CN112959725B - 一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，包括以下步骤：(1)将辊压机的印花辊辊筒对之间的辊缝调节至单极板目标厚度值；(2)利用送料装置将柔性石墨板坯送至印花辊辊筒对前，并利用印花辊辊筒对的对向转动咬入柔性石墨板坯；(3)待柔性石墨板坯被咬入后，继续正向轧制板坯10～100mm，随后，上下印花辊同时反向转动，使得柔性石墨板坯反向轧制5～90mm，一次正向轧制加一次反向轧制称为一次往复辊压；(4)经过数次的往复轧制后，极板成型完毕，并与印花辊脱离；(5)对辊压成型后的柔性石墨极板进行后续处理。与现有技术相比，本发明方法可实现连续自动化高效率生产窄脊背、短中心距、大槽深、小拔模角的超薄无延展柔性石墨极板。

Description

一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法
技术领域
本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法。
背景技术
燃料电池双极板目前最为常用的材料为金属和石墨，其中石墨双极板因其优异的耐蚀性而占据了大部分的市场份额。石墨双极板通常分为三种技术路线，分别为：人工石墨板利用CNC雕刻流场制成机加工极板、热塑性树脂混合碳粉利用热压制成热压极板、以及柔性石墨模压成型并浸渍树脂固化制成柔性石墨极板。其中，柔性石墨极板价格最为低廉，且成型效率远高于前两者。随着燃料电池行业的逐步放量，极板的生产效率也需大幅提升，因此，柔性石墨极板是未来燃料电池极板发展的重要方向。
美国专利US6797091B2介绍了一种柔性石墨板的真空平压方法，该方法为Ballard公司2000年递交申请，首次提出利用真空平压工艺制备柔性石墨极板，并成功应用于生产之中。然而，根据现有的生产方式，柔性石墨双极板存在人工放板、人工脱模等成型环节人工参与度较高的问题，从而导致极板生产过程中效率较低且存在一致性差异。此外，模压过程因存在真空工艺，导致成型时间较长，且需要人工脱模等环节，导致无法实现真正意义的连续化、自动化成型。为了通过连续化、自动化生产提升极板产出效率及降低人工参与程度，将轧制工艺引入柔性石墨极板的生产之中是一个重要的突破口。基于这一考虑，Ballard公司曾于2002年递交申请美国专利US6818165B2，该专利介绍了一种直接利用辊压方式对柔性石墨进行极板加工的方法，然而由于存在诸多技术和成本问题，该工艺仅作为概念提出，并未应用于实际生产当中。
辊压工艺的突出优势吸引了大批国内外的研究人员，相关企业和科研院校纷纷加入燃料电池极板辊压工艺的开发当中。虽然辊压工艺相比平压工艺能够大幅提升生产效率和自动化程度，然而，根据公开资料及调研情况显示，目前在研的辊压工艺通常存在如下的问题：1.成型质量差、流场深度实际值与设计值偏差过大(偏差比例大于25％)、极板鼓泡等严重缺陷；2.极板厚度过大(单极板厚度超过7mm)；3.脊背宽度过宽(＞0.8mm)、流场深度过浅(＜0.3mm)、脊背中心距过大(＞1.5mm)、拔模角过大(＞30°)。以上的问题直接导致现有的辊压工艺无法生产出能够应用于车载燃料电池柔性石墨极板。
众所周知，车载燃料电池需要追求更高的体积功率密度，这意味着需要制备更薄的双极板，现阶段国内龙头企业使用平压工艺生产的柔性石墨双极板厚度普遍低于2mm，部分企业柔性石墨双极板厚度可小于1.6mm。此外，车载燃料电池为氢空燃料电池，而非氢氧燃料电池，因此，对极板的设计往往使用窄脊背、短中心距、大槽深、小拔模角的设计，这本身显著增加了极板成型过程中的填充难度。如何利用辊压工艺连续化、高度自动化的生产超薄柔性石墨极板，是一个国际上从概念提出至今近20年仍未解决的棘手难题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，实现连续自动化高效率生产窄脊背、短中心距、大槽深、小拔模角的超薄无延展柔性石墨极板。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，根据待成型极板花纹结构特征，镜像制作印花辊辊筒对，将印花辊辊筒对安装在辊压机上应用至连续的生产线上以加工极板，该方法包括以下步骤：
(1)将辊压机的印花辊辊筒对之间的辊缝调节至单极板目标厚度值；
(2)利用送料装置将柔性石墨板坯送至印花辊辊筒对前，并利用印花辊辊筒对的对向转动咬入柔性石墨板坯；
