CN112563528A - 一种模压成型双极板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种模压成型双极板的制备方法，包括以下步骤：S1、预制第一模具和第二模具；S2、将组合物辊压成原料板；S3、将原料板铺设在所述第一突起部或第一凹陷部上，采用压机驱动所述第一模具与所述第二模具相对移动，对原料板进行压合以形成预成型构件；S4、将预成型构件进行浸胶工艺；S5、待浸胶结束后，将预成型构件进行固化工艺；S6、待固化结束后，对预成型构件的上表面和下表面进行整平工艺；S7、待整平结束后，将两片预成型构件相互叠放并通过丝印粘接一起以获得双极板。本发明省略了对双极板表面的修磨工序，制作时间短且操作简单，有效提高了加工效率，且制作成本较低，提高经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种模压成型双极板的制备方法。
背景技术
燃料电池电堆是由多片单体电池串联叠加构成，将双极板与膜电极交替叠合密封，并由前、后端板及补偿装置压紧固定，构成质子交换膜燃料电池电堆。因此，电堆的核心是双极板与MEA。目前双极板常用石墨材质制作，相比于金属双极板，双极板具有导电性高、耐蚀性，质量轻、寿命长且与电极相容性好等特点。
现有石墨双极板的制作是通过机械雕刻硬石墨表面，形成用于冷却的流场。但该制作方式的机械加工难度大，加工效率低，导致制作成本较高，同时加工成型后的石墨双极板较厚，较脆且不易组装。
发明内容
本发明的目的是提供一种模压成型双极板的制备方法，能够简化目前石墨双极板的制作流程，有效提高加工效率，同时制得的双极板物理性能更加优良。
为了实现上述目的，本发明提供了一种模压成型双极板的制备方法，包括以下步骤：
S1、预制第一模具和第二模具；其中，所述第一模具设有多个间隔设置的第一突起部或第一凹陷部，所述第二模具设有多个间隔设置的第二突起部或第二凹陷部，且所述第一模具设有第一突起部或第一凹陷部的一侧与所述第二模具设有第二突起部或第二凹陷部的一侧相向设置；
S2、将组合物辊压成原料板；其中，组合物包括膨胀石墨粉、碳纤维；
S3、将原料板铺设在所述第一突起部或第一凹陷部上，采用压机驱动所述第一模具与所述第二模具相对移动，对原料板进行压合以形成预成型构件；
S4、将预成型构件进行浸胶工艺；
S5、待浸胶结束后，将预成型构件进行固化工艺；
S6、待固化结束后，对预成型构件的上表面和下表面进行整平工艺；
S7、待整平结束后，将两片预成型构件相互叠放并通过丝印粘接一起以获得双极板。
进一步地，所述组合物按质量百分比计算包括：膨胀石墨粉为90％－95％，碳纤维为5％－10％。
进一步地，所述S1中，任意相邻两个第一突起部或第二凹陷部的间距相同，任意相邻两个第二突起部或第二凹陷部的间距相同。
进一步地，所述S3中，压机的压力为2－25Mpa，压合时间为5－10s。
进一步地，所述S4中，浸胶工艺采用的浸液为热固型树脂液。
进一步地，所述S5中，所述固化工艺为加热固化，且所述加热固化的温度为80－300℃。
进一步地，所述S7中，待整平结束之后还需要对预成型构件进行降温冷却。
进一步地，冷却方式包括风冷或水冷。
进一步地，所述S8中，所述冷却方式为风冷，且冷却温度为5－25℃，冷却时间为3－5h。
进一步地，还包括以下步骤：
S8、对成形的双极板进行裁切及清洗。
本发明实施例一种模压成型双极板的制备方法与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明根据双极板模型逆向制得第一模具和第二模具，通过第一模具和第二模具在合模过程中将原料板压合形变，以使原料板的两个表面均设有用于传输冷却剂及氧化剂或原剂流场，满足双极板的制备要求，且相比于传统的机加工雕刻方式，省略了对双极板表面的修磨工序，制作时间短且操作简单，同时可以采用多个第一模具和第二模具进行批量生产，有效提高了加工效率，且制作成本较低，提高经济效益。
本发明的原料板是由膨胀石墨粉、碳纤维混合成组合物后辊压而成，由于热固树脂在浸胶后极板中形成结实的三维网状结构，使原料板具有优秀的弯曲强度，可以用于制作更薄的双极板。同时碳纤维具有优良的力学性能及导电性能，可以提高极板的力学性能，以提高制得的双极板的柔软性及可塑性，有效避免双极板发生脆裂现象。
附图说明
图1是本发明的模压成型双极板的制备方法的流程示意图；
图2是本发明的第一模具的结构示意图；
图中，1、第一模具；11、第一突起部；12、第一定位孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，其为本发明优选的一种模压成型双极板的制备方法的流程示意图，具体包括以下步骤：
S100、预制第一模具和第二模具；
其中，第一模具设有多个间隔设置的第一突起部或第一凹陷部，第二模具设有多个间隔设置的第二突起部或第二凹陷部，且第一模具设有第一突起部或第一凹陷部的一侧与第二模具设有第二突起部或第二凹陷部的一侧相向设置。
具体地，参考图2，图2为第一模具1的结构示意图。第一模具1呈平板状，并在第一模具1的上表面以相同的间隔间距设置有多个第一突起部11或第一凹陷部，多个第一突起部11或第一凹陷部连成连续的波浪结构。同理地，第二模具的结构与第一模具1的结构相同，此处省略说明。当用于制作双极板的原料板置于第一模具1设有第一突起部11或第一凹陷部的表面时，第二模具设有第二突起部或第二凹陷部的一侧朝向原料板运动，当原料板受到第一模具1及第二模具挤压时，原料板的上/下表面形成有凹槽，该凹槽用于形成冷却及氧化剂或还原剂流场。
