一种柔性石墨金属复合双极板的制备方法与流程

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种柔性石墨金属复合双极板的制备方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接将化学能转换成电能的发电装置，市场前景十分广阔。燃料电池具体可以分为质子交换膜燃料电池、高温固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池。随着新能源技术的不断发展，以氢气为主要燃料的质子交换膜燃料电池近年来已经成为研究的热点。由于其能量转换过程不必经过热机过程，因此能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率能够达到50％以上，而且其唯一产物是水，对环境十分友好。质子交换膜燃料电池的工作温度低、启动速度快、比功率高、工作寿命长，是理想的移动电源和独立电源装置，在交通工具、电子产品、国防军事和固定电站等领域具有广阔的市场前景。
3.质子交换膜燃料电池通常是由膜电极、双极板等部件交替堆叠而成，其中，双极板占到了燃料电池60％的总重量以及40％的成本。现有的双极板主要分为石墨双极板(硬石墨双极板和柔性石墨双极板)、复合材料双极板和金属双极板；其中，硬石墨双极板的制作程序复杂而严格，耗工费时，且该类型双极板质脆，缺乏韧性，批量使用难度较大；柔性石墨双极板厚度偏厚，一般成品板厚度约为2mm－3mm，导致燃料电池堆体积大，不利于电池体积比功率的提高；金属双极板耐腐蚀性能差，极板与膜电极的接触电阻大，通常需要进行表面涂层来提高极板的抗腐蚀能力和降低接触电阻，这会导致极板的成本上升，且进行表面涂层的金属双极板其耐腐蚀性与石墨双极板相比，依然有一定的差距，以金属双极板组装得到的燃料电池堆，寿命普遍在5000小时左右，而石墨双极板组装得到的燃料电池堆寿命普遍超过1.5万小时，金属双极板的寿命较短。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种能进行规模化生产，加工方便，加工效率高，且韧性好、机械强度高、导热性能好、密封性能好、厚度小、耐腐蚀和使用寿命长的柔性石墨金属复合双极板的制备方法及其制备方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种柔性石墨金属复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
6.s1：对金属极板进行冲压或等静压，金属极板设有多条向上凸起且间隔均匀布置的第一凸条，相邻两个第一凸条之间形成可供还原介质流通的还原流场，第一凸条上设有凹槽，凹槽和柔性石墨阴极板的上表面之间形成可供冷却剂流通的冷却剂流场；
7.s2：对步骤s1中得到的金属极板进行表面涂层处理，从而形成金属阳极板；
8.s3：制备柔性石墨阴极板，柔性石墨阴极板上设有多条向下凸起且间隔均匀布置的第二凸条，相邻两个第二凸条之间形成可供氧化介质流通的氧化流场；
9.s4：采用极板连接工艺，将金属阳极板和柔性石墨阴极板进行粘接固化处理，从而完成柔性石墨金属复合双极板的制备方法的制备。
10.作为本发明优选的方案，步骤s2中表面涂层处理是采用化学镀、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种或两种以上处理方法进行处理。
11.作为本发明优选的方案，所述金属阳极板的涂层材料为碳、氮、铬、钛、金、铂、钯、铁、镍、铑、辽中的一种或两种。
12.作为本发明优选的方案，步骤s3中制备柔性石墨阴极板的具体步骤：采用柔性石墨粉与树脂、引发剂和固化剂进行干混或湿混形成胚料，将混合均匀的胚料放入模压模具中进行热压处理，从而形成柔性石墨阴极板。
13.作为本发明优选的方案，步骤s3中制备柔性石墨阴极板的具体步骤：将石墨极板放入模压模具中进行模压，将模压后的石墨极板依次进行真空浸渍树脂处理和加热固化，从而形成柔性石墨阴极板。
14.作为本发明优选的方案，所述金属阳极板的材质为不锈钢、铜、铝、钛、镁或镍中的一种或多种。
15.作为本发明优选的方案，所述还原流场流通的还原介质为氢气，所述氧化流场流通的氧化介质为空气。
16.作为本发明优选的方案，所述柔性石墨板密度为0.05g/cm3－3.0g/cm3。
17.作为本发明优选的方案，所述金属阳极板的厚度为0.1mm－2.0mm。
18.作为本发明优选的方案，所述柔性石墨板的厚度为0.5mm－2.0mm。
19.本发明实施例一种柔性石墨金属复合双极板的制备方法与现有技术相比，其有益效果在于：
