RU2795048C1 - Composite material for manufacturing of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells and method for their manufacture - Google Patents
Composite material for manufacturing of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells and method for their manufacture Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795048C1 RU2795048C1 RU2021128655A RU2021128655A RU2795048C1 RU 2795048 C1 RU2795048 C1 RU 2795048C1 RU 2021128655 A RU2021128655 A RU 2021128655A RU 2021128655 A RU2021128655 A RU 2021128655A RU 2795048 C1 RU2795048 C1 RU 2795048C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- temperature
- workpiece
- bipolar
- group
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к электрохимической промышленности, в частности, к способу изготовления биполярных и монополярных пластин для электрохимических ячеек из высоконаполненных полимерных композитных материалов.The invention relates to the electrochemical industry, in particular, to a method for manufacturing bipolar and monopolar plates for electrochemical cells from highly filled polymer composite materials.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Известен способ получения пластин электрохимических ячеек (топливных элементов), раскрытый в RU 2333575 С1, опубл. 10.09.2008. Способ включает включает изготовление слоя основы и нанесение на нее углеродных слоев и сборку пакета слоев. При этом на слой основы укладывают промежуточный слой из смеси порошка низкоплотного графита и 0,5-2,0 мас. % политетрафторэтилена (ПТФЭ), поверх которого укладывают лист, экструдированный из смеси порошка беспористого графита и 10-20 мас. % ПТФЭ, и нагревают пакет до температуры 120-170°С при давлении 200-300 кг/см2.A known method for producing plates of electrochemical cells (fuel cells), disclosed in RU 2333575 C1, publ. 09/10/2008. The method includes manufacturing a base layer and depositing carbon layers on it and assembling a stack of layers. At the same time, an intermediate layer of a mixture of low-density graphite powder and 0.5-2.0 wt. % polytetrafluoroethylene (PTFE), on top of which is placed a sheet extruded from a mixture of porous graphite powder and 10-20 wt. % PTFE, and the package is heated to a temperature of 120-170°C at a pressure of 200-300 kg/cm 2 .
Недостатком раскрытого выше технического решения является низкая прочность и межслоевая прочность формируемого пакета, обусловленная низкими температурами прессования и малым содержанием полимерного связующего в промежуточном слое, а также нестабильность электрических свойств, обусловленная неоднородностью структуры материала.The disadvantage of the technical solution disclosed above is the low strength and interlayer strength of the formed package, due to low pressing temperatures and the low content of the polymer binder in the intermediate layer, as well as the instability of the electrical properties due to the heterogeneity of the material structure.
Кроме того, из уровня техники известен способ получения пластин электрохимических ячеек (топливных элементов), раскрытый в RU 2316851 С2, опубл. 10.02.2008, прототип. Способ включает создание структуры, содержащей электропроводные карбонизированные или графитизированные армирующие волокна, затем механически ориентируют указанные волокна посредством иглопробивания в первом направлении, соответствующем предпочтительным токопроводящим каналам для увеличения электропроводности изделия в указанном первом направлении, в котором карбонизированные или графитизированные армирующие волокна представляет собой пористую структуру, насыщенную термопластичным полимером, в результате чего образуется матрица определенной толщины, при этом указанное первое направление параллельно указанной толщине.In addition, the prior art method for producing plates of electrochemical cells (fuel cells), disclosed in RU 2316851 C2, publ. 02/10/2008, prototype. The method includes creating a structure containing electrically conductive carbonized or graphitized reinforcing fibers, then mechanically orienting these fibers by needling in the first direction corresponding to the preferred conductive channels to increase the electrical conductivity of the product in the specified first direction, in which the carbonized or graphitized reinforcing fibers is a porous structure saturated thermoplastic polymer, resulting in a matrix of a certain thickness, while the specified first direction is parallel to the specified thickness.
Недостатком раскрытого выше технического решения является повреждение формируемого пакета и снижение его электропроводности в направлении перпендикулярном направлению пробивки, искажения структуры укладки функционального волокнистого наполнителя в целом, что приводит к большой неоднородности электрических свойств материала.The disadvantage of the technical solution disclosed above is damage to the formed package and a decrease in its electrical conductivity in the direction perpendicular to the punching direction, distortion of the stacking structure of the functional fibrous filler as a whole, which leads to a large inhomogeneity of the electrical properties of the material.
Также к недостаткам обоих раскрытых выше технических решений относится то, что используемая в них полимерная матрица не является электропроводящей.Also, the disadvantages of both technical solutions disclosed above include the fact that the polymer matrix used in them is not electrically conductive.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION
Технической задачей, решаемой в заявленном изобретении, является способ изготовления биполярных и монополярных пластин для электрохимических ячеек из высоконаполненных полимерных композитных материалов, обладающих высокой технологичностью изготовления, высокими физико-механическими свойствами, химической стойкостью, повышенной электрической проводимостью.The technical problem solved in the claimed invention is a method for manufacturing bipolar and monopolar plates for electrochemical cells from highly filled polymer composite materials with high manufacturability, high physical and mechanical properties, chemical resistance, increased electrical conductivity.
Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является получение биполярных и монополярных пластин электрохимических ячеек из материалов, способных заменять высокоплотные искусственные графиты и наполненные полимерные материалы на основе фторопластов и фторполимеров, применяемые в электрохимических ячейках, изготовление биполярных и монополярных пластин электрохимических ячеек из высоконаполненных полимерных композитных материалов, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками, такими как: прочность на разрыв до 60 МПа, прочность на сжатие до 150 МПа, химическая стойкость в кислотах и щелочах, электролитах в пределах рН 1-14, - изменение массы за 45 суток не более 1%, электропроводность до 50 См/см, теплопроводность до 15 Вт/(м×К), эксплуатационная теплостойкость до 300°С, общая пористость 2-30%, в том числе открытая пористость менее 1%.The technical result, to which the present invention is directed, is the production of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells from materials capable of replacing high-density artificial graphites and filled polymer materials based on fluoroplasts and fluoropolymers used in electrochemical cells, the manufacture of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells from highly filled polymer composite materials with improved performance characteristics, such as: tensile strength up to 60 MPa, compressive strength up to 150 MPa, chemical resistance in acids and alkalis, electrolytes within pH 1-14, - weight change for 45 days is not more than 1 %, electrical conductivity up to 50 S/cm, thermal conductivity up to 15 W/(m×K), operational heat resistance up to 300°C, total porosity 2-30%, including open porosity less than 1%.
Указанный технический результат достигается за счет того, что композитный материал для изготовления биполярных и монополярных пластин электрохимических ячеек содержит матрицу из эластомера, подвергнутого термическому старению и низкотемпературной карбонизации, и распределенные в указанной матрице функциональный наполнитель и вспомогательный компонент, при следующем соотношении распределенных в 100 мас. ч. полимерной матрицы компонентов, мас. ч:This technical result is achieved due to the fact that the composite material for the manufacture of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells contains a matrix of elastomer subjected to thermal aging and low-temperature carbonization, and a functional filler and an auxiliary component distributed in the specified matrix, with the following ratio distributed in 100 wt. including polymer matrix components, wt. h:
В качестве эластомера используют по крайней мере один эластомер, выбранный из группы: бутадиен-нитрильные, бутадиен-стирольные каучуки.As an elastomer, at least one elastomer is used, selected from the group: nitrile butadiene, styrene butadiene rubbers.
В качестве функционального наполнителя используют по крайней мере один компонент, выбранный из группы: углеродные или другие неорганические электропроводящие наполнители, выбранные из группы: дискретные частицы - нитрид бора, карбид бора, высокопрочное или высокомодульное углеродное волокно, углеродные нанотрубки, искусственный измельченный графит, естественный графит, терморасширенный интеркалированный графит, графен, фуллерены, технический углерод, мезофазный углерод.As a functional filler, at least one component is used, selected from the group: carbon or other inorganic electrically conductive fillers, selected from the group: discrete particles - boron nitride, boron carbide, high-strength or high-modulus carbon fiber, carbon nanotubes, artificial crushed graphite, natural graphite , thermally expanded intercalated graphite, graphene, fullerenes, carbon black, mesophase carbon.
В качестве вспомогательного компонента используют по крайней мере один компонент, выбранный из группы: сшивающие агенты, выбранные из группы: органические пероксиды - пероксида дикумила, пероксида бензоила; вулканизующие смолы - октил-фенол резольные смолы, бутил-фенол резольные смолы, октил-фенол резольные смолы, модифицированные бромом.As an auxiliary component, at least one component selected from the group is used: cross-linking agents selected from the group: organic peroxides - dicumyl peroxide, benzoyl peroxide; curing resins - octyl-phenol resole resins, butyl-phenol resole resins, bromine-modified octyl-phenol resole resins.
В качестве вспомогательного компонента дополнительно используют по крайней мере один агент, управляющий протеканием процессов термической деструкции эластомерной матрицы, выбранный из группы: тетраборат натрия, оксид фосфора (V), оксид бора (III).As an auxiliary component, at least one agent is additionally used that controls the course of thermal destruction of the elastomeric matrix, selected from the group: sodium tetraborate, phosphorus (V) oxide, boron (III) oxide.
Полимерная матрица дополнительно содержит по крайней мере один компонент, выбранный из группы: фенолформальдегидные смолы, нефтяные и каменноугольные пеки, в количестве от 0,1 до 50 мас. % от массы полимерной матрицы.The polymer matrix additionally contains at least one component selected from the group: phenol-formaldehyde resins, petroleum and coal tar pitches, in an amount of from 0.1 to 50 wt. % by weight of the polymer matrix.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления биполярных и монополярных пластин электрохимических ячеек из композиционного полимерного материала включает следующие этапы:This technical result is achieved due to the fact that the method of manufacturing bipolar and monopolar plates of electrochemical cells from a composite polymer material includes the following steps:
a) подготовка исходных компонентов;a) preparation of initial components;
b) получение гомогенной эластомерной смеси путем последовательного добавления в эластомерную матрицу указанных функциональных наполнителей и вспомогательных компонентов и последующего перемешивания и гомогенизации;b) obtaining a homogeneous elastomeric mixture by sequentially adding the specified functional fillers and auxiliary components to the elastomeric matrix and subsequent mixing and homogenization;
c) формирование заготовки с использованием формовой или бесформовой технологии и последующая вулканизация заготовки при температуре 120-220°С и давлении 0,1-10 МПа или формирование заготовки при температуре 120-220°С и давлении 0,1-10 МПа с использованием формовой или бесформовой технологии, обеспечивающее одновременное формование и вулканизацию заготовки;c) forming a blank using molded or moldless technology and subsequent curing of the blank at a temperature of 120-220°C and a pressure of 0.1-10 MPa or forming a blank at a temperature of 120-220°C and a pressure of 0.1-10 MPa using a molded or formless technology, providing simultaneous molding and vulcanization of the workpiece;
d) термическая обработка заготовки в регулируемой газовой среде, включающая нагрев заготовки до температуры 320-360°С, в течение 6-24 часов;d) heat treatment of the workpiece in a controlled gas environment, including heating the workpiece to a temperature of 320-360°C for 6-24 hours;
e) охлаждение заготовки до комнатной температуры, при этом до температуры 80°С заготовку охлаждают со скоростью 0,001-2,5°С/мин.e) cooling the billet to room temperature, while the billet is cooled to a temperature of 80°C at a rate of 0.001-2.5°C/min.
