CN115133090A - 一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置及方法 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置及方法；稳定整形装置，上下料驱动单元驱动承载单元沿着导向轨道上料位置到压合位置之间点对点移动；承载单元包括沿着安装架Y方向导向轨道移动的移动板，定位板围绕承载板，下压板驱动定位板上下移动；定位板围绕承载板贴合设置；下压板下移至承载板包围形成用于容纳待整形单电池的压合腔；当压合腔形成时，所述承载板和下压板之间密封接触；所述压合腔两侧的承载板和下压板的均分布有通入冷却媒介的用于单电池在压合过程中降温的管道；所述下压板上方还设有联通压合腔的进出气组件；本发明还公开了稳定整形方法；本发明依次执行预定位，密封压合，同步快速降温，控制单电池的整形和定型。

Description

一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置及方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池生产技术领域，特别是涉及一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置及方法。
背景技术
实际使用的质子交换膜燃料电池是由多个单电池组和起来的电堆，单电池和单电池之间是串联的；单电池结构的均匀稳定影响着电池堆的气密性。
由于单电池在实际的制备过程中需要经过多次的热压和干燥，如CN102074715B公开的用于一体式可再生燃料电池的双效膜电极及其制备方法，其采用 CCM(CatalystCoated on Membrane) 工艺制备膜电极，直接将催化剂热转移到PEM 膜上，在该技术方案中最后的加工温度要在120℃和130℃，且伴随着不同的膜层制备进行了不同温度的烧结，也就意味着单电池各层状结构制备的过程中烧结的温度存在差异，压成的压力大小存在差异，导致单电池的形变是不一致的，在降温后，由于热胀冷缩的存在，原本就存在的应力会释放，导致单电池发生翘曲或者弯曲，从而降低电池堆的密封性。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置，本发明依次执行预定位，密封压合，同步快速降温，控制单电池的整形和定型。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置，包括安装架，设置于安装架的上下料驱动单元、承载单元、下压单元及下压驱动单元；
上下料驱动单元包括安装于安装架的驱动电机、丝杆轨道以及通过电机驱动沿着承载单元沿着导向轨道往复移动进行上料位置到压合位置的点对点定位；
承载单元包括沿着安装架Y方向导向轨道移动的移动板，移动板上方固连一水平设置的刚性承载板，还有一相对承载板在竖直方向上下移动的围绕承载板的定位板，下压单元具有水平挤压面的下压板驱动定位板上下移动；
所述定位板围绕承载板贴合设置，所述定位板的通过弹性件沿着安装轴上下移动；当定位板未受到下压板挤压时，所述定位板凸出于承载板的上表面；
所述下压板下移至承载板包围形成用于容纳待整形单电池的压合腔；
当压合腔形成时，所述承载板和下压板之间密封接触；
所述压合腔两侧的承载板和下压板的均分布有通入冷却媒介的用于单电池在压合过程中降温的管道；
所述下压板上方还设有联通压合腔的进出气组件。
进一步改进，下压驱动单元与所述下压单元的连接结构之间具有相对移动的间隙。本发明中下压驱动单元为伺服电机或者液压缸与下压单元之间采用间隙形成浮动接头，在一定程度防止卡顿。
进一步改进，所述下压单元包括与下压驱动单元间隙连接形成浮动的双轴对称导向连接组件；
所述双轴对称导向连接组件包括与下压驱动单元的执行端形成轴向间隙嵌套的连接座、安装板以及与连接座相对设置安装在安装板下方的用于与承载板上的单电池形成接触挤压的下压执行组件。本发明中双轴对称导向连接组件有效保证了水平挤压面在竖直方向的顺滑移动，即在压合的过程中，施加给单电池的压力是持续的流畅，避免因为卡顿造成力的突然变化对单电池的稳定结构产生影响。
进一步改进，所述下压执行组件包括快速连接组件和与承载板相对设置的下压板；
