複合密封結構的燃料電池雙極板及其製造方法

2023-07-04 20:45:41

專利名稱：複合密封結構的燃料電池雙極板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種燃料電池及其製造方法，特別是涉及一種一體複合密封式結構的 燃料電池雙極板及其製造方法。
背景技術：
隨著科學技術的迅速發展和人們生活水平的不斷提升，相應地，對於傳統的化石 能源(如石油、天然氣等)已越來越無法滿足人類日常生產、生活的需求。眾所周知，傳統 能源多為不可再生能源，遲早會被消耗殆盡，並且此類能源會引起嚴重的全球環境汙染問 題。為了地球及人類社會的可持續發展，世界各國都在致力於尋找到一種可再生的清潔能 源。目前科學家們一致認為「氫能」是未來替代汽油、柴油等傳統能源的有效清潔能源之一； 但是氫氣直接利用的話，能量轉換效率地低下，所以燃料電池的應用成為了一種有效途徑， 其中尤以質子交換膜燃料電池為重，因為它是一種直接將儲存於燃料(如氫氣)和氧化劑 (如空氣)中的化學能高效且對環境友好地轉化為電能的發電裝置，由於其具備這些優勢 已被公認為未來的清潔動力電源，並且在移動式電源、備用電源、汽車、航空航天等領域都 已有廣泛的應用。質子交換膜燃料電池堆是由多組單電池組成，一組單電池由膜電極(MEA)、陰極 板、陽極板、密封件組成，如圖1所示氫氣流場密封件1，陽極板2，水流場密封件3，陰極板 4，空氣流場密封件5，膜電極6。單電池的陽極板與另一組單電池的陰極板連接組成一組燃 料電池雙極板，兩塊極板之間安裝有密封件結構，每兩組雙極板之間則放置一片膜電極，雙 極板和膜電極之間也安裝有密封件結構，密封件結構在電池中起到分隔流體腔，防止氣體 洩漏的作用。再根據負載用電電壓的不同要求串聯一定數量的單電池後再加上端板等附件 組成一個燃料電池堆。這樣可以看出，燃料電池電堆裝配過程序要重複的部件多達6件以 上，導致裝配過程複雜，容易出現漏裝、錯裝現象。當質子交換膜燃料電池工作時，其內部發生下述反應過程氫氣和空氣在擴散層 內擴散，當反應氣體到達催化層時，在催化層內被催化劑吸附並發生電催化反應；氫氣在陽 極反應生成的氫質子通過質子交換膜內傳遞到陰極側，電子經外電路到達陰極，同空氣中 的氧分子在陰極側催化層內反應結合成水，同時放出熱量。冷卻水將放出的熱量帶出燃料 電池內部。從其反應過程可以了解，燃料電池的電化學反應是一個多流體結合電催化的反 應過程。氫氣是一種極易洩漏的氣體，一旦發生洩漏或和空氣發生互串會導致燃燒和爆炸 等危險情況。冷卻水和氣體發生洩漏或互串會影響電堆性能導致水淹等情況發生。所以， 燃料電池堆的密封工藝要求就顯得至關重要。本田技研工業株式會社在中國專利ZL02813619、ZL02813979、ZL200610075875
中提到一種直接在雙極板上塗敷密封劑的方法，最後通過壓合方法將燃料電池組件全部粘 結在一起。通過該方法得到的燃料電池組件在裝配前並不是真正的雙極板，僅僅是單極板。 塗敷的辦法是在起始點採用相交延長的辦法處理，需要加大塗膠的隔板面積，造成面積浪 費，通過該工藝粘合組成的燃料電池堆無法重複拆卸維修，而且裝配時較複雜，可能會出現漏裝或錯裝的情況。上海神力科技有限公司在中國專利ZL01105975中公開了一種燃料電池單元的 密封辦法，採用獨立的預先成型的密封墊圈嵌入到燃料電池極板密封槽及膜電極之間形成 密封結構的辦法，需要多一步將密封墊嵌入密封槽的步驟。該方法適合批量生產燃料電池 用的密封墊片，但是其方法沒能實現將密封圈直接成型在極板上，並且使用該方法組成的 極板在裝配的時候比較複雜，必須以一片陰極板、一片陽極板、一片膜電極的順序依次疊 力口，並且每個單元之間需要放置單獨成型的密封圈來密封。這樣的方法不但工藝複雜，工作 量大，電堆拆卸維護也相當複雜；而且由於密封圈原本是獨立的，如圖2所示，裝配後完全 靠壓緊力來實現密封，密封件和極板之間的接觸面8會有縫隙，氣密性不理想，導致氫氣洩 露。另外，密封墊圈的製作需要開發模具，前期開發成本高。上海神力科技有限公司又在中國專利ZL200610030850中公開了一種燃料電池 密封組件結構，其所述的密封膠是粘在導流極板或雙極板的導氫氣陽極面的密封槽內，其 實質依然是單極板，並沒有形成燃料電池雙極板單元結構，裝配複雜且氣密性依然不可靠。所以，如何簡化燃料電池電堆的裝配工藝，如何標準化燃料電池零部件生產，如何 提高燃料電池堆的氣密可靠性都已成為目前影響燃料電池產業化的關鍵技術問題。

