[发明专利]一种碳基复合导电浆料、石墨板及其制备方法

说明书

一种碳基复合导电复合浆料，包括导电性碳材料、树脂粘结剂和催化剂。导电碳材料的主要是乙炔黑、氧化石墨烯、石墨烯、单壁碳纳米管中的一种或多种混合物。树脂粘结剂的主要成分是丙烯酸酯类化合物，其含量在85.0～99.5％；导电碳材料的含量在3～10％。将石墨毡、膨胀石墨片经裁切、模压成型，将上述导电浆料浸渍、固化、水洗制得石墨双极板。本发明通过在浸渍剂中分散导电碳材料，使用石墨双极板有丰富的导电网络，进一步提高导电导热性能；此外，不同粒径范围碳材料的控制，有利于在石墨板中形成固化中心，增强极板的气体和液体的阻隔性、提高产品的良率。

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种碳基复合导电浆料、石墨板及其制备方法。

背景技术

燃料电池能够将燃料和氧化剂的化学能转换为电能，其能量转换效率不受卡诺热机循环理论效率的限制，具有高效、环境友好、安静、可靠性高等优点，在众多领域具有广阔的发展前景。

其中质子交换膜燃料电池功率密度高、启动快、对负载变化响应快，成为交通运输领域能源重要发展方向。燃料电池的核心部件为膜电极材料，由质子交换膜、催化剂和气体扩散层通过热压工艺复合而成。反应气体，阳极常为氢气、阴极为空气或氧气，经导流极板导流，再经气体扩散层扩散至催化剂表面发生反应，反应产物水从膜电极表面从扩散层穿出汇入气流排出。

双极板是质子交换膜燃料电池的关键组件，占据了电池成本的45％和质量的80％。因此，除了支撑电池、输送气体、在外部电路中充当集流体之外，双极板也担负着质子交接膜燃料电池的散热等重要作用。双极板的材料包括石墨、金属和石墨-聚合物的复合材料，由于石墨具有优良的导电性和化学稳定性，无孔的导电石墨板成为理想的双极板材料。且石墨单晶的面向热导率达2000W/(mK)，被认为是一种发展潜力巨大的新型导热材料。但是现在常规的人造石墨经CNC加工出来的石墨板，本身的刚度较大、脆性较强、不易加工太薄。目前市场上基于柔性石墨开发的模压石墨板，因其加工工艺简单、成本低、易于大规模生产，成为主流的开发方向。模压板孔隙率较高、孔径分布不规律、极板的渗漏不能保证，在使用树脂浸渍处理后能够提高强度和气体阻隔。但是，树脂填充的不均匀性，导致整体的导电性有偏差，电池整体运行一致性下降。

现有的提高导电性的方法主要方法是从石墨板基材入手，通过改性的材料来提高本体的导电性。如专利CN112038654提供一种采用采用氧化石墨、石墨烯及碳材料进行混合制成浆料，再经过热压成型，得到相应的极板。该方法能够改变和提高导电性，但是石墨烯、氧化石墨与树脂高分子材料的密度等特性差异明显，无论是分散还是最终的成型难道都很大。此外，专利CN109921051通过将一种超薄柔性的石墨烯膜置于两层石墨极板中间，提高了气体的阻隔和导电性。石墨烯膜的成本以及如何保证能够均匀的分布到极板中是比较难以控制，限制了大规模的生产和应用。可以看出，现有的技术手段无法真正实现规模化、高可靠、高导电导热石墨板的生产，相关的工艺及方法急需解决。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于燃料电池极板需求开发的碳基复合导电浆料，使用该浆料制备出既能保证极板的强度、气密性，又能实现高导热导电极板，不需要大规模的提高工艺设备即可实现，成本低适合规模化生产。

本发明技术原理如下：

燃料电池极板的主要功能包括为电池提供支撑、气体的传输及导电导热。基于多孔的膨胀石墨具有抗腐蚀性好、成本低、易加工等特性，成为燃料电池极板的一个主要发展方向。碳基导电浆料中的碳基材料能够与膨胀石墨基材相互接触，提供连续碳-碳接触界面，提高极板导热导电性能；树脂粘结剂经固化后可以满足极板强度和抗弯要求。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳基复合导电浆料，包括导电性碳材料、树脂粘结剂和树脂固化剂。

优选的，所述导电碳材料包括乙炔黑、氧化石墨烯、石墨烯、单壁碳纳米管中的一种或多种混合物，颗粒直径范围1-30um，重量含量为0.5～10.0％。