專利名稱：一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其涉及一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電化學(xué)燃料電池是一種能夠?qū)浼把趸瘎┺D(zhuǎn)化成電能及反應(yīng)產(chǎn)物的裝置。該裝置的內(nèi)部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質(zhì)子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導(dǎo)電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細(xì)小分散的引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導(dǎo)電物體將發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)過程中生成的電子，通過外電路引出，構(gòu)成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴(kuò)散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)得到電子，形成負(fù)離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發(fā)生反應(yīng)，形成反應(yīng)產(chǎn)物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區(qū)的催化電化學(xué)反應(yīng)就產(chǎn)生了氫正離子(或叫質(zhì)子)。質(zhì)子交換膜幫助氫正離子從陽極區(qū)遷移到陰極區(qū)。除此之外，質(zhì)子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產(chǎn)生爆發(fā)式反應(yīng)。
在陰極區(qū)，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負(fù)離子，并與陽極區(qū)遷移過來的氫正離子反應(yīng)，生成反應(yīng)產(chǎn)物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質(zhì)子交換膜燃料電池中，陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)可以用以下方程式表達(dá)
陽極反應(yīng)陰極反應(yīng)在典型的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導(dǎo)電的極板中間，每塊導(dǎo)流極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機(jī)械銑刻，形成至少一條以上的導(dǎo)流槽。這些導(dǎo)流極板可以上金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導(dǎo)流極板上的流體孔道與導(dǎo)流槽分別將燃料和氧化劑導(dǎo)入膜電極兩邊的陽極區(qū)與陰極區(qū)。在一個質(zhì)子交換膜燃料電池單電池的構(gòu)造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導(dǎo)流板與陰極氧化劑的導(dǎo)流板。這些導(dǎo)流板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機(jī)械支撐，導(dǎo)流板上的導(dǎo)流槽又作為燃料與氧化劑進(jìn)入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運(yùn)行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯(lián)成電池組或通過平鋪的方式聯(lián)成電池組。在直疊、串聯(lián)式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導(dǎo)流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導(dǎo)流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導(dǎo)流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
