CN115172797A - 一种燃料电池膜电极密封结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池膜电极密封结构，其中，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的边缘尺寸均小于所述质子交换膜的边缘尺寸，所述第一密封边框的内缘尺寸小于所述第一气体扩散层的边缘尺寸，所述第二密封边框的内缘尺寸小于所述第二气体扩散层的边缘尺寸，所述第三密封边框和所述第四密封边框的内缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸。与现有技术相比，本发明的新型结构具有密封性能好、有效防止质子交换膜溶胀、工艺简单、易于操作、成本低，可实现批量生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池膜电极密封结构及其制备方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池通常是由膜电极、扩散层和双极板层层交替重叠串联而成的电堆。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池的核心部件之一。为了确保质子交换膜燃料电池工作时，燃料与氧化剂气体能够分布到整个膜电极两侧，而又不产生混合。除了要求膜电极本身质密不透气以外，膜电极四周的密封技术也很关键。如果膜电极四周存在密封不严的问题，可能会产生两种情况：一种情况是燃料与氧化剂在电堆内部混合，在阳极或者阴极催化剂的作用下，迅速发生热化学复合反应，放出大量热，使质子交换膜熔穿，更进一步会引起***或大面积膜电极烧毁情况，使电堆迅速失效；另一种情况是电堆两极的反应物向电堆外部渗漏，降低了燃料电池的能量利用率，长时间也会存在安全隐患。
公开号为CN110400944A的中国专利公开了一种燃料电池的密封方法和密封结构，具体为：裁剪相应边框并对所述边框进行表面处理，用于增大所述边框的表面粘力，将UV胶涂覆在所述边框上，将所述边框与所述膜电极贴合并置于一块平整放置的玻璃板上，利用紫外光照射所述UV胶并使所述UV胶固化。利用UV胶密封燃料电池的膜电极与边框，由于没有施加压力，从而避免了固化过程中密封胶溢胶造成质子交换膜污染的问题，简化了工艺流程，降低制造成本。
公开号CN1510770A的中国专利公开了一种燃料电池的密封结构，包括膜电极、导流板、密封圈，所述的膜电极设在中间，所述的导流板压合在该膜电极的两面，所述的密封圈设在导流板与膜电极压合的表面，所述的膜电极包括活性区和密封区，其中，密封区设在活性区的四周，所述的活性区包括质子交换膜、多孔性支撑材料、催化剂，该催化剂附着在多孔性支撑材料上并压合在质子交换膜两面，所述的密封区由活性区的质子交换膜或多孔性支撑材料向外延伸并填充渗透热熔胶塑料或热固性橡胶、树脂组成，该密封区厚度与活性区的厚度相同。
上述专利提供的技术方案采用UV胶或者热熔胶作为衬垫材料进行密封，然而除了溢胶现象可能会对膜电极造成污染，从而影响电池性能外；另一方面，上述密封方式并未考虑质子交换膜溶胀的问题，在燃料电池实际工作中，接触到液体环境后，质子交换膜溶胀变形，挣脱开胶层和边框粘贴，导致分散，出现渗漏或泄漏的风险。
因此膜电极与边框的密封工艺就显得尤为重要。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种燃料电池膜电极密封结构，其具有较好的密封性，且具有较好的机械强度。
有鉴于此，本申请提供了一种燃料电池膜电极密封结构，包括依次叠加设置的第三密封边框、第一密封边框、第一气体扩散层、质子交换膜、第二气体扩散层、第二密封边框和第四密封边框，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的边缘尺寸均小于所述质子交换膜的边缘尺寸，所述第一密封边框的内缘尺寸小于所述第一气体扩散层的边缘尺寸，所述第二密封边框的内缘尺寸小于所述第二气体扩散层的边缘尺寸，所述第三密封边框和所述第四密封边框的内缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸。
优选的，所述第一密封边框和所述第二密封边框的外缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸。
优选的，所述第三密封边框的外缘尺寸不小于所述第一密封边框的尺寸，所述第四密封边框的外缘尺寸不小于所述第一密封边框的外缘尺寸。
优选的，所述第一密封边框、所述第二密封边框、所述第三密封边框和所述第四密封边框独立的选自硬质绝缘材料。
优选的，所述硬质绝缘材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯和聚碳酸酯中的一种或多种。
本申请还提供了所述的燃料电池膜电极密封结构的制备方法，包括以下步骤：
将燃料电池膜电极组件按照权利要求1～5任一项所述的燃料电池膜电极密封结构依次放置后进行热压处理。
优选的，所述热压处理在平板热压机上进行。
优选的，所述热压的温度为100～150℃，压力为1.5t～2.5t，时间为100s～250s。
本申请提供了一种燃料电池膜电极密封结构，其包括依次叠加设置的第三密封边框、第一密封边框、第一气体扩散层、质子交换膜、第二气体扩散层、第二密封边框和第四密封边框，第一密封边框和第二密封边框的设置可以覆盖气体扩散层外沿一部分，形成第一道密封，通过气体扩散层和边框的强度，减小质子交换膜外沿的溶胀，抑制质子交换膜和扩散层脱离。第三密封边框和第四密封边框的设置用以加强第一密封边框的密封效果和膜电极的强度，有效防止机械损坏，同时实现边框处的高度找平，进一步的，使用不同规格的边框，可以实现与不同规格双极板的配合，保证装配好的电堆整体密封性良好，防止反应物和产物的泄露。与现有技术相比，本发明的新型结构具有密封性能好、有效防止质子交换膜溶胀、工艺简单、易于操作、成本低，可实现批量生产等优点。
附图说明
图1为本发明燃料电池膜电极密封结构的俯视示意图；
