CN112103541A - 一种一体化密封的膜电极结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池技术领域，公开了一种一体化密封的膜电极结构，包括膜组件、阴极保护边框、阳极保护边框、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层及密封胶圈；密封胶圈包括阴极密封部、阳极密封部和腔室密封部；阴极密封部包括阴极连接部和阴极平皮部，阴极连接部贴合设于阴极气体扩散层的表面周边处，阴极连接部向外延伸形成阴极平皮部；阳极密封部以膜组件为对称轴与阴极密封部成对称结构；阴极平皮部与阳极密封部的阳极平皮部贴合连接形成绝缘平皮部，绝缘平皮部沿膜组件长度方向的两端上均设有进出腔室；绝缘平皮部的两侧表面上绕进出腔室的边缘处均设有腔室密封部；阴极密封部、阳极密封部和腔室密封部一体成型形成所述密封胶圈。

Description

一种一体化密封的膜电极结构
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种一体化密封的膜电极结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池，是目前世界上最成熟的一种利用电解水逆反应原理，使用可再生能源氢气作为还原剂、空气中氧气作为氧化剂将化学能转化为电能的发电装置。
燃料电池的单体电池由阳极、阴极和质子交换膜组成。把阳极、质子交换膜、阴极结合在一起的三合一组件称为膜电极。
燃料电池电堆由多片单体电池串联叠加构成。现有的质子交换膜燃料电池单体电池封装结构参见图1，包括第一双极板01、阴极密封胶线02、阴极气体扩散层03、阴极保护边框04、阴极催化层05、质子交换膜06、阳极催化层07、阳极保护边框08、阳极气体扩散层09、阳极密封胶线010及第二双极板011。阴极保护边框04和阳极保护边框08分别设于质子交换膜06的两侧将其夹封，阴极气体扩散层03粘接在阴极催化层05的表面，阳极气体扩散层09粘接在阳极催化层07的表面。阴极保护边框04与第一双极板01通过阴极密封胶线02密封连接，阳极保护边框08与第二双极板011通过阳极密封胶线010密封连接。
上述现有的质子交换膜燃料电池电堆封装结构存在以下缺点：
1、通过普通工艺生产的扩散层(MEA碳纸)直接粘接在边框的表面，非常容易脱落；
2、阴阳极保护边框与双极板之间无密封结构，需要在阴阳极保护边框与双极板之间粘接胶线，实现与双极板的密封，而两侧的密封胶线容易错位，从而造成密封失效；
3、粘接密封胶线通过人工方式实现，先粘一侧，待固化后，再粘接另一侧，生产效率低；
4、阴阳极保护边框需要预先精准裁切出与双极板对应的三腔进出气口，对于边框的加工精度要求十分高，因此加工难度大。
因此，现有技术亟需改进。
发明内容
本发明的目的是：本发明提供了一种一体化密封的膜电极结构，以解决现有技术的质子交换膜燃料电池电堆封装结构中扩散层容易脱落、密封容易失效、人工粘接密封胶线效率低以及加工阴阳极保护边框加工难度大的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种一体化密封的膜电极结构，包括膜组件、阴极保护边框、阳极保护边框、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层及密封胶圈，所述膜组件的两侧分别为阴极侧和阳极侧；所述阴极保护边框设于所述阴极侧的表面周边处；所述阴极气体扩散层的表面周边与所述阴极保护边框贴合，其表面中部与所述阴极侧贴合；所述阳极保护边框设于所述阳极侧的表面周边处；所述阳极气体扩散层的表面周边与所述阳极保护边框贴合，其表面中部与所述阳极侧贴合；所述密封胶圈包括阴极密封部、阳极密封部和腔室密封部；所述阴极密封部包括阴极连接部和阴极平皮部，所述阴极连接部贴合设于所述阴极气体扩散层的表面周边处，所述阴极连接部向外延伸形成所述阴极平皮部；所述阳极密封部包括阳极连接部和阳极平皮部，所述阳极密封部以所述膜组件为对称轴与所述阴极密封部成对称结构；所述阴极平皮部与所述阳极平皮部贴合连接形成绝缘平皮部，所述绝缘平皮部沿所述膜组件长度方向的两端上均设有进出腔室；所述绝缘平皮部的两侧表面上绕所述进出腔室的边缘处均设有所述腔室密封部；所述阴极密封部、阳极密封部和腔室密封部一体成型形成所述密封胶圈。
