复合材料及其制备方法、燃料电池电堆端板、燃料电池与流程

1.本技术涉及陶瓷复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料及其制备方法、燃料电池端板、燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是一种清洁能源，燃料电池主要包括：双极板、膜电极(mea)、集流板及端板等主要部件。双极板与膜电极组成基本的单电池，重复单电池组装成电堆；单电池最外侧使用端板与螺栓轧带等一起进行封装紧固。
3.目前市场上常用的燃料电池电堆端板主要是金属材料或树脂材料。密度轻的金属材料易加工，但是强度不足；密度高的金属材料强度高，但是存在质量重，不易加工的缺点。作为燃料电池电堆端板的树脂材料也存在材料强度不够导致的变形、老化问题。另外，传统将金属材料与树脂材料结合，例如铝板表面注塑，金属端板与树脂端板嵌接等方案，也均未从根本上解决端板强度问题。


技术实现要素：

4.基于此，本技术提供一种复合材料及其制备方法、燃料电池电堆端板。本技术提供的复合材料具有较低的密度，同时具有较高的强度，可作为燃料电池电堆端板。
5.本技术的第一方面，提供一种复合材料，所述复合材料的组成包括含硅材料、含铝材料和硅酸钠，所述含硅材料为纯硅和/或碳化硅，所述含铝材料为纯铝和/或铝合金，所述含硅材料、所述含铝材料和所述硅酸钠的重量比为(1～2.5)：(2.5～4)：0.1。
6.在其中一个实施例中，所述含硅材料、所述含铝材料和所述硅酸钠的重量比为(1.5～2)：(3～3.5)：0.1。
7.在其中一个实施例中，所述含硅材料、所述含铝材料和所述硅酸钠的重量比为(1.8～2)：(3.2～3)：0.1。
8.本技术的第二方面，提供一种本技术第一方面任一项实施例所述的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
9.将所述硅和/或碳化硅、铝金属和/或铝合金、所述硅酸钠球磨混合，成型，制备坯料；
10.将所述坯料升温烧结，制备所述复合材料。
11.在其中一个实施例中，所述升温烧结的步骤包括：
12.以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至300℃～400℃，进行第一阶段烧结；以4℃/min～6℃/min的升温速率升温650℃～750℃，进行第二阶段烧结。
13.在其中一个实施例中，所述成型的工艺参数包括：模压压力为30mpa～80mpa。
14.在其中一个实施例中，所述碳化硅包括第一粒径sic粉体和第二粒径sic粉体；所述第一粒径sic粉体和第二粒径sic粉体具有如下特征中的一个或多个：
15.(1)所述第一粒径sic粉体的粒径与所述第二粒径sic粉体的粒径比≥2；
16.(2)所述第一粒径sic粉体的粒径为50μm～200μm；
17.(3)所述第二粒径sic粉体的粒径为25μm～100μm；
18.(4)所述第一粒径sic粉体的总体积与所述第二粒径sic粉体的总体积比为(0.5～1)：1。
19.在其中一个实施例中，所述铝金属和/或铝合金的粒径为100μm～200μm。
20.本技术的第三方面，提供一种燃料电池电堆端板，包括本技术第一方面任一项实施例所述的复合材料。
21.本技术的第四方面，提供一种燃料电池，包括本技术第三方面所述的燃料电池电堆端板。
22.本技术提供的复合材料通过选用重量比为(1～3.75)：(1.25～4)：0.1的含硅材料、含铝材料和硅酸钠的混合物，能够使其兼备较低的密度和较高的强度。
附图说明
23.图1为本技术的燃料电池电堆端板的后端面的结构示意图；
24.图2为本技术燃料电池电堆端板的前端面的结构示意图。
具体实施方式
25.以下结合具体实施例对本技术的复合材料及其制备方法、燃料电池电堆端板及其制备方法作进一步完整、清楚的描述。本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本技术公开内容理解更加透彻全面。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
27.本文中，“一种或多种”指所列项目的任一种、任两种或任两种以上。
