專利名稱：燃料電池用鍍鎳隔板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氫及氫化合物燃料電池隔板及其制造方法，隔板 主體成型后經(jīng)無電鍍或電鍍使其性能和耐久性更加優(yōu)秀、價格低廉、 便于批量生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
一般而言，氫及氫化合物燃料電池(以下簡稱燃料電池)通過供應(yīng) 氫和空氣中的氧氣同時獲取電能和熱能，除純水以外無其它任何排 放，非常環(huán)保。在石油、煤等化石燃料逐漸枯竭、有關(guān)氣候變化協(xié) 議的京都議定書等國際性環(huán)境規(guī)定不斷在加強(qiáng)的現(xiàn)今社會，其作為 下 一 代能源得到了廣泛研究。
為了這類燃料電池的廣泛應(yīng)用，需要大幅降低燃料電池組成要素 即在制造費(fèi)用中占據(jù)較大一塊的固體高分子膜或白金催化劑、隔板 的價格。
現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于這類燃料電池隔板，如日本特開平8-222241號 中曾提到機(jī)械加工制造石墨板的方法。但石墨板前后經(jīng)雙面機(jī)械加 工帶溝后，很容易造成石墨板折斷，因此隔板厚度不能薄于2.5mm, 導(dǎo)致隔板重量加重、價格上漲。日本專利公開2001-335695號和大韓 民國專利公開公報(bào)第2003-0030885號中，曾提到過采用導(dǎo)電性碳素 材料和環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂，經(jīng)制粉后注塑或減壓成型的制造方 法，因其成型加工過程中在導(dǎo)電性石墨里添加了非導(dǎo)電性物質(zhì)熱固 性樹脂，相對機(jī)械加工制造石墨板的方法，隔板的效率和耐久性均 有所下降。
為了解決和克服這一問題，大韓民國專利注冊第0533104號中提 出，添加抗靜電劑注塑或減壓成型，即可以提高隔板性能，但事實(shí)上碳黑本身具有抗靜電作用，即使碳黑作為抗靜電劑添加后仍無法 提高隔板性能。仍然未能解決注塑或沖壓成型制造方法相對機(jī)械加 工制造的隔板其性能有所下降的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服和解決上述問題，提供一種燃料電池鍍鎳隔板及其 制造方法。將開發(fā)的優(yōu)秀成型材料制粉后，首先通過沖壓成型或注 塑方法加工制造隔板底片，其后在該隔板底片上進(jìn)行鍍鎳，制成性 能大幅提高的燃料電池鍍鎳隔板。
本發(fā)明涉及一種燃料電池用鍍鎳隔板，其特征在于包括導(dǎo)電性 碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì)材料制粉 后成型加工，所述成型加工的燃料電池隔板作為底片，表層鍍鎳。
此時鍍鎳的鍍層厚度最好控制在10 /zm ~ 50 ^i之間。
另外所述隔板底片由60~85% (重量)的導(dǎo)電性碳素材料石墨、 15~40%(重量)的環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì)材料組 成，導(dǎo)電性碳素材料石墨平均粒度在30/zm ~50〃m。
所述導(dǎo)電性碳素材料石墨和非碳質(zhì)材料的混合量作為100% (重 量)時，其中碳黑占0.5~1%(重量)、二氧化硅組成的硅膠占0.5 ~ 1%(重量)、骨粉或貝殼粉作為加固材料從中選其一添加0.5~1% (重量)，制成的燃料電池隔板作為底片。
本發(fā)明的燃料電池用鍍鎳隔板，具體而言，燃料電池隔板底片由 傳導(dǎo)熱和電的天然石墨、人造石墨等導(dǎo)電性碳素材料、使成型更加 容易并固定導(dǎo)電性碳素材料作用的環(huán)氧樹脂或酚樹脂等熱固性樹 脂、以及硬化促進(jìn)劑、硅膠、加固材料等制成粉劑后制作，此時導(dǎo) 電性碳素材料的比例應(yīng)占成型材料粉劑重量的60~85% (重量)。
