專利名稱：在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池零部件加工技術，特別是涉及了 一種用于在燃料電池雙極板
上原位成型密封件的加工系統(tǒng)及加工方法。
背景技術：
隨著全球經濟的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)不可再生的化石能源正消耗殆盡，對此類能源的 極端使用已引起嚴重的全球環(huán)境污染問題。鑒于此，清潔能源、低碳循環(huán)經濟、可持續(xù)化發(fā) 展已成為世界發(fā)展的方向，目前科學家們認為"氫能"是符合這一發(fā)展方向，未來替代汽油、 柴油等動力能源的有效清潔能源之一。質子交換膜燃料電池是一種直接將儲存在燃料(如 氫氣)和氧化劑(如空氣)中的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置，其具備高效、低噪聲、環(huán)保 等優(yōu)勢已被公認為未來的動力電源，并且在移動式電源、后備電源、水下機器人、航空航天 等方面都具有廣泛的應用前景。 質子交換膜燃料電池單電池由一片膜電極(MEA)、一片陰極板和一片陽極板組成， 在膜電極和極板上有空氣、氫氣和冷卻劑流動的通道孔，每個通道孔相互獨立，并由密封結 構圍繞在通道孔周圍，起到阻隔空氣、氫氣和冷卻劑的作用。根據設計燃料電池工作電壓的 要求將多片單電池串聯，得到不同功率等級的燃料電池堆。串聯時陰極板和陽極板接觸，將 陰極板和陽極板結合在一起組成了雙極板。兩塊板之間也有密封結構密封阻隔空氣、氫氣 和冷卻劑的作用。 上海神力科技有限公司在ZL01105975中公開了一種燃料電池單元的密封辦法， 采用獨立的成型好的密封墊圈嵌入到燃料電池雙極板密封槽形成密封結構的辦法，需 要多一步將密封墊嵌入密封槽的步驟。通用汽車環(huán)球科技運作公司在ZL200910003708 中提到采用金屬壓條作為燃料電池的密封部件鑲嵌在雙極板密封槽中。N0K株式 會社在ZL200580033103提到了加工獨立結構密封墊的方法，豐田自動車株式會社 在ZL200680046949中提到一種加工獨立結構密封墊的方法?，F代自動車株式會社在 ZL200310123808中公開了一種將橡膠粉末和液體混合后噴涂到剛性板上形成獨立的燃料 電池密封墊的方法。以上方法適合批量生產燃料電池用的密封墊片，但是其方法沒能實現 將密封墊直接成型在雙極板上。 北京飛馳綠能電源技術有限責任公司在專利ZL01118346中公開了一種燃料電池 印刷密封的方法，通過印刷設備將密封膠狀物和MEA結合成包含密封結構的MEA組件，通過 密封結構和MEA—體化設計來實現電堆內部各腔體的氣密性要求。達納公司在ZL01816167 中提到在雙極板表面使用絲網印刷快速形成密封結構的方法。絲網印刷的方法實現了密封 結構和燃料電池其它零部件一體化的要求，該方法只適合粘度較小的液體密封劑，并需要 加工絲網涂敷模具。 松下電器產業(yè)株式會社在專利JP264095、 ZL02800663、 ZL200680023532中公開了 一種燃料電池用的膜_密封墊組合體，其采用了模塑成型方法，將密封結構直接成型在質 子交換膜上。標致雪鐵龍汽車公司在FR-0506558、 ZL200680023368、 ZL200680029812中公開了一種通過模鑄成型的辦法得到的密封結構_雙極板組合體。其預先開好密封模具，將 雙極板放入模具內，在模具的進料口上注入密封原料，最后加熱成型得到帶密封結構的雙 極板組合體。