用作燃料电池部件基底的石墨制品制造技术

提供了以柔性石墨板（１０）形式存在的石墨制品，所述柔性石墨板具有穿过该板的横向流体通道（２０），和在板的一个表面上形成的与多条横向流体通道连通的沟槽（３００），其中所述开口沟槽包括沟槽底面（３１０）和沟槽壁（３２０），所述沟槽壁具有穿过其中的横向流体通道。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
用作燃料电池部件基底的石墨制品
本专利技术涉及一种由带沟槽的柔性石墨板形成的在横向方向上流体可渗透并且在导热性和导电性方面具有增强的各向同性的制品。本专利技术的制品可用于形成电化学燃料电池的部件。
技术介绍
离子交换膜燃料电池，更具体而言质子交换膜(PEM)燃料电池，通过氢和空气中氧的化学反应产生电流。在燃料电池中，表示阳极和阴极的电极围绕聚合物电解质形成通常所说的膜电极组件，或者叫MEA。电极有时也作为燃料电池的气体扩散层(或GDL)。催化剂材料促进氢分子分离为氢原子，然后在膜处每个原子分离为质子和电子。电子作为电能得以应用。质子迁移通过电解质，并与氧和电子结合形成水。PEM燃料电池包括夹在两块流场板中间的膜电极组件。按照常规，膜电极组件包括带有催化剂材料薄层的随机取向的碳纤维纸电极(阳极和阴极)，特别是将铂或铂族金属涂覆在各向同性的碳颗粒比如灯黑上，结合到设置于电极之间的质子交换膜的任意一个侧面上。在操作过程中，所述燃料，特别是氢流过一块流场板中的通道进入阳极，在这里催化剂促使其分离为氢原子，并且随后分离为穿过膜的质子以及流过外部负载的电子。空气流过另一块流场板中的通道进入阴极，在那里空中的氧分离为氧原子，它与穿过质子交换膜的质子以及通过电路的电子一起结合形成水。由于膜是绝缘体，电子通过外电路进行传输，在其中电流得以利用，并在阴极与质子结合。在阴极侧的空气流是将氢和氧反应形成的水排出去的一种机制。将这样的电池组合起来作为电池堆以提供需要的电压。已经公开的设有优选为光滑面，并且在柔性石墨板的平行相对表面之间通过，并由压缩膨胀石墨壁隔开的通道的石墨板可以用于形成PEM燃料电池的气体扩散膜。如Mercuri，Weber和Warddrip在美国专利6413671中教导的，其公开内容在此作为参考而被引用，通过-->诸如使用具有从其中延伸出的截锥形突起的辊子等压缩机械冲击，可以在柔性石墨板多个位置处形成通道。可以设计其图案以根据需要控制、优化或者最大化通过通道的流体流动。比如，在柔性石墨板上形成的图案可以包括通道的选择布置，或者其可以包括为了诸如减少或者最小化溢流、在使用时平衡沿着电极表面的流体压力，或者其他目的改变通道密度和通道形状。比如可以参见Mercuri和Krassowski的国际公开WO02/41421A1。可以使用压缩力在用以形成流场板(在下文中称作“FFP”)的材料中形成连续的反应物流动沟槽。可以使用一般的压花工具压制石墨板并在板上印出沟槽。不同于GDL，FFP上的沟槽不从相对表面延伸穿过FFP至第二表面。一般地，沟槽在FFP的一个表面上。石墨由碳原子六角矩阵或者网络的层状平面构成。这些六角形布置的碳原子层状平面基本上是平的，并且如此取向或者排列以使相互之间基本平行和等距。一般称作基面的基本上平的、平行等距的碳原子板或者层连接或者结合在一起，并且这些基面组以微晶方式进行布置。高度有序的石墨包括相当大尺寸的微晶：微晶相互之间高度对齐或者取向，并且具有晶序良好的碳层。换句话说，高度有序的石墨具有高度优选的微晶取向。石墨由于其内部结构而显示出各向异性，并由此显示或者说具有诸如高度定向的导热、导电和流体扩散性等许多特性。简要的说，石墨的特征在于碳的叠层结构，即由通过弱范德华力结合在一起的碳原子叠置层或者薄层构成。在考虑石墨结构时，经常标记两个轴或者方向即“c”轴或者方向，和“a”轴或者方向。为了简便，可以把“c”轴或者方向看作垂直于碳层的方向。可以把“a”轴或者方向看作平行于碳层的方向，或者是垂直于“c”方向的方向。最适合于制备柔性石墨的天然石墨具有高度取向性。如上面指出的，保持碳原子平行层在一起的结合力仅为弱范德华力。可以处理石墨将叠置碳层或者薄层之间的空间打开以在垂直于碳层方向即“c”方向上得到明显的膨胀，由此形成扩张的或者膨胀的石墨结构并基本保持碳层的层状结构。在粘合或者一体膨胀石墨的柔性石墨板中不使用粘合剂，可以形成经过膨胀的，或者更具体的经过膨胀具有至少约80倍或者更多倍原始“c”方向尺寸的最终厚度或者“c”方向尺寸的天然片状石墨，比-->如网、纸、条、带等。由于在体积膨胀的石墨颗粒之间具有优良的机械互锁或者内聚性能，因此不使用任何粘接材料由经过膨胀具有至少约80倍原始“c”方向尺寸的最终厚度或者“c”尺寸的石墨颗粒压缩形成一体的柔性板是可能的。除了柔性，如上面指出的，由于膨胀石墨颗粒因为诸如辊压等高压力使取向基本上平行于板的相对表面，因此与天然石墨初始材料相比，板材在导热、导电和流体扩散方面还具有高度的各向异性。这样生产出的板材具有优良的柔性、良好的强度和非常高的取向性。简要的说，制备诸如网、纸、条、带、箔、垫等的无粘结剂各向异性的柔性石墨板材的方法包括在预定负载和没有粘结剂存在的条件下，压挤或者压制具有至少约80倍原始颗粒的“c”方向尺寸的膨胀石墨颗粒以形成基本上平的一体的柔性石墨板。一般外观为类似蠕虫的或者蠕虫状的膨胀石墨颗粒一旦被压缩，将保持压缩变定以及与板的相对主表面对齐。通过控制压缩程度可以改变板材的密度和厚度。板材的密度可以在约5磅每立方英尺至约125磅每立方英尺的范围内。柔性石墨板材由于平行于板主相对平行表面的石墨颗粒的排列而具有明显的各向异性，各向异性的程度随着辊压板材密度的增加而提高。在经过辊压的各向异性板材中，厚度即垂直于相对的平行板表面的方向包含“c”方向和沿着长度的方向，宽度即沿着或者平行于相对主表面的方向包含“a”方向，并且所述板的热、电和流体扩散性能在“c”和“a”方向上明显不同，存在几个数量级的差别。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种石墨制品，包括以板的形式存在的膨胀石墨颗粒的压缩块，其具有相对的第一和第二主表面和在第一和第二表面之间穿过所述板的横向流体通道，至少一个表面具有一个与多条横向流体通道互连的开口顶部沟槽。开口顶部沟槽包括一系列互连的板“底面”和板“脊面”或“壁”，相互配合形成沿板的至少一个表面的沟槽。通过机械压制板的表面以在板的多个位置处移去石墨从而提供在第一和第二相对表面上带有开口的沟槽，可以有利地在相对的第一和第二表面之间形成穿过板的横向流体通道。在一个特定实施例中，在-->一个平行相对表面上的横向通道开口小于在另一个相对表面上的相应开口，由此与具有更小通道开口的相对表面接触的加压流体以高于流体排出各自通道的速度的初始速度进入各自通道，即气体排出速度降低了。同样，与具有更大通道开口的相对表面接触的加压流体将具有更高的气体排出速度。具有横向通道的板在其一个相对表面上进一步受到机械压制，除去板中的石墨并在该制品的表面上提供与多条横向流体通道互连的优选为连续开口的顶部沟槽。机械压制适宜的可以使用模压、挤压或者压花。开口顶部沟槽也可以通过刻模或者蚀刻技术提供。但是最有利的是，在形成横向通道之后在板上形成沟槽，其原因将在以后进行解释。本专利技术的制品可以用于形成流体能透过的，比如用于具有一体的气体扩散元件的电化学燃料电池的气体扩散电极的基底。根据本专利技术，还提供了以辊压和压延的各向异性柔性石墨板的形式存在的用于带沟槽表面的覆盖元件，增强了在下文中将要描述的电化学燃料电池的气体扩散电极的热传递性能。附图说明图1为根据本专利技术的具有横向通道的柔性石墨横向可透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨制品，包括以具有相对的第一和第二表面的板的形式存在的膨胀石墨颗粒的压缩块，所述板具有在其第一和第二相对的表面之间通过的多条横向流体通道，一个相对的表面具有形成在其中的与多条横向流体通道相通的开口沟槽，其中所述开口沟槽包括沟槽 底面和沟槽壁，所述沟槽壁具有通过其中的横向流体通道。

