CN213845334U - 分层式石墨复合双极板及其加工系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分层式石墨复合双极板及其加工系统，分层式石墨复合双极板包括中间层和设置于中间层两侧的表面层，中间层为热塑性树脂/石墨复合材料板材，表面层为热固性树脂/石墨复合材料层，且表面层的外表面具有流道结构。与现有技术相比，本实用新型通过利用热塑性复合材料制作中间层，在制作过程中辅助提高了热固性复合材料的给料精度，同时有助于缓解高碳含量下热固性复合材料成型可靠度低的问题；此外，分层式极板中高树脂含量的中间层提升了双极板的抗弯强度和气密性，高碳含量的表面层提升了其电导率；依靠不同功能层的分别优化实现了双极板整体性能的提升，同时制备工艺简便，有利于批量生产，具有较高的实用价值。

Description

分层式石墨复合双极板及其加工系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及质子交换膜燃料电池，尤其是涉及一种分层式石墨复合双极板及其加工系统。

背景技术

燃料电池技术凭借其清洁高效的能量转化机理，具有广阔的应用前景。尤其是质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)启动速度快，工作温度较低，是最适宜大规模应用的燃料电池类型。双极板是燃料电池的关键部件之一，在燃料电池中发挥着阴阳极反应物隔绝与分配、集流、导热、密封、支撑膜电极等多项功能。因此，双极板的体积和性能对于燃料电池的性能有着直接的影响。

目前应用于PEMFC的双极板依据制备材料区分可以分为石墨双极板，金属双极板及复合双极板。石墨双极板具有良好的导电性和耐腐蚀性，但是抗弯强度和气密性较差，通常需要较厚的板材以满足实用需要。此外，双极板表面的精细流道结构加工难度较高，成为限制石墨双极板广泛实用的重要因素。金属双极板具有在导电性，抗弯强度，机械加工性能等方面有明显的优势。但是金属双极板在PEMFC中处于高温酸性环境，易发生腐蚀和溶解，或在极板表面形成氧化层。不仅降低了金属双极板的导电性，同时溶解出的金属离子会扩散入质子交换膜中，极大地影响了PEMFC的工作性能。复合双极板以石墨增强树脂的聚合材料作为基体，价格较低、制备工艺简便、质量轻，抗腐蚀性能好等基本特点。复合双极板的性能受石墨含量和制备工艺等的影响，在导电性、抗弯强度、工艺性能等呈现出较大的差异。当前的优化思路主要集中于树脂的性能优化及热模压工艺过程的改进，难以从根本上改进导电性与抗弯强度的矛盾。

为了解决单一复合材料不能有效解决双极板性能平衡的矛盾，中科院金属研究所在中国专利CN107819137A中公开了一种柔性石墨双极板及其制备方法，提出运用金属网、碳布作为导电骨架，并用石墨/树脂复合涂覆，最终与柔性石墨纸层叠后模压形成复合双极板。该专利引入了增强结构的理念，以实现对于双极板整体性能的提升。

广东国鸿氢能科技有限公司在中国专利CN109921051A中公开了一种超薄柔性石墨双极板及制备方法，提出了石墨烯薄膜增强柔性石墨板的方法。

实用新型内容

现有技术中都没有能有效解决降低石墨复合双极板成型厚度和精密成型流道的问题。本实用新型的目的就是为了解决降低石墨复合双极板成型厚度和精密成型流道的问题而提供一种分层式石墨复合双极板及其加工系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

