一種高密封PEM燃料電池單體制造技術

本實用新型專利技術公開了一種高密封PEM燃料電池單體，包括雙極板和MEA膜電極組件，其特征在于：上單極板的一側表面中部設有上流場，上流場兩端分別設有上密封凹槽，上密封凹槽內設有帶凹槽的上密封膠圈；下單極板的一側表面中部設有下流場，下流場兩端分別設有下密封凹槽，下密封凹槽內設有帶凹槽的下密封膠圈；MEA膜電極組件的一側表面設有與上密封膠圈的凹槽相匹配的上凸起，MEA膜電極組件的另一側表面設有與下密封膠圈的凹槽相匹配的下凸起；MEA膜電極組件固定在上單極板和下單極板之間。本實用新型專利技術利用一種簡單可靠的密封結構加強了MEA膜電極、密封膠圈、雙極板之間的結合，從而提高了燃料電池單體的密封性能，且易于安裝。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及ー種燃料電池，具體地說是ー種高密封PEM燃料電池單體。
技術介紹
燃料電池的類型有多種，其中質子交換膜燃料電池具有無污染、啟動快速、電池壽長、比功率、比能量高、工作溫度低的優點，被公認為最有可能替代內燃機、蓄電池成為電動汽車的理想動カ源，能開發為各種便攜式電源和分布式獨立電源，市場極為廣泛。質子交換膜(PEM)燃料電池單體主要包括膜電極和雙極板。膜電極由質子交換膜、氣體擴散層、催化層組成，是燃料電池產生電能的核心部件，膜電極兩側是陰、陽極板，陽極極板上的導流孔和流場給膜電極ー側提供氫燃料，陰極極板上的導流孔和流場給膜電極另ー側提供空氣作為氧化劑。在陽極，氫經催化反應產生質子(氫離子)和電子，質子透過質子交換膜遷移到陰極，而電子通過極板引出至外電路。電子流過外電路到達陰極。在陰極，空氣中的氧經催化反應得到電子形成負離子，與遷移過來的質子反應生成水。在整個電化學反應過程中，極板引出的電流正是燃料電池的發電結果。多個電池単體根據需要串聯，組成不同功率的電池組(電堆)。在電池組中，極板串聯疊加，其一面作為陽極導流面，另一面可作為相鄰單體電池的陰極導流面，這種極板稱為雙極板。也有一種雙極板由兩塊陰、陽極板粘合而成，中間粘接處制成空氣或水的冷卻流槽。質子交換膜燃料電池可用作一切車、船等運載工具的動カ系統，又可用作手提式、移動式、固定式的發電裝置。為了確保質子交換膜燃料電池中的燃料與氧化劑能夠分布到整個膜電極兩邊表面上而又不產生混合，密封技術就非常關鍵。如果密封不好，可能會產生兩種情況:ー種情況是燃料氣體與氧化劑氣體在燃料電池內部混合。在采用氫與氧運行的燃料電池中，這種混合是非常致命的，一旦引發爆炸，破壞力非常大；另ー情況是燃料氣體或氧化劑氣體向燃料電池外部滲漏，這種情況不但會降低燃料電池的效率，而且一旦當燃料氫氣在外界濃度積累達到一定程度時，就會發生爆炸。因此，要十分重視燃料電池密封技術。目前，為防止氣體特別是氫氣的泄漏，雙極板的兩面都必須安裝密封組件。現有的方法是先做好密封膠圈或密封墊片，再用膠水固定在雙極板的兩面成為雙極板密封組件，膜電極夾在兩塊雙極板之間組成電池單元。這種方法在電池電堆各部件裝配時，即在一定壓カ下預壓下，常常會出現密封膠圈被壓出、擠出現象，導致燃料電池電堆組裝失敗。需要拆下重新安裝，拆卸過程中，由于燃料電池堆是由較多個膜電極與雙極板通過較大的緊固カ裝配在一起的，密封膠圈有一定的弾性形變，并緊緊地與膜電極、雙極板貼住，才會達到密封的效果。所以，這種密封件的表面，在緊固力作用下，與其接觸的膜電極、雙極板表面都會產生粘附力，拆卸時很容易造成密封膠圈從密封槽中脫落，需要重新將密封膠圈安裝到密封槽中，再經過預壓，這樣導致組裝電堆這一系列工作重復繁瑣，作業效率低，對操作者的技能要求較高，造成產品的品質不穩定，對電池的放電性能、穩定性、一致性和使用壽命產生影響，不符合大規模機械化生產的要求。
技術實現思路
根據上述提出的技術問題，而提供ー種高密封PEM燃料電池單體。本技術主要利用在上、下單極板上設置密封凹槽及密封膠圈和在膜電極組件上設置相應的凸起，從而起到增強密封性能的作用。本技術采用的技術手段如下:ー種高密封PEM燃料電池單體，包括雙極板和MEA膜電極組件，所述雙極板包括上單極板和下單極板，其特征在干:所述上單極板的ー側表面中部設有上流場，所述上流場兩端分別設有上密封凹槽，所述上密封凹槽內設有帶凹槽的上密封膠圈；所述下單極板的一側表面中部設有下流場，所述下流場兩端分別設有下密封凹槽，所述下密封凹槽內設有帶凹槽的下密封膠圈；所述MEA膜電極組件的ー側表面設有與所述上密封膠圈的凹槽相匹配的上凸起，所述MEA膜電極組件的另ー側表面設有與所述下密封膠圈的凹槽相匹配的下凸起；所述上凸起與所述上密封膠圈嵌合，所述下凸起與所述下密封膠圈嵌合，將所述MEA膜電極組件固定在所述上單極板和所述下單極板之間。