CN117543041B - 碳纳米管复合燃料电池石墨双极板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳纳米管复合燃料电池石墨双极板及其制备方法，所述制备方法包括：S1，提供石墨基板及碳纳米管溶液，其中，所述石墨基板的两个分别表面设置有对应的液体流道，以及分别设置于所述液体流道两端的流体入口和流体出口，所述碳纳米管溶液为将碳纳米管粉末分散于易挥发有机溶剂获得；S2，将所述碳纳米管溶液分散于其中一个液体流道中，然后使有机溶剂挥发使碳纳米管粉末均匀分散于所述液体流道中；S3，通过高温使碳纳米管粉末固定于所述液体流道中；S4，重复步骤S2‑S3，将碳纳米管粉末固定于另一液体流道中。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管复合燃料电池石墨双极板及其制备方法。
背景技术
燃料电池是通过氢气与氧气在燃料电池电堆内发生化学反应，将化学能转化成电能的装置。与传统内燃机不同，燃料电池的电力来自氢气与氧气电化学反应，不涉及燃烧，生成物为水。因此，燃料电池具备零排放、高效率、低噪音等优点。
燃料电池电堆通常是将多个燃料电池单元以串联的方式层叠组合，而燃料电池单元主要以两大核心部件双极板和膜电极串联叠合组装而成。双极板在燃料电池电堆中主要作用为分配反应气体、导电导热及支撑膜电极，是燃料电池的骨架与基础。通常情况下双极板由进出口、流道及反应区组成。其中，进出口将氢气、氧气/空气和冷却液引入双极板，为电化学反应提供工质；流道主要将氢气、氧气/空气和冷却液均匀分配到反应区的流道中，为电化学反应一致性提供保障；反应区与膜电极均匀接触，供给氢气、氧气/空气。目前双极板主要有石墨双极板、复合双极板以及金属双极板等三大类。但是，石墨双极板在导电性能以及耐腐蚀性能方面，还存在不足。
发明内容
本发明提供了一种碳纳米管复合燃料电池石墨双极板及其制备方法，可以有效解决上述问题。
本发明是这样实现的：
一种碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，包括：
S1，提供石墨基板及碳纳米管溶液，其中，所述石墨基板表面设置有的液体流道，以及设置于所述液体流道两端的流体入口和流体出口，所述碳纳米管溶液为将碳纳米管粉末分散于易挥发有机溶剂获得；
S2，将所述碳纳米管溶液分散于所述液体流道中，然后使有机溶剂挥发使碳纳米管粉末均匀分散于所述液体流道中；
S3，通过高温使碳纳米管粉末固定于所述液体流道中形成复合石墨电极板；
S4，将两块复合石墨电极板固定在一起形成所述碳纳米管复合燃料电池石墨双极板。
本发明还进一步提供碳纳米管复合燃料电池石墨双极板，包括：
石墨基板；
分别设置于所述石墨基板两个表面的液体流道；
设置于每一液体流道两端的流体入口和流体出口；
固定于所述液体流道中的碳纳米管粉末。
本发明的有益效果是：本发明提供的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板及其制备方法，可通过在石墨基板中的液体流道形成碳纳米管，一方面，可以提高所述石墨基板表面的方向上的导电及导热能力，另一方面，由于碳纳米管具有良好的抗腐蚀性能，因此，还可以电池整体的耐腐蚀性能以及，并防止在石墨双极板表面处理层的针孔产生。进一步的，本发明提供的制备方法，还具有工艺简单，易于工业化生产等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板沿A-A部分结构的截面图。
图3是本发明另一实施例提供的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，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。
参照图1所示，本发明实施了提供一种碳纳米管复合燃料电池双极板，所述双极板100包括：
石墨基板10；
分别设置于所述石墨基板10两个表面的液体流道13；
