CN1434530A - 用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法。目的在于提供一种方法，用于制作聚合物电解质燃料电池的离析器，该离析器应当有较低的电阻率、高热导系数和气密性以及高强度。本发明的制造方法中，烧结材料20含有涂敷于一种碳粉表面的酚醛树脂，金属板30是经双面电镀的金属板。把金属板30放入带有沟槽的模具M后，再将烧结材料20填充进金属板30的两面，之后将它们一起加热和烧结。由于酚醛树脂均匀地散布在烧结材料20中，因而，如此制作的燃料电池离析器10材质均匀，从而气密性能和强度都得以提高。此外，由于烧结后的离析器10的表面绝对不会产生氧化物，电阻率也就相当低。

Description

用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法

发明领域

本发明属于制造一种内置于一聚合物电解质燃料电池单元的离析器的方法的技术领域。

现有技术

聚合物电解质燃料电池(此后简称“燃料电池”)是一种能量发生装置，它通过向一包含聚合物电解质隔层的电极提供反应气体(氢和氧)产生能量。

图3是一电池单元C的透视图，该电池单元C是构成这样一个燃料电池的最小单位。

一燃料电池单元C包含电极E1和E2(阳极和阴极)，该电极又包括一接触反应层和一多孔渗透辅助层，一电解质D插入电极E1和E2之间，以及一离析器100放置于该电极E1、E2之外。

从上述之构成组合的一个电池单元C可得到1V或者更低的电压，但实践中常以成十上百的电池单元C串联形成一目前的燃料电池。

图4是一用于燃料电池的常规离析器100的正视图。深与宽为大约0.5-2毫米的多个沟槽120如图4所示排布于板状离析器100的两个面。那些沟槽120的作用是，使所述反应气体得以通过并使所述的反应所产生的结果一水得以通过。

在一个由诸多如上所述的电池单元C所聚集而成的燃料电池中，所述离析器100不仅分隔开那些电池单元C，也通过沟槽120向邻近的电极E1(或者E2)输送反应气体或者将该反应所产生的水排出。

而且，该离析器100还承担输出该电池单元C所产生的电的功用。

所以，对于一燃料电池的该离析器100，就要求气密性必须高，以便向电极E1和E2(阴极和阳极)所输送的反应气体不会彼此混合。此外，还要求必须具备非常强的抗腐蚀及抗氧化能力以免受反应气体腐蚀。另外，还应当轻巧、有导电性。该离析器还必须足以承受所述的聚集电池单元C的重量。

而且，为使燃料电池的尺寸得以最小化，必须将所述离析器做得尽可能地薄。

一片各向同性的碳材用于所述离析器C上，它须符合以上所述的诸要求。

如图5所示，为了用一片各向同性的碳材做出一离析器C，按照以下步骤实施，即，首先，在一电炉中，将一碳材R加热并于2000℃或者以上温度烧结(如图5(a))；其次，将其切割成片状(如图5(b))；然后，用一立铣刀之类在其上刻出沟槽(如图5(c))。

但烧结后的各向同性的碳材是相当硬且脆的，所以面临的一个问题便是，沟槽的刻画以及碳材切割的过程相当耗时。

于是，用其他方法来制作。这种方法中，所述烧结材料由碳粉混合以作为粘合剂的颗粒状的酚醛树脂而制成，然后再将其填进多槽状模具。将该组件用热板压方式烧结。此方法的便利之处在于碳粉的烧结和沟槽的制作可同时完成。

尽管如此，在该方法的加热及烧结的过程中，由于酚醛树脂会产生水，因而在烧结后所述的碳材中，会不可避免地产生水泡，故上述的气密性遭到削减。

所以，该方法的一个问题便是，不得不在烧结后设计一个消除水泡的工序，这同样耗时。

还有一种方法，即照此法，在一带多沟槽的模具中放置一金属板，然后将碳粉和颗粒状酚醛树脂混合成的烧结材料注满诸多沟槽其间。将该组件用热板压方式烧结。结果便是，该碳材和金属板得以整合一体。

