CN114464833A - 一种陶瓷燃料电池双极板及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷燃料电池双极板及制造方法，属于燃料电池领域。该双极板具有导电性高、厚度小、重量轻、耐磨性好、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等特点，且成本低易于批量化生产。所述双极板以导电陶瓷粉体为原料，与热塑性粘结剂、热塑性树脂聚苯硫醚混合后，通过注射成形获得初胚，并经脱脂、烧结而成。所述导电陶瓷粉体包括但不限于碳化钛、碳铝钛、二硼化钛等。热塑性树脂聚苯硫醚可减少粘结剂的含量从而提高双极板密度。本发明所述成形技术可直接获得导电陶瓷双极板的最终形状和尺寸，避免了制备传统石墨、金属或复合双极板所需复杂成形工序，同时解决了金属板易腐蚀的问题，以及石墨或石墨/陶瓷复合双极板强度较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池方法领域，尤其涉及一种陶瓷燃料电池双极板及制造方法。
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，其主要结构部件有：电极、电解质隔膜、双极板(也叫集电器、流场板和隔离板)。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，其占有燃料电池堆中80％以上的重量和体积比以及23％左右的成本的部件。
传统的石墨双极板由于石墨化过程导致20-30％的气孔，效率低下，且强度较低。金属双极板虽然导电性较好，强度高，但在电池高温和腐蚀的环境下，其可靠性差，且重量较重，需要表面处理。此外，不锈钢或钛基双极板在“湿密封”或在使用过程中容易在表面堆积形成氧化物膜而极大的降低了电导率，进而降低电池效率，造成能源的极大浪费。此外，传统金属板的机加工等过程造成成本较高，良品率不高。
虽然通过简单模压成形能获得新型聚合物/导电填料复合双极板，但其导电性和强度仍很难兼顾。因此，进一步提升燃料电池性能、降低制造成本的同时，实现轻量化是核心难题。
导电陶瓷材料具有导电性好、高熔点、耐腐蚀等特点，是制造双极板的理想材料。但其高强度、高硬度使得其加工成形困难，即使基于热压等传统工艺制备导电陶瓷燃料电池，也没有很大的竞争优势。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种高性能陶瓷燃料电池双极板及其低成本、高通量制造方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种陶瓷燃料电池双极板，按重量比计，其原料组分包括： 89.00％～89.50％的陶瓷粉末、5～5.5％的热塑性树脂聚苯硫醚、5.5～6％热塑性粘结剂。由陶瓷粉末代替金属粉末制作而成的双极板，具有表面光滑、重量轻、抗氧化性强、耐磨损性好、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀；热塑性树脂聚苯硫醚具有耐热、耐腐蚀的优点，并且无毒、尺寸精度高，用它制作双极板时可以减少粘结剂用量。
本发明优选地技术方案在于，所述陶瓷粉末主要成分为碳化钛、二硼化钛、碳铝化钛、钛硅碳中的至少一种。根据制作不同需求的双极板，选用相应的陶瓷粉末，以达到需求。
本发明优选地技术方案在于，所述陶瓷粉末为采用水解法或化学沉淀法制作的纳米级陶瓷粉末。减少脱脂后产生的间隙过大，影响双极板的气密性。
本发明优选地技术方案在于，所述热塑性粘结剂包括聚甲醛、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物和硬脂酸。
本发明还涉及一种陶瓷燃料电池双极板的制造方法，包括以下步骤：
(1)混炼：按重量比将陶瓷粉末与粘结剂分别加入混炼机中混炼制成喂料；
