CN118588961A

CN118588961A - 双极板及其制备方法、燃料电池

Info

Publication number: CN118588961A
Application number: CN202410754725.3A
Authority: CN
Inventors: 孙宗华
Original assignee: FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Current assignee: FAW Jiefang Automotive Co Ltd
Priority date: 2024-06-12
Filing date: 2024-06-12
Publication date: 2024-09-03

Abstract

本申请涉及一种双极板及其制备方法、燃料电池，包括以下步骤：将导电碳和树脂材料混合并进行压制处理，制备预制板；将所述预制板依次进行第一红外感应加热处理和成型处理，制备双极板；在所述第一红外感应加热处理过程中，所述第一红外感应加热处理的功率为1kw~10kw，所述第一红外感应加热处理的温度为120℃~250℃。本申请上述双极板的制备方法，通过控制红外感应加热功率使预制板达到特定温度，同时控制预制板相对于第一红外感应加热处理的热源的移动速度使制得的双极板红外感应加热均匀，能够避免出现受热表面裂纹的现象，兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和导电效果。

Description

双极板及其制备方法、燃料电池

技术领域

本申请涉及电池领域，特别是涉及一种双极板及其制备方法、燃料电池。

背景技术

燃料电池因其无污染、理论能量转化率高达100%、不受卡诺循环限制等优点，已经成为继火电、水电和核电之后的第四代发电技术，目前已在航空、汽车等领域有广泛的应用。

双极板是质子交换膜燃料电池的关键部件之一。传统技术手段是将石墨与树脂材料进行混合后，输送至模具内部进行加热直至树脂融化，待模具完全冷却后树脂材料也随之冷却，形成结构强度稳定的极板成品。但是上述方法存在其他问题，例如极板成型时间过长以及极板材料在模具内受热不均等缺陷。

由此，传统技术仍有待进一步改进。

发明内容

基于此，有必要提供一种双极板及其制备方法、燃料电池，该制备方法能够使得双极板内外受热均匀，并兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和良好导电效果。

本申请是通过如下的技术方案实现的：

本申请的一方面提供了一种双极板的制备方法，包括以下步骤：

将导电碳和树脂材料混合并进行压制处理，制备预制板；

将所述预制板依次进行第一红外感应加热处理和成型处理，制备双极板；

在所述第一红外感应加热处理过程中，所述第一红外感应加热处理的功率为1kw~10kw，所述第一红外感应加热处理的温度为120℃~250℃。

本申请上述双极板的制备方法，通过将导电碳和树脂材料混合并进行压制处理，制备预制板，将预制板依次进行第一红外感应加热处理和成型处理，利用红外感应加热处理能够使得双极板内外受热均匀，其中，红外感应加热的热传递速度快，不通过介质，因而大大减少了热能传递过程中的损失，从而提高了热能利用率，与此同时，通过控制红外感应加热功率使预制板达到特定温度，使制得的双极板红外感应加热均匀，能够降低出现受热表面裂纹的几率，获得兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和导电效果的双极板。

在其中一些实施例中，所述预制板相对于所述第一红外感应加热处理的热源的移动速度为0.5m/min~2m/min。

在其中一些实施例中，在所述成型处理的步骤之后，还包括如下步骤：

对所述成型处理后的产物进行第二红外感应加热处理；

在所述第二红外感应加热处理的过程中，控制所述第二红外感应加热处理的功率在2kw~0.1kw之间进行线性递减、所述成型处理后的产物相对于所述第二红外感应加热处理的热源的移动速度为0.5m/min~2m/min，使得所述第二红外感应加热处理后的产物的温度冷却至25℃~28℃。

在其中一些实施例中，所述成型处理采用热轧成型，温度为120℃~250℃。

在其中一些实施例中，所述导电碳包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨和天然鳞片石墨中的一种或多种；和/或

所述树脂材料包括酚醛树脂、聚酯树脂、聚四氟乙烯和环氧树脂中的一种或多种。

在其中一些实施例中，所述导电碳包括炭黑、碳纤维、石墨烯和天然鳞片石墨，以所述导电碳的总质量为基准，所述炭黑的质量占比为10%~25%，所述碳纤维的质量占比为10%~20%，所述石墨烯的质量占比为20%~30%，所述天然鳞片石墨的质量占比为20%~40%；或

所述导电碳包括碳纳米管、碳纤维、石墨烯和膨胀石墨，以所述导电碳的总质量为基准，所述碳纳米管的质量占比为20%~30%，所述碳纤维的质量占比为10%~20%，所述石墨烯的质量占比为20%~30%，所述膨胀石墨的质量占比为20%~40%。

