CN111842905A - 一种粉末注射成形燃料电池双极板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种粉末注射成形燃料双极板，按重量比计，其原料组分包括：90.12～91.44％的双极板原材料粉末、8.56～9.88％塑基多组元聚合物体系粘结剂；所述双极板原材料粉末包括金属粉末、石墨粉末中的任意一种；所述塑基多组元聚合物体系粘结剂按重量比计，包括以下组分：7.4～8.4％的聚甲醛、0.40～0.46％的乙烯‑乙酸乙烯共聚物、0.40～0.46％的高密度聚乙烯、0.18～0.28％的硬脂酸和0.18～0.28％的石蜡。本发明还公开了一种粉末注射成形燃料双极板的制备方法。本发明制备的双极板具有良好的耐氧化性、耐腐蚀性以及耐磨擦性，而且具有材料成本更低，材料利用率更高，加工更方便，适用性更广等特点。本发明提供的制备方法可大批量制作，后续加工量少，精度高。

Description

一种粉末注射成形燃料电池双极板及制备方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体是涉及一种粉末注射成形燃料电池双极板及制备方法。
背景技术
燃料电池是一种将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，根据燃料电池所用电解质的不同，分为碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池五大类。由于燃料电池直接将化学能转化为电能而不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，其效率在热电联供的情况下可达到80％以上，且其噪音低、环境污染小、比能量高、燃料范围广、可靠性高、易于建设等因素，燃料电池被誉为继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。燃料电池的主要结构部件有：电极、电解质隔膜、双极板(也叫集电器、流场板和隔离板)，其中，双极板的主要作用是分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入到燃料电池中，收集并传导电流，支撑膜电极以及承担整个燃料电池的散热和排水功能，同时占有燃料电池堆中80％以上的重量和体积比以及23％左右的成本的部件。因此，降低双极板的生产成本、减少电堆的重量和体积已成为亟待解决的技术难题。
粉末注射成形(简称PIM)是传统粉末冶金技术和塑料注射成形技术相结合的一种高新技术。它首先是选择符合PIM要求的原材料粉末和粘结剂，然后在一定温度下采用适当的方法将粉末和粘结剂混炼成均匀的喂料，经制粒后在注射机上注射成形，获得的成形坯经脱脂处理后烧结致密化最终产品。粉末注射工艺结合了粉末冶金和塑料注射成形两种技术的优点，突破金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制。PIM利用粉末冶金技术能烧结出致密、具有良好机械性能及表面质量的机械零的特点的同时，结合塑料注射成形技术，从而能大批量、高效率地生产出许多具有复杂形状特征的零件。
目前，燃料电池双极板所采用的材料主要有石墨材料、金属材料、复合材料三类。石墨双极板是利用粉末冶金技术制得石墨板材后再进一步地加工成双极板，由于石墨双极板的硬度比金属低，在对石墨板材进一步加工及组装的过程中极易受到尖锐物品刻划或撞击，如在使用数字控制加工机对石墨板材加工过程中，由于夹具夹紧及所进行的钻孔、铣槽等操作往往会在石墨板材上制造出肉眼难以识别的细微加工痕迹，这些痕迹很可能降低石墨双极板的气密性，另外，传统的机械切削加工方式加工周期长、需要高精度四轴数控铣床，并且当气体流道采用形状复杂的三维曲面时，机械加工方式无法完成。金属双极板成形技术主要有塑性成形、液态成形和特种加工技术(电化学刻蚀技术和刻锻模微电子放电加工技术)：塑性成形技术存在成形极限、填充能力不足等问题；液态成形技术制造的双极板，其力学性能和内部组织的均匀性、致密性较差且难以成形壁厚1mm以下的薄壁双极板；特种加工技术(电化学刻蚀技术和刻锻模微电子放电加工技术)对设备要求高，工艺过程复杂且加工效率低，表面质量不佳，不适合大批量生产。复合材料双极板成形技术主要有注射成形和模压成型：注射成形技术在以石墨为基体材料、树脂为粘结材料的双极板成型中，要使物料具有良好的流动注射能力，树脂的比例须足够大，而为了保证电池组有足够的导电性，需要增加导电填料的配比，这就使得利用注射成型制造的双极板的导电性能和力学性能不是很理想；在复合材料成型工艺中，模压成型所占的比例较高。模压成型双极板是将混合均匀的导电填料与树脂放入金属模具中，在一定温度、压力作用下，树脂受热熔化、流动，充满整个模腔，固化后将基料粘接在一起，后经冷却、脱模得到制品，模压过程的工艺参数是影响模压成型双极板性能的关键之一，模压后制品的脱模效果影响着制品的完整性及表面质量，尤其是带有复杂流道的双极板，因此脱模剂的选择也是关键之一，因此，对模压过程的工艺以及脱模剂的选择有着较高的要求。
