CN102290582A - 一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡及其制造方法，属于燃料电池双极板流场技术领域。不锈钢纤维毡的制造方法主要可以分为切削法加工不锈钢纤维，不锈钢纤维预处理，纤维毡模压，高温固相烧结四个步骤。金属纤维经过烧结后，纤维间实现冶金结合，形成了大量的多尺度孔隙结构。所制造的不锈钢纤维毡具有高孔隙率、高比表面积、良好的传热传质性能、表面憎水性、制造工艺简单及成本低廉等优点。此方法可适用于制造多种金属多孔材料，且其孔隙尺寸、孔隙率可控制。

Description

一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡及其制造方法
技术领域
本发明涉及不锈钢纤维毡，特别是涉及一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡及其制造方法。
背景技术
随着社会的进步，人类面临的能源危机、环境污染问题日益严重，这些问题已成为制约全球经济发展的关键。开发使用可再生、清洁环保的新能源是未来社会发展的必然趋势。燃料电池技术应运而生，燃料电池是一种可以高效地将燃料和氧化剂通过电极反应直接转化为电能的发电装置。具有能量密度高，常温启动快，对环境无污染、无噪声等优点。
双极板是燃料电池的关键组件之一，它具有分隔氧化剂和还原剂、收集电流、流体分布、支撑电极等功能。目前在燃料电池中广泛应用的双极板主要有石墨(包括纯石墨板和石墨与聚合物复合板)双极板、金属双极板、金属与石墨复合双极板和聚合树脂与石墨掺杂注塑成型的双极板等。传统的流场结构一般为：点状、网状、平行沟槽、蛇形、交指状和肺形分支状等。
然而采用传统机械加工方法制造的具有微通道结构的双极板，不仅存在着加工工艺复杂、成本高、质量大、比表面积低及导热性能差等缺点，还需进行表面憎水处理，严重影响着燃料电池的性能和燃料电池的商业化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡及其制造方法，其加工工艺简单、成本低廉、质量小、孔隙率高、比表面积大、传热传质性能良好且表面憎水性的用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡及其制造方法，包括如下步骤和工艺条件：
(1)对不锈钢圆棒工件表面进行清洗除油，并选用机械加工方法去除表面氧化层；
(2)利用大刃倾角多齿刀具，在普通车床上切削出不同加工参数的不锈钢纤维；
(3)采用剪切设备将不锈钢纤维剪成一定长度的短纤维，并对不锈钢纤维进行预处理。先将其放入碱性溶液中用超声波清洗，洗去表面油污，再取出用清水冲洗，最后将不锈钢纤维放入酸性溶液中用超声波清洗，洗去表面氧化物；
(4)根据其所制备纤维毡的孔隙率及外形尺寸要求，称取定量的不锈钢纤维，将纤维均匀地填充在陶瓷模压装置的凹腔中，并用螺栓螺母将模具压紧；
(5)将压紧的模压装置放入真空烧结炉中烧结，随炉冷却至室温后打开模压装置取出不锈钢纤维毡，并将其校平，得到一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维烧结毡。
上述步骤(2)不锈钢纤维加工是采用大刃倾角多齿刀具加工获得连续型不锈钢纤维，多齿刀具材料采用超硬高速钢，刀具由线切割加工制成。
上述步骤(3)剪切出的不锈钢纤维，直径为50μm～200μm，长度为10mm～20mm，边缘具有锯齿状结构，表面具有丰富的多/微尺度表面结构。
上述步骤(3)不锈钢纤维预处理，碱性溶液为质量浓度5％～20％的NaOH、KOH、Ca(OH)2中的一种或者几种，酸性溶液为体积浓度5％～10％的HCl、H2SO4、HNO3中的一种或者几种，超声波清洗时间为10min～30min。
上述步骤(5)不锈钢纤维毡采用的烧结温度为1100℃～1300℃，烧结过程采用分段升温，升温速率≤5℃/min，烧结时间为60min～180min，真空度为10-2～10-3Pa。
