[发明专利]用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺

说明书

本发明公开了用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，采用了“机械筛分+气流分级+机械粉碎+气流分级”的组合工艺，解决了插层反应后石墨原料团聚问题和石墨原料粒度分布过宽而导致的与原料利用率低的问题。采用浓硫酸作为插层剂，双氧水作为氧化剂，可以减少对环境和产品使用的危害。采用高温分级气料分离装置对膨化后的物料进行气料分离，减少有害元素如硫元素等附着在物料上，对后续工艺产生影响。采用橡胶浇铸模具压制特殊表面结构，便于后续工艺压制成型微细气体流道。采用数控高精度锯片和负压除屑的组合，在切割过程中尺寸控制精确，并对切割后的石墨屑进行负压除屑，解决了尺寸精度要求高，石墨蠕虫以粘附的问题。

技术领域

本发明涉及燃料电池双极板制备技术领域，尤其是涉及用于氢燃料电池的柔性石墨双极板制造工艺。

背景技术

在节能环保的大背景下，清洁、可持续发展能源成为我们重点发展的能源技术。燃料电池由于其发电效率高、环境污染少等诸多优点，逐渐应用于航空航天、电动汽车等领域，具有广泛的应用前景。氢燃料电池是燃料电池的一种，由于其原料是氢气，产物是水和二氧化碳，不存在环境污染的问题而逐渐受到关注。氢燃料电池的核心部件之一是双极板。双极板是由两块电极板，中间夹着质子交换膜组成，其中电极板起着支撑氧化剂与还原剂并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的作用。氢气和氧气的氧化还原反应就是在整个双极板中完成，反应产生的热量必须要及时的导出去以保证电池的正常工作，因此双极板不但要求有较好的导电性，还要求有很好的导热性能，同时为了提高氢气和氧气的利用率，双极板的重要重要功能之一是作为气体流场，需要压制流道和电源输出线路，而在流道压制过程中需要保证流道的清晰、光滑而且没有堵塞等缺陷。而现有技术的柔性石墨双极板制造工艺存在插层反应后的可膨胀石墨团聚、粒度分布过宽带来的原料利用率低；同时存在插层时间段，形成层间化合物为混合阶，影响石墨原料的膨胀率。

另一方面，由于石墨基材料在高温1000摄氏度以上膨化过程中其体积酸碱膨胀，在此期间会释放大量的气体，这些气体中含有大量的化学插层处理中引入的有害元素例如硫元素和卤族元素，这些有害元素如果不能及时和石墨蠕虫分离，则石墨蠕虫庞大的比表面会吸附大量的有害元素，进而造成加工时严重影响石墨材料的各项性能，更严重的是，有害元素会对后续加工的造成影响，例如造成后续反应的催化剂失效等等。目前现有的柔性石墨膨化工艺中有些直接没有气料分离步骤，造成柔性石墨板材具有大量有害元素，硫含量超标等的技术问题。

关于柔性石墨板的制备，由于双极板对于均匀性、尺寸精度、表面形态和表面清洁度均具有较高的要求，在石墨板压制时需要考虑石墨板整体的均匀性和表面形态，而在石墨板裁切时需要将石墨板表面的清洁程度和尺寸的精度。

例如中国专利公开号为CN1225049C，授权公告日为2005年10月26日，名称为“一种柔性石墨双极板的制备方法”，公开了一种柔性石墨双极板的制备方法，属于燃料电池双极板制备技术领域。其特征在于：整个双极板是由石墨蠕虫组成，并且利用浸渍和直接添加的方法在蠕虫中混和少量添加剂，或者利用直接涂抹的方法在双极板表面形成薄膜。具体制备方法是将石墨蠕虫填加入模具中，采用模压或辊压的方法直接成型或分步成型双极板，成型压力为30～100MPa。本发明制备的燃料电池双极板密度为1.2～1.7g/cm3，厚度为1.0～3.0mm。其在制备时，并未考虑到石墨蠕虫是轻质、易粘附的材料，切割过程中的石墨屑极易粘附在石墨板的表面，且清理困难，有可能造成后续工艺的失效，并且采用辊压的方法需要在金属辊筒表面进行金属加工，而在实际使用过程中在金属辊筒表面加工较为困难，成本高。