CN113113629B - 一种双极板的密封工艺及其应用的双极板、燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双极板的密封工艺及其应用的双极板、燃料电池,通过堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，对所述极板堆叠体进行真空热压，使得各阴极板和与其对应相邻的阳极板通过密封胶封装得到具有内部冷却通道的双极板；其中，在所述堆叠放置过程中，在每个双极板对应的阴极板和阳极板之间放置使两者具有间隔的支撑物，避免位于所述阴极板和阳极板之间的密封胶发生接触；在所述真空热压过程中，双极板内的支撑物被熔化进入冷却通道，使得位于所述阴极板和阳极板之间的密封胶完成固化密封接触；本发明适合双极板的大规模、低成本生产；同时满足了双极板的密封可靠性和耐久性，进而提高提升了双极板的质量和电堆的寿命。

Description

一种双极板的密封工艺及其应用的双极板、燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池制造领域，具体涉及一种双极板的密封工艺，本发明还涉及了该密封工艺应用的双极板和燃料电池。
背景技术
双极板是燃料电池电堆的主要部件，通常由阳极板和阴极板粘接密封成型；其中，阳极板和阴极板的外表面分别和膜电极进行密封堆叠接触组成氧化剂、还原剂和各反应生成物的流动通道，同时阳极板和阴极板之间设有用于通入冷却介质的冷却通道。因此，确保对双极板内部冷却通道的密封同样是设计和组装燃料电池电堆的一个关键，决定着燃料电池电堆的性能和使用寿命。
常规的金属双极板一般采用焊接的方法实现密封，而石墨极板，硅基极板，或其他复合材料极板都采用点胶和丝网印刷的技术实现冷却剂的密封, 其中点胶技术的缺点是：
·生产效率偏低，不利于大规模生产。
·密封件较厚，在极板之间占据较大的空间，或将胶点入较厚的极板的凹槽，才能实现双极板的密封，因而点胶技术给提高燃料电池电堆的功率密度提升带来了障碍。
·密封件较宽，密封区域在极板上占据较大的区域，也不利于提高电堆的功率密度。
虽然采用丝网印刷的技术可以在极板上均匀地涂布上一层密封胶(相关应用实施优选结构方案可具体参见申请人的在先申请CN112002922A)，将阳极板和阴极板粘接在一起，制作双极板。由于密封胶很薄，不仅减少了密封材料的成本，适合大批量生产，而且有利于电堆功率密度的提升。然而，申请人在批量应用实验后，发现该技术仍然面临如下技术问题：
1、丝网印刷密封胶后将阳极板和阴极板在空气中压合在一起，阳极板和阴极板之间由于密封区域内残留空气而产生很多气泡，这些气泡很容易形成泄露通道，造成密封失效，降低双极板和电堆成品率和可靠性。
2、基于常规技术手段的启示，人们采用先抽真空再将双极板对准压合在一起的方式用于规避极板间密封区域内的气泡，提高双极板的成品率，然而这种工艺每次只能制作一片双极板，难以在大规模生产中推广实施，具体理由如下：
如果采用先压合再抽真空，只能将位于边缘的密封胶体气泡抽掉，密封胶体内部中的大部分气泡还是无法去除，因此在实施时，需要采用先抽真空再压合的方式，然而这种方式一般一次只能制作一对双极板，生产效率较低。
因此，基于以上技术现状，本申请人致力于寻求更加优选的密封技术方案来有效改善燃料电池电堆用双极板的密封性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双极板的密封工艺及其应用的双极板、燃料电池,适合双极板的大规模、低成本生产；同时满足了双极板的密封可靠性和耐久性，进而提高提升了双极板的质量和电堆的寿命。
