CN102324471A - 一种自锁紧燃料电池密封组件结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及质子交换膜燃料电池密封结构。一种自锁紧燃料电池密封组件结构，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板和下单极板组成，其特征在于：上密封圈和下密封圈的截面形状均呈凹形，上密封圈和下密封圈的凹形部分面向气体流场区域；质子交换膜的边部与膜电极支撑部件的环形支撑台阶之间由粘结剂层粘结固定。该结构简单可靠、容易加工，既防止外漏，也可防止内漏(阴阳极串气)。

Description

一种自锁紧燃料电池密封组件结构

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及质子交换膜燃料电池密封结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种直接利用氢能的发电装置，PEMFC把贮存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，能量转化效率高；燃料电池对环境友好，唯一排放物是水。因此，燃料电池技术被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。

质子交换膜燃料电池工作时在催化剂的作用下，发生的反应为：

生成的无污染的水直接排出或者重新回收用来加湿气体，电极反应产生的电子经外电路到达阴极，从而可以对外做功。

燃料电池单体电池主要由膜电极组件(MEA)，导流极板或双极板和其他辅助部件组成。为了提高燃料电池的输出功率，通常将若干个单体电池通过直叠或者平铺的方式堆叠在一起，在加上集流板、绝缘板和端板，通过螺杆或卡条紧固，组成燃料电池堆。

膜电极组件(MEA)的制备均采用质子交换膜的面积要比支撑膜电极的多孔碳材料要大一些，其多出的部分为非活性区，主要作为密封的基材，阻隔阴阳极气体接触，而活性区域则与两张多孔碳材料压合在一起构成膜电极组件(MEA)。

为了确保进入燃料电池的燃料和氧化剂能够分配到整个膜电极(MEA)表面而不发生混合，密封技术很关键。如果密封不好，将会产生严重的后果：①燃料电池内部燃料和氧化剂混合，发生反应，这种后果很容易导致电池爆炸，危害人身安全；②燃料或氧化剂外漏，这样电池的性能会有很大的下降，另外如果外露燃料达到一定的浓度时也容易引起燃烧爆炸。

通常质子交换膜燃料电池(PEMFC)是两个导流极板或双极板密封夹紧一个膜电极组件(MEA)构成一节单电池，从现有的专利看出，密封圈结构多种多样。美国3M公司申请的专利(WO2009085647)采用O型的密封圈，这种O型圈在密封槽道内容易引起挤扭、跑位，而且密封圈的直径也很难确定，在压紧的时候密封圈受挤压很容易被挤出密封槽道外，密封难度比较大。加拿大Ballard公司申请的专利(WO2010080450)则是采用两种不同的密封圈材料和密封圈结构来实现双极板与膜电极组件之间的密封，但这样提高了加工成本，增加了组装电堆的难度。

现有的密封圈都是利用导流极板或双极板与膜电极组件(MEA)的垂直压力压紧密封，没有考虑到另一辅助密封方法，如利用气体压力压差使得密封圈在密封槽道内形成自锁(压)紧以达到密封效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自锁紧燃料电池密封组件结构，该结构简单可靠、容易加工，既防止外漏，也可防止内漏(阴阳极串气)。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种自锁紧燃料电池密封组件结构，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板10和下单极板15组成，上单极板10的下面设有上流道4、上密封槽道3，上流道4位于环形的上密封槽道3的内侧，上密封槽道3内设有上密封圈2，下单极板15的上面设有下流道12、下密封槽道16，下流道12位于环形的下密封槽道16的内侧，下密封槽道16内设有下密封圈11，膜电极组件位于上单极板10与下单极板15之间，上流道4和下流道12均位于膜电极组件的膜电极支撑部件1处；膜电极组件包括膜电极支撑部件1、质子交换膜5、上催化剂层6、上气体扩散层7、下催化剂层13、下气体扩散层15，膜电极支撑部件1为环形结构，膜电极支撑部件1的环形腔内侧壁上设有环形支撑台阶，质子交换膜5的边部搁置在膜电极支撑部件1的环形支撑台阶上，质子交换膜5的上面设有上催化剂层6，上催化剂层6的上面设有上气体扩散层7，质子交换膜5的下面设有下催化剂层13，下催化剂层13的下面设有下气体扩散层15；其特征在于：上密封圈2和下密封圈11的截面形状均呈凹形，上密封圈2和下密封圈11的凹形部分面向气体流场区域；质子交换膜5的边部与膜电极支撑部件1的环形支撑台阶之间由粘结剂层8粘结固定。

