CN1326598A - 燃料电池集流板的混合和模制工艺 - Google Patents

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Abstract

一种改进的模制工艺提供了高导电性聚合物复合部件,该部件的体导电率超过10S/cm。这种导电率特别适用于燃料电池中所用的集流板。该工艺可以包括:将一种导电性填料的混合物与一种聚合物粘合剂混合,在粘合剂被增塑后挤压该混合物,以作成粒料;然后,可以将该粒料引入一个注塑机的双温度供料容器,并在高压和高速下注入模腔。由此可以经济地制成部件,特别是集流板,并且所制成的部件具有高的导电率,同时保持强度特性和耐化学特性。

Description

燃料电池集流板的混合和模制工艺
             相关申请的交叉参考
本申请是申请目为1999年11月18日、申请号为09/195,307的悬而未决的美国专利申请的部分继续申请。
             发明的领域
本发明涉及制造导电聚合物复合结构及涂层的组合物和方法。更特别地，本发明涉及一种高导电性石墨复合材料，该材料特别适合模制一种燃料电池的集流板。
              发明的背景
固体聚合物电解质膜(PEM)型电化学燃料电池是熟知的。一般地，PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)和位于导电石墨集流板之间的扩散支持物结构。在操作中，设置多个单电池，以形成一个燃料电池组。当单电池串联布置而形成一个燃料电池组时，集流板被认为是双极的集流板。集流板实现多种功能，包括：(1)提供结构支持；(2)提供电池之间的电连接；(3)引导燃料和氧化剂反应剂和/或冷却剂到单电池；(4)在单电池内分配反应剂流和/或冷却剂；(5)从单电池中去除副产物；和(6)在电连接的电池之间分开燃料和氧化剂气流。除了导电以外，集流板必须具有良好的机械强度，热稳定性高，抗化学浸蚀和/或水解引起的老化，以及对氢气的渗透性低。
通常，集流板的主表面具有复杂的图形。例如，整体槽路可以被提供，以引导燃料、氧化剂和/或副产物通过燃料电池。历史上，石墨结构已经被加工成一种由石墨复合坯料得到的希望构型。部分原因是由于加工的费用和耗时的特性，燃料电池制造业中最近更多的努力已经集中在采用压缩模塑和注射模塑技术，生产网型模制燃料电池结构(例如，双极集流板)的组合物和方法的开发上。这些努力，已经限制了成功，主要集中在与氟聚物粘合剂材料结合的模制组合物上。例如，由热塑性氟聚物，例如，1，1-二氟乙烯模制的双极集流板公开在美国专利3,801,374、4,214,969和4,999,583中。
与其它的聚合材料相比，氟聚物具有相当高的粘度。值得注意地，与氟聚物相伴的相当高的粘度限制了氟聚物在模制和涂敷组合物中作为粘合剂材料的有效性。
在一种使燃料电池集流板导电率最大化的努力中，希望的是使导电填充物装载程度最大化。一般地，在一种给定的聚合物组成中随着填充物颗粒的百分比增加，该组合物的粘度也就相应的增加。结果是，不管选择什么样的聚合物粘合剂材料，都必须限制导电填充物的添加，以保证在加工过程中某种最小程度的流动。这些粘度限制特别在注模应用中被强调，在这些场合，聚合物组合物的粘度必须保持在一种足够低的程度，以使该组合物能够移动通过复杂模具的各部分，例如，槽路和门。在氟聚合物组合物的情况下，与氟聚合物粘合剂相关的高的初始粘度级限制了在加工之前能装填进粘合剂的填充物的数量。结果是，采用氟聚合物粘合剂制造的燃料电池集流板的导电率相应地受到限制。
由于这些和其它的原因，因此，为了生产电子、热电和电化学装置而确实需要改进的组合物和方法来制造高导电的复合材料结构。
                  发明的概述
除非有其它的定义，在此使用的所有科技术语的意义与本发明所属领域的普通技术人员一般理解的意义相同。尽管与在此描述的相似或者等价方法和材料能在本发明的实践或者研究中应用，但优选的方法和材料将在下面描述。在此提到的所有的出版物、专利申请、专利、和其它参考资料全部结合起来作参考。在发生冲突时，本说明书，包括定义，将作核对。此外，材料、方法、和例子只是作说明，而不打算作为限定。
本发明的目的之一是提供一种组合物，用于制造在高腐蚀环境下使用的导热和导电的聚合物复合结构和涂层，其中，所获得的结构和涂层的导电率由于组合物的填充物装填能力的提高而被改善。
本发明的另一目的是提供一种组合物和一种加工所述的组合物的方法，以形成一种用于电子、热电和电化学装置的导热和导电聚合物复合材料结构或者涂层。
