CN111730803B - 密封结构的制备方法及膜电极与双极板的密封连接方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种密封结构的制备方法及膜电极与双极板的密封连接方法。密封结构与模具配合进行制备，模具具有模腔和与模腔连通的进液口。膜电极包括边框，边框具有置胶区。制备方法包括：将带有边框的膜电极置于模具内，使模具的模腔与置胶区围成连通的胶腔。从进液口处向胶腔内填充可流动的密封圈原料，使密封圈原料在胶腔内流动并填满胶腔。固化密封圈原料，在置胶区上形成密封圈，取出带有密封圈的膜电极。该制备方法可以使密封圈的厚度和宽度更加均匀，密封圈的平整度更好，利于膜电极与双极板之间的密封连接。

Description

密封结构的制备方法及膜电极与双极板的密封连接方法

技术领域

本申请涉及燃料电池的制备技术领域，具体而言，涉及一种密封结构的制备方法及膜电极与双极板的密封连接方法。

背景技术

燃料电池是由多个堆叠的单电池串联形成的具有一定输出电压和功率的电池堆。单电池包括双极板和夹设在双极板之间的膜电极(MEA，Membrane ElectrodeAssemblies)，双极板上具有流道，可以分隔燃料气体(例如：氢气)与氧化剂(例如：氧气或空气)，阻止气体透过，收集和传导电流。

为了避免渗气现象的发生，或者不同种类的气体交叉泄漏，膜电极与双极板之间需要设置密封件。现有技术中，通常在膜电极的边框上进行点胶，然后将点胶后的胶水进行固化，从而在边框上形成密封圈。该方法形成的密封圈的厚度不均匀，平整度差。

发明内容

本申请的第一目的在于提供一种膜电极上密封结构的制备方法，可以使膜电极上形成结构更加均匀的密封圈。

本申请的第二目的在于提供一种膜电极与双极板之间的密封连接方法，由于密封圈的结构更加均匀，可以使膜电极与双极板之间的密封效果更好。

第一方面，本申请提供一种膜电极上密封结构的制备方法，与模具配合进行制备，模具具有模腔和与模腔连通的进液口。膜电极包括边框，边框具有置胶区，制备方法包括：将带有边框的膜电极置于模具内，使模具的模腔与置胶区围成与所述进液口连通的胶腔。从进液口处向胶腔内填充可流动的密封圈原料，使密封圈原料在胶腔内流动并填满胶腔。固化密封圈原料，在置胶区上形成密封圈，取出带有密封圈的膜电极。

通过模具与边框的配合，可以对带有密封圈的膜电极进行连续化生产，提高了生产效率。模具的模腔与边框处的置胶区配合形成胶腔结构，然后在胶腔结构内填满可流动的密封圈原料，并使其固化，置胶区上形成的密封圈的结构与胶腔的结构一致。可以根据模具的模腔结构设置，形成任意的密封圈结构，提高了密封圈的尺寸精度，且可以使密封圈的结构更加均匀，平整度更好，有利于膜电极与双极板之间的密封连接。

在一种可能的实施方式中，固化密封圈原料之前，还包括对模具进行预热的步骤。

先对模具进行预热，可以使填充的密封圈的原料在胶腔中的流动性更好，以便其更加容易充满胶腔，以提高制备效率，且避免其在流动的过程中固化。

在一种可能的实施方式中，在将带有边框的膜电极置于模具内之前，模具预热至温度为100-160℃。模具的预热温度较高，一般情况下在高温炉中进行预热。如果将膜电极设置在该模具内以后在高温炉进行预热，可能会破坏膜电极的结构，所以，先进行预热，然后进行膜电极的设置，以便使密封圈原料在胶腔内的流动性更好，且不会对膜电极的性能造成破坏。

