一種燃料電池用柔性石墨單極板的滾壓生產方法與流程
2023-05-29 21:42:16 1
本發明涉及燃料電池技術領域，具體涉及一種燃料電池用柔性石墨單極板的滾壓生產方法。
背景技術：
燃料電池是一種可以高效地將燃料和氧化劑轉化為電能的發電裝置。發達國家都將大型燃料電池的開發作為重點研究項目，企業界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術的研究與開發，現在已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統發電機及內燃機而廣泛應用於發電機汽車上。燃料電池的高效率、無汙染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環境的綠色革命。
雙極板是將單電池串聯起來組成電池堆的關鍵部件，主要起分隔氧化劑和還原劑以及收集電流的作用，它具有以下特點：良好的阻氣功能；導電、導熱性能好；較低的體電阻和接觸電阻；耐腐蝕性強；質量輕、強高、適於批量加工等。因此，雙極板不但對電池的體積、重量、成本等影響較大，同時對燃料電池的電性能也有很大的影響。
現有技術中，雙電極的材料多用複合石墨板和金屬板。複合石墨板密度小，質量輕，但其導電性能差，耐高溫性能差，易碎，不適合用於大功率的燃料電池。金屬板導電性能高，強度大，可以用較薄的板做成雙電極，但其耐腐蝕性能差，電阻大，導熱性差，而且容易汙染膜電極，影響燃料電池的壽命，另外，金屬板採用鍍膜處理工藝，價格昂貴，成本高。具體如表1所示。
表1複合石墨板和金屬板的優缺點比較
現有的工藝都是通過手工操作，將金屬板或石墨板裁剪成需要的大小，然後通過衝壓或模壓或蝕刻等方式在其表面形成流場，然後將帶有流場的單極板黏貼在一起製成雙極板。由於採用手工操作，效率低，勞動強度大，大大增加了燃料電池的人力成本；同時整個工藝對操作工的要求高，不同的操作者製成的電池堆可能性能完全不同。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種操作簡單、自動化程度高的燃料電池用柔性石墨單極板的滾壓生產方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種燃料電池用柔性石墨單極板的滾壓生產方法，包括以下步驟：
(1)將柔性石墨板原料帶纏繞在卷式供料機上；
(2)將從卷式供料機引出的柔性石墨板原料帶通過一對壓輥進行滾壓，對單極板原料帶進行壓實平整，使石墨板表面粗糙度達到0.20μm以內，提高原料的整體強度，耐腐蝕性能也有所增強；
(3)將壓實平整後的柔性石墨板原料帶通過滾筒印花機，進行流場的模壓，得到極板帶；
(4)將模壓好流場的極板帶通過樹脂噴塗機，在極板帶的整個表面塗上樹脂即製得帶狀的柔性石墨極板。
本發明所用的原料帶均採用柔性石墨，這種材料具有極佳的導熱和導電性能，比金屬輕，其性能已在燃料電池公交車、物料管理車上得到充分的驗證。此外，柔性石墨耐腐蝕，有不錯的機械性能，易塑形，設計靈活性強，原料來源充足，是大批量流水線化生產雙電極的優良原料。
步驟(4)所得的帶狀的柔性石墨極板通過裁剪裝置剪切成單張的極板，置於 流轉載體中待用；
或者，將所得帶狀的柔性石墨極板纏繞在收卷輥中作為極板卷待用。
所述的卷式供料機的驅動系統與滾壓輥(2)的滾壓速度控制系統聯網同步。
所述的滾壓輥相當於平板壓機模壓，壓力≤3.0MPa。滾壓輥分上下兩個，中間有細小的間隙，該間隙的大小即為目標單極板的厚度，因此，當柔性石墨板原料帶通過壓輥之後，表面平整，使得後續的模壓變得精確。
所述的滾筒印花機採用嵌入式鋁製模具，按所需的平面流場製成滾壓模具。滾筒印花機分上下兩個滾筒，每個滾筒的表面有流場的模型，當柔性石墨板原料帶通過時，滾筒輥通過流場模型在其表面進行模壓，使柔性石墨板原料帶的兩側都模壓上流場；並且，兩個滾壓輥必然是同步運動，且流場模型是相互匹配的，這樣才能保證單極板正反兩面的流場是合格的。
