[发明专利]一种金属/碳复合双极板及其制备方法

说明书

本发明公开了一种金属/碳复合双极板及其制备方法，该双极板主要包括碳主体材料以及分布在其中的垂直双极板表面有序分布的金属纳米纤维两部分。本发明制备方法主要包括树脂/金属纳米纤维悬浮液的制、金属纳米纤维导向化、高温碳化以及后处理等步骤。通过本发明的方法制备得到的金属/碳复合双极板具有气密性好、表面导电性/垂直导电性均优异及机械强度和韧性优等特点，在燃料电池等领域具有良好的应用前景。本发明的双极板制备工艺技术相对简单，无需昂贵设备，且环境友好，易于进行规模化生产。

技术领域

本发明涉及双极板制备领域，具体涉及一种金属/碳复合双极板及其制备方法。

背景技术

双极板的功能是提供气体流道，防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路。双极板是燃料电池重要部件之一，其重量约占质子交换膜燃料电堆的80％，成本约占24％。目前市场上氢燃料电池的双极板材料有石墨、金属和复合材料三类。

石墨材料是最早开发用于燃料电池双极板的材料，其优势是耐腐蚀性强，耐久性高，但不足的是制作周期长，抗压性差，成本高。金属双极板具有电导率高、价格低廉、工艺制法多样、高机械强度等优点，但其易受腐蚀、金属离子污染、密度大、质重、表面形成氧化物薄膜，金属双极板的技术难点在于成型技术、金属双极板表面处理技术。复合材料双极板，如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料等，能较好地结合不同材料的优点，密度低、抗腐蚀、易成型，使电堆装配后达到更好的效果。

针对上述材料制备双极板已有较多研究。如专利文献(US6087034A)较早提出一种柔性石墨复合材料双极板，其是将较低密度膨胀石墨板浸渍一次树脂后压制而成，可以提高柔性石墨材料强度、硬度和较低的吸水性，但柔性石墨材料的增塑度不足，且板易裂缝。专利文献(CN101132067A)以经过表面预处理的碳纳米管作为增强体，将酚醛树脂粘结剂、石墨原料与上述增强体进行球磨混合或搅拌混合，然后进行热压、烧结制成了碳纳米管增强的酚醛树脂/石墨基双极板，其物理及化学性能明显优于现有的树脂/石墨基复合双极板，且工艺简单，其电导率100-200S/cm，常温弯曲强度为55-75MPa。专利文献(CN103633340A)将炭气凝胶加入到热塑性酚醛树脂中，将膨胀石墨与热塑性酚醛树脂、炭气凝胶的混合物的沸水溶液混合，经减压抽滤、干燥、球磨、装模、冷压、热压、脱模制得双极板，电导率为108.3S/cm～162.7S/cm、抗折强度为53MPa～77MPa。但是，研究者测试的电导率往往是材料的表面电导率，很少研究双极板的垂直电导率。大量的理论和实践研究表明，垂直于双极板表面方向的电导率对电池的影响更大。因此，针对双极板截面方向电导率的改善，开发、设计新型结构双极板可促进电池性能的提升。

同时，随着纳米材料和纳米技术的快速发展，极大的推动了信息、环境、能源等多学科的发展，申请人在检索现有文献之后发现，现有技术中少有将金属纳米纤维用于双极板的制备过程中。专利文献(CN110698081A)报道了含贵金属纳米粒子的改性纤维用于双极板制备的方法。如何进一步利用金属纳米粒子制备高性能双极板仍值得探索。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种金属/碳复合双极板的制备方法，以解决现有技术存在的不足。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种金属/碳复合双极板的制备方法，包括以下制备步骤：

(1)树脂/金属纳米纤维悬浮液的制备：将金属纳米纤维加入到预先配置好的树脂溶液中，超声辅助分散均匀，即得所述树脂/金属纳米纤维悬浮液；

(2)金属纳米纤维导向化：将步骤(1)所得树脂/金属纳米纤维悬浮液置于磁场中，同时加热悬浮液至悬浮液中溶剂慢慢蒸干，得导向化的金属纳米纤维；

(3)高温碳化：将步骤(2)中所得产品置于高温下进行碳化处理；

(4)后处理：利用精雕机对步骤(3)中所得产品进行后处理，即得所述金属/碳复合双极板。