一種用于氫燃料電池組的雙極板及其制作工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]
本發(fā)明涉及一種用于氫燃料電池組的雙極板及其制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]甲醇燃料電池使用甲醇直接作為原料，作為一種質(zhì)子交換膜燃料電池，需要使用一種導(dǎo)電隔板，以支撐、集流、分隔氧化劑與還原劑，并引導(dǎo)氧化劑和還原劑在電池內(nèi)電極表面流動(dòng)，這種導(dǎo)電隔板稱為雙極板。雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，對(duì)材料性能要求高，材料的性能較低則會(huì)導(dǎo)致燃料電池出現(xiàn)工作性能不穩(wěn)定，效率不高的問(wèn)題。
[0003]現(xiàn)在對(duì)于雙極板的研究已經(jīng)包括金屬板、純石墨板和復(fù)合材料板三大類。其中，金屬板具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)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(shí)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尚，成本也尚;必須對(duì)金屬基材，尤其是表面進(jìn)彳丁特殊處理以提尚其化學(xué)穩(wěn)定性，否則易出現(xiàn)金屬板腐蝕甚至銹穿，導(dǎo)致電池的使用壽命縮短甚至發(fā)生災(zāi)難性的破壞。
[0004]還有現(xiàn)在雖然純石墨板具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性，純石墨板一般采用傳統(tǒng)的機(jī)加工方法加工流道，流道就不能太窄(比如不能低于0.7mm)。因?yàn)槿绻鞯肋^(guò)窄，加工刀具在加工過(guò)程中的磨損所引起的尺寸誤差將不能容忍;此外，機(jī)加工過(guò)程耗時(shí)也很長(zhǎng)，生產(chǎn)效率不高，這些都導(dǎo)致雙極板的加工成本偏高，甚至超過(guò)材料成本;另一方面，純石墨板性脆，其內(nèi)部孔隙的存在導(dǎo)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。
[0005]對(duì)于第三類的各種類型的復(fù)合材料，現(xiàn)有技術(shù)中例如申請(qǐng)?zhí)枮?01110120938.3的專利提供了一種方案:一種燃料電池用雙極板的制造工藝及設(shè)備，該工藝其包括將膨脹石墨與樹脂粉末進(jìn)行干混;膨脹石墨與樹脂的混合料壓制成預(yù)壓板;再次壓制，且在其一面或雙面壓出相應(yīng)的流道;將壓出流道的雙極板預(yù)壓板分離，得到成型的雙極板;將成型的雙極板固化冷卻得到雙極板產(chǎn)品。該設(shè)備包括至少一組振動(dòng)給料機(jī)，用于分別將膨脹石墨和樹脂粉末投放于傳送帶上；傳送帶，用于輸送混合的膨脹石墨和樹脂;輥壓機(jī)，用于將傳送帶上混合物壓制成預(yù)壓板;模壓機(jī)，用于再次壓制預(yù)壓板并壓出相應(yīng)的流道以及固化爐，用于固化成型的雙極板。模壓機(jī)中包括壓制雙極板流道的模具。本發(fā)明膨脹石墨/樹脂復(fù)合雙極板在電導(dǎo)率、阻氣率與機(jī)械強(qiáng)度等方面性能優(yōu)良，且價(jià)格低廉。
[0006]以及中國(guó)專利號(hào)為ZL201310043424.1的發(fā)明專利提供了一種方案:其利用膨脹石墨為碳基材料，樹脂粉末為粘接劑，在復(fù)合材料制備中加入炭黑或者碳纖維，增加電導(dǎo)率，碳纖維合并入復(fù)合雙極板會(huì)產(chǎn)生很好的彎曲強(qiáng)度。這樣經(jīng)過(guò)合理的復(fù)合可制備一種具備良好耐蝕性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、阻氣性與機(jī)械強(qiáng)度，成本低廉的燃料電池雙極板。上述方案中因?yàn)樵现泻刑祭w維，存在的問(wèn)題是原料經(jīng)過(guò)加溫至熔融狀態(tài)后，原料具有高粘滯特性即流動(dòng)性不好，導(dǎo)致無(wú)法利用注射成型工藝生產(chǎn)雙極板，只能采用模壓成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)，因?yàn)槟撼尚凸に嚨恼麄€(gè)制作成型周期較長(zhǎng)，且生產(chǎn)效率低，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的主要目的在于提供一種成分中不含碳纖維的碳基復(fù)合材料雙極板以及采用注射成型工藝以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)雙極板的制作工藝。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案，一種用于氫燃料電池組的雙極板，以重量份數(shù)計(jì)，由以下組分組成，酚醛樹脂:5?50份;碳粉:30?60份;脫模劑:2?1份。