本发明还有一个目的是提供一种非氟化的组合物，用于快速网型模制一种聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的集流板，其中，改进的填充物装填使集流板的体导电率高于由氟聚合物基组合物制造的普通集流板的体导电率。
本发明的这些和其它目的通过本发明的新颖的组合物和方法而实现。新颖的聚合物组合物被提供，以便为各种应用生产高传导涂层和网型模制结构，包括：耐腐蚀的电导体和热导体及触点；电池和电容器电极；用于材料的电化学涂层和合成的电极；和电化学装置的元件，例如，聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的集流板。
简单地说，根据本发明，一种高填充的聚合物组合物被提供，以制造一种一般适合用于电子、热电和电化学装置中的结构或者涂层。在本发明的优选实施例中，该组合物特别适合于压模和/或注模一种PEM燃料电池的集流板。该组合物包括一种用一种化学惰性、导热和导电填充物充填的低粘度聚合物。
该聚合物从如下的聚合物组中选择：熔化粘度小于1,000牛顿秒/米2(N*s/m2)，剪切速度(shear rate)在1,000—10,000秒-1的范围内。此外，优选的是该聚合物具有如表2(在下面)所列的材料性能和特征。适合的聚合物一族包括：聚苯硫(PPS)；改性聚苯氧(PPO)；液晶聚合物(LCP)；酰胺；聚酰亚胺；聚酯；酚醛；含环氧的树脂；以及乙烯基酯。
该聚合物组合物用高导电性填充物来充填。在本发明的优选实施例中，该填充物包括碳和/或石墨颗粒，该颗粒的平均颗粒大小是在大约0.1—200微米的范围内，最好是在大约23—26微米范围内。填充物颗粒的表面积范围大约是1—100米2/克，最好在7—10米2/克的范围内(采用BET测试标准测量)。该组合物可以包括附加的成分，包括：碳和/或石墨纳米纤维；碳和/或石墨纤维；金属纤维，例如不锈钢或者镍；以及涂敷金属的碳和/或石墨浓缩物，该浓缩物具有热塑性或者热固性填料(sizing)，该填料从下述的潜在聚合物一族中选出。
随后，该组合物通过压模、注模、或者它们的组合形成一种所希望的形状。或者，该组合物可以用于覆盖(cladding)或者涂敷操作中。
                  附图的简要说明
在附图中表示的本发明的实施例是目前所优选的，然而，应当理解，本发明并不限于所示的精确布置和手段，附图中：
图1是一个流程图，表示根据本发明的一种优选集流板模制工艺的步骤和优选参数。
               本发明的详细说明
一种新的组合物，用于制造一种具有改善的导电性的耐腐蚀复合材料或者表面涂层。在本发明的最好方式中，该组合物用来模制一种聚合物电解质膜(PEM)燃料电池的整体式集流板。然而，该组合物能涂在合适基板的表面上，以形成一种多层集流板结构。据此，在此所用的术语“结构”意为涉及一种整体式零件或者一种带涂层的零件。最好是，该组合物包括一种低粘度热塑性/热固性树脂与一种高传导碳或者石墨填充物材料组合。
该组合物被选择，以生产一种能承受PEM燃料电池恶劣环境的集流板。最好是，该组合物用来制造一种能满足在表1(在下面)中的特殊标准的集流板。除了具有在下面确定的性能和特征外，优选的是该集流板能抗化学老化和电化学老化及水解，并且其体电阻小于50mΩ-cm(或者体导电率大于20S/cm)。
                                            表1
    特性    测试方法       数值       说明
  体电阻率    四点探针    ＜50mΩ-cm
   体密度     1.5-2.25    ＞2.25(涂敷的金属)
  H2渗透性    ＜5(10)-6   90℃；202(103)牛顿/米2
   热指数     UL746B     ＞45℃      抗拉强度
合适的粘合剂树脂限定为非氟化热塑性或者热固性聚合物，最好是具有熔化粘度小于1,000牛顿秒/米2(N*s/m2)，剪切速度在1,000-10,000秒-1的范围内，以及在表2(在下面)中所列的材料性能和特征。用在此处的术语“非氟化”意思是描述不同于氟聚物的聚合物。据此，正常数量(nominal quantities)的含氟成分可以被添加到该组合物中而不改变作为一种非氟化聚合物的粘合剂树脂标准。例如，正常数量的Teflon可以被添加到该粘合剂树脂中，以改善最终组合物的脱模特性。
                                            表2
