專利名稱：燃料電池單元的密封方法
技術領域：
本發明涉及電池的密封方法，尤其涉及電化學燃料電池單元的密封方法。
電化學燃料電池是一種能夠將氫燃料及氧化劑轉化成電能及反應產物的裝置。該裝置的內部核心部件是膜電極(Membrane Electrode Assembly，簡稱MEA)，膜電極(MEA)由一張質子交換膜、膜兩面夾兩張多孔性的可導電的材料，如碳紙組成。在膜與碳紙的兩邊界面上含有均勻細小分散的引發電化學反應的催化劑，如金屬鉑催化劑。膜電極兩邊可用導電物體將發生電化學反應過程中生成的電子，通過外電路引出，構成電流回路。
在膜電極的陽極端，燃料可以通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應，失去電子，形成正離子，正離子可通過遷移穿過質子交換膜，到達膜電極的另一端陰極端。在膜電極的陰極端，含有氧化劑(如氧氣)的氣體，如空氣，通過滲透穿過多孔性擴散材料(碳紙)，并在催化劑表面上發生電化學反應得到電子，形成負離子。在陰極端形成的陰離子與陽極端遷移過來的正離子發生反應，形成反應產物。
在采用氫氣為燃料，含有氧氣的空氣為氧化劑(或純氧為氧化劑)的質子交換膜燃料電池中，燃料氫氣在陽極區的催化電化學反應就產生了氫正離子(或叫質子)。質子交換膜幫助氫正離子從陽極區遷移到陰極區。除此之外，質子交換膜將含氫氣燃料的氣流與含氧的氣流分隔開來，使它們不會相互混合而產生爆發式反應。
在陰極區，氧氣在催化劑表面上得到電子，形成負離子，并與陽極區遷移過來的氫正離子反應，生成反應產物水。在采用氫氣、空氣(氧氣)的質子交換膜燃料電池中，陽極反應與陰極反應可以用以下方程式表達陽極反應陰極反應在典型的質子交換膜燃料電池中，膜電極(MEA)一般均放在兩塊導電的極板中間，每塊導電極板與膜電極接觸的表面通過壓鑄、沖壓或機械銑刻，形成至少一條以上的導流槽。這些導電極板可以是金屬材料的極板，也可以是石墨材料的極板。這些導電極板上的導流孔道與導流槽分別將燃料和氧化劑導入膜電極兩邊的陽極區與陰極區。在一個質子交換膜燃料電池單電池的構造中，只存在一個膜電極，膜電極兩邊分別是陽極燃料的導流極板與陰極氧化劑的導流極板。這些導流極板既作為電流集流板，也作為膜電極兩邊的機械支撐，導流極板上的導流槽又作為燃料與氧化劑進入陽極、陰極表面的通道，并作為帶走燃料電池運行過程中生成的水的通道。
為了增大整個質子交換膜燃料電池的總功率，兩個或兩個以上的單電池通常可通過直疊的方式串聯成電池組或通過平鋪的方式聯成電池組。在直疊、串聯式的電池組中，一塊極板的兩面都可以有導流槽，其中一面可以作為一個膜電極的陽極導流面，而另一面又可作為另一個相鄰膜電極的陰極導流面，這種極板叫做雙極板。一連串的單電池通過一定方式連在一起而組成一個電池組。電池組通常通過前端板、后端板及拉桿緊固在一起成為一體。
一個典型電池組通常包括(1)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
在陽極區的正氫離子遷移穿過質子交換膜，通常需要攜帶大量的水分子一起通過，所以膜的兩邊表面必須保持水分子存在，才能使正氫離子的遷移電導不受影響。因此，燃料與氧化劑氣體在進入燃料電池活性區進行反應之前，必須進行濕化，以便保證膜電極中的膜處于水濕化飽和狀態。
為了確保質子交換膜燃料電池中的燃料與氧化劑氣體能夠分布到整個膜電極兩邊表面上而又不產生混和，密封技術就非常關鍵。如果密封不好，可能會產生兩種情況，一種情況是燃料氣體與氧化劑氣體在燃料電池內部混和，在采用氫與氧運行的燃料電池中，這種混和是非常致命的，一旦引發爆炸，破壞力非常大；另一種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。
