用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺

权利要求书： 1.用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：选取粒度大于150目的细颗粒鳞片为原料，在其中多次加入不同重量比的浓硫酸和双氧水，依次充分搅拌混合进行梯度插层反应；

步骤二：将步骤一中得到的物料通过机械筛分分为粗颗粒和细颗粒，再将筛分好的物料通过气流分级机进行气流分级，将气流分级后粒度大于80目的送入粉碎机进行机械粉碎，然后再次进行气流分级；

步骤三：开动送料风机将分级后粒度小于80目的物料送入膨化炉进行膨化，膨化温度为800℃?1200℃，在石墨的膨化过程中进行蒸排脱硫；

步骤四：对步骤三中得到的物料为原料采用二级气料分离装置对物料进行高温多级气固分离，石墨颗粒与有害气体在二级气料分离装置内在高温环境下先进行静置预分离，然后进行旋风式分离，在分离装置的出料口出采用双旋风下料，石墨在两个旋风出口处相互交杂，流量互补，使得石墨平堆密布在压辊台上；

步骤五；在滚压台上进行初压，压制成柔性石墨板材，通过辊筒压制柔性石墨板的表面形状，然后定型；

步骤六：采用数控高精度锯片切割机床对步骤五中得到的柔性石墨板进行切割，并且采用负压除屑装置进行除屑，最终得到用于氢燃料电池的柔性石墨板；

步骤四中所述的二级气料分离装置包括进料管路、主分离器、排气管和下料管路，所述进料管路一端与膨化炉的出料口连通，另一端与所述主分离器连通，所述排气管与所述主分离器连通，进气管路上设置有预分离器，与预分离器相连通的上游管路上设有管路保温组件，所述进料管路上旁通有返料管，所述返料管上设有返料风机，所述返料管与所述排气管连通，所述下料管路与所述主分离器和预分离器连通。

2.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，所述步骤一中采用的双氧水浓度范围为25?45%，重量比为5%?20%，采用的硫酸浓度范围为95%?

98%，重量比范围为150%?500%。

3.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，所述主分离器包括两个分离筒体，所述进料管路上设有进料分配口，所述进料管路与两个所述的分离筒体均通过进料分配口连通，所述分离筒体的外壁呈圆台形，所述分离筒体内设有下料通道，所述下料通道螺旋向下布置在所述分离筒体的外壁上，两个所述分离筒体的下料通道均与所述下料管路连通。

4.根据权利要求3所述的用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，所述下料管路上设有角度可调的分筛器。

5.根据权利要求3所述的用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，所述下料通道上设有不规则排布的梳料刀片。

6.根据权利要求1?5中任意一项所述的用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，步骤一中的梯度插层反应具体包括如下步骤：S1：选取粒度为+100目的鳞片石墨1份，加入重量比2份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.1份浓度为30%的双氧水，继续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；

S2：取S1中得到的干燥物料1份，加入重量比3份的98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；测试膨胀率；

S3：取S2中得到干燥物料1份，加入重量比4份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于

1%；测试膨胀率。

7.根据权利要求1所述的用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺，其特征是，所述步骤五中采用辊压机对石墨板进行表面花纹压制，所述辊压机的压辊表面套设有橡胶浇铸而成的压制模板。

说明书： 用于氢燃料电池双极板的柔性石墨制造工艺技术领域[0001] 本发明涉及燃料电池双极板制备技术领域，尤其是涉及用于氢燃料电池的柔性石墨双极板制造工艺。背景技术[0002] 在节能环保的大背景下，清洁、可持续发展能源成为我们重点发展的能源技术。燃料电池由于其发电效率高、环境污染少等诸多优点，逐渐应用于航空航天、电动汽车等领域，具有广泛的应用前景。氢燃料电池是燃料电池的一种，由于其原料是氢气，产物是水和二氧化碳，不存在环境污染的问题而逐渐受到关注。氢燃料电池的核心部件之一是双极板。双极板是由两块电极板，中间夹着质子交换膜组成，其中电极板起着支撑氧化剂与还原剂并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的作用。氢气和氧气的氧化还原反应就是在整个双极板中完成，反应产生的热量必须要及时的导出去以保证电池的正常工作，因此双极板不但要求有较好的导电性，还要求有很好的导热性能，同时为了提高氢气和氧气的利用率，双极板的重要重要功能之一是作为气体流场，需要压制流道和电源输出线路，而在流道压制过程中需要保证流道的清晰、光滑而且没有堵塞等缺陷。而现有技术的柔性石墨双极板制造工艺存在插层反应后的可膨胀石墨团聚、粒度分布过宽带来的原料利用率低；同时存在插层时间段，形成层间化合物为混合阶，影响石墨原料的膨胀率。