在一种可能的实施方式中，密封圈的原料为热塑性、热固性弹性体聚合物，且密封圈与膜电极的粘接力大于密封圈与模具的粘接力。由于膜电极的边框是高分子材料，密封圈的材料的选择，可以使膜电极与密封圈的粘接力更大，可以在不添加脱模剂的情况下，使密封圈在模具内脱模，制备更加简单。

在一种可能的实施方式中，密封圈的原料选自三元乙丙橡胶、硅橡胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯和聚异丁烯中的一种或多种，固化密封圈原料的方式是：在室温下静置3-30min。可以使胶腔内充满的密封圈原料在常温下即可固化，便于密封圈的形成。

在一种可能的实施方式中，在将带有边框的膜电极置于模具内之前，还包括在边框的置胶区涂覆一层粘接剂，然后将粘接剂固化形成用于限制所述密封圈滑移的粘接层。粘接层的形成，增加了密封圈在边框上的附着力，防止密封圈在受到挤压时滑移，可以使双极板与膜电极之间的固定效果更好；且进一步增加了密封圈与膜电极之间的结合力，使密封圈更加容易从模具上脱模。

在一种可能的实施方式中，粘接层的宽度小于密封圈的宽度，粘接层的宽度为1.4-4.6mm，密封圈的宽度为2-5mm。

密封圈包覆粘接层，粘接层主要是对密封圈的内部进行粘接，避免粘接层超出密封圈，且限定密封圈的滑移。

在一种可能的实施方式中，粘接剂的材料选自四丁基钛酸酯、六甲基二硅氧烷、正硅酸乙酯、三甲基叔丁基过氧化硅烷和乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种，固化粘接剂的方式是：在室温下静置15-60min。在常温下进行固化，粘接剂固化的方式较为简单，容易实现。

在一种可能的实施方式中，粘接剂的材料选自γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和丙烯基三甲氧基硅烷中的一种或多种，固化粘接剂的方式是：在温度为50-180℃的条件下固化3-15min。可以加快粘接剂固化的速度，可以使制备效率更高。

在一种可能的实施方式中，模具包括上模和下模，上模具有上模腔，下模具有下模腔，进液口与上模腔和下模腔均连通；边框的上表面具有上置胶区，边框的下表面具有下置胶区；制备方法，包括：将带有边框的膜电极置于下模上，使下模腔与下置胶区围成与进液口连通的下胶腔，上模与下模合模，使上模腔与上置胶区围成与进液口连通的上胶腔。从进液口处向上胶腔和下胶腔内均填充密封圈原料，使密封圈原料在上胶腔和下胶腔内流动并填满上胶腔和下胶腔。固化密封圈原料，在上置胶区上形成上密封圈，在下置胶区上形成下密封圈，取出带有上密封圈和下密封圈的膜电极。

可以通过模具，同时在边框的上表面形成上密封圈，下表面形成下密封圈，提高了密封圈的制备效率，且密封圈的制备质量也更高。

第二方面，本申请提供一种膜电极与双极板的密封连接方法，通过上述制备方法在膜电极的边框上形成密封圈。将密封圈的背离边框的表面置于双极板的密封槽内，使双极板和膜电极密封连接。

由于上述方法制备得到高质量的密封圈，可以使双极板和膜电极之间的密封效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图也属于本申请的保护范围。

图1为膜电极的第一平面结构示意图；

图2为膜电极的层结构示意图；

图3为膜电极的第二平面结构示意图；

图4为膜电极上形成了密封结构后的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的模具与膜电极的爆炸图；

图6为本申请实施例提供的膜电极上密封结构的制备方法的第一流程图；

图7为本申请实施例提供的膜电极上密封结构的制备方法的第二流程图；

图8为本申请实施例提供的膜电极上密封结构的剖视图。

图标：100-膜电极；110-CCM；120-第一扩散层；130-第二扩散层；140-第一边框；150-第二边框；141-上置胶区；160-上密封圈；200-模具；210-上模；220-下模；221-下模腔；230-进液口；222-下进液槽；170-粘接层。

