CN101567433A - 燃料电池隔板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种由连续碳纤维复合物形成的燃料电池隔板、及其制造方法。在上述燃料电池隔板中，碳纤维基本被聚合物粘合剂包围。制造该燃料电池隔板的方法可以包括：第一步，提供半固化态的连续碳纤维复合物的原材料；将原材料形成为具有隔板的长度和形状；堆叠和粘附单个或多个根据隔板的长度切割的原材料；将堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热压机进行加热和压制；以及从加热和压制的隔板上去除不必要的部分。

Description

燃料电池隔板及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请依据35U.S.C.§119(a)要求2008年4月25日提交的韩国专利申请第10-2008-0038460号的优先权，其全部内容在此引入以供参考。
技术领域
本申请涉及燃料电池隔板(fuel cell separator)及其制造方法。更具体地，本发明涉及由连续碳纤维复合物(continuous carbon-fibercomposite)形成的燃料电池隔板、及其制造方法。
背景技术
燃料电池是通过氢(H2)与氧(O2)的电化学反应产生电的装置，其包括具有如下结构的膜电极组件(MEA)：向其供应氢的燃料电极(阳极)和向其供应空气中的氧的空气电极(阴极)与传输氢离子、且介于电极之间的电解质膜一起装配，并且电极的外部配置有气体扩散层(GDL)。
而且，GDL的外部堆叠有隔板，该隔板包括用于供应燃料并排出反应产生的水的流场，从而形成燃料电池组，其中MEA和隔板顺序堆叠。
当例如氢或含有大量氢的混合气体的燃料源供给位于一侧的燃料电极(氢电极)，并且氧或含氧空气供给位于另一侧的空气电极(氧电极)时，通过发生电化学反应而产生电能。
如图4所示，燃料电池组的燃料电池隔板30优选包括多个歧管32，其适当地安装于燃料电池组的两端，并分别供应和排出的氢、空气和冷却剂，并且在歧管32之间沿着燃料电池组的纵向安装有多个氢、空气和冷却剂流场34，其每一个均具有精细的通道结构。
上述燃料电池隔板需要各种条件，包括但不限于，导电性高、化学品耐受性高、机械强度高、热质量低(涉及冷启动)、等等。
在常规隔板当中，由于石墨隔板通过铣床法由薄石墨板形成，制造时间和成本增加，并且石墨隔板可能通过碰撞进一步损坏。
膨胀碳隔板难以形成流体流过的精细通道，并且导电性低于石墨隔板。
由石墨粉和聚合物粘合剂的混合物形成的复合隔板难以形成用于流体流动的精细通道，并且导电性低于石墨隔板。
韩国专利申请第10-2007-0060189号公开了一种隔板及其制造方法，该方法包括将75至85wt％的粒径10至200μm的石墨、13.5至22.5wt％的酚树脂和1.5至2.5wt％的固化剂混合以制备复合材料，将由此制得的复合材料分散到模具中以模制成隔板，并将由此模制的隔板在100至120℃的温度下热处理。通过该方法制造的隔板的特征在于机械强度低，导电性低。此外，由于将粉末材料压缩至铸模中的过程复杂，可塑性降低。而且，由于进行热处理过程的时间长，生产量低。
日本专利申请第1999-297338公开了一种使用碳/石墨粉末和聚合粘合剂的用于固体聚合物型燃料电池的隔板，以及该隔板的制造方法。然而，由于将粉末材料压缩至铸模中的过程复杂，1999-297338公开文本所述隔板的可塑性降低，而且由于进行热处理过程的时间长，生产量低。
日本专利申请第2001-325967号公开了一种燃料电池隔板的制造方法，该方法使用粒度60至100μm的导电粉末、粘合剂和挥发性溶剂，还公开了一种燃料电池隔板和固体聚合物型燃料电池。当颗粒含量变高、从而颗粒之间的接触增加时，电学特征得到改善；然而，如果颗粒含量高，机械性能则降低，因此可塑性降低。而且，使用挥发性溶剂的方法增加了处理时间，降低工作安全性，并引起环境问题。
在此背景技术部分中公开的上述信息仅用于增强对本发明背景技术的理解，并因此其可以包含不形成本国家的本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
在一方面，本发明提供一种使用基本连续的碳纤维复合物、通过用于大量生产的连续过程制造的燃料电池隔板，及其制造方法，其中碳纤维基本被聚合物粘合剂包围。
