CN114068980A - 一种基于燃料电池电堆工艺的单电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于燃料电池电堆工艺的单电池及其制作方法，所述单电池包括密封件、底涂a、双极板总成、底涂b和膜电极；所述密封件和双极板总成通过底涂a连接；所述双极板总成与膜电极通过底涂b连接。所述方法包括：在双极板总成一侧的密封槽内涂抹底涂b；通过定位装置确定膜电极的位置；在一定压力下将膜电极和双极板总成压实，固化底涂b，使膜电极和双极板总成粘合形成半成品；在双极板总成另一侧的密封槽内涂抹底涂a；通过定位装置确定半成品和密封件之间相对位置；将密封件与半成品压实，固化底涂a，完成密封件与半成品的粘合，得到制作完成的单电池。本发明提供的单电池能够提高单电池叠堆的效率以及电堆的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于燃料电池电堆工艺的单电池及其制作方法，属于单电池制作技术领域。
背景技术
目前国内燃料电池领域，大多采用粘结剂粘合阴、阳极单板，制作成双极板总成，并通过其表面的面压密封件对气路、水路做到密封，配合定位柱，每两组双极板总成之间放置膜电极，即可以堆叠组成满足性能需求的电池组。其中，膜电极不仅是氢燃料电池的动力来源，其边框还具有避免相邻的两组双极板总成短路的作用，所以膜电极的边框尺寸必须大于双极板总成的尺寸。
但是就目前叠堆技术而言，膜电极与双极板总成需要分别定位，并且膜电极需要牺牲尺寸来完成定位，导致至少有两条边的膜电极与双极板尺寸一致，这就为电堆的安全性留下隐患。另外，电堆中的随机因素较多，测得的膜电极性能存一定的差异，由于电池之间是串联关系，性能最弱的膜电极性能决定了整个电堆在大电流下整个电堆的最终性能。对于性能一致性不好的电堆，所采取的方式是将有问题的膜电极替换掉，这种方式既浪费时间也会对其他性能较好的极板、膜电极造成影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于燃料电池电堆工艺的单电池及其制作方法，制得的单电池能够提高单电池叠堆的效率以及电堆的整体性能。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种基于燃料电池电堆工艺的单电池，所述单电池包括密封件、底涂a、双极板总成、底涂b和膜电极；所述密封件和双极板总成通过底涂a连接；所述双极板总成与膜电极通过底涂b连接。
结合第一方面，进一步地，各组单电池之间采用堆叠方式配合，所述密封件置于两组单电池之间，所述密封件一侧为单电池的双极板总成，另一侧为相邻一组单电池的膜电极。
结合第一方面，进一步地，所述密封件在堆叠多组单电池的压力下发生形变，回弹力作用于双极板总成和膜电极，以使两组单电池密封。
结合第一方面，优选地，所述密封件采用点胶、极板注塑、膜电极注塑、注塑件粘接方式中任意一种制得。
结合第一方面，优选地，所述密封件根据密封件的材质、弹性模量数据、双极板密封槽尺寸进行设计的。
结合第一方面，进一步地，所述底涂a和底涂b为对膜电极损伤较小并适应燃料电池长期运行工况的胶水。
结合第一方面，进一步地，所述双极板总成的两面分别为阴极面压密封件和阳极面压密封件，所述阴极面压密封件和阳极面压密封件的外表面均设有双极板密封槽。
结合第一方面，进一步地，所述膜电极通过底涂b与所述双极板总成的阴极面压密封件或阳极面压密封件外表面的双极板密封槽粘合，所述密封件通过底涂a与所述双极板总成的阴极面压密封件或阳极面压密封件外表面的双极板密封槽粘合。
结合第一方面，优选地，所述双极板总成的两面之间设有阴极单板、水路密封件和阳极单板，所述水路密封件设于所述阴极单板与所述阳极单板之间，所述阴极单板连接所述阴极面压密封件，所述阳极单板连接所述阳极面压密封件。
结合第一方面，进一步地，所述膜电极的尺寸大于双极板总成。
第二方面，本发明提供一种基于燃料电池电堆工艺的单电池的制作方法，包括：
将膜电极和双极板总成置于加工台上，在双极板总成一侧的密封槽内涂抹底涂b；
通过定位装置确定膜电极的位置；
在一定压力下将膜电极和双极板总成压实，固化底涂b，使膜电极和双极板总成粘合，形成半成品；
将半成品和密封件置于加工台上，在双极板总成另一侧的密封槽内涂抹底涂a；
通过定位装置确定半成品和密封件之间相对位置；
将密封件与半成品压实，固化底涂a，完成密封件与半成品的粘合，得到制作完成的单电池。
结合第二方面，进一步地，还包括对制作完成的单电池进行筛选，包括：
对小批量的制作完成的单电池进行侧漏、湿润和磨合，得到预处理完成的单电池；
采集预处理完成的单电池的I-V曲线并进行数据分析、匹配，筛选得到性能一致的单电池。
