組裝雙極性板的製作方法
2023-06-12 02:08:46 2
專利名稱：組裝雙極性板的製作方法
技術領域：
本發明涉及雙極性石墨材料的製造方法，該方法可用於電化學燃料電池中用到的流場板。
背景技術：
美國專利No.6080503中記載了製造電化學電池的典型現有技術方法，其詳細內容在此引入作為參考。包括聚合物電解膜(PEMs)的電化學電池可以象燃料電池那樣運轉，其中燃料和氧化劑在電池電極上經電化學轉化產生電能，或者作為電解器，其中外部電流在電池電極之間通過，較典型地是通過水，在電池的各電極產生氫和氧。
圖1所示為傳統的包含有PEM的電化學電池以及該電池的堆疊的典型設計。每個電池都包含一個膜電極組件(MEA)5，如圖1a中分解圖所示。MEA 5包括位於兩個電極層1、3之間的離子滲透PEM層2，電極層1、3通常是多孔且導電的，並包括與PEM層2相鄰的界面上可以促進所需電化學反應的電解催化劑。電解催化劑一般限定出了電池的電化學活性區域。MEA通常聯合成一個粘結的層壓組件。如圖1b的分解圖中所示，在一個單獨的電池10中，MEA被置於一對分離板11、12之間，分離板11、12通常是流體不可滲透且導電的。電池分離板通常由非金屬製成，如石墨，或者由金屬製成，如一定級別的鋼或經表面處理過的金屬，或者由導電塑料複合材料製成。在板和相鄰的電極之間提供出流體流動空間，如通路或室，以有得於反應物到達電極及去除產物。例如，這樣的空間可以由分離板11、12之間的間隔裝置和相應的電極1、3提供，或者由分離板11、12之間的網或多孔流體流動層和相應的電極1、3提供。更常見的通道(未示出)形成在面對電極的分離板的表面上。帶有這樣通道的分離板通常稱為流體流場板。在傳統的PEM電池中，一般用彈性墊圈或密封條沿著周長，置於MEA 5和各個分離板11、12的表面之間，用來防止流體反應物和反應產物流的洩露。
有利的是將帶有離子導電PEM層的電化學電池(下面稱PEM電池)形成堆疊成100(參見圖1d)，其包括位於一對端板17，18之間大量的電池。通常使用壓緊機構(未示出)使電池緊緊地合在一起，在部件之間保持良好的電接觸並壓緊密封條。在圖1c所示的實施例中，以每個MEA有兩個分離板的結構形式，每個電池10都包括一對分離板11，12。在堆疊組中可以在一些或全部的相鄰的分離板對之間提供冷卻空間或冷卻層。該堆疊可以包括在每幾個電池之間，而不是在各相鄰的電池對之間插入冷卻層。
雙極性流場板是兩個單獨流場板部件的組合。雙極性流場板為兩個相鄰的燃料電池服務，作為一個燃料電池的正極和另一個電池的負極。這就減少了為了形成燃料電池堆疊而必須安裝的部件的數量，這樣就簡化了燃料電池堆疊的構造。
所描述的電池元件具有形成於其上的開口30，在堆疊組中排列形成流體管路用來提供和排出反應物和產物，如果提供了冷卻空間，還可以用於提供和排出冷卻介質。同樣，彈性墊圈或密封條通常沿著這些流體管路開口的周長，置於MEA 5和各個分離板11、12的表面之間，防止工作的堆疊中的流體洩露和混合。
圖2是圖1b的單獨燃料電池的截面放大示意圖。所示為單獨流場板11和12中的示意通道如13、14。
圖3是典型的現有技術中雙極性流場板的示意圖，其中的兩個單獨流場板如11和12背對背放置，通過粘接劑15結合在一起。在圖3關於現有技術中製造雙極性板16的方法中，先製備石墨墊，再浸漬、乾燥、清洗、烘烤，在板的背面用模板印刷粘接劑15，之後兩個板壓緊在一起並加熱固化以形成雙極性板16。
正如所提到的，分離板或流場板11和12可以由石墨材料製成。
