具有连续电通路的碳纤维增强塑料双极板制造技术

一种用于燃料电池单元或电池的双极板，其呈现复合结构的形式，具有含碳纤维的塑料基体而碳纤维是导电的并以一定方式取向以优化导电性。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
具有连续电通路的碳纤维增强塑料双极板
本专利技术涉及碳纤维增强热塑性双极板，在燃料电池单元或电池中用作电极。
技术介绍
含碳材料与电子收集结合应用是众所周知的。碳或石墨的功能主要是电流(currency)集电极的功能。通常自石墨块经机加工获得的极板用于这类用途。这种方法成本高并具有尺寸限制，而且不能获得具有足够机械强度的薄壁。电流集电极，也称作双极板，已经用多种尺寸和几何形状的多种导电材料制成。双极板的第二个功能是提供防渗阻挡层以分离在极板的任一侧存在的气体。细槽通常存在于双极板的一个或两个表面以供给和排出在装置中涉及的两种气体。在这方面，燃料电池单元和电池通常通过组装双极板或电极和气体扩散层而制成。该扩散层通常由含碳纤维配置(碳纸或碳织物)制成，其浸渍以离子交换聚合物如氟基聚合物和催化剂。在美国专利第4,830,938号中可以看到这种类型的装置。在该专利中，含碳材料用于双极性材料。许多材料已用于双极板。这些材料包括固体或柔性石墨(参见美国专利第5,532,083号)碳-碳复合材料；热固性碳增强复合材料，例如，利用在环氧或酚醛树脂中的碳纤维增强体；以及碳纤维增强氟碳石墨(参见美国专利第4,339,322号)。其他专利(美国专利第6,248,467号)已提出利用导电模制备复合物，用乙烯酯树脂、各种等级的石墨粉、以及短碳纤维的混合物。在这些不同材料系统中的电通路远没有被优化。材料，如石墨-树脂混合物，需要较高的石墨粉填充量以表现出可接受的导电性。材料的总导电性最终受到存在于石墨粒料之间的富塑料区的限制。短碳纤维增强体已用来增加双极板的电导率和改善其机械性能。这些增强复合材料，虽然具有更高的强度，但仍具有某些缺点。例如，通常使用的增强体是以随机、短碳纤维、或取向平面织物的形式引入。这些材料的设计和制造方法导-->致复合材料中的纤维平行于双极板的面内方向进行排列。在这些材料中，由于很少的纤维取向在穿过厚度的方向，碳纤维仅少许对有效的穿过厚度的电导率有所贡献。此外，短纤维增强复合材料和非增强固体石墨材料表现出较差的或中等的机械性能。与这些材料中某些材料有关的制造技术也不容易适合于较小细节的成型，如通常存在于双极板表面的槽。因此，电流双极板具有电或热性能限制和/或制造成本高。在这方面，最终产品在制造过程中通常需要多个步骤。例如，在美国专利第5,798,188号中，可以发现一种尝试，其试图将制造过程中的步骤数目减至最少。这种方法是消除在双极板中对气体通道进行机加工。该专利讨论了在铝板上使用低粘度聚合物的注射模塑以原位模塑双极板的气体通道。需要导电性的表面随后用金属进行处理。在那种情况下，铝板提供双极板的结构元件。熔融树脂被用来获得表面细节。其他制造双极板的方法(用来改善它们的操作和制造)包括上述美国专利第5,532,083号中所披露的方法。此专利描述了柔性含碳成分，其通过使用低模量(杨氏模量)碳纤维，纤维在柔性极板中的最终状态保持其低模量性能。这种特定的具有连续纤维的平面排列的设计在双极板的平面具有良好的电导率，但具有和前述方法相同的不足或较低的穿过厚度方向的电导率。因此，尽管对双极板的结构和制造有改进，但需要在这方面的进一步改善。
技术实现思路
因此，本专利技术的主要目的是提供一种双极板，其中碳纤维优先取向在穿过厚度的方向以提供连续的导电通路并使穿过一叠极板的电导率达到最大值。本专利技术的另一个目的是提供一种双极板，其具有优良的强度和耐久性，此外还可以是相对较薄，从而允许在一装置中引入大量的极板。本专利技术的再一个目的是提供一种双极板，其具有提高的热导率以扩散热量。本专利技术的再一个目的是提供一种双极板，其设计准则可以容易地加以变化以满足特定需要。本专利技术的又一个目的是适合于降低制造成本。这些以及其他目的和优点是由本专利技术提供的。在这方面，本专利技术设想了一种用于燃料电池单元或电池的碳纤维增强热塑性双极板，其中连续纤维被优选取向。初始纤维增强体可以采用各种形式，但主要涉及一种碳纤维毡，可以是织物、无-->纺布、针织、滚压粘合，或织物、针织、滚压粘合以及短纤维的结合。随后，对该毡进行针刺以将大部分碳纤维在穿过厚度的方向取向，从而允许它在最重要的方向达到最大电导率。对于双极板，优选通路平行于极板厚度。这样的含碳毡可以包括热塑性纤维，其之后经热模塑成为所希望的形状，以产生槽或其他表面特征，至今这些特征通常由机加工获得。作为选择，这些毡可以浸渍以热塑性树脂(粉料或溶液形式)并利用合适的温度和压力模塑成型。热固性树脂，如环氧、酚醛、乙烯酯或其他适合于此目的的树脂也可以注射进含碳预制品，然后固化成所希望的形状。根据特定用途可以容易地制造各种各样的增强体和形状。此外，免除了对极板表面进行机加工的需要，并消除了在一种生产中复杂和困难的任务。