CN106876756A - 一种燃料电池用单电池的连续生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池用单电池的连续生产方法，包括三段流水线，具体生产方法包括以下步骤：(a)在第一段流水线上自动化制成MEA膜电极带，或者单张MEA膜电极；(b)在第二段流水线上自动化制得双极板带，或者制成单张双极板；(c)步骤(1)所得MEA膜电极带与步骤(2)所得双极板带或者单张双极板复合后，裁剪成单电池大小，各单电池依次叠加成单电池组；或者，步骤(1)所得单张MEA膜电极与步骤(2)所得双极板带或者单张双极板复合后，裁剪成单电池大小，各单电池依次叠加成单电池组；(d)第三段流水线上完成对单电池组的收集与流转。与现有技术相比，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，并且通过批量化的生产，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
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。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质，只允许H+通过。质子交换膜燃料电池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。
质子交换膜燃料电池的核心为电堆，而电堆是由多个单电池组以串联的方式层叠组合而成，将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，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，即构成质子交换膜燃料电池电堆。电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA组件是将两张喷涂有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。所述的双极板通常以石墨作为材料，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。燃料电池堆在运行过程中，双极板执行如下功能以维持燃料电池堆的最佳工作状态以及使用寿命：(1)电池导电体，极板两侧分别形成阴极阳极，将一个个电池单元串联以组成燃料电池堆；(2)通过流道向电极提供反应气(传质)；(3)协调水与热的管理，防止冷却介质及反应气体外漏；(4)向膜电极组件(MEA)提供结构强度支持。
现有的工艺都是通过手工操作，将金属板或石墨板裁剪成需要的大小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，或者先将金属板或石墨板通过冲压或模压或蚀刻等方式在其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)在第一段流水线上自动化制成MEA膜电极带，或者单张MEA膜电极；
(2)在第二段流水线上自动化制得双极板带，或者制成单张双极板；
(3)步骤(1)所得MEA膜电极带与步骤(2)所得双极板带或者单张双极板复合后，裁剪成单电池大小，各单电池依次叠加成单电池组；
或者，步骤(1)所得单张MEA膜电极与步骤(2)所得双极板带复合后，裁剪成单电池大小，各单电池依次叠加成单电池组。
(4)在第三段流水线上完成对单电池组的收集与流转。
所述的第一段流水线包括整卷的MEA膜电极，放卷后即得MEA膜电极带，进一步将MEA膜电极带裁剪得到单张MEA膜电极。
所述的整卷MEA膜电极通过以下方法制得：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上待用；
或者将两气体扩散层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催化剂，气体扩散层的主要成分为碳纤维纸。
所述的气体扩散层包括碳纸，该碳纸表面已覆盖好防水层和碳粉层。
所述的第二段流水线为整卷的双极板，放卷后即得双极板带；进一步将双极板带裁剪得到单张双极板。
所述的第二段流水线包括以下步骤：将软石墨带刻槽形成阴极板带和阳极板带，将阴极板带缠绕在放卷辊b上，将阳极板带缠绕在放卷辊c上，放卷后的阴极板带和阳极板带分别通过一对涂胶辊在其相对的一侧涂胶，然后通过压合辊压合在一起，再经高温烘箱高温粘合，得到双极板带；进一步将双极板带裁剪得到单张双极板。
所述的阴极板和阳极板的材质为软石墨，由于材料采用软石墨，所以使得阴极板和阳极板可以先进行模压流场，然后将阴极板和阳极板缠绕在卷辊上，实现了双极板的流水线化生产。
所述的压合辊前设有引导辊a，阴极板和阳极板均引至同一引导辊a进行对准后贴合在一起，进入压合辊之间；
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b和放卷辊c的驱动系统联网同步，受定位弹簧的反馈控制，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带、阳极板带的上下卡位对准，所述的压合辊的压力≤3.0MPa，压制时间≤10min；
所述的高温烘箱的温度为100-500℃，烘制时间≤10min。
第二段流水线上所用的双极板带，可以是现场生产的双极板带，也可以是整卷的双极板，通过放卷得到。
所述的第一段流水线位于第二段流水线上方，第一段流水线上制得MEA膜电极带通过引导辊b引入第二段流水线，与第二段流水线上的双极板带或者单张双极板复合；
或者第一段流水线上制得单张MEA膜电极通过传动带传至第二段流水线，与第二段流水线上的双极板带复合。
所述的第一段流水线上将MEA膜电极带裁剪成单张MEA膜电极之前，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；
