CN112072132B - 一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，包括注胶箱、盛胶箱和直线驱动组件，盛胶箱设置于注胶箱的下方，注胶箱内设置有第一活塞，第一活塞的外周面与注胶箱的内壁抵接，第一活塞与注胶箱滑移连接，第一活塞或注胶箱通过直线驱动组件驱动，注胶箱的底部开设有若干贯穿其底壁的漏孔，注胶箱与第一活塞形成放置腔，放置腔的底部放置有石墨极板。本方案通过在原有的真空加压浸渍注胶设备基础上进行优化，采用压力渗透注胶的方法，极板两面存在压力差，液态树脂从极板的一面向另一面定向流动，使液态树脂充分填充石墨极板内部的孔隙，不需要进行真空抽取的工艺流程，大幅提高注胶效率，减少操作周期，具有很好的实用价值。

Description

一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置

技术领域

本发明涉及燃料电池的石墨极板注胶生产设备领域，特别是一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置。

背景技术

燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂通过电化学反应直接将化学能转换成电能的发电装置，具体可以分为高温固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。随着新能源技术的不断发展，以氢气为主要燃料的质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)近年来已经成为研究的热点之一。由于其能量转换过程不必经过热机过程，因此能量转换效率不受卡诺循环限制，电池组的发电效率达到50％以上，产物是水，环境友好。质子交换膜燃料电池的工作温度低、启动速度快、比功率高、工作寿命长，是理想的移动电源和独立电源装置，在交通工具、电子产品、国防军事和固定电站等领域具有广阔的市场前景。

传统的质子交换膜燃料电池通常是由膜电极、气体扩散层、双极板等部件交替堆叠而成，其中，双极板占到了燃料电池80％的总重量以及45％的成本。双极板作为质子交换膜燃料电池的核心零部件之一，具有以下功能和特点：(1)分隔氧化剂和还原剂，双极板的流道设计需要具有良好的气密性，阻止氧化剂和还原剂或者冷却液通过双极板的孔隙混合；(2)收集电流，双极板需要具有良好的导电性能，尤其装配后在电堆中应尽可能降低双极板的电阻率，提高电流收集效率；(3)为冷却液提供通道，双极板除了为反应剂提供通道外，也同时为冷却剂提供通道，因此双极板也应具有良好的导热性能和密封性能，确保电池组的有效冷却同时防止冷却液外泄，干扰电池组工作；(4)双极板在电堆中同时为氧化剂、还原剂、冷却液提供流场，双极板的流场结构很大程度上会影响极板的加工难度、电池的工作效率与寿命等因素，因此双极板的流场构型设计应该尽可能均匀、合理，最大可能地保证反应均匀、稳定同时高效地进行；(5)双极板的工作环境中同时存在氧化介质(氧气)和还原介质(氢气)，因此双极板的材料需要具有在工作环境下的抗腐蚀能力；(6)双极板同时是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠组装成电堆，因此双极板应具有一定的强度，保持电堆的结构稳定。因此，理想的双极板材料必须是电和热的良导体，具有良好的阻气性，在一定工作温度和电位范围内具有良好的耐腐蚀性，密度低，强度高，并且易于加工成型和大批量生产。

目前，质子交换膜燃料电池双极板材料主要分为石墨双极板(硬质石墨双极板、混注石墨双极板和柔性石墨双极板)、金属双极板和复合双极板。其中，硬质石墨双极板采用致密硬质石墨板，经过铣削、机加工、注胶封孔的工艺制备而成，其化学性质稳定，与膜电极之间接触电阻小，但加工周期长，难以批量化生产，同时硬质双极板制备过程或电堆运行过程易碎，对电堆使用要求较严格(电堆耐震性较差)。混注石墨双极板采用将石墨粉和树脂混合，然后加热使树脂熔融，再采用压铸方式加工制备成氢氧极板，这种制备方法保留了硬质石墨双极板的耐腐蚀能力，解决了生产批量化问题，但加工工艺非常复杂，工艺控制难度较大，混合材料中树脂多则极板导电性变差，而材料中树脂过少则极板材料过脆，影响其使用，因此目前该种方法研究的较多，实际应用的较少。而柔性石墨双极板是通过模压方式批量化加工极板，然后再通过真空注胶方式增加极板的硬度和气密性，满足双极板的各项性能指标，该方式加工的双极板保留了硬质石墨双极板的导电性能和耐腐蚀性能，同时又解决了硬质石墨双极板的加工周期问题及极板的脆性问题，已开始批量化生产，被新能源行业广泛应用，在市场上占主导地位。柔性石墨是一种较为理想的质子交换膜燃料电池双极板材料。

