CN109742418B - 一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法，属于燃料电池技术领域。由依次配合连接的金属阴阳极单极板成型系统、双极板制程系统、镀膜系统和测漏系统四个子系统构成。上述一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法，实现了燃料电池用金属双极板的工业批量生产及检测，完成金属双极板由实验室到工业生产的转化，通过工业批量生产及对生产过程的系统管控，达到产品质量的一致性，提高生产效率，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

一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体为一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种电化学能量转化装置，可将氢气燃料中的化学能直接转化为电能，唯一产物为水，具有高效，环保，高功率密度，响应迅速等优点，被公认为理想车用动力源。

燃料电池结构简单，核心部件是双极板和膜电极。双极板按材料体系主要分为两类，即金属双极板和石墨双极板。目前我国市场上车用燃料电池电堆以石墨板为主，这类双极板以尺寸精度高，结构稳定性好，流道易于细密化，材料化学稳定性高，氢气、空气、制冷剂三腔结构可以独立设计，寿命与可靠性等优势，为当前燃料电池双极板的主流。但受制于厚度，重量，加工工艺，热容等劣势，石墨板电堆在比功率密度，量产成本，低温启动等方面无法满足乘用车要求。

金属双极板具有类似石墨双极板的高导电，导热能力；更好的机械强度，阻气能力和抗冲击能力，使双极板更薄更轻，大幅度提高比功率密度；以更少的工序和成熟的量产工艺大幅降低量产成本；大幅降低的热容使金属板具备更强的低温启动能力。金属板在成型细密化，残余应力控制，耐蚀性，设计自由度等方面的劣势也已经得以解决。在金属成型方面通过模压，液压，高速热成型等工艺已经解决了流道细密化和平整度问题，成本也大幅下降；在金属板防腐镀层方面，已取得突破，材料问题不再是金属板电堆寿命的短板；在结构上已趋于成熟，通过合理设计有效规避金属板固有的结构缺陷。

金属双极板以其比功率密度，低温启动能力，量产成本等优势，在进一步确认金属薄板成型，表面镀层寿命等关键技术突破的基础上，将成为燃料电池汽车的必然选择。

现在学术界对双极板的材料、流道设计、表面镀膜的研究较多，对金属双极板的生产方法及生产系统的研究较少，为实现金属双极板的工业化生产，本专利对金属双极板的工业化生产方法及生产系统进行广泛地研究，并对其进行适当地阐述。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法的技术方案，该方法实现了燃料电池用金属双极板的工业批量生产及检测，通过工业批量生产及对生产过程的系统管控，达到产品质量的一致性，提高生产效率，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。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于：由依次配合连接的金属阴阳极单极板成型系统、双极板制程系统、镀膜系统和测漏系统四个子系统构成。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于所述的金属阴阳极单极板成型系统由依次安装在一条生产线上的卷材放卷供料装置、板材表面预处理装置、板材在线检测装置、阴阳极单极板成型装置、阴阳极单极板取料整理检测装置、 废料回收装置连接构成。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于所述的双极板制程系统和镀膜系统采用焊接制程工艺时，所述双极板制程系统由依次安装在生产线上的阴阳极单极板预处理装置、阴阳极单极板供料定位装置、流场合成装置、拆模下料装置连接构成；所述镀膜系统由依次安装在生产线上的镀膜预处理装置、镀膜工艺装置和镀后检测装置连接构成；

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于所述的双极板制程系统和镀膜系统采用粘接制程工艺时，所述双极板制程系统由依次安装在生产线上的阴阳极单极板预处理装置、阴阳极单极板供料定位装置、流场合成装置、拆模下料装置、合成后的检测装置连接构成；所述镀膜系统由依次安装在生产线上的镀膜预处理装置、镀膜工艺装置和镀后检测装置连接构成。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于所述的测漏系统由依次安装在一条生产线上的测漏预处理装置，测漏及数据处理装置和成品后处理装置。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于所述镀膜工艺装置采用多弧离子镀或闭合场非平衡磁控溅射离子镀方式进行镀覆。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：金属阴阳极单极板成型系统对卷材金属板依次采用卷材放卷供料、板材表面预处理、板材在线检测、阴阳极单极板成型、阴阳极单极板取料整理检测、废料回收工艺后，批量获得燃料电池金属阴阳极单极板。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：双极板制程系统中的阴阳极单极板预处理装置实现阴阳极单极板的洁净、平整处理；阴阳极单极板供料定位装置对阴阳极单极板用工装精确装夹；流场合成装置对工装中的阴阳极单极板焊接合成并进行消除应力处理；拆模下料装置对合成的双极板拆除、回收工装并进行厚度检测操作；

