凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，其特征是：有两个分别储存不同原料的储料罐，两个储料罐分别与低压循环系统连通，两个储料罐分别与高压循环装置连接，高压循环装置与机械混合头连接，机械混合头与液压装置连接，液压装置与模具连接。本发明专利技术结构合理，制备的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行等特点。

【技术实现步骤摘要】
凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置
：本专利技术涉及一种制备质子交换膜燃料电池(Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC)双极板的装置，尤其涉及凝胶反应注射成型方法和相关装置制备PEM燃料电池双极板。属于燃料电池

技术介绍
质子交换膜燃料电池主要由膜电极、双极板和电池管理系统构成。双极板是将单个PEMFC串联起来组装成电池堆的关键部件，同时还担负将反应气导入燃料电池、传导电流及电池的散热和排水功能，其性能的优劣直接决定电池堆的功率密度的大小和使用寿命的长短。苛刻的工况条件要求双极板具有优异的导电导热性、耐气体渗透性、良好的机械强度和化学稳定性。目前用于制作PEMFC双极板的主要的材料有碳石墨材料和薄金属片。采用薄金属制备双极板遇到的第一个难题是它在PEMFC工作条件(氧化、还原气氛，一定的电位与弱酸性电解质)下的稳定性(即抗腐蚀性问题)；第二个难题则是与电极扩散层的接触电阻大。采用碳石墨材料制作双极板时，往往采用模压(石墨化)后机加工流道成型的方法。这导致双极板成本太高商业化困难(机加工石墨流场板的成本占整个电池组成本的60％～70％，)。经文献检索发现，张海峰等人在《电源技术》27卷2期(2003)129-133上发表的《质子交换膜燃料电池双极板的材料与制备》一文，该文介绍了碳或石墨双极板的制作方法。这种方法主要使用石墨粉或焦碳加粘结剂，粘结剂可以是树脂或沥青，经捏合、模压而后炭化、石墨化而制成双极板。由于炭化后所得的石墨板具有多孔性，不能满足耐气体渗透性的要求，需要进行多次浸渍和炭化。这导致了生产周期的延长和成本的大幅提高。同时后续的流道加工困难，费用很高。由于石墨是脆性材料，目前的石墨板或碳板的厚度不能低于3mm。模压工艺不能获得大面积的均匀薄板，难以实现电池的小型化和薄型化。国-->内所用石墨板大多从日本进口。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种结构合理，制备的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行特点的凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置。本专利技术的技术解决方案是：一种凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，其特征是：有两个分别储存不同原料的储料罐，两个储料罐分别与低压循环系统连通，两个储料罐分别与高压循环装置连接，高压循环装置与机械混合头连接，机械混合头与液压装置连接，液压装置与模具连接。在储料罐前设置真空球磨机。高压循环装置有高压计量泵，高压计量泵与将物料输送到机械混合头的高压软管连接。液压装置采用油压机。机械混合头是静态混合器。储料罐还与真空泵连接。储料罐还与温控系统连接。储料罐中设有搅拌器。真空泵是为了除尽装置中的空气，使凝胶浆料在无氧环境进行反应，解决氧阻聚问题。低温循环系统的工作流程是：低压循环泵将储罐中的物料抽出、流经热交换器，再返回储罐。低压循环的目的主要是控制物料温度，防止物料分层，使物料均一化。原料储罐一般由普通低碳钢或不锈钢材料制成，内壁可涂覆一层酚醛树脂以利于清洗，同时也起到防腐蚀的作用。原料储罐容积的选择取决于生产规模、温度控制及传热方式等因素。高压循环的作用是使计量泵正常工作，通过循环软管把温度均匀的反应物料从储罐内输送到混合头，做好注射前的准备。其整个过程是：低压循环阀门关闭，高压计量泵开始工作，建立稳定的系统压力；待两组分压力平衡时，开启混合头进行注射；注射完毕后，机器重新回到低压循环状态。计量泵是保证产品质量的关键所在。计量泵不仅要稳定地提供物料所需的体积(计量精度应在±0.5％以内)，而且还要以压力的形式-->提供混合能(压力一般在10～20Mpa)。本专利技术采用单冲程柱塞泵。液压装置主要提供注射物料时的动力。机械混合头系统的作用是使各组分在混合头内瞬间充分混合，混合物以静态层流状平稳地注入模腔。本专利技术结构合理，制备的双极板具有机械强度高、重量轻、导电性能好、长期运行等特点。本专利技术实现了反应物先分储后混合的思路：反应体系先分储于不同的容器中，通过计量泵计量并以一定的速度和压力通过混合头，实现物料的充分混合，得到均匀物料；并有抽真空装置，有效地避免了气泡的混入。本专利技术既保证了物料完全注入模具中，又避免了窝气、缺注等缺陷的产生，并可连续重复进行。可配备自动化的控温和控压系统，保证工艺过程的精确性和稳定性，同时对储料罐管道及预混合器实现了自动清洗，避免了剩余物料的固化阻塞。