本申请一些实施例中，所述阴极气体扩散层朝向所述阴极保护边框的一侧的表面周边处压设有第一框槽，所述第一框槽与所述阴极保护边框嵌合使所述阴极气体扩散层的表面中部与所述阴极侧贴合；所述阳极气体扩散层朝向所述阳极保护边框的一侧的表面周边处压设有第二框槽，所述第二框槽与所述阳极保护边框嵌合使所述阳极气体扩散层的表面中部与所述阳极侧贴合。
本申请一些实施例中，所述第一框槽的宽度小于所述阴极保护边框的宽度。
本申请一些实施例中，所述阴极连接部的宽度小于所述第一框槽的宽度。
本申请一些实施例中，所述阴极连接部的边缘设为从外向内倾斜的斜面。
本申请一些实施例中，所述阴极平皮部包括从内往外依次连接的颈缩部、半凸部和平面部；所述颈缩部与所述阴极保护边框的边缘对应，所述进出腔室及所述腔室密封部均设于所述平面部。
本申请一些实施例中，所述半凸部的剖面形状为半圆或半椭圆。
本申请一些实施例中，所述第一框槽的宽度与所述阴极保护边框的宽度之比介于0.6－0.8。
本申请一些实施例中，所述阴极连接部的宽度与所述第一框槽的宽度之比介于0.7－0.9。
本申请一些实施例中，所述腔室密封部包括多个互相连接的密封单元部；所述密封单元部绕进出腔室的边缘设置，且其两端均与所述半凸部连接；相邻的所述密封单元部共用同一侧边形成连接关系；所述密封单元部的截面形状为半圆或半椭圆。
本发明实施例一种一体化密封的膜电极结构与现有技术相比，其有益效果在于：
一、无需人工粘接密封胶线，避免了两侧密封胶线移位的情况，有效提升密封效果，且有效提升生产效率及组装效率高，并有效降低生产成本。
二、可以将阴阳极完全分离密封，提高与双极板的匹配性。
三、可将扩散层边缘包覆在密封结构中，使扩散层不易脱落，强度更高，从而使组装不易损坏。
四、边框结构简化，有利于降低边框的加工难度及加工成本。由于现有技术膜电极与边框之间没有设置密封结构，只有边框与双极板之间设有密封结构，因此现有技术的边框需要设置与双极板对应的三腔进出腔室避免对电池反应造成影响。在制备现有技术边框时，对于在框板上裁切三腔进出腔室的工艺精度要求很高，因此加成难度大。而本申请由于采用了一体化密封的技术，将阴阳极完全分离密封，并且可以通过注塑直接在密封胶圈上成型出三腔进出腔室，因此边框上不需要设置三腔进出腔室，边框的结构如图7所示，不需要设置三腔进出腔室，大大降低了加工难度及加工成本。
五、可实现阴极密封圈与阳极密封圈公用，形成有限线密封，大幅提高密封可靠性，且节省密封胶线槽空间，无需阴阳极密封胶线分开重复密封。
六、电堆维修时，胶线不用全部拆装，只需更换有问题的单节膜电极单元即可。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术的质子交换膜燃料电池单体电池封装结构示意图；
图2是本发明优选实施例的一种一体化密封的膜电极结构单元与双极板的结构示意图；
图3是本发明优选实施例的一种一体化密封的膜电极结构的阴极侧的正视结构示意图；
图4是图3中A－A处剖面示意图；
图5是图4中B处放大图；
图6是图3中C－C处剖面示意图；
图7是膜组件、阴极保护边框与阳极保护边框的结构示意图；
