CN108054407B - 一种燃料电池膜电极的密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池膜电极的密封结构，包括膜电极，弹性密封圈，密封边框，其特征在于，所述弹性密封圈设置于所述膜电极外围，所述密封边框设置于所述弹性密封圈外围，所述膜电极、弹性密封圈和密封边框在同一平面内，所述密封边框的四周外缘向外侧翘起，构成边框裙围，所述密封边框上还开设有定位孔。组装成电堆后，边框裙围护住双极板侧面，起绝缘防护功能，可以防止燃料电池电堆的各单电池之间发生短路，同时还能防止电堆中的其他金属部件因接触双极板而发生短路。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池制造领域，具体涉及到燃料电池的密封技术。
背景技术
质子交换膜燃料电池通常是指由膜电极、扩散层和双极板层层交替重叠，串联而成的电堆。该装置的内部核心部件是膜电极(Membrane Electrode Assembly，简称MEA)。MEA由质子交换膜和担载在碳粉上的铂(或含铂的合金)催化剂组成，碳载铂催化剂通过喷涂、转印等技术手段均匀地分布在质子交换膜的两侧，并通过热压和质子交换膜粘合为一个整体。扩散层通常由碳纸或者碳布组成，它贴合膜电极的两侧。扩散层外侧为双极板。双极板兼有集流体、流场板和气体分隔板的功能，通常由石墨板、金属板等导电材质构成。
工作时，质子交换膜染料电池通常采用氢气为燃料，含有氧气的空气(或纯氧)为氧化剂，燃料氢气在阳极区的催化电化学反应就产生了氢正离子(或称为质子)。质子交换膜允许氢正离子从阳极区迁移往阴极区，但不允许氢分子或者氢原子通过，因此，质子交换膜可以分隔含氢气燃料的氧化反应气流与含氧的还原反应气流，使它们不能直接混合而发生热化学反应，反应只能通过电化学方式进行，即氢正离子在质子交换膜内的迁移来进行。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)为反应气体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
为了确保质子交换膜燃料电池中的燃料与氧化剂气体能够分布到整个膜电极两边表面上而又不产生混合，除了要求膜电极本身致密不透气以外，膜电极四周的密封技术也很关键。如果膜电极四周密封不好，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电堆内部混合，在阳极或者阴极催化剂的作用下，迅速发生热化学复合反应，放出大量的热，使电解质膜(质子交换膜)熔穿，失去隔离燃料气体和氧化气体的作用，引起爆炸或者大面积的膜电极烧毁现象，使电堆迅速失效；另一种情况是燃料气体或氧化剂气体向电堆外部渗漏，这会降低燃料电池的能量利用效率。如果电堆是在密闭或者通风条件不好的空间内工作，致使泄露的燃料氢气浓度在周围空间不断积累，也会引发爆炸，会对周围的人员和设备构成威胁。
在组装电堆时，为了防止阴阳两极的反应气体从膜电极的四周发生侧漏而串气，出现上述两种不利情况，需要对膜电极与扩散层、双极板之间的接触面进行密封。目前的燃料电池密封技术，通常是在膜电极的四周接上弹性密封圈，这个密封圈不仅要与膜电极严密复合，还要与双极板之间实现气密。通常，密封圈由具有弹性变形能力的聚合物材料组成，在外加压力的作用下，它能变形，与双极板紧密贴合，阻隔气体外泄，使阴极和阳极的气体只能各自在膜电极的一侧流动。
电堆在装备时，需要对膜电极和双极板进行精确定位，使各层膜电极两侧的反应气体都能精确地按双极板上的流道传递到膜电极的指定区域，实现各部分均匀发电。精确定位通过双极板和膜电极上的定位孔来实现。由于弹性密封圈在电堆装备时受压应力易变形，定位孔不能打在弹性密封圈上，否则会失去定位精度。因此一般会在弹性密封圈四周再加一密封边框，定位孔打在密封边框上。
通常带有弹性密封圈和密封边框的膜电极的外缘尺寸与双极板的外缘尺寸相当。考虑到膜电极很薄，电堆组装后双极板之间的间隔很小，不同层间的双极板极易发生接触引起短路。
发明内容