S200、将组合物辊压成原料板；
其中，原料板是鳞片石墨在高温环境下体积发生膨胀，同时膨胀石墨分子结构发生变化，由片状转变为蠕虫状，从而使原料板的内部结构松散多孔结构，表面积扩大、表面能提高、吸附树脂液能力增强，大大增加了双极板强度，降低发生脆裂现象。本申请的组合物包括膨胀石墨粉、碳纤维。将膨胀石墨粉、碳纤维混合搅拌成粉末状的组合物，将组合物从辊压机的两个挤压辊的中间给入，组合物被挤压辊连续带入在两个挤压辊间，粉末状的组合物受到辊压作用后，变成多孔柔性石墨板。
由于碳纤维具有优良的力学性能及导电性能，可以提高原料板的力学性能，以提高制得的双极板的柔软性及可塑性，有效避免双极板发生脆裂现象。
进一步地，根据国家行业标准，双极板的电导率要求大于100S/cm，同时也要确保双极板具有足够的弯曲强度，因此需要控制组合物的膨胀石墨粉、碳纤维及浸胶树脂的使用量。经申请人大量实验可知，本申请的组合物按质量百分比计算包括：膨胀石墨粉为30％－40％，碳纤维为5％，浸胶树脂为55％－65％。当浸胶树脂含量低于55％时，双极板的弯曲强度低于40Mpa，此时双极板的弯曲强度较低，难以制作较薄的双极板。而当浸胶树脂含量大于65％时，原料板的电导率低于100S/cm，导致制成的双极板的电导率不满足国家行业标准。
S300、将原料板铺设在第一突起部或第一凹陷部上，采用压机驱动第一模具与第二模具相对移动，对原料板进行压合以形成预成型构件；
具体地，将原料板铺设在第一突起部或第一凹陷部上，通过设定压机的压力及压合时间后，压机驱动第二模具朝向第一模具移动，以使第一模具与第二模具对原料板进行压合，将原料板压制成预定厚度，并使原料板的上/下表面形成有凹槽，制得预成型构件。其中，为了确保制得的预成型构件的表面上不存在裂纹，本申请的压机的压力优选为2－25Mpa，压合时间为5－10s，可以确保在原料板的上/下表面形成凹槽。
进一步地，参考图2，为了方便压机驱动第一模具及第二模具相对移动以完成对原料板的挤压，本申请的第一模具上设有用于固定在压机上第一定位孔12，第二模具上设有用于固定在压机上的第二定位孔，采用螺栓等紧固件穿过第一定位孔将第一模具固定在压机的一侧，采用螺栓等紧固件穿过第二定位孔将第二模具固定在压机的另一侧，通过控制压机的运动以使第一模具与第二模具相对移动，完成对原料板的挤压。其中，压机的结构及工作原理为本领域人员所知晓，故此处省略说明。
S400、将预成型构件进行浸胶工艺；
其中，本申请可以将预成型构件放入笼架等工装后，将预成型构件和笼架一并置入浸胶设备内进行浸胶工艺。其中，浸胶设备的结构及原理为本领域技术人员所知晓，故此处省略说明。
进一步地，为了确保预成型构件具有较强的熟结力及粘接力，本申请的浸胶工艺采用的浸液为热固型树脂。
S5、待浸胶结束后，将预成型构件进行固化工艺；
为了提高制得的双极板的柔软性及可塑性，本申请将浸胶结束后的预成型构件经过固定工艺以提高其本身材料的柔软性及可塑性。本申请的固化工艺具体为加热固化，且加热固化的温度为80－300℃，
S600、待固化结束后，对预成型构件的上表面和下表面进行整平工艺；
由于原料板在压合成预成型构件的过程中，第一突起部或第一凹陷部对原料板的一个表面、第二突起部或第二凹陷部对原料板的另一个表面造成物料损耗，导致预成型构件的上表面或下表面的端面不在同一水平面上。因此本申请利用整平机处理原料板的上/下表面，使得原料板的上/下表面平整，便于进行后续工艺。其中，整平机的结构及原理为本领域技术人员所知晓，故此处省略说明。
S700、待整平结束后，将两片预成型构件相互叠放并通过丝印粘接一起以获得双极板；
具体地，整平后的预成型构件处于高温状态，难以进行正常的丝印粘接工艺。因此在整平结束后先对预成型构件降温处理，以满足两片预成型构件的丝印粘接要求。冷却方式包括风冷或水冷，其中本申请冷却方式优选为风冷，风冷为采用风扇等加快空气流动的方式对高温的预成型构件进行降温。为了确保预成型构件得到充分冷却，本申请的风冷温度为5－25℃，风冷时间为3－5h。相比于水冷等快速冷却的方式，风冷可以对预成型构件进行较长时间缓慢冷却，以确保制得的双极板不易发生收缩，进而提高双极板的柔软性及可塑性，避免发生脆裂现象。
S800、对成形的双极板进行裁切及清洗。
根据成品的尺寸要求，通过裁切机对成形的双极板裁切成若干片双极板后采用纯净水冲洗，以获取成品双极板。
综上，本发明实施例提供一种模压成型双极板的制备方法，其根据双极板模型逆向制得第一模具和第二模具，通过第一模具和第二模具在合模过程中将原料板压合形变，以使原料板的两个表面均设有用于传输冷却及氧化剂或还原剂的流场，满足双极板的制备要求，且相比于传统的机加工雕刻方式，省略了对双极板表面的修磨工序，制作时间短且操作简单，同时可以采用多个第一模具和第二模具进行批量生产，有效提高了加工效率，且制作成本较低，提高经济效益。本发明的原料板是由膨胀石墨粉、碳纤维混合成组合物后辊压而成，由于热固型树脂化在双极板中形成结实的三维网状结构，使双极板具有优秀的弯曲强度，可以用于制作更薄的双极板。同时碳纤维具有优良的力学性能及导电性能，可以提高双极板的力学性能，以提高制得的双极板的柔软性及可塑性，有效避免双极板发生脆裂现象。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种模压成型双极板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、预制第一模具和第二模具；其中，所述第一模具设有多个间隔设置的第一突起部或第一凹陷部，所述第二模具设有多个间隔设置的第二突起部或第二凹陷部，且所述第一模具设有第一突起部或第一凹陷部的一侧与所述第二模具设有第二突起部或第二凹陷部的一侧相向设置；
