本發(fā)明涉及燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生產(chǎn)效率高、性能一致的燃料電池用柔性石墨板單電池的連續(xù)生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由雙電極板及膜電極組成，所述的雙極板通常具有高密度、高強(qiáng)度，無穿孔性漏氣，在高壓強(qiáng)下無變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)，膜電極是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，在發(fā)電過程中不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時(shí)也沒有噪音。所以近年來對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的研究越來越熱。

現(xiàn)有技術(shù)中，雙電極的材料多用復(fù)合石墨板和金屬板。復(fù)合石墨板密度小，質(zhì)量輕，但其導(dǎo)電性能差，耐高溫性能差，易碎，不適合用于大功率的燃料電池。金屬板導(dǎo)電性能高，強(qiáng)度大，可以用較薄的板做成雙電極，但其耐腐蝕性能差，電阻大，導(dǎo)熱性差，而且容易污染膜電極，影響燃料電池的壽命，另外，金屬板采用鍍膜處理工藝，價(jià)格昂貴，成本高。

現(xiàn)有的工藝都是通過手工操作，將金屬板或石墨板先裁剪成需要的大小后再?zèng)_壓或模壓或蝕刻等方式在其表面形成流場，或者先通過沖壓或模壓或蝕刻等方式在金屬板或石墨板表面形成流場后再裁剪成需要的尺寸，然后再將帶有流場的單極板黏貼或焊接在一起制成雙極板，最后將MEA組件與雙極板交替疊合，形成單電池組；各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢或捆綁帶緊固，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。由于采用手工操作，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，大大 增加了燃料電池的人力成本；同時(shí)整個(gè)工藝對(duì)操作工的要求高，不同的操作者制成的電池堆可能性能完全不同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種燃料電池用柔性石墨板單電池的連續(xù)生產(chǎn)方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種燃料電池用柔性石墨板單電池的連續(xù)生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

(1)在第一段流水線上將成卷的MEA膜電極放卷得到MEA膜電極帶，或者通過放卷、裁剪得到單張MEA膜電極；

(2)在第二段流水線上通過雙極板生產(chǎn)流水線工藝得到雙極板帶，或者剪切得到單張的雙極板；

(3)將第一段流水線所得的MEA膜電極帶與第二流水線所得單張雙極板復(fù)合，裁剪成單電池大小，置于第三段流水線的流轉(zhuǎn)載體中待用；

或者，將第一段流水線所得的單張MEA膜電極與第二流水線所得雙極板帶復(fù)合，裁剪成單電池大小，置于第三段流水線的流轉(zhuǎn)載體中待用；

所述的成卷的MEA膜電極通過以下方法制得：將成卷的質(zhì)子交換膜放卷得到質(zhì)子交換膜帶，在該質(zhì)子交換膜帶兩側(cè)涂上催化劑，然后兩側(cè)分別與用碳纖維紙制得的氣體擴(kuò)散層復(fù)合，收卷在放卷輥a上即得成卷的MEA膜電極；或者將碳纖維紙涂覆催化劑層后夾在帶狀的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，熱壓復(fù)合后，卷在放卷輥a上待用。

所述的催化劑為Pt/c、Pt或Pt-M/C，其中M為Co、Mo、Ru或者Pd中的一種或者兩種。所述的碳纖維紙厚度≤0.35mm，孔隙率≥65％。

所述的單張MEA膜電極通過以下步驟制得：

(1)將成卷的MEA膜電極放卷得到MEA膜電極帶；

(2)將MEA膜電極帶通過一位置校正裝置a，使裁剪后的單張MEA膜電極與其下方的第二段流水線上的雙極板帶或者單張雙極板對(duì)齊；

(3)將MEA膜電極帶通過裁剪裝置a，裁剪成單張MEA膜電極。

所述的雙極板生產(chǎn)流水線工藝包括以下幾個(gè)步驟：

(1)將陰極板與陽極板用的柔性石墨板原料帶分別纏繞在一臺(tái)卷式供料機(jī)上；

(2)將從卷式供料機(jī)引出的柔性石墨板原料帶分別通過一對(duì)壓輥a進(jìn)行滾壓， 對(duì)柔性石墨板原料帶進(jìn)行壓實(shí)平整，使石墨板表面粗糙度達(dá)到0.20μm以內(nèi)，提高原料的整體強(qiáng)度及耐腐蝕性；