    特性      方法      数值       说明
    粘度 毛细管流变仪    ＜1,000牛顿秒/米2     剪切速度为1,000-10,000秒-1
    热指数     UL746B     ＞45℃     抗拉强度
  水解稳定性 ＞80％机械特性保留      60℃ 水；1,000小时
   颗粒大小     60筛目  ＞50％(重量)    ＜200微米
   T热偏差   ASTM D648     ＞75℃   以1.82(10)6牛顿/米2
    T熔化     ＞90℃   最好315-340℃
  抗拉强度   ASTM D638  21-210(10)6牛顿/米2   最好＞40(10)6
    密度    1.0-2.0克/立方厘米
  水的吸收   ASTM D570     ＜10％重量增量    23℃；24小时
满足这些要求的聚合物树脂的特别例子包括(但不限)：聚硫苯(PPS)，低分子量的聚硫苯，液晶聚合物(LCP)，和改性聚氧苯。适合的聚硫苯可以从俄克拉何马州Bartlesville的飞利浦化学公司(Phillips Chemical Company)买到(产品商标为Ryton)，也可以从新泽西州Summit的Ticona Corporation买到(产品商标为Fortron)。具有希望性能的液晶聚合物可以从Ticona买到(产品商标为Vectra)，也可以从佐治亚州Alpharetta的Amoco PerformanceProducts，Inc.买到(产品商标为Xydar)。一种具有希望性能的改性聚氧苯可以从马萨诸塞州Pittsfield的通用电气公司(GeneralElectric Company)买到(产品商标为Noryl)。上述聚合物树脂的组合具有如表2中列出的希望的性能。
在模制之前，聚合物树脂与高导电性填充物颗粒结合。最好是，填充物颗粒包括碳和/或石墨，并具有如下面表3中所列的性能和特征。
                                             表3
    特性     方法     数值     说明
    碳含量      --     ＞89％ 理想的：＞98％
   压制密度      --     1.8-2.0克/厘米3   以44.8(10)6牛顿/米2
   颗粒大小    200筛目     ＞70％(重量)  理想的：＞98％(重量)
 平均颗粒大小      --   0.1-200微米  理想的：23-26微米
   表面积     BET    5-50米2/克   理想的：7-10米2/克
   电阻率      --    ＜15mΩ-cm    以48(10)6牛顿/米2
该填充物可以不同的形式被提供，包括颗粒，纤维，薄片和圆球。然而，优选的是填充物材料包括一种碳含量大于98％的高纯度石墨粉。使用石墨是优选的，因为石墨在广泛的环境范围内电化学上是稳定的。采用粉末形式是优选的，因为粉末不易阻碍在模制过程中组合物的流动。最好是，石墨粉末具有平均粒度大约为23—26微米，并且用BET方法测得的表面积大约为7—10米2/克。在本发明的新组合物中，小、低表面积导体颗粒的结合是明显不同于用于制造电子、热电和电化学装置的结构的普通导体复合材料。普通的导体复合材料，例如用于制造燃料电池集流板的材料，通常包含表面积很大而粒度小的导体颗粒。例如，碳黑颗粒是典型的，其表面积大于500米2/克，而其粒度小于1微米。通常，普通的导体组合物还包含具有低表面积的大纤维。例如，表面积小于10米2/克，而纤维长度超过250微米的纤维是典型的。
将减小填充物颗粒大小和减小填充物表面积的相结合，由此提供了一种保持材料流动而增加填充物颗粒充填的方式。明显地，相当低的颗粒大小和表面积与现有的模制集流板的组合物相比，可大大提高填充物的填充密度。固体填充物相应增加的结果是，提高了所制成的板的导电率，而使气体渗透空隙最小化。具有上述性能的石墨粉末能从田纳西州Lawrenceburg的UCAR Carbon Company，Inc.以及新泽西州Asbury的Asbury Carbon，Inc.买到。
碳纳米纤维可以被添加到该组合物中，以改善模制集流板的导电率和机械强度。碳纳米纤维通常具有几纳米到几百纳米的直径范围，长宽比(aspect ratio)在50到1,500的范围内。进一步的添加剂可以包括碳纤维，金属纤维，例如不锈钢或者镍，和/或涂敷金属的碳纤维浓缩物，该浓缩物具有聚合物填料，从上述潜在的聚合物一族中选出(即聚硫苯，改性聚氧苯，液晶聚合物，聚酰胺，聚酰亚胺，聚酯，酚醛塑料，含环氧的树脂，线型酚醛环氧和乙烯基酯)。