在通常的燃料電池中，膜電極的制備均采用質子交換膜的面積遠比膜電極中的多孔性支撐材料，如碳紙大得多，露出外面的膜不是電化學反應的活性區，而電化學活性區膜兩邊上面分別有兩張碳紙壓合在一起。這種做法的膜電極放在兩塊導流極板中間后，其中露在外邊的膜直接當作密封材料的基材，并起到防止相鄰兩塊導流極板直接接觸而短路的作用。這種設計方法存在如下缺陷(1)、質子交換膜在燃料電池不同運行狀態(如低溫、多少水生成，氣體濕度等)下的吸水與伸縮情況不同，特別在電池由不運行狀態或長期不運行狀態轉入運行狀態的情況下，膜的伸縮程度更加大，長久后將導致老化、破裂，以致于滲漏。
(2)、質子交換膜一般是比較貴的材料，大量露出后，沒有得到充分利用，浪費嚴重。
(3)、質子交換膜是一種帶強酸的腐蝕性材料，它與導流極板上的密封圈長期接觸，難免發生化學反應。
(4)、質子交換膜直接受到導流極板的壓力容易老化破裂。另外，假如使用很薄的質子交換膜制作膜電極時，即使膜電極的發電效率會大大提高，但會使上述情況更加嚴重，所以這種設計幾乎無法使用很薄的質子交換膜來制作膜電極。
(5)、這種設計還需要各塊導流電極板上需要準確刻有放置密封圈的密封槽。
另外，還有一種密封技術，在歐洲專利EP 0604683A1有報道，其密封方法如
圖1、圖2所示，其改進之處主要有(1)、將膜電極上的兩邊多孔性支撐材料，如兩張碳紙1大大延伸出膜電極的活性區；(2)、將密封圈2放在膜電極的質子交換膜3上。這種密封方法雖然比以前的密封方法有所改進，但仍有不足之處，主要有(1)、浪費了向外延伸出膜電極活性區的這部分材料；(2)、密封圈直接與膜電極中的膜接觸，難免與強酸型的離子交換膜或其他襯墊型膜與密封圈材料之間發生化學反應，產生對膜電極污染或造成密封圈材料降效。
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種密封可靠、成本較低、加工方便的燃料電池單元的密封方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現燃料電池單元的密封方法，其特點是，包括以下工藝步驟第一步，先采用質子交換膜、催化劑、多孔性碳紙壓制膜電極的有效部分，稱為甲部分，所述的甲部分上的多孔性碳紙比質子交換膜短1mm～10mm或同樣長；第二步，制作上述甲部分的延伸套框部分，稱為乙部分；第三步，將甲、乙兩部分進行接合形成一個完整的膜電極；第四步，制作導流極板并在導流極板的周邊設置密封圈，或者在乙部分設置密封裝置；第五步，將兩塊導流極板相對貼合并在中間夾持一上述膜電極，構成燃料電池單元的密封。
所述的甲部分與乙部分的厚度相同或接近。
所述的甲部分在制作時，若采用質子交換膜比多孔性碳紙長出1mm～10mm，則先在交換膜與碳紙交界處的兩邊各貼上一層保護交換膜的惰性材料，然后再與乙部分接合。
所述的乙部分材料選自在燃料電池運行條件下性能穩定的材料，包括聚酰亞胺、聚酯、橡膠、聚胺酯。
所述的乙部分材料選用可熱硫化的橡膠，所述的甲部分與乙部分同時一次成型制作。
所述的乙部分材料選用具有彈性伸縮性能的材料，包括聚胺酯、橡膠，所述的導流極板不設密封圈，該導流極板與乙部分貼合時依靠乙部分的彈性進行密封。
所述的乙部分采用無彈性伸縮性能的材料，包括聚酰亞胺，所述的導流極板設有密封圈，該導流極板與乙部分貼合時依靠導流極板上的密封圈進行密封。
所述的乙部分開設密封槽，該密封槽內設置密封圈，所述的導流極板不設密封圈，該導流極板與乙部分貼合時乙部分的密封圈進行密封。
