CN109940809A - 一种高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，由上、下两块胎具与带有脱模角度的脱模中腔组成，上、下两块胎具分别带有凸部，将压出流道的双极板分离得到成型的双极板，上、下两块胎具分别各自固定连接一块加热冷却板。所述石墨双极板冲压成型模具的上下两块加热冷却板分别各自固定连接一块热电阻板用于监测整个模具的温度。本发明提供的模具结构合理，冲压效率高，能够快速填料、升温、冲压、降温、脱模及取件等一系列工序，脱模简便成功率高，生产成本低，冲压制备的石墨双极板表面光滑，厚度均匀、流道尺寸一致性好，可不需机械加工一次成型气体流道、精度高，后期经过热处理后能够有效解决表面腐蚀及渗氢的现象，能够有效地加快高温燃料电池的商品化进程。

Description

一种高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具及方法

技术领域

本发明属于高温燃料电池技术领域，特别涉及一种一种高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具及方法。

背景技术

高温燃料电池石墨双极板是燃料电池堆中重要的组成部分，石墨双极板在燃料电池堆中起到支撑MEA、提供质子交换膜发电所需要的氢气及空气等物料，同时由于高温燃料电池堆内部产生电能是一个放热的化学反应过程，电池堆工作时需要循环冷却液来带走反应产生的热量，从而维持电池堆整体温度的稳定性与一致性，而石墨双极板能够提供冷却液在电池堆内循环所需要流道。高温燃料电池双极板采用石墨粉与树脂以一定比例混合作为原料。现有技术中，通常以机加工形式采用CNC雕刻石墨双极板表面的流道，这种方法不仅加工周期长，不能实现批量生产，所加工完成的成品表面粗糙有毛刺，破坏了石墨板表面结构，因此在使用过程中易出现表面腐蚀、渗氢等现象，影响燃料电池堆的性能及寿命。

发明内容

由于石墨粉混合树脂后，材料相对较软且有一定的粘性，因此现有的冲压装置脱模困难、不仅影响产品质量同时难以形成量产。保证产品尺寸一致性及表面光滑无毛刺，实现批量生产。针对现有加工工艺的局限性，本发明提供一种高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，由上至下依次包括上盖板、热电阻上板、加热冷却上板、上胎具、脱模中腔、下胎具、加热冷却下板、热电阻下板、下盖板；所述上盖板、热电阻上板、加热冷却上板、上胎具依次固定连接；所述下胎具、加热冷却下板、热电阻下板、下盖板依次固定连接；所述上胎具的下表面和/或下胎具的上表面设有用于冲压所述双极板流道的凸部；所述加热冷却上板、脱模中腔、加热冷却下板经导柱串接；所述模具还设有滑动导轨、上定位销、下定位销；所述滑动导轨在竖直方向上具有不连续的两段滑道；所述上定位销可沿上段滑道上下滑动；所述下定位销可沿下段滑道上下滑动；所述上定位销固定于所述加热冷却上板的侧面；所述下定位销固定于所述脱模中腔的侧面。

优选所述热电阻上板的上表面和热电阻下板的下表面，分别设有热电阻穿线孔和热电阻穿线槽。

优选所述加热冷却上板和加热冷却下板，分别设有加热棒、冷却水进口、和冷却水出口。

优选所述热电阻上板和加热冷却板上板贯通设置热电阻；加热冷却下板、热电阻下板贯通设置热电阻。

优选所述加热棒在加热冷却板上板和加热冷却下板的排列方式为，间距由中间向两端逐渐变小。

优选所述上胎具下表面和\或下胎具上表面的的凸部具有倒角，便于石墨双极板冲压成型之后的脱模。优选为直径为0.7mm的圆弧弧度的倒角。

优选所述脱模中腔的内周具有限定石墨双极板向下脱落的限定卡槽，优选所述卡槽的倾斜角度为17°。

优选所述脱模中腔的内周具有脱模角，角度优选为为5°。

本发明另一方面提供上述高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具的安装方法，将热电阻上板与上盖板通过螺栓紧固于油压机的上端板，上胎具、加热冷却上板通过螺栓固定于上盖板；在热电阻下板与下盖板通过螺栓紧固于油压机下端板，下胎具、加热冷却板下板通过紧固螺栓固定于下盖板7，将脱模中腔安装于上胎具、下胎具之间。

