CN116314921A - 一种密封结构、燃料电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种密封结构、燃料电池及其制作方法。所述密封结构包括：基材层，所述基材层包括相反的第一表面和第二表面，所述基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；形成在所述第一表面的弹性覆盖层；形成在所述第二表面的粘接层。本发明的密封结构制作工艺简单易行，成本低，密封可靠，且该密封结构在燃料电池中的固定，不会降低双极板或膜电极成品率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种密封结构、燃料电池及其制作方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种电化学电池装置，是由双极板、膜电极叠合组成。质子交换膜燃料电池通过双极板将反应物氢气、空气(或氧气)导入，在膜电极上发生电化学反应，再通过双极板将生成物、过量气体以及电、热排出，双极板起到传质、导电、散热的作用。在质子交换膜燃料电池装置中有三种介质，一是电池负极所需的氢气，二是电池正极所需的空气(或含空气的空气)，三是产物水或水蒸气以及散热作用的冷却剂，一般来讲，质子交换膜燃料电池结构中有三个腔室，分别是阳极腔、阴极腔和冷却腔，这三个腔室相互隔离并各自密封，因此，质子交换膜燃料电池装置中除双极板、膜电极外，在双极板和膜电极之间具有密封结构件，密封结构件一般是弹性体高分子材料，密封结构件可单独制造，也可采用一定工艺与双极板或膜电极复合制造。
密封结构件单独制造就是制造密封圈，将密封圈粘贴在双极板上，再与膜电极组装燃料电池，这种方法是目前比较普通的方法，主要弊端是操作麻烦、定位偏差大、粘贴强度不可控，包装麻烦且易损坏；采用液态胶点胶、印刷、注胶等工艺在双极板或膜电极边框上增材制造密封结构件也是正在应用的方法，点胶工艺尺寸精度差、印刷不适合厚尺寸、注胶成品率难以控制，增材制造最大的不足是需要采用双极板或膜电极进行直接复合，双极板和膜电极是燃料电池的关键且成本核心构件，在复合工艺中应力、热力及其他工艺条件或多或少对双极板或膜电极会造成损伤，特别是一旦操作失误，将造成双极板或膜电极损坏，从而严重影响燃料电池制造成本。
发明内容
本发明提供了一种密封结构、燃料电池及其制作方法，以解决现有密封结构制作工艺复杂，且在其制作过程中易损坏燃料电池的双极板或膜电极的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种密封结构，该密封结构包括：
基材层，所述基材层包括相反的第一表面和第二表面，所述基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；
形成在所述第一表面的弹性覆盖层；
形成在所述第二表面的粘接层。
可选的，所述基材层为高分子材料薄膜，所述高分子材料薄膜为PET薄膜、PEN薄膜或PI薄膜，所述弹性覆盖层包括硅胶或聚烯烃橡胶，所述粘接层为高分子材料薄膜粘接剂。
可选的，所述基材层的厚度取值范围为0.1-0.3mm，所述弹性覆盖层的厚度取值范围为0.1-0.2mm。
第二方面，本发明实施例提供了一种燃料电池，该燃料电池包括：双极板、膜电极和第一方面任一实施例所述的密封结构；
所述密封结构位于所述双极板和所述膜电极之间，所述密封结构的弹性覆盖层朝向所述双极板，所述密封结构的粘接层朝向所述膜电极；
所述双极板包括：氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔，所述双极板上的氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔分别与所述密封结构的氢气区、空气区、冷却区以及反应区一一对应；
所述膜电极包括：活性区以及非活性区，所述密封结构的反应区在所述膜电极上的垂直投影位于所述活性区内，所述密封结构的氢气区、空气区以及冷却区在所述膜电极上的垂直投影位于所述非活性区内。
可选的，所述膜电极的边框材料与所述密封结构的基材层采用相同高分子材料薄膜。
