CN105762381B - 燃料电池分离板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

旨在提供具有高温耐酸性特性的燃料电池分离板及其制造方法的本发明的燃料电池分离板包括：膨胀石墨与热塑性树脂混合物的成型体。依据本发明的燃料电池分离板及其制造方法的效果在于，减少导电物质使用量的同时不降低分离板电导率。另外，依据本发明的燃料电池分离板及其制造方法的效果在于，制造工艺简单并能缩短制造时间。

Description

燃料电池分离板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池分离板及其制造方法。具体讲，就是涉及一种具有高温耐酸性特点的燃料电池分离板及其制造方法。

背景技术

燃料电池是指通过电化学方式引起燃料(氢、磷酸、甲醇等)的氧化反应，从而使伴随所述氧化反应产生的自由能量变化能够以直接电能方式输出的组装电池。燃料电池根据燃料及反应催化剂的种类可以分为固体氧化物燃料电池(SOFC，solid oxide fuelcells)、磷酸型燃料电池(PAFC，phosphoric acid fuel cell)、高分子电解质燃料电池(PEMFC，proton exchange membrane fuel cell)、直接甲醇型燃料电池(DMFC，directmethanol fuel cell)等。

将燃料电池的堆部件中电解质、燃料极及空气极彼此分离的分离板要求具有导电度、透气度、强度、腐蚀性及析出性等特性，分离板的材质采用金属或石墨等。金属分离板在腐蚀性方面存在不足，石墨分离板存在制造成本高、体积大的缺点。鉴于上述问题，一般都采用向石墨粉末中混合热固性树脂或热塑性树脂后再通过压制成型及注塑成型法将分离板进行流路铸造的方法。

特别是，在制造高温用燃料电池分离板时，热固性树脂使用酚醛树脂与环氧树脂等，热塑性树脂使用在150℃以上的温度条件下能够保持稳定性的超级工程塑料。

在与制造高温耐酸性燃料电池分离板的方法相关的在先文献，即美国专利公开第2010-0307681号中公开了一种具有在形成流路的2个板之间插入平板的结构的3层结构分离板，但是其制造过程需要经过3次以上的成型工序，由此导致制造所需时间较长，同时需要3组以上的模具，因此其制造工艺非常复杂。

在先技术文献

专利文献

(专利文献1)美国专利公开第2010-0307681号

发明内容

技术问题

本发明的目的在于，提供一种燃料电池分离板及其制造方法，其能够在减少石墨等导电物质使用量的同时又不降低分离板电导率，并能够简化生产工艺、提高效率。

技术方案

为了解决上述问题，本发明的燃料电池分离板包括膨胀石墨(expandedgraphite)与热塑性树脂混合物的成型体。在这种情况下，热塑性树脂为氟碳聚合物(Fluorocarbon polymer)，氟碳聚合物可以为FEP(氟化乙烯丙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基)或其组合。

成型体可包含60-90wt％的膨胀石墨及10-40wt％的氟碳聚合物。优选地，成型体可包含60-70wt％的膨胀石墨及30-40wt％的氟碳聚合物。

另外，在本发明的一个实施例中，成型体包括：含有膨胀石墨与热塑性树脂的低石墨含有层；具有比低石墨含有层更低含量的热塑性树脂,并配置在低石墨含有层两面的高石墨含有层。

在这种情况下，低石墨含有层包含60-90wt％的膨胀石墨及10-40wt％的氟碳聚合物，高石墨含有层包含91-95wt％的膨胀石墨及5-9wt％的氟碳聚合物。

另外，低石墨含有层包括60-90wt％的膨胀石墨及10-40wt％的氟碳聚合物，高石墨含有层包括85-92wt％的天然石墨薄片(Natural graphite flake)及8-15wt％的氟碳聚合物。

另外,在本发明的一个实施例中，高石墨含有层具有0.1-10cc/min以上的多孔性。

另外，依据本发明的燃料电池分离板的制造方法，包括：将膨胀石墨与热塑性树脂混合的步骤；将膨胀石墨与热塑性树脂的混合物成型的步骤。在这里，成型的步骤包括：将混合物在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压制成型的步骤。

另外，在本发明的一个实施例中，混合的步骤包括：将膨胀石墨与氟碳聚合物进行挤压混合的步骤。成型的步骤包括：将混合物在280-360℃的温度条件下经1-20分钟注塑成型的步骤。

