CN111446463B - 一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺 - Google Patents

一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明主要公开了一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，依次序包括以下步骤，S1、原料板预处理工序；S2、原料板预处理完成后进入单极板成型工序；S3、单极板清理工序；S4、单极板归整工序；S5、单极板气密处理工序；S6、气密处理完毕的单极板与归整工装一起进入清洗工序；S7、单极板整平工序；S8、极板涂胶工序；S9、双极板合成工序；S10、双极板固化工序；S11、双极板检测工序。提高生产效率，提高产品合格率，降低劳动强度，降低制造成本，实现双极板的商品化、规模化制造。

Description

一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺。
背景技术
燃料电池是众多电化学电源的一种，更准确地说，燃料电池是将化学反应的能量直接转化为电能的一种工艺模块。燃料电池和一般电池有着很大区别，一般电池的活性物质是被存放在电池的内部的，所以储存的活性物质的量的多少决定电池的容量，而燃料电池的活性物质是可以被源源不断地输入的。燃料电池主要包括质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等等。其中应用较为广泛的是质子交换膜燃料电池，尤其是以氢气和氧气为反应物质子交换膜燃料电池。氢氧燃料电池具有容量大、比能量高、转化效率高和功率范围广等多个优点，并有着广阔的应用前景，被公认为二十一世纪的终极能源。其单电池是由双极板及膜电极组成。其中，双极板的主要作用包括：提供相邻单电池之间的电流通路，反应气的分配通道，冷却通道，分隔供给单电池的燃料、冷却剂(水)和氧化剂，分隔相邻电池的氧化剂(02)和还原剂(H2)，所以双极板除了要有良好的导电性能、可靠的密封性能，同时还需要有提供电池堆结构稳定所必须的机械强度等。
现有技术中，燃料电池双极板的材料多采用复合板或者金属板,常见的双极板表面流场，其结构都是极板两侧槽道型结构，也就是在单极板的两侧表面分别加工出复杂的“凹槽-凸道”结构。“凹槽”部分起着气体传输通道的作用，“凸道”部分起的是电流通路作用。金属板机械强度高，导电性能好，机械加工性能好，但其耐腐蚀性能差，容易腐蚀，而且容易污染膜电极，影响燃料电池的寿命。另外，相同体积的双极板，金属材料板重量较大，表面流场的制造成本高，同时金属板表面采用镀膜处理工艺，制造成本高，因此无法实现电堆轻量化，能量密度低，同时材料成本和加工成本高昂，应用受到较大的局限。
相比柔性碳基板材的双极板，柔性碳基材耐腐蚀性能强，导电性能好，可加工性能好，厚度区间范围大，重量轻，材料成本及制造成本低。但由于柔性碳基板材脆、易碎、材质疏松，在压制、物料在转运过程中保护要求高。因此，受到材质特性的限制，目前柔性碳基双极板的制作都是通过手工操作完成，无法实现制作过程的自动化，甚至是半自动化。由于采用手工操作，整个工艺过程对操作工人的操作技能要求高，产品质量的一致性很难得到有效的保障，同时，由于无法实现规模化生产，效率低，劳动强度大，损耗高，大大增加了制造过程中的成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，提高生产效率，提高产品合格率，降低劳动强度，降低制造成本，实现双极板的商品化、规模化制造。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，依次序包括以下步骤，