石墨是由碳原子按六邊形排列或網狀排列的平面層構成的。這些六邊形排列的碳原子平面層大體上是平的且取向和排列使得相互間基本上平行和等距。這些大體上平坦、平行且等距的碳原子片或層通常被稱為構成石墨層或基礎平面，它們連接或鍵合在一起，其基團排列成微晶。高度規則的石墨由尺寸相當大的微晶組成該微晶相互間排列或取向高度一致並且具有良好排列的碳原子層。換句話說，高度規整的石墨具有較高程度的優選微晶趨向。需要注意的是石墨具有各向異性的結構，並因此展現出或具有高度方向性的許多特性，如導熱、導電以及流體擴散性。
簡單來說，石墨可以表現為碳原子的層狀結構特徵，也就是說，由碳原子通過弱的範德華力連接在一起形成的疊層或層狀的結構。考慮到石墨的結構，兩個軸或方向通常標記為「c」軸或方向以及「a」軸或方向。為了簡化，「c」軸或方向可以認為是與碳原子層垂直的方向。「a」軸或方向可以認為是與碳原子層平行的方向或與「c」方向垂直的方向。適宜生產柔性石墨片的石墨具有很高的取向度。
如上面提到的，將平行的碳原子層保持在一起的鍵合力僅僅是很弱的範德華力。天然石墨可以經過處理，讓重疊的碳原子層或片之間的間隔稍微打開，以使在與層相垂直的方向上，也就是說在「c」方向上，得到顯著的擴張，這樣就形成了擴展的或膨脹的石墨結構，它基本上保留了碳原子層的片狀特徵。
經過很大程度上的膨脹和更特別的膨脹以形成最終厚度或「c」方向上尺寸達到約80倍或更多倍於原始「c」方向上尺寸的石墨薄片，可以在不使用粘合劑的情況下，形成為粘著的或完整的膨脹石墨的片材，例如網、紙、條、帶、薄片、墊子等等(通常稱為「柔性石墨」)。經過膨脹成其最終厚度或「c」方向上尺寸達到約80倍或更多倍於原始「c」方向上尺寸，並且在不使用任何粘合材料的情況下，經過壓縮形成整體柔性片材被認為是可能的，這是因為大量膨脹的石墨顆粒之間所形成的機械聯鎖或內聚。
和天然石墨初始材料相比較，因為非常高的壓製作用(例如輥壓)導致的膨脹石墨顆粒的取向以及石墨層大體上平行於該片材的相對面，因此除了柔性以外，還發現上面提到的片狀材料還具有在導熱、導電以及流體擴散等方面的高度的各向異性。
簡單來說，製造柔性、無粘合劑、各向異性的石墨片材如網、紙、條、帶、薄片、墊子等的方法，包括在預定的載荷且沒有粘合劑存在條件下壓縮或壓實，其「c」方向上尺寸達到約80倍或更多倍於原始「c」方向上尺寸的膨脹石墨顆粒可以形成基本上平坦、柔性且整體的石墨片材。外觀通常為螺紋狀或蠕蟲狀的膨脹石墨顆粒一旦被壓縮，就將保持壓縮狀態以及與片材的主要相對面一致。片材的密度和厚度可以通過控制壓縮程度而改變。片材的密度可以在約0.04g/cc-2.0g/cc。因為石墨顆粒的排列平行於該片材的大部分相對的平行表面，柔性石墨片材展現出可感知程度上的各向異性，並且因片材的輥壓得到增加了的密度從而使各向異性的程度的增加。在經過輥壓的各向異性的片材中，厚度方向也就是垂直於相對的、平行的片材表面的方向(包括「c」方向)，沿著長度和寬度方向，也就是沿著或平行於相對的主要面方向上(包括「a」方向)，該片材的熱、電以及流體擴散等性能的區別非常顯著，對於「c」和「a」方向來說是數量級的差別。
發明內容
本發明涉及製造雙極性石墨材料的方法，其可以用於如流場板等。
在一個實施方式中，本方法包括如下步驟(a)由石墨材料形成的，具有操作面和背面的第一部件，以及在其背面上具有凸部；(b)由於石墨材料形成的具有操作面和背面的第二部件；(c)將第一和第二部件組裝，得到第一部件上的凸部與第二部件配合；且在一個優選的實施方式中，(d)加熱組裝後的組件，將第一部件和第二部件連在一起。
在一個實施方式中，第一和第二部件通過將一種柔性石墨片材壓花而形成。
在另一個實施方式中，第一和第二部件通過壓縮微粒石墨材料而形成。
