一种分区式复合双极板及其制备方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种分区式复合双极板及其制备方法。

背景技术

燃料电池双极板(Bipolar Plate，BP)又称流场板，是燃料电池电堆中的“骨架”，核心部件之一，双极板与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑膜电极、收集传导反应中的电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。

石墨双极板在燃料电池的环境中具有非常良好的化学稳定性，其中石墨材料的导电、耐腐蚀性能较为优异，是目前质子交换膜燃料电池研究和应用中最为广泛的材料；石墨双极板因为耐久性高，广泛应用于商用车制造领域中。

但是纯石墨材料脆性大，机械强度不高，所以石墨双极板的厚度一般都比较大，一般都超过1mm，无法制造高性能的双极板。针对这个问题，石墨复合双极板应运而生，复合双极板具有厚度薄、抗弯强度好的优势，但是经过研究发现，复合双极板由于其中掺杂树脂，而树脂为不导电物质，故其导电能力远不如传统的石墨双极板。

发明内容

本发明实施例提供一种分区式复合双极板及其制备方法，旨在解决现有的石墨双极板强度低、厚度较大，而石墨复合双极板的导电能力又较差的问题。

为了达到上述目的，一方面，本发明实施例提供一种分区式复合双极板的制备方法，适用于燃料电池，所述制备方法包括如下步骤：

以第一石墨树脂混合粉料作为功能区域、以第二石墨树脂混合粉料作为密封区域、以第三石墨树脂混合粉料作为CVM区域，在30MPa～40MPa(根据实际使用的需要，可以为30MPa，或者为35MPa，或者为40MPa等等)、170℃～180℃(根据实际使用的需要，可以为170℃，或者为175℃，或者为180℃等等)下进行模压，得到所述分区式复合双极板；

所述功能区域设置于所述分区式复合双极板的正中央；所述密封区域周向设置于所述功能区域的外侧，且所述密封区域与所述功能区域抵接；所述CVM区域设置于所述密封区域内，且所述CVM区域与所述功能区域连接；

按照所述第一石墨树脂混合粉料的质量为百分百计，所述第一石墨树脂混合粉料包括质量百分比为20％～45％(根据实际使用的需要，可以为20％，或者为35％，或者为45％等等)的第一树脂和质量百分比为55％～80％(根据实际使用的需要，可以为55％，或者为65％，或者为80％等等)的第一混合石墨材料。

作为优选的实施方式，所述功能区域为所述分区式复合双极板的流道区域，所述功能区域的面积占所述分区式复合双极板总面积的55～70％(根据实际使用的需要，可以为55％，或者为65％，或者为70％等等)；

所述密封区域为所述分区式复合双极板的密封槽及密封槽边缘区域，所述密封区域的面积占所述分区式复合双极板总面积的30～45％(根据实际使用的需要，可以为30％，或者为35％，或者为45％等等)；

所述CVM区域为所述分区式复合双极板的电压巡检线所在区域。

作为优选的实施方式，按照所述第二石墨树脂混合粉料的质量为百分百计，所述第二石墨树脂混合粉料包括质量百分比为40％～65％(根据实际使用的需要，可以为40％，或者为45％，或者为65％等等)的第二树脂和质量百分比为35％～60％(根据实际使用的需要，可以为35％，或者为45％，或者为60％等等)的第二混合石墨材料。

作为优选的实施方式，按照所述第三石墨树脂混合粉料的质量为百分百计，所述第三石墨树脂混合粉料包括质量百分比为20％～45％(根据实际使用的需要，可以为20％，或者为35％，或者为45％等等)的第三树脂和质量百分比为55％～80％(根据实际使用的需要，可以为55％，或者为65％，或者为80％等等)的第三混合石墨材料。

作为优选的实施方式，所述第一石墨树脂混合粉料铺设的厚度为4mm～6mm；所述分区式复合双极板的厚度为0.4mm～0.8mm；所述功能区域的压实密度为1.6g/cm

作为优选的实施方式，所述第二石墨树脂混合粉料铺设的厚度为4mm～6mm；所述密封区域的压实密度为1.6g/cm

作为优选的实施方式，所述第三石墨树脂混合粉料铺设的厚度为4mm～6mm；所述CVM区域的压实密度为1.6g/cm

作为优选的实施方式，所述第一石墨树脂混合粉料、所述第二石墨树脂混合粉料和所述第三石墨树脂混合粉料均为石墨树脂混合粉料制得的粉料；所述石墨树脂混合粉料的制备具体包括如下步骤：

S01：将树脂和助剂以质量比(1：4)～(1：6)混合，磁力搅拌30min～90min得到树脂溶液；

S02：将混合石墨材料加入到所述树脂溶液中后搅拌1h～3h，在20℃～30℃下超声分散0.5h～1h，然后搅拌1h～2h，得到固液混合物，其中所述树脂和所述混合石墨材料的质量比为(1：0.54)～(1：4)；

