CN1771621A - 聚合物电解液燃料电池的密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚合物电解液燃料电池的密封结构，包括：双极板，具有将被使用分配器填充橡胶的密封槽；垫圈，置于所述双极板和膜电极组件之间。也就是说，根据本发明，在使用分配器将橡胶填充到形成在双极板上的密封槽后，通过将垫圈置于橡胶填充部分和膜电极组件之间可以吸收垫圈的厚度差。还可以解决应力分布不均匀的问题，这是因为不管橡胶的厚度偏差，垫圈以一定压力覆盖，因而应力不被直接传输到膜电极组件上，并且不管不均匀的应力分布，应力被垫圈分散。

Description

聚合物电解液燃料电池的密封结构

技术领域

本发明涉及一种聚合物电解液燃料电池的密封结构，具体地说，涉及防止反应气体或冷却剂等经由双极板和膜电极组件之间的结合处泄漏的聚合物电解液燃料电池的密封结构。

背景技术

通常，聚合物电解液燃料电池通过包含氢的燃料气体和包含氧的氧化剂气体的电化学反应产生电能和热量。聚合物电解液燃料电池能够工作在70-80℃的低温下，并且能够维持大电流密度。由于这些原因，聚合物电解液燃料电池具有快速启动性能，可以被小型化，并且可以被制成重量轻的电池，因而适于例如便携式电源、车辆电源、供气和发电的住宅设备等的应用中。

图1示出了聚合物电解液燃料电池的一个实施例，该电池包括：包含聚合物电解液薄膜和电极的膜电极组件(MEA，10)、释放反应中使用的气体到电极并且排出反应产物的气体扩散层(流体分布层，12)、从外部供应反应气体和冷却剂并把氧化电极(阳极)与还原电极(阴极)分开的导电双极板(隔板，14)等。燃料电池是通过根据需要堆叠许多这些膜电极组件、气体扩散层和双极板构成的，并且堆形成具有由设备从外部给出的合适压力的单一主体，因而每个单元电池不会超线或滑动。

在膜电极组件(10)和双极板(14)的上部和下部中还形成许多支管(20)，以供应或排出反应中需要的氢、氧和需要用来冷却反应热量的冷却剂。并且从外部供应的氢、氧和冷却剂通过堆外面的导管、双极板的支管和形成在每个单元电池的双极板上的气体流路被送到电极中。

另一方面，应该包括一个密封装置以防止氢、氧和冷却剂从每个支管和氢与氧反应的反应地点泄漏。然而，在燃料电池中，由于其自身特性，经常停止会重复，并且由于化学反应产生的热量，在燃料电池的运行中频繁地发生膨胀和收缩。因此，用于燃料电池的密封结构必须在频繁膨胀和收缩的情形下发挥密封性能，并且仅当处于膨胀和收缩中的燃料电池的每个元件中出现的应力分布尽可能均匀时，才可以防止疲劳破坏。

为此，在电极和支管周围放置垫圈。由于其易于制造的优点和小厚度偏差，玻璃纤维加强的硅片或聚四氟乙烯片经常被用作密封燃料电池的垫圈。

这种加强的硅片或聚四氟乙烯片具有由内部玻璃纤维支持的优良的机械强度，因而它可以在堆被固定时在过度压力下保持其机械抵抗力。但是收缩和复原的比率不是很高，导致在燃料电池运行时，气体在由热量和水造成的膨胀部分泄漏。此外气体可以通过垫圈表面泄漏，这是因为表面粗糙且材料相对较硬。

另外一个缺点是，如果在堆被固定时厚度比气体扩散层厚，因为机械强度大于通常用作气体扩散层的碳纸或碳布的机械强度，抵抗力增加，并且气体扩散层和双极板之间的接触不是足够紧。相反，如果它太薄了，气体会因为垫圈表面上的压力不够而泄漏。因此难以确定合适厚度。

密封燃料电池的另一个方法是使用具有优良弹性恢复力和柔软特性的包含硅、氟或烯烃的橡胶作为垫圈材料。制造垫圈的方法有下面几种：使用金属模具制造为O形圈形状；通过直接放在双极板上使用金属模具喷射浇铸；和以制造橡胶垫圈的方法使用分配器等制造垫圈。

然而，使用金属模具制造O形圈形状的垫圈的方法具有下面的缺点：在制造垫圈后，在固定堆时，它必须一个接一个地被放在双极板的表面上。通过直接放在双极板上使用金属模具喷射浇铸的方法也有缺点，那就是在制造垫圈时，金属模具的形状和尺寸必须与垫圈相同。

此外，使用分配器制造垫圈的常规方法是把密封剂放入喷射器中并且挤压它，因而具有在起始点和终止点的橡胶厚度不能被均匀设置的问题。也就是说，由于使用X-Y轴机器人操作的分配器沿密封槽的路线填充液态橡胶材料，在预先在双极板上形成具有合适宽度和深度的密封槽后，橡胶在起始点和终止点重叠，因而厚度变得比其余部分大。

