專利名稱：：燃料電池隔板用成型材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及燃料電池隔板用成型材料，更詳細(xì)地講，涉及通過(guò)在混合膨脹石墨和非膨脹石墨而成的石墨復(fù)合體上，添加炭黑、碳纖維、以及碳納米管中的至少一種和樹(shù)脂，從而能夠同時(shí)提高導(dǎo)電性和機(jī)械性能的燃料電池隔板用成型材料。
背景技術(shù)：
：通常，燃料電池是指通過(guò)作為燃料的氫和氧的電化學(xué)反應(yīng)，在無(wú)需經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程的情況下，能夠直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。該燃料電池與必須進(jìn)行填充的以往的電池不同，可通過(guò)提供氫和氧來(lái)能夠連續(xù)產(chǎn)出電。構(gòu)成作為燃料電池核心部件的電池堆的物質(zhì)是膜/電極接合體(membraneelectrodeassembly:MEA)禾P隔板(bipolarplate/s印arator)。其中，隔板承擔(dān)著使通過(guò)氫及氧的供給、催化反應(yīng)產(chǎn)生的電子移動(dòng)的通路的作用，以及用于保持各單元電池之間絕緣的分隔的作用。通常，這樣的燃料電池用隔板是通過(guò)將石墨及炭黑等的導(dǎo)電性填充材料配合、充填在樹(shù)脂中而制造。此時(shí)，為了提高隔板的導(dǎo)電性，增加導(dǎo)電性填充材料的含量(減少樹(shù)脂含量)，但若過(guò)度增加，不僅因材料流動(dòng)性的降低而導(dǎo)致成型性的下降，而且，由于機(jī)械強(qiáng)度降低、用于減少緊固燃料電池堆時(shí)隔板之間接觸阻力的緊固壓力增加，因此，存在著隔板容易破損的問(wèn)題。因此，為了解決以提高導(dǎo)電性為目的而增加導(dǎo)電性填充材料含量時(shí)所產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)即使不增加導(dǎo)電性填充材料含量也可以提高導(dǎo)電性的方法展開(kāi)了研究。作為此種方法之一，嘗試了采用使一直以來(lái)使用的普通石墨向石墨結(jié)晶的c軸方向膨脹的膨脹石墨，并開(kāi)發(fā)出了混合膨脹石墨和樹(shù)脂而成的隔板。然而，如上所述制造的隔板，與由普通石墨制造的隔板相比，雖然其導(dǎo)電性是提高了，但機(jī)械強(qiáng)度有了顯著的降低，存在著在緊固燃料電池堆時(shí)隔板容易破損的問(wèn)題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了解決上述
背景技術(shù)：
中存在的問(wèn)題而提出，而且，本發(fā)明的目的在于，提供一種通過(guò)以適當(dāng)?shù)谋嚷驶旌咸匦圆煌膸追N石墨并加以使用，能夠同時(shí)提高燃料電池隔板的導(dǎo)電性和機(jī)械性能的燃料電池隔板用成型材料。另外，本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供對(duì)本發(fā)明的材料加以成型而制作的燃料電池隔板以及具有該隔板的燃料電池。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的的技術(shù)方案之一是，提供一種燃料電池隔板用成型材料，其包含49.995重量％的石墨復(fù)合體，所述石墨復(fù)合體是將平均粒子大小為20200iim的膨脹石墨和非膨脹石墨加以混合而成，膨脹石墨和非膨脹石墨的混合比率以重量％表示為io:9070:30;o.i10重量％的導(dǎo)電性填充材料，所述導(dǎo)電性填充材料是由炭黑、碳纖維、以及碳納米管組成的組中選出的至少一種；以及450重量％的樹(shù)脂，所述樹(shù)脂是選自熱塑性樹(shù)脂及熱固性樹(shù)脂中的至少一種。上述石墨復(fù)合體中的非膨脹石墨，是將平均粒子大小為20200ym的板狀石墨和粒子大小為580iim的球狀石墨以重量X表示為20:8080:20的混合比率加以混合而成。