另外,在本发明的一个实施例中，成型的步骤包括：将混合物挤压制作成薄片的步骤；将薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压制成型的步骤。

在本发明的一个实施例中，混合的步骤包括：制造按膨胀石墨60-90wt％、氟碳聚合物10-40wt％的组成混合的第1碳复合体的步骤；制造按膨胀石墨91-95wt％、氟碳聚合物5-9wt％的组成混合的第2碳复合体的步骤。成型的步骤包括：将第1碳复合体与第2碳复合体压延制造由第1碳复合体构成的低石墨含有层位于由第2碳复合体构成的2个高石墨含有层之间的多层薄片的步骤；将多层薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型的步骤。

在本发明的另一个实施例中，混合的步骤包括：制造按膨胀石墨60-90wt％、氟碳聚合物10-40wt％的组成混合的第1碳复合体的步骤；制造按天然石墨薄片85-92wt％、氟碳聚合物8-15wt％的组成混合的第2碳复合体的步骤。成型的步骤包括：将第1碳复合体与第2碳复合体压延制造由第1碳复合体构成的低石墨含有层位于由第2碳复合体构成的2个高石墨含有层之间的多层薄片的步骤；将多层薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型的步骤。

另外，依据本发明的燃料电池分离板的制造方法，在成型的步骤之后，还包括：将分布在成型的分离板表面的热塑性树脂清除的步骤。在这种情况下，清除热塑性树脂的步骤包括：通过喷净(blasting)工序将热塑性树脂清除的步骤。

有益效果

依据本发明的燃料电池分离板及其制造方法具有在减少导电物质使用量的同时不降低分离板电导率的效果。

依据本发明的燃料电池分离板及其制造方法具有制造工艺简单并能缩短制造时间的效果。

依据本发明的燃料电池分离板及其制造方法具有导电度高、气密性好的效果。

另外，依据本发明的燃料电池分离板及其制造方法具有注塑成型性优秀、压制成型过程中分离板的厚度偏差小的效果。

附图说明

图1是示出依据本发明第2实施例的燃料电池分离板的示意图。

附图标记说明

100：燃料电池分离板成型体

110：低石墨含有层

120：高石墨含有层

具体实施方式

有关本发明的优点、特征以及实现这些优点与特征的方法，通过参考与所附附图一同详细阐述的实施例就会有更加明确的了解。但是，本发明并非仅限于此处列举的实施例，它还可以有其它具体的实施形态。相反，这里介绍的实施例旨在对涉及的内容进行彻底而完整的阐释并向该领域技术人员充分传递本发明的思想。

本说明书中使用的术语仅用于对特定的实施例进行说明，并没有限定本发明的意图。只要单数的表达在文理上没有明显的区别,就可以包含复数的含义。理解时需要注意，本说明书中“包含”或“具有”等术语是指存在说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合,并不事先排除一个及其以上其它特征或者数字、步骤、动作、构成要素、部件或其组合的存在或附加可能性。

只要不另行定义，包含技术性或者科学性术语在内，这里使用的所有术语均具有与掌握本发明所属技术领域相关知识人员普遍理解的意思相同的含义。常用字典上定义的术语其含义应当与相关技术文章中的释义相同，只要本说明书中没有明确定义，就不应解释为出格或者夸张的含义。

下面，将对依据本发明实施例的燃料电池分离板进行详细说明。依据本发明第1实施例的燃料电池分离板包含膨胀石墨与热塑性树脂混合物的成型体。热塑性树脂可以使用具有高温稳定性的聚丙烯酸脂(polyacrylate)、聚砜(polysulfone)、聚醚砜(polyethersulfone)、聚苯硫醚(polyphenylenesulfide)、聚醚醚酮(polyetheretherketone)、聚酰亚胺(polyimide)、聚醚酰亚胺(polyetherimide)、氟碳聚合物(Fluorocarbon polymer)、液晶聚合物(liquid crystal polymer)等。

但是，优选使用其中的聚偏二氟乙烯(polyvinyldene fluoride)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、全氟烷氧基(perfluoroalkoxy，PFA)、氟化乙烯丙烯(fluorinated ethylene propylene，FEP)等的氟碳聚合物。为了确保能够适用于在200℃的温度和90％以上的磷酸浓度环境下运转的PAFC，更优选使用具有良好耐酸性的FEP、PTFE、PFA或其组合。

