一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法及氢燃料电池技术

一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法及氢燃料电池，属于氢燃料电池技术领域。所述方法为：模具制备：根据膨胀石墨单极板的形状和尺寸制备相应的模具，模具材料为高强石墨；对石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置进行设计，并对膨胀石墨粉预压成型；热压烧结成型：通过热压烧结将石墨烯薄膜和预压成型的膨胀石墨组合成一个整体，得到含有石墨烯薄膜的膨胀石墨单极板。本发明专利技术在膨胀石墨单极板中增加一层石墨烯薄膜，大大提高了氢燃料电池的氢气利用率和氧气利用率，减少了气体的浪费，进而提高氢燃料电池的能量转换效率，同时也能提高氢燃料电池的安全性能。

Preparation of Expanded Graphite Monopole Plate with High Gas Barrier and Hydrogen Fuel Cell

The invention relates to a preparation method of a high gas barrier expanded graphite monopole plate and a hydrogen fuel cell, belonging to the technical field of hydrogen fuel cell. The method is as follows: die preparation: corresponding die is prepared according to the shape and size of expanded graphite monopole plate, and the die material is high-strength graphite; relative position of graphene film and expanded graphite powder is designed, and expanded graphite powder is pre-pressed; hot pressing sintering: graphene film and pre-pressed expanded graphite are combined into a whole by hot pressing sintering, and the result is obtained. To the expanded graphite monopole plate containing graphene film. The invention adds a layer of graphene film to the expanded graphite monopole plate, greatly improves the utilization ratio of hydrogen and oxygen in the hydrogen fuel cell, reduces the waste of gas, thereby improving the energy conversion efficiency of the hydrogen fuel cell, and also improves the safety performance of the hydrogen fuel cell.

