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      一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈及其制造方法

      文檔序號:7003546閱讀:329來源:國知局
      專利名稱:一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈及其制造方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及不銹鋼纖維氈,特別是涉及一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈及其制造方法。
      背景技術
      隨著社會的進步,人類面臨的能源危機、環(huán)境污染問題日益嚴重,這些問題已成為制約全球經(jīng)濟發(fā)展的關鍵。開發(fā)使用可再生、清潔環(huán)保的新能源是未來社會發(fā)展的必然趨勢。燃料電池技術應運而生,燃料電池是一種可以高效地將燃料和氧化劑通過電極反應直接轉化為電能的發(fā)電裝置。具有能量密度高,常溫啟動快,對環(huán)境無污染、無噪聲等優(yōu)點。雙極板是燃料電池的關鍵組件之一,它具有分隔氧化劑和還原劑、收集電流、流體分布、支撐電極等功能。目前在燃料電池中廣泛應用的雙極板主要有石墨(包括純石墨板和石墨與聚合物復合板)雙極板、金屬雙極板、金屬與石墨復合雙極板和聚合樹脂與石墨摻雜注塑成型的雙極板等。傳統(tǒng)的流場結構一般為點狀、網(wǎng)狀、平行溝槽、蛇形、交指狀和肺形分支狀等。然而采用傳統(tǒng)機械加工方法制造的具有微通道結構的雙極板,不僅存在著加工工藝復雜、成本高、質量大、比表面積低及導熱性能差等缺點,還需進行表面憎水處理,嚴重影響著燃料電池的性能和燃料電池的商業(yè)化。

      發(fā)明內容
      本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點和不足,提供一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈及其制造方法,其加工工藝簡單、成本低廉、質量小、孔隙率高、比表面積大、 傳熱傳質性能良好且表面憎水性的用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈。本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)—種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈及其制造方法,包括如下步驟和工藝條件(1)對不銹鋼圓棒工件表面進行清洗除油,并選用機械加工方法去除表面氧化層;(2)利用大刃傾角多齒刀具,在普通車床上切削出不同加工參數(shù)的不銹鋼纖維;(3)采用剪切設備將不銹鋼纖維剪成一定長度的短纖維,并對不銹鋼纖維進行預處理。先將其放入堿性溶液中用超聲波清洗,洗去表面油污,再取出用清水沖洗,最后將不銹鋼纖維放入酸性溶液中用超聲波清洗,洗去表面氧化物; (4)根據(jù)其所制備纖維氈的孔隙率及外形尺寸要求,稱取定量的不銹鋼纖維,將纖維均勻地填充在陶瓷模壓裝置的凹腔中,并用螺栓螺母將模具壓緊;(5)將壓緊的模壓裝置放入真空燒結爐中燒結,隨爐冷卻至室溫后打開模壓裝置取出不銹鋼纖維氈,并將其校平,得到一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維燒結氈。上述步驟( 不銹鋼纖維加工是采用大刃傾角多齒刀具加工獲得連續(xù)型不銹鋼纖維,多齒刀具材料采用超硬高速鋼,刀具由線切割加工制成。上述步驟(3)剪切出的不銹鋼纖維,直徑為50μπι 200μπι,長度為IOmm 20mm,
      邊緣具有鋸齒狀結構,表面具有豐富的多/微尺度表面結構。上述步驟(3)不銹鋼纖維預處理,堿性溶液為質量濃度5% 20%的NaOH、Κ0Η、 Ca(OH)2中的一種或者幾種,酸性溶液為體積濃度5% 10%的HC1、H2S04、HN03中的一種或者幾種,超聲波清洗時間為IOmin 30min。上述步驟(5)不銹鋼纖維氈采用的燒結溫度為1100°C 1300°C,燒結過程采用分段升溫,升溫速率彡50C /min,燒結時間為60min 180min,真空度為10_2 10’a。上述步驟(4)不銹鋼纖維氈的孔隙率為70% 90%,孔徑150 μ m 400 μ m,厚度 0. 5mm 3mm,密度2g/cm3左右,寬度30mm 100mm,長度30mm 150mm。可按照不同燃料電池的要求,予以確定具體的尺寸規(guī)格。