CN204315668U - 一种具有密封功能的一体化气体扩散层及膜电极组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体地说是一种具有密封功能的一体化气体扩散层及其膜电极组件；一体化气体扩散层包括气体扩散部件和密封部件，所述密封部件上设有燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔，所述密封部件完全包围所述气体扩散部件的四周侧面，所述密封部件与气体扩散部件注塑或粘贴连接；本实用新型优点在于，将气体扩散层和密封胶一体设计，避免了密封圈脱落的可能，同时增加了密封强度，这种方案解决了在质子交换膜的两侧不需要粘接绝缘加强膜的工艺，可以大幅度的提高生产效率及可靠性，有效降低了生产成本和制作难度。该气体扩散层还可以与FCM一体成型制成MEA，提高整个燃料电池的制作效率和密封性能。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池技术领域，具体地说是一种具有密封功能的一体化气体扩散层及膜电极组件。
背景技术
燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电极之间形成电位差，并且因此产生电能。
燃料电池的核心在于燃料电池电堆，常见的燃料电池电堆采用内共用管道或外共用管道两种供气方式。其中，对于采用内共用管道的燃料电池电堆，电池的密封是为了防止反应气体和冷却剂的泄漏，以及燃料、氧化剂及冷却剂通过公用管道互窜。
如ballard公司的us5284718专利，采用的是将密封结构置于MEA上，采用与极板一样尺寸的MEA，并在MEA上开有三进三出通孔，在各孔道与MEA四周磨有凹槽，内置密封件。由于这种方法不适用于薄膜，因此在此基础上，zL200580042454专利给出了一种密封结构围绕MEA的密封结构。解决了对于膜厚薄的限制，但依然存在质子交换膜利用率低，容易造成浪费的现象。
另一种方法是将密封结构置于双极板上，在共用孔道和双极板四周开有沟槽，内置密封结构。这样做的缺点在于增加了对密封胶的要求，密封胶如果渗入气体扩散层的反应区域，会增加浓差极化。
传统MEA制作方案是在质子交换膜的两侧粘接绝缘加强材料，来增加强度，这种方案制作工艺复杂，耗时，不利于批量生产。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有密封功能的一体化气体扩散层及其制作方法。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：包括气体扩散部件和密封部件，所述密封部件上设有燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔，所述密封部件完全包围所述气体扩散部件的四周侧面。
所述密封部件与气体扩散部件的相接触面上，密封部件部分渗入气体扩散部件后连接。
所述密封部件与气体扩散部件为粘贴连接。
所述密封部件上设有凸起的唇圈。
所述密封部件材料包括但不限于橡胶或热塑性弹性体材料或热固性液体注塑硅胶。
所述气体扩散部件材料包括但不限于碳纸或导电多孔材料。
一种带有所述的具有密封功能的一体化气体扩散层的膜电极组件，其特征在于，该电极组件包括两侧涂覆有催化剂层的膜，以及催化剂层外层设置的气体扩散层，所述的膜两端与气体扩散层的密封部件相对对应处设有至少一个灌胶通孔，该灌胶通孔内设有与其上下所述密封部分一体成型的密封材料。
具有密封功能的一体化气体扩散层的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：将气体扩散部件放在模具中间，夹紧模具后向模具内注入密封材料；待密封材料完全固化后，得到所述一体化气体扩散层。
所述模具的密封部件除所述唇圈部分外的注塑空间高度小于或等于所述气体扩散部件厚度；
所述密封部件材料包括但不限于橡胶或热塑性弹性体材料或热固性液体注塑硅胶；所述气体扩散部件材料包括但不限于碳纸或导电多孔材料。
一种具有密封功能的一体化气体扩散层的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：密封部件中间设有一个镂空区域，所述镂空区域面积小于所述气体扩散部件，将所述气体扩散部件覆盖所述镂空区域，气体扩散部件与密封部件之间重叠处通过粘贴固定连接。
所述密封部件材料包括但不限于橡胶或热塑性弹性体材料或热固性液体注塑硅胶；所述气体扩散部件材料包括但不限于碳纸或导电多孔材料。
上述气体扩散层还可以与所述膜与催化剂组成的FCM一体成型，在FCM的膜两端设置至少一个灌胶通孔，将FCM及其两侧的气体扩散部件放入模具中夹紧固定，然后向模具中注入密封材料，密封材料从一侧气体扩散层周边通过灌胶通孔流入另一侧气体扩散层周边，一体成型得到膜电极组件。
与现有技术相比，本实用新型优点在于，将气体扩散层和密封胶一体设计，避免了密封圈脱落的可能，同时增加了密封强度。即两层密封部件，分别置于阳极板、MEA和阴极板之间，两两密封，极大提高了密封性能。这种方案解决了在质子交换膜的两侧不需要粘接绝缘加强膜的工艺，可以大幅度的提高生产效率及可靠性。
而且上述气体扩散层还可以与FCM一体成型制成MEA，提高整个燃料电池的制作效率和密封性能。
附图说明
图1为本实用新型的一体化气体扩散层平面示意图；
图2为本实用新型的一体化气体扩散层剖面图；
图3为本实用新型的电池单元结构示意图；
图4为本实用新型一体成型的膜电极组件的结构示意图。