[0003] 另一方面，由于石墨基材料在高温1000摄氏度以上膨化过程中其体积酸碱膨胀，在此期间会释放大量的气体，这些气体中含有大量的化学插层处理中引入的有害元素例如硫元素和卤族元素，这些有害元素如果不能及时和石墨蠕虫分离，则石墨蠕虫庞大的比表面会吸附大量的有害元素，进而造成加工时严重影响石墨材料的各项性能，更严重的是，有害元素会对后续加工的造成影响，例如造成后续反应的催化剂失效等等。目前现有的柔性石墨膨化工艺中有些直接没有气料分离步骤，造成柔性石墨板材具有大量有害元素，硫含量超标等的技术问题。[0004] 关于柔性石墨板的制备，由于双极板对于均匀性、尺寸精度、表面形态和表面清洁度均具有较高的要求，在石墨板压制时需要考虑石墨板整体的均匀性和表面形态，而在石墨板裁切时需要将石墨板表面的清洁程度和尺寸的精度。[0005] 例如中国专利公开号为CN1225049C，授权公告日为2005年10月26日，名称为“一种柔性石墨双极板的制备方法”，公开了一种柔性石墨双极板的制备方法，属于燃料电池双极板制备技术领域。其特征在于：整个双极板是由石墨蠕虫组成，并且利用浸渍和直接添加的方法在蠕虫中混和少量添加剂，或者利用直接涂抹的方法在双极板表面形成薄膜。具体制备方法是将石墨蠕虫填加入模具中，采用模压或辊压的方法直接成型或分步成型双极板，成型压力为30～100MPa。本发明制备的燃料电池双极板密度为1.2～1.7g/cm3，厚度为1.0～3.0mm。其在制备时，并未考虑到石墨蠕虫是轻质、易粘附的材料，切割过程中的石墨屑极易粘附在石墨板的表面，且清理困难，有可能造成后续工艺的失效，并且采用辊压的方法需要在金属辊筒表面进行金属加工，而在实际使用过程中在金属辊筒表面加工较为困难，成本高。[0006] 再例如中国专利公开号为CN100468838C，公开日为2009年03月11日，名称为“一种柔性石墨双极板的制备方法”，公开了一种燃料电池用柔性石墨材料两面带沟槽极板的制造方法，该发明采用以天然鳞片石墨为原料采用浓硫酸作为插层剂，浓硝酸、双氧水、高锰酸钾或氯酸钾作为氧化剂反应后水洗生成石墨残余化合物，即可膨胀石墨；其中天然鳞片石墨与浓硫酸的重量比为1∶3，氧化剂与浓硫酸的重量比为5：95～10∶90。采用该方法进行插层反应仅为一次插层反应，由于反应时间短，形成的层间化合物为混合阶，影响石墨原料的膨胀率。同时采用含有重金属离子的化学原料，不符合环保要求。发明内容[0007] 本发明的第一发明目的是为了克服现有技术中细颗粒鳞片原料膨胀率不高，反应不充分的不足。[0008] 本发明的第二发明目的是为了克服现有技术中可膨胀石墨原料存在团聚、原料利用率低的问题。[0009] 本发明的第三发明目的是为了克服现有技术中石墨原料膨化后存在大量的硫元素、卤族元素及重金属离子等有害元素，影响后续工艺和石墨板的品质的问题。[0010] 为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：[0011] 用于氢燃料电池的柔性石墨双极板制造工艺，包括以下步骤：[0012] 步骤一：选取粒度大于150目的细颗粒鳞片为原料，在其中多次加入不同重量比的浓硫酸和双氧水，依次充分搅拌混合进行梯度插层反应；[0013] 步骤二：将步骤一中得到的物料通过机械筛分分为粗颗粒和细颗粒，再将筛分好的物料通过气流分级机进行气流分级，将气流分级后粒度大于80目的送入粉碎机进行机械粉碎，然后再次进行气流分级；[0014] 步骤三：开动送料风机将分级后粒度小于80的物料送入膨化炉进行膨化，膨化温度为800℃?1200℃，在石墨的膨化过程中进行蒸排脱硫；[0015] 步骤四：对步骤三中得到的物料为原料采用二级气料分离装置对物料进行高温多级气固分离，石墨颗粒与有害气体在二级气料分离装置内在高温环境下先进行静置预分离，然后进行旋风式分离，在分离装置的出料口出采用双旋风下料，石墨在两个旋风出口处相互交杂，流量互补，使得石墨平堆密布在压辊台上；[0016] 步骤五；在滚压台上进行初压，压制成柔性石墨板材，通过辊筒压制柔性石墨板的表面形状，然后定型；[0017] 步骤六：采用数控高精度锯片切割机床对步骤五中得到的柔性石墨板进行切割，并且采用负压除屑装置进行除屑，最终得到用于氢燃料电池的柔性石墨板。[0018] 上述方案中，在本发明的步骤一中创造性的采用了“机械筛分+气流分级+机械粉碎+气流分级”的组合工艺，解决了插层反应后石墨原料团聚问题和石墨原料粒度分布过宽而导致的与原料利用率低的问题。采用浓硫酸作为插层剂，双氧水作为氧化剂，而并非采用常规的重金属离子和腐蚀性离子的插层剂和氧化剂，可以减少对环境和产品使用的危害。对膨化后的物料进行气料分离，减少有害元素如硫元素等附着在物料上对后续工艺产生影响。采用数控高精度锯片和负压除屑的组合，在切割过程中尺寸控制精确，并对切割后的石墨屑进行负压除屑，解决了尺寸精度要求高，石墨蠕虫易粘附的问题。

