一種自鎖緊燃料電池密封組件結構制造技術

本發明專利技術屬于燃料電池技術領域，具體涉及質子交換膜燃料電池密封結構。一種自鎖緊燃料電池密封組件結構，它涉及燃料電池單體，燃料電池單體包括雙極板、膜電極組件；雙極板由上單極板和下單極板組成，其特征在于：上密封圈和下密封圈的截面形狀均呈凹形，上密封圈和下密封圈的凹形部分面向氣體流場區域；質子交換膜的邊部與膜電極支撐部件的環形支撐臺階之間由粘結劑層粘結固定。該結構簡單可靠、容易加工，既防止外漏，也可防止內漏(陰陽極串氣)。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于燃料電池
，具體涉及質子交換膜燃料電池密封結構。
技術介紹
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種直接利用氫能的發電裝置，PEMFC把貯存在氫燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能，能量轉化效率高；燃料電池對環境友好，唯一排放物是水。因此，燃料電池技術被認為是21世紀首選的潔凈、高效的發電技術。質子交換膜燃料電池工作時在催化劑的作用下，發生的反應為2H2+02 4e' > 2H20生成的無污染的水直接排出或者重新回收用來加濕氣體，電極反應產生的電子經外電路到達陰極，從而可以對外做功。燃料電池單體電池主要由膜電極組件(MEA)，導流極板或雙極板和其他輔助部件組成。為了提高燃料電池的輸出功率，通常將若干個單體電池通過直疊或者平鋪的方式堆疊在一起，在加上集流板、絕緣板和端板，通過螺桿或卡條緊固，組成燃料電池堆。膜電極組件(MEA)的制備均采用質子交換膜的面積要比支撐膜電極的多孔碳材料要大一些，其多出的部分為非活性區，主要作為密封的基材，阻隔陰陽極氣體接觸，而活性區域則與兩張多孔碳材料壓合在一起構成膜電極組件(MEA)。為了確保進入燃料電池的燃料和氧化劑能夠分配到整個膜電極(MEA)表面而不發生混合，密封技術很關鍵。如果密封不好，將會產生嚴重的后果①燃料電池內部燃料和氧化劑混合，發生反應，這種后果很容易導致電池爆炸，危害人身安全；②燃料或氧化劑外漏，這樣電池的性能會有很大的下降，另外如果外露燃料達到一定的濃度時也容易引起燃燒爆炸。通常質子交換膜燃料電池(PEMFC)是兩個導流極板或雙極板密封夾緊一個膜電極組件(MEA)構成一節單電池，從現有的專利看出，密封圈結構多種多樣。美國3M公司申請的專利(W02009085647)采用0型的密封圈，這種0型圈在密封槽道內容易引起擠扭、跑位，而且密封圈的直徑也很難確定，在壓緊的時候密封圈受擠壓很容易被擠出密封槽道外， 密封難度比較大。加拿大Ballard公司申請的專利(W02010080450)則是采用兩種不同的密封圈材料和密封圈結構來實現雙極板與膜電極組件之間的密封，但這樣提高了加工成本， 增加了組裝電堆的難度。現有的密封圈都是利用導流極板或雙極板與膜電極組件(MEA)的垂直壓力壓緊密封，沒有考慮到另一輔助密封方法，如利用氣體壓力壓差使得密封圈在密封槽道內形成自鎖(壓)緊以達到密封效果。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種自鎖緊燃料電池密封組件結構，該結構簡單可靠、容易加工，既防止外漏，也可防止內漏(陰陽極串氣)。為了實現上述目的，本專利技術所采取的技術方案是一種自鎖緊燃料電池密封組件結構，它涉及燃料電池單體，燃料電池單體包括雙極板、膜電極組件；雙極板由上單極板10 和下單極板15組成，上單極板10的下面設有上流道4、上密封槽道3，上流道4位于環形的上密封槽道3的內側，上密封槽道3內設有上密封圈2，下單極板15的上面設有下流道12、 下密封槽道16，下流道12位于環形的下密封槽道16的內側，下密封槽道16內設有下密封圈11，膜電極組件位于上單極板10與下單極板15之間，上流道4和下流道12均位于膜電極組件的膜電極支撐部件1處；膜電極組件包括膜電極支撐部件1、質子交換膜5、上催化劑層6、上氣體擴散層7、下催化劑層13、下氣體擴散層15，膜電極支撐部件1為環形結構，膜電極支撐部件1的環形腔內側壁上設有環形支撐臺階，質子交換膜5的邊部擱置在膜電極支撐部件1的環形支撐臺階上，質子交換膜5的上面設有上催化劑層6，上催化劑層6的上面設有上氣體擴散層7，質子交換膜5的下面設有下催化劑層13，下催化劑層13的下面設有下氣體擴散層15 ；其特征在于上密封圈2和下密封圈11的截面形狀均呈凹形，上密封圈2和下密封圈11的凹形部分面向氣體流場區域；質子交換膜5的邊部與膜電極支撐部件 1的環形支撐臺階之間由粘結劑層8粘結固定。所述的密封圈2和下密封圈11的截面形狀均呈V型、C型或U型結構。所述的上密封槽道3、下密封槽道16的個數均為1-6條。