具体实施方式

燃料电池中，膜电极和双极板密封连接，形成一个单电池。其中，双极板包括阴极板和阳极板，阴极板密封连接于膜电极的阴极侧，阳极板密封连接于膜电极的阳极侧。

为了实现膜电极与双极板之间的密封连接，需要在膜电极上形成密封圈，并将密封圈置于双极板的密封槽内。所以，密封圈的质量会影响膜电极与双极板之间的密封圈效果。

下面对膜电极的结构进行描述。图1为膜电极100的第一平面结构示意图；图2为膜电极100的层结构示意图。请参阅图1和图2，膜电极100包括CCM 110(CCM 110包括质子交换膜和分别设置在质子交换膜两个表面的阴极催化剂层和阳极催化剂层)、第一扩散层120、第二扩散层130(如果第一扩散层120为阳极扩散层，则第二扩散层130为阴极扩散层；如果第一扩散层120为阴极扩散层，则第二扩散层130为阳极扩散层)、第一边框140和第二边框150。其中，CCM 110夹设在第一边框140和第二边框150之间，第一扩散层120设置在第一边框140的背离CCM 110的一侧，第二扩散层130设置在第二边框150的背离CCM 110的一侧(阳极扩散层与阳极催化剂层对应，阴极扩散层与阴极催化剂层对应)。

边框(边框包括第一边框140和第二边框150)由不导电、不透气的耐高温材料制成，用于将各种导电层分离开(例如：阳极催化剂层和阳极扩散层隔开，阴极催化剂层和阴极扩散层隔开)。在边框上设置了燃料气体孔、氧化气体孔和冷却剂孔，孔贯穿第一边框140和第二边框150。密封圈的设置，不仅能够避免渗气现象的发生，且能够避免燃料气体、氧化气体和冷却剂的相互交叉泄漏。

图3为膜电极100的第二平面结构示意图。请参阅图3，需要在图3的置胶区(虚线区域处)设置密封圈，从而实现双极板与膜电极100之间的安装。具体地，膜电极100的边框的上表面具有上置胶区141，边框的下表面具有下置胶区(上置胶区141的区域是图3中的虚线区域，下置胶区的区域是与图3中的虚线区域对称的下表面区域)。也就是说：边框包括第一边框140和第二边框150，上置胶区141是第一边框140的背离第二边框150的表面的虚线区域，下置胶区是对称形成在第二边框150的下表面的区域。

图4为膜电极100上形成了密封结构后的结构示意图。请参阅图4，为了在膜电极100的图3的置胶区(虚线区域处)形成密封圈得到图4的结构，现有技术中，需要用自动点胶机的针头在膜电极100的第一边框140上(边框的上表面)，沿着虚线区域的轨迹进行连续化移动，并使胶水沉积在第一边框140的上置胶区141(虚线区域处)，然后将其进行固化形成上密封圈160。固化完成以后，将膜电极100翻转180°，用自动点胶机的针头在膜电极100的第二边框150上(边框的下表面)，沿着虚线区域处对称的轨迹进行连续化移动，并使胶水沉积在第二边框150的置胶区，然后将其进行固化形成下密封圈，从而使边框的两个表面上都形成密封圈。该方法缺点在于目前市场上的点胶机精度较差，难以点胶成型厚度均匀且平面度一致的密封胶条，且需要先在边框的上表面上形成上密封圈160并固化以后，然后才能够在边框的下表面上形成下密封圈并进行固化，制备效率低。

所以，本申请中，使用另一种方法在膜电极100上形成密封圈，密封圈厚度更加均匀，且平面度也较为一致，可以使双极板与膜电极100之间的密封连接效果更好。

实施例1

该制备方法与模具配合进行制备。图5为本申请实施例提供的模具200与膜电极100的爆炸图，请参阅图5，模具200具有模腔和与模腔连通的进液口230。进一步地，模具200包括上模210和下模220，上模210具有上模腔，下模220具有下模腔221，进液口230与上模腔和下模腔221均连通。