[0009]優(yōu)選的，以重量份數(shù)計(jì)，所述酚醛樹脂為10?45份。
[0010]優(yōu)選的，以重量份數(shù)計(jì)，所述碳粉為35?58份。
[0011]優(yōu)選的，以重量份數(shù)計(jì)，所述脫模劑為5?8份。
[0012]—種用于氫燃料電池組的雙極板的制作工藝，(I):利用雙螺桿擠出機(jī)將粉末狀的酚醛樹脂、碳粉以及脫模劑進(jìn)行混合并加工成顆粒狀的待加工原料;(2):將(I)中制得的待加工原料加溫至280°C~350°C，待加工原料呈熔融狀態(tài)；(3):將(2)制得的熔融狀態(tài)的待加工原料通過(guò)注射機(jī)注射到產(chǎn)品模具中，冷卻后進(jìn)行開模，最后制得碳基復(fù)合材料雙極板。
[0013]優(yōu)選的，所述注射機(jī)的注射速率為50?63mm/s。
[0014]優(yōu)選的，所述注射機(jī)的保壓壓力為125?157Mpa。
[0015]優(yōu)選的，所述注射機(jī)的澆口為扇形澆口。
[0016]優(yōu)選的，所述產(chǎn)品模具的溫度為200?218°C。
[0017]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)，相比較現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的碳基復(fù)合材料雙極板在組分中未添加碳纖維材料，這樣設(shè)置的好處是可以實(shí)現(xiàn)采用注射成型工藝進(jìn)行雙極板的連續(xù)生產(chǎn)，注射成型工藝具有制作周期短、操作難度低、成本低、生產(chǎn)速率快的優(yōu)點(diǎn)，非常適合推廣應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0018]—種用于氫燃料電池組的雙極板，以重量份數(shù)計(jì)，由以下組分組成，酚醛樹脂:5?50份;碳粉:30?60份;脫模劑:2?10份。相比較現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的碳基復(fù)合材料雙極板在組分中未添加碳纖維材料，這樣設(shè)置的好處是可以實(shí)現(xiàn)采用注射成型工藝進(jìn)行雙極板的連續(xù)生產(chǎn)，因?yàn)樘祭w維材料在熔融狀態(tài)下具有非常高的粘滯性，無(wú)法采用注射成型工藝進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)利用本發(fā)明提供的組分制成的碳基復(fù)合材料雙極板具有良好的耐蝕性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、阻氣性與機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿足氫燃料電池組的使用要求。
[0019]上述各組分具體通過(guò)以下步驟進(jìn)行生產(chǎn)加工:(I):利用雙螺桿擠出機(jī)將粉末狀的酚醛樹脂、碳粉以及脫模劑進(jìn)行混合并加工成顆粒狀的待加工原料；
(2):將(I)中制得的待加工原料加溫至2800C-350°C，待加工原料呈熔融狀態(tài)；
(3):將(2)制得的熔融狀態(tài)的待加工原料通過(guò)注射機(jī)注射到產(chǎn)品模具中，冷卻后進(jìn)行開模，最后制得碳基復(fù)合材料雙極板。
[0020]相比較采用模壓工藝生產(chǎn)碳基復(fù)合材料的雙極板的方法，注射成型工藝具有制作周期短、操作難度低、成本低、生產(chǎn)速率快的優(yōu)點(diǎn)，非常適合推廣應(yīng)用。對(duì)該生產(chǎn)工藝進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，其中注射機(jī)的澆口采用扇形澆口，這樣設(shè)置能夠提供熔融狀態(tài)的待加工原料的流動(dòng)性，另外注射機(jī)的注射速率為50?63mm/s以及保壓壓力為125?157Mpa，通過(guò)實(shí)踐得出結(jié)論，這樣設(shè)置可以使得熔融狀態(tài)的待加工原料能夠順利的進(jìn)入產(chǎn)品模具中。另外，產(chǎn)品模具的溫度預(yù)設(shè)為200?218°C，使得熔融狀態(tài)的待加工原料在進(jìn)入模具中后能夠良好的成型。
[0021]實(shí)施例一:一種用于氫燃料電池組的雙極板，以重量份數(shù)計(jì)，由以下組分組成，酚醛樹脂:45份;碳粉:50份;脫模劑:5份。
[0022]制作工藝為:(I):利用雙螺桿擠出機(jī)將粉末狀的酚醛樹脂4.5kg、碳粉5kg以及脫模劑0.5kg進(jìn)行混合并加工成顆粒狀的待加工原料;(2):將(I)中制得的待加工原料加溫至320°C，待加工原料呈熔融狀態(tài)；(3):將(2)制得的熔融狀態(tài)的待加工原料通過(guò)注射機(jī)注射到產(chǎn)品模具中，冷卻后進(jìn)行開模，最后制得碳基復(fù)合材料雙極板。