目前，对于柔性石墨双极板，其制备过程一般包含以下几个步骤：天然石墨材料膨化处理、柔性石墨板制备、模压柔性石墨板制备单极板、真空浸渍树脂处理、热压整平极板、丝网印刷涂胶、双极板粘接处理、极板切边。其中柔性石墨板的制备、真空压制、浸渍处理是整个制备过程的核心。采用真空浸渍树脂处理的工艺是为了改善柔性石墨极板的密封性能和机械性能，需要用到浸渍注胶设备。

但是现有的浸渍注胶设备是将已成型的柔性石墨极板固定放置在真空浸渍罐中，进行真空加压浸渍树脂处理。柔性石墨极板浸渍在树脂溶液中，极板的两面同时受力，将树脂压入极板材料内部的孔隙。树脂固化后，树脂与柔性石墨结合成一个较均匀致密的整体，但由于极板两面不存在压力差，不利树脂在极板材料内部的流动，不仅降低了注胶的效率，而且一些细微的孔隙处的注胶效果也不理想，特别是极板材料内部的空气未完全排出时，在极板材料的内部形成气泡，造成较大的注胶缺陷，降低石墨双极板的机械强度、气密性等性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，包括注胶箱、盛胶箱和直线驱动组件，所述盛胶箱设置于注胶箱的下方，所述注胶箱内设置有第一活塞，所述第一活塞的外周面与注胶箱的内壁抵接，所述第一活塞与注胶箱滑移连接，所述第一活塞或注胶箱通过直线驱动组件驱动，所述注胶箱的底部开设有若干贯穿其底壁的漏孔，所述注胶箱与第一活塞形成用于容纳液态树脂的放置腔，所述放置腔的底部放置有外设的石墨极板。

通过上述方案，将已模压成型的柔性石墨极板固定放置在放置腔的底部，同时按照比例配置好需要压力渗透注胶的液态树脂。随后进行加压压力渗透注胶，在第一活塞加压压力渗透注胶过程中，在压力的作用下，液态树脂从柔性石墨极板的一面向另一面定向流动，使柔性石墨极板内部孔隙中的空气排出并充满液态树脂，多余的液态树脂通过注胶箱底部的漏孔，滴落到盛胶箱内，待压力渗透注胶完成后，第一活塞复位，取出柔性石墨极板，紧接对柔性石墨极板进行清洗、烘干及固化处理，改善柔性石墨极板的密封性能和机械性能。本方案通过在原有的真空加压浸渍注胶设备基础上进行优化，采用压力渗透注胶的方法，使柔性石墨极板的一面加压，另一面经注胶箱底部的细小孔洞与大气相通，极板两面存在压力差，液态树脂从极板的一面向另一面定向流动，使液态树脂充分渗透填充柔性石墨极板材料内部的孔隙，不需要进行真空抽取的工艺流程，大幅提高注胶效率，减少操作周期，具有很好的实用价值。

作为上述技术方案的进一步改进，所述石墨双极板注胶装置还包括第一管道、第二管道、第三管道、回液自动启闭阀以及循环泵，所述第一管道、循环泵、第二管道、回液自动启闭阀、第三管道依次相连，所述第一管道穿过盛胶箱的侧壁，所述第一管道的一端设置于盛胶箱的底部，所述第三管道的与注胶箱的内侧壁相连通。

通过上述方案，第一管道、第二管道、第三管道、回液自动启闭阀以及循环泵形成循环系统，可以对使用过的液态树脂进行循环使用，减少添加树脂的次数，极大程度上保证了液态树脂的利用率。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一活塞对液态树脂产生的压强范围在0.1MPa～10MPa。