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MEA膜电极与双极板带或者单张双极板对齐。
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两个方面：
(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，保证生产的单电池质量的一致性。
附图说明
图1为本发明单电池的第一种生产流水线示意图；
图2为本发明单电池的第二种生产流水线示意图；
图3为本发明单电池的第三种生产流水线示意图；
图4为本发明单电池的第四种生产流水线示意图；
图5为本发明单电池的第五种生产流水线示意图；
图6为本发明单电池中双极板与MEA或阴、阳两极板之间的定位、校准示意图；
其中，1为整卷的MEA膜电极；2为裁剪装置c，用于双极板带裁剪成双极板；3为引导辊b，用于将MEA膜电极带引导至第二流水线；4为校正装置b，用于MEA膜电极与双极板的位置校对；5为裁剪装置b，用于裁剪得到单电池；6为流转载体；7为校正装置a，用于MEA膜电极裁剪前的位置校对；8为裁剪装置a，用于MEA膜电极带裁剪成单张MEA膜电极；9为整卷的双极板；10为放卷辊b，用于缠绕阴极板；11为原料带工艺处理流水线；12为引导辊a，用于阴极板与阳极板的位置校正；13为压合辊；14为高温烘箱；15为放卷辊c，用于缠绕阳极板。16为定位卡槽，17为定位弹簧，18为放卷辊，19为引导辊。
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，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a7，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；校正结束后，MEA膜电极带进入裁剪装置a8带裁剪成单张MEA膜电极，并通过传送带传至第二段流水线的双极板带上。
第二段流水线的双极板带是通过整卷的双极板9放卷得到。待单张MEA膜电极落在该双极板带上进行复合后，一起进入校正装置b4，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b5，裁剪得到单电池。
第三段流水线上设有流转载体6，将第二段流水线得到的单电池依次落入流转载体6中叠加，得到单电池组。
实施例2
如图2所示，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膜电极带通过引导辊b3引入第二段流水线，与第二段流水线上的单张双极板复合；
第二段流水线的双极板带是通过整卷的双极板9放卷得到。双极板带先进入裁剪装置c2，将双极板带裁剪成单张双极板。然后待MEA膜电极带落在这些双极板上进行复合后，一起进入校正装置b4，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b5，裁剪得到单电池。
第三段流水线上设有流转载体6，将第二段流水线得到的单电池依次落入流转载体6中叠加，得到单电池组。
实施例3
如图3所示，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膜电极带通过引导辊b3引入第二段流水线，与第二段流水线上的双极板带复合；
第二段流水线的双极板带是通过整卷的双极板9放卷得到。双极板带通过引导辊b3与MEA膜电极带进行复合后，一起进入校正装置b4，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b5，裁剪得到单电池。
第三段流水线上设有流转载体6，将第二段流水线得到的单电池依次落入流转载体6中叠加，得到单电池组。
实施例4
如图4所示，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膜电极带通过引导辊b3引入第二段流水线，与第二段流水线上的双极板带复合；
第二段流水线上的双极板带是现场制得，制作步骤如下：软石墨带刻槽形成阴极板带和阳极板带，将阴极板带缠绕在放卷辊b10上，将阳极板带缠绕在放卷辊c15上，放卷后的阴极板带和阳极板带分别通过原料带工艺处理流水线11。所述的原料带工艺处理流水线11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压合辊，对原料带进行压实平整，压合辊的压力≤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≤0.1mm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㎜。
将涂覆好胶的阴极板带和阳极板带通过引导辊a12进行位置的对准，然后通过压合辊13压合在一起，再经高温烘箱14高温粘合，得到双极板带；
双极板带通过引导辊b3与MEA膜电极带进行复合后，一起进入校正装置b4，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b5，裁剪得到单电池。
将第二段流水线得到的单电池依次落入流转载体6中叠加，得到单电池组。
实施例5
如图5所示，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a7，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a8带裁剪成单张MEA膜电极，并通过重力落入下方第二段流水线的双极板带上。
