專利名稱：一種燃料電池用雙極板的制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池用雙極板的制造工藝，通過模壓石墨雙極板及其制造工藝，具體的說就是通過適當比例的膨脹石墨/樹脂/第三組分，采用合理的工藝方法，一次成型制造燃料電池雙極板。
背景技術(shù)：
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是將燃料(氫氣)和空氣中的氧氣進行化學反應(yīng)將化學能轉(zhuǎn)變成電能。它的基本原理是在陽極側(cè)通入燃料(H2),在陰極側(cè)通入氧化劑(O2或者空氣)，并使之分別在催化劑的作用下發(fā)生電化學反應(yīng)，產(chǎn)生電能，其反應(yīng)產(chǎn)物只有水，對環(huán)境無污染。在燃料電池正常工作時，內(nèi)部的燃料、氧化劑與冷卻液必須通過雙極板有效地進行運送與分隔開來。在質(zhì)子交換膜燃料電池的主要部件中，雙極板不僅在重量上，也在體積上和成本上占據(jù)著重要部分。比如在成本方面，如果采用天然石墨作為雙極板，其材料及制造成本將占整個電堆的10 30%。雙極板不僅是將單電池串聯(lián)起來組裝成電池堆的關(guān)鍵部件，而且還需將反應(yīng)氣體導入催化層并傳導反應(yīng)產(chǎn)生的電流，同時還擔負起整個電池的散熱和排水功能。因此雙極板質(zhì)量的好壞將直接決定燃料電池堆性能的優(yōu)劣和使用壽命的長短。一般地，質(zhì)子交換膜燃料電池運行在60 80°C溫度、pH2 3的酸度、80 100%相對濕度，并具有一定電勢的環(huán)境中。相對苛刻的工況條件要求雙極板不但要具有優(yōu)異的導電導熱性、一定的機械強度、良好的化學穩(wěn)定性、耐氣體滲透性，而且還必須具備材料成本低、易加工、良好的尺寸穩(wěn)定性等。因此，高性能、低成本的雙極板的開發(fā)，對于促進燃料電池的商業(yè)化顯得非常重要?，F(xiàn)在對于雙極板的研究已經(jīng)包括金屬板、純石墨板和復合材料板三大類。其中，金屬板具有良好的導電導熱性，減薄至0.1mm也不漏氣，并且氣體流道可沖壓成型，易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，這有利于體積比功率的提升和制造成本的下降。但是，金屬雙極板的成型模具精度要求高，成本也高；必須對金屬基材，尤其是表面進行特殊處理以提高其化學穩(wěn)定性，否則易出現(xiàn)金屬板腐蝕甚至銹穿，導致電池的使用壽命縮短甚至發(fā)生災難性的破壞。還有現(xiàn)在雖然純石墨板具有良好的導電導熱性、化學穩(wěn)定性，純石墨板一般米用傳統(tǒng)的機加工方法加工流道，流道就不能太窄(比如不能低于0.7mm)。因為如果流道過窄，加工刀具在加工過程中的磨損所引起的尺寸誤差將不能容忍；此外，機加工過程耗時也很長,生產(chǎn)效率不高,這些都導致雙極板的加工成本偏高,甚至超過材料成本；另一方面,純石墨板性脆，其內(nèi)部孔隙的存在導致其易漏氣，必須保持一定的厚度以保證其氣密性，這就制約了電堆體積比功率和重量比功率的提升，所以尋求更好的制作工藝與方法，是燃料電池商業(yè)化的必經(jīng)之路?，F(xiàn)在也有不少這方面的研究，其中各種類型的復合材料，比如金屬/石墨復合板、天然石墨/樹脂復合板及膨脹石墨(EG) /樹脂復合板等都在被實驗當中。由于膨脹石墨在具備天然石墨優(yōu)良耐蝕性與導電導熱性的同時，由于其體積急劇膨脹和壓縮后易形成致密的層狀結(jié)構(gòu)，膨脹石墨還具有易于成型、高阻氣率和不易粉化、不易溶出金屬離子等優(yōu)點。所以有想把膨脹石墨/樹脂/第三組份進行合理比例的混合制備出滿足需求的燃料電池雙極板。專利申請?zhí)枮?00710052762.6的專利公開了一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池中的雙極板及其制備方法。膨脹石墨基復合材料雙極板，其特征在于它由兩層膨脹石墨材料和一張中間層碳布或碳紙放入帶有氣體流場的雙極板模具中模壓而成；所述的膨脹石墨材料，以及碳布或碳紙，預先用固含量為10_50WT%的熱塑性樹脂的乳液或溶液浸潰；所述的膨脹石墨材料為蠕蟲狀石墨。