本专利技术的使用过程是：首先，在真空球磨机中分别球磨①、②组分，然后将①、②组分分别储存于储料罐A、B中，得到均匀的混合浆料。其中①组分浆料为单体(丙烯酰胺)、中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)、碳纤维、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂吐温80、催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺和分散剂介质--去离子水，②组分浆料为单体(丙烯酰胺)、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)、碳纤维、分散剂吐温80、引发剂过硫酸铵及分散剂介质去离子水。然后通过计量泵严格控制配比，在充分混合后注入模具型腔，保压。脱模取出成型坯体，经过干燥、排胶、烧结，然后采用热固性树脂进行浸渍封孔，并将固化后的树脂在高温下炭化，即可得到碳/碳复合材料双极板。其中，中间相碳颗粒可采用中间相碳微球、机械粉碎的针状焦颗粒为碳前驱体，其粒径范围为5～30微米。中间相碳微球可从煤焦油沥青、石油焦沥青或低级稠环芳烃化合物在一定的条件下合成制备。增强材料可采用长度范围10～100微米的碳纤维。附图说明：下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。-->附图是本专利技术一个实施例的结构示图。具体实施方式：一种凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，有两个分别储存不同原料的储料罐1、2，两个储料罐1、2中分别设有搅拌器12、13，两个储料罐1、2分别与低压循环系统3连通，两个储料罐1、2分别与高压循环装置连接，高压循环装置有高压计量泵4，高压计量泵4与将物料输送到机械混合头6的高压软管5连接，机械混合头6与液压装置7连接，液压装置7与模具8连接。在储料罐前设置真空球磨机9。液压装置7采用油压机。机械混合头6是静态混合器。储料罐1、2还分别与真空泵10、11连接。储料罐1、2还分别与真温控系统14连接。本专利技术的工作过程是：(1)配制①组分浆料，将单体(丙烯酰胺)、中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)、碳纤维、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、分散剂吐温80、催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺和分散剂介质--去离子水在球磨机中球磨一定时间，得到均匀、分散、稳定的浆料A。其中各组分的重量百分比为：单体(丙烯酰胺)5～18％，中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)40～60％，碳纤维5～15％，交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.16～3％，分散剂吐温80 0.1～0.3％，催化剂N，N，N，N-四甲基乙二胺0.2～0.6％，余量为分散剂介质--去离子水。(2)配制②组分浆料，将单体(丙烯酰胺)、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺、中间相碳颗粒(碳微球和/焦碳颗粒)、碳纤维、分散剂吐温80、引发剂过硫酸铵及分散剂介质去离子水在球磨机中球磨一定时间，得到均匀、分散、稳定的浆料B。各成分的重量百分比为：单体(丙烯酰胺)5～18％，交联剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，其特征是：有两个分别储存不同原料的储料罐，两个储料罐分别与低压循环系统连通，两个储料罐分别与高压循环装置连接，高压循环装置与机械混合头连接，机械混合头与液压装置连接，液压装置与模具连接。

【技术特征摘要】
1、一种凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，其特征是：有两个分别储存不同原料的储料罐，两个储料罐分别与低压循环系统连通，两个储料罐分别与高压循环装置连接，高压循环装置与机械混合头连接，机械混合头与液压装置连接，液压装置与模具连接。2、根据权利要求1所述的凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，其特征是：在储料罐前设置真空球磨机。3、根据权利要求1或2所述的凝胶反应注射成型质子交换膜燃料电池双极板的装置，其特征是：高压循环装置有高压计量泵，高压计量泵与将物料输送到机械混合头的高压软管连接。4、根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪红军，骆兵，黄明宇，廖萍，李飞，张福豹，顾卫标，王连军，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]