(3)將壓實(shí)平整后的柔性石墨板原料帶通過滾筒印花機(jī)，進(jìn)行流場的模壓，得到極板帶；

(4)將模壓好流場的極板帶通過樹脂噴涂機(jī)，在極板帶的表面涂上樹脂即制得帶狀柔性石墨陰極板和帶狀柔性石墨陽極板。

(5)通過一引導(dǎo)輥a將帶狀柔性石墨陰極板和帶狀柔性石墨陽極板進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)并初步貼合在一起；

(6)將貼合在一起的帶狀柔性石墨陰極板和帶狀柔性石墨陽極板一起送至壓輥中，通過壓輥使帶狀柔性石墨陰極板和帶狀柔性石墨陽極板緊密貼合；

(7)緊密貼合的帶狀柔性石墨陰極板和帶狀柔性石墨陽極板通過高溫烘箱進(jìn)行高溫粘合，得到雙極板帶。

所述的陰極板原料帶和陽極板原料帶采用的材料為柔性石墨。這種材料具有極佳的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，比金屬輕，其性能已在燃料電池公交車、物料管理車上得到充分的驗(yàn)證。此外，柔性石墨耐腐蝕，有不錯(cuò)的機(jī)械性能，易塑形，設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，原料來源充足，是大批量流水線化生產(chǎn)雙電極的優(yōu)良原料。

所述的卷式供料機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與滾壓輥的滾壓速度控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)同步；

所述的滾壓輥相當(dāng)于平板壓機(jī)模壓，壓力≤3.0MPa。滾壓輥分上下兩個(gè)，中間有細(xì)小的間隙，該間隙的大小即為目標(biāo)單極板的厚度，因此，當(dāng)單極板原料帶通過滾壓輥之后，表面平整，使得后續(xù)的模壓變得精準(zhǔn)。

所述的滾筒印花機(jī)采用嵌入式鋁制模具，按所需的平面流場制成滾壓模具；滾筒印花機(jī)分上下兩個(gè)滾筒，每個(gè)滾筒的表面有流場的模型，當(dāng)單極板原料帶通過時(shí)，滾筒輥通過流場模型在其表面進(jìn)行模壓，使單極板原料帶的兩側(cè)都模壓上流場；并且，兩個(gè)滾壓輥必然是同步運(yùn)動(dòng)，且流場模型是相互匹配的，這樣才能保證單極板正反兩面的流場是合格的。

所述的樹脂噴涂機(jī)可以將石墨樹脂涂料加壓至100MPa以下。高壓狀態(tài)下，涂料通過輸送系統(tǒng)瞬間噴出，迅速膨脹、霧化，均勻射向石墨極板表面，形成厚度≤0.10mm的涂層；

所述的引導(dǎo)輥a由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)速度的控制系統(tǒng)與放卷輥的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)同步，受定位彈簧的反饋控制，能自動(dòng)調(diào)節(jié)引導(dǎo)和放卷速度。前提是陰極板與陽極板 在模壓流場時(shí)，還同步完成了定位卡槽的加工，使得相臨的兩張極板臨界處都有該定位卡槽。當(dāng)陰、陽極板卷直線運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，定位彈簧自動(dòng)彈出實(shí)現(xiàn)陰、陽極板的上下卡位對(duì)準(zhǔn)；

所述的高溫烘箱的溫度為100-500℃，烘制時(shí)間≤10min。

所述的樹脂噴涂機(jī)涂在極板帶上的樹脂含有高強(qiáng)有機(jī)膠的石墨樹脂，能有效降低石墨極板的氣孔率，提高了體積密度，增強(qiáng)了石墨極板的強(qiáng)度、防腐蝕性和耐磨性，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所述高強(qiáng)有機(jī)膠包括有機(jī)硅膠、環(huán)氧樹脂膠或聚異丁烯膠。

所述的第一段流水線位于所述的第二段流水線的上方，第一段流水線所得的單張MEA膜電極通過傳送帶送至第二段流水線，與所述的雙極板帶重合；

或者第一段流水線所得的MEA膜電極帶通過引導(dǎo)輥b與第二段流水線所得的雙極板帶進(jìn)行復(fù)合。

所述的第二段流水線上裁剪成單電池之前設(shè)有位置校正裝置b，通過該位置校正裝置b使MEA膜電極帶或單張MEA膜電極與雙極板帶對(duì)齊。

所述的第二段流水線下方還設(shè)有第三段流水線，該第三段流水線上設(shè)有流轉(zhuǎn)載體，第二段流水線上裁剪得到的單電池依次落入流轉(zhuǎn)載體中疊加，得到單電池組。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)本發(fā)明用流水線的機(jī)械操作代替了手工操作，效率高，大大降低了人力成本。