28.本技术中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”、“第四方面”、“第五方面”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。
29.本技术中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
30.本技术中，涉及到数值区间，如无特别说明，上述数值区间内视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
31.本技术中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相-固相混合均指质量百分比，对于液相-液相混合指体积百分比。
32.本技术中涉及的百分比浓度，如无特别说明，均指终浓度。所述终浓度，指添加成
95kpa，且需在氮气或是氩气保护气氛中进行烧结。
48.在其中一个示例中，所述成型的工艺参数包括：模压压力为30mpa～80mpa。
49.在其中一个示例中，所述第一粒径sic粉体的粒径与所述第二粒径sic粉体的粒径比≥2。具体的，所述第一粒径sic粉体的粒径与所述第二粒径sic粉体的粒径比包括但不限于2：1、3：1、4：1或5：1。
50.在其中一个示例中，所述第一粒径sic粉体的粒径为50μm～200μm。具体的，所述第一粒径sic粉体的粒径包括但不限于50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、150μm、180μm、190μm或200μm。
51.在其中一个示例中，所述第二粒径sic粉体的粒径为25μm～100μm。具体的，所述第二粒径sic粉体的粒径包括但不限于25μm、26μm、30μm、35μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。
52.在其中一个示例中，所述第一粒径sic粉体的总体积与所述第二粒径sic粉体的总体积比为(0.5～1)：1。具体的，所述第一粒径sic粉体的总体积与所述第二粒径sic粉体的总体积比包括但不限于0.5：1、0.6：1、0.7：1、0.8：1、0.9：1或1：1。
53.在其中一个示例中，所述铝金属和/或铝合金的粒径为100μm～200μm。可以理解的，本技术中可以选用纯铝，也可以选用铝合金，铝合金中添加镁(mg)、铜(cu)、硅(si)、锰(mn)等元素即可。例如，可以使用的铝合金包括但不限于5系列含镁铝合金、6系列含镁、硅的铝合金、5083牌号的铝合金或6061牌号的铝合金。
54.在其中一个示例中，所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：
55.将所述硅和/或碳化硅、铝金属和/或铝合金、所述有机粘结剂和所述硅酸钠球磨混合、成型，制备坯料；
56.将所述坯料升温烧结，排出所述有机粘结剂，制备所述复合材料；
57.有机粘结剂与硅酸钠的质量比为(0.2～0.5)：1。具体的，有机粘结剂与硅酸钠的质量比包括但不限于0.2：1、0.3：1、0.4：1或0.5：1。本技术中，有机粘结剂与硅酸钠协同能够提高各组分之间的粘结力。选用较多的硅酸钠能够增强混合物的粘结性，使硅和/或碳化硅、铝金属和/或铝合金和硅酸钠之间粘结紧密，且能够避免因大量有机粘结剂的排出，而造成的孔隙缺陷。
58.在其中一个示例中，所述有机粘结剂包括甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙烯醇和有机硅中的一种或多种。
59.在其中一个具体的示例中，所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：
60.s1.选取粒径为50μm的第一粒径sic粉体、粒径为100μm的第二粒径sic粉体，使第一粒径sic粉体与第二粒径sic粉体的总体积比为1：1，加入粒径为100μm～200μm的铝合金粉体，使sic粉体的总质量与铝合金粉体的总质量比为(1～3.75)：(4～1.25)；
61.s2.将sic粉体和铝合金粉体放入球磨机中，加入有机粘结剂和硅酸钠球磨混合，使sic粉体的总质量、铝合金粉体的总质量、硅酸钠的总质量和有机粘结剂是总质量比为(1～3.75)：(4～1.25)：0.1：(0.02～0.05)，混合后制备混合材料，所述混合材料的平均粒径为25μm～35μm；