在本發明的另一個實施方式中，本方法包括下述步驟(a)提供壓縮了的膨脹石墨顆粒的第一和第二片材，每個片材都具有第一和第二平行且相對的表面；(b)用樹脂浸漬該片材，形成未固化樹脂浸漬的片材；(c)壓縮未固化樹脂浸漬的片材，形成第一和第二未固化樹脂浸漬的片材。
(d)由第一片材形成第一部件；(e)由第二片材形成第二部件；(f)將第一和第二部件壓合在一起；且(g)將組件的樹脂固化從而將第一和第二部件結合在一起形成雙極性製品。
因此，本發明的一個目的就是為由石墨材料製造雙極性石墨片材提供改良的方法。
另一個目的是提供簡化的由石墨材料製造雙極性板的方法。
又一個目的在於提供更快速的製造雙極性板的方法。
本發明還有另一個目的是提供製造雙極性板的方法，該雙極性板與現有技術方法製造的極性板相比，具有更低的電阻。
在閱讀了下面的公開內容之後並結合附圖，其它更進一步的目的、特徵和優點對本領域的技術人員來說應是顯然的。
圖1a是用於燃料電池的膜電極組件的分解圖。
圖1b是燃料電池組件中單獨電池的分解圖。
圖1c是燃料電池組件中多個堆疊電池的分解圖。
圖1d是組裝了的堆疊燃料電池的透視圖。
圖1a-1d都是說明現有技術的燃料電池組件。
圖2是一個單獨的現有技術燃料電池的截面示意圖，對應於圖1b的主題。
圖3是典型的現有技術中石墨材質雙極性流場板的構造形式的截面示意圖。
圖4是應用本發明所述方法製造的雙石墨組件的雙極性流場板的截面示意圖。
圖5是圖4中虛線圓形區域內表示梯形截面凸部進入到一個互補的凹部的結構放大視圖。
圖6是和圖5相似的視圖，表示的是另一種的凸部和凹部的結構，這次是一個矩形的截面。
圖7是另一個和圖5相似的視圖，這次表示的是具有半圓或圓形的凸部和凹部的結構的截面。
圖8是圖4組件中的流場板部件之一的示意平面圖。
圖9是類似圖8所示的流場板部件的製造過程的示意圖。
圖10是和圖4相似的視圖，所示為在另一個實施方式中在一個部件上使用凸部，在第二個部件上使用平坦背面。
圖11是和圖4相似的視圖，所示為兩個部件都是平坦背面的另一種替代實施方式。
本發明的最佳實施模式石墨是一種下述碳的晶體形式，其含有共價連接成平面層的原子且各平面間存在弱鍵。用插層劑如硫酸和硝酸溶液處理石墨的顆粒如天然石墨片，石墨的晶體結構反應形成石墨和插層劑的混合物。經過處理的石墨顆粒下面稱為「插層的石墨顆粒」。放置在高溫下，石墨中的插層劑分解並揮發，引起插層石墨顆粒在尺寸上的膨脹，達到其原始尺寸的80倍或更多倍，在「c」方向上，也就是說在垂直於石墨晶體平面的方向上形成象手風琴的樣子。片狀的石墨顆粒外形上是蠕蟲狀的，因此通常稱為蠕蟲。蠕蟲可以被壓縮在一起形成柔性片材，它和原始的石墨片不一樣，可以形成並切割成不同的形狀並通過機械變形衝擊提供小的橫向的開口。
適合本發明中可以使用的初始石墨材料包括高度石墨碳質材料，可以加入有機酸和無機酸，以及滷素再經受熱膨脹。這些高度石墨碳化材料最優選具有約1.0的石墨化度。在本發明公開中使用的術語「石墨化度」是指式g=3.45-d(002)0.095]]>中g值。其中d(002)是以埃單位測量的碳結晶結構中石墨層之間的間距。石墨層之間的間距是通過標準X射線衍射技術測得的。測量對應於(002)、(004)和(006)Miller指數的衍射峰位置，使用標準最小二乘法來得到這些峰的全部誤差最小化的間距。高度石墨碳化材料的例子包括各種來源的天然石墨，還包括其它碳化材料如由化學汽相沉積等方法得到的材料。天然石墨是最優選的。
