专利名称：组装双极性板的制作方法
技术领域：
本发明涉及双极性石墨材料的制造方法，该方法可用于电化学燃料电池中用到的流场板。
背景技术：
美国专利No.6080503中记载了制造电化学电池的典型现有技术方法，其详细内容在此引入作为参考。包括聚合物电解膜(PEMs)的电化学电池可以象燃料电池那样运转，其中燃料和氧化剂在电池电极上经电化学转化产生电能，或者作为电解器，其中外部电流在电池电极之间通过，较典型地是通过水，在电池的各电极产生氢和氧。
图1所示为传统的包含有PEM的电化学电池以及该电池的堆叠的典型设计。每个电池都包含一个膜电极组件(MEA)5，如图1a中分解图所示。MEA 5包括位于两个电极层1、3之间的离子渗透PEM层2，电极层1、3通常是多孔且导电的，并包括与PEM层2相邻的界面上可以促进所需电化学反应的电解催化剂。电解催化剂一般限定出了电池的电化学活性区域。MEA通常联合成一个粘结的层压组件。如图1b的分解图中所示，在一个单独的电池10中，MEA被置于一对分离板11、12之间，分离板11、12通常是流体不可渗透且导电的。电池分离板通常由非金属制成，如石墨，或者由金属制成，如一定级别的钢或经表面处理过的金属，或者由导电塑料复合材料制成。在板和相邻的电极之间提供出流体流动空间，如通路或室，以有得于反应物到达电极及去除产物。例如，这样的空间可以由分离板11、12之间的间隔装置和相应的电极1、3提供，或者由分离板11、12之间的网或多孔流体流动层和相应的电极1、3提供。更常见的通道(未示出)形成在面对电极的分离板的表面上。带有这样通道的分离板通常称为流体流场板。在传统的PEM电池中，一般用弹性垫圈或密封条沿着周长，置于MEA 5和各个分离板11、12的表面之间，用来防止流体反应物和反应产物流的泄露。
有利的是将带有离子导电PEM层的电化学电池(下面称PEM电池)形成堆叠成100(参见图1d)，其包括位于一对端板17，18之间大量的电池。通常使用压紧机构(未示出)使电池紧紧地合在一起，在部件之间保持良好的电接触并压紧密封条。在图1c所示的实施例中，以每个MEA有两个分离板的结构形式，每个电池10都包括一对分离板11，12。在堆叠组中可以在一些或全部的相邻的分离板对之间提供冷却空间或冷却层。该堆叠可以包括在每几个电池之间，而不是在各相邻的电池对之间插入冷却层。
双极性流场板是两个单独流场板部件的组合。双极性流场板为两个相邻的燃料电池服务，作为一个燃料电池的正极和另一个电池的负极。这就减少了为了形成燃料电池堆叠而必须安装的部件的数量，这样就简化了燃料电池堆叠的构造。
所描述的电池元件具有形成于其上的开口30，在堆叠组中排列形成流体管路用来提供和排出反应物和产物，如果提供了冷却空间，还可以用于提供和排出冷却介质。同样，弹性垫圈或密封条通常沿着这些流体管路开口的周长，置于MEA 5和各个分离板11、12的表面之间，防止工作的堆叠中的流体泄露和混合。
图2是图1b的单独燃料电池的截面放大示意图。所示为单独流场板11和12中的示意通道如13、14。
图3是典型的现有技术中双极性流场板的示意图，其中的两个单独流场板如11和12背对背放置，通过粘接剂15结合在一起。在图3关于现有技术中制造双极性板16的方法中，先制备石墨垫，再浸渍、干燥、清洗、烘烤，在板的背面用模板印刷粘接剂15，之后两个板压紧在一起并加热固化以形成双极性板16。
正如所提到的，分离板或流场板11和12可以由石墨材料制成。