62.s3.将s2制备的混合材料放入模具中，模压压力设置为30mpa～80mpa；制备坯料；
63.s4.将坯料放入真空烧结炉中，使真空度＜-95kpa，通入氮气或氩气保护气氛，升
温烧结，以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至300℃～400℃，保温20min～40min，进行第一阶段烧结；以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至650℃～750℃，保温1h～2h，进行第二阶段烧结；烧结后将坯料随炉温冷却至室温，制备所述复合材料。
64.本技术的第三方面，提供一种燃料电池电堆端板，包括本技术第一方面任一项示例所述的复合材料。
65.电堆的端板处于单电池的两端，在电堆装配时，端板承受很大的压力，将双极板与膜电极紧紧的压在一起。端板需要承受3～5吨的压力，通常端板的面积在1000cm2以下，为了保证燃料电池较好的工作状态，端板要求极高的强度。本技术提供的燃料电池电堆端板具有较低的密度和较高的强度，并且具有较低的热膨胀系数和较高的导热系数，可满足燃料电池的工作需求。
66.不作限制地，本技术还提供一种燃料电池电堆端板的制备方法，包括以下步骤：
67.s10.选取粒径为50μm的第一粒径sic粉体、粒径为100μm的第二粒径sic粉体，使第一粒径sic粉体与第二粒径sic粉体的总体积比为1：1，加入粒径为100μm～200μm的铝合金粉体，使sic粉体的总质量与铝合金粉体的总质量比为(1～3.75)：(4～1.25)；
68.s20.将sic粉体和铝合金粉体放入球磨机中，加入有机粘结剂和硅酸钠球磨混合，使sic粉体的总质量、铝合金粉体的总质量、硅酸钠的总质量和有机粘结剂是总质量比为(1～3.75)：(4～1.25)：0.1：(0.02～0.05)，混合后制备混合材料，所述混合材料的平均粒径为25μm～35μm；
69.s30.准备燃料电池电堆端板模具，模具预制纯铝包套，将s20制备的混合材料放入双极板磨具，采用四柱压机，将压力设置为30mpa～80mpa；制备成双极板端板结构的坯料；
70.s40.将s30的双极板端板结构的坯料放入真空烧结炉中，使真空度＜-95kpa，通入氮气或氩气保护气氛，升温烧结，以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至300℃～400℃，保温20min～40min，进行第一阶段烧结；以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至650℃～750℃，保温1h～2h，进行第二阶段烧结；烧结后将坯料随炉温冷却至室温，制备所述燃料电池电堆端板。
71.本技术还提供一种燃料电池，包括本技术第三方面所述的燃料电池电堆端板。
72.以下为具体的实施例，如无特别说明，实施例中采用的原料均为市售产品。
73.实施例1
74.本技术实施例1提供一种燃料电池电堆端板以及燃料电池电堆端板的制备方法，具体步骤如下：
75.s10.按照大粒径sic粉体的总体积与所述小粒径sic粉体的总体积比为1：1的配比，选择200μm和50μm两种粒径碳化硅；将大粒径sic粉体和小粒径sic粉体混合，加入粒径为120μm～150μm的铝合金(牌号6061)；使铝的质量与sic粉体的总质量比为3.75：1.25；
76.s20.将sic粉体和铝合金加入球磨机混合，并加入甲基纤维素和硅酸钠，甲基纤维素和硅酸钠的质量比为1：4，球磨后得到平均粒径30μm的混合坯料，混合坯料中铝的质量、sic粉体的总质量比与硅酸钠的质量比为3.75：1.25：0.1；
77.s30.准备燃料电池端板模具，模具预制纯铝包套，将球磨后的混合坯料注入双极板端板模具，采用四柱压机，压力为80mpa，将混合坯料模压成双极板端板结构，得到模压坯料；
78.s40.将压制好的端板模压坯料放置在真空烧结炉中，抽真空，真空度＜-95kpa。通入氮气或是氩气保护气氛，采用分阶段升温烧结，升温速率5℃/min，第一阶段升温到350℃，保温30min，二阶段升温到750℃，保温1h。随炉温冷却至室温取出得到烧结好的燃料电池电堆端板。
