CN118448663B - 一种自修复燃料电池双极板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种自修复燃料电池双极板及其制备方法，双极板由以下质量份数的原料组成：石墨蠕虫 50份~80份；石墨鳞片 10份~20份；导电聚苯胺 10份~20份；木质素/类玻璃高分子智能复合材料 10份~20份；补强材料 1份~10份。本申请的自修复燃料电池双极板能够同时具备金属双极板以及石墨双极板的优势，在导电、导热性、抗腐蚀性能优异的同时，还拥有接近金属双极板的抗弯强度，此外，由于其在一定程度上的自修复性能，使得其使用寿命优于目前市面上的金属双极板以及石墨基双极板。

Description

一种自修复燃料电池双极板及其制备方法

技术领域

本申请涉及电池领域，尤其涉及一种自修复燃料电池双极板及其制备方法。

背景技术

氢能源燃料电池是一种清洁、高效、长寿命的发电装置，在效率、安全性、可靠性、灵活性、清洁性、操作性能等方面有很大的优势，应用前景十分广阔。双极板被称为氢能源燃料电池的“骨架”，其主要作用是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。

目前主流的双极板有金属双极板和石墨基双极板。金属板电堆在强度等方面具备优势，但金属板抗腐蚀性能偏差(意味着寿命受限)。石墨基双极板在导电性、导热性、使用寿命、抗腐蚀性等方面更优，但抗弯强度等方面偏差。

发明内容

为解决以上技术问题，本申请提供了一种自修复燃料电池双极板及其制备方法，实现提高燃料电池双极板的使用寿命、抗弯强度，同时针对冲击、溶液浸泡导致的轻微形变或开裂具备自修复能力。

本申请提供的一种自修复燃料电池双极板，由以下质量份数的原料组成：

石墨蠕虫50份～80份；

石墨鳞片10份～20份；

导电聚苯胺10份～20份；

木质素/类玻璃高分子智能复合材料10份～20份；

补强材料1份～10份。

优选地，所述石墨蠕虫的体积大小为200目～500目。石墨蠕虫为膨胀石墨在高温下体积瞬间膨胀，由片状变成蠕虫状，结构松散多孔，表面积扩大，表面能提高，吸附鳞片石墨能力增强；蠕虫状石墨之间也可以自行嵌合。石墨蠕虫不但保留了天然石墨的原有特性，还具有如柔软性、回弹性、自粘性、不渗透性、吸附性和低密度等特性，以及还具备耐压性、抗高压、抗低温、抗腐蚀、抗辐射、抗震和抗老化抗扭曲等性能。

优选地，所述石墨鳞片的体积大小为500目～1500目。石墨鳞片用于填补石墨蠕虫之间的缝隙，同时借助石墨蠕虫松散多孔、吸附鳞片石墨能力强的特性，使两者能够更好分散在一起，从而使双极板在保持柔韧性、耐压性和抗老化的同时，进一步提升器电导率以及面密度。

优选地，所述导电聚苯胺为α-磷酸锆(α-ZrP)/聚苯胺(PANi)复合材料。导电聚苯胺为超导聚苯胺，相比于一般的导电聚苯胺，由于α-ZrP与PANi之间有强的相互作用，加速了自由电子的传输，使得电导率增强，从而使掺杂了α-ZrP后制备出的PANi电导率明显高于未掺杂的PANi，同时导电聚苯胺也有一定的补强性能。

优选地，所述木质素/类玻璃高分子智能复合材料为利用双六元环碳酸酯(BCC)和生物质二胺(Priamine 1074)之间的高效加聚反应合成的生物质基聚羟基聚氨酯类玻璃高分子。

木质素/类玻璃高分子智能复合材料选自陕西科技大学轻工科学与工程学院赵伟教授课题组“木质素/类玻璃高分子智能复合材料的绿色高效制备”制备的生物质基聚羟基聚氨酯类玻璃高分子。该高分子智能复合材料具有良好的自修复性能以及强度，可作为体系的补强材料使用，并利用其自修复特性增强双极板使用寿命。

