一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法与流程

技术特征：
1.一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：步骤一、将环氧树脂、固化剂和导电助剂通过干混的方法进行充分混合分散，得到预混料；步骤二、将膨胀石墨加入均匀的树脂和导电助剂预混料中，通过干法球磨进行充分混合分散，分别制备亲水改性石墨/树脂/导电助剂复合材料、疏水改性石墨/树脂/导电助剂复合材料以及未改性石墨/树脂/导电助剂复合材料；复合材料中各原料占比为：膨胀石墨60-90重量份，环氧树脂5-36重量份，固化剂0.5-4重量份，导电助剂1-10重量份；膨胀石墨重量份≥60，环氧树脂重量份≥5；膨胀石墨分为亲水改性石墨、疏水改性石墨和未改性膨胀石墨，其中亲水改性石墨、疏水改性石墨分别占膨胀石墨重量比为15～25％；使双极板亲疏水侧厚度分别为双极板总厚度的10～20％，以利于流场加工，并具备良好的导电性。步骤三、依次在专用模具的下模套内的第一下模堵板上将亲水改性石墨/树脂/导电助剂复合材料、未改性石墨/树脂/导电助剂复合材料和疏水改性石墨/树脂/导电助剂复合材料均匀铺放，缓慢平稳放入第一上模压轴，合模后开始进行抽真空排气预压，形成高密度预制板，预制板密度≥1.5g/cm3；所述专用模具包括下模套、第一下模堵板、第二下模堵板、下模垫板、第一上模压轴、第二上模压轴、组合垫片、上模压板、上模垫板。下模套深度满足所设计放入材料的总体高度，在压机作用下，上模压板带动上模压轴对物料进行下压，当上模压板和模具腔上沿紧密贴合时，上模压轴和下模堵板在压力作用下将物料压成固定厚度的预制板，从而保证预制板的批次稳定性；在上模压板和模具腔之间设置组合垫片，专用模具可通过增减垫片高度的方式制备不同厚度的预制板；步骤四、将步骤三中两侧光滑的第一下模堵板更换为接触材料一侧带有阳极流道和亲水微纳结构反向结构的第二下模堵板，将步骤三中两侧光滑的第一上模压轴更换为接触材料一侧带有阴极流道和疏水微纳结构反向结构的第二上模压轴。第一下模堵板和第二下模堵板形状高度一致，仅接触材料一侧表面结构不同，第一上模压轴和第二上模压轴形状高度一致，仅接触材料一侧表面结构不同，以保证双极板模压过程中的稳定性。继续升温模压，180℃以上保温固化成型，一次性获得阴阳极板表面不对称亲疏水自增湿复合双极板；特别地，升温模压的模压压力≥15mpa，并采取阶段保压，模压工艺为：在60～80℃抽真空保温保压≥30min后泄压，待温度升至100～120℃时，抽真空保温≥60min，然后加压待温度升至130～150℃时，抽真空保温保压≥30min，保持加压状态至温度升至180℃～200℃后，抽真空保温保压≥2小时，随后带压冷却至60℃以下温度进行脱模。在第二上模压轴和第二下模堵板还分别加工具有疏水和亲水微纳结构的反向结构。2.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于：步骤二中干法球磨混料转速不高于50r/min，时间24～72小时。3.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于：步骤三预制板压制过程中最大压力不低于15mpa，阶段保压时间不少于5分钟，以充分排气并使大体积物料稳定压实。4.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方
法，其特征在于：所述亲水改性石墨的制备方法为在膨胀石墨中加入亲水导电填料mxene、亲水性碳纳米管、亲水性炭黑中的一种或多种，亲水导电填料占膨胀石墨重量比为5～20％，采用干法低速球磨混料方式，球磨转速不高于50r/min，时间8～24小时，在亲水改性的同时保证材料的导电性能。5.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于：所述疏水改性石墨的制备方法为：将硅烷偶联剂和可膨胀石墨在溶剂中反应，可膨胀石墨与硅烷偶联剂的重量比为1：(0.05～0.1)，所用溶剂为水、甲醇、乙醇中的一种或多种。将反应后的可膨胀石墨在真空下低温膨胀得到疏水膨胀石墨，膨胀温度≤200℃。所使用硅烷偶联剂为乙烯基-三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷、γ―(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于，所述亲水表面接触角为36～60
°
，所述疏水表面接触角为130～170
°
。7.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于，所用环氧树脂为一种热固性粉末树脂，所使用树脂牌号为der 671、der 662e、der 663u、der 664ue、der 667-20、der 669e中的一种或多种。8.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于，所述环氧树脂固化剂为amanda115p、sh-200、810、g-328中的一种或多种。9.根据权利要求1所述的一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，其特征在于，所述导电助剂为导电炭黑、导电炭纤维、鳞片石墨、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。

技术总结
本发明属于燃料电池技术领域，公开了一体化成型阴阳极板表面不对称亲疏水复合双极板的制备方法，通过对复合双极板主体材料膨胀石墨分别进行亲、疏水改性，在专用模具中将亲水改性膨胀石墨/树脂/导电助剂复合材料、未改性石墨/树脂/导电助剂复合材料和疏水改性石墨/树脂/导电助剂复合材料依次铺层，利用带有流场和亲疏水微纳结构的模具通过模压一次成型制备同时具有亲水阳极表面和疏水阴极表面的双极板，利用两侧化学势差增强电池反应产物水在膜电极中的背扩散作用，促使电池中水分布趋于自平衡状态，简化电池加湿辅助配件，提高电池效能，降低成本。降低成本。降低成本。


技术研发人员：王晨 彭思侃 燕绍九
受保护的技术使用者：中国航发北京航空材料研究院
技术研发日：2022.10.28
技术公布日：2023/2/3