[发明专利]用于多孔碳-碳复合物的热处理配置

说明书

技术领域

本公开内容涉及适合用作例如燃料电池中基板的多孔碳-碳复合物。

背景技术

一些类型的燃料电池，诸如质子交换膜和磷酸燃料电池(PEMFC和PAFC)使用多孔碳-碳复合物作为电极基板，其也被称作气体扩散层。一个实例燃料电池基板和制造方法在美国专利4,851,304中示出。

制作基板的一种典型方法包括：(1)通过湿敷造纸过程由切碎碳纤维和临时粘结剂形成无纺毡，(2)利用溶解于溶剂中的酚醛树脂来浸渍或预浸该毡，之后去除溶剂但不使树脂固化，(3)在足以使树脂固化的温度将一个或多个毡层压到受控厚度，(4)在惰性气氛中将毡热处理至750℃至1000℃之间以将酚醛树脂转化成碳，以及(5)在惰性气氛中将毡热处理至2000℃至3000℃之间以改进导热性和导电性且改进耐腐蚀性。由美国专利4,851,304所说明的技术是不完整的，因为其并未教导如何在高体积热处理操作中产生具有均匀孔隙度、体积密度和厚度的基板。

在燃料电池中使用的多孔碳-碳复合物通常具有70％至75％的孔隙度，其对应于实例基板的0.48-0.58g/mL的体积密度。希望控制孔隙度在紧密范围内，因为其影响基板的性质，而基板的性质进而会影响燃料电池的性能。这些基板的厚度在0.12至2.00mm的范围，但0.12-0.50mm范围的厚度是更典型的。这些基板通常具有50-100cm×50-100cm的平面形态大小。2000-3000℃热处理步骤(常常被称作石墨化)在惰性气氛中在已知的感应或艾奇逊(Acheson)型炉中进行。典型炉荷载可包含大约2000个基板的堆且大约72-120英寸(183-305cm)高。

由于热固性树脂的热解，在热处理期间，每个基板的厚度减小大约33％。由于这种收缩，存在基板翘曲的趋势。间隔板放置于热处理堆中的50-200个基板的组之间以在热处理期间在基板收缩时维持基板的平坦性。

在图1和图2中示出实例现有技术热处理组件11。图1所示的布置描绘了具有平面形态尺寸D3的第一代基板的热处理组件。随着燃料电池被重新设计，开发了具有平面形态d3的更小基板。但是，在热处理组件11中采用的可再使用的工具并未随着基板变得更小而改变，这是因为并无明显需要，且因为制造热处理组件的新工具的较大开支的原因。

已发现热处理基板的体积密度随着其在热处理堆中的位置且更具体地随着热处理堆内的局部压力而变化。本领域技术人员可通过以下方法计算叠中任何点的局部压力：计算该点上基板和工具重量的和，并将其除以基板面积。图4示出图2所示的配置的基板密度与炉内位置的关系。在此情形中，相关工具包括放置于50个基板的每个组之间的1/2″×33″×33″石墨间隔板。在炉荷载中心还存在48″的直径提升夹具和33″×33′×4″的底板。分析从这个特定堆的顶部到底部的压力变化且作为压力与炉中位置关系的曲线图在图5中示出。在中心的明显不连续性是由于提升夹具和底板造成。总压力范围较小，但对此多孔碳-碳复合物的孔隙度和体积密度具有显著影响。平均压力为2.8psi，且从顶部至底部在+/-2.3psi或+/-82％的范围内。在热处理组件底部上的基板的致密性最大且在顶部的基板的致密性最小。对于诸如图2所示的这样的布置尤为如此。这导致较低的工艺出品率，大量部件是不可接受的，因为它们不符合密度规格。存在最小化热处理堆的顶部与底部之间的压力变化的热处理工具配置的需要。

发明内容

本发明公开了一种热处理诸如用于燃料电池的基板的多孔碳-碳复合物的方法。该方法限定了选择热处理多孔碳-碳复合物堆的工具配置的标准，其中工具被配置成使得热处理堆中最顶部与最底部之间的压力变化小于+/-30％，且优选地小于+/-15％。

该方法包括堆叠基板以形成组。一板布置于该组上方以向该组施加该板重量。然后将多个基板组和间隔件放置成堆。例如，选择每个间隔件的基板、间隔件的厚度和相对于基板的平面形态的间隔件的平面形态，堆的高度以及间隔件和中间提升板产生的质量，以最小化热处理组件中底部基板与顶部基板之间的压差。

在另一公开方法中，确定诸如顶板的板的重量。该板布置于该组上方，在一实例中，在热处理组件中最顶部基板上方，以向该组施加该板重量。选择顶板重量，结合先前所提到的因素，以控制基板的平均压力和因此在热处理组件内基板的平均密度。

通过下文的说明书和附图可更好地理解本发明的这些和其它特点，下面是附图的简要描述。

附图说明

图1是使用第一代基板的一个实例现有技术热处理组件的示意图。