漢高公司在ZL200780007572、 ZL200780008604、 ZL200780007531中也提到采 用在模具內液體注塑成型制造集成密封結構的MEA和極板燃料電池部件。NOK株式會社在 ZL200580042454中提到了一種采用注塑成型的辦法加工得到的集成密封結構的MEA組件 及其制造方法。注塑成型的方法同樣實現了密封結構和燃料電池零部件的一體化設計，但 是該方法容易堵塞雙極板流道，壓碎石墨類雙極板，膠水滲進入催化層，污染MEA。另外由于 模具開發(fā)非常昂貴，該方法適合定型產品大批量的生產。 本田技研工業(yè)株式會社在ZL02813619、 ZL02813979、 ZL200610075875中提到一種 直接在雙極板上涂敷密封劑的方法，最后通過壓合方法將燃料電池組件全部粘結在一起。 該方法中提到的密封劑涂敷裝置包括馬達、由馬達驅動的密封劑螺桿擠出裝置、噴嘴、非接 觸式傳感器、隔板拉直裝置。涂敷的辦法是在起始點采用相交延長的辦法處理，需要加大 涂膠的隔板面積，造成面積浪費，通過該工藝粘合組成的燃料電池堆無法重復拆卸維修，另 外，擠出螺桿潤滑劑可能造成對密封膠的污染。 傳統(tǒng)的密封涂敷方法如圖1所示，在涂敷時，起點和終點的結合部位會形成如圖 1-B中的空洞l，小的結合面積2所示，影響密封的效果。 本田技研工業(yè)株式會社在專利中提到的延長涂敷起始點和終點，進行交叉涂敷的 方法，會出現圖2-C中的密封突起3，影響密封件高度的一致性?；驎霈F圖2-D中的空洞 l和小的結合面積2，影響密封效果。延長涂敷起始點和終點同時會增加多余的涂敷面積如 圖2-A中的4。 從目前各個燃料電池密封結構的設計和加工方法上看存在這些問題獨立的密 封件結構無法確保高要求的密封效果，并帶來了復雜的電堆裝配過程；將密封結構集成在 MEA上的方法需要開發(fā)昂貴的注塑模具，在加工過程中密封劑有可能污染MEA中的催化活 性成分；其它涂敷的方法不能解決密封結構起點和終點結合問題，并需要多余的涂敷面積， 組裝成堆后的燃料電池雙極板無法重復拆卸。 由于昂貴的開發(fā)和生產成本、氫泄漏安全可靠性等方面的問題嚴重阻礙了氫燃料 電池技術的產業(yè)化進程。如何降低燃料電池關鍵部件的生產開發(fā)成本，提高燃料電池密封 技術的可靠性已成為燃料電池技術產業(yè)化即待解決的重要課題。
發(fā)明內容
為解決現有技術存在的上述問題，本發(fā)明提出一種用于在燃料電池雙極板上原位 成型密封件的加工系統(tǒng)及其加工方法，依據高分子密封劑原位高溫固化成型原理，使用了 三軸聯動涂敷技術、密封劑粘度控制技術、密封劑高溫固化成型技術、密封劑連續(xù)穩(wěn)定供給 技術、真空吸附固定燃料電池雙極板樣件技術、軌跡圖形識別技術、自動化控制技術。
本發(fā)明可通過以下技術方案予以解決 本發(fā)明一種在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工系統(tǒng)，包括一密封劑供給 系統(tǒng)，其包括一密封劑原料套桶，及通過管道連于所述密封劑原料套桶的一針頭及一撞針 式噴頭，所述針頭安裝在所述撞針式噴頭上； —密封劑粘度控制系統(tǒng)包括連接在所述密封劑原料套桶上的一溫控裝置和一安裝在樣件固定平臺上的電加熱模塊； —樣件裝夾定位系統(tǒng)包括一置于所述電加熱模塊上方的吸附平臺、及固定在所述 吸附平臺左上角的定位夾具； —三軸自動位移系統(tǒng)包括一夾持臂，所述夾持臂帶動固定在其上的所述撞針式噴 頭根據預先設定的位移軌跡在一中央控制系統(tǒng)的控制下進行XYZ三個方向移動在所述雙 極板上涂敷密封劑； —密封劑固化系統(tǒng)包括烘道、樣件自動送料裝置、夾具，所述夾具連接在樣件自動 送料裝置上，樣件自動送料裝置在一電機的控制下可將所述涂敷密封劑的雙極板轉移到所 述烘道里； 所述密封劑供給系統(tǒng)、密封劑粘度控制系統(tǒng)、樣件裝夾定位系統(tǒng)、密封劑固化系統(tǒng)
