專利名稱：用于多孔碳-碳復(fù)合物的熱處理配置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容涉及適合用作例如燃料電池中基板的多孔碳-碳復(fù)合物。
背景技術(shù)：
一些類型的燃料電池，諸如質(zhì)子交換膜和磷酸燃料電池(PEMFC和PAFC)使用多孔 碳-碳復(fù)合物作為電極基板，其也被稱作氣體擴(kuò)散層。一個實例燃料電池基板和制造方法 在美國專利4，851，304中示出。制作基板的一種典型方法包括(1)通過濕敷造紙過程由切碎碳纖維和臨時粘結(jié) 劑形成無紡氈，(2)利用溶解于溶劑中的酚醛樹脂來浸漬或預(yù)浸該氈，之后去除溶劑但不 使樹脂固化，(3)在足以使樹脂固化的溫度將一個或多個氈層壓到受控厚度，(4)在惰性 氣氛中將氈熱處理至750°C至1000°C之間以將酚醛樹脂轉(zhuǎn)化成碳，以及(5)在惰性氣氛中 將氈熱處理至2000°C至3000°C之間以改進(jìn)導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性且改進(jìn)耐腐蝕性。由美國專利 4，851，304所說明的技術(shù)是不完整的，因為其并未教導(dǎo)如何在高體積熱處理操作中產(chǎn)生具 有均勻孔隙度、體積密度和厚度的基板。在燃料電池中使用的多孔碳-碳復(fù)合物通常具有70%至75%的孔隙度，其對應(yīng)于 實例基板的0. 48-0. 58g/mL的體積密度。希望控制孔隙度在緊密范圍內(nèi)，因為其影響基板 的性質(zhì)，而基板的性質(zhì)進(jìn)而會影響燃料電池的性能。這些基板的厚度在0. 12至2. OOmm的范 圍，但0. 12-0. 50mm范圍的厚度是更典型的。這些基板通常具有50-100cmX 50-100cm的平 面形態(tài)大小。2000-3000°C熱處理步驟(常常被稱作石墨化)在惰性氣氛中在已知的感應(yīng) 或艾奇遜(Acheson)型爐中進(jìn)行。典型爐荷載可包含大約2000個基板的堆且大約72-120 英寸(183-305cm)高。由于熱固性樹脂的熱解，在熱處理期間，每個基板的厚度減小大約33%。由于這種 收縮，存在基板翹曲的趨勢。間隔板放置于熱處理堆中的50-200個基板的組之間以在熱處 理期間在基板收縮時維持基板的平坦性。在圖1和圖2中示出實例現(xiàn)有技術(shù)熱處理組件11。圖1所示的布置描繪了具有平 面形態(tài)尺寸D3的第一代基板的熱處理組件。隨著燃料電池被重新設(shè)計，開發(fā)了具有平面形 態(tài)d3的更小基板。但是，在熱處理組件11中采用的可再使用的工具并未隨著基板變得更 小而改變，這是因為并無明顯需要，且因為制造熱處理組件的新工具的較大開支的原因。已發(fā)現(xiàn)熱處理基板的體積密度隨著其在熱處理堆中的位置且更具體地隨著熱處 理堆內(nèi)的局部壓力而變化。本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過以下方法計算疊中任何點的局部壓 力計算該點上基板和工具重量的和，并將其除以基板面積。圖4示出圖2所示的配置 的基板密度與爐內(nèi)位置的關(guān)系。在此情形中，相關(guān)工具包括放置于50個基板的每個組 之間的1/2" X33" X33"石墨間隔板。在爐荷載中心還存在48〃的直徑提升夾具和 33" X33' X4"的底板。分析從這個特定堆的頂部到底部的壓力變化且作為壓力與爐中 位置關(guān)系的曲線圖在圖5中示出。在中心的明顯不連續(xù)性是由于提升夾具和底板造成?？?壓力范圍較小，但對此多孔碳_碳復(fù)合物的孔隙度和體積密度具有顯著影響。平均壓力為2. Spsi，且從頂部至底部在+/-2. 3psi或+/-82 %的范圍內(nèi)。在熱處理組件底部上的基板的 致密性最大且在頂部的基板的致密性最小。對于諸如圖2所示的這樣的布置尤為如此。這 導(dǎo)致較低的工藝出品率，大量部件是不可接受的，因為它們不符合密度規(guī)格。存在最小化熱 處理堆的頂部與底部之間的壓力變化的熱處理工具配置的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種熱處理諸如用于燃料電池的基板的多孔碳-碳復(fù)合物的方法。 