優選地，所述上密封膠圈和所述下密封膠圈在未與所述上凸起和所述下凸起嵌合時，所述上密封膠圈和所述下密封膠圈的截面高度大于所述上密封凹槽和所述下密封凹槽的深度。優選地，所述上密封膠圈、所述下密封膠圈、所述上凸起和所述下凸起的材質至少為天然橡膠、丁基橡膠、聚氨脂、氟橡膠、硅橡膠中的ー種。本技術在組裝時，上密封膠圈和下密封膠圈受到雙極板的垂直壓緊カ壓緊，MEA膜電極組件上的凸起結構與雙極板上密封凹槽和下密封凹槽內的密封膠圈相互作用嵌合在一起，從而對燃料電池起到密封作用。本技術所采用的上密封膠圈、下密封膠圈、上凸起和下凸起的材料可以是任何在燃料電池運行時性能穩定的密封材料，不局限與上述的幾種。而凸起的形式可以為圓形、方形、三角形等任何與雙極板上的密封凹槽內的密封膠圈相匹配的形狀。與現有技術相比，本技術利用一種簡單可靠的密封結構加強了 MEA膜電極組件、密封膠圈、雙極板之間的結合，提高了燃料電池單體的密封性能，而且易于安裝；在給燃料電池單體施加預緊カ時，不容易出現密封膠圈被壓出、擠出現象，提高燃料電池電堆組裝成功率，較少燃料電池重新安裝的現象，大幅度的提高了工作效率?；谏鲜隼碛杀炯夹g可在燃料電池單體組裝等領域廣泛推廣。以下結合附圖和具體實施方式對本技術作進ー步詳細的說明。附圖說明圖1是本技術各部分未組裝時的結構示意圖。圖2是本技術的結構示意圖。具體實施方式如圖1所示，ー種高密封PEM燃料電池單體，包括雙極板和MEA膜電極組件5，所述雙極板包括上單極板I和下單極板8，所述上單極板I的ー側表面中部設有上流場4，所述上流場4兩端分別設有上密封凹槽2，所述上密封凹槽2內設有帶凹槽的上密封膠圈3 ;所述下單極板8的ー側表面中部設有下流場11，所述下流場11兩端分別設有下密封凹槽9，所述下密封凹槽9內設有帶凹槽的下密封膠圈10 ;所述MEA膜電極組件5的ー側表面設有與所述上密封膠圈3的凹槽相匹配的上凸起6，所述MEA膜電極組件5的另ー側表面設有與所述下密封膠圈10的凹槽相匹配的下凸起7 ;所述上凸起6與所述上密封膠圈3嵌合，所述下凸起7與所述下密封膠圈10嵌合，將所述MEA膜電極組件5固定在所述上單極板I和所述下單極板8之間。所述上密封膠圈3和所述下密封膠圈10的截面形狀呈凹形或U型結構，所述上密封膠圈3和所述下密封膠圈10在未與所述上凸起6和所述下凸起7嵌合吋，即自由狀態下，所述上密封膠圈3和所述下密封膠圈10的截面尺寸高度大于所述上密封凹槽2和所述下密封凹槽9的深度，此種結構設計，可以確保在施壓嵌合時，增強密封性能。所述上密封膠圈3、所述下密封膠圈10、所述上凸起6和所述下凸起7的材質至少為天然橡膠、丁基橡膠、聚氨脂、氟橡膠、硅橡膠中的ー種。如圖2所示，在PEM燃料電池單體組裝時，所述上密封膠圈3和下密封膠圈10受到雙極板的垂直壓緊カ壓緊，所示上凸起6和下凸起7與所述上密封膠圈3和下密封膠圈10相互作用、嵌合在一起，從而對燃料電池起到密封作用。以上所述，僅為本技術較佳的具體實施方式，但本技術的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
的技術人員在本技術揭露的技術范圍內，根據本技術的技術方案及其技術構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本技術的保護范圍之內。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高密封PEM燃料電池單體，包括雙極板和MEA膜電極組件（5），所述雙極板包括上單極板（1）和下單極板（8），其特征在于：所述上單極板（1）的一側表面中部設有上流場（4），所述上流場（4）兩端分別設有上密封凹槽（2），所述上密封凹槽（2）內設有帶凹槽的上密封膠圈（3）；所述下單極板（8）的一側表面中部設有下流場（11），所述下流場（11）兩端分別設有下密封凹槽（9），所述下密封凹槽（9）內設有帶凹槽的下密封膠圈（10）；所述MEA膜電極組件（5）的一側表面設有與所述上密封膠圈（3）的凹槽相匹配的上凸起（6），所述MEA膜電極組件（5）的另一側表面設有與所述下密封膠圈（10）的凹槽相匹配的下凸起（7）；所述上凸起（6）與所述上密封膠圈（3）嵌合，所述下凸起（7）與所述下密封膠圈（10）嵌合，將所述MEA膜電極組件（5）固定在所述上單極板（1）和所述下單極板（8）之間。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙帥，侯中軍，付宇，呂萍，汪霞，李家新，
申請(專利權)人：新源動力股份有限公司，
類型：實用新型
國別省市：