專利名稱：雙料共射成型雙極板及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池的雙極板的結(jié)構(gòu)與制造方法，尤指一種以雙料共射成型技術(shù)制成具有良好的穿透導(dǎo)電性的雙料共射成型雙極板及其制法。
背景技術(shù)：
隨著人類文明的進(jìn)步，傳統(tǒng)能源如媒、石油及天然氣的消耗量持續(xù)的升高，造成地球嚴(yán)重的污染，以及加重溫室效應(yīng)及酸雨等造成地球暖化及環(huán)境惡化的因數(shù)。人類已清楚地體認(rèn)到天然能源的存量有限，如果持續(xù)地濫用，在不久的將來(lái)便會(huì)消耗殆盡。因此，世界先進(jìn)國(guó)家近來(lái)無(wú)不致力于研發(fā)新的替代能源，而燃料電池組便是其中一種重要且具發(fā)展?jié)摿皩?shí)用價(jià)值的選擇。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相較，燃料電池組具有能量轉(zhuǎn)換效率高、排氣干凈、噪音低、且不使用傳統(tǒng)燃油等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。燃料電池基本組成元件包含電極(electrode)、電解質(zhì)隔膜(electrolyte membrane)、與雙極板(bipolar plate)三個(gè)部分。整個(gè)燃料電池就是由多數(shù)個(gè)這樣的單電池串聯(lián)組成為較大功率的電池組，而其中的雙極板便是兩個(gè)單電池串接的元件。在燃料電池中，雙極板(bipolar plate)為重要的組成元件之一，同時(shí)其占據(jù)電池組中大部分的體積與重量，非常具有發(fā)展與應(yīng)用價(jià)值，其作用是電流的收集、傳送、氣體的分布和熱的管理。因此雙極板的基本要求為導(dǎo)電度高、氣密性好、機(jī)械性質(zhì)優(yōu)良和耐溫、耐蝕等。若是使用金屬材料來(lái)成型則其具有導(dǎo)電性高與機(jī)械性質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也會(huì)有微細(xì)特征結(jié)構(gòu)成型不易的缺點(diǎn)。因此制作雙極板的材料被不斷地研究改進(jìn)，使用復(fù)合材料幾乎是目前的主流。如中國(guó)臺(tái)灣公告第399348號(hào)「生產(chǎn)雙極板之方法」專利即揭示由導(dǎo)電子材料、樹(shù)脂與適合質(zhì)子交換膜燃料電池使用的親水劑等混合制成雙極板。美國(guó)US6M8467號(hào)專利揭示一種燃料電池的復(fù)合材料雙極板，其由石墨粉末與樹(shù)脂材料混合制成雙極板。中國(guó)臺(tái)灣專利公告第1293998號(hào)「燃料電池用高性能及導(dǎo)電性高分子復(fù)合材料雙極板之制備方法」則揭示一種由石墨粉末、乙烯酯樹(shù)脂與聚醚胺插層的改質(zhì)有機(jī)粘土混合制成雙極板的技術(shù)。前述各種復(fù)合材料制成的雙極板都具有抗腐蝕性佳及容易成型復(fù)雜微結(jié)構(gòu)等優(yōu)
點(diǎn)ο由于燃料電池在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程會(huì)有熱量產(chǎn)生，熱量需要適時(shí)排出才能維持燃料電池處于適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?，因此雙極板必需達(dá)到足夠散熱的目的。對(duì)此，常見(jiàn)的作法是在兩片雙極板中嵌入一金屬板，以憑借金屬板來(lái)提升散熱效果?，F(xiàn)有的技術(shù)是使用熱壓制程來(lái)結(jié)合雙極板與金屬板，熱壓制程是將兩片雙極板預(yù)先加熱至熱塑性材料軟化溫度與熔化溫度之間，再以兩片雙極板夾一金屬板并予以加壓， 且于加壓過(guò)程中持續(xù)加熱，使兩片雙極板與金屬板熱壓結(jié)合成一體。
但是目前所使用的熱壓制程較為費(fèi)時(shí)，從預(yù)熱到加壓完成可能需要數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘不等，這會(huì)增加制造上的時(shí)間成本；并且在加壓的過(guò)程中必須持續(xù)加熱，這會(huì)增加制造上耗能的成本。再者，在燃料電池中，各個(gè)單電池與單電池之間的雙極板必需具有良好的導(dǎo)電度， 尤其是雙極板之間的穿透導(dǎo)電性更是重要，這會(huì)關(guān)到整個(gè)燃料電池的效能。從而，如何使雙極板易于制造來(lái)降低制造成本，以及改善雙極板的穿透導(dǎo)電度，便成為本發(fā)明的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于解決上述的問(wèn)題而提供一種易于制造且具有較佳穿透導(dǎo)電性的雙料共射成型雙極板及其制法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種雙極板，其特征在于，包括有一核心層；一皮層，其包覆于該核心層外；一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其形成于該核心層與該皮層之間。其中該核心層與該皮層之間進(jìn)一步具有一結(jié)合界面，該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成于該結(jié)合界面中。