进一步地，所述补强材料为高Tg热固型塑料。优选地，所述高Tg热固型塑料包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、酚醛树脂(PF)和三聚氰胺－甲醛树脂(MF)中的一种或多种。以上补强材料兼具耐热性、硬度大、机械特性、电学性能良好、耐水性、耐溶剂性和耐化学药剂性优越等性能。同时，补强材料的加入能够进一步提升双极板抗弯强度和机械性能。

本申请的自修复燃料电池双极板能够同时具备金属双极板以及石墨双极板的优势，在导电、导热性、抗腐蚀性能优异的同时，还拥有接近金属双极板的抗弯强度，同时，本申请双极板针对冲击、溶液浸泡导致的轻微形变或开裂具备自修复性能，使得其使用寿命优于目前市面上的金属双极板以及石墨基双极板。

本申请还提供一种自修复燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按质量份数称取原料，将石墨蠕虫、石墨鳞片、导电聚苯胺、木质素/类玻璃高分子智能复合材料和补强材料混合为混合粉料；

步骤2，将步骤1得到的混合粉料加入到石墨板压合模具，将石墨板压合模具放入辊压设备进行辊压成型，辊压力为1800kg～2500kg；

步骤3，将步骤2辊压成型的石墨板放入200℃～250℃烘箱2h～4h，直至石墨板完全固化，得到自修复燃料电池双极板。

进一步地，所述步骤1，具体包括：

步骤11，将石墨蠕虫和石墨鳞片加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；

步骤12，将步骤11得到的混合粉料与导电聚苯胺加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；

步骤13，将步骤12得到的混合粉料与木质素/类玻璃高分子智能复合材料加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；

步骤14，将步骤13得到的混合粉料与补强材料加入到干粉喷涂设备进行对喷混合。

优选地，所述辊压力为2000kg，烘箱温度为230℃。

本申请的制备方法操作简单，无需特殊设备，不同于常规的燃料电池双极板制备工艺，摒弃了常规的机械共混方式(机械共混一定会破坏膨胀石墨的结构，影响最终双极板性能)，采用了涂料领域的干粉喷涂设备，通过粉料对喷的方式进行分散混合，从而能够完整的保持膨胀石墨的内部构造，使得最终双极压合后各项性能达到最优，满足工业化生产。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

一种自修复燃料电池双极板，由以下质量份数的原料组成：

石墨蠕虫50份；石墨鳞片10份；导电聚苯胺10份；木质素/类玻璃高分子智能复合材料10份；聚偏二氟乙烯1份。

自修复燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，按质量份数称取原料，将石墨蠕虫和石墨鳞片加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；然后将混合粉料与导电聚苯胺加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；再将混合粉料与木质素/类玻璃高分子智能复合材料加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；最后将混合粉料与补强材料加入到干粉喷涂设备进行对喷混合。

步骤2，将步骤1得到的混合粉料加入到石墨板压合模具，将石墨板压合模具放入辊压设备进行辊压成型，辊压力为2000kg；

步骤3，将步骤2辊压成型的石墨板放入230℃烘箱2h以上，直至石墨板完全固化，得到自修复燃料电池双极板。

实施例2

一种自修复燃料电池双极板，由以下质量份数的原料组成：

石墨蠕虫80份；石墨鳞片10份；导电聚苯胺10份；木质素/类玻璃高分子智能复合材料10份；酚醛树脂1份。自修复燃料电池双极板的制备方法同实施例1。

实施例3

一种自修复燃料电池双极板，由以下质量份数的原料组成：

石墨蠕虫50份；石墨鳞片20份；导电聚苯胺20份；木质素/类玻璃高分子智能复合材料20份；三聚氰胺－甲醛树脂10份。自修复燃料电池双极板的制备方法同实施例1。

实施例4

一种自修复燃料电池双极板，由以下质量份数的原料组成：

石墨蠕虫80份；石墨鳞片20份；导电聚苯胺20份；木质素/类玻璃高分子智能复合材料20份；聚偏二氟乙烯、酚醛树脂和三聚氰胺－甲醛树脂的质量比1:1:1的混合物10份。自修复燃料电池双极板的制备方法同实施例1。

