CN112993295B - 一种燃料电池分区复合板及其成型装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池分区复合板及其成型装置和方法，包括反应区复合板和非反应区复合板，其中反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉60‑80份，碳纤维1‑8份，树脂15‑25份，导电炭黑1‑8份；非反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉5‑15份，短碳纤维5‑15份，树脂70‑90份。成型装置包括装填模具(1)和成型模具(2)，其中装填模具(1)设有分别装填反应区复合板和非反应区复合板粉料的填充区，成型模具(2)上设有燃料电池极板模腔，通过模压成型。与现有技术相比，本发明从根本上改善和平衡了密封，导电、强度的关系，减弱对外发电损耗，提高了电堆的可靠性。

Description

一种燃料电池分区复合板及其成型装置和方法

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其是涉及一种燃料电池分区复合板及成型装置和方法。

背景技术

伴随燃料电池技术日趋成熟，作为一种零污染，高效率，可以将化学能直接转变为电能的发电设备已经被越来越多的应用于通讯继站、车载动力、分布式电源等领域。

双极板是燃料电池的核心零部件之一，起到分配气体，传导热量和电能的作用。随着电堆的对体积功率密度要求的逐步提高，双极板和膜电极的轻薄化成为必然趋势。

目前双极板主要包括，金属双极板、石墨双极板以及同时使用两种材料的多层材料的双极板等。其中使用混合材料压铸法所成型的石墨双极板被认为是成型尺寸最准确，完全能满足密封导电等要求的工艺。

在目前公开的石墨双极板资料中，双极板制备使用的是均一的材料，如石墨和树脂以及添加剂的混合固化物。为了保证材料的在导电和导热特性，混合物中的树脂含量相对较低，这导致了强度相对较弱，无法兼顾双极板某些非导电部位高强度的要求。然而，伴随双极板轻薄化的要求越来越苛刻，这些对强度更高要求的部位成为限制石墨双极板的瓶颈。

通过当前专利查询发现，专利主要集中在复合板材料配方，如CN108511764A，以及直接改变双极板基底材料如CN110581291A硅在燃料电池的应用。从一定层面上改善和平衡了密封，导电、强度的关系。而其并没有从根本上解决材料的瓶颈问题。

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分区复合板及成型装置和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种燃料电池分区复合板，包括反应区复合板和非反应区复合板，其中反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉60-80份，碳纤维1-8份，树脂15-25份，导电炭黑1-8份；

非反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉5-15份，短碳纤维5-15份，树脂70-90份。

进一步优选地，反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉70份，碳纤维5份，树脂20份，导电炭黑5份；

非反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉10份，短碳纤维10份，树脂80份。

进一步优选地，所述的反应区复合板的强度为20-50MPa，电阻为10～50μΩ·m，密封特性≯0.02SCCM。

所述的非反应区复合板的强度为50-100MPa。

一种制备所述的燃料电池分区复合板的成型装置，包括装填模具和成型模具，其中装填模具设有分别装填反应区复合板和非反应区复合板粉料的填充区，成型模具上设有燃料电池极板模腔。

所述的装填模具由活动底板和刀锋分隔器组成；

所述的活动底板由分割块、分割块支柱，底座组成，所述的分割块支柱两端分别固定连接分割块与底座；

所述的刀锋分隔器上设有反应粉料填充区、非反应粉料填充区、刀锋片、分割器底架，其中反应粉料填充区与燃料电池极板反应区相匹配，非反应粉料填充区与燃料电池极板非反应区相匹配，刀锋片设置在分割器底架上，其根部与成型模具底部密合。

所述的刀锋片厚度小于0.1mm，采用高强度材料制成，包括模具钢。

所述的分割块大小和形状与刀锋分隔器匹配，使用时，分割块嵌入刀锋分隔器内，且刀锋分隔器和分割块两部分配合间隙为0.02～0.05mm，可以有效防止粉料从缝隙透出。

所述的成型模具包括成型下模和合模定位销，所述的装填模具设有与合模定位销相匹配的定位孔。

一种采用所述的成型装置制备复合板的方法，包括以下步骤：

1)将刀锋分隔器安装在成型模具上，将反应区复合板粉料装填在反应粉料填充区内，并压紧粉料，将非反应区复合板粉料装填在非反应粉料填充区内，并压紧粉料；粉料填充高度不超出刀锋分隔器上沿。