(2)注射成形：将喂料置于注射成形机中，然后注入模具中进行注射成形，得注射坯；
(3)脱脂：将注射胚置于热脱脂炉中，保温脱脂以脱除部分所述粘结剂；
(4)烧结：将注射坯置于烧结炉中，并5～8小时内升温至1350～1500℃，且保温1～3小时，得到形状、尺寸及精度均符合要求的双极板。
本发明优选地技术方案在于，所述步骤(3)中注射坯要浸泡于40～50℃的有机溶剂中，恒温浸泡3～20小时；而将部分热塑性粘结剂溶解于有机溶剂中，与陶瓷粉末材料分离。
本发明优选地技术方案在于，所述步骤(3)中脱脂后烧结前，要对注射坯进行预烧结。以提高压坯强度和进一步脱除部分粘结剂。
本发明优选地技术方案在于，所述预烧结步骤为将炉再升温至500℃～ 850℃预烧结0.5～3h，随炉冷却后取出。在较低预烧结温度下得到的注射注射坯具有足够的强度来满足搬运的要求。
本发明的有益效果为：
本发明提供的一种陶瓷燃料电池双极板及制造方法，当热塑性粘结剂含量过高时，在脱脂后产品孔隙过大，强度变差而且产品烧结时体积变化太大，容易产生裂纹，所以会在制作原料里添加热塑性树脂聚苯硫醚，可以减少热塑性粘结剂的添加，且热塑性树脂聚苯硫醚具有耐热、耐腐蚀的优点，可以提高双极板的特性。由陶瓷粉末代替金属粉末制作而成的双极板，具有重量轻、抗氧化性强、耐磨损性好、热导率大、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀。通过有机溶剂长时间保温浸泡，可以脱去大部分石蜡，再通过预烧结进一步脱除剩余的石蜡，避免烧结时石蜡挥发造成孔隙过大且不均匀，提高了产品的强度，且产品致密度较高，孔隙均匀。烧结步骤可以逐步升温，避免产品受热不均产生气孔、裂纹等。
该双极板具有导电性高、厚度小、重量轻、耐磨性好、硬度高以及抗热震和耐化学腐蚀等特点，且成本低易于批量化生产。所述双极板以导电陶瓷粉体为原料，与热塑性粘结剂、热塑性树脂聚苯硫醚混合后，通过注射成形获得初胚，并经脱脂、烧结而成。所述导电陶瓷粉体包括但不限于碳化钛、碳铝钛、二硼化钛等。热塑性树脂聚苯硫醚可减少粘结剂的含量从而提高双极板密度。本发明所述成形技术可直接获得导电陶瓷双极板的最终形状和尺寸，避免了制备传统石墨、金属或复合双极板所需复杂成形工序，同时解决了金属板易腐蚀的问题，以及石墨或石墨/陶瓷复合双极板强度较低的问题。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
一种陶瓷燃料电池双极板的原料，由如下重量百分比的组分组成：
89％陶瓷粉末、
5％热塑性树脂聚苯硫醚、
6％热塑性粘结剂；
其中，所述陶瓷粉末可以采用碳化钛陶瓷粉末，采用水解法或化学沉淀法制作的纳米级陶瓷粉末。
本发明还提供了一种陶瓷燃料电池双极板制造方法，所述方法包括如下步骤：
(1)混炼：按重量比将陶瓷粉末与粘结剂分别加入混炼机中混炼制成喂料；
(2)注射成形：将喂料置于注射成形机中，然后注入模具中进行注射成形，得注射坯；注塑的温度为250度。
(3)脱脂：将注射胚置于热脱脂炉中，且浸泡于40～50℃的有机溶剂中，恒温浸泡3～20小时；将炉再升温至500℃～850℃预烧结0.5～3h，随炉冷却后取出
(4)烧结：将注射坯置于烧结炉中，并5～8小时内升温至1350～1500℃，且保温1～3小时，得到形状、尺寸及精度均符合要求的双极板。
本发明的上述方法首先通过有机溶剂长时间保温浸泡，可以脱去大部分石蜡，再通过预烧结进一步脱除剩余的石蜡，避免烧结时石蜡挥发造成孔隙过大且不均匀，提高了产品的强度，且产品致密度较高，孔隙均匀。烧结步骤可以逐步升温，避免产品受热不均产生气孔、裂纹等。
本实施例的得到的双极板表面光滑、内部致密。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。
实施例二：
一种陶瓷燃料电池双极板的原料，由如下重量百分比的组分组成：
89.5％陶瓷粉末、
5.5％热塑性树脂聚苯硫醚、