所述的密封圈2和下密封圈11的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

所述的上密封槽道3、下密封槽道16的个数均为1-6条。

一种自锁紧燃料电池密封组件结构(另一方案)，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板10和下单极板15组成，上单极板10的下面设有上流道4，下单极板15的上面设有下流道12；膜电极组件位于上单极板10与下单极板15之间；膜电极组件包括膜电极支撑部件1、质子交换膜5、上催化剂层6、上气体扩散层7、下催化剂层13、下气体扩散层15，膜电极支撑部件1为环形结构，膜电极支撑部件1的环形腔内侧壁上设有环形支撑台阶，质子交换膜5的边部搁置在膜电极支撑部件1的环形支撑台阶上，质子交换膜5的上面设有上催化剂层6，上催化剂层6的上面设有上气体扩散层7，质子交换膜5的下面设有下催化剂层13，下催化剂层13的下面设有下气体扩散层15；其特征在于：上单极板10的下面设有上密封槽道3或者下单极板15的上面设有下密封槽道16；

当上单极板10的下面设有上密封槽道3时，上流道4位于环形的上密封槽道3的内侧，上密封槽道3内设有上密封圈2，上密封圈2的截面形状均呈凹形，上密封圈2的凹形部分面向气体流场区域，上流道4位于膜电极组件的膜电极支撑部件1处，下单极板15与膜电极组件的膜电极支撑部件1之间由第二密封粘结剂层17粘结固定；

当下单极板15的上面设有下密封槽道16时，下流道12位于环形的下密封槽道16的内侧，下密封槽道16内设有下密封圈11，下密封圈11的截面形状均呈凹形，下密封圈11的凹形部分面向气体流场区域，下流道12位于膜电极组件的膜电极支撑部件1处，上单极板10与膜电极组件的膜电极支撑部件1之间由第二密封粘结剂层17粘结固定；

质子交换膜5的边部与膜电极支撑部件1的环形支撑台阶之间由粘结剂层8粘结固定。

所述的密封圈2的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

所述的下密封圈11的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

所述的上密封槽道3的个数为1-6条。所述的下密封槽道16的个数为1-6条。

所述的密封圈2使用弹性伸缩性材料，如橡胶、树脂或弹性聚合物等。所述的下密封圈11使用弹性伸缩性材料，如橡胶、树脂或弹性聚合物等。

所述的粘结剂层8、第二密封粘结剂层17的材料可为热敏胶或压敏胶。

本发明适用于双极板(或导流极板)在靠近流场区域设有密封槽，在密封槽中用密封件密封的燃料电池装置。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的密封组件结构，其结构简单，加工技术容易实现，不用增加复杂的多余密封零件。

(2)密封圈的凹形结构设计，一方面密封圈在组装时利用双极板与膜电极组件的垂直压力压紧，同时也借助电池内部气体与大气压的压力差(P1＞P0)，使得密封圈开口张开，与密封面贴的更紧，在密封槽内形成自锁紧，通过自锁(压)紧模式保证气体不外漏，密封效果好。加强了燃料电池的密封性能，提高了燃料电池的稳定性和安全性。

(3)所述膜电极组件(MEA)由具有一定宽度的台阶的硬质外边框做基体(即膜电极支撑部件)，台阶上敷设质子交换膜，膜的两面覆盖阴阳极催化层以及气体扩散层，膜与台阶接触面敷设有粘性胶膜(即粘结剂层)，这些材料部件热压粘合成MEA，一方面，膜电极阴阳极侧气体隔离密封方式除利用台阶处的粘性胶膜密封质子交换膜外，同时也运用阳极气体压力P2与阴极气体压力P3之间的压差(P2＞P3)使得质子交换膜紧贴于膜电极支撑部件上，实现自锁紧密封，防止阴阳极气体串气。