图中，1、膜组件；2、阴极保护边框；3、阳极保护边框；4、阴极气体扩散层；41、第一框槽；5、阳极气体扩散层；51、第二框槽；6、密封胶圈；61、阴极密封部；611、阴极连接部；6111、斜面；612、阴极平皮部；6121、颈缩部；6122、半凸部；6123、平面部；62、阳极密封部；621、阳极连接部；622、阳极平皮部；63、腔室密封部；631、密封单元部；7、进出腔室。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图3－5所示，是本发明优选实施例的一种一体化密封的膜电极结构，主要包括膜组件1、阴极保护边框2、阳极保护边框3、阴极气体扩散层4、阳极气体扩散层5及密封胶圈6。膜组件1的两侧分别为阴极侧和阳极侧。本申请中的膜组件1为采用喷涂工艺在质子交换膜的两侧分别喷涂阳极催化层及阴极催化层制备的三合一组件，业内称为CCM(CCM，Catalyst Coated Membrane)。把阳极气体扩散层、CCM、阴极气体扩散层结合在一起的三合一组件称为MEA膜电极(MEA，Membrane ElectrodeAssembly)。本申请适用于上述MEA膜电极制备。
其中，参见图4及图5，阴极保护边框2设于阴极侧的表面周边处，阴极气体扩散层4的表面周边与阴极保护边框2贴合，其表面中部与阴极侧贴合。阳极保护边框3设于阳极侧的表面周边处，阳极气体扩散层5的表面周边与阳极保护边框3贴合，其表面中部与阳极侧贴合。
参见图3及图5，密封胶圈6包括阴极密封部61、阳极密封部62和腔室密封部63。参见图5，阴极密封部61包括阴极连接部611和阴极平皮部612，阴极连接部611贴合设于阴极气体扩散层4的表面周边处，阴极连接部611向外延伸形成阴极平皮部612。阳极密封部62包括阳极连接部621和阳极平皮部622，阳极密封部62以膜组件1为对称轴与阴极密封部61成对称结构。即，阳极连接部621贴合设于阳极气体扩散层5的表面周边处，阳极连接部621向外延伸形成阳极平皮部622。
阴极平皮部612与阳极平皮部622贴合连接形成绝缘平皮部，绝缘平皮部沿膜组件1长度方向的两端上均设有进出腔室7，绝缘平皮部的两侧表面上绕进出腔室7的边缘处均设有腔室密封部63，如图3所示。从图3中可见进出腔室7共有三组，其分别是氧化剂、还原剂及冷却剂的进出腔室，与现有技术的腔室设置是相同的，因此本申请不再赘述。
阴极密封部61、阳极密封部62和腔室密封部63一体成型形成密封胶圈6。
本发明的一体化密封的膜电极结构100制备流程如下：
一、将膜组件1使用阴极保护边框2和阳极保护边框3夹住，再将阴极气体扩散层4和阳极气体扩散层5预固定在膜组件1的两侧形成预成型件。
二、将该预成型件整体放入能够形成密封胶圈6的对应注塑模具中，通过冷流道注射液体硅胶。
三、液体硅胶通过模具流动至边框及扩散层两侧，模具加热固化，最后开模取出一体化密封的膜电极结构单元100。
实际生产中可以采用一个上模，多个下模连续生产。模具制备及注塑工艺均采用现有技术。
参见图2，膜电极结构单元100制备好之后两侧分别与阴极双极板110及阳极双极板120连接，组成整体。
本发明提出的一体化密封的膜电极结构，将膜电极、边框及扩散层一体成型密封形成一个完整的自带密封膜电极单元，与现有技术相比，其有益效果包括：
一、无需人工粘接密封胶线，避免了两侧密封胶线移位的情况，有效提升密封效果，且有效提升生产效率及组装效率高，并有效降低生产成本。
二、可以将阴阳极完全分离密封，提高与双极板的匹配性。
三、可将扩散层边缘包覆在密封结构中，使扩散层不易脱落，强度更高，从而使组装不易损坏。
四、边框结构简化，有利于降低边框的加工难度及加工成本。由于现有技术膜电极与边框之间没有设置密封结构，只有边框与双极板之间设有密封结构，因此现有技术的边框需要设置与双极板对应的三腔进出腔室避免对电池反应造成影响。在制备现有技术边框时，对于在框板上裁切三腔进出腔室的工艺精度要求很高，因此加成难度大。而本申请由于采用了一体化密封的技术，将阴阳极完全分离密封，并且可以通过注塑直接在密封胶圈上成型出三腔进出腔室，因此边框上不需要设置三腔进出腔室，边框的结构如图5所示，不需要设置三腔进出腔室，大大降低了加工难度及加工成本。
五、可实现阴极密封圈与阳极密封圈公用，形成有限线密封，大幅提高密封可靠性，且节省密封胶线槽空间，无需阴阳极密封胶线分开重复密封。
六、电堆维修时，胶线不用全部拆装，只需更换有问题的单节膜电极单元即可。