本發明中使用的初始石墨材料可以含有無碳成分，只要其晶體結構保持所需的石墨化度，且可以形成層。通常，任何其晶體結構具有所需的石墨化度且可以成層的含碳材料都適用於本發明。這樣的石墨優選具有小於20重量％的灰含量。更優選地，本發明所使用的石墨應具有至少約94％的純度。在最優選的實施例中，所使用的石墨具有至少約99％的純度。
Shane等人在美國專利No.3404061中描述了製造石墨片材的常用方法，該文獻在此引入作為參考。在Shane等人的方法的典型實踐中，將天然石墨片分散在含有如硝酸和硫酸混合物溶液中，來插層天然石墨片。有利的是每100重量份的石墨片(pph)配約20-300重量份插層溶液。插層溶液含有本領域已知的氧化劑和其他插層劑。包含氧化劑和氧化混合物的溶液例子有，如含有硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸等的溶液，又或者混合物如濃硝酸和氯酸，鉻酸和磷酸，硫酸和硝酸，或強有機酸，如三氟乙酸，以及溶於有機酸的強氧化劑的混合物。另外也可以使用電勢來使石墨氧化。可以使用電解氧化引入到石墨晶體中的化學製品包括硫酸以及其它酸。
在一個優選的實施例中，插層劑是硫酸或硫酸和磷酸與氧化劑如硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或高碘酸等的混合溶液。儘管次於優選，但是插層溶液可以包含金屬滷化物如氯化鐵，以及氯化鐵與硫酸混合，或滷化物如溴，如溴和硫酸的溶液或有機溶劑的溴溶液。
插層劑溶液的量可以從大約20-到約50pph，或更典型地，從大約50到約120pph。在石墨片被插層之後，將過量溶液從石墨片中排出，再將石墨片進行水洗。另外，插層溶液的量可以限制在大約10-50pph，這樣就可以象美國專利No.4895713中所教導的除去清洗步驟。該文獻在此引入也作為參考。
用插層溶液進行處理的石墨片的顆粒可以非強制性地進行接觸，如和還原劑一起進行混合，該還原劑選自醇、糖、醛和酯，其可與氧化插層溶液的表面薄膜在25℃-125℃內進行反應。適宜的特效有機劑包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸基醇、1，10癸二醇、癸基醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯澱粉、乙二醇單硬脂酸酯、二苯甲酸二乙二醇酯、丙二醇單硬脂酸酯、丙三醇單硬脂酸酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質素衍生化合物，例如木素硫酸鈉。適宜的有機還原劑的量為石墨片的顆粒的0.5-4重量％。
在插層過程前、過程中或剛剛完成後使用膨脹助劑也可以進行改進。在這些改進中，包括降低成層溫度和增加膨脹量(也稱為「蠕蟲量」)。上下文中提到的膨脹助劑可以是充分溶於插層溶液中的有機材料，這樣利於得到在膨脹方面的改進。範圍更小一些，可以使用含有碳、氫、氧，優選其中之一的諸如此類有機材料。已經發現羧酸是特別有效的。適用於膨脹助劑的羧酸可以選自芳族、脂肪或脂環族的，直鏈或支鏈的，飽和或不飽和的一元羧酸，二元羧酸和多元羧酸，其具有至少一個碳原子，優選至多約15個碳原子，其溶於插層溶劑中的量可以為有效地在成層性能的一個或多個方面提供可測量的改善。適宜的有機溶劑可以用來增強有機膨脹助劑在插層溶液中的溶解能力。
