一种多尺度微结构的石墨双极板及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种多尺度微结构的石墨双极板及其制备方法与应用。本发明专利技术采用鳞片石墨、酚醛树脂和导电填料为原料，通过适当的配比，使得石墨与石墨分子之间形成导电骨架，导电填料填充在导电骨架中，构成颗粒级配的多尺度微观结构，从微米级到纳米级填充，可以有效地增加导电通路，提升电导率，提升其密度，并增强其机械性能，进而提高燃料电池的发电效率和循环寿命。本发明专利技术的制备方法通过控制热压步骤的时间、温度、压力等重要参数，可使产品性能保持一致，由此制得的产品不变性、不开裂、电导率高且机械性能好。电导率高且机械性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度微结构的石墨双极板及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于燃料电池领域，具体涉及一种多尺度微结构的石墨双极板及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]氢能作为一种清洁、高效、可持续的无碳能源是国际公认的清洁能源，具有资源丰富、零污染、能量密度高、存储时间长、安全可控、无地理条件限制、功率变化范围宽等优点。质子交换膜燃料电池是目前最主流的氢燃料电池，具有建设周期短、面积小、不受地理位置制约、秒级分钟级快速响应、清洁无污染等特点，可用于电网调峰、变电站/数据中心备用电源、海岛地区热电联供、综合能源站等场景，特别是固定式电站，通常设置在清洁能源丰富而人烟稀少的地区，往往要长期暴露在外部环境中以备用，并要求具有稳定启停的能力，这对其工作温度范围、耐候性、耐腐蚀性、寿命等都提出了更高的要求。
[0003]双极板是质子交换膜燃料电池的核心功能部件，因其生产研发成本高，而成为影响燃料电池商业化推广的关键因素。双极板的作用主要体现在隔离与分配氧化剂和燃料、传导电流、支撑膜电极、调节电堆内部温度等。为了满足燃料电池的工作需求，双极板必须具有优越的阻气性、良好的导电性与耐腐蚀性、较好的导热性以及机械性能。目前常用的双极板材料是金属或石墨基，与金属材料相比，石墨类材料在耐冷热、耐腐蚀方面更具优势，由此制备而成的石墨基双极板也具有较高的循环寿命与环境耐受能力，是固定式电站用燃料电池的较为理想的选择。
[0004]目前已有大量工作致力于石墨双极板的研究，例如，现有技术公开了一种高强度石墨双极板的制备方法，包括如下步骤：称取天然鳞片石墨、酚醛树脂、炭黑共150g，各原料的质量百分含量分别为92wt％，7wt％，1wt％，于室温下V型搅拌器中混合2h，将上下模具升温至150℃，然后喷洒适量脱模剂，将混合物装入平面模具中并刮平，在10MPa的压力下，热压3分钟，开模取件，即制得模压双极板。虽然该技术制得的石墨双极板具有较高的机械强度，但由于其炭黑含量较少，导电通路容易被树脂阻碍，导致其电阻率较大，影响燃料电池的发电效率和循环寿命。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有的石墨双极板无法兼顾燃料电池的性能与寿命的问题。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一方面，本专利技术提供了一种石墨双极板，所述石墨双极板是以微米级鳞片石墨作为导电骨料，纳米级导电颗粒作为导电填料，酚醛树脂作为粘结剂，形成颗粒级配的多尺度微观结构；以质量百分含量计，所述石墨双极板的原料包括：鳞片石墨75
‑
85％、酚醛树脂10
‑
25％、导电填料1
‑
5％。
[0008]相较于其他石墨，天然鳞片石墨形成的导电网络具有优良的电传导性能。相比于
环氧树脂，酚醛树脂便于混合，便于电传导。
[0009]可选地，所述石墨双极板的原料包括：鳞片石墨82％、酚醛树脂15％、导电填料3％。
[0010]可选地，所述导电填料为炭黑、碳纤维、导电金属中的一种或者几种，所述炭黑的粒径为8nm～500nm，所述导电金属的粒径为25～50nm。
[0011]可选地，所述鳞片石墨的粒径为150～1000μm。
[0012]第二方面，本专利技术提供了一种制备上述石墨双极板的方法，包括如下步骤：
[0013]将酚醛树脂、导电填料通过超声分散的形式混合均匀形成混合料，采用机械混合的方式混合形成混合料，随后采用热压的方式将所述混合料压制成型；其中，热压的温度为150～200℃，压力为4～20MPa，时间为5～30min。
[0014]可选地，热压的温度为180℃，压力为16MPa，时间为5min。
[0015]可选地，混合时采用湿法工艺，具体步骤为：