質(zhì)子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運(yùn)載工具的動力系統(tǒng)，又可用作手提式、移動式、固定式的發(fā)電裝置。為了確保質(zhì)子交換膜燃料電池中的燃料與氧化劑能夠分布到整個膜電極兩邊表面上而又不產(chǎn)生混合，密封技術(shù)就非常關(guān)鍵。如果密封不好，可能會產(chǎn)生兩種情況一種情況是燃料氣體與氧化劑氣體在燃料電池內(nèi)部混合。在采用氫與氧運(yùn)行的燃料電池中，這種混合是非常致命的，一旦引發(fā)爆炸，破壞力非常大；另一情況是燃料氣體或氧化劑氣體向燃料電池外部滲漏，這種情況不但會降低燃料電池的效率，而且一旦當(dāng)燃料氫氣在外界濃度積累達(dá)到一定程度時，就會發(fā)生爆炸。因此，要十分重視燃料電池密封技術(shù)。目前的燃料電池密封技術(shù)，主要有以下4種方法第1種方法膜電極的制備采用質(zhì)子交換膜的面積遠(yuǎn)比膜電極中的多孔性支撐材料-如碳紙的面積大得多，超出碳紙面積的膜不是電化學(xué)反應(yīng)的活性區(qū)，而電化學(xué)反應(yīng)的活性區(qū)的膜兩面分別有兩張?zhí)技?中間壓有催化劑層)壓合在一起。這種做法的膜電極放在兩塊導(dǎo)流極板中間后，其中大于電化學(xué)活性的膜直接當(dāng)作密封材料的基材，并起到防止相鄰兩塊導(dǎo)流極板直接接觸而短路的作用，如圖1，它為現(xiàn)有膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中包括空氣進(jìn)氣口1、冷卻水進(jìn)口2、氫氣進(jìn)氣口3、質(zhì)子交換膜4、涂有催化劑的活性部分5。圖2為導(dǎo)流板及密封件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中包括空氣進(jìn)氣1、冷卻水進(jìn)口2、氫氣進(jìn)氣口3、導(dǎo)流板6、導(dǎo)流槽7、密封件8。其中密封件8設(shè)在導(dǎo)流板6正、反二面的密封槽內(nèi)或平面上，并分別有一部分高出導(dǎo)流板6表面，與膜電極中的基材膜4通過壓緊方式達(dá)到密封效果(圖3)。
第2種方法歐洲專利EP0604683A1所采用的密封裝置如圖4所示，該裝置包括空氣進(jìn)氣口1、密封件8、膜電極10，圖5是圖4的剖面圖，圖中包括空氣進(jìn)氣口1、質(zhì)子交換膜4、密封件8、碳紙9，其特點是將膜電極上的兩邊多孔性支撐材料，如兩張?zhí)技?，大大延伸出膜電極的活性區(qū)，將密封材料8放在膜電極的質(zhì)子交換膜4上，這樣夾住膜電極的二塊導(dǎo)流板上不需要再放置密封材料。
第3種方法上海神力公司專利(專利號01238847.5)所采用的密封裝置，如圖6所示，其特點是將膜電極分為二個部分，圖6中10部分為膜電極是反應(yīng)的活性部分，圖6中11部分為膜電極的邊框(僅虛線以外部分)。10部分與11部分是二種截然不同的材料，而且10、11二個部分的分界很明確，11部分一般由塑料或彈性橡膠、樹脂組成，并通過粘接方法與10部分連成體。電極整體與導(dǎo)流板之間的密封也可以采用密封件放在邊框上面或放在導(dǎo)流板(如圖7與圖8)。
第4種方法將膜電極作整齊的裁剪，并在膜電極的四周用彈性體如橡膠材料作包裹性的密封(如圖9、圖10)，并與相對應(yīng)的導(dǎo)流板(上面有密封槽)(如圖11、圖12)壓緊后達(dá)到密封目的。
上述四種密封方法都有一個非常嚴(yán)重的共同技術(shù)缺陷因為燃料電池堆是由較多個膜電極與雙極板組合裝配在一起的，而且燃料電池堆前后端板必須承受較大的均勻的緊固力，使密封件有一定的彈性形變，并緊緊地與膜電極、雙極板貼住，才會達(dá)到密封的效果。所以，這種密封件的表面，在長時間的緊固力作用下，與其接觸的膜電極、雙極板表面都會產(chǎn)生粘附力。無論是將密封件設(shè)置在雙極板正、反二面，或?qū)⒚芊饧O(shè)置在膜電極上，但拆開燃料電池堆時，由于密封件與其接觸的表面膜電極、雙極板產(chǎn)生了很大的粘附力，往往會產(chǎn)生以下二種可能1.原先的密封件設(shè)置在雙極板上，盡管密封件原先與雙極板上面的密封槽表面有膠粘劑，但由于密封件長期與膜電極的某些密封區(qū)域的端面緊固在一起，已經(jīng)產(chǎn)生較大的粘附力，當(dāng)拆開電堆讓雙極板與膜電極分離時，往往密封件被撕拉下來，并發(fā)生變形，不但導(dǎo)致無法重新裝配，而且密封件變形后已經(jīng)無法重復(fù)使用；2.原先的密封件設(shè)置在膜電極上也有類似上面的情況，當(dāng)拆開電堆讓雙極板與膜電極分離時，往往密封件被拉長變形，從原先膜電極上掉落下來，也導(dǎo)致無法重新裝配，密封件變形后無法重復(fù)使用。

發(fā)明內(nèi)容
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用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)在導(dǎo)流雙極板與膜電極分離時，其密封件不易變形，也不會脫落，可重復(fù)使用。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)流雙極板或膜電極、密封件，其特征在于，所述的密封件設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極的正、反面對稱位置，在所述的導(dǎo)流雙極板或膜電極設(shè)置密封件的位置開有多個連接通孔，所述的設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極正、反面的二密封件通過上述多個連接通孔用與其本身相同的材料連接在一起。
所述的密封件將導(dǎo)流雙極板或膜電極上的連接通孔完全封死，使導(dǎo)流雙極板或膜電極兩邊的二種流體不會互相串通。
所述的密封件設(shè)置在導(dǎo)流雙極板正、反面對稱的密封槽內(nèi)或平面上，并通過設(shè)在該密封槽內(nèi)或平面上的多個連接通孔用與其本身相同的材料連接。