該方法限定了選擇熱處理多孔碳-碳復(fù)合物堆的工具配置的標(biāo)準(zhǔn)，其中工具被配置成使得 熱處理堆中最頂部與最底部之間的壓力變化小于+/_30%，且優(yōu)選地小于+/-15%。該方法包括堆疊基板以形成組。一板布置于該組上方以向該組施加該板重量。然 后將多個基板組和間隔件放置成堆。例如，選擇每個間隔件的基板、間隔件的厚度和相對于 基板的平面形態(tài)的間隔件的平面形態(tài)，堆的高度以及間隔件和中間提升板產(chǎn)生的質(zhì)量，以 最小化熱處理組件中底部基板與頂部基板之間的壓差。在另一公開方法中，確定諸如頂板的板的重量。該板布置于該組上方，在一實例 中，在熱處理組件中最頂部基板上方，以向該組施加該板重量。選擇頂板重量，結(jié)合先前所 提到的因素，以控制基板的平均壓力和因此在熱處理組件內(nèi)基板的平均密度。通過下文的說明書和附圖可更好地理解本發(fā)明的這些和其它特點，下面是附圖的 簡要描述。


圖1是使用第一代基板的一個實例現(xiàn)有技術(shù)熱處理組件的示意圖。圖2是使用第二代基板的實例現(xiàn)有技術(shù)熱處理組件，第二代基板小于第一代基 板，且具有與圖1所示相同的熱處理組件工具。圖3是一個實例熱處理組件的示意圖，其具有減小的平均壓力變化和熱處理組件 中頂部基板與底部基板之間減小的壓差。圖4是基板密度與熱處理堆內(nèi)位置關(guān)系的曲線。圖5是基板密度與熱處理堆內(nèi)壓力關(guān)系的曲線。圖6是根據(jù)本公開內(nèi)容的配置的壓力與熱處理堆內(nèi)位置關(guān)系的曲線，在熱處理組 件中的頂部基板與底部基板之間具有較低壓差。
具體實施例方式現(xiàn)有技術(shù)熱處理組件11在圖1和圖2中示出。熱處理組件11包括碳基板和工 具。使用工具將基板移動到爐12內(nèi)和從爐12移出且向基板施加重量以防止在熱處理期間 翹曲。工具通常由石墨制成但可為某些其它高溫材料。圖1示出先前基板設(shè)計的組18，計 量尺寸為32英寸(D3) X 32英寸X0. 016英寸(81cmX 81cmX 0. 04cm)。組118包括后來設(shè) 計的基板，計量尺寸為23英寸X 23英寸X0. 016英寸(58cmX 58cmX 0. 04cm)。33英寸(D2) X33英寸X 1/2英寸(84cmX84cmX lcm)的石墨間隔板放置于例如 五十個基板的每個組之間。間隔板20防止基板在熱處理期間翹曲。48英寸(122cm)直徑 Dl的提升板14和33英寸X 33英寸X 4英寸(84cmX 84cmX IOcm)的底板16布置于爐荷載的中心。術(shù)語“直徑”表示物體寬度，且并不要求物體為圓形。在圖4中示出兩個不同爐進(jìn)程的基板密度變化與熱處理堆中位置的關(guān)系。在圖5 中示出圖2中的配置的壓力變化與位置的關(guān)系。由于提升板14和底板16的質(zhì)量的原因，在 熱處理組件11的中心存在明顯壓力不連續(xù)性。較大間隔板質(zhì)量增加熱處理組件11中最底 部基板與最頂部基板之間的壓差?？倝毫Ψ秶^小，但對實例多孔碳-碳復(fù)合物的孔隙度 和體積密度具有顯著影響。在圖2所示的實例中，從頂部到底部，平均壓力為2. Spsi (0. 190 巴)，且具有+/_2.3psi(0. 155巴)或+/-82%的范圍。在此配置中熱處理的基板的密度從 0. 47gm/mL變化至0. 56gm/mL，這大于所需要的范圍。單個頂板22布置于工具與基板堆頂部以向熱處理組件11施加額外重量。頂板22 通常為石墨板，其4英寸(IOcm)厚，具有與底板16和間隔板20的直徑類似的直徑。在圖3中示出根據(jù)本公開內(nèi)容的實例熱處理組件111。工具板被設(shè)計成提供產(chǎn)生 的質(zhì)量，該質(zhì)量在熱處理組件中的預(yù)期位置向基板施加預(yù)期重量。熱處理組件111包括多 個基板組件110，僅示出其中的兩個。提升板14布置于熱處理組件111的底部。提升板14 包括能使熱處理組件111插入于爐中和從爐移走的特點。在一實例中，提升板14具有大約 48英寸(122cm)的直徑Dl。堆疊多個基板以形成組118。在一實例中，五十個基板布置成彼此相鄰且各大約 0. 4mm厚。實例基板具有大約23英寸(58cm)的基板直徑d3。間隔板120布置于基板組 118之間以施加重量且防止基板在熱處理期間翹曲。希望最小化間隔板120的質(zhì)量以減小 從熱組件111底部到熱處理組件111頂部的基板的壓力變化或壓差。在一實例中，間隔板 120為1/4英寸厚(0. 