以此方式制作出的离析器的结构呈现为，该金属板被所述碳材夹在中间。

故而，即使经烧结后，在所述碳材中产生了源于所述酚醛树脂的水泡，该离析器的正面及反面仍然互不相通，因为金属板安装在中间，从而作为一个整体保持了气密性。

发明内容

尽管如此，在所述方法中，存在一个问题，在依赖所述金属板所进行的烧结之后，在该碳材的表面产生了低导电性的氧化物。

而且，由于所述金属板和碳粉之间热膨胀系数的差异，则产生了这样一个问题，由于该金属板和碳材之间界面的粘合力相当弱，从而导致了太早的离析。

另外，由于该烧结材料是一种碳粉及颗粒状酚醛树脂的混合物，这种结构往往导致成分不均匀。

源于此的问题就在于，必须添加所述的颗粒状酚醛树脂超过作为粘合剂所需要的量，结果从所述酚醛树脂中就产生了一定数量的水泡。而且，烧结之后的所述碳材的厚度往往较大，故而电阻也变得较大。

而且，如果烧结材料不均匀，烧结后碳材的质量则会下降。

此外，依靠所述沟槽的形状，所述模具的可分离性可能变糟，很难把烧结后的碳材从所述模具中取出。

本发明首先解决了上述的问题，方式就是一种用于一聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，包含以下步骤：

准备一金属板，其正面及反面布有镀层，将金属板置于形成有沟槽的模具中；

装填一种烧结材料，此材料含一种涂敷以酚醛树脂的碳粉，将其装填于所述金属板的两侧；并

通过在普通大气压下加热和烧结所述的烧结材料，把所述烧结材料和所述金属板整合为一体，从而在该表面形成沟槽。

以及，其次，一种用于一聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法包含以下步骤：

准备一金属板，其正面及反面布有镀层，将金属板置于形成有沟槽的模具中；

装填一种烧结材料，此材料含一种涂敷以酚醛树脂的碳粉，将其装填于所述金属板的两侧；并

通过在真空中加热和烧结所述的烧结材料，把所述烧结材料和所述金属板整合为一体，从而在该表面形成沟槽。

以及，第三，一种用于一聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，包含以下步骤：

准备一成形有沟槽的模具；

填充一种烧结材料，此材料含一种涂敷以酚醛树脂的碳粉、一种金属粉以及类似于第一点所提及的烧结材料，将其按所述顺序填进所述模具；并

通过在真空中加热和烧结所述的烧结材料，把所述烧结材料和所述金属粉整合为一体，从而在该表面形成沟槽。

按照本发明，酚醛树脂均匀地散布在该烧结材料中，并且，由于须添加作为粘合剂所要求的最低数量的酚醛树脂，所制作的离析器就可能具有很高强度的均质性。

此外，既然所述金属板在加热和烧结时并不氧化，就绝不会有低导电性的氧化物产生在该离析器的表面。

附图简要说明

图1是根据本发明的第一项发明、用于一聚合物电解质燃料电池的离析器的制造工艺的解释图；

图2表示的是图1所示的制作方法中的烧结工艺流程的剖视图；

图3为构成一燃料电池最小单位的电池单元的透视图；

图4为用于燃料电池的离析器的正视图；以及

图5表示的是，利用各向同性的碳材按照(a)、(b)、(c)的顺序制作离析器的传统方法。

图标的说明

10：用于聚合物电解质燃料电池的离析器

12：沟槽

20：烧结材料

30，30’：金属板

32：金属粉

M：模具

发明的实施方式

利用一表面有电镀层的金属板制作离析器的方法，以及含有一种涂敷以酚醛树脂的碳粉的烧结材料皆可通过该第一项发明来解释。

图1是表明该第一项发明的离析器制作方法的流程图；图2是表明加热及烧结状态过程的部分。

首先，将较小的具有一定重量的轻金属(比如说铝)制作成小铝板的形状；然后在它的正面及反面进行蚀刻、酸处理和锌膜涂敷；然后，将一块很难氧化且有着和碳相同热膨胀系数的金属电镀以得到一金属板30。

另一方面，将酚醛树脂涂敷于碳粉表面以制备所述的烧结材料20。

下一步，将一块上述的金属板30放进一金属模具M内电镀，M是有着凹凸不平的沟槽结构，然后将上述的烧结材料20填进该金属板30的两侧，最后，在大气状态环境下进行烧结(如图2)。

结果，该烧结材料20和金属板30被整合为一体，该表面形成若干沟槽。

在该情形下，即使在大气中加热也不会发生氧化现象，因为被镀在该金属板30表面的金属不轻易氧化。

所以，在所制作的该离析器10的表面不会产生低导电性氧化物。

由于该烧结材料20包含一种由酚醛树脂涂敷的碳粉，则没有必要再像传统的烧结材料那样将该碳粉和颗粒状的酚醛树脂混合，并且相对于传统烧结材料，该酚醛树脂可以均匀地散布在烧结材料中间。

