后，对本实施例中最终获得的高性能复合双极板进行性能测试，测试项目包括：电阻率和抗弯强度，测试结果见附图1。
实施例4
与实施例1不同的部分，仅仅为以下的高性能双极板的物料组成，以及压制成型的工况参数。
一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：鳞片石墨60kg、PVC树脂粉末40kg、炭黑1kg、抗氧剂0.05kg。
所述鳞片石墨的粒径为40μm，所述树脂粉末的粒径为40μm，所述导电助剂的粒径为150μm。
所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
该高性能复合双极板的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、将60kg鳞片石墨、40kgPVC树脂粉末、1kg炭黑、0.05kg抗氧剂进行真空干燥，其中真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料，其中搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，其中挤出机的进料段温度为60℃、压缩段温度为170℃、均化段温度为170℃、模头温度为170℃，螺杆转速为50r/min，辊压冷却温度为40℃，辊压压力4MPa，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
最后，对本实施例中最终获得的高性能复合双极板进行性能测试，测试项目包括：电阻率和抗弯强度，测试结果见附图1。
实施例5
与实施例1不同的部分，仅仅为以下的高性能双极板的物料组成，以及压制成型的工况参数。
一种高性能复合双极板，包括按重量计的以下各组分：鳞片石墨50kg、PVC树脂粉末50kg、碳纤维0.05kg、抗氧剂0.05kg。
所述鳞片石墨的粒径为40μm，所述树脂粉末的粒径为40μm，所述导电助剂的粒径为150μm。
所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
该高性能复合双极板的制备方法，依次包括以下步骤：
S1、将50kg鳞片石墨、50kgPVC树脂粉末、0.05kg碳纤维、0.05kg抗氧剂进行真空干燥，其中真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料，其中搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，其中挤出机的进料段温度为60℃、压缩段温度为170℃、均化段温度为170℃、模头温度为170℃，螺杆转速为55r/min，辊压冷却温度为40℃，辊压压力4MPa，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
最后，对本实施例中最终获得的高性能复合双极板进行性能测试，测试项目包括：电阻率和抗弯强度，测试结果见附图1。
从附图1中的检测数据可以得出以下结论：本发明制备的高性能复合双极板具有良好的导电性能和抗弯强度，通过PPS树脂粉末、PEEK树脂粉末、PVC树脂粉末本身的高抗张和耐酸性，使得该高性能复合双极板能够在燃料电池强酸性、强电位、高湿热工作环境下稳定运行。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种修改。这些都是不具有创造性的修改，只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种高性能复合双极板，其特征在于：包括按重量计的以下各组分：
鳞片石墨50～85份；
树脂粉末15～50份；
导电助剂1～10份；
助剂0.01～1份。
2.根据权利要求1所述的一种高性能复合双极板，其特征在于：所述鳞片石墨的粒径为10～80μm，所述树脂粉末的粒径为10～80μm，所述导电助剂的粒径为100～200μm。
3.根据权利要求1所述的一种高性能复合双极板，其特征在于：所述鳞片石墨的纯度大于99.9%。
4.根据权利要求1所述的一种高性能复合双极板，其特征在于：所述树脂粉末为PPS树脂粉末、PEEK树脂粉末、PVC树脂粉末中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种高性能复合双极板，其特征在于：所述导电助剂为炭黑和碳纤维中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种高性能复合双极板，其特征在于：所述助剂为抗氧剂、热稳定剂、抗静电剂中的任意一种。
7.一种高性能复合双极板的制备方法，其特征在于依次包括以下步骤：
S1、将鳞片石墨、树脂粉末、导电助剂、助剂进行真空干燥，然后通过高速分散混合机进行搅拌混合，得到混合粉料；
S2、将S1中的混合粉料投入锥形同向双螺杆挤出机，通过狭缝模具初步成型为所需的板片坯；
S3、将S2中的板片坯经四辊压光机进行冷却定型，再在导辊架上进一步进行冷却；
S4、将S3中冷却后的板片坯由切边机进行切边后经牵引机的牵引，根据所需规格进行横切，得到复合双极板。
8.根据权利要求7所述的一种高性能复合双极板的制备方法，其特征在于：S1中，真空温度为30～50℃，真空压力为85～100KPa，真空干燥时间为60～150min。
9.根据权利要求7所述的一种高性能复合双极板的制备方法，其特征在于：S1中，搅拌混合转速为20～100r/min，搅拌混合时间为10min～30min。
10.根据权利要求7所述的一种高性能复合双极板的制备方法，其特征在于：S2中，锥形同向双螺杆挤出机的进料段温度为80～150℃，压缩段温度为160～350℃，均化段温度为160～350℃，模头温度为200～350℃，螺杆转速为10～350r/min，冷却温度30～180℃，辊压压力5MPa。
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