本公開涉及燃料電池分隔器板組件，以及在連續(xù)、自動化的過程中制造多個分隔器板組件及其流場板的方法。

背景技術(shù)：
用于單個的燃料電池分隔器板組件的組合物以及生產(chǎn)單個的燃料電池分隔器板組件的制造過程已經(jīng)被開發(fā)出來，例如在美國專利申請公開號2010/0307681中公開的內(nèi)容，該文獻(xiàn)通過引用的方式被并入。熱純化的片狀石墨和具有15-20％氟化乙烯丙烯（FEP）的典型成分的FEP樹脂材料已被用于制造分隔器板組件。其它疏水性樹脂，例如全氟烷氧基共聚物（PFA）和聚四氟乙烯（PTFE），也是適合的。所述樹脂能夠從例如DuPont的制造商獲得。分隔器板組件也已知為雙極分隔器板，并且包含在分隔器板組件兩側(cè)上的流場，該流場在燃料電池內(nèi)分配反應(yīng)物。用于UTCPowerPC-50磷酸燃料電池（PAFC）中的一個示例性流場具有500mm×500mm的平臺，并且包含約150個反應(yīng)物流動通道，該反應(yīng)物流動通道對于陰極流場而言約為1.4mm寬且0.7mm深，而對于陽極流場而言為1.4mm寬且1.0mm深。陽極流場和陰極流場的總厚度分別約為1.7mm和1.4mm。當(dāng)前，通過將石墨-FEP的粉末狀混合物放入到模具中，在分批過程中制造預(yù)成形件。相對于2.1-2.2g/mL的模制密度，這些粉末具有約0.6-0.7g/mL的體積密度。該干燥過程具有幾個缺點。難以在整個部件上實現(xiàn)均勻的粉末分布。該變化轉(zhuǎn)變成整個部件上的較差的厚度均勻性和密度均勻性。當(dāng)人們試圖將流場模制成凈形狀時，還存在額外的復(fù)雜因素，即流場腹板上粉末的壓縮比與流場的肋上的不同。這導(dǎo)致肋具有比腹板低的密度，從而導(dǎo)致較低的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率以及較高的酸吸收率和酸轉(zhuǎn)移率，這些都是不合需要的。肋中石墨顆粒的取向更趨于沿著肋而非橫穿肋，這也是不理想的。制造中所用的典型分批過程則是相當(dāng)昂貴的。在其10-20年的使用壽命內(nèi)，分隔器板組件必須具有非常低的電解質(zhì)吸納和非常低的穿過平面的酸轉(zhuǎn)移率。這是分隔器板組件最需要的特性。由于石墨表面的電化學(xué)氧化（腐蝕），酸從板的陰極側(cè)到該板的陽極側(cè)，從而滲透分隔器板組件。氧化使石墨親水，這導(dǎo)致它被酸性電解質(zhì)浸濕。當(dāng)前用于分隔器板組件中的熱純化的大片狀石墨相對于先前所用的球狀石墨具有兩個好處。第一，大石墨片情況下邊緣面相對于基面的低比率導(dǎo)致了相比于球狀石墨非常低的腐蝕速率。第二，當(dāng)前的制造過程也導(dǎo)致石墨片優(yōu)先垂直于穿過平面的方向?qū)R。對于穿過平面的酸滲透而言，這產(chǎn)生了非常高的迂曲，其進一步阻礙酸滲透到板中。通過使用熔融擠壓過程，熱塑性塑料（例如FEP）被成形成管材、膜、片材以及電氣布線上的絕緣涂層。這些材料通常是100％的FEP。在一些應(yīng)用中，添加幾個百分點的填料以對產(chǎn)品著色或影響它們的電氣屬性。擠壓機通常具有多個加熱區(qū)。根據(jù)DuPont，這些區(qū)的溫度通常是330-370℃，該溫度顯著高于典型FEP的約260℃的熔點。FEP以熔融、完全液體的狀態(tài)并在環(huán)境壓力下離開擠壓機。多種方法被用于冷卻形成的制品，以凝固FEP并控制擠壓制品的尺寸。例如，F(xiàn)EP管材被拉制在心軸上同時被浸沒在水浴中，這樣設(shè)定直徑并凝固FEP。在一個示例性制造方法中，F(xiàn)EP膜利用激冷軋輥壓延以設(shè)定其厚度并凝固FEP。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