S03：将所述固液混合物抽滤后洗涤，在60℃～70℃下干燥6h～12h并粉碎后得到所述石墨树脂混合粉料；

所述树脂为所述第一树脂、所述第二树脂或者所述第三树脂中的一种；

所述混合石墨材料为所述第一混合石墨材料、所述第二混合石墨材料或者所述第三混合石墨材料中的一种。

作为优选的实施方式，所述第一混合石墨材料、所述第二混合石墨材料和所述第三混合石墨材料均为第一石墨材料和第二石墨材料的混合物；按所述混合物的总质量为百分百计，所述第一石墨材料占88％～99％，所述第二石墨材料占1％～12％。

作为优选的实施方式，所述第一树脂可为酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或至少两种的混合物；

所述第二树脂可为酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或至少两种的混合物；

所述第三树脂可为酚醛树脂、环氧树脂、乙烯基树脂、聚酰亚胺树脂中的一种或至少两种的混合物；

所述助剂可为无水乙醇、甲醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)或丙酮；

所述第一石墨材料可为膨胀石墨、天然石墨或微晶石墨；所述第二石墨材料可为石墨烯、碳纤维、炭黑或碳纳米管。

另一方面，本发明实施例还提供由所述制备方法制备得到的分区式复合双极板。

本发明调整树脂和导电材料的配比，制备三种不同性能的石墨树脂混合粉料，通过分区填铺粉料的方式得到一体化的双极板。在功能区域主要选用树脂含量较低、导电填料较多的石墨树脂混合粉料，该种粉料力学强度稍低，但是导电性能较好，适用于对导电性能要求高的功能区域；在密封区域主要选用树脂含量胶高、导电填料较少的石墨树脂混合粉料，该种粉料导电性能较差，但力学强度优异，适用于对材料强度要求高的密封区域。同时，由于电压巡检线(CVM)一般插在双极板外边缘，此极板外边缘属于密封区域，但CVM区域一般导电性能要求较高，这与密封区域使用导电性能较差的粉料相矛盾。为此，本发明中在密封区域内设置了CVM区域，使用树脂含量较低、导电填料较多的石墨树脂混合粉料，有效避免了这种矛盾，使得每个区域都使用了最适应其性能要求的石墨树脂混合粉料。

本发明提供了一种分区式复合双极板及其制备方法，本发明根据双极板各区域对导电性、力学强度等不同性能的不同要求，通过改变粉料中树脂含量和导电材料的含量，得到具有不同性能优势的石墨树脂混合粉料，以分区填料工装对不同区域填铺不同粉料，制备得到分区式的复合双极板；这种分区式复合双极板很好地解决了现有的石墨双极板强度低，难以将厚度降低，无法响应高性能的双极板需求的问题；同时解决了现有的复合石墨双极板导电率低，传输电子能力差的问题；本发明中还添加了CVM区域，与密封区域使用不同的石墨树脂混合粉料，避免了这种分区式结构对CVM区域的影响；本发明的制备方法简单，制备得到的双极板一体化、厚度薄，并具有良好的导电性、力学强度和化学稳定性，无需再对双极板进行表面改性或其他处理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的分区式复合双极板不同的填料区域示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

目前，现有的石墨双极板强度低、厚度较大，而石墨复合双极板的导电能力又较差。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种分区式复合双极板及其制备方法。

实施例一

本实施例提供一种分区式复合双极板及其制备方法，具体制备方法步骤如下：

(1)称取20g酚醛树脂、100g无水乙醇、77g膨胀石墨和3g石墨烯作为原料；

将所述酚醛树脂置于所述无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌30min进行溶解分散得到树脂溶液；

用分散机将所述膨胀石墨和所述石墨烯充分混合得到混合石墨材料，随后将混合石墨材料在搅拌下缓慢加入所述树脂溶液中，完全加入后先搅拌2h，随后低温超声分散1h，最后再搅拌1h，得到固液混合物；

将所述固液混合物进行抽滤后用去离子水洗涤3次，随后放入60℃烘箱中干燥12h后进行粉碎，得到树脂含量为20％的石墨树脂混合粉料P1。

(2)称取40g酚醛树脂、100g无水乙醇、58g膨胀石墨和2g石墨烯作为原料；依据步骤(1)中的制备手段，制备得到树脂含量为40％的石墨树脂混合粉料P2。

(3)将清洗干净的双极板模具表面涂覆脱模剂3～5遍，使脱模剂完全覆盖所述双极板模具表面；

将填料工装放置在工作位置，并使用定位稍固定；

将所述石墨树脂混合粉料P2放入密封区域，所述密封区域见图1中区域B所示，将所述石墨树脂混合粉料P1放入功能区域和CVM区域，并将所述粉料上平面刮平；所述功能区域见图1中区域A所示，所述CVM区域见图1中区域C所示。

