CN100444446C - 一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，包括导流双极板或膜电极、密封件，所述的密封件设置在导流双极板或膜电极的正、反面对称位置，在所述的导流双极板或膜电极设置密封件的位置开有多个连接通孔，所述的设置在导流双极板或膜电极正、反面的二密封件通过上述多个连接通孔用与其本身相同的材料连接在一起。与现有技术相比，本发明密封结构在导流双极板与膜电极分离时，其密封件不易变形，也不会脱落，可重复使用。

Description

一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构

技术领域

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构。

背景技术

电化学燃料电池是一种能够将氢及氧化剂转化成电能及反应产物的装置。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)，膜电极(MEA)由一张质子交换膜、膜两面夹两张多孔性的可导电的材料，如碳纸组成。在膜与碳纸的两边界面上含有均匀细小分散的引发电化学反应的催化剂，如金属铂催化剂。膜电极两边可用导电物体将发生电化学发应过程中生成的电子，通过外电路引出，构成电流回路。

在膜电极的阳极端，燃料可以通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应，失去电子，形成正离子，正离子可通过迁移穿过质子交换膜，到达膜电极的另一端阴极端。在膜电极的阴极端，含有氧化剂(如氧气)的气体，如空气，通过渗透穿过多孔性扩散材料(碳纸)，并在催化剂表面上发生电化学反应得到电子，形成负离子。在阴极端形成的阴离子与阳极端迁移过来的正离子发生反应，形成反应产物。

在采用氢气为燃料，含有氧气的空气为氧化剂(或纯氧为氧化剂)的质子交换膜燃料电池中，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或叫质子)。质子交换膜帮助氢正离子从阳极区迁移到阴极区。除此之外，质子交换膜将含氢气燃料的气流与含氧的气流分隔开来，使它们不会相互混合而产生爆发式反应。

在阴极区，氧气在催化剂表面上得到电子，形成负离子，并与阳极区迁移过来的氢正离子反应，生成反应产物水。在采用氢气、空气(氧气)的质子交换膜燃料电池中，阳极反应与阴极反应可以用以下方程式表达：

阳极反应：H₂→2H⁺+2e

阴极反应：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

在典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极(MEA)一般均放在两块导电的极板中间，每块导流极板与膜电极接触的表面通过压铸、冲压或机械铣刻，形成至少一条以上的导流槽。这些导流极板可以上金属材料的极板，也可以是石墨材料的极板。这些导流极板上的流体孔道与导流槽分别将燃料和氧化剂导入膜电极两边的阳极区与阴极区。在一个质子交换膜燃料电池单电池的构造中，只存在一个膜电极，膜电极两边分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这些导流板既作为电流集流板，也作为膜电极两边的机械支撑，导流板上的导流槽又作为燃料与氧化剂进入阳极、阴极表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成的水的通道。

为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，两个或两个以上的单电池通常可通过直叠的方式串联成电池组或通过平铺的方式联成电池组。在直叠、串联式的电池组中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，而另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。一连串的单电池通过一定方式连在一起而组成一个电池组。电池组通常通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起成为一体。

一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。

质子交换膜燃料电池可用作一切车、船等运载工具的动力系统，又可用作手提式、移动式、固定式的发电装置。为了确保质子交换膜燃料电池中的燃料与氧化剂能够分布到整个膜电极两边表面上而又不产生混合，密封技术就非常关键。如果密封不好，可能会产生两种情况：一种情况是燃料气体与氧化剂气体在燃料电池内部混合。在采用氢与氧运行的燃料电池中，这种混合是非常致命的，一旦引发爆炸，破坏力非常大；另一情况是燃料气体或氧化剂气体向燃料电池外部渗漏，这种情况不但会降低燃料电池的效率，而且一旦当燃料氢气在外界浓度积累达到一定程度时，就会发生爆炸。因此，要十分重视燃料电池密封技术。目前的燃料电池密封技术，主要有以下4种方法：

第1种方法：膜电极的制备采用质子交换膜的面积远比膜电极中的多孔性支撑材料-如碳纸的面积大得多，超出碳纸面积的膜不是电化学反应的活性区，而电化学反应的活性区的膜两面分别有两张碳纸(中间压有催化剂层)压合在一起。这种做法的膜电极放在两块导流极板中间后，其中大于电化学活性的膜直接当作密封材料的基材，并起到防止相邻两块导流极板直接接触而短路的作用，如图1，它为现有膜电极的结构示意图.图中包括空气进气口1、冷却水进口2、氢气进气口3、质子交换膜4、涂有催化剂的活性部分5。图2为导流板及密封件的结构示意图，图中包括空气进气1、冷却水进口2、氢气进气口3、导流板6、导流槽7、密封件8。其中密封件8设在导流板6正、反二面的密封槽内或平面上，并分别有一部分高出导流板6表面，与膜电极中的基材膜4通过压紧方式达到密封效果(图3)。

