一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法及氢燃料电池技术

本发明专利技术主要涉及高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法，本发明专利技术要解决传统双极板导电和导热较差，气密性差，耐腐蚀性差的问题。方法：石墨模具制备，填料（少层石墨烯粉体），预成型成板状，预烧结去掉分散剂，原位致密化成型，机械加工至成品，双极板组装。本发明专利技术还公开了一种包括这样的双极板的燃料电池。本发明专利技术的双极板热导率和电导率比传统的双极板提高一个数量级，同时具有非常高的气密性和优异的耐腐蚀性能，进而可以提高氢燃料电池的能量转换效率和使用寿命及使用安全性，扩大了氢燃料电池的应用范围。

Preparation of a High Conductivity, High Heat Conductivity, High Gastightness and Corrosion Resistant Graphene Monopole Plate and Hydrogen Fuel Cell

The invention mainly relates to the preparation method of graphene monopole plate with high conductivity, high heat conductivity, high gas tightness and corrosion resistance. The invention solves the problems of poor conductivity and heat conductivity, poor gas tightness and poor corrosion resistance of traditional bipolar plate. METHODS: Graphite mould was prepared, fillers (few layers of graphene powder) were pre-formed into plates, dispersants were removed from pre-sintering, in-situ densification, mechanical processing to finished products, bipolar plate assembly. The invention also discloses a fuel cell including such bipolar plates. The thermal conductivity and conductivity of the bipolar plate of the present invention are one order of magnitude higher than those of the conventional bipolar plate, and have very high air tightness and excellent corrosion resistance, thereby improving the energy conversion efficiency, service life and safety of the hydrogen fuel cell, and expanding the application scope of the hydrogen fuel cell.