如果導(dǎo)電性碳素材料比例低于60% (重量)，隔板的強(qiáng)度和耐久 性雖然能夠得到提高，但會出現(xiàn)導(dǎo)電性下降的問題，如果導(dǎo)電性碳 素材料比例超出85% (重量)，隔板導(dǎo)電性能夠得到提高但相對隔 板本身的強(qiáng)度和耐久性會有所下降。作為隔板底片成型制作材料的導(dǎo)電性碳素材料屬石墨最佳，乙炔 黑等氣孔過大使其在氫滲透方面存在問題，不適合使用。此時導(dǎo)電
性碳素材料制粉用作材料，石墨平均粒徑在30聲~ 50 /zm左右時其導(dǎo) 電性和氫滲透最適合，無論人造石墨或天然石墨均可。
另外，隔板底片僅用石墨粉劑是無法成型制作，需要在石墨上混 合熱固性樹脂成型。此時需考慮成型加工后燃料電池啟動將產(chǎn)生電 和熱，需要釆用耐熱、硬度大的熱固性樹脂，通常主要使用環(huán)氧樹 脂。環(huán)氧樹脂最好采用雙酚A或酚醛型，軟化點(diǎn)應(yīng)高且能夠制粉。
硬化劑在隔板底片制造中用于使添加的環(huán)氧樹脂硬化，此類硬化 劑最好釆用酚樹脂，軟化點(diǎn)應(yīng)高且能夠制粉。
硬化促進(jìn)劑在燃料電池隔板制造中縮短硬化產(chǎn)品的凝膠時間 (geltime),提升生產(chǎn)速度，在批量生產(chǎn)中是必須的。硬化促進(jìn)劑最 好使用有機(jī)磷系，應(yīng)能夠制粉。
碳黑規(guī)格應(yīng)小于5nm,在導(dǎo)電性碳素材料石墨和上述非碳質(zhì)材料 的混合量看作100% (重量)時，與硅膠一同使用1~2%(重量)， 負(fù)責(zé)抑制氫滲透。
硅膠(aerosil)使用5nm大小的二氧化硅(Si02)粉劑，與碳黑一樣 抑制氫氣滲透，并在成型制造燃料電池隔板中，賦予樹脂和硬化劑 觸變性(Thixotropic:硬化中防止流下或流失的性質(zhì))，防止其在高壓 及高熱下變成液體與石墨分離現(xiàn)象的發(fā)生。此時添加的硅膠量在導(dǎo) 電性碳素材料石墨和上述非碳質(zhì)材料的混合量看作100% (重量)時 使用0.5 ~ 1% (重量)。
另外，根據(jù)需要為加強(qiáng)隔板底片的抗撓強(qiáng)度，在隔板底片的成型 加工上，可以添加動物骨粉或貝殼粉中由任意一種或兩者共同構(gòu)成 的加固材料，所述加固材料在導(dǎo)電性碳素材料石墨和上述非碳質(zhì)材 料的混合量看作100% (重量)時使用0.5 ~ 1% (重量)。
所述隔板底片材料制粉并成型加工后，在底片上鍍鎳。原因在于 鍍鎳后可以提高導(dǎo)電性，同時表層鍍的鎳還可提高隔板本身耐久性。 因?yàn)楦舭宓灼饕牧鲜菬o腐蝕性的，相對在金屬材料底片鍍層更容易附著，即使鍍層部分出現(xiàn)局部損壞，周邊也不會被腐蝕。
隔板底片的鍍鎳厚度最好在10/zm 50//m左右，限制鍍層厚度的 原因在于，如果鍍層厚度小于IO，將影響隔板的導(dǎo)電性，厚度超出 50 //m則因鍍層費(fèi)用上漲影響經(jīng)濟(jì)性。
另外，本發(fā)明的另外一個內(nèi)容即燃料電池用鍍鎳隔板的制造方 法，包括
導(dǎo)電性碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì) 材料制粉的階段(S100);
粉末狀態(tài)材料中所述導(dǎo)電性碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂與所述導(dǎo) 電性碳素材料石墨和硬化劑各自分開部分混煉后進(jìn)一步制粉的階段 (S200);
經(jīng)部分混煉及追加制粉的材料中添加硬化促進(jìn)劑，再次整體進(jìn)行 混合的階革殳(S300);
所述整體混合的粉末材料注入模具中成型加工燃料電池隔板底 片的階段(S400),以及在成型加工后的燃料電池隔板底片上鍍鎳的階 段(S500)。
此時，鍍鎳階段采用無電鍍或電鍍方法。


圖1是顯示本發(fā)明燃料電池用鍍鎳隔板制作的整體工序圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明燃料電池用鍍鎳隔板。
圖1是顯示本發(fā)明燃料電池用鍍鎳隔板制作的整體工序圖。
首先，如上所述由石墨、熱固性樹脂、硬化劑、硬化促進(jìn)劑、硅
膠、碳黑以及加固材料組成的隔板底片成型材料均應(yīng)粉碎制粉。