79.实施例2
80.本技术实施例2提供一种燃料电池电堆端板以及燃料电池电堆端板的制备方法，具体步骤如下：
81.s10.按照大粒径sic粉体的总体积与所述小粒径sic粉体的总体积比为1：1的配比，选择200μm和50μm两种粒径碳化硅；将大粒径sic粉体和小粒径sic粉体混合，加入粒径为120μm～150μm的铝合金(牌号6061)；使铝的质量与sic粉体的总质量比为3.5：1.5；
82.s20.将sic粉体和铝合金加入球磨机混合，并加入甲基纤维素和硅酸钠，甲基纤维素和硅酸钠的质量比为1：4，球磨后得到平均粒径30μm的混合坯料，混合坯料中铝的质量、sic粉体的总质量比与硅酸钠的质量比为3.5：1.5：0.1；
83.s30.准备燃料电池端板模具，模具预制纯铝包套，将球磨后的混合坯料注入双极板端板模具，采用四柱压机，压力为80mpa，将混合坯料模压成双极板端板结构，得到模压坯料；
84.s40.将压制好的端板模压坯料放置在真空烧结炉中，抽真空，真空度＜-95kpa。通入氮气或是氩气保护气氛，采用分阶段升温烧结，升温速率5℃/min，第一阶段升温到350℃，保温30min，二阶段升温到750℃，保温1h。随炉温冷却至室温取出得到烧结好的燃料电池电堆端板。
85.实施例3
86.本技术实施例3提供一种燃料电池电堆端板以及燃料电池电堆端板的制备方法，具体步骤如下：
87.s10.按照大粒径sic粉体的总体积与所述小粒径sic粉体的总体积比为1：1的配比，选择200μm和50μm两种粒径碳化硅；将大粒径sic粉体和小粒径sic粉体混合，加入粒径为120μm～150μm的铝合金(牌号6061)；使铝的质量与sic粉体的总质量比为3：2；
88.s20.将sic粉体和铝合金加入球磨机混合，并加入甲基纤维素和硅酸钠，甲基纤维素和硅酸钠的质量比为1：4，球磨后得到平均粒径30μm的混合坯料，混合坯料中铝的质量、sic粉体的总质量比与硅酸钠的质量比为3：2：0.1；
89.s30.准备燃料电池端板模具，模具预制纯铝包套，将球磨后的混合坯料注入双极板端板模具，采用四柱压机，压力为80mpa，将混合坯料模压成双极板端板结构，得到模压坯料；
90.s40.将压制好的端板模压坯料放置在真空烧结炉中，抽真空，真空度＜-95kpa。通入氮气或是氩气保护气氛，采用分阶段升温烧结，升温速率5℃/min，第一阶段升温到350℃，保温30min，二阶段升温到750℃，保温1h。随炉温冷却至室温取出得到烧结好的燃料电池电堆端板。
91.对比例1
92.对比例1与实施例3基本相同，主要区别在于，对比例1中未加入硅酸钠。具体制备过程如下：
93.s10.按照大粒径sic粉体的总体积与所述小粒径sic粉体的总体积比为1：1的配比，选择200μm和50μm两种粒径碳化硅；将大粒径sic粉体和小粒径sic粉体混合，加入粒径为120μm～150μm的铝合金(牌号6061)；使铝的质量与sic粉体的总质量比为3：2；
94.s20.将sic粉体和铝合金加入球磨机混合，并加入甲基纤维素，球磨后得到平均粒径30μm的混合坯料，混合坯料中铝的质量、sic粉体的总质量比与甲基纤维素的质量比为3：2：0.05；
95.s30.准备燃料电池端板模具，模具预制纯铝包套，将球磨后的混合坯料注入双极板端板模具，采用四柱压机，压力为80mpa，将混合坯料模压成双极板端板结构，得到模压坯料；
96.s40.将压制好的端板模压坯料放置在真空烧结炉中，抽真空，真空度＜-95kpa。通入氮气或是氩气保护气氛，采用分阶段升温烧结，升温速率5℃/min，第一阶段升温到350℃，保温30min，二阶段升温到750℃，保温1h。随炉温冷却至室温取出得到烧结好的燃料电池电堆端板。
97.对实施例和对比例制备得到的燃料电池电堆端板进行表征和测试。
98.测试方法或标准为：
99.(1)密度：基于gb/t 3190-2020记载的内容进行测试；
100.(2)杨氏模量：基于gb/t 22315-2008记载的内容进行测试；
101.(3)热膨胀系数：gb/t 3074.4；
102.(4)导热系数：：基于astm e1461闪光法进行导热系数测试。
103.测试结果如表1所示：
104.表1
[0105][0106]
