CN110943239B - 一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体说是一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构。本发明密封结构中使用的密封件是由一类遇水溶胀、在质子交换膜燃料电池工作状态下稳定的高分子材料制成。与现有技术相比，本发明优点为：不使用密封胶，无需等待密封胶干燥，无需加工密封槽，从组装好的双极板中将单侧极板拆卸非常简单，且拆除过程中不会损伤极板。

Description

一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池，具体说是一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构。
背景技术
燃料电池是一种直接将化学能转换成电能的发电装置，因其能量转换效率不受卡诺循环的限制，所以其能量转换效率高于传统内燃机。燃料电池具有环境友好，能量转换效率高，比能量高，温室气体排放量少，燃料来源广等优点。质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料，具有功率密度高、室温下快速启动以及清洁、高效等优点，被认为是理想的下一代发电装置之一。由于质子交换膜燃料电池在固定电站、交通运输、军中特种电源和便携式电源等领域都有广阔的应用前景，因而引起了各国政府、各大公司以及科研工作者的高度重视，近二十年来研究进展迅速。
密封结构在燃料电池的设计中是一个重要内容，密封结构设计的好坏直接关系到燃料电池的安全性和可靠性。在水冷型质子交换膜燃料电池中，双极板一般由阳极板和阴极板密封组成，双极板的密封也非常重要。如图4所示，现有的双极板密封方法一般是在双极板的密封槽内采用人工涂刷密封胶或者是用点胶机涂密封胶的方法进行密封，该方法密封胶的厚度与位置难以控制，也容易造成漏气、电阻大等缺陷，而且劳动强度大，效率低。专利201210337191.1提出了一种双极板的密封方法，此方法是采用机械的丝网印刷法将密封胶印刷在阴极板和阳极板相对准备粘合的板面上的密封槽内，再将上好胶的阴极板和阳极板对合，放入压紧装置压紧，使两块需要粘结的阴极板和阳极板紧密贴合。此方法代替了传统的手工涂覆法，大大提高了劳动效率和劳动精度。但是，此方法的不足之处在于粘合好的阴极板和阳极板拆卸困难，加大了更换单侧极板的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封技术，这种方法不使用密封胶，无需加工密封槽，从组装好的双极板中将单侧极板拆卸非常简单。
为实现上述目的，本发明一方面提供一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，所述水冷型质子交换膜燃料电池包括阳极板、阴极板和循环水腔外框架；循环水腔外框架设有循环水进出口，循环水腔外框架的上下表面设有凹槽，所述阳极板、阴极板分别嵌于凹槽内；所述密封结构包括膜密封件；所述阳极板、阴极板分别经膜密封件隔离后嵌入凹槽内，实现与循环水腔外框架的密封连接；所述膜密封件的材质为遇水溶胀的高分子材料。
所述遇水溶胀的高分子材料为优选为全氟磺酸型聚合物材料或磺化聚醚醚酮类材料，此类材料是可在质子交换膜燃料电池工作状态下稳定的高分子薄膜材料。
由于水冷型质子交换膜燃料电池循环水腔外框架上设有循环水进出口，对于组装好的质子交换膜燃料电池，水流经循环水腔时，膜密封件遇水溶胀，从而起到密封循环水腔外框架和阳极板的作用，同时也起到密封循环水腔外框架和阴极板的作用。
由于膜密封件不是经胶黏作用将循环水腔外框架和阳极板密封，也不是经胶黏作用将循环水腔外框架和阴极板密封，密封前，不需要等待密封胶干燥，因此节省了密封时间；密封后，若需要维修阳极板、阴极板或者循环水腔外框架，双极板的拆卸过程只需直接将阳极板、阴极板从循环水腔外框架中取出，易于拆卸。
所述膜密封件的外形优选与阳极板的外形、阴极板的外形匹配。当阳极板、阴极板为方板形时，膜密封件为框形，优选框形膜密封件外框的尺寸与阳极板、阴极板相同；当阳极板、阴极板为圆板形时，膜密封件为圆环形，优选圆环形膜密封件的外周与阳极板、阴极板相同。
优选地，所述的阴极板、阳极板的材质为无孔的密实材料或多孔材料；所述无孔的密实材料优选为密实石墨或金属材料；所述多孔材料优选具有微米级亲水孔，所述多孔材料优选为多孔石墨或多孔金属；所述多孔材料孔隙率优选为10％～20％，孔径优选为1μm～5μm。
优选地，所述的循环水腔外框架的材质为无孔的密实材料；所述无孔的密实材料优选为密实石墨或金属材料。
优选地所述的膜密封件的尺寸可以根据需要调整，膜密封件的厚度优选为80μm-200μm。