【技术实现步骤摘要】
一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法及氢燃料电池
本专利技术属于氢燃料电池
，具体涉及一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法及氢燃料电池。
技术介绍
氢燃料电池作为一种高效、无污染的清洁能源，已广泛应用于汽车、航空航天等多个领域。双极板是氢燃料电池主要组成部分，由氢气单极板、氧气单极板和位于两极板之间的质子交换膜构成。氢气单极板与质子交换膜的一侧形成氢气腔，内部填充有氢气催化剂，氧气单极板与质子交换膜的另一侧形成氧气腔。在氢气腔氢气分子氧化，产生电子和氢质子，氢质子通过质子交换膜进入氧气腔，和氧离子反应。这样在氢气单极板和氧气单极板之间产生电流。现有的单极板多采用膨胀石墨材料，膨胀石墨本身的热导率较低，如果不能及时的将双极板内部氧化还原反应产生的热量散失出去，会降低电池的使用寿命，同时也存在安全性问题。另一方面膨胀石墨的气体阻隔性能较差，氢气或氧气容易从双极板内部泄露，导致氢气利用率低。
技术实现思路
为解决现有膨胀石墨单极板的热导率较低、气体阻隔性差、氢气利用率低等问题，本专利技术提供一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法及氢燃料电池，将制备的膨胀石墨单极板应用于氢燃料电池中，可显著提高氢燃料电池的气体转换效率。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，所述的方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据膨胀石墨单极板的形状和尺寸制备相应的模具，模具材料为高强石墨；步骤二：对石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置进行设计，并对膨胀石墨粉预压成型；步骤三：热压烧结成型：通过热压烧结将石墨烯薄膜和预压成型的膨胀石墨组合成一个整体，得到含有石墨烯薄膜的膨胀石墨单极板。进一步地，步骤二中，所述的石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置为以下三种中的任意一种：（1）底层为石墨烯薄膜，顶层为膨胀石墨粉；具体地，方法如下：在模具底部铺一层石墨烯薄膜；将膨胀石墨粉均匀的铺在铺好石墨烯薄膜的模具中，表面刮平；使用压机对膨胀石墨粉进行预压成型；（2）底层为膨胀石墨粉，顶层为石墨烯薄膜；具体地，方法如下：将膨胀石墨粉均匀的铺在模具中，表面刮平；使用压机对膨胀石墨粉进行预压成型；在预成型的膨胀石墨上铺一层石墨烯薄膜；（3）底层和顶层为膨胀石墨粉，中间层为石墨烯薄膜；具体地，方法如下：将部分膨胀石墨粉均匀的铺在模具中，表面刮平；使用压机对膨胀石墨粉进行预压成型；使用相同方法对剩余的膨胀石墨粉进行预压成型；在一块预成型的膨胀石墨上铺一层石墨烯薄膜；再加入另一块预成型的膨胀石墨。一种包含权利要求1~7任一权利要求制备的单极板的氢燃料电池。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：（1）本专利技术在膨胀石墨单极板中增加一层石墨烯薄膜，其中，石墨烯薄膜内部石墨烯沿着单极板平面方向定向排布（图2），定向排布的石墨烯薄膜有很好的气体阻隔性能，取两块所述的单极板与质子交换膜组装成双极板，就相当于两片石墨烯薄膜把气体封装在双极板里面，阻止氢气和氧气向双极板外扩散（图4），使之在双极板内部充分反应，大大提高了含有双极板的氢燃料电池的氢气利用率和氧气利用率，减少了气体的浪费，进而提高氢燃料电池的能量转换效率，同时也能提高氢燃料电池的安全性能。方法简单易性。（2）石墨烯薄膜本身具有超高的热导率和电导率，有利于提高膨胀石墨单极板的导电性能和导热性能，提高单极板的电子传输的速度，从而提高整个氢燃料电池的使用效率。导热性能的提高，可以增加氢燃料电池的使用寿命。附图说明图1为常规双极板的正面截面图（上）及俯视截面图（下），其中上下虚线框分别代表氧气腔和氢气腔；图2为本专利技术中石墨烯薄膜截面的扫描电镜图；图3为氢燃料电池示意性侧向截面图，单极板中的石墨烯薄膜位于不同的位置，a-下部，b-中部，c-上部；图4为本专利技术提高气体阻隔性的原理示意图；图例说明：1-双极板，2-气体和冷却液流道，3-氧气入口，4-冷却液入口，5-氢气入口，6-氢气出口，7-冷却液出口，8-氧气出口，9-氢气出口处凸点，10-氢气入口处凸点，11-膨胀石墨，12-石墨烯层，13-氢气催化剂层，14-氧气催化剂层，15-氢气单极板，16-氧气单极板，17-质子交换膜，18-氧分子，19-氢质子，20-氢气分子。具体实施方式本专利技术技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。以下结合附图详细说明本专利技术的内容。此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限定。参见图3，传统的氢燃料电池双极板1主要由氢气单极板15、氧气单极板16和质子交换膜17组成，在氢气单极板15和氧气单极板16的内侧有气体和冷却液流道2（参见图1），氢气和氧气分别从氢气单极板15的氢气入口5（参见图1）和氧气单极板16的氧气入口3处（参见图1）流入，且分别流经质子交换膜17的两侧，在氢气催化剂层13中催化剂的作用下，氢气分子20（参见图4）失去电子，被氧化为氢质子19，并穿过质子交换膜17与氧气腔的氧分子18在氧气催化剂层14中的催化剂的催化下进行反应，生成对应的氧化物。在上述反应过程中，氧气单极板15和氢气单极板16之间产生电压，负载与电池形成闭环后产生电流，这是氢燃料电池工作的基本原理（如图4所示）。同时氧化还原反应产生的热量要及时地排出去，所以氢气腔和氧气腔的气体和冷却液流道2也会从冷却液入口4通入冷却液给整个双极板降温。未反应的氧气，氢气和冷却液分别从氧气出口8，氢气出口6和冷却液出口7流出并循环使用。同时氢气入口处和出口处设计氢气入口处凸点10和氢气出口处凸点9调控氢气腔内的气压，防止气压过高，造成危险。传统的氢气单极板15和氧气单极板16都采用膨胀石墨11作为主体材料，膨胀石墨的导电性和导热性都不理想，气体的阻隔性能也较差。本专利技术将高导热、高导电的石墨烯组成的石墨烯层12作为一种覆盖在膨胀石墨单极板表面的封装膜。石墨烯高度定向排布的石墨烯薄膜（参见图2）对气体阻隔的原理如图4所示。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，所述的方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据膨胀石墨单极板的形状和尺寸制备相应的模具，模具材料为高强石墨；步骤二：对石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置进行设计，并对膨胀石墨粉预压成型，使膨胀石墨具有较高的致密度；步骤三：热压烧结成型：通过热压烧结将石墨烯薄膜和预压成型的膨胀石墨组合成一个整体，得到含有高定向石墨烯薄膜的膨胀石墨单极板。通过一对所述的单极板和质子交换膜可以组合成双极板，进而得到氢燃料电池。具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，步骤二中，所述的石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置为以下三种中的任意一种：（1）底层为石墨烯薄膜，顶层为膨胀石墨粉；具体地，方法如下：在模具底部铺一层石墨烯薄膜；将膨胀石墨粉均匀的铺在铺好石墨烯薄膜的模具中，表面刮平；使用压机对膨胀石墨粉进行预压成型；（2）底层为膨胀石墨粉，顶层为石墨烯薄膜；具体地，方法如下：将膨胀石墨粉均匀的铺在模具中，表面刮平；使用压机对膨胀石墨粉进行预压成型；在预成型的膨胀石墨上铺一层石墨烯薄膜；（3）底层和顶层为膨胀石墨粉，中间层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据膨胀石墨单极板的形状和尺寸制备相应的模具，模具材料为高强石墨；步骤二：对石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置进行设计，并对膨胀石墨粉预压成型；步骤三：热压烧结成型：通过热压烧结将石墨烯薄膜和预压成型的膨胀石墨组合成一个整体，得到含有石墨烯薄膜的膨胀石墨单极板。

【技术特征摘要】
1.一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，其特征在于：所述的方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据膨胀石墨单极板的形状和尺寸制备相应的模具，模具材料为高强石墨；步骤二：对石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置进行设计，并对膨胀石墨粉预压成型；步骤三：热压烧结成型：通过热压烧结将石墨烯薄膜和预压成型的膨胀石墨组合成一个整体，得到含有石墨烯薄膜的膨胀石墨单极板。2.根据权利要求1所述的一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的石墨烯薄膜和膨胀石墨粉的相对位置为以下三种中的任意一种：（1）底层为石墨烯薄膜，顶层为膨胀石墨粉；（2）底层为膨胀石墨粉，顶层为石墨烯薄膜；（3）底层和顶层为膨胀石墨粉，中间层为石墨烯薄膜。3.根据权利要求1所述的一种高气体阻隔性膨胀石墨单极板的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述的预压成型具体条件为：给膨胀石墨粉施加0.5~1MPa的压力，压机以5~20mm/min匀速加压，到达给定压力后保压1~5min。4.根据权利要求1所述的一种高气体阻隔性膨胀石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宜彬，
申请(专利权)人：日照市烯创新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37