CN102237532A - 一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一次压制成型带有流场的碳板的方法，根据燃料电池结构对流场板流场的要求，设计出一次压制成型的压制模具并安装在液压机上，根据所压碳板面积设定液压机压力为40～120MPa，模具加热温度为160～210℃，将已混炼好的、用于制备带有流场碳板的碳粉、碳纤维及树脂原料，放入一次成型所需要的量，快速启动压机压制，保压10～60秒成型。开模清理飞边后即得到带有流场的碳极板成品。该工艺极大简化了燃料电池碳极板需要机械加工的程序，大大提高了尺寸精度和产品质量，降低了制作成本，为燃料电池的工业化及规模化生产奠定了良好的基础。

Description

一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法

技术领域：

本发明涉及燃料电池制造领域中一种燃料电池关键零部件的制作方法，具体地说是一种质子交换膜燃料电池的碳极板，用一次模压成型的方法，制作出带有流场的碳极板的方法。

背景技术：

目前，全球石油、煤炭等不可再生能源资源日趋枯竭，由此引起的环境严重污染及直接影响国家经济发展、国防安全已是21世纪各国面临的三大问题。现阶段，解决能源危机、解决环境污染，已经成为中国和谐社会建设的重要战略之一。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。

采用氢能源是当前世界公认的可代替石油能源的主要出路之一。氢是一种可储藏运输、燃点较高、可再生、热值相当于汽油3倍的能源载体。21世纪将成为氢能的时代。美国、欧洲、日本等强国在制定其未来能源政策时，都把发展氢能作为一个主要方向，而燃料电池正是氢能时代的最佳能量转换装置。作为燃料电池燃料的氢可从煤炭、天然气和石油中制取，也可从植物、生物排放物、太阳能、风能和电解水等过程中制取。因此随着生产成本、可靠性、寿命等问题的逐步解决，燃料电池有望在近期进入商品化，可广泛应用于移动电源、电动汽车、洁净电站、航空航天和军用舰船等各个方面。氢燃料电池作为氢能利用的有效手段，近年来环境与能源备受关注，燃料电池与信息技术、生物技术一起被公认为全球可持续发展的三大支柱技术，是有重要影响的新技术。

组成质子交换膜氢燃料电池的核心部件主要包括碳极板、质子交换膜、催化层和气体扩散层等，其中碳极板的制备技术十分重要，而且其造价占燃料电池总成本的1/3以上，是制约燃料电池发展的瓶颈之一。

作为燃料电池的碳极板必须具有良好的导电性导热性、化学稳定性。采用纯石墨做材料，制成碳板后进行切割浸渍树脂，再用数控机床加工出流场的传统方法，工艺非常繁杂，加工周期长，碳极板成本非常高。碳极板的其他工艺方法，如用C/C复合材料和真空注浆制成素坯，再进烘箱固化的方法；用柔性石墨模具成型后再浸渍的方法；用塑料注射剂注射石墨塑料板的方法等等，这些方法工艺仍然复杂，成本很高且碳极板的导电导热性能都不理想。

本发明的实施提供一种一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，将解决目前传统方法中存在的问题。

发明内容：

本发明是要提供一种工艺简单、尺寸精度高、价格低廉并可规模化量产的质子交换膜燃料电池碳极板的一次模压成型制备带有流场碳极板的一种方法。

一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法如下：

根据燃料电池类型(内供气型、外供气型)和结构(氢气空冷碳极板、氢气水冷碳极板、空气空冷碳极板)的要求，设计出将碳极板上所需要的各种流道流场、密封槽、气孔等一次压制出来的金属模具并加工制造。将所设计好的模具安装在一台压机上，调整模具平面和压机压力面的平行度，设定压力大小调整到40-80Mpa，加热金属模具的温度要在150-210℃，金属模具处于热状态；原料是一种由高导电的碳粉、碳纤维或石墨粉与树脂组成，上述金属模具的加热温度由其中的树脂的固化温度所决定，是一种热固性材料。按碳极板所需料重量的1.02％-1.05％称料，将称好的料快速放入已预热的金属模具中，启动压机压制，合模后保持压力20-50秒树脂固化，开启模具，模具的顶出机构将碳极板胚料顶出模腔，一次成型的碳极板胚完成压制。