(3)待柔性石墨板坯被咬入后，继续正向轧制板坯10～100mm，随后，上下印花辊同时反向转动，使得柔性石墨板坯反向轧制5～90mm，一次正向轧制加一次反向轧制称为一次往复辊压；
(4)经过数次的往复辊压轧制后，极板成型完毕，并与印花辊脱离；
(5)对辊压成型后的柔性石墨极板进行后续处理。
所述的单极板目标厚度值为0.4～1.2mm。
所述的印花辊辊筒对包括上下镜像设置的两个印花辊，印花辊的辊径范围为200～600mm，辊压机使用双电机各自驱动上下印花辊的驱动方式，利用双伺服电机对上下辊进行驱动，以保证印花的高度同步。所述的双电机为伺服电机，双电机同步驱动上下印花辊。
步骤1)通过调整辊压机使印花辊辊筒对前后及左右对位准确，确保辊压出的柔性石墨极板流场不发生错位。
步骤2)送料装置的送料速度为5～75s/片。
步骤3)一次往复辊压中反向轧制距离小于正向轧制距离5～10mm，从而保证柔性石墨板坯经过每一次往复辊压都会向前移动。
步骤3)印花辊正向转动速度为3～30cm/s，反向转动速度与正向转动速度相同。
多次往复辊压的过程中，上下印花辊之间的辊缝与所制备的板材厚度相同，在辊压过程中保持不变，辊压的压力为3～25ton。
多次往复辊压生产设定距离(可以根据实际生产情况进行设定，例如设置3000～6000m等)后，辊压机重新进行原点复位。
步骤5)所述的后续处理包括裁切、浸渍等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.利用可逆式辊压机，使用双伺服电机对辊压机进行驱动，并在连续运行达到要求校准时，进行原点复位，配合一对印有待成型极板花纹的印花辊，对柔性石墨板坯进行往复式辊压，从而实现连续化辊压生产高表面质量、无鼓泡等质量缺陷的极板。
2.柔性石墨板坯的一次加工程度与二次成型能力存在负相关关系，而一次加工程度又与二次成型时的排气问题存在正相关关系。通过本发明，可有效解决上述矛盾，实现窄脊背、短中心距、大槽深、小拔模角的无延展柔性石墨极板辊压成型，成型条件的范围完全覆盖平压工艺，且表面成型质量优于相同板型的平压工艺。
3.利用辊压工艺生产超薄柔性石墨极板(单极板厚度范围0.4～1.2mm)，实现了生产的连续化、高度自动化，大幅提升生产效率。
4对板型或流场结构无限制，平压工艺可实现的板型设计均可在本发明的辊压工艺中实现。
附图说明
图1为本发明往复式辊压工艺中第一次正向辊压示意图；
图2为本发明往复式辊压工艺中第一次反向辊压示意图；
图3为本发明往复式辊压工艺中第二次正向辊压示意图；
图4为本发明往复式辊压工艺中第二次正向辊压示意图；
图5为本发明往复式辊压工艺中第二种印花辊辊压示意图；
图中，1为上印花辊，11为上印花辊对应的极板花纹，2为下印花辊，21为下印花辊对应的极板花纹，3为未经辊压成型的柔性石墨板坯，4为经过辊压成型的柔性石墨板坯。
5为上印花辊，51为上印花辊对应的极板花纹，6为下印花辊，61为下印花辊对应的极板花纹。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提条件下进行，现给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
现欲制备厚度为0.75mm，长度为300mm的辊压柔性石墨单极板，使用如图1中印花辊辊筒对包括上印花辊1和下印花辊2，其中，上印花辊1上设有上印花辊对应的极板花纹11，下印花辊2上设有下印花辊对应的极板花纹21，且印花花纹对应的极板长度方向平行于辊面方向。未经辊压成型的柔性石墨板坯3置于印花辊辊筒对前，通过以下方法成型：
第一步：调节上印花辊1和下印花辊2之间的辊缝至0.75mm；
第二步：利用送料装置，将未经辊压成型的柔性石墨板坯3送至上印花辊1和下印花辊2之间，并通过对向旋转的上印花辊1和下印花辊2咬入柔性石墨板坯3，并继续正向轧制30mm；经过辊压成型的柔性石墨板坯4如图1所示；
第三步：如图2所示，上印花辊1和下印花辊2反向转动，并带动柔性石墨板坯3反向轧制20mm，此时上印花辊1和下印花辊2的印花纹与经过辊压成型的柔性石墨板坯4部分重合；
第四步：如图3所示，上印花辊1和下印花辊2再次正向轧制30mm；
第五步：如图4所示，上印花辊1和下印花辊2再次反向轧制20mm，如此往复轧制27次；
第六步：经过27次往复轧制后，继续进行正向轧制，将辊压成型后的极板向前送出，与印花辊脱离，此时，极板的辊压成型完毕。
实施例2
现欲制备厚度为1.0mm，宽度为180mm的辊压柔性石墨单极板，使用如图5中所示的印花辊，包括上印花辊5，其上设有上印花辊对应的极板花纹51，下印花辊6，其上设有下印花辊对应的极板花纹61，印花花纹对应的极板长度方向垂直于辊面方向。