上述步骤(4)不锈钢纤维毡的孔隙率为70％～90％，孔径150μm～400μm，厚度0.5mm～3mm，密度2g/cm3左右，宽度30mm～100mm，长度30mm～150mm。可按照不同燃料电池的要求，予以确定具体的尺寸规格。
通过上述制造方法，即可得到燃料电池双极板的不锈钢纤维毡，其纤维采用杂乱的方式排列，表面具有丰富的多/微尺度表面结构，烧结后金属纤维间实现冶金结合，形成了大量的多尺度孔隙结构。所制造的的不锈钢纤维毡具有高孔隙率、高比表面积、良好的传热传质性能、表面憎水性、制造工艺简单及成本低廉等优点。此方法可适用于制造多种金属的多孔材料，且其孔隙尺寸，孔隙率可控制。
与现有技术相比本发明的有益效果在于：
(1)不锈钢纤维加工方面。采用多齿切削法加工不锈钢纤维，将不锈钢纤维切削从单刃发展为多刃，利用多齿刀具的分屑作用可以同时获得多根连续型微细金属纤维，当量直径可达到35μm，截面大多近似为三角形或矩形。此法不仅有效克服了切削法生产效率低的问题，而且解决了切削法不能制造连续型金属纤维的难题。
(2)不锈钢纤维表面形貌。与拉拔法和熔抽法制造的不锈钢纤维相比，多齿切削法可以制造连续型金属纤维且纤维边缘具有锯齿状结构，表面具有丰富的多/微尺度表面结构。
(3)不锈钢纤维毡的结构特点。不锈钢纤维毡是以不锈钢纤维为原材料开发的一种新型多孔金属材料，具有三维网状多孔结构、高精度全连通的孔径、孔隙率高、比表面积大的结构特点，有效克服了多孔有机高分子材料强度低且不耐高温，多孔陶瓷质脆且不抗热震，金属网易堵易破，粉末烧结易碎、流量小，滤纸滤布不耐温、耐压等缺点。
(4)不锈钢纤维毡用于燃料电池双极板。与传统的不锈钢双极板和石墨双极板相比，不锈钢纤维毡具有良好的结构均匀性，使甲醇水溶液流经纤维毡时压降损失小，保证甲醇水溶液在流场中的速度均匀；纤维毡还具有良好传热传质性能，能够保证甲醇水溶液均匀分配到电极各处，使得电流密度、电池内部温度都分布均匀，防止局部过热，从而有效地提高燃料电池效率；纤维毡体积小重量轻、生产工艺简单且成本低廉，有利于DMFC的微型化，有效降低燃料电池制造成本，推动其在便携式电子产品及小型移动通讯设备中的应用。
附图说明
图1为本发明不锈钢纤维SEM图；
图2为本发明所采用的模压装置结构示意图；
图3为本发明不锈钢纤维毡SEM图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡，可采用下述方法实现：
第一步切削法加工不锈钢纤维。首先对不锈钢圆棒工件表面进行清洗除油，然后把不锈钢棒装夹在CM6140车床上，采用车削法去除表面氧化层。利用大刃倾角多齿刀具，在车床上切削加工不锈钢纤维。刀具材料采用超硬高速钢，刀具由线切割加工制成。不锈钢纤维SEM图如图1所示，所加工的不锈钢纤维直径为50μm-200μm，边缘具有锯齿状结构，表面具有丰富的多/微尺度表面结构。
第二步不锈钢纤维的预处理。采用剪切设备将不锈钢纤维剪成长度为10mm-20mm的不锈钢短纤维，先将收集的不锈钢短纤维放入质量浓度5％-20％的NaOHKOH或者Ca(OH)2中的溶液中(这两种溶液也可以混合使用)，用超声波清洗10min-30min，洗去表面油污，接着将其取出用自来水冲洗去纤维上残留的溶液，然后将纤维放入体积浓度5％-10％的稀HCl、H2SO4或者HNO3溶液中(这几种溶液也可混合使用)，用超声波清洗10min-30min，洗去表面氧化物，之后取出用自来水冲洗去不锈钢纤维表面残留酸液，最后风冷干燥不锈钢纤维。
模压装置如图2所示。第三步纤维毡模压。根据所需制备不锈钢纤维毡的孔隙率及尺寸要求，称取定量的不锈钢纤维，将纤维均匀地填充在陶瓷模压装置的承压板2和凹板3组成的的凹腔中，在压板4上施加一定的力，压板4的中部设有凸台，凸台4-1与凹腔相配合(他们之间为间隙配合)，承压板2、凹板3和压板4上均对称设置供螺栓1穿过的孔6。通过扭力扳手对螺栓1和螺母5施加8N·m-12N·m的力，压紧压板4和承压板2，螺母5拧的越紧，承压板2和压板4之间的挤压力就越大。