由此在固定堆时，双极板和膜电极组件上的表面压力变得不均匀，因而不仅密封性能被降低，而且在长时间重复使用的情况下，这种不均匀的应力分布缩短了疲劳破坏的预期寿命。

发明内容

本发明致力于克服常规技术的缺点，本发明的一个目标是提供一种聚合物电解液燃料电池的密封结构，其结构不仅在尽管发生垫圈厚度偏差的情况下仍不降低密封性能，而且可以把不均匀的应力分布分散到双极板和膜电极组件上。

本发明的另一个目标是提供一种聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中橡胶可以被使用相对较容易操作的分配器填充到形成在双极板上的密封槽中，以具有完全均匀的高度，通过防止表面上的不均匀压力来改进密封性能，并且延长产品的预期寿命。

为了解决上述技术问题，本发明包括：双极板，具有将被使用分配器填充橡胶的密封槽；垫圈，置于所述双极板和膜电极组件之间。

根据本发明，在使用分配器将橡胶填充到形成在双极板上的密封槽后，通过将垫圈置于橡胶填充部分和膜电极组件之间可以吸收垫圈的厚度差。还可以解决应力分布不均匀的问题，这是因为不管橡胶的厚度偏差，垫圈以一定压力覆盖，因而应力不被直接传输到膜电极组件上，并且不管不均匀的应力分布，应力被垫圈分散。

理想的是，所述密封槽被形成在所述双极板的反应地点周围，以及氢、氧和冷却剂支管的周围中。

另一方面，在使用分配器的情形中，因为在起始点和终止点的厚度相对大于其它部分的厚度，理想的情况是进一步包括支撑件(anchor)，该支撑件与密封槽接触，其宽度大于密封槽的宽度。

也就是说，通过控制分配器从支撑件开始并在支撑件结束填充橡胶，在起始点和终止点的厚度可以是均匀的。并且支撑件的宽度足够宽，尽管由于在起始点与终止点的部分重叠使厚度暂时增加，但是通过向右和左扩散橡胶，厚度变得均匀。

优选支撑件具有密封槽宽度1.5倍的宽度。因此，由于橡胶被过度扩散因而其厚度比密封槽薄，可以防止橡胶密封性能损坏。

理想的是，密封槽和支撑件具有相同深度，以使分配器以相同速度移动。

这是因为，在所述支撑件的深度与所述密封槽的深度不同的情形中，它可能引起例如所述分配器的不同移动速度来填充直到槽表面的不便。

另一方面，只要支撑件与密封槽接触，它可以被设置在任何地方。就是说，通过向右和左扩大所述密封槽的部分宽度，可以形成支撑件。但是，更理想的是，支撑件被垂直于密封槽的路线方向在密封槽周围形成。

也就是说，由于操作特性，填充在所述支撑件部分的橡胶的厚度大于填充在所述密封槽部分中的橡胶厚度，并且当所述双极板被固定到燃料电池堆时，比内部部分相对更大的力施加于双极板的周围。因此，通过在密封地点的周围形成支撑件，施加于所述周围的压力可以被有效地吸收，并且因此施加于所述整个双极板的压力可以被均匀地分布。在此方面，更理想的是在位于膜电极组件前后的每个所述双极板上的支撑件在燃料电池固定为堆时被彼此对称地设置。

另一方面，橡胶由包含硅、氟或烯烃的橡胶材料的任意一种制成。

还理想的是，垫圈以与双极板相同的材料制造，以防止由热膨胀率的不同引起的变形和不均匀应力分布。

本发明还包括一种包含上述密封结构的聚合物电解液燃料电池。

附图说明

图1为示出聚合物电解液燃料电池一般结构的分解透视图。

图2为示出根据本发明的聚合物电解液燃料电池密封结构的一个实施例中的双极板的前视图。

图3为示出图2中放大的A部分的透视图。

图4为对应于图1的视图，示出了应用图2中所示的双极板的聚合物电解液燃料电池。

图5为示出图4中所示的聚合物电解液燃料电池的装配前状态的垂直横断面视图。

图6为示出图5中所示的聚合物电解液燃料电池的装配后状态的垂直横断面视图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地说明根据本发明的聚合物电解液燃料电池的实施例。在本发明中，燃料电池的基本的功能原理和过程与常规相同，因而省略这些方面的描述。

参见图2，在本实施例的双极板100的中心部分，形成了氢和氧反应的反应地点102，在上部形成支管104、106和108，氢、氧和冷却剂中的每一个都在那里被供应。在下部还形成了用来排出冷却剂、氧和氢中的每一个的支管104′、106′和108′。

双极板100起到如下作用：使得氢和包含氧的空气不在燃料电池中混合，使得膜电极组件被电连接，还用作堆叠的单元电池的机械支撑件。它还起到如下作用：使反应气体平稳地流向电极，通过充足的水管理使得薄膜不会干燥，排出还原电极中产生的水。双极板100的材料可以使用石墨或碳化合物，也可以使用金属板。在使用金属板的情形下，它可能会被腐蚀，因而必须用高导电、抗腐蚀的材料涂覆表面。在此实施例中，使用碳化合物作为双极板100的材料。

