專利名稱：燃料電池分離板的成型用材料及其制造方法、燃料電池分離板和燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池分離板的成型用材料及其制造方法、燃料電池分離板和燃料電池。
背景技術(shù)：
燃料電池由作為本體的電池組、由天然氣、甲醇等原料重整為氫的重整器、將發(fā)電狀態(tài)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷闹绷?交流轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。其中，電池堆由幾片 幾十片氫分離板和空氣極分離板形成。雖然分離板是支撐電池組的支撐體，但其優(yōu)選具有傳導(dǎo)性，因此必須為機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率都優(yōu)異的材料。此外，為了電池組和體系的輕量化，已經(jīng)提出必須需要維持機(jī)械強(qiáng)度和電導(dǎo)率等物性，并且減少分離板的重量和厚度。目前，作為燃料電池用分離板的材料，可以使用金屬、石墨塊、碳復(fù)合物等。然而， 除碳復(fù)合物之外的材料，由于腐蝕性、弱機(jī)械強(qiáng)度、重量較大等原因，因此適用性差。相反， 碳復(fù)合物具有可完全彌補(bǔ)這些缺陷的優(yōu)點(diǎn)，因此受到關(guān)注。此外，在使用碳復(fù)合物時(shí)，可以成型為復(fù)雜的流路形狀，因此還具有降低制造費(fèi)用，能夠大量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。作為可用于碳復(fù)合物的粘結(jié)劑，目前使用乙烯基酯系、酚系、環(huán)氧系等熱固性樹脂，和聚丙烯(PP)、氟系高分子(PVDF)、液晶高分子(LCP)、聚苯硫醚(PPQ等熱塑性樹脂。 其中，在使用熱固性樹脂時(shí)，在樹脂的特性方面以及分離板的輕量化上較為困難。另一方面，熱塑性樹脂，不僅容易輕量化，而且通過注射成型很容易大量生產(chǎn)，因此由于降低分離板的成本，從而認(rèn)為其有助于燃料電池的商業(yè)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種燃料電池分離板的成型用材料，使用作為熱塑性樹脂的發(fā)泡聚丙烯(EPP)、發(fā)泡聚乙烯(EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)等作為粘結(jié)劑，并具有和以往相同或更高的電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度，增加了應(yīng)變，能夠使分離板輕量化。并且，本發(fā)明的目的也在于提供一種前述燃料電池分離板的成型用材料的制造方法。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種由前述燃料電池分離板的成型用材料所制造的燃料電池分離板和燃料電池。本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料，其特征在于，通過混合以及熔融混煉來配合選自發(fā)泡聚丙烯(EPP)、發(fā)泡聚乙烯(Expanded polyethylene :EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯 (Expanded polystylene :EPS)中至少一種的粘結(jié)劑，選自天然板狀石墨、膨脹石墨、人造板狀石墨、人造球狀石墨中至少兩種的石墨復(fù)合物，以及選自碳黑、碳纖維、碳納米管中至少一種的導(dǎo)電性填充劑。
本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，特征在于，使用密煉機(jī)或單軸(single)、雙軸(twin)、12軸(ring)擠出機(jī)混合以及熔融混煉選自發(fā)泡聚丙烯(EPP)、 發(fā)泡聚乙烯(Expanded polyethylene :EPE)、發(fā)泡聚苯乙 (Expanded polystylene :EPS) 中至少一種的粘結(jié)劑，選自天然板狀石墨、膨脹石墨、人造板狀石墨、人造球狀石墨中至少兩種的石墨復(fù)合物，以及選自碳黑、碳纖維、碳納米管中至少一種的導(dǎo)電性填充劑，制造為粉末或顆粒狀態(tài)。本發(fā)明的特征是，使用通過上述方法所制造的燃料電池分離板的成型用材料所成型的燃料電池分離板，以及使用該分離板的燃料電池。


圖1 4是示出對(duì)本發(fā)明實(shí)施例和比較例所制造的燃料電池分離板測(cè)定電導(dǎo)率、 彎曲強(qiáng)度、應(yīng)變和密度的結(jié)果曲線圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料中，使用選自發(fā)泡聚丙烯(EPP)、發(fā)泡聚乙烯(EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)中的任一種作為粘結(jié)劑，它們?cè)谟糜谌剂想姵胤蛛x板時(shí)， 耐化學(xué)性、耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度等物性優(yōu)異，并且和填充劑的混煉性以及分散性也優(yōu)異。優(yōu)選使用其膨脹度(發(fā)泡度)發(fā)泡為通常使用的聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)的 1. 1 45倍的材料，并且添加的組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，優(yōu)選為5 45重量％。