一種自鎖緊燃料電池密封組件結構(另一方案)，它涉及燃料電池單體，燃料電池單體包括雙極板、膜電極組件；雙極板由上單極板10和下單極板15組成，上單極板10的下面設有上流道4，下單極板15的上面設有下流道12 ；膜電極組件位于上單極板10與下單極板15之間；膜電極組件包括膜電極支撐部件1、質子交換膜5、上催化劑層6、上氣體擴散層 7、下催化劑層13、下氣體擴散層15，膜電極支撐部件1為環形結構，膜電極支撐部件1的環形腔內側壁上設有環形支撐臺階，質子交換膜5的邊部擱置在膜電極支撐部件1的環形支撐臺階上，質子交換膜5的上面設有上催化劑層6，上催化劑層6的上面設有上氣體擴散層 7，質子交換膜5的下面設有下催化劑層13，下催化劑層13的下面設有下氣體擴散層15 ；其特征在于上單極板10的下面設有上密封槽道3或者下單極板15的上面設有下密封槽道 16 ；當上單極板10的下面設有上密封槽道3時，上流道4位于環形的上密封槽道3的內側，上密封槽道3內設有上密封圈2，上密封圈2的截面形狀均呈凹形，上密封圈2的凹形部分面向氣體流場區域，上流道4位于膜電極組件的膜電極支撐部件1處，下單極板15與膜電極組件的膜電極支撐部件1之間由第二密封粘結劑層17粘結固定；當下單極板15的上面設有下密封槽道16時，下流道12位于環形的下密封槽道16 的內側，下密封槽道16內設有下密封圈11，下密封圈11的截面形狀均呈凹形，下密封圈11 的凹形部分面向氣體流場區域，下流道12位于膜電極組件的膜電極支撐部件1處，上單極板10與膜電極組件的膜電極支撐部件1之間由第二密封粘結劑層17粘結固定；質子交換膜5的邊部與膜電極支撐部件1的環形支撐臺階之間由粘結劑層8粘結固定。所述的密封圈2的截面形狀均呈V型、C型或U型結構。所述的下密封圈11的截面形狀均呈V型、C型或U型結構。所述的上密封槽道3的個數為1-6條。所述的下密封槽道16的個數為1-6條。所述的密封圈2使用彈性伸縮性材料，如橡膠、樹脂或彈性聚合物等。所述的下密封圈11使用彈性伸縮性材料，如橡膠、樹脂或彈性聚合物等。所述的粘結劑層8、第二密封粘結劑層17的材料可為熱敏膠或壓敏膠。本專利技術適用于雙極板(或導流極板)在靠近流場區域設有密封槽，在密封槽中用密封件密封的燃料電池裝置。本專利技術的有益效果在于(1)本專利技術的密封組件結構，其結構簡單，加工技術容易實現，不用增加復雜的多余密封零件。(2)密封圈的凹形結構設計，一方面密封圈在組裝時利用雙極板與膜電極組件的垂直壓力壓緊，同時也借助電池內部氣體與大氣壓的壓力差(Pl > P0)，使得密封圈開口張開，與密封面貼的更緊，在密封槽內形成自鎖緊，通過自鎖(壓)緊模式保證氣體不外漏，密封效果好。加強了燃料電池的密封性能，提高了燃料電池的穩定性和安全性。(3)所述膜電極組件(MEA)由具有一定寬度的臺階的硬質外邊框做基體(即膜電極支撐部件)，臺階上敷設質子交換膜，膜的兩面覆蓋陰陽極催化層以及氣體擴散層，膜與臺階接觸面敷設有粘性膠膜(即粘結劑層)，這些材料部件熱壓粘合成MEA，一方面，膜電極陰陽極側氣體隔離密封方式除利用臺階處的粘性膠膜密封質子交換膜外，同時也運用陽極氣體壓力P2與陰極氣體壓本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種自鎖緊燃料電池密封組件結構，它涉及燃料電池單體，燃料電池單體包括雙極板、膜電極組件；雙極板由上單極板（１０）和下單極板（１５）組成，上單極板（１０）的下面設有上流道（４）、上密封槽道（３），上流道（４）位于環形的上密封槽道（３）的內側，上密封槽道（３）內設有上密封圈（２），下單極板（１５）的上面設有下流道（１２）、下密封槽道（１６），下流道（１２）位于環形的下密封槽道（１６）的內側，下密封槽道（１６）內設有下密封圈（１１），膜電極組件位于上單極板（１０）與下單極板（１５）之間，上流道（４）和下流道（１２）均位于膜電極組件的膜電極支撐部件（１）處；膜電極組件包括膜電極支撐部件（１）、質子交換膜（５）、上催化劑層（６）、上氣體擴散層（７）、下催化劑層（１３）、下氣體擴散層（１５），膜電極支撐部件（１）為環形結構，膜電極支撐部件（１）的環形腔內側壁上設有環形支撐臺階，質子交換膜（５）的邊部擱置在膜電極支撐部件（１）的環形支撐臺階上，質子交換膜（５）的上面設有上催化劑層（６），上催化劑層（６）的上面設有上氣體擴散層（７），質子交換膜（５）的下面設有下催化劑層（１３），下催化劑層（１３）的下面設有下氣體擴散層（１５）；其特征在于：上密封圈（２）和下密封圈（１１）的截面形狀均呈凹形，上密封圈（２）和下密封圈（１１）的凹形部分面向氣體流場區域；質子交換膜（５）的邊部與膜電極支撐部件（１）的環形支撐臺階之間由粘結劑層（８）粘結固定。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：詹志剛，葉東浩，艾勇誠，羅志平，潘牧，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：83