(4)通过自锁(压)紧模式保证气体不外漏，不内漏(阴阳极串气)，降低了燃料电池的封装难度，提高了电堆的组装效率。

附图说明

图1是本发明装配示意图，但没有施加装夹力的自由状态。

图2是本发明施加装夹力后的装配示意图。

图3是本发明密封圈工作受力分析图。

图4是本发明膜电极密封区域受力分析图。

图5是本发明一种实施例子的横截面示意图。

图6是本发明另一种实施例子的横截面示意图。

图中：1-膜电极支撑部件，2-上密封圈，3-上密封槽道，4-上流道，5-质子交换膜，6-上催化剂层，7-上气体扩散层，8-粘结剂层，9-流道脊岸，10-上单极板，11-下密封圈，12-下流道，13-下催化剂层，14-下气体扩散层，15-下单极板，16-下密封槽道，17-第二密封粘结剂层。

具体实施方式

下面结合附图及各实施例进一步说明本发明。

实施例1：

如图1-5所示，一种自锁紧燃料电池密封组件结构，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板10和下单极板15组成，上单极板10的下面设有上流道4、上密封槽道3，上流道4位于环形的上密封槽道3的内侧，上密封槽道3内设有上密封圈2，下单极板15的上面设有下流道12、下密封槽道16，下流道12位于环形的下密封槽道16的内侧，下密封槽道16内设有下密封圈11，膜电极组件位于上单极板10与下单极板15之间，上流道4和下流道12均位于膜电极组件的膜电极支撑部件1处；膜电极组件包括膜电极支撑部件1、质子交换膜5、上催化剂层6、上气体扩散层7、下催化剂层13、下气体扩散层15，膜电极支撑部件1为环形结构，膜电极支撑部件1的环形腔内侧壁上设有环形支撑台阶，质子交换膜5的边部搁置在膜电极支撑部件1的环形支撑台阶上，质子交换膜5的上面设有上催化剂层6，上催化剂层6的上面设有上气体扩散层7，质子交换膜5的下面设有下催化剂层13，下催化剂层13的下面设有下气体扩散层15；上密封圈2和下密封圈11的截面形状均呈凹形，上密封圈2和下密封圈11的凹形部分面向气体流场区域(面向上流道4、下流道12)；质子交换膜5的边部与膜电极支撑部件1的环形支撑台阶之间由粘结剂层8粘结固定。

所述的密封圈2和下密封圈11的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

所述的密封圈2和下密封圈11使用弹性伸缩性材料，如橡胶、树脂或弹性聚合物等。

所述的上密封槽道3、下密封槽道16的个数为1-6条(可以为一条或多条，本实施例采用1条)；密封圈2和下密封圈11自由状态时密封圈的截面尺寸高度大于密封槽深度。

所述的粘结剂层8的材料可为热敏胶或压敏胶。

质子交换膜燃料电池组装时密封圈在密封槽道中受力如图3所示，所述密封圈受到双极板的垂直压紧力(F1，F3)压紧，槽岸对密封圈起支撑作用(F2)，同时电池内部气体与大气压的压力差(P1＞P0)，使得密封圈开口张开，与密封面贴的更紧密封，增强密封效果。

本发明密封圈可采用模具注射成型，形成固定结构。本发明膜电极组件(MEA)由具有一定宽度的台阶的硬质外边框做基体，台阶上敷设质子交换膜，膜的两面覆盖阴阳极催化层以及气体扩散层，膜与台阶接触面敷设有粘性胶膜，这些材料部件热压粘合成MEA，一方面，膜电极阴阳极侧气体隔离密封方式除利用台阶处的粘性胶膜密封质子交换膜外，同时也运用阳极气体压力P2与阴极气体压力P3之间的压差(P2＞P3)使得质子交换膜紧贴于膜电极支撑部件上，实现自锁紧密封。这种结构克服现有技术密封圈单一密封方式的不足，利用一种简单可靠的自锁紧原理实现电池组的密封，密封效果好，提高了电堆的组装效率。