第三方面，本发明实施例提供了一种密封结构的制作方法，用于制作第一方面任一实施例所述的密封结构，该密封结构的制作方法包括：
提供高分子材料薄膜；
模切所述高分子材料薄膜，得到基材层，所述基材层包括相反的第一表面和第二表面，所述基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；
在所述基材层的第一表面形成弹性覆盖层；
在所述基材层的第二表面形成粘接层。
可选的，模切所述高分子材料薄膜，得到基材层包括：
通过激光模切所述高分子材料薄膜形成所述多个开口区并分割多个基材层的边缘。
可选的，在所述基材层的第一表面形成弹性覆盖层包括：
通过喷涂或印刷工艺将弹性材料复合到基材层的第一表面，形成弹性覆盖层；
在所述基材层的第二表面形成粘接层包括：
在所述基材层的第二表面涂刷粘接剂，形成粘接层。
第四方面，本发明实施例提供了一种燃料电池的制作方法，采用第一方面任一实施例所述的密封结构制作第二方面任一实施例所述的燃料电池，该燃料电池的制作方法包括：
提供双极板，所述双极板包括：氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔；
提供膜电极，所述膜电极包括：活性区以及非活性区；
提供密封结构，所述密封结构包括：基材层、位于所述基材层第一表面的弹性覆盖层以及位于与所述基材层第一表面相反的第二表面的粘接层，其中，所述基材层包括贯通所述第一表面和所述第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；
将所述密封结构的弹性覆盖层固定至所述双极板上；
将所述密封结构的粘接层粘贴在所述膜电极上。
可选的，所述双极板上的氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔分别与所述密封结构的氢气区、空气区、冷却区以及反应区一一对应；
所述密封结构的反应区在所述膜电极上的垂直投影位于所述活性区内，所述密封结构的氢气区、空气区以及冷却区在所述膜电极上的垂直投影位于所述非活性区内；
所述膜电极的边框材料与所述密封结构的基材层采用相同高分子材料薄膜。
本发明实施例的技术方案，通过密封结构包括基材层、形成在基材层第一表面的弹性覆盖层以及形成在基材层第二表面的粘接层，在进行密封结构制作时，先通过模切高分子材料薄膜得到基材层，再依次在基材层的第一表面形成与燃料电池双极板固定的弹性覆盖层、在基材层的第二表面形成与燃料电池膜电极粘贴的粘接层，解决了现有密封结构、燃料电池制作工艺复杂，在制作过程中易损坏双极板或膜电极的问题，具有使密封结构更易粘接膜电极、使密封结构与双极板保持紧密接触实现可靠密封的有益效果。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种密封结构的结构示意图；
图2为图1提供的密封结构的非开口区的侧面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种密封结构与双极板固定的示意图；
图5为图4沿剖面线A-A’的剖面示意图；
图6为本发明实施例提供的一种密封结构的制作方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种燃料电池的制作方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为本发明实施例提供的一种密封结构的结构示意图，图2为图1提供的密封结构的非开口区的侧面示意图，参考图1-图2，密封结构1包括：基材层10、弹性覆盖层20和粘接层30，其中，基材层10包括相反的第一表面11和第二表面12，弹性覆盖层20形成在第一表面11上；粘接层30形成在第二表面12上。
具体的，基材层10还包括贯通第一表面11和第二表面12的多个开口区13，多个开口区13至少包括氢气区131、空气区132、冷却区133以及反应区134中的一种或多种。
需要说明的是，本发明实施例是以多个开口区13包括氢气区131、空气区132、冷却区133以及反应区134为例进行说明的。
