石墨实体的挤出成形制造技术

一种石墨实体成形的方法，包含以下步骤：ａ）在高剪切作用下成形一可模压组合物，该可模压组合物包含有：ｉ）石墨粉末；ｉｉ）粘结剂；以及ｉｉｉ）流体载体；ｂ）在高剪切作用下加工所述可模压组合物以成形为一挤出型体；ｃ）由所述型体成形为实体；以及ｄ）对所述实体进行热处理以使结构稳定化。其中流体载体为水流体载体，和／或对实体进行浸渍处理封孔，和／或机加工实体在表面形成结构。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨的挤出成形，特别是，尽管并不唯一，适用于燃料电池，例如聚合物电解质燃料电池中石墨元件的生产。术语挤出应被广义理解为使可成形组合物在力的作用下通过一成形孔(例如压模或辊子之间的空间)以便成形出具有所需截面的实体的任何方法。燃料电池是将燃料和氧化剂以可控方式进行混合以直接产生电流的设备。通过直接产生电流而不经过中间燃烧和发电步骤，燃料电池的电效率高于在传统发电机中使用燃料的电效率。这一点差不多已是众所公知。燃料电池听起来是简单和理想的，近年来人们已进行了多年工作试图制造出实用的燃料电池体系。一类已商业化生产的燃料电池即所谓的质子交换膜燃料电池(PEM)。这类电池使用氢气作为燃料，并包含在两表面上具有多孔电极的电绝缘(但可以离子导电)聚合物隔膜。隔膜通常为氟磺酸型聚合物，电极通常包括分散在碳粉基底上的贵金属催化剂。这一电极和隔膜组件通常被称作膜电极组件(MEA)。氢燃料被供给至一个电极(阳极)处，在此氢燃料发生氧化释放电子至阳极，同时氢离子进入电解液。氧化剂(通常为空气或氧气)送至另一电极(阴极)处，阴极的电子在此与氧气和氢离子混合产生水。质子交换膜燃料电池的一小类是直接甲醇燃料电池，其中使用甲醇作为燃料。本专利技术试图覆盖这类燃料电池和其它各种燃料电池(例如碱性燃料电池)，其中实际上石墨元件是可用的。在商业化PEM燃料电池中，许多隔膜被堆叠在一起且通过流场板(也可称作双极板)分隔开。流场板典型使用金属或石墨成形，以使在一个隔膜阳极和邻近隔膜阴极之间的电子迁移性能良好。在流场板表面上具有凹槽花样，用于供给流体(燃料或氧化剂)和清除燃料电池发生反应产生的水。为确保流体均匀分散在其各自的电极表面，在电极和流场板之间放置一所谓的气体扩散层(GDL)。气体扩散层为多孔材料，通常包括碳纸或碳布，一般在一个面上具有一碳粉粘结层且涂覆一层疏水物以达到疏水目的。流场板和隔膜与相关的燃料和氧化剂供给歧管的装配实体通常被称为燃料电池组。流场板上的凹槽必须精确进行机加工，而流场板则采用以下传统方法制成，即a)成形石墨前体实体；b)进行热处理以去除挥发性物质(在该步骤中发生碳化)；c)在高温(～2000℃-～2500℃)条件下使所述实体石墨化；d)从所述实体上切割板材；e)在所述实体中铣出凹槽；以及向铣好的实体注入树脂以封闭各种残余孔隙。这种方法有许多缺点，包括a)高温石墨化耗费时间且成本较高；b)由于板材是从较大实体上切割而成，难以满足均匀性要求(大块石墨化实体中段的密度和结构明显不同于石墨化实体边缘的密度和结构)；c)按照传统公差要求进行铣制花费昂贵；d)产生许多不能直接再利用的废料；以及e)该方法本质上是一成批处理方法，并不适用于自动化规模生产。尽管以上所述技术的原型已被证实有效且在一些有限的商业应用中获得广泛的商业认可，现在对以下方面存在需求，即在降低元件成本的同时，如有可能，要保持所需尺寸公差。推荐使用的这种板材的成形方法包括如WO 95/16287公开的方法，即对可压缩的展开的含石墨板材进行压印。WO 00/41260要求保护这种展开的含石墨板材特别适用于通过使用例如模塑、轧制或压印等方法成形具有精细表面的部件。这种材料导电性弱对其应用来说是一个缺点，且材料的可压缩性使其具有较低的机械强度。另外，可压缩石墨材料存在的问题在于它是可压缩的！在组装电池组时，电池在非常高的载荷条件下(通常为200牛顿/平方厘米)被压紧。在这样的压力下该种材料尺寸不稳定，气体通道趋向于闭合。其它一些建议用于极板制造包括使用碳/碳氟聚合物复合材料的体系如US-A-4214969所述。然而，在聚合物中即使加入少量导电颗粒也会产生材料强度问题，并因此有必要进一步加入其它成分例如碳纤维，如US-A-4339332公开所述，以使材料获得足够的性能。