结合第二方面，进一步地，所述密封件采用真空吸附或机械手固定或传送带输送的方式与半成品压实。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种基于燃料电池电堆工艺的单电池及其制作方法所达到的有益效果包括：
本发明的双极板总成与膜电极通过底涂b连接，能够允许增加膜电极的边框尺寸，膜电极的四周能够多出双极板总成，从而有效避免短路；
本发明密封件和双极板总成通过底涂a连接，双极板总成与膜电极通过底涂b连接，能够保证密封件、双极板总成和膜电极相对位置的固定，在多组单电池堆叠时能够减少定位次数，降低定位误差；
本发明对制作完成的单电池进行筛选，能够提高单电池的产品安全性，提高堆叠效率以及电堆的整体性能。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的单电池的组成；
图2是本发明实施例2中提供的采用热敏胶粘合膜电极和双极板总成的示意图；
图3是本发明实施例2中提供的采用热敏胶粘合密封件和双极板总成的示意图；
图4是本发明实施例3中提供的采用UV粘合膜电极和双极板总成的示意图；
图5是本发明实施例3中提供的采用UV胶粘合密封件和双极板总成方案中辅助装置的示意图；
图6是本发明实施例3中提供的采用UV胶粘合密封件和双极板总成方案的示意图。
图中：1、密封件；2、双极板总成；3、膜电极；4、底涂a；5、底涂b；6、固化工装底座；7、定位销；8、真空转印盖板；9、膜电极定位底座；10、密封件放置工装；11、固化盖板；12、压力机压头；13、真空吸附转印工装；14、双极板总成吸附工装；15、导向柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例中提供一种基于燃料电池电堆工艺的单电池，单电池包括密封件1、底涂a4、双极板总成2、底涂b5和膜电极3。密封件1和双极板总成2通过底涂a4连接；所述双极板总成与2膜电极3通过底涂b5连接。
各组单电池之间采用叠堆方式配合，密封件1置于两组单电池之间，密封件一侧为双极板总成2，另一侧为另一组单电池的膜电极3。密封件1在一定压力下密封件1发生变形，变形产生的回弹力同时作用于膜电极3以及双极板总成2，从而确保工作面达到密封效果。密封件1的设计应满足在堆叠多组单电池的压力下有足够的压缩变形量以及足够的压缩变形空间，同时必须考虑到膜电极3与双极板总层2之间的底涂b5所占用的空间的要求，所以需要根据密封件1的材质、弹性模量数据、双极板密封槽尺寸进行设计，通过一致性较高的生产工艺制作密封件。
具体的，密封件1的制作可以选择点胶、极板注塑、膜电极注塑、注塑件粘接等工艺方式实现。由于密封件1材质较软，密封件1无法直接装配至双极板总成2的密封槽内，可采用真空吸附、机械手、传送带等方式将密封件沿着定位装置转印至双极板总成2的工作面，利用底涂a4的粘黏性将密封件1牢牢贴合在双极板总成2的密封槽内，从而完成双极板总成2与密封件1的粘接。
底涂a4和底涂b5为对膜电极3损伤较小并适应燃料电池长期运行工况的胶水，包括热熔胶、UV胶、双组份延迟反应胶、压敏胶、热敏胶等。
双极板总成2可根据极板材质复合板、石墨板、金属板等选择点胶、丝网印刷、焊接等工艺方式进行制作。双极板总成2的组成依次为阴极面压密封件、阴极单板、水路密封件、阳极单板、阳极面压密封件，阴极面压密封件和阳极面压密封件的外表面均设有双极板密封槽。
膜电极3与密封件1分别粘合在双极板总成2的两面。膜电极3通过底涂b5与双极板总成2的阴极面压密封件或阳极面压密封件外表面的双极板密封槽粘合。密封件1通过底涂a4与双极板总成的阴极面压密封件或阳极面压密封件外表面的双极板密封槽粘合。
需要说明的是，膜电极3的尺寸大于双极板总成2，膜电极3的四周能够多出双极板总成2，从而有效避免短路。
本实施例还提供一种基于燃料电池电堆工艺的单电池的制作方法，包括：
将膜电极3和双极板总成2置于加工台上，在双极板总成2一侧的密封槽内涂抹底涂b5；
通过定位装置确定膜电极3的位置；
在一定压力下将膜电极3和双极板总成2压实，固化底涂b5，使膜电极3和双极板总成2粘合，形成半成品；
将半成品和密封件1置于加工台上，在双极板总成2另一侧的密封槽内涂抹底涂a4；
通过定位装置确定半成品和密封件1之间相对位置；
将密封件1与半成品压实，固化底涂a4，完成密封件1与半成品的粘合，得到制作完成的单电池。
对制作完成的单电池进行筛选，包括：
对小批量的制作完成的单电池进行侧漏、湿润和磨合，得到预处理完成的单电池；
采集预处理完成的单电池的I-V曲线并进行数据分析、匹配，筛选得到性能一致的单电池。
实施例2：
本实施例提供了一种金属板材质的双极板总成通过热敏胶底涂实现单电池制作的方法。
如图2所示，将双极板总成2定位至图2带加热功能的固化工装底座上，在双极板密封槽内均匀涂抹底涂b5，将膜电极3放入图2的膜电极定位底座9上，通过定位销7进行定位。放置真空转印盖板8，打开真空吸附功能，将膜电极3转印至双极板总成2上，利用定位销7对真空转印盖板8、膜电极3、双极板总成2、固化工装底座6全部定位，打开固化工装底座的加热功能，在压力8000N、温度120℃条件下固化20秒，完成底涂b5的固化，实现膜电极3与双极板总成2的粘合。