石墨是由碳原子按六边形排列或网状排列的平面层构成的。这些六边形排列的碳原子平面层大体上是平的且取向和排列使得相互间基本上平行和等距。这些大体上平坦、平行且等距的碳原子片或层通常被称为构成石墨层或基础平面，它们连接或键合在一起，其基团排列成微晶。高度规则的石墨由尺寸相当大的微晶组成该微晶相互间排列或取向高度一致并且具有良好排列的碳原子层。换句话说，高度规整的石墨具有较高程度的优选微晶趋向。需要注意的是石墨具有各向异性的结构，并因此展现出或具有高度方向性的许多特性，如导热、导电以及流体扩散性。
简单来说，石墨可以表现为碳原子的层状结构特征，也就是说，由碳原子通过弱的范德华力连接在一起形成的叠层或层状的结构。考虑到石墨的结构，两个轴或方向通常标记为“c”轴或方向以及“a”轴或方向。为了简化，“c”轴或方向可以认为是与碳原子层垂直的方向。“a”轴或方向可以认为是与碳原子层平行的方向或与“c”方向垂直的方向。适宜生产柔性石墨片的石墨具有很高的取向度。
如上面提到的，将平行的碳原子层保持在一起的键合力仅仅是很弱的范德华力。天然石墨可以经过处理，让重叠的碳原子层或片之间的间隔稍微打开，以使在与层相垂直的方向上，也就是说在“c”方向上，得到显著的扩张，这样就形成了扩展的或膨胀的石墨结构，它基本上保留了碳原子层的片状特征。
经过很大程度上的膨胀和更特别的膨胀以形成最终厚度或“c”方向上尺寸达到约80倍或更多倍于原始“c”方向上尺寸的石墨薄片，可以在不使用粘合剂的情况下，形成为粘着的或完整的膨胀石墨的片材，例如网、纸、条、带、薄片、垫子等等(通常称为“柔性石墨”)。经过膨胀成其最终厚度或“c”方向上尺寸达到约80倍或更多倍于原始“c”方向上尺寸，并且在不使用任何粘合材料的情况下，经过压缩形成整体柔性片材被认为是可能的，这是因为大量膨胀的石墨颗粒之间所形成的机械联锁或内聚。
和天然石墨初始材料相比较，因为非常高的压制作用(例如辊压)导致的膨胀石墨颗粒的取向以及石墨层大体上平行于该片材的相对面，因此除了柔性以外，还发现上面提到的片状材料还具有在导热、导电以及流体扩散等方面的高度的各向异性。
简单来说，制造柔性、无粘合剂、各向异性的石墨片材如网、纸、条、带、薄片、垫子等的方法，包括在预定的载荷且没有粘合剂存在条件下压缩或压实，其“c”方向上尺寸达到约80倍或更多倍于原始“c”方向上尺寸的膨胀石墨颗粒可以形成基本上平坦、柔性且整体的石墨片材。外观通常为螺纹状或蠕虫状的膨胀石墨颗粒一旦被压缩，就将保持压缩状态以及与片材的主要相对面一致。片材的密度和厚度可以通过控制压缩程度而改变。片材的密度可以在约0.04g/cc-2.0g/cc。因为石墨颗粒的排列平行于该片材的大部分相对的平行表面，柔性石墨片材展现出可感知程度上的各向异性，并且因片材的辊压得到增加了的密度从而使各向异性的程度的增加。在经过辊压的各向异性的片材中，厚度方向也就是垂直于相对的、平行的片材表面的方向(包括“c”方向)，沿着长度和宽度方向，也就是沿着或平行于相对的主要面方向上(包括“a”方向)，该片材的热、电以及流体扩散等性能的区别非常显著，对于“c”和“a”方向来说是数量级的差别。
发明内容
本发明涉及制造双极性石墨材料的方法，其可以用于如流场板等。
在一个实施方式中，本方法包括如下步骤(a)由石墨材料形成的，具有操作面和背面的第一部件，以及在其背面上具有凸部；(b)由于石墨材料形成的具有操作面和背面的第二部件；(c)将第一和第二部件组装，得到第一部件上的凸部与第二部件配合；且在一个优选的实施方式中，(d)加热组装后的组件，将第一部件和第二部件连在一起。
在一个实施方式中，第一和第二部件通过将一种柔性石墨片材压花而形成。
在另一个实施方式中，第一和第二部件通过压缩微粒石墨材料而形成。