一种双极板的密封工艺，通过堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，对所述极板堆叠体进行真空热压，使得各阴极板和与其对应相邻的阳极板通过密封胶封装得到具有内部冷却通道的双极板；其中，在所述堆叠放置过程中，在每个双极板对应的阴极板和阳极板之间放置使两者具有间隔的支撑物，避免位于所述阴极板和阳极板之间的密封胶发生接触；在所述真空热压过程中，双极板内的支撑物被熔化进入冷却通道，使得位于所述阴极板和阳极板之间的密封胶完成固化密封接触。
优选地，所述支撑物的熔点小于所述密封胶的固化温度。
本申请中的真空热压具体可采用：先对所述极板堆叠体抽真空，再对极板堆叠体加热，支撑物被熔化进入冷却通道后，进一步对极板堆叠体施加一定压力，然后再升温至所述密封胶的固化温度。
优选地，所述真空热压包括：预先对所述极板堆叠体进行抽真空至达到目标真空度，然后对极板堆叠体进行加热真空压合；更优选地，目标真空度的绝对压力在10Pa以下。
优选地，所述支撑物在堆叠放置过程中呈固态，且在所述真空热压过程中被熔化成液态或气态。
优选地，在双极板完成固化密封接触后通过清洗去除位于冷却通道内的支撑物。
优选地，所述支撑物采用水合结晶物或有机支撑物或冰。
优选地，所述水合结晶物包括Na2CO3·10H2O或CH3COONa·3H2O或Na2SO4·10H2O 或Na2S2O3·5H2O或KAl(SO4)2·12H2O或Ca(NO3)2·4H2O，或其他公知的水合结晶物。
优选地，所述有机支撑物包括一水葡萄糖。
优选地，在真空热压治具内堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，并通过真空热压治具对该极板堆叠体提供预压力，然后将真空热压治具置于真空热压设备中进行真空热压。
优选地，单个双极板中的至少1个极板在其堆叠接触面设有流道脊，在平行的流道脊之间形成所述冷却通道，将所述支撑物设置在所述流道脊的表面；同时单个双极板中的至少1个极板在其堆叠接触面外周设有所述密封胶。
优选地，一种双极板，包括堆叠密封为一体的阴极板和阳极板，采用如上所述的密封工艺制备得到。
优选地，一种燃料电池，其电堆包括电接触的双极板和膜电极，所述双极板采用如上所述的双极板。
需要说明的是，本申请涉及的极板可以采用硅基极板，也可以采用石墨极板或其他材质复合极板，当然也可以采用金属极板，本申请对此没有特别限定之处。
还需要说明是,本申请涉及的密封胶可以是任何密封胶，如硅橡胶、环氧胶或双组分密封胶等。优选采用适合丝网印刷的加热固化胶，选用的密封胶应具有很长的操作时间，不会在室温环境下改变其物化性能；更优选的密封结构优选方案可以直接参见CN112002922A，本申请对此没有特别创新之处。
本发明创造性提出在对极板进行真空热压前，通过预先在每个双极板中的阴极板和阳极板之间设置用于间隔的支撑物，使得阴极板和阳极板不会发生密封接触，进而可以得到间隔式的极板堆叠体，同时在后续真空热压的同时，双极板内的支撑物被熔化进入冷却通道，使得位于阴极板和阳极板之间的密封胶相互接触并完成固化密封，可以一次性对多个双极板在真空热压环境完成密封胶固化，适合双极板的大规模、低成本生产；同时双极板中的密封胶内不会由于残留空气而产生气泡，满足了双极板的密封可靠性和耐久性，进而提高了双极板的质量和电堆的寿命；此外，本发明采用的支撑物成本低廉，可通过冷却通道排出，不会对燃料电池电堆和外部环境带来负面影响。
附图说明
图1是本申请具体实施方式下双极板在密封状态下的结构示意图；
