CN101589493A - 燃料电池用镀镍隔板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种燃料电池用镀镍隔板及其制造方法，具体而言将导电性碳素材料石墨和环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料制粉后，成型加工成燃料电池隔板，所述成型加工的燃料电池隔板作为底片，表层镀镍形成。本发明的燃料电池用镀镍隔板虽经成型加工，但相对切削加工的机械性制造方式的燃料电池隔板，其导电性能毫无逊色，而且还可大幅降低厚度和重量、制造费用低、可批量生产。

Description

燃料电池用镀镍隔板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种氢及氢化合物燃料电池隔板及其制造方法，隔板主体成型后经无电镀或电镀使其性能和耐久性更加优秀、价格低廉、便于批量生产。
背景技术
一般而言，氢及氢化合物燃料电池(以下简称燃料电池)通过供应氢和空气中的氧气同时获取电能和热能，除纯水以外无其它任何排放，非常环保。在石油、煤等化石燃料逐渐枯竭、有关气候变化协议的京都议定书等国际性环境规定不断在加强的现今社会，其作为下一代能源得到了广泛研究。
为了这类燃料电池的广泛应用，需要大幅降低燃料电池组成要素即在制造费用中占据较大一块的固体高分子膜或白金催化剂、隔板的价格。
现有技术中关于这类燃料电池隔板，如日本特开平8-222241号中曾提到机械加工制造石墨板的方法。但石墨板前后经双面机械加工带沟后，很容易造成石墨板折断，因此隔板厚度不能薄于2.5mm，导致隔板重量加重、价格上涨。日本专利公开2001-335695号和大韩民国专利公开公报第2003-0030885号中，曾提到过采用导电性碳素材料和环氧树脂等热固性树脂，经制粉后注塑或减压成型的制造方法，因其成型加工过程中在导电性石墨里添加了非导电性物质热固性树脂，相对机械加工制造石墨板的方法，隔板的效率和耐久性均有所下降。
为了解决和克服这一问题，大韩民国专利注册第0533104号中提出，添加抗静电剂注塑或减压成型，即可以提高隔板性能，但事实上碳黑本身具有抗静电作用，即使碳黑作为抗静电剂添加后仍无法提高隔板性能。仍然未能解决注塑或冲压成型制造方法相对机械加工制造的隔板其性能有所下降的问题。
发明内容
本发明为克服和解决上述问题，提供一种燃料电池镀镍隔板及其制造方法。将开发的优秀成型材料制粉后，首先通过冲压成型或注塑方法加工制造隔板底片，其后在该隔板底片上进行镀镍，制成性能大幅提高的燃料电池镀镍隔板。
本发明涉及一种燃料电池用镀镍隔板，其特征在于：包括导电性碳素材料石墨和环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料制粉后成型加工，所述成型加工的燃料电池隔板作为底片，表层镀镍。
此时镀镍的镀层厚度最好控制在10μm～50μm之间。
另外所述隔板底片由60～85％(重量)的导电性碳素材料石墨、15～40％(重量)的环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料组成，导电性碳素材料石墨平均粒度在30μm～50μm。
所述导电性碳素材料石墨和非碳质材料的混合量作为100％(重量)时，其中碳黑占0.5～1％(重量)、二氧化硅组成的硅胶占0.5～1％(重量)、骨粉或贝壳粉作为加固材料从中选其一添加0.5～1％(重量)，制成的燃料电池隔板作为底片。
本发明的燃料电池用镀镍隔板，具体而言，燃料电池隔板底片由传导热和电的天然石墨、人造石墨等导电性碳素材料、使成型更加容易并固定导电性碳素材料作用的环氧树脂或酚树脂等热固性树脂、以及硬化促进剂、硅胶、加固材料等制成粉剂后制作，此时导电性碳素材料的比例应占成型材料粉剂重量的60～85％(重量)。
如果导电性碳素材料比例低于60％(重量)，隔板的强度和耐久性虽然能够得到提高，但会出现导电性下降的问题，如果导电性碳素材料比例超出85％(重量)，隔板导电性能够得到提高但相对隔板本身的强度和耐久性会有所下降。
作为隔板底片成型制作材料的导电性碳素材料属石墨最佳，乙炔黑等气孔过大使其在氢渗透方面存在问题，不适合使用。此时导电性碳素材料制粉用作材料，石墨平均粒径在30μm～50μm左右时其导电性和氢渗透最适合，无论人造石墨或天然石墨均可。