在本发明的另一个实施方式中，本方法包括下述步骤(a)提供压缩了的膨胀石墨颗粒的第一和第二片材，每个片材都具有第一和第二平行且相对的表面；(b)用树脂浸渍该片材，形成未固化树脂浸渍的片材；(c)压缩未固化树脂浸渍的片材，形成第一和第二未固化树脂浸渍的片材。
(d)由第一片材形成第一部件；(e)由第二片材形成第二部件；(f)将第一和第二部件压合在一起；且(g)将组件的树脂固化从而将第一和第二部件结合在一起形成双极性制品。
因此，本发明的一个目的就是为由石墨材料制造双极性石墨片材提供改良的方法。
另一个目的是提供简化的由石墨材料制造双极性板的方法。
又一个目的在于提供更快速的制造双极性板的方法。
本发明还有另一个目的是提供制造双极性板的方法，该双极性板与现有技术方法制造的极性板相比，具有更低的电阻。
在阅读了下面的公开内容之后并结合附图，其它更进一步的目的、特征和优点对本领域的技术人员来说应是显然的。
图1a是用于燃料电池的膜电极组件的分解图。
图1b是燃料电池组件中单独电池的分解图。
图1c是燃料电池组件中多个堆叠电池的分解图。
图1d是组装了的堆叠燃料电池的透视图。
图1a-1d都是说明现有技术的燃料电池组件。
图2是一个单独的现有技术燃料电池的截面示意图，对应于图1b的主题。
图3是典型的现有技术中石墨材质双极性流场板的构造形式的截面示意图。
图4是应用本发明所述方法制造的双石墨组件的双极性流场板的截面示意图。
图5是图4中虚线圆形区域内表示梯形截面凸部进入到一个互补的凹部的结构放大视图。
图6是和图5相似的视图，表示的是另一种的凸部和凹部的结构，这次是一个矩形的截面。
图7是另一个和图5相似的视图，这次表示的是具有半圆或圆形的凸部和凹部的结构的截面。
图8是图4组件中的流场板部件之一的示意平面图。
图9是类似图8所示的流场板部件的制造过程的示意图。
图10是和图4相似的视图，所示为在另一个实施方式中在一个部件上使用凸部，在第二个部件上使用平坦背面。
图11是和图4相似的视图，所示为两个部件都是平坦背面的另一种替代实施方式。
本发明的最佳实施模式石墨是一种下述碳的晶体形式，其含有共价连接成平面层的原子且各平面间存在弱键。用插层剂如硫酸和硝酸溶液处理石墨的颗粒如天然石墨片，石墨的晶体结构反应形成石墨和插层剂的混合物。经过处理的石墨颗粒下面称为“插层的石墨颗粒”。放置在高温下，石墨中的插层剂分解并挥发，引起插层石墨颗粒在尺寸上的膨胀，达到其原始尺寸的80倍或更多倍，在“c”方向上，也就是说在垂直于石墨晶体平面的方向上形成象手风琴的样子。片状的石墨颗粒外形上是蠕虫状的，因此通常称为蠕虫。蠕虫可以被压缩在一起形成柔性片材，它和原始的石墨片不一样，可以形成并切割成不同的形状并通过机械变形冲击提供小的横向的开口。
适合本发明中可以使用的初始石墨材料包括高度石墨碳质材料，可以加入有机酸和无机酸，以及卤素再经受热膨胀。这些高度石墨碳化材料最优选具有约1.0的石墨化度。在本发明公开中使用的术语“石墨化度”是指式g=3.45-d(002)0.095]]>中g值。其中d(002)是以埃单位测量的碳结晶结构中石墨层之间的间距。石墨层之间的间距是通过标准X射线衍射技术测得的。测量对应于(002)、(004)和(006)Miller指数的衍射峰位置，使用标准最小二乘法来得到这些峰的全部误差最小化的间距。高度石墨碳化材料的例子包括各种来源的天然石墨，还包括其它碳化材料如由化学汽相沉积等方法得到的材料。天然石墨是最优选的。
本发明中使用的初始石墨材料可以含有无碳成分，只要其晶体结构保持所需的石墨化度，且可以形成层。通常，任何其晶体结构具有所需的石墨化度且可以成层的含碳材料都适用于本发明。这样的石墨优选具有小于20重量％的灰含量。更优选地，本发明所使用的石墨应具有至少约94％的纯度。在最优选的实施例中，所使用的石墨具有至少约99％的纯度。