设置于每一液体流道13两端的流体入口11和流体出口12；
固定于所述液体流道13中的碳纳米管粉末14。
所述石墨基板10可以通过膨胀石墨复合材料的板材成形工艺形成，或是通过石墨粉末和树脂混合材料的成型/注射成型工艺形成。上述工艺为现有技术，在此不再累述。
所述液体流道13的形状、长度、大小等可以根据实际需要选择，在此不做限制。为了防止流道堵塞，所述液体流道13的宽度为一般氢燃料电池电极板中流道的宽度A的2~3倍左右。具体的，一般的氢燃料电池中的电极板中流道的宽度A一般为1.5~2.5mm左右，根据尺寸和实际需要的选择有所不同。当然，流道的扩宽，也有利于后续在所述液体流道13中固定碳纳米管粉末。
所述流体入口11和流体出口12为通孔，其大小在此不做限制。
所述碳纳米管粉末14为通过熔融工艺固定于所述液体流道13中形成。所述碳纳米管粉末14的长度可以为1微米~100微米左右，碳纳米管的直径为0.5纳米~100纳米。优选的，所述碳纳米管粉末14的长度可以为10微米~50微米左右。更优选的，所述碳纳米管粉末14的长度可以为20微米~40微米左右。所述碳纳米管粉末14中的碳纳米管可以为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管及其混合物。更优选的，可以选用使用钴催化剂生长的碳纳米管，在生长过程中，最终的钴催化剂会附着在碳纳米管顶部，可以在后续的氢燃料电池中起到提高电池的效率和稳定性的作用。
所述碳纳米管粉的形成，可以包括以下步骤：
在真空或惰性气氛下，通过激光照射烧蚀所述碳纳米管粉末使碳纳米管熔融从而使其与底部的石墨基板紧密的融合在一起，从而提高碳纳米管粉末的整体强度，防止碳纳米管粉末流失。
相较传统发动机，燃料电池发动机的热效率更高，多在45%～60%范围内，燃料电池的散热量比传统发动机大10%-20%左右。而在散热问题上，燃料电池发动机的需求却远高于传统发动机。相关数据显示，传统的发动机散热，15%是通过发动机机体散出，40%通过排气管以尾气的形式排放，只有8%的热量是通过散热器散出。而燃料电池发动机在散热方面主要依靠散热器，理论情况下，燃料电池系统的热效率和散热器的热量在41%左右，有18%的热量需要通过散热器来散出；但在恶劣的工况下，燃料电池系统的热效率约为35%，此时仅有3%的热量是通过尾气排出，其余62%的热量需要通过散热器来散发。且燃料电池的工作温度相对较低，散热器中冷却液与环境的温差比传统汽车小，给热管理带来了更加严峻的挑战。本发明通过碳纳米管粉末的沉积，还可以使电池单体在具有较好的散热性能及导热性能。
请参见图3所示，在其他实施例中，所述碳纳米管复合燃料电池石墨双极板可进一步包括：
开设于所述石墨基板10中部的透水开口15；以及
设置于所述透水开口15处的透气透水板20。
所述透气透水板20与所述石墨基板10具有相互匹配的流道。所述透水开口15以及所述透气透水板20的材质等可参考申请人于2014.09.23，申请的，申请号为“201420549770.7”，标题名称为“一种燃料电池复合石墨双极板”的发明专利申请，在此不再累述。所述双极板100外部的水能够通过透气透水板20 进入到流道中，使流道达到规定的湿度要求，保证双极板100 的正常工作，提高燃料电池产生的电力能力。作为进一步改进的，所述透水开口15设置于所述石墨基板10的中部。在其中一个实施例中，所述透水开口15为长条状结构，且贯穿90%以上的液体流道13。作为更进一步改进的，定义单个液体流道13的长度为A，而所述透水开口15的宽度a为0.1A~0.2A左右。可以理解，可以通过控制所述透水开口15的宽度控制水能够通过透气透水板20 进入到阴极反应物气体流道中湿度。一般而言，单个液体流道13的长度为A为5cm~10cm左右，因此，所述透水开口15的宽度a为0.5cm~1cm左右。所述透水开口15的宽度a如果过小，不容易加工及组装，过大其湿度或显著提高，也不利于反应。
