专利名称：用于多孔碳-碳复合物的热处理配置的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及适合用作例如燃料电池中基板的多孔碳-碳复合物。
背景技术：
一些类型的燃料电池，诸如质子交换膜和磷酸燃料电池(PEMFC和PAFC)使用多孔 碳-碳复合物作为电极基板，其也被称作气体扩散层。一个实例燃料电池基板和制造方法 在美国专利4，851，304中示出。制作基板的一种典型方法包括(1)通过湿敷造纸过程由切碎碳纤维和临时粘结 剂形成无纺毡，(2)利用溶解于溶剂中的酚醛树脂来浸渍或预浸该毡，之后去除溶剂但不 使树脂固化，(3)在足以使树脂固化的温度将一个或多个毡层压到受控厚度，(4)在惰性 气氛中将毡热处理至750°C至1000°C之间以将酚醛树脂转化成碳，以及(5)在惰性气氛中 将毡热处理至2000°C至3000°C之间以改进导热性和导电性且改进耐腐蚀性。由美国专利 4，851，304所说明的技术是不完整的，因为其并未教导如何在高体积热处理操作中产生具 有均勻孔隙度、体积密度和厚度的基板。在燃料电池中使用的多孔碳-碳复合物通常具有70%至75%的孔隙度，其对应于 实例基板的0. 48-0. 58g/mL的体积密度。希望控制孔隙度在紧密范围内，因为其影响基板 的性质，而基板的性质进而会影响燃料电池的性能。这些基板的厚度在0. 12至2. OOmm的范 围，但0. 12-0. 50mm范围的厚度是更典型的。这些基板通常具有50-100cmX 50-100cm的平 面形态大小。2000-3000°C热处理步骤(常常被称作石墨化)在惰性气氛中在已知的感应 或艾奇逊(Acheson)型炉中进行。典型炉荷载可包含大约2000个基板的堆且大约72-120 英寸(183-305cm)高。由于热固性树脂的热解，在热处理期间，每个基板的厚度减小大约33%。由于这种 收缩，存在基板翘曲的趋势。间隔板放置于热处理堆中的50-200个基板的组之间以在热处 理期间在基板收缩时维持基板的平坦性。在图1和图2中示出实例现有技术热处理组件11。图1所示的布置描绘了具有平 面形态尺寸D3的第一代基板的热处理组件。随着燃料电池被重新设计，开发了具有平面形 态d3的更小基板。但是，在热处理组件11中采用的可再使用的工具并未随着基板变得更 小而改变，这是因为并无明显需要，且因为制造热处理组件的新工具的较大开支的原因。已发现热处理基板的体积密度随着其在热处理堆中的位置且更具体地随着热处 理堆内的局部压力而变化。本领域技术人员可通过以下方法计算叠中任何点的局部压 力计算该点上基板和工具重量的和，并将其除以基板面积。图4示出图2所示的配置 的基板密度与炉内位置的关系。在此情形中，相关工具包括放置于50个基板的每个组 之间的1/2" X33" X33"石墨间隔板。在炉荷载中心还存在48〃的直径提升夹具和 33" X33' X4"的底板。分析从这个特定堆的顶部到底部的压力变化且作为压力与炉中 位置关系的曲线图在图5中示出。在中心的明显不连续性是由于提升夹具和底板造成。总 压力范围较小，但对此多孔碳_碳复合物的孔隙度和体积密度具有显著影响。平均压力为2. Spsi，且从顶部至底部在+/-2. 3psi或+/-82 %的范围内。在热处理组件底部上的基板的 致密性最大且在顶部的基板的致密性最小。对于诸如图2所示的这样的布置尤为如此。这 导致较低的工艺出品率，大量部件是不可接受的，因为它们不符合密度规格。存在最小化热 处理堆的顶部与底部之间的压力变化的热处理工具配置的需要。
发明内容
本发明公开了一种热处理诸如用于燃料电池的基板的多孔碳-碳复合物的方法。 该方法限定了选择热处理多孔碳-碳复合物堆的工具配置的标准，其中工具被配置成使得 热处理堆中最顶部与最底部之间的压力变化小于+/_30%，且优选地小于+/-15%。该方法包括堆叠基板以形成组。一板布置于该组上方以向该组施加该板重量。然 后将多个基板组和间隔件放置成堆。例如，选择每个间隔件的基板、间隔件的厚度和相对于 基板的平面形态的间隔件的平面形态，堆的高度以及间隔件和中间提升板产生的质量，以 最小化热处理组件中底部基板与顶部基板之间的压差。在另一公开方法中，确定诸如顶板的板的重量。该板布置于该组上方，在一实例 中，在热处理组件中最顶部基板上方，以向该组施加该板重量。选择顶板重量，结合先前所 提到的因素，以控制基板的平均压力和因此在热处理组件内基板的平均密度。通过下文的说明书和附图可更好地理解本发明的这些和其它特点，下面是附图的 简要描述。
图1是使用第一代基板的一个实例现有技术热处理组件的示意图。图2是使用第二代基板的实例现有技术热处理组件，第二代基板小于第一代基 板，且具有与图1所示相同的热处理组件工具。图3是一个实例热处理组件的示意图，其具有减小的平均压力变化和热处理组件 中顶部基板与底部基板之间减小的压差。图4是基板密度与热处理堆内位置关系的曲线。图5是基板密度与热处理堆内压力关系的曲线。图6是根据本公开内容的配置的压力与热处理堆内位置关系的曲线，在热处理组 件中的顶部基板与底部基板之间具有较低压差。