На этапе b) в полимерную матрицу дополнительно вводят фенолформальдегидные смолы, и/или нефтяные и/или каменноугольные пеки.In step b), phenol-formaldehyde resins and/or petroleum and/or coal tar pitches are additionally introduced into the polymer matrix.
Между этапами с) и d) при необходимости осуществляют механическую обработку заготовки.Between steps c) and d), if necessary, the workpiece is machined.
На этапе d) нагрев до температуры 200°С осуществляют со скоростью 0,5-2°С/мин, до температуры из диапазона 200-320°С со скоростью 0,05-0,6°С/мин, до температуры из диапазона 320-360°С со скоростью 0,03-0,25°С/мин.At stage d) heating to a temperature of 200°C is carried out at a rate of 0.5-2°C/min, to a temperature from the range of 200-320°C at a rate of 0.05-0.6°C/min, to a temperature from the range 320-360°C at a rate of 0.03-0.25°C/min.
На этапе d) дополнительно осуществляют по крайней мере одну изотермическую выдержку при температуре 320-360°С в течение 0,5-6 часов.At stage d) additionally carry out at least one isothermal exposure at a temperature of 320-360°C for 0.5-6 hours.
Этап d) осуществляют в свободном, ненагруженном состоянии заготовки.Step d) is carried out in a free, unloaded state of the workpiece.
Этап d) осуществляют при приложенном к заготовке давлении от 0,1 до 10 МПа.Step d) is carried out with a pressure of 0.1 to 10 MPa applied to the preform.
Этап d) осуществляют в проточной газовой атмосфере инертного газа с подачей от 0,01 до 50 мл/мин на 1 г композитного материала.Step d) is carried out in a flowing gas atmosphere of an inert gas with a supply of 0.01 to 50 ml/min per 1 g of composite material.
Этап d) осуществляют в проточной газовой атмосфере инертного газа с подачей от 0,01 до 50 мл/мин на 1 г композитного материала при динамическом перемешивании атмосферы в печи.Step d) is carried out in a flowing gas atmosphere of an inert gas with a supply of 0.01 to 50 ml/min per 1 g of composite material with dynamic stirring of the atmosphere in an oven.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:The invention will be better understood from the description, which is not restrictive and given with reference to the accompanying drawings, which show:
Фиг. 1 - Микроструктура предлагаемых композиционных материалов: а, в -композиционный материал ЭК-ТЭ-1; б, г - композиционный материал ЭК-ТЭ-3.Fig. 1 - Microstructure of the proposed composite materials: a, c - composite material EK-TE-1; b, d - composite material EK-TE-3.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Заявленный композитный материал для изготовления биполярных и монополярных пластин электрохимических ячеек содержит матрицу из эластомера, подвергнутого термическому старению и низкотемпературной карбонизации, и распределенные в указанной матрице функциональный наполнитель и вспомогательный компонент, при следующем соотношении распределенных в 100 мас. ч. полимерной матрицы компонентов, мас. ч:The claimed composite material for the manufacture of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells contains a matrix of elastomer subjected to thermal aging and low-temperature carbonization, and a functional filler and an auxiliary component distributed in the specified matrix, with the following ratio distributed in 100 wt. including polymer matrix components, wt. h:
В качестве эластомера используют по крайней мере один эластомер, выбранный из группы: бутадиен-нитрильные, бутадиен-стирольные каучуки.As an elastomer, at least one elastomer is used, selected from the group: nitrile butadiene, styrene butadiene rubbers.
В качестве функционального наполнителя используют по крайней мере один компонент, выбранный из группы: высокопрочное или высокомодульное углеродное волокно длиной 0,01-100 мм; углеродные нанотрубки длиной от 10 нм до 5 мм, дискретные частицы с размером частиц от 10 нм до 0,5 мм, выбранные из группы: нитрид бора, карбид бора, искусственный измельченный графит, естественный графит, терморасширенный интеркалированный графит, графен, фуллерены, технический углерод, мезофазный углерод.As a functional filler, at least one component is used, selected from the group: high-strength or high-modulus carbon fiber 0.01-100 mm long; carbon nanotubes with a length of 10 nm to 5 mm, discrete particles with a particle size of 10 nm to 0.5 mm, selected from the group: boron nitride, boron carbide, artificial crushed graphite, natural graphite, thermally expanded intercalated graphite, graphene, fullerenes, technical carbon, mesophase carbon.