另外，隔板底片仅用石墨粉剂是无法成型制作，需要在石墨上混合热固性树脂成型。此时需考虑成型加工后燃料电池启动将产生电和热，需要采用耐热、硬度大的热固性树脂，通常主要使用环氧树脂。环氧树脂最好采用双酚A或酚醛型，软化点应高且能够制粉。
硬化剂在隔板底片制造中用于使添加的环氧树脂硬化，此类硬化剂最好采用酚树脂，软化点应高且能够制粉。
硬化促进剂在燃料电池隔板制造中缩短硬化产品的凝胶时间(gel time)，提升生产速度，在批量生产中是必须的。硬化促进剂最好使用有机磷系，应能够制粉。
碳黑规格应小于5nm，在导电性碳素材料石墨和上述非碳质材料的混合量看作100％(重量)时，与硅胶一同使用1～2％(重量)，负责抑制氢渗透。
硅胶(aerosil)使用5nm大小的二氧化硅(SiO2)粉剂，与碳黑一样抑制氢气渗透，并在成型制造燃料电池隔板中，赋予树脂和硬化剂触变性(Thixotropic：硬化中防止流下或流失的性质)，防止其在高压及高热下变成液体与石墨分离现象的发生。此时添加的硅胶量在导电性碳素材料石墨和上述非碳质材料的混合量看作100％(重量)时使用0.5～1％(重量)。
另外，根据需要为加强隔板底片的抗挠强度，在隔板底片的成型加工上，可以添加动物骨粉或贝壳粉中由任意一种或两者共同构成的加固材料，所述加固材料在导电性碳素材料石墨和上述非碳质材料的混合量看作100％(重量)时使用0.5～1％(重量)。
所述隔板底片材料制粉并成型加工后，在底片上镀镍。原因在于镀镍后可以提高导电性，同时表层镀的镍还可提高隔板本身耐久性。因为隔板底片主要材料石墨是无腐蚀性的，相对在金属材料底片镀层更容易附着，即使镀层部分出现局部损坏，周边也不会被腐蚀。
隔板底片的镀镍厚度最好在10μm～50μm左右，限制镀层厚度的原因在于，如果镀层厚度小于10μm将影响隔板的导电性，厚度超出50μm则因镀层费用上涨影响经济性。
另外，本发明的另外一个内容即燃料电池用镀镍隔板的制造方法，包括：
导电性碳素材料石墨和环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料制粉的阶段(S100)；
粉末状态材料中所述导电性碳素材料石墨和环氧树脂与所述导电性碳素材料石墨和硬化剂各自分开部分混炼后进一步制粉的阶段(S200)；
经部分混炼及追加制粉的材料中添加硬化促进剂，再次整体进行混合的阶段(S300)；
所述整体混合的粉末材料注入模具中成型加工燃料电池隔板底片的阶段(S400)，以及在成型加工后的燃料电池隔板底片上镀镍的阶段(S500)。
此时，镀镍阶段采用无电镀或电镀方法。
附图说明
图1是显示本发明燃料电池用镀镍隔板制作的整体工序图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明燃料电池用镀镍隔板。
图1是显示本发明燃料电池用镀镍隔板制作的整体工序图。
首先，如上所述由石墨、热固性树脂、硬化剂、硬化促进剂、硅胶、碳黑以及加固材料组成的隔板底片成型材料均应粉碎制粉。
且各部分应分开混炼以便石墨更易浸透在非碳质树脂中，且石墨和环氧树脂应按50％和10％(重量)的含量配制加热混炼，此后石墨和硬化剂再按25％和8％(重量)的含量配制加热混炼。若不进行部分混炼，则硬化反应时很难确定隔板底片的成型温度，完成的底片也不易脱模，会造成难以生产的问题。按上述方法部分混炼后再进行一次制粉工序，或与其它粉剂材料混合后再进行一次制粉工序。
经过部分混炼及追加制粉阶段后，应当利用搅拌机将粉末整体混合均匀，可以使用亨舍尔混合机。
如上所述混炼均匀并制粉后的成型材料，注入到隔板底片制作用模具，该模具能够使隔板表面整体形成沟槽以使得氢气或空气可以通过，再用700kg/cm2～1500kg/cm2压力、180℃～300℃温度下进行1～3分钟的成型加工，待冷却后制得隔板底片。
接下来，在所述隔板底片采用无电镀或电镀方法使镍均匀镀在隔板底片外表层上。
在隔板底片镀镍时优选采用无电镀，无电镀又称为化学镀或自催化镀，水溶液中甲醛或肼这样的还原剂供应电子使金属离子还原成金属分子，该反应在催化剂表面产生。最常用的镀层材料有铜、镍-磷、镍-硼合金。
与电镀方法相比，使用无电镀的优点在于，其膜层更加密实、可保持15μm～50μm左右某一特定厚度，除导体以外还可在塑料或有机体等多种基板进行镀层。
当然除上述无电镀以外，根据需求也可以采用电镀镍，待完成镀镍工序，即制作完成本发明燃料电池用镀镍隔板。
下面通过对比例和实施例进一步描述以便加深理解。
