CN106876723B - 一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，包括三段流水线，在第一段流水线上将成卷的MEA膜电极放卷得到MEA膜电极带，或者通过放卷、裁剪得到单张MEA膜电极；在第二段流水线上通过双极板生产流水线工艺得到双极板带；将第一段流水线所得的MEA膜电极带与第二段流水线所得双极板带复合，裁剪成单电池大小，置于第三段流水线的流转载体中待用；或者，将第一段流水线所得的单张MEA膜电极与第二段流水线所得双极板带复合，裁剪成单电池大小，置于第三段流水线的流转载体中待用。与现有技术相比，本发明采用滚筒式制双极板技术，且全程采用流水线自动化操作，效率高，人力成本低，且得到的单电池一致性好，质量优良，可用于大批量的单电池生产。

Description

一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种生产效率高、性能一致的燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由双电极板及膜电极组成，所述的双极板通常具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点，膜电极是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，在发电过程中不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以近年来对质子交换膜燃料电池的研究越来越热。

现有技术中，双电极的材料多用复合石墨板和金属板。复合石墨板密度小，质量轻，但其导电性能差，耐高温性能差，易碎，不适合用于大功率的燃料电池。金属板导电性能高，强度大，可以用较薄的板做成双电极，但其耐腐蚀性能差，电阻大，导热性差，而且容易污染膜电极，影响燃料电池的寿命，另外，金属板采用镀膜处理工艺，价格昂贵，成本高。

现有的工艺都是通过手工操作，将金属板或石墨板先裁剪成需要的大小后再冲压或模压或蚀刻等方式在其表面形成流场，或者先通过冲压或模压或蚀刻等方式在金属板或石墨板表面形成流场后再裁剪成需要的尺寸，然后再将带有流场的单极板黏贴或焊接在一起制成双极板，最后将MEA组件与双极板交替叠合，形成单电池组；各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢或捆绑带紧固，即构成质子交换膜燃料电池电堆。由于采用手工操作，效率低，劳动强度大，大大增加了燃料电池的人力成本；同时整个工艺对操作工的要求高，不同的操作者制成的电池堆可能性能完全不同。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，包括以下步骤：

(1)在第一段流水线上将成卷的MEA膜电极放卷得到MEA膜电极带，或者通过放卷、裁剪得到单张MEA膜电极；

(2)在第二段流水线上通过双极板生产流水线工艺得到双极板带，或者剪切得到单张的双极板；

(3)将第一段流水线所得的MEA膜电极带与第二流水线所得单张双极板复合，裁剪成单电池大小，置于第三段流水线的流转载体中待用；

或者，将第一段流水线所得的单张MEA膜电极与第二流水线所得双极板带复合，裁剪成单电池大小，置于第三段流水线的流转载体中待用；

所述的成卷的MEA膜电极通过以下方法制得：将成卷的质子交换膜放卷得到质子交换膜带，在该质子交换膜带两侧涂上催化剂，然后两侧分别与用碳纤维纸制得的气体扩散层复合，收卷在放卷辊a上即得成卷的MEA膜电极；或者将碳纤维纸涂覆催化剂层后夹在带状的质子交换膜两侧，热压复合后，卷在放卷辊a上待用。

所述的催化剂为Pt/c、Pt或Pt-M/C，其中M为Co、Mo、Ru或者Pd中的一种或者两种。所述的碳纤维纸厚度≤0.35mm，孔隙率≥65％。

所述的单张MEA膜电极通过以下步骤制得：

(1)将成卷的MEA膜电极放卷得到MEA膜电极带；

(2)将MEA膜电极带通过一位置校正装置a，使裁剪后的单张MEA膜电极与其下方的第二段流水线上的双极板带或者单张双极板对齐；

(3)将MEA膜电极带通过裁剪装置a，裁剪成单张MEA膜电极。

所述的双极板生产流水线工艺包括以下几个步骤：

(1)将阴极板与阳极板用的柔性石墨板原料带分别缠绕在一台卷式供料机上；

(2)将从卷式供料机引出的柔性石墨板原料带分别通过一对压辊a进行滚压，对柔性石墨板原料带进行压实平整，使石墨板表面粗糙度达到0.20μm以内，提高原料的整体强度及耐腐蚀性；

(3)将压实平整后的柔性石墨板原料带通过滚筒印花机，进行流场的模压，得到极板带；

(4)将模压好流场的极板带通过树脂喷涂机，在极板带的表面涂上树脂即制得带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板。

(5)通过一引导辊a将带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板进行对准并初步贴合在一起；

(6)将贴合在一起的带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板一起送至压辊中，通过压辊使带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板紧密贴合；

