CN101834282A - 一种燃料电池半电池组件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃料电池半电池组件及其制造方法，半电池组件阴极板一面上设有空气流场和空气流场密封槽，空气密封件在空气流场密封槽内形成第一分子结合力密封层，另一面上设有水流场和水流场密封槽，水流场密封件在水流场密封槽中内成型，将阳极板和阴极板的一面粘结一体后固化，在阳极板和阴极板一面形成有第二分子结合力密封层；阳极板一个面设有氢气流场和氢气流场密封槽，氢气流场密封件在该氢气流场密封槽内成型，并形成第三分子结合力密封层；膜电极置于阳极板或阴极板上侧，膜电极和阳极板之间设有第三分子结合力密封层，膜电极和阴极板之间设有第一分子结合力密封层。本发明方便了燃料电池堆的装配，且使得燃料电池的密封性能更加可靠。

Description

一种燃料电池半电池组件及其制造方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术，特别是涉及了一种质子交换膜燃料电池半电池组件及其制造方法。

背景技术

现当今世界，随着科技和经济的迅速发展和人们生活水平的不断提升，对于传统的化石能源(如石油、天然气等)已越来越无法满足人类日常生产、生活的需求。传统能源多为不可再生能源，且储量有限，迟早会被消耗殆尽，并且此类能源会引起严重的全球环境污染问题。为了地球及人类社会的可持续发展，世界各国都在致力于寻找到一种可再生的清洁能源。目前科学家们一致认为“氢能”是未来替代汽油、柴油等传统能源的有效清洁能源之一；但是氢气直接利用的话，能量转换效率地低下，所以燃料电池的应用成为了一种有效途径，其中尤以质子交换膜燃料电池为重，因为它是一种直接将储存于燃料(如氢气)和氧化剂(如空气)中的化学能高效且对环境友好地转化为电能的发电装置，由于其具备这些优势已被公认为未来的清洁动力电源，并且在移动式电源、备用电源、汽车、航空航天等领域都已有广泛的应用。

一般地，传统质子交换膜燃料电池堆是由多组单电池组成，一组单电池由膜电极(MEA)、阴极板、阳极板、密封件组成，如图1所示：氢气流场密封件1，阳极板2，水流场密封件3，阴极板4，空气流场密封件5，膜电极6。单电池的阳极板与另一组单电池的阴极板连接组成一组燃料电池双极板，两块极板之间安装有密封件结构，每两组双极板之间则放置一片膜电极，双极板和膜电极之间也安装有密封件结构，密封件结构在电池中起到分隔流体腔，防止气体泄漏的作用。再根据负载用电电压的不同要求串联一定数量的单电池后再加上端板等附件组成一个燃料电池堆。这样可以看出，燃料电池电堆装配过程序要重复的部件多达6件以上，导致装配过程复杂，容易出现漏装、错装现象。

质子交换膜燃料电池在工作时，其内部发生下述反应过程：氢气和空气在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；氢气在阳极反应生成的氢质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同空气中的氧分子在阴极侧催化层内反应结合成水，同时放出热量。冷却水将放出的热量带出燃料电池内部。从其反应过程可以了解，燃料电池的电化学反应是一个多流体结合电催化的反应过程。氢气是一种极易泄漏的气体，一旦发生泄漏或和空气发生互串会导致燃烧和***等危险情况。冷却水和气体发生泄漏或互串会影响电堆性能导致水淹等情况发生。所以，燃料电池堆的密封工艺要求就显得至关重要。

上海神力科技有限公司在专利ZL01105975中公开了一种燃料电池单元的密封办法，采用独立的预先成型的密封垫圈嵌入到燃料电池极板密封槽及膜电极之间形成密封结构的办法，需要多一步将密封垫嵌入密封槽的步骤。该方法适合批量生产燃料电池用的密封垫片，但其方法没能实现将密封圈直接在极板上成型，并且使用该方法组成的极板在装配的时候非常复杂，必须以一片阴极板、一片阳极板、一片膜电极的顺序依次叠加，并且每个单元之间需要放置单独成型的密封圈来密封。这样的方法不但工艺复杂，工作量大，电堆拆卸维护也相当复杂；而且由于密封圈原本是独立的，如图2-A、2-B分别为独立密封件和极板装配前后效果示意图，装配后完全靠压紧力来实现密封，密封件和极板之间的接触面8可能会有缝隙，气密性不理想，容易导致气体泄漏。另外，密封垫圈的制作需要开发模具，前期开发成本高。

