CN101794891B - 在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及方法，该系统包括一密封剂供给系统，一密封剂粘度控制系统，一样件装夹定位系统，一三轴自动位移系统，一密封剂固化系统，并与一中央控制器连接，该中央控制器控制密封剂供给系统中的撞针式喷头在轨迹上每一点距离样件的高度、行走高度、撞针式喷头打开/关闭的时间。本发明的在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及其方法，实现了密封结构和双极板一体化加工工艺，实现了粘稠性密封剂的无成型模具加工工艺，简化了燃料电池开发和生产工艺过程，降低了燃料电池开发成本。

Description

在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池零部件加工技术，特别是涉及了一种用于在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及加工方法。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，传统不可再生的化石能源正消耗殆尽，对此类能源的极端使用已引起严重的全球环境污染问题。鉴于此，清洁能源、低碳循环经济、可持续化发展已成为世界发展的方向，目前科学家们认为“氢能”是符合这一发展方向，未来替代汽油、柴油等动力能源的有效清洁能源之一。质子交换膜燃料电池是一种直接将储存在燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)中的化学能转化为电能的发电装置，其具备高效、低噪声、环保等优势已被公认为未来的动力电源，并且在移动式电源、后备电源、水下机器人、航空航天等方面都具有广泛的应用前景。

质子交换膜燃料电池单电池由一片膜电极(MEA)、一片阴极板和一片阳极板组成，在膜电极和极板上有空气、氢气和冷却剂流动的通道孔，每个通道孔相互独立，并由密封结构围绕在通道孔周围，起到阻隔空气、氢气和冷却剂的作用。根据设计燃料电池工作电压的要求将多片单电池串联，得到不同功率等级的燃料电池堆。串联时阴极板和阳极板接触，将阴极板和阳极板结合在一起组成了双极板。两块板之间也有密封结构密封阻隔空气、氢气和冷却剂的作用。

上海神力科技有限公司在ZL01105975中公开了一种燃料电池单元的密封办法，采用独立的成型好的密封垫圈嵌入到燃料电池双极板密封槽形成密封结构的办法，需要多一步将密封垫嵌入密封槽的步骤。通用汽车环球科技运作公司在ZL200910003708中提到采用金属压条作为燃料电池的密封部件镶嵌在双极板密封槽中。NOK株式会社在ZL200580033103提到了加工独立结构密封垫的方法，丰田自动车株式会社在ZL200680046949中提到一种加工独立结构密封垫的方法。现代自动车株式会社在ZL200310123808中公开了一种将橡胶粉末和液体混合后喷涂到刚性板上形成独立的燃料电池密封垫的方法。以上方法适合批量生产燃料电池用的密封垫片，但是其方法没能实现将密封垫直接成型在双极板上。

北京飞驰绿能电源技术有限责任公司在专利ZL01118346中公开了一种燃料电池印刷密封的方法，通过印刷设备将密封胶状物和MEA结合成包含密封结构的MEA组件，通过密封结构和MEA一体化设计来实现电堆内部各腔体的气密性要求。达纳公司在ZL01816167中提到在双极板表面使用丝网印刷快速形成密封结构的方法。丝网印刷的方法实现了密封结构和燃料电池其它零部件一体化的要求，该方法只适合粘度较小的液体密封剂，并需要加工丝网涂敷模具。

松下电器产业株式会社在专利JP264095、ZL02800663、ZL200680023532中公开了一种燃料电池用的膜-密封垫组合体，其采用了模塑成型方法，将密封结构直接成型在质子交换膜上。标致雪铁龙汽车公司在FR-0506558、ZL200680023368、ZL200680029812中公开了一种通过模铸成型的办法得到的密封结构-双极板组合体。其预先开好密封模具，将双极板放入模具内，在模具的进料口上注入密封原料，最后加热成型得到带密封结构的双极板组合体。汉高公司在ZL200780007572、ZL200780008604、ZL200780007531中也提到采用在模具内液体注塑成型制造集成密封结构的MEA和极板燃料电池部件。NOK株式会社在ZL200580042454中提到了一种采用注塑成型的办法加工得到的集成密封结构的MEA组件及其制造方法。注塑成型的方法同样实现了密封结构和燃料电池零部件的一体化设计，但是该方法容易堵塞双极板流道，压碎石墨类双极板，胶水渗进入催化层，污染MEA。另外由于模具开发非常昂贵，该方法适合定型产品大批量的生产。