[0023]其中，注射機(jī)的注射速率為58mm/s，注射機(jī)的保壓壓力為145Mpa，產(chǎn)品模具的溫度為200°C，注射機(jī)的澆口為扇形澆口。
[0024]制得的碳基復(fù)合材料雙極板性能參數(shù)如下:熱變形溫度為220°C，熱導(dǎo)率為21W/mK，抗彎曲強(qiáng)度為56MPa，性能良好。
[0025]實(shí)施例二:一種用于氫燃料電池組的雙極板，以重量份數(shù)計(jì)，由以下組分組成，酚醛樹脂:35份;碳粉:58份;脫模劑:7份。
[0026]制作工藝為:(I):利用雙螺桿擠出機(jī)將粉末狀的酚醛樹脂3.5kg、碳粉5.8kg以及脫模劑0.7kg進(jìn)行混合并加工成顆粒狀的待加工原料;(2):將(I)中制得的待加工原料加溫至335°C，待加工原料呈熔融狀態(tài)；(3):將(2)制得的熔融狀態(tài)的待加工原料通過(guò)注射機(jī)注射到產(chǎn)品模具中，冷卻后進(jìn)行開模，最后制得碳基復(fù)合材料雙極板。
[0027]其中，注射機(jī)的注射速率為55mm/s，注射機(jī)的保壓壓力為140Mpa，產(chǎn)品模具的溫度為215°C，注射機(jī)的澆口為扇形澆口。
[0028]制得的碳基復(fù)合材料雙極板性能參數(shù)如下:熱變形溫度為215°C，熱導(dǎo)率為22W/mK，抗彎曲強(qiáng)度為54MPa，性能良好。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于氫燃料電池組的雙極板，其特征在于:以重量份數(shù)計(jì)，由以下組分組成， 酚醛樹脂:5?50份； 碳粉:30?60份； 脫模劑:2?10份。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板，其特征在于:以重量份數(shù)計(jì)，所述酚醛樹脂為1?45份。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板，其特征在于:以重量份數(shù)計(jì)，所述碳粉為35?58份。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板，其特征在于:以重量份數(shù)計(jì)，所述脫模劑為5?8份。5.—種制作如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的用于氫燃料電池組的雙極板的制作工藝，其特征在于: (1):利用雙螺桿擠出機(jī)將粉末狀的酚醛樹脂、碳粉以及脫模劑進(jìn)行混合并加工成顆粒狀的待加工原料； (2):將(I)中制得的待加工原料加溫至2800C-350°C，待加工原料呈熔融狀態(tài)； (3):將(2)制得的熔融狀態(tài)的待加工原料通過(guò)注射機(jī)注射到產(chǎn)品模具中，冷卻后進(jìn)行開模，最后制得碳基復(fù)合材料雙極板。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板的制作工藝，其特征在于:所述注射機(jī)的注射速率為50?63mm/s。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板的制作工藝，其特征在于:所述注射機(jī)的保壓壓力為125?157Mpa。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板的制作工藝，其特征在于:所述注射機(jī)的澆口為扇形澆口。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于氫燃料電池組的雙極板的制作工藝，其特征在于:所述產(chǎn)品模具的溫度為200?218 °C。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于氫燃料電池組的雙極板及其制作工藝。主要方案是：一種用于氫燃料電池組的雙極板，以重量份數(shù)計(jì)，由以下組分組成，酚醛樹脂：5~50份；碳粉：30~60份；脫模劑：2~10份，相比較現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的碳基復(fù)合材料雙極板在組分中未添加碳纖維材料，這樣設(shè)置的好處是可以實(shí)現(xiàn)采用注射成型工藝進(jìn)行雙極板的連續(xù)生產(chǎn)，注射成型工藝具有制作周期短、操作難度低、成本低、生產(chǎn)速率快的優(yōu)點(diǎn)，非常適合推廣應(yīng)用。
【IPC分類】H01M4/88, H01M4/86
【公開號(hào)】CN105633419
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610138215
【發(fā)明人】沈建躍, 陳剛
【申請(qǐng)人】常州博能新能源有限公司
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年3月11日