一种两面带沟槽的柔性石墨极板的制造方法技术

本发明专利技术涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是一种两面带沟槽的柔性石墨极板的制造方法，可按下列步骤进行操作，１）将膨胀石墨经滚压或模压成低密度板；２）将低密度板浸渍热固性树脂溶液或热塑性树脂乳液，干燥得干燥板；３）将干燥板模压成密实平板；４）将密实平板按照所制造极板的沟槽深度，选择厚度配比，用胶或胶膜将２－５层密实平板进行粘接，粘接部位为燃料电池双极板密封结构部位，于密实平板粘接部位以外的其它区域垫衬柔性石墨薄纸；５）将粘接后的平板进行成型加工，两面压制沟槽；６）将两面带沟槽的极板进行热固化或烧结。本发明专利技术的优点为：提高了柔性石墨双极板的成品率、密封性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质子交换膜燃料电池，具体地说是--种叠层法模压制造燃 料电池用柔性石墨材料两面带沟槽的极板的方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是以氢、甲醇等为燃料，以空气(氧)为氧化剂，进行电化学反应，直接产生电能的装置。 一个单电池电压一般在0.3-1.0V， 这个电压很低，所以在实际应用中，是将几十 几百个单电池串联一起使用。 用双极板将单电池串联，供给单电池的燃料和氧化剂并分隔燃料和氧化剂， 双极板还具有冷却通道，冷却剂与燃料和氧化剂也必须分隔，因此，要求 双极板具有导电性，对气体和冷却剂(水)具有不渗透性，并且还要求对 于燃料、氧化剂、电解质膜具有抗蚀性。使用膨胀石墨成型板，可作为满足上述性能的材料。将膨胀石墨滚压 成低密度平板，再将平板浸渍树脂溶液改善其密实性和抗蚀性，经千燥除 去树脂中溶剂，再将平板进行模压进一歩密实化，将这种密实化的平板进 行加工两面带沟槽的极板，将极板进行热处理使树脂热固化，再将极板粘 接形成带阳极腔、阴极腔和冷却腔的双极板。(见图1所示)，在形成两面 带沟的极板时，由于在沟部集中负荷的影响，在极板上产生微小的裂缝， 使不透性下降，为防止这种现象，保持对气体、液体的不透性，必须大大 增加板的厚度，这便产生了增大燃料电池体积的问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目在于提供一种厚度较小、密封性好的 两面带沟槽的柔性石墨极板的制造方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为本专利技术采用两片或多 片浸过树脂的膨胀石墨板粘接后进行成型，浸过树脂的膨胀石墨板的密度 可以相同也可以不同，成型板经过热处理使树脂固化得到燃料电池用柔性 石墨材料两面带沟槽的极板。，可按下列步骤进行操作，1) 将膨胀石墨经滚压或模压成密度为0.15—0.5g/cm3的低密度板，其 厚度常为1.5-8mm;2) 将低密度板浸渍热固性树脂溶液或热塑性树脂乳液，树脂的增重量 为低密度板重量的15-50%，干燥挥发除去浸渍板中的溶剂，得干燥板；3) 将干燥板模压成密度为0.9-1.5g/cm3的密实平板，其厚度常为 0.3-1.2mm，压制后的平板密度可以相同，也可以不同；4) 将密实平板按照所制造极板的沟槽深度，选择相同或不同厚度配比，用胶或胶膜将2-5层密实平板进行粘接，粘接部位为燃料电池双极板密封结构部位(其位于密实平板的四周，而在两层平板之间密封结构中间垫衬柔 性石墨薄纸)，于密实平板粘接部位以外的其它区域(即流场部位)垫衬柔性石墨薄纸；5) 将粘接后的平板进行成型加工，两面压制沟槽；在压制沟槽过程中 对粘接板施加的压力通常为100 — 600kg/cm2;将粘接后平板两侧的单层密实平板进行对比，如果两侧沟槽深度不同， 选择较低密度侧的板面朝向极板沟槽较深的一侧进行压制，将密度大侧的 板面朝向沟槽较浅的一侧进行压制；如果两侧沟槽深度相同，将即将组装成同一双极板的二板单极板密度 大侧的板面朝向冷却剂一侧、或二板单极板密度小侧的板面朝向冷却剂一 侧；最好密度大侧的板面朝向冷却剂一侧；其中，如果所选择较低密度、较厚侧的板面朝向极板沟槽较深的--侧 进行压制，将密度大的、较薄厚度侧的板面朝向沟槽较浅的一侧进行压制； (所制备的极板厚度相对较大)6) 将两面带沟槽的极板进行热固化或烧结；热固化温度120-175°C， 时间30-60分钟，烧结温度340-380"C，时间180-360分钟。所述膨胀石墨原料中可添加有针状或纤维状耐热抗腐蚀粉末，如陶瓷 纤维(如氧化铝)、碳纤维或矿物纤维(如硅酸钙)；添加量为总重量的5-30%。