本实用新型一方面提供一种分层式石墨复合双极板，包括中间层和设置于中间层两侧的表面层，所述的中间层为热塑性树脂/石墨复合材料板材，表面层为热固性树脂/石墨复合材料层，且表面层的外表面具有流道结构。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的流道结构通过热模压在表面层固化成型，其深度小于表面层厚度，所述的中间层保持平面结构，不参与流道成型。该结构能够有效发挥中间层保证极板抗弯强度的功能，仅需通过优化表面层的配方即可实现提升流道结构成型精度的目标，便于分层式复合极板的配方优化，提供了一种解决成型性能以及使用性能难以兼顾的解决方案。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的热塑性树脂/石墨复合材料板材由热塑性树脂与石墨材料制成的复合材料加工成型。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的热塑性树脂包括氟化乙烯-丙烯(FEP)、和/或聚丙烯(PP)、和/或聚苯硫醚(PPS)、和/或聚偏氟乙烯(PVDF)、和/或聚碳酸酯(PC)、和/或聚甲醛树脂(POM)。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的石墨材料包括天然鳞片石墨、和/或膨胀石墨、和/或碳纤维粉、和/或短切碳纤维。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的热塑性树脂与石墨材料的质量比为3:7-7:3。进一步优选热塑性树脂与石墨材料的质量比为5:5。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的石墨材料的粒径为1μm-200μm，当所述的石墨材料含有短切碳纤维时，短切碳纤维的长度为1mm-5mm。更进一步优选所述的石墨材料的粒径为40μm-80μm。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，热塑性树脂/石墨复合材料板材的厚度为0.1mm-0.4mm。

更进一步优选热塑性树脂/石墨复合材料板材的厚度为0.1mm-0.2mm。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的热固性树脂/石墨复合材料层由热固性树脂和石墨材料混合成的母料制成。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的石墨材料包括天然鳞片石墨、和/或膨胀石墨、和/或碳纤维、和/或石墨烯纳米片、和/或高导电性炭黑。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的热固性树脂为具有较低固化温度的热固性树脂，包括环氧树脂(EP)、和/或酚醛树脂(PF)、和/或聚酰亚胺树脂(PI)、和/或乙烯基酯树脂(VER)、和/或聚苯并噁嗪树脂(PBA)、和/或脲醛树脂(UR)、和/或聚氨酯树脂(PU)。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的石墨材料和热固性树脂的质量比为7:3-9:1。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的石墨材料的粒径为1μm-100μm。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，所述的热固性树脂/石墨复合材料层的厚度为0.1mm-0.5mm，且成型极板的厚度小于1.4mm。

本实用新型第二方面提供一种分层式石墨复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

S1：通过滚压成型的方式制备热塑性树脂/石墨复合材料板材；

S2：制备热固性树脂/石墨复合材料的母料；

S3：向干燥模具中依次填入热固性树脂/石墨复合材料的母料、热塑性树脂/石墨复合材料板材和热固性树脂/石墨复合材料的母料，进行干燥处理；

S4：将步骤S3干燥后的物料连同干燥模具一起放入热模压模具中，加压加热成型，冷却后得到所述的分层式石墨复合双极板。

作为本实用新型优选的实施方式，步骤S1包括以下过程：

S11：将热塑性树脂与石墨粉末干混，均匀混合后干燥，制得母料A：

S12：将母料A保持恒定的给料速率进行预热箱中进行预热；

S13：将预热后的母料A由传送机构输送，经粗轧、精轧，加工成目标厚度的连续板材，将连续板材切割并冷却降温后，得到所述的热塑性树脂/石墨复合材料板材。

本实用新型中间层和表面层的分层式结构，分别实现石墨复合双极板对于结构强度及气密性、面内电导率及可靠成型的性能要求，进而实现极板性能的整体优化。同时利用中间层作为基底辅助表面层成型，降低超薄石墨复合极板的成型难度。

本实用新型通过滚压的方式将复合材料压制成表面平整的板材，并作为石墨复合双极板的中间层。其中滚压成型生产速度快，对中间层的厚度控制较为精确，适合作为批量生产的工艺方式。

中间层所需的复合材料需要满足多项功能，在滚压工艺中需要具有较好的流动性，成型可靠，成型收缩率小；成型后的板材需要有较高的气密性、抗弯强度以及贯穿面电导率。为满足上述功能，对热塑性树脂与石墨的比例应有较严格的要求。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，步骤S1中，母料A的给料速率和传送机构的传送速率根据母料A中热塑性树脂的流动性以及石墨粉末的含量调整。若母料A中热塑性树脂流动性较低或石墨含量较高，则降低给料速率，同时传送机构的传送速率也相应降低；若母料A中树脂流动性较高或石墨含量低，则提高给料速率和传送速率。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，步骤S1中，母料A的预热温度根据母料A中热塑性树脂的种类和石墨粉末的含量调整。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，步骤S1中，粗轧和精轧由水平轧辊和立辊联合组成的联合辊组完成，水平轧辊和立辊分别实现对于成型板材厚度和宽度的加工。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，步骤S1中，若母料A中热塑性树脂的含量大于石墨的含量，则精轧工序可由3-6组精轧辊组完成，具体可由树脂的高温流动性进行调整，提高生产效率。若母料A中石墨的含量大于热塑性树脂含量，则精轧工序可由7-10组精轧辊组完成，保证可靠成型。

