CN110010923B - 一种一体化密封电堆的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于制造技术领域的一种一体化密封电堆的制造方法。本制造方法包括：1)按照电堆设计图纸资料，完成双极板的加工及膜电极的加工；2)采用原位在线点胶工艺，即在双极板两侧分别进行点胶作业；3)采用原位在线灌胶工艺。本发明提供的双极板等间距密封、灌胶或点胶原位封装的工艺路线，从根本上解决目前电堆装配工艺存在的技术缺陷；采用原位点胶或注胶工艺及采用等间距稳态密封工艺，简化了装配工艺，降低了人工、尺寸公差等因素对电堆装配的影响，提升了电堆的一致性、安全性、耐久性和生产效率。

Description

一种一体化密封电堆的制造方法

技术领域

本发明属于制造技术领域，特别涉及一种一体化密封电堆的制造方法。

背景技术

燃料电池是一种能量转化装置,按照电化学原理将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,具有发电效率高,环境污染少的优点,有着广泛的应用前景。由于燃料电池单电池输出功率有限，实际应用中，需要将若干片单电池像“积木”似的堆叠起来，进而组成燃料电池电堆，并以此来满足相应的功率、电压、电流需求。燃料电池的燃料一般是氢气、甲醇、甲烷,空气或氧气等为氧化剂,其中,燃料和氧化剂不能直接接触,需通过密封装置隔开,否则电池的安全性会大为降低，甚至有爆炸的危险。所以密封性能对于燃料电池至关重要。

传统的电堆密封方式是将密封圈放置在双极板上或者在双极板与膜电极之间涂覆密封胶，在一定压力下使密封圈微变形，从而达到密封效果。但这种密封存在几个问题：1)一般这种密封工艺采用的是非原位方法成型密封垫，即先用其他模具制造好密封垫，然后再将成型好的密封垫用点胶方式或其他方式粘结在密封槽内，进而形成密封。可以看出，该工艺一方面较为复杂；另一方面，采用点胶或其他方式将密封垫粘合到双极板的密封槽内，改变了密封槽的深度，严重影响了装配工艺参数，增大了封装时密封线承受的压力，有可能会造成双极板因应力过大而出现机械损伤，同时也会影响电堆性能；此外，采用点胶或其他工艺，将密封垫粘合到密封槽内，对点胶或其他粘结工艺要求较高，目前，采用该方法装配的电堆，经常会出现因密封垫粘结后凸出双极板的高度不同而造成电堆装配失败的现象。2)采用这种密封工艺，电堆的密封及最终的装配效果是动态的，即在密封垫一定的形变区间内，电堆都能密封，但最终的电堆能可能不一样，所以这种密封方式，一方面对装配参数要求非常高，装配力的大小，压装工艺的流程，压装位置等都对最终的装配效果有影响；另一方面，由于双极板、密封垫、上下端板压板的厚度都存在一定公差，这样装配后，势必会出现电堆中膜电极形变大小不一的现象，这直接会影响电堆的性能和运行寿命。

发明内容

本发明的目的是提出一种一体化密封电堆的制造方法，其特征在于，包括：

1)按照电堆设计图纸资料，完成双极板的加工及膜电极的加工；其中双极板两侧密封槽的深度范围在0.25-0.8mm区间，双极板的两个相对的侧面各设计有注胶孔，注胶孔与双极板两侧的密封槽连通，膜电极护边的厚度在0.25-0.45mm区间，膜电极护边的材质为PET、PEN或PI，具有较高的硬度及极小的形变率；

2)若采用原位在线点胶工艺，则在双极板两侧分别进行点胶作业，点胶的截面积小于密封槽的截面积，同时点胶的高度凸出双极板0.05-0.2mm，然后将点完胶的双极板与膜电极按照电堆装配工艺一片一片叠加起来，在电堆的装配台上，对电堆施加一定的压力或扭力，电堆厚度不发生变化，则表明护边已经与双极板完美贴合，实现了等间距稳态密封，最后，待胶自然固化或将整堆置于一定的温度环境下加热固化，即完成电堆装配与密封；

3)若采用原位在线灌胶工艺，则先将双极板与膜电极按照电堆装配工艺一片一片叠加起来，在电堆装配台上，对电堆施加一定的压力或扭力，以电堆厚度不发生变化为准；则表明护边已经与双极板完美贴合，实现了等间距密封；然后将电堆按照一定的方位放置，保证电堆双极板上的两个注胶孔一个在上一个在下，从下面的注胶孔往双极板里面注胶，胶会逐渐地充满整个双极板的两侧密封槽，并从上面的注胶孔流出，待有胶流出，则表明注胶充分，即可停止注胶；然后将两个注胶孔堵住，将电堆置于自然环境下或一定温度的环境下固化，待固化完成，即实现了电堆的装配与密封。