該發(fā)明因為增加了中間層碳布或碳紙，使得其垂直方向的電導率可能不能滿足燃料電池對于雙極板的性能需求。專利號為200910072406.X的專利公開了一種膨脹石墨/酚醛樹脂復合材料雙極板及其制備方法，它涉及一種雙極板及其制備方法。本發(fā)明解決了質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板導電性差、機械性能差問題。本發(fā)明雙極板由膨脹石墨、熱塑性酚醛樹脂和六次甲基四胺制成，方法如下:將膨脹石墨與熱塑性酚醛樹脂的水溶液混合、過濾，然后將濾渣干燥后與六次甲基四胺球磨混合，再加入模具中模壓，然后減壓、升溫，再保溫模壓、脫模，即得膨脹石墨/酚醛樹脂復合材料雙極板。專利申請?zhí)枮?00810246970.4的專利公開了一種質(zhì)子交換膜燃料電池柔性石墨復合雙極板的制備方法，包括用柔性石墨板制作陽極流場、陰極流場及水板，并將它們與密封框和分割板組裝成雙極板。方法是先將低密度柔性石墨板材，在真空下預壓成密度為0.65-0.75G/CM3的板材，后在低粘度樹脂溶液中真空浸潰，經(jīng)表面處理并烘干后，在真空條件下輥壓或模壓出流場，固化后得到聚合物/柔性石墨復合板制成的流場和水板。最后，將用聚合物/柔性石墨復合板制成的流場和水板與密封框和分割板組合成雙極板。上兩種發(fā)明是一種濕法工藝，該法有利于樹脂與膨脹石墨的相互分散和均勻混合。但濕混法的缺陷也是顯而易見的，因為引入的溶劑必須在后續(xù)樹脂固化工序中揮發(fā)去除。這一方面會增加操作時間，不利于產(chǎn)能提高；同時還會惡化操作環(huán)境，甚至危害工人健康；更為嚴重的是，溶劑在揮發(fā)過程中，會在膨脹石墨中留下孔道，使復合板的孔隙率上升，這就增加了產(chǎn)品的漏氣率；即使這種孔隙率是在可以容忍的范圍，如果固化過程不夠緩慢，還會導致復合板中出現(xiàn)氣泡和裂隙。專利申請?zhí)枮?00810014872.8的專利公開了一種導電復合材料及其制備工藝，尤其是涉及環(huán)氧、酚醛混合樹脂/石墨基導電復合材料及其制備工藝。其材料配方質(zhì)量比為:石墨材料:70-90%，環(huán)氧樹脂:0-24%，酚醛樹脂:30-2%。制備工藝為:(I)按質(zhì)量百分比備料環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂與石墨；(2)混合磨碎環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和石墨，獲得細化、均勻的混合粉體，粒度在100目到180目之間；(3)將混合粉體裝入模壓成型模具中，熱壓燒結(jié)成型，成型溫度為180-310°C，成型壓力為10-40MPA，保溫保壓時間為30-120MIN。該專利的想法是采用干法工藝來進行雙極板的生產(chǎn)，但需要提供雙極板的導電性問題。最簡單的干混法可米用文獻[S.R.Dhakate, etal.1nt.J.Hydrogen Energy, 2008,33:7146]和[S.1.Heo, et al.J.Power Sources, 2007,171:396]描述的研磨法。然而，由于蠕蟲狀的膨脹石墨的密度只是天然石墨的數(shù)百分之一，且極易破碎，如果只是將膨脹石墨與樹脂進行簡單的研磨混合，很難達到良好的混合效果且耗時較長，膨脹石墨也會部分乃至完全碎斷，失去原來的蠕蟲狀結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種燃料電池用雙極板的制造工藝，利用膨脹石墨為碳基材料，樹脂粉末為粘接劑，在復合材料制備中加入炭黑，小的炭黑顆粒幫助在石墨顆粒之間形成傳導通道，增加電導率，碳纖維合并入復合雙極板會產(chǎn)生很好的彎曲強度。這樣經(jīng)過合理的復合可制備一種具備良好耐蝕性、導電導熱性、阻氣性與機械強度，成本低廉的燃料電池雙極板。