S1、原料板预处理工序；
S2、原料板预处理完成后进入单极板成型工序；
S3、单极板清理工序；
S4、单极板归整工序；
S5、单极板气密处理工序；
S6、气密处理完毕的单极板与归整工装一起进入清洗工序；
S7、单极板整平工序；
S8、极板涂胶工序；
S9、双极板合成工序；
S10、双极板固化工序；
S11、双极板检测工序。
本发明进一步：S1步骤中原料板预处理工序，包括对柔性碳基原料板依次经过原料的加热除湿、干燥，表面粉尘吸附清理，获得干燥洁净的原料板；
S2步骤中单极板成型工序，包括原料板通过自动输送***输送至成型机的位置后，机械手抓取原料板送至成型模具内，成型机启动，经过施加压力后，原料板的厚度被压缩至0.5-5mm，同时在原料板的上表面或上下表面压制出所需的流场，原料板压制成柔性碳基单极板，完成上述动作后，机械手又将制成的柔性碳基单极板抓取至输送***上并输送至清理工序；
S3步骤中单极板清理工序，包括柔性碳基单极板到达缓存工作台，由机械手抓取柔性碳基单极板至全自动清理机的清理工作台上，对单极板进行废边清理，然后机械手将柔性碳基单极板送至可翻转的清理机构对单极板进行两面刷洗清理工作，接着单极板自动归整机的机械手将表面清理完毕的柔性碳基单极板抓取至翻转工作台，通过归整机械手将单极板送入过渡工装，然后过渡工装将柔性碳基单极板自动精确送入归整工装内；
S4步骤中单极板归整工序，装载完成的归整工装，会同柔性碳基单极板一起流转至单极板气密处理步骤；
S5步骤步骤中单极板气密处理工序，包括先通过吊装搬运机构把一定数量已归整完毕的柔性碳基单极板，随归整工装一起吊装入气密工作罐内，关闭密封盖封闭后对气密工作罐抽真空，注入原料液到工作罐一定液位时，并且气密工作罐内的真空度达到后，开始保压至设定时间后对工作罐破真空，达到设定值后卸压和沥干，打开工作罐盖，吊装取出归整工装，流转至清洗工序。
S6步骤中气密处理完毕的单极板与归整工装一起进入清洗工序，包括气密处理完毕的柔性碳基单极板与归整工装一起浸入到清洗槽内，除去柔性碳基极板残留物，然后浸入热水固化槽进行高温固化处理，然后经过干燥槽干燥，最后，通过吊装工艺模块输送到除湿烘箱内进行烘干处理，除湿烘干完毕后，流转至整平工序处理步骤；
S7步骤中单极板整平工序，包括将除湿烘干完毕的柔性碳基极板放置在整平工装内，启动压机加压，将整平工装整体输送入整平炉内，整平后，成品柔性碳基极板流转至涂胶工艺模块进行涂胶处理；
S8步骤中极板涂胶工序，包括柔性碳基单极板通过单极板供料机上的机械手抓取至涂胶机工作平台上，进行定位及固定，然后进行点胶或丝网印涂胶，完成涂胶后，单极板供料机上的机械手再将已经涂好胶的单极板抓取至双极板合成工艺模块或抓取至单极板下料工作台上，再由输送***流转下料或至双极板合成工艺模块；
S9步骤中双极板合成工序，包括将涂好胶的柔性碳基单极板放置在双极板合成工装内，再精确放入配对的单极板，然后加压，流转至双极板固化步骤；
S10双极板固化工序步骤中，粘合好的双极板随工装流入双极板固化炉内，进行固化处理，双极板固化炉按照温度控制，自动进出料完成双极板的合成；
S11步骤中双极板检测工序，将双极板送入双极板检测设备，对双极板检测，符合要求的双极板即为成品柔性碳基双极板。
本发明进一步：双极板固化工序后选择进行双极板分切工序，对于需要分切的多联片结构，就将其送入双极板分切模块，通过液压驱动的分切机上模具完成对多联片的双极板进行分切，得到适合规格的双极板，再将分切后的双极板送入双极板检测设备进行检测。