另外，在本实施例中，燃料电池分离板的成型体包含60-90wt％的膨胀石墨及10-40wt％的氟碳聚合物。膨胀石墨与普通的天然石墨相比，它具有电导率高的特性，因此如果使用膨胀石墨，即使添加相对更少的石墨量，也可确保不降低分离板的电导率，可以制造能够防止燃料电池分离板产生气体泄漏的高温耐酸性燃料电池分离板。

因此，依据本发明实施例的高温耐酸性燃料电池分离板可用于DMFC、PEMFC、PAFC等的燃料电池。

另外，依据本发明实施例的燃料电池分离板的成型体为了确保容易的注塑成型，可以将氟碳聚合物的含量增加到30-40wt％。

另外，在本实施例中，成型体可以是将膨胀石墨与热塑性树脂混合物通过压缩、注塑或挤压而制造的，关于其制造方法，将在后述燃料电池分离板制造方法的实施例中进行详细说明。

下面，将参照图1对依据本发明第2实施例的燃料电池分离板进行详细说明。除了以下说明的内容之外，其它的构成与在前述第1实施例燃料电池分离板中说明的情况相同，因此下面就不再对此进行阐述。

依据本发明第2实施例的燃料电池分离板成型体100包括：低石墨含有层110，其含有膨胀石墨与热塑性树脂；高石墨含有层120，其具有比低石墨含有层110更高含量的石墨及更低含量的热塑性树脂,并配置在低石墨含有层110的两面。在这里，高石墨含有层120可形成为具有0.1-10cc/min以上的多孔性。

在这里，低石墨含有层110包含60-90wt％的膨胀石墨及10-40wt％的氟碳聚合物，高石墨含有层120包含91-95wt％的膨胀石墨及5-9wt％的氟碳聚合物。

作为另一个示例，高石墨含有层120也可以含有85-92wt％的天然石墨薄片及8-15wt％的氟碳聚合物。在这里，优选地，上述氟碳聚合物可以是FEP、PTFE、PFA或其组合。

依据本实施例的成型体可以是将膨胀石墨或天然石墨薄片与热塑性树脂混合物通过压延及压缩而制造的，关于其制造方法，将在后述燃料电池分离板制造方法的实施例中进行详细说明。

在本实施例中，通过在燃料电池分离板100的表面适用高石墨含有层120，从而提高导电度；在中间部位适用热塑性树脂的相对含量较高的低石墨含有层110，从而提高气体密封性。另外，通过将采用高石墨含有层120的燃料电池分离板100的表面制造成具有多孔性，从而增加燃料电池内部的反应面积，提高电池的效率。

下面，将对依据本发明实施例的燃料电池分离板的制造方法进行详细说明。依据本发明第1实施例的燃料电池分离板的制造方法大致包括：将膨胀石墨与热塑性树脂混合的步骤；将膨胀石墨与热塑性树脂的混合物成型的步骤。

如上所述，热塑性树脂优选使用氟碳聚合物(Fluorocarbon polymer)。更加优选地，可以使用氟碳聚合物中的FEP、PFA、PTFE或其组合。

在这里，膨胀石墨与热塑性树脂的混合物包含60-90wt％的膨胀石墨及10-40wt％的氟碳聚合物。

关于将混合物成型的步骤，列举一个示例，将上述组成的混合物在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型完成。

作为另一个示例，成型的步骤也可以通过将膨胀石墨与氟碳聚合物经挤压混合后，将挤压混合物在280-360℃的温度条件下经1-20分钟注塑成型制造成型体。在这种情况下，将氟碳聚合物的含量提高到30-40wt％，能够轻松完成注塑成型。

作为另一个示例，成型的步骤也可以将膨胀石墨与热塑性树脂的混合物通过挤压制造成薄片后，再将制造的薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型完成。在这里，作为另一个示例，也可以通过将混合物挤压制造成的薄片在280-360℃的温度条件下以预热的状态投入压制成型机将成型时间控制在1-3分钟之间，从而非常快速地制造出分离板。

完成上述成型步骤后，在成型过程中的成型压力作用下会有过多的氟碳聚合物等热塑性树脂层分布在成型的分离板表面上，这是导致分离板电导率降低的原因。因此，为了提高电导率可以追加执行除去热塑性树脂层的工序。作为一个示例，表面的热塑性树脂可以通过喷净(blasting)工序除去。