2)在刀锋分隔器上安装活动底板，使分割块嵌入刀锋分隔器内，再次压紧；

3)在维持活动底板不移动条件下，缓慢上升刀锋分隔器，使刀锋分隔器脱离，移开刀锋分隔器和活动底板，完成上料过程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明根据燃料电池极板区域特性使用不同材料配方，制成燃料电池极板，使极板在非导电区域实现高强度，不考虑导电要求，而在反应区域内维持低电阻，相对低强度以及密封特性，从根本上改善和平衡了密封，导电、强度的关系。

2.本发明将制备复合板所使用的粉料分为2种以上，各份间的重要区别是石墨含量(即树脂含量)不同。其中石墨以及导电材料含量最高的部分(一般树脂含量最低)用于极板活性区域的制备，石墨以及导电剂含量最低的部分用于极板活性区域的外边缘制备，以提高强度要求。在粉料之间所使用的树脂热熔特性相近，以保证熔解温度相同。上述各配料粉料使用特殊填料工装装入模压模具的不同区域。进一步整平后，完成后续制备过程，包括如合模，加热、脱模最终实现材料分区的极板。

3.本发明所形成的双极板是区域功能的进一步细分，一般而言，在双极板端口和流场相联通的过桥部分对强度要求更高，在本发明中因不用考虑导电因素使得该部分材料强度会大幅度提高，从而降低该部分厚度，进而减小整个双极板厚度，双极板的厚度可减小至0.5-1.0mm，而同等强度的普通石墨板厚度为1.0-2.0mm。

4.在端口区域使用了非导电材料，在组成电堆后从根本上解决了端口内相邻双极板由于反应水或者冷却液形成的短距离桥接，避免和减弱对外发电损耗；

5.在极板外边缘使用非导电材料，当电堆完成组装后，相邻双极板之间可以免除隔离，而不会造成短路现象，大幅度提高电堆的可靠性。这使得电堆本身具备了IP67特性，不用额外的外包装设计。

6.本发明中使用多种粉料使用的方案，简单易行，不需要对原工艺做大范围改变。

附图说明

图1为本发明复合板的结构示意图；

图2为刀锋分隔器的俯视图；

图3为刀锋分隔器的立体图；

图4为活动底板的结构示意图；

图5为活动底板与刀锋分隔器组合构成的上模具结构示意图；

图6为上模具和下模具分开状态结构示意图；

图7为合模状态示意图；

图8为合模后脱模状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种燃料电池分区复合板，根据燃料电池极板的特性，将极板分为反应区和非反应区，分别采用两种不同的配方的粉料作为燃料电池极板反应区和非反应区的原料，通过模具成型的方法模压成型，成型后的复合板包括反应区复合板和非反应区复合板，其中反应区复合板粉料A配方包括以下重量份组分：石墨粉70份，碳纤维5份，树脂20份，导电炭黑5份；

非反应区复合板原料粉料B配方包括以下重量份组分：石墨粉10份，短碳纤维10份，树脂80份。

要使上述反应区和非反应区一体成型，可采用如图1-8所示模具模压成型，模具包括上模和下模，上模为装填模具1，下模为成型模具2。

其中，装填模具1设有分别装填反应区复合板和非反应区复合板粉料的填充区，装填模具1由活动底板11和刀锋分隔器12组成；如图2-4所示；

所述的活动底板11由分割块111、分割块支柱112，底座113组成，所述的分割块支柱112两端分别固定连接分割块111与底座113；如图4所示；分割块111上设有与极板反应区相匹配的空腔，以及与极板上流体进出口匹配的进出口。

所述的刀锋分隔器12上设有反应粉料填充区121、非反应粉料填充区122、刀锋片123、分割器底架124，其中反应粉料填充区121与燃料电池极板反应区相匹配，非反应粉料填充区122与燃料电池极板非反应区相匹配，刀锋片123设置在分割器底架124上，其根部与成型模具2底部密合。所述的刀锋片123厚度小于0.1mm，采用高强度材料制成，包括模具钢。如图2-3所示；

所述的分割块111大小和形状与刀锋分隔器12匹配，使用时，分割块111嵌入刀锋分隔器12内，且刀锋分隔器12和分割块111两部分配合间隙为0.02～0.05mm，可以有效防止粉料从缝隙透出。(如图5所示)

所述的成型模具2包括成型下模21和合模定位销22，成型下模21设有燃料电池极板模腔，合模定位销22设有至少两个，对称设置在成型下模21上表面对角位置，所述的装填模具1设有与合模定位销相匹配的定位孔。(如图6所示)