通過上述制造方法,即可得到燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈,其纖維采用雜亂的方式排列,表面具有豐富的多/微尺度表面結構,燒結后金屬纖維間實現(xiàn)冶金結合,形成了大量的多尺度孔隙結構。所制造的的不銹鋼纖維氈具有高孔隙率、高比表面積、良好的傳熱傳質性能、表面憎水性、制造工藝簡單及成本低廉等優(yōu)點。此方法可適用于制造多種金屬的多孔材料,且其孔隙尺寸,孔隙率可控制。與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果在于(1)不銹鋼纖維加工方面。采用多齒切削法加工不銹鋼纖維,將不銹鋼纖維切削從單刃發(fā)展為多刃,利用多齒刀具的分屑作用可以同時獲得多根連續(xù)型微細金屬纖維,當量直徑可達到35 μ m,截面大多近似為三角形或矩形。此法不僅有效克服了切削法生產(chǎn)效率低的問題,而且解決了切削法不能制造連續(xù)型金屬纖維的難題。(2)不銹鋼纖維表面形貌。與拉拔法和熔抽法制造的不銹鋼纖維相比,多齒切削法可以制造連續(xù)型金屬纖維且纖維邊緣具有鋸齒狀結構,表面具有豐富的多/微尺度表面結構。(3)不銹鋼纖維氈的結構特點。不銹鋼纖維氈是以不銹鋼纖維為原材料開發(fā)的一種新型多孔金屬材料,具有三維網(wǎng)狀多孔結構、高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結構特點,有效克服了多孔有機高分子材料強度低且不耐高溫,多孔陶瓷質脆且不抗熱震,金屬網(wǎng)易堵易破,粉末燒結易碎、流量小,濾紙濾布不耐溫、耐壓等缺點。(4)不銹鋼纖維氈用于燃料電池雙極板。與傳統(tǒng)的不銹鋼雙極板和石墨雙極板相比,不銹鋼纖維氈具有良好的結構均勻性,使甲醇水溶液流經(jīng)纖維氈時壓降損失小,保證甲醇水溶液在流場中的速度均勻;纖維氈還具有良好傳熱傳質性能,能夠保證甲醇水溶液均勻分配到電極各處,使得電流密度、電池內部溫度都分布均勻,防止局部過熱,從而有效地提高燃料電池效率;纖維氈體積小重量輕、生產(chǎn)工藝簡單且成本低廉,有利于DMFC的微型化,有效降低燃料電池制造成本,推動其在便攜式電子產(chǎn)品及小型移動通訊設備中的應用。


      圖1為本發(fā)明不銹鋼纖維SEM圖;圖2為本發(fā)明所采用的模壓裝置結構示意圖;圖3為本發(fā)明不銹鋼纖維氈SEM圖。
      具體實施例方式下面對本發(fā)明的具體實施方式
      作進一步詳細的說明,但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例本發(fā)明用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈,可采用下述方法實現(xiàn)第一步切削法加工不銹鋼纖維。首先對不銹鋼圓棒工件表面進行清洗除油,然后把不銹鋼棒裝夾在CM6140車床上,采用車削法去除表面氧化層。利用大刃傾角多齒刀具, 在車床上切削加工不銹鋼纖維。刀具材料采用超硬高速鋼,刀具由線切割加工制成。不銹鋼纖維SEM圖如圖1所示,所加工的不銹鋼纖維直徑為50 μ m-200 μ m,邊緣具有鋸齒狀結構,表面具有豐富的多/微尺度表面結構。第二步不銹鋼纖維的預處理。采用剪切設備將不銹鋼纖維剪成長度為10mm-20mm 的不銹鋼短纖維,先將收集的不銹鋼短纖維放入質量濃度5% -20%的NaOHKOH或者 Ca(OH)2中的溶液中(這兩種溶液也可以混合使用),用超聲波清洗10min-30min,洗去表面油污,接著將其取出用自來水沖洗去纖維上殘留的溶液,然后將纖維放入體積濃度 5% -10%的稀HCl、H2SO4或者HNO3溶液中(這幾種溶液也可混合使用),用超聲波清洗 10min-30min,洗去表面氧化物,之后取出用自來水沖洗去不銹鋼纖維表面殘留酸液,最后風冷干燥不銹鋼纖維。模壓裝置如圖2所示。第三步纖維氈模壓。根據(jù)所需制備不銹鋼纖維氈的孔隙率及尺寸要求,稱取定量的不銹鋼纖維,將纖維均勻地填充在陶瓷模壓裝置的承壓板2和凹板3組成的的凹腔中,在壓板4上施加一定的力,壓板4的中部設有凸臺,凸臺4-1與凹腔相配合(他們之間為間隙配合),承壓板2、凹板3和壓板4上均對稱設置供螺栓1穿過的孔6。通過扭力扳手對螺栓1和螺母5施加8N · m-12N · m的力,壓緊壓板4和承壓板2,螺母5擰的越緊,承壓板2和壓板4之間的擠壓力就越大。第四步高溫固相燒結。將裝夾好的陶瓷模壓裝置放入真空度為10_2Pa-10_3Pa的真空燒結爐中,在1100°C -1300°c的溫度下燒結60min-180min,燒結過程采用分段升溫,升溫速率彡5°C /min。隨爐冷卻至室溫后將陶瓷模壓從燒結爐中取出,打開模壓裝置并取出不銹鋼纖維燒結氈,最后將其校平即可得到一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈,不銹鋼纖維氈SEM圖如圖3所示。