雙料共射成型雙極板及其製法的製作方法
2023-05-17 21:08:26 1
專利名稱：雙料共射成型雙極板及其製法的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池的雙極板的結構與製造方法，尤指一種以雙料共射成型技術製成具有良好的穿透導電性的雙料共射成型雙極板及其製法。
背景技術：
隨著人類文明的進步，傳統能源如媒、石油及天然氣的消耗量持續的升高，造成地球嚴重的汙染，以及加重溫室效應及酸雨等造成地球暖化及環境惡化的因數。人類已清楚地體認到天然能源的存量有限，如果持續地濫用，在不久的將來便會消耗殆盡。因此，世界先進國家近來無不致力於研發新的替代能源，而燃料電池組便是其中一種重要且具發展潛力及實用價值的選擇。與傳統的內燃機相較，燃料電池組具有能量轉換效率高、排氣乾淨、噪音低、且不使用傳統燃油等多項優點。燃料電池基本組成元件包含電極(electrode)、電解質隔膜(electrolyte membrane)、與雙極板(bipolar plate)三個部分。整個燃料電池就是由多數個這樣的單電池串聯組成為較大功率的電池組，而其中的雙極板便是兩個單電池串接的元件。在燃料電池中，雙極板(bipolar plate)為重要的組成元件之一，同時其佔據電池組中大部分的體積與重量，非常具有發展與應用價值，其作用是電流的收集、傳送、氣體的分布和熱的管理。因此雙極板的基本要求為導電度高、氣密性好、機械性質優良和耐溫、耐蝕等。若是使用金屬材料來成型則其具有導電性高與機械性質好等優點，但同時也會有微細特徵結構成型不易的缺點。因此製作雙極板的材料被不斷地研究改進，使用複合材料幾乎是目前的主流。如中國臺灣公告第399348號「生產雙極板之方法」專利即揭示由導電子材料、樹脂與適合質子交換膜燃料電池使用的親水劑等混合製成雙極板。美國US6M8467號專利揭示一種燃料電池的複合材料雙極板，其由石墨粉末與樹脂材料混合製成雙極板。中國臺灣專利公告第1293998號「燃料電池用高性能及導電性高分子複合材料雙極板之製備方法」則揭示一種由石墨粉末、乙烯酯樹脂與聚醚胺插層的改質有機粘土混合製成雙極板的技術。前述各種複合材料製成的雙極板都具有抗腐蝕性佳及容易成型複雜微結構等優
點ο由於燃料電池在電化學反應過程會有熱量產生，熱量需要適時排出才能維持燃料電池處於適當的工作溫度，因此雙極板必需達到足夠散熱的目的。對此，常見的作法是在兩片雙極板中嵌入一金屬板，以憑藉金屬板來提升散熱效果。現有的技術是使用熱壓製程來結合雙極板與金屬板，熱壓製程是將兩片雙極板預先加熱至熱塑性材料軟化溫度與熔化溫度之間，再以兩片雙極板夾一金屬板並予以加壓， 且於加壓過程中持續加熱，使兩片雙極板與金屬板熱壓結合成一體。
但是目前所使用的熱壓製程較為費時，從預熱到加壓完成可能需要數分鐘至數十分鐘不等，這會增加製造上的時間成本；並且在加壓的過程中必須持續加熱，這會增加製造上耗能的成本。再者，在燃料電池中，各個單電池與單電池之間的雙極板必需具有良好的導電度， 尤其是雙極板之間的穿透導電性更是重要，這會關到整個燃料電池的效能。從而，如何使雙極板易於製造來降低製造成本，以及改善雙極板的穿透導電度，便成為本發明的重要課題。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於解決上述的問題而提供一種易於製造且具有較佳穿透導電性的雙料共射成型雙極板及其製法。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種雙極板，其特徵在於，包括有一核心層；一皮層，其包覆於該核心層外；一導電網絡，其形成於該核心層與該皮層之間。其中該核心層與該皮層之間進一步具有一結合界面，該導電網絡形成於該結合界面中。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是一種雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於，包含下列步驟將熔融狀態且具有第一導電性材料的皮層複合材料射入成型雙極板的模穴中；將熔融狀態且具有第二導電性材料的核心層複合材料，以及該熔融狀態的皮層複合材料同時或先後間隔射入至成型雙極板的模穴中，以成型出具有皮層與核心層的雙極板，並於該皮層與該核心層之間形成有該第一導電性材質與該第二導電性材質的結合所構成的導電網絡。其中，進一步具有步驟當該核心層複合材料與該皮層複合材料的結合處於尚未冷卻凝固的狀態，一模具對該結合施予一壓力。其中成型的雙極板，在該皮層與該核心層之間形成有結合界面，該導電網絡形成於該結合界面中。其中該皮層複合材料由高分子塑膠材料所構成，該第一導電性材料混合於該高分子塑膠材料中。其中該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。其中該第一導電性材料是碳粉、碳纖維、納米碳纖維或納米碳管的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該第一導電性材質為非金屬導電填充材所構成。其中該非金屬導電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該核心層複合材料由高分子塑膠材料所構成，該第二導電性材料混合於該高分子塑膠材料中。其中該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。