第2种方法：欧洲专利EP0604683A1所采用的密封装置如图4所示，该装置包括空气进气口1、密封件8、膜电极10，图5是图4的剖面图，图中包括空气进气口1、质子交换膜4、密封件8、碳纸9，其特点是将膜电极上的两边多孔性支撑材料，如两张碳纸9，大大延伸出膜电极的活性区，将密封材料8放在膜电极的质子交换膜4上，这样夹住膜电极的二块导流板上不需要再放置密封材料。

第3种方法：上海神力公司专利(专利号01238847.5)所采用的密封装置，如图6所示，其特点是将膜电极分为二个部分，图6中10部分为膜电极是反应的活性部分，图6中11部分为膜电极的边框(仅虚线以外部分)。10部分与11部分是二种截然不同的材料，而且10、11二个部分的分界很明确，11部分一般由塑料或弹性橡胶、树脂组成，并通过粘接方法与10部分连成体。电极整体与导流板之间的密封也可以采用密封件放在边框上面或放在导流板(如图7与图8)。

第4种方法：将膜电极作整齐的裁剪，并在膜电极的四周用弹性体如橡胶材料作包裹性的密封(如图9、图10)，并与相对应的导流板(上面有密封槽)(如图11、图12)压紧后达到密封目的。

上述四种密封方法都有一个非常严重的共同技术缺陷：因为燃料电池堆是由较多个膜电极与双极板组合装配在一起的，而且燃料电池堆前后端板必须承受较大的均匀的紧固力，使密封件有一定的弹性形变，并紧紧地与膜电极、双极板贴住，才会达到密封的效果。所以，这种密封件的表面，在长时间的紧固力作用下，与其接触的膜电极、双极板表面都会产生粘附力。无论是将密封件设置在双极板正、反二面，或将密封件设置在膜电极上，但拆开燃料电池堆时，由于密封件与其接触的表面膜电极、双极板产生了很大的粘附力，往往会产生以下二种可能：

1.原先的密封件设置在双极板上，尽管密封件原先与双极板上面的密封槽表面有胶粘剂，但由于密封件长期与膜电极的某些密封区域的端面紧固在一起，已经产生较大的粘附力，当拆开电堆让双极板与膜电极分离时，往往密封件被撕拉下来，并发生变形，不但导致无法重新装配，而且密封件变形后已经无法重复使用；

2.原先的密封件设置在膜电极上也有类似上面的情况，当拆开电堆让双极板与膜电极分离时，往往密封件被拉长变形，从原先膜电极上掉落下来，也导致无法重新装配，密封件变形后无法重复使用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，该密封结构在导流双极板与膜电极分离时，其密封件不易变形，也不会脱落，可重复使用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，包括导流双极板或膜电极、密封件，其特征在于，所述的密封件设置在导流双极板或膜电极的正、反面对称位置，在所述的导流双极板或膜电极设置密封件的位置开有多个连接通孔，所述的设置在导流双极板或膜电极正、反面的二密封件通过上述多个连接通孔用与其本身相同的材料连接在一起。

所述的密封件将导流双极板或膜电极上的连接通孔完全封死，使导流双极板或膜电极两边的二种流体不会互相串通。

所述的密封件设置在导流双极板正、反面对称的密封槽内或平面上，并通过设在该密封槽内或平面上的多个连接通孔用与其本身相同的材料连接。

所述的密封件设置在膜电极正、反面四周的衬垫边框上，并通过开设在该衬垫边框上的多个连接通孔用与其本身相同的材料连接。

所述的导流双极板或膜电极打孔后设置在模具内，通过向模具中注入密封材料，并加热固化后构成密封结构。

所述的密封材料包括硅橡胶。

与现有技术相比，本发明密封件设置在导流双极板或膜电极的正、反面对称位置，而在二个密封件的许多点上，二个密封件是通过与该密封件相同的材料连接在一起的。由于本发明的密封件处于导流双极板或膜电极的正、反面对称位置，且二密封件通过通孔连在一起，即二密封件形成了一整体，因此当导流双极板与膜电极分离时，其密封件不易变形，也不会脱落，重复装配时该密封件还可重复使用。

附图说明

图1为现有第一种膜电极的结构示意图；

图2为现有第一种导流双极板安装了密封件后的结构示意图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为现有第二种膜电极安装了密封件后的结构示意图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为现有第三种膜电极的结构示意图；

