CN102544518B - 双料共射成型双极板及其制法 - Google Patents

双料共射成型双极板及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种双料共射成型双极板及其制法，其将熔融状态且具有第一导电性材料的皮层复合材料射入成型双极板的模穴中；再将熔融状态且具有第二导电性材料的核心层复合材料，以及熔融状态的皮层复合材料同时或先后射至成型双极板的模穴中，成型具有皮层与核心层的双极板，于皮层与核心层之间含有第一导电性材质与第二导电性材质的结合所构成的导电网络，以提升双极板的穿透导电性。

Description

双料共射成型双极板及其制法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池的双极板的结构与制造方法，尤指一种以双料共射成型技术制成具有良好的穿透导电性的双料共射成型双极板及其制法。
背景技术
随着人类文明的进步，传统能源如：媒、石油及天然气的消耗量持续的升高，造成地球严重的污染，以及加重温室效应及酸雨等造成地球暖化及环境恶化的因数。人类已清楚地体认到天然能源的存量有限，如果持续地滥用，在不久的将来便会消耗殆尽。因此，世界先进国家近来无不致力于研发新的替代能源，而燃料电池组便是其中一种重要且具发展潜力及实用价值的选择。与传统的内燃机相较，燃料电池组具有能量转换效率高、排气干净、噪音低、且不使用传统燃油等多项优点。
燃料电池基本组成元件包含：电极(electrode)、电解质隔膜(electrolytemembrane)、与双极板(bipolar plate)三个部分。整个燃料电池就是由多数个这样的单电池串联组成为较大功率的电池组，而其中的双极板便是两个单电池串接的元件。
在燃料电池中，双极板(bipolar plate)为重要的组成元件之一，同时其占据电池组中大部分的体积与重量，非常具有发展与应用价值，其作用是电流的收集、传送、气体的分布和热的管理。因此双极板的基本要求为导电度高、气密性好、机械性质优良和耐温、耐蚀等。
若是使用金属材料来成型则其具有导电性高与机械性质好等优点，但同时也会有微细特征结构成型不易的缺点。因此制作双极板的材料被不断地研究改进，使用复合材料几乎是目前的主流。
如中国台湾公告第399348号「生产双极板之方法」专利即揭示由导电子材料、树脂与适合质子交换膜燃料电池使用的亲水剂等混合制成双极板。
美国US6248467号专利揭示一种燃料电池的复合材料双极板，其由石墨粉末与树脂材料混合制成双极板。
中国台湾专利公告第I293998号「燃料电池用高性能及导电性高分子复合材料双极板之制备方法」则揭示一种由石墨粉末、乙烯酯树脂与聚醚胺插层的改质有机粘土混合制成双极板的技术。
前述各种复合材料制成的双极板都具有抗腐蚀性佳及容易成型复杂微结构等优点。
由于燃料电池在电化学反应过程会有热量产生，热量需要适时排出才能维持燃料电池处于适当的工作温度，因此双极板必需达到足够散热的目的。对此，常见的作法是在两片双极板中嵌入一金属板，以凭借金属板来提升散热效果。
现有的技术是使用热压制程来结合双极板与金属板，热压制程是将两片双极板预先加热至热塑性材料软化温度与熔化温度之间，再以两片双极板夹一金属板并予以加压，且于加压过程中持续加热，使两片双极板与金属板热压结合成一体。
但是目前所使用的热压制程较为费时，从预热到加压完成可能需要数分钟至数十分钟不等，这会增加制造上的时间成本；并且在加压的过程中必须持续加热，这会增加制造上耗能的成本。
再者，在燃料电池中，各个单电池与单电池之间的双极板必需具有良好的导电度，尤其是双极板之间的穿透导电性更是重要，这会关到整个燃料电池的效能。
从而，如何使双极板易于制造来降低制造成本，以及改善双极板的穿透导电度，便成为本发明的重要课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于解决上述的问题而提供一种易于制造且具有较佳穿透导电性的双料共射成型双极板及其制法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双极板，其特征在于，包括有：
一皮层；
一核心层，被该皮层所包覆；以及
一导电网路，形成于该核心层与该皮层之间；
其中，该皮层为一熔融状态的皮层复合材料所形成，该熔融状态的皮层复合材料具有一第一导电性材料，以及该第一导电材料为碳粉、碳纤维、纳米碳纤维或纳米碳管的其中一者或至少任二者的混合；该皮层复合材料中含有碳纤维与碳粉的粉末状材料；
其中，该核心层为一熔融状态且具有第二导电性材料的核心层复合材料所形成，该第二导电性材料为金属粉、碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维或金属纤维的其中一者或至少任意两者的混合；该核心层复合材料含有金属纤维、碳粉与金属粉。
其中：该核心层与该皮层之间进一步具有一结合界面，该导电网络形成于该结合界面中。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种双料共射成型双极板的制法，其特征在于，包含下列步骤：
将熔融状态且具有第一导电性材料的皮层复合材料射入成型双极板的模穴中；该皮层复合材料中含有碳纤维与碳粉的粉末状材料；
将熔融状态且具有第二导电性材料的核心层复合材料，以及该熔融状态的皮层复合材料同时或先后间隔射入至成型双极板的模穴中，以成型出具有皮层与核心层的双极板，该核心层复合材料含有金属纤维、碳粉与金属粉；并于该皮层与该核心层之间形成有该第一导电性材质与该第二导电性材质的结合所构成的导电网络；以及
当该核心层复合材料与该皮层复合材料的结合处于尚未冷却凝固的状态，一模具对该结合施予一压力；