具体实施例方式现有技术热处理组件11在图1和图2中示出。热处理组件11包括碳基板和工 具。使用工具将基板移动到炉12内和从炉12移出且向基板施加重量以防止在热处理期间 翘曲。工具通常由石墨制成但可为某些其它高温材料。图1示出先前基板设计的组18，计 量尺寸为32英寸(D3) X 32英寸X0. 016英寸(81cmX 81cmX 0. 04cm)。组118包括后来设 计的基板，计量尺寸为23英寸X 23英寸X0. 016英寸(58cmX 58cmX 0. 04cm)。33英寸(D2) X33英寸X 1/2英寸(84cmX84cmX lcm)的石墨间隔板放置于例如 五十个基板的每个组之间。间隔板20防止基板在热处理期间翘曲。48英寸(122cm)直径 Dl的提升板14和33英寸X 33英寸X 4英寸(84cmX 84cmX IOcm)的底板16布置于炉荷载的中心。术语“直径”表示物体宽度，且并不要求物体为圆形。在图4中示出两个不同炉进程的基板密度变化与热处理堆中位置的关系。在图5 中示出图2中的配置的压力变化与位置的关系。由于提升板14和底板16的质量的原因，在 热处理组件11的中心存在明显压力不连续性。较大间隔板质量增加热处理组件11中最底 部基板与最顶部基板之间的压差。总压力范围较小，但对实例多孔碳-碳复合物的孔隙度 和体积密度具有显著影响。在图2所示的实例中，从顶部到底部，平均压力为2. Spsi (0. 190 巴)，且具有+/_2.3psi(0. 155巴)或+/-82%的范围。在此配置中热处理的基板的密度从 0. 47gm/mL变化至0. 56gm/mL，这大于所需要的范围。单个顶板22布置于工具与基板堆顶部以向热处理组件11施加额外重量。顶板22 通常为石墨板，其4英寸(IOcm)厚，具有与底板16和间隔板20的直径类似的直径。在图3中示出根据本公开内容的实例热处理组件111。工具板被设计成提供产生 的质量，该质量在热处理组件中的预期位置向基板施加预期重量。热处理组件111包括多 个基板组件110，仅示出其中的两个。提升板14布置于热处理组件111的底部。提升板14 包括能使热处理组件111插入于炉中和从炉移走的特点。在一实例中，提升板14具有大约 48英寸(122cm)的直径Dl。堆叠多个基板以形成组118。在一实例中，五十个基板布置成彼此相邻且各大约 0. 4mm厚。实例基板具有大约23英寸(58cm)的基板直径d3。间隔板120布置于基板组 118之间以施加重量且防止基板在热处理期间翘曲。希望最小化间隔板120的质量以减小 从热组件111底部到热处理组件111顶部的基板的压力变化或压差。在一实例中，间隔板 120为1/4英寸厚(0. 6cm)，其足够厚使得间隔件本身并不翘曲，且包括大约23英寸(58cm) 的间隔板直径d2。通常，提升板布置于基板组件110之间使得不是全部基板组118可从炉移走。提 升板的质量可不需要地增加基板组件110之间的压力变化。为此目的，希望最小化中间提 升板114的质量。因此，减小中间提升板114的直径dl。在一实例中，中间提升板114的直 径为大约35英寸(89cm)。在另一实施例中，希望在所有基板组件110上方提供增加的质量，这增加了热处 理堆中的平均压力。在图3中示出使用现有技术热处理组件布置的可用热处理组件工具实 现在热处理组件111顶部较大质量的一个实例方法。大提升板14布置于顶部基板组件110 上方。多个底板16堆叠到提升板14上。多个顶板22布置于提升板14上方。此外，可向 热处理组件111的顶部添加另一板24以增加质量。获得热处理堆内更均勻压力分布的办法包括例如最小化最顶部基板与最底部基 板之间的工具重量。这可通过以下步骤实现使每个间隔件的基板最多，减小间隔件的厚 度，减小间隔件的平面形态使得它们与基板大约相同大小，取消中间堆叠板，最小化任何提 升夹具的厚度和平面形态大小以及减小堆的高度。每个间隔件的基板的实例数量在25与200个之间，且50至100个是合乎需要的， 例如，以维持热处理基板的平坦性。间隔件厚度可在0. 125英寸(0. 32cm)与0. 375英寸 (0. 095cm)之间，且0. 250英寸(0. 64cm)是合乎需要的，例如，由于具有足够的刚性以便不 在热处理期间偏转。间隔件与基板大约相同大小，且例如比基板大不超过2英寸(5cm)。若 可能，优选地去掉中间提升夹具(在图3中存在中间提升夹具114)。
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在一实例中，希望在最顶部基板与最底部基板之间的压力分布为+/-25%以产生 具有可接受的体积密度范围的基板。这可利用图3所示的配置实现，其中每个间隔件包含 50个基板。间隔件为24英寸(60cm)乘以24英寸(60cm)乘以0. 25英寸(0. 64cm)厚。分析一个实例堆自顶部至底部的压力变化且在图6中示出。与现有技术配置 的82 %的压力变化相比，从堆的顶部到底部，平均压力为3. 73psi (0. 267巴)，且具有 +/-0. 87psi (0. 066巴)或+/-23%的范围。新工具的预测密度范围为0. 51-0. 55g/mL，相对 于现有技术工具的0. 47-0. 57g/mL，其为更合乎需要的变化。