继续参考图3，密封结构1还包括：气体通道14，在图3中，该气体通道14与氢气区131靠近反应区134的边框相连接，实际上，在一个燃料电池中，位于不同位置的密封结构的气体通道是不同的，燃料电池包括至少两个双极板和位于双极板之间膜电极，双极板又分为阳极板和阴极板，阳极板和膜电极之间有密封结构，阴极板和膜电极之间也有密封结构，阳极板和阴极板同样也有密封结构，若密封结构1位于阳极板和膜电极之间，则气体通道14与氢气区131靠近反应区134的边框相连接，若密封结构1位于阴极板和膜电极之间，则气体通道14与空气区132靠近反应区134的边框相连接，若密封结构1位于阳极板和阴极板之间，则气体通道14与冷却区133靠近反应区134的边框相连接。
需要说明的是，本发明实施例中的气体通道14和开口区13是一同制作的，可以简化密封结构以及燃料电池的制作方法。
示例性的，基材层10为高分子材料薄膜，高分子材料薄膜为PET薄膜、PEN薄膜或PI薄膜，弹性覆盖层20包括硅胶或聚烯烃橡胶，粘接层30为高分子材料薄膜粘接剂，其中，基材层10的厚度取值范围为0.1-0.3mm，弹性覆盖层20的厚度取值范围为0.1-0.2mm。
需要说明的是，基材层10采用的是与燃料电池膜电极的边框材料相同或相似的的高分子材料薄膜，因此在制作燃料电池时，通过粘接层30的高分子材料薄膜粘接剂就可轻易地将密封结构1粘接到膜电极上，进而提高了膜电极边框与密封结构之间密封的可靠性。弹性覆盖层20采用的是硅胶或聚烯烃橡胶类弹性体材料，在制作燃料电池时，可将弹性覆盖层20固定在双极板的密封槽中，进而实现密封结构1和双极板的连接，而且采用弹性体材料的弹性覆盖层20受压会变形，易保持密封结构1与双极板的紧密接触，能够提高密封的可靠性。
需要说明的是，基材层10的厚度，是按照燃料电池密封性能要求设计，一般选择0.1-0.3mm，由于本发明实施例中的密封结构1带有气体通道14，因此，为满足气体通道14的强度需求，本发明实施例的基材层10厚度优选0.25mm。本发明实施例对基材层10以及弹性覆盖层20的厚度不作限定，本领域技术人员可根据需求自行设置。
图3为本发明实施例提供的一种燃料电池的结构示意图，图4为本发明实施例提供的一种密封结构与双极板固定的示意图，图5为图4沿剖面线A-A’的剖面示意图，参考图3-5，该燃料电池包括：双极板2、膜电极3和上述任一实施例所述的密封结构1。
其中，密封结构1位于双极板2和膜电极3之间，密封结构1的弹性覆盖层20朝向双极板2，密封结构1的粘接层30朝向膜电极3。双极板2包括：氢气腔21、空气腔22、冷却腔23和反应腔24，所述双极板上的氢气腔21、空气腔22、冷却腔23和反应腔24分别与密封结构1的氢气区131、空气区132、冷却区133以及反应区134一一对应，膜电极3包括：活性区31以及非活性区32，密封结构1的反应区134在膜电极3上的垂直投影位于活性区31内，密封结构1的氢气区131、空气区132以及冷却区133在膜电极3上的垂直投影位于非活性区32内。
具体的，膜电极的边框材料与密封结构1的基材层10采用相同的高分子材料薄膜。
需要说明的是，本实施例只是给出了燃料电池中的一种双极板即阴极板与密封结构1以及膜电极3的结构以及位置关系，实际上，燃料电池包括至少两个双极板和位于双极板之间的膜电极，双极板又分为阳极板和阴极板，阳极板和膜电极之间有密封结构，阴极板和膜电极之间也有密封结构，阳极板和阴极板同样也有密封结构，虽然位于阳极板和膜电极之间的密封结构以及位于阳极板和阴极板之间的密封结构与本实施图3所给出的示意图有所不同，但是其不同在密封结构的气体通道上，在上述实施例中已对其进行了说明，因此，本实施例仅以密封结构1位于一种双极板即阴极板和膜电极3之间为例进行详细的说明。
继续参考图4和图5，本发明实施例是通过将密封结构1的弹性覆盖层20固定在双极板2的密封槽25中，来实现密封结构1与双极板2的固定连接。
图6为本发明实施例提供的一种密封结构的制作方法的流程图，参考图6，该制作方法是用于制作上述任一实施例所述的密封结构1，该密封结构的制作方法包括：
S110、提供高分子材料薄膜。
需要说明的是，该高分子材料薄膜指的是PET薄膜、PEN薄膜或PI薄膜，其与膜电极的边框材料相同或相似。
