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CN107742735B - 一种mea包胶的密封结构及其制造方法和使用方法 - Google Patents

一种mea包胶的密封结构及其制造方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEA包胶的密封结构、制造该密封结构的方法以及使用该密封结构的方法。该密封结构包括燃料电池单体和密封胶条，其中，燃料电池单体包括石墨板、一侧扩散层、质子交换膜、催化剂层和另一侧扩散层；密封胶条包覆在一侧扩散层、质子交换膜、所诉催化剂层以及另一侧扩散层的外面；一侧扩散层的面积小于质子交换膜和另一侧扩散层的面积；一侧扩散层为氧气扩散层，另一侧扩散层为氢气扩散层；质子交换膜和另一侧扩散层的面积小于石墨板的面积；密封胶体内侧为与一侧扩散层、质子交换膜、催化剂层以及另一侧扩散层相配合的台阶式。本发明的结构密封效果好成型快。

Description

一种MEA包胶的密封结构及其制造方法和使用方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，更具体地涉及一种MEA包胶的密封结构及制造这种密封结构的方法和使用这种密封结构的方法。
背景技术
燃料电池，能以较高的效率将氢气与氧气(通常是空气中的氧气)直接转化为电能，反应副产品是纯水。因此具有节能、环保等优点。
传统的燃料电池堆通过点胶的方式来密封各材料，点胶工艺采用半人工半机械式，且胶体完全固化时间超过24小时，存在耗时长、一致性差、效率低的缺点。此缺点也制约了燃料电池的批量化生产。
因此，本领域急需开发新的密封效果好效率高的密封结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种密封效果好成型快的密封结构。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种MEA包胶的密封结构。所述密封结构包括燃料电池单体和密封胶条，其中，所述燃料电池单体包括石墨板、一侧扩散层、质子交换膜、催化剂层和另一侧扩散层；
所述密封胶条包覆在所述一侧扩散层、所述质子交换膜、所诉催化剂层以及所述另一侧扩散层的外面；
所述一侧扩散层的面积小于所述质子交换膜和所述另一侧扩散层的面积；
所述一侧扩散层为氧气扩散层，所述另一侧扩散层为氢气扩散层；或者
所述一侧扩散层为氢气扩散层，所述另一侧扩散层为氧气扩散层；
所述一侧扩散层和所述质子交换膜的边缘露出一道连续的、封闭的、没有被另一侧扩散层覆盖的质子交换膜区域；
所述质子交换膜和所述另一侧扩散层的面积小于所述石墨板的面积；
所述密封胶体内侧为与所述一侧扩散层、所述质子交换膜、所述催化剂层以及所述另一侧扩散层相配合的台阶式。
优选地，所述所述质子交换膜两侧均设有催化剂层。
优选地，所述密封胶条边缘上设有多个凸起的密封筋。
优选地，所述一侧扩散层、所述质子交换膜、所述催化剂层以及所述另一侧扩散层的四周设有凹槽，用于所述密封胶条的胶体流通的通道。
优选地，所述密封胶条由可压缩材料制成。
所述密封胶条的厚度为h，h满足：1.5mm≤h≤4mm。
所述氢气扩散层被所述密封胶条包裹住的横向长度为L1，L1满足：2mm≤L1≤10mm。
所述质子交换膜被所述密封胶条包裹住的横向长度为L2，L2满足：2mm≤L2≤10mm。
所述氧气扩散层被所述密封胶条包裹住的横向长度为L3，L3满足：2mm≤L3≤10mm。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种制造本发明第一方面的密封结构的方法。所述方法包括以下步骤：
(a)提供氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层，并将其叠放在一起；其中，所述质子交换膜夹在所述氢气扩散层和所述氧气扩散层中间；以及所述氢气扩散层、所述质子交换膜和所述氧气扩散层为台阶式；
(b)将叠放好的所述氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层放入模具中，将模具上下合盖并固定；
(c)向所述模具注入密封胶体，将所述氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层的四周包覆起来，所述密封胶体固化成一个整体形成密封胶条。
优选地，所述氢气扩散层与所述质子交换膜之间还设有催化剂层。
优选地，所述氧气扩散层和所述质子交换膜之间还设有催化剂层。
优选地，所述模具上设有进胶口，用于向所述模具注入密封胶体。
优选地，用高压向所述模具注入所述密封胶体。
优选地，所述模具中设有形成密封筋的凹槽。