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種燃料電池用雙極板的制造工藝，包括以下步驟:I)將研磨篩分過后的滿足粒徑需求的樹脂粉末70 90wt%與炭黑或碳纖維10 30wt%進行干混，并達到混合均勻的程度；2)之后把適當比例均勻混合炭黑或碳纖維的樹脂30 50wt%與現(xiàn)制的膨脹石墨50 70wt%進行比例混合；3)將混合好的膨脹石墨、樹脂、炭黑或碳纖維的混合料壓制成預壓板，預壓板的厚度為3 7mm,密度為0.2 1.0g/cm3 ；4)將制備好的光面預壓板裝入帶有成型流道模具內(nèi)，并將整體開始升溫預熱，當溫度達到目標后保溫預熱一段時間，使內(nèi)部的樹脂軟化，同時也是在模壓成型之前將預壓板內(nèi)的氣體排出來，防止模壓成型固化之后出現(xiàn)氣泡開裂；5)將預熱好的預壓板與模具整體轉(zhuǎn)移到模壓機平臺上，模壓成進一步帶流道的成型雙極板；6)當模壓成型之后，把整套模具用夾具夾住后放入固化爐中進行固化，固化成型之后使其自然冷卻，拆開模具取出固化成型的雙極板。作為本發(fā)明的進一步特征，所述步驟2)中，采用混料儀進行混合，混合時間10 30min，每次混合的量是按一份模壓雙極板的量進行混合的。作為本發(fā)明的進一步特征，所述步驟3)中，使用模壓機進行進行壓制，下壓速度的控制在I 4mm/min，當達到壓制厚度后進行保壓，保壓時間是10 20min，保壓壓強為IOMPa 30MPa，把混合料內(nèi)部的空氣盡量的排出。作為本發(fā)明的進一步特征，所述步驟5)中，下壓速度為0.5 lmm/min，下壓壓強為50MPa lOOMPa，保壓時間5 lOmin，之后將模具原位旋轉(zhuǎn)90度再次進行保壓，保壓時間是5 lOmin，壓力不變，之后再進行90度旋轉(zhuǎn)，進行第三次的保壓，保壓時間是5 IOmin，壓力不變，之后再旋轉(zhuǎn)90度進行第四次保壓，保壓時間是5 IOmin，壓力不變。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下有益效果:本發(fā)明的工藝方法將充分保持、利用膨脹石墨相互交聯(lián)構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并通過均勻混入拌有第三組份的樹脂粉未，制成具有良好的導電導熱性和柔性的燃料電池復合雙極板；該工藝是一種環(huán)保、高效、低成本的工藝。它的實現(xiàn)將可大幅提高雙極板的性能、耐久性，并降低材料加工成本。解決這些目前急需要解決的關(guān)鍵問題，對于質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化推廣將有重要意義


圖1為本發(fā)明的工藝流程中:
I是篩分之后的樹脂粉末2是炭黑/碳纖維3是混合均勻的樹脂、炭黑/碳纖維4是現(xiàn)制的膨脹石墨5是預壓板6是帶流道的模壓成型雙極板a是第一步混合b是第二步混合是并壓制成預壓板c進一步模壓成帶流道雙極板
具體實施例方式下面根據(jù)附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明:I)將研磨篩分過后的滿足粒徑需求的樹脂粉末(70 90wt%)與炭黑/碳纖維(10 30wt%)進行干混，務(wù)必達到混合均勻的程度；2)之后把適當比例均勻混合炭黑/碳纖維的樹脂(30 50wt%)與現(xiàn)制的膨脹石墨(50 70wt%)進行比例混合；用混料儀進行混合混合時間10 30min,每次混合的量不宜過多是按一份模壓雙極板的量進行混合的；3)將混合好的膨脹石墨、樹脂、炭黑/碳纖維的混合料壓制成具有一定厚度和形狀的預壓板，預壓板的厚度為3 7mm,密度為0.2 1.0g/cm3,預壓時應(yīng)注意模壓機下壓的距離與下壓時間，即下壓速度的控制好I 4mm/min，當達到壓制厚度后進行保壓，保壓時間是10 20min，保壓壓強為IOMPa 30MPa，這是為了把混合料內(nèi)部的空氣盡量的排出；4)將制備好的光面預壓板裝入帶有成型流道模具內(nèi)，并將整體開始升溫預熱，設(shè)定溫度是100 200°C，當溫度達到目標后保溫預熱一段時間，以便內(nèi)部的樹脂軟化，同時也是在模壓成型之前將預壓板內(nèi)的氣體排出來，防止模壓成型固化之后出現(xiàn)氣泡開裂；5)將預熱好的預壓板與模具整體轉(zhuǎn)移到壓機平臺上，模壓成進一步帶流道的成型雙極板，在下壓時為了保證模壓的精度，下壓速度與保壓時間都應(yīng)該嚴格控制；下壓速度為