如图3所示，将密封件1放置在带加热功能的密封件放置工装10的凹槽内，确保密封件1不会发生变形。在双极板密封槽内均匀涂抹底涂a4，将双极板总成2连同膜电极3通过真空转印盖板8定位至密封件放置工装10上，利用密封件放置工装10上的定位销7约束真空转印盖板8、双极板总成2，打开密封件放置工装10的加热功能，在压力8000N、温度120℃条件下固化20秒，完成底涂a4的固化，实现密封件1与双极板总成2的粘合。
实施例3：
本实施例提供了一种石墨板材质的双极板总成通过UV胶底涂实现单电池制作的方法。
如图4所示，将双极板总成2定位至图4带加热功能的固化工装底座上，在双极板密封槽内均匀涂抹底涂b5，放入将膜电极3进行定位，放置具有穿透紫外线能力的固化盖板11，在压力机压头12施加的一定压力的作用下，将固化盖板11、膜电极3、双极板总成2沿定位装置与固化工装底座压实，当压力机压头的压力值达到8000N时，打开紫外线固化设备，对底涂b5进行固化，实现膜电极3与双极板总成2的粘合。
如图5所示，将双极板总成2定位至固化工装底座6上，在双极板密封槽内均匀涂抹底涂a4，将密封件1放置在密封件放置工装10的凹槽内，确保密封件1不会发生变形。利用定位柱约束密封件放置工装10和真空转印盖板8，利用真空转印工装13的吸附力将真空转印盖板8以及密封件1同时沿图6的导向柱15转印至双极板总成吸附工装14上的双极板密封槽内，打开紫外线固化设备，对底涂a4进行固化，实现密封件1与双极板总成2的粘合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，所述单电池包括密封件、底涂a、双极板总成、底涂b和膜电极；所述密封件和双极板总成通过底涂a连接；所述双极板总成与膜电极通过底涂b连接。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，各组单电池之间采用堆叠方式配合，所述密封件置于两组单电池之间，所述密封件一侧为单电池的双极板总成，另一侧为相邻一组单电池的膜电极。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，所述密封件在堆叠压力下发生形变，产生的回弹力作用于双极板总成和膜电极，以使两组单电池密封。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，所述底涂a和底涂b为对膜电极损伤较小并适应燃料电池长期运行工况的胶水。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，所述双极板总成的两面分别为阴极面压密封件和阳极面压密封件，所述阴极面压密封件和阳极面压密封件的外表面均设有双极板密封槽。
6.根据权利要求5所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，所述膜电极通过底涂b与所述双极板总成的阴极面压密封件或阳极面压密封件外表面的双极板密封槽粘合，所述密封件通过底涂a与所述双极板总成的阴极面压密封件或阳极面压密封件外表面的双极板密封槽粘合。
7.根据权利要求1所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池，其特征在于，所述膜电极的尺寸大于双极板总成。
8.一种基于燃料电池电堆工艺的单电池的制作方法，其特征在于，包括：
将膜电极和双极板总成置于加工台上，在双极板总成一侧的密封槽内涂抹底涂b；
通过定位装置确定膜电极的位置；
在一定压力下将膜电极和双极板总成压实，固化底涂b，使膜电极和双极板总成粘合，形成半成品；
将半成品和密封件置于加工台上，在双极板总成另一侧的密封槽内涂抹底涂a；
通过定位装置确定半成品和密封件之间相对位置；
将密封件与半成品压实，固化底涂a，完成密封件与半成品的粘合，得到制作完成的单电池。
9.根据权利要求8所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池的制作方法，其特征在于，还包括对制作完成的单电池进行筛选，包括：
对小批量的制作完成的单电池进行侧漏、湿润和磨合，得到预处理完成的单电池；
采集预处理完成的单电池的I-V曲线并进行数据分析、匹配，筛选得到性能一致的单电池。
10.根据权利要求8所述的基于燃料电池电堆工艺的单电池的制作方法，其特征在于，所述密封件采用真空吸附或机械手固定或传送带输送的方式与半成品压实。
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