5％热塑性粘结剂；
其中，所述陶瓷粉末可以采用碳铝化钛陶瓷粉末，采用水解法或化学沉淀法制作的纳米级陶瓷粉末。
本实施例的原料同样可用于实施例一中的陶瓷燃料电池双极板制造方法来制备产品，得到的双极板孔隙小，且结构致密，气密性好，具有良好的耐氧化性、耐腐蚀性以及耐磨擦性。
实施例三：
一种陶瓷燃料电池双极板的原料，由如下重量百分比的组分组成：
89.5％陶瓷粉末、
5.5％热塑性树脂聚苯硫醚
5％热塑性粘结剂；
其中，所述陶瓷粉末可以采用氮化硅陶瓷粉末，采用水解法或化学沉淀法制作的纳米级陶瓷粉末。
本实施例的原料同样可用于实施例一中的陶瓷燃料电池双极板制造方法来制备产品，得到的双极板孔隙小，且结构致密，气密性好，氮化硅制作的具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。
实施例四：
一种陶瓷燃料电池双极板的原料，由如下重量百分比的组分组成：
89.5％陶瓷粉末、
5.5％热塑性树脂聚苯硫醚
5％热塑性粘结剂；
其中，所述陶瓷粉末可以采用二硼化钛陶瓷粉末，采用水解法或化学沉淀法制作的纳米级陶瓷粉末。
本实施例的原料同样可用于实施例一中的陶瓷燃料电池双极板制造方法来制备产品，得到的双极板孔隙小，且结构致密，气密性好，氮化硅制作的具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能
本实施例的原料同样可用于实施例一中的陶瓷燃料电池双极板制造方法来制备产品，得到的双极板孔隙小，且结构致密，气密性好，氮化硅制作的具有硬度高，不溶于酸碱耐腐蚀，绝缘性好。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种陶瓷燃料电池双极板，其特征在于：
按重量比计，其原料组分包括：89.00％～89.50％的陶瓷粉末、5～5.5％的热塑性树脂聚苯硫醚、5.5～6％热塑性粘结剂。
2.根据权利要求1所述的陶瓷燃料电池双极板，其特征在于：
所述陶瓷粉末主要成分为碳化钛、二硼化钛、碳铝化钛、钛硅碳中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的陶瓷燃料电池双极板，其特征在于：
所述陶瓷粉末为采用水解法或化学沉淀法制作的纳米级陶瓷粉末。
4.根据权利要求1所述的陶瓷燃料电池双极板，其特征在于：
所述粘结剂包括聚甲醛、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物和硬脂酸。
5.一种陶瓷燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)混炼：按重量比将陶瓷粉末与粘结剂分别加入混炼机中混炼制成喂料；
(2)注射成形：将喂料置于注射成形机中，然后注入模具中进行注射成形，得注射坯；
(3)脱脂：将注射胚置于热脱脂炉中，保温脱脂以脱除部分所述粘结剂；
(4)烧结：将注射坯置于烧结炉中，并5～8小时内升温至1350～1500℃，且保温1～3小时，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所述的陶瓷燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：
步骤(3)中，注射坯要浸泡于40～50℃的有机溶剂中，恒温浸泡3～20小时。
7.根据权利要求5所述的陶瓷燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：
步骤(3)，中脱脂后烧结前，要对注射坯进行预烧结。
8.根据权利要求7所述的陶瓷燃料电池双极板的制造方法，其特征在于：
所述预烧结步骤为将炉再升温至500℃～1000℃预烧结0.5～3h，随炉冷却后取出。
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