一种石墨基复合双极板的制备方法与流程

1.本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种石墨基复合双极板的制备方法。


背景技术：

2.燃料电池利用燃料与氧气反应生成水的化学转化产生电能，膜电极单元作为燃料电池的核心组件，其由可传导质子的膜和分别设置在膜两侧的电极 (阳极和阴极)构成。此外，气体扩散层(gdl)可以设置在膜电极单元的两侧(即设置在电极远离膜的侧面上)。燃料电池一般由多个堆叠布置的膜电极单元构成，这些膜电极单元的电功率相互叠加。
3.燃料电池电堆由多片双极板与膜电极组装而成，结构为双极板、膜电极、双极板、膜电极
……
其中双极板是燃料电池电堆的主要部件，其成本占燃料电池电堆整体成本的40％以上。双极板起着分隔两电极反应物、支撑整个电池系统的重要作用。燃料电池电堆内部的微酸性环境对双极板材料的性能要求比较高，纯石墨材料的双极板制造及加工成本都很高，而且加工困难，易于破碎，很难批量生产；金属双极板的加工成本也很高，且寿命较短，长期在酸性环境下使用很容易被腐蚀。石墨基复合双极板因其加工条件及成本具有较大优势，应用潜力巨大，但是传统模压法制备石墨基复合双极板的成型效率低下，不适合连续化生产。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种石墨基复合双极板的制备方法。本发明可以极大地缩短模压工艺过程的时间，很好的提高生产效率，适合于连续化生产。
5.本发明实施例提供一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
6.(1)将60.0％
‑
90.0％石墨基体、5.0％
‑
30.0％树脂、0
‑
10.0％导电填充物以及0.1％
‑
3.0％偶联剂加入混炼机中，于100℃
‑
350℃进行混炼5
‑
30min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
7.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机中，于100℃
‑
350℃、转速30rpm
‑
60rpm挤出，得到预制板；
8.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于100℃
‑
350℃进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
9.步骤(1)中，
10.可选的，所述石墨基体、所述树脂、所述导电填充物及所述偶联剂的质量百分比优选为70.0％
‑
80.0％：10.0％
‑
25.0％：2.0％
‑
8.0％：0.1％
‑
3.0％。
11.可选的，所述石墨基体为膨胀石墨或鳞片石墨中的一种或至少两种的混合物。
12.可选的，所述树脂为聚亚苯基硫醚树脂(pps)、聚偏氟乙烯树脂(pvdf)、聚丙烯(pp)或聚酰亚胺树脂(pi)中的一种或至少两种的混合物。
13.可选的，所述导电填充物为炭黑、碳纤维或纳米碳管中的一种或至少两种的混合
物。
14.可选的，所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂或硅烷类偶联剂。偶联剂可以很好地提高界面的结合力，起到润湿的作用。
15.可选的，所述钛酸酯类偶联剂包括kr
‑
38s、kr
‑
tts、kr
‑
138s或 kr
‑
238s中的至少一种。
16.可选的，所述硅烷类偶联剂包括kh550、kh560、kh570、kh792、dl602 或dl171中的至少一种。
17.步骤(2)中，
18.可选的，步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接步骤(2)的螺杆挤出机的入料口。
19.步骤(3)中，
20.可选的，所述模压的压力为5mpa
‑
60mpa。
21.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过混炼机和螺杆挤出机对原材料进行处理并制备预制板，可以极大地缩短了模压工艺过程的时间，很好地提高了生产效率。混炼机的出料口连接螺杆挤出机的入料口，使得混炼后的混炼混合物可以直接送到螺杆挤出机制备预制板，实现了连续化生产。
22.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，做进一步说明。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
25.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
26.双极板起着分隔两电极反应物、支撑整个电池系统的重要作用。燃料电池电堆内部的微酸性环境对双极板材料的性能要求比较高，纯石墨材料的双极板制造及加工成本都很高，而且加工困难，易于破碎，很难批量生产；金属双极板的加工成本也很高，且寿命较短，长期在酸性环境下使用很容易被腐蚀。石墨基复合双极板因其加工条件及成本具有较大优势，应用潜力巨大，但是传统模压法制备石墨基复合双极板的成型效率低下，不适合连续化生产。
27.基于此，本技术提供了一种石墨基复合双极板的制备方法。本发明的成型效率高，
可以极大地缩短模压工艺过程的时间，很好的提高生产效率，适合于连续化生产。
28.本发明实施例提供一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
29.(1)将60.0％
‑
90.0％石墨基体、5.0％
‑
30.0％树脂、0
‑
10.0％导电填充物以及0.1％
‑
3.0％偶联剂加入混炼机中，于100℃
‑
350℃进行混炼5
‑
30min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
30.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机中，于100℃
‑
350℃、转速30rpm
‑
60rpm挤出，得到预制板；
31.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于100℃
‑
350℃进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
32.步骤(1)中，
33.可选的，所述石墨基体、所述树脂、所述导电填充物及所述偶联剂的质量百分比优选为70.0％
‑
80.0％：10.0％
‑
25.0％：2.0％
‑
8.0％：0.1％
‑
3.0％。
34.可选的，所述石墨基体为膨胀石墨或鳞片石墨中的一种或至少两种的混合物。
35.可选的，所述树脂为聚亚苯基硫醚树脂(pps)、聚偏氟乙烯树脂(pvdf)、聚丙烯(pp)或聚酰亚胺树脂(pi)中的一种或至少两种的混合物。
36.可选的，所述导电填充物为炭黑、碳纤维或纳米碳管中的一种或至少两种的混合物。
37.可选的，所述偶联剂为钛酸酯类偶联剂或硅烷类偶联剂。偶联剂可以很好地提高界面的结合力，起到润湿的作用。
38.可选的，所述钛酸酯类偶联剂包括kr
‑
38s、kr
‑
tts、kr
‑
138s或 kr
‑
238s中的至少一种。
39.可选的，所述硅烷类偶联剂包括kh550、kh560、kh570、kh792、dl602 或dl171中的至少一种。
40.步骤(2)中，
41.可选的，步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接步骤(2)的螺杆挤出机的入料口。
42.步骤(3)中，
43.可选的，所述模压的压力为5mpa
‑
60mpa。裁切可以根据实际使用的需要，裁切成使用需要的大小即可。