为解决现有技术中膜电极的密封结构存在的问题，本发明对密封结构进行重新设计，提供了一种具有电堆绝缘防护功能的质子交换膜燃料电池膜电极的密封结构，本发明提供的技术方案是：一种燃料电池膜电极的密封结构，包括膜电极，弹性密封圈，密封边框，其特征在于，所述弹性密封圈设置于所述膜电极外围，所述密封边框设置于所述弹性密封圈外围，所述膜电极、弹性密封圈和密封边框在同一平面内，所述密封边框的四周外缘向外侧翘起，构成边框裙围，所述密封边框上还开设有定位孔。
所述燃料电池还包括双极板，优选地，组装成电堆时，所述双极板位于所述边框裙围内，所述边框裙围位于所述双极板外侧面，各层所述密封边框之间通过所述定位孔连接。
优选地，所述边框裙围的上翘高度低于所述双极板的厚度；
更优选地，所述边框裙围的上翘高度略低于所述双极板的厚度；
优选地，所述边框裙围的上翘的高度为0.8-2mm；
优选地，所述边框裙围的上翘的高度为1-1.5mm；
优选地，所述边框裙围的上翘的高度为1.2mm。
优选地，所述弹性密封圈的内缘与所述膜电极的外缘四周严密贴合，所述弹性密封圈的外缘与所述密封边框的内缘严密压合，所述膜电极、弹性密封圈和密封边框连接为一个整体。
优选地，所述弹性密封圈的内缘与所述膜电极的外缘四周采用胶粘或热复合的方式连接，连接处密封不漏气。
优选地，所述弹性密封圈的外缘和所述密封边框的内缘均为不规则形状。
优选地，所述密封边框与所述膜电极不直接相连。
优选地，所述密封边框的材料应为硬质绝缘材料，更优选为硬质聚合物，例如聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯等。
优选地，所述弹性密封圈的材料为弹性绝缘材料，例如硅橡胶。
组装成电堆时，在每个单电池中，膜电极位于最中央，其外缘紧密贴合设置一圈弹性密封圈，弹性密封圈的外缘紧密压合设置一圈密封边框。弹性密封圈的内缘和膜电极的外缘四周严密贴合，弹性密封圈的外缘与密封边框的内缘严密压合，使膜电极、弹性密封圈和密封边框连接为一个整体。弹性密封圈的内缘与膜电极的外缘四周连接时，应保证连接处密封不漏气，例如可以采用胶粘或热复合的方式连接。密封边框的四周外缘向外侧翘起，构成边框裙围。双极板与膜电极平行设置，刚好位于所述边框裙围内，边框裙围护住双极板外侧面边缘，各层密封边框之间通过定位孔连接。通常将边框裙围的高度h设置为低于双极板的厚度，优选略低于双极板的厚度，装配时通过挤压实现密封，例如h可以设置为0.8-2mm。
与现有技术相对比，本发明产生的有益效果是：
(1)本发明提供的膜电极密封结构，通过设置密封边框来隔绝各层双极板，同时将密封边框的外缘平面改成上翘形式，形成边框裙围，能够保证不同层的双极板平面之间不会接触，不同层的双极板侧面也不会发生欧姆接触，可以防止燃料电池电堆的各单电池之间发生短路，密封效果优良。
(2)同时边框裙围还给双极板的四周外缘增加了一层聚合物绝缘保护，可以防止电堆中的其他金属部件因接触双极板而发生短路。
(3)密封边框还能够对膜电极和双极板起到保护作用，防止其受到机械损坏。
(4)且本发明提供的密封结构通过将边框裙围的高度设置为低于双极板的厚度，通过挤压实现密封，效果优良。该结构设置简单，用于密封双极板侧面的边框裙围与密封边框主体一体成型，拆装方便，不易变形，便于大批量生产。
附图说明
图1是本发明提供的膜电极的密封结构立体图；
图2是本发明提供的膜电极的密封结构各部分的分解图；
图3是本发明提供的密封边框的立体图；
图4是本发明提供的密封边框的局部放大图；
图5是本发明提供的膜电极的密封结构装配效果图。
附图中标记的具体含义如下：
1-膜电极；2-密封边框；3-弹性密封圈；4-定位孔；5-边框裙围；6-双极板。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种燃料电池膜电极密封结构，包括膜电极1，弹性密封圈3，密封边框2，弹性密封圈3设置于膜电极1外围，密封边框2设置于弹性密封圈3外围，膜电极1、弹性密封圈3和密封边框2装配完成后在同一平面内。密封边框2上开设有定位孔4。密封边框2的四周外缘向外侧翘起，构成边框裙围5。