镀膜系统中的镀膜预处理装置实现双极板的整洁，镀膜工艺装置实现在双极板的表面镀覆具有优秀的导电性和防腐蚀性的保护层，镀后检测装置对镀覆后双极板接触电阻和腐蚀电流密度进行检测。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：镀膜系统中的镀膜预处理装置实现双极板的整洁，镀膜工艺装置实现在双极板的表面镀覆具有优秀的导电性和防腐蚀性的保护层，镀后检测装置对镀覆后双极板接触电阻和腐蚀电流密度进行检测；双极板制程系统中的阴阳极单极板预处理装置实现阴阳极单极板的整洁；阴阳极单极板供料定位装置对阴阳极单极板在工装中点胶水并精确装夹；流场合成装置实现阴阳极单极板固化处理；拆模下料装置对合成后的双极板拆除工装回收，合成后的检测装置进行相关工艺参数指标的检测。

所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：测漏系统中的测漏预处理装置用于清洁、整理被测件；测漏及数据处理装置是用于对被测件的测漏及数据分析；成品后处理装置对测漏后的被测件分类处理。

上述一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统及方法，其主要流程包括金属阴阳极单极板成型系统，双极板制程系统，镀膜系统和测漏系统四个子系统。该方法实现了燃料电池用金属双极板的工业批量生产及检测，完成金属双极板由实验室到工业生产的转化，通过工业批量生产及对生产过程的系统管控，达到产品质量的一致性，提高生产效率，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。

附图说明

图1为本发明的金属阴阳极单极板成型系统示意图；

图2为本发明的采用焊接工艺的双极板制程系统示意图；

图3为本发明的采用粘接工艺的双极板制程系统示意图；

图4为本发明的镀膜系统示意图；

图5为本发明的测漏系统示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图所示，该燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，由依次配合连接的金属阴阳极单极板成型系统、双极板制程系统、镀膜系统和测漏系统四个子系统构成。

进一步，所述的金属阴阳极单极板成型系统由依次安装在一条生产线上的卷材放卷供料装置d1、板材表面预处理装置d2、板材在线检测装置d3、阴阳极单极板成型装置d4、阴阳极单极板取料整理检测装置d5、 废料回收装置d6连接构成。

进一步，所述的双极板制程系统和镀膜系统采用焊接制程工艺时，所述双极板制程系统由依次安装在生产线上的阴阳极单极板预处理装置h1、阴阳极单极板供料定位装置h2、流场合成装置h3、拆模下料装置h4连接构成；所述镀膜系统由依次安装在生产线上的镀膜预处理装置m1、镀膜工艺装置m2和镀后检测装置m3 连接构成；

进一步，所述的双极板制程系统和镀膜系统采用粘接制程工艺时，所述镀膜系统由依次安装在生产线上的镀膜预处理装置m1、镀膜工艺装置m2和镀后检测装置m3 连接构成；所述双极板制程系统由依次安装在生产线上的阴阳极单极板预处理装置j1、阴阳极单极板供料定位装置j2、流场合成装置j3、拆模下料装置j4、合成后的检测装置j5 连接构成。

进一步，所述的测漏系统由依次安装在一条生产线上的测漏预处理装置L1，测漏及数据处理装置L2和成品后处理装置L3。

进一步，所述镀膜工艺装置m2采用多弧离子镀或闭合场非平衡磁控溅射离子镀方式进行镀覆。

本发明还包括图1-5中涉及的双极板离线检测装置，本发明双极板加工过程中所需的独立检测装备或附助设备共有六个，分别是厚度及平整度检测装置z1、双极板去应力退火装置或双极板热固化合成装置z2、气密性检测装置z3、清洗漂洗干燥装置z4、接触电阻检测装置z5、腐蚀电流密度检测装置z6。其中厚度及平整度检测装置z1可用于阴阳极单极板的检测，也可用于双极板的检测。双极板去应力退火装置或双极板热固化合成装置z2可用于双极板焊接合成后去应力处理，或用于双极板粘接后热固化合成。气密性检测装置z3可用于阴阳极单极板的气密性检测处理，也可以用于双极板的检测处理。清洗漂洗干燥装置z4可用于阴阳极单极板制备后检测前的清洗漂洗干燥处理，也可用于双极板生产系统中所有子系统的预处理，或双极板腐蚀电流密度检测后的清洗干燥处理。接触电阻检测装置z5可用于双极板焊接合成工艺中镀膜后的检测，也可以用于双极板粘接合成工艺中双极板合成后的检测。腐蚀电流密度检测装置z6可用于双极板或阴阳极单极板镀膜后的腐蚀电流密度的检测。