优选地，堆叠所述氢气扩散层、所述质子交换膜以及所述氧气扩散层时在四个角用硅胶固定。
优选地，所述模具上还设有出胶口。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种使用本发明第一方面的密封结构的方法。所述方法为将多个如本发明第一方面所述的密封结构叠放装配，实现燃料电池的密封。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明的一种典型的密封结构的主视图；
图2为图1所示的密封结构的俯视图。
各附图中标记如下：2-金属片；3-石墨板；4-氧气扩散层；5-质子交换膜；6-氢气扩散层；10-密封胶条；11-密封筋。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究，首次开发了一种质子交换膜包胶的密封结构及使用这种密封结构的方法。本发明人创造了一种模具，首先将质子交换膜与氢气侧扩散层和氧气侧扩散层叠放在一起，四个角可以用硅胶轻点以固定，然后放入模具中，将模具上下合盖并固定，模具有进胶口和出胶口，模具内，在质子交换膜与氢气侧扩散层和氧气侧扩散层材料的四周，有一圈凹槽，是胶体流通的通道。然后用高压将胶体注入进胶口，通过铸胶的方式，将质子交换膜与氢气侧扩散层和氧气侧扩散层的四周包覆起来，胶体固化后即直接粘合形成一个整体。然后与燃料电池堆的其他材料叠放，通过压缩密封胶条区域来实现密封。
在此基础上完成了本发明。
传统点胶方式形成的密封区域形状不受限，流动性强，固化后还需要耗费人工来切除多余胶体，修整外观。创新的铸胶方式将质子交换膜与氢气侧扩散层和氧气侧扩散层经过模具压制，限定胶体流动范围，是一次性成型的，这种密封方式实现了免切割，免修整的目的，一致性高，成型之后即可将质子交换膜与双侧扩散层作为一个整体进行装配。同时，通过模具压制，可以在成型的密封区域增加密封筋，提高密封性能。
传统点胶方式的固化时间超过24小时，其胶水固化有一定湿度要求，受气候影响，在天气干燥的情况下会造成固化时间延长，存在不可控因素。创新的铸胶方法采用模具压制的方式，胶体在达到要求温度时即刻成型，几乎没有固化时间。大大缩短了固化耗时，更适合批量化生产。
传统的点胶方式在点胶过程中与胶体固化后都需要耗费一定人工来完成修整和监控的工作。创新的铸胶方式可实现全机械化，大大降低了人工成本，提高了生产效率。
本发明的密封结构解决了传统燃料电池密封工艺的局限性，大大地提高了生产效率，可实现批量化生产的目标。本发明的密封结构密封效果好，成型快。
术语
如本文所用，术语“MEA”指膜电极组件(Membrane Electrode Assemblies)，是燃料电池的质子交换膜、催化剂和电极的组合。在本文中，催化剂为催化剂层，电极分别为氢气扩散层和氧气扩散层。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例1
如图1和图2所示，本发明的一种典型的质子交换膜包胶的密封结构。该结构包括燃料电池单体和密封胶条10，其中，燃料电池单体包括石墨板3、氧气扩散层4、质子交换膜5和氢气扩散层6；密封胶条10包覆在氧气扩散层4、质子交换膜5以及氢气扩散层6的外面；氢气扩散层6的截面积小于质子交换膜5和氧气扩散层4的截面积；质子交换膜5和氧气扩散层4的截面积小于石墨板3的截面积；密封胶体10内侧为与氧气扩散层4、质子交换膜5以及氢气扩散层6相配的台阶式。密封胶条边缘上设有多个凸起的密封筋11。氧气扩散层4、质子交换膜5以及氢气扩散层6的四周设有凹槽，用于密封胶条的胶体流通的通道。密封胶条10由可压缩材料制成。密封胶条的厚度为h为3mm。氢气扩散层被密封胶条包裹住的横向长度为L1为5mm。质子交换膜5被密封胶条10包裹住的横向长度为L2为6mm。氧气扩散层4被密封胶条10包裹住的横向长度为L3为4mm。该电池单体还包括金属片2，密封区域边缘处凸起的密封筋11与金属片2相接触，将石墨板3包覆在密封胶条10与金属片2之间，从而实现密封。
实施例2
本发明一种制造MEA包胶的密封结构的方法，该方法包括以下步骤：(a)提供氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层，并将其叠放在一起，堆叠氢气扩散层、质子交换膜以及氧气扩散层时在四个角用硅胶固定；其中，质子交换膜夹在氢气扩散层和氧气扩散层中间；以及该氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层为台阶式；氢气扩散层与质子交换膜之间设有催化剂层，氧气扩散层和质子交换膜之间也设有催化剂层；(b)将叠放好的氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层放入模具中，将模具上下合盖并固定；该模具中设有形成密封筋的凹槽；(c)从模具的进胶口用高压向模具注入密封胶体，将氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层的四周包覆起来，密封胶体固化成一个整体形成密封胶条，即形成本发明的密封结构。