飽和脂肪族羧酸的代表例子是如公式H(CH2)nCOOH的酸，其中n是從0到5的數字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。也可以使用酐或活性羧酸衍生物如烷基酯來代替羧酸。烷基酯的代表是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知水基插層劑具有分解甲酸最終成為水和二氧化碳的能力。因此，在石墨片沉浸在水基插層劑中之前，甲酸和其它靈敏的膨脹助劑可以有利地與石墨片接觸。二元羧酸的代表是具有2-12個碳原子的脂肪族二元羧酸，尤其是草酸、富馬酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、脂肪酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸二羧酸、環己胺-1，4-二羧酸和芳族二羧酸如鄰苯二甲酸或對苯二酸。烷基酯的代表是草酸二甲酯和草酸二乙酯。脂環族羧酸的代表是環己烷二羧酸，芳族羧酸的代表是安息香酸、萘酸、鄰氨基苯甲酸、對-氨基苯甲酸、水楊酸、鄰-，間-以及對-甲苯基酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙醯乙醯氨基安息香酸和乙醯氨基安息香酸、苯乙酸和萘酸。羥基芳香酸的代表是羥基安息香酸、3-羥基-1-萘酸、3-羥基-2-萘酸、4-羥基-2-萘酸、5-羥基-1-萘酸、5-羥基-2-萘酸、6-羥基-2-萘酸和7-羥基-2-萘酸。多元羧酸的突出代表是檸檬酸。
插層溶液是水基的，優選含有約1-10％的膨脹助劑，這樣的量可以有效加強成層性能。在一個實施方式中，沉浸在水基插層溶劑中之前或之後，膨脹助劑和石墨片接觸，膨脹助劑可以和石墨片通過適宜的設備進行混合，如V式攪拌機，通常為石墨片含量的約0.2重量％-10重量％。
在插層石墨片後，接著將插層劑塗布的插層石墨片與有機還原劑進行混合，混合溫度範圍為25℃-125℃，可以促進還原劑和插層塗布劑的反應。加熱時間至多到約20小時，要用較短的加熱時間如至少10分鐘，就要用上述溫度範圍中較高的溫度。可以在更高的溫度下使用半小時或更短的加熱時間，如10-25分鐘。
這樣處理的石墨顆粒有時候稱為「插層石墨顆粒」。當暴露在高溫下時，例如在至少約160℃，特別是在700℃-1000℃或更高的溫度時，插層石墨顆粒可以手風琴式的方式在c-方向上(也就是在和石墨顆粒成分的晶體平面垂直的方向上)，比原始尺寸膨脹80-1000甚至更多倍。膨脹石墨顆粒，也就是成層石墨顆粒，外形象蠕蟲，因此通常稱之為蠕蟲。不象原來的石墨片，蠕蟲可以壓縮在一起形成柔性片材，可以形成或切割成不同的形狀，並且可以通過下面提到的機械變形衝擊提供小的橫向開口。
柔性石墨片材和薄片粘連在一起，具有良好的操作強度，可以被適當的壓縮，例如通過輥壓，形成約0.075mm-3.75mm的厚度和通常大約0.1-1.5克每立方釐米(g/cc)的密度。從大約1.5-30重量％的陶瓷添加劑可以和插層石墨片進行混合，如美國專利No.5902762(在此引入，作為參考)所述可以為最終的柔性石墨產品提供強化的樹脂浸漬。所述添加劑包括長度約為0.15-1.5mm的陶瓷纖維顆粒。適宜的顆粒寬度約為0.04-0.004mm。陶瓷纖維顆粒不與石墨反應也不與石墨粘結，在溫度上升到約1100℃，甚至1400℃或更高時依然穩定。適宜的陶瓷纖維顆粒是由浸軟的石英玻璃纖維、碳和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化矽和氧化鎂纖維、天然生成礦物纖維如矽酸鈣纖維、矽酸鈣鋁纖維、氧化鋁纖維等形成的。
有時，柔性石墨片材可以有利地用樹脂進行處理，吸收後的樹脂在固化後，加強了柔性石墨片材的防潮性和操作強度即剛度，及其片材在形態上的「穩定性」。適宜的樹脂含量優選至少約5重量％，更優選約10-35重量％，適宜地達到60重量％。發現特別適用於本發明的實際應用的樹脂包括以丙烯酸、環氧和酚為基礎的樹脂體系，或它們的混合物。適宜的環氧樹脂體系包括那些基於二縮水甘油醚或雙酚A(DGEBA)和其它多功能樹脂體系；可以使用的酚醛樹脂包括甲階酚醛樹脂和酚醛清漆樹脂。