一種制造流場板的方法，包括混合石墨和樹脂材料以提供混合物。例如，通過柱塞擠壓或雙帶壓力機，該混合物被成形成連續(xù)的流場板。該連續(xù)的流場板被分割成離散的流場板。在連續(xù)的流場板和離散的流場板之一中提供流場通道。在一個示例中，公開了一種柱塞擠壓過程，用于將PAFC所用的片狀石墨-FEP流場成形成凈形狀。該過程包括：在FEP樹脂包括兩相（即，液相和固相）的溫度下，從模中排出流場板。流場通道可以在連續(xù)的流場板成形過程期間或其后形成。公開了一種分隔器板組件的構(gòu)造，其包括與含氟彈性體結(jié)合在一起的兩個片狀石墨-FEP流場。在另一個示例中，公開了一種雙帶壓力機成形過程，用于通過將片狀石墨-FEP糊料擠到連續(xù)鋼帶上來將片狀石墨-FEP流場成形成凈形狀，所述連續(xù)鋼帶包含作為流場板的鏡像的通道構(gòu)造。還公開了一種形成片狀石墨-FEP流場板坯件的雙帶壓制過程。附圖說明通過參照以下詳細(xì)描述并且結(jié)合附圖一起考慮，可以進一步理解本公開，在附圖中：圖1是示例性燃料電池分隔器板的一部分的示意圖。圖2是描繪了使用柱塞擠壓將流場板連續(xù)成形成凈形狀的示例性過程的流程圖。圖3是描繪了使用柱塞擠壓來連續(xù)形成雙極板坯件的示例性過程的流程圖。圖4是一個示例性氟化乙烯丙烯的差示掃描熱量計曲線圖。圖5A是根據(jù)圖2中所述的柱塞擠壓過程制造的連續(xù)的流場板的立面圖。圖5B是圖示了彼此結(jié)合的兩個流場板的截面圖。圖6A是柱塞擠壓機的示意圖。圖6B是用于圖6A的柱塞擠壓機的模的示意圖。圖7是描繪了圖2和圖3中所述的柱塞擠壓過程的溫度曲線的圖形。圖8是描繪了使用雙帶壓力機將流場板連續(xù)成形成凈形狀的示例性過程的流程圖。圖9是描繪了使用雙帶壓力機連續(xù)形成雙極板坯件的示例性過程的流程圖。圖10是描繪了使用圖8和圖9的雙帶壓制過程的糊料擠壓序列和流場板成形的流程圖。圖11是具有糊料分配和干燥器區(qū)的雙帶壓力機的示意圖。圖12A是用于圖11中所示機器的帶的俯視圖。圖12B是圖12A中所示帶的側(cè)視圖。具體實施方式圖1中示意性地圖示了燃料電池分隔器板10。板10具有第一和第二側(cè)12、14，二者分別提供了對應(yīng)于陰極和陽極流場的第一和第二流場16、18。第一和第二流場16、18分別包括延伸到板10的周界24的第一和第二流場通道20、22。每個流場可以包括大約150個通道。由周界24限定的一個典型的板10的平臺（在X-Y方向）為500mm×500mm（19.7英寸×19.7英寸）。在一個示例中，流場板的寬度相對于其厚度的縱橫比約為300-350:1。這些流場板中的一個為1.7mm厚，所以其縱橫比為500/1.7=294。其它流場板為1.4mm厚，所以其縱橫比為500/1.4=357。在圖示的示例中，每一側(cè)上的流場通道是相互平行的，并且一側(cè)上的流場通道垂直于相對側(cè)上的通道。在一個示例中，板10具有厚度26，其約為3.1mm。在一個示例中，第一流場通道20具有約1.4mm（0.06英寸）的寬度28和約0.7mm（0.03英寸）的深度30。