CN114851685A - 一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双极板密封槽的改性方法，具体涉及一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，包括如下步骤：S1：将丝印网版贴合于双极板上，遮盖双极板密封槽以外的区域；S2：通过静电喷涂将静电喷涂粉末材料喷涂于密封槽表面；S3：将步骤S2喷涂完成的双极板经流平和固化后，得到表面改性的双极板密封槽。与现有技术相比，本发明的改性后的双极板密封槽能够形成一层质密且粗糙度低的高分子材料涂层，其相对于极板本体材料与大多数胶黏剂能够具有更好的粘接耐久性，对于双极板密封胶选型、密封工艺简化、返修经济性、电堆密封耐久性等有较大帮助。

Description

一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法

技术领域

本发明涉及一种双极板密封槽的改性方法，具体涉及一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法。

背景技术

燃料电池是一种清洁、高效的能源利用方式，通常以氢为最佳燃料不经过燃烧过程而直接以电化学反应的方式，将氢燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，发展燃料电池对于改善环境，实施能源可持续发展具有重要意义。燃料电池通常需要将多个单体电池串联起来组成电堆，主要构成部件为双极板和膜电极，其中双极板及其与膜电极的气密性直接决定燃料电池电堆的性能、寿命和安全可靠性，传统的密封方式为弹性体密封件摆放于双极板密封槽内，与膜电极边框贴合后通过压堆力压缩密封，近年来出现了更多种的密封方式，包括使用胶黏剂将膜电极与双极板进行粘接密封，使用胶黏剂将弹性体与双极板进行粘接固定增加密封性能等方式，但双极板密封槽表面特性取决于双极板本体材料，其通常不具备良好的密封界面特性，所以提高双极板密封槽易粘接密封的特性对于燃料电池核心零部件的密封可行性、可靠性和耐久性十分重要。

中国专利CN112993300A公开了一种用于燃料电池金属双极板涂层的过渡层，该过渡层位于金属基底与涂层之间，一方面通过与金属基底间的冶金结合，能有效提升涂层与基底间的结合力，防止涂层脱落，另一方面，过渡层通过表面钝化作用，在燃料电池工况下能形成耐蚀钝化层，有效抑制贯穿性针孔的产生，防止腐蚀介质向金属基底渗透，提升金属板的抗腐蚀能力。但是该方法仅能防止涂层脱落，抑制贯穿性针孔产生，防止腐蚀介质向金属基底渗透，提升金属板的抗腐蚀能力，对双极板与膜电极间的密封不起作用，无法从根源上解决该问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，通过静电喷涂工艺和丝网印刷工艺相结合，在固化成型后，能够有效提高双极板，尤其是柔性石墨双极板的密封性和耐久性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，包括如下步骤：

S1：将丝印网版贴合于双极板上，遮盖双极板密封槽以外的区域；

S2：通过静电喷涂将静电喷涂粉末材料喷涂于密封槽表面；

S3：将步骤S2喷涂完成的双极板经流平和固化后，得到表面改性的双极板密封槽。

优选地，所述的丝印网版包括网框、固定于网框内部的丝网以及用于遮盖双极板密封槽以外的双极板部分的感光胶层；所述的感光胶层贴合于丝网上。在将丝印网版对准双极板固定后，感光胶层能够覆盖双极板的反应区(导电区)，而非反应区(待喷涂区)则可以透过丝印网版接收静电喷涂粉末材料，有效规定了后续静电喷涂时静电喷涂粉末材料的落点位置，既不会影响双极板的规定性能，最终又能够得到喷涂均匀的高分子材料涂层，进而能够提高双极板的密封可行性、可靠性以及耐久性。

优选地，所述的丝网为不导电材料。丝网采用不导电材料不会影响静电喷涂。丝网的设计与双极板密封槽图形相一致，可以在丝印网版固定于双极板上后，能够刚好覆盖密封槽以外的区域。

优选地，所述的丝网为尼龙材料。网版丝网常规材料有尼龙、不锈钢等，其中尼龙材料不导电，易于编织，能够满足静电喷涂对丝网的要求，并且其价格低廉，原料来源广，耐久性好，相对于不锈钢等导体不会对静电粉末进行吸附影响粉末透过网孔，适合于用于本发明的方法使用。

优选地，所述的丝网的目数为30～50目。常规丝网网版的目数最低在30目左右，若继续降低丝网的目数会大幅降低经济效益；而当目数超过50目，网孔变小不利于粉末的通过，进而会导致表面改性效果差。

优选地，所述的静电喷涂粉末材料为环氧树脂粉末。环氧树脂是常用的密封胶的材料，其密封性能良好，在本发明中用于对双极板表面进行改性，不仅能够提高双极板表面的密封可行性、可靠性以及耐久性，还可以进一步扩大胶黏剂的选型范围，进而能够为进一步提高密封性或者用于特殊用途的燃料电池提供基础。此外，通过静电喷涂能够更好的保证均匀性和厚度可控性，通过设计能够保证不影响双极板性能，同时改性后的双极板也不会影响粘接密封结构。

优选地，所述的静电喷涂粉末材料的粒径为10～90μm。

优选地，所述的双极板为石墨双极板。本发明主要是用于石墨双极板，尤其是柔性的石墨双极板。由于柔性石墨双极板其表面为片层结构，因而其表面剥离程度差，同时其表面的表面能和粘结性能差，使得采用胶粘剂的方法较难实现完全的固定密封。本发明能够在不改变燃料电池双极板溢胶槽等复杂结构的前提下对表面施加一层均匀涂层进行改性，可以做到既不影响粘接密封结构，又提高表面的密封可行性。