本田技研工业株式会社在ZL02813619、ZL02813979、ZL200610075875中提到一种直接在双极板上涂敷密封剂的方法，最后通过压合方法将燃料电池组件全部粘结在一起。通过该方法得到的燃料电池组件在装配前并不是真正的双极板，更不是半电池，仅仅是单极板。涂敷的办法是在起始点采用相交延长的办法处理，需要加大涂胶的隔板面积，造成面积浪费，通过该工艺粘合组成的燃料电池堆无法重复拆卸维修，而且装配时较复杂，可能会出现漏装或错装的情况。

中国矿业大学在专利ZL200610080597.0中提到了一种固体氧化物燃料电池阴极负载型半电池的制备方法。该发明公开的固体氧化物燃料电池阴极负载型半电池的制备方法属于燃料电池阴极复合制备方法的技术领域，提出以氧化钇稳定的氧化锆YSZ纳米粉体和锰锶酸镧微米粉体LSM为原料制备LSM层和LSM/YSZ复合层，将二者复合在一起形成基体膜，然后进行预烧结得到阴极基底，再采用涂覆方法或丝网印刷方法制备YSZ薄膜，最后进行烧结制得阴极负载型半电池，该发明的半电池没有包含密封、气体分配等结构，在电堆组装过程中还需要许多不同部件。

可见，如何简化燃料电池电堆的装配工艺，如何使燃料电池各个组件的生产标准化、模块化，如何提高燃料电池堆的气密可靠性已成为目前影响燃料电池产业化的关键技术问题。

发明内容

由于现有技术存在的上述问题，本发明提出一种燃料电池半电池组件及其制造方法，该燃料电池半电池组件集成了电催化反应部件、密封部件、气体分配和水热管理部件，使用这种半电池组件可有效地简化燃料电池堆的装配过程，并能有效提高燃料电池堆的密封效果。

本发明可通过以下技术方案予以解决：

一种燃料电池半电池组件，包括膜电极、空气流场密封件、水流场密封件、氢气流场密封件、阴极板和阳极板组成，所述阴极板的一面上设有空气流场和空气流场密封槽，所述空气密封件直接在所述空气流场密封槽内成型固化，形成第一分子结合力密封层，另一面上设有水流场和水流场密封槽，所述水流场密封件在该水流场密封槽中内成型，并将所述阳极板和阴极板的一面粘结为一体后固化，且在所述阳极板和阴极板一面的表面都形成有第二分子结合力密封层；所述阳极板的一个面设有氢气流场和氢气流场密封槽，所述氢气流场密封件在该氢气流场密封槽内成型，并形成第三分子结合力密封层；所述膜电极置于该阳极板或阴极板上侧，且膜电极和阳极板之间设有所述第三分子结合力密封层，膜电极和阴极板之间设有所述第一分子结合力密封层。

本发明所述的一种燃料半电池组件的制造方法，包括以下步骤：

1)采用石墨或金属作为成型材料，在加工完外形尺寸、流体通道孔和流体分配流道后得到阴极板和阳极板；

2)使用高温固化密封胶，在阴极板的空气密封槽中通过涂敷密封胶工艺加工出具有阻滞功能的弹性密封结构，再经高温固化后得到复合密封结构单极板；

3)在所述复合密封结构单极板的水流场密封槽中涂敷密封胶，再通过压合模具压合并粘结所述阴、阳极板固化制成复合密封结构的燃料电池双极板；

4)最后在所述阳极板的氢气密封槽中涂覆密封胶，再由压合模具压合粘结双极板和膜电极，形成燃料电池半电池组件。

本发明所述第2)步骤中，通过检验得到合格的所述弹性密封结构后，该弹性密封结构在一定温度下烘烤高温固化后得到复合密封结构单极板；所述第3)步骤中，通过压合模具压合并粘结所述阴、阳极板固化后需经过气密性测试，如制成复合密封结构的燃料电池双极板合格，则进入到所述第4)步骤，否则重新回到所述第3)步骤；所述第4)步骤中所述阳极板的氢气密封槽中涂覆密封胶后再经过一检验步骤，检验合格后再进行压合模具压合粘结双极板和膜电极，否则继续进行涂覆动作；所述第4)步骤中，所述通过压合模具压合粘结双极板和膜电极后，再进行气密性检验步骤，直至形成燃料电池半电池组件。

由于采用以上技术方案，本发明半电池组件中的密封件在极板表面固化成型过程中形成分子结合力密封层，得到更加可靠的密封性的结构直接在极板上进行密封件涂覆、成型、压合等工艺得到燃料电池半电池组件，此方法不仅得到了电堆装配的模块化组件，大大方便了燃料电池堆的装配，而且因为密封件在极板表面直接加工成型，密封件在固化成型过程中和极板接触面形成了分子结合力密封层，使得燃料电池的密封性能更加可靠。