В качестве вспомогательного компонента используют по крайней мере один компонент, выбранный из группы: сшивающие агенты, выбранные из группы: органические пероксиды - пероксида дикумила, пероксида бензоила; вулканизующие смолы - октил-фенол резольные смолы, бутил-фенол резольные смолы, октил-фенол резольные смолы, модифицированные бромом.As an auxiliary component, at least one component selected from the group is used: cross-linking agents selected from the group: organic peroxides - dicumyl peroxide, benzoyl peroxide; curing resins - octyl-phenol resole resins, butyl-phenol resole resins, bromine-modified octyl-phenol resole resins.
В качестве вспомогательного компонента дополнительно используют по крайней мере один агент, управляющий протеканием процессов термической деструкции эластомерной матрицы, выбранный из группы: тетраборат натрия, оксид фосфора (V), оксид бора (III).As an auxiliary component, at least one agent is additionally used that controls the course of thermal destruction of the elastomeric matrix, selected from the group: sodium tetraborate, phosphorus (V) oxide, boron (III) oxide.
Полимерная матрица дополнительно содержит по крайней мере один компонент выбранный из группы: фенолформальдегидные смолы, нефтяные и каменноугольные пеки, в количестве от 0,1 до 50 мас. % от массы полимерной матрицы.The polymer matrix additionally contains at least one component selected from the group: phenol-formaldehyde resins, petroleum and coal tar pitches, in an amount of from 0.1 to 50 wt. % by weight of the polymer matrix.
Способ изготовления биполярных и монополярных пластин электрохимических ячеек из раскрытого выше композитного материала включает следующие этапы.The method for manufacturing bipolar and monopolar plates of electrochemical cells from the composite material disclosed above includes the following steps.
На первом этапе осуществляют подготовку исходных компонентов, которая включает:At the first stage, the initial components are prepared, which includes:
- удаление аппрета или замасливателя с поверхности углеродного волокна при нагреве волокна в термической камере при температуре 350-400°С в течение 10-15 минут в атмосфере воздуха с целью повышения адгезионного взаимодействия между волокном и матрицей;- removal of the sizing agent or lubricant from the surface of the carbon fiber when the fiber is heated in a thermal chamber at a temperature of 350-400°C for 10-15 minutes in an air atmosphere in order to increase the adhesive interaction between the fiber and the matrix;
- удаление из искусственного графита фракции с размерами частиц более 200 мкм с использованием стандартного технологического оборудования (ситовой рассев, классификаторы) с целью повышения однородности смеси;- removal of a fraction with a particle size of more than 200 microns from artificial graphite using standard technological equipment (sieve screening, classifiers) in order to increase the homogeneity of the mixture;
- сушка функционального наполнителя и вспомогательного компонента при температуре 50-120°С в течение 4-8 часов. Процесс сушки завершается за 30 минут до начала использования материалов для производства смеси.- drying of the functional filler and auxiliary component at a temperature of 50-120°C for 4-8 hours. The drying process is completed 30 minutes before the use of materials for the production of the mixture.
После подготовки исходных компонентов осуществляют получение гомогенной эластомерной смеси путем последовательного введения в полимерную матрицу функционального наполнителя и вспомогательного компонента, с последующим перемешиванием полимерной матрицы с введенными в нее компонентами с использованием стандартных устройств: вальцы, резиносмесители закрытого типа, интермиксы и др.After preparing the initial components, a homogeneous elastomeric mixture is obtained by successively introducing a functional filler and an auxiliary component into the polymer matrix, followed by mixing the polymer matrix with the components introduced into it using standard devices: rollers, closed-type rubber mixers, intermixes, etc.
После получения гомогенной смеси осуществляют формирование заготовки с использованием формовой или бесформовой технологии с последующей вулканизацией заготовки при температуре 120-220°С и давлении 0,1-10 МПа или формирование заготовки при температуре 120-220°С и давлении 0,1-10 МПа с использованием формовой или бесформовой технологии, обеспечивающее одновременное формование и вулканизацию заготовки.After obtaining a homogeneous mixture, the workpiece is formed using a molded or moldless technology, followed by vulcanization of the workpiece at a temperature of 120-220°C and a pressure of 0.1-10 MPa or the formation of a workpiece at a temperature of 120-220°C and a pressure of 0.1-10 MPa using molded or moldless technology, providing simultaneous molding and vulcanization of the workpiece.
При формовой технологии формование заготовки осуществляется в форме, например при помощи литья полученной гомогенной смеси в форму. При бесформенной технологии форма изделию придается за счет мундштука экструдера, через который выходит сформованное изделие требуемой формы и в дальнейшем режется на необходимую длину.In molding technology, molding of the workpiece is carried out in a mold, for example, by casting the resulting homogeneous mixture into a mold. With shapeless technology, the shape of the product is given by the mouthpiece of the extruder, through which the molded product of the required shape exits and is subsequently cut to the required length.