第二段流水线上的双极板带使现场制得，制作步骤如下：软石墨带刻槽形成阴极板带和阳极板带，将阴极板带缠绕在放卷辊b10上，将阳极板带缠绕在放卷辊c15上，放卷后的阴极板带和阳极板带分别通过原料带工艺处理流水线11。所述的原料带工艺处理流水线11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压合辊，对原料带进行压实平整，压合辊的压力≤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㎜。
将涂覆好胶的阴极板带和阳极板带通过引导辊a12进行位置的对准，然后通过压合辊13压合在一起，再经高温烘箱14高温粘合，得到双极板带；
待单张MEA膜电极落在该双极板带上进行复合后，一起进入校正装置b4，再次对准双极板与MEA膜电极的位置，然后进入裁剪装置b5，裁剪得到单电池。
将第二段流水线得到的单电池依次落入流转载体6中叠加，得到单电池组。
实施例6
如图6所示，将模压好流场的阴极板和阳极板分别缠绕在放卷辊18上，阴极板和阳极板均引至同一引导辊19进行对准后贴合在一起，进入压合辊之间；
所述的引导辊19由电机驱动，引导速度的控制系统与放卷辊18的驱动系统联网同步，受定位弹簧17的反馈控制，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16的加工，使得相临的两张极板临界处都有该定位卡槽16，当阴极板带、阳极板带直线运动到指定位置时，定位弹簧17自动弹出实现阴极板带、阳极板带的上下卡位对准，其余同实施例3。
Claims (10)
1.一种燃料电池用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)在第一段流水线上自动化制成MEA膜电极带，或者单张MEA膜电极；
(2)在第二段流水线上自动化制得双极板带，或者制成单张双极板；
(3)步骤(1)所得MEA膜电极带与步骤(2)所得双极板带或者单张双极板复合后，裁剪成单电池大小，各单电池依次叠加成单电池组；
或者，步骤(1)所得单张MEA膜电极与步骤(2)所得双极板带或者单张双极板复合后，裁剪成单电池大小，各单电池依次叠加成单电池组；
(4)在第三段流水线上完成对单电池组的收集与流转。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第一段流水线包括整卷的MEA膜电极，放卷后即得MEA膜电极带，进一步将MEA膜电极带裁剪得到单张MEA膜电极。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的整卷MEA膜电极通过以下方法制得：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上待用；
或者将两气体扩散层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。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的气体扩散层包括碳纸，该碳纸表面已覆盖好防水层和碳粉层。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第二段流水线为整卷的双极板，放卷后即得双极板带；进一步将双极板带裁剪得到单张双极板。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第二段流水线包括以下步骤：将软石墨带刻槽形成阴极板带和阳极板带，将阴极板带缠绕在放卷辊b上，将阳极板带缠绕在放卷辊c上，放卷后的阴极板带和阳极板带分别通过一对涂胶辊在其相对的一侧涂胶，然后通过压合辊压合在一起，再经高温烘箱高温粘合，得到双极板带；进一步将双极板带裁剪，得到单张双极板。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的压合辊前设有引导辊a，阴极板和阳极板均引至同一对引导辊a进行对准后贴合在一起，进入压合辊之间；
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b和放卷辊c的驱动系统联网同步，受定位弹簧(17)的反馈控制，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(16)的加工，使得相临的两张极板临界处都有该定位卡槽(16)，当阴极板带、阳极板带直线运动到指定位置时，定位弹簧(17)自动弹出实现阴极板带、阳极板带的上下卡位对准，所述的压合辊的压力≤3.0MPa，压制时间≤10min；
所述的高温烘箱的温度为100-500℃，烘制时间≤10min。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池用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第二段流水线上方，第一段流水线上制得MEA膜电极带通过引导辊b引入第二段流水线，与第二段流水线上的双极板带或者单张双极板复合；
或者第一段流水线上制得单张MEA膜电极通过传送带传至第二段流水线，与第二段流水线上的双极板带复合。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电池用单电池的连续生产方法，其特征在于，所述的第一段流水线上将MEA膜电极带裁剪成单张MEA膜电极之前，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；
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MEA膜电极与双极板带或者单张双极板对齐。
10.根据权利要求1所述的一种燃料电池用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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