CN112757568A - 一种燃料电池双极板及其成型工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池双极板及其成型工艺，成型工艺包括以下步骤：制作冷却内腔注塑件、制作蜡模、涂布陶瓷浆料、脱蜡、双极板铸造、拆模和后处理，该制备工艺得到的燃料电池双极板不存在单极板拼接导致的缺陷。

Description

一种燃料电池双极板及其成型工艺
技术领域
本发明涉及一种双极板及其成型工艺，尤其涉及一种燃料电池双极板及其成型工艺。
背景技术
双极板通常是由两个单极板焊接或粘接而成，在两个单极板之间形成一个带流场的冷却内腔，通过内腔的冷却液的流动以确保燃料电池在所需温度范围内工作。一片膜电极和一组双极板即称为一个单电池。一定计量比的氧化剂和还原剂通过双极板中的流场平行的流入电池，从而产生电压和电流。液冷燃料电池堆由多个单电池串联组成，因此电池堆的电压是串联中的单电池电压的总和。
通常，燃料电池双极板是将两块单板粘合或焊接在一起，以形成带流场的冷却内腔。例如一个300组电池的燃料电池堆除了300片膜电极外，还可以需要600片单极板以完成双极板组件，这是燃料电池的重要组成部分。单极板的粘合和焊接成双极板组件的过程中不可避免地会引入缺陷，因此需要大量的质检和测漏工作，以确保制造的一致性和公差，以及产品的气密性。
发明内容
本发明为了避免单板粘合和焊接过程引入缺陷，确保双极板的质量，提供了一种燃料电池双极板及其制备工艺，该工艺制得的双极板为一体成型，不存在单极板拼接导致的缺陷。
本发明所采取的技术方案为：一种燃料电池双极板成型工艺，包括以下步骤
S01 获取冷却腔体模具，向冷却腔体模具内注塑第一流体材料，所述第一流体材料在所述冷却腔体模具内冷却成型后脱模得到冷却腔体注塑件；
S02 将所述冷却腔体注塑件置于双极板模具中，并向双极板模具腔体内注入石蜡，石蜡冷却后脱模形成双极板蜡模；
S03 在所述双极板蜡模外表面涂覆陶瓷浆料，待陶瓷浆料凝固后形成陶瓷壳体，加热所述双极板蜡模，使所述双极板蜡模融化并流出陶瓷壳体形成陶瓷模具；
S04 向所述陶瓷模具内注塑融化的双极板材料，所述双极板材料在所述陶瓷壳体内成型后，除去陶瓷壳体获得双极板半成品；
S05 将所述双极板半成品置于高温下加热，使冷却腔体注塑件融化并流出形成冷却腔体，得到双极板成型体；
所述第一流体材料的熔点高于石蜡，低于所述复合材料。
进一步的，若干双极板蜡模成型于一体结构，若干所述双极板蜡模通过连杆蜡模连接为双极板蜡模工装，所述连杆蜡模包括主杆蜡模和支杆蜡模，若干双极板拉板通过支杆蜡模连接所述主杆蜡模。
进一步的，在所述双极板蜡模、主杆蜡模和支杆蜡模外壁均涂覆所述陶瓷料浆，所述陶瓷浆料干燥后，融化双极板蜡模、主杆蜡模和支杆蜡模，并流出所述陶瓷壳体，形成所述陶瓷模具。
进一步的，所述双极板材料为金属或复合材料，在主杆陶瓷模具上预留有用于浇注金属或复合材料流体的浇注口，所述浇注口置于主杆陶瓷模具的端部。
进一步的，若干双极板蜡模通过支杆蜡模沿主杆蜡模长度方向均布在主杆蜡模上。
进一步的，所述陶瓷壳体经过若干次涂覆陶瓷浆料形成。
进一步的，所述双极板材料的熔点高于所述石蜡的熔点，所述双极板材料与所述石蜡的熔点的差值大于30℃，所述第一流体材料的熔点为130-200℃。
进一步的，所述陶瓷壳体通过机械敲碎去除。
进一步的，所述冷却腔体注塑件上设置有用于定位安装在所述双极板模具内的定位块。
进一步的，在所述双极板成型体表面涂覆导电层。
进一步的，双极板成型体与所述主杆或支杆切割分离。
本发明还提供了一种上述的燃料电池双极板成型工艺制得的燃料电池双极板。
本发明所产生的有益效果包括：本发明所产生的有益效果包括：本发明中的方法能够同时制备多个双极板，且双极板均为一体成型，简化了生产步骤同时节约生产成品，且所制备的双极板不存在因单极板粘结或焊接导致的拼接缺陷，影响产品品质。
附图说明
图1制作冷却腔体塑模的模具爆炸图
图2冷却腔体组件图
图3冷却腔体塑模与双极板模具的配合