所述第一石墨树脂混合粉料铺设的厚度为4mm；所述功能区域的压实密度为1.6g/cm

(4)取出所述分区填料工装，然后合膜热压，在170℃、30MPa下保温保压30min使双极板成型；所述分区填料工装为厚度0.2mm的不锈钢材料，移除所述分区填料工装后进行预压实，使得移除所述分区填料工装后出现的细小缝隙填补完整，避免极板成型后接缝处因缺少填料而发生断裂。

开模取出成型的双极板，并进行去毛边处理和后加工处理，得到所述分区式复合双极板。

将本实施例制备得到的分区式复合双极板成品进行气密性检测，结果为0.214sccm(标准毫升每分钟)，符合气密性要求标准。对本实施例制备得到的所述分区式复合双极板成品的功能区域和外围区域的电导率和抗弯强度分别进行测试，其中功能区域的电导率为652S/cm，抗弯强度为34Mpa；密封区域的电导率为201S/cm，抗弯强度为65Mpa；CVM区域的电导率为652S/cm，抗弯强度为34Mpa；可见功能区域和CVM区域的电导率较高，可以更好适用于其在电池工作过程中传输电子的需求；密封区域抗弯强度较高，可以很好的适用于受力密封时的高强度压力。

本实施例制备得到的分区式复合双极板成品厚度为0.65mm，而传统的石墨双极板厚度基本都在1mm以上。其电导率最高在100S/cm左右，抗弯强度普遍低于50MPa，组装过程中容易发生碎裂，且厚度较大，使用其组装成的燃料电池电堆整体体积较大，占用过多的车间使用空间，并且无法响应高性能双极板的使用需求，而本实施例制备得到的分区式复合双极板与传统的石墨双极板相比，导电性能更好，抗弯强度更高，而且能将厚度控制的更低，能够用于制造高性能双极板，组装得到的电堆占比空间更小。

实施例二

本实施例提供一种分区式复合双极板及其制备方法，具体制备方法步骤如下：

(1)称取20g酚醛树脂、100g无水乙醇、77g膨胀石墨和3g石墨烯作为原料；

将所述酚醛树脂置于所述无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌30min进行溶解分散得到树脂溶液；

用分散机将所述膨胀石墨和所述石墨烯充分混合得到混合石墨材料，随后将混合石墨材料在搅拌下缓慢加入所述树脂溶液中，完全加入后先搅拌2h，随后低温超声分散1h，最后再搅拌1h，得到固液混合物；

将所述固液混合物进行抽滤后用去离子水洗涤3次，随后放入60℃烘箱中干燥12h后进行粉碎，得到树脂含量为20％的石墨树脂混合粉料P1。

(2)称取60g酚醛树脂、100g无水乙醇、39g膨胀石墨和1g石墨烯作为原料，依据步骤(1)中的制备手段，制备得到树脂含量为60％的石墨树脂混合粉料P3。

(3)将清洗干净的双极板模具表面涂覆脱模剂3～5遍，使脱模剂完全覆盖所述双极板模具表面；

将填料工装放置在工作位置，并使用定位稍固定；

将所述P3粉料放入密封区域，所述密封区域见图1中区域B所示，将所述P1粉料放入功能区域和CVM区域，并将所述粉料上平面刮平；所述功能区域见图1中区域A所示，所述CVM区域见图1中区域C所示。

所述第一石墨树脂混合粉料铺设的厚度为5mm；所述分区式复合双极板的厚度为0.71mm；所述功能区域的压实密度为1.7g/cm

(4)取出所述分区填料工装，然后合膜热压，在170℃、30MPa下保温保压30min使双极板成型；所述分区填料工装为厚度0.2mm的不锈钢材料，移除所述分区填料工装后进行预压实，使得移除所述分区填料工装后出现的细小缝隙填补完整，避免极板成型后接缝处因缺少填料而发生断裂。

开模取出成型的双极板，并进行去毛边处理和后加工处理，得到所述分区式复合双极板。

将本实施例制备得到的分区式复合双极板成品进行气密性检测，结果为0.254sccm(标准毫升每分钟)，符合气密性要求标准。对本实施例制备得到的所述分区式复合双极板成品的功能区域和外围区域的电导率和抗弯强度分别进行测试，其中功能区域的电导率为606S/cm，抗弯强度为37Mpa；密封区域的电导率为115S/cm，抗弯强度为78Mpa；CVM区域的电导率为606S/cm，抗弯强度为37Mpa；可见功能区域和CVM区域的电导率较高，可以更好适用于其在电池工作过程中对导电性能的需求；可见密封区域抗弯强度较高，可以很好的适用于密封时的高力学强度。