附图说明

图1为单电池结构***图；

图2-A、2-B分别为独立密封件和极板装配前后效果示意图；

图3为本发明的燃料电池半电池组件示意图；

图4为本发明的燃料电池半电池组件制造方法流程图；

图5为利用本发明的工艺密封件成型效果图。

具体实施方式

本发明的燃料电池半电池组件如图3所示，阴极板4、阳极板2、膜电极6、空气流场密封件14、水流场密封件13、氢气流场密封件10组成。其中，阴极板4一个面上有空气流场16和空气流场密封槽15，另一个面上有水流场17和水流场密封槽12；阳极板一个面带有氢气流场18和氢气流场密封槽9；空气流场密封件14直接在空气流场密封槽15内成型固化，形成了第一分子结合力密封层，水流场密封件13在水流场密封槽12内成型，压合将复合气流场密封件的阴阳极板粘结在一起后固化，水流场密封件13在两极板表面都形成第二分子结合力密封层；氢气流场密封件10在氢气流场密封槽9内成型，形成了第三分子结合力密封层，膜电极6置于该阳极板2或阴极板4上侧，且膜电极6和阳极板2之间设有第三分子结合力密封层，膜电极和阴极板之间设有第一分子结合力密封层。

本发明中密封件成型后的效果图如图5所示，密封胶在极板密封槽内涂敷成型，在固化过程中接触面通过密封胶液体对极板密封槽底部的渗透，以及与膜电极之间会形成靠密封胶分子间结合力形成的密封层11，避免了电堆累积压装过程中接触面上缝隙造成的气体泄露，可以有效改善气密性。

如图4所示，本发明的燃料电池半电池组件制造方法：采用石墨或金属作为成型材料，在加工完外形尺寸、流体通道孔和流体分配流道后得到阴极板4和阳极板2，使用高温固化密封胶，在阴极板2的空气密封槽15中通过涂敷密封胶工艺加工出具有阻滞功能的弹性密封结构，再经高温固化后得到复合密封结构单极板。在复合密封结构单极板的水流场密封槽12中涂敷密封胶，再通过压合模具压合并粘结阴阳极板固化制成复合密封结构的燃料电池双极板。最后在阳极板的氢气密封槽9中涂覆密封胶，再由压合模具压合粘结双极板和膜电极，形成燃料电池半电池组件。

本发明具体的制造方法如下：

1.使用流体模拟软件模拟计算流道分布的合理性，使用结构力学软件模拟计算分析双极板的强度；

2.使用计算机制图软件设计双极板整体结构及流道；

3.通过机械加工得到阴极板和阳极板半成品，参考图4所示；

4.采用三轴涂覆设备在阴极板密封槽上涂覆高温固化的密封胶，涂覆方法为，用适当的气压、温度及涂覆速度在密封槽上涂上一层宽度和高度适中的密封胶，检验合格后，然后放入烘箱，在设定温度下烘烤固化，否则继续涂覆密封剂。

5.在复合密封结构阴极板和阳极板冷却水侧密封槽涂覆另一种密封胶，涂覆完后立即压合，至密封胶固化完全，再进行气密性测试得到合格的半成品。

6.最后在氢气流场密封槽内涂覆密封胶，经检验合格后，并立即与膜电极压合，直至完全固化，经气密性检验合格后，便得到了一组燃料电池半电池组件，如图3所示。

另外，膜电极也可以粘结固化在阳极板侧，阴极板的密封件采用高温固化成型结构。

本发明中密封件成型后的效果图如图5所示，密封胶在极板密封槽内涂敷成型，在固化过程中接触面通过密封胶液体对极板密封槽底部的渗透，以及与膜电极之间会形成靠密封胶分子间结合力形成的密封层11，避免了电堆累积压装过程中接触面上缝隙造成的气体泄露，可以有效改善气密性。

具体实施案例一：

1.采用石墨片材，先用高精度磨床进行表面打磨处理，得到厚度为1.3mm和0.9mm的双极板基材，长、宽分别为400mm，100mm；再采用高精度数控机床加工双极板基材上的流道、孔、密封槽等结构，阴阳极采用普通的多通道平行流场；