下面，将对依据本发明第2实施例的燃料电池分离板的制造方法进行详细说明。除了以下说明的内容之外，其它的构成与在前述第1实施例燃料电池分离板的制造方法中说明的情况相同，因此下面就不再对此进行阐述。

依据本实施例的制造方法，需要准备：按膨胀石墨60-90wt％、氟碳聚合物10-40wt％的组成混合的第1碳复合体；按膨胀石墨91-95wt％、氟碳聚合物5-9wt％的组成混合的第2碳复合体。然后，将制造的碳复合体一起压延，制造由第1碳复合体构成的低石墨含有层位于由第2碳复合体构成的高石墨含有层之间的3层结构的多层薄片。在这里，优选地，上述氟碳聚合物可以是FEP、PTFE、PFA或其组合。

另外，作为另一个示例，上述高石墨含有层也可以使用按天然石墨薄片85-92wt％、氟碳聚合物8-15wt％的组成混合的碳复合体制造。在这里，优选地，上述氟碳聚合物可以是FEP、PTFE、PFA或其组合。

然后，将多层薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型制造成型体。另外，作为另一个示例，也可按照在280-360℃的温度条件下预热多层薄片的状态投入压制成型机，从而以1-3分钟之间的成型时间非常迅速地制造出分离板。依据本实施例制造的燃料电池分离板具有3层结构，通过薄片制造采用1次压制成型工艺就能够制造出燃料电池分离板。

另外，如前面第1实施例所示，压制成型后，可以通过喷净工艺将分布于表面上的过多热塑性树脂层除去。

实验例

下面，将对确认本发明燃料电池分离板效果的实验例进行详细说明。下面列举的实验例是为了对本发明进行示例说明，并不意味着本发明仅限于下面实验例所给的条件。

实验例1

利用膨胀石墨与FEP树脂组合物制造燃料电池分离板用成型体，并根据膨胀石墨与FEP树脂的组成变化检测了其电导率、挠曲强度及气体密封性，其结果显示在表1中。

【表1】

如表1所示，虽然随着FEP含量减少，电导率提高而挠曲强度降低，但仍然保持在可用作高温用耐腐蚀性燃料电池分离板的水平。特别是，即使当FEP树脂的含量在10w％左右的情况下，依靠膨胀石墨与FEP树脂的组合特性仍然保持了气体密封性。

在表1所示组成的碳复合体中，即使当膨胀石墨的量在60wt％左右的情况下，也可以确认具有能够充分适用于燃料电池的电导率。因此，即使对于高电导率的燃料电池分离板来说，也仍然可以保持适当量的导电物质，从而可以使分离板成型变得更加容易。

特别是，在注塑成型时，为了确保材料的流动性，尽管必须大量使用流动性好的树脂，但是现有的方法仍然难以满足既要提高导电性填充物的量又必须确保注塑性的要求。通过本实验例制造的碳复合体可以将F EP树脂的量添加到30-40％，由此可以判断，这将非常有利于制造本发明燃料电池分离板时注塑成型的操作。

另外，通过本发明制造的碳复合体具有高流动性，因此在压制成型过程中可以减少分离板的厚度偏差。

表1所示组成的碳复合体确保了导电性与挠曲强度及气密性，因此通过在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型的简单工艺就可以制造出燃料电池分离板。

实验例2

制造出用于生产多孔性分离板的碳复合体后，对其电导率、挠曲强度及气体密封性进行了测定。表2是将膨胀石墨与FEP树脂中膨胀石墨的组成按照91-95％的比例制造的实验例结果，表3是将天然石墨薄片组成按照85-92％的比例制造的实验例结果。

【表2】

【表3】

确认了将上述碳复合体成型后可以制造出带有0.1-10cc/min以上多孔性的燃料电池分离板。如上制造的碳复合体可用作图1所示燃料电池分离板的高石墨含有层。

如上所述，虽然只对本发明的一个优选实施例进行了详细阐述，但是具有本发明所属技术领域相关知识的技术人员完全可以理解在不改变本发明技术思想或者必要特征的前提下可以通过其它的具体形态实施。因此，以上列举的实施例是为了从各个层面对本发明进行示例说明，它并不限定本发明的范围。

Claims (18)

1.一种燃料电池分离板，其特征在于：

包括：膨胀石墨与热塑性树脂混合物的成型体，

所述成型体包括：低石墨含有层，其含有所述膨胀石墨与所述热塑性树脂；高石墨含有层，其具有比所述低石墨含有层更低含量的所述热塑性树脂，并配置在所述低石墨含有层的两面，