由于弹性密封圈3在电堆装备时受压应力易变形，定位孔4不能打在弹性密封圈3上，否则会失去定位精度。因此，定位孔4设置于密封边框2上，电堆的精确定位通过定位孔4来实现。
如图2所示，弹性密封圈3的外缘和密封边框2的内缘均为不规则形状，但二者的形状设计使其刚好能够严密配合无缝隙。这样，密封边框2与膜电极1之间虽然有些位置距离很近，但仍相隔一个弹性密封圈3，不直接相连。
如图3和图4所示所示，密封边框2的四周外缘向外侧翘起，构成边框裙围5，护住双极板6外侧面边缘，起绝缘防护功能。通常，边框裙围5的上翘高度应设置为略低于双极板6的厚度，根据实际需要，这一高度可设置为0.8-2mm。边框裙围5设置为略低于双极板6的厚度，装配时通过挤压实现密封。同时装配完成后，双极板6的一个平面与该单电池内的密封边框2接触，另一个平面与相邻单电池中的密封边框2接触，这样，双极板6的两个平面和2个侧面都能够被密封边框2保护。
本实施例提供的密封结构中，边框裙围5上翘的方式为直角上翘，密封边框2的材料为聚氨酯，弹性密封圈3的材料为硅橡胶。
如图5所示，组装成电堆时，在每个单电池中，将膜电极1至于最中央，其外缘紧密贴合设置一圈弹性密封圈3，弹性密封圈3的外缘紧密压合设置一圈密封边框2。弹性密封圈3的内缘和膜电极1的外缘四周严密贴合，弹性密封圈3的外缘与密封边框2的内缘严密压合，使膜电极1、弹性密封圈3和密封边框2连接为一个整体。弹性密封圈3的内缘与膜电极1的外缘四周连接时，应保证连接处密封不漏气，具体可以采用胶粘或热复合的方式连接。密封边框2的四周外缘向外侧翘起，构成边框裙围5。双极板6与膜电极1平行设置，刚好位于所述边框裙围5内，边框裙围5采用直角上翘方式，护住双极板6外侧面边缘，各层密封边框2之间通过所述定位孔4连接。为装配时能够实现严密密封，通常将边框裙围5的高度设置为略低于双极板6的厚度，本实施例中设置为1.2mm。
本发明提供的燃料电池膜电极的密封结构，装配时通过将密封边框2的外缘平面设置上翘形式，形成边框裙围5，能够防止不同层的双极板6之间发生欧姆接触，还可以防止电堆中的其他金属部件因接触双极板6而发生短路。通过对密封结构进行简单改进，实现了电堆绝缘防护，结构简单，但防护效果更佳。
上文所述的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并不是用以限制本发明的保护范围，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种燃料电池膜电极的密封结构，包括膜电极，弹性密封圈，密封边框，其特征在于，所述弹性密封圈设置于所述膜电极外围，所述密封边框设置于所述弹性密封圈外围，所述膜电极、弹性密封圈和密封边框在同一平面内，所述密封边框的四周外缘向一外侧翘起，构成边框裙围，所述密封边框上还开设有定位孔；
所述燃料电池还包括双极板，组装成电堆时，所述双极板位于所述边框裙围内，所述边框裙围位于所述双极板外侧面，各层所述密封边框之间通过所述定位孔连接；
所述边框裙围的上翘高度低于所述双极板的厚度。
2.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述边框裙围的上翘的高度为0.8-2mm。
3.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述弹性密封圈的内缘与所述膜电极的外缘四周严密贴合，所述弹性密封圈的外缘与所述密封边框的内缘严密压合，所述膜电极、弹性密封圈和密封边框连接为一个整体。
4.如权利要求3所述的密封结构，其特征在于，所述弹性密封圈的内缘与所述膜电极的外缘四周采用胶粘或热复合的方式连接，连接处密封不漏气。
5.如权利要求3所述的密封结构，其特征在于，所述弹性密封圈的外缘和所述密封边框的内缘均为不规则形状。
6.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述密封边框的材料为硬质聚合物。
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