第四步高温固相烧结。将装夹好的陶瓷模压装置放入真空度为10-2Pa-10-3Pa的真空烧结炉中，在1100℃-1300℃的温度下烧结60min-180min，烧结过程采用分段升温，升温速率≤5℃/min。随炉冷却至室温后将陶瓷模压从烧结炉中取出，打开模压装置并取出不锈钢纤维烧结毡，最后将其校平即可得到一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡，不锈钢纤维毡SEM图如图3所示。
采用此方法制备的不锈钢纤维毡不仅实现了不锈钢纤维之间的冶金结合，还保留了不锈钢纤维表面粗糙异型结构，孔隙率高，比表面积大，传热传质性能良好，纤维毡表面具有憎水性，制造工艺简单，成本低廉，可以有效地提高燃料电池的效率和降低燃料电池的制造成本，有利于DMFC的微型化，推动其在便携式电子产品及小型移动通讯设备中的应用。
如上所述便可较好地实现本发明。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡制造方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)对不锈钢圆棒工件表面进行清洗除油，并选用机械加工方法去除表面氧化层；
(2)利用大刃倾角多齿刀具，在普通车床上切削出不同加工参数的不锈钢纤维；
(3)采用剪切设备将不锈钢纤维剪成一定长度的短纤维，并对所得不锈钢短纤维进行预处理，即先将不锈钢短纤维放入碱性溶液中用超声波清洗，洗去表面油污，然后取出并用清水冲洗，最后将该不锈钢短纤维放入酸性溶液中用超声波清洗，洗去表面氧化物；
(4)根据所需制备纤维毡的孔隙率及外形尺寸要求，称取定量的不锈钢短纤维，并将其均匀地填充在模压装置内压紧；
(5)将模压装置放入真空烧结炉中烧结，随炉冷却至室温后打开模压装置取出不锈钢纤维毡，并将其校平，得到燃料电池双极板的不锈钢纤维毡。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡制造方法，其特征在于所述步骤(2)不锈钢纤维制造是采用大刃倾角多齿刀具加工获得连续型不锈钢纤维，刀具材料采用超硬高速钢，刀具由线切割加工制成。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡制造方法，其特征在于所述步骤(3)采用剪切设备将不锈钢纤维剪成一定长度的短纤维，具体是直径为50μm～200μm，长度为10mm～20mm，边缘具有锯齿状结构，表面具有多/微尺度表面结构。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡制造方法，其特征在于所述步骤(3)不锈钢纤维的预处理过程中，碱性溶液为质量浓度5％～20％的NaOH、KOH、Ca(OH)2中的一种或者几种，酸性溶液为体积浓度5％～10％的HCl、H2SO4、HNO3中的一种或者几种，超声波清洗时间为10min～30min。
5.根据权利要求1所述的用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡制造方法，其特征在于所述步骤(5)不锈钢纤维毡采用的烧结温度为1100℃～1300℃，烧结过程采用分段升温，升温速率≤5℃/min，烧结时间为60min-180min，真空度为10-2Pa～10-3Pa。
6.根据权利要求1所述的用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡制造方法，其特征在于所述步骤(4)不锈钢纤维毡的孔隙率为70％～90％，孔径150μm～400μm，厚度0.5mm～3mm，密度2g/cm3左右，宽度30mm～100mm，长度30mm～150mm。
7.由权利要求1～6中任一项所述的方法得到的一种用于燃料电池双极板的不锈钢纤维毡。
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