(7)紧密贴合的带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板通过高温烘箱进行高温粘合，得到双极板带。

所述的阴极板原料带和阳极板原料带采用的材料为柔性石墨。这种材料具有极佳的导热和导电性能，比金属轻，其性能已在燃料电池公交车、物料管理车上得到充分的验证。此外，柔性石墨耐腐蚀，有不错的机械性能，易塑形，设计灵活性强，原料来源充足，是大批量流水线化生产双电极的优良原料。

所述的卷式供料机的驱动系统与滚压辊的滚压速度控制系统联网同步；

所述的滚压辊相当于平板压机模压，压力≤3.0MPa。滚压辊分上下两个，中间有细小的间隙，该间隙的大小即为目标单极板的厚度，因此，当单极板原料带通过滚压辊之后，表面平整，使得后续的模压变得精准。

所述的滚筒印花机采用嵌入式铝制模具，按所需的平面流场制成滚压模具；滚筒印花机分上下两个滚筒，每个滚筒的表面有流场的模型，当单极板原料带通过时，滚筒辊通过流场模型在其表面进行模压，使单极板原料带的两侧都模压上流场；并且，两个滚压辊必然是同步运动，且流场模型是相互匹配的，这样才能保证单极板正反两面的流场是合格的。

所述的树脂喷涂机可以将石墨树脂涂料加压至100MPa以下。高压状态下，涂料通过输送系统瞬间喷出，迅速膨胀、雾化，均匀射向石墨极板表面，形成厚度≤0.10mm的涂层；

所述的引导辊a由电机驱动，引导速度的控制系统与放卷辊的驱动系统联网同步，受定位弹簧的反馈控制，能自动调节引导和放卷速度。前提是阴极板与阳极板在模压流场时，还同步完成了定位卡槽的加工，使得相临的两张极板临界处都有该定位卡槽。当阴、阳极板卷直线运动到指定位置时，定位弹簧自动弹出实现阴、阳极板的上下卡位对准；

所述的高温烘箱的温度为100-500℃，烘制时间≤10min。

所述的树脂喷涂机涂在极板带上的树脂含有高强有机胶的石墨树脂，能有效降低石墨极板的气孔率，提高了体积密度，增强了石墨极板的强度、防腐蚀性和耐磨性，使其结构稳定，所述高强有机胶包括有机硅胶、环氧树脂胶或聚异丁烯胶。

所述的第一段流水线位于所述的第二段流水线的上方，第一段流水线所得的单张MEA膜电极通过传送带送至第二段流水线，与所述的双极板带重合；

或者第一段流水线所得的MEA膜电极带通过引导辊b与第二段流水线所得的双极板带进行复合。

所述的第二段流水线上裁剪成单电池之前设有位置校正装置b，通过该位置校正装置b使MEA膜电极带或单张MEA膜电极与双极板带对齐。

所述的第二段流水线下方还设有第三段流水线，该第三段流水线上设有流转载体，第二段流水线上裁剪得到的单电池依次落入流转载体中叠加，得到单电池组。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：

(1)本发明用流水线的机械操作代替了手工操作，效率高，大大降低了人力成本。

(2)所有电池组都由流水线操作完成，不会发生两电池组的性能相差很大的事故，保证生产的电池组的质量处于较高的水平。

(3)阴极板、阳极板和双极板都是通过滚压的方式制得，适合于大批量的电池组生产。

附图说明

图1为本发明单电池的第一种流水线示意图；

图2为本发明单电池的第二种流水线示意图；

图3为本发明单电池中阴、阳两极板的定位、校准示意图；

其中，1为成卷的MEA膜电极，2为校正装置a，3为裁剪装置a，4为阴极板原料带卷式供料机，5为阳极板原料带卷式供料机，6为原料带工艺处理流水线，7为引导辊a，8为滚压辊，9为高温烘箱，10为校正装置b，11为裁剪装置b，12为流转载体，13为引导辊b，14为定位卡槽，15为定位弹簧。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，包括以下步骤：

第一步：第一段流水线上，将成卷的质子交换膜放卷成带状，在其两侧涂覆催化剂层后，与气体扩散层热压复合，收卷在放卷辊a上，得到整卷的MEA膜电极1，将其放卷后，形成MEA膜电极带。MEA膜电极带首先通过一位置校正装置a2，使裁剪后的单张MEA膜电极与其下方的第二流水线上的双极板带或者单张双极板对齐；校正结束后，MEA膜电极带进入裁剪装置a3带裁剪成单张MEA膜电极，并通过传送带送至第二段流水线的双极板带上。