第二流場通道具有1.4mm（0.06英寸）的寬度128和1.0mm（0.04英寸）的深度130。陽極流場和陰極流場的總厚度分別約為1.7mm和1.4mm。在此示例中，圖1中雙極板的總體厚度約為3.1mm。所述總體厚度包括：燃料通道的深度（1.0mm）+空氣通道的深度（0.7mm）+腹板厚度（1.4mm）。腹板是燃料通道底部到空氣通道底部之間的厚度。圖5B中的板包括陽極流場和陰極流場。對于1.7mm的總體厚度來說，陽極流場具有1.0mm的燃料通道深度和0.7mm的腹板厚度。對于1.4mm的總體厚度來說，陰極流場具有0.7mm的空氣通道深度和0.7mm的腹板厚度。圖1和圖5B中的總體厚度為大致相同的3.1mm。圖2和圖3是描繪了使用柱塞擠壓機（圖6A和圖6B）來生產(chǎn)分隔器板組件（圖5A和圖5B）的示例性制造方法32、132的過程流程圖。描述了兩種示例性制造方法32、132。圖2涉及將流場板擠壓成具有在擠壓過程期間所形成的流場通道的凈形狀?？商娲?，可期望的是，擠壓流場坯件，并且將通道機加工到所述坯件的任一側(cè)中，如圖3中所述。參照圖2和圖3，F(xiàn)EP粉末34和石墨粉末36（例如，片狀石墨），被計量和稱重38以提供混合物?？梢允褂贸鼺EP之外的樹脂。將混合物徹底混合40。如圖2中所示，例如，使用柱塞擠壓過程，連續(xù)地擠壓出具有提供通道的帶肋輪廓的流場板。如42處所指示的，產(chǎn)生連續(xù)的流場板擠壓，并且其被示意性地描繪在圖5A中，包括流場通道120。如圖2的46中所描繪的，在修整之后，連續(xù)的擠壓提供了離散的流場板162（通過虛線示出）。可替代地，如圖3的142處所示，坯件（即，沒有肋和通道）可以被連續(xù)擠壓。如44處所指示，流場板或坯件被冷卻。返回到圖2并且參照圖5B，通過聯(lián)接來自兩條擠壓生產(chǎn)線的修整過的流場板來生產(chǎn)分隔器板110，但是也可以使用單條擠壓生產(chǎn)線。如圖5B中所示，修整過的流場板62（在圖2中46處指示，來自一條擠壓生產(chǎn)線）被涂以含氟彈性體66（如圖2中50處所指示），以聯(lián)接流場板62、162的側(cè)面64、164（如圖2中的52所指示）。在一個示例中，通過已知的技術(shù)（例如噴涂或絲網(wǎng)印刷），含氟彈性體66像窗框一樣在組件的周界附近被施加到這些流場板中的一個的平坦側(cè)面。含氟彈性體66在兩個流場板62、162之間創(chuàng)建氣體和液體的密封，結(jié)果得到了分隔器板組件116。例如，含氟彈性體可以是LaurenManufacturing出售的Fluorolast?WB-200，其中氟含量的重量百分比至少為68％。板62的第一側(cè)112提供第一流場116，第一流場116包括陰極的第一通道120。板162的第二側(cè)114提供第二流場118，第二流場118包括陽極的第二通道122。例如，（圖2）在150-200℃（317-415°F）下，兩個板62、162在低壓平板層壓機54中被結(jié)合，或通過其它已知的層壓裝置被結(jié)合，例如印壓機?？商娲兀鲌隹梢栽谄涑跏技訜嵫h(huán)期間就在PAFC內(nèi)被結(jié)合就位?？蓾裥酝繉颖混o電施加到陽極側(cè)114，如塊56處所指示地。可替代地，眾所周知，可濕性涂層可以通過將炭黑的水性懸浮液噴涂到流場上并進行干燥來施加。機加工廢棄物被收集起來，并且以后可以被用于生產(chǎn)冷卻器組件，例如，如48處所指示的那樣。