如图所示，在上模210的下表面形成上模腔，上模腔具有一定的深度(该深度不受到限制，主要与形成密封圈的压缩性能(弹性性能)和双极板的密封槽的深度有关)，上模腔的形状与上置胶区141的形状一致。下模220的上表面形成下模腔221，下模腔221具有一定的深度(该深度不受到限制，主要与形成密封圈的压缩性能和双极板的密封槽的深度有关)，下模腔221的形状与下置胶区的形状也一致。

图6为本申请实施例提供的膜电极100上密封结构的制备方法的第一流程图。请参阅图6，该制备方法包括如下步骤：

S10，准备上述膜电极100。

S20，将带有边框的膜电极100置于模具200内，使模具200的模腔与置胶区围成与进液口230连通的胶腔。可选地，将带有边框的膜电极100置于下模220上，使下模腔221与下置胶区围成与进液口230连通的下胶腔，上模210与下模220合模，使上模腔与上置胶区141围成与进液口230连通的上胶腔。

例如：第二边框150的下表面与下模220的上表面接触，第二边框150将下模220的下模腔221封闭，从而使下模220与第二边框150的下置胶区之间形成与进液口230连通的下胶腔。上模210与下模220合模以后，第一边框140的上表面与上模210的下表面接触，第一边框140将上模210的上模腔封闭，从而使上模210与第一边框140的上置胶区141之间形成与进液口230连通的上胶腔。

S30，从进液口230处向胶腔内填充可流动的密封圈原料，使密封圈原料在胶腔内流动并填满胶腔。可选地，从进液口230处向上胶腔和下胶腔内均填充密封圈原料，使密封圈原料在上胶腔和下胶腔内流动并填满上胶腔和下胶腔。

为了更加容易从进液口230处注入可流动的密封圈原料，可选地，进液口230可以设置在上模210上，且进液口230贯穿上模210的上下两个表面，且进液口230在靠近上模腔的位置处设置有上进液槽，上进液槽的深度与上模腔的深度一致。进一步地，进液口230还延伸至下模220的上表面，且下模220的上表面也设置有下进液槽222，下模220上的下进液槽222的深度与下模腔221一致，上进液槽和下进液槽222对应设置，形成一个型腔，可流动的密封圈原料从进液口230处注入，经过上进液槽和下进液槽222合并形成的型腔中，然后分别流入上胶腔和下胶腔，使上胶腔和下胶腔内均填充满密封圈原料。

可选地，还可以设置多个进液口230，如图5所示，设置两个进液口230，以便提高密封圈的制备效率。在其他实施例中，也可以将进液口230设置在上模210的侧面等，只要能够与胶腔连通，并实现注胶的进液口230均在本申请的保护范围之内。本申请实施例中，可流动的密封圈原料可以是液态的密封圈原料，也可以是半固态的密封圈原料。只要能够在胶腔内流动并充满胶腔的可以做密封圈的原料均在本申请的保护范围之内。

可选地，在注入可流动的密封圈原料之后，且在固化密封圈原料之前，还包括对模具200进行预热的步骤。可以使填充的密封圈的原料在胶腔中的流动性更好，以便其更加容易充满胶腔，以提高制备效率，且避免其在流动的过程中固化。

在一种可能的实施方式中，在放置膜电极100之前，对模具200进行预热至温度为100-160℃，以便后续密封圈的制备。可选地，模具200的预热方法可以是：将模具200放置在高温炉内进行预热。

在一些可能的实施方式中，模具200的预热目标温度可以是100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃或160℃。在其他实施方式中，如果制备密封圈的密封圈原料的流动性很好，也可以不对模具200进行预热，本申请不做限定。