[0019] 作为优选，所述步骤二中采用的双氧水浓度范围为25?45%，重量比为5%?20%，采用的硫酸浓度范围为95%?98%，重量比范围为150%?500%。[0020] 作为优选，步骤四中所述的气料分离装置为二级气料分离装置，所述二级气料分离装置包括进料管路、主分离器、排气管和下料管路，所述进料管一端与膨化炉的出料口连通，另一端与所述主分离器连通，所述排气管与所述主分离器连通，所述下料管路与所述主分离器和预分离器连通，所述进气管路上设置有预分离器，所述与分离器的上游管路上设有管路保温组件，所述进料管路上旁通有返料管，所述返料管上设有返料风机，所述返料管与所述排气管连通。[0021] 上述方案中，由于在进气管路上设置了预分离器并且预分离器的上游管路上设有管路保温装置，管路保温装置可以是具有隔热性能的隔热材料制成的保护层或者是具有充斥有冷媒换热盘管与隔热外壳的组合，换热盘管中的冷媒可以与膨化炉形成热交换或者其他保温措施，本领域技术人员可根据实际的需求可情况自行选择，采用管路保温装置使得膨化后的原料被输送出膨化炉后能够继续保持高温状态，使得释放的有害气体尽可能维持其气态，然后再进入预分离器中，对原料与有害气体的混合物进行静置物理沉降，由于膨化后的石墨材料为固体颗粒，可以将较大的固体石墨原料沉降下来，同时，由于有害气体为气态，会逐渐上升与原料形成初步的分层，将其中沉降的石墨原料进行分离，同时也为进入主分离器的气料混合物进行了预分离，减小了主分离器的分离负载，有利于提高分离效率和分离效果。所述进料管路上旁通有返料管，所述返料管上设有返料风机。通过返料风机对返料进行分离，使得分离更加彻底。[0022] 作为优选，所述主分离器包括两个分离筒体，所述进料管路上设有进料分配口，所述进料管路与两个所述的分离筒体均通过进料分配口连通，所述分离筒体的外壁呈圆台形，所述分离筒体内设有下料通道，所述下料通道螺旋向下布置在所述分离筒体的外壁上，两个所述分离筒体的下料通道均与所述下料管路连通。采用上述结构可实现分离装置的双旋风下料，双旋风下料能够很好的形成流量互补。[0023] 作为优选，所述下料管路上设有角度可调的分筛器。分筛器使得从分离筒体落下的物料能够均匀的平堆密布在压辊台上，为压制而成的柔性石墨板的密度均匀性奠定基础。[0024] 作为优选，所述下料通道上设有不规则排布的梳料刀片。[0025] 作为优选，步骤一中的梯度插层反应具体包括如下步骤：[0026] S1：选取粒度为+100目的鳞片石墨1份，加入重量比2份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.1份浓度为30%的双氧水，继续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；[0027] S2：取S1中得到的干燥物料1份，加入重量比3份的98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；测试膨胀率；[0028] S3：取S2中得到干燥物料1份，加入重量比4份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；测试膨胀率。[0029] 作为优选，所述步骤五中采用辊压机对石墨板进行表面花纹压制，所述辊压机的压辊表面套设有橡胶浇铸而成的压制模板。[0030] 本发明的有益效果是：（1）插层反应彻底，石墨原料膨化率高；（2）插层反应后可膨化石墨团聚现象少，原料利用率高；（3）膨化后的有害气体附着少，气料分离效果好。附图说明[0031] 图1是本发明的一种二级气料分离装置的结构示意图。[0032] 图中：进料管路1、返料管11、返料风机12、主分离器2、排气管3、预分离器4、管路保温装置5。