6cm)，其足夠厚使得間隔件本身并不翹曲，且包括大約23英寸(58cm) 的間隔板直徑d2。通常，提升板布置于基板組件110之間使得不是全部基板組118可從爐移走。提 升板的質(zhì)量可不需要地增加基板組件110之間的壓力變化。為此目的，希望最小化中間提 升板114的質(zhì)量。因此，減小中間提升板114的直徑dl。在一實例中，中間提升板114的直 徑為大約35英寸(89cm)。在另一實施例中，希望在所有基板組件110上方提供增加的質(zhì)量，這增加了熱處 理堆中的平均壓力。在圖3中示出使用現(xiàn)有技術(shù)熱處理組件布置的可用熱處理組件工具實 現(xiàn)在熱處理組件111頂部較大質(zhì)量的一個實例方法。大提升板14布置于頂部基板組件110 上方。多個底板16堆疊到提升板14上。多個頂板22布置于提升板14上方。此外，可向 熱處理組件111的頂部添加另一板24以增加質(zhì)量。獲得熱處理堆內(nèi)更均勻壓力分布的辦法包括例如最小化最頂部基板與最底部基 板之間的工具重量。這可通過以下步驟實現(xiàn)使每個間隔件的基板最多，減小間隔件的厚 度，減小間隔件的平面形態(tài)使得它們與基板大約相同大小，取消中間堆疊板，最小化任何提 升夾具的厚度和平面形態(tài)大小以及減小堆的高度。每個間隔件的基板的實例數(shù)量在25與200個之間，且50至100個是合乎需要的， 例如，以維持熱處理基板的平坦性。間隔件厚度可在0. 125英寸(0. 32cm)與0. 375英寸 (0. 095cm)之間，且0. 250英寸(0. 64cm)是合乎需要的，例如，由于具有足夠的剛性以便不 在熱處理期間偏轉(zhuǎn)。間隔件與基板大約相同大小，且例如比基板大不超過2英寸(5cm)。若 可能，優(yōu)選地去掉中間提升夾具(在圖3中存在中間提升夾具114)。
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在一實例中，希望在最頂部基板與最底部基板之間的壓力分布為+/-25%以產(chǎn)生 具有可接受的體積密度范圍的基板。這可利用圖3所示的配置實現(xiàn)，其中每個間隔件包含 50個基板。間隔件為24英寸(60cm)乘以24英寸(60cm)乘以0. 25英寸(0. 64cm)厚。分析一個實例堆自頂部至底部的壓力變化且在圖6中示出。與現(xiàn)有技術(shù)配置 的82 %的壓力變化相比，從堆的頂部到底部，平均壓力為3. 73psi (0. 267巴)，且具有 +/-0. 87psi (0. 066巴)或+/-23%的范圍。新工具的預(yù)測密度范圍為0. 51-0. 55g/mL，相對 于現(xiàn)有技術(shù)工具的0. 47-0. 57g/mL，其為更合乎需要的變化。對于圖3的配置，將每個間隔 件的基板數(shù)量從50個增加至100個并去掉疊中心的提升夾具造成從頂部基板至底部基板 的壓力變化的進(jìn)一步減小。與現(xiàn)有技術(shù)配置的82%壓力變化相比，從堆的頂部到底部，平均 壓力為 3.4psi(0. 23 巴)且具有+/-0. 5psi (0.034 巴)或+/-14. 7%的范圍。由以下因素的組合決定熱處理基板的平均密度，包括層疊密度，熱處理期間發(fā)生 的收縮，這種收縮與樹脂含量和熱處理堆頂部的重量相關(guān)。本領(lǐng)域有經(jīng)驗的技術(shù)人員可系 統(tǒng)地改變這些參數(shù)以產(chǎn)生預(yù)期的基板密度。工具被配置成使得熱處理堆中最頂部與底部之 間的壓力變化小于+/-30%且最優(yōu)選地小于+/-15%。盡管公開了實例實施例，但是本領(lǐng)域中的普通技術(shù)工作者將會認(rèn)識到某些變化將 落入權(quán)利要求書的范圍。因為此原因，應(yīng)當(dāng)研究下文的權(quán)利要求書以確定它們的真實范圍 和內(nèi)容。
權(quán)利要求