所述快速连接组件包括将下压板连接在安装板的轴连接件和连接于安装板的安装座，轴连接件的上端伸入安装座形成嵌套同轴连接，轴连接件的下部用于容纳下压板的连接部，轴连接件与下压板通过销轴和旋杆连接。本发明中下压板通过连接组件连接于安装板，通过安装板移动路径的控制以及移动稳定性的控制，利于下压板对单电池的稳定作用；连接组件方便下压板的维护和更换。
进一步改进，安装板两侧通过对称设置的两导向轴安装于所述安装架，所述安装板和导向轴之间设置有直线轴承。本发明利用直线轴承配合间隙浮动，本发明的压合过程流畅稳定。
进一步改进，所述定位板中部镂空与承载板形成贴合嵌套；定位板的四角分别设有一长度确定的导向柱，所述导向柱的下端穿过定位板的一角固连于移动板，每一导向柱还套有一弹簧，所述弹簧处于所述定位板和所述移动板之间。本发明定位板与下压板交替对单电池进行包围和限位，在单电池转运和压合的过程中，单电池的位置和压合的位置均固定，加工稳定性好。
进一步改进，所述下压板朝向所述承载板的边缘连续分布有一密封圈，当所述压合腔形成时，所述密封圈处于下压板和承载板之间，所述压合腔为一密封空间。本发明利用下压的操作步骤形成密封空间进一步对密封空间抽气，一方面走了单电池的一部分热量，同时也避免残留在接触面之间的空气层导致热传递速率慢影响快速降温，不利于单电池在控制下实现稳定的一致的应力释放和结构控制。
进一步改进，所述密封圈朝向单电池倾斜设置。随着下压的进行，密封圈有效形成。
进一步改进，所述下压板设有多个用于联通进出气组件的气孔。均匀的进气和出气，减少气流对片状单电池结构和稳定性的影响。
本发明的第二目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的稳定整形方法，本发明利用进料的精准定位配合压合位置及水平下压的稳定控制，进一步在压合的过程快速降温，有效释放单电池的多层片状结构不同的应力，获得一致的结构导向。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种质子交换膜单电池稳定整形的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、将经过热压的余温为100℃至120℃的单电池置于处于上料位置的承载板，所述定位板凸出于承载板包围单电池；
步骤二、驱动电机启动，丝杆轨道带动承载单元定点移动至下压板下方的压合位置；
步骤三、下压驱动单元带动下压板下移依次与定位板接触将定位板下压继而形成下压板对承载板上单电池的包围至下压板下端的密封圈与承载板的边缘接触形成密封的压合腔；
步骤四、将压合腔中空气抽出至负压，调整下压的压力为1MPa至2MPa,保持挤压接触30s至90s；
同时，保持冷却媒介的流动；在压合的过程中快速降温单电池至40℃至50℃；
步骤五、向压合腔内充气至常压状态，下压板复位，定位板升起至对单电池的包围定位，驱动电机带动承载单元初始上料位置，完成整形的单电池下料；如此循环进入下一单电池的整形及定型。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明针对质子交换膜燃料电池各层状部件因为制备温度和制备压力不一致导致降温后发生弯曲或者翘曲，不利于组装所得电池堆密封性的问题，提出了一种在压合下快速降温的方法，促使单电池各层状结构的具有相同的结构导向，且各个单电池的结构导向均一致，所得电池堆的密封性提升；
首先在上料和压合位置利用驱动电机实现位置转移，点对点精准对位，有效保证下压位置的一致性，进一步，通过下压单元的水平接触挤压面在竖直方向稳定接触，且上料以及压合过程定位板和下压板交替对单电池进行定位，压合位置稳定，因此本发明针对单电池整形和定型稳定，利于燃料电池产品品质的管控。
附图说明
图1是本发明涉及的一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置立体图，处于上料状态；
图2是本发明涉及的一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置立体图，处于上料完成状态；
图3是本发明涉及的一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置立体图，处于压合状态；