具体实施方式[0033] 为使本发明技术方案实施例目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚地解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，而不是全部实施例。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。[0034] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本方案，而不能解释为对本发明方案的限制。[0035] 参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。[0036] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是表示一个或者多个。[0037] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体:可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0038] 实施例1：用于氢燃料电池的柔性石墨双极板制造工艺，具体步骤如下：[0039] 步骤（1）：选取粒度大于150目的细颗粒鳞片为原料，在其中多次加入不同重量比的浓硫酸和双氧水，依次充分搅拌混合进行梯度插层反应。[0040] 步骤（2）：将步骤一中得到的物料通过机械筛分分为粗颗粒和细颗粒，再将筛分好的物料通过气流分级机进行气流分级，将气流分级后粒度大于80目的送入粉碎机进行机械粉碎，然后再次进行气流分级。[0041] 步骤（3）：开动送料风机将分级后粒度小于80目的物料送入膨化炉进行膨化，膨化温度为1000℃，在石墨的膨化过程中进行蒸排脱硫。[0042] 步骤（4）：对步骤（3）中得到的物料为原料采用二级气料分离装置对物料进行高温多级气固分离，石墨颗粒与有害气体在二级气料分离装置内在高温环境下先进行静置预分离，然后进行旋风式分离，在分离装置的出料口出采用双旋风下料，石墨在两个旋风出口处相互交杂，流量互补，使得石墨平堆密布在压辊台上；其中，如图1所示，所述二级气料分离装置包括进料管路1、主分离器2、排气管3和下料管路，所述进料管一端与膨化炉的出料口连通，另一端与所述主分离器连通，所述排气管与所述主分离器连通，所述进气管路上设置有预分离器4，所述与分离器的上游管路上设有管路保温组件5，所述进料管路上旁通有返料管11，所述返料管上设有返料风机12，所述返料管与所述排气管连通，所述下料管路与所述主分离器和预分离器连通；进一步的，所述主分离器包括两个分离筒体，所述进料管路上设有进料分配口，所述进料管路与两个所述的分离筒体均通过进料分配口连通，所述分离筒体的外壁呈圆台形，所述分离筒体内设有下料通道，所述下料通道螺旋向下布置在所述分离筒体的外壁上，两个所述分离筒体的下料通道均与所述下料管路连通；进一步的，所述下料管路上设有角度可调的分筛器；进一步的，所述下料通道上设有不规则排布的梳料刀片。[0043] 步骤（5）；在滚压台上进行初压，压制成柔性石墨板材，通过辊筒压制柔性石墨板的表面形状，然后定型；其中，采用辊压机对石墨板进行表面花纹压制，所述辊压机的压辊表面套设有橡胶浇铸而成的压制模板；采用辊压机配合压制模板在石墨板表面压制成特定构造的表面结构。[0044] 步骤（6）：采用数控高精度锯片切割机床对步骤（5）中得到的柔性石墨板进行切割，并且采用负压除屑装置进行除屑，最终得到用于氢燃料电池的柔性石墨板。[0045] 采用上述工艺生产用于氢燃料电池双极板的柔性石墨具有以下好处：采用了“机械筛分+气流分级+机械粉碎+气流分级”的组合工艺，解决了插层反应后石墨原料团聚问题和石墨原料粒度分布过宽而导致的与原料利用率低的问题。采用浓硫酸作为插层剂，双氧水作为氧化剂，而并非采用常规的重金属离子和腐蚀性离子的插层剂和氧化剂，可以减少对环境和产品使用的危害。