燃料电池用双极板及其制备方法与流程

本发明涉及燃料电池电堆技术领域，具体涉及一种燃料电池用双极板及其制备方法。

背景技术：

质子交换膜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，由于质子交换膜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，因此效率高；另外，质子交换膜燃料电池用氢气和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，反应产物仅仅是水无有害气体排放对环境友好，同时可以产生所需的电能。

双极板又称集流板，是燃料电池重要部件之一。具有下述功能与性质：分隔燃料与氧化剂，阻止气体透过；收集、传导电流，电导率高；设计与加工的流道，可将气体均匀分配到电极的反应层进行电极反应；能排出热量，保持电池温场均匀；耐蚀；抗冲击和震动；厚度薄；重量轻；同时成本低，容易机械加工，适合批量制造等。

发明专利cn108808037a公开了一种燃料电池双极板，该燃料电池双极板主要由热固性复合材料进行压缩模塑制得。该热固性复合材料主要由乙烯基酯树脂、导电填料和溶剂制成，其中导电填料为复合型导电填料，其中包含了石墨、碳纤维、碳纳米管和金属系列的导电填料，将碳素系列导电填料和金属系列导电填料复合使用可以优化双极板的导电性能，降低成本。此种制备方法将多种碳素材料与金属系列材料糅合在一起，会对造成双极板内部因为不同材质直接形成微电极影响双极板性能。

发明专利cn105633427a公开了一种一体式可再生质子交换膜燃料电池用亲水性水传输板及其制备方法，该方法是先将纳米碳材料亲水化处理，再将亲水化处理后的纳米碳材料、导电添加剂、增强碳纤维与树脂粘结剂混合均匀后在模具中热压成形，即得亲水性水传输板，其中亲水纳米碳材料起到促进水传输的作用。本发明的水传输板将其作为一体式可再生质子交换膜燃料电池双极板具有良好的透水特性。此种双极板的制备方法重点在于促进水传输作用，其中纳米碳材料，导电添加剂、增强碳纤维等是为了提升导电性。此种双极板的整体强度需要根据各种材料的配比才能发挥合理效果。

发明专利cn101656316a涉及燃料电池双极板材料技术领域，尤其是一种磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料。磨碎碳纤维增强的酚醛树脂/石墨双极板材料由石墨粉体、酚醛树脂粉体和磨碎碳纤维复合而成，磨碎碳纤维粒度为100～400目，酚醛树脂粉体粒度目数为200目及以上，石墨粉体粒度为80～200目。材料配方质量百分比为：磨碎碳纤维为1～12％；酚醛树脂粉体为12％～23％；石墨粉体65％～87％。由以上成分及配比制备的复合材料性能为：弯曲强度：50～68mpa，导电率：157～209s/cm，密度：1.79～1.88g/cm³。此发明采用多种碳素材料并添加树脂作粘合剂制备的双极板材料强度满足基本需求，但强度还有待进一步验证。

发明专利cn1294669c提供了一种制备质子交换膜燃料电池碳/碳复合材料双极板的方法，属于燃料电池领域。此发明采用中间相碳颗粒为原材料，以碳纤维为增强材料，通过凝胶注模成型工艺一次成型质子交换膜燃料电池双极板，首先，配制凝胶注模用单体溶液，之后将中间相碳颗粒和碳纤维按比例加入到单体溶液中，搅拌均匀得到稳定的浆料，然后将浆料浇注到带有反向气体流道的金属模具中，保温至单体与交联剂完全反应，得到双极板素坯，之后将素坯烘干，烧结后，采用热固性树脂进行封孔，最后将固化后的树脂在高温下炭化，即得到碳/碳复合材料双极板。此种制备方法中最后进行高温碳化会破坏原先的增强材料的物理特性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种燃料电池用双极板的制备方法，该方法所得的双极板极大程度保留了碳纤维本身的优异物理特性，又满足双极板不漏气的要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池用双极板的制备方法，包括以下步骤：

s1：将多层碳纤维编织层与树脂粉末混合，使树脂粉末均匀填补于碳纤维之间的孔隙中；

s2：将混合树脂粉末的多层碳纤维编织层放入模具中进行固化，得到碳纤维预制板；

s3：将碳纤维预制板进行抛光，成型加工空气流道、冷却流道和氢气流道，得到所述双极板。

本发明中，碳纤维编织材料作为基材，填充一定比例的树脂作为多层碳纤维材料之间的粘合剂，并对碳纤维中的孔隙进行填补。作为优选，所述碳纤维编织层为5～8层。

本发明中，所述混合具体为：将树脂粉末分散于dmf溶剂中，分散后的树脂呈糊状，将其涂覆到一层碳纤维编织层中，再铺上一层碳纤维编织层，重复上述动作，最后使树脂均匀分散在碳纤维中间的孔隙中进行填补。

本发明中，在碳纤维编织层与树脂粉末混合过程中，树脂过多会降低成型板的导电性，树脂含量过低会有漏气风险。经过多次的材料配备试验，最终申请人发现，当树脂粉末的质量分数为25～45％时，碳纤维双极板拥有很高的强度与导电性，又能满足碳纤维双极板不漏气的要求。更优选地，树脂粉末的质量分数为35～40％。

本发明中，树脂粉末的质量分数指的是树脂粉末的质量与碳纤维编织层质量的百分比。

作为优选，所述树脂为聚酰亚胺树脂(pi)。

作为优选，在多层碳纤维编织层的固化过程中，固化的条件为：固化温度180-250℃，固化时间为30-80min。更优选地，固化温度为200℃，固化时间为60min。

本发明另一方面提供了由前述的方法得到的燃料电池用双极板。

本发明的有益效果：

本发明使用以碳纤维编织材料为碳基主体材料，通过添加合适比例的树脂进行固化粘结，极大程度地保留了碳纤维本身的优异物理特性(高导电性与高机械强度)，又满足双极板不漏气的要求，可以大大提高当前普遍的复合石墨双极板的强度不足，金属双极板耐腐蚀性与寿命不佳问题。

附图说明

图1是本发明的燃料电池用双极板的制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例：制备染料电池用双极板

参见图1，选用5层碳纤维编织层(单层碳纤维编织层的厚度为0.2mm)叠加在一起，按照pi树脂粉末的质量分数为35％的比例，将碳纤维编织层与pi树脂粉末混合，使pi树脂粉末均匀分散在碳纤维纤维中间的孔隙中进行填补。

接着，将进行均匀混合后的浸渍有pi树脂粉末的碳纤维编织层，放置在固定预制板中进行固化交联成型，固化温度为200℃，固化60分钟后，形成不漏气的碳纤维预制板。

最后，将碳纤维预制板进行表面抛光，再采用cnc工艺在表面雕刻加工空气流道、冷却流道和氢气流道，从而得到本实施例的染料电池用双极板。

经过测试，本实施例的碳纤维双极板的抗弯强大于90mpa，抗压强度大于150mpa，远远高于现有的复合石墨双极板强度；导电性好，电阻率小于100μωm；在保持负压0.08-0.09mpa时，保压5分钟无泄漏。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。