因此，很容易制备一种均匀的碳材，而且制作成品也容易从模具M中取出，从而得到一个薄离析器10也成为了可能。

此外，涂敷于碳粉表面的酚醛树脂作为粘合剂应当是够量的，故无须再添加。

因此，增加填充进模具M的碳材的量后，烧结后碳材的密度则上升，结果是碳材的强度也跟着增大。于是，产生于酚醛树脂的水泡得以减少，气密性从而得以增强。

下一步，由第二项发明来解释通过利用一种金属板和烧结材料而制作的一种离析器的方法，该种金属板无镀层，该烧结材料含有一种由酚醛树脂涂敷的碳粉。

此方法中，将与第一项发明一样的烧结材料20填充于金属板30’的两侧，该金属板位于带有沟槽的模具M中，该金属板30’未经过任何电镀过程。然后，在真空中烧结这些组件。

随着在真空中以该特殊的方式进行的加热过程的完结，表面没有电镀的金属板30’根本不氧化。

接着，由第三项发明来解释通过利用一种金属粉和烧结材料而制作的一种离析器的方法，该烧结材料含有一种由酚醛树脂涂敷的碳粉。

照此方法，把烧结材料20和金属粉32填充进带有沟槽的模具M，然后将这些材料放进真空烧结。

当该烧结材料20和金属粉32被填充进模具M时，金属粉32的两侧应当被烧结材料20涂敷。就是说，在模具M中，应当按照这样的顺序填充：烧结材料20、金属粉32、然后又是烧结材料20。

在此情形下，金属粉32由于烧结而熔化，那么，就可以得到与分别按照第一项发明和第二项发明在所述金属板30和30’上产生的类似的效果。

此外，由于在真空中完成加热过程，金属粉32绝不会氧化。

上述的第二项和第三项发明中，含有涂敷以酚醛树脂的碳粉的烧结材料20的效果等同于第一项发明。

下一步，用具体的范例来解释利用本发明的燃料电池的离析器的制作方法，以及解释通过那些制作方法制作出的燃料电池离析器本身。

用于以下范例的金属板由铝、钛和镁构成，厚0.3mm，经过蚀刻和酸处理，以及锌膜涂敷和指定的电镀工艺的处理。镀层的厚度为5μm。

而且，这种由铝、钛和镁构成的金属粉，应当是分别经过雾化处理以得到平均直径100μm的颗粒。

而烧结材料，则应当是经酚醛树脂涂敷、颗粒直径75μm或更小的人造石墨。

如下范例中所制作的离析器和图4中的一样。

该离析器100mm长，100mm宽，2mm厚，在表面及背面的中央部分形成有很多沟槽，如图4，这些沟槽长和宽均为50mm以内。

用在范例1中的的金属板就是上述的铝板，其中所述的表面经镍/磷化学镀层处理。

把该金属板放置入模具中，然后将上述的烧结材料填充进该金属板的两侧，之后，在30MPa气压下烧结20分钟，然后，在160℃，普通大气压下离析器被制成，如图4。

用在范例2中的金属板由在上述的铝板上面覆盖以镍镀层而制成。

用于范例3的金属板由在上述的铝板上面覆盖以黄金镀层而制成。

用于范例4的金属板由在上述的铝板上面覆盖以铂镀层而制成。

用于范例5的金属板由在上述的钛板上面覆盖以镍/磷镀层而制成。

用于范例6的金属板由在上述的镁板上面覆盖以镍/磷镀层而制成。

从范例2至6，如图4，离析器在和利用上述的金属板和烧结材料的范例1同等的条件下分别被制作出来。

下一步，一块未经电镀的铝板用于范例7。

把所述的金属板和烧结材料放置进一模具，在环境温度160℃和30MPa的压强下的真空中烧结20分钟，从而制成一离析器，外形如图4。

在范例8中，金属铝粉替代了金属板。

将其以烧结材料、金属铝粉、烧结材料的顺序填充进所述模具，然后在环境温度160℃和30MPa的压强下的真空中烧结20分钟，从而制成一离析器，外形如图4。

以比较的方式，将一块各向同性的碳材制成一长宽各100mm、厚2mm的金属板，然后以立铣刀在其两面都刻出若干长宽皆为50mm以内的沟槽，以此制成一种传统离析器。这是一个用于比较的范例。

