CN111276713B - 一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构及方法。密封结构，包括两层密封材料层，分次由液体密封材料涂覆于膜电极边缘的质子交换膜1上固化后形成，与质子交换膜粘合形成一体化结构，密封材料层与膜电极周边的气体扩散层之间留有缝隙。本发明结构简单，方法易操作，密封材料选用硅橡胶，其形成的密封材料层结构具有弹性，避免塑料边框密封带来的应力集中，且密封材料与质子交换膜结合牢固，可长期有效密封；密封材料与气体扩散层之间的缝隙可以减少膜应力变化带来的损伤。

Description

一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构及方法

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构及方法，可以减少膜电极周边的应力，避免应力不均带来的机械损伤。

背景技术

燃料电池是一种能量转化装置，可以将氢能高效、清洁的转化为电能。近年来，氢能燃料电池在世界范围内得到大力的支持和发展，目前已经成功的示范应用于电动汽车、分布式电站、备用电源、航空等多个领域。其中，质子交换膜燃料电池以功率密度高、启动速度快、转换效率高、环境友好等优点受到更多的关注，已经成功在燃料电池车上得以商业化。

膜电极是燃料电池的核心部件，由位于中间的质子交换膜和两侧的催化层、扩散层组成。催化层是氧还原和氢氧化两种电化学反应发生的场所，需要具有良好的催化活性、良好的质子传导能力和导电能力，其输出性能由催化剂活性、物料配比以及微孔结构等决定，也需要有足够的润湿才能保证催化层中的质子传导，但水量过大时，微孔堵塞也会造成性能衰减。

膜电极的边缘密封技术有橡胶注塑成型法，塑料框热压合法等。其中橡胶注塑成型法包裹在密封橡胶内部的膜宽度非常有限，容易造成气体互窜；塑料框热压合法，因塑料框的硬度容易造成膜电极边缘的应力分布布局。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构及方法，在膜电极原位形成的与膜电极一体化的密封方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构，其特征在于，包括两层密封材料层，即第一密封材料层和第二密封材料层，所述的第一密封材料层是将液体密封材料涂覆于膜电极边缘的质子交换膜上固化后形成，第一密封材料层与膜电极边缘的质子交换膜粘合形成一体化结构，且第一密封材料层与膜电极周边的气体扩散层之间留有缝隙；所述的膜电极边缘为膜电极周边从两层气体扩散层中间伸出的质子交换膜区域；

所述的第二密封材料层是将液体密封材料涂覆于第一密封材料层表面和膜电极周边的气体扩散层边沿表面固化后形成，第二密封材料层完全覆盖第一密封材料层，并覆盖膜电极周边的气体扩散层边沿，第二密封材料层与第一密封材料层粘合形成一体化结构。

进一步地，所述的两层密封材料层的总厚度为0.005～1mm。

进一步地，所述的第一密封材料层的厚度与膜电极周边的气体扩散层的厚度相同，且与气体扩散层之间的缝隙的宽度为0.5～1mm。

进一步地，所述的第二密封材料层覆盖膜电极周边的气体扩散层边沿的宽度为1～3mm，以避免缝隙处的质子交换膜裸露在外，同时防止气体扩散脱落。

进一步地，所述的密封材料层的密封材料层边界包裹或等于或小于膜电极边缘的质子交换膜边界均可。

进一步地，所述的密封材料层为硅橡胶层。

一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将液体密封材料涂覆于膜电极边缘的质子交换膜上，并使液体密封材料固化后形成与膜电极周边的气体扩散层厚度相同第一密封材料层，第一密封材料层与质子交换膜粘合形成一体化结构，且第一密封材料层与气体扩散层的之间留有缝隙，缝隙宽度为0.5～1mm；

步骤2：在第一密封材料层上继续涂覆液体密封材料，完全覆盖第一密封材料层和膜电极周边的气体扩散层边沿，并使液体密封材料固化后形成第二密封材料，由于液体密封材料的表面张力足够大，使缝隙不被填充；第二密封材料层覆盖气体扩散层边沿的宽度为1～3mm，以避免缝隙处的质子交换膜裸露在外，同时防止气体扩散脱落。

进一步地，所述的密封材料为硅橡胶，液体硅橡胶固化后能够与质子交换膜牢固结合。

进一步地，所述的密封材料的固化温度为常温～140℃。

进一步地，所述的液体密封材料的涂覆采用涂布/喷涂的方法。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明结构简单，方法易操作，密封材料选用硅橡胶，其形成的密封材料层结构具有弹性，避免塑料边框密封带来的应力集中，且密封材料与质子交换膜结合牢固，可长期有效密封；密封材料与气体扩散层之间的缝隙可以减少膜应力变化带来的损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1密封结构示意图；

