本发明涉及燃料电池
技术领域：
，特别是涉及一种风冷式石墨复合双极板及其制备方法。
背景技术：
：质子交换膜燃料电池，是利用电解水逆反应原理，使用可再生能源氢气作为还原剂、空气中氧气作为氧化剂将化学能转化为电能的发电装置。燃料电池电堆是由多片单体电池串联叠加构成，将双极板与膜电极交替叠合密封，并由前、后端板及补偿装置压紧固定，构成质子交换膜燃料电池电堆。电堆的核心是双极板与膜电极组件(MEA)，双极板常用石墨材质制作。相比金属双极板，石墨双极板具有较高导电性、耐蚀性，质量轻、寿命长且与电极相容性好等特点。但现有的石墨双极板通过机械雕刻硬石墨表面，形成流场。由于风冷式石墨板无水流场冷却，需要较深的空气流场，通过大量空气降温，因此机械加工难度大，成本较高，铣削量大，且加工成型极板较厚，较脆不易组装，而且风冷式双极板流场较深，流场深度是水冷式双极板的8～10倍，去除材料较多，铣削深度3～4mm，且流场方向垂直于长边，极易断裂或裂纹，导致气密性不良，并且加工完一侧需再雕刻另一侧，极易损坏；此外，双极板雕刻后需要浸胶，固化，再磨除表面树脂，工序较多。技术实现要素：本发明的目的是提供一种具有良好的导电性与力学性能的风冷式石墨复合双极板，还公开一种风冷式石墨复合双极板的制备方法，通过注塑成型提高合格率，且生产效率高。为了实现上述目的，本发明提供了一种风冷式石墨复合双极板，所述风冷式石墨复合双极板包括以下组分：蠕虫状柔性石墨粉50～55wt％、碳纤维5wt％和热固性树脂40～50wt％，所述碳纤维的长度为0.4～1mm，所述蠕虫状柔性石墨粉的目数小于50目。作为本发明优选的方案，所述蠕虫状柔性石墨粉55wt％、碳纤维5wt％和热固性树脂40wt％。作为本发明优选的方案，碳纤维的长度为1mm。作为本发明优选的方案，所述热固性树脂为热固性酚醛树脂。本发明还提供了一种冷式石墨复合双极板的制备方法，包括以下步骤：步骤一，将按重量要求称取的蠕虫状柔性石墨粉、碳纤维和热固性树脂进行机械混合；步骤二，将步骤一混合均匀的物料置入注射装置，注射装置对混合物料加热，热固性树脂加热至熔融状态，同时不熔的蠕虫状柔性石墨粉与碳纤维均匀地分散到热固性树脂中，以形成混合料；步骤三，将石墨模具进行加热至预设温度，注射装置将步骤二中的混合料在一定压力下注射入已合模的石墨模具内，石墨模具的加热温度大于注射装置的加热温度；步骤四，使混合料在石墨模具内保温、保压至交联固化，交联固化后开模顶出产品。作为本发明优选的方案，在步骤三中，石墨模具的加热温度为175～195℃。作为本发明优选的方案，在步骤三中，注射装置的注射压力为135～180MPa，注射时间为1.8～2.3s。作为本发明优选的方案，在步骤四中，保压压力为55～75MPa，保压时间为55～65s。作为本发明优选的方案，注射装置为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的螺杆转速为45～55r/min。本发明实施例一种风冷式石墨复合双极板及其制备方法与现有技术相比，其有益效果在于：本发明实施例采用热固性树脂固化后能够形成结实的三维网状结构，从而使风冷式石墨复合双极板具有更强的弯曲强度，在强度相同的情况下能够制作厚度更薄的风冷式石墨复合双极板，通过采用蠕虫状柔性石墨粉能够提高风冷式石墨复合双极板整体的成型效果，由于蠕虫状柔性石墨粉的目数小于50目使风冷式石墨复合双极板的成型结构更加紧密，而且短切的碳纤维具有优良导电性同时能提高风冷式石墨复合双极板的力学性能；由于风冷式石墨复合双极板通过注塑成型，固化后为成品状态，能够解决流场成型问题，无需雕刻，且能省略常规的浸胶工序，一次固化成型脱模，生产效率高，产品合格率高，可靠安全。具体实施方式下面结合实施例，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。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位，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。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。本发明优选实施例的一种风冷式石墨复合双极板，所述风冷式石墨复合双极板包括以下组分：蠕虫状柔性石墨粉50～55wt％、碳纤维5wt％和热固性树脂40～50wt％，所述碳纤维的长度为0.4～1mm，所述蠕虫状柔性石墨粉的目数小于50目。