本发明实施例还进一步提供一种包括上述碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的燃料电池。所述燃料电池的其他结构为现有技术在此不再累述。
请参见图4，本发明实施了进一步提供一种碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1，提供石墨基板10及碳纳米管溶液，其中，所述石墨基板10的两个分别表面设置有对应的液体流道13，以及分别设置于所述液体流道13两端的流体入口11和流体出口12，所述碳纳米管溶液为将碳纳米管粉末分散于易挥发有机溶剂获得；
S2，将所述碳纳米管溶液分散于其中一个液体流道13中，然后使有机溶剂挥发使碳纳米管粉末均匀分散于所述液体流道13中；
S3，通过高温使碳纳米管粉末14固定于所述液体流道13中；
S4，重复步骤S2-S3，将碳纳米管粉末14固定于另一液体流道13中。
在步骤S1中，石墨基板10及其其上的液体流道13、流体入口11和流体出口12及其他辅助结构的制备为现有技术在此不再累述。
所述碳纳米管溶液为将碳纳米管粉末通过物理分散法分散于有机溶剂获得，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇及其混合物。在其中一个实施例中，通过超声分散法将碳纳米管粉末打散均匀分散于有机溶剂中。所述碳纳米管溶液中碳纳米管粉末的浓度不宜过高，过高会导致难以均匀分散，优选的，所述碳纳米管溶液中碳纳米管的含量为0.5~5wt%。更优选的，所述碳纳米管溶液中碳纳米管的含量为0.8~1.5wt%。在其中一个实施例中，所述碳纳米管溶液中碳纳米管的含量约为1wt%。所述碳纳米管粉末14的长度可以为1微米~100微米左右，碳纳米管的直径为0.5纳米~100纳米。
在步骤S2中，所述将所述碳纳米管溶液分散于所述液体流道13中的步骤具体包括：
将所述流体入口11和流体出口12堵塞，然后将所述石墨基板10放置于水平位置，将所述碳纳米管溶液倒入所述液体流道13中。所述碳纳米管溶液的体积不宜过小，过小会导致最终碳纳米管粉末的沉积量过少；所述碳纳米管溶液的体积也不宜过大，过大会容易导致溶液外溢，需要额外处理其他表面。优选的，定义所述液体流道13的高度为H，所述碳纳米管溶液的高度h为小于等于0.8H，且大于等于0.3H。更优选的，所述碳纳米管溶液的高度h为小于等于0.6H，且大于等于0.4H。在其中一个实施例中，所述碳纳米管溶液的高度h约为0.5H。
在步骤S2中，所述使有机溶剂挥发使碳纳米管粉末均匀分散于所述液体流道中的步骤具体包括：
将所述石墨基板缓慢加热使有机溶剂缓慢挥发。
在步骤S3中，在步骤S3中，所述通过高温使碳纳米管粉末固定于所述液体流道中的步骤包括：
在真空或惰性气氛下，通过激光照射烧蚀所述碳纳米管粉末，使碳纳米管粉末部分熔融而固定所述石墨基板13上。优选的，在真空气氛下进行，这是由于，在激光进行烧蚀的过程中，气体的存在会导致布局空气热胀冷缩进而导致碳纳米管粉末的均匀性。优选的，真空度为-0.1~KPa下，通过激光照射烧蚀所述碳纳米管粉末，使碳纳米管粉末部分熔融而固定所述石墨基板13上。所述激光照射烧蚀的功率可以根据实际需要选择，只要可以达到瞬间高温即可。具体的，所述激光的功率可以为30瓦~80瓦，该激光扫描速度可以为50毫米/秒~100毫米/秒。由于碳纳米管是贴附在基板表面，其热量容易被基板带走，因此，需要较大的功率，及较低的扫描速度。在其中一个实施例中，所述激光通过Yag激光器发射（钇铝石榴石晶体(Y3Al5O12)），其波长为1064纳米，功率为60瓦，激光扫描速度为80毫米/秒。扫描速度过快，或功率过低，都会导致碳纳米管粉末无法熔融而固定所述石墨基板13上，或影响最终的结合性能。如果扫描速度过慢，或功率过大，会导致底部的石墨基板13被过度烧蚀而产生异型不良。所述激光照射烧蚀的光斑大小一般以液体流道13的宽度为限，或略小于所述液体流道13的宽度。优选的，定义所述液体流道13的宽度为B，其中，所述激光照射烧蚀的光斑的直径为0.7~0.8B左右，且与两侧的液体流道13侧壁预留0.1B左右的宽度，从而防止由于激光温度过高对两侧的液体流道13侧壁产生损伤。