在本發(fā)明中，較好是選擇使用發(fā)泡聚丙烯作為粘結(jié)劑。在本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料中，可以選擇使用具有0. 005 0. 25mm 粒子尺寸的天然板狀石墨、膨脹石墨、人造板狀石墨、人造球狀石墨中的至少兩種作為石墨復(fù)合物，其組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，優(yōu)選為1 80重量％。在本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料中，可以選擇使用碳黑、碳纖維、碳納米管中的至少一種作為導(dǎo)電性填充劑，其組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，優(yōu)選為0. 01 15重量％。選擇使用這些導(dǎo)電性填充劑的表面積為200 1300m2/ g的材料，適合于提高分離板的傳導(dǎo)性，其中最優(yōu)選碳黑。本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，是將前述粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑通過具有不同供給部的各個(gè)進(jìn)料器(feeder)投入到密煉機(jī)(internal mixer) 或單軸、雙軸或12軸的擠出機(jī)中，然后混合前述材料。這時(shí)，為了使石墨復(fù)合物和填充劑很容易地進(jìn)入粘結(jié)劑的內(nèi)部、外部氣孔，通常使用如下方式先供給比0. 005 0. 5mm的氣孔尺寸小的石墨復(fù)合物和填充劑，然后再混合比氣孔尺寸大的石墨復(fù)合物。此處，為了不使膨脹的粘結(jié)劑再收縮而導(dǎo)致氣孔消失，調(diào)節(jié)密煉機(jī)或擠出機(jī)每個(gè)區(qū)間的溫度是非常重要的。例如，在使用密煉機(jī)時(shí)，為了制造成批(batch)形態(tài)的材料，優(yōu)選使螺桿和機(jī)筒的整體溫度比粘結(jié)劑的溶融溫度低10°c以下開始混合，并緩慢地將溫度上升至粘結(jié)劑的溶融溫度以上進(jìn)行制造。
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在使用擠出機(jī)時(shí)，優(yōu)選從供給粘結(jié)劑的區(qū)間到供給石墨復(fù)合物和填充劑的區(qū)間的溫度，和使用密煉機(jī)時(shí)相同，維持在比粘結(jié)劑的溶融溫度低10°c以下，然后到供給石墨復(fù)合物的區(qū)間為溶融溫度以上，并且每一段區(qū)間，例如每2 5個(gè)區(qū)間增加溫度5 100°C進(jìn)行制造?？梢詫⑼ㄟ^上述方法所制造的材料混合物加壓成型或注射成型為粉末或顆粒狀態(tài)，從而制造分離板。以下，基于實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說明。實(shí)施例1使用成型機(jī)混煉19重量％發(fā)泡聚丙烯(EPP) ,58. 5重量％板狀石墨、19. 5重量％ 膨脹石墨、3重量％傳導(dǎo)性碳黑，并使用擠壓機(jī)將燃料電池分離板的成型用材料制造為 100 X 100 X 2mm 的大小。此處，作為發(fā)泡聚丙烯使用膨脹至3倍的材料(膨脹前為1倍)，板狀石墨和膨脹石墨使用平均粒度為70μπι的石墨。此外，傳導(dǎo)性碳黑使用800m3碳黑。比較例1除了在前述實(shí)施例1中，使用一般的聚丙烯作為粘結(jié)劑外，和前述實(shí)施例1同樣實(shí)施，制造燃料電池分離板的成型用材料。測(cè)定由前述實(shí)施例1和比較例1所成型的分離板的電導(dǎo)率(ASTM F84)、彎曲強(qiáng)度 (ASTM D790)、應(yīng)變(ASTM D790)和密度，結(jié)果如圖1 4所示，由此可知在使用發(fā)泡聚丙烯時(shí)，電導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度和以往相同或更高，密度減小(輕量化)。此外可知，在相同的彎曲強(qiáng)度下，在使用發(fā)泡聚丙烯時(shí)，由于應(yīng)變?cè)黾?，因此產(chǎn)生對(duì)分離板厚度變小影響的可能性大。作為本發(fā)明的燃料電池分離板的成型用材料，以作為熱塑性樹脂的發(fā)泡聚丙烯 (EPP)、發(fā)泡聚乙烯(EPE)、和發(fā)泡聚苯乙烯(EPQ等作為粘結(jié)劑，產(chǎn)生了具有和以往相同或更高的電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度，增加了應(yīng)變，以及能夠使分離板輕量化的效果。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池分離板的成型用材料，其特征在于，通過混合以及熔融混煉來配合選自發(fā)泡聚丙烯(EPP)、發(fā)泡聚乙烯(Expanded polyethylene :EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯 (Expanded polystylene :EPS)中至少一種的粘結(jié)劑，選自天然板狀石墨、膨脹石墨、人造板狀石墨、人造球狀石墨中至少兩種的石墨復(fù)合物，以及選自碳黑、碳纖維、碳納米管中至少一種的導(dǎo)電性填充劑。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池分離板的成型用材料，其特征在于，前述粘結(jié)劑是膨脹度與通常使用的聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯相比發(fā)泡到1. 