对于图3的配置，将每个间隔 件的基板数量从50个增加至100个并去掉叠中心的提升夹具造成从顶部基板至底部基板 的压力变化的进一步减小。与现有技术配置的82%压力变化相比，从堆的顶部到底部，平均 压力为 3.4psi(0. 23 巴)且具有+/-0. 5psi (0.034 巴)或+/-14. 7%的范围。由以下因素的组合决定热处理基板的平均密度，包括层叠密度，热处理期间发生 的收缩，这种收缩与树脂含量和热处理堆顶部的重量相关。本领域有经验的技术人员可系 统地改变这些参数以产生预期的基板密度。工具被配置成使得热处理堆中最顶部与底部之 间的压力变化小于+/-30%且最优选地小于+/-15%。尽管公开了实例实施例，但是本领域中的普通技术工作者将会认识到某些变化将 落入权利要求书的范围。因为此原因，应当研究下文的权利要求书以确定它们的真实范围 和内容。
权利要求
一种热处理多孔碳 碳复合物堆的方法，其包括以下步骤确定每个板的多孔碳 碳复合物的数量；确定所述板的厚度和平面形态；堆叠多个基板以在板之间形成组；确定每个堆的组数量；确定任何中间提升板的存在，且若存在，确定中间提升板的大小和数量；使得所述堆中最顶部复合物与最底部复合物之间的压差为预定值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述堆叠步骤包括以大约50与200个基板之间 的组布置所述多孔碳_碳复合物。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述板是间隔板，且所述布置步骤是在多孔 碳_碳复合物组之间布置所述间隔板。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定所述间隔板的重量。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定所述间隔板的平面形态， 所述平面形态大约等于所述多孔碳_碳复合物的平面形态。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述间隔板的平面形态比所述基板平面形态大 大约小于二英寸。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述确定步骤包括确定所述间隔板的厚度，所述 厚度大约在八分之一英寸至八分之三英寸之间。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述高度小于大约二分之一英寸。
9.根据权利要求1所述的方法，其包括以交替关系布置的多个间隔板和组以提供多个 基板组件，第一基板组件布置于第一提升板上，第二提升板布置于所述第一基板组件上，且 第二基板组件布置于所述第二提升板上，其中，所述确定步骤包括确定第二提升板的存在 和大小。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，产生的重量对应于所述热处理组件的底部基板 与顶部基板之间的预期压差。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预期压差小于大约+/-25%。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述预期压差小于大约+/-15%。
13.一种热处理基板的方法，其包括以下步骤 堆叠基板以形成组；确定板的对应于产生的质量的至少一个尺寸，产生的质量大于预定质量；使基板具备所述至少一个尺寸；以及，将所述基板布置在所述组上以向所述组施加所述板的重量。
14.根据权利要求13所述的方法，其包括以交替关系布置的多个间隔板和组以提供基 板组件，所述基板组件布置于提升板上，且顶板布置于第一基板组件上，其中，所述确定步 骤包括确定所述顶板的至少一个尺寸。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，产生的重量对应于所述热处理组件的最底部 基板与最顶部基板之间的预期平均压力变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预期平均压力变化小于+/-30%。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述预期平均压力变化小于大约+/-15%。
全文摘要
热处理燃料电池的基板的方法包括堆叠基板以形成组。确定板的对应于小于预定质量的产生的质量的尺寸。该板布置于该组上方以向该组施加板的重量。例如，间隔板和中间提升板产生的质量被最小化以减小热处理组件中底部基板与预部基板之间的压差。在另一公开方法中，对应于大于预定质量的所得质量确定诸如顶板的板的尺寸。该板布置于该组上方以向该组施加该板的重量。选择顶板产生的质量以最小化整个热处理组件中基板的平均压力变化。
文档编号H01M4/86GK101904033SQ200780101973
公开日2010年12月1日 申请日期2007年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者R·D·布劳尔特 申请人:Utc电力公司