所述的密封件設(shè)置在膜電極正、反面四周的襯墊邊框上，并通過開設(shè)在該襯墊邊框上的多個連接通孔用與其本身相同的材料連接。
所述的導(dǎo)流雙極板或膜電極打孔后設(shè)置在模具內(nèi)，通過向模具中注入密封材料，并加熱固化后構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)。
所述的密封材料包括硅橡膠。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明密封件設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極的正、反面對稱位置，而在二個密封件的許多點上，二個密封件是通過與該密封件相同的材料連接在一起的。由于本發(fā)明的密封件處于導(dǎo)流雙極板或膜電極的正、反面對稱位置，且二密封件通過通孔連在一起，即二密封件形成了一整體，因此當(dāng)導(dǎo)流雙極板與膜電極分離時，其密封件不易變形，也不會脫落，重復(fù)裝配時該密封件還可重復(fù)使用。


圖1為現(xiàn)有第一種膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有第一種導(dǎo)流雙極板安裝了密封件后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的A-A剖視圖；圖4為現(xiàn)有第二種膜電極安裝了密封件后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為圖4的A-A剖視圖；圖6為現(xiàn)有第三種膜電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為現(xiàn)有第三種膜電極安裝了密封件后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為現(xiàn)有第二種導(dǎo)流雙極板安裝了密封件后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為現(xiàn)有第四種膜電極安裝了密封件后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為圖9的A-A剖視圖；圖11為現(xiàn)有第三種導(dǎo)流雙極板的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖12為圖11的A-A剖視圖；圖13為本發(fā)明導(dǎo)流雙極板在其密封槽設(shè)置通孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為本發(fā)明密封件設(shè)在導(dǎo)流雙極板正反面的密封槽通孔內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖15為本發(fā)明密封件設(shè)在導(dǎo)流雙極板正反面的平面通孔內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖16為本發(fā)明密封件設(shè)在膜電極四周的襯墊邊框通孔內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖17為本發(fā)明密封件設(shè)在膜電極四周的氣體擴(kuò)散層材料通孔內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖18為本發(fā)明密封件將膜電極四周包裹的結(jié)構(gòu)示意圖；圖19為本發(fā)明導(dǎo)流雙極板上顯示密封件與通孔位置關(guān)系的結(jié)構(gòu)示意圖；圖20為本發(fā)明導(dǎo)流雙極板或膜電極在模具內(nèi)進(jìn)行加工的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實施例1如圖13、圖14、圖15所示，一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板的密封結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)流雙極板6、密封件8，所述的密封件8設(shè)置在導(dǎo)流雙極板6的正、反面對稱位置，在所述的導(dǎo)流雙極板6設(shè)置密封件8的位置開有多個連接通孔14，所述的設(shè)置在導(dǎo)流雙極板6正、反面的二密封件8通過上述多個連接通孔14用與其本身相同的材料連接在一起。
本實施例二個密封件8都在導(dǎo)流雙極板6的正、反面密封槽13內(nèi)(圖14)或平面上(圖15)，并有許多點連接在一起，而且這種連接材料將連接正、反二面的密封件8的連接通道完全封死，沒有任何氣體可以互相串通。這樣當(dāng)拆開電堆，導(dǎo)流雙極板與膜電極分離時，正、反二面的密封件8互相拉住對方，不會脫落，二個密封件的連接通道14之間已經(jīng)完全被同一密封件材料封死，所以導(dǎo)流雙極板兩面的二種流體不會互相串通。
實施例2如圖16、圖17所示，一種用于燃料電池的膜電極的密封結(jié)構(gòu)，包括膜電極10、密封件8，所述的密封件8設(shè)置在膜電極10的正、反面對稱位置，在所述的膜電極10設(shè)置密封件8的位置開有多個連接通孔14，所述的設(shè)置在膜電極正、反面的二密封件8通過上述多個連接通孔14用與其本身相同的材料連接在一起。