图4 冷却腔体组件与双极板下模配合
图5在双极板模具中的蜡模成型
图6 完整的蜡模
图7陶瓷外壳成型
图8 陶瓷外壳去除
图 9 热塑塑料融化
图10 树形铸造过程；
图中1、冷却上模，2、冷却下模，3、冷却腔体注塑件，4、定位块，5、双极板模具上模，6、双极板模块下模，7、冷却腔体注塑件组件，8、陶瓷壳体，9、双极板，10、冷却流道口，11、流道，12、主杆蜡模，13、支杆蜡模，14、浇筑口，15、双极板蜡模。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。
冷却内腔由复杂的冷却流场组成，以确保维持燃料电池氧化还原反应的温度在一定范围内。冷却和反应面的流场可以包括宽度和/或深度在0.1-1mm范围内的流道11。本发明的重点是首先用高熔点的热塑塑料成型冷却内腔的塑模，而后将塑模放置在极板成型模具中；第二步是将流动的石蜡注入塑模和极板模具之间的空隙，以形成蜡模；第三步是将陶瓷涂层包裹在蜡模外部，待陶瓷涂层风干后融化、除去石蜡，以形成极板外壳；最后将用导电材料（例如液体金属或石墨基复合材料）浇铸到极板外壳的腔体中一次性成型双极板。高温热塑塑料和固化石蜡可以被回收和再利用。
双极板铸造过程的具体步骤如下：
（1）制作冷却内腔注塑件——获取冷却腔体模具，向冷却腔模具中的内腔注入液态高熔点塑料（熔点130-200C）来制作冷却腔体注塑件3。将冷却腔注塑件从模具中取出，转移并固定到双极板模具中，组成双极板模具组件，如图1-4；双极板模具包括双极板模具上模5和双极板模具下模6，两者相对形成成型腔体。
（2）制作蜡模——向双极板模具组件的内腔注入石蜡（熔点50-75C），如图5；
（3）涂布陶瓷浆料—待石蜡固化后，将蜡模从双极板模具中顶出，如图6；其中蜡模环绕着冷却内腔注塑件；然后将蜡模和冷却内腔注塑件所有暴露出的外表面用陶瓷浆液涂布，在双极板蜡模15组件上涂布陶瓷料浆，以形成双极板陶瓷外壳，然后在室温下干燥，如图7。建立陶瓷外壳的目的是为了除去石蜡之后，形成含冷却内腔注塑件的双极板。为了增加陶瓷外壳的强度，可以采用多次涂布方法。
（4）脱蜡——对涂有料浆的双极板石蜡组件快速加热去除石蜡，形成陶瓷外壳；
（5）双极板铸造——用正气压或真空铸造的方式将熔化的金属或流动的复合材料填充在双极板外壳中，将完成的双极板在室温下冷却；
（6）拆模和后处理——在金属或复合材料凝固后，以机械振动方式粉碎和移除陶瓷涂层，如图8，切断浇注口14，对双极板进行表面处理并进行激光打码便于品质过程追溯；
（7）焙烧和脱塑——将双极板放置在恒温烘箱内，在130~200C下使得冷却腔体内的热塑塑料沿流道的方向在冷却流道口流出，冷却流道口10设置在双极板壁上，通向双极板外，如图9，形成冷却腔体，并同时熟化复合材料得到双极板；
堆叠组装——将以上步骤生成的双极板和膜电极交替堆叠装配在电堆端板和汇流板上，最后完成电堆的压紧和固定。
本实施例中为了便于一次性制备多个双极板，同时为了便于流体材料融化后排出过程，本实施例采用树形造方式同时生产多个双极板。具体为多个双极板蜡模15一体成型形成树形形状，若干所述双极板蜡模15通过连杆蜡模连接为双极板蜡模15工装，所述连杆蜡模包括主杆蜡模12和支杆蜡模13，若干双极板拉板通过支杆蜡模13连接所述主杆蜡模12。若干双极板蜡模15通过支杆蜡模13沿主杆蜡模12长度方向均布在主杆蜡模12上。
在双极板蜡模15、主杆蜡模12和支杆蜡模13外壁均涂覆所述陶瓷料浆，所述陶瓷浆料干燥后，融化双极板蜡模15、主杆蜡模12和支杆蜡模13，并流出所述陶瓷壳体8，形成所述陶瓷模具。在主杆陶瓷模具上预留有用于浇注金属或复合材料流体的浇注口14，所述浇注口14置于主杆陶瓷模具的端部。这样，在融化石蜡后，所有石蜡可通过在主杆蜡模12的浇注口14排出，减少浇注口14的设置，且工艺均一，在需要浇注双极板材料时，在浇注口14浇注即可到达每个双极板陶瓷壳体8的腔体内，实现同时成型制得。为了保证陶瓷壳体8的强度，陶瓷壳体8经过若干次涂覆陶瓷浆料形成。