图7为现有第三种膜电极安装了密封件后的结构示意图；

图8为现有第二种导流双极板安装了密封件后的结构示意图；

图9为现有第四种膜电极安装了密封件后的结构示意图；

图10为图9的A-A剖视图；

图11为现有第三种导流双极板的结构示意图；

图12为图11的A-A剖视图；

图13为本发明导流双极板在其密封槽设置通孔后的结构示意图；

图14为本发明密封件设在导流双极板正反面的密封槽通孔内的结构示意图；

图15为本发明密封件设在导流双极板正反面的平面通孔内的结构示意图；

图16为本发明密封件设在膜电极四周的衬垫边框通孔内的结构示意图；

图17为本发明密封件设在膜电极四周的气体扩散层材料通孔内的结构示意图；

图18为本发明密封件将膜电极四周包裹的结构示意图；

图19为本发明导流双极板上显示密封件与通孔位置关系的结构示意图；

图20为本发明导流双极板或膜电极在模具内进行加工的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图13、图14、图15所示，一种用于燃料电池的导流双极板的密封结构，包括导流双极板6、密封件8，所述的密封件8设置在导流双极板6的正、反面对称位置，在所述的导流双极板6设置密封件8的位置开有多个连接通孔14，所述的设置在导流双极板6正、反面的二密封件8通过上述多个连接通孔14用与其本身相同的材料连接在一起。

本实施例二个密封件8都在导流双极板6的正、反面密封槽13内(图14)或平面上(图15)，并有许多点连接在一起，而且这种连接材料将连接正、反二面的密封件8的连接通道完全封死，没有任何气体可以互相串通。这样当拆开电堆，导流双极板与膜电极分离时，正、反二面的密封件8互相拉住对方，不会脱落，二个密封件的连接通道14之间已经完全被同一密封件材料封死，所以导流双极板两面的二种流体不会互相串通。

实施例2

如图16、图17所示，一种用于燃料电池的膜电极的密封结构，包括膜电极10、密封件8，所述的密封件8设置在膜电极10的正、反面对称位置，在所述的膜电极10设置密封件8的位置开有多个连接通孔14，所述的设置在膜电极正、反面的二密封件8通过上述多个连接通孔14用与其本身相同的材料连接在一起。

本实施例密封件8设置在膜电极10上，包括设置在膜电极四周的衬垫边框11上(图16)，或者设置在膜电极的气体扩散层材料15上(图17)。二个密封件8都在膜电极的正、反二面，并有许多点连接在一起，而且这种连接材料将连接正、反二面的密封件的连接通道14完全封死，没有任何气体、流体可以互相通过或串通。这样当拆开电堆时，双极板与膜电极分离时，正、反二面的密封圈互相拉住对方，不会脱落，二个密封圈连接通道之间已经完全被同一密封件材料封死，所以膜电极正、反二面流过的二种不同的流体不会互相串通。

实施例3

如图18，并参照图9、图10所示，一种用于燃料电池的膜电极的密封结构，包括膜电极10、密封件8，所述的密封件8将膜电极10的四周作包裹性密封，在所述的膜电极10设置密封件8的位置开有多个连接通孔14，所述的设置在膜电极正、反面的二密封件8通过上述多个连接通孔14用与其本身相同的材料连接在一起。

本实施例密封件8将三合一膜电极四周包裹，膜电极正、反二面四周密封区都有密封件8，并有许多点连接在一起，而且这种连接材料将连接正、反二面的密封件的连接通道完全封死，没有任何气体、流体可以互相通过或串通。这样当拆开电堆时，导流双极板与膜电极分离时，正、反二面的四周密封区密封件互相拉住对方，不会脱落，二个密封圈8之间的连接通道之间已经完全被同一密封件材料封死，所以膜电极正、反二面流过的二种不同的流体不会互相串通。

本发明密封结构的实施工艺包括以下技术方案：

如图19、图20所示，密封件8设置在双极板6上时，先在双极板6上选择多个正、反二面密封件连接点，并打孔14，将双极板6用上、下模具16、17压住，并在模具浇注槽18中注入密封材料，如硅橡胶，并加热至70℃固化即可。

如图20，并参照图17所示，密封件8设置在三合一膜电极10上时，先在膜电极10上密封区15选择多个正、反二面密封件连接点，并打孔14，将三合一膜电极10用上、下模具16、17压住，并在模具浇注槽18中注入密封材料，如硅橡胶，并加热至并加热至70℃固化即可。

Claims (3)

1.一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，包括导流双极板或膜电极、密封件，其特征在于，所述的密封件设置在导流双极板或膜电极的正、反面对称位置，在所述的导流双极板或膜电极设置密封件的位置开有多个连接通孔，所述的设置在导流双极板或膜电极正、反面的二密封件通过上述多个连接通孔用与密封件本身相同的材料连接在一起；所述的密封件将导流双极板或膜电极上的连接通孔完全封死，使导流双极板或膜电极两边的二种流体不会互相串通；所述的密封件设置在导流双极板正、反面对称的密封槽内或平面上，并通过设在该密封槽内或平面上的多个连接通孔用与密封件本身相同的材料连接，或者所述的密封件设置在膜电极正、反面四周的衬垫边框上，并通过开设在该衬垫边框上的多个连接通孔用与密封件本身相同的材料连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，其特征在于，所述的导流双极板或膜电极打孔后设置在模具内，通过向模具中注入密封材料，并加热固化后构成密封结构。

3.根据权利要求2所述的一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，其特征在于，所述的密封材料包括硅橡胶。

Images