所述热固性树脂溶液可为酚醛树脂、环氧树脂或有机硅树脂等的有机溶液，其溶剂可为乙醇、乙酸乙脂或丙酮，其重量浓度为5-15%;干燥温度为常温-10(TC;所述热塑性树脂乳液可为氟树脂乳液(如PTFE、 PVDF 等)，其重量浓度为5-15%，干燥温度为100-120°C。浸渍可以在真空条件 下进行；所述粘接部位可延伸到双极板流场的分配段；在浸过树脂的膨胀石墨 板非密封结构部位垫上柔性石墨薄纸以支撑或调整双极板流场部位凸出高 度；所述柔性石墨薄纸上涂敷有憎水材料层(如起防水作用的聚四氟乙 烯层)，以支撑或调整双极板流场部位凸出高度。本专利技术提供具有充分不渗透性的且厚度在3.3mm以下的燃料电池用的 两面带沟槽的极板的制造方法。本专利技术具有如下优点1采用多层叠加成型的方法，多层柔性石墨板在成型过程中部分层压裂 但整体压裂的可能性降低，解决了柔性石墨材料本身塑性较差容易压裂的 缺陷，提高了双极板的成品率。2多层柔性石墨板叠加，因柔性石墨板板面密实度大大高于内在密度， 多层柔性石墨板也增加了密实的板面数，密封性进一步提高。3多层柔性石墨板叠加的方法，有利于调整双极板本身的各功能的实 现，如尺寸上双极板要求凸心，双极板冷却腔(水腔)、气腔流道不同深浅 的加工以及双极板内部防水层的实现等。附图说明图1是平板粘接示意图，分别是平板和粘接膜以及粘合示意图。1是气流场腔，平板，密度大，厚度较厚，2是粘接材料或胶膜，3是柔性石墨薄 纸，4是冷却腔，平板，密度小，厚度较薄。图2是两面带沟槽阴极极板示意图；A、 B、 C分别是气流场腔1、冷 却腔4和极板剖视图。其中，r是空气进出口总管，2'是水进出口总管，3' 是氢气进出口总管，4'是空气进入流场通道孔，5'是阴阳极板粘接定位孔， 6'是密封槽，7'是双极板流场，这部分是阴极腔，8'是冷却剂流场，这部分 是冷却腔，冷却剂流场分配段为弧形，气流场分配段是横沟型，两面的流 场在分配段有交叉。阳极板与阴极板结构类似。具体实施例方式本专利技术所使用的膨胀石墨可以这样制造其可参照文献US Patent 5，S85，72S ; 5，州2，762 ; 6"7《5S5进行操作石墨具有层状结构，是碳原子排成的六角环网状平面重叠构成的，层 平面内的结合力非常强，形成密网平面，但在与层平面成直角的方向结合 力较弱，层与层之间相对存在较大的空间。因此在适当的条件下，酸、碱 金属、氯化物等多种类的化学物质容易进入石墨层间，生成石墨层间化合 物(graphite internal compounds)。将这种石墨层间化合物加热到适当的温 度，例如在350或80(TC以上，石墨层间化合物将会沿石墨结晶的c轴方向 膨胀10—400倍。本专利技术所用的膨胀石墨是天然鳞片石墨用浓硫酸作为插层剂，浓硝酸、 双氧水、高锰酸钾、氯酸钾等作为氧化剂反应后水洗生成石墨残余化合物(可膨胀石墨)，可膨胀石墨再经80(TC以上的膨胀炉膨胀成膨胀石墨粉， 膨胀容积达到80—一400ml/g，膨胀石墨粉经压延成型为低密度板。可膨胀 石墨中可添加一定量的纤维状或针状矿物粉或人造短纤维，纤维状或针状 矿物粉或人造短纤维在80(TC以上不发生任何改变，在酸性环境中和氧化性 条件下，不分解不溶解，所用纤维状或针状矿物粉或人造短纤维可选择天 然针状硅灰石粉、碳化硅、氮化硅等。本专利技术所用膨胀石墨添加针状或纤 维状粉末目的是改善极板强度和极板热、电传导的各向异性度。针状或纤 维状物添加量在5%—30%，粒度在50—150目。实施例1膨胀容积为200ml/g的50目可膨胀石墨与10%重量比的针状硅灰石粉 充分混合，针状硅灰石粉粒度是I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两面带沟槽的柔性石墨极板的制造方法，其特征在于：可按下列步骤进行操作，１）将膨胀石墨经滚压或模压成密度为０．１５－０．５ｇ／ｃｍ↑［３］的低密度板，其厚度常为１．５－８ｍｍ；２）将低密度板浸渍热固性树脂溶液或热塑性树脂乳液，树脂的增重量为低密度板重量的１５－５０％，干燥挥发除去浸渍板中的溶剂，得干燥板；３）将干燥板模压成密度为０．９－１．５ｇ／ｃｍ↑［３］的密实平板，其厚度常为０．３－１．２ｍｍ；４）将密实平板按照所制造极板的沟槽深度，选择相同或不同厚度配比，用胶或胶膜将２－５层密实平板进行粘接，粘接部位为燃料电池双极板密封结构部位，于密实平板粘接部位以外的其它区域垫衬柔性石墨薄纸；５）将粘接后的平板进行成型加工，两面压制沟槽；６）将两面带沟槽的极板进行热固化或烧结。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：付云峰，徐乃涛，明平文，侯中军，阳贻华，
申请(专利权)人：新源动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]