本发明另一方面提供一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板，包括上述任意的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构。
本发明再一方面提供水冷型质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池由膜电极组件、集流板、端板和上述的双极板组装而成。
本发明还提供上述水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构的安装方法，所述安装方法包括以下步骤：
(1)按照极板(阳极板、阴极板)的外形制作尺寸相匹配的膜密封件；
(2)将循环水腔外框架待嵌入极板(阴极板或阳极板)的一侧朝上、平铺放置；再将膜密封件平铺入凹槽内，最后将极板(阴极板或阳极板)嵌入凹槽内，使循环水腔外框架和极板紧密贴合，重复以上安装另一侧的极板(阳极板或阴极板)，得到组装好的双极板。
本发明还提供水冷型质子交换膜燃料电池的安装方法，包括上述步骤(1)和步骤(2)之外，还包括：(3)组装电池，得到双极板和循环水腔外框架密封完好的质子交换膜燃料电池。
本发明具有如下优点：
1.本发明所用的密封件是遇水溶胀、在质子交换膜燃料电池工作状态下稳定的高分子薄膜材料，不需要使用密封胶，无需加工密封槽，简化了加工流程。
2.与现有技术相比，利用本发明技术组装的电池，拆解后，将极板和循环水腔外框架拆分简单，大大降低了极板和循环水腔外框架的维修和回收利用成本。
附图说明
图1表示的是使用本发明的双极板组装示意图。
图2表示的是使用本发明的双极板中，循环水腔外框架在流体流动平面上的俯视示意图。
图3表示的是实施例中使用的水冷型质子交换膜燃料电池的基本组成示意图。
图4现有技术使用密封胶组装单电池单侧极板和循环水腔外框架的截面示意图。
图5表示的是实施例中使用本发明组装单电池单侧极板和循环水腔外框架的截面示意图。
图中1为阳极板，2为密封件，3为循环水腔外框架，4为阴极板，5为循环水流场，6为密封胶槽(用于盛放密封胶)，7为循环水流道，8为反应气体流道，9为膜电极组件，10为集流板。
具体实施方式
水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封技术，该方法包括以下步骤：按照循环水腔外框架上密封件放置处的形状将高分子密封件制作成尺寸合适的环形，待用；将阴极板、阳极板、循环水腔外框架、聚合物材料密封件清理干净，晾干待用；将循环水腔外框架平铺放置，留出待嵌入极板的一侧向上；再将环形密封件在循环水腔外框架上平铺放置好，最后将极板嵌入循环水腔外框架里，使循环水腔外框架、环形密封件、极板紧密贴合，得到极板和循环水腔外框架组装成的双极板；最后将双极板与膜电极组件、集流板、端板组装成质子交换膜燃料电池。
对比例1
如图4所示是使用密封胶组装单电池阳极板1、阴极板4和循环水腔外框架3的截面示意图。使用密封胶密封阳极板1、阴极板4和循环水腔外框架3。在循环水腔外框架3内侧与阳极板1或阴极板4放置平行的平面内加工出深度为0.4mm的密封胶槽6，这种密封胶槽用于盛放密封胶。随后在循环水腔外框架3内侧的密封胶槽6中均匀地涂上密封胶。涂覆的密封胶的厚度需保证阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3之间粘合牢固且粘合处没有丝毫可以漏水漏气的孔隙，涂覆的密封胶也不能太厚，以免导致阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3的接触电阻增大。在密封胶凝固以前，将阳极板1/阴极板4嵌入循环水腔外框架3中，使二者紧密粘合，待密封胶凝固以后，组装电池，得到双极板密封完好的水冷型质子交换膜燃料电池。
采用图4所示的使用密封胶的密封技术，组装得到没有丝毫漏气漏水缺陷的阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3密封完好的成功率约为80％。因为密封胶槽6的加工精良程度、密封胶涂覆量、密封胶凝固前阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3贴合的紧密程度都会影响密封效果。此外，将已经粘合在循环水腔外框架3的阳极板1/阴极板4拆除时，由于密封胶的胶黏作用，拆除工艺复杂，耗时长。拆除过程中容易对阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3造成损伤。因为拆除后会有残留的密封胶黏结在阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3上，清洗阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3的耗时长。若阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3上的密封胶未清理干净，再次组装阳极板1/阴极板4时，成功率约为30％。