所述的乙部分采用具有彈性伸縮性的材料，所述的導流極板周邊粘合上剛性密封圈，該剛性密封圈包括不銹鋼或其它金屬材料以及剛性塑料，導流極板與乙部分貼合時，上述剛性密封圈則嵌入彈性材料內。
所述的乙部分采用具有彈性伸縮性的材料，所述的導流極板周邊形成微凸形，導流極板與乙部分貼合時，上述微凸形部分嵌入彈性材料內。
與現有技術相比，本發明由于采用了以上技術方案，因此具有以下優點及效果(1)、本發明膜電極的有效部分與密封部分采用不同的材料，它克服了現有技術中這兩部分使用同種材料的缺陷，使膜電極的密封部分不容易老化、破裂及滲漏，使密封更加可靠，膜電極的使用壽命更長。
(2)、由于本發明的密封部分采用了相對膜電極的有效部分來說比較便宜的材料，因此它可以節約成本。
(3)、本發明的密封部分是采用燃料電池運行條件下性能穩定的材料，它不會與導流極板的密封圈發生化學反應，因此不會污染膜電極。
(4)、由于本發明膜電極的有效部分不受導流極板的壓力，因此可以使用很薄的質子交換膜，從而提高了燃料電池的發電效率。
(5)、本發明的密封方法有多種實施方案，它既降低了成本，又提高了密封效率。
下面結合附圖及實施例，對本發明作進一步說明。
圖1為現有技術膜電極的剖面圖；圖2為現有技術膜電極兩邊設置密封圈后的剖面圖；圖3為本發明膜電極有效部分的結構示意圖；圖4為本發明膜電極密封部分的結構示意圖；圖5為本發明導流極板未設密封圈的結構示意圖；圖6為本發明導流極板設有密封圈的結構示意圖。
如圖3、圖4所示，一種燃料電池單元的密封方法，第一步先將膜電極的有效部分4壓制好，其中該有效部分的碳紙材料41可以比其中質子交換膜42短1mm-10mm或一樣長，該有效部分稱為甲部分；第二步制作上述膜電極有效部分的延伸套框部分5，稱為乙部分或密封部分；再將甲、乙兩部分進行接合，形成一個完整的膜電極；上述工藝將包括以下重要內容甲部分與乙部分的厚度基本相同，乙部分材料在燃料電池運行條件下性能穩定，乙部分材料不含質子交換膜，甲部分制作時，若采用質子交換膜比碳紙長出1mm-10mm左右時，在膜與碳紙交界處，可以在兩邊各貼上一層保護質子交換膜的隋性材料，然后再與乙部分材料接合，壓合甲部分時，也可以與壓合乙部分同時一次成型制作，這時，乙部分材料必須用可熱硫化的橡膠，乙部分材料可用聚酰亞胺、聚酯、橡膠、聚胺脂等，甲、乙兩部分接合后，整個膜電極的干燥時厚度都較均勻一致。第三步如圖5所示，導流極板6上可以沒有密封圈，或者如圖6所示，也可以在導流極板6上制作有密封槽，并放入密封圈61；進行第三步密封工藝時，包括以下重要內容如采用導流極板上沒有密封圈的方法密封，那么，乙部分必須是有彈性伸縮性能的材料，如聚胺脂、橡膠等；如采用導流極板上有密封圈的方法密封，那么，乙部分可以是無彈性伸縮性能的材料，如聚酰亞胺等。
此外，在此發明基礎上，再進行改進的發明還包括以下方法(1)、為了加強密封性能與效果，可以在乙部分再制作密封槽，并放入具有彈性的密封圈(圖未示)，與導流極板上無密封圈的平面相靠進行密封(特別在乙部分無彈性伸縮性能下)。(2)、當乙部分本身具有彈性伸縮性能的情況下，可以在導流極板上粘合上剛性的密封圈(圖未示)，密封圈材料可以是不銹鋼或其他金屬材料，也可以剛性的塑料材料，在受壓密封時，這種密封圈就會陷進乙部分的彈性材料內，達到密封效果，但這種密封圈的厚度不宜太厚，一般在0.01至0.5毫米之間。(3)、也可以將導流極板在制作時(如沖壓或澆鑄時)，其中與需要放密封圈的對應區域加工成微凸形(圖未示)，與乙部分的彈性材料相貼合，受壓時，其微凸形區域就會陷進乙部分的彈性材料內，達到密封效果，微凸形高出厚度不宜太高，一般在0.01至0.5毫米之間。
