[发明专利]改进传导性的燃料电池集流板及其制备方法

说明书

发明领域

本发明涉及传导性聚合物复合结构及其制备方法。本发明尤其是涉及注模或压模的传导性聚合物合成物及其制备方法。

背景技术

聚合物实际上有不同的结构并且区别为热固性聚合物和热塑性聚合物。通过使用热量和化学物质，热固性聚合物随时间固化而形成化学键。该过程不可逆，并且除非水解作用、化学浸蚀或高温氧化使该结构键裂解，所得到的结构则是永久性的。另一方面，热塑性塑料由简单的熔化和冷却工艺形成。在冷却时，该聚合物固化成想要的形状。特别重要的是，包含热塑性聚合物的部分具有可再循环的优点，并且在总循环时间通常低于30秒时就能制造。为了用作电子、电化学、热和热电装置应用方面的耐蚀结构，例如PEM燃料电池中的集流板，正开发和制造具有复杂几何形状的高传导性聚合物复合结构。

注模法是批量生产塑料元件的公知方法。使用该方法，能够廉价地制造具有良好细部和容差控制的复杂部件。此外，即使在中等温度下，由某些塑料模制的部件仍具有很好的耐化学浸蚀和耐化学腐蚀性。注模制造法仅限于导电率和导热率相对差的材料。该限制源于对富聚合物成分的需要，以保证模制过程期间的充分流动；并且聚合物导热性和导电性差。结果，对于电子、电化学、热和热电装置方面的应用，研制低成本且耐腐蚀的结构需要在高传导性聚合物复合物领域进行创新。高传导性聚合物组合物和模制包含有高流动性、高导电性和高导热性的该组合物的工艺已由本作者等开发并在1998年11月18日提交的U.S.专利申请序号No.195307中详细描述。该组合物虽然高度填充，但可注模并设计成用于PEM燃料电池，起导体、传热材料和透气隔板的作用，耐塑性变形、水解作用和高温化学浸蚀。该组合物用来模制集流板，该集流板构成最高达每个燃料电池的90wt％。通常PEM燃料电池的构成在图1中示出。注模复合双极板(特别是包含热塑性塑料的那些)在模制期间产生电阻性的富聚合物表面层，并且这些表面层影响运行期间的燃料电池性能。正如在燃料电池中，如果电流通过包含该表面层的界面，极大部分电流将转换成热量，这会降低燃料电池的电效率。与现有技术的模制聚合物复合物相比，根据本发明模制工艺模制的聚合物复合物具有高传导性。由于在模制复合物结构的外表面处更高的聚合物树脂浓度，该传导性受到限制。

本发明概述

因此，本发明的目的是提供利用注模或压模的高传导性聚合物复合结构。

本发明的另一目的是进一步提高该模制聚合物复合结构的传导率。

本发明的又一目的是利用模制高传导性聚合物复合物作为燃料电池的集流板。

本发明的再一目的是提供模制的高传导性聚合物复合集流板，该集流板具有聚合物增强通道表面，导致机械强度更高、渗透率和孔隙率降低、耐浸蚀和耐腐蚀性更好、以及通道中的流动阻力降低。

本发明的还一目的是提供模制的高传导性聚合物复合物的制造方法，利用更大的型腔来使模制压力要求降低。

本发明的又一目的是提供厚度降低的模制高传导性聚合物复合物的制造方法。

本发明的再一目的是利用相对低成本的制造工艺来提高模制聚合物复合结构的传导率。

通过在燃料电池中使用的集流板的制造方法来实现本发明的这些和其它目的。该方法优选包括步骤：提供加工成集流板形状的优选石墨填充聚合物组合物，在相对表面上具有台阶区域；从至少一个所述台阶区域中除去所述组合物层。模制后的组合物具有粘合剂例如聚合物粘合剂的浓度朝所述台阶区域增加的梯度。在该层除去后，提供聚合物浓度降低的新台阶区域。利用注模、压模或两者结合来模制高填充聚合物。该组合物可以包括各种聚合物，但优选热塑性聚合物。该热塑性聚合物优选是液晶聚合物，优选使用相对低成本的制造工艺例如机加工、喷砂或表面研磨来除去该层。

考虑多种因素就能确定要除去的该层厚度。希望该厚度足够大以便除去高聚合物浓度的区域。甚至希望除去更大厚度以改进模制工艺。所除去层的厚度应当在0.001-0.5cm，优选在0.015-0.06cm之间的范围内。

本发明还旨在由上述制造工艺而得到的、改进的燃料电池集流板。该改进的燃料电池集流板优选包括石墨填充的聚合物组合物，该组合物具有间距为板厚度的相对平面。首先，在模制后，组合物具有聚合物浓度朝所述平面增加的梯度。该平面具有通道和在通道外面的台阶区域。在台阶区域上的层除去之后，集流板在台阶区域中提供更高浓度的导电石墨填料，同时在通道内保持富聚合物表面。这些聚合物增加的通道表面在通道内产生许多益处，例如机械强度改进、渗透率和孔隙率降低。