Shane等人在美国专利No.3404061中描述了制造石墨片材的常用方法，该文献在此引入作为参考。在Shane等人的方法的典型实践中，将天然石墨片分散在含有如硝酸和硫酸混合物溶液中，来插层天然石墨片。有利的是每100重量份的石墨片(pph)配约20-300重量份插层溶液。插层溶液含有本领域已知的氧化剂和其他插层剂。包含氧化剂和氧化混合物的溶液例子有，如含有硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等的溶液，又或者混合物如浓硝酸和氯酸，铬酸和磷酸，硫酸和硝酸，或强有机酸，如三氟乙酸，以及溶于有机酸的强氧化剂的混合物。另外也可以使用电势来使石墨氧化。可以使用电解氧化引入到石墨晶体中的化学制品包括硫酸以及其它酸。
在一个优选的实施例中，插层剂是硫酸或硫酸和磷酸与氧化剂如硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等的混合溶液。尽管次于优选，但是插层溶液可以包含金属卤化物如氯化铁，以及氯化铁与硫酸混合，或卤化物如溴，如溴和硫酸的溶液或有机溶剂的溴溶液。
插层剂溶液的量可以从大约20-到约50pph，或更典型地，从大约50到约120pph。在石墨片被插层之后，将过量溶液从石墨片中排出，再将石墨片进行水洗。另外，插层溶液的量可以限制在大约10-50pph，这样就可以象美国专利No.4895713中所教导的除去清洗步骤。该文献在此引入也作为参考。
用插层溶液进行处理的石墨片的颗粒可以非强制性地进行接触，如和还原剂一起进行混合，该还原剂选自醇、糖、醛和酯，其可与氧化插层溶液的表面薄膜在25℃-125℃内进行反应。适宜的特效有机剂包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸基醇、1，10癸二醇、癸基醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、马铃薯淀粉、乙二醇单硬脂酸酯、二苯甲酸二乙二醇酯、丙二醇单硬脂酸酯、丙三醇单硬脂酸酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和木质素衍生化合物，例如木素硫酸钠。适宜的有机还原剂的量为石墨片的颗粒的0.5-4重量％。
在插层过程前、过程中或刚刚完成后使用膨胀助剂也可以进行改进。在这些改进中，包括降低成层温度和增加膨胀量(也称为“蠕虫量”)。上下文中提到的膨胀助剂可以是充分溶于插层溶液中的有机材料，这样利于得到在膨胀方面的改进。范围更小一些，可以使用含有碳、氢、氧，优选其中之一的诸如此类有机材料。已经发现羧酸是特别有效的。适用于膨胀助剂的羧酸可以选自芳族、脂肪或脂环族的，直链或支链的，饱和或不饱和的一元羧酸，二元羧酸和多元羧酸，其具有至少一个碳原子，优选至多约15个碳原子，其溶于插层溶剂中的量可以为有效地在成层性能的一个或多个方面提供可测量的改善。适宜的有机溶剂可以用来增强有机膨胀助剂在插层溶液中的溶解能力。