本发明再一方面提供上述模具冲压高温燃料电池用石墨双极板的方法，包括合模、压膜、脱模的工序：

(1)合模

将脱模中腔向下滑动，使上胎具与脱模中腔分离，将物料填入脱模中腔；油压机上端板固定不动，油压机下端板向上顶起，带动加热冷却板下板、热电阻板下板、下盖板向上升起，使脱模中腔闭合挤压物料完成合模；

(2)压膜

合模后通过加热棒升温至300～340℃使物料冲压成型；恒温维持后通过冷却循环水对升温后的模具降温；

(3)脱模

将油压机下端板降落从而带动加热冷却下板、热电阻下板、下盖板下落，由于上定位销的限位作用，迫使脱模中腔与上胎具；制得的石墨双极板与下胎具、脱模中腔一起随油压机下端板向下缓慢降落；达到一定行程时，由于下定位销的限位作用使脱模中腔被卡住不再继续下落，下胎具、加热冷却下板、热电阻下板、下盖板由于油压机下端板的带动继续下落从而实现下胎具与脱模中腔的分离过程；此时上胎具、下胎具与脱模中腔已经完全分离，取出成型的石墨双极板。

与现有技术相比，本发明提供的模具结构合理，冲压效率高，能够快速填料、升温、冲压、降温、脱模及取件等一系列工序，脱模简便成功率高，生产成本低，冲压制备的石墨双极板表面光滑，厚度均匀、流道尺寸一致性好，可不需机械加工一次成型气体流道、精度高，后期经过热处理后能够有效解决表面腐蚀及渗氢的现象，能够有效地加快高温燃料电池的商品化进程。

附图说明

本发明附图16幅，

图1，模具合模状态；

图2，脱模中腔与加热冷却上板分离；

图3，模具中腔与加热冷却上板达到最大开度；

图4，模具中腔与加热冷却下板分离；

图5，热电阻测温点位置；

图6，模具上盖板；

图7，热电阻上板；

图8，模具加热冷却板上板；

图9，模具加热冷却板上板冷却水管位置；

图10，脱模中腔；

图11，模具上胎具；

图12，模具下胎具；

图13，模具加热冷却板下板；

图14，热电阻下板；

图15，模具下盖板；

图16，滑动导轨和定位销；

图17，脱模中腔脱模角度；

图18，脱模中腔限位卡槽；

图19，上胎具脱模角度。

图中：1上盖板、2热电阻上板、3加热冷却上板、4脱模中腔、5加热冷却下板、6热电阻下板、7下盖板、8加热棒、9滑动导轨、10-1上定位销、10-2下定位销、11冷却水循环管路、12热电阻接线口、13冷却循环水进口、14冷却循环水出口、15导柱、16下胎具、17加热棒位置分布、18热电阻、19上胎具、20热电阻穿线孔、21热电阻穿线槽、22冷却水管路位置分布、23脱模中腔的脱模角度、24脱模中腔的限位卡槽、25上胎具凸部倒角易于脱模。

具体实施方式

本发明涉及一种高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，所述石墨双极板冲压成型模具有由上、下两块胎具与带有脱模角度的脱模中腔组成，上、下两块胎具分别带有凸部，将压出流道的双极板分离得到成型的双极板，将成型的双极板固化冷却得到双极板产品。所述石墨双极板冲压成型模具的上、下两块胎具分别各自固定连接一块加热冷却板。加热冷却板上分别带有冷却循环水的接口和管路用以冷却整个模具，使其快速降温提高石墨双极板冲压成型效率以及带有不均匀分布的加热棒使模具快速升温达到工作点温度。加热棒不均匀分布，距离从中间向两端逐渐减小，目的是使整个模具温度均匀，使合模后，上下胎具表面温度差在10度以内。所述石墨双极板冲压成型模具的上下两块加热冷却板分别各自固定连接一块热电阻板用于监测整个模具的温度。所述石墨双极板冲压成型模具的上下两块热电阻板分别各自固定连接一块盖板用做热电阻板热电阻及线路的封装。将加热冷却板上板同热电阻上板以及上盖板通过定位孔与油压机上端板螺纹紧固连接，将加热冷却板下板同热电阻下板以及下盖板通过定位孔与油压机下端板螺纹紧固连接。在带有脱模角度的脱胎中腔以及加热冷却板上板的四个拐角处各有一个定位销孔并插定位销，并由四根滑动导轨连接加热冷却板和热电阻板上的四组定位销。所述上、下两块热电阻板上各有两个热电阻用来监控模具的温度，热电阻板上带有用于热电阻走线的凹槽。