分別與所述中央控制器連接，所述中央控制器控制所述撞針式噴頭在軌跡上每一點距離樣
件的高度、行走高度、撞針式噴頭打開/關閉的時間。 本發(fā)明所述吸附平臺附近設有一與真空泵連接的管路。 本發(fā)明所述夾持臂通過一位移絲桿與一電機相連，并在所述電機的驅動下運動。
本發(fā)明所述針頭及撞針式噴頭外圍分別設有加熱器。 本發(fā)明還提出在燃料電池雙極板上原位成型密封件的制造方法，其包括以下步 驟 首先，用電腦將所述燃料電池雙極板上的密封槽軌跡的CAD圖紙識別轉化為一密 封加工系統(tǒng)能讀取的真實物理尺寸軌跡，并通過所述密封加工系統(tǒng)上的程序輸入接口導入 數據； 第二步，通過所述密封加工系統(tǒng)中的中央控制系統(tǒng)設置撞針式噴頭和針頭涂敷軌 跡上每一個點的行走速度、高度及噴頭打開/關閉的時間； 第三步，調節(jié)所述密封劑供料系統(tǒng)和樣件裝夾定位系統(tǒng)平臺上的溫度，控制密封 劑的粘度； 第四步，調節(jié)所述密封劑供料系統(tǒng)氣體壓力，控制出料速度；
第五步，調節(jié)所述樣件裝夾定位系統(tǒng)，固定雙極板樣件；
第六步，啟動所述三軸自動位移系統(tǒng)移動涂敷密封劑； 第七步，通過所述樣件傳遞送料系統(tǒng)將雙極板樣件轉移到所述固化烘道里； 第八步，在所述固化烘道里固化密封劑0. 5-1小時； 第九步，完成密封和雙極板的組合部件。 本發(fā)明所述第五步包括以下步驟 (1)調節(jié)好所述樣件裝夾固定系統(tǒng)的控制溫度； (2)打開所述真空泵，使吸附平臺處于真空環(huán)境； (3)根據所述定位夾具定位將樣件裝夾到吸附平臺上； (4)完成樣件定位裝夾。 本發(fā)明通過所述中央控制器控制所述撞針式噴頭和針頭的行走高度，在涂敷起始 點及終點時，使密封劑以一斜坡的形式搭接。 由于采用以上技術方案，本發(fā)明的一種用于在燃料電池雙極板上原位成型密封件 的加工系統(tǒng)及其方法，實現密封結構和雙極板一體化加工工藝，實現粘稠性密封劑的無成
6型模具加工工藝，簡化燃料電池開發(fā)和生產工藝過程，降低燃料電池開發(fā)成本，促進燃料電 池產業(yè)鏈的發(fā)展。
圖l-A、圖1-B為傳統(tǒng)密封劑涂敷方法； 圖2-A、圖2-B、圖2-C、圖2_D為交織起點和終點的密封劑涂敷方法；
圖3在雙極板上原位成型密封件的加工方法流程圖；
圖4燃料電池雙極板定位固定裝夾流程圖； 圖5-A、圖5-B、圖5_C、圖5_D、圖5_E為本發(fā)明在燃料電池雙極板上原位成型密封 件的涂敷方法； 圖6在雙極板上原位成型密封件涂敷系統(tǒng)數學模型；
圖7在雙極板上原位成型密封件成型系統(tǒng)原理圖。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