饱和脂肪族羧酸的代表例子是如公式H(CH2)nCOOH的酸，其中n是从0到5的数字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。也可以使用酐或活性羧酸衍生物如烷基酯来代替羧酸。烷基酯的代表是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知水基插层剂具有分解甲酸最终成为水和二氧化碳的能力。因此，在石墨片沉浸在水基插层剂中之前，甲酸和其它灵敏的膨胀助剂可以有利地与石墨片接触。二元羧酸的代表是具有2-12个碳原子的脂肪族二元羧酸，尤其是草酸、富马酸、丙二酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、脂肪酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸二羧酸、环己胺-1，4-二羧酸和芳族二羧酸如邻苯二甲酸或对苯二酸。烷基酯的代表是草酸二甲酯和草酸二乙酯。脂环族羧酸的代表是环己烷二羧酸，芳族羧酸的代表是安息香酸、萘酸、邻氨基苯甲酸、对-氨基苯甲酸、水杨酸、邻-，间-以及对-甲苯基酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰氨基安息香酸和乙酰氨基安息香酸、苯乙酸和萘酸。羟基芳香酸的代表是羟基安息香酸、3-羟基-1-萘酸、3-羟基-2-萘酸、4-羟基-2-萘酸、5-羟基-1-萘酸、5-羟基-2-萘酸、6-羟基-2-萘酸和7-羟基-2-萘酸。多元羧酸的突出代表是柠檬酸。
插层溶液是水基的，优选含有约1-10％的膨胀助剂，这样的量可以有效加强成层性能。在一个实施方式中，沉浸在水基插层溶剂中之前或之后，膨胀助剂和石墨片接触，膨胀助剂可以和石墨片通过适宜的设备进行混合，如V式搅拌机，通常为石墨片含量的约0.2重量％-10重量％。
在插层石墨片后，接着将插层剂涂布的插层石墨片与有机还原剂进行混合，混合温度范围为25℃-125℃，可以促进还原剂和插层涂布剂的反应。加热时间至多到约20小时，要用较短的加热时间如至少10分钟，就要用上述温度范围中较高的温度。可以在更高的温度下使用半小时或更短的加热时间，如10-25分钟。
这样处理的石墨颗粒有时候称为“插层石墨颗粒”。当暴露在高温下时，例如在至少约160℃，特别是在700℃-1000℃或更高的温度时，插层石墨颗粒可以手风琴式的方式在c-方向上(也就是在和石墨颗粒成分的晶体平面垂直的方向上)，比原始尺寸膨胀80-1000甚至更多倍。膨胀石墨颗粒，也就是成层石墨颗粒，外形象蠕虫，因此通常称之为蠕虫。不象原来的石墨片，蠕虫可以压缩在一起形成柔性片材，可以形成或切割成不同的形状，并且可以通过下面提到的机械变形冲击提供小的横向开口。
柔性石墨片材和薄片粘连在一起，具有良好的操作强度，可以被适当的压缩，例如通过辊压，形成约0.075mm-3.75mm的厚度和通常大约0.1-1.5克每立方厘米(g/cc)的密度。从大约1.5-30重量％的陶瓷添加剂可以和插层石墨片进行混合，如美国专利No.5902762(在此引入，作为参考)所述可以为最终的柔性石墨产品提供强化的树脂浸渍。所述添加剂包括长度约为0.15-1.5mm的陶瓷纤维颗粒。适宜的颗粒宽度约为0.04-0.004mm。陶瓷纤维颗粒不与石墨反应也不与石墨粘结，在温度上升到约1100℃，甚至1400℃或更高时依然稳定。适宜的陶瓷纤维颗粒是由浸软的石英玻璃纤维、碳和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维、天然生成矿物纤维如硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维等形成的。
有时，柔性石墨片材可以有利地用树脂进行处理，吸收后的树脂在固化后，加强了柔性石墨片材的防潮性和操作强度即刚度，及其片材在形态上的“稳定性”。适宜的树脂含量优选至少约5重量％，更优选约10-35重量％，适宜地达到60重量％。发现特别适用于本发明的实际应用的树脂包括以丙烯酸、环氧和酚为基础的树脂体系，或它们的混合物。适宜的环氧树脂体系包括那些基于二缩水甘油醚或双酚A(DGEBA)和其它多功能树脂体系；可以使用的酚醛树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛清漆树脂。
