專利名稱：燃料電池石墨雙極板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種燃料電池石墨雙極板的制作方法。
背景技術(shù)：
雙極板(Bipolar plate)是燃料電池的關(guān)鍵部件之一，它在電池中起到導(dǎo)電、隔離氫氣和氧氣/空氣、均勻輸送反應(yīng)氣體的重要作用。燃料電池雙極板目前主要采用石墨雙極板、金屬雙極板、復(fù)合雙極板和模壓石墨雙極板。目前廣泛采用的石墨雙極板重量約為電堆總重量的60% 70%，總成本達(dá)到60%。關(guān)于復(fù)合雙極板，專利CN1294669C公開(kāi)了一種制造方法，采用中間相碳顆粒為原材料，以碳纖維為增強(qiáng)材料，通過(guò)凝膠注模成型工藝一次成型為質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板。首先，配制凝膠注模用單體溶液，之后將中間相碳顆粒和碳纖維按比例加入到單體溶液中，攪拌均勻得到穩(wěn)定的漿料，然后將漿料澆注到帶有反向氣體流道的金屬模具中，保溫至單體與交聯(lián)劑完全反應(yīng)，得到雙極板素坯，之后將素坯烘干，燒結(jié)后，采用熱固性樹(shù)脂進(jìn)行封孔，最后將固化后的樹(shù)脂在高溫下炭化，即得到碳/碳復(fù)合材料雙極板。本發(fā)明制作的雙極板具有機(jī)械強(qiáng)度高、重量輕、導(dǎo)電性能好、長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o毒害與污染、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。專利CN1300875C公開(kāi)了一種芳香雙硫醚環(huán)狀低聚體和膨脹石墨制燃料電池雙極板及制法，利用價(jià)格低廉的膨脹石墨為填料填充熱開(kāi)環(huán)聚合的芳香雙硫醚環(huán)狀低聚體制造出納米復(fù)合材料前驅(qū)體，并用納米復(fù)合材料前驅(qū)體制成燃料電池雙極板，該雙極板具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，低的制造成本，簡(jiǎn)單的加工性，并具有良好的阻氣性能和抗開(kāi)裂性能。關(guān)于模壓石墨雙極板，一般選取熱固性樹(shù)脂或熱塑性樹(shù)脂作為粘結(jié)劑(如環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、密胺樹(shù)脂、芳香族液晶聚合物等)，以碳材料為導(dǎo)電基體，通過(guò)模壓法或注模法成型，流場(chǎng)可以在成型過(guò)程中直接獲得，加工工藝適于批量生產(chǎn)，具有金屬雙極板和石墨雙極板的雙重優(yōu)點(diǎn)。模壓石墨雙極板的抗酸腐蝕性能及與電極擴(kuò)散層的接觸電阻方面， 明顯優(yōu)于金屬雙極板。模壓石墨雙極板采用石墨做骨料、高分子材料做粘合劑通過(guò)模壓一次成型技術(shù)制備復(fù)合材料雙極板，石墨賦予雙極板具有一定的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而粘合劑則賦予雙極板具有一定的強(qiáng)度。雙極板的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能與強(qiáng)度是相互制約的因素，如何處理好兩者的關(guān)系，使其整體性能都能滿足使用要求具有一定的難度。粘合劑通常有熱固性和熱塑性兩種類型，使用熱固性樹(shù)脂做粘合劑通常以濕粉料進(jìn)行壓制，要得到強(qiáng)度> 510MPa，密度達(dá)到 1. 8-1. 95g/cm3的雙極板，通常所需要的壓力較高。高壓下，濕料中的液態(tài)樹(shù)脂和部分石墨粉被擠出模腔，使雙極板的強(qiáng)度下降；若使用熱塑性樹(shù)脂，大部分熱塑性的軟化點(diǎn)較低，制備的雙極板在電堆中使用時(shí)發(fā)生變形。因此粘合劑的選擇和優(yōu)化也具有一定的難度。在制備雙極板的過(guò)程中，由于使用了粘合劑，導(dǎo)致產(chǎn)品表面與金屬模具之間產(chǎn)生粘結(jié)，尤其表面有復(fù)雜流場(chǎng)的雙極板，粘結(jié)更為嚴(yán)重，將使產(chǎn)品的質(zhì)量無(wú)法滿足要求。因此在保證高效一次成型的生產(chǎn)工藝中，如何保證順利脫模并使雙極板表面光潔，有許多的工藝問(wèn)題需要解決。從批量化生產(chǎn)的角度，要求粉料物性穩(wěn)定，脫膜速度快。而熱固性粘合劑都有一定的儲(chǔ)存時(shí)間，雙極板精細(xì)的流場(chǎng)要求脫膜速度較慢，這兩個(gè)方面都導(dǎo)致物料的可用性下降。因此如何制備物性穩(wěn)定的物料或保持物料物性的穩(wěn)定性是批量化生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。不管采用熱固性或熱塑性樹(shù)脂做粘合劑，其制備工藝都要經(jīng)過(guò)加熱-壓制-冷卻-脫模的過(guò)程。 模具加熱、冷卻的速度是決定生產(chǎn)效率的主要因素。目前的壓制都是采用單次操作，周期較長(zhǎng)，但可以通過(guò)改善設(shè)備的加熱和冷卻裝置實(shí)現(xiàn)，批量化的連續(xù)生產(chǎn)存在困難。關(guān)于金屬雙極板金屬雙極板的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高、不透氣、易加工、易于批量生產(chǎn)，而且厚度可以大大降低，能大幅度提高電池堆的重量和體積比功率。