作为进一步改进的，在其他实施例中，所述石墨基板13表面还开设有透水开口15。故，作为进一步改进的，在步骤S4之后，还进一步包括：
将所述透气透水板20无缝对接于所述透水开口15中。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，包括：
S1，提供石墨基板及碳纳米管溶液，其中，所述石墨基板的两个表面分别设置有对应的液体流道，以及分别设置于所述液体流道两端的流体入口和流体出口，所述碳纳米管溶液为将碳纳米管粉末分散于易挥发有机溶剂获得，所述石墨基板表面还开设有透水开口，所述透水开口为长条状结构，且贯穿90%以上的液体流道，定义单个液体流道的长度为A，而所述透水开口的宽度a为0.1A~0.2A；
S2，将所述碳纳米管溶液分散于其中一个液体流道中，然后使有机溶剂挥发使碳纳米管粉末均匀分散于所述液体流道中；
S3，通过高温使碳纳米管粉末固定于所述液体流道中，其具体包括：在真空或惰性气氛下，通过激光照射烧蚀所述碳纳米管粉末，使碳纳米管粉末部分熔融而固定所述石墨基板上，所述激光的功率为30瓦~80瓦，该激光扫描速度为50毫米/秒~100毫米/秒，定义所述液体流道的宽度为B，其中，所述激光照射烧蚀的光斑的直径为0.7~0.8B，且与两侧的液体流道侧壁预留0.1B的宽度，从而防止由于激光温度过高对两侧的液体流道侧壁产生损伤；
S4，重复步骤S2-S3，将碳纳米管粉末固定于另一液体流道中。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述碳纳米管溶液为将碳纳米管粉末通过物理分散法分散于有机溶剂获得，所述有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇及其混合物。
3.如权利要求1所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述碳纳米管溶液中碳纳米管的含量为0.5~5wt%。
4.如权利要求3所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述将所述碳纳米管溶液分散于所述液体流道中的步骤具体包括：
将所述流体入口和流体出口堵塞，然后将所述石墨基板放置于水平位置，将所述碳纳米管溶液倒入所述液体流道中，其中，定义所述液体流道的高度为H，所述碳纳米管溶液的高度h为小于等于0.8H，且大于等于0.5H。
5.如权利要求4所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述使有机溶剂挥发使碳纳米管粉末均匀分散于所述液体流道中的步骤具体包括：
将所述石墨基板缓慢加热使有机溶剂缓慢挥发。
6.如权利要求1所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管粉末的长度为1微米~100微米。
7.如权利要求1所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板的制备方法，其特征在于，在步骤S3之后，还进一步包括：
将所述复合石墨电极板在有机溶剂中超声清洗，以去除未固定于所述石墨基板上的碳纳米管粉末。
8.一种根据权利要求1所述的制备方法获得的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板，其特征在于，包括：
石墨基板；
分别设置于所述石墨基板两个表面的液体流道；
设置于每一液体流道两端的流体入口和流体出口；
固定于所述液体流道中的碳纳米管粉末。
9.如权利要求8所述的碳纳米管复合燃料电池石墨双极板，其特征在于，所述液体流道的宽度为一般氢燃料电池电极板中流道的宽度的2~3倍。
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