优选的组合物包含45—95％(重量)石墨粉末，5—50％(重量)聚合物树脂，以及0—20％(重量)金属纤维，碳纤维和/或碳纳米纤维。最好是，主要填充物的充填物，例如，石墨粉末，大于65％(重量)。在本发明的一个最佳实施例中，该组合物是70—85％(重量)石墨粉末，GP195，田纳西州Lawrenceburg的UCAR CarbonCompany，Inc.的产品，以及15—30％(重量)LCP(液晶聚合物)，A950RX，新泽西州Summit的Ticona Corporation的产品。在添加金属纤维的场合，优选的是至少50％的纤维的直径在几纳米到大约50微米的范围内，其长宽比在10—5,000的范围内。
附加的填充物能被添加到该混合物中，这些附加的填充物能包括导体纤维或者纤维浓缩物，例如，在PPS或LCP树脂中成粒的涂镍碳纤维。这些可以，例如，在注模阶段，与优选组合物的粒料混合。导体纤维添加剂还可以在混合过程中进入优选的组合物中。
该组合物通过不同的方法，包括压模，注模，或者它们的组合，被成型为一种具有希望几何形状的复合材料。压模
在压模的情况下，石墨和聚合物粉末，和/或涂敷金属的碳颗粒或者纤维，开始时混合在一起，以获得一种均匀的分布和组成。通过压缩该配料，采用压力为5—100×106牛顿/米2，温度为聚合物组分的熔化温度，最好是在室温下，制成该混合配料的预型件。该预型件被加热到一个大于聚合物熔化温度的温度，加热时间为大约1—45分钟。随后，该预型件放置在模压板之间，被加热到180一350℃范围内的一个温度。以大约1—15(10)6牛顿/米2的压力将模压板一起合拢，存在于模内的气体通过一个抽真空的除气步骤而去除。除气步骤用大约1分钟。伴随除气，模的合拢压力增加到大约5—75×106牛顿/米2。随后，该模被冷却到大约80-250℃范围内的一个温度，将零件从模中取走。注模前的混合
根据本发明，聚合物和主要填充物，例如，石墨粉末，被组合成粒料，在随后的模制工艺中使用。
尽管能形成粒料的任何方法用于本发明都是可接受的，但形成粒料的优选方法包括：伴随混合物的挤压，将聚合物和主要填充物混合并加热。
在本发明的一个最佳实施例中，主要填充物和聚合物被送进一个加热的挤压桶，该桶被加热到一个聚合物基体的熔化温度之上。
最好是，挤压桶的温度大约是在聚合物基体的熔化温度之上10—50℃。在一个最佳实施例中，该桶的温度是在聚合物基体的熔化温度之上大约30℃。
聚合物和主要填充物材料最好是以保持精确的混合比的方式送进该桶。尽管本发明中能以精确混合比将聚合物和主要填充物送进该桶的任何装置都是可接受的，但现在的优选装置是失重进料器。
在进入挤压桶后，聚合物被增塑，主要填充物被分散进入聚合物中。本发明并不限制所用的装置，任何装置只要能增塑聚合物并分散主要填充物即可。然而，现在的优选装置包括一个或者一个以上在该桶内的螺旋装置。在一个最佳的实施例中，使主要填充物进入聚合物中，在聚合物基本上被增塑之后即被分散。
在一个现在的优选实施例中，总的供料体积，包括主要填充物加上聚合物，比该桶的可用体积要小得多。在这种方式下，该桶进料少，这样，给该筒装料少，使该材料能够以一个相当均匀的速率被输送，例如，50—80％的容量。
在增塑聚合物并将主要填充物混合到聚合物中后，所得到的高粘性材料在压力下，例如，300—500磅/英寸2，被挤压通过一个或者一个以上位于该筒端部的模孔。因为该混合物具有一个相当高的粘度，因此，模孔的L/D之比(用直径去除孔的长度)最好是小于1.5。这就避免模孔的压力升高和工艺的不稳定性。对于一个优选的3毫米直径，模的孔长应该是5毫米或者更小。在本发明的另一个实施例中，模面可以被加热，以避免温度下降而引起聚合物固化。
关于挤压混合物，因为材料损失热量快，因此不必用水冷却来固化混合物。然后，固化的挤出物最好是切成粒料。尽管在本发明中将挤出物切成粒料的任何方法都是可接受的，但挤出物最好是在模面通过旋转叶片切成粒料。旋转叶片现在的优选速度被调整，以使粒料长度大约为2—8毫米。
一旦粒料形成，则更细的颗粒就能从粒料中分离出来。尽管在本发明中能这样的任何装置都是可接受的，但粒料最好是利用一个震动分级器或者一个流化床从更细的颗粒中分离出来。混合的粒料然后一般地被干燥，让空气以大约150℃通过粒料，并持续4—8小时，以去除水分。注模