利用本发明的粉剂材料进行减压成型或注塑，燃料电池隔板厚度可以达到0.8mm，但因购置喷磨机、亨舍尔混合机、精密冲压成型冲床、精密尺寸的带沟模具等设备。因此，按宽100mm、长100mm、厚2mm、沟槽深0.5mm的燃料电池隔板作为底片，进行了下列对比例和实施例的试验。
(对比例1)
石墨按75％(重量)、其它树脂等按25％(重量)的含量放入球磨机粉碎至平均粒度30μm，再把粉剂注入宽100mm、长100mm、厚2mm、沟槽深0.5mm的模具上，用800kg/cm2压力、180℃中成型90秒，制成了抗挠强度2500psi、导电性70S/cm、热变形温度198℃的燃料电池隔板。
(实施例1)
石墨按75％(重量)、其它树脂等按25％(重量)的含量放入球磨机粉碎至平均粒度30μm，再把粉剂注入宽100mm、长100mm、厚2mm、沟槽深0.5mm的模具上，用800kg/cm2压力、180℃中成型90秒，制成了抗挠强度2500psi、导电性70S/cm、热变形温度198℃的燃料电池隔板。该隔板作为底片按无电镀方法制成了镀镍厚度在15μm的燃料电池用镀镍隔板。
(对比例2)
石墨按50％(重量)、环氧树脂按10％(重量)的含量放入球磨机粉碎至平均粒度30μm，再把粉剂注入到加压密炼机，在100℃中施加了5kg/cm2的压力，经混炼80秒后冷却。且将25％(重量)的石墨、作为硬化剂的8％(重量)的酚树脂粉碎至平均粒度30μm，再把粉剂注入到加压密炼机，在100℃中施加了5kg/cm2的压力，经混炼80秒后冷却。上述两种粉剂一同放入球磨机，再加硬化促进剂5％(重量)、碳黑0.5％(重量)、硅胶0.5％(重量)、骨粉1％(重量)后，粉碎至平均粒度30μm，制成了粉剂。该粉剂注入到宽100mm、长100mm、厚2mm、沟槽深0.5mm的模具上，用800kg/cm2压力、180℃中成型90秒，制成了抗挠强度3500psi、导电性90S/cm、热变形温度198℃的燃料电池隔板。
(实施例2)
按对比例2方式制成燃料电池隔板后作为底片，按无电镀方法制成了镀镍厚度在15μm、抗挠强度3800psi、导电性250S/cm、热变形温度198℃的燃料电池用镀镍隔板。
从这些实施例子结果可以看出，石墨和树脂加热混炼后，按无电镀或电镀方法在隔板底片上镀镍，可以大大提高燃料电池隔板的强度及导电性。
综上所述，本发明就以上图纸示意的一个实施例作为参考进行了说明，但在不超越发明要旨与范围的情况下，凡拥有本发明技术领域通常知识的人士均能了解到本发明可进行多种修改或变形。因此，本发明的技术保护范围应根据后附权利要求范围的技术思想决定。

Claims (6)

1.一种燃料电池用镀镍隔板，其特征在于：包括导电性碳素材料石墨和环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料，制粉后成型加工，所述成型加工的燃料电池隔板作为底片，表层镀镍。
2.根据权利要求1所述的燃料电池用镀镍隔板，其特征在于，镀镍后所述隔板厚度在10μm～50μm之间。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池用镀镍隔板，其特征在于，所述隔板底片由60～85％(重量)的导电性碳素材料石墨、15～40％(重量)的环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料组成，导电性碳素材料石墨粒度在30μm～50μm。
4.根据权利要求3所述的燃料电池用镀镍隔板，其特征在于，所述导电性碳素材料石墨和非碳质材料的混合量作为100％(重量)时，其中碳黑占0.5～1％(重量)、二氧化硅组成的硅胶占0.5～1％(重量)、骨粉或贝壳粉作为加固材料从中选其一添加0.5～1％(重量)，制成的燃料电池隔板作为底片。
5.一种燃料电池用镀镍隔板的制作方法，其特征在于，包括：
导电性碳素材料石墨和环氧树脂、硬化剂及硬化促进剂等非碳质材料制粉；
粉末状态材料中所述导电性碳素材料石墨和环氧树脂与所述导电性碳素材料石墨和硬化剂各自分开部分混炼，之后进一步制粉；
经部分混炼及追加制粉的材料中添加硬化促进剂，再次整体进行混合；
所述整体混合的粉末材料注入模具中成型加工成燃料电池隔板底片，并在成型加工后的燃料电池隔板底片上镀镍。
6.根据权利要求5所述的燃料电池用镀镍隔板的制作方法，其特征在于，镀镍阶段采用无电镀或电镀方法。
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