其中，碳纤维的长度优选为1mm，短切的碳纤维与热固性树脂配合提高风冷式石墨复合双极板力学性能，又避免碳纤维过长导致其分布不均匀而使局部表面粗糙。具体的，所述蠕虫状柔性石墨粉50wt％、碳纤维5wt％和热固性树脂40wt％。为保证风冷式石墨复合双极板的力学性能良好，所述热固性树脂优选为热固性酚醛树脂。由此，本发明实施例采用热固性树脂固化后能够形成结实的三维网状结构，从而使风冷式石墨复合双极板具有更强的弯曲强度，在强度相同的情况下能够制作厚度更薄的风冷式石墨复合双极板，通过采用蠕虫状柔性石墨粉能够提高风冷式石墨复合双极板整体的成型效果，由于蠕虫状柔性石墨粉的目数小于50目使风冷式石墨复合双极板的成型结构更加紧密，而且短切的碳纤维具有优良导电性同时能提高风冷式石墨复合双极板的力学性能。此外，本发明还提供了一种冷式石墨复合双极板的制备方法，包括以下步骤：步骤一，将按重量要求称取的蠕虫状柔性石墨粉、碳纤维和热固性树脂进行机械混合；其中，通过三维运动混合机将蠕虫状柔性石墨粉、碳纤维和热固性树脂进行混合，保证物料的混合效果；其中，热固性树脂为热固性酚醛树脂；步骤二，将步骤一混合均匀的物料置入注射装置，注射装置对混合物料加热，热固性树脂加热至熔融状态，同时不熔的蠕虫状柔性石墨粉与碳纤维均匀地分散到热固性树脂中，以形成混合料；注射装置为双螺杆挤出机，双螺杆挤出机的螺杆转速为45～55r/min；投料后，双螺杆挤出机的螺杆开始旋转，然后将从双螺杆挤出机的料斗输送过来的物料向螺杆前端输送，物料在高温和剪切力的作用下塑化均匀并逐步聚集在双螺杆挤出机的料筒的前端，随着熔融物料的聚集，压力越来越大，最后克服螺杆背压将螺杆逐步往后推，当料筒前部的熔融物料达到所需的注塑量时，螺杆停止后退和转动，预塑阶段结束；其中，本实施例中，双螺杆挤出机的料筒温度优选为前段100℃，中段90℃，后段80℃，螺杆转速50r/min；步骤三，将石墨模具进行加热至预设温度，注射装置将步骤二中的混合料在一定压力下注射入已合模的石墨模具内，石墨模具的加热温度大于注射装置的加热温度；石墨模具的加热温度为175～195℃，注射装置的注射压力为135～180MPa，注射时间为1.8～2.3s；螺杆在双螺杆挤出机的注塑油缸的作用下向前移动，将储存在料筒前部的低粘度塑料以多级速度和压力向前推压，经过流道和浇口注入已闭合的热的石墨模具的型腔中；优选的，石墨模具的加热温度为180℃，通过双螺杆挤出机将熔融的混合料以170MPa的注射压力注入石墨模具内，注射时间为2s；步骤四，使混合料在所述石墨模具内保温、保压至交联固化，交联固化后开模顶出产品，保压压力为55～75MPa，保压时间为55～65s；本实施例中，保压压力优选为70MPa；保压时间优选为60s。由此，由于风冷式石墨复合双极板通过注塑成型，固化后为成品状态，能够解决流场成型问题，无需雕刻，且能省略常规的浸胶工序，一次固化成型脱模，生产效率高，产品合格率高，可靠安全。一、碳纤维含量对风冷式石墨复合双极板的性能的影响按照酚醛树脂含量为不变量，改变碳纤维含量与蠕虫状柔性石墨粉含量，组分配比如表1所示。按照标准，测试制得的风冷式石墨复合双极板的性能，结果如表2所示。表1组分配比表2风冷式石墨复合双极板的性能组别弯曲强度(MPa)电导率(S/cm)A1组28.2123B1组37.5119C1组44.2112D1组51.8105E1组56.296F1组59.191可见，在D1组中的综合性能最佳，在保证风冷式石墨复合双极板弯曲强度高的同时电导率好。二、热固性树脂含量对风冷式石墨复合双极板的性能的影响按照碳纤维含量为不变量，改变热固性树脂含量与蠕虫状柔性石墨粉含量，组分配比如表3所示。按照标准，测试制得的风冷式石墨复合双极板的性能，结果如表4所示。表3组分配比表4风冷式石墨复合双极板的性能组别弯曲强度(MPa)电导率(S/cm)A2组36.5269B2组40.2210C2组46.8156D2组51.8105E2组55.285F2组59.155可见，D2、E2组弯曲强度与电导率整体性能相对其他组别更佳，蠕虫状柔性石墨粉的含量为50～55wt％与热固性树脂的含量为40～50wt％时，风冷式石墨复合双极板的性能相对最佳。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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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。当前第1页1 2 3