图4是本发明中稳定整形装置的左视图；
图5是沿着图4中的剖面线A-A所得的剖视图；
图6是图5中B处放大图；
图7是压合机构与驱动机构配合状态示意图；
图8是本发明中快速连接件的立体图；
图9是下压板的立体图。
图中：
安装架1；导向轨道11；上下料驱动单元2；驱动电机21；丝杆轨道22；承载单元3；移动板31；承载板32；定位板33；导向柱34；弹簧35；下压单元4；下压板41；双轴对称导向连接组件42；下压执行组件43；快速连接组件431；轴连接件432；连接座44；安装板45；安装座46；导向轴47；密封圈48；间隙400；下压驱动单元5；压合腔6；单电池7；管道8；进出气组件9。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例公开一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置，如图1至图9所示，包括安装架1，设置于安装架1的上下料驱动单元2、承载单元3、下压单元4及下压驱动单元5；上下料驱动单元2包括安装于安装架1的驱动电机21、丝杆轨道22以及通过驱动电机21驱动承载单元3沿着导向轨道11往复移动进行上料位置到压合位置的点对点定位；承载单元3包括沿着安装架1的Y方向导向轨道11移动的移动板31，移动板31上方固连一水平设置的刚性承载板32，承载板32的周围设有一配合下压单元4的具有水平挤压面的下压板41而相对承载板32在竖直方向上下移动的定位板33；所述定位板33围绕承载板32贴合设置，当定位板33未受到下压板41挤压时，所述定位板33凸出于承载板32的上表面；所述下压板41下移至承载板32包围形成用于容纳待整形单电池7的压合腔6；当压合腔6形成时，所述承载板32和下压板41之间密封接触；所述压合腔6两侧的承载板32和下压板41的均分布有通入冷却媒介的用于单电池7在压合过程中降温的管道8；所述下压板41上方还设有联通压合腔6的进出气组件9。
本实施例中下压驱动单元5与所述下压单元4的连接结构之间具有相对移动的间隙400。本发明中下压驱动单元5为伺服电机或者液压缸与下压单元4之间采用间隙400形成浮动接头，在一定程度防止卡顿。
本实施例中所述下压单元4包括与下压驱动单元5间隙400连接形成浮动的双轴对称导向连接组件42；
所述双轴对称导向连接组件42包括与下压驱动单元5的执行端形成轴向间隙400嵌套的连接座44、安装板45以及与连接座44相对设置安装在安装板45下方的用于与承载板32上的单电池7形成接触挤压的下压执行组件43。本发明中双轴对称导向连接组件42有效保证了水平挤压面在竖直方向的顺滑移动，即在压合的过程中，施加给单电池7的压力是持续的流畅，避免因为卡顿造成力的突然变化对单电池7的稳定结构产生影响。
本实施例中所述下压执行组件43包括快速连接组件431和与承载板32相对设置的下压板41；
所述快速连接组件431包括将下压板41连接在安装板45的轴连接件432和连接于安装板45的安装座46，轴连接件432的上端伸入安装座46形成嵌套同轴连接，轴连接件432的下部用于容纳下压板41的连接部，轴连接件432与下压板41通过销轴和旋杆连接。本发明中下压板41通过快速连接组件431连接于安装板45，通过安装板45移动路径的控制以及移动稳定性的控制，利于下压板41对单电池7的稳定作用；连接组件方便下压板41的维护和更换。
本实施例中安装板45两侧通过对称设置的两导向轴47安装于所述安装架1，所述安装板45和导向轴47之间设置有直线轴承。本发明利用直线轴承配合间隙400浮动，本发明的压合过程流畅稳定。
本实施例中所述定位板33中部镂空与承载板32形成贴合嵌套；定位板33的四角分别设有一长度确定的导向柱34，所述导向柱34的下端穿过定位板33的一角固连于移动板31，每一导向柱34还套有一弹簧35，所述弹簧35处于所述定位板33和所述移动板31之间。本发明定位板33与下压板41交替对单电池7进行包围和限位，在单电池7转运和压合的过程中，单电池7的位置和压合的位置均固定，加工稳定性好。
本实施例中所述下压板41朝向所述承载板32的边缘连续分布有一密封圈48，当所述压合腔6形成时，所述密封圈48处于下压板41和承载板32之间，所述压合腔6为一密封空间。本发明利用下压的操作步骤形成密封空间进一步对密封空间抽气，一方面走了单电池7的一部分热量，同时也避免残留在接触面之间的空气层导致热传递速率慢影响快速降温，不利于单电池7在控制下实现稳定的一致的应力释放和结构控制。