【技术特征摘要】
US 2002-9-30 10/260,7481、一种石墨制品，包括以具有相对的第一和第二表面的板的形式存在的膨胀石墨颗粒的压缩块，所述板具有在其第一和第二相对的表面之间通过的多条横向流体通道，一个相对的表面具有形成在其中的与多条横向流体通道相通的开口沟槽，其中所述开口沟槽包括沟槽底面和沟槽壁，所述沟槽壁具有通过其中的横向流体通道。2、根据权利要求1所述的制品，其中所述通道通过在多个位置机械压制板的第一表面以在板内所述位置除去石墨而形成，并在第一和第二相对的表面上为通道提供开口。3、根据权利要求1所述的制品，其中所述开口沟槽设有以结合到形成沟槽的表面上的柔性石墨板的形式存在的覆盖物。4、根据权利要求3所述的制品，其中所述开口沟槽设有以结合到形成沟槽的表面上的辊压和压延柔性石墨板的形式存在的覆盖物。5、根据权利要求1所述的制品，其中所述开口沟槽在形成通道之后形成。6、根据权利要求5所述的制品，其中所述开口沟槽通过机械压制板表面以除去板内石墨而形成。7、一种适合用于形成电化学燃料电池部件的基底，包括(i)以具有相对的第一和第二表面的板的形式存在的膨胀石墨颗粒的压缩块，所述板具有在其中通过的多条横向流体通道，一个相对的表面具有形成在其中的与多条横向流体通道相通的开口沟槽，以及(ii)结合到形成沟槽的表面上的柔性石墨板成形以由此提供覆盖物，其中所述开口沟槽包括沟槽底面和沟槽壁，所述沟槽壁具有通过其中的横向流体通道。8、根据权利要求7所述的基底，其中所述通道通过在多个位置机械压制所述板的第一表面以除去在板内的石墨而形成，并在第一和第二相对的表面上为通道提供...

【专利技术属性】
技术研发人员：MG格茨，RA默库里，
申请(专利权)人：先进能源科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]