作为本实用新型进一步优选的实施方式，步骤S1中，连续板材由限位辊裁剪成具有目标长度的板材。

表面层在成型的极板完成后，应具有较高的导电性和导热性，因此要求表面层中应有较高的石墨含量。在这一基础上，表面层需要保持较低的厚度，同时成型可靠。所以热固性树脂与石墨的混合方式应结合溶剂进行机械搅拌与超声离散，使树脂与石墨尽可能的均匀混合。溶剂的用量需要兼顾石墨的离散效果和易干燥的要求。为满足上述性能要求，树脂、石墨、溶剂的比例应严格控制。

作为本实用新型优选的实施方式，步骤S2中，通过向热固性树脂中依次加入溶剂和石墨材料，充分混合，得到热固性树脂/石墨复合材料的母料；

所述的溶剂为易挥发的极性溶剂，包括丙酮、和/或无水乙醇、和/或正丁醇、和/或乙二醇、和/或异丙醇；

所述的溶剂的质量与热固性树脂和石墨材料总质量之比为1:9-2:8。

中间层和表面层的原料在干燥模具中共同干燥后进行热模压成型，得到分层式石墨复合双极板。这种预成型方法不仅可以便捷高效地控制表面层的给料量，同时还能快速的实现模压前母料在模具中的均匀分布，有利于提高生产效率。

作为本实用新型优选的实施方式，步骤S3中，干燥处理为在80℃条件下真空干燥1h-2h。

作为本实用新型优选的实施方式，步骤S3中，干燥处理前振实，实现干燥模具中热固性树脂/石墨复合材料的母料的均匀分布，振实后热固性树脂/石墨复合材料的母料的填充厚度为0.8mm-2.0mm。

作为本实用新型优选的实施方式，步骤S4中，加压加热成型过程中，首先以1MPa-10MPa的压力预压1min，随后模压温度升至140℃-180℃，热模压的成型压力升至15MPa-30MPa，保持0.5h-1h；冷却后脱模即可得到所述的分层式石墨复合双极板。利用GBT20042.6标准测试，本实用新型得到极板的氢气渗透系数小于1×10^-14cm³/(s·cm²Pa)，抗弯强度在50MPa-90MPa之间，电导率在100S/cm-180S/cm。

本实用新型通过利用热塑性复合材料制作中间层，在制作过程中辅助提高了热固性复合材料的给料精度，同时有助于缓解高碳含量下热固性复合材料成型可靠度低的问题；此外，分层式极板中高树脂含量的中间层提升了双极板的抗弯强度和气密性，高碳含量的表面层提升了其电导率；依靠不同功能层的分别优化实现了双极板整体性能的提升，同时制备工艺简便，有利于批量生产，具有较高的实用价值。

本实用新型第三方面提供一种分层式石墨复合双极板的加工系统，该加工系统包括：

中间层加工装置，用于中间层的加工，具有用于中间层材料传送的传送机构以及沿传送机构传送方向依次设置的给料机、预热箱、粗轧辊组、精轧辊组、限位辊组和冷却机构，

干燥装置，具有干燥箱和干燥模具，所述的干燥模具用于盛装表面层材料和中间层，

成型装置，具有带流道结构的热模压模具，用于将盛装于干燥模具中的表面层材料和中间层热模压成型。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的传送机构为传送带，所述的给料机、预热箱、粗轧辊组、精轧辊组、限位辊组和冷却机构沿传送带传送方向在传送带上依次设置。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的给料机为振动给料机。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的精轧辊组设有多个，沿传送机构传送方向依次设置，用于将中间层材料在传送机构上逐渐压薄。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的限位辊组的辊身上沿周向分布有多个凸齿机构。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的冷却机构为风冷式冷却机构，该风冷式冷却机构具有朝向传送机构的冷却风道。