本实施例中所述密封圈48朝向单电池7倾斜设置。随着下压的进行，密封圈48有效形成。
本实施例中所述下压板41设有多个用于联通进出气组件9的气孔。均匀的进气和出气，减少气流对片状单电池7结构和稳定性的影响。
实施例2
本实施例使用实施例1中的稳定整形装置针对经过热压加工的质子交换膜单电池7进行稳定整形的方法，包括以下步骤：
步骤一、将经过热压的余温为100℃至120℃的单电池7置于处于上料位置的承载板32，所述定位板33凸出于承载板32包围单电池7；
步骤二、驱动电机21启动，丝杆轨道22带动承载单元3定点移动至下压板41下方的压合位置；
步骤三、下压驱动单元5带动下压板41下移依次与定位板33接触将定位板33继而形成下压板41对承载板32上单电池7进行包围至下压板41下端的密封圈48与承载板32的边缘接触形成密封的压合腔6；
步骤四、将压合腔6中空气抽出至负压，调整下压的压力为2MPa,保持挤压接触60s；
同时，保持冷却媒介的流动；在压合的过程中快速降温单电池7至40℃至50℃；
步骤五、向压合腔6内充气至常压状态，下压板41复位，定位板33升起至对单电池7的包围定位，驱动电机21带动承载单元3初始上料位置，完成整形的单电池7下料；如此循环进入下一单电池7的整形及定型。
对比例
与实施例2同批次的单电池7，未经实施例2的稳定整形处理。
本发明有效利用了膜电极制备过程中热压以及干燥的余温适应质子膜燃料电池常规80℃至90℃的工作温度，本发明利用恒定压力配合温度下降以及单电池7组件形成密封件的预定型。
评价经过实施例2所得单电池7的整形以及定型效果的方法如下：
单电池7中心位置翘曲高度L1与设计实际厚度的L2的差值δL与实际厚度的比值作为整形的评价指标D，即D=（L1-L2）/ L2*100%；单电池7整形前、整形完毕、整形后24h以及整形后48h的评价指标分别为D1、D2、D3和D4，具体数据详见表1。
表1 实施例1至5以及对比例所得单电池7的整形及定型情况
项目 实施例3 对比例
D<sub>1</sub> 2.8%以下占未处理单电池7总数的99.2% 3.2%
D<sub>2</sub> 0.3%以下占处理过单电池7总数的99.1% 1.8%
D<sub>3</sub> 0.4%以下占处理过单电池7总数的99.0% 2.1%
D<sub>4</sub> 0.4%以下占处理过单电池7总数的98.8% 2.3%
将实施例2处理过的单电池7和对比例中的单电池7组装成电堆，根据GB/T36288—2018测试电堆的气密性，具体的数据详见表2所示。
表2 实施例2以及对比例对应电池堆的气密性测试（mL*(min*m2)-1）
测试指标 标准漏率 实施例2处理过电池的平均漏率 对比例的测试漏率
氢腔外漏 ＜8.0 1.5 6.7
空腔外漏 ＜8.0 2.3 5.5
冷却腔外漏 ＜1.0 0.5 0.9
氢/空窜漏 ＜66.0 2.2 5.5
氢/冷却液窜漏 ＜1.0 0.5 0.8
空/冷却液窜漏 ＜1.0 0.6 0.8
结合表1和表2可知，本发明精准控制压合位置和压合面，利用单电池7在热压过程中的余热配合压力下的快速降温对单电池7中层组组件之间的热胀冷缩进行控制实现单电池7各个零件之间的同步整形，在整形的过程中配合温度变化对形成热胀冷缩的分子运动的路径进行了一定程度的限制，经过结构整形和定型的电池堆在实际使用中温度升高后，由于单电池7是经过整形和定型的，各个单电池7之间的膨胀和变化具有一致性和同步性，因此在组成PEMFC后电池的气密封得到了进一步的提升，本发明利用了温度和应力之间的相互影响，通过一恒定压力的压合伴随快速的接触降温，使得单电池7各个层状部件发生形变是处于同步状态的直至结构稳定，各个层状结构在压合过程中获得了一致的取向实现了单电池7的整形以及定型；