本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是，提供由本發(fā)明的燃料電池隔板用成型材料制造的燃料電池隔板以及具有該燃料電池隔板的燃料電池。發(fā)明的效果根據(jù)如上所述的本發(fā)明燃料電池隔板用成型材料，通過(guò)以適當(dāng)?shù)谋嚷驶旌咸匦圆煌膸追N石墨而形成材料，不僅能夠提高燃料電池隔板的機(jī)械強(qiáng)度，而且還可以得到提高表面導(dǎo)電率的優(yōu)異效果。圖1為表示本發(fā)明的由實(shí)施例以及比較例得到的隔板的彎曲強(qiáng)度以及導(dǎo)電率的圖表。具體實(shí)施例方式下面，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。本發(fā)明的燃料電池隔板用成型材料是將石墨復(fù)合體、導(dǎo)電性填充材料以及樹(shù)脂加以混合而成，其中，所述導(dǎo)電性填充材料是由炭黑、碳纖維、以及碳納米管組成的組中選出的至少一種導(dǎo)電性填充材料；所述樹(shù)脂是選自熱塑性樹(shù)脂及熱固性樹(shù)脂中的至少一種。在此，上述材料的混合比率是上述石墨復(fù)合體為49.995重量％，由上述炭黑、碳纖維、以及碳納米管組成的組中選出的至少一種導(dǎo)電性填充材料為0.110重量％，以及選自上述熱塑性樹(shù)脂及熱固性樹(shù)脂中的至少一種樹(shù)脂為450重量％。在本發(fā)明中，上述石墨復(fù)合體是將膨脹石墨和非膨脹石墨加以混合而成。若為了提高導(dǎo)電性而僅使用膨脹石墨時(shí)，存在著燃料電池隔板的機(jī)械強(qiáng)度降低的問(wèn)題，因此，為了防止機(jī)械強(qiáng)度的降低，將膨脹石墨和非膨脹石墨進(jìn)行混合而使用。優(yōu)選的是，將上述膨脹石墨和非膨脹石墨以重量％表示為io:9070:30的混合比率加以混合而使用。為了提高導(dǎo)電性，優(yōu)選上述非膨脹石墨是將粒子大小相對(duì)小的球狀石墨和粒子大小相對(duì)大的板狀石墨加以配合而形成，優(yōu)選將上述板狀石墨和球狀石墨以重量％表示為20:8080:20的比率加以配合而形成。在此，作為上述石墨復(fù)合體的平均粒子大小，優(yōu)選上述膨脹石墨的大小為20200iim、上述板狀石墨的大小為20200ym、上述球狀石墨大小為580ym。在此，選擇粒子大小小的球狀石墨的理由是粒子變小能夠防止流動(dòng)性降低的緣故。作為上述導(dǎo)電性填充材料的炭黑，是為了彌補(bǔ)導(dǎo)電性因混合上述非膨脹石墨而比膨脹石墨降低的現(xiàn)象而添加，是為了提高導(dǎo)電性及機(jī)械強(qiáng)度而使用，但可根據(jù)情況，用碳纖維或碳納米管來(lái)代替上述炭黑。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選導(dǎo)電性填充材料的含量為0.110重量％。若所述含量低于0.1重量％，則難以體現(xiàn)提高導(dǎo)電性的效果，相反，若超過(guò)10重量％，則由于流動(dòng)性的急劇下降而導(dǎo)致成型不良及強(qiáng)度下降等問(wèn)題。作為上述樹(shù)脂，可使用熱塑性樹(shù)脂、熱固性樹(shù)脂、或它們的混合樹(shù)脂，上述熱塑性樹(shù)脂是由聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、液晶性聚合物、聚醚醚酮、聚酰亞胺、以及聚醚砜組成的組中選出的一種或兩種以上。上述熱固性樹(shù)脂可包含選自環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂中的一種或它們的混合樹(shù)脂。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選選自熱塑性樹(shù)脂和熱固性樹(shù)脂中的至少一種樹(shù)脂的含量為450重量％。若所述含量低于4重量％，則存在著因流動(dòng)性的急劇下降引起成型不良及強(qiáng)度下降的問(wèn)題，相反，若超過(guò)50重量％，則導(dǎo)致導(dǎo)電性非常差的問(wèn)題。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式涉及由本發(fā)明的材料制作的燃料電池隔板。