作为本实用新型优选的实施方式，所述的干燥模具具有侧围和可拆卸的底板。在热模压时去掉底板。

与现有技术相比，本实用新型通过分层式结构，分别满足石墨复合双极板对于低厚度(体积)、高气密性、高结构强度、良好的导电性、低加工难度等方面的要求，进而实现复合石墨双极板工艺性和实用性的结合。热塑性树脂为基底的复合材料可加工性好，通过滚压工艺能够快捷地加工出较薄的板材。以石墨/热塑性树脂复合材料制备中间层，不仅加工难度低，同时作为基底，能够降低热固性树脂复合材料成型超薄板材的工艺难度。在双极板中，中间层较高的树脂含量能够提升双极板的气密性和结构强度。热固性树脂/石墨复合材料作为表面层，能够保证极板具有较高的面内电导率，同时避免由于使用过程中局部高温造成流场变形，保证极板的长期可靠运行。本实用新型制备工艺较为简便，适合于批量生产。

附图说明

图1为本实用新型成型的分层式石墨复合双极板截面结构示意。

图2为本实用新型一个实施例中的分层式石墨复合双极板的制备流程示意图。

图3为本实用新型的中间层加工装置(体现了中间层的加工过程)的示意图。

图4为本实用新型的分层式石墨复合双极板的热模压成型过程示意。

图中，101为中间层，102为表面层，103为流道结构，201为给料机，202为给料阀，203为预热箱，204为粗轧辊组，205为精轧辊组，206为限位辊组，207为冷却机构，208为传送机构，301为热模压模具，302为干燥模具，303为表面层材料。

具体实施方式

一种分层式石墨复合双极板，如图1所示，包括中间层101和设置于中间层101两侧的表面层102，中间层101为热塑性树脂/石墨复合材料板材，表面层102为热固性树脂/石墨复合材料层，且表面层102的外表面具有流道结构103。

本实用新型优选流道结构103的通过热模压在表面层102固化成型，且其深度小于表面层102的厚度，中间层101为平面结构，不参与流道的成型。该结构能够有效发挥中间层101保证极板抗弯强度的功能，仅需通过优化表面层102的配方即可实现提升流道结构103成型精度的目标，便于分层式复合极板的配方优化，提供了一种解决成型性能以及使用性能难以兼顾的解决方案。

本实用新型优选热塑性树脂/石墨复合材料板材由热塑性树脂与石墨材料制成的复合材料加工成型。进一步优选热塑性树脂包括氟化乙烯-丙烯(FEP)、和/或聚丙烯(PP)、和/或聚苯硫醚(PPS)、和/或聚偏氟乙烯(PVDF)、和/或聚碳酸酯(PC)、和/或聚甲醛树脂(POM)。进一步优选石墨材料包括天然鳞片石墨、和/或膨胀石墨、和/或碳纤维粉、和/或短切碳纤维。例如热塑性树脂可以选择氟化乙烯-丙烯(FEP)，石墨材料选择天然鳞片石墨。或者热塑性树脂选择氟化乙烯-丙烯(FEP)和聚丙烯(PP)按1:1或其他任意比例混合，石墨材料选择碳纤维粉。或者热塑性树脂选择聚碳酸酯(PC)，石墨材料选择碳纤维粉和短切碳纤维按照9:1或其他任意比例混合等等。进一步优选热塑性树脂与石墨材料的质量比可以为3:7-7:3。更进一步优选热塑性树脂与石墨材料的质量比为5:5。进一步优选石墨材料的粒径为1μm-200μm，当石墨材料含有短切碳纤维时，短切碳纤维的长度为1mm-5mm。更进一步优选石墨材料的粒径为40μm-80μm。进一步优选热塑性树脂/石墨复合材料板材的厚度为0.1mm-0.4mm。更进一步优选热塑性树脂/石墨复合材料板材的厚度为0.1mm-0.2mm。