本发明针对质子交换膜燃料电池各层状部件因为制备温度和制备压力不一致导致降温后发生弯曲或者翘曲，不利于组装所得电池堆密封性的问题，提出了一种在压合下快速降温的方法，促使单电池7各层状结构的具有相同的结构导向，且各个单电池7的结构导向均一致，所得电池堆的密封性提升；首先在上料和压合位置利用驱动电机21实现位置转移，点对点精准对位，有效保证下压位置的一致性，进一步，通过下压单元4的水平接触挤压面在竖直方向稳定接触，且上料以及压合过程定位板33和下压板41交替对单电池7进行定位，压合位置稳定，因此本发明针对单电池7整形和定型稳定，利于燃料电池产品品质的管控，适应燃料电池在通气后的实际使用情况，电堆密封性好，符合燃料电池电动汽车关于电池堆的安全要求。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池的稳定整形装置，其特征在于：
包括安装架，设置于安装架的上下料驱动单元、承载单元、下压单元及下压驱动单元；
上下料驱动单元包括安装于安装架的驱动电机、丝杆轨道以及通过电机驱动承载单元沿着导向轨道往复移动进行上料位置到压合位置的点对点定位；
承载单元包括沿着安装架Y方向导向轨道移动的移动板，移动板上方固连一水平设置的刚性承载板，还有一相对承载板在竖直方向上下移动的围绕承载板的定位板，下压单元具有水平挤压面的下压板驱动定位板上下移动；
所述定位板围绕承载板贴合设置；当定位板未受到下压板挤压时，所述定位板凸出于承载板的上表面；
所述下压板下移至承载板包围形成用于容纳待整形单电池的压合腔；
当压合腔形成时，所述承载板和下压板之间密封接触；
所述压合腔两侧的承载板和下压板的均分布有通入冷却媒介的用于单电池在压合过程中降温的管道；
所述下压板上方还设有联通压合腔的进出气组件。
2.根据权利要求1所述的稳定整形装置，其特征在于：下压驱动单元与所述下压单元的连接结构之间具有相对移动的间隙。
3.根据权利要求2所述的稳定整形装置，其特征在于：所述下压单元包括与下压驱动单元间隙连接形成浮动的双轴对称导向连接组件；
所述双轴对称导向连接组件包括与下压驱动单元的执行端形成轴向间隙嵌套的连接座、安装板以及与连接座相对设置安装在安装板下方的用于与承载板上的单电池形成接触挤压的下压执行组件。
4.根据权利要求3所述的稳定整形装置，其特征在于：所述下压执行组件包括快速连接组件和与承载板相对设置的下压板；
所述快速连接组件包括将下压板连接在安装板的轴连接件和连接于安装板的安装座，轴连接件的上端伸入安装座形成嵌套同轴连接，轴连接件的下部用于容纳下压板的连接部，轴连接件与下压板通过销轴和旋杆连接。
5.根据权利要求3所述的稳定整形装置，其特征在于：
安装板两侧通过对称设置的两导向轴安装于所述安装架，所述安装板和导向轴之间设置有直线轴承。
6.根据权利要求3所述的稳定整形装置，其特征在于：所述定位板中部镂空与承载板形成贴合嵌套；定位板的四角分别设有一长度确定的导向柱，所述导向柱的下端穿过定位板的一角固连于移动板，每一导向柱还套有一弹簧，所述弹簧处于所述定位板和所述移动板之间。
7.根据权利要求3所述的稳定整形装置，其特征在于：所述下压板朝向所述承载板的边缘连续分布有一密封圈，当所述压合腔形成时，所述密封圈处于下压板和承载板之间，所述压合腔为一密封空间。
8.根据权利要求3所述的稳定整形装置，其特征在于：所述密封圈朝向单电池倾斜设置。
9.根据权利要求3所述的稳定整形装置，其特征在于：所述下压板设有多个用于联通进出气组件的气孔。
10.一种使用权利要求1至9任一项所述的装置对质子交换膜单电池稳定整形的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、将经过热压的余温为100℃至120℃的单电池置于处于上料位置的承载板，所述定位板凸出于承载板包围单电池；
步骤二、驱动电机启动，丝杆轨道带动承载单元定点移动至下压板下方的压合位置；
步骤三、下压驱动单元带动下压板下移依次与定位板接触将定位板下压继而形成下压板对承载板上单电池的包围至下压板下端的密封圈与承载板的边缘接触形成密封的压合腔；
步骤四、将压合腔中空气抽出至负压，调整下压的压力为1MPa至2MPa,保持挤压接触30s至90s；
同时，保持冷却媒介的流动；在压合的过程中快速降温单电池至40℃至50℃；
步骤五、向压合腔内充气至常压状态，下压板复位，定位板升起至对单电池的包围定位，驱动电机带动承载单元初始上料位置，完成整形的单电池下料；如此循环进入下一单电池的整形及定型。
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