[發明專利]一種高導熱石墨烯板的制備方法

在審

• 申請號: 202110080709.7
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN113149681A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 趙利平;馬志遠;李星;金敏
• 申請（專利權）人: 江蘇寶烯新材料科技有限公司
• 主分類號: C04B35/83
• 分類號: C04B35/83;H01M8/0213
• 代理公司: 蘇州高專知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32474
• 代理人: 冷泠

本發明一種高導熱石墨烯板的制備方法，步驟S1，將氧化石墨烯粉體溶于一定濃度的水性碳納米管漿料，配成濃度氧化石墨烯為2?12％，碳納米管含量為0.1?1％，短切碳纖維含量為0.1?2％的漿料；步驟S2，加入0.2?1％的還原劑；步驟S3，將上述漿料在真空攪拌器中充分攪拌，并且通過水冷始終控制漿料溫度在25℃以下；步驟S4，將攪拌好的復合漿料通過消除氣泡、成型、干燥、高溫熱處理石墨化、壓實、機加工的步驟，制備得到厚度0.3?5mm，熱導率500W/(mK)以上的石墨烯基復合燃料電池雙極板。

技術領域

本發明涉及石墨烯領域，特別是涉及一種高導熱石墨烯板的制備方法。

背景技術

質子交換膜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超過80％，但實際系統運行的能量效率僅為40-50％，還有大量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)將工作溫度控制在一定范圍；(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。但是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，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、導熱性能，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2200W/m·K，被認為是一種很有發展潛力的新型高導熱材料。但以往的燃料電池雙極板一般用石墨為主體材料通過壓實，機加工制備得到，其導熱性能一般在400W/(mK)以下，難以滿足燃料電池對于散熱的需求，對于制備熱導率在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復雜。

發明內容

本發明的目的是提供一種高導熱石墨烯板的制備方法，無需后續流道加工，簡單有效、熱導率可達到500W/(mK)以上。

本發明通過如下技術方案實現上述目的：一種高導熱石墨烯板的制備方法，包括以下步驟：

步驟S1，將氧化石墨烯粉體溶于一定濃度的水性碳納米管漿料，配成濃度氧化石墨烯為2-12％，碳納米管含量為0.1-1％，短切碳纖維含量為0.1-2％的漿料；

步驟S2，加入0.2-1％的還原劑；

步驟S3，將上述漿料在真空攪拌器中充分攪拌，并且通過水冷始終控制漿料溫度在25℃以下；

步驟S4，將攪拌好的復合漿料通過消除氣泡、成型、干燥、高溫熱處理石墨化、壓實、機加工的步驟，制備得到厚度0.3-5mm，熱導率500W/(mK)以上的石墨烯基復合燃料電池雙極板。

進一步的，所述步驟S2的還原劑為氨水、氫碘酸或維生素c。

進一步的，所述步驟S3的攪拌時間為2h。