一次成型带有流场的碳极板其成品只需平面磨加工清除碳极板表面不导电的树脂部分而不需要像传统方法对流场的机械加工。压制成功的带有流场的碳极板出模后，经过修边去除毛刺等处理，送到磨加工工段对其上下两平面进行表面磨削加工，去除由于在压制加工过程中产生的溢到表面的不导电树脂，一块高尺寸精度、高质量的带有流场的碳极板加工全部完成。

本发明省去了原碳极板加工工艺中的石墨培烧、石墨化处理、浸渍、切割、雕刻或铣床等加工，使带有流场的碳极板加工工艺变得十分简单，工艺过程非常简短，更适合于规模化工业生产，成本大幅度下降，只有原来成本的五分之一，经济效益显著。

具体实施方式：

实施例1：

根据内供气型燃料电池的需要，制造结构为氢气/空冷碳极板和空气/空冷碳极板，碳极板将按上述所需设计并制备出带有流道流场、密封槽、气孔等一次压制出来的金属模具。将所设计好的模具安装在选定的压机上，调整模具平面和压机压力面的平行度，设定压力大小调整到50Mpa，加热金属模具的温度到200℃，金属模具处于热状态；原料是一种由高导电的碳粉、碳纤维或石墨粉与树脂组成的，上述金属模具的加热温度由其中的树脂的固化温度所决定，是一种热固性材料。按碳极板所需料重量的1.02％-1.05％即21克称料两份，将称好的料快速放入已预热的一对金属模具中，启动压机压制，合模后保持压力45秒树脂固化，开启模具，模具的顶出机构将碳极板胚料顶出模腔，两块一对一次成型的碳极板胚完成压制。

压制成功的带有流场的碳极板出模后，经过修边去除毛刺等处理，送到磨加工工段对其上下两平面进行表面磨削加工，去除由于在压制加工过程中产生的溢到表面的不导电树脂，两块一对高尺寸精度、高质量的带有流场的碳极板加工全部完成。

实施例2

根据外气型燃料电池的需要，制造结构为氢气空冷碳极板，碳极板将按上述所需设计并制备出带有流道流场、密封槽、气孔等一次压制出来的金属模具。将所设计好的模具安装在选定的压机上，调整模具平面和压机压力面的平行度，设定压力大小调整到75Mpa，加热金属模具的温度到170℃，金属模具处于热状态；原料是一种由高导电的碳粉、碳纤维或石墨粉与树脂组成的，上述金属模具的加热温度由其中的树脂的固化温度所决定，是一种热固性材料。按碳极板所需料重量的1.02％-1.05％即43克称料，将称好的料快速放入已预热的金属模具中，启动压机压制，合模后保持压力25秒树脂固化，开启模具，模具的顶出机构将碳极板胚料顶出模腔，一次成型的碳极板胚完成压制。

压制成功的带有流场的碳极板出模后，经过修边去除毛刺等处理，送到磨加工工段对其上下两平面进行表面磨削加工，去除由于在压制加工过程中产生的溢到表面的不导电树脂，一块高尺寸精度、高质量的带有流场的碳极板加工全部完成。

Claims (6)

1.一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，其特征在于该方法利用根据燃料电池类型结构的要求设计的金属模具，一次模压成型制成带有流场的碳极板。

2.根据权利要求1所述的一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，其特征在于所设计的不同的金属模具，可压制出不同结构的碳极板。

3.根据权利要求1所述的一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，其特征在于压制成型的压机压力为40-80MPa，且保压20-60秒。

4.根据权利要求1所述的一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，其特征在于压模需要加热，加热温度在150-210℃。

5.根据权利要求1所述的一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，其特征在于所用原料为碳粉、碳纤维与热固性树脂的混合物。

6.根据权利要求1所述的一次模压成型带有流场的碳极板的制作方法，其特征在于成型后碳极板胚，只需清理或磨去碳表面上导电不良的树脂部分。