图2是本申请具体实施方式下制作双极板的操作步骤框图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种双极板的密封工艺，通过堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，对极板堆叠体进行真空热压，使得各阴极板和与其对应相邻的阳极板通过密封胶封装得到具有内部冷却通道的双极板；其中，在堆叠放置过程中，在每个双极板对应的阴极板和阳极板之间放置使两者具有间隔的支撑物，避免位于阴极板和阳极板之间的密封胶发生接触；在真空热压过程中，先对极板堆叠体抽真空，再对极板堆叠体加热，双极板内的支撑物被熔化进入冷却通道，进一步对极板堆叠体施加一定压力，然后继续升温至密封胶的固化温度，使得位于阴极板和阳极板之间的密封胶完成固化密封接触。更优选地，为了便于堆叠的操作精度和操作效率，在本实施方式中，通过在真空热压治具内堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，并通过真空热压治具对该极板堆叠体提供预压力(避免极板堆叠体发生形变，提供预压力的方式可以通过电动推杆或压力弹簧，本领域技术人员可以根据实际情况进行常规选择，本实施例对此不做特别限定)，然后将真空热压治具置于真空热压设备中进行真空热压。
优选地，在本实施方式中，支撑物的熔点小于密封胶的固化温度，确保在真空热压时，支撑物在密封胶达到固化温度之前完成熔化；具体优选地，支撑物的熔点位于40-80℃之间；
优选地，在本实施方式中，真空热压包括：预先对极板堆叠体进行抽真空至达到目标真空度，然后对极板堆叠体进行加热真空压合；其中，目标真空度可以根据实际控制需要进行选择，例如，可通过真空泵将真空热压环境的绝对压强设置在不大于10Pa，尽可能将极板堆叠体真空热压环境内的空气全部排出，杜绝在后续真空热压时，极板堆叠体的密封胶在压合固化时残留的空气产生气泡；
优选地，在本实施方式中，支撑物在堆叠放置过程中呈固态，且在真空热压过程中被熔化成液态或气态；在双极板完成固化密封接触后通过清洗去除位于冷却通道内的支撑物；进一步优选地，支撑物可通过清洗溶解，溶解后具有很好的流动性(很小的粘滞系数)，在施加在极板上的压力作用下，支撑物溶解物快速流至双极板的冷却通道中；更优选地，支撑物可在低于密封胶的固化温度下实现脱水，减小支撑物溶解物所占据的冷却通道空间，在完成制作双极板后很容易在流动的溶剂中清洗，为了提高清洗效率，也可以在双极板燃料电池电堆完成制作后，再用流动的溶剂通入冷却通道中完成清洗。
优选地，在本实施方式中，支撑物采用水合结晶物或有机支撑物或冰；具体优选地，水合结晶物包括Na2CO3·10H2O或CH3COONa·3H2O或Na2SO4·10H2O或 Na2S2O3·5H2O或KAl(SO4)2·12H2O或Ca(NO3)2·4H2O，或采用其他合适的任意水合结晶物；有机支撑物包括一水葡萄糖，也可以采用满足本申请需求的其他合适有机支撑物，例如醇类有机物，本领域技术人员可以根据本申请对于支撑物的性能要求并结合材料领域的公知常识来选择合适的支撑物，本实施例对此不做特别唯一限定。
需要说明的是，属于本领域公知常识的是，阳极板和阴极板的表面分别设有还原剂流道和氧化剂流道，为了实现内部冷却，阳极板和阴极板之间的堆叠接触面设有冷却流道；具体地，当阳极板和阴极板的堆叠接触面设有冷却流道时，在完成双极板的堆叠密封后，该冷却流道作为双极板的冷却通道；当阳极板和阴极板的堆叠接触面均设有对应配合的冷却流道时，在完成双极板的堆叠密封后，该对应配合的双冷却流道作为双极板的冷却通道。优选地，在本实施方式中，由于申请人发现采用单个极板设置冷却流道时，在进行堆叠预压成型得到极板堆叠体时，其所需对准精度要求相对于采用双冷却流道时的更低，能够满足的工艺窗口更宽，因而可实施性更强，且同样也可满足基本的冷却需求，因此，为了降低工艺标准，本实施例优选采用在仅在阳极板或阴极板的堆叠接触面上设置冷却流道，当然也可以采用双冷却流道的结构设置，这应更利于提高冷却通道的空间，实现了更加高效的冷却效果。
