燃料电池双极板的生产方法、燃料电池双极板和燃料电池技术

一种燃料电池双极板的生产方法，该方法涉及到将包括导电粉末和直径为０．１－２０μｍ的热塑性树脂纤维的无纺布加热软化，然后将软化的无纺布成型。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】燃料电池双极板的生产方法、燃料电池双极板和燃料电池
本专利技术涉及用在燃料电池如用作汽车电源、便携式电源和应急电源的磷酸燃料电池和固体聚合物燃料电池中的燃料电池双极板的生产方法。本专利技术还涉及燃料电池。本专利技术要求2003年5月8日提交的日本专利申请2003-130170的优先权，此处引入该申请作为参考。
技术介绍
将氢和氧进行电化学反应得到的能量提取出来作为电能的燃料电池开始应用在包括汽车的多个领域中。这些燃料电池一般包括串联堆叠的基本结构单元(单元电池)，单元电池包括电介质膜、电极和双极板。这样能够保证得到电能(发电)。用在这些燃料电池中的双极板需要具有导电性，以提高燃料电池的发电效率，需要具有气密性，以防止燃料泄漏和氧化剂气体进入电池。所以双极板的厚度误差必须很小。燃料电池双极板还需要具有包括在燃料电池工作环境中的耐热性和耐化学性的性能。近来，特别是在汽车及相关领域中，需要尺寸更小的燃料电池，从而需要更薄的双极板。从经济前景分析，还需要生产率(生产能力)更大且生产成本更低的工艺方法。例如，JP-A 5-307967公开了一种能够生产既有优异的气密性又很薄的双极板的生产方法。在该方法中，由母体纤维如丙烯酸纤维和通过烘烤转化成碳纤维的纸浆组成并通过造纸法形成的薄片用其中悬浮有碳质粉末的有机聚合物溶液浸泡和涂覆。将多个浸泡和涂覆后的薄片层叠，然后进行旨在稳定化的热处理及加热和烘烤处理。但是，因为该现有技术的双极板生产方法包括烘烤步骤，所以在烘烤步骤中有机物会挥发，有时候会形成细微的针孔。因此，为了达到足够-->的气密性，双极板必须有更大的厚度，这会降低导电性。另外，因为双极板易碎，易于损坏，所以会出现难以将其安装在活动平台如汽车上或难以携带它们的问题。生产这些双极板还需要一系列复杂的操作，其中，用其中悬浮有碳质粉末的有机聚合物溶液将形成的薄片浸泡和涂覆。将得到的浸泡和涂覆后的薄片层叠，加热使其稳定化，然后再加热和烘烤。JP-B 64-340和JP-A 10-334927公开了没有这些复杂操作的双极板生产方法。在这些方法中，双极板是通过将石墨粉和热固性树脂的捏合混合物模塑得到的。但是，这些现有技术使用了热固性树脂，一般需要几分钟的固化时间，这就延长了模塑周期，从而在生产率方面有缺点。另外，这些现有技术使用热固性树脂如通用的酚醛树脂。当使用热固性树脂时，因为在反应过程中产生了产品水和副产品气体，所以在双极板内部和表面处形成气泡和气孔。因此，除厚度误差大以外，双极板还具有诸如翘曲和膨胀的缺陷。所以，将这样的双极板用在燃料电池中会出现问题。为了解决这些问题，JP-A 2000-133281公开了用通过粘结和固定导电性纤维和热塑性树脂纤维制备的薄片状材料生产燃料电池双极板的方法。用该现有技术的生产方法可以得到既薄又具有良好机械性能的燃料电池双极板；但是，为了保证双极板的气密性，导电纤维在燃料电池双极板中的含量必须不高于55wt％。在导电纤维含量如此低的双极板中，作为导电性指标的厚度方向上的电阻率约为500mΩ/cm2。这些燃料电池双极板肯定没有足够高的导电性。近年来，有时候需要厚度方向上的体积电阻率不超过几十mΩ.cm的燃料电池双极板，所以需要改善导电性。为了生产厚度方向上的体积电阻率不超过几十mΩ.cm的燃料电池双极板，必须将导电材料如碳材料在燃料电池双极板中的含量设置为约70wt％或更高。但是，在JP-A2000-133281公开的双极板生产方法中，在导电纤维含量设置为70wt％或更高的情况下，同样在该现有技术的公开文本中，我们注意到，作为燃料电池双极板基本性能之一的气密性显著下降。除上述生产方法外，例如JP-A2001-122677教导了使用热塑性树脂-->的生产方法，该方法具有优异的生产率，该方法涉及到将用包括热塑性树脂和导电材料的组合物制成的复合薄片压印，形成燃料电池双极板。在该方法中，在加热条件下将含有热塑性树脂和导电材料的树脂组合物捏合。然后用合适的方法如挤压、砑光或滚压法对树脂组合物加热加压，使其孔隙率为20％或更小，从而形成厚度为1-10mm的可压印薄片(复合薄片)。然后用压印法将可压印薄片成型，产生燃料电池双极板。