作为上述技术方案的进一步改进，所述直线驱动组件包括蜗轮、蜗杆、电机和驱动杆，所述电机的输出轴与蜗杆相连，所述蜗轮与蜗杆啮合连接，所述驱动杆的一端与蜗轮铰接、另一端与第一活塞的顶壁铰接，所述驱动杆与蜗轮的铰接端关于蜗轮的轴心偏心设置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述直线驱动组件包括液压缸，所述液压缸包括缸体和推杆，所述缸体与外设的位置固定的架体固定连接，所述推杆与第一活塞的顶壁固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述直线驱动组件包括气缸，所述气缸包括缸体和推杆，所述缸体与外设的位置固定的架体固定连接，所述推杆与第一活塞的顶壁固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述直线驱动组件包括电机、丝杆、螺纹套和连接杆，所述连接杆的上端与螺纹套固定连接、连接杆的下端与第一活塞的顶壁固定连接，所述螺纹套与外设的位置固定的架体固定连接，所述电机的输出轴与丝杆固定连接，所述螺纹套与丝杆螺纹连接，所述连接杆的长度大于丝杆的长度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述直线驱动组件包括电机、主动轮、从动轮和驱动杆，所述电机的输出轴与主动轮固定连接，所述主动轮与从动轮啮合连接，所述驱动杆包括第一铰接端和第二铰接端，所述第一铰接端与从动轮铰接，所述第一铰接端与从动轮偏心设置，所述第二铰接端与第一活塞的顶壁铰接。

本发明用于燃料电池的石墨极板注胶生产设备技术领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明实施例一的整体结构示意图；

图2是本发明实施例二的整体结构示意图；

图3是本发明实施例三的整体结构示意图；

图4是本发明实施例四的整体结构示意图；

图5是本发明实施例五的整体结构示意图。

图中，100、注胶箱；200、盛胶箱；310、第一管道；320、循环泵；330、第二管道；340、回液自动启闭阀；350、第三管道；400、石墨极板。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例一：

参照图1，一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，包括注胶箱100、盛胶箱200和直线驱动组件。注胶箱100设置于盛胶箱200的上方，注胶箱100的底壁开设有若干漏孔，漏孔的形状为圆形，在其他实施例中漏孔的形状可以为方孔、异型、一字、十字、六角、八字、人字、三角、五角、椭圆、百叶孔、鱼鳞孔、梅花、菱形或长方形等。注胶箱100内设置有第一活塞，第一活塞与注胶箱100形成用于容纳液态树脂的放置腔。液态树脂可以为聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯硫醚、乙烯基酯树脂、酚呋喃树脂、酚醛树脂、酚醛环氧树脂、环氧树脂及芳香胺混合物等材料，用于填充石墨极板400材料内部空隙的混合浆料。石墨极板400放置与放置腔的底部，石墨极板400为表面有特定流场的氢极板或氧极板，流场类型为蛇形流场、平行流场、非连续型流场、交指型流场、点状流场、组合流场、仿生流场以及三维精细化流场等。

第一活塞与直线驱动组件连接。直线驱动组件包括蜗轮、蜗杆、电机和驱动杆。电机固定连接于支架上，电机的输出轴通过减速器与蜗杆相连，蜗杆与蜗轮相互啮合。驱动杆的一端与蜗轮铰接、另一端与第一活塞的顶壁铰接。电机驱动蜗杆旋转，从而驱动蜗轮旋转，进而驱动第一活塞往复运动，第一活塞通过直线驱动组件的驱动给放置腔内的液态树脂以1.5MPa的压强。在其他实施例中可以按照实际需要选择0.1MPa～10MPa压强范围内的压强给液态树脂进行加压。

盛胶箱200连接有第一管道310，第一管道310的一端穿过盛胶箱200的侧壁，第一管道310位于盛胶箱200内的一端的开口设置于盛胶箱200的底部并且朝向盛胶箱200的底面。第一管道310穿出盛胶箱200的一端固定连接有循环泵320，循环泵320的另一接口与第二管道330连接，第二管道330远离循环泵320的一端通过回液自动启闭阀340与第三管道350连接，第三管道350远离回液自动启闭阀340的一端穿过注胶箱100的侧壁并且与注胶箱100的内侧空间相连通。

实施例二：

参照图2，与实施例1不同的是，本实施例的直线驱动组件包括液压缸，液压缸包括缸体和推杆，缸体固定连接于支架上，推杆的下端与第一活塞的顶壁固定连接。

实施例三：

参照图3，与实施例1不同的是，本实施例的直线驱动组件包括气缸，气缸包括缸体和推杆，缸体固定连接于支架上，推杆的下端与第一活塞的顶壁固定连接。

实施例四：

参照图4，与实施例1不同的是，本实施例的直线驱动组件包括电机，丝杆，螺纹套和连接杆。电机固定连接于支架上，电机的输出轴通过减速器与丝杆固定连接，螺纹套套设于丝杆并且与丝杆螺纹连接，螺纹套外壁与支架滑移连接，连接杆的上端与螺纹套固定连接，连接杆的下端与第一活塞的顶壁固定连接。连接杆的长度大于丝杆的长度。