S120、模切高分子材料薄膜，得到基材层。其中，基材层包括相反的第一表面和第二表面，所述基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种。
示例性的，通过激光模切高分子材料薄膜形成多个开口区并分割多个基材层的边缘，得到基材层。
S130、在基材层的第一表面形成弹性覆盖层。
示例性的，按照密封结构的形状，制作带有密封结构形状的凹槽的模板，将基材层固定在所述模板内，其中，基材层的上表面与所述模板的上表面平齐，然后通过喷涂或印刷工艺将弹性材料复合到基材层的第一表面，形成弹性覆盖层，为保证弹性覆盖层的厚度精度，可采用超声波精密喷涂工艺或高精密厚膜丝网印刷工艺，该弹性材料指的是指硅胶或者聚烯烃橡胶类材料，是由液态胶材料经过硫化或固化得到的，液态胶材料的硫化或固化可选用UV无影胶工艺，也可以采用室温或热硫化工艺，UV无影胶可选择硅胶或者聚烯烃胶，固化硬度邵A35-60，优选邵A40，该弹性覆盖层的厚度范围为0.1-0.2mm，优选0.15mm，弹性覆盖层的厚度可根据材料特性和密封结构要求设计，本发明实施例对此不作限定，本领域技术人员可根据需求自行设置。
S140、在基材层的第二表面形成粘接层。
示例性的，按照密封结构的形状以及其与膜电极的位置关系制作带有密封结构形状的凹槽以及定位孔的定位模板，将已经复合的基材层和覆盖层固定在定位模板中，其中，基材层远离覆盖层的表面与定位模板的上表面平齐，然后在基材层的第二表面涂刷粘接剂，形成粘接层。
图7为本发明实施例提供的一种燃料电池的制作方法的流程图，参考图7，该制作方法是用于制作上述任一实施例所述的燃料电池，该燃料电池的制作方法包括：
S210、提供双极板。
其中，双极板包括：氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔。
S220、提供膜电极。
其中，膜电极包括：活性区以及非活性区
S230、提供密封结构。
其中，密封结构包括：基材层、位于基材层第一表面的弹性覆盖层以及位于与基材层第一表面相反的第二表面的粘接层，基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种，本实例是以多个开口区包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区为例进行说明的。
S240、将密封结构的弹性覆盖层固定至双极板上。
示例性的，将密封结构的弹性覆盖层也即密封结构的框体固定在双极板的密封槽中，实现密封结构与双极的固定连接，其中，双极板上的氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔分别与密封结构的氢气区、空气区、冷却区以及反应区一一对应。
S250、将密封结构的粘接层粘贴在膜电极上。
其中，密封结构的反应区在膜电极上的垂直投影位于活性区内，密封结构的氢气区、空气区以及冷却区在膜电极上的垂直投影位于非活性区内。
本发明实施例的技术方案，通过密封结构包括基材层、形成在基材层第一表面的弹性覆盖层以及形成在基材层第二表面的粘接层，因此，在进行密封结构制作时，可先通过模切高分子材料薄膜得到基材层，再依次在基材层的第一表面形成与燃料电池双极板固定的弹性覆盖层、在基材层的第二表面形成与燃料电池膜电极粘贴的粘接层，解决了现有密封结构、燃料电池制作工艺复杂，在制作过程中易损坏双极板或膜电极的问题，具有使密封结构更易粘接膜电极、使密封结构与双极板保持紧密接触实现可靠密封的有益效果。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种密封结构，其特征在于，所述密封结构包括：
基材层，所述基材层包括相反的第一表面和第二表面，所述基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；
形成在所述第一表面的弹性覆盖层；
形成在所述第二表面的粘接层。
2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述基材层为高分子材料薄膜，所述高分子材料薄膜为PET薄膜、PEN薄膜或PI薄膜，所述弹性覆盖层包括硅胶或聚烯烃橡胶，所述粘接层为高分子材料薄膜粘接剂。