本田技研工业株式会社在ZL02813619、ZL02813979、ZL200610075875中提到一种直接在双极板上涂敷密封剂的方法，最后通过压合方法将燃料电池组件全部粘结在一起。该方法中提到的密封剂涂敷装置包括马达、由马达驱动的密封剂螺杆挤出装置、喷嘴、非接触式传感器、隔板拉直装置。涂敷的办法是在起始点采用相交延长的办法处理，需要加大涂胶的隔板面积，造成面积浪费，通过该工艺粘合组成的燃料电池堆无法重复拆卸维修，另外，挤出螺杆润滑剂可能造成对密封胶的污染。

传统的密封涂敷方法如图1所示，在涂敷时，起点和终点的结合部位会形成如图1-B中的空洞1，小的结合面积2所示，影响密封的效果。

本田技研工业株式会社在专利中提到的延长涂敷起始点和终点，进行交叉涂敷的方法，会出现图2-C中的密封突起3，影响密封件高度的一致性。或会出现图2-D中的空洞1和小的结合面积2，影响密封效果。延长涂敷起始点和终点同时会增加多余的涂敷面积如图2-A中的4。

从目前各个燃料电池密封结构的设计和加工方法上看存在这些问题：独立的密封件结构无法确保高要求的密封效果，并带来了复杂的电堆装配过程；将密封结构集成在MEA上的方法需要开发昂贵的注塑模具，在加工过程中密封剂有可能污染MEA中的催化活性成分；其它涂敷的方法不能解决密封结构起点和终点结合问题，并需要多余的涂敷面积，组装成堆后的燃料电池双极板无法重复拆卸。

由于昂贵的开发和生产成本、氢泄漏安全可靠性等方面的问题严重阻碍了氢燃料电池技术的产业化进程。如何降低燃料电池关键部件的生产开发成本，提高燃料电池密封技术的可靠性已成为燃料电池技术产业化即待解决的重要课题。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种用于在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及其加工方法，依据高分子密封剂原位高温固化成型原理，使用了三轴联动涂敷技术、密封剂粘度控制技术、密封剂高温固化成型技术、密封剂连续稳定供给技术、真空吸附固定燃料电池双极板样件技术、轨迹图形识别技术、自动化控制技术。

本发明可通过以下技术方案予以解决：

本发明一种在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统，包括一密封剂供给系统，其包括一密封剂原料套桶，及通过管道连于所述密封剂原料套桶的一针头及一撞针式喷头，所述针头安装在所述撞针式喷头上；

一密封剂粘度控制系统包括连接在所述密封剂原料套桶上的一温控装置和一安装在样件固定平台上的电加热模块；

一样件装夹定位系统包括一置于所述电加热模块上方的吸附平台、及固定在所述吸附平台左上角的定位夹具；

一三轴自动位移系统包括一夹持臂，所述夹持臂带动固定在其上的所述撞针式喷头根据预先设定的位移轨迹在一中央控制系统的控制下进行XYZ三个方向移动在所述双极板上涂敷密封剂；

一密封剂固化系统包括烘道、样件自动送料装置、夹具，所述夹具连接在样件自动送料装置上，样件自动送料装置在一电机的控制下可将所述涂敷密封剂的双极板转移到所述烘道里；

所述密封剂供给系统、密封剂粘度控制系统、样件装夹定位系统、密封剂固化系统分别与所述中央控制器连接，所述中央控制器控制所述撞针式喷头在轨迹上每一点距离样件的高度、行走高度、撞针式喷头打开/关闭的时间。