本发明进一步：原料罐和气密工作罐均设置夹套，原料罐和气密工作罐的顶部设置抽真空管路阀门***，气密工作罐为密封结构的压力容器，上设压力调节***，罐体底部设置排污口。
本发明进一步：除湿烘箱为密闭结构，顶部设置可开启的密封门，除湿烘箱内部热风循环，气密工作罐、清洗槽及热水固化槽的上方设置吊装搬运机构。
本发明进一步：所述涂胶机工作平台可以采用点胶机或丝网印刷机。
本发明进一步：双极板固化炉设置温控***和热风循环***,双极板固化炉内设置隔热保温装置。
本发明进一步：双极板固化炉分五个功能段，分别是进料功能段、加热功能段、恒温功能段、降温功能段以及出料功能段，每个功能段均设置温度传感器，温度采用PID控制，确保温度精确可控，加热功能段、恒温功能段与降温功能段之间为自动门密封，对外均为自动门密闭。
本发明进一步：双极板固化炉设置温控***和热风循环***，确保炉内温度符合工艺要求。
本发明进一步：双极板固化炉内设置隔热保温装置，双极板固化炉外侧设置观察窗，内部设照明灯。以便从炉体外部观察内部产品运行情况。
本发明具有有益效果为：
可以实现柔性碳基双极板的连续生产，通过连续生产及对生产过程的***管控，达到产品质量的一致性，提高生产效率，提高产品合格率，降低劳动强度，降低制造成本，实现双极板的商品化、规模化制造。
具体实施方式
一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，依次序包括以下步骤，
S1、原料板预处理工序，包括对柔性碳基原料板依次经过原料的加热除湿、干燥，表面粉尘吸附清理，获得干燥洁净的原料板；
S2、原料板预处理完成后进入单极板成型工序，包括原料板通过自动输送***输送至成型机的位置后，机械手抓取原料板送至成型模具内，成型机启动，经过施加压力后，原料板的厚度被压缩至0.5-5mm，同时在原料板的上表面或上下表面压制出所需的流场，原料板压制成柔性碳基单极板，完成上述动作后，机械手又将制成的柔性碳基单极板抓取至输送***上并输送至清理工序；
S3、单极板清理工序，包括柔性碳基单极板到达缓存工作台，由机械手抓取柔性碳基单极板至全自动清理机的清理工作台上，对单极板进行废边清理，然后机械手将柔性碳基单极板送至可翻转的清理机构对单极板进行两面刷洗清理工作，清理的毛刷每次清理完成一面时，自动翻转清理另外一面；也可以是滚刷，边刷边滚动，同时配备吸尘管路***，粉尘进入粉尘收集装置，接着单极板自动归整机的机械手将表面清理完毕的柔性碳基单极板抓取至翻转工作台，通过归整机械手将单极板送入过渡工装，然后过渡工装将柔性碳基单极板自动精确送入归整工装内；
S4、单极板归整工序，装载完成的归整工装，会同柔性碳基单极板一起流转至单极板气密处理步骤；
S5、单极板气密处理工序，主要完成单极板堵漏，包括原料罐、气密工作罐，原料罐和气密工作罐设置精确的温控***，原料罐和气密工作罐均设置夹套，原料罐和气密工作罐的顶部设置抽真空管路阀门***，气密工作罐为密封结构的压力容器，可分别承受正压与负压，上设压力调节***，罐体底部设置排污口。先通过吊装搬运机构把一定数量已归整完毕的柔性碳基单极板，随归整工装一起吊装入气密工作罐内，关闭密封盖封闭后对气密工作罐抽真空，将原料从原料罐注入到工作罐，至工作罐内液位到位时，工作罐继续抽真空至气密工作罐内的真空度达到后，保压至设定时间后对工作罐破真空，达到设定值后卸压和沥干，打开工作罐盖，吊装取出归整工装，流转至清洗工序；
S6、气密处理完毕的单极板与归整工装一起进入清洗工序，包括气密处理完毕的柔性碳基单极板与归整工装一起浸入到清洗槽内，清洗槽为密闭结构箱体，箱体内盛有清洗溶液，除去柔性碳基极板残留物，然后浸入热水固化槽进行气密物高温固化处理，然后经过干燥槽干燥，最后，通过吊装工艺模块输送到除湿烘箱内进行烘干处理，除湿烘干完毕后，流转至整平工序处理步骤；