采用上述成型装置制备复合板的方法，包括以下步骤：

1将刀锋分隔器12安装在成型模具2上，将反应区复合板粉料A装填在反应粉料填充区121内，并压紧粉料，粉料填充高度不超出刀锋分隔器12上沿，同理，将非反应区复合板粉料B装置在非反应粉料填充区122内，并压紧粉料；

2在刀锋分隔器12上安装活动底板11，使分割块111嵌入刀锋分隔器12内，再次压紧；

3在维持活动底板11不移动条件下，缓慢上升刀锋分隔器12，使刀锋分隔器12脱离，移开刀锋分隔器12和活动底板11，完成上料过程。

得到的复合板结构如图1所示，包括极板非反应区F和极板反应区T。

实施例2

一种燃料电池分区复合板，包括反应区复合板和非反应区复合板，其中反应区复合板粉料配方包括以下重量份组分：石墨粉60份，碳纤维8份，树脂25份，导电炭黑8份；

非反应区复合板粉料配方包括以下重量份组分：石墨粉5份，短碳纤维5份，树脂90份。

其余同实施例1。

实施例3

一种燃料电池分区复合板，包括反应区复合板和非反应区复合板，其中反应区复合板粉料配方包括以下重量份组分：石墨粉80份，碳纤维1份，树脂15份，导电炭黑1份；

非反应区复合板粉料配方包括以下重量份组分：石墨粉15份，短碳纤维15份，树脂70份。

其余同实施例1。

将上述实施例所得极板进行性能测试，结果如下：

。

Claims (8)

1.一种燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，该方法采用的成型装置包括装填模具(1)和成型模具(2)，其中装填模具(1)设有分别装填反应区复合板和非反应区复合板粉料的填充区，成型模具(2)上设有燃料电池极板模腔，装填模具(1)由活动底板(11)和刀锋分隔器(12)组成；成型方法包括以下步骤：

(1)将刀锋分隔器(12)安装在成型模具(2)上，将反应区复合板粉料装填在反应粉料填充区(121)内，并压紧粉料，将非反应区复合板粉料装填在非反应粉料填充区(122)内，并压紧粉料；

其中反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉60-80份，碳纤维1-8份，树脂15-25份，导电炭黑1-8份；非反应区复合板包括以下重量份组分：石墨粉5-15份，短碳纤维5-15份，树脂70-90份；

(2)在刀锋分隔器(12)上安装活动底板(11)，使分割块(111)嵌入刀锋分隔器(12)内，再次压紧；

(3)在维持活动底板(11)不移动条件下，缓慢上升刀锋分隔器(12)，使刀锋分隔器(12)脱离，移开刀锋分隔器(12)和活动底板(11)，完成上料过程。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，所述的反应区复合板的强度为20-50MPa，电阻为1～2mΩ·cm²，密封特性≯0.02SCCM。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，所述的非反应区复合板的强度为50-100MPa。

4.根据权利要求1所述的燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，所述的活动底板(11)由分割块(111)、分割块支柱(112)，底座(113)组成，所述的分割块支柱(112)两端分别固定连接分割块(111)与底座(113)；

所述的刀锋分隔器(12)上设有反应粉料填充区(121)、非反应粉料填充区(122)、刀锋片(123)、分割器底架(124)，其中反应粉料填充区(121)与燃料电池极板反应区相匹配，非反应粉料填充区(122)与燃料电池极板非反应区相匹配，刀锋片(123)设置在分割器底架(124)上，其根部与成型模具(2)底部密合。

5.根据权利要求4所述的燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，所述的刀锋片(123)厚度小于0.1mm，采用高强度材料制成，包括模具钢。

6.根据权利要求4所述的燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，所述的分割块(111)大小和形状与刀锋分隔器(12)匹配，使用时，分割块(111)嵌入刀锋分隔器(12)内，且刀锋分隔器(12)和分割块(111)两部分配合间隙为0.02～0.05mm。

7.根据权利要求1所述的燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，所述的成型模具(2)包括成型下模(21)和合模定位销(22)，所述的装填模具(1)设有与合模定位销相匹配的定位孔。

8.根据权利要求1所述的燃料电池分区复合板的成型方法，其特征在于，步骤1中粉料填充高度不超出刀锋分隔器(12)上沿。

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