本发明所述吸附平台附近设有一与真空泵连接的管路。

本发明所述夹持臂通过一位移丝杆与一电机相连，并在所述电机的驱动下运动。

本发明所述针头及撞针式喷头外围分别设有加热器。

本发明还提出在燃料电池双极板上原位成型密封件的制造方法，其包括以下步骤：

首先，用电脑将所述燃料电池双极板上的密封槽轨迹的CAD图纸识别转化为一密封加工系统能读取的真实物理尺寸轨迹，并通过所述密封加工系统上的程序输入接口导入数据；

第二步，通过所述密封加工系统中的中央控制系统设置撞针式喷头和针头涂敷轨迹上每一个点的行走速度、高度及喷头打开/关闭的时间；

第三步，调节所述密封剂供料系统和样件装夹定位系统平台上的温度，控制密封剂的粘度；

第四步，调节所述密封剂供料系统气体压力，控制出料速度；

第五步，调节所述样件装夹定位系统，固定双极板样件；

第六步，启动所述三轴自动位移系统移动涂敷密封剂；

第七步，通过所述样件传递送料系统将双极板样件转移到所述固化烘道里；

第八步，在所述固化烘道里固化密封剂0.5-1小时；

第九步，完成密封和双极板的组合部件。

本发明所述第五步包括以下步骤：

(1)调节好所述样件装夹固定系统的控制温度；

(2)打开所述真空泵，使吸附平台处于真空环境；

(3)根据所述定位夹具定位将样件装夹到吸附平台上；

(4)完成样件定位装夹。

本发明通过所述中央控制器控制所述撞针式喷头和针头的行走高度，在涂敷起始点及终点时，使密封剂以一斜坡的形式搭接。

由于采用以上技术方案，本发明的一种用于在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统及其方法，实现密封结构和双极板一体化加工工艺，实现粘稠性密封剂的无成型模具加工工艺，简化燃料电池开发和生产工艺过程，降低燃料电池开发成本，促进燃料电池产业链的发展。

附图说明

图1-A、图1-B为传统密封剂涂敷方法；

图2-A、图2-B、图2-C、图2-D为交织起点和终点的密封剂涂敷方法；

图3在双极板上原位成型密封件的加工方法流程图；

图4燃料电池双极板定位固定装夹流程图；

图5-A、图5-B、图5-C、图5-D、图5-E为本发明在燃料电池双极板上原位成型密封件的涂敷方法；

图6在双极板上原位成型密封件涂敷系统数学模型；

图7在双极板上原位成型密封件成型系统原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：

如图6及图7所示，本发明一种在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统，包括一密封剂供给系统19，其包括一密封剂原料套桶2，及通过管道1连于密封剂原料套桶2的一针头14及一撞针式喷头15，针头14安装在撞针式喷头15上，该系统可实现连续不间断、稳定供料，均匀涂敷密封条。

一密封剂粘度控制系统20包括连接在密封剂原料套桶2上的一温控装置3及一密封剂原料套桶外围加热器4和撞针式喷头外围加热器16，和一安装在样件固定平台上的电加热模块7，通过全程控制密封剂的温度使其保持在一个稳定、合适的粘度范围，避免外界环境对其粘度的影响。

一样件装夹定位系统21包括一置于电加热模块7上方的吸附平台6、及固定在吸附平台6左上角的定位夹具5，抽真空泵12通过管路13把吸附平台6附近抽成真空，加热真空吸附平台起到对双极板吸附固定、加热控温的作用。

一三轴自动位移系统18包括电机、位移丝杆、夹持臂17，电机和位移丝杆安装在三轴自动位移系统18内部，夹持臂17通过位移丝杆和电机连接，固定在夹持臂17上的撞针式喷头15根据预先设定的位移轨迹随夹持臂进行XYZ三个方向移动涂敷密封剂。

一密封剂固化系统22包括烘道23、样件自动送料装置24、夹具25，出料系统控制涂敷完密封剂的样件在烘道内的停留时间，夹具25连接在样件自动送料装置24上，样件自动送料装置在一电机的控制下可将涂敷密封剂的双极板转移到烘道里，夹具25起到固定样件的作用，烘道根据密封剂的固化温度控制样件的停留温度。