本实用新型优选热固性树脂/石墨复合材料层由热固性树脂和石墨材料混合成的母料制成。优选石墨材料包括天然鳞片石墨、和/或膨胀石墨、和/或碳纤维、和/或石墨烯纳米片、和/或高导电性炭黑。优选热固性树脂为具有较低固化温度的热固性树脂，包括环氧树脂(EP)、和/或酚醛树脂(PF)、和/或聚酰亚胺树脂(PI)、和/或乙烯基酯树脂(VER)、和/或聚苯并噁嗪树脂(PBA)、和/或脲醛树脂(UR)、和/或聚氨酯树脂(PU)。例如热固性树脂选择环氧树脂(EP)，石墨材料包括天然鳞片石墨。或者热固性树脂选择酚醛树脂(PF)和聚酰亚胺树脂(PI)按照1:1或其他任意比例混合，石墨材料选择石墨烯纳米片。或者热固性树脂选择聚氨酯树脂(PU)，石墨材料选择膨胀石墨和碳纤维按照8:2或其他任意比例混合。优选热固性树脂和石墨材料的质量比为7:3-9:1。石墨材料的粒径为1μm-100μm。进一步优选热固性树脂/石墨复合材料层的厚度为0.2mm-0.5mm，成型复合石墨极板的厚度小于1.4mm。

一种分层式石墨复合双极板的制备方法，包括以下步骤：

S1：通过滚压成型的方式制备热塑性树脂/石墨复合材料板材；

S2：制备热固性树脂/石墨复合材料的母料；

S3：向干燥模具中依次填入热固性树脂/石墨复合材料的母料、热塑性树脂/石墨复合材料板材和热固性树脂/石墨复合材料的母料，进行干燥处理；

S4：将步骤S3干燥后的物料连同干燥模具一起放入热模压模具中，加压加热成型，冷却后得到分层式石墨复合双极板。

优选步骤S1包括以下过程：

S11：将热塑性树脂与石墨粉末干混，均匀混合后干燥，制得母料A：

S12：将母料A保持恒定的给料速率进行预热箱中进行预热；

S13：将预热后的母料A由传送机构输送，经粗轧、精轧，加工成目标厚度的连续板材，将连续板材切割并冷却降温后，得到热塑性树脂/石墨复合材料板材。

本实用新型中间层和表面层的分层式结构，分别实现石墨复合双极板对于结构强度及气密性、面内电导率及可靠成型的性能要求，进而实现极板性能的整体优化。同时利用中间层作为基底辅助表面层成型，降低超薄石墨复合极板的成型难度。

本实用新型通过滚压的方式将复合材料压制成表面平整的板材，并作为石墨复合双极板的中间层。其中滚压成型生产速度快，对中间层的厚度控制较为精确，适合作为批量生产的工艺方式。

中间层所需的复合材料需要满足多项功能，在滚压工艺中需要具有较好的流动性，成型可靠，成型收缩率小；成型后的板材需要有较高的气密性、抗弯强度以及贯穿面电导率。为满足上述功能，对热塑性树脂与石墨的比例应有较严格的要求。

优选步骤S1中，母料A的给料速率和传送机构的传送速率根据母料A中热塑性树脂的流动性以及石墨粉末的含量调整。若母料A中热塑性树脂流动性较低或石墨含量较高，则降低给料速率，同时传送机构的传送速率也响应降低；若母料A中树脂流动性较高或石墨含量低，则提高给料速率和传送速率。优选步骤S1中，母料A的预热温度根据母料A中热塑性树脂的种类和石墨粉末的含量调整；优选步骤S1中，粗轧和精轧由水平轧辊和立辊联合组成的联合辊组完成，水平轧辊和立辊分别实现对于成型板材厚度和宽度的加工。优选步骤S1中，若母料A中热塑性树脂的含量大于石墨的含量，则精轧工序可由3-6组精轧辊组完成，具体可由树脂的高温流动性进行调整，提高生产效率。若母料A中石墨的含量大于热塑性树脂含量，则精轧工序可由7-10组精轧辊组完成，保证可靠成型。优选步骤S1中，连续板材由限位辊裁剪成具有目标长度的板材。