1 45倍的材料，并且其組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，為5 45重量％。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池分離板的成型用材料，其特征在于，前述石墨復(fù)合物具有0. 005 0. 25mm的粒子尺寸，并且其組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物、填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，為1 80重量％。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池分離板的成型用材料，其特征在于，前述導(dǎo)電性填充劑的組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物、填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，為0. 01 15重量％。
5.一種燃料電池分離時(shí)用材料的制造方法，其特征在于，使用密煉機(jī)或擠出機(jī)混合以及熔融混煉選自發(fā)泡聚丙烯(EPP)、發(fā)泡聚乙烯(Expandedpolyethylene :EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯(Expanded polystylene =EPS)中至少一種的粘結(jié)劑，選自天然板狀石墨、膨脹石墨、 人造板狀石墨、人造球狀石墨中至少兩種的石墨復(fù)合物，以及選自碳黑、碳纖維、碳納米管中至少一種的導(dǎo)電性填充劑，并將其制造為粉末或顆粒狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述粘結(jié)劑是其膨脹度與通常使用的聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯相比發(fā)泡到1. 1 45倍的材料， 并且其組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，為5 45重量％。
7.如權(quán)利要求5所述的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述石墨復(fù)合物具有0. 005 0. 25mm的粒子尺寸，并且其組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物、填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，為1 80重量％。
8.如權(quán)利要求5所述的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述導(dǎo)電性填充劑的組成比，以粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物、填充劑的全體混合物為基準(zhǔn)，為0. 01 15 重量％。
9.如權(quán)利要求5所述的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，其特征在于，前述粘結(jié)劑、石墨復(fù)合物和填充劑通過具有不同供給部的各個(gè)進(jìn)料器投入到前述密煉機(jī)或擠出機(jī)中，并且相對(duì)于粘結(jié)劑，先供給比0. 005 0. 5mm的氣孔尺寸小的石墨復(fù)合物和填充劑， 然后再混合比氣孔尺寸大的其它石墨復(fù)合物。
10.如權(quán)利要求5或9所述的燃料電池分離板的成型用材料的制造方法，其特征在于， 在使用前述密煉機(jī)時(shí)，將供給前述粘結(jié)劑的區(qū)間到供給石墨復(fù)合物和填充劑的區(qū)間的溫度，維持在比粘結(jié)劑的溶融溫度低10°c以下，并且一邊混合一邊緩慢地將溫度升高至熔融溫度以上。
11.如權(quán)利要求5或9所述的燃料電池分離板的成型用材料，其特征在于，在使用前述擠出機(jī)時(shí)，將供給前述粘結(jié)劑的區(qū)間到供給石墨復(fù)合物和填充劑的區(qū)間的溫度，維持在比粘結(jié)劑的溶融溫度低10°C以下，然后直到供給石墨復(fù)合物的區(qū)間達(dá)到溶融溫度以上，并且每隔一段區(qū)間，增加5 100°C。
12.一種燃料電池分離板，其特征在于，使用權(quán)利要求5至11任一項(xiàng)所述的燃料電池分離板的成型用材料。
13.一種燃料電池，其特征在于，采用權(quán)利要求12所述的燃料電池分離板。
全文摘要
本發(fā)明提供一種燃料電池分離板的成型用材料，使用作為熱塑性樹脂的發(fā)泡聚丙烯(EPP)、發(fā)泡聚乙烯(EPE)、發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)等作為粘結(jié)劑，具有和以往相同或更高的電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度，增加了應(yīng)變，能夠使分離板輕量化。
文檔編號(hào)H01M8/02GK102299355SQ20101056347
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2010年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者任南益, 李光鏞, 李豪燮, 金正憲 申請(qǐng)人:韓國輪胎株式會(huì)社