对比例1

不含有木质素/类玻璃高分子智能复合材料，其它同实施例4。

对比例2

采用导电碳纤维代替导电聚苯胺，其它同实施例4。

对比例3

不含有补强材料，其它同实施例4。

对比例4

采用普通石墨代替石墨蠕虫和石墨鳞片，其它同实施例4。

双极板特性测试

采用GB/T 20042.6-2024测试实施例1至4以及对比例1至4制备得到的双极板进行特性测试，测试结果如下表1所示。

表1实施例1至4以及对比例1至4的双极板特性测试结果

由表1可知，实施例1至4制备得到的双极板特性测试结果均符合美国能源部(DOE)2020年和2025年双极板特性指标。实施例4与对比例1相比，含有木质素/类玻璃高分子智能复合材料的实施例4较对比例1有更好的材料特性，其中实施例4的寿命显著提高，以及具有更好的抗弯强度；实施例4与对比例2相比，采用导电聚苯胺的实施例4较采用导电碳纤维的对比例2具有更好的材料特性，其中抗弯强度显著提高，以及具有更好的质量功率密度；实施例4与对比例3相比，含有补强材料的实施例4较对比例3有更好的材料特性，其中抗弯强度显著提高，以及具有更长的寿命；实施例4与对比例4相比，采用石墨蠕虫和石墨鳞片的实施例4较对比例4有更好的材料特性，其中实施例3的寿命显著提高。由实施例4与对比例1至4对比可知，本申请采用石墨蠕虫、石墨鳞片、导电聚苯胺、木质素/类玻璃高分子智能复合材料和补强材料作为原料制备双极板能够起到协同增效作用，使双极板的寿命和抗弯强度达到最佳。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自修复燃料电池双极板，其特征在于，由以下质量份数的原料组成：

石墨蠕虫50份～80份；

石墨鳞片10份～20份；

导电聚苯胺10份～20份；

木质素/类玻璃高分子智能复合材料10份～20份；

补强材料1份～10份；

所述木质素/类玻璃高分子智能复合材料为利用双六元环碳酸酯和生物质二胺Priamine 1074之间的高效加聚反应合成的生物质基聚羟基聚氨酯类玻璃高分子；

所述补强材料包括聚偏二氟乙烯、酚醛树脂和三聚氰胺－甲醛树脂中的一种或多种。

2.如权利要求1所述的自修复燃料电池双极板，其特征在于，所述石墨蠕虫的体积大小为200目～500目。

3.如权利要求1所述的自修复燃料电池双极板，其特征在于，所述石墨鳞片的体积大小为500目～1500目。

4.如权利要求1所述的自修复燃料电池双极板，其特征在于，所述导电聚苯胺为α-磷酸锆/聚苯胺复合材料。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的自修复燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，按质量份数称取原料，将石墨蠕虫、石墨鳞片、导电聚苯胺、木质素/类玻璃高分子智能复合材料和补强材料混合为混合粉料；

步骤2，将步骤1得到的混合粉料加入到石墨板压合模具，将石墨板压合模具放入辊压设备进行辊压成型，辊压力为1800kg～2500kg；

步骤3，将步骤2辊压成型的石墨板放入200℃～250℃烘箱2h～4h，直至石墨板完全固化，得到自修复燃料电池双极板。

6.如权利要求5所述的自修复燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述步骤1，具体包括：

步骤11，将石墨蠕虫和石墨鳞片加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；

步骤12，将步骤11得到的混合粉料与导电聚苯胺加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；

步骤13，将步骤12得到的混合粉料与木质素/类玻璃高分子智能复合材料加入到干粉喷涂设备进行对喷混合；

步骤14，将步骤13得到的混合粉料与补强材料加入到干粉喷涂设备进行对喷混合。

7.如权利要求5所述的自修复燃料电池双极板的制备方法，其特征在于，所述辊压力为2000kg，烘箱温度为230℃。