正如下面要阐明的，本发明的一些方法包括双极性制品的部件的形成，其通过压花柔性石墨片材，模制柔性石墨片材或将柔性石墨片材研磨或粉碎成颗粒，再将颗粒压缩成模制形状。
一旦制得柔性石墨片材，就可以用已知的方法或设备如气流粉碎机、空气粉碎机、搅拌机等制备颗粒。优选地，绝大多数颗粒具有可以使用其穿过20U.S.目的直径；更优选地，大部分(大于约20％，更优选大于约50％)的颗粒不能通过80U.S.目。理想地，可以在树脂浸渍时冷却柔性石墨片材，防止在粉碎程中因为粉碎造成的对树脂体系的热致损坏。
研磨颗粒的尺寸应该按照石墨颗粒的机械加工性和成型性与所期望的热力学特征之间的平衡进行选择。这样较小的颗粒会让石墨颗粒的加工和/或成型更容易，而较大的颗粒会让石墨颗粒具有较高的各向异性，因此就具有较好的面内导热性。因此，技术工人会在大多数场合使用能使成型和机械加工成必要程度的最大颗粒。
在优选的实施方式中，一旦柔性石墨片材被粉碎，它就被压缩成所需要的形状，之后固化(当树脂浸渍的时候)。或者，尽管粉碎后固化是优选的，但片材也可以在粉碎之前固化。压缩可以通过模压、辊压、等压模制等压缩方式进行。有趣的是，最终制品的各向同性/各向异性可能因为压缩(或模制)力、所采用的特定的模制过程和颗粒尺寸的不同而不同。例如，对模成型会导致石墨层的更高的一致性，相对于等压模制，这样的最终产品就将具有更好的各向异性。相似地，模制压力的增加也会导致各向异性的增加。这样，调整模制过程和模制压力，并选择粉碎颗粒的尺寸，可以导致可控的各向同性/各向异性的变化。所使用的典型模制压力从小于约7兆帕(MPa)到至少约240MPa。
现在来看图4-9，图中所示为制造用于燃料电池双极性元件的方法。
在图4中，给出了为数字110所指的双极性板的示意图。为了制造双极性板110，形成第一和第二部件112和114。如图4中示意所指，第一板部件112具有操作面或第一面116，以及背面或第二面118。例如，操作面116上形成有大量的通道如120。背面118有形成在其上的凸部122。
相似地，形成的第二部件114具有操作面124，背面126，以及形成于背面126上的凹部128。凹部128与凸部122互补。凸部122匹配在凹部128中，优选凸部122和凹部128紧密配合。
图5，6和7表示几种可能的凸部122和凹部128的形状，在图5中以122A和128A标出，其中凸部和凹部的截面是梯形的。在图6中，标出的凸部122B和凹部128B的截面是矩形。图7中，显示为圆形的凸部122C和凹部128C。任何其它适合的形状也可以用于凸部和凹部。
图8是第一部件112的底面示意图，进一步说明了凸部122的构造和位置。第二部件114的互补的凹部128将是相似的形状和位置。在图8中，所示凸部122与沿着整个板112的外周长130的相邻。这样就可以理解任何突出和互补凹槽的适宜形状都可以用来得到第一和第二部件112和114之间所需或所想的连接，进一步的描述在下文中。例如部件可以具有可以从中通过的开口，例如开口132，最好有第二凸部134环绕在开口周围，并在第二部件114上配合互补且相似形状的第二凹部，这样就可以保证在两个部件112和114之间，环绕着开口132有可靠的密封接合。
为了形成完整的双极性制品110，要形成两个部件112和114，再将它们组装起来，如图4所示，这样凸部122就可以容纳于凹部128中。之后将装配部件进行加热，以使凸部122和凹部128以及一些例子中部件112和114的其它邻接表面可以连接起来。