实施例1
如图5所示是使用本发明组装单电池阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3的截面示意图。本实施例采用的是以遇水溶胀、在质子交换膜燃料电池工作状态下稳定的全氟磺酸薄膜材料(干燥时的厚度为125μm)为密封件2，密封件2的形状为与循环水腔外框架3形状吻合的环形，宽度为2mm。组装电池前，保持密封件2处于干燥状态。将循环水腔外框架3平铺放置，留出待嵌入阳极板1/阴极板4的一侧向上。再将环形密封件2在循环水腔外框架3上放置好，最后将阳极板1/阴极板4嵌入循环水腔外框架3里，使循环水腔外框架3和阳极板1/阴极板4紧密贴合。最后组装电池，得到阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3密封完好的水冷型质子交换膜燃料电池。
采用图5所示的本发明的密封技术组装阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3，组装成功率大于95％。采用本技术密封极板时，由于不用等待密封胶干燥，因此节省了组装时间。且由于不使用密封胶，将阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3拆除简单，拆除过程中对阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3无损害。若需要再次使用阳极板1/阴极板4和循环水腔外框架3时，不需要繁杂的清理步骤。此外，将使用后的密封件2室温下晾干后，可重复使用。

Claims (11)

1.一种水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，所述水冷型质子交换膜燃料电池包括阳极板、阴极板和循环水腔外框架；循环水腔外框架设有循环水进出口，循环水腔外框架的上下表面设有凹槽，所述阳极板、阴极板分别嵌于凹槽内；
其特征在于所述密封结构包括膜密封件；
所述阳极板、阴极板分别经膜密封件隔离后嵌入凹槽内；
所述膜密封件的材质为遇水溶胀的高分子材料；
所述遇水溶胀的高分子材料为氟磺酸型聚合物材料或磺化聚醚醚酮类材料。
2.根据权利要求1所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，其特征在于，所述膜密封件的外形与阳极板的外形、阴极板的外形匹配。
3.根据权利要求1所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，其特征在于：所述的阴极板、阳极板的材质为无孔的密实材料或多孔材料；所述多孔材料具有微米级亲水孔，所述多孔材料孔隙率为10％～20％，孔径为1μm～5μm。
4.根据权利要求3所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，其特征在于：所述无孔的密实材料为密实石墨或金属材料，所述多孔材料为多孔石墨或多孔金属。
5.根据权利要求1所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，其特征在于：所述的循环水腔外框架的材质为无孔的密实材料。
6.根据权利要求5所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，其特征在于：所述无孔的密实材料为密实石墨或金属材料。
7.根据权利要求1所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构，其特征在于：膜密封件的厚度为80μm-200μm。
8.水冷型质子交换膜燃料电池用双极板，其特征在于包括权利要求1-7任意一项所述的水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构。
9.水冷型质子交换膜燃料电池，所述质子交换膜燃料电池由膜电极组件、集流板、端板和权利要求8所述的双极板组成装而成。
10.权利要求1-7任意一项所述水冷型质子交换膜燃料电池用双极板的密封结构的安装方法，所述安装方法包括以下步骤：
(1)按照极板的外形制作尺寸相匹配的膜密封件；
(2)将循环水腔外框架待嵌入极板的一侧朝上、平铺放置；再将膜密封件平铺入凹槽内，最后将极板嵌入凹槽内，使循环水腔外框架和极板紧密贴合，重复以上安装另一侧的极板，得到组装好的双极板。
11.水冷型质子交换膜燃料电池的安装方法，包括权利要求10所述的步骤(1)和步骤(2)，还包括：(3)组装电池，得到双极板和循环水腔外框架密封完好的质子交换膜燃料电池。
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