在其中一些实施例中，所述树脂材料包括酚醛树脂和环氧树脂，以所述树脂材料的总质量为基准，所述酚醛树脂的质量占比为30%~50%，所述环氧树脂的质量占比为50%~70%；或

所述树脂材料包括聚酯树脂和聚四氟乙烯，以所述树脂材料的总质量为基准，所述聚酯树脂的质量占比为30%~50%，所述环氧树脂的质量占比为50%~70%。

在其中一些实施例中，所述导电碳和所述树脂材料的质量比为（1~3）：1；和/或

所述压制处理的压力为30吨/m²~100吨/m²。

本申请另一方面还提供一种双极板，采用上述的双极板的制备方法制得。

本申请另一方面还提供一种燃料电池，所述燃料电池包括采用上述的双极板的制备方法制得的双极板或上述的双极板。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将对本申请进行更全面的描述，给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。

下面结合一些实施方式和实施例对本申请的实施做详细的说明。本实施例在以本申请的技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本申请的保护范围不限于下述的实施例。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

术语

除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：

本申请中，涉及“多个”、“多种”等，如无特别限定，指在数量上大于2或等于2。例如，“一种或多种”表示一种或大于等于两种。

本申请中，“进一步”、“特别”等用于描述目的，表示内容上的差异，但并不应理解为对本申请保护范围的限制。

本申请中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。

本申请中，涉及到数值区间（也即数值范围），如无特别说明，该数值区间内可选的数值的分布视为连续，且包括该数值区间的两个数值端点（即最小值及最大值），以及这两个数值端点之间的每一个数值。如无特别说明，当数值区间仅仅指向该数值区间内的整数时，包括该数值范围的两个端点整数，以及两个端点之间的每一个整数，相当于直接列举了每一个整数。当提供多个数值范围描述特征或特性时，可以合并这些数值范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之数值范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。该数值区间中的“数值”可以为任意的定量值，比如数字、百分比、比例等。“数值区间”允许广义地包括百分比区间，比例区间，比值区间等数值区间类型。

本申请中，术语“室温”一般指4℃～35℃，较佳地指20℃±5℃。在本申请的一些实施例中，室温是指20℃～30℃。

本申请中，如无特别限定，温度参数既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内存在变动。应当理解的是，所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。允许在如±5℃、±4℃、±3℃、±2℃、±1℃的范围内波动。

在本申请中，涉及数据范围的单位，如果仅在右端点后带有单位，则表示左端点和右端点的单位是相同的。比如，2～5h表示左端点“2”和右端点“5”的单位都是h（小时）。

如背景技术所示，传统技术中，制备双极板的过程中极板材料在模具内容易出现受热不均的问题，此外，磁感应自热双极板加工方法通过将膨胀石墨、树脂材料以及金属粉末进行充分混合，混合料经多次辊压后形成疏松极板制品，随后在真空环境内进行磁感应加热达到制备温度后并进行辊压。该方法实用性强，但是由于磁感应加热的原理要求石墨极板内部必须填充金属粉末，这会导致金属材料与石墨材料间存在接触电阻；另外，金属粉末也会削弱石墨材料之间的联结性，破坏到极板内部的导电性及结构完整性。

基于此，申请人在经过大量的创造性实验研究后使得本申请中双极板通过均匀的红外感应加热，能够降低出现受热表面裂纹的几率，兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和导电效果。

本申请一实施方式提供了一种双极板的制备方法，包括步骤S10~步骤S20。

步骤S10：将导电碳和树脂材料混合并进行压制处理，制备预制板。

在其中一些实施例中，导电碳包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨和天然鳞片石墨中的一种或多种。

在其中一些实施例中，上述导电碳的粒度为1000目~2000目。

在其中一些实施例中，上述导电碳包括炭黑、碳纤维、石墨烯和天然鳞片石墨，以上述导电碳的总质量为基准，上述炭黑的质量占比为10%~25%，所述碳纤维的质量占比为10%~20%，所述石墨烯的质量占比为20%~30%，所述天然鳞片石墨的质量占比为20%~40%。

在另一些实施例中，上述导电碳包括碳纳米管、碳纤维、石墨烯和膨胀石墨，以上述导电碳的总质量为基准，上述碳纳米管的质量占比为20%~30%，所述碳纤维的质量占比为10%~20%，所述石墨烯的质量占比为20%~30%，所述膨胀石墨的质量占比为20%~40%。