对膨化后的物料进行气料分离，减少有害元素如硫元素等附着在物料上，对后续工艺产生影响。采用数控高精度锯片和负压除屑的组合，在切割过程中尺寸控制精确，并对切割后的石墨屑进行负压除屑，解决了尺寸精度要求高，石墨蠕虫易粘附的问题。[0046] 更重要的，采用二级气料分离装置进行高温分级气料分离，由于在进气管路上设置了预分离器并且预分离器的上游管路上设有管路保温装置，管路保温装置可以是具有隔热性能的隔热材料制成的保护层或者是具有充斥有冷媒换热盘管与隔热外壳的组合，换热盘管中的冷媒可以与膨化炉形成热交换或者其他保温措施，本领域技术人员可根据实际的需求可情况自行选择，采用管路保温装置使得膨化后的原料被输送出膨化炉后能够继续保持高温状态，使得释放的有害气体尽可能维持其气态，然后再进入预分离器中，对原料与有害气体的混合物进行静置物理沉降，由于膨化后的石墨材料为固体颗粒，可以将较大的固体石墨原料沉降下来，同时，由于有害气体为气态，会逐渐上升与原料形成初步的分层，将其中沉降的石墨原料进行分离，同时也为进入主分离器的气料混合物进行了预分离，减小了主分离器的分离负载，有利于提高分离效率和分离效果。同时，采用双分离筒和进料分配口的组合，进料分配口中有气流分隔板将进料分为多道气流，进行多气流旋风分离，多道气流能够增加进料中石墨颗粒间的撞击，这是由于离心力的不同而产生的石墨颗粒甩出速度的差异，增强分离效果，管路保温装置这维持了膨化后物料的温度，使得在分离装置内形成高温场，膨化后产生的有害元素大量为气体形态，如此可维持有害元素气体形式，并利用气固分离原理进行有害元素的强制分离，分离效果好。而所述进料管路上旁通有返料管，所述返料管上设有返料风机。通过返料风机对返料进行分离，使得分离更加彻底。采用双旋风下料能够很好的形成流量互补，分筛器使得从分离筒体落下的物料能够均匀的平堆密布在压辊台上，为压制而成的柔性石墨板的密度均匀性奠定基础。[0047] 实施例2，本实施例的其余部分参照实施例1，其不同之处在于步骤一中的梯度插层反应具体包括如下步骤：[0048] 步骤S1：选取粒度为+100目的鳞片石墨1份，加入重量比2份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.1份浓度为30%的双氧水，继续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；[0049] 步骤S2：取步骤S1中得到的干燥物料1份，加入重量比3份的98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%，测试膨胀率150ml/g；[0050] 实施例3,：本实施例的其余部分参照实施例1，其不同之处在于步骤一中的梯度插层反应具体包括如下步骤：[0051] 步骤S1：选取粒度为+100目的鳞片石墨1份，加入重量比2份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.1份浓度为30%的双氧水，继续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%；[0052] 步骤S2：取步骤S1中得到的干燥物料1份，加入重量比3份的98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%，测试膨胀率150ml/g；[0053] 步骤S3：取步骤S2中得到干燥物料1份，加入重量比4份98%的浓硫酸，混合搅拌30分钟，再加入重量比0.15份浓度35%的双氧水，持续搅拌60分钟；清水洗涤至中性，脱水、干燥至水分小于1%，测试膨胀率200ml/g。[0054] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。