參照圖3，在修整之后，將通道機加工在相同坯件的陰極側(cè)上和陽極側(cè)上，如58和60處分別指示的那樣。例如，如148處所指示的，機加工廢棄物被收集起來，并且以后可以被用于生產(chǎn)冷卻器組件?？蓾裥酝繉颖混o電施加到陽極側(cè)，如56處所指示的。圖6A示出了水平柱塞擠壓機68的示意圖。石墨和FEP粉末從存儲箱70、72被供給到漏斗74中，當(dāng)柱塞80被取出時，漏斗74將粉末供給到桶86中。柱塞裝置76包括液壓活塞78，液壓活塞78具有能夠滑動地接收在缸82中的柱塞80。所述柱塞擠壓機及過程實現(xiàn)了通過非連續(xù)材料供給的連續(xù)流場板的連續(xù)化生產(chǎn)。當(dāng)柱塞80被插入到桶86中時，混合的粉末被壓緊。冷卻部段87被設(shè)置在桶86的入口附近，以防止進入桶86的材料比期望的更早熔化。桶86包括模89，模89具有圖6B中所示提供板的寬度和厚度的輪廓91。如果要在擠壓期間形成流場通道，則輪廓91也包括通道和肋。當(dāng)混合物利用柱塞80的每個沖程沿桶86前進時，該混合物通過附接到桶86的電加熱元件88、90、92進行加熱，直至混合物達(dá)到FEP熔點以上的溫度。模89占據(jù)了介于1/3和1/4之間的擠壓機長度，并且位于擠壓機的出口處。熔融混合物進入模89，其中當(dāng)熔融混合物通過冷卻部段94時它被冷卻。如下文所討論的，受擠壓混合物是FEP和固體石墨的兩相液體-固體混合物。作為石墨片上的粘性力作用的結(jié)果，隨著混合物通過模89的初始部分，熔融石墨-FEP混合物中的石墨片變?yōu)榇怪庇诹鲌銎矫鎭砣∠?。擠壓成的部件在高于FEP開始熔化的溫度并低于FEP完全熔化的溫度的溫度下從模89排出。圖4是用于FEP的差示掃描熱量計（DSC）曲線圖，其示出了熱塑性聚合物（例如FEP）具有相對寬的熔點。在DSC圖中的峰值處，樹脂以兩相狀態(tài)存在，其中一半的FEP樹脂處于液體狀態(tài)，一半處于固體狀態(tài)。在模89的出口處，所期望的樹脂熔固比在40:60和60:40之間（當(dāng)樹脂是FEP時，大致在250℃（482℉）），但是也可以使用其它比率。液體狀態(tài)提供了允許通過模89在期望壓力下擠壓出流場板的潤滑，而固體狀態(tài)將結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而獲得可接受的物理屬性。柱塞擠壓通過模具外部的加熱器而非通過摩擦來提供熔化的FEP樹脂，例如，像在螺旋擠壓過程的情況中那樣。因此，平移柱塞80而不是圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)該柱塞的柱塞擠壓產(chǎn)生了少得多的石墨片磨損，并且最終得到具有與通過分批過程制造的現(xiàn)有期望的分隔器板組件的屬性相類似的屬性的流場。在柱塞擠壓過程中能夠比在螺旋擠壓過程中采用高得多的壓力。這在將極端粘稠的兩相FEP-石墨組合物擠壓通過模89時是非常有用的。參照圖7，沿擠壓機的第一個四分之一長度的一個示例性溫度曲線提供了從150℃（302℉）到350℃（662℉）的上升溫度，擠壓機的接下來的一半長度保持350℃（662℉）的流場溫度，并且擠壓機的最后四分之一長度將溫度從350℃（662℉）降低至250℃（482℉）。同樣，在該示例中模89占據(jù)了1/3至1/4的擠壓機長度。在一個示例中，當(dāng)其離開所述模時，擠壓成的流場板的溫度約為260℃。