【技术实现步骤摘要】
一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯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材料制备
，具体涉及一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法及氢燃料电池。
技术介绍
在越来越高的环保要求的大环境下，燃料电池由于其发电效率高、无环境污染等诸多优点逐渐引起学术界和工业界的重视，并在航空航天、电动汽车等领域实现了应用，具有广泛的应用前景。氢燃料电池的核心部件就是双极板。双极板是由两块电极板，中间夹着质子交换膜组成。其中电极板起着支撑氧化剂与还原剂并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的作用。氢气和氧气的氧化还原反应就是在整个双极板中完成，反应产生的热量必须要及时的导出去以保证电池的正常工作，因此双极板不但要求有较好的导电性，还要求有很好的导热性能和耐腐蚀性能，同时为了提高氢气和氧气的利用率，需要这一对单电极有很好的气体阻隔性能，即高气密性。总之，高导电性决定高输电速率；高导热性和优异的耐腐蚀性能决定高寿命和高安全性；高气密性决定高的氢气利用率。然而现有的双极板的电极多采用膨胀石墨等材料，膨胀石墨本身的热导率较低，即使通过浸渍树脂提高密度，热导率也在100W/m·K以下，并且膨胀石墨的气体阻隔性能较差，导致氢气的利用率低。
技术实现思路
为解决上述氢燃料电池用双极板的热导率低、电导率低、氢气利用率低等问题，本专利技术提供一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法及氢燃料电池。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据单极板的形状和尺寸制备相应的石墨模具，石墨采用高强石墨；步骤二：填料：将石墨烯粉均匀的铺在石墨模具中，表面刮平；步骤三：预成型：常温下用压机给步骤二中的填料施加一个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，使之预成型为石墨烯板；步骤四：预烧结：将预成型的石墨烯板在500~1000℃温度下真空烧结1~2h；步骤五：原位致密化成型：将预烧结后的预成型的石墨烯板放入石墨模具中，在热压烧结炉中进行热压烧结；步骤六：机械加工成最终结构。一种包含上述的方法制备的高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的氢燃料电池，所述的氢燃料电池包括至少一个单极板。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：（1）本专利技术和传统的氢燃料电池用双极板相比，由于石墨烯单极板具有高致密性和高结晶度的特点，其平面方向的电导率和热导率都大大提高，单个电极板导电性能的提高，可以大大提高利用其组装成的双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效率和使用寿命。（2）石墨烯粉末在热压过程中，内部气体会排出，在气体排出时流体力学的作用下，石墨烯这种二维材料会垂直于加压方向定向排布。定向排布的石墨烯单极板有很高的气密性，起到了一种“封装”作用，其气体阻隔性能的机理如图4所示，定向排布的石墨烯增加了气体在内部的路径，使其渗透的阻力大大增加，阻止氢气和氧气向双极板外扩散，从而使之在双极板内部充分反应，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，同时也能提高氢燃料电池的安全性能。（3）由于石墨烯材料本身具有优异的化学稳定性，所以本专利技术得到的单极板具有优异的耐腐蚀性能。石墨烯是二维晶体材料，具有完美晶格的单层石墨烯室温平面内热导率高达~5300W/（m·K），电导率高达106S/m，具有优异的化学稳定性。附图说明图1是本专利技术的石墨烯双极板示意图；图2是本专利技术的石墨烯双极板示意性横向截面图；图3是本专利技术的石墨烯双极板示意性纵向截面图；图4是本专利技术所述的石墨烯双极板工作原理和其高导电高导热高气密性的原理示意图；图5是本专利技术所包含的其他可能结构形式的石墨烯双极板示意图；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-氧气单极板，12-氧气催化剂层，13-质子交换膜，14-氢气催化剂层，15-氢气单极板，16-氧气，17-质子，18-氢气，19-热流方向，20-电子传输方向，21-电池负载，22-非石墨烯氢气单极板，23-非石墨烯氧气单极板。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。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进一步限定。参见图1，高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯双极板1，由氢气单极板15、氧气单极板11和位于两极板之间的质子交换膜13构成（参见图2、图3），在氢气单极板15和氧气单极板11的内侧有气体和冷却液流道2（参见图1）。所述双极板的氢气单极板15与质子交换膜13的一侧形成氢气腔，所述氢气腔的两端分别是氢气入口5和氢气出口6，所述氢气腔内部的氢气催化剂层14中填充氢气催化剂。氧气单极板11与质子交换膜13的另一侧形成氧气腔，所述氧气腔内部的氧气催化剂层12中填充氧气催化剂，两端分别是氧气入口3和氧气出口8。所述氢气单极板15和氧气单极板11两端均含有冷却液入口4和冷却液出口7，且氢气腔和氧气腔的内部均是由锯齿状密排的流道组成。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。参见图4，氢气18在氢催化剂的作用下失去电子，成为质子17，并且通过质子交换膜13进入氧气腔，与氧气16发生反应，该氧化还原反应产生的电子，通过双极板将电子传输给电池负载21，这是氢燃料电池的基本工作原理。本专利技术提供的石墨烯单极板是石墨烯片层在平面方向高度定向排布的，这可以充分发挥石墨烯优异的平面内导热和导电性能，从而使单极板在平面方向有超高的热导率和电导率，提高电子的热流的传播速度。其中，电子传输方向20和热流方向19如图4所示。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法，所述方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据单极板的形状和尺寸制备相应的石墨模具，石墨采用高强石墨；步骤二：填料：将石墨烯粉均匀的铺在石墨模具中，表面刮平；步骤三：预成型：常温下用压机给步骤二中的填料施加一个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，使之预成型为石墨烯板，从模具中取出；预成型工艺可以使粉料内部的大部分气体排出，并且在气体排出的过程中，由于气体的流动可以带动石墨烯片层翻转，使石墨烯片层沿气体流动的方向定向排布；步骤四：预烧结：将预成型的石墨烯板在500~1000℃温度下真空烧结1~2h，去掉内部所含的石墨烯分散剂等；步骤五：原位致密化成型：将预烧结后的预成型的石墨烯板放入石墨模具中，在热压烧结炉中进行热压烧结；步骤六：机械加工成最终结构。制备得到的石墨烯单极板致密度在90%以上，这是保证高导热高导电和高致密性的重要条件。取该方法制备的一对单极板和一个质子交换膜共同组装成高导电高导热高气密性耐腐蚀双极板。具体实施方式二：具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据单极板的形状和尺寸制备相应的石墨模具，石墨采用高强石墨；步骤二：填料：将石墨烯粉均匀的铺在石墨模具中，表面刮平；步骤三：预成型：常温下用压机给步骤二中的填料施加一个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，使之预成型为石墨烯板；步骤四：预烧结：将预成型的石墨烯板在500~1000℃温度下真空烧结1~2 h；步骤五：原位致密化成型：将预烧结后的预成型的石墨烯板放入石墨模具中，在热压烧结炉中进行热压烧结；步骤六：机械加工成最终结构。

【技术特征摘要】
1.一种高导电高导热高气密性耐腐蚀石墨烯单极板的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤一：模具制备：根据单极板的形状和尺寸制备相应的石墨模具，石墨采用高强石墨；步骤二：填料：将石墨烯粉均匀的铺在石墨模具中，表面刮平；步骤三：预成型：常温下用压机给步骤二中的填料施加一个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，使之预成型为石墨烯板；步骤四：预烧结：将预成型的石墨烯板在500~1000℃温度下真空烧结1~2h；步骤五：原位致密化成型：将预烧结后的预成型的石墨烯板放入石墨模具中，在热压烧结炉中进行热压烧结；步骤六：机械加工成最终结...

【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