本申请的一些实施例中，参见图5，阴极气体扩散层4朝向阴极保护边框2的一侧的表面周边处压设有第一框槽41，第一框槽41与阴极保护边框2嵌合使阴极气体扩散层4的表面中部与阴极侧贴合。阳极气体扩散层5以膜组件1为对称轴与阴极气体扩散层4成对称结构。即，阳极气体扩散层5朝向阳极保护边框3的一侧的表面周边处压设有第二框槽51，第二框槽51与阳极保护边框3嵌合使阳极气体扩散层5的表面中部与阳极侧贴合。设置框槽与边框的表面周边配合，可提高扩散层的安装位置固定性。
本申请的一些实施例中，参见图5，第一框槽41的宽度N小于阴极保护边框2的宽度L。从图5可直观看出，上述设置使得阴阳极保护边框与膜组件1的外边缘长出阴阳极气体扩散层的外边缘一些，从而能够避免阴阳极气体扩散层裁切后产生的毛刺刺穿质子交换膜(质子交换膜的厚度仅有10－30um)，引起短路。且上述设置使密封胶圈6同时接触阴极气体扩散层4及阴极保护边框2，有利于增加密封稳固性，提升密封效果。图5中阴阳极保护边框的边缘长出阴阳极气体扩散层边缘0.2－2mm。
本申请的一些实施例中，参见图5，阴极连接部611的宽度M小于第一框槽41的宽度N。从图5可直观看出，上述设置使得两侧注塑的阴阳极连接部的内边缘短于阴阳极保护边框的内边缘。在注塑成型中，硅胶在模具加热固化前是流动的，而扩散层一般为碳纸，为多孔结构，硅胶可穿过扩散层的孔流到边框上或膜上。随着电池使用时间的增加，一定限期后硅胶会发生降解，硅胶降解后会损坏膜电极。而本申请的上述宽度设置使硅胶只可能流到阴极保护边框2上，而不会流到膜组件1处，即将密封部分与膜组件1完全隔离，因此能够解决硅胶与膜组件1接触的问题，有效提高膜组件1的使用寿命。图5中阴阳极连接部的内边缘短于阴阳极保护边框的内边缘1－5mm。
由于阳极侧结构与阴极侧结构对称设置，上述的宽度N、M、L为了便于阅读在图5中标在了阳极侧。
本申请的一些实施例中，参见图5，阴极连接部611的边缘设为从外向内倾斜的斜面6111。上述设置有效方便注塑成型加工。
本申请的一些实施例中，参见图5，阴极平皮部612包括从内往外依次连接的颈缩部6121、半凸部6122和平面部6123。颈缩部6121与阴极保护边框2的边缘对应，进出腔室7及腔室密封部63均设于平面部6123，如图3所示。优选的，半凸部6122的剖面形状为半圆或半椭圆，阴极密封部61与阳极密封部62贴合连接后形成圆形或椭圆形。设置半凸部6122便于密封胶圈6后续与双极板组装，设置颈缩部6121相当于为半凸部6122预留活动空间，便于半凸部6122在组装时轻微压缩或者轻微活动以调整安装位置。
本申请的一些实施例中，参见图3及图6，腔室密封部63包括多个互相连接的密封单元部631。密封单元部631绕进出腔室7的边缘设置，且其两端均与半凸部6122连接。相邻的密封单元部631共用同一侧边形成连接关系，便于实际生产时的一体成型。密封单元部631的形状根据进出腔室7的形状设置。图3中每侧设有3个密封单元部631，两侧一共设有6个密封单元部631。参见图6，密封单元部631的截面形状为半圆或半椭圆。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种一体化密封的膜电极结构，其特征在于，包括膜组件、阴极保护边框、阳极保护边框、阴极气体扩散层、阳极气体扩散层及密封胶圈，所述膜组件的两侧分别为阴极侧和阳极侧；
所述阴极保护边框设于所述阴极侧的表面周边处；所述阴极气体扩散层的表面周边与所述阴极保护边框贴合，其表面中部与所述阴极侧贴合；
所述阳极保护边框设于所述阳极侧的表面周边处；所述阳极气体扩散层的表面周边与所述阳极保护边框贴合，其表面中部与所述阳极侧贴合；
所述密封胶圈包括阴极密封部、阳极密封部和腔室密封部；
所述阴极密封部包括阴极连接部和阴极平皮部，所述阴极连接部贴合设于所述阴极气体扩散层的表面周边处，所述阴极连接部向外延伸形成所述阴极平皮部；