在其中一些实施例中，上述树脂材料包括酚醛树脂、聚酯树脂、聚四氟乙烯和环氧树脂中的一种或多种。

在其中一些实施例中，上述树脂材料的粒度为1000目~2000目。

在其中一些实施例中，上述树脂材料包括酚醛树脂和环氧树脂，以上述树脂材料的总质量为基准，上述酚醛树脂的质量占比为30%~50%，所述环氧树脂的质量占比为50%~70%。

在另一些实施例中，上述树脂材料包括聚酯树脂和聚四氟乙烯，以上述树脂材料的总质量为基准，上述聚酯树脂的质量占比为30%~50%，所述聚四氟乙烯的质量占比为50%~70%。

在其中一些实施例中，上述导电碳和上述树脂材料的质量比为（1~3）：1。

在其中一些实施例中，上述压制处理的压力为30吨/m²~100吨/m²。

步骤S20：将上述预制板依次进行第一红外感应加热处理和成型处理，制备双极板；在上述第一红外感应加热处理过程中，上述第一红外感应加热处理的功率为1kw~10kw，上述第一红外感应加热处理的温度为120℃~250℃。

在其中一些实施例中，上述预制板相对于上述第一红外感应加热处理的热源的移动速度为0.5m/min~2m/min。

可理解，上述移动速度是指预制板相对于热源（固定不动）的移动速度，如果预制板不动，移动热源也是一样；上述移动速度能够改变预制板受热时间进而影响预制板的温度，一定移动速度下红外感应加热能够使得预制板内外受热均匀，进一步降低出现受热表面裂纹的几率。

在其中一些实施例中给，上述第一红外感应加热方式为中波灯管加热，灯管形状为直型或者U型。

可理解，红外感应加热是当发射的远红外线波长和被加热物体的吸收波长一致时，被加热的物体大量吸收远红外线，使得物体内部分子和原子发生“共振”，产生强烈的振动、旋转，而振动和旋转使物体温度升高，从而达到加热目的。红外感应加热的传递速度快，又不通过任何介质，因而大大减少了热能传递过程中的损失，从而提高了热能利用率。

需要说明的是，功率的取值范围为“1kw~10kw”即可取1kw~10kw的范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值：1 kw、2 kw、3 kw、4 kw、5 kw、6 kw、7 kw、8 kw、9 kw或者10 kw；或这些数值中任意两个组成的范围，作为示例，包括：1kw~8kw。

红外感应加热处理的温度的取值范围为“120℃~250℃”即可取120℃~250℃的范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值：120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃、150℃、155℃、160℃、165℃、170℃、175℃、180℃、185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃、220℃、225℃、230℃、235℃、240℃、245℃、250℃；或这些数值中任意两个组成的范围，作为示例，包括：130℃~200℃。

移动速度的取值范围为“0.5m/min~2m/min”即可取0.5m/min~2m/min的范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值：0.5 m/min、0.6 m/min、0.7 m/min、0.8 m/min、0.9 m/min、1 m/min、1.1 m/min、1.2 m/min、1.3 m/min、1.4 m/min、1.5 m/min、1.6 m/min、1.7 m/min、1.8 m/min、1.9 m/min或者2 m/min；或这些数值中任意两个组成的范围，作为示例，包括：0.5 m/min ~1.5 m/min。

本申请上述双极板的制备方法，通过将导电碳和树脂材料混合并进行压制处理，制备预制板，将预制板依次进行第一红外感应加热处理和成型处理，利用红外感应加热处理能够使得双极板内外受热均匀，其中，红外感应加热的热传递速度快，不通过介质，因而大大减少了热能传递过程中的损失，从而提高了热能利用率，与此同时，通过控制红外感应加热功率使预制板达到特定温度，并调控预制板相对于第一红外感应加热处理的热源的移动速度，即控制预制板的受热时间，使制得的双极板加热均匀，能够降低出现受热表面裂纹的几率，获得兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和导电效果的双极板。

在其中一些实施例中，上述成型处理采用热轧成型，温度为120℃~250℃。

在其中一些实施例中，在上述成型处理的步骤之后，还包括如下步骤：对上述成型处理后的产物进行第二红外感应加热处理；在上述第二红外感应加热处理的过程中，控制上述第二红外感应加热处理的功率在2kw~0.1kw之间进行线性递减、上述成型处理后的产物相对于上述第二红外感应加热处理的热源的移动速度为0.5m/min~2m/min，使得上述第二红外感应加热处理后的产物的温度冷却至25℃~28℃。