通过表1可知，本技术所提供的燃料电池电堆端板的杨氏模量较高，说明其具有较高的强度，同时具备较低的热膨胀系数以及较高的导热系数。对比例1与实施例3相比，对比例1的强度低，热膨胀系数高，且导热系数低；可见加入硅酸钠能够提升燃料电池电堆端板的综合性质，另外，实施例3中燃料电池电堆端板的性质优于实施例1和实施例2。
[0107]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实
施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0108]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，便于具体和详细地理解本技术的技术方案，但并不能因此而理解为对发明专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本技术提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑的分析、推理或者有限的试验得到的技术方案，均在本技术所附权利要求的保护范围内。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料的组成包括含硅材料、含铝材料和硅酸钠，所述含硅材料为纯硅和/或碳化硅，所述含铝材料为纯铝和/或铝合金，所述含硅材料、所述含铝材料和所述硅酸钠的重量比为(1～2.5)：(2.5～4)：0.1。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述含硅材料、所述含铝材料和所述硅酸钠的重量比为(1.5～2)：(3～3.5)：0.1。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述含硅材料、所述含铝材料和所述硅酸钠的重量比为(1.8～2)：(3.2～3)：0.1。4.一种权利要求1～3任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述硅和/或碳化硅、铝金属和/或铝合金、所述硅酸钠球磨混合，成型，制备坯料；将所述坯料升温烧结，制备所述复合材料。5.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述升温烧结的步骤包括：以4℃/min～6℃/min的升温速率升温至300℃～400℃，进行第一阶段烧结；以4℃/min～6℃/min的升温速率升温650℃～750℃，进行第二阶段烧结。6.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述成型的工艺参数包括：模压压力为30mpa～80mpa。7.根据权利要求4～6任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅包括第一粒径sic粉体和第二粒径sic粉体；所述第一粒径sic粉体和第二粒径sic粉体具有如下特征中的一个或多个：(1)所述第一粒径sic粉体的粒径与所述第二粒径sic粉体的粒径比≥2；(2)所述第一粒径sic粉体的粒径为50μm～200μm；(3)所述第二粒径sic粉体的粒径为25μm～100μm；(4)所述第一粒径sic粉体的总体积与所述第二粒径sic粉体的总体积比为(0.5～1)：1。8.根据权利要求4～6任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝金属和/或铝合金的粒径为100μm～200μm。9.一种燃料电池电堆端板，其特征在于，包括权利要求1～3任一项所述的复合材料。10.一种燃料电池，其特征在于，包括权利要求9所述的燃料电池电堆端板。

技术总结
本申请提供的复合材料通过选用的含硅材料、含铝材料和硅酸钠的混合物，并在各组分合理配比的配合下，使其能够在满足各组分相容性的基础上，兼备较低的密度和较高的强度。可广泛地用作燃料电池电堆端板。泛地用作燃料电池电堆端板。泛地用作燃料电池电堆端板。


技术研发人员：崔龙 郭轩成 何仕豪 董宗瓒 张正兴 吴芳敏
受保护的技术使用者：一汽解放汽车有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/30