实施例2：

如图6所示，一种自锁紧燃料电池密封组件结构(另一方案)，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板10和下单极板15组成，上单极板10的下面设有上流道4，下单极板15的上面设有下流道12；膜电极组件位于上单极板10与下单极板15之间；膜电极组件包括膜电极支撑部件1、质子交换膜5、上催化剂层6、上气体扩散层7、下催化剂层13、下气体扩散层15，膜电极支撑部件1为环形结构，膜电极支撑部件1的环形腔内侧壁上设有环形支撑台阶，质子交换膜5的边部搁置在膜电极支撑部件1的环形支撑台阶上，质子交换膜5的上面设有上催化剂层6，上催化剂层6的上面设有上气体扩散层7，质子交换膜5的下面设有下催化剂层13，下催化剂层13的下面设有下气体扩散层15；上单极板10的下面设有上密封槽道3(下单极板15的上面不设有下密封槽道)；

上流道4位于环形的上密封槽道3的内侧，上密封槽道3内设有上密封圈2，上密封圈2的截面形状均呈凹形，上密封圈2的凹形部分面向气体流场区域，上流道4位于膜电极组件的膜电极支撑部件1处，下单极板15与膜电极组件的膜电极支撑部件1之间由第二密封粘结剂层17粘结固定；

质子交换膜5的边部与膜电极支撑部件1的环形支撑台阶之间由粘结剂层8粘结固定。

所述的密封圈2的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

所述的上密封槽道3的个数为1-6条(可以为一条或多条，本实施例采用1条)。

所述的密封圈2使用弹性伸缩性材料，如橡胶、树脂或弹性聚合物等。

所述的粘结剂层8、第二密封粘结剂层17的材料可为热敏胶或压敏胶。

实施例3：

与实施例2基本相同，不同之处在于：下单极板15的上面设有下密封槽道16(上单极板10的下面不设上密封槽道3)，下流道12位于环形的下密封槽道16的内侧，下密封槽道16内设有下密封圈11，下密封圈11的截面形状均呈凹形，下密封圈11的凹形部分面向气体流场区域，下流道12位于膜电极组件的膜电极支撑部件1处，上单极板10与膜电极组件的膜电极支撑部件1之间由第二密封粘结剂层17粘结固定。

所述的下密封圈11的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

所述的下密封槽道16的个数为1-6条(可以为一条或多条，本实施例采用1条)。

所述的下密封圈11使用弹性伸缩性材料，如橡胶、树脂或弹性聚合物等。

组装电池时有两种密封方式：一种是膜电极组件(MEA)两侧都采用密封圈密封(实施例1)，另一种是膜电极组件(MEA)一侧采用密封圈密封，另一侧用第二密封粘结剂层16将双极板与膜电极组件冷/热压形成一体。所述密封圈组装时除利用导流极板或双极板与膜电极组件(MEA)的垂直压力压紧外，同时也借助气体压力压差(P1＞P0)使得密封圈在密封槽内形成自锁(压)紧，达到密封效果；这种自锁(压)紧燃料电池密封组件结构也包括利用气体压力压差(P2＞P3)使得质子交换膜紧贴于膜电极支撑部件上，实现自锁紧密封，密封效果好。

这种结构克服现有技术密封圈的不足，利用一种简单可靠的自锁(压)紧原理实现电池组的密封，提高了电堆的组装效率。

Claims (8)

