[发明专利]一种制备超薄碳/碳复合材料双极板的方法

说明书

本发明公开一种制备超薄碳/碳复合材料双极板的方法，其采用超细碳纤维网胎成型工艺、石墨烯改性树脂/沥青料浆分散技术、碳纤维网胎/料浆流场压延成型工艺、大规模双极板CVI(Chemical Vapor Infiltration化学气相渗透法)致密化工艺。本发明通过设计和优化每一步工艺，获得了低成本超薄高强高电导C/C复合材料双极板，其具有良好的强度、弹性和导热，密度2.2g/cm³、弯曲强度超过150MPa、腐蚀电流密度0.016mA/cm²、体积电导率达到300S/cm、面电阻0.01Ωcm²、平均气体透过率2.0e‑6cm³/s cm²(△P＝2atm)。

技术领域

本发明涉及一种制备超薄碳/碳复合材料双极板的方法。

背景技术

全球知名的咨询服务公司毕马威(KPMG)2018年对全球几千名汽车行业的主管和消费者就2025年汽车工业的未来进行了调查，52wt％的人认为燃料电池汽车将是汽车工业的未来，排在第一。作为动力输出单元的质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池汽车的关键核心组件，其主要由双极板、GDL气体扩散层以及MEA膜电极组成，其中双极板具有分隔反应气体、提供反应气体通道、收集电流和支撑电池结构等功能，是PEMFC的高价值核心部件之一，因此如何降低双极板的成本、提高双极板综合性能已经是PEMFC产业化最关键的问题。

目前无论是科研还是产业领域，主流的双极板包括石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板这三大类。碳/碳(C/C)复合材料是碳纤维增强的碳基复合材料，由于其耐高温优异、比强度高、比模量高、优异的的烧蚀性能、摩擦性能、导电性能、抗热震性能、石墨化度可控和机械加工性能良好等突出的综合性能，在航空航天领域已得到了广泛的应用。2000年美国橡树岭国家实验采用Slurry molding(灌浆成型)和CVI两种工艺相结合，制备了第一块C/C复合材料双极板，其电导率是石墨/聚合物复合材料双极板的2倍左右，达到300S/cm，弯曲强度为175MPa，可达到石墨/聚合物复合材料双极板3-4倍，其优异的性能凸显出比碳/聚合物复合材料双极板更好的应用前景，但是当时的制备工艺复杂、成本较高，C/C复合材料双极板未引起产业界重视。近年来随着C/C复合材料快速低成本制备工艺的突破，已经可以实现C/C复合材料双极板的成本控制，具备了推向市场条件。

目前，碳/碳复合材料双极板的制备通常是先混合聚合物树脂与填料，然后进行固化成型、碳化、石墨化等一系列工艺。聚合物树脂与填料的混合以及含碳浆料的混合，一般是采用简单的机械搅拌，这种方法无法保证树脂与填料均匀分散。

对于碳/碳复合材料双极板的固化成型，专利《制备质子交换膜燃料电池碳/碳复合材料双极板的方法》(CN 1540787 A)在固化后直接进行炭化，没有考虑到在固化过程中双极板的变形。另外，在专利《制备质子交换膜燃料电池碳/碳复合材料双极板的方法》(CN1540787 A)中，双极板流道是通过在具有反向气体流道的金属模具中浇注得到的，这种方法繁杂且无法实现双极板的大规模生产，对于流道的精确度控制亦无法保证；在专利《水基流延工艺制备高性能碳材料的方法》(CN1472833A)中，通过对高温烧结后的双极板半成品进行树脂浸渍封孔来得到碳/碳复合材料双极板，但后期需要通过机械打磨去除多余树脂，这不仅增加工作量，且会影响流道精度。碳/碳复合材料双极板在制备过程中所使用的添加剂和胶类，在双极板成型后，会影响双极板的导电性能，但是目前的生产中均未提及排胶这一重要过程。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种制备超薄碳/碳复合材料双极板的方法。

本发明可通过以下技术方案予以解决：

一种制备超薄碳/碳复合材料双极板的方法，包括以下步骤，

1)选取骨架碳毡卷；

2)制备高残炭浆料；