(2)所有電池組都由流水線操作完成，不會(huì)發(fā)生兩電池組的性能相差很大的事故，保證生產(chǎn)的電池組的質(zhì)量處于較高的水平。

(3)陰極板、陽極板和雙極板都是通過滾壓的方式制得，適合于大批量的電池組生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明單電池的第一種流水線示意圖；

圖2為本發(fā)明單電池的第二種流水線示意圖；

圖3為本發(fā)明單電池中陰、陽兩極板的定位、校準(zhǔn)示意圖；

其中，1為成卷的MEA膜電極，2為校正裝置a，3為裁剪裝置a，4為陰極板原料帶卷式供料機(jī)，5為陽極板原料帶卷式供料機(jī)，6為原料帶工藝處理流水線，7為引導(dǎo)輥a，8為滾壓輥，9為高溫烘箱，10為校正裝置b，11為裁剪裝置b，12 為流轉(zhuǎn)載體，13為引導(dǎo)輥b，14為定位卡槽，15為定位彈簧。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種燃料電池用柔性石墨板單電池的連續(xù)生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

第一步：第一段流水線上，將成卷的質(zhì)子交換膜放卷成帶狀，在其兩側(cè)涂覆催化劑層后，與氣體擴(kuò)散層熱壓復(fù)合，收卷在放卷輥a上，得到整卷的MEA膜電極1，將其放卷后，形成MEA膜電極帶。MEA膜電極帶首先通過一位置校正裝置a2，使裁剪后的單張MEA膜電極與其下方的第二流水線上的雙極板帶或者單張雙極板對(duì)齊；校正結(jié)束后，MEA膜電極帶進(jìn)入裁剪裝置a3帶裁剪成單張MEA膜電極，并通過傳送帶送至第二段流水線的雙極板帶上。

第二步：第二段流水線上，通過陰極板原料帶卷式供料機(jī)4和陽極板原料帶卷式供料機(jī)5將陰極板柔性石墨和陽極板柔性石墨放卷成帶狀，分別通過原料帶工藝處理流水線6。所述的原料帶工藝處理流水線6包括以下工藝：

(1)將陰極板原料帶和陽極板原料帶分別通過一滾壓輥，對(duì)原料帶進(jìn)行壓實(shí)平整，滾壓輥的壓力≤3.0MPa；

(2)將壓實(shí)平整后的陰極板原料帶和陽極板原料帶分別通過滾筒印花機(jī)，進(jìn)行流場的模壓，得到陰極板帶和陽極板帶，其中滾筒印花機(jī)采用嵌入式鋁制模具，按所需的平面流場制成滾壓模具；

(3)將模壓好流場的陰極板帶和陽極板帶通過樹脂噴涂機(jī)，在陰極板帶和陽極板帶的一側(cè)表面涂上樹脂，其中樹脂噴涂機(jī)可以將石墨樹脂涂料加壓至100MPa以下。高壓狀態(tài)下，涂料通過輸送系統(tǒng)瞬間噴出，迅速膨脹、霧化，均勻射向石墨極板表面，形成厚度≤0.10mm的涂層；

(4)樹脂處理過的陰、陽單極板再分別通過一對(duì)涂膠輥在其相對(duì)的一側(cè)涂膠，所述的膠體溫度需要控制在50℃以下，膠體厚度約為≤0.10㎜。

如圖3所述，將涂覆好膠的陰極板帶和陽極板帶通過一引導(dǎo)輥a7，將陰極板 帶和陽極板帶位置校正及初步貼合，其中引導(dǎo)輥a7由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)速度的控制系統(tǒng)與放卷輥的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)同步，受定位彈簧的反饋控制，能自動(dòng)調(diào)節(jié)引導(dǎo)和放卷速度。前提是陰極板與陽極板在模壓流場時(shí)，還同步完成了定位卡槽14的加工，使得相臨的兩張極板臨界處都有該定位卡槽14。當(dāng)陰極板帶、陽極板帶直線運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，定位彈簧15自動(dòng)彈出實(shí)現(xiàn)陰極板、陽極板的上下卡位對(duì)準(zhǔn)；將初步貼合的陰極板帶和陽極板帶通過一滾壓輥8，使其緊密貼合后通過高溫烘箱9，得到雙極板帶；其中滾壓輥8的壓力≤3.0MPa，高溫烘箱的溫度為100-500℃，烘制時(shí)間≤10min。