После фиксации формы осуществляют финальную термическую обработку заготовки в регулируемой газовой среде (аргон, азот, воздух и др.), включающую нагрев заготовки до температуры 320-360°С в течение 6-24 часов и приводящую к процессам термического старения и низкотемпературной карбонизации заготовки. Для реализации финальной термической обработки используются стандартные печи с регулируемой газовой атмосферой, оснащенные системами управления, обеспечивающими проведение нагрева с заданными скоростями в течение установленного времени и обеспечивающими заданную равномерность теплового поля внутри печи. Термическая обработка проводится с целью формирования окончательной структуры и свойств материала изделий. Нагрев осуществляется в проточной газовой атмосфере с целью удаления из зоны реакции газообразных продуктов пиролиза, в качестве газов для создания проточной атмосферы может использоваться аргон, азот, воздух и др.After fixing the mold, the final heat treatment of the workpiece is carried out in a controlled gas environment (argon, nitrogen, air, etc.), which includes heating the workpiece to a temperature of 320-360°C for 6-24 hours and leading to processes of thermal aging and low-temperature carbonization of the workpiece. To implement the final heat treatment, standard furnaces with a controlled gas atmosphere are used, equipped with control systems that ensure heating at specified rates for a specified time and ensure a given uniformity of the thermal field inside the furnace. Heat treatment is carried out in order to form the final structure and material properties of products. Heating is carried out in a flowing gas atmosphere in order to remove gaseous pyrolysis products from the reaction zone; argon, nitrogen, air, etc. can be used as gases to create a flowing atmosphere.
На последнем этапе осуществляют охлаждение готового изделия до комнатной температуры, при этом до температуры 80°С изделие охлаждают со скоростью 0,001 -2,5°С/мин. В результате получают конечный продукт - готовое изделие из заявленного композитного материала, которое может подвергаться механической обработке для придания окончательной геометрии, с последующим проведением контроля качества. Охлаждение осуществляют известными способами, например вместе с печью, в которой происходит термообработка, или на воздухе после выхода из печи, или в отдельном устройстве для охлаждения.At the last stage, the finished product is cooled to room temperature, while the product is cooled to a temperature of 80°C at a rate of 0.001 -2.5°C/min. As a result, the final product is obtained - a finished product from the claimed composite material, which can be machined to give the final geometry, followed by quality control. Cooling is carried out by known methods, for example together with the furnace in which the heat treatment takes place, or in air after leaving the furnace, or in a separate cooling device.
Между этапами вулканизации и окончательной термической обработки при необходимости осуществляют механическую обработку заготовки: фрезерование до заданного профиля каналов проточного поля, сверление проточных каналов и др.Between the stages of vulcanization and final heat treatment, if necessary, mechanical processing of the workpiece is carried out: milling to a given profile of the channels of the flow field, drilling of flow channels, etc.
При получении гомогенной смеси в полимерную матрицу дополнительно вводят фенолформальдегидные смолы, и/или нефтяные и/или каменноугольные пеки.Upon receipt of a homogeneous mixture, phenol-formaldehyde resins and/or oil and/or coal tar pitches are additionally introduced into the polymer matrix.
Нагрев на этапе окончательной термической обработки осуществляют следующим образом: до температуры 200°С со скоростью 0,5-2°С/мин, до температуры из диапазона 200-320°С со скоростью 0,05-0,6°С/мин, до температуры из диапазона 320-360°С со скоростью 0,03-0,25°С/мин.Heating at the final heat treatment stage is carried out as follows: to a temperature of 200°C at a rate of 0.5-2°C/min, to a temperature in the range of 200-320°C at a rate of 0.05-0.6°C/min, to a temperature in the range of 320-360°C at a rate of 0.03-0.25°C/min.
На этапе окончательной термической обработки дополнительно может быть выполнена по крайней мере одна изотермическая выдержка при температуре 320-360°С в течение 0,5-6 часов.At the final heat treatment stage, at least one isothermal holding at a temperature of 320-360°C for 0.5-6 hours can additionally be performed.
Термическую обработку осуществляют в свободном, ненагруженном состоянии заготовки.Heat treatment is carried out in a free, unloaded state of the workpiece.
Термическую обработку осуществляют при приложенном к заготовке давлении от 0,1 до 10 МПа.Heat treatment is carried out at pressure applied to the workpiece from 0.1 to 10 MPa.
Термическую обработку осуществляют в проточной газовой атмосфере инертного газа с подачей от 0,01 до 50 мл/мин на 1 г композитного материала.Heat treatment is carried out in a flowing gas atmosphere of an inert gas with a flow rate of 0.01 to 50 ml/min per 1 g of composite material.
Термическую обработку осуществляют в проточной газовой атмосфере инертного газа с подачей от 0,01 до 50 мл/мин на 1 г композитного материала при динамическом перемешивании атмосферы в печи.Heat treatment is carried out in a flowing gas atmosphere of an inert gas with a supply of 0.01 to 50 ml/min per 1 g of composite material with dynamic stirring of the atmosphere in the furnace.