該溫度對應(yīng)于FEP約50％為液體、50％為固體的情況。擠壓成的流場板被傳送通過淬火臺，其被示意性地示出為冷卻部段94，在其中流場板的溫度從250℃（482℉）下降至接近環(huán)境溫度。淬火臺可包含一系列輥來保持?jǐn)D壓成的流場板和淬火臺之間的接觸，以增加冷卻速率。如先前所討論的，單個流場板62、162被形成為分隔器板組件110。如圖6A中所示，擠壓機68、168可以被用于使用低壓連續(xù)平板層壓機96來生產(chǎn)流場板62、162。如所討論的，陽極流場涂有可濕性處理物。使用雙帶壓力機來制造流場板的方法示于圖8和圖9中。圖8中所示的實施例使用雙帶壓制過程將流場板生產(chǎn)成凈形狀?？赡芷谕娲匦纬闪鲌霭迮骷?，并將流場通道機加工到該坯件中。圖9中所示的實施例生產(chǎn)坯件，隨后在該坯件的兩側(cè)上進行機加工，以生產(chǎn)完成的分隔器板組件。參照圖8，其示出了流場成形過程200，其中流場通道被一體地形成。用于在鋼帶中填充通道的糊料擠壓過程可以被用于將石墨-FEP流場成形成凈形狀。用于制造這些流場的石墨片具有每100g約10g的非常低的DBP（例如，鄰苯二甲酸二丁酯）油吸收值。與油吸收值有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和測試其的方法闡述于ASTMD2414中。這意味著僅需要非常少量的溶劑（vehicle）來浸透石墨片以及生產(chǎn)粘性糊料。在一個示例中，糊料能夠用約20％的水和80％的石墨-FEP制成。能夠在低于200-250℃的情況下汽化的烴類液體也可以被用作溶劑以生產(chǎn)糊料。這樣的糊料的比重約為1.7g/mL。圖10概述了用于制備這樣的糊料的過程240。該糊料的壓縮比約為1.26（2.15/1.70），相對于干燥過程3.3（2.15/0.65）的壓縮比而言。壓縮比是模制板的密度相對于干燥糊料密度或用于制造板的粉末混合物的體積密度的比率。較低的壓縮比將使模制板中腹板和肋之間的密度差最小化。參照圖8，F(xiàn)EP202、片狀石墨粉末204以及按體積高達(dá)約20％的水206的混合物被準(zhǔn)備，以形成糊料。片狀石墨粉末與樹脂的比率約為4:1。在擠壓到傳送帶上之前（如212處所指示的），糊料被稱重208和混合210。在一個示例中，如圖12A和圖12B中所示，帶278通過具有凸脊284的連續(xù)鋼帶282提供，凸脊284提供了流場板中對應(yīng)的流場通道。在通過雙帶裝置進行壓制（在如216處所指示的）之前，水從糊料中蒸發(fā)（如214處所指示的）。混合物在壓力下加熱，并且隨后在壓力下冷卻，如218處所指示。連續(xù)流場被分開并且切割成離散的流場板，如220處所指示。來自另一條生產(chǎn)線的流場板被切割，如226處所指示，并且通過含氟彈性體被連接到另一個流場板，如224處所指示，并且運行通過層壓機，如228處所指示。來自切割的任何廢棄物都可以被回收和再利用，如222處所指示?？蓾裥酝繉颖混o電施加到陽極側(cè)，如230處所指示。圖10和圖11分別描繪了可以被用在過程200中的糊料擠壓過程240和雙帶壓力機266。石墨被添加到混合器268（圖11），如242處所指示（圖10）。對填充有石墨的混合器抽真空，如244處所指示，這有助于浸透石墨以及去除氣泡。混合器被配置成使所述石墨片不破損。一個示例性片狀石墨是SuperiorSGC-2901G。在進行混合時，并且在釋放真空之前，含氟聚合物乳膠（例如PTFE）被添加到混合器，如246處所指示的。