第二步：第二段流水线上，通过阴极板原料带卷式供料机4和阳极板原料带卷式供料机5将阴极板柔性石墨和阳极板柔性石墨放卷成带状，分别通过原料带工艺处理流水线6。所述的原料带工艺处理流水线6包括以下工艺：

(1)将阴极板原料带和阳极板原料带分别通过一滚压辊，对原料带进行压实平整，滚压辊的压力≤3.0MPa；

(2)将压实平整后的阴极板原料带和阳极板原料带分别通过滚筒印花机，进行流场的模压，得到阴极板带和阳极板带，其中滚筒印花机采用嵌入式铝制模具，按所需的平面流场制成滚压模具；

(3)将模压好流场的阴极板带和阳极板带通过树脂喷涂机，在阴极板带和阳极板带的一侧表面涂上树脂，其中树脂喷涂机可以将石墨树脂涂料加压至100MPa以下。高压状态下，涂料通过输送系统瞬间喷出，迅速膨胀、雾化，均匀射向石墨极板表面，形成厚度≤0.10mm的涂层；

(4)树脂处理过的阴、阳单极板再分别通过一对涂胶辊在其相对的一侧涂胶，所述的胶体温度需要控制在50℃以下，胶体厚度约为≤0.10㎜。

如图3所述，将涂覆好胶的阴极板带和阳极板带通过一引导辊a7，将阴极板带和阳极板带位置校正及初步贴合，其中引导辊a7由电机驱动，引导速度的控制系统与放卷辊的驱动系统联网同步，受定位弹簧的反馈控制，能自动调节引导和放卷速度。前提是阴极板与阳极板在模压流场时，还同步完成了定位卡槽14的加工，使得相临的两张极板临界处都有该定位卡槽14。当阴极板带、阳极板带直线运动到指定位置时，定位弹簧15自动弹出实现阴极板、阳极板的上下卡位对准；将初步贴合的阴极板带和阳极板带通过一滚压辊8，使其紧密贴合后通过高温烘箱9，得到双极板带；其中滚压辊8的压力≤3.0MPa，高温烘箱的温度为100-500℃，烘制时间≤10min。

第三步：待第一段流水线所得的单张MEA膜电极落在第二流水线所得的双极板带上进行复合后，一起进入校正装置b10，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b11，裁剪得到单电池。

第四步：将第二条水线得到的单电池依次落入流转载体12中叠加，得到单电池组。

实施例2

如图2所示，一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，包括以下步骤：

第一步：将成卷的质子交换膜放卷成带状，在其两侧涂覆催化剂层后，与气体扩散层热压复合，收卷在放卷辊a上，得到整卷的MEA膜电极1，将其放卷后，形成MEA膜电极带。

第二步：第二段流水线上，通过阴极板原料带卷式供料机4和阳极板原料带卷式供料机5将阴极板柔性石墨和阳极板柔性石墨放卷成带状，分别通过原料带工艺处理流水线6。所述的过原料带工艺处理流水线6包括以下工艺：

(1)将阴极板原料带和阳极板原料带分别通过一滚压辊，对原料带进行压实平整，滚压辊的压力≤3.0MPa；

(2)将压实平整后的阴极板原料带和阳极板原料带分别通过滚筒印花机，进行流场的模压，得到阴极板带和阳极板带，其中滚筒印花机采用嵌入式铝制模具，按所需的平面流场制成滚压模具；

(3)将模压好流场的阴极板带和阳极板带通过树脂喷涂机，在阴极板带和阳极板带的一侧表面涂上树脂，其中树脂喷涂机可以将石墨树脂涂料加压至100MPa以下。高压状态下，涂料通过输送系统瞬间喷出，迅速膨胀、雾化，均匀射向石墨极板表面，形成厚度≤0.10mm的涂层；

(4)树脂处理过的阴、阳单极板再分别通过一对涂胶辊在其相对的一侧涂胶，所述的胶体温度需要控制在50℃以下，胶体厚度约为≤0.10㎜。

如图3所示，将涂覆好胶的阴极板带和阳极板带通过一引导辊a7，将阴极板带和阳极板带位置校正及初步贴合，其中引导辊a7由电机驱动，引导速度的控制系统与放卷辊的驱动系统联网同步，受定位弹簧的反馈控制，能自动调节引导和放卷速度。前提是阴极板与阳极板在模压流场时，还同步完成了定位卡槽14的加工，使得相临的两张极板临界处都有该定位卡槽14。当阴、阳极板带直线运动到指定位置时，定位弹簧15自动弹出实现阴、阳极板的上下卡位对准；将初步贴合的阴极板带和阳极板带通过一滚压辊8，使其紧密贴合后通过高温烘箱9，得到双极板带；其中滚压辊的压力≤3.0MPa；高温烘箱的温度为100-500℃，烘制时间≤10min。

