專利名稱：一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池制造領域中一種燃料電池關鍵零部件的制作方法，具體地說是一種質子交換膜燃料電池的碳極板，用一次模壓成型的方法，制作出帶有流場的碳極板的方法。
背景技術：
目前，全球石油、煤炭等不可再生能源資源日趨枯竭，由此引起的環(huán)境嚴重污染及直接影響國家經(jīng)濟發(fā)展、國防安全已是21世紀各國面臨的三大問題?，F(xiàn)階段，解決能源危機、解決環(huán)境污染，已經(jīng)成為中國和諧社會建設的重要戰(zhàn)略之一。為解決經(jīng)濟發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾，發(fā)展清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術已成為十分緊迫的任務。采用氫能源是當前世界公認的可代替石油能源的主要出路之一。氫是一種可儲藏運輸、燃點較高、可再生、熱值相當于汽油3倍的能源載體。21世紀將成為氫能的時代。美國、歐洲、日本等強國在制定其未來能源政策時，都把發(fā)展氫能作為一個主要方向，而燃料電池正是氫能時代的最佳能量轉換裝置。作為燃料電池燃料的氫可從煤炭、天然氣和石油中制取，也可從植物、生物排放物、太陽能、風能和電解水等過程中制取。因此隨著生產(chǎn)成本、可靠性、壽命等問題的逐步解決，燃料電池有望在近期進入商品化，可廣泛應用于移動電源、電動汽車、潔凈電站、航空航天和軍用艦船等各個方面。氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，近年來環(huán)境與能源備受關注，燃料電池與信息技術、生物技術一起被公認為全球可持續(xù)發(fā)展的三大支柱技術，是有重要影響的新技術。組成質子交換膜氫燃料電池的核心部件主要包括碳極板、質子交換膜、催化層和氣體擴散層等，其中碳極板的制備技術十分重要，而且其造價占燃料電池總成本的1/3以上，是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸之一。作為燃料電池的碳極板必須具有良好的導電性導熱性、化學穩(wěn)定性。采用純石墨做材料，制成碳板后進行切割浸漬樹脂，再用數(shù)控機床加工出流場的傳統(tǒng)方法，工藝非常繁雜，加工周期長，碳極板成本非常高。碳極板的其他工藝方法，如用C/C復合材料和真空注漿制成素坯，再進烘箱固化的方法；用柔性石墨模具成型后再浸漬的方法；用塑料注射劑注射石墨塑料板的方法等等，這些方法工藝仍然復雜，成本很高且碳極板的導電導熱性能都不理想。本發(fā)明的實施提供一種一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，將解決目前傳統(tǒng)方法中存在的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明是要提供一種工藝簡單、尺寸精度高、價格低廉并可規(guī)模化量產(chǎn)的質子交換膜燃料電池碳極板的一次模壓成型制備帶有流場碳極板的一種方法。一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法如下
根據(jù)燃料電池類型(內供氣型、外供氣型)和結構(氫氣空冷碳極板、氫氣水冷碳極板、空氣空冷碳極板)的要求，設計出將碳極板上所需要的各種流道流場、密封槽、氣孔等一次壓制出來的金屬模具并加工制造。將所設計好的模具安裝在一臺壓機上，調整模具平面和壓機壓力面的平行度，設定壓力大小調整到40-80Mpa，加熱金屬模具的溫度要在 150-210°C，金屬模具處于熱狀態(tài)；原料是一種由高導電的碳粉、碳纖維或石墨粉與樹脂組成，上述金屬模具的加熱溫度由其中的樹脂的固化溫度所決定，是一種熱固性材料。按碳極板所需料重量的1.02% -1.05%稱料，將稱好的料快速放入已預熱的金屬模具中，啟動壓機壓制，合模后保持壓力20-50秒樹脂固化，開啟模具，模具的頂出機構將碳極板胚料頂出模腔，一次成型的碳極板胚完成壓制。一次成型帶有流場的碳極板其成品只需平面磨加工清除碳極板表面不導電的樹脂部分而不需要像傳統(tǒng)方法對流場的機械加工。壓制成功的帶有流場的碳極板出模后，經(jīng)過修邊去除毛刺等處理，送到磨加工工段對其上下兩平面進行表面磨削加工，去除由于在壓制加工過程中產(chǎn)生的溢到表面的不導電樹脂，一塊高尺寸精度、高質量的帶有流場的碳極板加工全部完成。本發(fā)明省去了原碳極板加工工藝中的石墨培燒、石墨化處理、浸漬、切割、雕刻或銑床等加工，使帶有流場的碳極板加工工藝變得十分簡單，工藝過程非常簡短，更適合于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)，成本大幅度下降，只有原來成本的五分之一，經(jīng)濟效益顯著。