优选地，在本实施方式中，单个双极板中的至少1个极板在其堆叠接触面设有流道脊，在平行的流道脊之间形成冷却通道，将支撑物设置在流道脊的表面，当支撑物被熔化后可以快速进入冷却通道内；同时单个双极板中的至少1个极板在其堆叠接触面外周设有密封胶。
本实施例提出了一种双极板，包括堆叠密封为一体的阴极板和阳极板，采用如上所述的密封工艺制备得到；具体优选地，为了更好说明本实施例双极板的制作过程，请参见图2所示，双极板的优选操作步骤包括如下：
S10)、在阳极板或阴极板的密封区域(通常位于极板流道的外周)印刷上密封胶；其中，印刷密封胶的方式不限于丝网印刷，但申请人通过大量实验摸索和研究验证，认为丝网印刷是目前最为优选的密封胶印刷方法，密封胶的厚度由极板表面的粗糙度和平整度决定，粗糙度或平整度越差，所需的胶越厚，则胶的用量越大，且密封效果也下降。所以密封胶的厚度应尽可能薄，但又能使两个极板在密封区域能完整无缝接触；密封胶的分布图形可以具体参考CN112002922A的相关密封内容，也可以是其他图形；
S20)、在阳极板或阴极板的流道脊上方放置使阳极板和阴极板之间具有间隔的支撑物，具体地，支撑物的厚度大于密封胶的印刷厚度，以确保在后续工艺规程中，在对极板进行热压之前，密封胶不会把两个极板粘在一起；
S30)、在单个极板(阳极板或阴极板)上堆叠上另一极板(阴极板或阳极板)，对准后放置于真空热压治具上，并重复以上步骤将多对极板堆叠起来，得到极板堆叠体，真空热压治具利用压力弹簧等形式给真空热压治具施加一定预压力，避免极板堆叠体发生形变；
S40)、将真空热压治具置于真空热压设备中的真空腔体内，通过真空泵抽真空；
S50)、当真空腔体的真空度达到目标真空度后，启动加热开关，对极板堆叠体进行真空加热，支撑物被熔化流入到冷却通道中，极板上的密封胶将阴极板和阳极板在密封区域粘接在一起。再进一步提升堆叠体的温度至密封胶的固化温度，并保持一定的时间，完成双极板的固化密封接触；需要说明的是，当密封胶的需要加压硫化时，可以在真空热压治具上设置加压装置，在支撑物熔化之后增加对极板堆叠体的压力，利于密封胶完成加压硫化；在具体实施时，可根据密封胶的热固化性能来选择并控制对双极板的加热温度和时间，直到密封胶完成固化密封；
S60)、对真空腔体放气后，将真空热压治具取出，再从真空热压治具里将双极板取出；根据密封胶的性能来确定是否需要将双极板放在更高的温度和压力下进行二次硫化，以减小密封胶在燃料电池电堆内部压力下发生永久压缩形变；
S70)、在双极板完成燃料电池电堆制作后，在冷却通道中通入支撑物的溶剂，溶解并清洗该支撑物。当然地，该清洗也可以在双极板制作后完成，但申请人认为这可能需要耗费更多的清洗时间。
本实施例还提出了一种燃料电池，其电堆包括电接触的双极板和膜电极，双极板采用如上所述的双极板。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：本实施例1的其余技术方案同以上实施方案，区别在于，在本实施例1中，请结合参见图1所示，在阳极板1的冷却流道面(也就是堆叠接触面)外周密封区通过丝网印刷上设置硅橡胶2(作为密封胶)，硅橡胶2 的厚度为3-6μm；将刷好胶的阳极板1放入真空热压治具中，为了确保放置支撑物3的稳固可靠性，在阳极板1冷却流道区域11的流道脊11a四周分别设置四个对称点，均匀放置一些明矾(作为支撑物3)，然后再在上面叠放阴极板4；按如此步骤重复操作，在真空热压治具5中依次放入5对双极板，完成极板堆叠体的准备。