3.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述基材层的厚度取值范围为0.1-0.3mm，所述弹性覆盖层的厚度取值范围为0.1-0.2mm。
4.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括：双极板、膜电极和如权利要求1-3任一项所述的密封结构；
所述密封结构位于所述双极板和所述膜电极之间，所述密封结构的弹性覆盖层朝向所述双极板，所述密封结构的粘接层朝向所述膜电极；
所述双极板包括：氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔，所述双极板上的氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔分别与所述密封结构的氢气区、空气区、冷却区以及反应区一一对应；
所述膜电极包括：活性区以及非活性区，所述密封结构的反应区在所述膜电极上的垂直投影位于所述活性区内，所述密封结构的氢气区、空气区以及冷却区在所述膜电极上的垂直投影位于所述非活性区内。
5.根据权利要求4所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极的边框材料与所述密封结构的基材层采用相同高分子材料薄膜。
6.一种密封结构的制作方法，用于制作如权利要求1-3任一项所述的密封结构，其特征在于，所述密封结构的制作方法包括：
提供高分子材料薄膜；
模切所述高分子材料薄膜，得到基材层，所述基材层包括相反的第一表面和第二表面，所述基材层包括贯通第一表面和第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；
在所述基材层的第一表面形成弹性覆盖层；
在所述基材层的第二表面形成粘接层。
7.根据权利要求6所述的密封结构的制作方法，其特征在于，模切所述高分子材料薄膜，得到基材层包括：
通过激光模切所述高分子材料薄膜形成所述多个开口区并分割多个基材层的边缘。
8.根据权利要求6所述的密封结构的制作方法，其特征在于，在所述基材层的第一表面形成弹性覆盖层包括：
通过喷涂或印刷工艺将弹性材料复合到基材层的第一表面，形成弹性覆盖层；
在所述基材层的第二表面形成粘接层包括：
在所述基材层的第二表面涂刷粘接剂，形成粘接层。
9.一种燃料电池的制作方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的密封结构制作如权利要求4-5任一项所述的燃料电池，所述燃料电池的制作方法包括：
提供双极板，所述双极板包括：氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔；
提供膜电极，所述膜电极包括：活性区以及非活性区；
提供密封结构，所述密封结构包括：基材层、位于所述基材层第一表面的弹性覆盖层以及位于与所述基材层第一表面相反的第二表面的粘接层，其中，所述基材层包括贯通所述第一表面和所述第二表面的多个开口区，所述多个开口区至少包括氢气区、空气区、冷却区以及反应区中的一种或多种；
将所述密封结构的弹性覆盖层固定至所述双极板上；
将所述密封结构的粘接层粘贴在所述膜电极上。
10.根据权利要求9所述的燃料电池的制作方法，其特征在于，所述双极板上的氢气腔、空气腔、冷却腔和反应腔分别与所述密封结构的氢气区、空气区、冷却区以及反应区一一对应；
所述密封结构的反应区在所述膜电极上的垂直投影位于所述活性区内，所述密封结构的氢气区、空气区以及冷却区在所述膜电极上的垂直投影位于所述非活性区内；
所述膜电极的边框材料与所述密封结构的基材层采用相同高分子材料薄膜。
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| CN202310292047.9A CN116314921A (zh) | 2023-03-23 | 2023-03-23 | 一种密封结构、燃料电池及其制作方法 |
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