实施例三

(1)称取20g乙烯基树脂、100g无水乙醇、77g膨胀石墨和3g碳纳米管作为原料；

将所述乙烯基树脂置于所述无水乙醇中，用磁力搅拌器搅拌30min进行溶解分散得到树脂溶液；

用分散机将所述膨胀石墨和所述碳纳米管充分混合得到混合石墨材料，随后将混合石墨材料在搅拌下缓慢加入所述树脂溶液中，完全加入后先搅拌2h，随后低温超声分散1h，最后再搅拌1h，得到固液混合物；

将所述固液混合物进行抽滤后用去离子水洗涤3次，随后放入60℃烘箱中干燥12h后进行粉碎，得到树脂含量为20％的石墨树脂混合粉料P1。

(2)称取60g聚酰亚胺、100g无水乙醇、39g微晶石墨和1g碳纤维作为原料，依据步骤(1)中的制备手段，制备得到树脂含量为60％的石墨树脂混合粉料P4。

(3)将清洗干净的双极板模具表面涂覆脱模剂3～5遍，使脱模剂完全覆盖所述双极板模具表面；

将填料工装放置在工作位置，并使用定位稍固定；

将所述P4粉料放入密封区域，所述密封区域见图1中区域B所示，将所述P1粉料放入功能区域和CVM区域，并将所述粉料上平面刮平；所述功能区域见图1中区域A所示，所述CVM区域见图1中区域C所示。

所述第一石墨树脂混合粉料铺设的厚度为6mm；所述分区式复合双极板的厚度为0.67mm；所述功能区域的压实密度为1.8g/cm

(4)取出所述分区填料工装，然后合膜热压，在170℃、30MPa下保温保压30min使双极板成型；所述分区填料工装为厚度0.2mm的不锈钢材料，移除所述分区填料工装后进行预压实，使得移除所述分区填料工装后出现的细小缝隙填补完整，避免极板成型后接缝处因缺少填料而发生断裂。

开模取出成型的双极板，并进行去毛边处理和后加工处理，得到所述分区式复合双极板。

将本实施例制备得到的分区式复合双极板成品进行气密性检测，结果为0.254sccm(标准毫升每分钟)，符合气密性要求标准。对本实施例制备得到的所述分区式复合双极板成品的功能区域和外围区域的电导率和抗弯强度分别进行测试，其中功能区域的电导率为606S/cm，抗弯强度为37Mpa；密封区域的电导率为115S/cm，抗弯强度为78Mpa；CVM区域的电导率为606S/cm，抗弯强度为37Mpa；可见功能区域和CVM区域的电导率较高，可以更好适用于其在电池工作过程中对导电性能的需求；可见密封区域抗弯强度较高，可以很好的适用于密封时的高力学强度。

对比实施例一

本对比例提供一种分区式复合双极板及其制备方法，步骤(3)中密封区域、功能区域和CVM区域均放入P3粉料，其余步骤与实施例二相同。

对本对比例制备得到的分区式复合双极板成品的功能区域和外围密封区域和CVM区域的电导率和抗弯强度分别进行测试，其电导率均为121S/cm，抗弯强度均为79Mpa；可见所述抗弯强度对密封区域来说较低，燃料电池电堆工作过程中密封区域可能难以承受较高的压力，容易导致气密性变差，双极板使用寿命降低。

对比实施例二

本对比实施例提供一种分区式复合双极板及其制备方法，步骤(3)中密封区域、功能区域和CVM区域均放入P2粉料，其余步骤与实施例一相同。

对本对比例制备得到的分区式复合双极板成品的功能区域和密封区域和CVM区域的电导率和抗弯强度分别进行测试，其电导率均为628S/cm，抗弯强度均为36Mpa；可见所述电导率对功能区域和CVM区域的导电要求来说过低，投入电池电堆中使用会导致电池工作效率较低。

本发明提供了一种分区式复合双极板及其制备方法，本发明根据双极板各区域对导电性、力学强度等不同性能的不同要求，通过改变粉料中树脂含量和导电材料的含量，得到具有不同性能优势的石墨树脂混合粉料，以分区填料工装对不同区域填铺不同粉料，制备得到分区式的复合双极板；这种分区式复合双极板很好地解决了现有的石墨双极板强度低，难以将厚度降低的问题；同时解决了现有的复合石墨双极板导电率低，传输电子能力差的问题；本发明中还添加了CVM区域，与密封区域使用不同的石墨树脂混合粉料，避免了这种分区式结构对CVM区域的影响；本发明的制备方法简单，制备得到的双极板一体化、并具有良好的导电性、力学强度和化学稳定性，无需再对双极板进行改性或其他处理。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。