将放置有极板堆叠体的真空热压治具5置于真空热压机(图未示出)中，先抽真空至真空泵的极限(绝对压强值为3Pa)；然后真空热压机设置为压力模式，施加100N的压力，加热至93℃以上，保持5分钟；然后加压至20kN，加热至150℃保持10分钟，除去真空，冷却双极板。
用水清洗双极板冷却通道内的明矾。
实施例2：本实施例2的其余技术方案同以上实施方案，区别在于，在本实施例2中，同样请结合参见图1所示，在阳极板1的冷却流道面(也就是堆叠接触面)外周密封区通过丝网印刷上设置硅橡胶2，硅橡胶2的厚度为3 -6μm；将刷好胶的阳极板1、阴极板4和真空热压治具全部冷却到0℃以下，在阳极板1冷却流道区域11的流道脊11a四周均匀放置-20℃的小冰块作为支撑物3，然后放置到真空热压治具上，堆叠盖上阴极板4；按如此步骤重复操作，在工装治具5中依次放入5对双极板，完成极板堆叠体的准备。
将放置有极板堆叠体的真空热压治具5置于真空热压机(图未示出)中，先抽真空至真空泵的极限(绝对压强值为3Pa)；然后真空热压机设置为压力模式，施加100N的压力，加热至0℃以上，保持5分钟；然后加压至20kN，加热至150℃保持10分钟，除去真空，冷却双极板。
由于本实施例2使用冰作为支撑物3，对双极板没有任何污染，不需要清洗。然而申请人也发现：由于极板1，4和支撑物3都需在零度以下(通常需要放置在冷冻室进行放置堆叠操作，由于在将极板1，4从冷冻室中移到真空热压机的过程中，阳极板1以及阳极板1上硅橡胶2可能会结霜，而霜融化成水，这对密封不利。而且如果在真空度还没有抽到较高的真空度时，作为支撑物3的冰存在可能会发生熔化的风险，进而阳极板1和阴极板4可能会粘接到一起，而且硅橡胶2中还有可能有气泡。因此，使用冰作为支撑物3 时，建议对整个真空热压治具5，极板1，4和支撑物3都冻到很低的温度，且最好冷冻室也能够抽真空，并在真空室内也可以加热，确保整个低温过程中，极板1，4上不会结霜。
实施例3：本实施例3的其余技术方案同以上实施方案，区别在于，在本实施例3中，同样请结合参见图1所示，在阳极板1的冷却流道面(也就是堆叠接触面)外周密封区通过丝网印刷上设置硅橡胶2，硅橡胶2的厚度为3 -6μm；将刷好胶的阳极板1放入真空热压治具5中，为了确保放置支撑物3 的稳固可靠性，在阳极板1冷却流道区域11的流道脊11a四周分别均匀放置一水葡萄糖(作为支撑物3)然后再在上面叠放阴极板4；按如此步骤重复操作，在真空热压治具5中依次放入5对双极板，完成极板堆叠体的准备。
将放置有极板堆叠体的真空热压治具5置于真空热压机(图未示出)中，先抽真空至真空泵的极限(绝对压强值为3Pa)；然后真空热压机设置为压力模式，施加100N的压力，加热至83℃以上，保持5分钟；然后加压至20KN，加热至150℃保持10分钟，除去真空，冷却双极板。
用水清洗双极板冷却通道内的葡萄糖；由于葡萄糖的表面张力较大，在极板的冷却通道中容易发生堵塞，导致在清洗葡萄糖时，水可能不能注入到冷却通道内，申请人建议在真空环境下去除冷却通道中的空气，使水能够接触到葡萄糖，并将葡萄糖快速溶解。由于葡萄糖在水中的溶解度很高，只要水能接触到葡萄糖，葡萄糖就会快速溶解，而且葡萄糖对极板没有什么可以预见的害处。