發明內容
本發明是要提供一種複合密封結構的燃料電池雙極板及其製造方法，使用這種雙 極板可簡化燃料電池堆的裝配過程，提高燃料電池的密封效果。本發明的技術方案是一種複合密封結構的燃料電池雙極板，由陰極板、陽極板、 空氣流場密封件、水流場密封件、氫氣流場密封件組成，空氣流場密封件和氫氣流場密封件 直接固化成型在陰極板和陽極板的密封槽表面，水流場密封件與陰極板和陽極板粘結為一 體形成複合密封結構的雙極板；空氣流場，水流場以及氫氣流場密封件在極板表面固化成 型形成分子結合力密封層。陰極板一個面上設有空氣流場和空氣流場密封槽，另一個面上設有水流場和水流 場密封槽；陽極板一個面帶有氫氣流場和氫氣流場密封槽；空氣流場密封件直接在空氣流 場密封槽內成型固化，形成分子結合力密封層；氫氣流場密封件直接在氫氣流場密封槽內 成型固化，形成分子結合力密封層；水流場密封件直接在水流場密封槽內成型，壓合將複合 氣流場密封件的陰陽極板粘結在一起後固化，水流場密封件在兩極板表面都形成分子結合 力密封層。一種複合密封結構的燃料電池雙極板製造方法具體步驟是1.複合密封結構單極板製作採用石墨或金屬作為成型材料，在加工完外形尺寸、流體通道孔和流體分配流道 後得到陰極和陽極板，使用高溫固化密封膠，在陰陽極板的空氣密封槽和氫氣密封槽中通 過塗敷密封膠工藝加工出具有阻滯功能的彈性密封結構，再經高溫固化後得到複合密封結 構單極板，2.複合密封結構的燃料電池雙極板製作在複合密封結構單極板的水流場密封槽中塗敷密封膠，再通過壓合模具壓合陰陽 極板固化製成複合密封結構的燃料電池雙極板。
本發明的有益效果是本發明直接在極板上進行密封件塗覆、成型、壓合等工藝得 到複合密封結構燃料電池雙極板組件，不僅得到電堆裝配的模塊化組件，大大方便了燃料 電池堆的裝配。而且在於密封件在極板表面直接加工成型，密封件在固化成型過程中和極 板接觸面形成了分子結合力密封層，得到更加可靠的密封性。


圖1是單電池結構爆炸圖；圖2-A、圖2-B是獨立密封件和極板裝配前後效果示意圖；圖3是複合密封結構雙極板示意圖；圖4是本發明密封件成型效果圖；圖5是複合密封結構的雙極板加工工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，進一步闡述本發明的實施方式。應理解，這些實施例僅用於 說明本發明而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本 領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要 求書所限定的範圍。本發明的複合密封結構的燃料電池雙極板如圖3所示，陰極板4、陽極板2、空氣流 場密封件14、水流場密封件13、氫氣流場密封件10組成。其中，陰極板4 一個面上有空氣 流場16和空氣流場密封槽15，另一個面上有水流場17和水流場密封槽12 ；陽極板2 —個 面帶有氫氣流場18和氫氣流場密封槽9 ；空氣流場密封件14直接在空氣流場密封槽15內 成型固化，形成了分子結合力密封層11，氫氣流場密封件10直接在氫氣流場密封槽9內成 型固化，形成了分子結合力密封層11，水流場密封件13直接在水流場密封槽12內成型，壓 合將複合氣流場密封件的陰陽極板粘結在一起後固化，水流場密封件13在兩極板表面都 形成分子結合力密封層11。圖4給出了本發明中密封件成型後的效果圖，密封膠在極板密封槽內塗敷成型， 在固化過程中接觸面通過密封膠液體對極板密封槽底部的滲透，會形成靠密封膠分子間結 合力形成的密封層11，避免了電堆積壓裝配過程中接觸面上縫隙造成的氣體洩露，可以大 大改善氣密性。本發明具體的製造方法(圖5所示)1.使用流體模擬軟體模擬計算流道分布的合理性，使用結構力學軟體模擬計算分 析雙極板的強度；2.使用計算機製圖軟體設計雙極板整體結構及流道；3.通過機械加工得到陰極板和陽極板半成品；4.採用三軸塗覆設備在陰極板密封槽上塗覆高溫固化的密封膠，塗覆方法為，用 適當的氣壓、溫度及塗覆速度在密封槽上塗上一層寬度和高度適中的密封膠，然後放入烘 箱，在設定溫度下烘烤固化。