从范例1到8，离析器的电阻率、热导系数、抗弯强度、气体渗透率被分别测出，然后和用于比较的范例离析器以及测量结果一起列于表1。

                                表1

	电阻率μΩ·cm	热导系数kj/m·h·℃	抗弯强度MPa	气体渗透率×10-6cc/cm·sec·atm
					范例1	800	520	75	0.2
范例2	750	540	70	0.1
					范例3	850	500	65	0.2
范例4	920	480	60	0.2
					范例5	950	470	80	0.1
范例6	830	500	77	0.1
					范例7	900	480	55	0.1
范例8	750	500	70	0.2
					用于比较的范例	1000	460	50	1.0

电阻率取决于石墨的物理特性测量方法(JISR7222)，热导系数取决于激光闪光法，抗弯强度取决于硬塑料抗弯测试法(JISK7203)，气体渗透率由塑料膜片气体渗透程度测试法(JISK7126)来测量。

如表1所示，和传统的离析器相比，根据本发明所制作的离析器电阻率较小，热导系数和抗弯强度较高，气体渗透率较低。

所以，当离析器工作时，这样的电池中产生的电力和热就可以有效地传出，且送到阳极和阴极的反应气体就不易混合了。

依据本发明的用于一聚合物电解质燃料电池的离析器的该制造方法，可以通过在碳粉表面涂敷以酚醛树脂作为粘合剂的方式在烧结材料中均匀地散布酚醛树脂。

结果，烧结后，碳材变得均匀了，故没有必要往烧结材料中添加超量的酚醛树脂。因此，烧结后的碳材中小孔的产生就会大大减少，从而强度大大增加，这样制作较薄的离析器就有了可能。

把一种不易氧化的金属镀在该金属板的表面后，当该金属板和烧结材料一起烧结时，金属板绝不氧化。

而且，甚至当未经表面电镀的金属板和金属粉在真空中烧结(如权利要求3和5中的阐明)的情形下使用时，金属板和金属粉也不会氧化。

因此，这种方法制作的离析器的表面绝对不会产生低电导性的氧化物。

由于依照本发明的方法所制作的离析器具有很高的强度，那么将大量的电池单元集中起来以构成一燃料电池就有了可能。

而且，由于电阻率低，该电池单元所产生的电能得以有效地传输出来。

除此之外，由于有了卓越的气密性能，被输送到阳极和阴极的反应气体不会轻易混合。

还有，由于较高的热导系数，该电池单元产生的热能可以有效地辐射出。

Claims (6)

1.一种用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，包含以下步骤：

准备一金属板，其正面及反面布有镀层，将金属板置于形成有沟槽的模具中；

装填一种烧结材料，此材料含有一种涂敷以酚醛树脂的碳粉，将其装填于所述金属板的两侧；并

通过在普通大气压下加热和烧结所述的烧结材料，把所述烧结材料和所述金属板整合为一体，从而在该表面形成沟槽。

2.根据权利要求1所述的用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，其中，所述金属板包含一铝板、一镁板或者一钛板，或者带有一镀层的铝、镁或钛的合金板，该镀层为镍/磷、镍、金或者铂的任意一种。

3.一种用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，包含以下步骤：

准备一金属板，其正面及反面布有镀层，将金属板置于形成有沟槽的模具中；

装填一种烧结材料，此材料含有一种涂敷以酚醛树脂的碳粉，将其装填于所述金属板的两侧；并

通过在真空状态下加热和烧结所述的烧结材料，把所述烧结材料和所述金属板整合为一体，从而在该表面形成沟槽。

4.根据权利要求3所述的用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，其中，所述金属板包含一铝板、一镁板或者一钛板，或者一铝、镁或钛的合金板。

5.一种用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，包含以下步骤：

准备一带有沟槽的模具；

填充一种烧结材料，此材料含一种涂敷以酚醛树脂的碳粉、一种金属粉以及类似于第一点所提及的烧结材料，将其按所述顺序填进所述模具；并

通过在真空状态下加热和烧结所述的烧结材料，把所述烧结材料和所述金属粉整合为一体，从而在该表面形成沟槽。

6.根据权利要求5所述的用于聚合物电解质燃料电池的离析器的制造方法，其中，所述金属粉包含铝、镁或者钛，或者一种铝、镁或钛的合金。

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