在其他实施方式中，还使用五水硫代硫酸钠、绿矾(二水硫酸亚铁)等水合结晶物作为本申请在实施时的支撑物。考虑到它们的熔点不一样，且脱水的温度也不一样，申请人为此做了研究后发现，如果支撑物的熔点低于室温，则极板和密封胶很容易结露甚至结霜，如同实施例2使用冰作为支撑物时面临的技术问题类似。为了规避极板上结冰和结霜问题，考虑到真空热压机在批量制作双极板之后的余温，我们优选熔点高于45度的水合结晶物作为支撑物，同时由于密封胶在温度越高时固化速度加快，如果支撑物的熔点太高，则在支撑物溶解、极板压合之前密封胶就可能已经开始固化，因此我们优选熔点比密封胶固化温度低50℃的水合结晶物。比如，对于固化温度为15 0℃的密封胶，优选熔点低于100℃的水合结晶物。
当然地，本申请仅为列举了部分实施例，本领域技术人员还可以根据实际需要来选择不同数量、形状的闭合状密封胶线道以及密封隔断胶线来得到大量的替换实施例，这些替换实施例的变化均可以带来在密封效果上的积极技术效果，也属于本领域技术人员基于本申请技术内容可做出的常规技术选择，因此本申请不再做更多展开说明。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (11)

1.一种双极板的密封工艺，其特征在于，通过堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，对所述极板堆叠体进行真空热压，使得各阴极板和与其对应相邻的阳极板通过密封胶封装得到具有内部冷却通道的双极板；其中，在所述堆叠放置过程中，在每个双极板对应的阴极板和阳极板之间放置使两者具有间隔的支撑物，避免位于所述阴极板和阳极板之间的密封胶发生接触；在所述真空热压过程中，双极板内的支撑物被熔化进入冷却通道，使得位于所述阴极板和阳极板之间的密封胶完成固化密封接触；所述支撑物的熔点小于所述密封胶的固化温度。
2.根据权利要求1所述的密封工艺，其特征在于，所述真空热压包括：预先对所述极板堆叠体进行抽真空至达到目标真空度，然后对极板堆叠体进行加热和压合。
3.根据权利要求1所述的密封工艺，其特征在于，所述支撑物在堆叠放置过程中呈固态，且在所述真空热压过程中被熔化成液态。
4.根据权利要求1所述的密封工艺，其特征在于，在双极板完成固化密封接触后通过清洗去除位于冷却通道内的支撑物。
5.根据权利要求1或3或4所述的密封工艺，其特征在于，所述支撑物采用水合结晶物或有机支撑物或冰。
6.根据权利要求5所述的密封工艺，其特征在于，所述水合结晶物包括Na2CO3·10H2O或CH3COONa·3H2O或Na2SO4·10H2O或Na2S2O3·5H2O或KAl(SO4)2·12H2O或Ca(NO3)2·4H2O。
7.根据权利要求5所述的密封工艺，其特征在于，所述有机支撑物包括一水葡萄糖。
8.根据权利要求1所述的密封工艺，其特征在于，在真空热压治具内堆叠放置多个阴极板和多个阳极板得到极板堆叠体，并通过真空热压治具对该极板堆叠体提供预压力，然后将真空热压治具置于真空热压设备中进行真空热压。
9.根据权利要求1所述的密封工艺，其特征在于，单个双极板中的至少1个极板在其堆叠接触面设有流道脊，在平行的流道脊之间形成所述冷却通道，将所述支撑物设置在所述流道脊的表面；同时单个双极板中的至少1个极板在其堆叠接触面外周设有所述密封胶。
10.一种双极板，包括堆叠密封为一体的阴极板和阳极板，其特征在于，采用如权利要求1-9之一所述的密封工艺制备得到。
11.一种燃料电池，其电堆包括电接触的双极板和膜电极，其特征在于，所述双极板采用如权利要求10所述的双极板。
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