密封剂供给系统19通过夹持臂17连接在三轴自动位移系统18上面，密封剂粘度控制系统20和样件装夹定位系统21通过螺丝固定在三轴自动位移系统18主机上，密封剂固化系统22通过样件自动送料装置和三轴自动位移系统的主机连接，各系统间分别受一中央控制器控制11，中央控制器11控制撞针式喷头15在轨迹上每一点距离样件的高度、行走高度、撞针式喷头打开/关闭的时间。

在燃料电池双极板上原位成型密封件的制造方法，如图3所示，其包括以下步骤：

首先，用电脑将所述燃料电池双极板上的密封槽轨迹的CAD图纸识别转化为一密封加工系统能读取的真实物理尺寸轨迹，并通过所述密封加工系统上的程序输入接口导入数据；

第二步，通过所述密封加工系统中的中央控制系统设置撞针式喷头和针头涂敷轨迹上每一个点的行走速度、高度及喷头打开/关闭的时间；

第三步，调节所述密封剂供料系统和样件装夹定位系统平台上的温度，控制密封剂的粘度；

第四步，调节所述密封剂供料系统气体压力，控制出料速度；

第五步，调节所述样件装夹定位系统，固定双极板样件；

第六步，启动所述三轴自动位移系统移动涂敷密封剂；

第七步，通过所述样件传递送料系统将双极板样件转移到所述固化烘道里；

第八步，在所述固化烘道里固化密封剂0.5-1小时；

第九步，完成密封和双极板的组合部件。

如图4所示，上述第五步具体包括以下步骤：

(1)调节好所述样件装夹固定系统的控制温度；

(2)打开所述真空泵，使吸附平台处于真空环境；

(3)根据所述定位夹具定位将样件装夹到吸附平台上；

(4)完成样件定位装夹。

在双极板样件上的原位成型密封剂的起始点和终点的涂敷方法如图5所示：

在涂敷起始点时，先将针头定位到紧贴双极板密封槽的距离，如图5-B中的H01，涂敷针头根据设定的涂敷轨迹随三维自动位移系统往左上方移动，控制涂敷速度和出胶量，针头高度再由H02上升到H03后水平向左移动。最后，形成一个成一定角度的密封斜坡面，该斜坡面和双极板样件的角度以及该斜坡面的长度可以通过控制密封剂的压力、密封剂的粘度和针头的行走速度来控制。然后，针头根据图5-A的轨迹进行水平涂敷，在每个转弯处通过控制密封剂的出料压力、密封剂的粘度和针头的行走速度来保证其和直线方向涂敷的密封剂相同的高度、宽度等尺寸。最后在涂敷图5-A的起始点和终点结合部位时，如图5-E和图5-F所示，当密封剂和斜坡起点接触后，关闭撞针式喷头，控制针头向左上方移动，结束时针头的高度H04要高于H03，并水平向左移动断开密封剂连接，形成由两个斜坡面结合的密封接点。

本发明涂敷密封剂过程中处理起始点和终点时，可以自由协调控制密封剂的挤出量、针头的Z轴方向与XY轴联动形成密封斜坡面、控制密封剂粘度、控制涂敷平台温度的均匀性，实现将密封件的起始点和终点都原位成型在密封槽内，缩小了密封剂的涂敷面积，减少了密封剂的用量，增加了密封起始点和终点的结合面积，增强密封效果。

作为一实施例如下：采用液体高分子硅密封剂粘度为2000Pa.s25℃，将330ml的密封剂原料桶装入密封剂原料套桶2内，连接好管路、撞针式喷头15、针头14，打开平台电加热模块7及套筒加热装置4的温度控制器3电源；平台电加热模块7温度控制在50℃，筒加热装置4温度温度控制在50℃；调节气压控制型密封剂供给系统19中压力调节器8，使涂覆气压调在7.0bar，涂覆速度为50mm/s；将轨迹起点与双极板对应位置对齐，调节针头离双极板槽深1mm，即针头高度为0.60mm；打开真空泵12；根据左上角的定位夹具5定位将燃料电池双极板样件装夹到吸附平台6上，完成双极板样件定位装夹；启动在双极板上原位成型密封件的加工系统，待密封剂涂敷完成后，在烘箱内固化1小时后得到密封件和双极板原位成型的燃料电池组件，经测试该密封结构的氢气渗透系数小于1.5×10-14mol.m/m2.s.Pa。