本發(fā)明的燃料電池隔板是通過(guò)對(duì)成型材料進(jìn)行注塑成型或壓縮成型而制造。在上述燃料電池隔板的一側(cè)形成有空氣流路，另一側(cè)形成有燃料流路，而中央形成有冷卻流路，由此形成一個(gè)電極，從而氣體通過(guò)各流路而流動(dòng)，并移動(dòng)至電極的氣體擴(kuò)散層，在催化劑層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，是具有由本發(fā)明的材料制造的燃料電池隔板的燃料電池。對(duì)本發(fā)明的燃料電池結(jié)構(gòu)沒(méi)有特別的限定。作為其中一例，本發(fā)明的燃料電池由通過(guò)氫的氧化反應(yīng)產(chǎn)生氫離子和電子的氧化電極、通過(guò)空氣的還原反應(yīng)生成水的還原電極、以及使由氧化電極產(chǎn)生的氫離子傳達(dá)至還原電極的電解質(zhì)構(gòu)成。將電解質(zhì)層介于氧化電極和還原電極之間的方式稱作膜/電極接合體(MEA)，該膜/電極接合體位于隔板與隔板之間而構(gòu)成電池單元。在燃料電池中，由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流通過(guò)作為導(dǎo)電體的隔板流動(dòng)，最終可從該隔板取出電而使用。另外，由電化學(xué)反應(yīng)生成的水通過(guò)隔板的流路而被排出至外部。下面，根據(jù)具體的實(shí)施例和比較例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。但是，下述實(shí)施例是用于說(shuō)明本發(fā)明，本發(fā)明并不限定于下述實(shí)施例。實(shí)施例通過(guò)干式混合機(jī)，以3:l的重量比將石墨和平均粒子大小為170ym的膨脹石墨加以混合，其中，所述石墨是以3:1的重量比將平均粒子大小為70ym的板狀石墨和平均粒子大小為20iim的球狀石墨加以混合而成。將75重量％的如上所述混合的石墨、2重量％的炭黑以及23重量％的作為熱塑性樹(shù)脂的聚丙烯樹(shù)脂，利用擠出機(jī)進(jìn)行混合而制成顆粒狀。將如此制造的顆粒狀隔板材料通過(guò)注塑機(jī)進(jìn)行注塑成型而制造隔板。測(cè)定所得隔板的彎曲強(qiáng)度以及導(dǎo)電率，并示于下述表1及圖1中。比較例1除了不添加球狀石墨，在以3:1的重量比混合板狀石墨和膨脹石墨為而成的石墨75重量％中，混合2重量％的炭黑、23重量％作為熱塑性樹(shù)脂的聚丙烯以外，與實(shí)施例相同地實(shí)施而制造隔板。測(cè)定所得隔板的彎曲強(qiáng)度及導(dǎo)電率，并示于下述表1及圖1中。比較例2除了不添加球狀石墨和炭黑，在僅將板狀石墨和膨脹石墨以3:l的重量比混合而成的石墨77重量％中，混合23重量％作為熱塑性樹(shù)脂的聚丙烯以外，與實(shí)施例相同地實(shí)施而制造隔板。測(cè)定所得隔板的彎曲強(qiáng)度及導(dǎo)電率，并示于下述表1及圖1中。比較例3不添加板狀石墨、球狀石墨、炭黑，只使用膨脹石墨，分別混合77重量％的該膨脹石墨和23重量％作為熱塑性樹(shù)脂的聚丙烯，除此之外，與實(shí)施例相同地實(shí)施而制造隔板。測(cè)定所得隔板的彎曲強(qiáng)度及導(dǎo)電率，并示于下述表1及圖1中。比較例4不添加膨脹石墨、球狀石墨、炭黑，只使用普通的板狀石墨，分別混合77重量％的該普通的板狀石墨和23重量％作為熱塑性樹(shù)脂的聚丙烯，除此之外，與實(shí)施例相同地實(shí)施而制造隔板。測(cè)定所得隔板的彎曲強(qiáng)度及導(dǎo)電率，并示于下述表1及圖1中。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>[物性評(píng)價(jià)方法]*彎曲強(qiáng)度根據(jù)ASTMD790-03試驗(yàn)條件，使用相當(dāng)于厚度為1.6mm以下情況的50.8mmX12.7mm的試驗(yàn)片，以25.4mm的跨距(span)進(jìn)行測(cè)定。*導(dǎo)電率導(dǎo)電率是通過(guò)四探針電阻測(cè)定方法測(cè)定，根據(jù)測(cè)定裝置的規(guī)定，采用了50mmX50mm的試片。