[發明專利]雙極板的制備方法及雙極板

有效

• 申請號: 202010923780.2
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112038654B
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發明（設計）人: 杜鴻達;陳威;褚曉東;康飛宇;李寶華
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: H01M8/0234
• 分類號: H01M8/0234;H01M8/0245;H01M8/0258;H01M8/0267
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅;鄭海威

一種石墨烯復合漿料，包括第一類氧化石墨烯、第二類氧化石墨烯、石墨烯、可溶性碳源及去離子水，在石墨烯復合漿料中，第一類氧化石墨烯、第二類氧化石墨烯、石墨烯、可溶性碳源的固含量為0.5％～30％；可溶性碳源的質量是第一類氧化石墨烯、第二類氧化石墨烯及石墨烯質量的1‰～5％；第一類氧化石墨烯的顆粒直徑大于第二類氧化石墨烯的顆粒直徑，第一類氧化石墨烯具有第一類官能基團，第二類氧化石墨烯具有第二類官能基團，第一類官能基團能夠與第二類官能基團自組裝成大小間隔的石墨烯片。本發明還提供雙極板及雙極板的制備方法。本發明提供的雙極板的制作成本低、制備方法簡單且具有高導熱系數。

技術領域

本發明涉及石墨烯技術領域，尤其涉及一種石墨烯復合漿料、雙極板制備方法及雙極板。

背景技術

質子交換膜(proton exchange membrane，PEM)燃料電池是以氫氣為燃料，空氣或氧氣為氧化劑，全氟磺酸聚合物為電解質的能量轉化裝置。其理論能量轉化效率非常高，但實際系統運行的能量效率僅為40-70％，還有30-60％的化學能轉化為熱能。大量的熱量產生易導致電池溫度過高，溫度過高時，燃料電池的電解質膜的含水量降低，嚴重時質子交換膜脫水，導致離子電導率急劇下降，電化學反應的動力學過程減緩，造成電池的使用效率和壽命的損失。溫度過低時同樣對電堆反應有負面的影響，低溫下電化學反應緩慢，極化現象明顯，造成能量轉化效率低以及電堆的輸出性能變差。因此，對燃料電池電堆進行必要的熱管理，使其維持在一定的溫度區間工作，對提升燃料電池的反應效率以及輸出性能穩定性有重要意義。通常對燃料電池的熱管理系統的要求如下：(1)將工作溫度控制在效率較高的范圍；(2)保證電池內部溫度的一致性；(3)保證電池不超過溫度極限。

為了達到以上熱管理要求，現在燃料電池所采用的冷卻方式主要依據電堆的功率和體積分為以下幾種：(1)陰極反應氣體冷卻。(2)空氣冷卻。(3)循環水冷卻。前兩種冷卻方式分別適用于功率100W和2kW以下的小型燃料電池，大功率燃料電池必須使用水冷。而循環水冷卻的方式需要在燃料電池的雙極板上刻畫冷卻流道，并需要增加外部的泵為冷卻液提供動力，增大了雙極板加工的成本和整個燃料電池系統運行的復雜性。

雙極板是PEM燃料電池的關鍵組件，占據了電池約80％的重量和45％的成本。因此，除了支撐電池、輸送氣體、在外部電路中充當集流體之外，雙極板也擔負著PEM燃料電池散熱的重要作用。雙極板的材料包括石墨、金屬和石墨-聚合物復合材料，由于石墨具有優良的導電性和化學穩定性，無孔的導電石墨板成為理想的雙極板材料。且石墨單晶的面向熱導率達2000W/(m·K)，被認為是一種很有發展潛力的新型高導熱材料。但目前燃料電池雙極板用的石墨材料熱導率約為100～130W/(m·K)，其導熱性并未作為優勢用于雙極板。這主要是因為制備熱導率在500W/(m·K)以上的石墨板技術難度較大，尤其后期石墨板機加工流道的技術較為復雜，成本很高。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種能夠制作成本低、方法簡單且具有高導熱系數的雙極板，以及用于制備雙極板的石墨烯復合漿料。

還有必要提供一種雙極板的制備方法。

還有必要提供一種利用如上所述的雙極板的制備方法制備的雙極板。

一種石墨烯復合漿料，包括第一類氧化石墨烯、第二類氧化石墨烯、石墨烯、可溶性碳源及去離子水，在所述石墨烯復合漿料中，所述第一類氧化石墨烯、第二類氧化石墨烯、石墨烯、可溶性碳源的固含量為0.5％～30％；所述第一類氧化石墨烯的顆粒直徑大于所述第二類氧化石墨烯的顆粒直徑，所述第一類氧化石墨烯具有第一類官能基團，所述第二類氧化石墨烯具有第二類官能基團，所述第一類官能基團能夠與所述第二類官能基團自組裝成大小間隔的石墨烯片；所述可溶性碳源的質量是所述石墨烯總質量的1‰～5％。

進一步地，所述可溶性碳源為聚乙烯醇、聚丙烯酸、葡萄糖及其聚合體中的至少一種。

進一步地，所述石墨烯復合漿料還包括碳納米管，所述碳納米管的質量是所述石墨烯材料總質量的1‰～5％。