所述阳极密封部包括阳极连接部和阳极平皮部，所述阳极密封部以所述膜组件为对称轴与所述阴极密封部成对称结构；
所述阴极平皮部与所述阳极平皮部贴合连接形成绝缘平皮部，所述绝缘平皮部沿所述膜组件长度方向的两端上均设有进出腔室；所述绝缘平皮部的两侧表面上绕所述进出腔室的边缘处均设有所述腔室密封部；
所述阴极密封部、阳极密封部和腔室密封部一体成型形成所述密封胶圈。
2.根据权利要求1所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述阴极气体扩散层朝向所述阴极保护边框的一侧的表面周边处压设有第一框槽，所述第一框槽与所述阴极保护边框嵌合使所述阴极气体扩散层的表面中部与所述阴极侧贴合；所述阳极气体扩散层朝向所述阳极保护边框的一侧的表面周边处压设有第二框槽，所述第二框槽与所述阳极保护边框嵌合使所述阳极气体扩散层的表面中部与所述阳极侧贴合。
3.根据权利要求2所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述第一框槽的宽度小于所述阴极保护边框的宽度。
4.根据权利要求2所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述阴极连接部的宽度小于所述第一框槽的宽度。
5.根据权利要求4所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述阴极连接部的边缘设为从外向内倾斜的斜面。
6.根据权利要求1所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述阴极平皮部包括从内往外依次连接的颈缩部、半凸部和平面部；所述颈缩部与所述阴极保护边框的边缘对应，所述进出腔室及所述腔室密封部均设于所述平面部。
7.根据权利要求6所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述半凸部的剖面形状为半圆或半椭圆。
8.根据权利要求3所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述第一框槽的宽度与所述阴极保护边框的宽度之比介于0.6－0.8。
9.根据权利要求4所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述阴极连接部的宽度与所述第一框槽的宽度之比介于0.7－0.9。
10.根据权利要求6所述的一体化密封的膜电极结构，其特征在于，所述腔室密封部包括多个互相连接的密封单元部；所述密封单元部绕进出腔室的边缘设置，且其两端均与所述半凸部连接；相邻的所述密封单元部共用同一侧边形成连接关系；所述密封单元部的截面形状为半圆或半椭圆。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113659168A (zh) * 2021-06-28 2021-11-16 东风汽车集团股份有限公司 一种质子交换膜单电池及燃料电池
CN114188580A (zh) * 2021-10-20 2022-03-15 海卓动力(上海)能源科技有限公司 一种燃料电池膜电极制备方法
CN114551927A (zh) * 2021-12-21 2022-05-27 武汉众宇动力系统科技有限公司 用于质子交换膜燃料电池的膜电极组件及其注胶密封方法
DE102021120110A1 (de) 2021-08-03 2023-02-09 Carl Freudenberg Kg Gasdiffusionseinheit für eine Brennstoffzelle, Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle und Anordnung für eine Brennstoffzelle

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