优选地，第一和第二部件112和114是由浸渍了树脂的石墨材料形成的，且当装配部件加热时，浸渍后石墨材料中的树脂固化以提供在部件112和114接触表面之间的连接，尤其是凸部122和凹部128之间的连接。然而，由未浸渍的材料或固化的树脂浸渍的材料形成该部件112和114都是在本发明的范围内。
单个部件112和114可以由任何适宜的方法得到。尤其是，它们可以通过模压柔性石墨材料片的方法得到，或将颗粒石墨材料通过模制形成所需形状。
现在来看图9，所示为模压柔性石墨材料片的方法。
在图9中，方框136示意为膨胀石墨的原始颗粒得到的石墨垫材料片材的形成。垫138的片材再通过一对预压延辊140A和140B形成一个预压延的片材142。该预压延的片材142再通过一个站144，其中片材浸渍树脂并干燥形成为未固化的树脂浸渍片材146。片材146再通过一对压延辊148A和148B形成一个压延但未固化的树脂浸渍片材150。然后片材150再通过一对轧花辊152A和152B，其示意为具有如154和156定义的图案。
当压延未固化的树脂浸渍片材150通过轧花辊152A和152B时，它就形成了所想要的形状，如第一和第二流场板部件112和114，它们各自具有凸部122和凹部128。
在部件112和114被轧花辊152定型之后，将部件112和114从片材150上分离出来。之后部件112和114将如图4所示被装配在一起，并压在一起再加热将树脂材料固化，这样就将部件112和114连接在一起形成了双极性制品110。
尽管图9已经示出了该方法，从膨胀石墨的原始颗粒开始，形成垫子，需要理解的是还可以购买以前生产的柔性石墨片材150并用轧花辊152或其它板型轧花技术进行轧花。
此外，部件112和114可以由微粒材料进行模制。如上所述，柔性石墨材料的片材如150可以被粉碎成颗粒，之后那些颗粒可以被模制成任意所想要的形状，如形状112和114，这可以通过任何适宜的传统模制工艺如对模成型，等压模制等实现。相似地，膨胀石墨颗粒(也就是蠕虫)可以模制成部件112和114的形式。
图10和11的实施方式现在来看图10，所示为另一个实施方式，其中第一部件带有一个凸部，而第二部件具有一个平的背面。在图10中，给出了双极性板示意图，用数字210标出。为了制造双极性板210，形成第一和第二部件212和214。如图10所示，第一板部件212具有操作面或第一面216，以及背面或第二面218。例如操作面216上形成有大量的通道220。背面218上形成有凸部222。
相似地，第二部件214形成有操作面224和平的背面226。凸部222和平背面226相配合，当两个部件压合并固化结合在一起。尽管没有在图10中示出，但是部件212和214的压合可能引起平的背面226上的一些变形和凸部222的一些变形，这样凸部222就有点陷入到平的背面226中。
和图4中的实施例作比较，图10中双极性板210更容易制造，也可以导致在凸部222和第二部件214的配合点上有较大的压力载荷，这样就会有更强的连接。
现在来看图11，示出了另一个替化实施方式，其中第一和第二部件都具有平的背面，它们在整个背面上充分地连接在一起。在图11中，给出了双极性板的示意图，用数字310标出。为了制造双极性板310，形成第一和第二部件312和314。部件312和314各自具有平的背面318和326。该部件压合在一起并固化，这样平的背面318和326就连接在了一起。图11中的实施例通过消除对制造凸部和凹部的需求给出了最简单的制造方法。