1.一种自锁紧燃料电池密封组件结构，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板(10)和下单极板(15)组成，上单极板(10)的下面设有上流道(4)、上密封槽道(3)，上流道(4)位于环形的上密封槽道(3)的内侧，上密封槽道(3)内设有上密封圈(2)，下单极板(15)的上面设有下流道(12)、下密封槽道(16)，下流道(12)位于环形的下密封槽道(16)的内侧，下密封槽道(16)内设有下密封圈(11)，膜电极组件位于上单极板(10)与下单极板(15)之间，上流道(4)和下流道(12)均位于膜电极组件的膜电极支撑部件(1)处；膜电极组件包括膜电极支撑部件(1)、质子交换膜(5)、上催化剂层(6)、上气体扩散层(7)、下催化剂层(13)、下气体扩散层(15)，膜电极支撑部件(1)为环形结构，膜电极支撑部件(1)的环形腔内侧壁上设有环形支撑台阶，质子交换膜(5)的边部搁置在膜电极支撑部件(1)的环形支撑台阶上，质子交换膜(5)的上面设有上催化剂层(6)，上催化剂层(6)的上面设有上气体扩散层(7)，质子交换膜(5)的下面设有下催化剂层(13)，下催化剂层(13)的下面设有下气体扩散层(15)；其特征在于：上密封圈(2)和下密封圈(11)的截面形状均呈凹形，上密封圈(2)和下密封圈(11)的凹形部分面向气体流场区域；质子交换膜(5)的边部与膜电极支撑部件(1)的环形支撑台阶之间由粘结剂层(8)粘结固定。

2.根据权利要求1所述的一种自锁紧燃料电池密封组件结构，其特征在于：所述的密封圈(2)和下密封圈(11)的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

3.根据权利要求1所述的一种自锁紧燃料电池密封组件结构，其特征在于：所述的上密封槽道(3)、下密封槽道(16)的个数均为1-6条。

4.一种自锁紧燃料电池密封组件结构，它涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板(10)和下单极板(15)组成，上单极板(10)的下面设有上流道(4)，下单极板(15)的上面设有下流道(12)；膜电极组件位于上单极板(10)与下单极板(15)之间；膜电极组件包括膜电极支撑部件(1)、质子交换膜(5)、上催化剂层(6)、上气体扩散层(7)、下催化剂层(13)、下气体扩散层(15)，膜电极支撑部件(1)为环形结构，膜电极支撑部件(1)的环形腔内侧壁上设有环形支撑台阶，质子交换膜(5)的边部搁置在膜电极支撑部件(1)的环形支撑台阶上，质子交换膜(5)的上面设有上催化剂层(6)，上催化剂层(6)的上面设有上气体扩散层(7)，质子交换膜(5)的下面设有下催化剂层(13)，下催化剂层(13)的下面设有下气体扩散层(15)；其特征在于：上单极板(10)的下面设有上密封槽道(3)或者下单极板(15)的上面设有下密封槽道(16)；

当上单极板(10)的下面设有上密封槽道(3)时，上流道(4)位于环形的上密封槽道(3)的内侧，上密封槽道(3)内设有上密封圈(2)，上密封圈(2)的截面形状均呈凹形，上密封圈(2)的凹形部分面向气体流场区域，上流道(4)位于膜电极组件的膜电极支撑部件(1)处，下单极板(15)与膜电极组件的膜电极支撑部件(1)之间由第二密封粘结剂层(17)粘结固定；

当下单极板(15)的上面设有下密封槽道(16)时，下流道(12)位于环形的下密封槽道(16)的内侧，下密封槽道(16)内设有下密封圈(11)，下密封圈(11)的截面形状均呈凹形，下密封圈(11)的凹形部分面向气体流场区域，下流道(12)位于膜电极组件的膜电极支撑部件(1)处，上单极板(10)与膜电极组件的膜电极支撑部件(1)之间由第二密封粘结剂层(17)粘结固定；

质子交换膜(5)的边部与膜电极支撑部件(1)的环形支撑台阶之间由粘结剂层(8)粘结固定。

5.根据权利要求4所述的一种自锁紧燃料电池密封组件结构，其特征在于：所述的密封圈(2)的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

6.根据权利要求4所述的一种自锁紧燃料电池密封组件结构，其特征在于：所述的下密封圈(11)的截面形状均呈V型、C型或U型结构。

7.根据权利要求4所述的一种自锁紧燃料电池密封组件结构，其特征在于：所述的上密封槽道(3)的个数为1-6条。

8.根据权利要求4所述的一种自锁紧燃料电池密封组件结构，其特征在于：所述的下密封槽道(16)的个数为1-6条。

Images