第三步：待第一段流水線所得的單張MEA膜電極落在第二流水線所得的雙極板帶上進(jìn)行復(fù)合后，一起進(jìn)入校正裝置b10，再次對(duì)準(zhǔn)雙極板與MEA膜電極的位置，然后進(jìn)入裁剪裝置b11，裁剪得到單電池。

第四步：將第二條水線得到的單電池依次落入流轉(zhuǎn)載體12中疊加，得到單電池組。

實(shí)施例2

如圖2所示，一種燃料電池用柔性石墨板單電池的連續(xù)生產(chǎn)方法，包括以下步驟：

第一步：將成卷的質(zhì)子交換膜放卷成帶狀，在其兩側(cè)涂覆催化劑層后，與氣體擴(kuò)散層熱壓復(fù)合，收卷在放卷輥a上，得到整卷的MEA膜電極1，將其放卷后，形成MEA膜電極帶。

第二步：第二段流水線上，通過陰極板原料帶卷式供料機(jī)4和陽極板原料帶卷式供料機(jī)5將陰極板柔性石墨和陽極板柔性石墨放卷成帶狀，分別通過原料帶工藝處理流水線6。所述的過原料帶工藝處理流水線6包括以下工藝：

(1)將陰極板原料帶和陽極板原料帶分別通過一滾壓輥，對(duì)原料帶進(jìn)行壓實(shí)平整，滾壓輥的壓力≤3.0MPa；

(2)將壓實(shí)平整后的陰極板原料帶和陽極板原料帶分別通過滾筒印花機(jī)，進(jìn)行流場的模壓，得到陰極板帶和陽極板帶，其中滾筒印花機(jī)采用嵌入式鋁制模具，按所需的平面流場制成滾壓模具；

(3)將模壓好流場的陰極板帶和陽極板帶通過樹脂噴涂機(jī)，在陰極板帶和陽極板帶的一側(cè)表面涂上樹脂，其中樹脂噴涂機(jī)可以將石墨樹脂涂料加壓至100MPa以下。高壓狀態(tài)下，涂料通過輸送系統(tǒng)瞬間噴出，迅速膨脹、霧化，均勻射向石墨 極板表面，形成厚度≤0.10mm的涂層；

(4)樹脂處理過的陰、陽單極板再分別通過一對(duì)涂膠輥在其相對(duì)的一側(cè)涂膠，所述的膠體溫度需要控制在50℃以下，膠體厚度約為≤0.10㎜。

如圖3所示，將涂覆好膠的陰極板帶和陽極板帶通過一引導(dǎo)輥a7，將陰極板帶和陽極板帶位置校正及初步貼合，其中引導(dǎo)輥a7由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)速度的控制系統(tǒng)與放卷輥的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)同步，受定位彈簧的反饋控制，能自動(dòng)調(diào)節(jié)引導(dǎo)和放卷速度。前提是陰極板與陽極板在模壓流場時(shí)，還同步完成了定位卡槽14的加工，使得相臨的兩張極板臨界處都有該定位卡槽14。當(dāng)陰、陽極板帶直線運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，定位彈簧15自動(dòng)彈出實(shí)現(xiàn)陰、陽極板的上下卡位對(duì)準(zhǔn)；將初步貼合的陰極板帶和陽極板帶通過一滾壓輥8，使其緊密貼合后通過高溫烘箱9，得到雙極板帶；其中滾壓輥的壓力≤3.0MPa；高溫烘箱的溫度為100-500℃，烘制時(shí)間≤10min。

第三步：第二段流水線所得的雙極板帶通過引導(dǎo)輥b13與第一流水線所得的MEA膜電極帶進(jìn)行復(fù)合后，一起進(jìn)入校正裝置b10，再次對(duì)準(zhǔn)雙極板與MEA膜電極的位置，然后進(jìn)入裁剪裝置b11，裁剪得到單電池。

第四步：將第二段流水線得到的單電池依次落入流轉(zhuǎn)載體12中疊加，得到單電池組。