在一个实施方式中，本文描述的本发明提供一种制造燃料电池隔板的方法，该方法包括：第一步，提供半固化态的基本连续的碳纤维复合物的原材料，即预浸料(prepreg)或SMC；第二步，将原材料优选地切割成具有隔板的长度和形状；第三步，堆叠和粘附单个或多个根据隔板的长度切割的原材料；第四步，将堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热压机以进行加热和压制；第五步，从加热和压制的隔板上去除不必要的部分；以及第六步，将由此获得的隔板后固化(post-curing)。
在优选的实施方式中，连续的碳纤维复合物是具有如下优选结构的数米或长度更大的基本连续的纤维，其中碳纤维由热固性聚合物粘合剂基本紧密地填充和束缚，从而在纤维当中具有基本直接的接触，在整个纤维内提供良好的导电性。
在另一个优选实施方式中，将例如但不限于碳黑的导电粉末与聚合物粘合剂进一步混合，用于改善导电性。
在又一个优选实施方式中，在第二步，原材料优选经过装有切割器的切割辊，使得原材料根据隔板的长度切割，并且同时在原材料上适当地形成有用于流体例如氢、空气或冷冻剂的歧管和装配孔。
在又一个优选实施方式中，在第三步，根据隔板的长度适当切割的单个或多个原材料经过堆叠/压缩辊，以进行加热和压制，其中多层原材料以预先确定的堆叠顺序堆叠，该堆叠顺序包括，例如，0°、90°和0°的交错(zigzag)方式，以通过施加压力和达到其聚合物粘合剂的停止温度(dwelling temperature)的热而使其彼此粘附。
在又一个优选实施方式中，在第四步，通过在高温热压机的上、下压板(platen)上形成的正、负流场图案，在原材料上适当地形成氢、空气和冷却剂流场。
在进一步优选的实施方式中，从隔板去除不必要部分的第五步在最短的时期内进行，使得加热和压制的隔板具有能够维持其形状的固化度。
在另一进一步优选的实施方式中，在第六步，一次至少将600、500、400、300、200、100个隔板置于高压釜中，以在预定的温度下后固化预定的时间，使得隔板最终被固化。
在另一个实施方式中，本发明提供一种制造燃料电池隔板的方法，该方法包括：第一步，提供半固化态的适当连续的碳纤维复合物的原材料；第二步，使原材料形成为具有隔板的长度和形状；第三步，堆叠和粘附单个或多个优选根据隔板的长度切割的原材料；第四步，将适当地堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热轧辊进行压制成型、加热和部分固化；第五步，从加热和压制成型的隔板去除不必要的部分；和第六步，将由此得到的隔板后固化。
在优选的实施方式中，在第四步，通过在高温热轧辊的表面上形成的正、负流场图案，在原材料上适当地形成氢、空气和冷却剂流场。
本文所用的术语“车辆”、“车用”或其它类似术语理解成包括通常的机动车辆，例如载客车辆，包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆，包括各种船只和船舶的水运工具，航空器和类似物。
所附附图结合在本说明书中并形成其一部分，并与以下具体描述一起，更详细地说明了本发明的以上特征和优势，其用于通过实施例的方式解释本发明的原理，这些特征和优势由此将是显而易见的。
附图说明
现在参考附图中图示的某些示范性实施方式对本发明的上述和其它特征进行详细说明，以下附图仅仅作为图示给出，因此不是对本发明的限制，其中：
图1是图示出根据本发明第一个实施方式的燃料电池隔板制造方法的流程图。
图2是图示出根据本发明第二个实施方式的燃料电池隔板制造方法的流程图。
图3是图示出连续碳纤维复合物的结构的示意图。
图4是图示出燃料电池隔板的结构的示意图。
附图中列出的参考数字包括关于下文进一步讨论的下列元件：
10：连续碳纤维复合物的原材料
12：辊                    16：切割器
18：切割辊                20：堆叠/压缩辊
22：高温热压机
24：正、负流场图案
26：切边机                28：热轧辊
30：隔板                  32：歧管
34：流场
应当理解到，所附的附图并非必然是按比例的，其说明了本发明基本原理的各种优选特征的一定程度上简化的代表。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体大小、方向、位置和形状将部分取决于具体的既定用途和使用环境。
在附图中，参考数字在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
如本文所述，本发明包括一种制造燃料电池隔板的方法，该方法包括：第一步，提供半固化态的连续碳纤维复合物的原材料；将原材料形成为具有隔板的长度和形状；堆叠和粘附单个或多个根据隔板的长度切割的原材料；将堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热压机进行加热和压制；以及从加热和压制的隔板上去除不必要的部分。