所述对电堆施加一定的压力或扭力即电堆的装配力是依据电堆大小或结构的不同，大小不一，施加到膜电极上的压强范围为0.1-2MPa.；

所述点胶的胶为硅酮类胶、三元乙丙胶或聚烯烃胶。

所述注胶的胶为硅酮类胶或全氟硅胶。

本发明的有益效果本发明提供的双极板等间距密封、灌胶或点胶原位封装的工艺路线，从根本上解决目前电堆装配工艺存在的技术缺陷；采用原位点胶或注胶工艺及采用等间距稳态密封工艺，简化了装配工艺，降低了人工、尺寸公差等因素对电堆装配的影响，提升了电堆的一致性、安全性、耐久性和生产效率。本发明的第一个特点是利用膜电极护边的厚度来确定最终膜电极装配后的厚度，由于护边的形变率极小，所以，在电堆装配过程中，只要护边与双极板完全贴合，电堆装配力不论做多大的调整变化，膜电极形变都保持不变；将之前的动态密封工艺改成了等间距稳态密封工艺，彻底解决了之前因尺寸公差或电堆装配参数的微幅变化而造成电堆失败或电堆一致性较差的问题。第二个特点是原位封装，简化封装流程，降低了不确定因素，提高了装配成功率及效率。

具体实施方式

本发明提出一种一体化密封电堆的制造方法，包括：1)按照电堆设计图纸资料，完成双极板的加工及膜电极的加工；2)采用原位在线点胶工艺，即在双极板两侧分别进行点胶作业；3)采用原位在线灌胶工艺，则先将双极板与膜电极按照电堆装配工艺一片一片叠加起来，在电堆装配台上，对电堆施加一定的压力或扭力，以电堆厚度不发生变化为准。下面结合实施例对本发明予以说明。

实施例1，制造20kw电堆模块

1)按照图纸设计，生产一个20kw电堆，该电堆双极板阴阳极密封槽宽4mm，槽深分别为0.5mm和0.3mm，膜电极有效面积230cm2，膜电极护边材料为0.125mm厚的PET材料，封装后的膜电极护边厚度为0.25mm。

2)利用精密在线点胶机，分别在双极板的阴阳极密封槽上进行点胶作业，所采用的胶为聚烯烃胶，阴极点胶的宽度3mm，高度0.6mm，阳极点胶的宽度3mm，高度0.4mm。

3)装配20kw电堆需要136片单电池，将136片双极板与膜电极按照三明治结构交叉叠加起来，并施加约1500kg的压力，此时电堆的厚度不再发生变化。

4)用螺杆或捆扎钢带将电堆紧固起来，完成了电堆的装配，然后将电堆置于50℃的环境下烘烤6h，最终完成电堆的密封。

实施例2，制造36kw电堆模块

1)按照图纸设计，生产一个36kw电堆模块，该电堆双极板阴阳极密封槽均宽3.5mm，槽深均为0.4mm，膜电极有效面积330cm2，膜电极护边材料为0.15mm厚的PEN材料，封装后的膜电极护边厚度为0.3mm。双极板的尺寸为340*150mm，在双极板两侧短边的正中间各加工一个0.8mm的孔道，该孔道分别与阴阳极的密封槽连通。

2)装配36kw电堆需要170片单电池，将170片双极板与膜电极按照三明治结构交叉叠加起来，并施加约2100kg的压力，此时电堆的厚度不再发生变化。

3)用螺杆或捆扎钢带将电堆紧固起来，然后将电堆侧放，保证注胶孔分别在上下两端。然后利用精密注胶装置，将双组份全氟硅胶通过0.8mm的孔道逐渐注入到阴阳极密封槽，可以逐片注入，或者利用衔接管路，整理串联注入，待胶流出位于上侧的注胶孔道，则表明注胶完成，然后用贴片将每个双极板上的两个孔均堵住。

3)将电堆置于自然环境下固化24h，即完成电堆的装配与密封。

Claims (1)

1.一种一体化密封电堆的制造方法，其特征在于，包括如下工艺：

1)首先按照电堆设计图纸资料，完成双极板的加工及膜电极的加工；所述双极板两侧密封槽的深度范围在0.25-0.8mm区间，双极板的两个相对的侧面各设计有注胶孔，注胶孔与双极板两侧的密封槽连通，膜电极护边的厚度在0.25-0.45mm区间，膜电极护边的材质为PET、PEN或PI；利用膜电极护边的厚度来确定最终膜电极装配后的厚度；

2)先将双极板与膜电极按照电堆装配工艺一片一片叠加起来，在电堆装配台上，对电堆施加一定的压力或扭力，施加到膜电极边框上的压强范围为0.1-2MPa，以电堆厚度不再发生变化为准，则表明护边已经与双极板完全贴合，实现了等间距密封；然后将电堆按照一定的方位放置，保证电堆双极板上的两个注胶孔一个在上一个在下，从下面的注胶孔往双极板里面注胶，胶会逐渐地充满整个双极板的两侧密封槽，并从上面的注胶孔流出，待有胶流出，则表明注胶充分，即可停止注胶；然后将两个注胶孔堵住，将电堆置于一定温度的环境下固化，待固化完成，即实现了电堆的装配与密封。