实施例五：

参照图5，与实施例1不同的是，本实施例的直线驱动组件包括电机、主动轮、从动轮和驱动杆。电机的输出轴通过减速器与主动轮固定连接，主动轮与从动轮啮合连接，驱动杆包括第一铰接端和第二铰接端，第一铰接端与从动轮铰接，第一铰接端与从动轮偏心设置，第二铰接端与第一活塞的顶壁铰接。

本方案的工作方式及原理：将已模压成型的柔性石墨极板400固定放置在注胶箱100的底部，同时按照比例配置好需要压力渗透注胶的液态树脂，开启回液自动启闭阀340，待注胶箱100内部的液态树脂达到设定液位时关闭回液自动启闭阀340，同时进行加压压力渗透注胶，压力设定在1.5MPa左右，第一活塞下压速度由渗透树脂类型而定，在第一活塞加压压力渗透注胶过程中，在压力的作用下，液态树脂从柔性石墨极板400的一面向另一面定向流动，使柔性石墨极板400内部孔隙中的空气排出并充满液态树脂，多余的液态树脂通过注胶箱100底部的漏孔，滴落到盛胶箱200内，待压力渗透注胶完成后，将压力降低，第一活塞复位，取出柔性石墨极板400，紧接对柔性石墨极板400进行清洗、烘干及固化处理，改善柔性石墨极板400的密封性能和机械性能。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：包括注胶箱(100)、盛胶箱(200)和直线驱动组件，所述盛胶箱(200)设置于注胶箱(100)的下方，所述注胶箱(100)内设置有第一活塞，所述第一活塞的外周面与注胶箱(100)的内壁抵接，所述第一活塞与注胶箱(100)滑移连接，所述第一活塞通过直线驱动组件驱动，所述注胶箱(100)的底部开设有若干贯穿其底壁的漏孔，所述注胶箱(100)与第一活塞形成用于容纳液态树脂的放置腔，所述放置腔的底部放置有外设的石墨双极板(400)，所述第一活塞对所述石墨双极板(400)的一面进行加压，外设的所述石墨双极板(400)的另一面经所述注胶箱(100)底部的漏孔与大气相连通。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述柔性石墨双极板压力渗透注胶装置还包括第一管道(310)、第二管道(330)、第三管道(350)、回液自动启闭阀(340)以及循环泵(320)，所述第一管道(310)、循环泵(320)、第二管道(330)、回液自动启闭阀(340)、第三管道(350)依次相连，所述第一管道(310)穿过盛胶箱(200)的侧壁，所述第一管道(310)的一端设置于盛胶箱(200)的底部，所述第三管道(350)的远离回液自动启闭阀(340)的一端与注胶箱(100)的内侧壁相连通。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述第一活塞对液态树脂产生的压强范围在0.1MPa～10MPa。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述直线驱动组件包括蜗轮、蜗杆、电机和驱动杆，所述电机的输出轴与蜗杆相连，所述蜗轮与蜗杆啮合连接，所述驱动杆的一端与蜗轮铰接、另一端与第一活塞的顶壁铰接，所述驱动杆与蜗轮的铰接端关于蜗轮的轴心偏心设置。

5.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述直线驱动组件包括液压缸，所述液压缸包括缸体和推杆，所述缸体与外设的位置固定的架体固定连接，所述推杆与第一活塞的顶壁固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述直线驱动组件包括气缸，所述气缸包括缸体和推杆，所述缸体与外设的位置固定的架体固定连接，所述推杆与第一活塞的顶壁固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述直线驱动组件包括电机、丝杆、螺纹套和连接杆，所述连接杆的上端与螺纹套固定连接、连接杆的下端与第一活塞的顶壁固定连接，所述螺纹套与外设的位置固定的架体固定连接，所述电机的输出轴与丝杆固定连接，所述螺纹套与丝杆螺纹连接，所述连接杆的长度大于丝杆的长度。

8.根据权利要求1所述的一种燃料电池用柔性石墨双极板压力渗透注胶装置，其特征在于：所述直线驱动组件包括电机、主动轮、从动轮和驱动杆，所述电机的输出轴与主动轮固定连接，所述主动轮与从动轮啮合连接，所述驱动杆包括第一铰接端和第二铰接端，所述第一铰接端与从动轮铰接，所述第一铰接端与从动轮偏心设置，所述第二铰接端与第一活塞的顶壁铰接。

Images