专利名称：燃料电池分离板的成型用材料及其制造方法、燃料电池分离板和燃料电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池分离板的成型用材料及其制造方法、燃料电池分离板和燃料电池。
背景技术：
燃料电池由作为本体的电池组、由天然气、甲醇等原料重整为氢的重整器、将发电状态的直流电转变为交流电的直流/交流转换器等构成。其中，电池堆由几片 几十片氢分离板和空气极分离板形成。虽然分离板是支撑电池组的支撑体，但其优选具有传导性，因此必须为机械强度和电导率都优异的材料。此外，为了电池组和体系的轻量化，已经提出必须需要维持机械强度和电导率等物性，并且减少分离板的重量和厚度。目前，作为燃料电池用分离板的材料，可以使用金属、石墨块、碳复合物等。然而， 除碳复合物之外的材料，由于腐蚀性、弱机械强度、重量较大等原因，因此适用性差。相反， 碳复合物具有可完全弥补这些缺陷的优点，因此受到关注。此外，在使用碳复合物时，可以成型为复杂的流路形状，因此还具有降低制造费用，能够大量生产的优点。作为可用于碳复合物的粘结剂，目前使用乙烯基酯系、酚系、环氧系等热固性树脂，和聚丙烯(PP)、氟系高分子(PVDF)、液晶高分子(LCP)、聚苯硫醚(PPQ等热塑性树脂。 其中，在使用热固性树脂时，在树脂的特性方面以及分离板的轻量化上较为困难。另一方面，热塑性树脂，不仅容易轻量化，而且通过注射成型很容易大量生产，因此由于降低分离板的成本，从而认为其有助于燃料电池的商业化。
发明内容
本发明目的在于提供一种燃料电池分离板的成型用材料，使用作为热塑性树脂的发泡聚丙烯(EPP)、发泡聚乙烯(EPE)、发泡聚苯乙烯(EPS)等作为粘结剂，并具有和以往相同或更高的电导率、机械强度，增加了应变，能够使分离板轻量化。并且，本发明的目的也在于提供一种前述燃料电池分离板的成型用材料的制造方法。此外，本发明的目的还在于提供一种由前述燃料电池分离板的成型用材料所制造的燃料电池分离板和燃料电池。本发明的燃料电池分离板的成型用材料，其特征在于，通过混合以及熔融混炼来配合选自发泡聚丙烯(EPP)、发泡聚乙烯(Expanded polyethylene :EPE)、发泡聚苯乙烯 (Expanded polystylene :EPS)中至少一种的粘结剂，选自天然板状石墨、膨胀石墨、人造板状石墨、人造球状石墨中至少两种的石墨复合物，以及选自碳黑、碳纤维、碳纳米管中至少一种的导电性填充剂。
本发明的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，特征在于，使用密炼机或单轴(single)、双轴(twin)、12轴(ring)挤出机混合以及熔融混炼选自发泡聚丙烯(EPP)、 发泡聚乙烯(Expanded polyethylene :EPE)、发泡聚苯乙 (Expanded polystylene :EPS) 中至少一种的粘结剂，选自天然板状石墨、膨胀石墨、人造板状石墨、人造球状石墨中至少两种的石墨复合物，以及选自碳黑、碳纤维、碳纳米管中至少一种的导电性填充剂，制造为粉末或颗粒状态。本发明的特征是，使用通过上述方法所制造的燃料电池分离板的成型用材料所成型的燃料电池分离板，以及使用该分离板的燃料电池。
图1 4是示出对本发明实施例和比较例所制造的燃料电池分离板测定电导率、 弯曲强度、应变和密度的结果曲线图。
具体实施例方式在本发明的燃料电池分离板的成型用材料中，使用选自发泡聚丙烯(EPP)、发泡聚乙烯(EPE)、发泡聚苯乙烯(EPS)中的任一种作为粘结剂，它们在用于燃料电池分离板时， 耐化学性、耐热性、机械强度等物性优异，并且和填充剂的混炼性以及分散性也优异。优选使用其膨胀度(发泡度)发泡为通常使用的聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)的 1. 1 45倍的材料，并且添加的组成比，以粘结剂、石墨复合物和填充剂的全体混合物为基准，优选为5 45重量％。