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(shù)領(lǐng)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(shù)：
隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類面臨的能源危機(jī)、環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，這些問題已成為制約全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。開發(fā)使用可再生、清潔環(huán)保的新能源是未來(lái)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。燃料電池技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，燃料電池是一種可以高效地將燃料和氧化劑通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。具有能量密度高，常溫啟動(dòng)快，對(duì)環(huán)境無(wú)污染、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。雙極板是燃料電池的關(guān)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(yīng)用的雙極板主要有石墨(包括純石墨板和石墨與聚合物復(fù)合板)雙極板、金屬雙極板、金屬與石墨復(fù)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(chǎng)結(jié)構(gòu)一般為點(diǎn)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(jī)械加工方法制造的具有微通道結(jié)構(gòu)的雙極板，不僅存在著加工工藝復(fù)雜、成本高、質(zhì)量大、比表面積低及導(dǎo)熱性能差等缺點(diǎn)，還需進(jìn)行表面憎水處理，嚴(yán)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(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)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(jiǎn)單、成本低廉、質(zhì)量小、孔隙率高、比表面積大、 傳熱傳質(zhì)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(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(duì)不銹鋼圓棒工件表面進(jìn)行清洗除油，并選用機(jī)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(shè)備將不銹鋼纖維剪成一定長(zhǎng)度的短纖維，并對(duì)不銹鋼纖維進(jìn)行預(yù)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(jié)爐中燒結(jié)，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(jié)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(zhǎng)度為IOmm 20mm，
邊緣具有鋸齒狀結(jié)構(gòu)，表面具有豐富的多/微尺度表面結(jié)構(gòu)。上述步驟(3)不銹鋼纖維預(yù)處理，堿性溶液為質(zhì)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(shí)間為IOmin 30min。上述步驟(5)不銹鋼纖維氈采用的燒結(jié)溫度為1100°C 1300°C，燒結(jié)過(guò)程采用分段升溫，升溫速率彡50C /min，燒結(jié)時(shí)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(zhǎng)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(guò)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(jié)構(gòu)，燒結(jié)后金屬纖維間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，形成了大量的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)。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(zhì)性能、表面憎水性、制造工藝簡(jiǎn)單及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)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(shí)獲得多根連續(xù)型微細(xì)金屬纖維，當(dāng)量直徑可達(dá)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(jié)構(gòu)，表面具有豐富的多/微尺度表面結(jié)構(gòu)。(3)不銹鋼纖維氈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。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(jié)構(gòu)、高精度全連通的孔徑、孔隙率高、比表面積大的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有效克服了多孔有機(jī)高分子材料強(qiáng)度低且不耐高溫，多孔陶瓷質(zhì)脆且不抗熱震，金屬網(wǎng)易堵易破，粉末燒結(jié)易碎、流量小，濾紙濾布不耐溫、耐壓等缺點(diǎn)。(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(jié)構(gòu)均勻性，使甲醇水溶液流經(jīng)纖維氈時(shí)壓降損失小，保證甲醇水溶液在流場(chǎng)中的速度均勻；纖維氈還具有良好傳熱傳質(zhì)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(nèi)部溫度都分布均勻，防止局部過(guò)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(jiǎn)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(dòng)其在便攜式電子產(chǎn)品及小型移動(dòng)通訊設(shè)備中的應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明不銹鋼纖維氈SEM圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)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(shí)現(xiàn)第一步切削法加工不銹鋼纖維。首先對(duì)不銹鋼圓棒工件表面進(jìn)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(jié)構(gòu)，表面具有豐富的多/微尺度表面結(jié)構(gòu)。第二步不銹鋼纖維的預(yù)處理。采用剪切設(shè)備將不銹鋼纖維剪成長(zhǎng)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(zhì)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(lái)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(lái)水沖洗去不銹鋼纖維表面殘留酸液，最后風(fēng)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(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)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(duì)稱設(shè)置供螺栓1穿過(guò)的孔6。通過(guò)扭力扳手對(duì)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(jié)。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(jié)爐中，在1100°C -1300°c的溫度下燒結(jié)60min-180min，燒結(jié)過(guò)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(jié)爐中取出，打開模壓裝置并取出不銹鋼纖維燒結(jié)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(shí)現(xiàn)了不銹鋼纖維之間的冶金結(jié)合，還保留了不銹鋼纖維表面粗糙異型結(jié)構(gòu)，孔隙率高，比表面積大，傳熱傳質(zhì)性能良好，纖維氈表面具有憎水性，制造工藝簡(jiǎn)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(dòng)其在便攜式電子產(chǎn)品及小型移動(dòng)通訊設(shè)備中的應(yīng)用。如上所述便可較好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)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(duì)不銹鋼圓棒工件表面進(jìn)行清洗除油，并選用機(jī)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(shè)備將不銹鋼纖維剪成一定長(zhǎng)度的短纖維，并對(duì)所得不銹鋼短纖維進(jìn)行預(yù)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(nèi)壓緊；(5)將模壓裝置放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，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(quán)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(quán)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(shè)備將不銹鋼纖維剪成一定長(zhǎng)度的短纖維，具體是直徑為50μπι 200 μ m，長(zhǎng)度為IOmm 20mm，邊緣具有鋸齒狀結(jié)構(gòu)，表面具有多/微尺度表面結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)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(yù)處理過(guò)程中，堿性溶液為質(zhì)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(shí)間為IOmin 30min。
5.根據(jù)權(quán)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(jié)溫度為1100°c 1300°C，燒結(jié)過(guò)程采用分段升溫， 升溫速率彡50C /min，燒結(jié)時(shí)間為60min-180min，真空度為 l(T3Pa。
6.根據(jù)權(quán)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(zhǎng)度 30mm 150mm。
7.由權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)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(chǎng)技術(shù)領(lǐng)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(yù)處理，纖維氈模壓，高溫固相燒結(jié)四個(gè)步驟。金屬纖維經(jīng)過(guò)燒結(jié)后，纖維間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，形成了大量的多尺度孔隙結(jié)構(gòu)。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(zhì)性能、表面憎水性、制造工藝簡(jiǎn)單及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)H01M4/86GK102290582SQ20111016533
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者萬(wàn)珍平, 劉彬 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)