且各部分應(yīng)分開混煉以便石墨更易浸透在非碳質(zhì)樹脂中，且石墨
和環(huán)氧樹脂應(yīng)按50%和10% (重量)的含量配制加熱混煉，此后石墨和硬化劑再按25%和8% (重量)的含量配制加熱混煉。若不進(jìn)行 部分混煉，則硬化反應(yīng)時很難確定隔板底片的成型溫度，完成的底 片也不易脫模，會造成難以生產(chǎn)的問題。按上述方法部分混煉后再 進(jìn)行一次制粉工序，或與其它粉劑材料混合后再進(jìn)行一 次制粉工序。
經(jīng)過部分混煉及追加制粉階段后，應(yīng)當(dāng)利用攪拌機(jī)將粉末整體混 合均勻，可以使用亨舍爾混合機(jī)。
如上所述混煉均勻并制粉后的成型材料，注入到隔板底片制作用
模具，該模具能夠使隔板表面整體形成溝槽以使得氫氣或空氣可以 通過，再用700 kg/cm2~ 1500 kg/cm2壓力、180°C ~ 300°C溫度下進(jìn)
行1~3分鐘的成型加工，待冷卻后制得隔板底片。
接下來，在所述隔板底片采用無電鍍或電鍍方法使鎳均勻鍍在隔 板底片外表層上。
在隔板底片鍍鎳時優(yōu)選采用無電鍍，無電鍍又稱為化學(xué)鍍或自催 化鍍，水溶液中曱醛或肼這樣的還原劑供應(yīng)電子使金屬離子還原成 金屬分子，該反應(yīng)在催化劑表面產(chǎn)生。最常用的鍍層材料有銅、鎳-磷、鎳-硼合金。
與電鍍方法相比，使用無電鍍的優(yōu)點(diǎn)在于，其膜層更加密實(shí)、可 保持15 /im ~ 50 ,左右某一特定厚度，除導(dǎo)體以外還可在塑料或有機(jī)
體等多種基板進(jìn)行鍍層。
當(dāng)然除上述無電鍍以外，根據(jù)需求也可以采用電鍍鎳，待完成鍍 鎳工序，即制作完成本發(fā)明燃料電池用鍍鎳隔板。
下面通過對比例和實(shí)施例進(jìn) 一 步描述以^>加深理解。
利用本發(fā)明的粉劑材料進(jìn)行減壓成型或注塑，燃料電池隔板厚度 可以達(dá)到0.8mm,但因購置噴磨機(jī)、亨舍爾混合機(jī)、精密沖壓成型 沖床、精密尺寸的帶溝模具等設(shè)備。因此，按寬100mm、長100mm、 厚2mm、溝槽深0.5mm的燃料電池隔板作為底片，進(jìn)行了下列對比 例和實(shí)施例的試-驗(yàn)。
(對比例1)
石墨按75% (重量)、其它樹脂等按25% (重量)的含量放入球磨機(jī)粉碎至平均粒度30卿，再把粉劑注入寬100mm、長100mm、 厚2mm、溝槽深0.5mm的模具上，用800kg/cm2壓力、180。C中成型 90秒，制成了抗撓強(qiáng)度2500psi、導(dǎo)電性70S/cm、熱變形溫度198 。C的燃料電池隔板。 (實(shí)施例1)
石墨按75% (重量)、其它樹脂等按25% (重量)的含量放入 球磨機(jī)粉碎至平均粒度30卿，再把粉劑注入寬100mm、長100mm、 厚2mm、溝槽深0.5mm的模具上，用800kg/cm2壓力、180。C中成型 90秒，制成了抗撓強(qiáng)度2500psi、導(dǎo)電性70S/cm、熱變形溫度198 。C的燃料電池隔板。該隔板作為底片按無電鍍方法制成了鍍鎳厚度 在15卿的燃料電池用鍍鎳隔板。
(對比例2)
石墨按50% (重量)、環(huán)氧樹脂按10% (重量)的含量放入球 磨機(jī)粉碎至平均粒度30卿，再把粉劑注入到加壓密煉機(jī)，在100°C 中施加了 5kg/cm2的壓力，經(jīng)混煉80秒后冷卻。且將25% (重量) 的石墨、作為硬化劑的8% (重量)的酚樹脂粉碎至平均粒度30卿， 再把粉劑注入到加壓密煉才幾，在100。C中施加了 5kg/cm2的壓力，經(jīng) 混煉80秒后冷卻。上述兩種粉劑一同放入球磨機(jī)，再加硬化促進(jìn)劑 5% (重量)、碳黑0.5% (重量)、硅膠0.5% (重量)、骨粉1% (重 量)后，粉碎至平均粒度30 /im，制成了粉劑。該粉劑注入到寬100mm、 長100mm、厚2mm、溝槽深0.5mm的模具上，用800kg/cm2壓力、 180。C中成型90秒，制成了抗撓強(qiáng)度3500psi、導(dǎo)電性90S/cm、熱變 形溫度198。C的燃料電池隔板。
(實(shí)施例2)