相对于传统工艺制作的双极板，PIM双极板产品尺寸精度可达+/-(0.1～0.5)％，表面光洁，一次性可达Ra＝1.6；产品内部致密性好，密度高，可达95～99％；内部组织均匀，对合金来讲，无成分偏析现象并且适用于任何可以制成粉末喂料的材料，包括难熔、难铸、难加工的材料都能适用。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足和缺陷，提供一种粉末注射成形燃料电池双极板及制造方法，能够大批量低成本的生产复杂形状的双极板，很好的满足了燃料电池高性能低成本的要求，为制备高性能、低成本的燃料电池双极板提供了一种新的途径。同时，由于粉末注射成形工艺的特殊性，该方法适用于任何可以制成粉末喂料的材料。
本发明的技术方案如下：
一种粉末注射成形燃料双极板，按重量比计，其原料组分包括：90.12～91.44％的双极板原材料粉末、8.56～9.88％塑基多组元聚合物体系粘结剂。
其中，所述双极板原材料粉末包括金属粉末、石墨粉末中的任意一种；所述金属粉末包括不锈钢粉末、钛合金粉末中的任意一种或多种的混合；
进一步地，所述不锈钢粉末包括SUS441、316L、304L、17-4PH粉末中的任意一种。
进一步地，所述双极板原材料粉末的粒径为20～35μm。
所述塑基多组元聚合物体系粘结剂按重量比计，包括以下组分：7.4～8.4％的聚甲醛(POM)、0.40～0.46％的乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、0.40～0.46％的高密度聚乙烯(HDPE)、0.18～0.28％的硬脂酸(SA)和0.18～0.28％的石蜡(PW)。
本发明还涉及一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，包括以下步骤：
(1)混炼：按重量比将双极板原材料粉末与POM、EVA、HDPE、SA和PW混合形成的粘接剂分别加入混炼机中混炼制成喂料；
其中，混炼机中温度为160～200℃，转速为30～45rpm。
其中，混炼时间为1～2.0h。
其中，混炼机中粉末装载量为57v01％。
其中，喂料粒径为1～3mm。
(2)注射成型：将步骤(1)所得的喂料在160～200℃的条件下融化成流体状态后在70MPa的压力下注射到相应的燃料电池双极板模具中，待冷却后取出燃料电池双极板注射胚体；
(3)脱脂：将步骤(2)所得的燃料电池双极板注射胚体摆放好之后放入催化脱脂炉中，在120℃下进行催化脱脂；
其中，催化脱脂时间为6～8h。
其中，催化脱脂催化剂为硝酸。
(4)烧结：将步骤(3)脱脂之后的注射胚体放入真空烧结炉中，在1300～1850℃下烧结1～2h，得到形状、尺寸及精度均符合要求的双极板。
进一步地，为提高双极板的力学性能，根据合金成份，可将双极板叶片在烧结之后、机加工前进行强化热处理或热等静压处理。
本发明的优点是：以双极板的原材料粉末为原料，与粘接剂混合后通过一次注射成形和烧结来制取燃料电池双极板。由于双极板的原材料粉末在高温烧结中不容易分解，其分子相对稳定，分子之间流动阻力小，流动性好，易于复杂零件的成型，烧结时不会产生脆相，烧结后产品形状完整，表面光滑、内部致密。因此本发明相与现有技术中所采用的方法制造的燃料电池双极板相比；一是不仅同样在环境中具有良好的耐氧化性、耐腐蚀性以及耐磨擦性，而且具有材料成本更低，材料利用率更高，加工更方便，适用性更广等特点，二是可大批量一次成形直接制造复杂形状、精度高的燃料电池双极板，且后继加工量很少，产品成分及组织均匀，精度高，喂料可循环利用；还可根据不同安装盘工作环境，调整设计合适的原材料成分。
附图说明
图1是本发明粉末注射成形燃料电池双极板制作工艺的工艺流程图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本发明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
实施例一
参照图1，粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法是将粒径为20～35μm和重量比为90.34％的SUS441粉末与由8.4％POM、0.45％EVA、0.45％HDPE、0.18％SA和0.18％PW混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，粉末装载量为57v01％(粉末加入量为双行星混炼机容积的57％)，并在温度160℃、转速35rpm下混炼1h，制得粒径1～3mm的均匀喂料；喂料在料筒温度为160℃、注射压力为70MPa的MIM150型注塑机上注射成形制成注射坯体；再将注射坯体在催化脱脂炉中，在120℃、硝酸气催化的条件下进行催化脱脂，时间8h；随后将脱脂后的注射坯体置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2～10-3Pa)在1350℃烧结1h，得到所需形状、尺寸及精度的燃料电池双极板。
实施例二
参照图1，粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法是将粒径为20～35μm和重量比为91.44％的316L、304L、17-4PH等不锈钢粉末中的任意一种与由7.40％POM、0.40％EVA、0.40％HDPE、0.18％SA和0.18％PW混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，粉末装载量为57v01％(粉末加入量为双行星混炼机容积的57％)，并在温度160℃、转速35rpm下混炼1h，制得粒径1～3mm的均匀喂料；喂料在料筒温度为160℃、注射压力为70MPa的MIM150型注塑机上注射成形制成注射坯体；再将注射坯体在催化脱脂炉中，在120℃、硝酸气催化的条件下进行催化脱脂，时间8h；随后将脱脂后的注射坯体置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2～10-3Pa)在1350℃烧结1h，得到所需形状、尺寸及精度的燃料电池双极板。