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于，包含下列步驟將熔融狀態(tài)且具有第一導(dǎo)電性材料的皮層復(fù)合材料射入成型雙極板的模穴中；將熔融狀態(tài)且具有第二導(dǎo)電性材料的核心層復(fù)合材料，以及該熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料同時(shí)或先后間隔射入至成型雙極板的模穴中，以成型出具有皮層與核心層的雙極板，并于該皮層與該核心層之間形成有該第一導(dǎo)電性材質(zhì)與該第二導(dǎo)電性材質(zhì)的結(jié)合所構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。其中，進(jìn)一步具有步驟當(dāng)該核心層復(fù)合材料與該皮層復(fù)合材料的結(jié)合處于尚未冷卻凝固的狀態(tài)，一模具對(duì)該結(jié)合施予一壓力。其中成型的雙極板，在該皮層與該核心層之間形成有結(jié)合界面，該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成于該結(jié)合界面中。其中該皮層復(fù)合材料由高分子塑膠材料所構(gòu)成，該第一導(dǎo)電性材料混合于該高分子塑膠材料中。其中該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。其中該第一導(dǎo)電性材料是碳粉、碳纖維、納米碳纖維或納米碳管的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該第一導(dǎo)電性材質(zhì)為非金屬導(dǎo)電填充材所構(gòu)成。其中該非金屬導(dǎo)電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該核心層復(fù)合材料由高分子塑膠材料所構(gòu)成，該第二導(dǎo)電性材料混合于該高分子塑膠材料中。其中該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。其中該第二導(dǎo)電性材料為金屬粉、碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維或金屬纖維的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該第二導(dǎo)電性材料為非金屬導(dǎo)電填充材與金屬導(dǎo)電填充材所構(gòu)成。其中該非金屬導(dǎo)電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合，該金屬導(dǎo)電填充材是金屬粉或金屬纖維的其中一者或二者的混合。其中該熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料以定量射入成型雙極板的模穴中，該熔融狀態(tài)的核心層復(fù)合材料以定量射入成型雙極板的模穴中。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明以雙料共射成型技術(shù)來(lái)制造雙極板，因此具有易于制造的優(yōu)點(diǎn)，且可降低制造成本；再者，皮層與核心層復(fù)合材料中均含有導(dǎo)電性材料為主要導(dǎo)電架構(gòu)，而可使于皮層與核心層的結(jié)合界面形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)而可提升雙極板的穿透導(dǎo)電性。


圖1是本發(fā)明雙料共射成型雙極板的動(dòng)作示意圖之一；圖2是本發(fā)明雙料共射成型雙極板的動(dòng)作示意圖之二 ；圖3是本發(fā)明雙料共射成型雙極板的動(dòng)作示意圖之三；圖4是本發(fā)明雙料共射成型雙極板的動(dòng)作示意圖之四；圖5是本發(fā)明雙料共射成型的雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是圖4中圈示為V部分的放大剖視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明射出成型機(jī)1 ；第一料槽11 ；第二料槽12 ；模穴2 ；雙極板3 ；模具 4 ；皮層復(fù)合材料A ；核心層復(fù)合材料B ；碳粉C ；碳纖維CF ；金屬纖維MF ；結(jié)合界面I ；金屬粉T。
具體實(shí)施例方式茲配合圖式將本發(fā)明較佳實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下。請(qǐng)配合參考圖5及圖6所示，本發(fā)明是一種雙極板，其包括有
一皮層，其由皮層復(fù)合材料A所構(gòu)成。一核心層，其由核心層復(fù)合材料B所構(gòu)成，如圖4所示，核心層包覆于皮層中，即皮層復(fù)合材料A將核心層復(fù)合材料B包覆于其中。一結(jié)合界面I，其形成于皮層與核心層之間，結(jié)合介面I具有一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，如圖5標(biāo)示V的部分，其是導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的部分構(gòu)成示意圖。本發(fā)明的雙極板成型方法主要使用雙料共射成型(Co-hjection Molding)技術(shù)成型出核心層被皮層包覆的雙極板，此雙料共射成型雙極板的制法，包含下列步驟將混合有第一導(dǎo)電性材料的高分子塑膠材料作為皮層復(fù)合材料。將混合有第二導(dǎo)電性材料的高分子塑膠材料作為核心層復(fù)合材料。