S7、单极板整平工序，包括将除湿烘干完毕的柔性碳基极板放置在整平工装内，启动压机加压，将整平工装整体输送入整平炉内，整平后，成品柔性碳基极板流转至涂胶工艺模块进行涂胶处理；
S8、极板涂胶工序，包括柔性碳基单极板通过单极板供料机上的机械手抓取至涂胶机工作平台上，进行定位及固定，所述涂胶机工作平台可以采用点胶机或丝网印刷机。进行点胶或丝网印涂胶，完成涂胶后，单极板供料机上的机械手再将已经涂好胶的单极板抓取至双极板合成工艺模块或抓取至单极板下料工作台上，再由输送***流转下料或至双极板合成工艺模块；
S9、双极板合成工序，包括将涂好胶的柔性碳基单极板放置在双极板合成工装内，再精确放入配对的单极板，然后加压，流转至双极板固化步骤；
S10、双极板固化工序，粘合好的双极板随工装流入双极板固化炉内，进行固化处理，双极板固化炉按照温度控制，自动进出料完成双极板的合成；
S11、双极板检测工序，双极板固化工序后选择进行双极板分切工序，对于需要分切的多联片结构，就将其送入双极板分切模块，通过液压驱动的分切机上模具完成对多联片的双极板进行分切，得到适合规格的双极板，再将分切后的双极板送入双极板检测设备进行检测。而对于不需要分切的多联片结构，则直接将双极板送入双极板检测设备，对双极板检测，符合要求的双极板即为成品柔性碳基双极板。
除湿烘箱为密闭结构，顶部设置可开启的密封门，除湿烘箱箱体内部热风循环，箱体内的空气经过外部加温除湿后再送入箱体，以节约能耗；箱体内部热风循环气密工作罐、清洗槽及热水固化槽的上方设置吊装搬运机构。
双极板固化炉分五个功能段，分别是进料功能段、加热功能段、恒温功能段、降温功能段以及出料功能段，每个功能段均设置温度传感器，温度采用PID控制，确保温度精确可控，加热功能段、恒温功能段与降温功能段之间为自动门密封，对外均为自动门密闭。双极板固化炉设置温控***和热风循环***，确保炉内温度符合工艺要求。双极板固化炉内设置隔热保温装置，双极板固化炉外侧设置观察窗，内部设照明灯。以便从炉体外部观察内部产品运行情况
可以实现柔性碳基双极板的连续生产，通过连续生产及对生产过程的***管控，达到产品质量的一致性，提高生产效率，提高产品合格率，降低劳动强度，降低制造成本，实现双极板的商品化、规模化制造。
上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，其特征在于，依次序包括以下步骤，
S1、原料板预处理工序；包括对柔性碳基原料板依次经过原料的加热除湿、干燥，表面粉尘吸附清理，获得干燥洁净的原料板；
S2、原料板预处理完成后进入单极板成型工序；包括原料板通过自动输送***输送至成型机的位置后，机械手抓取原料板送至成型模具内，成型机启动，经过施加压力后，原料板的厚度被压缩至 0.5-5mm，同时在原料板的上表面或上下表面压制出所需的流场，原料板压制成柔性碳基单极板，完成上述动作后，机械手又将制成的柔性碳基单极板抓取至输送***上并输送至清理工序；
S3、单极板清理工序；包括柔性碳基单极板到达缓存工作台，由机械手抓取柔性碳基单极板至全自动清理机的清理工作台上，对单极板进行废边清理，然后机械手将柔性碳基单极板送至可翻转的清理机构对单极板进行两面刷洗清理工作，接着单极板自动归整机的机械手将表面清理完毕的柔性碳基单极板抓取至翻转工作台，通过归整机械手将单极板送入过渡工装，然后过渡工装将柔性碳基单极板自动精确送入归整工装内；
S4、单极板归整工序；装载完成的归整工装，会同柔性碳基单极板一起流转至单极板气密处理步骤；