正如下面要闡明的，本發明的一些方法包括雙極性製品的部件的形成，其通過壓花柔性石墨片材，模製柔性石墨片材或將柔性石墨片材研磨或粉碎成顆粒，再將顆粒壓縮成模製形狀。
一旦製得柔性石墨片材，就可以用已知的方法或設備如氣流粉碎機、空氣粉碎機、攪拌機等製備顆粒。優選地，絕大多數顆粒具有可以使用其穿過20U.S.目的直徑；更優選地，大部分(大於約20％，更優選大於約50％)的顆粒不能通過80U.S.目。理想地，可以在樹脂浸漬時冷卻柔性石墨片材，防止在粉碎程中因為粉碎造成的對樹脂體系的熱致損壞。
研磨顆粒的尺寸應該按照石墨顆粒的機械加工性和成型性與所期望的熱力學特徵之間的平衡進行選擇。這樣較小的顆粒會讓石墨顆粒的加工和/或成型更容易，而較大的顆粒會讓石墨顆粒具有較高的各向異性，因此就具有較好的面內導熱性。因此，技術工人會在大多數場合使用能使成型和機械加工成必要程度的最大顆粒。
在優選的實施方式中，一旦柔性石墨片材被粉碎，它就被壓縮成所需要的形狀，之後固化(當樹脂浸漬的時候)。或者，儘管粉碎後固化是優選的，但片材也可以在粉碎之前固化。壓縮可以通過模壓、輥壓、等壓模製等壓縮方式進行。有趣的是，最終製品的各向同性/各向異性可能因為壓縮(或模製)力、所採用的特定的模製過程和顆粒尺寸的不同而不同。例如，對模成型會導致石墨層的更高的一致性，相對於等壓模製，這樣的最終產品就將具有更好的各向異性。相似地，模製壓力的增加也會導致各向異性的增加。這樣，調整模製過程和模製壓力，並選擇粉碎顆粒的尺寸，可以導致可控的各向同性/各向異性的變化。所使用的典型模製壓力從小於約7兆帕(MPa)到至少約240MPa。
現在來看圖4-9，圖中所示為製造用於燃料電池雙極性元件的方法。
在圖4中，給出了為數字110所指的雙極性板的示意圖。為了製造雙極性板110，形成第一和第二部件112和114。如圖4中示意所指，第一板部件112具有操作面或第一面116，以及背面或第二面118。例如，操作面116上形成有大量的通道如120。背面118有形成在其上的凸部122。
相似地，形成的第二部件114具有操作面124，背面126，以及形成於背面126上的凹部128。凹部128與凸部122互補。凸部122匹配在凹部128中，優選凸部122和凹部128緊密配合。
圖5，6和7表示幾種可能的凸部122和凹部128的形狀，在圖5中以122A和128A標出，其中凸部和凹部的截面是梯形的。在圖6中，標出的凸部122B和凹部128B的截面是矩形。圖7中，顯示為圓形的凸部122C和凹部128C。任何其它適合的形狀也可以用於凸部和凹部。
圖8是第一部件112的底面示意圖，進一步說明了凸部122的構造和位置。第二部件114的互補的凹部128將是相似的形狀和位置。在圖8中，所示凸部122與沿著整個板112的外周長130的相鄰。這樣就可以理解任何突出和互補凹槽的適宜形狀都可以用來得到第一和第二部件112和114之間所需或所想的連接，進一步的描述在下文中。例如部件可以具有可以從中通過的開口，例如開口132，最好有第二凸部134環繞在開口周圍，並在第二部件114上配合互補且相似形狀的第二凹部，這樣就可以保證在兩個部件112和114之間，環繞著開口132有可靠的密封接合。
為了形成完整的雙極性製品110，要形成兩個部件112和114，再將它們組裝起來，如圖4所示，這樣凸部122就可以容納於凹部128中。之後將裝配部件進行加熱，以使凸部122和凹部128以及一些例子中部件112和114的其它鄰接表面可以連接起來。