44.本发明通过混炼机和螺杆挤出机对原材料进行处理并制备预制板，可以极大地缩短了模压工艺过程的时间，很好地提高了生产效率。混炼机的出料口连接螺杆挤出机的入料口，使得混炼后的混炼混合物可以直接送到螺杆挤出机制备预制板，实现了连续化生产。
45.实施例1
46.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
47.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于350℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
48.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于350℃、转速30rpm 挤出，得到预制板；
49.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于350℃、压力5mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
50.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为250s/cm，抗弯强度为 70mpa。
51.实施例2
52.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
53.(1)将90.0％鳞片石墨、5.0％pvdf树脂、4.0％碳纤维导电填充物(以及1.0％硅烷类偶联剂kh550(加入混炼机中，于150℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
54.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于150℃、转速60rpm 挤出，得到预制板；
55.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于150℃、压力60mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
56.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为200s/cm，抗弯强度为 60mpa。
57.实施例3
58.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
59.(1)将70.0％膨胀石墨、20.0％聚丙烯(pp)、8.0％纳米碳管导电填充物以及2.0％钛酸酯类偶联剂kr
‑
tts加入混炼机中，于170℃进行混炼 30min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
60.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于170℃、转速50rpm 挤出，得到预制板；
61.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于170℃、压力50mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
62.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为400s/cm，机械强度为 60mpa。
63.实施例4
64.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
65.(1)将80.0％鳞片石墨、15.0％pi树脂、3.0％碳纤维导电填充物以及 2.0％硅烷类偶联剂dl602加入混炼机中，于300℃进行混炼30min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
66.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于300℃、转速45rpm 挤出，得到预制板；
67.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于300℃、压力45mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
68.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为200s/cm，机械强度为 70mpa。
69.实施例5
70.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
71.(1)将79.0％膨胀石墨、10.0％pps树脂、8.0％炭黑导电填充物以及 3.0％钛酸酯类偶联剂kr
‑
138s加入混炼机中，于350℃进行混炼25min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
72.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过
传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于350℃、转速40rpm 挤出，得到预制板；
73.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于350℃、压力40mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
74.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为600s/cm，机械强度为 50mpa。
75.实施例6
76.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
77.(1)将70.0％鳞片石墨、25.0％pvdf树脂、2.0％碳纤维导电填充物以及3.0％硅烷类偶联剂kh792加入混炼机中，于150℃进行混炼30min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
78.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于150℃、转速50rpm 挤出，得到预制板；
79.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于250℃、压力40mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
80.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为200s/cm，机械强度为 70mpa
81.实施例7
82.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
83.(1)将70.0％膨胀石墨、20.0％pi树脂、8.0％纳米碳管导电填充物以及 2.0％硅烷类偶联剂dl171加入混炼机中，于300℃进行混炼10min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
84.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于300℃、转速35rpm 挤出，得到预制板；
85.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于300℃、压力38mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
86.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为300s/cm，机械强度为 60mpa。