专利技术人已意识到挤出为具有低电阻率的石墨板的生产提供了一种方法。挤出应被理解为包括粘塑性处理。粘塑性处理是陶瓷生产过程中使用的一种处理方法。在陶瓷生产过程中，颗粒状陶瓷与液体介质混合形成可被挤出、压制、模压或以另外的相似方式成橡胶和塑料的粘性成分。欧洲专利EP-A-0183453公开了这样一种方法，其中颗粒状陶瓷材料至少占有50％体积百分含量以及颗粒状陶瓷材料平均长度直径比小于1.70。挤出是在电刷碳(马达电刷、集电弓、集电器及一些使用碳电导率的相似产品)的生产过程中使用的一种处理方法。为理解为什么传统上石墨不通过挤出方法制成，需要对相关处理方法进行解释。一种典型(非挤出)的电刷碳生产方法包括以下步骤a)形成煤焦油沥青和碳黑的混合物；b)在保护性气氛中加热至1300℃以除去挥发性物质并产生大约含99.5％碳的焦炭；c)将焦炭磨碎；d)将磨碎的焦炭与更多煤焦油沥青混合以形成混合物；e)压制混合物形成块料；f)在保护性气氛中1300℃条件下进行煅烧形成碳块；g)在保护性气氛中约2200℃-2800℃条件下对碳块进行石墨化处理；h)切割碳块制成产品；以及可选择地i)使用树脂或金属浸渍产品；这种复杂的处理方法反应了碳的复杂本质，其中处理温度本质上影响石墨化程度，由此对成形产品的电学和力学性能产生影响。在该方法中，可以采用挤出混合物成形的方法代替压制块料的方法，通常截面尺寸的数量级为1-10厘米(例如3厘米*5厘米的长方形横截面)。然而若实验性地在混合物中使用石墨代替焦炭，那么挤出成形制品会出现严重裂纹。如果石墨能被挤出成形，那么这样就可避免进行耗时耗财的石墨化步骤。专利技术人已意识到将石墨和沥青粘结剂混合得到的石墨挤出成形制品会出现严重裂纹的原因。通过更加均匀地混合可以克服这一问题。另外，若要被挤出的制品在高剪切作用下自身成形(例如通过其至少一个尺寸小于4毫米，最好小于2.5毫米的孔挤出成形)，在挤出步骤自身中可进行进一步均匀混合，使石墨均匀对齐。该高剪切处理步骤同时使材料压紧在一起以使其粘结并提供一定程度的除气作用。其后专利技术人发现GB2240006公开了一种生产用于声学设备中的含碳隔膜的方法。在该方法中，90-10％的有机高聚物在高剪切作用下与10-90％的石墨混合；部分混合物挤出成形为蜂窝状中心；在高剪切作用下(例如通过轧制)形成混合物薄板；按照中心形状轮廓将该薄板加工成一极板。在1000℃-1500℃高温条件下煅烧经组装制品。在本文献中，薄板为中间制品，煅烧后就会得到多孔材料。GB2240006并未确认薄板材料自身，而不是作为中间制品的实用性。GB2240006同样使用有机溶剂例如邻苯二甲酸二丁酯(一种公知的再生毒素)作为增塑剂，在加热过程中可被去除。这种有机溶剂可构成健康危害，且使用一种可以最小化限制并控制有害有机溶剂的使用的溶剂是有利的。因此，第一方面，本专利技术提供一种石墨实体成形的方法，包含以下步骤a)在高剪切作用下成形一可模压组合物，该可模压组合物包含有i)石墨粉末；ii)粘结剂；以及iii)水流体载体b)在高剪切作用下加工所述可模压组合物以成形为一挤出型体；c)由所述型体成形为实体；以及d)对所述实体进行热处理以使结构稳定化。水流体载体被定义为含有＞10％重量百分含量水的流体材料。最好水流体载体中水的重量百分含量＞30％，水流体载体中水的重量百分含量＞60％最佳。在进行热处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨实体成形的方法，包含以下步骤：ａ）在高剪切作用下成形一可模压组合物，该可模压组合物包含有：ｉ）石墨粉末；ｉｉ）粘结剂；以及ｉｉｉ）水流体载体ｂ）在高剪切作用下加工所述可模压组合物以成形为一挤出 型体；ｃ）由所述型体成形为实体；以及ｄ）对所述实体进行热处理以使结构稳定化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：CJ斯佩西，AB达维斯，SB坎农，RS霍普克尔，IC亚历山大，AR贝格，JC波夫，PB布朗，LM布赖斯，MC图尔平，
申请(专利权)人：摩根坩埚有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]