0.5 lmm/min，下壓壓強為50MPa lOOMPa，保壓時間5 lOmin，之后將模具原位旋轉(zhuǎn)90度再次進行保壓，保壓時間是5 lOmin，壓力不變，之后再進行90度旋轉(zhuǎn)，進行第三次的保壓，保壓時間是5 lOmin，壓力不變，之后再旋轉(zhuǎn)90度進行第四次保壓，保壓時間是5 IOmin,壓力不變；6)當模壓成型之后，把整套模具用用夾具夾住后進行加緊，加緊壓力5MPa lOMPa，之后放入固化爐中進行固化，固化成型之后使其自然冷卻，拆開模具取出固化成型的雙極板。工藝當中樹脂為熱固型樹脂，其含量為20 50wt% ;所述膨脹石墨的含碳量大于99%，膨脹倍數(shù)為100 300 ;第三組份炭黑/碳纖維的含量為2 IOwt %。所述樹脂為環(huán)氧樹脂、聚丙烯酸樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂或氟碳樹脂；樹脂粉末的直徑為50 80 μ m。模壓成型板厚度為1.0 2.0mm,密度為1.0 2.0g/cm3。但是，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本專利，不能理解為是對本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用雙極板的制造工藝，其特征在于:包括以下步驟: 1)將研磨篩分過后的滿足粒徑需求的樹脂粉末70 90wt%與炭黑或碳纖維10 30wt%進行干混，并達到混合均勻的程度； 2)之后把適當比例均勻混合炭黑或碳纖維的樹脂30 50wt%與現(xiàn)制的膨脹石墨50 70wt%進行比例混合； 3)將混合好的膨脹石墨、樹脂、炭黑或碳纖維的混合料壓制成預壓板，預壓板的厚度為3 7mm,密度為 0.2 1.0g/cm3 ； 4)將制備好的光面預壓板裝入帶有成型流道模具內(nèi)，并將整體開始升溫預熱，當溫度達到目標后保溫預熱一段時間，使內(nèi)部的樹脂軟化，同時也是在模壓成型之前將預壓板內(nèi)的氣體排出來，防止模壓成型固化之后出現(xiàn)氣泡開裂； 5)將預熱好的預壓板與模具整體轉(zhuǎn)移到模壓機平臺上，模壓成進一步帶流道的成型雙極板； 6)當模壓成型之后，把整套模具用夾具夾住后放入固化爐中進行固化，固化成型之后使其自然冷卻，拆開模具取出固化成型的雙極板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造工藝，其特征在于:所述步驟2)中，采用混料儀進行混合，混合時間10 30min，每次混合的量是按一份模壓雙極板的量進行混合的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制造工藝，其特征在于:所述步驟3)中，使用模壓機進行壓制，下壓速度的控制在I 4mm/min，當達到壓制厚度后進行保壓，保壓時間是10 20min,保壓壓強為IOMPa 30MPa，把混合料內(nèi)部的空氣盡量的排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造工藝，其特征在于:所述步驟5)中，下壓速度為0.5 lmm/min,下壓壓強為50MPa lOOMPa，保壓時間5 lOmin，之后將模具原位旋轉(zhuǎn)90度再次進行保壓，保壓時間是5 lOmin，壓力不變，之后再進行90度旋轉(zhuǎn)，進行第三次的保壓，保壓時間是5 lOmin，壓力不變，之后再旋轉(zhuǎn)90度進行第四次保壓，保壓時間是5 lOmin，壓力不變。
全文摘要
本發(fā)明公開一種燃料電池用雙極板的制造工藝，其利用膨脹石墨為碳基材料，樹脂粉末為粘接劑，在復合材料制備中加入炭黑，小的炭黑顆粒幫助在石墨顆粒之間形成傳導通道，增加電導率，碳纖維合并入復合雙極板會產(chǎn)生很好的彎曲強度。這樣經(jīng)過合理的復合可制備一種具備良好耐蝕性、導電導熱性、阻氣性與機械強度，成本低廉的燃料電池雙極板。
文檔編號H01M4/88GK103117397SQ20131004342
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者顧榮鑫, 管俊生, 張超, 沈軍, 徐麟, 袁亦林, 李富國, 陳安定 申請人:昆山弗爾賽能源有限公司