S5、单极板气密处理工序；主要完成单极板堵漏，包括原料罐、气密工作罐，原料罐和气密工作罐设置精确的温控***，包括先通过吊装搬运机构把一定数量已归整完毕的柔性碳基单极板，随归整工装一起吊装入气密工作罐内，关闭密封盖封闭后对气密工作罐抽真空注入原料液到工作罐一定液位时，并且气密工作罐内的真空度达到后，开始保压至设定时间后对工作罐破真空，达到设定值后卸压和沥干，打开工作罐盖，吊装取出归整工装，流转至清洗工序；
S6、气密处理完毕的单极板与归整工装一起进入清洗工序；包括气密处理完毕的柔性碳基单极板与归整工装一起浸入到清洗槽内，除去柔性碳基极板残留物，然后浸入热水固化槽进行高温固化处理，然后经过干燥槽干燥，最后，通过吊装工艺模块输送到除湿烘箱内进行烘干处理，除湿烘干完毕后，流转至整平工序处理步骤；
S7、单极板整平工序；包括将除湿烘干完毕的柔性碳基极板放置在整平工装内，启动压机加压，将整平工装整体输送入整平炉内，整平后，成品柔性碳基极板流转至涂胶工艺模块进行涂胶处理；
S8、单极板涂胶工序；包括柔性碳基单极板通过单极板供料机上的机械手抓取至涂胶机工作平台上，进行定位及固定，然后进行点胶或丝网印涂胶，完成涂胶后，单极板供料机上的机械手再将已经涂好胶的单极板抓取至双极板合成工艺模块或抓取至单极板下料工作台上，再由输送***流转下料或至双极板合成工艺模块；
S9、双极板合成工序；包括将涂好胶的柔性碳基单极板放置在双极板 合成工装内，再精确放入配对的单极板，然后加压，流转至双极板固化步骤；
S10、双极板固化工序；粘合好的双极板随工装流入双极板固化炉内，进行固化处理，双极板固化炉按照温度控制，自动进出料完成双极板的合成；
双极板固化工序后选择进行双极板分切工序，对于需要分切的多联片结构，就将其送入双极板分切模块，通过液压驱动的分切机上模具完成对多联片的双极板进行分切，得到适合规格的双极板，再将分切后的双极板送入双极板检测设备进行检测；
双极板固化炉分五个功能段，分别是进料功能段、加热功能段、恒温功能段、降温功能段以及出料功能段，每个功能段均设置温度传感器，温度采用 PID控制，加热功能段、恒温功能段与降温功能段之间为自动门密封，对外均为自动门密闭；
S11、双极板检测工序；将双极板送入双极板检测设备，对双极板检测，符合要求的双极板即为成品柔性碳基双极板。
2.根据权利要求 1 所述的一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，其特征在于：原料罐和气密工作罐均设置夹套，原料罐和气密工作罐的顶部设置抽真空管路阀门***，气密工作罐为密封结构的压力容器，上设压力调节***，罐体底部设置排污口。
3.根据权利要求 2 所述的一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，其特征在于：除湿烘箱为密闭结构，顶部设置可开启的密封门，除湿烘箱内部热风循环，气密工作罐、清洗槽及热水固化槽的上方设置吊装搬运机构。
4.根据权利要求 2 所述的一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，其特征在于：所述涂胶工位可以采用点胶机或丝网印刷机。
5.根据权利要求 2 所述的一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，其特征在于：双极板固化炉设置温控***和热风循环***。
6.根据权利要求 2 所述的一种燃料电池柔性碳基双极板工业化生产工艺，其特征在于：双极板固化炉内设置隔热保温装置，双极板固化炉外侧设置观察窗，内部设照明灯。
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