一种纳米洋葱碳复合双极板及制备方法和电池堆与流程

本发明涉及质子交换膜燃料电池的双极板制备，尤其涉及一种纳米洋葱碳复合双极板及制备方法和电池堆。

背景技术：

1、燃料电池有多种类型，但其中最简单的一种是质子交换膜燃料电池(protonexchange membrane fuel cells，pemfcs)，它是一种无需燃烧就可将氢气和氧气在电化学反应过程中将化学能直接转化成电能的能量转换装置，被认为是可再生能源时代未来社会的新兴变革性技术。它的整个装置主要由三部分构成，包括：膜电极、密封圈和双极板，其中双极板(bipolar plates，bp)是重要组成部分，负责为反应气体提供流场，充当电池内部化学反应过程中运输电子流，并为燃料电池堆提供结构支撑。bp约占燃料电池堆重量的60～80％，约占其成本的20～40％。因此，制备低成本、高性能的bps是推动pemfc大规模应用的一个重要因素。目前使用的双极板材料分为三大类，涂层金属材料、碳-碳复合材料和石墨-聚合物复合材料。由于良好的热学和电学特性，纯净的石墨被优先采用，但是，由于其内在的易碎性，板必须做得相对较厚，这大大增加了较大的堆栈的重量和体积，以及较高的加工费用，使其无法实现批量生产。与碳基双极板相比，金属双极板由于其良好的机械性能而更容易加工并且成本更低，但是，在质子交换膜燃料电池运行的酸性环境中，反应气体会导致金属钝化或溶解。由于腐蚀，它会导致形成钝化表面层，从而增加接触电阻；因为金属的溶解会污染膜电极。金属的钝化和溶解会导致电堆输出功率显著下降，导致燃料电池输出效率也降低，严重影响应用。因此，具有热塑性或热固性基体的石墨-聚合物复合材料应运而生，它的最大障碍是缺乏导电性，故人们一直在寻求开发具有最大导电性的更好复合材料，定制这种先进材料的途径是在聚合物基质中加入除传统石墨之外的其他碳基导电填料，也是目前质子交换膜燃料电池研究的热点。

2、中国专利文件cn114678557a公开了一种二氧化锡掺杂型柔性石墨双极板及制备方法和应用，通过使用氯化亚锡作为锡源，在碱性条件下形成氧化亚锡水合物，经过高温热处理即可在柔性石墨双极板内部形成高导电性二氧化锡，提高柔性石墨双极板的电导率。且二氧化锡还能提高石墨双极板亲水性，使得后面的树脂水溶液更容易浸渍，从而获得高电导率、高致密度的柔性石墨双极板，提高燃料电池输出性能及工作寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供了一种纳米洋葱碳复合双极板及制备方法和电池堆，其可以提高电堆的电导率。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种纳米洋葱碳复合双极板，包括以下组分：纳米洋葱碳、石墨和树脂.

3、上述技术方案中，树脂为酚醛树脂或环氧树脂。

4、上述技术方案中，所述纳米洋葱碳：石墨：树脂的质量比为1:3:1。

5、一种上述技术方案中的纳米洋葱碳复合双极板基材的制备方法，包括以下步骤：

6、s1、制备纳米洋葱碳；

7、s2、酸洗纳米洋葱碳；

8、s3、将纳米洋葱碳、石墨和树脂按比例放入注射成型机中，注射成型机将原料进行混合搅拌并注射成双极板基材。

9、上述技术方案中，所述s2步骤中，将s1步骤中制得的纳米洋葱碳放入4～8m硝酸中，并在110～150℃的温度下对硝酸悬浮液进行微波加热5～8min。

10、一种质子交换膜燃料电池堆，包括上述技术方案中的双极板基材制成的阳极端板，阴极端板和若干个双极板，若干个膜电极，若干个膜电极和若干个双极板阵列设置在阳极端板，阴极端板之间，所述双极板包括设有燃气通道的阳极侧和设有空气通道的阴极侧，膜电极组装在其中一个双极板的阳极侧和另一个双极板的阴极侧之间，装设在双极板阳极侧和膜电极之间的第一密封圈，装设在双极板阴极侧和膜电极之间的第二密封圈。

11、上述技术方案中，所述膜电极依次包括氢气气体扩散层，阳极催化剂，质子交换膜，阴极催化剂和空气气体扩散层，所述氢气气体扩散层与燃气通道相连通，所述空气气体扩散层与空气通道相连通。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

13、本技术方案采用纳米洋葱碳复合双极板基材制备的双极板制成的电堆，其与商用双极板组装的电堆相比，其在测试第6天，13.2v下输出功率高达58w，比商业双极板组装的电堆高出～21％。测试过程中受气体压力和供给的影响，电堆输出功率略有波动。测试运行到第12天时，13.2v下电堆的输出功率又回复到58～59w，输出功率比商业电堆更加稳定。

技术特征：

1.一种纳米洋葱碳复合双极板基材，其特征在于，包括以下组分：纳米洋葱碳、石墨和树脂。

2.根据权利要求1所述的一种纳米洋葱碳复合双极板基材，其特征在于，所述树脂为酚醛树脂或环氧树脂。

3.根据权利要求1所述的一种纳米洋葱碳复合双极板基材，其特征在于，所述纳米洋葱碳：石墨：树脂的质量比为1:3:1。

4.一种权利要求1-3任一项所述的纳米洋葱碳复合双极板基材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种纳米洋葱碳复合双极板基材的制备方法，其特征在于，所述s2步骤中，将s1步骤中制得的纳米洋葱碳放入4～8m硝酸中，并在110～150℃的温度下对含有洋葱碳的硝酸悬浮液进行微波加热5～8min。

6.一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的复合双极板基材制成的阳极端板、阴极端板和若干个双极板(1)，若干个膜电极(2)，若干个膜电极(2)和若干个双极板(1)阵列设置在阳极端板，阴极端板之间，所述双极板包括设有燃气通道的阳极侧和设有空气通道的阴极侧，膜电极(2)组装在其中一个双极板(1)的阳极侧和另一个双极板(1)的阴极侧之间，装设在双极板(1)阳极侧和膜电极(2)之间的第一密封圈(3)，装设在双极板(1)阴极侧和膜电极(2)之间的第二密封圈(4)。

7.根据权利要求6所述的一种质子交换膜燃料电池堆，其特征在于，所述膜电极(2)依次包括氢气气体扩散层，阳极催化剂，质子交换膜，阴极催化剂和空气气体扩散层，所述氢气气体扩散层与燃气通道相连通，所述空气气体扩散层与空气通道相连通。

技术总结
本发明公开了一种纳米洋葱碳复合双极板，其涉及质子交换膜燃料电池的双极板制备领域，其包括纳米洋葱碳、石墨和树脂，树脂为酚醛树脂或环氧树脂，本发明还提供了纳米洋葱碳复合双极板的制备方法，包括以下步骤：S1、制备纳米洋葱碳；S2、酸洗纳米洋葱碳；S3、将纳米洋葱碳、石墨和酚醛树脂/环氧树脂按比例放入注射成型机中，并注射成双极板基材；本发明还提供了一种质子交换膜燃料电池堆，包括纳米洋葱碳复合双极板制成的阳极端板，阴极端板和若干个双极板，若干个膜电极，若干个密封圈设置在阳极端板和阴极端板之间，双极板包括设有燃气通道的阳极侧和设有空气通道的阴极侧，本发明可以提高质子交换膜燃料电池堆的输出功率。

技术研发人员：张卫珂,张兰,曾少华
受保护的技术使用者：中新国际联合研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14