所述的樹脂噴塗機將石墨樹脂塗料加壓至100MPa以下。高壓狀態下，塗料通過輸送系統瞬間噴出，迅速膨脹、霧化，均勻射向石墨極板表面，形成厚度≤0.10mm的塗層。
所述的樹脂噴塗機塗在極板帶上的樹脂含有高強有機膠的石墨樹脂，能有效降低石墨極板的氣孔率，提高了體積密度，增強了石墨極板的強度、防腐蝕性和耐磨性，使其結構穩定，所述高強有機膠包括有機矽膠、環氧樹脂膠或聚異丁烯膠。
所述的收卷輥的卷芯前面裝有一個可以改變位置的跟蹤輥，其作用是將柔性石墨極板卷壓靠在收卷卷芯上，實行接觸收卷或小間隙收卷，以將平整的柔性石墨極板卷迅速轉到卷芯上，實現平整收卷的目的。單張的極板可通過手工操作，將兩塊極板合在一起做成雙極板，用於燃料電池組的生產，極板帶收卷在收卷輥上，可實現雙極板的流水線操作。
與現有技術相比，本發明的有益效果體現在以下幾方面：
(1)本發明的單極板材料採用柔性石墨，耐腐性好，導電性能好，電阻小，輕質且成本低，適合於燃料電池商用車的製造。
(2)本發明用流水線的機械操作代替了手工操作，效率高，大大降低了人力成本。
(3)本發明所有單極板都由流水線操作完成，不會發生兩塊單極板的性能相差很大的事故，保證生產的單極板質量的一致性。
附圖說明
圖1為單張單極板的生產流水線示意圖；
圖2為單極板卷的生產流水線示意圖。
其中，1為卷式供料機，2為滾壓輥，3為滾筒印花機，4為樹脂噴塗機，5為裁剪裝置，6為流轉載體，7為收卷輥。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
實施例1
如圖1所示，一種燃料電池用柔性石墨單極板的滾壓生產方法，包括以下步驟：
(1)將柔性石墨帶纏繞在卷式供料機1上，得到極板原料卷。卷式供料機1逆時針轉動，將單極板原料帶引出，送往滾壓輥2中。卷式供料機的驅動系統與滾壓輥2的滾壓速度控制系統聯網同步；
(2)在滾壓輥2中，柔性石墨原料帶被壓平整後送至滾筒印花機3，滾筒印花機3採用嵌入式鋁製模具，按所需的平面流場製成滾壓模具。經過滾筒印花機3的柔性石墨原料帶兩側被模壓好流場，得到極板帶；
(3)將得到的極板帶通入樹脂噴塗機4內，給極板帶的表面塗上含有高強有機膠的石墨樹脂，該樹脂能有效降低石墨極板的氣孔率，提高了體積密度，增強了石墨極板的強度、防腐蝕性和耐磨性，使其結構穩定。樹脂噴塗機4將石墨樹脂塗料加壓至100MPa以下。高壓狀態下，塗料通過輸送系統瞬間噴出，迅速膨脹、霧化，均勻射向石墨極板表面，形成厚度≤0.10mm的塗層；
(4)經過樹脂噴塗的極板帶進入裁剪裝置5中，裁剪成單張的單極板，然後通過重力的作用，落入下方的流轉載體6中待用。
實施例2
如圖2所示，一種燃料電池用柔性石墨單極板的滾壓生產方法，包括以下步驟：
(1)將柔性石墨帶纏繞在卷式供料機1上，得到極板原料卷。卷式供料機1逆時針轉動，將單極板原料帶引出，送往滾壓輥2中卷式供料機的驅動系統與滾壓輥2的滾壓速度控制系統聯網同步；
(2)在滾壓輥2中，柔性石墨原料帶被壓平整後送至滾筒印花機3，滾筒印花機3採用嵌入式鋁製模具，按所需的平面流場製成滾壓模具。經過滾筒印花機3的柔性石墨原料帶兩側被模壓好流場，得到極板帶；
(3)將得到的極板帶通入樹脂噴塗機4內，給極板帶的表面塗上含有高強有機膠的石墨樹脂，該樹脂能有效降低石墨極板的氣孔率，提高了體積密度，增強了石墨極板的強度、防腐蝕性和耐磨性，使其結構穩定。樹脂噴塗機4將石墨樹脂塗料加壓至100MPa以下。高壓狀態下，塗料通過輸送系統瞬間噴出，迅速膨脹、霧化，均勻射向石墨極板表面，形成厚度≤0.10mm的塗層；
(4)經過樹脂噴塗的極板帶收卷在收卷輥7，得到柔性石墨極板卷待用。該收卷輥的卷芯前面裝有一個可以改變位置的跟蹤輥，其作用是將柔性石墨極板卷壓靠在收卷卷芯上，實行接觸收卷或小間隙收卷，以將平整的柔性石墨極板卷迅速轉到卷芯上，實現平整收卷的目的。