在本发明中，较好是选择使用发泡聚丙烯作为粘结剂。在本发明的燃料电池分离板的成型用材料中，可以选择使用具有0. 005 0. 25mm 粒子尺寸的天然板状石墨、膨胀石墨、人造板状石墨、人造球状石墨中的至少两种作为石墨复合物，其组成比，以粘结剂、石墨复合物和填充剂的全体混合物为基准，优选为1 80重量％。在本发明的燃料电池分离板的成型用材料中，可以选择使用碳黑、碳纤维、碳纳米管中的至少一种作为导电性填充剂，其组成比，以粘结剂、石墨复合物和填充剂的全体混合物为基准，优选为0. 01 15重量％。选择使用这些导电性填充剂的表面积为200 1300m2/ g的材料，适合于提高分离板的传导性，其中最优选碳黑。本发明的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，是将前述粘结剂、石墨复合物和填充剂通过具有不同供给部的各个进料器(feeder)投入到密炼机(internal mixer) 或单轴、双轴或12轴的挤出机中，然后混合前述材料。这时，为了使石墨复合物和填充剂很容易地进入粘结剂的内部、外部气孔，通常使用如下方式先供给比0. 005 0. 5mm的气孔尺寸小的石墨复合物和填充剂，然后再混合比气孔尺寸大的石墨复合物。此处，为了不使膨胀的粘结剂再收缩而导致气孔消失，调节密炼机或挤出机每个区间的温度是非常重要的。例如，在使用密炼机时，为了制造成批(batch)形态的材料，优选使螺杆和机筒的整体温度比粘结剂的溶融温度低10°c以下开始混合，并缓慢地将温度上升至粘结剂的溶融温度以上进行制造。
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在使用挤出机时，优选从供给粘结剂的区间到供给石墨复合物和填充剂的区间的温度，和使用密炼机时相同，维持在比粘结剂的溶融温度低10°c以下，然后到供给石墨复合物的区间为溶融温度以上，并且每一段区间，例如每2 5个区间增加温度5 100°C进行制造。可以将通过上述方法所制造的材料混合物加压成型或注射成型为粉末或颗粒状态，从而制造分离板。以下，基于实施例对本发明进行更详细的说明。实施例1使用成型机混炼19重量％发泡聚丙烯(EPP) ,58. 5重量％板状石墨、19. 5重量％ 膨胀石墨、3重量％传导性碳黑，并使用挤压机将燃料电池分离板的成型用材料制造为 100 X 100 X 2mm 的大小。此处，作为发泡聚丙烯使用膨胀至3倍的材料(膨胀前为1倍)，板状石墨和膨胀石墨使用平均粒度为70μπι的石墨。此外，传导性碳黑使用800m3碳黑。比较例1除了在前述实施例1中，使用一般的聚丙烯作为粘结剂外，和前述实施例1同样实施，制造燃料电池分离板的成型用材料。测定由前述实施例1和比较例1所成型的分离板的电导率(ASTM F84)、弯曲强度 (ASTM D790)、应变(ASTM D790)和密度，结果如图1 4所示，由此可知在使用发泡聚丙烯时，电导率和弯曲强度和以往相同或更高，密度减小(轻量化)。此外可知，在相同的弯曲强度下，在使用发泡聚丙烯时，由于应变增加，因此产生对分离板厚度变小影响的可能性大。作为本发明的燃料电池分离板的成型用材料，以作为热塑性树脂的发泡聚丙烯 (EPP)、发泡聚乙烯(EPE)、和发泡聚苯乙烯(EPQ等作为粘结剂，产生了具有和以往相同或更高的电导率、机械强度，增加了应变，以及能够使分离板轻量化的效果。
权利要求
1.一种燃料电池分离板的成型用材料，其特征在于，通过混合以及熔融混炼来配合选自发泡聚丙烯(EPP)、发泡聚乙烯(Expanded polyethylene :EPE)、发泡聚苯乙烯 (Expanded polystylene :EPS)中至少一种的粘结剂，选自天然板状石墨、膨胀石墨、人造板状石墨、人造球状石墨中至少两种的石墨复合物，以及选自碳黑、碳纤维、碳纳米管中至少一种的导电性填充剂。