本實施例密封件8設(shè)置在膜電極10上，包括設(shè)置在膜電極四周的襯墊邊框11上(圖16)，或者設(shè)置在膜電極的氣體擴(kuò)散層材料15上(圖17)。二個密封件8都在膜電極的正、反二面，并有許多點連接在一起，而且這種連接材料將連接正、反二面的密封件的連接通道14完全封死，沒有任何氣體、流體可以互相通過或串通。這樣當(dāng)拆開電堆時，雙極板與膜電極分離時，正、反二面的密封圈互相拉住對方，不會脫落，二個密封圈連接通道之間已經(jīng)完全被同一密封件材料封死，所以膜電極正、反二面流過的二種不同的流體不會互相串通。
實施例3如圖18，并參照圖9、圖10所示，一種用于燃料電池的膜電極的密封結(jié)構(gòu)，包括膜電極10、密封件8，所述的密封件8將膜電極10的四周作包裹性密封，在所述的膜電極10設(shè)置密封件8的位置開有多個連接通孔14，所述的設(shè)置在膜電極正、反面的二密封件8通過上述多個連接通孔14用與其本身相同的材料連接在一起。
本實施例密封件8將三合一膜電極四周包裹，膜電極正、反二面四周密封區(qū)都有密封件8，并有許多點連接在一起，而且這種連接材料將連接正、反二面的密封件的連接通道完全封死，沒有任何氣體、流體可以互相通過或串通。這樣當(dāng)拆開電堆時，導(dǎo)流雙極板與膜電極分離時，正、反二面的四周密封區(qū)密封件互相拉住對方，不會脫落，二個密封圈8之間的連接通道之間已經(jīng)完全被同一密封件材料封死，所以膜電極正、反二面流過的二種不同的流體不會互相串通。
本發(fā)明密封結(jié)構(gòu)的實施工藝包括以下技術(shù)方案如圖19、圖20所示，密封件8設(shè)置在雙極板6上時，先在雙極板6上選擇多個正、反二面密封件連接點，并打孔14，將雙極板6用上、下模具16、17壓住，并在模具澆注槽18中注入密封材料，如硅橡膠，并加熱至70℃固化即可。
如圖20，并參照圖17所示，密封件8設(shè)置在三合一膜電極10上時，先在膜電極10上密封區(qū)15選擇多個正、反二面密封件連接點，并打孔14，將三合一膜電極10用上、下模具16、17壓住，并在模具澆注槽18中注入密封材料，如硅橡膠，并加熱至并加熱至70℃固化即可。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)流雙極板或膜電極、密封件，其特征在于，所述的密封件設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極的正、反面對稱位置，在所述的導(dǎo)流雙極板或膜電極設(shè)置密封件的位置開有多個連接通孔，所述的設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極正、反面的二密封件通過上述多個連接通孔用與其本身相同的材料連接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的密封件將導(dǎo)流雙極板或膜電極上的連接通孔完全封死，使導(dǎo)流雙極板或膜電極兩邊的二種流體不會互相串通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的密封件設(shè)置在導(dǎo)流雙極板正、反面對稱的密封槽內(nèi)或平面上，并通過設(shè)在該密封槽內(nèi)或平面上的多個連接通孔用與其本身相同的材料連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的密封件設(shè)置在膜電極正、反面四周的襯墊邊框上，并通過開設(shè)在該襯墊邊框上的多個連接通孔用與其本身相同的材料連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的導(dǎo)流雙極板或膜電極打孔后設(shè)置在模具內(nèi)，通過向模具中注入密封材料，并加熱固化后構(gòu)成密封結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的密封材料包括硅橡膠。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池的導(dǎo)流雙極板或膜電極的密封結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)流雙極板或膜電極、密封件，所述的密封件設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極的正、反面對稱位置，在所述的導(dǎo)流雙極板或膜電極設(shè)置密封件的位置開有多個連接通孔，所述的設(shè)置在導(dǎo)流雙極板或膜電極正、反面的二密封件通過上述多個連接通孔用與其本身相同的材料連接在一起。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明密封結(jié)構(gòu)在導(dǎo)流雙極板與膜電極分離時，其密封件不易變形，也不會脫落，可重復(fù)使用。
文檔編號H01M2/08GK1815790SQ20051002372
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月1日
發(fā)明者胡里清, 李拯, 郭偉良 申請人:上海神力科技有限公司