將定量的熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料射入成型雙極板的模穴中。將定量的熔融狀態(tài)的核心層復(fù)合材料與熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料同時(shí)或先后間隔射入至成型雙極板的模穴中，以成型具有皮層與核心層的雙極板。因此，成型的雙極板，在皮層與核心層形成有結(jié)合界面，結(jié)合界面中形成有具有由第一導(dǎo)電性材料與第二導(dǎo)電性材料的結(jié)合所構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。實(shí)務(wù)上，皮層復(fù)合材料的高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料；核心層復(fù)合材料的高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。如果皮層復(fù)合材料的導(dǎo)電性材料使用金屬粉，其制程的雙極板使用于燃料電池時(shí)，皮層部分容易發(fā)生腐蝕的問(wèn)題，因此在實(shí)務(wù)上第一導(dǎo)電性材料使用耐蝕性較佳的碳粉、 碳纖維、納米碳纖維或納米碳管的其中一者或至少任意兩者的混合，而第二導(dǎo)電性材料則使用導(dǎo)電性較佳的金屬粉、碳粉、碳纖維、納米碳纖維、納米碳管或金屬纖維的其中一者或至少任意兩者的混合，而碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。此外，第一導(dǎo)電性材質(zhì)可為非金屬導(dǎo)電填充材所構(gòu)成，第二導(dǎo)電性材質(zhì)是非金屬導(dǎo)電填充材與金屬導(dǎo)電填充材所構(gòu)成，金屬導(dǎo)電填充材是金屬粉或金屬纖維的其中一者或二者的混合，非金屬導(dǎo)電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。請(qǐng)配合圖1至圖3，其本發(fā)明雙料共射成型雙極板的動(dòng)作示意圖。依本發(fā)明的步驟，先制備皮層復(fù)合材料A及核心層復(fù)合材料B，再將皮層復(fù)合材料A與核心層復(fù)合材料B 分別置入射出成型機(jī)1的第一料槽11與第二料槽12中；接下來(lái)將定量的熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料A射入成型雙極板的模穴2中，該模穴 2位于一模具4中，如圖1所示的狀態(tài)；再將熔融狀態(tài)的核心層復(fù)合材料B與皮層復(fù)合材料A同時(shí)射入成型雙極板的模穴 2中，如圖2所示的狀態(tài)；最后再將熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料A射入成型雙極板的模穴2中，如圖3所示的狀態(tài)；待核心層復(fù)合材料B與皮層復(fù)合材料A的結(jié)合尚未冷卻凝固前，模具4對(duì)該結(jié)合施予一壓力，如圖4所示的狀態(tài)，憑借此一施壓的程序，以使冷卻凝固所形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的密度得以提升。待冷卻后即可獲得核心層復(fù)合材料B被皮層復(fù)合材料A包覆的雙極板3，如圖5所
7J\ ο由于本發(fā)明采用雙料共射射出成型技術(shù)來(lái)制造雙極板，因此可大量且快速地制造出雙極板，如此可降低制造成本。再請(qǐng)參閱圖6，其是圖5中圈示為V部分的放大剖視結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明所使用的皮層復(fù)合材料A與核心層復(fù)合材料B可選擇性使用上述所揭示的材料；圖中繪示以本發(fā)明的方法所制成的雙極板于皮層與核心層的結(jié)合界面I部分的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。由于本發(fā)明的皮層復(fù)合材料A中含有碳纖維CF與碳粉C等粉末狀材料，而在核心層復(fù)合材料B含有金屬纖維MF、碳粉C與金屬粉T，因此當(dāng)皮層復(fù)合材料A與核心層復(fù)合材料B被以雙料共射技術(shù)射出成型時(shí)，皮層與核心層結(jié)合界面I部分會(huì)存在著以碳纖維CF與金屬纖維MF等導(dǎo)電纖維為主要導(dǎo)電架構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，再加上金屬粉T、碳纖維CF、金屬纖維MF與碳粉C的交錯(cuò)連結(jié)，使得導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)更加密集，而可有效提高整體的穿透導(dǎo)電性。 以上說(shuō)明對(duì)本發(fā)明而言只是說(shuō)明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解， 在不脫離權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可作出許多修改、變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙極板，其特征在于，包括有一核心層；一皮層，其包覆于該核心層外；一導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其形成于該核心層與該皮層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極板，其特征在于該核心層與該皮層之間進(jìn)一步具有一結(jié)合界面，該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成于該結(jié)合界面中。