其中該第二導電性材料為金屬粉、碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維或金屬纖維的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。其中該第二導電性材料為非金屬導電填充材與金屬導電填充材所構成。其中該非金屬導電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合，該金屬導電填充材是金屬粉或金屬纖維的其中一者或二者的混合。其中該熔融狀態的皮層複合材料以定量射入成型雙極板的模穴中，該熔融狀態的核心層複合材料以定量射入成型雙極板的模穴中。與現有技術相比較，本發明具有的有益效果是本發明以雙料共射成型技術來製造雙極板，因此具有易於製造的優點，且可降低製造成本；再者，皮層與核心層複合材料中均含有導電性材料為主要導電架構，而可使於皮層與核心層的結合界面形成良好的導電網絡而可提升雙極板的穿透導電性。
圖1是本發明雙料共射成型雙極板的動作示意圖之一；圖2是本發明雙料共射成型雙極板的動作示意圖之二 ；圖3是本發明雙料共射成型雙極板的動作示意圖之三；圖4是本發明雙料共射成型雙極板的動作示意圖之四；圖5是本發明雙料共射成型的雙極板的結構示意圖；圖6是圖4中圈示為V部分的放大剖視結構示意圖。附圖標記說明射出成型機1 ；第一料槽11 ；第二料槽12 ；模穴2 ；雙極板3 ；模具 4 ；皮層複合材料A ；核心層複合材料B ；碳粉C ；碳纖維CF ；金屬纖維MF ；結合界面I ；金屬粉T。
具體實施例方式茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。請配合參考圖5及圖6所示，本發明是一種雙極板，其包括有
一皮層，其由皮層複合材料A所構成。一核心層，其由核心層複合材料B所構成，如圖4所示，核心層包覆於皮層中，即皮層複合材料A將核心層複合材料B包覆於其中。一結合界面I，其形成於皮層與核心層之間，結合介面I具有一導電網絡，如圖5標示V的部分，其是導電網絡的部分構成示意圖。本發明的雙極板成型方法主要使用雙料共射成型(Co-hjection Molding)技術成型出核心層被皮層包覆的雙極板，此雙料共射成型雙極板的製法，包含下列步驟將混合有第一導電性材料的高分子塑膠材料作為皮層複合材料。將混合有第二導電性材料的高分子塑膠材料作為核心層複合材料。
將定量的熔融狀態的皮層複合材料射入成型雙極板的模穴中。將定量的熔融狀態的核心層複合材料與熔融狀態的皮層複合材料同時或先後間隔射入至成型雙極板的模穴中，以成型具有皮層與核心層的雙極板。因此，成型的雙極板，在皮層與核心層形成有結合界面，結合界面中形成有具有由第一導電性材料與第二導電性材料的結合所構成的導電網絡。實務上，皮層複合材料的高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料；核心層複合材料的高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。如果皮層複合材料的導電性材料使用金屬粉，其製程的雙極板使用於燃料電池時，皮層部分容易發生腐蝕的問題，因此在實務上第一導電性材料使用耐蝕性較佳的碳粉、 碳纖維、納米碳纖維或納米碳管的其中一者或至少任意兩者的混合，而第二導電性材料則使用導電性較佳的金屬粉、碳粉、碳纖維、納米碳纖維、納米碳管或金屬纖維的其中一者或至少任意兩者的混合，而碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。此外，第一導電性材質可為非金屬導電填充材所構成，第二導電性材質是非金屬導電填充材與金屬導電填充材所構成，金屬導電填充材是金屬粉或金屬纖維的其中一者或二者的混合，非金屬導電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。請配合圖1至圖3，其本發明雙料共射成型雙極板的動作示意圖。依本發明的步驟，先製備皮層複合材料A及核心層複合材料B，再將皮層複合材料A與核心層複合材料B 分別置入射出成型機1的第一料槽11與第二料槽12中；接下來將定量的熔融狀態的皮層複合材料A射入成型雙極板的模穴2中，該模穴 2位於一模具4中，如圖1所示的狀態；再將熔融狀態的核心層複合材料B與皮層複合材料A同時射入成型雙極板的模穴 2中，如圖2所示的狀態；最後再將熔融狀態的皮層複合材料A射入成型雙極板的模穴2中，如圖3所示的狀態；待核心層複合材料B與皮層複合材料A的結合尚未冷卻凝固前，模具4對該結合施予一壓力，如圖4所示的狀態，憑藉此一施壓的程序，以使冷卻凝固所形成的導電網絡的密度得以提升。待冷卻後即可獲得核心層複合材料B被皮層複合材料A包覆的雙極板3，如圖5所
7J\ ο由於本發明採用雙料共射射出成型技術來製造雙極板，因此可大量且快速地製造出雙極板，如此可降低製造成本。再請參閱圖6，其是圖5中圈示為V部分的放大剖視結構示意圖，本發明所使用的皮層複合材料A與核心層複合材料B可選擇性使用上述所揭示的材料；圖中繪示以本發明的方法所製成的雙極板於皮層與核心層的結合界面I部分的剖視結構示意圖。由於本發明的皮層複合材料A中含有碳纖維CF與碳粉C等粉末狀材料，而在核心層複合材料B含有金屬纖維MF、碳粉C與金屬粉T，因此當皮層複合材料A與核心層複合材料B被以雙料共射技術射出成型時，皮層與核心層結合界面I部分會存在著以碳纖維CF與金屬纖維MF等導電纖維為主要導電架構的導電網絡，再加上金屬粉T、碳纖維CF、金屬纖維MF與碳粉C的交錯連結，使得導電網絡更加密集，而可有效提高整體的穿透導電性。 以上說明對本發明而言只是說明性的，而非限制性的，本領域普通技術人員理解， 在不脫離權利要求所限定的精神和範圍的情況下，可作出許多修改、變化或等效，但都將落入本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種雙極板，其特徵在於，包括有一核心層；一皮層，其包覆於該核心層外；一導電網絡，其形成於該核心層與該皮層之間。