这样就可以看到本发明的方法易于得到所说的结果和好处，以及其固有的好处。当本发明目的通过一些优选的实施例在阐明之后，本领域的技术人员可以实施许多的变换，这些变换都应包括在附带的权利要求的范围和精神以内的。
权利要求
1.一种制造石墨制品的方法，包括(a)由石墨材料形成的，具有操作面和背面的第一部件，以及具有成型在其背面上的凸部；(b)由石墨材料形成的具有操作面和背面的第二部件；以及(c)将第一和第二部件组装，以使到第一部件上的凸部与第二部件配合。
2.权利要求1所述方法，其中步骤(a)包括将树脂浸渍的石墨材料片材压花形成所述第一部件。
3.权利要求2所述方法，其中所述树脂浸渍的石墨材料片材在步骤(a)的时候没有固化。
4.权利要求3所述方法，其中还包括将所述树脂浸渍的石墨材料进行固化。
5.权利要求1所述方法，其中步骤(a)包括压缩微粒树脂浸渍的石墨材料。
6.权利要求5所述方法，其中在步骤(a)的时候没有固化所述树脂浸渍的石墨材料。
7.权利要求6所述方法，其还包括固化所述树脂浸渍的石墨材料。
8.权利要求1所述方法，其中步骤(c)包括将所述第一和第二部件压合在一起。
9.权利要求8所述方法，其中在步骤(a)中，所述石墨材料是被树脂浸渍且没有被固化的材料；并且固化在所述压制步骤中发生。
10.权利要求1所述方法，其中在步骤(b)中，所述第二部件在背面上成型有凹部，该凹部与所述第一部件的凸部互补；且在步骤(c)中，所述第一部件的凸部容纳在所述第二部件的凹部中。
11.权利要求1所述方法，其中在步骤(b)中，所述第二部件具有平的背面，且在步骤(c)中，所述第一部件的凸部与所述第二部件的平的背面相配合。
12.制造用于燃料电池的制品的方法，包括(a)提供压缩了的膨胀石墨颗粒材料的第一和第二片材，每个片材都具有第一和第二平行且相对的表面；(b)用树脂浸渍该片材，形成未固化树脂浸渍的片材；(c)压缩所述未固化树脂浸渍的片材，形成第一和第二未固化树脂浸渍的片材；(d)由所述第一片材形成第一部件；(e)由所述第二片材形成第二部件；(f)将第一和第二部件压合在一起；且(g)将所述部件的树脂固化，从而将所述第一和第二部件结合在一起形成所述制品。
13.权利要求12所述方法，其中在步骤(d)中，所形成的所述第一部件上具有凸部；在步骤(f)中，所述第一部件的凸部与第二部件相配合；且在步骤(g)中，所述第一部件的凸部与所述第二部件连接在一起。
14.权利要求13所述方法，其中在步骤(e)中，所述第二部件具有与所述第一部件上的凸部相配合的平面。
15.权利要求13所述方法，其中在步骤(e)中，所述第二部件上限定有凹部；且在步骤(f)中，所述第一部件的凸部容纳在所述第二部件的凹部中。
16.权利要求12所述方法，其中在步骤(d)和(e)中，所述第一和第二部件是通过将所述第一和第二片材压花而形成的。
全文摘要
为生产双极性石墨制品件提供的方法。第一和第二部件(112和114)由柔性石墨材料形成。第一部件(112)上可形成有凸部(122)，第二部件(114)上可具有与第一部件(112)上的凸部(122)相互补的凹部(128)。将第一和第二部件(112和114)组装在一起，以使第一部件(112)上的凸部(122)容纳在第二部件(114)上的凹部(128)中。优选地，该部件由未固化的树脂浸渍的石墨材料制得。组装的部件再压合在一起，通过加热固化树脂，这样就将部件连接在了一起。或者，第二部件或两个部件都具有和另一部件相配合的平面。
文档编号H01M8/02GK1665682SQ03815237
公开日2005年9月7日 申请日期2003年6月26日 优先权日2002年6月28日
发明者R·A·默库里 申请人:先进能源科技公司