其中该第一导电性材料为碳粉、碳纤维、纳米碳纤维或纳米碳管的其中一者或至少任意两者的混合；
其中该第二导电性材料为金属粉、碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维或金属纤维的其中一者或至少任意两者的混合。
其中：成型的双极板，在该皮层与该核心层之间形成有结合界面，该导电网络形成于该结合界面中。
其中：该皮层复合材料由高分子塑胶材料所构成，该第一导电性材料混合于该高分子塑胶材料中。
其中：该高分子塑胶材料是热塑性塑胶材料。
其中：该碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
其中：该第一导电性材质为非金属导电填充材所构成。
其中：该非金属导电填充材是碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
其中：该核心层复合材料由高分子塑胶材料所构成，该第二导电性材料混合于该高分子塑胶材料中。
其中：该高分子塑胶材料是热塑性塑胶材料。
其中：该碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
其中：该第二导电性材料为非金属导电填充材与金属导电填充材所构成。
其中：该非金属导电填充材是碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合，该金属导电填充材是金属粉或金属纤维的其中一者或二者的混合。
其中：该熔融状态的皮层复合材料以定量射入成型双极板的模穴中，该熔融状态的核心层复合材料以定量射入成型双极板的模穴中。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：本发明以双料共射成型技术来制造双极板，因此具有易于制造的优点，且可降低制造成本；再者，皮层与核心层复合材料中均含有导电性材料为主要导电架构，而可使于皮层与核心层的结合界面形成良好的导电网络而可提升双极板的穿透导电性。
附图说明
图1是本发明双料共射成型双极板的动作示意图之一；
图2是本发明双料共射成型双极板的动作示意图之二；
图3是本发明双料共射成型双极板的动作示意图之三；
图4是本发明双料共射成型双极板的动作示意图之四；
图5是本发明双料共射成型的双极板的结构示意图；
图6是图4中圈示为V部分的放大剖视结构示意图。
附图标记说明：射出成型机1；第一料槽11；第二料槽12；模穴2；双极板3；模具4；皮层复合材料A；核心层复合材料B；碳粉C；碳纤维CF；金属纤维MF；结合界面I；金属粉T。
具体实施方式
兹配合图式将本发明较佳实施例详细说明如下。
请配合参考图5及图6所示，本发明是一种双极板，其包括有：
一皮层，其由皮层复合材料A所构成。
一核心层，其由核心层复合材料B所构成，如图4所示，核心层包覆于皮层中，即皮层复合材料A将核心层复合材料B包覆于其中。
一结合界面I，其形成于皮层与核心层之间，结合介面I具有一导电网络，如图5标示V的部分，其是导电网络的部分构成示意图。
本发明的双极板成型方法主要使用双料共射成型(Co-InjectionMolding）技术成型出核心层被皮层包覆的双极板，此双料共射成型双极板的制法，包含下列步骤：
将混合有第一导电性材料的高分子塑胶材料作为皮层复合材料。
将混合有第二导电性材料的高分子塑胶材料作为核心层复合材料。
将定量的熔融状态的皮层复合材料射入成型双极板的模穴中。
将定量的熔融状态的核心层复合材料与熔融状态的皮层复合材料同时或先后间隔射入至成型双极板的模穴中，以成型具有皮层与核心层的双极板。
因此，成型的双极板，在皮层与核心层形成有结合界面，结合界面中形成有具有由第一导电性材料与第二导电性材料的结合所构成的导电网络。
实务上，皮层复合材料的高分子塑胶材料是热塑性塑胶材料；核心层复合材料的高分子塑胶材料是热塑性塑胶材料。
如果皮层复合材料的导电性材料使用金属粉，其制程的双极板使用于燃料电池时，皮层部分容易发生腐蚀的问题，因此在实务上第一导电性材料使用耐蚀性较佳的碳粉、碳纤维、纳米碳纤维或纳米碳管的其中一者或至少任意两者的混合，而第二导电性材料则使用导电性较佳的金属粉、碳粉、碳纤维、纳米碳纤维、纳米碳管或金属纤维的其中一者或至少任意两者的混合，而碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
此外，第一导电性材质可为非金属导电填充材所构成，第二导电性材质是非金属导电填充材与金属导电填充材所构成，金属导电填充材是金属粉或金属纤维的其中一者或二者的混合，非金属导电填充材是碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
请配合图1至图3，其本发明双料共射成型双极板的动作示意图。依本发明的步骤，先制备皮层复合材料A及核心层复合材料B，再将皮层复合材料A与核心层复合材料B分别置入射出成型机1的第一料槽11与第二料槽12中；
接下来将定量的熔融状态的皮层复合材料A射入成型双极板的模穴2中，该模穴2位于一模具4中，如图1所示的状态；
再将熔融状态的核心层复合材料B与皮层复合材料A同时射入成型双极板的模穴2中，如图2所示的状态；
最后再将熔融状态的皮层复合材料A射入成型双极板的模穴2中，如图3所示的状态；
待核心层复合材料B与皮层复合材料A的结合尚未冷却凝固前，模具4对该结合施予一压力，如图4所示的状态，凭借此一施压的程序，以使冷却凝固所形成的导电网络的密度得以提升。
待冷却后即可获得核心层复合材料B被皮层复合材料A包覆的双极板3，如图5所示。
由于本发明采用双料共射射出成型技术来制造双极板，因此可大量且快速地制造出双极板，如此可降低制造成本。