将粒料供给一个注模机，该机将熔融的材料注入一个模。在本发明的一个优选实施例中，熔融材料被注入模的压力明显高于传统的聚合物组合物的注模压力。这种注射压力的提高使得零件的充填性得到提高，特别对大而薄的零件，例如，集流板，效果很好。因为提高了模制压力并提高了零件的充填性，因此增大了主要填充物的数量，典型地，随集流板形成石墨或者碳，明显地提高了该复合材料的密度，改善了电与热的传导率，机械强度和阻挡性能。
因为注射压力较高，因此注射速度较快。这种较高的注射速度减少了聚合物厚外层皮的形成，而这种厚外层皮在用较低速度模制的零件中会发现。形成的外皮是一个定向层，它随熔体前部在模腔内前进而固化在模腔表面。
对于高填充聚合物组合物，在模腔表面附近的外皮与大部分材料相比，其聚合物的密度更高。一般地，随注射速度提高，外皮的厚度减小。重要的是，这种皮的形式变成一种冻结层，并能引起一种流动阻碍，它限制了流动长度和填充压力。然而，一个更高的注射速度使更高的压力能够被传输通过模腔，并使复合材料受到更高的剪切力。所以，所获得的模制零件是更加致密的。此外，可以发现：当一个导体板根据本发明采用更高的注射速度形成时，该板的导电率得到了提高。
尽管获得一个更高的注射压力和速度的任何方法用于本发明都是可接受的，但现在的优选注射方法在此后描述。上面描述的粒料被注入一个注模机的桶中。该筒最好包括一个L/D(长度/直径)比至少为15/1的螺旋装置，螺旋装置的速度保持在100—350转/分之间。还有，在螺旋装置内的压缩比一般在1.5/1和3.5/1之间。
该桶最好由这些区域组成，即它们分别被加热并且从供料区到喷嘴提高温度。例如，供料区温度大约保持为聚合物基体的熔化温度，而喷嘴温度保持为比聚合物的熔化温度高40—80℃。有利地是，较高的喷嘴温度减少了由于熔融的材料被注射通过喷嘴时压力的下降。此外，较高的喷嘴温度使得在注入模腔过程中熔化物内保持充足的热量。更进一步地，模制温度保持在大约80—250℃之间，还能增加流动长度。
在本发明的一个优选的实施例中，加热的喷嘴延伸到一个大于15厘米的现在的优选长度，以引导热的聚合物组合物更接近模腔。还有，延伸的喷嘴用来与一个高度低而直径大于5毫米的浇口组合，以便在材料向模腔移动时，使压力损失最小化。
模单元最好采用大流动孔来降低流动的阻力。还有，模单元可以具有一个中心或者边门，在此聚合物组合物进入模腔。此外，临近零件表面的地方可以设置直径大约为0.5—1.5厘米的半圆形和圆形流道(runners)，以增加流动长度。与普通的模制实践相比，在零件脱模之后，这些流道能被去除，例如，通过切削，磨削或者类似的操作。这些流道能有利地降低在模制大而薄的板，例如，燃料电池集流板时的注射和夹持压力要求。这些集流板的尺寸通常为23×46厘米，厚度大约为0.2厘米。
一个在注模内的热歧管还能用来传输热材料到模腔内的特定位置。热歧管技术作为一种传输材料进入一个要求很长的填充流动长度的模的手段，在本领域是熟知的。本发明并不限于一种具体类型的热歧管。热歧管模制的优点就是在要求的流动长度与壁厚之比明显大于30的情况下能够填充模腔。
在一个优选的实施例中，热歧管包含多个能以顺序方式打开的门或者阀门。这种顺序的打开使流动前部因热材料而被再加压。作为例子，初级阀门打开，使材料能够注入模腔。当流动前部前进一定距离时，流动前部就接近一个与热歧管连通的闭合的阀门。当流动前部通过该阀门时，流动前部就触发该阀门打开，这样产生一个来自注射单元的熔化物压力，以使模腔中的熔化物前部加速。
有利地是，这样通过熔化物前部从初级阀门向顺序阀门移动来补偿在模腔中的压力损失。然而，与浇口、边缘、或者流道较少门控(less gating)相比，不附加前面讨论的更高的高注射速度，热歧管的添加并不一定提供更好的导体模制复合材料。
在一个优选的实施例中，当用一种高填充的组合物工作时，注射单元的前进时间保持为小于大约2秒。通常，零件在闭合的模中冷却所需要的时间大约是3—30秒。尽管模闭合与模打开之间的循环时间可以是在大约3—90秒之间，但循环时间最好是在大约10—30秒之间。
尽管增加注射压力的任何方法用于本发明都是可接受的，但一种蓄压器是现在的增加合适的注射压力的优选方式。带有压缩空气蓄压器的现在的注射单元，所能达到的注射压力超过200×106牛顿/米2，可以从许多机器制造商那里买到。这种设备的制造商包括：加拿大Bolton，ON的Canada Husky Injection Molding Systems，Ltd.和加利福尼亚州Anaheim的Nissei America，Inc.。
尽管合适的注射压力大约是20—600×106牛顿/米2，但现在用于本发明的优选注射压力是在大约150—450×106牛顿/米2之间。采取一些改进措施可以获得比200×106牛顿/米2大得多的注射压力。