按對比例2方式制成燃料電池隔板后作為底片，按無電鍍方法制 成了鍍鎳厚度在15卿、抗撓強(qiáng)度3800psi、導(dǎo)電性250S/cm、熱變形 溫度198。C的燃料電池用鍍鎳隔板。
從這些實(shí)施例子結(jié)果可以看出，石墨和樹脂加熱混煉后，按無電 鍍或電鍍方法在隔板底片上鍍鎳，可以大大提高燃料電池隔板的強(qiáng)度反導(dǎo)電性
嫁一
『H工。
宗上所述，本發(fā)明就以上圖紙示意的一個實(shí)施例作為參考進(jìn)行了 說明，但在不超越發(fā)明要旨與范圍的情況下，凡擁有本發(fā)明技術(shù)領(lǐng) 域通常知識的人士均能了解到本發(fā)明可進(jìn)行多種修改或變形。因此， '.'、"。士'僳護(hù)范圍應(yīng)根據(jù)后附權(quán)利要求范圍的技術(shù)思想決定。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池用鍍鎳隔板，其特征在于包括導(dǎo)電性碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì)材料，制粉后成型加工，所述成型加工的燃料電池隔板作為底片，表層鍍鎳。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池用鍍鎳隔板，其特征在于， 鍍鎳后所述隔板厚度在10Am ~50/^之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃料電池用鍍鎳隔板，其特征在 于，所述隔板底片由60~85%(重量)的導(dǎo)電性碳素材料石墨、15~ 40% (重量)的環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì)材料組成， 導(dǎo)電性碳素材料石墨粒度在30 //m ~ 50 〃m 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃料電池用鍍鎳隔板，其特征在于， 所述導(dǎo)電性碳素材料石墨和非碳質(zhì)材料的混合量作為100% (重量) 時，其中碳黑占0.5 ~ 1% (重量)、二氧化硅組成的硅膠占0.5~ 1%(重量)、骨粉或貝殼粉作為加固材料從中選其一添加0.5~1%(重 量)，制成的燃料電池隔板作為底片。
5. —種燃料電池用鍍鎳隔板的制作方法，其特征在于，包括 導(dǎo)電性碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì)材料制粉；粉末狀態(tài)材料中所述導(dǎo)電性碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂與所述導(dǎo) 電性碳素材料石墨和硬化劑各自分開部分混煉，之后進(jìn)一步制粉；經(jīng)部分混煉及追加制粉的材料中添加硬化促進(jìn)劑，再次整體進(jìn)行 混合；所述整體混合的粉末材料注入模具中成型加工成燃料電池隔板 底片，并在成型加工后的燃料電池隔板底片上鍍鎳。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池用鍍鎳隔板的制作方法，其 特征在于，鍍鎳階段采用無電鍍或電鍍方法。
全文摘要
本發(fā)明旨在提供一種燃料電池用鍍鎳隔板及其制造方法，具體而言將導(dǎo)電性碳素材料石墨和環(huán)氧樹脂、硬化劑及硬化促進(jìn)劑等非碳質(zhì)材料制粉后，成型加工成燃料電池隔板，所述成型加工的燃料電池隔板作為底片，表層鍍鎳形成。本發(fā)明的燃料電池用鍍鎳隔板雖經(jīng)成型加工，但相對切削加工的機(jī)械性制造方式的燃料電池隔板，其導(dǎo)電性能毫無遜色，而且還可大幅降低厚度和重量、制造費(fèi)用低、可批量生產(chǎn)。
文檔編號H01M8/02GK101589493SQ200780044517
公開日2009年11月25日 申請日期2007年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月1日
發(fā)明者徐準(zhǔn)擇, 徐廷爀, 李龍憲 申請人:徐準(zhǔn)擇;李龍憲;徐廷爀