在本发明的某些实施方式中，该方法进一步包括将由此得到的隔板后固化。
本发明还可以包括一种机动车，其包括如本文所述的燃料电池隔板。
现在将参照下文详细描述本发明的各种实施方式，其实施例在附图中加以图示，并在下文中描述。尽管结合示例性的实施方式对本发明进行说明，应该理解到，本说明书并不是要将本发明限制到这些示例性的实施方式。相反，本发明不仅要涵盖示例性的实施方式，而且涵盖各种变化、修改、等价物和其它实施方式，其均可以包括在由所附权利要求所定义的发明的精神和范围内。
如示例性的图3所示，根据本发明的燃料电池隔板具有如下特征：其可以使用连续的碳纤维复合物、通过用于大量生产的基本连续的过程制造，优选上述碳纤维复合物的结构中碳纤维被聚合物粘合剂包围。
在本发明的某些实施方式中，将例如但不限于碳黑的导电粉末与连续碳纤维复合物的聚合物粘合剂进一步混合，以改善导电性。
用于制造本发明的隔板的连续碳纤维复合物的性能值，以及例如石墨、碳粉末复合物、金属(不锈钢：SUS)的常规材料的性能值，如下表1所示进行比较：
[表1]
性能   石墨(常规)   碳粉复合物(常规)   金属：SUS(常规)   碳纤维加强复合物(本发明) DOE标准
 比重(g/cm3)   1.88   1.92   7.87   1.9   N/A
 导热性(原材料，W/mK)   100   0.8-20   16.3   48.4-60.6   40
 接触电阻(@150psig，mΩcm2)   15.6   20.2   75   20-30   25
 热膨胀系数(10-6/K)   4.7   10-30   11-18   -0.12-22   N/A
 导电性(S/Cm)   770   251   13889   100-125   超过100
 挠曲强度(MPa)   85   50   510   1550   超过34MPa
 耐压强度(MPa)   170   满意   满意   满意   超过105MPa
耐腐蚀性 满意 满意   需要昂贵的覆层 满意   超过1mA/cm3
加工方法 机械加工 压制 压制   热压，真空袋成型 N/A
如表1所示，并且使用现有设备通过试验所确定，根据本发明的连续碳纤维复合物具有如下优点：
(1)连续碳纤维复合物的比重是金属材料(SUS)的大约四分之一，因此其可提供轻重量；
(2)连续碳纤维复合物的导热性低于石墨，因此可以降低整个隔板的厚度，并因此增加每单位体积的反应面积，导致功率密度的适当增加；
(3)连续碳纤维复合物的接触电阻低，因此燃料电池组中的电流损耗适当降低，并因此可以增加燃料电池的效率；
(4)可以根据堆叠角度(stacking angle)将热膨胀系数在从负到正的范围内调整，因此尺寸稳定性非常优异；
(5)连续碳纤维复合物导电性的绝对值低于石墨，但连续碳纤维复合物可以形成为比石墨更薄，因此实际体电阻可以适当地实现相当的值；
(6)连续碳纤维复合物的挠曲强度高于其它材料，因此可以防止由于夹持负荷造成的变形时的应力造成的损坏；和
(7)连续碳纤维复合物的耐压强度和耐腐蚀性满足标准。
因此，已知优选用于制造本发明的隔板的连续碳纤维复合物，与常规材料(例如石墨、碳粉、和短切碳纤维复合物)相比具有优异的性能。连续碳纤维复合物的机械强度十分优异，因此可以使施加到燃料电池组的夹持力引起的变形最小化，因此适当地改善了密封性能。而且，由于连续碳纤维复合物的冲击强度十分优异，与石墨材料相比，连续碳纤维复合物不容易通过冲击断裂，使得操作简便，并且不用担心由于负荷造成的损坏。
连续碳纤维复合物的透气性低，特别地，根据优选的实施方式，与使用模具模制成隔板的常规粉末基(power-based)复合物不同，可以应用用于大规模生产的连续过程。
在如本文所述的本发明示例性的实施方式中，由于连续碳纤维复合物的比热低于常规隔板中使用的其它材料，热惯性低，这对于冷启动是有利的。此外，由于连续碳纤维复合物的耐化学品性十分优异，不需要涂层，因此可以显著降低制造成本。
因此，根据本发明的隔板能够通过用于大规模生产的连续过程制造。
此后，本发明的优选实施方式将在下文描述；然而，本发明并不限于以下实施方式。
第一实施方式
根据本发明第一优选实施方式的隔板制造方法，优选提供一种通过热压方法模制连续碳纤维复合物的方法。
图1是图示出根据本发明的一个优选实施方式的燃料电池隔板制造方法的流程图。
连续碳纤维复合物的优选的原材料10缠绕在辊12上，上述原材料是长度优选为数米或更长的连续纤维，其具有如下结构：其中直径优选为大约10μm的碳纤维适当地被热固性聚合物粘合剂包围。