表面层在成型的极板完成后，应具有较高的导电性和导热性，因此要求表面层中应有较高的石墨含量。在这一基础上，表面层需要保持较低的厚度，同时成型可靠。所以热固性树脂与石墨的混合方式应结合溶剂进行机械搅拌与超声离散，使树脂与石墨尽可能的均匀混合。溶剂的用量需要兼顾石墨的离散效果和易干燥的要求。为满足上述性能要求，树脂、石墨、溶剂的比例应严格控制。

优选步骤S2中，通过向热固性树脂中依次加入溶剂和石墨材料，充分混合，得到热固性树脂/石墨复合材料的母料；溶剂为易挥发的极性溶剂，包括丙酮、和/或无水乙醇、和/或正丁醇、和/或乙二醇、和/或异丙醇；溶剂的质量与热固性树脂和石墨材料总质量之比为1:9-2:8。

中间层和表面层的原料在干燥模具中共同干燥后进行热模压成型，得到分层式石墨复合双极板。这种预成型方法不仅可以便捷高效地控制表面层的给料量，同时还能快速的实现模压前母料在模具中的均匀分布，有利于提高生产效率。

优选步骤S3中，干燥处理为在80℃条件下真空干燥1h-2h。优选步骤S3中，干燥处理前振实，实现干燥模具中热固性树脂/石墨复合材料的母料的均匀分布，振实后热固性树脂/石墨复合材料的母料的填充厚度为0.8mm-2.0mm。

优选步骤S4中，加压加热成型过程中，首先以1MPa-10MPa的压力预压1min，随后模压温度升至140℃-180℃，热模压的成型压力升至15MPa-30MPa，保持0.5h-1h；冷却后脱模即可得到分层式石墨复合双极板。

图2展示了一种实施情况下本实用新型分层式石墨复合双极板的制备方法的流程示意图。

一种分层式石墨复合双极板的加工系统，如图3～4所示，该加工系统包括中间层加工装置、干燥装置和成型装置，其中：中间层加工装置用于中间层101的加工，具有用于中间层材料传送的传送机构208以及沿传送机构208传送方向依次设置的给料机201、预热箱203、粗轧辊组204、精轧辊组205、限位辊组206和冷却机构207；干燥装置具有干燥箱和干燥模具302，干燥模具302用于盛装表面层材料303和中间层101；成型装置具有带流道结构的热模压模具301，用于将盛装于干燥模具302中的表面层材料303和中间层101热模压成型。

作为本实用新型优选的实施方式，传送机构208为传送带，给料机、预热箱、粗轧辊组、精轧辊组、限位辊组和冷却机构沿传送带传送方向在传送带上依次设置。

本实用新型中优选给料机201为振动给料机，振动给料机的出口处设有给料阀202。本实用新型中优选精轧辊组205设有多个，沿传送机构传送方向依次设置，用于将中间层材料在传送机构上逐渐压薄。本实用新型优选限位辊组206的辊身上沿周向分布有多个凸齿结构。本实用新型中，可以将粗轧辊组204、精轧辊组205和限位辊组206的两个压辊分别设置于传送带的上下表面，用于传送带上传送物料的处理。本实用新型优选冷却机构207为风冷式冷却机构，该风冷式冷却机构具有朝向传送机构的冷却风道。干燥模具302具有侧围和可拆卸的底板，在热模压时去掉底板。

本实用新型中预热箱203、冷却机构207和干燥箱等设备可以采用市售的相应设备。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1：

制备一种分层式石墨复合双极板，包括以下步骤：

(1)将平均粒径为8μm的氟化乙烯-丙烯(FEP)与平均粒径50μm的鳞片石墨通过塑料捏合机干混2h，FEP与鳞片石墨的混合的质量比为4:6。随后将混合好的母料放入真空干燥箱中，在70℃的条件下干燥2h，即得到母料A。