87.对比实施例1
88.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
89.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于60℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
90.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于60℃、转速30rpm挤出，得到预制板；
91.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于60℃、压力5mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
92.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为200s/cm，机械强度为 50mpa。
93.对比实施例2
94.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
95.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于500℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
96.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于500℃、转速30rpm 挤出，得到预制板；
97.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于500℃、压力5mpa进行模压，得到石墨基复合双极板。
98.由于实验温度过高使得树脂发生热分解，无法制得成型的石墨基复合双极板，机械强度低，电导率差。
99.对比实施例3
100.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
101.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于350℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
102.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于350℃、转速15rpm 挤出，得到预制板；
103.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于350℃、压力5mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
104.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为200s/cm，机械强度为 60mpa。
105.对比实施例4
106.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
107.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于350℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
108.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于350℃、转速80rpm 挤出，得到预制板；
109.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于350℃、压力5mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
110.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为200s/cm，机械强度为 60mpa。
111.对比实施例5
112.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
113.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于350℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
114.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于螺杆挤出机(步骤(1)中的混炼机的出料口通过传送带连接螺杆挤出机的入料口)中，于350℃、转速30rpm 挤出，得到预制板；
115.(3)将步骤(2)的预制板进行裁切，得到预制段板，将预制段板置于压制模具中，于350℃、压力85mpa进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
116.由于实验压力过大，超过一般压机的最大吨位，很难找到合适的压机，难于量产。
117.对比实施例6
118.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
119.(1)将60.0％膨胀石墨、30.0％pps树脂、9.9％炭黑导电填充物以及 0.1％钛酸酯
类偶联剂kr
‑
38s加入混炼机中，于350℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
120.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于压制模具中，于350℃、压力5mpa 进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
121.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为150s/cm，机械强度为 50mpa。
122.对比实施例7
123.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
124.(1)将90.0％鳞片石墨、5.0％pvdf树脂、4.0％碳纤维导电填充物(以及1.0％硅烷类偶联剂kh550(加入混炼机中，于150℃进行混炼20min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
125.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于压制模具中，于150℃、压力60mpa 进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
126.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为150s/cm，机械强度为 50mpa。
127.对比实施例8
128.一种石墨基复合双极板的制备方法，包括如下步骤：
129.(1)将70.0％膨胀石墨、20.0％聚丙烯(pp)、8.0％纳米碳管导电填充物以及2.0％钛酸酯类偶联剂kr
‑
tts加入混炼机中，于170℃进行混炼 30min，得到混炼混合物；所述百分比均为质量百分比；
130.(2)将步骤(1)的混炼混合物置于压制模具中，于170℃、压力50mpa 进行模压，得到带流道的石墨基复合双极板。
131.制备得到的带流道的石墨基复合双极板的电导率为350s/cm，机械强度为 50mpa。
132.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。