图2为本发明燃料电池膜电极密封结构的主视示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
针对现有技术中燃料电池膜电极密封结构存在的密封性的问题，本申请提供了一种燃料电池膜电极密封结构，其通过第一密封边框、第二密封边框、第三密封边框和第四密封边框的设置，使得该密封结构实现密封性能的同时还具有较好的机械性能；具体的，本申请的燃料电池膜电极密封结构的主视示意图和俯视示意图如图1、2所示，具体的，本发明实施例公开了一种燃料电池膜电极密封结构，包括依次叠加设置的第三密封边框、第一密封边框、第一气体扩散层、质子交换膜、第二气体扩散层、第二密封边框和第四密封边框，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的边缘尺寸均小于所述质子交换膜的边缘尺寸，所述第一密封边框的内缘尺寸小于所述第一气体扩散层的边缘尺寸，所述第二密封边框的内缘尺寸小于所述第二气体扩散层的边缘尺寸，所述第三密封边框和所述第四密封边框的内缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸。
本发明按照膜电极为矩形来举例进行解释说明，实际中可根据电堆需要使用任何形状的膜电极来适配本结构，所以基于膜电极形状上的变更或修改都是在本发明的原理和实质下开展的变更或修改，但这些膜电极形状上的变更和修改均在本发明的保护范围。
本申请提供的密封结构中，质子交换膜两侧放置尺寸小于其的第一气体扩散层和第二气体扩散层。在与第一气体扩散层相邻、且远离质子交换膜的一侧设置有第一密封边框，其是一种中间镂空的口字型边框，其内缘尺寸小于第一气体扩散层边缘或四周的尺寸，使得第一密封边框内缘可以覆盖第一气体扩散层一小部分四周外沿；同时，在与第二气体扩散层相邻、且远离质子交换膜的一侧设置有第二密封边框，其内缘尺寸小于第二气体扩散层边缘或四周的尺寸，使得第二密封边框内缘可以覆盖第二气体扩散层一小部分四周外沿。在本申请中，所述第一密封边框和所述第二密封边框的外缘尺寸均大于所述质子交换膜的外缘尺寸。所述第一密封边框和所述第二密封边框形成第一道密封，抑制质子交换膜和扩散层脱离，通过气体扩散层和边框的强度，减小质子交换膜外沿的溶胀。
进一步的，本申请所述第三密封边框所述第四密封边框的内缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸；所述第三密封边框和所述第四密封边框同样为中心镂空的口字型结构；所述第三密封边框与所述第一密封边框相邻、且远离所述第一气体扩散层设置，所述第四密封边框与所述第二密封边框相邻、且远离所述第二气体扩散层设置，所述第三密封边框和所述第四密封边框用于分别加强第一密封边框和第二密封边框的密封效果，同时实现边框处的找平，使用不同的厚度，可以实现与不同规格电堆的配合，以保证后续装配好的电堆密封良好，防止反应物或产物泄露。在本申请中，所述第三密封边框的外缘尺寸不小于所述第一密封边框的尺寸，所述第四密封边框的外缘尺寸不小于所述第一密封边框的外缘尺寸。
本申请所述第一密封边框、所述第二密封边框、所述第三密封边框和所述第四密封边框独立的选自硬质绝缘材料；更具体地，所述硬质绝缘材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯和聚碳酸酯中的一种或多种。
本发明中还提供了燃料电池膜电极密封结构的制备方法，包括以下步骤：
将燃料电池膜电极组件按照上述方式依次放置后进行热压处理。
在上述过程中，组件组装完毕后，将组件放置在模具中，放置于平板热压机上。设定热压温度为100℃～140℃，压力1.5t～2.5t，热压时间100s～250s，冷却温度室温，进行热压处理，热压后可将上述组装好的所有材料形成一个整体，从而完成对膜电极边框的密封和保护。彻底冷却完成后的膜电极存放在干燥无污染的环境中。
本申请提供了一种燃料电池膜电极密封结构，其利用边框不影响边缘处催化剂的利用，第一密封边框和第二密封边框加强了气体扩散层和质子交换膜的接触，防止二者分离，同时具有良好的密封效果，解决了质子交换膜遇水溶胀的现象；第三密封边框和第四密封边框在加强第一密封边框的作用的同时，进一步提升了膜电极的机械强度，有效防止机械损伤，另外第三密封边框和第四密封边框还解决了后续膜电极同双极板组装成电堆后密封的问题，可有效防止反应物和产物的泄漏。与现有技术相比，本发明的密封可靠性高，长期置于液体环境中不会导致质子交换膜和气体扩散层分离，边框厚度调节方便，工艺简单，可一次性热压成型，具有批量生产的可能性，节省质子交换膜和气体扩散层的用量，降低成本。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的燃料电池膜电极的密封结构及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的质子交换膜(CCM)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的气体扩散层覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间100s，热压温度140℃，热压压力2.5t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例2
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的质子交换膜(CCM)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的气体扩散层覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间250s，热压温度100℃，热压压力1.5t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例3