这种改进的一个例子包括：缩小注射螺旋单元的尺寸，以提高可达到的压力。通常，注模机的液压***的最大压力大约为20×106牛顿/米2。该压力靠一个定位在注射螺旋单元之后的活塞来施加。该压力然后沿一个杆传递到在螺旋端部上的校验环。
压力的增大出现在注射过程中，这种增大等同于液压活塞截面面积与螺旋校验环截面面积之比。一般地，该比值大约是10。然而，安置一个较小的注射单元，该比值就能增加到20；这样相应的注射压力大约是400×106牛顿/米2。从而，缩小注射螺旋单元的尺寸就是一种增加合适的注射压力的有效手段。
根据注射尺寸、注射速度和材料组合物，经过一个标准的6.35毫米的喷嘴的通常的压力损失是大约35—70×106牛顿/米2。还有，根据模的设计，经过流道和门会损失等量的压力。对于标准的设备设计，大约140×106牛顿/米2的压力损失在该材料到达模中的目的位置之前。
采用一个注射螺旋单元，不用为压力增强作改进，合适的机器注射压力的范围仅仅是140—200×106牛顿/米2。结果是，流动长度明显地减小，零件的填充仅限于很小的零件。因此，注射压力的增强使得大而薄的零件，例如，PEM燃料电池的集流板，能够在模制过程中进行填充。
由于增加了注射和模腔的压力，因此，在注射过程中保持模闭合所要求的闭合力不能用惯用的方法来估算。通常，所要求的力可以用模腔的面积(米2)乘以一个因数40×106—70×106牛顿/米2来估计，取决于聚合物或者聚合物复合材料的粘度。
作为一个例子，一块15厘米×15厘米的板的投影面积为0.0225米2。对于惯用的组合物和模制条件，保持模闭合所要求的力大约是1.2×106牛顿。然而，采用根据本发明的方法，闭合力明显地更高，会超过3.6×106牛顿。与现有的注模方法相比，这种闭合力的增加导致了模腔压力的明显增加。
当充足的压力在注射操作之前产生在螺旋装置的两侧时，利用压力蓄集器可获得高的注射速度。当在螺旋装置前部的压力释放时，螺旋装置的快速运动或者“发射(firing)”成为可能。其中，惯用的注射速度通常为大约10—100毫米/秒，使用辅助蓄压器能使注射速度到增加1,000毫米/秒以上。
最佳的注射速度取决于几个因素，包括桶的尺寸和零件的几何形状等。还有，该速度在注射循环过程中频繁地变化。现在注射速度的优选范围是大约100—900毫米/秒。注射速度高的一个优点是填充时间更快，以致于该材料在零件被填充之前不会冻结在模腔中。还有，更高的速度产生了更高剪切力，使材料的粘度更低。
当上述工艺用于生产燃料电池的集流板时，所获得的板有高的传导性。除了高的传导性外，这些板还必须是非多孔的、耐长时间地暴露于热水、成本低、可大批量生产、并具有优异的尺寸公差控制。根据本发明的一个优选实施例，最终产品用高温、低粘度的热塑性聚合物(例如，LCP和/或PPS)和石墨粉末来制造。该产品还可以包含添加剂，例如：碳纤维，石墨纤维，涂镍碳纤维或者金属纤维，以增强体传导率。这样的一种产品比现有的压模热固性聚合物复合材料好，表现在：更好的尺寸控制在模制过程中被取得，耐热水性大大地改善，生产循环时间急剧地减少，以及最终产品可反复利用。
在某些情况下，希望采用一种组合注射/压缩模塑工艺，其中，注射模塑的结构涉及一个模塑后的压缩步骤。例如，这种最后的压缩步骤可以被采用，通过增加导体填充物的填充密度，进一步增强模塑结构的传导率。
在本发明的另一个实施例中，新的组合物被熔化，并涂敷到金属表面上，以便在冷却后形成一种硬化的、高传导性保护层。该组合物提供了一种避免下置金属结构受腐蚀的装置，同时阻止电阻的明显的增加。适合用于燃料电池(即具有在表1中所列的性能)的结构能采用多种不同的涂敷方法来形成。例如，可以将新的组合物涂敷在薄的、冲压或者蚀刻的金属基板上来形成一种涂敷结构。涂敷的方法包括喷涂或者热轧涂敷一种金属板，以及随后对涂敷过的表面进行热冲压，以形成一种希望的表面几何形状。
本发明的优选实施例已经举例说明和描述，应该清楚的是，本发明并不局限于此。对于本领域的普通技术人员来说，可以做出各种改进、变化、改变、替换和等效变换，而不会偏离权利要求所述的本发明的精神和范围。

Claims (56)

1、一种制造高传导性聚合物复合材料零件的工艺，包括以下步骤：
提供一种混合物，该混合物包括一种非氟化聚合物粘合剂，该粘合剂的熔化粘度小于1,000牛顿秒/米2(N*S/m2)，剪切速度在1,000—10,000秒-1的范围内；和
许多导电颗粒固定在所述的聚合物粘合剂中，所述复合材料的体传导率至少为大约10西/厘米(S/cm)；
将所述的混合物加热到一个高于所述聚合物粘合剂的熔化温度的温度；
将所述的混合物注入一个模腔；