采用上述工业批量生产系统的生产方法包括焊接合成和胶接合成两种工艺，每种工艺方法都可分成四个步骤。

系统工艺方法一：焊接合成工艺方法。

步骤1：金属卷材板采用放卷供料、板材表面预处理、板材在线检测、阴阳极单极板成型、阴阳极单极板取料整理检测、废料回收工艺方法后，获得燃料电池金属阴阳极单极板；

步骤2：对步骤1获得的阴阳极单极板进行预处理、阴阳极单极板供料定位、流场合成、拆模下料检测工艺方法后，获得燃料电池用金属双极板半成品；

步骤3：对步骤2获得的双极板半成品进行镀膜预处理、镀膜、镀后检测等工艺方法后，获得燃料电池用金属双极板成品。

步骤4：对步骤3获得的双极板成品进行测漏预处理、测漏及数据处理、成品后处理等工艺方法后，获得燃料电池用金属双极板合格品。

在上述的步骤1中，卷材放卷供料装置d1、板材表面预处理装置d2、板材在线检测装置d3是阴阳极单极板制备预处理单元，通过对卷材进行放卷、矫正、清洁、平整、厚度与表面缺陷等的检测、恒速张紧驱动等操作，来消除因原料缺陷导致的阴阳极单极板制备不良品，为后续的工序提供原材料质量保障。

在上述的步骤1中，阴阳极单极板成型装置d4、阴阳极单极板取料整理检测装置d5，为阴阳极单极板的制成单元，对预处理完成的金属板进行流道成型、冲孔、下料、阴阳极单极板取料、整理以及阴阳极单极板的厚度检测、气密性检测等的操作。

在上述的步骤1中，单极板是双极板的基本单元，它的质量直接决定双极板的质量，所以这个单元是单极板成型系统的核心单元；废料回收装置d6为阴阳极单极板的废料回收单元，对成型下料后剩余的材料经收卷、切断、回收等操作。废料回收为阴阳极单极板的连续生产消除障碍。

在上述步骤2中，阴阳极单极板预处理装置h1、阴阳极单极板供料定位装置h2是双极板制备的预处理单元，通过对清洗、干燥、工装定位、阴阳极单极板定位夹紧等操作，来保证阴阳极单极板的清洁、准确安装、结合面紧密接触，以提高焊接均匀性与密封性。预处理单元为后续流场合成作准备。

在上述步骤2中，流场合成装置h3是对双极板的焊接合成和去应力处理等操作，流场合成装置h3为双极板制成系统中的核心装置，它的好坏直接决定了双极板的尺寸精度及气密性。

在上述步骤2中，拆模下料装置h4对完成流道合成之后的带工装的双极板进行拆除工装，取出双极板以及对双极板做厚度检测等操作，最终获得合格的双极板半成品。

在上述步骤3中，镀膜系统为完成合成的双极板半成品进行清洗、干燥、表面镀膜、接触电阻检测、腐蚀电流密度检测等操作。镀膜系统是双极板生产大系统的重点和难点，它的好坏直接决定了金属双极板的导电性和防腐蚀性能，也是金属双极板能否作为燃料电池双极板的决定性因素。

在上述步聚4中，测漏系统对完成制备的双极板进行清洗、测漏及分类等操作。作为双极板生产大系统中的最终检测，气密性是判断燃料电池安全性的最重要指标之一。

系统工艺方法二：粘接合成工艺。

步骤1：金属卷材板采用放卷供料、板材表面预处理、板材在线检测、阴阳极单极板成型、阴阳极单极板取料整理检测、废料回收等工艺方法后，获得燃料电池金属阴阳极单极板；

步骤2：对步骤1获得的阴阳极单极板进行镀膜预处理、镀膜、镀后检测等工艺方法后，获得燃料电池用表面镀膜阴阳极单极板；

步骤3：对步骤2获得的表面镀膜阴阳极单极板进行预处理、阴阳极单极板供料定位、流场合成、拆模下料以及双极板合成后的检测等工艺方法后，获得燃料电池金属双极板；

步骤4：对步骤3获得的双极板成品进行测漏预处理、测漏及数据处理、成品后处理等工艺方法后，获得料电池金属双极板合格品。

在上述步骤1中，卷材放卷供料装置d1、板材表面预处理装置d2、板材在线检测装置d3是阴阳极单极板制备预处理单元，通过对卷材进行放卷、矫正、清洁、平整、厚度与表面缺陷等的检测、恒速张紧驱动等操作。阴阳极单极板制备预处理单元之后为阴阳极单极板的制成单元，对预处理完成的金属板进行流道成型、冲孔、下料、阴阳极单极板取料、整理以及阴阳极单极板的厚度检测、气密性检测等的操作。阴阳极单极板的废料回收单元，对成型下料后的材料经切断、收卷回收等操作。

在上述骤2中，镀膜系统为步骤1所制备的阴阳极单极板进行清洗，干燥，表面镀膜，接触电阻检测，腐蚀电流密度检测等操作，为双极板合成作准备。

在上述步骤3中，对表面镀膜的阴阳极单极板进行预处理和供料定位处理，这是双极板制备过程的预处理单元，通过对镀膜后的阴阳极单极板进行清洗、干燥、工装定位夹紧等操作，来保证阴阳极单极板的清洁、准确安装、粘接点紧密接触等，以提高粘接均匀性与密封性。预处理单元为后续流场合成作准备。