2.采用三轴密封涂敷设备，通过压力为5.0bar的氮气驱动，针头以约50mm/s的速度在阴极板空气流场密封槽上涂覆一层0.5mm高，4mm宽的密封胶；

3.用检验设备检验合格后，放入烘箱烘烤使其固化，烘烤温度为130℃，时间为1小时；

4.固化完毕后，在冷却水侧密封槽上涂覆一层常温固化的密封胶，驱动气压为5.5bar，针头速度为60mm/s，密封胶高度为0.6mm，宽度约2.0mm；

5.涂覆完后立即在压合模具中与阳极板压合，至密封胶固化完全；

6.对双极板进行气密性测试；

7.测试合格的双极板在其阳极板的氢气流场密封槽内涂覆一层常温固化密封胶，驱动气压5.5bar，针头速度60mm/s，胶条高度0.5mm，宽度3.0mm，

8.涂覆完后立即在模具中与膜电极压合，直至完全固化；

9.通过气密性测试后便得到一组合格的燃料电池半电池组件。

具体实施案例二：

1.采用石墨片材，先用高精度磨床进行表面打磨处理，得到厚度为1.3mm和0.9mm的双极板基材，长、宽分别为400mm，100mm；再采用高精度数控机床加工双极板基材上的流道、孔、密封槽等结构，阴阳极采用普通的多通道平行流场；

2.采用三轴密封涂敷设备，通过压力为5.0bar的氮气驱动，针头以约50mm/s的速度在阳极板氢气流场密封槽上涂覆一层0.5mm高，4mm宽的密封胶；

3.用检验设备检验合格后，放入烘箱烘烤使其固化，烘烤温度为130℃，时间为1小时；

4.固化完毕后，在阴极板冷却水侧密封槽上涂覆一层常温固化的密封胶，驱动气压为5.5bar，针头速度为60mm/s，密封胶高度为0.6mm，宽度约2.0mm；

5.涂覆完后立即在压合模具中与阳极板压合，至密封胶固化完全；

6.对双极板进行气密性测试；

7.测试合格的双极板在其阴极板的空气流场密封槽内涂覆一层常温固化密封胶，驱动气压5.5bar，针头速度60mm/s，胶条高度0.5mm，宽度3.0mm，

8.涂覆完后立即在模具中与膜电极压合，直至完全固化；

通过气密性测试后便得到一组合格的燃料电池半电池组件。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (6)

1.一种燃料电池半电池组件，包括膜电极、空气流场密封件、水流场密封件、氢气流场密封件、阴极板和阳极板组成，其特征在于：所述阴极板的一面上设有空气流场和空气流场密封槽，所述空气密封件直接在所述空气流场密封槽内成型固化，形成第一分子结合力密封层，另一面上设有水流场和水流场密封槽，所述水流场密封件在该水流场密封槽中内成型，并将所述阳极板和阴极板的一面粘结为一体后固化，且在所述阳极板和阴极板一面的表面都形成有第二分子结合力密封层；所述阳极板的一个面设有氢气流场和氢气流场密封槽，所述氢气流场密封件在该氢气流场密封槽内成型，并形成第三分子结合力密封层；所述膜电极置于该阳极板或阴极板上侧，且该膜电极和阳极板之间设有所述第三分子结合力密封层，膜电极和阴极板之间设有所述第一分子结合力密封层。

2.根据权利要求1所述的一种燃料半电池组件的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采用石墨或金属作为成型材料，在加工完外形尺寸、流体通道孔和流体分配流道后得到阴极板和阳极板；

2)使用高温固化密封胶，在阴极板的空气密封槽中通过涂敷密封胶工艺加工出具有阻滞功能的弹性密封结构，再经高温固化后得到复合密封结构单极板；

3)在所述复合密封结构单极板的水流场密封槽中涂敷密封胶，再通过压合模具压合并粘结所述阴、阳极板固化制成复合密封结构的燃料电池双极板；

4)最后在所述阳极板的氢气密封槽中涂覆密封胶，再由压合模具压合粘结双极板和膜电极，形成燃料电池半电池组件。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述第2)步骤中，通过检验得到合格的所述弹性密封结构后，该弹性密封结构在一定温度下烘烤高温固化后得到复合密封结构单极板。

4.根据权利要求2或3所述的制造方法，其特征在于：所述第3)步骤中，通过压合模具压合并粘结所述阴、阳极板固化后需经过气密性测试，如制成复合密封结构的燃料电池双极板合格，则进入到所述第4)步骤，否则重新回到所述第3)步骤。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：所述第4)步骤中所述阳极板的氢气密封槽中涂覆密封胶后再经过一检验步骤，检验合格后再进行压合模具压合粘结双极板和膜电极，否则继续进行涂覆动作。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：所述第4)步骤中，所述通过压合模具压合粘结双极板和膜电极后，再进行气密性检验步骤，直至形成燃料电池半电池组件。

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