一种复合石墨双极板及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种复合石墨双极板及其制备方法和应用，所述复合石墨双极板包括石墨双极板，以及粘结于所述石墨双极板的阴极面和阳极面的密封涂层。所述密封涂层在石墨双极板的阴极面和阳极面上形成一层致密的保护结构，对石墨双极板上的表面缺陷进行有效封堵，提高了石墨双极板上燃料场沟道的平整度以及石墨双极板的气密性，实现了石墨双极板的气密性补偿。所述复合石墨双极板的制备工艺简单，具有广阔的工业化应用前景。基于本发明专利技术所述复合石墨双极板的燃料电池具有良好的电池性能和均一性，能够充分满足高性能燃料电池的应用需求。

A composite graphite bipolar plate and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种复合石墨双极板及其制备方法和应用
本专利技术属于燃料电池
，具体涉及一种复合石墨双极板及其制备方法和应用。
技术介绍
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器，它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此发电效率较高。此外，燃料电池以燃料和氧气作为燃料，没有机械传动部件，故没有噪声，排放出的有害气体极少、无污染。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。质子交换膜燃料电池因其具有快速开启/关闭功能，比功率高等优点，得到了研究人员的广泛关注，经过多年的研究探索该类型电池已具备应用于新能源车领域的潜力。双极板是质子交换膜燃料电池的核心部件之一，其功能包括收集电流、输送反应介质、分隔氧化剂和还原剂、作为机械支撑等。上述功能要求双极板材料需要具备以下特性：(1)阻气性好，材料应具备不透气性；(2)耐蚀性好，包括5～85℃的外部大气环境和65～85℃、200kPa电池内部环境下的耐蚀性能；(3)高的电导率和导热系数；(4)力学性能好；(5)质量轻；(6)生产加工成本低，宜于大批量生产等特性。目前有大量的研究工作聚焦于双极板材料的开发、双极板结构以及制备方法的优化，例如CN109921051A公开了一种超薄柔性石墨双极板及其制备方法，所述超薄柔性石墨双极板包括上下两层柔性石墨极板、中间层的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜位于两层柔性石墨极板之间，形成了带石墨烯薄膜夹心的柔性石墨基双材板结构，提高柔性石墨板的强度和阻气性能；采用模压工艺制备的所述超薄柔性石墨氢氧极板在保证原有性能情况下，提高双极板的强度，降低双极板的厚度，能够提升电堆的比功率密度，具有很好的实用价值。CN101123313B公开了一种燃料电池的金属双极板以及包括该金属双极板的燃料电池，所述金属双极板包括板状金属基片以及部分涂覆于金属基片上的贵金属层，其中金属基片其由能够钝化的金属构成，所述金属双极板具有至少在面向隔膜电极组件的电极的区域中形成的凹凸部分，不存在由于双极板腐蚀而导致电阻增大的问题以及由于析出的离子而导致电解质劣化的问题，具有良好的电池特性。CN110212212A公开了一种金属板单面与石墨复合的双极板及制备方法，所述双极板包括氢单极板和氧单极板，单极板由金属极板与石墨复合而成，金属极板表面设有导电层，金属极板的一面黏贴有柔性石墨纸。所述双极板提高了双极板的耐腐蚀性，降低了金属双极板的表面处理成本。现有的燃料电池用双极板包括金属类、导电塑料类和石墨类，金属类双极板成型性好，体积优势明显，但耐蚀性还需进一步改进，暂不具备大规模应用的前景，导电塑料类双极板的导电性和机械强度之间的矛盾难以平衡，在高功率电池组的应用中受限。因此，质子交换膜燃料电池广泛采用的双极板材料是无孔石墨板，石墨板材主要是经粉末冶金方法制出，使用此方法会在微结构上造成许多肉眼无法分辨的气孔，气孔的存在会造成燃料的互相穿透。同时，石墨双极板的硬度比金属低，在对石墨板材进一步加工及组装的过程中极易受到尖锐物品刻划或撞击，如在使用数字控制加工机对石墨板材加工过程中，由于夹具夹紧及所进行的钻孔、铣槽等操作往往会在石墨板材上制造出肉眼难以识别的细微加工痕迹，这些痕迹很可能降低石墨双极板的气密性，并对由其制作的质子交换膜燃料电池性能产生消极影响。因此，开发一种具有良好气密性的石墨双极板、以提高燃料电池性能的均一性，是本领域的研究重点。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种复合石墨双极板及其制备方法和应用，所述复合石墨双极板通过在石墨双极板的阴极面和阳极面上设置密封涂层，实现了石墨双极板的气密性补偿，有效提升了基于所述复合石墨双极板的燃料电池的性能均一性和稳定性。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种复合石墨双极板，所述复合石墨双极板包括石墨双极板，以及粘结于所述石墨双极板的阴极面和阳极面的密封涂层。在燃料电池中，石墨双极板通常是以模压石墨粉方法制备得到，此方法会使石墨双极板上存在许多微观尺度的气孔，导致石墨双极板的气密性降低，并造成燃料的相互穿透；此外，石墨双极板的硬度较低，在加工和组装过程不可避免地留下加工痕迹，这些加工痕迹也会影响石墨双极板的气密性，进而对燃料电池的性能产生负面影响。基于此，本专利技术提供的复合石墨双极板通过在传统石墨双极板的阴极面和阳极面设置密封涂层，有效解决了传统石墨双极板表面结构不平整、燃料场沟道壁表面粗糙而导致的气密性问题，所述密封涂层在石墨双极板表面形成了致密的保护结构，对石墨双极板在制造加工过程中造成的表面缺陷进行有效封堵，提高了双极板燃料场沟道的平整度以及石墨双极板的气密性，从而使以本专利技术所述复合石墨双极板制备的燃料电池具有均一且优异的电池性能。本专利技术所述石墨双极板为可通过现有技术获得的石墨双极板，所述石墨双极板具有阴极面和阳极面，其中阴极面为氧沟道，阳极面为氢沟道，阴极面和阳极面的沟道宽度具有一定差异，阳极面氢沟道的宽度小于阴极面氧沟道的宽度。优选地，所述密封涂层为聚合物树脂层。优选地，所述聚合物树脂层的制备原料选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯胺、聚苯乙烯胺或环氧树脂中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为聚偏氟乙烯。作为本专利技术的优选技术方案，所述密封涂层为聚合物树脂层，所述密封涂层能够有效填补石墨双极板表面的粗糙不平整结构和气孔瑕疵，同时具有良好的机械性能和导电性能。优选地，所述聚偏氟乙烯的数均分子量为350～600，例如370、390、400、410、420、440、450、470、490、500、510、530、540、550、580或590等。优选地，所述密封涂层的厚度为1～3μm，例如1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.9μm、2μm、2.2μm、2.5μm、2.8μm或2.9μm，以及上述点值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本专利技术不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。作为本专利技术的优选技术方案，所述密封涂层的厚度为1～3μm，如果密封涂层的厚度小于上述范围，则无法形成平整表面封堵石墨双极板的表面缺陷和覆盖气孔，如果密封涂层的厚度大于上述范围，则有可能影响复合石墨双极板的电学性能，进而使燃料电池的电池性能有所降低。另一方面，本专利技术提供一种如上所述的复合石墨双极板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将聚合物与有机溶剂混合、分散，得到密封涂层处理剂；(2)将步骤(1)得到的密封涂层处理剂分别涂覆于石墨双极板的阳极面和阴极面，干燥，得到所述复合石墨双极板。优选地，步骤(1)所述有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基脲、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为N-甲基吡咯烷酮。优选地，步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合石墨双极板，其特征在于，所述复合石墨双极板包括石墨双极板，以及粘结于所述石墨双极板的阴极面和阳极面的密封涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合石墨双极板，其特征在于，所述复合石墨双极板包括石墨双极板，以及粘结于所述石墨双极板的阴极面和阳极面的密封涂层。