20.由于金属阳极板具有导电性能好、导热性能好、机械强度高和阻气性能好的特性，同时具有厚度小的优点，能采用冲压或等静压的方式进行规模化生产；柔性石墨极板具有高导电性和耐腐蚀性的特性，同时具有一定的韧性，能采用模压的方式可以规模化生产，故本发明通过金属阳极板和柔性石墨阴极板的有机结合，既能保证提供柔性石墨金属复合双极板的制备方法的韧性和机械强度，还能大大降低柔性石墨金属复合双极板的制备方法的厚度，提高电堆的体积比功率密度，又能避免空气和高电位对金属阳极板的腐蚀，耐腐蚀性能好，使用寿命长，且还能进行规模化生产，加工方便，加工效率高；同时，本发明通过金属阳极板和柔性石墨阴极板的结构设置，使氧化介质、还原介质和冷却液分别独立通过流场进行流通，能有效地阻止氧化介质和还原介质或者冷却液混合，柔性石墨金属复合双极板的制备方法具有良好的导热性能和密封性能，确保电池组的有效冷却同时防止冷却液外泄干扰电池组工作。
附图说明
21.图1是本发明实施例提供的一种柔性石墨金属复合双极板的制备方法的结构示意图；
22.图中，1、金属阳极板；11、第一凸条；2、柔性石墨阴极板；21、第二凸条；3、还原流场；4、冷却剂流场；5、氧化流场。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
24.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
25.如图1所示，本发明提供的一种柔性石墨金属复合双极板的制备方法的优选实施例，包括如下步骤：
26.s1：对金属极板进行冲压或等静压，金属极板设有多条向上凸起且间隔均匀布置的第一凸条11，相邻两个第一凸条11之间形成可供还原介质流通的还原流场3，第一凸条11上设有凹槽，凹槽和柔性石墨阴极板2的上表面之间形成可供冷却剂流通的冷却剂流场4；
27.s2：对步骤s1中得到的金属极板进行表面涂层处理，从而形成金属阳极板1；其中，表面涂层处理是采用化学镀、电镀、物理气相沉积、化学气相沉积中的一种或两种以上处理方法进行处理；
28.s3：制备柔性石墨阴极板2，柔性石墨阴极板2上设有多条向下凸起且间隔均匀布置的第二凸条21，相邻两个第二凸条21之间形成可供氧化介质流通的氧化流场5；
29.s4：采用极板连接工艺，将金属阳极板1和柔性石墨阴极板2进行粘接固化处理，从而完成柔性石墨金属复合双极板的制备方法的制备；其中，为了保证双极板的连接强度，所述金属阳极板1和柔性石墨阴极板2之间的粘接是连续式粘接。
30.由此，由于金属阳极板1具有导电性能好、导热性能好、机械强度高和阻气性能好的特性，同时具有厚度小的优点，能采用冲压的方式进行规模化生产；柔性石墨极板具有高导电性和耐腐蚀性的特性，同时具有一定的韧性，能采用模压的方式可以规模化生产，故本发明通过金属阳极板1和柔性石墨阴极板2的有机结合，既能保证提供柔性石墨金属复合双极板的制备方法的韧性和机械强度，还能大大降低柔性石墨金属复合双极板的制备方法的厚度，提高电堆的体积比功率密度，又能避免空气和高电位对金属阳极板1的腐蚀，耐腐蚀性能好，使用寿命长，且还能进行规模化生产，加工方便，加工效率高；同时，本发明通过金属阳极板1和柔性石墨阴极板2的结构设置，使氧化介质、还原介质和冷却液分别独立通过流场进行流通，能有效地阻止氧化介质和还原介质或者冷却液混合，柔性石墨金属复合双极板的制备方法具有良好的导热性能和密封性能，确保电池组的有效冷却同时防止冷却液外泄干扰电池组工作。
31.示例性的，柔性石墨阴极板2的制备步骤，包括但不限于如下两种实施形式：
32.实施形式一、采用柔性石墨粉与树脂、引发剂和固化剂进行干混或湿混形成胚料，将混合均匀的胚料放入模压模具中进行热压处理，从而形成柔性石墨阴极板2；
33.实施形式二、将石墨极板放入模压模具中进行模压，将模压后的石墨极板依次进行真空浸渍树脂处理和加热固化，从而形成柔性石墨阴极板2，能实现柔性石墨阴极板2的批量生产。
34.示例性的，所述的金属阳极板的涂层材料为碳、氮、铬、钛、金、铂、钯、铁、镍、铑、钌中的一种或两种；所述金属阳极板的材质为不锈钢、铜、铝、钛、镁或镍中的一种或多种；所述还原流场3流通的还原介质为氢气；所述氧化流场5流通的氧化介质为空气；所述柔性石墨板的厚度为0.5mm－2.0mm，优选的，所述柔性石墨板的厚度为0.85mm。
35.示例性的，为了避免出现由于密度过小不能成型，密度过大无法模压的现象，所述柔性石墨板密度为0.05g/cm3－3.0g/cm3，优选的，所述柔性石墨板密度为1.5g/cm3。
36.示例性的，为了避免出现厚度过小太软，过大太硬，无法冲压成型的现象，所述金属阳极板11的厚度为0.1mm－2.0mm，优选的，所述金属阳极板11的厚度为0.65mm。
37.在本发明的描述中，应当理解的是，除非另有明确的规定和限定，本发明中采用术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。