TW201334978A - 複合柔性石墨之強化方法 - Google Patents

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Biing-Jyh Weng
Jim-Tarmg Hwang
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Chung Shan Inst Of Science
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Abstract

本發明係為一種複合柔性石墨之強化方法，將粉末狀石墨通以高溫處理，使該粉末狀石墨形成蠕虫狀石墨粉末，將蠕虫狀石墨粉進行加壓，形成具有多孔隙柔性石墨初胚，於該石墨初胚內滲入滲膠，再將該滲膠後之石墨初胚進行乾燥處理，移除柔性石墨初胚內多餘的滲膠溶劑，將強化材料夾在至少兩片柔性石墨初胚中形成多層結構體，接著對該多層結構體進行熱壓成形之動作，藉以得到一快速製作大尺寸高導電、燃料電池或釩電池等用石墨複材平板、單極分隔板及雙極分隔板等組件，進一步達到大量生產及降低製造成本之目的。

Description

複合柔性石墨之強化方法
本發明係有關於一種柔性石墨之強化方法，特別是關於一種產生多層結構之複合柔性石墨之強化方法。
燃料電池係一種藉著電化學反應，直接利用含氫燃料和空氣中氧產生電力和熱能的裝置。由於具有低污染、高效率的乾淨發電技術，可應用於發電機組、車輛動力與可攜式電力等，因此成為近年來美、日、歐各國爭相研發及推廣的對象。
雙極分隔板(Bipolar current collector-separator)是燃料電池(Fuel Cell)重要組件，雙極分隔板主要功能有五：(1)當作燃料氣體(如氫氣H2)及氧化劑(如氧氣O2或空氣)氣體分隔板，(2)在雙極分隔板兩表面有氣体導流凹槽分佈當作氣体導流槽，(3)當作在陰極及臨近另一電池(cell)陽極之電流傳導，(4)當作電流收集器，(5)也可在雙極分隔板內部加入冷卻劑導流管去除電池熱量。
它可防止燃料氣體(如氫氣)與氧化劑(如氧氣)相混合，因此，它必須對氣體有高不透氣性及高的電傳導性。在磷酸燃料電池因有酸腐蝕問題，尤其在高溫時，因此在開發雙極分隔板特別困難，目前磷酸燃料電池之雙極分隔板必須抵擋在操作溫度高達約205℃且長時間之電解質腐蝕。另外雙極分隔板也必須有足夠的彎曲強度以抵抗操作壓力及熱循環穩定性。在使用設計上也希望雙極分隔板能做得儘可能薄化，使電池體積變小，並且改進電及熱傳導性，以便達到更經濟性及多樣化之燃料電池。
石墨材料是目前燃料電池雙極分隔板較常用材料，其中石墨材料包括須加工之人工石墨(如日本東洋炭素IG-15石墨、美國POCO石墨)、碳粉與熱塑性高分子複合材料及碳粉與熱固性高分子複合材料等。例如美國專利4,301,222；4,214,969；4,197,178；4,339,322；4,214,969等，均有提到燃料電池雙極分隔板之製作。
然而以上材料常遭遇到脆性(brittle)、價格昂貴、太重、困難加工、較低電傳導性及較高氣體滲透性等缺點。價格太昂貴無法大量商品市場化，材料較脆性及較高氣體滲透性導致雙極分隔板困難做得儘可能薄化，以便降低燃料電池體積或相同體積可得到最大能量密度。
美國專利US 6,706,400 B2 Flexible grapbite article and method of manufacture，該發明在蠕虫狀石墨內加入陶瓷纖維或石墨纖維增加滾壓後均勻性，經滾壓成型後柔性石墨，經噴膠處理、乾燥及滾壓流道而製成石墨雙極板組件。但該發明採噴膠法含浸柔性石墨處理，其均勻度較不容易均勻控制，尤其在作大面積、大厚度之石墨雙極板組件時更不易做滲膠製程，因此當此石墨雙極板組件經最後加壓成型時會有脫層現象，且其成型後柔性石墨並未添加任何強化材料，因此該石墨雙極板組件相對而言相當脆弱。
所以，目前業界極需發展出一種柔性石墨之強化方法，使用一多層結構之複合柔性石墨之強化方法，讓膠液可以在柔性石墨內有較佳均勻性及改善滲膠處理程序，且避免最後加壓成型時發生脫層現象，如此一來，方能同時兼具成本與時效，有效產出均勻、大尺吋具有多層結構之複合柔性石墨組件。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種柔性石墨之強化方法，整合一多孔隙柔性石墨初胚、一滲膠處理製程、一乾燥處理、一強化材料等，以製備出均勻、大尺吋具有多層結構之高強度複合柔性石墨組件。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種複合柔性石墨之強化方法，其步驟包括：首先提供一多孔隙柔性石墨初胚；將該多孔隙柔性石墨初胚置入真空滲膠裝置，進行滲膠處理；將該滲膠後之柔性石墨初胚進行乾燥處理，以移除柔性石墨初胚內多餘的滲膠溶劑；將一強化材料夾在至少兩片柔性石墨初胚中形成一多層結構體；對該多層結構體進行熱壓成形製程。
多孔隙柔性石墨初胚可利用高溫處理可膨脹石墨粉末而得蠕虫狀石墨粉末，再將該蠕虫狀石墨粉末進行加壓形成製程而得該多孔隙柔性石墨初胚。
上述步驟中，該滲膠處理包含一滲膠或抽真空滲膠，該膠可為一熱固性樹脂，例如聚亞醯胺、矽氧樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂等，這些熱固性樹脂的樹脂重量比例範圍在90%以下。
熱固性樹脂的滲膠，包含滲膠溶劑，滲膠溶劑在本發明中須被排除，因此，需進行一乾燥處理製程處理掉這些滲膠溶劑，該乾燥處理可採用無真空乾燥法或抽真空乾燥法進行溶劑排除。
上述步驟中包含利用強化材料，強化材料可選自金屬網、玻璃纖維布、碳或石墨纖維布等，利用這些強化材料置入至少兩片柔性石墨初胚中可形成一多層結構體，以強化該多層結構的強度。本發明的多層結構，可為三層結構體，外面為兩片柔性石墨初胚，中間為強化材料，強化材料置入之前可以無膠方式或將強化材料先塗上膠後再置入至少兩片柔性石墨初胚中。另本發明的多層結構可依須要調整強化材料及柔性石墨初胚層數。
最後對該多層結構體進行熱壓成形製程，本發明利用熱壓來對該多層結構體進行成形，其中，熱壓板設計可包含有流場流道或平板的熱壓製程，成形可利用模壓製程來朔造出該多層結構體的外型。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請參閱第一圖所示，為本發明一種複合柔性石墨之強化方法實施例步驟示意圖，如圖所示，其步驟係包括：
步驟1：提供可膨脹粉末狀石墨，並將該粉末狀石墨通以高溫處理，俾使該粉末狀石墨形成蠕虫狀石墨粉末。
步驟2：將蠕虫狀石墨粉進行加壓，形成具有多孔隙柔性石墨初胚。
步驟3：將柔性石墨初胚及強化材料置入真空滲膠裝置，進行滲膠處理。
步驟4：再將滲膠後之柔性石墨初胚及強化材料置入乾燥設備進行乾燥處理，乾燥柔性石墨初胚內及強化材料溶劑，同時回收溶劑再利用。
步驟5：將強化材料夾在兩片柔性石墨初胚中形成三層結構體，接著對該三層結構體進行熱壓成形之動作。強化材料可為無膠或預先進行含膠處理，強化材料可為金屬網，如316不鏽鋼網、玻璃纖維布、碳或石墨纖維布等，藉以得到一快速製作高導電、燃料電池或釩電池等用石墨複材平板、單極分隔板及雙極分隔板等組件，進一步達到大量生產及降低製造成本之目的。
為更加說明本發明，以實施例說明之。
實施例：
將可膨脹石墨粉經高溫熱處理變成蠕虫狀石墨粉，取10g蠕虫狀石墨粉材料進行預壓，壓出20cmx40cmx0.66cm尺寸且具有多孔隙柔性石墨初胚。柔性石墨初胚及316不鏽鋼網放入真空滲膠裝置內，進行抽真空處理，燃後注入環氧樹脂，環氧樹脂型號507、906及催化劑Dy061以固定比例100：80：1先行混合均勻之環氧樹脂(epoxy resin)以丙酮溶劑稀釋之溶液，環氧樹脂：丙酮溶劑比例為1：4。除去溶液後將已滲膠後之柔性石墨初胚乾燥65℃8小時，接著真空處理90℃5小時。對前述柔性石墨初胚進行130℃及壓力70kg/cm2熱壓成型，可壓製平面試片，或可同時採有流場流道熱壓板設計壓出有流場於複合柔性石墨材料表面上。取試片9.4mmx2.9mmx60mm量測密度為1.55g/cm3及經AX-124N，1KHz，mΩ低阻計量測體積電阻率為6.8x10-4Ω-cm。相對於日本IG15石墨試片10mmx5mmx60mm量測密度為1.91g/cm3及體積電阻率為7.9x10-4Ω-cm。
本實施例的製程技術特徵，有別前案，例如，本案與美國專利US 6,706,400 B2則具有相當多不同點，其差異點請參考表一
本實施例製備出之具有多層結構之高強度複合柔性石墨組件，其強度符合目前大功率燃料電池需要大尺寸極板及儲電需求釩電池等電極板需要大尺寸約1mx1m極板的需求，惟有高強度的設計，方能符合大面積的製程條件，方能提高大面積電極板的良率
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S101-S105．．．步驟
第一圖係為本發明一種複合柔性石墨之強化方法實施例步驟示意圖。
S101-S105．．．步驟

