一种氢燃料电池复合双极板及其制备方法

本发明涉及氢燃料电池领域，具体涉及一种氢燃料电池复合双极板及其制备方法。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种通过电化学反应将化学能转化为电能的装置，具有高功率密度、零排放等优点。其中双极板作为氢燃料电池的核心部件，在整个电堆中起着支撑膜电极、输送反应气体和提供电气连接等作用。根据材料的不同双极板包含石墨双极板、复合双极板和金属双极板。其中石墨双极板由于自身的多孔性，为保证良好的密封性能，在制备过程中往往其厚度较大，体积较大，电堆难以小型化设计，同时石墨双极板多采用机加工方式，刻蚀流道成本较大。金属双极板导电导热性能优异，但因氢燃料电池的苛刻的酸性运行环境，金属双极板易腐蚀，耐久性差，同时密度较大，电堆设计难以轻量化。复合双极板是将树脂和导电填料混合制备双极板，可替代金属双极板，实现电堆轻量化和小型化的优势。但在以树脂为粘结剂粘结导电填料的过程中，在力学性能提高的同时导电性下降；导电填料含量增加的过程中，导电性提高其力学性能下降，电性能与机械性能之间难以达到平衡。这是由于在加工制备过程中存在树脂与导电填料之间界面相容性差、导电填料在树脂中的分散性差等问题。

2、现有技术中，专利cn113270605b，公开了一种冷压复合双极板的制备方法，采用天然鳞片石墨、人造石墨、膨胀石墨、导电助剂、粘结剂、增韧树脂和溶剂等材料，原料经过分散、捏合、密炼、干燥等工序制得粉料，在常温高压下利用模具成型后固化制得复合双极板。具有气体渗透率低、厚度薄、强度高、耐腐蚀性能优良等特点。专利cn108199058b，公开了一种导电聚合物-石墨烯复合双极板的制备方法，采用3d打印机将导电聚合物加工成型，制成双极板基底，对其进行脱油脱脂后，将石墨烯涂到双极板的外表面，将酚醛树脂或聚氨酯溶于乙醇，充分溶解后加入石墨烯粉末，制得石墨烯胶体涂料，待涂层干燥固化后制得导电聚合物-石墨烯复合双极板。其解决了双极板物理性能、耐腐蚀性能和电性能提升的问题。

3、以上的制备方法中，通常采用多导电填料来制备复合双极板，其导电填料通过简单的物理共混方法难以得到有效分散，与粘结剂树脂之间存在着较大的界面相容性问题，其电导率和物理性能难以进一步提高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种氢燃料电池复合双极板及其制备方法，解决现有技术中复合双极板的导电填料和粘结剂树脂之间存在的界面相容性的技术问题。

2、为达到上述技术目的，本发明提供的技术方案是：

3、第一方面，本发明提供一种氢燃料电池复合双极板的制备方法，包括以下步骤：(1)将膨胀石墨粉进行预压成型，得到膨胀石墨预制板；(2)将膨胀石墨预制板浸泡在含有苯胺的溶液中，进行原位聚合，经后处理得到eg-pani复合材料；(3)通过真空浸渍法将eg-pani复合材料与酚醛树脂进行复合，得到pani-eg-pf复合材料；(4)pani-eg-pf复合材料通过热压成型工艺，制得氢燃料电池复合双极板。

4、第二方面，本发明提供一种上述制备方法制得的氢燃料电池复合双极板。

5、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

6、本发明极大发挥材料本身性能，通过在膨胀石墨表面原位聚合聚苯胺导电高分子，与酚醛树脂形成良好的界面相容性，提高双极板的电性能和物理机械性能；本发明所得复合双极板的电导率在201～266s/cm，抗弯强度在32.19～46.2mpa，接触电阻在22.8～59.1mω/cm2，热导率在5.019～5.668×10w/mk。

技术特征：

1.一种氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，膨胀石墨预制板的密度为0.1～0.5g/cm3，厚度为3～10mm。

3.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，膨胀石墨预制板先浸泡在乙醇溶液中0.5～2h，再浸泡在含有苯胺的溶液中；含有苯胺的溶液中，还含有1mol/l的高氯酸。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，苯胺与膨胀石墨预制板的摩尔质量比为(0.3～0.8)mol：10g。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，通过电化学法或者化学法进行原位聚合。

6.根据权利要求5所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，电化学法的条件为：在标准三电极体系中，以预制板为工作电极，以碳板和饱和甘汞电极为对电极和参比电极，恒电流为5～15ma，电流密度为0.2～0.5ma/cm2，聚合时间为4～8h。

7.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，后处理是将原位聚合结束的预制板在去离子水中浸泡8～20h，再冷冻干燥40～60h。

8.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(3)的真空浸渍工艺具体包括：将eg-pani复合材料置于反应釜中，抽真空后将质量浓度为30～35％的酚醛树脂乙醇溶液泵入反应釜中并保留3～5h；浸渍结束后取出洗涤烘干，得到pani-eg-pf复合材料。

9.根据权利要求1所述的氢燃料电池复合双极板的制备方法，其特征在于，步骤(4)的热压成型工艺，是在平板热压机上进行热压，热压温度为120～140，压力为10～20mpa，保压时间为0.5～2h。

10.如权利要求1-9任一项所述制备方法制得的氢燃料电池复合双极板。

技术总结
本发明涉及一种氢燃料电池复合双极板及其制备方法，包括以下步骤：(1)将膨胀石墨粉进行预压成型，得到膨胀石墨预制板；(2)将膨胀石墨预制板浸泡在含有苯胺的溶液中，进行原位聚合，经后处理得到EG‑PANI复合材料；(3)通过真空浸渍法将EG‑PANI复合材料与酚醛树脂进行复合，得到PANI‑EG‑PF复合材料；(4)PANI‑EG‑PF复合材料通过热压成型工艺，制得氢燃料电池复合双极板。本发明极大发挥材料本身性能，通过在膨胀石墨表面原位聚合聚苯胺导电高分子，与酚醛树脂形成良好的界面相容性，提高双极板的电性能和物理机械性能。

技术研发人员：刘清亭,谭浩东,付旭东,胡圣飞,张荣,张艳华,刘书银,刘鸿鑫,方凯,程凯
受保护的技术使用者：湖北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15