試片的厚度在換算方塊電阻(sheetresistance)以及導(dǎo)電率時(shí)，作為變數(shù)代入換算式，而且，根據(jù)厚度采用不同的修正系數(shù)而進(jìn)行換算。從表1及圖1的結(jié)果明確可知，僅使用膨脹石墨而制造的比較例3，相比于僅使用沒(méi)有膨脹的板狀石墨的比較例4，雖然其導(dǎo)電率優(yōu)異，但彎曲強(qiáng)度急劇降低。為了防止這樣的彎曲強(qiáng)度的下降而進(jìn)行的混合了板狀石墨和膨脹石墨的比較例2中，雖然彎曲強(qiáng)度有了某種程度的提高，但導(dǎo)電率有進(jìn)一步的降低。而在板狀石墨和膨脹石墨的混合物中進(jìn)一步混合炭黑的比較例1中，可以重新恢復(fù)所降低的導(dǎo)電率。在實(shí)施例中，通過(guò)配合粒子大小比板狀石墨相對(duì)小的石墨，提高了導(dǎo)電率，并為了恢復(fù)因添加炭黑所降低的流動(dòng)性，選擇了粒子形狀為球狀的石墨。其結(jié)果，通過(guò)實(shí)施例能夠同時(shí)大幅提高機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電率。以上，參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明了本發(fā)明，但這只不過(guò)是例示，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)上述內(nèi)容進(jìn)行多種變形及同等效果的其他實(shí)施例。因此，本發(fā)明真正的技術(shù)保護(hù)范圍，應(yīng)該根據(jù)權(quán)利要求書的技術(shù)思想來(lái)決定。權(quán)利要求一種燃料電池隔板用成型材料，其特征在于，包含49.9～95重量％的石墨復(fù)合體，所述石墨復(fù)合體是將膨脹石墨和非膨脹石墨加以混合而成，膨脹石墨和非膨脹石墨的混合比率以重量％表示為10∶90～70∶30，0.1～10重量％的導(dǎo)電性填充材料，所述導(dǎo)電性填充材料是由炭黑、碳纖維、以及碳納米管組成的組中選出的至少一種，以及4～50重量％的樹(shù)脂，所述樹(shù)脂是選自熱塑性樹(shù)脂及熱固性樹(shù)脂中的至少一種，上述非膨脹石墨是將板狀石墨和球狀石墨以重量％表示為20∶80～80∶20的混合比率加以混合而成。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池隔板用成型材料，其特征在于，上述石墨復(fù)合體包含平均粒子大小為20200iim的膨脹石墨、平均粒子大小為20200ym的板狀石墨、以及平均粒子大小為580ii的球狀石墨。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池隔板用成型材料，其特征在于，上述熱塑性樹(shù)脂是由聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯硫醚、液晶性聚合物、聚醚醚酮、聚酰亞胺、以及聚醚砜組成的組中選出的一種或兩種以上，上述熱固性樹(shù)脂是選自環(huán)氧樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂中的一種或兩種以上的混合樹(shù)脂。4.一種燃料電池隔板，其是對(duì)權(quán)利要求13中任一項(xiàng)所述的燃料電池隔板用成型材料加以成型而制造。5.—種燃料電池，其具有權(quán)利要求4所述的燃料電池隔板。全文摘要本發(fā)明提供通過(guò)在混合膨脹石墨和非膨脹石墨而成的石墨復(fù)合體上，添加炭黑、碳纖維、以及碳納米管中的至少一種和樹(shù)脂，從而能夠同時(shí)提高導(dǎo)電性和機(jī)械性能的燃料電池隔板用成型材料。文檔編號(hào)H01M8/02GK101740743SQ200910148679公開(kāi)日2010年6月16日申請(qǐng)日期2009年6月25日優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日發(fā)明者任南益,李光鏞,李豪燮,柳承勛,金正憲申請(qǐng)人:韓國(guó)輪胎株式會(huì)社