(2)母料A由振动给料机201投入预热箱203中，如图3所示，预热温度为360℃。

(3)由传送机构208将母料A传送至粗轧辊下，粗轧成厚度为2.0mm的板材。最后7次精轧将厚度依次加工为1.5mm，1.0mm，0.7mm，0.5mm，0.4mm，0.35mm，0.3mm。粗轧辊和精轧辊在运行过程中进行加热，保持轧辊表面温度维持在约300℃。

(4)由限位辊组206上的凸齿结构将连续的板材裁剪成独立的板材。

(5)冷却机构207持续吹入洁净干燥的空气，通过风冷对板材进行冷却，板材温度下降至80℃以下即得到中间层。

(6)母料B中的热固性树脂选用颗粒状酚醛树脂，石墨材料选用天然鳞片石墨，粒径为60μm，以无水乙醇为溶剂。其中树脂，石墨和溶剂的质量比为1:9:1.1，由机械搅拌器搅拌30min，随后超声离散10min。

(7)将混合完成的母料B(表面层材料303)、中间层101，母料B(表面层材料303)依次填充入干燥模具302中，其中母料B的填充厚度为2.0mm，填充在振实机上进行，填充完成后振实1min，保证母料B在干燥模具302中均匀分布。随后将干燥模具302放入真空干燥箱中，80℃脱除溶剂1h。

(8)将干燥模具302连同其中的母料B和中间层101放入热模压模具301中，如图4所示。然后依次进行加热至160℃，压力提升至20MPa，保持1h，随后保持合模撤去压力对热模压模具进行水冷冷却，待温度降至60℃以下，脱模，即得到分层式石墨复合双极板。经测量，成型极板的厚度为1.2±0.04mm，其中表面层的厚度为0.45±0.02mm，流道深度为0.35±0.01mm。

实施例2：

制备一种分层式石墨复合双极板，包括以下步骤：

(1)基于实例1，完成中间层的制作。

(2)将液态环氧树脂(E-44)与固化剂邻苯二甲酸酐(HHPA)分别预热至110℃，保持2min。

(3)称量取用环氧树脂和HHPA质量比为5:4，在相同温度下，倒入烧杯中搅拌5min，搅拌过程中取环氧树脂质量的0.5％的苄甲基二甲胺作为促进剂加入环氧树脂中。

(4)向混合均匀的树脂中添加鳞片石墨，粒径为60μm～80μm。树脂与石墨混合的质量比为2:8。保持110℃恒温，机械搅拌20min至均匀混合得到母料B。

(5)向干燥模具中依次添加母料B、中间层101、母料B，母料B在干燥模具中的填充厚度为1mm，放入鼓风干燥箱中110℃半固化处理30min。

(6)热模压模具301中铺设PTFE薄膜作为辅助脱模，将干燥模具302连同其中物料一起放入预热至110℃的热模压模具中，加压至30MPa，加压5min，随后撤去压力，升温至120℃，保温90min。

(7)取出已定型的复合双极板样品，放入鼓风干燥箱中，180℃保温2h进一步完成固化，固化完成后即得到分层式超薄石墨复合双极板。经测量，成型极板的厚度为0.9±0.04mm，表面层的厚度为0.3±0.02mm，流道深度为0.25±0.01mm。

实施例3

制备一种分层式超薄石墨复合双极板，需采取以下步骤：

(1)将平均粒径为8μm的聚丙烯(PP)与平均长度100μm的碳纤维粉通过球磨机干混2h，PP与碳纤维的混合的质量比为5:5。随后将混合好的母料放入真空干燥箱中，在70℃的条件下干燥5h，即得到母料A。

(2)母料A由振动给料机201投入填料预热箱203中，如图3所示，预热温度为200℃。

(3)由传送机构208将母料A传送至粗轧辊组204下，粗轧成厚度为1.5mm的板材。最后4次精轧将厚度依次加工为1.0mm，0.6mm，0.2mm，0.1mm。粗轧辊组204和精轧辊组205在运行过程中进行加热，保持轧辊表面温度维持在约170℃。