S2、将组合物辊压成原料板；其中，组合物包括膨胀石墨粉、碳纤维；
S3、将原料板铺设在所述第一突起部或第一凹陷部上，采用压机驱动所述第一模具与所述第二模具相对移动，对原料板进行压合以形成预成型构件；
S4、将预成型构件进行浸胶工艺；
S5、待浸胶结束后，将预成型构件进行固化工艺；
S6、待固化结束后，对预成型构件的上表面和下表面进行整平工艺；
S7、待整平结束后，将两片预成型构件相互叠放并通过丝印粘接一起以获得双极板。
2.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述组合物按质量百分比计算包括：膨胀石墨粉为90％－95％，碳纤维为5％－10％。
3.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述S1中，任意相邻两个第一突起部或第二凹陷部的间距相同，任意相邻两个第二突起部或第二凹陷部的间距相同。
4.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述S3中，压机的压力为2－25Mpa，压合时间为5－10s。
5.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述S4中，浸胶工艺采用的浸液为热固型树脂。
6.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述S5中，所述固化工艺为加热固化，且所述加热固化的温度为80－300℃。
7.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述S7中，待整平结束之后还需要对预成型构件进行降温冷却。
8.如权利要求7所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，冷却方式包括风冷或水冷。
9.如权利要求8所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，所述S8中，所述冷却方式为风冷，且冷却温度为5－25℃，冷却时间为3－5h。
10.如权利要求1所述的模压成型双极板的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S8、对成形的双极板进行裁切及清洗。
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Address after: No. 8, Hydrogen Energy Avenue, Foshan (Yunfu) Industrial Transfer Industrial Park, Silao Town, Yuncheng District, Yunfu City, Guangdong Province, 527300 Applicant after: Guangdong Guohong Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd. Address before: No.9, Nanyuan District, Foshan (Yunfu) industrial transfer industrial park, Silao Town, Yuncheng district, Yunfu City, Guangdong Province Applicant before: GUANGDONG SINOSYNERGY HYDROGEN POWER TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 314000 Room 501-2, Building 37, Hangzhou Bay New Economic Park, Port District, Jiaxing City, Zhejiang Province Applicant after: Guohong Hydrogen Energy Technology (Jiaxing) Co.,Ltd. Address before: No. 8, Hydrogen Energy Avenue, Foshan (Yunfu) Industrial Transfer Industrial Park, Silao Town, Yuncheng District, Yunfu City, Guangdong Province, 527300 Applicant before: Guangdong Guohong Hydrogen Energy Technology Co.,Ltd. |
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