Пример 1Example 1
Для изготовления биполярной и монополярной пластин электрохимических ячеек из композиционного материала в качестве исходных компонентов применяют бутадиен-нитрильный каучук, измельченный искусственный графит с гранулометрическим составом D10 = 18 мкм, D50 = 43 мкм, D90 = 86 мкм и пероксид дикумила.For the manufacture of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells from a composite material, nitrile butadiene rubber, crushed artificial graphite with a particle size distribution of D10 = 18 μm, D50 = 43 μm, D90 = 86 μm, and dicumyl peroxide are used as initial components.
Бутадиен-нитрильный каучук сушат в вакуумном сушильном шкафу при температуре 50°С, в течение 6 часов, потеря массы 0,7%.The nitrile butadiene rubber was dried in a vacuum oven at 50° C. for 6 hours, weight loss 0.7%.
Графит искусственный измельченный сушат в сушильном шкафу в течение 6 часов при температуре 115°С, потеря массы 1,2-1,7%.Artificial crushed graphite is dried in an oven for 6 hours at a temperature of 115°C, weight loss 1.2-1.7%.
После сушки исходных компонентов осуществляют получение гомогенной смеси. Для этого в резиносмесительные вальцы добавляют 100 массовых частей бутадиен-нитрильного каучука, а затем последовательно добавляют от содержания указанного каучука 300 массовых частей измельченного искусственного графита, 1 массовую часть пероксида дикумила и осуществляют перемешивание исходных компонентов при отношении скоростей валов 1:1,25 в течение 40 минут.After drying the initial components, a homogeneous mixture is obtained. To do this, 100 mass parts of nitrile butadiene rubber are added to the rubber mixing rollers, and then 300 mass parts of crushed artificial graphite, 1 mass part of dicumyl peroxide are sequentially added from the content of the specified rubber and mixing of the initial components is carried out at a ratio of shaft speeds of 1: 1.25 for 40 minutes.
Затем осуществляют формование заготовки в виде пластин 210x290x5 мм, для этого гомогенную смесь закладывают в стальную оснастку и осуществляют вулканизацию эластомерных заготовок в стальной оснастке при температуре 170°С в течение 5 минут, на вулканизационном прессе при постоянном усилии смыкания прессформы 5 МПа.Then the workpiece is molded in the form of plates 210x290x5 mm, for this a homogeneous mixture is placed in a steel tooling and the elastomer blanks are vulcanized in a steel tooling at a temperature of 170°C for 5 minutes, on a vulcanization press at a constant mold closing force of 5 MPa.
Полученные пластины подвергают термической обработке в инертной атмосфере (в среде аргона) при нагреве от комнатной температуры до температуры 200°С со скоростью 2,0°С/мин, до температуры 320°С со скоростью 0,33°С/мин, до температуры 340°С со скоростью 0,133°С/мин в муфельной печи озоления. Термическая обработка приводит к термическому старению и низкотемпературной карбонизации заготовки.The resulting plates are subjected to heat treatment in an inert atmosphere (argon) when heated from room temperature to a temperature of 200°C at a rate of 2.0°C/min, to a temperature of 320°C at a rate of 0.33°C/min, to a temperature 340°C at a rate of 0.133°C/min in a muffle ashing furnace. Heat treatment leads to thermal aging and low-temperature carbonization of the workpiece.
Далее осуществляют охлаждение термообработанной заготовки до температуры 80°С со скоростью 0,5°С/мин в печи, а затем выгружают ее из печи и охлаждают до комнатной температуры на воздухе.Further, the heat-treated billet is cooled to a temperature of 80°C at a rate of 0.5°C/min in the furnace, and then it is unloaded from the furnace and cooled to room temperature in air.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 2Example 2
Пример 2 аналогичен примеру 1, за исключением того, что при перемешивании в 100 мас. ч. бутадиен-нитрильного каучука добавляют 300 массовых частей измельченного искусственного графита, 50 массовых частей высокопрочного углеродного волокна, 10 массовых частей бутил-фенол резольной смолы Elaztobond С 650. Вулканизацию заготовки осуществляют при температуре 170°С и давлении 7 МПа в течение 30 минут; термическую обработку, приводящую к термическому старению и низкотемпературной карбонизации заготовки, осуществляют от комнатной температуры до температуры 200°С со скоростью 1,5°С/мин, до температуры 320°С со скоростью 0,33°С/мин, до температуры 340°С со скоростью 0,111°С/мин; охлаждение заготовки до температуры 80°С со скоростью 0,25°С/мин в печи.Example 2 is similar to example 1, except that with stirring in 100 wt. including butadiene-nitrile rubber add 300 mass parts of crushed artificial graphite, 50 mass parts of high-strength carbon fiber, 10 mass parts of Elaztobond C 650 butyl-phenol resole resin. Vulcanization of the workpiece is carried out at a temperature of 170°C and a pressure of 7 MPa for 30 minutes; heat treatment leading to thermal aging and low-temperature carbonization of the workpiece is carried out from room temperature to a temperature of 200°C at a rate of 1.5°C/min, to a temperature of 320°C at a rate of 0.33°C/min, to a temperature of 340° C at a rate of 0.111°C/min; cooling the billet to a temperature of 80°C at a rate of 0.25°C/min in the furnace.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 3Example 3