而且，由于此结构提供很高的强度，极板的厚度可以减小，从而在一给定高度的叠层中提供数目增加的元件。附图说明因此，通过本专利技术，可以实现其目的和优点，在此结合附图进行描述，其中：图1A-1D图示了燃料电池叠层和双极板构型的实例；图2是现有技术中电池的侧视剖面图，其一般性地示意其结构；图3是在针刺前含有碳纤维的非编织增强毡的侧视剖面全图，体现本专利技术所披露的内容；图4是图2中的毡在针刺后的侧视剖面图，体现本专利技术的教导；图5是在针刺前结合有织物碳纤维和短纤维的编织毡的侧视剖面图，体现本专利技术的教导；图6是图4中的毡在针刺后的侧视剖面图，体现本专利技术的教导。图7是碳增强双极板在利用热塑性纤维或树脂被模塑成复合材料以产生所希望的形状之后的侧视剖面图，体现本专利技术的教导。优选实施例的详细描述现更详细地参照附图，图1A-1D和图2是现有技术中的燃料电池单元和电池的代表性的示意图。图1A-1D图示典型的燃料电池叠板10，其中隔膜12、两个催化的气体扩散层14和两个双极板16、阳极18和阴极19构成基本的电池单元。当通过阳极双极板的槽供给氢、并在GDL(气体扩散层)的孔隙中扩散时，氢气-->被分离成质子(氢离子)和电子。在中心的电解质隔膜12仅允许质子通过隔膜12到燃料电池的阴板19侧。当氧气在阴板双极板的槽内流动时，GDL的铂涂层帮助质子、氧、以及电子结合并产生水和热量。在阳极18侧释放的电子不能穿过隔膜12，它们流经阳极双极板的壁进入下一个电池单元。在GDL中气流的均匀性是通过在双极板表面的不同槽设计来获得的。图2说明在美国专利第4,830,938号中所描述的电池。在这方面以及为了一般说明的目的，对图示内容简述如下。通常提供箱体或外壳，其气体不能通过，包括，特别是水蒸气。该箱体具有两个内部电池单元隔板，其限定串联的三个电池单元。电池的内部是成对的由含碳材料制成的电极，其可以是下文所讨论的类型。电极具有一定的尺寸以使它们可以在具有相反极性的相邻电池单元部分引入相邻的电池单元。图示电极为一单片经弯曲而可插入相邻电池单元。它们也可以是以一定方式相连的两个电极，可以单个部件相同的方式传导电流。使一电池单元中的两个电极分离开电接触的是一种有小孔的构件，其可以至少通过离子。可以使用各种形式的隔膜材料，例如，玻璃纤维毡、聚丙烯稀松布或膜、离子排斥膜等等。用于这类蓄电池的优选电解质通常是溶解于非水、非导电的液体或糊中的可离子化盐的混合物。可替换地，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在燃料电池单元或电池中用作电极的导电制品，包括：导电的包含在具有厚度的基体中的增强纤维，其中所述纤维被机械取向从而平行于所述厚度。

【技术特征摘要】
US 2002-5-23 10/155,4691.一种在燃料电池单元或电池中用作电极的导电制品，包括：导电的包含在具有厚度的基体中的增强纤维，其中所述纤维被机械取向从而平行于所述厚度。2.根据权利要求1所述的制品，其中所述增强纤维是碳纤维。3.根据权利要求2所述的制品，其中所述碳纤维选自基本上由预氧化PAN纤维、热固性沥青纤维、石墨化PAN纤维、以及碳化沥青纤维组成的组。4.根据权利要求3所述的制品，其中所述基体包括聚合物并由纤维和树脂或粉料形成，其被加工以制成基体。5.根据权利要求4所述的制品，其中所述聚合物选自基本上由聚丙烯、聚酰胺、聚酯、含氟聚合物、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、以及其他热塑性聚合物和热固性树脂，包括乙烯酯树脂、环氧树脂和酚树脂组成的组。6.根据权利要求1所述的制品，其中所述基体包括聚合物并由纤维和树脂或粉料形成，其被加工以制成基体。7.根据权利要求6所述的制品，其中所述聚合物选自基本上由聚丙烯、聚酰胺、聚酯、含氟聚合物、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、PEKK、以及其他热塑性聚合物和热固性树脂，包括乙烯酯树脂、环氧树脂和酚树脂组成的组。8.根据权利要求1所述的制品，其中所述增强纤维是毡的形式，其中所述纤维被机械取向从而平行于所述厚度，其中所述毡具有纤维结构，选自基本上由织物、具有短纤维的织物、无纺布、针织、滚压粘合、单向带、纸、以及其他三维(3D)结构组成的组。-->9.根据权利要求5所述的制品，其中所述增强纤维是毡的形式，其中所述纤维被机械取向从而平行于所述厚度，其中所述毡具有纤维结构，选自基本上由织物、具有短纤维的织物、无纺布、针织、滚压粘合、单向带、纸、以及其他三维(3D)结构组成的组。10.根据权利要求1所述的制品，其中所述增强纤维是通过针刺进行机械取向。11.根据权利要求8所述的制品，其中所述增强纤维是通过针刺进行机械取向。12.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：让弗朗索瓦莱考斯托维克，
申请(专利权)人：阿尔巴尼国际纺织技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]