但是在该方法中，形成孔隙率为20％或更小的薄片需要在热塑性树脂和导电材料上施加很大的剪切力和压力。在这样的条件下，导电材料被压碎，致使得到的双极板导电性下降。当为提高导电性而将导电材料的含量设置为80wt％或更高时，用挤压法或滚压法难以平滑地形成薄片。因此，为了在压印过程中具有更好的处理性能及由于其他原因，必须形成厚片。事实证明，很难降低双极板的厚度。另外，即使用具有凸凹形状的模具如用于形成气流通道的模具压印导电材料的含量为80wt％或更高的薄片，也难以保证模具图案的稳定转印。所以易于出现差的尺寸精确度，厚度误差变大。最终如此得到的双极板在厚度方向上没有良好的体积电阻率。还可以将热塑性树脂粉末和导电材料粉末混合，至少将混合物加热到热塑性树脂的熔融温度，在不施加很大剪切力或压力的条件下使混合物形成薄片。但是，因为用这种方法得到的薄片孔隙率高，不易于保持薄片形式，所以难以将它们用作可压印模塑的薄片。如上所述，目前尚不存在满足所有性能要求的燃料电池双极板，这些性能要求包括厚度误差、导电性、气密性、厚度，还要有优异的生产率。为了提高燃料电池双极板生产方法的生产率，我们认为：使用热塑性树脂是有利的，因为在模塑过程中这种树脂不需要固化反应时间。所以我们预制了包括树脂组合物的薄片状材料，树脂组合物含有热塑性树脂和导电材料，对用已知模塑法如压模法使这种薄片状材料成型的技术进行了反复研究。但是，我们用上述现有技术不能解决(减轻)某些问题，例如，当为了生产高导电性双极板而提高导电材料的含量时出现的由于厚度变化导致-->的双极板气密性下降和尺寸精确度下降的问题。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种燃料电池双极板的生产方法，该方法的工艺复杂性低，具有良好的生产率，其中，即使导电粉末的含量至少是70wt％时，生产的燃料电池双极板能比以前的都薄，在尺寸上很精确，例如特别是厚度误差小，具有优异的导电性和气密性。本专利技术的其他目的是提供这样的燃料电池双极板和使用该燃料电池双极板的燃料电池。我们对现有技术中出现的这些问题审视后发现：在上述现有技术JP-A2000-133281公开的技术中，使用通过粘结和固定导电性纤维和热塑性树脂纤维得到的薄片状材料，当导电性纤维的含量超过55wt％时，在热塑性树脂纤维和导电性纤维之间形成间隙。气体流经这些间隙，使双极板的气密性下降。在上述JP-A2001-122677公开的方法中，该方法涉及到用含有热塑性树脂和导电材料的树脂组合物制成的薄片的使用，在加热加压条件下生产可压印薄片，例如，将其孔隙率设置为20％或更小。在对该树脂组合物加热加压过程中，必须在热塑性树脂和导电材料上施加很大的剪切力和压力。我们发现：在这些条件下，导电材料如石墨被压碎，使其粒度下降，从而不可能达到需要的电阻率。另外，为了提高诸如气流通道的形状的尺寸精确度而用模具印模(stamp-mold)上述薄片(可压印薄片)时，必须施加压力，挤压加热软化的薄片。但是，在树脂组合物含有高浓度的导电材料的情况下，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池双极板的生产方法，该方法包括：将包括导电粉末和直径为０．１－２０μｍ的热塑性树脂纤维的无纺布加热和软化，然后将软化的无纺布成型。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-5-8 130170/20031、一种燃料电池双极板的生产方法，该方法包括：将包括导电粉末和直径为0.1-20μm的热塑性树脂纤维的无纺布加热和软化，然后将软化的无纺布成型。2、根据权利要求1的燃料电池双极板的生产方法，其中，无纺布中导电粉末的含量是70wt％或更高。3、根据权利要求1的燃料电池双极板的生产方法，其中，导电粉末的平均粒度至少是热塑性树脂纤维直径的十倍，但是不能超过热塑性树脂纤维长度的三分之一。4、根据权利要求1的燃料电池双极板的生产方法，其中，无纺布的孔隙率是50％或更高。5、根据权利要求1的燃料电池双极板的生产方法，其中，热塑性树脂纤维是聚苯撑硫树脂纤维。6、根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋建业，原田哲哉，井筒齐，
申请(专利权)人：大日本油墨化学工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]