可理解，线性递减的规律为根据实际第二红外感应加热线长度，每隔0.5m功率下降某一定值，直至功率由2kw至0.1kw均匀分布；加热功率下降即加热强度下降，第二红外感应加热引起的产物增加的热量小于产物因温度差（即成型处理达到的温度与室温之间的温差）损失的热量，导致整体产物的温度下降，从而冷却。

如此，意味着冷却过程也是均匀冷却，并不是直接空冷，能够避减少温差过大导致材料出现暗纹的几率。

本申请在双极板成型过程中，模具始终保持恒热状态无需冷却，一方面能够提升制造速度，另一方面延长模具使用寿命。本申请在双极板成型结束后，极板经过具有温度梯度的红外线灯管能够避免温差过大导致材料出现暗纹的现象。

需要说明的是，功率的取值范围为“2kw~0.1kw”即可取2kw~0.1kw的范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。具体示例包括但不限于实施例中的点值及以下点值：2 kw、1.9 kw、1.8 kw、1.7 kw、1.6 kw、1.5 kw、1.4 kw、1.3 kw、1.2 kw、1.1 kw、1 kw、0.9 kw、0.8 kw、0.7 kw、0.6 kw、0.5 kw、0.4 kw、0.3 kw、0.2 kw或者0.1kw；；或这些数值中任意两个组成的范围，作为示例，包括：1kw~0.1kw。

本申请一实施方式还提供了一种双极板，采用上述的双极板的制备方法制得。

本申请双极板抗弯强度提升至40-55MPa，拉伸强度为30-40MPa，电导率为320-400S/cm。

本申请一实施方式还提供了一种燃料电池，上述燃料电池包括采用上述的双极板的制备方法制得的双极板或上述的双极板。

燃料电池的结构包括膜电极、电解质隔膜和外部电路。

上述燃料电池包含上述双极板，兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和良好导电效果，能够满足产品的实际应用。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加简洁明了，本申请用以下具体实施例进行说明，但本申请绝非仅限于这些实施例。以下所描述的实施例仅为本申请较好的实施例，可用于描述本申请，不能理解为对本申请的范围的限制。应当指出的是，凡在本申请的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

为了更好地说明本申请，下面结合实施例对本申请内容作进一步说明。

下面结合具体实施例对本申请作进一步说明，但不应将其理解为对本申请保护范围的限制。

实施例1

步骤1、将干燥的导电碳在球磨机中进行低速研磨混合，获得均匀的导电碳混合粉末；其中以导电碳混合粉末的总质量为基准，炭黑占总质量的25%，碳纤维占总质量的15%，石墨烯占总质量的20%，天然鳞片石墨占总质量的40%；上述导电碳混合粉末粒度为1800目。

步骤2、将树脂材料颗粒在球磨机中进行低速研磨混合，获得均匀的树脂材料混合粉末；其中以树脂材料混合粉末的总质量为基准，酚醛树脂占总质量的40%，环氧树脂占总质量的60%；上述树脂材料混合粉末粒度为1800目。

步骤3、将上述导电碳混合粉末与上述树脂材料粉末（质量比为1.5：1）在机械搅拌器内充分混合，制得石墨极板混合料。

步骤4、将极板混合料在60吨压力下辊压，制备预制板，上述预制板厚度为7mm。

步骤5、利用第一红外感应加热处理使预制板达到制备温度；第一红外感应加热的热源为：中波灯管加热，灯管形状为直型，灯管加热功率为5kw；第一红外感应线总长度为2m，预制板以1m/min的移动速率相对于热源的移动传送；被加热后的预制板温度为150℃。

步骤6、采用液压机150℃热辊轧被加热的预制板制备得到双极板，成型过程中启动真空机保持环境为真空状态，真空度为-99kPa。

步骤7、将成型好后的极板传输至线性温控红外加热线，第二红外感应加热的热源为中波灯管加热，灯管形状为直型，灯管加热功率为每间隔0.5m下降0.27kw线性递减；第二红外感应线总长为4 m，预制板以1m/min的移动速率相对于热源的移动传送，双极板冷却至室温25℃；整个过程中启动真空机保持环境为真空状态，真空度为-99kPa。

本实施例制备得到的双极板厚度为1mm。根据GB/T 20042.6-2011 质子交换膜燃料电池第6部分双极板特性研究方法所测试抗弯强度保持在43兆帕，抗拉强度保持在34兆帕，电导率为350S/cm。

