[发明专利]燃料电池隔板材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池(如聚合物电解质燃料电池或磷酸燃料电池)的隔板材料，及其制备方法。

背景技术

燃料电池隔板材料需要具有高传导性，以降低电池的内阻来增加发电效率。燃料电池隔板还需具有高气密性以完全分离的方式向电极提供燃料气体和氧化性气体。此外，燃料电池隔板材料还需具有高强度和高耐蚀性以防止电池组组装期间和电池操作期间出现破损。

由于碳材料具有上述所需性能，其已被用作隔板材料。作为碳材料，石墨的密度低，而玻璃样碳材料的密度高且气密性优异，但却硬而脆，导致其可加工性差。因此，利用热固性树脂(粘合剂)将碳粉(如石墨)粘结，然后使所得产品成型而制得的碳与固化树脂的成型品已适于用作隔板材料。

例如，JP-A-11-297337公开了一种制造聚合物电解质燃料电池隔板元件的方法，其中将10～100重量份热固性树脂(基于100重量份的碳粉)与碳粉混合并固化该混合物所制得的碳和固化树脂成型品热压接合(thermocompression-bonded)到薄金属板的每一面，且在固化树脂成型品内形成气体凹槽(gas grooves)。JP-A-2000-021421公开了一种制造聚合物电解质燃料电池隔板元件的方法，其中在压力下将60～85wt％的石墨粉与15～40wt％的热固性树脂混合(所述石墨粉的平均粒径为50μm或以下，最大粒径为100μm或以下且长宽比(aspect ratio)为3或以下，所述热固性树脂含有60％或更多的非挥发性物质)，粉碎该混合物，将其置于模具中，减压下脱气，在压力下使其成型，将成型品加工成特定形状，然后在150～280℃的温度下加热固化(或在150～280℃的温度下加热固化，然后再加工成特定形状)。

JP-A-2001-126744公开了一种由石墨颗粒和非碳质热塑性树脂形成的燃料电池隔板，其中石墨颗粒至少包括平均粒径(D50％)为40～120μm的粗石墨颗粒。JP-A-2001-126744提到将该粗石墨颗粒与平均粒径小于粗石墨颗粒的石墨颗粒混合可使石墨颗粒填充该粗石墨颗粒之间的空间。

由于石墨颗粒本身的晶体结构，石墨颗粒具有显著的各向异性。为了得到各向异性低的高晶度石墨颗粒，JP-A-2003-238135公开了一种制备球状石墨颗粒的方法，其中将原料石墨颗粒与来自于撞击部旋转路径外部的空气流一起供应到配置了撞击部(impact member)的加工器件中(该撞击部围绕着罩壳中的轴杆高速旋转)，并从撞击部旋转路径内部取出球状石墨颗粒。

JP-A-2004-269567公开了一种由粒状(pelletized)石墨颗粒和树脂制成的可成型的导电组合物。该导电组合物的成型性高，允许在树脂含量低的情况下进行喷射模塑，且其具有优异的电学性质和机械性质，以及具有各向同性的特性。JP-A-2004-269567还公开了一种由此导电组合物制成的聚合物电解质燃料电池隔板。

本发明的申请人公开了一种制造聚合物电解质燃料电池隔板材料的方法，其包括：将树脂固含量为15～26重量份(基于100重量份的石墨粉)的热固性树脂与石墨粉混合，其中已通过机械碾磨的颗粒表面光滑化将所述石墨粉的平均粒径调整为70μm或以下，最大粒径调整为300μm或以下，颗粒直径为10μm或以下的颗粒的含量调整为20wt％或以下，然后除去溶剂干燥该混合物，碾碎所得混合物得到成型粉末，将成型粉末填入模具中，在20～50MPa的压力和150～250℃的温度下，热压该成型粉末使成型(见JP-A-2004-253242)。

发明内容

燃料电池隔板材料需具有如上所述的低电阻、高气密性、高强度以及高抗蚀性。可有效降低作为粘合剂的树脂的量以降低电阻。然而，减少了树脂的量，成型性会变差。而且，成型品的结构的致密化作用(densification)和均化作用(homogenization)会变得不足，由此难以实现高气密性和高强度。

近年来，为了提高输出量，减小尺寸，提高电池的性能以及制备起动时间(startup time)快的电池组结构，需要制造热容低的隔板。因此，越来越需要厚度减小(如少于0.3mm)的隔板。

为了减小隔板的厚度，改善成型性和石墨颗粒与热固性树脂混合物的流动性是有效的。另一方面，仅改善热固性树脂的特性会限制成型性的增加。

当减小了隔板的厚度时，隔板容易由于细小的裂纹而断裂。因此，需要强度足以抵抗断裂(即高断裂拉伸率)的材料。