也可使用FEP乳膠，例如DyneonFEP6300GZ分散物。在混合期間，乳膠可以被冷卻至約7℃（45℉），以確保混合物自由流動。在高速混合期間形成均勻混合以生產(chǎn)糊料，如248處所指示。該糊料被供應(yīng)給擠壓機（268，圖11），如250處所指示。螺旋擠壓機252將糊料分配到帶（278，圖11）上，如254處所指示。包含糊料的帶278穿過干燥器部段270，如圖11中所示。干燥器部段270在高于100℃（212℉）的情況下去除水，在高于250℃（482℉）的情況下去除表面活性劑，如圖10中的256、258處所指示。加熱的混合物進入具有下帶和上帶278、280的雙帶壓力機272。所述帶中的一個或多個，例如，下帶，可以包括壓制期間形成流場通道的肋。返回到圖10，混合物在熱區(qū)274（圖11）中在3.5-7.0MPa（500-1000psi）下被加熱至高于300℃（572℉），如260處所指示。在冷區(qū)276（圖11）中，混合物保持在該壓力下并被冷卻至低于200℃，如262處所指示。連續(xù)的流場板被成形為具有凈形狀的厚度和寬度，如264處所指示，并且可以通過切割器286（圖11）被分割成離散的流場板。在約200℃（415℉）的溫度下，所形成的流場從雙帶排出，該溫度低于大部分FEP已經(jīng)凝固的溫度，這導(dǎo)致了期望的物理屬性，例如2.1-2.2g/mL的密度是期望的范圍。另一個機器266可以將流場板供給到層壓機288，其中該流場板以先前所述的方式與另一個板聯(lián)接。參照圖9，其示出了流場成形過程300，其中生產(chǎn)出流場坯件。FEP302和片狀石墨粉末304和水的混合物被混合。如312處所指示的，在放置到帶上之前，混合物被稱重308和混合310。所述帶可以被設(shè)置為雙帶壓制系統(tǒng)的一部分。雙帶壓制系統(tǒng)與圖12A和圖12B中所示的類似，但沒有用于成形流場通道的凸脊。在該示例中，水不與FEP和石墨混合來制造糊料。然而，如果糊料被用于過程300中，則在通過雙帶壓制裝置進行壓制（如316處指示的）之前，水從該糊料中蒸發(fā)（如314處指示的）?；旌衔镌趬毫ο录訜岵⑶译S后被冷卻，如318處所指示的。連續(xù)流場被分開并且切割成離散的流場板，如320處所指示。在修整之后，將通道機加工在相同坯件的陰極側(cè)上和陽極側(cè)上，如332和334處分別所指示的。來自切割的任何廢棄物都可以被回收和再利用，如322處所指示?？蓾裥酝繉颖混o電施加到陽極側(cè)，如330處所指示。示例性雙帶壓力機266可以被用于根據(jù)相對于圖9所述的過程將石墨-FEP流場坯件成形成凈形狀。單獨的流場板62、162被形成為如圖5B中所示和上文中所述的分隔器板組件。如圖11中所示，擠壓機266、266可以被用于生產(chǎn)流場板62、162。陽極流場和陰極流場使用低壓連續(xù)平板層壓機288被結(jié)合在一起。如已知的，陽極流場涂有可濕性處理物。盡管已經(jīng)公開了示例性實施例，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可意識到在權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以產(chǎn)生某些修改。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被研究以確定它們的真實范圍和內(nèi)容。