实施例三
参照图1，粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法是将粒径为20～35μm和重量比为90.12％的钛合金粉末与由8.40％POM、0.46％EVA、0.46％HDPE、0.28％SA和0.28％PW混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，粉末装载量为57v01％(粉末加入量为双行星混炼机容积的57％)，并在温度160℃、转速35rpm下混炼1h，制得粒径1～3mm的均匀喂料；喂料在料筒温度为160℃、注射压力为70MPa的MIM150型注塑机上注射成形制成注射坯体；再将注射坯体在催化脱脂炉中，在120℃、硝酸气催化的条件下进行催化脱脂，时间6h；随后将脱脂后的注射坯体置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2～10-3Pa)在1400℃烧结1h，得到所需形状、尺寸及精度的燃料电池双极板。
实施例四
参照图1，粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法是将粒径为20～35μm和重量比为90.19％的石墨粉末与由7.48％POM、0.41％EVA、0.41％HDPE、0.255％SA和0.255％PW混合形成的粘接剂分别加入双行星混炼机中，粉末装载量为57v01％(粉末加入量为双行星混炼机容积的57％)，并在温度160℃、转速35rpm下混炼1h，制得粒径1～3mm的均匀喂料；喂料在料筒温度为160℃、注射压力为70MPa的MIM150型注塑机上注射成形制成注射坯体；再将注射坯体在催化脱脂炉中，在120℃、硝酸气催化的条件下进行催化脱脂，时间7h；随后将脱脂后的注射坯体置于真空烧结炉中于真空度(真空度10-2～10-3Pa)在1500℃烧结2h，得到所需形状、尺寸及精度的燃料电池双极板。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉末注射成形燃料双极板，其特征在于，按重量比计，其原料组分包括：90.12～91.44％的双极板原材料粉末、8.56～9.88％塑基多组元聚合物体系粘结剂。
2.根据权利要求1所述的一种粉末注射成形燃料双极板，其特征在于：所述双极板原材料粉末包括金属粉末、石墨粉末中的任意一种；所述金属粉末包括不锈钢粉末、钛合金粉末中的任意一种或多种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种粉末注射成形燃料双极板，其特征在于：所述双极板原材料粉末的粒径为20～35μm。
4.根据权利要求1所述的一种粉末注射成形燃料双极板，其特征在于：所述塑基多组元聚合物体系粘结剂，按重量比计，包括以下组分：7.4～8.4％的聚甲醛、0.40～0.46％的乙烯-乙酸乙烯共聚物、0.40～0.46％的高密度聚乙烯、0.18～0.28％的硬脂酸和0.18～0.28％的石蜡。
5.权利要求1-4任一项所述的一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)混炼：按重量比将双极板原材料粉末与POM、EVA、HDPE、SA和PW混合形成的粘接剂分别加入混炼机中混炼制成喂料；
(2)注射成型：将步骤(1)所得的喂料在160～200℃的条件下融化成流体状态后在70MPa的压力下注射到相应的燃料电池双极板模具中，待冷却后取出燃料电池双极板注射胚体；
(3)脱脂：将步骤(2)所得的燃料电池双极板注射胚体摆放好之后放入催化脱脂炉中，在120℃下进行催化脱脂；
(4)烧结：将步骤(3)脱脂之后的注射胚体放入真空烧结炉中，在1300～1850℃下烧结1～2h，得到形状、尺寸及精度均符合要求的双极板。
6.根据权利要求5所述的一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述混炼机中温度为160～200℃，转速为30～45rpm。
7.根据权利要求5所述的一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述混炼的时间为1～2.0h。
8.根据权利要求5所述的一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述催化脱脂的时间为6～8h。
9.根据权利要求5所述的一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述催化脱脂的催化剂为硝酸。
10.根据权利要求5所述的一种粉末注射成形燃料电池双极板的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括：在烧结之后、机加工之前进行强化热处理或热等静压处理。
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