，進一步闡述本發(fā)明 如圖6及圖7所示，本發(fā)明一種在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工系統(tǒng)， 包括一密封劑供給系統(tǒng)19，其包括一密封劑原料套桶2，及通過管道1連于密封劑原料套桶 2的一針頭14及一撞針式噴頭15，針頭14安裝在撞針式噴頭15上，該系統(tǒng)可實現連續(xù)不 間斷、穩(wěn)定供料，均勻涂敷密封條。 —密封劑粘度控制系統(tǒng)20包括連接在密封劑原料套桶2上的一溫控裝置3及一 密封劑原料套桶外圍加熱器4和撞針式噴頭外圍加熱器16，和一安裝在樣件固定平臺上的 電加熱模塊7，通過全程控制密封劑的溫度使其保持在一個穩(wěn)定、合適的粘度范圍，避免外 界環(huán)境對其粘度的影響。 —樣件裝夾定位系統(tǒng)21包括一置于電加熱模塊7上方的吸附平臺6、及固定在吸 附平臺6左上角的定位夾具5，抽真空泵12通過管路13把吸附平臺6附近抽成真空，加熱 真空吸附平臺起到對雙極板吸附固定、加熱控溫的作用。 —三軸自動位移系統(tǒng)18包括電機、位移絲桿、夾持臂17，電機和位移絲桿安裝在 三軸自動位移系統(tǒng)18內部，夾持臂17通過位移絲桿和電機連接，固定在夾持臂17上的撞 針式噴頭15根據預先設定的位移軌跡隨夾持臂進行XYZ三個方向移動涂敷密封劑。
—密封劑固化系統(tǒng)22包括烘道23、樣件自動送料裝置24、夾具25，出料系統(tǒng)控制 涂敷完密封劑的樣件在烘道內的停留時間，夾具25連接在樣件自動送料裝置24上，樣件自 動送料裝置在一電機的控制下可將涂敷密封劑的雙極板轉移到烘道里，夾具25起到固定 樣件的作用，烘道根據密封劑的固化溫度控制樣件的停留溫度。 密封劑供給系統(tǒng)19通過夾持臂17連接在三軸自動位移系統(tǒng)18上面，密封劑粘度 控制系統(tǒng)20和樣件裝夾定位系統(tǒng)21通過螺絲固定在三軸自動位移系統(tǒng)18主機上，密封劑 固化系統(tǒng)22通過樣件自動送料裝置和三軸自動位移系統(tǒng)的主機連接，各系統(tǒng)間分別受一 中央控制器控制11，中央控制器11控制撞針式噴頭15在軌跡上每一點距離樣件的高度、行 走高度、撞針式噴頭打開/關閉的時間。 在燃料電池雙極板上原位成型密封件的制造方法，如圖3所示，其包括以下步驟
首先，用電腦將所述燃料電池雙極板上的密封槽軌跡的CAD圖紙識別轉化為一密 封加工系統(tǒng)能讀取的真實物理尺寸軌跡，并通過所述密封加工系統(tǒng)上的程序輸入接口導入 數據； 第二步，通過所述密封加工系統(tǒng)中的中央控制系統(tǒng)設置撞針式噴頭和針頭涂敷軌 跡上每一個點的行走速度、高度及噴頭打開/關閉的時間； 第三步，調節(jié)所述密封劑供料系統(tǒng)和樣件裝夾定位系統(tǒng)平臺上的溫度，控制密封 劑的粘度； 第四步，調節(jié)所述密封劑供料系統(tǒng)氣體壓力，控制出料速度；
第五步，調節(jié)所述樣件裝夾定位系統(tǒng)，固定雙極板樣件；
第六步，啟動所述三軸自動位移系統(tǒng)移動涂敷密封劑； 第七步，通過所述樣件傳遞送料系統(tǒng)將雙極板樣件轉移到所述固化烘道里； 第八步，在所述固化烘道里固化密封劑0. 5-1小時； 第九步，完成密封和雙極板的組合部件。 如圖4所示，上述第五步具體包括以下步驟 (1)調節(jié)好所述樣件裝夾固定系統(tǒng)的控制溫度； (2)打開所述真空泵，使吸附平臺處于真空環(huán)境； (3)根據所述定位夾具定位將樣件裝夾到吸附平臺上； (4)完成樣件定位裝夾。 在雙極板樣件上的原位成型密封劑的起始點和終點的涂敷方法如圖5所示
