CN117673392A - 一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材 - Google Patents
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Abstract
本发明属于板材技术领域，提供了一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，包括第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层，所述第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层之间植入碳纤维网格层；本发明采用革新性的全碳基复合结构，集成了碳基双极板在燃料电池应用上的优势，具有良好的热导率和电导率，耐蚀性极好，无金属离子析出，重量轻，寿命长的特点，同时复合结构也发挥出碳纤维的机械性能优势，在提高功率体积比的同时，大幅度改善双极板的机械强度，并且由碳纤维复合膨胀石墨柔性板材加工成的燃料电池碳基双极板，并不需要改变燃料电池碳基双极板的加工工艺与设备，可以继续沿用目前的燃料电池碳基双极板模具和加工设备，具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本发明属于板材技术领域，具体地说是一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材。
背景技术
燃料电池是一种主要透过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，将燃料的化学能转化为电能的发电装置，目前作为燃料电池双极板的基本材料包括碳基材料、金属基材料、复合材料三大类，双极板的功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路，双极板是燃料电池重要部件之一，其重量约占PEMFC电堆的80％，成本约占24％，燃料电池双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到单电池链接、输送燃料、电流收集和传导、支撑电堆和MEA、排除反应产生的热量、排出反应产生的水等重要作用，在保持一定机械强度和良好阻力作用的前提下，双极板厚度应尽可能地薄，以减少对电流和热的传导阻力。
然而，现有的燃料电池双极板基本材料采用碳基材料、金属基材料、金属基与复合材料三大类，均无法同时满足作为双极板的气体抗渗性、导电性、机械强度、耐腐蚀性、规模化连续生产以及低成本的特点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，以解决现有技术中燃料电池双极板基本材料均无法同时满足作为双极板的气体抗渗性、导电性、机械强度、耐腐蚀性、规模化连续生产以及低成本的问题。
一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，包括第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层，所述第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层之间植入碳纤维网格层，所述第一膨胀石墨层与第二膨胀石墨层透过碳纤维层网格连接融合成一体化结构。
优选的，所述碳纤维网格层采用碳纤维或石墨纤维，含碳量90％以上。
优选的，所述碳纤维网格层厚度为0.02～0.08mm。
优选的，将碳纤维复合膨胀石墨柔性板材压制成碳基双极板的最薄厚度为0.1-0.15mm，加上双面流场，整体单板厚度可以达到0.6-0.7mm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的碳纤维复合膨胀石墨柔性板材加工的燃料电池双极板，采用革新性的全碳基复合结构，集成了碳基双极板在燃料电池应用上的优势具有良好的热导率和电导率，耐蚀性极好，无金属离子析出，重量轻，寿命长的特点，同时复合结构也发挥出碳纤维的机械性能优势，在提高功率体积比的同时，大幅度改善双极板的机械强度(抗弯、抗压、抗拉、抗冲击)，并且由碳纤维复合膨胀石墨柔性板材加工成的燃料电池碳基双极板，并不需要改变燃料电池碳基双极板的加工工艺与设备，可以继续沿用目前的燃料电池碳基双极板模具和加工设备，具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明碳纤维复合膨胀石墨柔性板材结构示意图。
图2为本发明碳纤维复合膨胀石墨柔性板材实物图。
图中：
1、第一膨胀石墨层；2、第二膨胀石墨层；3、碳纤维网格层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如附图1至图2所示：
实施例：本发明提供一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，包括第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层，第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层之间植入碳纤维网格层，第一膨胀石墨层与第二膨胀石墨层透过碳纤维层网格连接融合成一体化结构；
其中，碳纤维网格层采用碳纤维或石墨纤维，含碳量90％以上。
其中，碳纤维网格层厚度为0.02～0.08mm。
其中，将碳纤维复合膨胀石墨柔性板材压制成碳基双极板的最薄处的厚度为0.1-0.15mm，加上双面流场，整体单板厚度可以达到0.6-0.7m。
采用全碳基材料，在材料生产过程中碳纤维与膨胀石墨粉直接结合，不存在金属与碳基复合材料的接触电阻，而不含有金属基材料，不存在金属离子析出损伤PEM性能，并且由碳纤维复合膨胀石墨柔性板材加工燃料电池双极板具有良好的热导率和电导率，耐蚀性好，重量轻，寿命长的特点，同时复合结构也可以发挥出碳纤维的机械性能优势，在提高功率体积比的同时，大幅度改善双极板的机械强度；
以单层或多层碳纤维材料作为骨架，以膨胀石墨粉填充压制成符合结构的燃料电池双极板预制板，应用于燃料电池时，其电堆由质子交换膜、催化剂层、空气扩散层和双极板组成，双极板两侧分别与阳极和阴极的膜电极接触，起到膜电极结构支撑、分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量，提供氢气和氧气通道，排除反应生成的水，提供冷却液流道等作用。
对比例一：石墨材料双极板：具有热导率和电导率良好，耐蚀性极好，无金属离子析出的特点，石墨极板的燃料电池设计寿命在30000小时，石墨极板的结构是无序的蠕虫状结合，需要在基础材料(膨胀石墨柔性板材)压制成单极板之前，或制成单极板之后，浸渍树脂，以达到足够的机械强度，因此石墨极板的最薄厚度只能做到0.3mm，加上双面的流场，整体单板的厚度目前只能做到0.85-1.1mm，碳基极板的燃料电池功率重量比优于金属极板的功率重量比，但功率体积比小，适合于中小功率的燃料电池，而石墨极板的脆性，导致耐冲击性能弱，适合于储能方面使用。
对比例二：金属材料双极板：具有可加工性、机械强度、热导率、电导率强的特点，金属极板的材料厚度可以达到0.1mm，加上双面的流场，整体单板的厚度可以做到0.6mm，相同功率的金属极板电堆体积要小于石墨极板电堆，功率体积比更高，适合于高功率燃料电池，金属极板的机械强度(抗弯、抗压、抗拉、抗冲击)远高于石墨极板，更适合乘用车上使用，金属极板的缺点也非常突出：酸性条件下耐蚀性(包括应力腐蚀、化学腐蚀与电化学腐蚀)较差、金属离子析出损伤PEM性能、表面氧化膜会导致接触电阻(I CR)较大，导致金属极板的燃料电池的设计寿命只有2000-3000小时。
对比例三：金属基与碳基复合双极板：以0.1～0.3mm的金属板为分割板，作为支撑，双面以注塑与焙烧的碳基材料为流场，集金属板的强度高、导电性好与碳材料在燃料电池工作条件下的稳定性好的特点，具有耐蚀性能好、强度高，但是体积大于金属极板，重量大于碳基极板，也同样存在金属离子析出损伤PEM性能、金属与碳基复合材料之间的接触电阻等缺陷，相对于金属基材料和碳基材料，金属基与碳基复合双极板的实际应用很少。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，其特征在于：包括第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层，所述第一膨胀石墨层和第二膨胀石墨层之间植入碳纤维网格层，所述第一膨胀石墨层与第二膨胀石墨层透过碳纤维层网格连接融合成一体化结构。
2.如权利要求1所述一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，其特征在于：所述碳纤维网格层采用碳纤维或石墨纤维，含碳量90％。
3.如权利要求1所述一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，其特征在于：所述碳纤维网格层厚度为0.02～0.08mm。
4.如权利要求1所述一种碳纤维复合膨胀石墨柔性板材，其特征在于：将碳纤维复合膨胀石墨柔性板材压制成碳基双极板的最薄处的厚度为0.1-0.15mm，加上双面流场，整体单板可以达到0.6-0.7mm的厚度。
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