实施例1模具的安装

将模具的热电阻上板2与上盖板1通过四个定位孔螺栓紧固于油压机上端板，上胎具19、加热冷却板上板3的四个角处通过紧固螺栓将加热冷却上板3固定于上盖板1，从而使加热冷却板上板3、热电阻上板2、上盖板1通过螺栓紧固在一起并与油压机上端板固定。冷却水进口13、冷却水出口14、分别连接不锈钢水管，用于模具冷却循环水的进出。

热电阻上板2的上表面设有热电阻穿线孔20和热电阻穿线槽21，两个热电阻18贯通热电阻上板2和加热冷却板上板3，用于监测模具的实时温度。

在将模具的热电阻下板6与下盖板7通过四个定位孔螺栓紧固于油压机下端板，下胎具16、加热冷却板下板5的四个角处通过紧固螺栓将加热冷却下板5固定于下盖板7，从而使加热冷却板下板5、热电阻下板6、下盖板7通过螺栓紧固在一起并与油压机下端板固定。冷却水进口13、冷却水出口14、分别连接不锈钢水管用于模具冷却循环水的进出。

热电阻下板6的下表面设有热电阻穿线孔20和热电阻穿线槽21，两个热电阻18贯通热电阻下板6和加热冷却板下板5，用于监测模具的实时温度。

由于模具两端为实心不锈钢结构，脱模中腔的中间为空心腔体，所需热量两端高于中腔。因此加热棒8在加热冷却板上板3/加热冷却下板5的排列方式为间距由中间向两端逐渐变小，从而使模具整体温度趋于均匀。

将上胎具19、带有脱模角度的脱模中腔4、下胎具16一起安装于加热冷却板上板3与加热冷却板下板5之间，并通过四根导柱将所述各板串联保证冲压过程中的各板的平行度与行程一致性。

实施例2制模过程

工作状态下，先将上胎具19与带有脱模角度的脱模中腔4分离，将按比例混合好的石墨和树脂混合物填入脱模中腔4并保证物料足量且均匀。油压机上端板固定不动(即工作状态时，加热冷却板上板3、热电阻板上板2、上盖板1均固定不动)，油压机下端板匀速向上顶起，带动加热冷却板下板5、热电阻板下板6、下盖板7向上升起，使模具脱模中腔闭合挤压石墨与树脂混合物完成合模过程。

模具合模后通过其自带的十八根加热棒8快速升温至300～340℃使物料冲压成型，升温时间优选5min；温度稳定后维持一段时间，优选5min。模具热电阻上板2、热电阻下板6的热电阻能够监测模具温度，达到自动断开加热棒的功能。

通过模具中自带的冷却循环水管路对升温后的模具优选进行快速降温至180℃，优选降温时间7min。然后开模。

开模的实施过程为首先将油压机下端板匀速缓慢降落从而带动加热冷却板下板5、热电阻下板6、下盖板7匀速下落，由于四根滑动导轨与定位销有限位作用，当加热冷却板下板5、热电阻下板6、下盖板7匀速下落时首先滑动导轨带动定位销迫使脱模中腔4与上胎具19脱离，由于上胎具19下表面的凸部带有一定的脱模角度，从而能够使冲压成型的石墨双极板轻松地与上胎具脱开。此时双极板与下胎具16及脱模中腔4一起随油压机下端板向下缓慢降落。