Пример 3 аналогичен примеру 1, за исключением того, что при перемешивании в 100 мас. ч. бутадиен-нитрильного каучука добавляют 600 массовых частей измельченного искусственного графита, 15 мас. ч. модифицированной алкилфенольной смолы Elaztobond Т 6000, 5 мас. ч. бутил-фенол резольной смолы Elaztobond С 650. Вулканизацию заготовки осуществляют при температуре 200°С и давлении 10 МПа в течение 60 минут; термическую обработку, приводящую к термическому старению и низкотемпературной карбонизации заготовки, от комнатной температуры до температуры 200°С со скоростью 1,0°С/мин, до температуры 320°С со скоростью 0,152°С/мин, до температуры 360°С со скоростью 0,067°С/мин; охлаждение заготовки до температуры 80°С со скоростью 0,25°С/мин в печи.Example 3 is similar to example 1, except that with stirring in 100 wt. including butadiene-nitrile rubber add 600 mass parts of crushed artificial graphite, 15 wt. including modified alkylphenol resin Elaztobond T 6000, 5 wt. including butyl-phenol resole resin Elaztobond C 650. Vulcanization of the workpiece is carried out at a temperature of 200°C and a pressure of 10 MPa for 60 minutes; heat treatment leading to thermal aging and low-temperature carbonization of the workpiece, from room temperature to a temperature of 200°C at a rate of 1.0°C/min, to a temperature of 320°C at a rate of 0.152°C/min, to a temperature of 360°C at a rate of 0.067°C/min; cooling the billet to a temperature of 80°C at a rate of 0.25°C/min in the furnace.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 4Example 4
Пример 4 аналогичен примеру 1, за исключением того, что при перемешивании в 100 мас. ч. бутадиен-нитрильного каучука добавляют 250 массовых частей измельченного искусственного графита, 50 массовых частей технического углерода П234, 1 массовую часть пероксида дикумила. Окончательную термическую обработку осуществляют в разбавленной воздушной атмосфере с дополнительной подачей аргона 40 мл/мин на 1 г композитного материала.Example 4 is similar to example 1, except that with stirring in 100 wt. including butadiene-nitrile rubber add 250 mass parts of crushed artificial graphite, 50 mass parts of carbon black P234, 1 mass part of dicumyl peroxide. The final heat treatment is carried out in a dilute air atmosphere with an additional supply of 40 ml/min of argon per 1 g of composite material.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 5Example 5
Пример 5 аналогичен примеру 2, за исключением того, что при изготовлении гомогенной смеси используют полимерную матрицу в виде бутадиен-стирольного каучука СКС 30 АРК.Example 5 is similar to example 2, except that in the manufacture of a homogeneous mixture, a polymer matrix is used in the form of styrene-
В результате получают биполярную и монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, bipolar and monopolar plates are obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 6Example 6
Пример 6 аналогичен примеру 2, за исключением того, что при перемешивании в 100 мас. ч. бутадиен-нитрильного каучука добавляют 250 массовых частей измельченного искусственного графита, 50 массовых частей технического углерода П-234, 50 массовых частей углеродного волокна, 2 массовые части пероксида дикумила.Example 6 is similar to example 2, except that with stirring in 100 wt. including butadiene-nitrile rubber add 250 mass parts of crushed artificial graphite, 50 mass parts of carbon black P-234, 50 mass parts of carbon fiber, 2 mass parts of dicumyl peroxide.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 7Example 7
Пример 7 аналогичен примеру 3, за исключением того, что при перемешивании в 100 мас. ч. бутадиен-нитрильного каучука добавляют 340 массовых частей измельченного искусственного графита, 50 массовых частей технического углерода П-234, 10 массовых частей графена, 5 мас. ч. бутил-фенол резольной смолы Elaztobond С 650.Example 7 is similar to example 3, except that with stirring in 100 wt. including butadiene-nitrile rubber add 340 mass parts of crushed artificial graphite, 50 mass parts of carbon black P-234, 10 mass parts of graphene, 5 wt. h. butyl-phenol resole resin Elaztobond C 650.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 8Example 8
Пример 8 аналогичен примеру 2, за исключением того, что при перемешивании в 100 мас. ч. бутадиен-нитрильного каучука добавляют 250 массовых частей измельченного искусственного графита, 50 массовых частей технического углерода П-234, 5 массовых частей октил-фенол резольной смолы SP 1045 Н.Example 8 is similar to example 2, except that with stirring in 100 wt. hours of nitrile butadiene rubber add 250 mass parts of crushed artificial graphite, 50 mass parts of carbon black P-234, 5 mass parts of octyl-phenol resole resin SP 1045 N.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 9Example 9
Пример 9 аналогичен примеру 2, за исключением того, что при изготовлении гомогенной смеси используют полимерную матрицу в виде бутадиен-стирольного каучука, в которую дополнительно введено 25 мас. % фенолформальдегидной смолы.Example 9 is similar to example 2, except that in the manufacture of a homogeneous mixture, a polymer matrix is used in the form of styrene-butadiene rubber, in which 25 wt. % phenol-formaldehyde resin.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 10Example 10
Пример 10 аналогичен примеру 2, за исключением того, что окончательную термическую обработку осуществляют в разбавленной воздушной атмосфере с дополнительной подачей аргона 40 мл/мин на 1 г композитного материала при динамическом перемешивании атмосферы в печи (подача потока воздуха в печь при помощи вентилятора).Example 10 is similar to example 2, except that the final heat treatment is carried out in a dilute air atmosphere with an additional supply of 40 ml/min of argon per 1 g of composite material with dynamic stirring of the atmosphere in the furnace (supply of air flow into the furnace using a fan).