使所述的混合物冷却到一个低于所述聚合物粘合剂熔化温度的温度，以形成一个整体零件；以及
从所述的模腔脱出所述整体零件。
2、根据权利要求1所述的工艺，其中，提供一种混合物的步骤包括：供给该导体填充物和供给该聚合物粘合剂进入一个加热的挤压桶；
在该挤压桶中熔化该聚合物；
从挤压桶中挤压该聚合物；
由挤压过的混合物制作粒料；
在将所述的混合物注射到所述的模腔之前将所述的粒料熔化。
3、根据权利要求2所述的工艺，其中，挤压桶被加热到超过该聚合物粘合剂的熔化温度10—50℃之间。
4、根据权利要求2所述的工艺，其中，该聚合物粘合剂首先被供给进入该挤压桶和被增塑，然后该导体填充物被分散到聚合物粘合剂中。
5、根据权利要求2所述的工艺，其中，该聚合物粘合剂和导体填充物的总供给量小于挤压桶的容量的大约80％。
6、根据权利要求2所述的工艺，其中，该混合物被挤压通过一个模，该模的孔长/直径比为1.5或者更小。
7、根据权利要求6所述的工艺，其中，该混合物在至少为300磅/英寸2(psi)的压力下被挤压通过该模。
8、根据权利要求6所述的工艺，其中，该模的面被加热。
9、根据权利要求2所述的工艺，其中，在最小尺寸之下的填充物颗粒在熔化之前从粒料中除去。
10、根据权利要求9所述的工艺，其中，利用振动分级器和流化床(fiuidized bed)中的一种，将该颗粒除去。
11、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物在至少为150×106牛顿/米2的压力下被注入该模腔。
12、根据权利要求11所述的工艺，其中，提供一个注射单元，以便将该混合物注入该模腔中，所述注射单元具有一个供给压力的活塞和一个螺旋校验环，活塞的截面面积与螺旋校验环截面面积之比至少是大约20。
13、根据权利要求11所述的工艺，其中，该混合物以至少100毫米/秒的速度被注入该模腔。
14、根据权利要求11所述的工艺，其中，该混合物以至少500毫米/秒的速度被注入该模腔。
15、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物以至少100毫米/秒的速度被注入该模腔。
16、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物以至少500毫米/秒的速度被注入该模腔。
17、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物以粒料的形式被提供，所述的粒料以高于聚合物粘合剂的熔化温度被熔化，所述的聚合物粘合剂在一个具有喷嘴的容器中，所述的喷嘴用于给模腔供料。
18、根据权利要求17所述的工艺，其中，该容器包括一个螺旋装置，其长度/直径比为至少15/1，螺旋速度大约在100—350转/分之间。
19、根据权利要求18所述的工艺，其中，在该螺旋装置中的压缩比是在大约1.5—3.5之间。
20、根据权利要求17所述的工艺，其中，以不同的温度对该容器的至少两个区域进行加热，以第一温度进行加热的一个区域靠近粒料的供给入口，以及以高于第一温度的第二温度进行加热的第二区域靠近喷嘴。
21、根据权利要求11所述的工艺，其中，该喷嘴的温度比该聚合物粘合剂的熔化温度高大约40—80℃。
22、根据权利要求11所述的工艺，其中，该喷嘴的长度至少为15毫米。
23、根据权利要求11所述的工艺，其中，一个浇口与该喷嘴连通，并且其直径大于5毫米。
24、根据权利要求11所述的工艺，其中，在该喷嘴和模腔之间设置直径大约在0.5厘米和1.5厘米之间的流道。
25、根据权利要求11所述的工艺，其中，该混合物通过一个热歧管被注入该模腔。
26、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物冷却后被进一步压缩，以形成该零件。
27、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物被形成在一种金属基板上。
28、根据权利要求1所述的工艺，其中，所述非氟化聚合物粘合剂的熔化粘度小于200牛顿秒/米2(N*s/m2)，剪切速度在1,000—10,000秒-1的范围内。
29、一种由包含下列步骤的工艺制作的高传导聚合物复合材料零件：
提供一种混合物，该混合物包括一种非氟化聚合物粘合剂，该粘合剂的熔化粘度小于1,000牛顿秒/米2(N*S/m2)，剪切速度在1,000—10,000秒-1的范围内；和
许多导电颗粒固定在所述的聚合物粘合剂中，所述复合材料的体传导率至少为大约10西/厘米(S/cm)；