在涂敷起始點時，先將針頭定位到緊貼雙極板密封槽的距離，如圖5-B中的HOl， 涂敷針頭根據設定的涂敷軌跡隨三維自動位移系統(tǒng)往左上方移動，控制涂敷速度和出膠 量，針頭高度再由H02上升到H03后水平向左移動。最后，形成一個成一定角度的密封斜坡 面，該斜坡面和雙極板樣件的角度以及該斜坡面的長度可以通過控制密封劑的壓力、密封 劑的粘度和針頭的行走速度來控制。然后，針頭根據圖5-A的軌跡進行水平涂敷，在每個轉 彎處通過控制密封劑的出料壓力、密封劑的粘度和針頭的行走速度來保證其和直線方向涂 敷的密封劑相同的高度、寬度等尺寸。最后在涂敷圖5-A的起始點和終點結合部位時，如圖 5-E和圖5-F所示，當密封劑和斜坡起點接觸后，關閉撞針式噴頭，控制針頭向左上方移動， 結束時針頭的高度H04要高于H03，并水平向左移動斷開密封劑連接，形成由兩個斜坡面結 合的密封接點。 本發(fā)明涂敷密封劑過程中處理起始點和終點時，可以自由協(xié)調控制密封劑的擠出
量、針頭的Z軸方向與XY軸聯動形成密封斜坡面、控制密封劑粘度、控制涂敷平臺溫度的均
勻性，實現將密封件的起始點和終點都原位成型在密封槽內，縮小了密封劑的涂敷面積，減
少了密封劑的用量，增加了密封起始點和終點的結合面積，增強密封效果。 作為一實施例如下采用液體高分子硅密封劑粘度為2000Pa. s@25°C ，將330ml的
密封劑原料桶裝入密封劑原料套桶2內，連接好管路、撞針式噴頭15、針頭14，打開平臺電
加熱模塊7及套筒加熱裝置4的溫度控制器3電源；平臺電加熱模塊7溫度控制在5(TC，
筒加熱裝置4溫度溫度控制在50°C ;調節(jié)氣壓控制型密封劑供給系統(tǒng)19中壓力調節(jié)器8，
使涂覆氣壓調在7. Obar，涂覆速度為50mm/s ;將軌跡起點與雙極板對應位置對齊，調節(jié)針
頭離雙極板槽深lmm，即針頭高度為0. 60mm ;打開真空泵12 ;根據左上角的定位夾具5定位將燃料電池雙極板樣件裝夾到吸附平臺6上，完成雙極板樣件定位裝夾；啟動在雙極板上 原位成型密封件的加工系統(tǒng)，待密封劑涂敷完成后，在烘箱內固化1小時后得到密封件和 雙極板原位成型的燃料電池組件，經測試該密封結構的氫氣滲透系數小于1. 5X 10-14mol. m/m2. s. Pa。 另一實施為采用液體高分子非硅密封劑粘度為llOOPa. st25t:，將330ml的密封 劑原料桶裝入密封劑原料套桶2內，連接好管路、撞針式噴頭15、針頭14，打開平臺電加熱 模塊7及套筒加熱裝置4的溫度控制器3電源；平臺電加熱模塊7溫度控制在40°C ，筒加 熱裝置4溫度溫度控制在40°C ;調節(jié)氣壓控制型密封劑供給系統(tǒng)19中壓力調節(jié)器8，使涂 覆氣壓調在2. Obar，涂覆速度為55mm/s ;固定雙極板樣件，開始涂敷；完成涂敷的雙極板樣 件在烘箱內固化45min后得到密封件和雙極板原位成型的燃料電池組件，經測試該密封結 構的氫氣滲透系數小于8. 2X 10-15mol. m/m2. s. Pa。 但是，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領域技術人員能夠 理解本專利，不能理解為是對本專利包括范圍的限制；只要是根據本專利所揭示精神的所
作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。
權利要求
在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工系統(tǒng)，其特征在于包括一密封劑供給系統(tǒng)，其包括一密封劑原料套桶，及通過管道連于所述密封劑原料套桶的一針頭及一撞針式噴頭，所述針頭安裝在所述撞針式噴頭上；一密封劑粘度控制系統(tǒng)，其包括連接在所述密封劑原料套桶上的一溫控裝置，及安裝在一平臺上的電加熱模塊；一樣件裝夾定位系統(tǒng)包括一置于所述電加熱模塊上方的吸附平臺、與吸附平臺連接的抽真空泵及固定在所述吸附平臺上面的定位夾具；一三軸自動位移系統(tǒng)包括一夾持臂，所述夾持