图中：1、质子交换膜；2、气体扩散层，3、第一密封材料层，4、第二密封材料层；5、边缘；6、缝隙；7、气体扩散层边沿；8、密封材料层边界；9、质子交换膜边界。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

制备一张燃料电池膜电极，其中气体扩散层2的尺寸为20cm×30cm，厚度为0.2mm，质子交换膜1的尺寸为25cm×35cm，膜电极边缘5为膜电极周边从两层气体扩散层中间伸出的质子交换膜区域，膜电极边缘5宽度为2.5cm，质子交换膜1厚度为20μm。

一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将膜电极固定于涂布机的加热板上，利用涂布机将液态硅橡胶涂布在膜电极边缘5的质子交换膜1的两侧表面，涂布宽度为3cm，涂布厚度为0.2mm，并使硅橡胶与气体扩散层2之间预留1mm的缝隙，质子交换膜1表面的液体硅橡胶与质子交换膜1粘接成一体，超过膜电极边缘5的质子交换膜边界9的硅橡胶部分，两侧互相粘接成一体，将质子交换膜1密封在硅橡胶里面，如图1所示，即本实施例密封材料层的密封材料层边界8包裹膜电极边缘5的质子交换膜边界9，密封材料层的密封材料层边界8也可以等于或者小于膜电极边缘5的质子交换膜边界9。

加热至100℃下使液态硅橡胶快速固化，并提高界面结合力，形成第一密封材料层3。液态硅橡胶常温也可以固化，加热更快，固化温度常温至加热140℃均可使其固化，本实施例中采用的是加热快速固化。

步骤2：在第一密封材料层3上继续涂覆液态硅橡胶，完全覆盖第一密封材料层3和膜电极周边的气体扩散层边沿7，覆盖气体扩散层边沿7的宽度为3mm，涂布厚度为0.05mm，140℃下加速液态硅橡胶的固化，使形成第二密封材料层4，由于液体密封材料的表面张力足够大，使缝隙6不被填充，如图1所示。第二密封材料层4避免缝隙6处的质子交换膜1裸露在外，同时防止气体扩散2脱落。

制备完成的一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封结构，如图1所示，包括两层密封材料层，即第一密封材料层3和第二密封材料层4，第一密封材料层3厚度为0.2mm，与膜电极周边的气体扩散层2的厚度相同，第一密封材料层3与膜电极边缘5的质子交换膜1粘合形成一体化结构，且第一密封材料层3与膜电极周边的气体扩散层2之间留有缝隙6，缝隙6的宽度为1mm；所述的第二密封材料层4厚度为0.05mm，第二密封材料层4完全覆盖第一密封材料层3，并覆盖膜电极周边的气体扩散层边沿7，覆盖气体扩散层边沿7的宽度为3mm，第二密封材料层4与第一密封材料层3粘合形成一体化结构。第一密封材料层3和第二密封材料层4的总厚度为0.005～1mm。

在此密封结构中，当燃料电池内部湿度变化时，硅橡胶与气体扩散层中间的缝隙处，质子交换膜具有溶胀收缩空间，提高了湿度变化耐受性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1：将液体密封材料涂覆于膜电极边缘(5)的质子交换膜(1)上，并使液体密封材料固化后形成与膜电极周边的气体扩散层(2)厚度相同第一密封材料层(3)，第一密封材料层(3)与质子交换膜粘合形成一体化结构，且第一密封材料层(3)与气体扩散层(2)的之间留有缝隙，缝隙宽度为0.5～1mm；

步骤2：在第一密封材料层(3)上继续涂覆液体密封材料，完全覆盖第一密封材料层(3)和膜电极周边的气体扩散层边沿(7)，并使液体密封材料固化后形成第二密封材料层(4)，由于液体密封材料的表面张力足够大，使缝隙(6)不被填充；第二密封材料层(4)覆盖气体扩散层边沿(7)的宽度为1～3mm，以避免缝隙(6)处的质子交换膜(1)裸露在外，同时防止气体扩散层(2)脱落，第二密封材料层与第一密封材料层粘合形成一体化结构；

所述的密封材料为硅橡胶，液体硅橡胶固化后能够与质子交换膜牢固结合；

所述的膜电极边缘为膜电极周边从两层气体扩散层中间伸出的质子交换膜区域。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封方法，其特征在于，所述的密封材料的固化温度为常温～140℃。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池膜电极的一体化边缘密封方法，其特征在于，所述的液体密封材料的涂覆采用涂布/喷涂的方法。

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