实施例3
一种使用本发明的MEA包胶的密封结构的方法，该方法为将多个本发明的的密封结构叠放装配在一起，通过压缩密封胶条区域来实现密封。将密封装配的多个结构紧固，形成燃料电池堆。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (12)

1.一种MEA包胶的密封结构，其特征在于，所述密封结构包括燃料电池单体和密封胶条，其中，所述燃料电池单体包括石墨板、一侧扩散层、质子交换膜、催化剂层和另一侧扩散层；
所述密封胶条包覆在所述一侧扩散层、所述质子交换膜、所述催化剂层以及所述另一侧扩散层的外面；
所述一侧扩散层的面积小于所述质子交换膜和所述另一侧扩散层的面积；
所述一侧扩散层为氧气扩散层，所述另一侧扩散层为氢气扩散层；或者
所述一侧扩散层为氢气扩散层，所述另一侧扩散层为氧气扩散层；
所述一侧扩散层和所述质子交换膜的边缘露出一道连续的、封闭的、没有被另一侧扩散层覆盖的质子交换膜区域；
所述质子交换膜和所述另一侧扩散层的面积小于所述石墨板的面积；
所述密封胶条内侧为与所述一侧扩散层、所述质子交换膜、所述催化剂层以及所述另一侧扩散层相配合的台阶式；
所述密封胶条由密封胶体通过铸胶的方式成形且成形为一个整体，且所述密封胶条边缘上设有多个凸起的密封筋；
所述氢气扩散层被所述密封胶条包裹住的横向长度为L1，L1满足：2mm≤L1≤10mm；
所述质子交换膜被所述密封胶条包裹住的横向长度为L2，L2满足：2mm≤L2≤10mm；
所述氧气扩散层被所述密封胶条包裹住的横向长度为L3，L3满足：2mm≤L3≤10mm；
所述密封胶条由可压缩材料制成；
所述一侧扩散层、所述质子交换膜、所述催化剂层以及所述另一侧扩散层的四周设有凹槽，用于所述密封胶条的胶体流通的通道。
2.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述质子交换膜两侧均设有催化剂层。
3.如权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述密封胶条的厚度为h，h满足：1.5mm≤h≤4mm。
4.一种制造如权利要求1～3任一项中所述的MEA包胶的密封结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)提供氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层，并将其叠放在一起；其中，所述质子交换膜夹在所述氢气扩散层和所述氧气扩散层中间；以及所述氢气扩散层、所述质子交换膜和所述氧气扩散层为台阶式；
(b)将叠放好的所述氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层放入模具中，将模具上下合盖并固定；
(c)向所述模具注入密封胶体，将所述氢气扩散层、质子交换膜和氧气扩散层的四周包覆起来，所述密封胶体固化成一个整体形成密封胶条，且所述密封胶条边缘上设有多个凸起的密封筋。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氢气扩散层与所述质子交换膜之间还设有催化剂层。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧气扩散层和所述质子交换膜之间还设有催化剂层。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模具上设有进胶口，用于向所述模具注入密封胶体。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，用高压向所述模具注入所述密封胶体。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模具中设有形成密封筋的凹槽。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，堆叠所述氢气扩散层、所述质子交换膜以及所述氧气扩散层时在四个角用硅胶固定。
11.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述模具上还设有出胶口。
12.一种使用MEA包胶的密封结构的方法，其特征在于，所述方法为将多个如权利要求1-3任一所述的密封结构叠放装配，实现燃料电池的密封。
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