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的质子交换膜(CCM)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的气体扩散层覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间180s，热压温度120℃，热压压力2t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例4
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的质子交换膜(CCM)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的气体扩散层覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间210s，热压温度130℃，热压压力2.2t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例5
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的气体扩散层(GDE)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的GDE覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间100s，热压温度140℃，热压压力2.5t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例6
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的气体扩散层(GDE)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的GDE覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间250s，热压温度100℃，热压压力1.5t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例7
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的气体扩散层(GDE)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的GDE覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间180s，热压温度120℃，热压压力2t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
实施例8
按照图1所示，制备方法采用由内而外制备，首先裁剪出覆盖有催化层的气体扩散层(GDE)，以质子交换膜中心为标准点将两片裁剪好的GDE覆盖在两侧；将准备好的第一密封边框和第二密封边框分别置于第一气体扩散层和第二气体扩散层外侧，朝向气体扩散层的一侧设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；最后将准备好的第三密封边框和第四密封边框置于最外两侧，朝向内侧的一面设置一层热熔胶或变性液体硅胶粘结层；随后放入夹具夹紧置于平板热压机上，设定热压时间210s，热压温度130℃，热压压力2.2t，冷却至室温，制备好的膜电极可保存在干燥无污染的环境中或装配到电堆中，装配成型的电堆无物料泄漏情况发生。在抑制质子交换膜溶胀方面上，将制备好的膜电极长期置于液体环境中不会导致质子交换膜、气体扩散层和边框三者之间的分离，有效抑制质子交换膜溶胀情况。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种燃料电池膜电极密封结构，包括依次叠加设置的第三密封边框、第一密封边框、第一气体扩散层、质子交换膜、第二气体扩散层、第二密封边框和第四密封边框，所述第一气体扩散层和所述第二气体扩散层的边缘尺寸均小于所述质子交换膜的边缘尺寸，所述第一密封边框的内缘尺寸小于所述第一气体扩散层的边缘尺寸，所述第二密封边框的内缘尺寸小于所述第二气体扩散层的边缘尺寸，所述第三密封边框和所述第四密封边框的内缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸。
2.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封结构，其特征在于，所述第一密封边框和所述第二密封边框的外缘尺寸均大于所述质子交换膜的边缘尺寸。
3.根据权利要求1所述的燃料电池膜电极密封结构，其特征在于，所述第三密封边框的外缘尺寸不小于所述第一密封边框的尺寸，所述第四密封边框的外缘尺寸不小于所述第一密封边框的外缘尺寸。
4.根据权利要求1～3任一项所述的燃料电池膜电极密封结构，其特征在于，所述第一密封边框、所述第二密封边框、所述第三密封边框和所述第四密封边框独立的选自硬质绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的燃料电池膜电极密封结构，其特征在于，所述硬质绝缘材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯和聚碳酸酯中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5任一项所述的燃料电池膜电极密封结构的制备方法，包括以下步骤：
将燃料电池膜电极组件按照权利要求1～5任一项所述的燃料电池膜电极密封结构依次放置后进行热压处理。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热压处理在平板热压机上进行。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述热压的温度为100～150℃，压力为1.5t～2.5t，时间为100s～250s。
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