将所述的混合物加热到一个高于所述聚合物粘合剂的熔化温度的温度；
将所述的混合物注入一个模腔；
使所述的混合物冷却到一个低于所述聚合物粘合剂熔化温度的温度，以形成一种高传导聚合物复合材料零件；以及
从所述的模腔脱出所述的零件。
30、一种制造燃料电池集流板的工艺，包括下列步骤：
提供一种混合物，该混合物包括一种导体填充物和一种聚合物粘合剂；
将所述混合物加热到一个高于所述聚合物粘合剂的熔化温度的温度；
将所述混合物注入一个模腔内；
使所述的混合物冷却到一个低于所述聚合物粘合剂的熔化温度的温度，以网型模制一个整体集流板，该集流板具有一组形成在集流板的平面表面的槽路；以及
从所述模腔脱出所述的整体集流板。
31、根据权利要求30所述的工艺，其中，提供一种混合物的步骤包括：供给该导体填充物和供给该聚合物粘合剂进入一个加热的挤压桶；
在该挤压桶中熔化该聚合物粘合剂；
用挤压过的混合物制作粒料；和
在将所述混合物注射到所述磨腔之前将所述的粒料熔化。
32、根据权利要求31所述的工艺，其中，该聚合物粘合剂首先被供给进入该挤压桶和被增塑，然后，该导体填充物被分散进入该聚合物粘合剂中。
33、根据权利要求31所述的工艺，其中，该聚合物粘合剂和该导体填充物的总供给量小于该挤压桶的容量的大约80％。
34、根据权利要求31所述的工艺，其中，该混合物被挤压通过一个模，该模的孔长/直径比为1.5或者更小。
35、根据权利要求33所述的工艺，其中，该混合物在至少300磅/英寸2的压力下被挤压通过该模。
36、根据权利要求33所述的工艺，其中，该模面被加热。
37、根据权利要求31所述的工艺，其中，小于最小尺寸的填充物颗粒在熔化之前从该粒料中除去。
38、根据权利要求36所述的工艺，其中，利用振动分级器和流化床中的一种，将该颗粒除去。
39、根据权利要求1所述的工艺，其中，该混合物在至少为150×106牛顿/米2的压力下被注入该模腔。
40、根据权利要求38所述的工艺，其中，一个注射单元被提供，以便将该混合物注入该模腔，所述注射单元具有一个供给压力的活塞和一个螺旋校验环，该活塞的截面面积与该螺旋装置的截面面积之比至少是大约20。
41、根据权利要求38所述的工艺，其中，该混合物以至少100毫米/秒的速度被注入该模腔。
42、根据权利要求38所述的工艺，其中，该混合物以至少500毫米/秒的速度被注入该模腔。
43、根据权利要求30所述的工艺，其中，该混合物以至少100毫米/秒的速度被注入该模腔。
44、根据权利要求30所述的工艺，其中，该混合物以至少500毫米/秒的速度被注入该模腔。
45、根据权利要求30所述的工艺，其中，该混合物以粒料的形式被提供，所述的粒料以高于聚合物粘合剂的熔化温度被熔化，所述的聚合物粘合剂在一个具有喷嘴的容器中，所述的喷嘴用于给模腔供料。
46、根据权利要求44所述的工艺，其中，该容器包括一个螺旋装置，其长度/直径比为至少15/1，并且螺旋速度大约在100—350转/分之间。
47、根据权利要求45所述的工艺，其中，在该螺旋装置中的压缩比大约在1.5—3.5之间。
48、根据权利要求44所述的工艺，其中，以不同的温度对该容器的至少两个区域进行加热，以第一温度进行加热的一个区域靠近粒料的供给入口，以及以高于第一温度的第二温度进行加热的第二区域靠近喷嘴。
49、根据权利要求38所述的工艺，其中，该喷嘴的温度是在该聚合物粘合剂的熔化温度之上大约40—80℃之间。
50、根据权利要求38所述的工艺，其中，该喷嘴的长度至少为15毫米。
51、根据权利要求38所述的工艺，其中，一个浇口与该喷嘴连通，并且其直径大于5毫米。
52、根据权利要求38所述的工艺，其中，在喷嘴和模腔之间设置流道，其直径大约在0.5厘米到1.5厘米之间。
53、根据权利要求38所述的工艺，其中，该混合物通过一个热歧管被注入该模腔。
54、根据权利要求38所述的工艺，其中，该混合物在冷却后被进一步压缩，以形成该零件。
55、根据权利要求30所述的工艺，其中，该混合物被形成在一金属基板上。
56、一种由包含下列步骤的工艺所制造的集流板：
提供一种混合物，该混合物包括一种导体填充物和一种聚合物粘合剂；
将所述混合物加热到一个大于所述聚合物粘合剂的熔化温度的温度；
将所述混合物注入一个模腔；
使所述混合物冷却到一个低于所述聚合物粘合剂的熔化温度的温度，以网型模制一个整体集流板，该集流板具有一组形成在集流板的平面表面中的槽路；以及
从所述的模腔中脱出所述的整体集流板。
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