優選地，第一和第二部件112和114是由浸漬了樹脂的石墨材料形成的，且當裝配部件加熱時，浸漬後石墨材料中的樹脂固化以提供在部件112和114接觸表面之間的連接，尤其是凸部122和凹部128之間的連接。然而，由未浸漬的材料或固化的樹脂浸漬的材料形成該部件112和114都是在本發明的範圍內。
單個部件112和114可以由任何適宜的方法得到。尤其是，它們可以通過模壓柔性石墨材料片的方法得到，或將顆粒石墨材料通過模製形成所需形狀。
現在來看圖9，所示為模壓柔性石墨材料片的方法。
在圖9中，方框136示意為膨脹石墨的原始顆粒得到的石墨墊材料片材的形成。墊138的片材再通過一對預壓延輥140A和140B形成一個預壓延的片材142。該預壓延的片材142再通過一個站144，其中片材浸漬樹脂並乾燥形成為未固化的樹脂浸漬片材146。片材146再通過一對壓延輥148A和148B形成一個壓延但未固化的樹脂浸漬片材150。然後片材150再通過一對軋花輥152A和152B，其示意為具有如154和156定義的圖案。
當壓延未固化的樹脂浸漬片材150通過軋花輥152A和152B時，它就形成了所想要的形狀，如第一和第二流場板部件112和114，它們各自具有凸部122和凹部128。
在部件112和114被軋花輥152定型之後，將部件112和114從片材150上分離出來。之後部件112和114將如圖4所示被裝配在一起，並壓在一起再加熱將樹脂材料固化，這樣就將部件112和114連接在一起形成了雙極性製品110。
儘管圖9已經示出了該方法，從膨脹石墨的原始顆粒開始，形成墊子，需要理解的是還可以購買以前生產的柔性石墨片材150並用軋花輥152或其它板型軋花技術進行軋花。
此外，部件112和114可以由微粒材料進行模製。如上所述，柔性石墨材料的片材如150可以被粉碎成顆粒，之後那些顆粒可以被模製成任意所想要的形狀，如形狀112和114，這可以通過任何適宜的傳統模製工藝如對模成型，等壓模製等實現。相似地，膨脹石墨顆粒(也就是蠕蟲)可以模製成部件112和114的形式。
圖10和11的實施方式現在來看圖10，所示為另一個實施方式，其中第一部件帶有一個凸部，而第二部件具有一個平的背面。在圖10中，給出了雙極性板示意圖，用數字210標出。為了製造雙極性板210，形成第一和第二部件212和214。如圖10所示，第一板部件212具有操作面或第一面216，以及背面或第二面218。例如操作面216上形成有大量的通道220。背面218上形成有凸部222。
相似地，第二部件214形成有操作面224和平的背面226。凸部222和平背面226相配合，當兩個部件壓合併固化結合在一起。儘管沒有在圖10中示出，但是部件212和214的壓合可能引起平的背面226上的一些變形和凸部222的一些變形，這樣凸部222就有點陷入到平的背面226中。
和圖4中的實施例作比較，圖10中雙極性板210更容易製造，也可以導致在凸部222和第二部件214的配合點上有較大的壓力載荷，這樣就會有更強的連接。
現在來看圖11，示出了另一個替化實施方式，其中第一和第二部件都具有平的背面，它們在整個背面上充分地連接在一起。在圖11中，給出了雙極性板的示意圖，用數字310標出。為了製造雙極性板310，形成第一和第二部件312和314。部件312和314各自具有平的背面318和326。該部件壓合在一起並固化，這樣平的背面318和326就連接在了一起。圖11中的實施例通過消除對製造凸部和凹部的需求給出了最簡單的製造方法。