所述低石墨含有层包含60-90wt%的所述膨胀石墨及10-40wt%的氟碳聚合物，所述高石墨含有层包含91-95wt%的所述膨胀石墨及5-9wt%的所述氟碳聚合物。

2.根据权利要求1所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述氟碳聚合物为FEP、PTFE、PFA或其组合。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述成型体是通过压制成型、注塑成型、挤压成型或将其中2种以上的成型方法组合而制造。

4.根据权利要求1或2所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述高石墨含有层具有0.1-10cc/min以上的多孔性。

5.根据权利要求3所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述高石墨含有层具有0.1-10cc/min以上的多孔性。

6.一种燃料电池分离板，其特征在于：

包括：膨胀石墨或天然石墨薄片与热塑性树脂混合物的成型体，

所述成型体包括：低石墨含有层，其含有所述膨胀石墨或所述天然石墨薄片与所述热塑性树脂；高石墨含有层，其具有比所述低石墨含有层更低含量的所述热塑性树脂，并配置在所述低石墨含有层的两面，

所述低石墨含有层包含60-90wt%的所述膨胀石墨及10-40wt%的氟碳聚合物，所述高石墨含有层包含85-92wt%的所述天然石墨薄片及8-15wt%的所述氟碳聚合物。

7.根据权利要求6所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述氟碳聚合物为FEP、PTFE、PFA或其组合。

8.根据权利要求6或7所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述成型体是通过压制成型、注塑成型、挤压成型或将其中2种以上的成型方法组合而制造。

9.根据权利要求6或7所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述高石墨含有层具有0.1-10cc/min以上的多孔性。

10.根据权利要求8所述的燃料电池分离板，其特征在于：

所述高石墨含有层具有0.1-10cc/min以上的多孔性。

11.一种燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

包括：将膨胀石墨与热塑性树脂混合的步骤；将所述膨胀石墨与所述热塑性树脂的混合物成型的步骤，

所述混合的步骤包括：

制造按所述膨胀石墨60-90wt%、氟碳聚合物10-40wt%的组成混合的第1碳复合体的步骤；

制造按所述膨胀石墨91-95wt%、氟碳聚合物5-9wt%的组成混合的第2碳复合体的步骤，

所述成型的步骤包括：

将所述第1碳复合体与所述第2碳复合体压延，从而制造由所述第1碳复合体构成的低石墨含有层位于由所述第2碳复合体构成的2个高石墨含有层之间的多层薄片的步骤；

将所述多层薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型的步骤。

12.根据权利要求11所述的燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

所述氟碳聚合物为FEP、PTFE及PFA中的任意一种。

13.根据权利要求11或12所述的燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

还包括：在所述成型的步骤之后，将分布在所述成型的分离板表面的所述热塑性树脂除去的步骤。

14.根据权利要求13所述的燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

将所述热塑性树脂除去的步骤包括：通过喷净工序将所述热塑性树脂清除的步骤。

15.一种燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

包括：将膨胀石墨或天然石墨薄片与热塑性树脂混合的步骤；

将所述膨胀石墨或所述天然石墨薄片与所述热塑性树脂的混合物成型的步骤，

所述混合的步骤包括：

制造按所述膨胀石墨60-90wt%、氟碳聚合物10-40wt%的组成混合的第1碳复合体的步骤；

制造按天然石墨薄片85-92wt%、氟碳聚合物8-15wt%的组成混合的第2碳复合体的步骤，

所述成型的步骤包括：

将所述第1碳复合体与所述第2碳复合体压延，从而制造由所述第1碳复合体构成的低石墨含有层位于由所述第2碳复合体构成的2个高石墨含有层之间的多层薄片的步骤；

将所述多层薄片在280-360℃的温度条件下经1-20分钟压缩成型的步骤。

16.根据权利要求15所述的燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

所述氟碳聚合物为FEP、PTFE及PFA中的任意一种。

17.根据权利要求15或16所述的燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

还包括：在所述成型的步骤之后，将分布在所述成型的分离板表面的所述热塑性树脂除去的步骤。

18.根据权利要求17所述的燃料电池分离板的制造方法，其特征在于：

将所述热塑性树脂除去的步骤包括：通过喷净工序将所述热塑性树脂清除的步骤。