一種熱處理多孔碳 碳復(fù)合物堆的方法，其包括以下步驟確定每個板的多孔碳 碳復(fù)合物的數(shù)量；確定所述板的厚度和平面形態(tài)；堆疊多個基板以在板之間形成組；確定每個堆的組數(shù)量；確定任何中間提升板的存在，且若存在，確定中間提升板的大小和數(shù)量；使得所述堆中最頂部復(fù)合物與最底部復(fù)合物之間的壓差為預(yù)定值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述堆疊步驟包括以大約50與200個基板之間 的組布置所述多孔碳_碳復(fù)合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述板是間隔板，且所述布置步驟是在多孔 碳_碳復(fù)合物組之間布置所述間隔板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述確定步驟包括確定所述間隔板的重量。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述確定步驟包括確定所述間隔板的平面形態(tài)， 所述平面形態(tài)大約等于所述多孔碳_碳復(fù)合物的平面形態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述間隔板的平面形態(tài)比所述基板平面形態(tài)大 大約小于二英寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述確定步驟包括確定所述間隔板的厚度，所述 厚度大約在八分之一英寸至八分之三英寸之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述高度小于大約二分之一英寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其包括以交替關(guān)系布置的多個間隔板和組以提供多個 基板組件，第一基板組件布置于第一提升板上，第二提升板布置于所述第一基板組件上，且 第二基板組件布置于所述第二提升板上，其中，所述確定步驟包括確定第二提升板的存在 和大小。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生的重量對應(yīng)于所述熱處理組件的底部基板 與頂部基板之間的預(yù)期壓差。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述預(yù)期壓差小于大約+/-25%。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述預(yù)期壓差小于大約+/-15%。
13.一種熱處理基板的方法，其包括以下步驟 堆疊基板以形成組；確定板的對應(yīng)于產(chǎn)生的質(zhì)量的至少一個尺寸，產(chǎn)生的質(zhì)量大于預(yù)定質(zhì)量；使基板具備所述至少一個尺寸；以及，將所述基板布置在所述組上以向所述組施加所述板的重量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其包括以交替關(guān)系布置的多個間隔板和組以提供基 板組件，所述基板組件布置于提升板上，且頂板布置于第一基板組件上，其中，所述確定步 驟包括確定所述頂板的至少一個尺寸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，產(chǎn)生的重量對應(yīng)于所述熱處理組件的最底部 基板與最頂部基板之間的預(yù)期平均壓力變化。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述預(yù)期平均壓力變化小于+/-30%。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述預(yù)期平均壓力變化小于大約+/-15%。
全文摘要
熱處理燃料電池的基板的方法包括堆疊基板以形成組。確定板的對應(yīng)于小于預(yù)定質(zhì)量的產(chǎn)生的質(zhì)量的尺寸。該板布置于該組上方以向該組施加板的重量。例如，間隔板和中間提升板產(chǎn)生的質(zhì)量被最小化以減小熱處理組件中底部基板與預(yù)部基板之間的壓差。在另一公開方法中，對應(yīng)于大于預(yù)定質(zhì)量的所得質(zhì)量確定諸如頂板的板的尺寸。該板布置于該組上方以向該組施加該板的重量。選擇頂板產(chǎn)生的質(zhì)量以最小化整個熱處理組件中基板的平均壓力變化。
文檔編號H01M4/86GK101904033SQ200780101973
公開日2010年12月1日 申請日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者R·D·布勞爾特 申請人:Utc電力公司