[0016]称量：按比例称量鳞片石墨、酚醛树脂、导电填料、酒精；
[0017]分散：将酚醛树脂与导电填料超声分散1h；
[0018]干燥：将完成分散的样品在60摄氏度干燥12h；
[0019]研磨：手磨或者球磨15min；
[0020]混合：加入鳞片石墨机械混合。
[0021]可选地，混合时采用干法工艺，具体步骤为：
[0022]称量：将鳞片石墨、酚醛树脂、导电填料按比例称量；
[0023]混料：将导电填料和酚醛树脂加入至球磨机中，球磨速率为300r/min，球磨时间为1h；再将石墨加入球磨机，混合30min。
[0024]可选地，热压时采用石墨纸作为外脱模剂。
[0025]第三方面，本专利技术还提供了上述石墨双极板在燃料电池中的应用。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下优点：
[0027]1.本专利技术实施例提供的石墨双极板，采用石墨、树脂和导电填料作为原料，并且减少了石墨的用量，相应地增加了树脂和导电填料的用量，通过适当的原料配比，使得石墨与石墨分子之间形成导电骨架，导电填料填充在导电骨架中，构成多尺度微观结构(如：石墨150～1000μm，树脂80um，导电填料45nm)，可以有效地增加导电通路，提升电导率，进而提高燃料电池的发电效率和循环寿命，与现有技术相比，导电性提高到约340S/cm。
[0028]2.本专利技术实施例提供的石墨双极板的制备方法，通过控制热压步骤的时间、温度、压力等重要参数，可使产品性能保持一致，由此制得的产品不变性、不开裂、电导率高且机械性能好。
具体实施方式
[0029]提供下述实施例是为了更好地进一步理解本专利技术，并不局限于所述最佳实施方式，不对本专利技术的内容和保护范围构成限制，任何人在本专利技术的启示下或是将本专利技术与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本专利技术相同或相近似的产品，均落在本专利技术的保护范围之内。
[0030]实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验
步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
[0031]本专利技术提供的石墨双极板，以质量百分含量计，其原料包括：天然鳞片石墨75
‑
85％、酚醛树脂10
‑
25％、导电填料1
‑
5％；其中，导电填料为炭黑、碳纤维或导电金属中的一种或几种，炭黑的粒径为8nm～500nm，导电金属的粒径为25～50nm；天然鳞片石墨的粒径为150～1000μm。
[0032]本专利技术还提供了上述石墨双极板的制备方法，包括如下步骤：
[0033](1)原料混合
[0034]按照上述配比，分别称取石墨、树脂、导电填料、酒精，采用湿法工艺混合均匀，具体步骤为：将树脂、导电填料加入至适量酒精溶液中，超声分散1h后，置于烘箱(温度60℃)中，12h后取出，手磨或者球磨15min后，加入鳞片石墨机械混合。
[0035]或者，采用干法工艺混合均匀，具体步骤为：将导电填料和酚醛树脂加入至球磨机中，球磨速率为3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨双极板，其特征在于，所述石墨双极板是以微米级鳞片石墨作为导电骨料，纳米级导电颗粒作为导电填料，酚醛树脂作为粘结剂，形成颗粒级配的多尺度微观结构；以质量百分含量计，所述石墨双极板的原料包括：鳞片石墨75
‑
85％、酚醛树脂10
‑
25％、导电填料1
‑
5％。2.根据权利要求1所述的石墨双极板，其特征在于，所述石墨双极板的原料包括：鳞片石墨82％、酚醛树脂15％、导电填料3％。3.根据权利要求1或2所述的石墨双极板，其特征在于，所述导电填料为炭黑、碳纤维、导电金属中的一种或者几种，所述炭黑的粒径为8nm～500nm，所述导电金属的粒径为25～50nm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的石墨双极板，其特征在于，所述鳞片石墨的粒径为150～1000μm。5.一种制备权利要求1
‑
4任一项所述的石墨双极板的方法，其特征在于，包括如下步骤：将酚醛树脂、导电填料通过超声分散的形式混合均匀形成混合料，采用机械混合的方式混合形成混合料，随后采用热压的方式将所述混合料...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳骆，谭晖，胡晓，张高群，宋鹏翔，徐桂芝，林德源，
申请(专利权)人：国网福建省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：