油压机下端板继续下落，达到一定行程时，由于定位销的限位作用使脱模中腔4被卡住不再继续下落，而下胎具16、加热冷却板下板5、热电阻下板6、下盖板7由于油压机下端板的带动继续下落从而实现下胎具16与脱模中腔4的分离过程。由于脱模中腔的内周具有限定石墨双极板向下脱落的限定卡槽，当下胎具16与脱模中腔4分离时，冲压好的石墨双极板被留在脱模中腔4内。由于此时上胎具19、下胎具16与脱模中腔4已经完全分离，脱模中腔处于悬空状态，因此很容易将冲压好的石墨双极板取出。简便高效地解决了脱模以及取出产品较难的问题。

本发明能够在15～20min内完成石墨双极板的填料、冲压、快速升温定型、快速降温冷却、取出产品等过程，全过程为机械结构操作，仅需对温度进行监控，不需复杂的电控装置来实现。

Claims (10)

1.高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，由上至下依次包括上盖板、热电阻上板、加热冷却上板、上胎具、脱模中腔、下胎具、加热冷却下板、热电阻下板、下盖板；

所述上盖板、热电阻上板、加热冷却上板、上胎具依次固定连接；

所述下胎具、加热冷却下板、热电阻下板、下盖板依次固定连接；

所述上胎具的下表面和/或下胎具的上表面设有用于冲压所述双极板流道的凸部；

所述加热冷却上板、脱模中腔、加热冷却下板经导柱串接；所述模具还设有滑动导轨、上定位销、下定位销；

所述滑动导轨在竖直方向上具有不连续的两段滑道；所述上定位销可沿上段滑道上下滑动；所述下定位销可沿下段滑道上下滑动；

所述上定位销固定于所述加热冷却上板的侧面；

所述下定位销固定于所述脱模中腔的侧面。

2.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述热电阻上板的上表面和热电阻下板的下表面，分别设有热电阻穿线孔和热电阻穿线槽。

3.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述加热冷却上板和加热冷却下板，分别设有加热棒、冷却水进口、和冷却水出口。

4.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述热电阻上板和加热冷却板上板贯通设置热电阻；加热冷却下板、热电阻下板贯通设置热电阻。

5.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述加热棒在加热冷却板上板和加热冷却下板的排列方式为，间距由中间向两端逐渐变小。

6.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述上胎具下表面和\或下胎具上表面的的凸部具有倒角。

7.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述脱模中腔的内周具有限定石墨双极板向下脱落的限定卡槽。

8.根据权利要求1所述的高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具，其特征在于，所述脱模中腔的内周具有脱模角。

9.权利要求1-8任意一项所述高温燃料电池用石墨双极板冲压成型模具的安装方法，其特征在于，将热电阻上板与上盖板通过螺栓紧固于油压机的上端板，上胎具、加热冷却上板通过螺栓固定于上盖板；在热电阻下板与下盖板通过螺栓紧固于油压机下端板，下胎具、加热冷却板下板通过紧固螺栓固定于下盖板7，将脱模中腔安装于上胎具、下胎具之间。

10.采用权利要求1-8任意一项所述模具冲压高温燃料电池用石墨双极板的方法，其特征在于，包括合模、压膜、脱模的工序：

(1)合模

将脱模中腔向下滑动，使上胎具与脱模中腔分离，将物料填入脱模中腔；油压机上端板固定不动，油压机下端板向上顶起，带动加热冷却板下板、热电阻板下板、下盖板向上升起，使脱模中腔闭合挤压物料完成合模；

(2)压膜

合模后通过加热棒升温至300～340℃使物料冲压成型；恒温维持后通过冷却循环水对升温后的模具降温；

(3)脱模

将油压机下端板降落从而带动加热冷却下板、热电阻下板、下盖板下落，由于上定位销的限位作用，迫使脱模中腔与上胎具；制得的石墨双极板与下胎具、脱模中腔一起随油压机下端板向下缓慢降落；达到一定行程时，由于下定位销的限位作用使脱模中腔被卡住不再继续下落，下胎具、加热冷却下板、热电阻下板、下盖板由于油压机下端板的带动继续下落从而实现下胎具与脱模中腔的分离过程；此时上胎具、下胎具与脱模中腔已经完全分离，取出成型的石墨双极板。