优选地，所述的流平的温度为120～150℃，时间为5～10min。

优选地，所述的固化的温度为120～150℃，时间为10～20min。固化温度低于120℃，则固化效率低，使得整体生产效率降低，影响效益；而当固化温度高于150℃，容易对柔性石墨双极板造成如鼓泡等损伤，可能会使得双极板报废。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明结合丝网印刷(丝印网版)和静电喷涂两种工艺，能够将改性用的静电喷涂粉末材料准确、均匀的喷至双极板密封槽区域，能够保证在不影响双极板原有性能的前提下，能够对双极板表面进行改性，使密封槽能够提升密封可行性、可靠性及耐久性，并能提高密封槽密封应力的承受上限。此外，采用静电喷涂的方式能够良好的控制最终涂层的均匀性以及厚度，同时，还可以适用于各种复杂结构的喷涂，具有良好的控制性能和适应性能。

2、燃料电池双极板密封槽表面特性取决于极板成型材料，如机加工石墨板表面粗糙度普遍偏高，模压柔性石墨板密表面本体剥离强度差，冲压金属双极板表面镀层不易粘接等。本发明用于双极板表面的改性，主要是石墨双极板表面的改性，尤其是针对于柔性石墨双极板表面的改性，能够形成一层质密且粗糙度低的高分子材料涂层，其相对于极板本体材料与大多数胶黏剂能够具有更好的粘接耐久性，对于双极板密封胶选型、密封工艺简化、返修经济性、电堆密封耐久性等有较大帮助。

附图说明

图1为本发明的丝印网版的结构示意图；

图2为本发明的静电喷涂过程的结构示意图；

图3为本发明的双极板的结构示意图；

图4为改性前与改性后的柔性石墨板样品的抗压强度对比示意图；

图5为改性前与改性后的柔性石墨板样品的抗弯强度对比示意图；

图6为改性前与改性后的柔性石墨板样品的表面能对比示意图；

图中：1-网框；2-丝网；3-感光胶层；4-静电喷涂枪；5-静电喷涂粉末；6-双极板；7-密封槽。

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。

以下实施例中未做特殊说明，则可以采用本领域技术人员能够常规获得的市售产品。

实施例

一种利用丝印网版静电粉末喷涂对燃料电池双极板密封槽进行表面改性的工艺方法，如图1-3所示，通过制作一个具有与双极板密封槽图形一致的30目的不导电尼龙丝网2、起结构支撑强度的网框1、遮蔽双极板非密封槽区域的感光胶层3的丝印网版，其与双极板6(本实施例为柔性石墨双极板)进行定位贴合后感光胶层3遮蔽双极板6除密封槽7以外的区域，使用静电喷涂枪4将静电喷涂粉末材料5(环氧树脂粉末)通过丝印网版的丝网2喷涂于双极板6密封槽7表面，然后将喷涂好的双极板6放入130℃的热烘箱30min使静电喷涂粉末5熔融流平固化在密封槽7表面形成一层高分子材料涂层，以提升双极板密封可行性、可靠性及耐久性。

对比例

采用与实施例1相同的柔性石墨板样品(未经表面改性)。

如图4-6所示，对10组产品(实施例和对比例)进行性能测试，柔性石墨板样品表面改性处理后抗压强度提升约25％、抗弯强度提升约18％、表面能提升约15％。

从抗压、抗弯强度数据对比上能明显得知，常规不改性的双极板密封槽特别是过桥区域承受密封件压力的上限低于改性后的双极板，从而改性后的双极板能够承受更大的密封应力，得到更好的密封性能，此实际表现为常规不改性的双极板密封槽过桥区域受到超过其抗压上限的密封应力时会出现局部凹痕，而同样的密封应力作用于改性后的双极板密封槽不会出现凹痕；

不采用网版喷涂无法针对双极板密封槽除外的其他区域进行精准遮蔽操作，不采用静电喷涂工艺如液体喷涂工艺无法在密封槽表面形成均匀的静电吸附层，液体会有流动性造成密封槽底部厚度比侧面厚，且液体容易在通过网版网孔时集聚堵住网孔，不利于批量操作；

网版目数如偏大超过30～50目范围，网孔变小后不利于粉末的通过性，喷涂后固化温度低于120～150℃固化效率变低，超过120～150℃容易对柔性石墨双极板造成损伤如鼓泡等现象)。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将丝印网版贴合于双极板(6)上，遮盖双极板(6)密封槽(7)以外的区域；

S2：通过静电喷涂将静电喷涂粉末材料(5)喷涂于密封槽(7)表面；

S3：将步骤S2喷涂完成的双极板(6)经流平和固化后，得到表面改性的双极板(6)密封槽(7)。

2.根据权利要求1所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的丝印网版包括网框(1)、固定于网框(1)内部的丝网(2)以及用于遮盖双极板(6)密封槽(7)以外的双极板(6)部分的感光胶层(3)；所述的感光胶层(3)贴合于丝网(2)上。

3.根据权利要求2所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的丝网(2)为不导电材料。

4.根据权利要求3所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的丝网(2)为尼龙材料。

5.根据权利要求2所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的丝网(2)的目数为30～50目。

6.根据权利要求2所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的静电喷涂粉末材料(5)为环氧树脂粉末。

7.根据权利要求6所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的静电喷涂粉末材料(5)的粒径为10～90μm。

8.根据权利要求1所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的双极板(6)为石墨双极板。

9.根据权利要求1所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的流平的温度为120～150℃，时间为5～10min。

10.根据权利要求1所述的一种利用网版静电粉末喷涂对极板密封槽表面改性的方法，其特征在于，所述的固化的温度为120～150℃，时间为10～20min。

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