(4)由限位辊组206上的凸齿结构将连续的板材裁剪成独立的板材。

(5)冷却机构207持续吹入洁净干燥的空气，通过风冷对板材进行冷却，冷却至室温即得到中间层。

(6)母料B中的热固性树脂选用颗粒状酚醛树脂，石墨材料选用天然鳞片石墨，粒径为60μm，以无水乙醇为溶剂。其中树脂，石墨和溶剂的质量比为2:8:1.5，由机械搅拌器搅拌30min，随后超声离散10min。

(7)将混合完成的母料B、中间层101，母料B依次填充入干燥模具302中，其中母料B的填充厚度为2.0mm，填充在振实机上进行，填充完成后振实1min，保证母料B在干燥模具302中均匀分布。随后将干燥模具302放入真空干燥箱中，70℃脱除溶剂90min。

(8)将干燥模具302连同其中的母料B303和中间层101放入热模压的模具中，如图4所示。然后依次进行加热至180℃，压力提升至30MPa，保持1h，随后保持合模撤去压力对热模压模具进行水冷冷却，待温度降至60℃以下，脱模，即得到分层式超薄石墨复合双极板。经测量，成型极板的厚度为0.8±0.04mm，其中表面层的厚度为0.35±0.02mm，流道深度为0.25±0.01mm。

利用GBT20042.6标准测试，本实用新型得到极板的氢气渗透系数小于1×10^{- 14}cm³/(s·cm²Pa)，抗弯强度在50MPa-90MPa之间，电导率在100S/cm-180S/cm。

上述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实用新型。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，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分层式石墨复合双极板，其特征在于，包括中间层（101）和设置于中间层（101）两侧的表面层（102），所述的中间层（101）为热塑性树脂/石墨复合材料板材，表面层（102）为热固性树脂/石墨复合材料层，且表面层（102）的外表面具有流道结构（103）。

2.根据权利要求1所述的分层式石墨复合双极板，其特征在于，所述的流道结构（103）通过热模压在表面层（102）固化成型，且深度小于表面层（102）的厚度，所述的中间层（101）保持平面结构。

3.根据权利要求1所述的分层式石墨复合双极板，其特征在于，所述的热塑性树脂/石墨复合材料板材的厚度为0.1 mm-0.4 mm。

4.根据权利要求1所述的分层式石墨复合双极板，其特征在于，所述的热塑性树脂/石墨复合材料板材的厚度为0.1 mm~0.2 mm。

5.根据权利要求1所述的分层式石墨复合双极板，其特征在于，所述的热固性树脂/石墨复合材料层的厚度为0.1 mm-0.5 mm，成型极板的厚度小于1.4 mm。

6.分层式石墨复合双极板的加工系统，其特征在于，用于权利要求1~5任一所述的分层式石墨复合双极板的加工，包括：

中间层加工装置，用于中间层（101）的加工，具有用于中间层材料传送的传送机构（208）以及沿传送机构（208）传送方向依次设置的给料机（201）、预热箱（203）、粗轧辊组（204）、精轧辊组（205）、限位辊组（206）和冷却机构（207），

干燥装置，具有干燥箱和干燥模具（302），干燥模具（302）用于盛装表面层材料（303）和中间层（101），

成型装置，具有带流道结构的热模压模具（301），用于将盛装于干燥模具（302）中的表面层材料（303）和中间层（101）热模压成型。

7.根据权利要求6所述的分层式石墨复合双极板的加工系统，其特征在于，该加工系统包括以下条件中的任一项或多项：

a：所述的传送机构（208）为传送带，给料机（201）、预热箱（203）、粗轧辊组（204）、精轧辊组（205）、限位辊组（206）和冷却机构（207）沿传送带传送方向在传送带上依次设置；

b：给料机（201）为振动给料机，振动给料机的出口处设有给料阀（202）；

c：精轧辊组（205）设有多个，沿传送机构（208）传送方向依次设置，用于将中间层材料在传送机构（208）上逐渐压薄；

d：所述的限位辊组（206）的辊身上沿周向分布有多个凸齿结构；

e：所述的冷却机构（207）为风冷式冷却机构，该风冷式冷却机构具有朝向传送机构的风却风道。

8.根据权利要求6所述的分层式石墨复合双极板的加工系统，其特征在于，所述的干燥模具（302）具有侧围和可拆卸的底板。

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