2.根據權利要求1所述的雙極板，其特徵在於該核心層與該皮層之間進一步具有一結合界面，該導電網絡形成於該結合界面中。
3.—種雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於，包含下列步驟將熔融狀態且具有第一導電性材料的皮層複合材料射入成型雙極板的模穴中；將熔融狀態且具有第二導電性材料的核心層複合材料，以及該熔融狀態的皮層複合材料同時或先後間隔射入至成型雙極板的模穴中，以成型出具有皮層與核心層的雙極板，並於該皮層與該核心層之間形成有該第一導電性材質與該第二導電性材質的結合所構成的導電網絡。
4.根據權利要求3所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於，進一步具有步驟 當該核心層複合材料與該皮層複合材料的結合處於尚未冷卻凝固的狀態，一模具對該結合施予一壓力。
5.根據權利要求3所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於成型的雙極板，在該皮層與該核心層之間形成有結合界面，該導電網絡形成於該結合界面中。
6.根據權利要求3所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該皮層複合材料由高分子塑膠材料所構成，該第一導電性材料混合於該高分子塑膠材料中。
7.根據權利要求6所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。
8.根據權利要求6所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該第一導電性材料是碳粉、碳纖維、納米碳纖維或納米碳管的其中一者或至少任意兩者的混合。
9.根據權利要求8所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該碳粉是石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。
10.根據權利要求6所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該第一導電性材質為非金屬導電填充材所構成。
11.根據權利要求10所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該非金屬導電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。
12.根據權利要求3所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該核心層複合材料由高分子塑膠材料所構成，該第二導電性材料混合於該高分子塑膠材料中。
13.根據權利要求12所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該高分子塑膠材料是熱塑性塑膠材料。
14.根據權利要求12所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該第二導電性材料為金屬粉、碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維或金屬纖維的其中一者或至少任意兩者的混合。
15.根據權利要求14所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該碳粉是石墨、 碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合。
16.根據權利要求12所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該第二導電性材料為非金屬導電填充材與金屬導電填充材所構成。
17.根據權利要求16所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該非金屬導電填充材是碳粉、碳纖維、納米碳管、納米碳纖維、石墨、碳黑或石墨烯的其中一者或至少任意兩者的混合，該金屬導電填充材是金屬粉或金屬纖維的其中一者或二者的混合。
18.根據權利要求3所述的雙料共射成型雙極板的製法，其特徵在於該熔融狀態的皮層複合材料以定量射入成型雙極板的模穴中，該熔融狀態的核心層複合材料以定量射入成型雙極板的模穴中。
全文摘要
本發明是一種雙料共射成型雙極板及其製法，其將熔融狀態且具有第一導電性材料的皮層複合材料射入成型雙極板的模穴中；再將熔融狀態且具有第二導電性材料的核心層複合材料，以及熔融狀態的皮層複合材料同時或先後射至成型雙極板的模穴中，成型具有皮層與核心層的雙極板，於皮層與核心層之間含有第一導電性材質與第二導電性材質的結合所構成的導電網絡，以提升雙極板的穿透導電性。
文檔編號H01M4/88GK102544518SQ20101061416
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月21日
發明者彭信舒, 施銘奕, 陳夏宗 申請人:私立中原大學