专利名称：一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池双极板的加工方法，尤其涉及一种用于燃料 电池的超薄型石墨双极板的加工方法。
背景技术：
燃料电池(Proton Exchange Membrane fuel Cell,縮写PEMFC)是 一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能 的发电装置。燃料电池双极板是燃料电池关键部件之一， 一般它是由极板 和流场组成的。理想双极板应具备电、热的良导体，良好的机械性能，很 好的阻气性能，较低密度，耐腐蚀性好等特点。在常见的PEMFC中，流场 与极板可以是一体的，也可以是分体的。目前双极板的研究和应用主要集 中在金属材料板、模压材料板和石墨材料板，这三种双极板各有优势(1) 金属材料双极板强度好，导电好，不透性好，弱点是耐腐蚀性差。(2)模 压材料双极板，先期一次性投入大，在导电性与强度之间需要取舍。(3) 石墨双极板，具有良好的导电性和耐腐蚀性，弱点是强度低，有气孔，因 此需要提高石墨材料的强度，填补石墨材料固有的不规则气孔，从而达到 燃料电池堆的使用要求。
在石墨双极板方面，目前主要代表性的文献如下W00041260中提到 了采用柔性石墨板制备双极板，该双极板是先压成型后灌胶，胶粘剂主要 是聚偏二氟乙烯，详细制备工艺没有提及，侧重点在双极板结构对阻力的 影响，双极板采用两层结构，即氢流场板与水腔作为一块板，氧流场板作 为一块板，二者粘结到一起构成一块双极板，缺点是压制工艺复杂，氢板 由于两面流场导致成型困难，容易碎，这样导致废品率高。
由Ballard公司申报的专利W00064808公开一种质子交换膜燃料电池 双极板制备方法，所制备的质子交换膜燃料电池双极板在电阻特性和机械 强度方面能满足性能要求，双极板也是采用两层结构，已经应用于Ballard 公司MK90o系列电池，但该专利在板材制备上可操作性差，而且性能不稳
3定，主要的缺陷是板材浸渍树脂的方式，它是在常压下，将一定密度的板 材以一定的速度沉入树脂中浸渍，由于板材本身的不均匀性和颗粒表面的 差异以及板材的孔隙率不同，容易造成树脂扩散和吸附的不均匀性，而且 双极板的透气性相对较高，这样导致该双极板应用于燃料电池发动机时必 须增加消氢系统，这样就增加了系统的复杂性和不稳定性。
美国UCAR公司在专利文献(公开号W0/2 000/0 64808 ，
公开日2000. 11. 2 )中制备的PEMFCS双极板在电阻及机械强度方面都能满足要求，但双 极板制备的可操作性差，而且双极板的透气性相对较高，这样由此双极板 组装的燃料电池发动机必须增加消氢系统，从而增加了发动机系统的复杂 性。
中国科学院大连化学物理研究所在专利(申请号200410020905.1 ， 发明名称 一种新型质子交换膜燃料电池双极板制备工艺)提出将低密度 的膨胀石墨板用热固性树脂在真空箱中在真空的条件下进行浸灌树脂，然 后进行成型的方法，双极板可采用2-7层的结构。但在实际制作双极板过 程中，用两层结构很难制作成合格的双极板，采用多层结构，这就造成双 极板厚度大，双极板各处密度很不均匀，这就会造成电池组的组装和运行 的难度，从而降低了电池组运行的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工 方法，该加工方法是对石墨材料采用真空浸渍处理的方法，再运用机械加 工的手段，在保持石墨材料的导电性、耐腐蚀性不变的前提下，使石墨双 极板具有良好的不透性和流道的憎水性以及具有超薄的厚度和很好的强度。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是 一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，具体步骤如下
(1) 将石墨原材料切割成石墨双极板坯料，用去离子水清洗并烘干.
(2) 将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍，真空
度为-0. 08至-0. lMPa，浸渍时间为6-24小时；其中浸渍时间与石墨板的厚 度成正比；得到密度为1.90-1.95g/cirf的石墨双极板坯料；(3) 将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理，固化温度为80-200 °C，时间为8-26小时；
(4) 用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面
0. 5-1. 5咖；
(5) 按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板；
(6) 将加工好的石墨双极板进行O. lMPa气压透气检验。 本发明所选用的热固性树脂为、环氧、呋喃、脲醛树脂之一，或者两
种热固性树脂与溶剂混合制成的溶液，溶剂采用丙酮或乙酸乙酯，按质量 比计，环氧、呋喃、脲醛树脂所占比例为10%-20%，溶剂所占比例为90%-80%。
由于采用了如上的技术方案，本发明将石墨经过高分子材料处理后， 能提高石墨的抗压强度30%以上，同时电阻率没有明显的增大。在加工完流 道后，其厚度最小可达0. 3mm，并保证0. lMPa的气体不穿透，可大大降低 电池堆的重量和体积，或同样体积重量下大大提高电池堆输出功率。本发 明的方法不仅适用于产品的开发，小批量生产以及较为复杂的双极板加工， 更适合大批量产业化生产，成本底，速度快。
具体实施例方式
实施例1
一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，具体步骤如下
(1) 将石墨原材料切割成产品要求的厚度放lmm-3mm余量，用去离子 水清洗并烘干.