图中标识为：1 为气体扩散部件，2 为密封部件，3 为唇圈，4-1 为燃料进孔，4-2 为燃料出孔，5-1 为冷却剂进孔，5-2 为冷却剂出孔，6-1 为氧化剂进孔，6-2为氧化剂出孔，7 为一体化气体扩散层，8 为阴极板，9 为阳极板，10 为MEA，11 为燃料电池单元，12 为灌胶通孔。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型做进一步说明。
实施例一
本实用新型采用热固性液体注塑硅胶类的液体注塑硅橡胶LSR作为密封部件，采用碳纸作为气体扩散材料。
将碳纸放入热模具内，将液体注塑硅橡胶LSR通过冷流道送入热模具，其中，热模具温度为140℃～200℃。待液体注塑硅橡胶LSR注满模具后，进入固化步骤，固化时间为5～60秒后将成型的一体化气体扩散层取出。
如图1～2所示，固化后的成品一体化气体扩散层包括气体扩散部件1和密封部件2，密封部件2上设有燃料进孔4-1，燃料出孔4-2，冷却剂进孔5-1，冷却剂出孔5-2，氧化剂进孔6-1，氧化剂出孔6-2，密封部件2完全包围气体扩散部件1的四周侧面，在密封部件2与气体扩散部件1的相接触面上，由于气体扩散部件1是多孔材料，因此密封材料部分会渗入气体扩散部件中，使密封材料和气体扩散部件成型为一整体，在密封部件上还设有凸起的唇圈3。
成型后的密封部件除唇圈部分之外其余部分的厚度小于或等于所述气体扩散部件厚度。
如图3所示，一个燃料电池单元11的组成结构是，阴极板8和阳极板9之间夹有两个所述一体化气体扩散层7，两个一体化气体扩散层7之间设有一层FCM10。一体化气体扩散层7上的燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔与极板上的三进三出孔位置相对，一体化气体扩散层上设有的唇圈3与极板上密封凹槽位置相对。将燃料电池单元压紧后，一体化气体扩散层的唇圈3嵌入极板上的密封凹槽，同时一体化气体扩散层的密封部件起到极板与MEA之间的密封作用。
由于一体化气体扩散层7中的气体扩散部件1的面积大于FCM10上的催化剂涂层和双极板(阴极板8和阳极板9)流道的反应面积，所以在注塑固化的过程中，虽然密封材料2深入气体扩散部件1的四周侧边，但去除渗胶区域后，气体催化部件剩余面积仍≥MEA催化剂涂层和双极板流道的反应面积，不会造成电堆反应面积缩小的情况。
其中，本实用新型的密封部件还可以采用硅胶或热塑性弹性体材料或热固性液体注塑硅橡胶这几大种类里的任意一种，根据密封材料的不同，注胶和固化的温度计时间各有不同。
实施例2
本实施例除一体化气体扩散层制作与实施例一不同之外，其余均同实施例一。
参见图1，本实用新型所述的一种具有密封功能的一体化气体扩散层，在密封部件2中间设有一个镂空区域，所述镂空区域面积略小于所述气体扩散部件1，将所述气体扩散部件覆盖所述镂空区域，气体扩散部件与密封部件之间重叠处通过粘贴固定连接成为一体化气体扩散层，在密封部件上还设有凸起的唇圈3。
本实施例所用材料与实施例一相同。
实施例3
如图4所示，一个燃料电池单元11的组成结构是，阴极板8和阳极板9之间夹有两个所述一体化气体扩散层7，两个一体化气体扩散层7之间设有一层FCM10。一体化气体扩散层7上的燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔与极板上的三进三出孔位置相对，一体化气体扩散层上设有的唇圈与极板上密封凹槽位置相对。上述气体扩散层7与所述膜与催化剂组成的FCM10一体成型，在FCM10的膜两端设置至少一个灌胶通孔12，将FCM及其两侧的气体扩散部件放入模具中夹紧固定，然后向模具中注入密封材料，密封材料从一侧气体扩散层周边通过灌胶通孔12流入另一侧气体扩散层周边，一体成型得到膜电极组件。
Claims (7)
1.一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：包括气体扩散部件和密封部件，所述密封部件上设有燃料进出孔、氧化剂进出孔和冷却剂进出孔，所述密封部件完全包围所述气体扩散部件的四周侧面。
2.如权利要求1所述的一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：所述密封部件与气体扩散部件的相接触面上，密封部件部分渗入气体扩散部件后连接。
3.如权利要求1所述的一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：所述密封部件与气体扩散部件为粘贴连接。
4.如权利要求2或3所述的一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：所述密封部件上设有凸起的唇圈。
5.如权利要求2或3所述的一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：所述密封部件材料包括但不限于橡胶或热塑性弹性体材料或热固性液体注塑硅胶。
6.如权利要求2或3所述的一种具有密封功能的一体化气体扩散层，其特征在于：所述气体扩散部件材料包括但不限于碳纸或导电多孔材料。
7.一种带有如权利要求1所述的具有密封功能的一体化气体扩散层的膜电极组件，其特征在于，该电极组件包括两侧涂覆有催化剂层的膜，以及催化剂层外层设置的气体扩散层，所述的膜两端与气体扩散层的密封部件相对对应处设有至少一个灌胶通孔，该灌胶通孔内设有与其上下所述密封部件一体成型的密封材料。
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