根据优选的实施方式，连续碳纤维复合物的原材料10作为预浸料提供，其适当地为半固化片的形式，或者是半固化态的片状模塑料(sheet molding compound，SMC)。
根据进一步的实施方式，连续碳纤维复合物的原材料10经过长辊形式的多个切割辊18，上述切割辊优选包括在其表面上设置的切割器16，使得原材料10根据隔板的长度切割，同时在原材料10上适当地形成共同配送(common distribution)歧管和安装孔。
在进一步的实施方式中，多个原材料10，即根据隔板的长度切割的单个原材料10优选连续地经过堆叠/压缩辊20，者或根据隔板的长度切割的多个原材料10安置成例如0°/90°/0°的交错方式，然后经过堆叠/压缩辊20。
因此，如果原材料10的厚度为0.1mm，考虑到要制造的隔板的厚度，优选将根据隔板长度切割的3至5个原材料10以交错形式适当地安置。
在进一步的实施方式中，堆叠/压缩辊20适当地装有单独的加热装置，因此，当原材料10优选经过堆叠/压缩辊20时，它们在40至80℃的温度下彼此间紧密地压制。
优选地，如果原材料10在低于40℃的温度下压制，原材料10之间的粘附强度适当地降低，反之，如果原材料10在高于80℃的温度压制，它们可以适当地固化。因此，在某些实施方式中，优选原材料10在40至80℃的温度下压制。
在进一步的实施方式中，将优选以单层或多层堆积的原材料10置于高温热压机22上进行压制成型。
因此，对于原材料10，优选高温热压机22的模压温度适当地保持在150至550℃的温度下。如果模压温度低于150℃，可塑性适当地恶化，反之，如果高于550℃，原材料10可以被固化。
在某些优选的实施方式中，高温热压机22的上、下压板上具有用于形成氢、空气和冷却剂流场的正、负流场图案24。因此，通过高温热压机22的压制成型，原材料10上适当地形成有氢、空气和冷却剂流场。
在进一步的实施方式中，对加热和压制成型的原材料10进行使用切边机26从隔板上去除不必要部分的整理过程。整理过程优选在最短的时间内进行，使得加热和压制成型的原材料10具有能够保持其形状的固化度。
在本发明进一步的实施方式中，进行后固化过程，使得隔板最终被固化，在该后固化过程中，大约但不仅限于400个隔板在合适的时间被置于高压釜中，以在大约125℃下热处理大约2小时。
第二实施方式
根据本发明第二实施方式的隔板制造方法，提供了一种通过热轧过程模制连续碳纤维复合物的方法。
图2是图示出根据本发明的另一个优选实施方式的燃料电池隔板制造方法的流程图。
连续碳纤维复合物的原材料10缠绕在辊12上，上述原材料优选是长度为数米或更长的连续纤维，其具有如下结构：其中直径优选为大约10μm的碳纤维适当地被热固性聚合物粘合剂包围。
因此，连续碳纤维复合物的原材料10优选作为预浸料提供，其适当地为半固化片的形式，或者是半固化态的片状模塑料(SMC)。
在另一个实施方式中，如本文所述，连续碳纤维复合物的原材料10优选经过适当地为长辊形式的多个切割辊18，上述切割辊包括在其表面上设置的切割器16，使得原材料10根据隔板的长度切割，同时在原材料10上适当地形成共同配送歧管和安装孔。
因此，如本文所述，多个原材料10，即根据隔板的长度切割的单个原材料10连续地经过堆叠/压缩辊20，或者根据隔板长度切割的多个原材料10优选地布置成例如0°/90°/0°的交错方式，然后经过堆叠/压缩辊20。
因此，如果原材料10的厚度为0.1mm，考虑到要制造的隔板的厚度，将根据隔板长度切割的3至5个原材料10以交错形式适当地安置。
根据另一实施方式中，堆叠/压缩辊20适当地装有单独的加热装置，因此，当原材料10适当地经过堆叠/压缩辊20时，它们在40至80℃的温度下彼此间紧密地压制。
在其它优选的实施方式中，如果原材料10在低于40℃的温度下压制，原材料10之间的粘附强度适当地降低，反之，如果原材料10在高于80℃的温度下压制，它们可以适当地固化。因此，在某些实施方式中，优选原材料10在40至80℃的温度下压制。
然后，将以单层或多层堆叠的原材料10置于高温热轧辊28上，进行压制成型、加热和部分固化。
根据其它的实施方式，高温热轧辊28的表面上具有用于形成氢、空气和冷却剂流场的正、负流场图案24。因此，因此，当原材料10经过高温热轧辊28并压制成型时，原材料10上适当地形成有氢、空气和冷却剂流场。
优选地，对于原材料10，高温热轧辊28的加热温度适当地保持在150至250℃的温度下。如果加热温度低于150℃，可塑性适当地恶化，反之，如果高于250℃，原材料10可以被固化。
在其它进一步的实施方式中，对压制成型的原材料10进行优选使用切边机26从隔板上去除不必要部分的整理过程。