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Пример 11Example 11
Пример 11 аналогичен примеру 2, за исключением того, что вулканизацию осуществляют при приложенном к заготовке давлении 5 МПа, в качестве вспомогательного компонента дополнительно используется 1 массовая часть В2О3.Example 11 is similar to example 2, except that the vulcanization is carried out at a pressure of 5 MPa applied to the workpiece, 1 mass part of B 2 O 3 is additionally used as an auxiliary component.
В результате получают биполярную или монополярную пластины из композитного материала, свойства которого представлены в таблице 1.As a result, a bipolar or monopolar plate is obtained from a composite material, the properties of which are presented in table 1.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыто в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.The invention has been described above with reference to a specific embodiment. For specialists, other embodiments of the invention may be obvious, without changing its essence, as it is disclosed in the present description. Accordingly, the invention is to be considered limited in scope by the following claims only.
Claims (21)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/RU2023/050048 WO2023191661A1 (en) | 2022-03-28 | 2023-03-13 | Composite material for the manufacture of plates for electrochemical cells |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2795048C1 true RU2795048C1 (en) | 2023-04-28 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1050915A1 (en) * | 1998-01-20 | 2000-11-08 | Daikin Industries, Ltd. | Material for electrode |
US6511768B1 (en) * | 1999-07-07 | 2003-01-28 | Sgl Carbon Ag | Electrode substrate for electrochemical cells based on low-cost manufacturing processes |
RU2316851C2 (en) * | 2002-05-23 | 2008-02-10 | Олбани Интернэшнл Текнивив, Инк. | Bipolar carbon fiber reinforced plastic plates with current-conducting ducts |
RU2333575C1 (en) * | 2007-04-03 | 2008-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" | Bipolar plate for fuel cell and method of production thereof |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1050915A1 (en) * | 1998-01-20 | 2000-11-08 | Daikin Industries, Ltd. | Material for electrode |
US6511768B1 (en) * | 1999-07-07 | 2003-01-28 | Sgl Carbon Ag | Electrode substrate for electrochemical cells based on low-cost manufacturing processes |
RU2316851C2 (en) * | 2002-05-23 | 2008-02-10 | Олбани Интернэшнл Текнивив, Инк. | Bipolar carbon fiber reinforced plastic plates with current-conducting ducts |
RU2333575C1 (en) * | 2007-04-03 | 2008-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Национальная инновационная компания "Новые энергетические проекты" | Bipolar plate for fuel cell and method of production thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110155978B (en) | Wood-based carbon foam and composite materials and related methods | |
DE60022065T2 (en) | PARTICLE-CONTAINING FOAM BASED ON PECH | |
KR101557461B1 (en) | Tire curing bladder and method of preparing the same | |
US20040131533A1 (en) | Extrusion of graphite bodies | |
US20120018914A1 (en) | Sheet press molding method and method of producing fuel cell separator | |
JP2001126744A (en) | Separator for fuel cell and fabricating method therefor | |
CN100527500C (en) | Curable composition, cured product thereof, molded product thereof and use as fuel cell separator | |
JPH082979A (en) | Porous carbon material and its production | |
JP2001122677A (en) | Method for manufacturing separator for fuel battery | |
RU2795048C1 (en) | Composite material for manufacturing of bipolar and monopolar plates of electrochemical cells and method for their manufacture | |
DE102007012495B4 (en) | METHOD FOR PRODUCING A DIFFUSION MEDIUM | |
CN101066757A (en) | Process of preparing asphalt carbon foam material | |
KR101473432B1 (en) | Method for fabricating graphite | |
JPH04214072A (en) | Carbonaceous composition, carbon material for fuel cell and its manufacture | |
WO2023191661A1 (en) | Composite material for the manufacture of plates for electrochemical cells | |
KR101897110B1 (en) | Method of manufacturing paste composition for radiating heat by using carbon fiber waste, method of manufacturing thin film for radiating heat by using the same and thin film for radiating heat comprising the same | |
RU2794758C1 (en) | Method for producing discrete reinforced composite material | |
WO2023075648A1 (en) | Composite materials with a polymer matrix subjected to thermal aging and low-temperature carbonziation and method of producing same | |
JPH05325984A (en) | Premolded carbon material and manufacture thereof and manufacture of electrode substrate for fuel cell | |
CN115368650B (en) | High-temperature-resistant oil-resistant flexible rubber sound insulation material and preparation method thereof | |
US20230374270A1 (en) | Electrically conductive polymer composites with biochar fibers | |
JPH06135770A (en) | Carbonaceous preformed body, its production and production of electrode substrate | |
JPH04220438A (en) | Prepreg for carbon plate, and production of the prepreg and the plate | |
CN111995298B (en) | Silicone rubber composite graphite sealing material and preparation method and application thereof | |
CN113527869B (en) | Carbon nanotube modified polyurethane thermoplastic vulcanized rubber and preparation method thereof |