3.—種雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于，包含下列步驟將熔融狀態(tài)且具有第一導(dǎo)電性材料的皮層復(fù)合材料射入成型雙極板的模穴中；將熔融狀態(tài)且具有第二導(dǎo)電性材料的核心層復(fù)合材料，以及該熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料同時(shí)或先后間隔射入至成型雙極板的模穴中，以成型出具有皮層與核心層的雙極板，并于該皮層與該核心層之間形成有該第一導(dǎo)電性材質(zhì)與該第二導(dǎo)電性材質(zhì)的結(jié)合所構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于，進(jìn)一步具有步驟 當(dāng)該核心層復(fù)合材料與該皮層復(fù)合材料的結(jié)合處于尚未冷卻凝固的狀態(tài)，一模具對(duì)該結(jié)合施予一壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于成型的雙極板，在該皮層與該核心層之間形成有結(jié)合界面，該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成于該結(jié)合界面中。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該皮層復(fù)合材料由高分子塑膠材料所構(gòu)成，該第一導(dǎo)電性材料混合于該高分子塑膠材料中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該第一導(dǎo)電性材料是碳粉、碳纖維、納米碳纖維或納米碳管的其中一者或至少任意兩者的混合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該第一導(dǎo)電性材質(zhì)為非金屬導(dǎo)電填充材所構(gòu)成。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該非金屬導(dǎo)電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該核心層復(fù)合材料由高分子塑膠材料所構(gòu)成，該第二導(dǎo)電性材料混合于該高分子塑膠材料中。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該第二導(dǎo)電性材料為金屬粉、碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維或金屬纖維的其中一者或至少任意兩者的混合。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該碳粉是石墨、 碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該第二導(dǎo)電性材料為非金屬導(dǎo)電填充材與金屬導(dǎo)電填充材所構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該非金屬導(dǎo)電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合，該金屬導(dǎo)電填充材是金屬粉或金屬纖維的其中一者或二者的混合。
18.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙料共射成型雙極板的制法，其特征在于該熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料以定量射入成型雙極板的模穴中，該熔融狀態(tài)的核心層復(fù)合材料以定量射入成型雙極板的模穴中。
全文摘要
本發(fā)明是一種雙料共射成型雙極板及其制法，其將熔融狀態(tài)且具有第一導(dǎo)電性材料的皮層復(fù)合材料射入成型雙極板的模穴中；再將熔融狀態(tài)且具有第二導(dǎo)電性材料的核心層復(fù)合材料，以及熔融狀態(tài)的皮層復(fù)合材料同時(shí)或先后射至成型雙極板的模穴中，成型具有皮層與核心層的雙極板，于皮層與核心層之間含有第一導(dǎo)電性材質(zhì)與第二導(dǎo)電性材質(zhì)的結(jié)合所構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以提升雙極板的穿透導(dǎo)電性。
文檔編號(hào)H01M4/88GK102544518SQ20101061416
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者彭信舒, 施銘奕, 陳夏宗 申請(qǐng)人:私立中原大學(xué)