第一步：将图5中上印花辊5、下印花辊6之间的辊缝调节至1.0mm；
第二步：利用送料装置，将柔性石墨板坯送至上印花辊5和下印花辊6之间，并通过对向旋转的上印花辊5和下印花辊6咬入柔性石墨板坯，并继续正向轧制50mm；
第三步：上印花辊5和下印花辊6反向转动，并带动柔性石墨板坯反向轧制30mm，此时上印花辊5和下印花辊6的印花纹与第二步轧制过的极板花纹部分重合；
第四步：上印花辊5和下印花辊6再次正向轧制50mm；
第五步：上印花辊5和下印花辊6再次反向轧制30mm，如此往复轧制8次；
第六步：经过8次往复轧制后，继续进行正向轧制，将辊压成型后的极板向前送出，与印花辊脱离，此时，极板的辊压成型完毕。
实施例3
一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其中第一步中带有一对印有待成型极板花纹的印花辊的辊压机的辊缝调节至单极板目标厚度值0.4mm；印花辊辊径为200mm；多次往复辊压，正向轧制板坯10mm。反向轧制板坯5mm。
其余同实施例1。
实施例4
一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其中第一步中带有一对印有待成型极板花纹的印花辊的辊压机的辊缝调节至单极板目标厚度值1.2mm；印花辊辊径范围为600mm；多次往复辊压，正向轧制板坯100mm，反向轧制板坯90mm。
其余同实施例1。
上述各实施例方法制得的极板性能如下：
Figure BDA0002929924970000061

Claims (9)

1.一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，根据待成型极板花纹结构特征，镜像制作印花辊辊筒对，将印花辊辊筒对安装在辊压机上应用至连续的生产线上以加工极板，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将辊压机的印花辊辊筒对之间的辊缝调节至单极板目标厚度值；
(2)利用送料装置将柔性石墨板坯送至印花辊辊筒对前，并利用印花辊辊筒对的对向转动咬入柔性石墨板坯；
(3)待柔性石墨板坯被咬入后，继续正向轧制板坯10～100mm，随后，上下印花辊同时反向转动，使得柔性石墨板坯反向轧制5～90mm，一次正向轧制加一次反向轧制称为一次往复辊压；一次往复辊压中反向轧制距离小于正向轧制距离5～10mm，从而保证柔性石墨板坯经过每一次往复辊压都会向前移动；
(4)经过数次的往复辊压轧制后，极板成型完毕，并与印花辊脱离；
(5)对辊压成型后的柔性石墨极板进行后续处理。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，所述的单极板目标厚度值为0.4～1.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，所述的印花辊辊筒对包括上下镜像设置的两个印花辊，印花辊的辊径范围为200～600mm，辊压机使用双电机各自驱动上下印花辊的驱动方式。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，所述的双电机为伺服电机，双电机同步驱动上下印花辊。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，步骤1)通过调整辊压机使印花辊辊筒对前后及左右对位准确，确保辊压出的柔性石墨极板流场不发生错位。
6.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，步骤2)送料装置的送料速度为5～75s/片。
7.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，步骤3)印花辊正向转动速度为3～30cm/s，反向转动速度与正向转动速度相同。
8.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，多次往复辊压的过程中，上下印花辊之间的辊缝与所制备的板材厚度相同，在辊压过程中保持不变，辊压的压力为3～25ton。
9.根据权利要求1所述的一种燃料电池柔性石墨极板的辊压成型方法，其特征在于，多次往复辊压生产设定距离后，辊压机重新进行原点复位。
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