2.根据权利要求1所述的复合石墨双极板，其特征在于，所述密封涂层为聚合物树脂层。


3.根据权利要求1或2所述的复合石墨双极板，其特征在于，所述聚合物树脂层的制备原料选自聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚苯胺、聚乙烯胺或环氧树脂中的任意一种或至少两种的组合，优选为聚偏氟乙烯。


4.根据权利要求1～3任一项所述的复合石墨双极板，其特征在于，所述聚偏氟乙烯的数均分子量为350～600。


5.根据权利要求1～4任一项所述的复合石墨双极板，其特征在于，所述密封涂层的厚度为1～3μm。


6.一种如权利要求1～5任一项所述的复合石墨双极板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将聚合物与有机溶剂混合、分散，得到密封涂层处理剂；
(2)将步骤(1)得到的密封涂层处理剂分别涂覆于石墨双极板的阳极面和阴极面，干燥，得到所述复合石墨双极板。


7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基脲、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种或至少两种的组合，优选为N-甲基吡咯烷酮；
优选地，步骤(1)所述密封涂层处理剂中聚合物的质量百分含量为3～5％；
优选地，步骤(1)所述分散的温度为60～90℃；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：米新艳，曹婷婷，崔新然，王茁，李军泽，裴国权，张克金，马千里，
申请(专利权)人：一汽解放汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22