另一方面，在反应地点和每个导管的周围形成密封槽110和110′，并且以橡胶填充的密封槽被示出在图2和图3中。这里，在位于反应地点中的密封槽110的左下部，形成了向双极板100的外部延伸的支撑件112，其宽度为密封槽110的宽度的1.5倍。密封槽和支撑件可以用计算机数控(CNC)处理或按压金属模型等形成，在示出的实施例中，密封槽110被形成为具有0.3毫米的深度和2毫米的宽度，而支撑件12被形成为具有0.3毫米的深度和3毫米的宽度。此时，橡胶从分配器(未示出)被排出，并具有1.2毫米的宽度和0.6毫米的厚度。也就是说，橡胶以从双极板的表面部分凸出的状态被填充到密封槽中，并且密封槽和支撑件的确定尺寸是可以根据燃料电池要求容量和尺寸改变的。

如图3中所示，如果填充橡胶的工作从支撑件12开始并在支撑件12结束，因为支撑件被足够宽地形成，尽管填充进的橡胶的厚度是不均匀的，但是它贯穿左右扩散，起始点与终止点重叠，并且橡胶的厚度变得均匀。

在橡胶被填充进密封槽和支撑件后，如果双极板被在100℃的炉中热处理30分钟，液态橡胶被干燥为固态。另一方面，橡胶也被用与上述相同的方法填充进氢、氧和冷却剂支管的周围。

参见图4至图6，普通的膜电极组件300用上述双极板100设置在燃料电池的中心，一对垫圈200、200′与膜电极组件300的前侧和后侧接触，具有每个对应于反应地点102、氢、氧和冷却剂支管104、106、108、104′、106′、108′的部分202、204、206、208、206′、208′，并且一对双极板100、100′被粘附到外部。

一对气体扩散层310、310′被粘附到膜电极组件300的前侧和后侧的中心，并且垫圈200的对应于反应地点的部分202的边缘被保持接触地粘附到气体扩散层310的侧面，因而膜电极组件300充当结构支撑件，以使整个厚度一致。上述氢、氧和冷却剂支管304、306、308被形成在膜电极组件300的上部和下部。

在图5中，橡胶110、110′从表面凸出一定量，但是在图6中示出的装配后状态中，橡胶保持被垫圈200表面按压和粘附的状态，因此尽管垫圈的厚度不均匀，仍然可以由橡胶防止泄漏。此外，不是因为由按压橡胶压力的反作用力施加的应力不会被直接传输到膜电极组件，而是因为它通过垫圈被均匀扩散地传输，从而防止了由于不均匀应力分布的变形和破坏。

根据包括如上所述的本发明，不仅因为橡胶和垫圈双重密封大大改进了密封性能，而且在橡胶或垫圈的表面不均匀的情形下，它被相互作用缓冲和补充，因此它具有如果被长期重复使用也可以保持其初始密封性能的优点。

也就是说，尽管垫圈厚度出现偏差，但是它与从双极板部分凸出的橡胶接触，并且可以在垫圈处理时降低微细处，因此不仅可以降低制造成本，还可以更灵活地实现设计。并且在由分配器排出的橡胶表面不均匀的情形下，不仅因为它是以垫圈表面被按压的状态被装配而使完全密封成为可能，而且可以最小化不均匀应力分布造成的问题，这是因为尽管由橡胶产生的应力是不均匀的，但是应力被通过垫圈扩散传输到膜电极组件。

还可以通过在以橡胶填充的密封槽的部分中设置支撑件，获得以下效果：不仅可以最小化由分配器填充的橡胶在起始点和终止点的厚度偏差，而且可以通过减少橡胶材料的损失降低生产成本。

Claims (9)

1、一种聚合物电解液燃料电池的密封结构，包括：

双极板，具有将被使用分配器填充橡胶的密封槽；和

垫圈，置于所述双极板和膜电极组件之间。

2、如权利要求1所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，进一步包括与所述密封槽接触的支撑件，该支撑件的宽度大于所述密封槽的宽度。

3、如权利要求2所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中所述支撑件的宽度是所述密封槽宽度的1.5倍。

4、如权利要求3所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中所述密封槽和所述支撑件具有相同深度。

5、如权利要求1所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中所述支撑件被垂直于所述密封槽的路线方向在所述密封槽的周围形成。

6、如权利要求5所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中设置在所述膜电极组件前后的每个所述双极板上的所述支撑件的位置彼此对称。

7、如权利要求1所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中所述橡胶由包含硅、氟或烯烃的橡胶材料的任意一种制成。

8、如权利要求1所述的聚合物电解液燃料电池的密封结构，其中所述垫圈以与所述双极板相同的材料制造。

9、一种聚合物电解液燃料电池，包含权利要求1到8中任意一项所述的密封结构。

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