第三步：第二段流水线所得的双极板带通过引导辊b13与第一流水线所得的MEA膜电极带进行复合后，一起进入校正装置b10，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b11，裁剪得到单电池。

第四步：将第二段流水线得到的单电池依次落入流转载体12中叠加，得到单电池组。

Claims (8)

1.一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，该生产方法包括以下步骤：

(1)在第一段流水线上将成卷的MEA膜电极放卷得到MEA膜电极带，或者通过放卷、裁剪得到单张MEA膜电极；

(2)在第二段流水线上通过双极板生产流水线工艺得到双极板带；

所述的双极板生产流水线工艺包括以下几个步骤：

21)将阴极板与阳极板用的柔性石墨板原料带分别缠绕在一台卷式供料机上；

22)将从卷式供料机引出的柔性石墨板原料带分别通过一对滚压辊进行滚压，对柔性石墨板原料带进行压实平整，使石墨板表面粗糙度达到0.20μm以内，提高原料的整体强度及耐腐蚀性；所述的卷式供料机的驱动系统与滚压辊的滚压速度控制系统同步；所述的滚压辊的压力在≤3.0MPa；

23)将压实平整后的柔性石墨板原料带通过滚筒印花机，进行流场的模压，得到极板带；所述的滚筒印花机采用嵌入式铝制模具，按所需的平面流场制成滚压模具；

24)将模压好流场的极板带通过树脂喷涂机，在极板带的表面涂上树脂即制得带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板；所述的树脂喷涂机将石墨树脂涂料加压至100MPa以下，通过输送系统瞬间喷出，迅速膨胀、雾化，均匀射向极板带表面，形成厚度≤0.10mm的涂层；

25)通过一引导辊a将带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板进行对准并初步贴合在一起；所述的引导辊a由电机驱动，引导速度的控制系统与放卷辊的驱动系统联网同步，受定位弹簧的反馈控制，能自动调节引导和放卷速度，所述的阴极板与阳极板在模压流场时，还同步完成了定位卡槽的加工，使得相临的两张极板临界处都有该定位卡槽，当阴极板带、阳极板带直线运动到指定位置时，定位弹簧自动弹出实现阴极板、阳极板的上下卡位对准；

26)将贴合在一起的带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板一起送至压辊中，通过压辊使带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板紧密贴合；

27)紧密贴合的带状柔性石墨阴极板和带状柔性石墨阳极板通过高温烘箱进行高温粘合，得到双极板带；所述的高温烘箱的温度为100-500℃，烘制时间≤10min；

(3)将第一段流水线所得的MEA膜电极带与第二段流水线所得双极板带复合，裁剪成单电池大小，置于第三段流水线的流转载体中待用；

或者，将第一段流水线所得的单张MEA膜电极与第二段流水线所得双极板带复合，裁剪成单电池大小，置于第三段流水线的流转载体中待用。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的成卷的MEA膜电极通过以下方法制得：将成卷的质子交换膜放卷得到质子交换膜带，在该质子交换膜带两侧涂上催化剂，然后两侧分别与用碳纤维纸制得的气体扩散层复合，收卷在放卷辊a上即得成卷的MEA膜电极。

3.根据权利要求2所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的催化剂为Pt/c、Pt或Pt-M/C，其中M为Co、Mo、Ru或者Pd中的一种或者两种，所述的碳纤维纸厚度≤0.35mm，孔隙率≥65％。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的单张MEA膜电极通过以下步骤制得：

(1)将成卷的MEA膜电极放卷得到MEA膜电极带；

(2)将MEA膜电极带通过一位置校正装置a，使裁剪后的单张MEA膜电极与其下方的第二流水线上的双极板带或者单张双极板对齐；

(3)将MEA膜电极带通过裁剪装置a，裁剪成单张MEA膜电极。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的树脂喷涂机涂在极板带上的树脂为含有高强有机胶的石墨树脂，所述的高强有机胶包括有机硅胶、环氧树脂胶或聚异丁烯胶。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第一段流水线位于所述的第二段流水线的上方，第一段流水线所得的单张MEA膜电极通过传送带送至第二段流水线，与所述的双极板带重合；

或者第一段流水线所得的MEA膜电极带通过引导辊b与第二段流水线所得的双极板带进行复合。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第二段流水线上裁剪成单电池之前设有位置校正装置b，通过该位置校正装置b使MEA膜电极带或单张MEA膜电极与双极板带对齐。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨板单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第二段流水线下方还设有第三段流水线，该第三段流水线上设有流转载体，第二段流水线上裁剪得到的单电池依次落入流转载体中叠加，得到单电池组。

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