若不是若干双极板同时成型，则在每个陶瓷外壳上需要预留用于蜡模熔融流出和双极板材料注入的第一开口。
如图1-3，本实施例中冷却腔体模具包括冷却上模和冷却下模2，冷却上模和冷却下模2相对连接形成冷却腔体，向其内注塑第一流体材料后形成与冷却腔体相同形成的冷却腔体注塑件3。第一流体材料为热塑塑料，热塑塑料的熔点高于石蜡。冷却腔体注塑件3上设置有用于与双极板模具定位的定位块4，定位块4与冷却腔体注塑件3装配形成冷却腔体组件7。
图4冷却腔体组件7与双极板下模配合，图7为加热脱腊。其中冷却内腔注塑件依然完整无损，因为热塑塑料的熔点大大高于石蜡熔点；陶瓷外壳内空；陶瓷外壳内含冷却内腔塑模；然后将融化的复合材料注入以上的陶瓷外壳中，并且使之在室温下冷却下来
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：包括以下步骤
S01 获取冷却腔体模具，向冷却腔体模具内注塑第一流体材料，所述第一流体材料在所述冷却腔体模具内冷却成型后脱模得到冷却腔体注塑件；
S02 将所述冷却腔体注塑件置于双极板模具中，并向双极板模具腔体内注入石蜡，石蜡冷却后脱模形成双极板蜡模；
S03 在所述双极板蜡模外表面涂覆陶瓷浆料，待陶瓷浆料凝固后形成陶瓷壳体，加热所述双极板蜡模，使所述双极板蜡模融化并流出陶瓷壳体形成陶瓷模具；
S04 向所述陶瓷模具内注塑融化的双极板材料，所述双极板材料在所述陶瓷壳体内成型后，除去陶瓷壳体获得双极板半成品；
S05 将所述双极板半成品置于高温下加热，使冷却腔体注塑件融化并流出形成冷却腔体，得到双极板成型体；
所述第一流体材料的熔点高于石蜡，低于所述复合材料。
2.根据权利要求1所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：若干双极板蜡模成型于一体结构，若干所述双极板蜡模通过连杆蜡模连接为双极板蜡模工装，所述连杆蜡模包括主杆蜡模和支杆蜡模，若干双极板蜡模通过支杆蜡模连接所述主杆蜡模。
3.根据权利要求2所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：在所述双极板蜡模、主杆蜡模和支杆蜡模外壁均涂覆所述陶瓷料浆，所述陶瓷浆料干燥后，融化双极板蜡模、主杆蜡模和支杆蜡模，并流出所述陶瓷壳体，形成所述陶瓷模具。
4.根据权利要求3所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：所述双极板材料为金属或复合材料，在主杆陶瓷模具上预留有用于浇注金属或复合材料流体的浇筑口，所述浇筑口置于主杆陶瓷模具的端部。
5.根据权利要求2所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：若干双极板蜡模通过支杆蜡模沿主杆蜡模长度方向均布在主杆蜡模上。
6.根据权利要求1所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：所述陶瓷壳体经过若干次涂覆陶瓷浆料形成。
7.根据权利要求1所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：所述双极板材料的熔点高于所述石蜡的熔点，所述双极板材料与所述石蜡的熔点的差值大于30℃，所述第一流体材料的熔点为130-200℃。
8.根据权利要求1所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：所述陶瓷壳体通过机械粉碎去除。
9.根据权利要求1所述的燃料电池双极板成型工艺，其特征在于：所述冷却腔体注塑件上设置有用于定位安装在所述双极板模具内的定位块。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的燃料电池双极板成型工艺制得的燃料电池双极板。
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