(2) 将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍，真空 度为-O. 08至-O. lMPa，浸渍时间为6-24小时；浸渍的树脂为呋喃、环氧和 脲醛树脂，其质量比为5 : 10 : 85，其中浸渍时间与石墨板的厚度成正比； 得到密度为1. 90-1. 95g/cms的石墨双极板坯料；
(3) 将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理，固化温度为 80-2〔X)。C时间为8-26小吋；
(4) 用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面 0. 5-1. 5mm;
(5) 按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板；(6)将加工好的石墨双极板进行0. IMPa气压透气检验。合格率达到 99%以上。
用上述合格的石墨双极板组装10节氢气/空气(H2/Air)电池组，电 池面积为270cm、催化剂Pt担量lmg/cm2 (双面)。氢气的入口压力为40KPa， 空气的入口压力为30KPa，其空气计量比为2.5，电池温度为6(TC，在电池 的电流密度500mA/ cm2时，单节电池的平均电压为0. 7V，完全满足要求。
实施例2
一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，具体步骤如下
(1) 将石墨原材料切割成产品要求的厚度放lmm-3mm余量，用去离子 水清洗并烘干.
(2) 将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍，真空 度为-0.08至-0. lMPa，浸渍时间为6-24小时；浸渍的树脂为呋喃树脂，其 中浸渍时间与石墨板的厚度成正比；得到密度为1.90-1.95g/cm3的石墨双 极板坯料；
(3) 将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理，固化温度为80-1.80 "C，时间为12-20小时；
(4) 用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面 0. 5-1. 5mm;
(5) 按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板；
(6) 将加工好的石墨双极板进行0. IMPa气压透气检验。合格率达到 96%以上。
实施例3
一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，具体步骤如下-
(1) 将石墨原材料切割成产品要求的厚度放lmm-3mm余量，用去离子 水清洗并烘干.
(2) 将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍，真空 度为-0.08至-0. IMPa,浸渍时间为6-24小时；浸渍的树脂为环氧树脂，其 中浸渍时间与石墨板的厚度成正比；得到密度为1.90-1.95g/cm3的石墨双 极板坯料；
(3) 将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理，固化温度为80-200°C，时间为10-26小吋；
(4) 用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面 0. 5-1. 5腿；
(5) 按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板；
(6) 将加工好的石墨双极板进行0. IMPa气压透气检验。合格率达到 99%以上。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本 行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和 说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前 提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的 本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1. 一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，其特征在于，具体步骤如下(1)将石墨原材料切割成产品要求的厚度放1mm-3mm余量，用去离子水清洗并烘干.(2)将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍，真空度为-0.08至-0.1MPa，浸渍时间为6-24小时；其中浸渍时间与石墨板的厚度成正比；得到密度为1.90-1.95g/cm3的石墨双极板坯料；(3)将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理，固化温度为80-200℃，时间为8-26小时；(4)用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面0.5-1.5mm；(5)按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板；(6)将加工好的石墨双极板进行0.1MPa气压透气检验。
2. 如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所选用的热固性树脂 为环氧、呋喃、脲醛树脂之一，或者两种热固性树脂与溶剂混合制成的溶液。
3. 如权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述的溶剂采用丙酮 或乙酸乙酯，按质量比计，环氧、呋喃、脲醛树脂所占比例为10%_20%，溶 剂所占比例为90%_80%。
全文摘要
一种用于燃料电池的超薄型石墨双极板的加工方法，是(1)将石墨原材料切割成石墨双极板坯料，并做表面处理；(2)将石墨双极板坯料放入热固性树脂的溶液中进行真空浸渍；(3)将浸渍后的石墨双极板坯料进行热固化处理；(4)用铣削或磨削的方法去掉经浸渍后的石墨双极板坯料表面0.5-1.5mm；(5)按流道设计要求用机械加工的方法加工流道，得石墨双极板；(6)将加工好的石墨双极板进行0.1MPa气压透气检验。本发明将石墨经过高分子材料处理后，能提高石墨的抗压强度30％以上，同时电阻率没有明显的增大。在加工完流道后，其厚度最小可达0.3mm，并保证0.1MPa的气体不穿透，可大大降低电池堆的重量和体积，或同样体积重量下大大提高电池堆输出功率。
文档编号H01M4/88GK101483240SQ20081003417
公开日2009年7月15日 申请日期2008年3月3日 优先权日2008年3月3日
发明者张孟彤, 顾爱平 申请人:上海弘枫石墨制品有限公司