權利要求
1.燃料電池單元的密封方法，其特征在于，包括以下工藝步驟第一步，先采用質子交換膜、催化劑、多孔性碳紙壓制膜電極的有效部分，稱為甲部分，所述的甲部分上的多孔性碳紙比質子交換膜短1mm～10mm或同樣長；第二步，制作上述甲部分的延伸套框部分，稱為乙部分；第三步，將甲、乙兩部分進行接合形成一個完整的膜電極；第四步，制作導流極板并在導流極板的周邊設置密封圈，或者在乙部分設置密封裝置；第五步，將兩塊導流極板相對貼合并在中間夾持一上述膜電極，構成燃料電池單元的密封。
2.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的甲部分與乙部分的厚度相同或接近。
3.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的甲部分在制作時，若采用質子交換膜比多孔性碳紙長出1mm～10mm，則先在交換膜與碳紙交界處的兩邊各貼上一層保護交換膜的惰性材料，然后再與乙部分接合。
4.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分材料選自在燃料電池運行條件下性能穩定的材料，包括聚酰亞胺、聚酯、橡膠、聚胺酯。
5.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分材料選用可熱硫化的橡膠，所述的甲部分與乙部分同時一次成型制作。
6.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分材料選用具有彈性伸縮性能的材料，包括聚胺酯、橡膠，所述的導流極板不設密封圈，該導流極板與乙部分貼合時依靠乙部分的彈性進行密封。
7.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分采用無彈性伸縮性能的材料，包括聚酰亞胺，所述的導流極板設有密封圈，該導流極板與乙部分貼合時依靠導流極板上的密封圈進行密封。
8.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分開設密封槽，該密封槽內設置密封圈，所述的導流極板不設密封圈，該導流極板與乙部分貼合時乙部分的密封圈進行密封。
9.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分采用具有彈性伸縮性的材料，所述的導流極板周邊粘合上剛性密封圈，該剛性密封圈包括不銹鋼或其它金屬材料以及剛性塑料，導流極板與乙部分貼合時，上述剛性密封圈則嵌入彈性材料內。
10.根據權利要求1所述的燃料電池單元的密封方法，其特征在于，所述的乙部分采用具有彈性伸縮性的材料，所述的導流極板周邊形成微凸形，導流極板與乙部分貼合時，上述微凸形部分嵌入彈性材料內。
全文摘要
本發明涉及燃料電池單元的密封方法,包括以下工藝步驟:第一步,先壓制膜電極的有效部分,第二步,制作上述甲部分的延伸套框部分,第三步,將上述有效部分與套框部分進行接合形成一個完整的膜電極,第四步,制作導流極板,第五步,將兩塊導流極板相對貼合并在中間夾持一上述膜電極構成燃料電池單元的密封。與現有技術相比,本發明具有密封可靠、成本較低、加工方便等優點。
文檔編號H01M8/00GK1381916SQ0110597
公開日2002年11月27日 申請日期2001年4月13日 優先權日2001年4月13日
發明者胡里清 申請人:上海神力科技有限公司