這樣就可以看到本發明的方法易於得到所說的結果和好處，以及其固有的好處。當本發明目的通過一些優選的實施例在闡明之後，本領域的技術人員可以實施許多的變換，這些變換都應包括在附帶的權利要求的範圍和精神以內的。
權利要求
1.一種製造石墨製品的方法，包括(a)由石墨材料形成的，具有操作面和背面的第一部件，以及具有成型在其背面上的凸部；(b)由石墨材料形成的具有操作面和背面的第二部件；以及(c)將第一和第二部件組裝，以使到第一部件上的凸部與第二部件配合。
2.權利要求1所述方法，其中步驟(a)包括將樹脂浸漬的石墨材料片材壓花形成所述第一部件。
3.權利要求2所述方法，其中所述樹脂浸漬的石墨材料片材在步驟(a)的時候沒有固化。
4.權利要求3所述方法，其中還包括將所述樹脂浸漬的石墨材料進行固化。
5.權利要求1所述方法，其中步驟(a)包括壓縮微粒樹脂浸漬的石墨材料。
6.權利要求5所述方法，其中在步驟(a)的時候沒有固化所述樹脂浸漬的石墨材料。
7.權利要求6所述方法，其還包括固化所述樹脂浸漬的石墨材料。
8.權利要求1所述方法，其中步驟(c)包括將所述第一和第二部件壓合在一起。
9.權利要求8所述方法，其中在步驟(a)中，所述石墨材料是被樹脂浸漬且沒有被固化的材料；並且固化在所述壓制步驟中發生。
10.權利要求1所述方法，其中在步驟(b)中，所述第二部件在背面上成型有凹部，該凹部與所述第一部件的凸部互補；且在步驟(c)中，所述第一部件的凸部容納在所述第二部件的凹部中。
11.權利要求1所述方法，其中在步驟(b)中，所述第二部件具有平的背面，且在步驟(c)中，所述第一部件的凸部與所述第二部件的平的背面相配合。
12.製造用於燃料電池的製品的方法，包括(a)提供壓縮了的膨脹石墨顆粒材料的第一和第二片材，每個片材都具有第一和第二平行且相對的表面；(b)用樹脂浸漬該片材，形成未固化樹脂浸漬的片材；(c)壓縮所述未固化樹脂浸漬的片材，形成第一和第二未固化樹脂浸漬的片材；(d)由所述第一片材形成第一部件；(e)由所述第二片材形成第二部件；(f)將第一和第二部件壓合在一起；且(g)將所述部件的樹脂固化，從而將所述第一和第二部件結合在一起形成所述製品。
13.權利要求12所述方法，其中在步驟(d)中，所形成的所述第一部件上具有凸部；在步驟(f)中，所述第一部件的凸部與第二部件相配合；且在步驟(g)中，所述第一部件的凸部與所述第二部件連接在一起。
14.權利要求13所述方法，其中在步驟(e)中，所述第二部件具有與所述第一部件上的凸部相配合的平面。
15.權利要求13所述方法，其中在步驟(e)中，所述第二部件上限定有凹部；且在步驟(f)中，所述第一部件的凸部容納在所述第二部件的凹部中。
16.權利要求12所述方法，其中在步驟(d)和(e)中，所述第一和第二部件是通過將所述第一和第二片材壓花而形成的。
全文摘要
為生產雙極性石墨製品件提供的方法。第一和第二部件(112和114)由柔性石墨材料形成。第一部件(112)上可形成有凸部(122)，第二部件(114)上可具有與第一部件(112)上的凸部(122)相互補的凹部(128)。將第一和第二部件(112和114)組裝在一起，以使第一部件(112)上的凸部(122)容納在第二部件(114)上的凹部(128)中。優選地，該部件由未固化的樹脂浸漬的石墨材料製得。組裝的部件再壓合在一起，通過加熱固化樹脂，這樣就將部件連接在了一起。或者，第二部件或兩個部件都具有和另一部件相配合的平面。
文檔編號H01M8/02GK1665682SQ03815237
公開日2005年9月7日 申請日期2003年6月26日 優先權日2002年6月28日
發明者R·A·默庫裡 申請人:先進能源科技公司