但是通常的金屬板(如不銹鋼、鋁合金和鈦板等)在PEMFC的工作環(huán)境中易被腐蝕，導(dǎo)致接觸電阻增大、電極催化劑和膜受到污染，電池性能降低。因此，在采用金屬作為PEMFC的雙極板材料時(shí)，目前常用方法是對(duì)金屬表面進(jìn)行改性。但表面處理方法只能在一定程度上改善金屬雙極板材料在電堆長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的抗腐蝕性能，同時(shí)表面處理方法涉及到許多工藝和材料問(wèn)題，從而也相應(yīng)增加了電池成本，整體效果并不很理想。傳統(tǒng)石墨板機(jī)械加工仍然是目前燃料電池雙極板中最常用的方案，石墨材料本身多孔透氣和易脆等特性，致使采用石墨雙極板的質(zhì)子交換膜燃料電堆成本很高，可靠性相對(duì)較低。在對(duì)于燃料電池體積和重量要求不高的場(chǎng)合，傳統(tǒng)的石墨板機(jī)械加工方法仍然發(fā)揮重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種方法簡(jiǎn)單、制作成本低的燃料電池石墨雙極板的制作方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種燃料電池石墨雙極板的制作方法，包括以下步驟A、以1焙或1浸兩焙的高純石墨塊為原材料，機(jī)械切割成雙極板素坯；B、將雙極板素坯平磨成雙極板片材；C、采用平行多片圓片鋸刀排列組成的臥銑刀在雙極板片材上加工出多槽平行分布的直通式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成雙極板半成品；D、將雙極板半成品用環(huán)氧膠進(jìn)行密封后固化，成為雙極板成品。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使其與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特占.
^ \\\ ·1、由于采用了 1焙或1浸兩焙的高純石墨塊原材料，同目前常用的三浸四焙的高純石墨塊相比，原材料制作免去了浸焙等耗時(shí)耗能過(guò)程，原材料成本明顯降低，價(jià)格不到傳統(tǒng)三浸四焙高純石墨塊的1/2。2、由于石墨雙極板的流場(chǎng)設(shè)計(jì)采用便于快速加工的多槽平行分布的直通式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，加工手段采用平行多片圓片鋸刀排列組成的臥銑刀，大幅度提高了燃料電池石墨雙極板的加工效率。3、由于采用環(huán)氧膠進(jìn)行密封后固化，免去碳化或石墨化過(guò)程，降低耗能，成本明顯降低，并做到石墨板內(nèi)氣孔密封，達(dá)到密封的要求。


圖1為采用本發(fā)明的制作方法制作而成的燃料電池石墨雙極板的正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的A-A向剖視圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的燃料電池石墨雙極板的制作方法是，首先以1焙或1浸兩焙的高純石墨塊為原材料，根據(jù)所需石墨雙極板的規(guī)格機(jī)械切割成雙極板素坯；然后將雙極板素坯平磨成雙極板片材；再采用平行多片圓片鋸刀排列組成的臥銑刀在雙極板片材上加工出多槽平行分布的直通式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成雙極板半成品；最后將雙極板半成品用環(huán)氧膠進(jìn)行密封后固化，即成為雙極板成品。圖1、圖2為采用本發(fā)明的制作方法制作而成的燃料電池石墨雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)所示，1為石墨雙極板，2為石墨雙極板上的氣體流道。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池石墨雙極板的制作方法，其特征在于，包括以下步驟A、以1焙或1浸兩焙的高純石墨塊為原材料，機(jī)械切割成雙極板素坯；B、將雙極板素坯平磨成雙極板片材；C、采用平行多片圓片鋸刀排列組成的臥銑刀在雙極板片材上加工出多槽平行分布的直通式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成雙極板半成品；D、將雙極板半成品用環(huán)氧膠進(jìn)行密封后固化，成為雙極板成品。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燃料電池石墨雙極板的制作方法，它包括以下步驟A、以1焙或1浸兩焙的高純石墨塊為原材料，機(jī)械切割成雙極板素坯；B、將雙極板素坯平磨成雙極板片材；C、采用平行多片圓片鋸刀排列組成的臥銑刀在雙極板片材上加工出多槽平行分布的直通式流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，形成雙極板半成品；D、將雙極板半成品用環(huán)氧膠進(jìn)行密封后固化，成為雙極板成品。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明從原材料的選取，石墨雙極板的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，及加工等方面大幅度降低了燃料電池雙極板的成本，特別適合流道比較深的雙極板場(chǎng)合要求。
文檔編號(hào)H01M4/96GK102315458SQ201010217390
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者田丙倫 申請(qǐng)人:上海攀業(yè)氫能源科技有限公司