S40，固化密封圈原料，在置胶区上形成密封圈。可选地，在上置胶区141上形成上密封圈160，在下置胶区上形成下密封圈。本申请实施例中，密封圈的原料为热塑性、热固性弹性体聚合物，且密封圈与膜电极100的粘接力大于密封圈与模具200的粘接力。可以使密封圈能够更加容易在模具200上脱模，不需要脱模剂的使用即可实现脱模，制备更加简单。

本申请实施例中，密封圈原料的材料选自三元乙丙橡胶、硅橡胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯和聚异丁烯中的一种或多种。可以在室温下静置3-30min，实现密封圈原料的固化。在一些可能的实施方式中，注胶以后，需要在室温下静置模具200的时间为3min、5min、10min、20min或30min。

可选地，密封圈的宽度为2-5mm，能够保证密封圈与膜电极100和双极板的接触面积，使密封圈的密封效果好，且避免产品的尺寸受到影响。

进一步地，如图4所示，膜电极100上的密封圈是一个长条结构，所以，如果使用点胶机进行胶条的制备，胶条的均匀性不容易保证。本申请中，使用模具200配合进行密封圈的制备，可以使胶条的均匀性更好，密封圈的制备效果更佳。

S50，取出带有密封圈的膜电极100。将上模210与下模220分开，将带有密封圈的膜电极100取出。

本申请实施例提供的制备方法，可以使密封圈的均匀性和平整度更好。通过模具200的使用，容易实现批量化的生产。可以一次性进行上密封圈160和下密封圈的制备，提高生产效率。模具200上的模腔的形状与膜电极100上的边框形状适配，可以对不同种类的膜电极100进行密封圈的制备。

实施例2

图7为本申请实施例提供的膜电极100上密封结构的制备方法的第二流程图，图8为本申请实施例提供的膜电极100上密封结构的剖视图。请参阅图7和图8，本实施例也提供了一种膜电极100上密封结构的制备方法，本实施例是在实施例1的技术方案的基础上进行的改进，实施例1描述的技术方案同样适用于本实施例，实施例1已经公开的技术方案不再重复描述，本实施例与实施例1的区别在于：在将带有边框的膜电极100置于模具200内之前，在边框的置胶区涂覆一层粘接剂，然后将粘接剂固化形成用于限制密封圈滑移的粘接层170。增加了密封圈在边框上的附着力，防止密封圈在受到挤压时滑移，可以使双极板与膜电极100之间的固定效果更好；且进一步增加了密封圈与膜电极100之间的结合力，使密封圈更加容易从模具200上脱模。

可选地，在边框的上表面的上置胶区141(第一边框140的背离第二边框150的表面的置胶区)涂覆一层粘接剂，粘接剂固化以后形成上粘接层170，然后在边框的下表面的下置胶区(第二边框150的背离第一边框140的表面的置胶区)涂覆一层粘接剂，然后将粘接剂固化形成下粘接层170，从而在膜电极100的第一边框140的上表面形成上粘接层170，第二边框150的下表面形成下粘接层170。

然后将形成有粘接层170的膜电极100置于模具200中形成密封圈。粘接层170的宽度小于密封圈的宽度，密封圈包覆粘接层170。膜电极100和双极板进行装配的时候，相互挤压时，能够对密封圈的三个面形成挤压(如图8，密封圈的上表面和两个外侧面均可以挤压变形，对膜电极100和双极板之间进行密封)，可以使膜电极100和双极板之间全部通过密封圈隔开，避免膜电极100和双极板之间的部分区域通过粘接层170隔开，膜电极100和双极板之间的装配密封效果更好。

进一步地，粘接层170的宽度为1.4-4.6mm，密封圈的宽度为2-5mm。粘接层170的宽度小于密封圈的宽度，不仅可以从粘接的效果上提高密封圈与边框之间的附着力，避免其滑移，还可以通过粘接层170的结构，从结构上限定密封圈的滑移(如图8所示，避免密封圈左右移动)，使膜电极100和双极板之间的装配密封效果更好。