再请参阅图6，其是图5中圈示为V部分的放大剖视结构示意图，本发明所使用的皮层复合材料A与核心层复合材料B可选择性使用上述所揭示的材料；图中绘示以本发明的方法所制成的双极板于皮层与核心层的结合界面I部分的剖视结构示意图。由于本发明的皮层复合材料A中含有碳纤维CF与碳粉C等粉末状材料，而在核心层复合材料B含有金属纤维MF、碳粉C与金属粉T，因此当皮层复合材料A与核心层复合材料B被以双料共射技术射出成型时，皮层与核心层结合界面I部分会存在着以碳纤维CF与金属纤维MF等导电纤维为主要导电架构的导电网络，再加上金属粉T、碳纤维CF、金属纤维MF与碳粉C的交错连结，使得导电网络更加密集，而可有效提高整体的穿透导电性。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种双极板，其特征在于，包括有：
一皮层；
一核心层，被该皮层所包覆；以及
一导电网路，形成于该核心层与该皮层之间；
其中，该皮层为一熔融状态的皮层复合材料所形成，该熔融状态的皮层复合材料具有一第一导电性材料，以及该第一导电材料为碳粉、碳纤维、纳米碳纤维或纳米碳管的其中一者或至少任二者的混合；该皮层复合材料中含有碳纤维与碳粉的粉末状材料；
其中，该核心层为一熔融状态且具有第二导电性材料的核心层复合材料所形成，该第二导电性材料为金属粉、碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维或金属纤维的其中一者或至少任意两者的混合；该核心层复合材料含有金属纤维、碳粉与金属粉。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：该核心层与该皮层之间进一步具有一结合界面，该导电网络形成于该结合界面中。
3.一种双料共射成型双极板的制法，其特征在于，包含下列步骤：
将熔融状态且具有第一导电性材料的皮层复合材料射入成型双极板的模穴中；该皮层复合材料中含有碳纤维与碳粉的粉末状材料；
将熔融状态且具有第二导电性材料的核心层复合材料，以及该熔融状态的皮层复合材料同时或先后间隔射入至成型双极板的模穴中，以成型出具有皮层与核心层的双极板，该核心层复合材料含有金属纤维、碳粉与金属粉；并于该皮层与该核心层之间形成有该第一导电性材质与该第二导电性材质的结合所构成的导电网络；以及
当该核心层复合材料与该皮层复合材料的结合处于尚未冷却凝固的状态，一模具对该结合施予一压力；
其中该第一导电性材料为碳粉、碳纤维、纳米碳纤维或纳米碳管的其中一者或至少任意两者的混合；
其中该第二导电性材料为金属粉、碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维或金属纤维的其中一者或至少任意两者的混合。
4.根据权利要求3所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：成型的双极板，在该皮层与该核心层之间形成有结合界面，该导电网络形成于该结合界面中。
5.根据权利要求3所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该皮层复合材料由高分子塑胶材料所构成，该第一导电性材料混合于该高分子塑胶材料中。
6.根据权利要求5所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该高分子塑胶材料是热塑性塑胶材料。
7.根据权利要求5所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
8.根据权利要求5所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该第一导电性材质为非金属导电填充材所构成。
9.根据权利要求8所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该非金属导电填充材是碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
10.根据权利要求3所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该核心层复合材料由高分子塑胶材料所构成，该第二导电性材料混合于该高分子塑胶材料中。
11.根据权利要求10所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该高分子塑胶材料是热塑性塑胶材料。
12.根据权利要求10所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合。
13.根据权利要求10所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该第二导电性材料为非金属导电填充材与金属导电填充材所构成。
14.根据权利要求13所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该非金属导电填充材是碳粉、碳纤维、纳米碳管、纳米碳纤维、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意两者的混合，该金属导电填充材是金属粉或金属纤维的其中一者或二者的混合。
15.根据权利要求3所述的双料共射成型双极板的制法，其特征在于：该熔融状态的皮层复合材料以定量射入成型双极板的模穴中，该熔融状态的核心层复合材料以定量射入成型双极板的模穴中。
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