在上述步骤3中，预处理单元之后为流场合成装置j3，对完成工装定位夹紧的阴阳极单极板进行加热固化处理等操作。

在上述步骤3中，拆模下料装置j4，对完成流道合成之后的带工装的双极板进行拆除工装，取出双极板以及对双极板做厚度检测、接触电阻检测、腐蚀电流密度检测等操作，最终获得合格的双极板成品。

在上述步聚4中，测漏系统对完成制备的双极板进行清洗、测漏及分类等操作。

除上述优选工艺外，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和调整，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于：由依次配合连接的金属阴阳极单极板成型系统、双极板制程系统、镀膜系统和测漏系统四个子系统构成；

所述的金属阴阳极单极板成型系统由依次安装在一条生产线上的卷材放卷供料装置（d1）、板材表面预处理装置（d2）、板材在线检测装置（d3）、阴阳极单极板成型装置（d4）、阴阳极单极板取料整理检测装置（d5）、 废料回收装置（d6）连接构成；

所述的双极板制程系统和镀膜系统采用焊接制程工艺时，所述双极板制程系统由依次安装在生产线上的阴阳极单极板预处理装置（h1）、阴阳极单极板供料定位装置（h2）、流场合成装置（h3）、拆模下料装置（h4）连接构成；所述镀膜系统由依次安装在生产线上的镀膜预处理装置（m1）、镀膜工艺装置（m2）和镀后检测装置（m3） 连接构成；

所述的双极板制程系统和镀膜系统采用粘接制程工艺时，所述双极板制程系统由依次安装在生产线上的阴阳极单极板预处理装置（j1）、阴阳极单极板供料定位装置（j2）、流场合成装置（j3）、拆模下料装置（j4）、合成后的检测装置（j5） 连接构成；所述镀膜系统由依次安装在生产线上的镀膜预处理装置（m1）、镀膜工艺装置（m2）和镀后检测装置（m3）连接构成；

所述的测漏系统由依次安装在一条生产线上的测漏预处理装置（L1），测漏及数据处理装置（L2）和成品后处理装置（L3）。

2.如权利要求1所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统，其特征在于所述镀膜工艺装置（m2）采用多弧离子镀或闭合场非平衡磁控溅射离子镀方式进行镀覆。

3.采用权利要求1所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：金属阴阳极单极板成型系统对卷材金属板依次采用卷材放卷供料、板材表面预处理、板材在线检测、阴阳极单极板成型、阴阳极单极板取料整理检测、废料回收工艺后，批量获得燃料电池金属阴阳极单极板。

4.采用权利要求1所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于双极板制程系统和镀膜系统采用焊接制程工艺时包括以下步骤：双极板制程系统中的阴阳极单极板预处理装置（h1）实现阴阳极单极板的洁净、平整处理；阴阳极单极板供料定位装置（h2）对阴阳极单极板用工装精确装夹；流场合成装置（h3）对工装中的阴阳极单极板焊接合成并进行消除应力处理；拆模下料装置（h4）对合成的双极板拆除、回收工装并进行厚度检测操作；

镀膜系统中的镀膜预处理装置（m1）实现双极板的整洁，镀膜工艺装置（m2）实现在双极

板的表面镀覆具有优秀的导电性和防腐蚀性的保护层，镀后检测装置（m3）对镀覆后双极板接触电阻和腐蚀电流密度进行检测。

5.采用权利要求1所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于双极板制程系统和镀膜系统采用粘接制程工艺时包括以下步骤：镀膜系统中的镀膜预处理装置（m1）实现双极板的整洁，镀膜工艺装置（m2）实现在双极板的表面镀覆具有优秀的导电性和防腐蚀性的保护层，镀后检测装置（m3）对镀覆后双极板接触电阻和腐蚀电流密度进行检测；双极板制程系统中的阴阳极单极板预处理装置（j1）实现阴阳极单极板的整洁；阴阳极单极板供料定位装置（j2）对阴阳极单极板在工装中点胶水并精确装夹；流场合成装置（j3）实现阴阳极单极板固化处理；拆模下料装置（j4）对合成后的双极板拆除工装回收，合成后的检测装置（j5）进行相关工艺参数指标的检测。

6.采用权利要求1所述的一种燃料电池用金属双极板的工业批量生产系统的生产方法，其特征在于包括以下步骤：测漏系统中的测漏预处理装置（L1）用于清洁、整理被测件；测漏及数据处理装置（L2）是用于对被测件的测漏及数据分析；成品后处理装置（L3）对测漏后的被测件分类处理。