本申请实施例中，粘接剂的材料选自四丁基钛酸酯、六甲基二硅氧烷、正硅酸乙酯、三甲基叔丁基过氧化硅烷和乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种，固化粘接剂的方式是：在室温下静置15-60min。在常温下进行固化，粘接剂固化的方式较为简单，容易实现。

在另一实施例中，粘接剂的材料选自γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和丙烯基三甲氧基硅烷中的一种或多种，固化粘接剂的方式是：在温度为50-180℃的条件下固化3-15min。可以加快粘接剂固化的速度，可以使制备效率更高。

本申请实施例提供的制备方法，可以使密封圈更加牢固地附着在边框上，避免装配过程中密封圈的滑移。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (4)

1.一种膜电极上密封结构的制备方法，其特征在于，与模具配合进行制备，所述模具具有模腔和与所述模腔连通的进液口；所述膜电极包括边框，所述边框具有置胶区，所述制备方法包括：

将带有所述边框的所述膜电极置于所述模具内，使所述模具的模腔与所述置胶区围成与所述进液口连通的胶腔；

从所述进液口处向所述胶腔内填充可流动的密封圈原料，使所述密封圈原料在所述胶腔内流动并填满所述胶腔；

固化所述密封圈原料，在所述置胶区上形成密封圈，取出带有所述密封圈的所述膜电极；所述密封圈的原料为热塑性、热固性弹性体聚合物，且所述密封圈与所述膜电极的粘接力大于所述密封圈与所述模具的粘接力；

在将带有所述边框的所述膜电极置于所述模具内之前，还包括：在所述边框的所述置胶区涂覆一层粘接剂，然后将所述粘接剂固化形成用于限制所述密封圈滑移的粘接层；

所述粘接层的宽度小于所述密封圈的宽度，所述粘接层的宽度为1.4-4.6 mm，所述密封圈的宽度为2-5 mm；

固化所述密封圈原料之前，还包括：对所述模具进行预热的步骤；将带有所述边框的所述膜电极置于所述模具内之前，所述模具预热至温度为100-160℃；

所述粘接剂的材料选自四丁基钛酸酯、六甲基二硅氧烷、正硅酸乙酯、三甲基叔丁基过氧化硅烷和乙烯基三乙酰氧基硅烷中的一种或多种，固化所述粘接剂的方式是：在室温下静置3-30 min；或，所述粘接剂的材料选自γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、γ-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷和丙烯基三甲氧基硅烷中的一种或多种，固化所述粘接剂的方式是：在温度为50-180℃的条件下固化3-15 min。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述密封圈的原料选自三元乙丙橡胶、硅橡胶、聚氨酯、聚丙烯酸酯和聚异丁烯中的一种或多种，固化所述密封圈原料的方式是：在室温下静置15-60 min。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述模具包括上模和下模，所述上模具有上模腔，所述下模具有下模腔，所述进液口与所述上模腔和所述下模腔均连通；所述边框的上表面具有上置胶区，所述边框的下表面具有下置胶区；所述制备方法，包括：

将带有所述边框的所述膜电极置于所述下模上，使所述下模腔与所述下置胶区围成与所述进液口连通的下胶腔，所述上模与所述下模合模，使所述上模腔与所述上置胶区围成与所述进液口连通的上胶腔；

从所述进液口处向所述上胶腔和所述下胶腔内均填充密封圈原料，使所述密封圈原料在所述上胶腔和所述下胶腔内流动并填满所述上胶腔和所述下胶腔；

固化所述密封圈原料，在所述上置胶区上形成上密封圈，在所述下置胶区上形成下密封圈，取出带有所述上密封圈和所述下密封圈的所述膜电极。

4.一种膜电极与双极板的密封连接方法，其特征在于，通过权利要求1-3任一项所述的制备方法在所述膜电极的所述边框上形成所述密封圈；

将所述密封圈的背离所述边框的表面置于所述双极板的密封槽内，使所述双极板和所述膜电极密封连接。

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