在进一步的实施方式中，进行后固化过程，使得隔板最终被固化，在该后固化过程中，大约但不限于400个隔板在某一时间被置于高压釜中，以在大约125℃下热处理大约2小时。
优选使用连续碳纤维复合物，通过热压或热轧过程可以容易地制造隔板，其为用于大规模生产的连续方法，与使用模具模制粉末基复合物的常规方法不同。
如上所述，本发明提供以下效果。
可以使用连续碳纤维复合物容易地制造隔板，其中优选使用具有正或负流场图案的热压机或热轧辊，在隔板上形成氢、空气和冷却剂流场。在优选的实施方式中，通过本发明制造的隔板与由其它材料形成的常规隔板相比，具有优异的冲击强度、可塑性和耐化学品性，并且在优选的实施方式中，表现出非常优异的挠曲强度。
本发明参考其优选实施方式进行了详细说明。然而，本领域技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等价物限定。

Claims (15)

1.一种燃料电池隔板的制造方法，所述方法包括：
第一步，提供半固化态的连续碳纤维复合物的原材料；
第二步，使所述原材料形成为具有隔板的长度和形状；
第三步，堆叠和粘附单个或多个根据隔板的长度切割的原材料；
第四步，将堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热压机，以进行加热和压制；
第五步，从加热和压制的隔板上去除不必要的部分；和
第六步，将由此得到的隔板后固化。
2.一种燃料电池隔板的制造方法，所述方法包括：
第一步，提供半固化态的连续碳纤维复合物的原材料；
第二步，使所述原材料形成为具有隔板的长度和形状；
第三步，堆叠和粘附单个或多个根据隔板的长度切割的原材料；
第四步，将堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热轧辊，以进行压制成型、加热和部分固化；
第五步，从加热和压制成型的隔板上去除不必要的部分；和
第六步，将由此得到的隔板后固化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述连续碳纤维复合物是具有如下结构的长度为数米或更大的连续纤维，其中碳纤维被热固性聚合物粘合剂包围。
4.根据权利要求3所述的方法，其中进一步将用于改善导电性的导电粉末与所述聚合物粘合剂混合。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述导电粉末是碳黑。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述的第二步，所述原材料经过装有切割器的切割辊，使得将所述原材料根据隔板的长度切割，并且同时在所述原材料上形成共同配送歧管和装配孔。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述的第三步，根据隔板的长度切割的单个或多个原材料经过堆叠/压缩辊，以进行加热和压制，其中将多个原材料布置成0°、90°、和0°的交错形式，以便通过施加热和压力而使其彼此粘附。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述的第四步，通过在所述高温热压机的上、下压板上形成的正、负流场图案，在所述原材料上形成氢、空气和冷却剂流场。
9.根据权利要求1所述的方法，其中从隔板上去除不必要部分的所述第五步在最短的时间内进行，使得加热和压制的隔板具有能够维持其形状的固化度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述的第六步，一次将至少400个隔板置于高压釜中，以在预定的温度下后固化预定的时间，使得隔板最终被固化。
11.根据权利要求2所述的方法，其中，在所述的第四步，通过在所述高温热轧辊的表面上形成的正、负流场图案，在所述原材料上形成氢、空气和冷却剂流场。
12.一种通过权利要求1所述的方法制造的燃料电池隔板。
13.一种燃料电池隔板的制造方法，所述方法包括：
提供半固化态的连续碳纤维复合物的原材料；
使所述原材料形成为具有隔板的长度和形状；
堆叠和粘附单个或多个根据隔板的长度切割的原材料；
将堆叠成单层或多层的原材料安置于高温热压机，以进行加热和压制；和
从加热和压制的隔板上去除不必要的部分。
14.根据权利要求13所述的燃料电池隔板的制造方法，其进一步包括将由此得到的隔板后固化。
15.一种机动车辆，其包括根据权利要求1所述的燃料电池隔板。
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