具體實施例方式實施例1 根據(jù)內供氣型燃料電池的需要，制造結構為氫氣/空冷碳極板和空氣/空冷碳極板，碳極板將按上述所需設計并制備出帶有流道流場、密封槽、氣孔等一次壓制出來的金屬模具。將所設計好的模具安裝在選定的壓機上，調整模具平面和壓機壓力面的平行度，設定壓力大小調整到50Mpa，加熱金屬模具的溫度到200°C，金屬模具處于熱狀態(tài)；原料是一種由高導電的碳粉、碳纖維或石墨粉與樹脂組成的，上述金屬模具的加熱溫度由其中的樹脂的固化溫度所決定，是一種熱固性材料。按碳極板所需料重量的1. 02% -1. 05%即21克稱料兩份，將稱好的料快速放入已預熱的一對金屬模具中，啟動壓機壓制，合模后保持壓力45 秒樹脂固化，開啟模具，模具的頂出機構將碳極板胚料頂出模腔，兩塊一對一次成型的碳極板胚完成壓制。壓制成功的帶有流場的碳極板出模后，經(jīng)過修邊去除毛刺等處理，送到磨加工工段對其上下兩平面進行表面磨削加工，去除由于在壓制加工過程中產(chǎn)生的溢到表面的不導電樹脂，兩塊一對高尺寸精度、高質量的帶有流場的碳極板加工全部完成。實施例2根據(jù)外氣型燃料電池的需要，制造結構為氫氣空冷碳極板，碳極板將按上述所需設計并制備出帶有流道流場、密封槽、氣孔等一次壓制出來的金屬模具。將所設計好的模具安裝在選定的壓機上，調整模具平面和壓機壓力面的平行度，設定壓力大小調整到75Mpa， 加熱金屬模具的溫度到170°C，金屬模具處于熱狀態(tài)；原料是一種由高導電的碳粉、碳纖維或石墨粉與樹脂組成的，上述金屬模具的加熱溫度由其中的樹脂的固化溫度所決定，是一種熱固性材料。按碳極板所需料重量的1. 02% -1. 05%即43克稱料，將稱好的料快速放入已預熱的金屬模具中，啟動壓機壓制，合模后保持壓力25秒樹脂固化，開啟模具，模具的頂出機構將碳極板胚料頂出模腔，一次成型的碳極板胚完成壓制。 壓制成功的帶有流場的碳極板出模后，經(jīng)過修邊去除毛刺等處理，送到磨加工工段對其上下兩平面進行表面磨削加工，去除由于在壓制加工過程中產(chǎn)生的溢到表面的不導電樹脂，一塊高尺寸精度、高質量的帶有流場的碳極板加工全部完成。
權利要求
1.一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，其特征在于該方法利用根據(jù)燃料電池類型結構的要求設計的金屬模具，一次模壓成型制成帶有流場的碳極板。
2.根據(jù)權利要求1所述的一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，其特征在于所設計的不同的金屬模具，可壓制出不同結構的碳極板。
3.根據(jù)權利要求1所述的一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，其特征在于壓制成型的壓機壓力為40-80MPa，且保壓20-60秒。
4.根據(jù)權利要求1所述的一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，其特征在于壓模需要加熱，加熱溫度在150-210°C。
5.根據(jù)權利要求1所述的一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，其特征在于所用原料為碳粉、碳纖維與熱固性樹脂的混合物。
6.根據(jù)權利要求1所述的一次模壓成型帶有流場的碳極板的制作方法，其特征在于成型后碳極板胚，只需清理或磨去碳表面上導電不良的樹脂部分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一次壓制成型帶有流場的碳板的方法，根據(jù)燃料電池結構對流場板流場的要求，設計出一次壓制成型的壓制模具并安裝在液壓機上，根據(jù)所壓碳板面積設定液壓機壓力為40～120MPa，模具加熱溫度為160～210℃，將已混煉好的、用于制備帶有流場碳板的碳粉、碳纖維及樹脂原料，放入一次成型所需要的量，快速啟動壓機壓制，保壓10～60秒成型。開模清理飛邊后即得到帶有流場的碳極板成品。該工藝極大簡化了燃料電池碳極板需要機械加工的程序，大大提高了尺寸精度和產(chǎn)品質量，降低了制作成本，為燃料電池的工業(yè)化及規(guī)模化生產(chǎn)奠定了良好的基礎。
文檔編號H01M4/88GK102237532SQ20101015633
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月27日 優(yōu)先權日2010年4月27日
發(fā)明者沈建躍 申請人:蘇州氫潔電源科技有限公司