另一实施为：采用液体高分子非硅密封剂粘度为1100Pa.s25℃，将330ml的密封剂原料桶装入密封剂原料套桶2内，连接好管路、撞针式喷头15、针头14，打开平台电加热模块7及套筒加热装置4的温度控制器3电源；平台电加热模块7温度控制在40℃，筒加热装置4温度温度控制在40℃；调节气压控制型密封剂供给系统19中压力调节器8，使涂覆气压调在2.0bar，涂覆速度为55mm/s；固定双极板样件，开始涂敷；完成涂敷的双极板样件在烘箱内固化45min后得到密封件和双极板原位成型的燃料电池组件，经测试该密封结构的氢气渗透系数小于8.2×10-15mol.m/m2.s.Pa。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (7)

1.在燃料电池双极板上原位成型密封件的加工系统，其特征在于：包括

一密封剂供给系统，其包括一密封剂原料套桶，及通过管道连于所述密封剂原料套桶的一针头及一撞针式喷头，所述针头安装在所述撞针式喷头上；

一密封剂粘度控制系统，其包括连接在所述密封剂原料套桶上的一温控装置，及安装在一平台上的电加热模块；

一样件装夹定位系统，包括一置于所述电加热模块上方的吸附平台、与吸附平台连接的抽真空泵及固定在所述吸附平台上面的定位夹具；

一三轴自动位移系统，包括一夹持臂，所述夹持臂带动固定在其上的所述撞针式喷头，根据预先设定的位移轨迹，在一中央控制系统的控制下进行XYZ三个方向移动，在所述双极板上涂敷密封剂；

一密封剂固化系统，包括烘道、样件自动送料装置、夹具，所述夹具连接在样件自动送料装置上，样件自动送料装置在一电机的控制下可将所述涂敷密封剂的双极板转移到所述烘道里；

所述密封剂供给系统、密封剂粘度控制系统、样件装夹定位系统、密封剂固化系统分别与所述中央控制器连接，所述中央控制器控制所述撞针式喷头在轨迹上每一点距离样件的高度、行走高度、撞针式喷头打开/关闭的时间。

2.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于：所述吸附平台附近设有一与真空泵连接的管路。

3.根据权利要求1所述的加工系统，其特征在于：所述夹持臂通过一位移丝杆与一电机相连，并在所述电机的驱动下运动。

4.根据权利要求3所述的加工系统，其特征在于：所述针头及撞针式喷头外围分别设有加热器。

5.一种加工权利要求1所述的在燃料电池双极板上原位成型密封件的方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先，用电脑将所述燃料电池双极板上的密封槽轨迹的CAD图纸识别转化为一密封加工系统能读取的真实物理尺寸轨迹，并通过所述密封加工系统上的程序输入接口导入数据；

第二步，通过所述密封加工系统中的中央控制器设置撞针式喷头和针头涂敷轨迹上每一个点的行走速度、高度及喷头打开/关闭的时间；

第三步，调节所述密封剂供料系统和样件装夹定位系统平台上的温度，控制密封剂的粘度；

第四步，调节所述密封剂供给系统气体压力，控制出料速度；

第五步，调节所述样件装夹定位系统，固定双极板样件；

第六步，启动所述三轴自动位移系统移动涂敷密封剂；

第七步，通过所述样件传递送料系统将双极板样件转移到所述固化烘道里；

第八步，在所述固化烘道里固化密封剂0.5-1小时；

第九步，完成密封和双极板的组合部件。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述第五步包括以下步骤：

(1)调节好所述样件装夹固定系统的控制温度；

(2)打开所述真空泵，使吸附平台处于真空环境；

(3)根据所述定位夹具定位将样件装夹到吸附平台上；

(4)完成样件定位装夹。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：通过所述中央控制器控制所述撞针式喷头和针头的行走高度，在涂敷起始点及终点时，使密封剂以一斜坡的形式搭接。

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