Claims (10)

  1. 一種複合柔性石墨之強化方法，其步驟包括：提供一多孔隙柔性石墨初胚；將該多孔隙柔性石墨初胚置入真空滲膠裝置，進行滲膠處理；將該滲膠後之柔性石墨初胚進行乾燥處理，以移除柔性石墨初胚內多餘的滲膠溶劑；將一強化材料夾在至少兩片柔性石墨初胚中形成一多層結構體；對該多層結構體進行熱壓成形製程。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，係利用高溫處理可膨脹石墨粉末而得蠕虫狀石墨粉末，再將該蠕虫狀石墨粉末進行加壓形成製程而得該多孔隙柔性石墨初胚。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該滲膠處理係包含一滲膠或抽真空滲膠。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該膠係為一熱固性樹脂。自聚亞醯胺、矽氧樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂其中之一。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該熱固性樹脂係選自樹脂重量比例在90%以下之聚亞醯胺、矽氧樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂其中之一。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該乾燥處理係選用無真空乾燥或抽真空乾燥。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該強化材料係選自金屬網、玻璃纖維布、碳或石墨纖維布其中之一。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該多層結構體係為三層結構體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該熱壓成形製程之熱壓板設計可包含有流場流道或平板設計。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之複合柔性石墨之強化方法，其中，該多層結構體可依須要調整強化材料及柔性石墨初胚層數再進行熱壓。
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