采用此方法制備的不銹鋼纖維氈不僅實現(xiàn)了不銹鋼纖維之間的冶金結合,還保留了不銹鋼纖維表面粗糙異型結構,孔隙率高,比表面積大,傳熱傳質性能良好,纖維氈表面具有憎水性,制造工藝簡單,成本低廉,可以有效地提高燃料電池的效率和降低燃料電池的制造成本,有利于DMFC的微型化,推動其在便攜式電子產(chǎn)品及小型移動通訊設備中的應用。如上所述便可較好地實現(xiàn)本發(fā)明。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式,但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化, 均應為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
      權利要求
      1.一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈制造方法,其特征在于包括如下步驟(1)對不銹鋼圓棒工件表面進行清洗除油,并選用機械加工方法去除表面氧化層;(2)利用大刃傾角多齒刀具,在普通車床上切削出不同加工參數(shù)的不銹鋼纖維;(3)采用剪切設備將不銹鋼纖維剪成一定長度的短纖維,并對所得不銹鋼短纖維進行預處理,即先將不銹鋼短纖維放入堿性溶液中用超聲波清洗,洗去表面油污,然后取出并用清水沖洗,最后將該不銹鋼短纖維放入酸性溶液中用超聲波清洗,洗去表面氧化物;(4)根據(jù)所需制備纖維氈的孔隙率及外形尺寸要求,稱取定量的不銹鋼短纖維,并將其均勻地填充在模壓裝置內壓緊;(5)將模壓裝置放入真空燒結爐中燒結,隨爐冷卻至室溫后打開模壓裝置取出不銹鋼纖維氈,并將其校平,得到燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈。
      2.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈制造方法,其特征在于所述步驟( 不銹鋼纖維制造是采用大刃傾角多齒刀具加工獲得連續(xù)型不銹鋼纖維,刀具材料采用超硬高速鋼,刀具由線切割加工制成。
      3.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈制造方法,其特征在于所述步驟C3)采用剪切設備將不銹鋼纖維剪成一定長度的短纖維,具體是直徑為50μπι 200 μ m,長度為IOmm 20mm,邊緣具有鋸齒狀結構,表面具有多/微尺度表面結構。
      4.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈制造方法,其特征在于所述步驟⑶不銹鋼纖維的預處理過程中,堿性溶液為質量濃度5% 20%的NaOH、Κ0Η、 Ca(OH)2中的一種或者幾種,酸性溶液為體積濃度5% 10%的HC1、H2S04、HN03中的一種或者幾種,超聲波清洗時間為IOmin 30min。
      5.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈制造方法,其特征在于所述步驟( 不銹鋼纖維氈采用的燒結溫度為1100°c 1300°C,燒結過程采用分段升溫, 升溫速率彡50C /min,燒結時間為60min-180min,真空度為 l(T3Pa。
      6.根據(jù)權利要求1所述的用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈制造方法,其特征在于所述步驟(4)不銹鋼纖維氈的孔隙率為70 % 90%,孔徑150 μ m 400 μ m,厚度0. 5mm 3mm,密度 2g/cm3 左右,寬度 30mm 100mm,長度 30mm 150mm。
      7.由權利要求1 6中任一項所述的方法得到的一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了一種用于燃料電池雙極板的不銹鋼纖維氈及其制造方法,屬于燃料電池雙極板流場技術領域。不銹鋼纖維氈的制造方法主要可以分為切削法加工不銹鋼纖維,不銹鋼纖維預處理,纖維氈模壓,高溫固相燒結四個步驟。金屬纖維經(jīng)過燒結后,纖維間實現(xiàn)冶金結合,形成了大量的多尺度孔隙結構。所制造的不銹鋼纖維氈具有高孔隙率、高比表面積、良好的傳熱傳質性能、表面憎水性、制造工藝簡單及成本低廉等優(yōu)點。此方法可適用于制造多種金屬多孔材料,且其孔隙尺寸、孔隙率可控制。
      文檔編號H01M4/86GK102290582SQ20111016533
      公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權日2011年6月20日
      發(fā)明者萬珍平, 劉彬 申請人:華南理工大學
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