臂帶動固定在其上的所述撞針式噴頭根據預先設定的位移軌跡在一中央控制系統(tǒng)的控制下進行XYZ三個方向移動在所述雙極板上涂敷密封劑；一密封劑固化系統(tǒng)包括烘道、樣件自動送料裝置、夾具，所述夾具連接在樣件自動送料裝置上，樣件自動送料裝置在一電機的控制下可將所述涂敷密封劑的雙極板轉移到所述烘道里；所述密封劑供給系統(tǒng)、密封劑粘度控制系統(tǒng)、樣件裝夾定位系統(tǒng)、密封劑固化系統(tǒng)分別與所述中央控制器連接，所述中央控制器控制所述撞針式噴頭在軌跡上每一點距離樣件的高度、行走高度、撞針式噴頭打開/關閉的時間。
2. 根據權利要求1所述的加工系統(tǒng)，其特征在于所述吸附平臺附近設有一與真空泵 連接的管路。
3. 根據權利要求1所述的加工系統(tǒng)，其特征在于所述夾持臂通過一位移絲桿與一電 機相連，并在所述電機的驅動下運動。
4. 根據權利要求3所述的加工系統(tǒng)，其特征在于所述針頭及撞針式噴頭外圍分別設 有加熱器。
5. 在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工方法，其特征在于包括以下步驟 首先，用電腦將所述燃料電池雙極板上的密封槽軌跡的CAD圖紙識別轉化為一密封加工系統(tǒng)能讀取的真實物理尺寸軌跡，并通過所述密封加工系統(tǒng)上的程序輸入接口導入數 據；第二步，通過所述密封加工系統(tǒng)中的中央控制器設置撞針式噴頭和針頭涂敷軌跡上每 一個點的行走速度、高度及噴頭打開/關閉的時間；第三步，調節(jié)所述密封劑供料系統(tǒng)和樣件裝夾定位系統(tǒng)平臺上的溫度，控制密封劑的 粘度；第四步，調節(jié)所述密封劑供給系統(tǒng)氣體壓力，控制出料速度； 第五步，調節(jié)所述樣件裝夾定位系統(tǒng)，固定雙極板樣件； 第六步，啟動所述三軸自動位移系統(tǒng)移動涂敷密封劑；第七步，通過所述樣件傳遞送料系統(tǒng)將雙極板樣件轉移到所述固化烘道里； 第八步，在所述固化烘道里固化密封劑0. 5-1小時； 第九步，完成密封和雙極板的組合部件。
6. 根據權利要求5所述的加工方法，其特征在于所述第五步包括以下步驟(1) 調節(jié)好所述樣件裝夾固定系統(tǒng)的控制溫度；(2) 打開所述真空泵，使吸附平臺處于真空環(huán)境；(3) 根據所述定位夾具定位將樣件裝夾到吸附平臺上；(4) 完成樣件定位裝夾。
7.根據權利要求6所述的加工方法，其特征在于通過所述中央控制器控制所述撞針 式噴頭和針頭的行走高度，在涂敷起始點及終點時，使密封劑以一斜坡的形式搭接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括一密封劑供給系統(tǒng)，一密封劑粘度控制系統(tǒng)，一樣件裝夾定位系統(tǒng)，一三軸自動位移系統(tǒng)，一密封劑固化系統(tǒng)，并與一中央控制器連接，該中央控制器控制密封劑供給系統(tǒng)中的撞針式噴頭在軌跡上每一點距離樣件的高度、行走高度、撞針式噴頭打開/關閉的時間。本發(fā)明的在燃料電池雙極板上原位成型密封件的加工系統(tǒng)及其方法，實現了密封結構和雙極板一體化加工工藝，實現了粘稠性密封劑的無成型模具加工工藝，簡化了燃料電池開發(fā)和生產工藝過程，降低了燃料電池開發(fā)成本。
文檔編號H01M8/00GK101794891SQ20101013210
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者林少淵 申請人:昆山希盟自動化科技有限公司