2.如权利要求1所述的燃料电池分离板的成型用材料，其特征在于，前述粘结剂是膨胀度与通常使用的聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯相比发泡到1. 1 45倍的材料，并且其组成比，以粘结剂、石墨复合物和填充剂的全体混合物为基准，为5 45重量％。
3.如权利要求1所述的燃料电池分离板的成型用材料，其特征在于，前述石墨复合物具有0. 005 0. 25mm的粒子尺寸，并且其组成比，以粘结剂、石墨复合物、填充剂的全体混合物为基准，为1 80重量％。
4.如权利要求1所述的燃料电池分离板的成型用材料，其特征在于，前述导电性填充剂的组成比，以粘结剂、石墨复合物、填充剂的全体混合物为基准，为0. 01 15重量％。
5.一种燃料电池分离时用材料的制造方法，其特征在于，使用密炼机或挤出机混合以及熔融混炼选自发泡聚丙烯(EPP)、发泡聚乙烯(Expandedpolyethylene :EPE)、发泡聚苯乙烯(Expanded polystylene =EPS)中至少一种的粘结剂，选自天然板状石墨、膨胀石墨、 人造板状石墨、人造球状石墨中至少两种的石墨复合物，以及选自碳黑、碳纤维、碳纳米管中至少一种的导电性填充剂，并将其制造为粉末或颗粒状态。
6.如权利要求5所述的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述粘结剂是其膨胀度与通常使用的聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯相比发泡到1. 1 45倍的材料， 并且其组成比，以粘结剂、石墨复合物和填充剂的全体混合物为基准，为5 45重量％。
7.如权利要求5所述的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述石墨复合物具有0. 005 0. 25mm的粒子尺寸，并且其组成比，以粘结剂、石墨复合物、填充剂的全体混合物为基准，为1 80重量％。
8.如权利要求5所述的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述导电性填充剂的组成比，以粘结剂、石墨复合物、填充剂的全体混合物为基准，为0. 01 15 重量％。
9.如权利要求5所述的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述粘结剂、石墨复合物和填充剂通过具有不同供给部的各个进料器投入到前述密炼机或挤出机中，并且相对于粘结剂，先供给比0. 005 0. 5mm的气孔尺寸小的石墨复合物和填充剂， 然后再混合比气孔尺寸大的其它石墨复合物。
10.如权利要求5或9所述的燃料电池分离板的成型用材料的制造方法，其特征在于， 在使用前述密炼机时，将供给前述粘结剂的区间到供给石墨复合物和填充剂的区间的温度，维持在比粘结剂的溶融温度低10°c以下，并且一边混合一边缓慢地将温度升高至熔融温度以上。
11.如权利要求5或9所述的燃料电池分离板的成型用材料，其特征在于，在使用前述挤出机时，将供给前述粘结剂的区间到供给石墨复合物和填充剂的区间的温度，维持在比粘结剂的溶融温度低10°C以下，然后直到供给石墨复合物的区间达到溶融温度以上，并且每隔一段区间，增加5 100°C。
12.一种燃料电池分离板，其特征在于，使用权利要求5至11任一项所述的燃料电池分离板的成型用材料。
13.一种燃料电池，其特征在于，采用权利要求12所述的燃料电池分离板。
全文摘要
本发明提供一种燃料电池分离板的成型用材料，使用作为热塑性树脂的发泡聚丙烯(EPP)、发泡聚乙烯(EPE)、发泡聚苯乙烯(EPS)等作为粘结剂，具有和以往相同或更高的电导率、机械强度，增加了应变，能够使分离板轻量化。
文档编号H01M8/02GK102299355SQ20101056347
公开日2011年12月28日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年6月28日
发明者任南益, 李光镛, 李豪燮, 金正宪 申请人:韩国轮胎株式会社