5.在複合密封結構陰極板和陽極板冷卻水側密封槽塗覆另一種密封膠，塗覆完後 立即壓合，至密封膠固化完全，最後再進行氣密性測試得到合格的成品。由此便得到了一組複合密封結構的燃料電池雙極板如圖3。具體實施案例(1)採用石墨片材，先用高精度磨床進行表面打磨處理，得到厚度為1.3mm和 0.9mm的雙極板基材，長、寬分別為400mm，IOOmm ；再採用高精度數控工具機加工雙極板基材 上的流道、孔、密封槽等結構，陰陽極採用普通的多通道平行流場；(2)採用三軸密封塗敷設備，通過壓力為5. Obar的氮氣驅動，針頭以約50mm/s的 速度在陰極板密封槽上塗覆一層0. 5mm高，4mm寬的密封膠；(3)用檢驗設備檢驗合格後，放入烘箱烘烤使其固化，烘烤溫度為130°C，時間為1 小時；(4)固化完畢後，繼續在冷卻水側密封槽上塗覆一層常溫緩慢固化的密封膠，驅動 氣壓為5. 5bar,針頭速度為60mm/s，密封膠高度為0. 6mm,寬度約2. Omm,塗覆完後立即在壓 合模具中壓合，至密封膠固化完全；(5)對雙極板進行氣密性測試；(6)氣密性測試合格最後得到一組一體式的原位複合密封結構的燃料電池雙極 板。
權利要求
一種複合密封結構的燃料電池雙極板，由陰極板(4)、陽極板(2)、空氣流場密封件、水流場密封件、氫氣流場密封件組成，其特徵在於所述空氣流場密封件和氫氣流場密封件直接固化成型在陰極板(4)和陽極板(2)的密封槽表面，水流場密封件與陰極板(4)和陽極板(2)粘結為一體形成複合密封結構的雙極板；空氣流場，水流場以及氫氣流場密封件在極板表面固化成型形成分子結合力密封層。
2.根據權利要求1所述的複合密封結構的燃料電池雙極板，其特徵在於所述陰極板 (4) 一個面上設有空氣流場(16)和空氣流場密封槽(15)，另一個面上設有水流場(17)和 水流場密封槽(12)。
3.根據權利要求1所述的複合密封結構的燃料電池雙極板，其特徵在於空氣流場密 封件(14)直接在空氣流場密封槽(15)內成型固化，形成分子結合力密封層(11)。
4.根據權利要求1所述的複合密封結構的燃料電池雙極板，其特徵在於所述陽極板 一個面帶有氫氣流場(18)和氫氣流場密封槽(9)；氫氣流場密封件(10)直接在氫氣流場 密封槽(9)內成型固化，形成分子結合力密封層(11)。
5.根據權利要求1所述的複合密封結構的燃料電池雙極板，其特徵在於所述水流場 密封件(13)直接在水流場密封槽(12)內成型，壓合將複合氣流場密封件的陰陽極板粘結 在一起後固化，水流場密封件(13)在兩極板表面都形成分子結合力密封層(11)。
6.一種複合密封結構的燃料電池雙極板製造方法，其特徵在於，具體步驟是(一)複合密封結構單極板製作採用石墨或金屬作為成型材料，在加工完外形尺寸、流體通道孔和流體分配流道後得 到陰極板⑷和陽極板(2)，使用高溫固化密封膠，在陰陽極板的空氣密封槽(15)和氫氣密 封槽(9)中通過塗敷密封膠工藝加工出具有阻滯功能的彈性密封結構，再經高溫固化後得 到複合密封結構單極板，(二)複合密封結構的燃料電池雙極板製作在複合密封結構單極板的水流場密封槽(12)中塗敷密封膠，再通過壓合模具壓合陰 陽極板固化製成複合密封結構的燃料電池雙極板。
全文摘要
本發明涉及一種複合密封結構的燃料電池雙極板及其製造方法，空氣流場密封件和氫氣流場密封件直接固化成型在陰極板和陽極板的密封槽表面，水流場密封件與陰極板和陽極板粘結為一體形成複合密封結構的雙極板；空氣流場，水流場以及氫氣流場密封件在極板表面固化成型形成分子結合力密封層。採用石墨或金屬作為成型材料，在加工完外形尺寸、流體通道孔和流體分配流道後得到陰極和陽極板，使用高溫固化密封膠，在陰陽極板的空氣密封槽和氫氣密封槽中通過塗敷密封膠工藝加工出具有阻滯功能的彈性密封結構，再經高溫固化後得到複合密封結構單極板，在複合密封結構單極板的水流場密封槽中塗敷密封膠，再通過壓合模具壓合陰陽極板固化製成複合密封結構的燃料電池雙極板。
文檔編號H01M4/86GK101807700SQ201010147810
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月15日 優先權日2010年4月15日
發明者張超, 徐麟, 沈軍, 章波, 陳凌雲, 陳捷 申請人:崑山弗爾賽能源有限公司