实施例2

步骤1、将干燥的导电碳在球磨机中进行低速研磨混合，获得均匀的导电碳混合粉末；其中以导电碳混合粉末的总质量为基准，碳纳米管占总质量的20%，碳纤维占总质量的20%，石墨烯占总质量的20%，膨胀石墨占总质量的40%，上述导电碳混合粉末粒度为2000目；

步骤2、将树脂材料颗粒在球磨机中进行低速研磨混合，获得均匀的树脂材料混合粉末；其中以树脂材料混合粉末的总质量为基准，聚酯树脂占总质量的40%，聚四氟乙烯占总质量的60%；上述树脂材料混合粉末粒度为2000目；

步骤3、将导电碳混合粉末与树脂材料粉末（质量比为2：1）在机械搅拌器内充分混合，制得极板混合料。

步骤5、利用第一红外感应加热处理使预制板达到制备温度；第一红外感应加热条件为中波灯管加热的热源为：灯管形状为U型，灯管加热功率为4kw，第一红外感应线总长度为2 m，预制板以1m/min的移动速率相对于热源的移动传送；被加热后的预制板温度为170℃。

步骤6、采用液压机170℃热辊轧被加热的预制石墨板制备得到双极板，成型过程中启动真空机保持环境为真空状态，真空度为-99kPa。

步骤7、将成型好后的极板传输至线性温控红外加热线，第二红外感应加热的热源为中波灯管加热，灯管形状为直型，灯管加热功率为2-0.1kw线性递减，第二红外感应线总长为4 m，预制板以0.9 m/min的移动速率相对于热源的移动传送，双极板线性冷却至室温25℃；整个过程中启动真空机保持环境为真空状态，真空度为-99kPa。

本实施例制备得到的双极板厚度为1mm。根据GB/T 20042.6-2011 质子交换膜燃料电池第6部分双极板特性研究方法所测试抗弯强度保持在45兆帕，抗拉强度保持在36兆帕，电导率为360S/cm。

实施例3~6

实施例3~6与实施例1的双极板的制备方法基本相同，不同之处仅在于表1中的参数。

其他条件及参数与实施例1相同，具体测试结果请见表1。

对比例1~2

对比例1~2与实施例1的双极板的制备方法基本相同，不同之处仅在于表1中的参数。

其他条件及参数与实施例1相同，具体测试结果请见表1。

表1

综上分析，采用本申请中的双极板的制备方法制备双极板时，采用红外感应加热，能够降低出现受热表面裂纹的几率，使双极板兼具有高抗弯强度、高拉伸强度和导电效果，其中，抗弯强度提升至40-55MPa，拉伸强度为30-40MPa，电导率为320-400S/cm，能够满足产品的实际应用。

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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将导电碳和树脂材料混合并进行压制处理，制备预制板；

2.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述预制板相对于所述第一红外感应加热处理的热源的移动速度为0.5m/min~2m/min。

3.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于，在所述成型处理的步骤之后，还包括如下步骤：

对所述成型处理后的产物进行第二红外感应加热处理；

4.根据权利要求1所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述成型处理采用热轧成型，温度为120℃~250℃。

5.根据权利要求1~4任一项所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述导电碳包括炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨和天然鳞片石墨中的一种或多种；和/或

6.根据权利要求1~4任一项所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述导电碳包括炭黑、碳纤维、石墨烯和天然鳞片石墨，以所述导电碳的总质量为基准，所述炭黑的质量占比为10%~25%，所述碳纤维的质量占比为10%~20%，所述石墨烯的质量占比为20%~30%，所述天然鳞片石墨的质量占比为20%~40%；或

7.根据权利要求1~4任一项所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述树脂材料包括酚醛树脂和环氧树脂，以所述树脂材料的总质量为基准，所述酚醛树脂的质量占比为30%~50%，所述环氧树脂的质量占比为50%~70%；或

所述树脂材料包括聚酯树脂和聚四氟乙烯，以所述树脂材料的总质量为基准，所述聚酯树脂的质量占比为30%~50%，所述聚四氟乙烯的质量占比为50%~70%。

8.根据权利要求1~4任一项所述的双极板的制备方法，其特征在于，所述导电碳和所述树脂材料的质量比为（1~3）：1；和/或

所述压制处理的压力为30吨/m²~100吨/m²。

9.一种双极板，其特征在于，采用如权利要求1~8任一项所述的双极板的制备方法制得。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括采用如权利要求1~8任一项所述的双极板的制备方法制得的双极板或权利要求9所述的双极板。