專利名稱：質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其是關(guān)于一種質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料及氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的反應(yīng)裝置，尤其對于質(zhì)子交換膜燃料電池，其具有噪音低、能量轉(zhuǎn)換效率高、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是未來的理想電源之一，可用于小型便攜式電源、家庭小型電站或電動汽車的動力電源等。
在燃料電池中，主要存在有膜電極、極板以及密封單元，其中膜電極是燃料電池的核心部件，為電化學(xué)反應(yīng)提供活性物質(zhì)。極板上刻有氣體流槽，提供反應(yīng)氣體流場，同時(shí)也為膜電極提供支撐和導(dǎo)通電子，所以其作用十分重要。在極板與膜電極之間，存在一個(gè)密封問題，如果密封不好，容易發(fā)生氣體泄漏或陰、陽極氣體混合，導(dǎo)致危險(xiǎn)，因而密封單元也是關(guān)鍵技術(shù)之一。
請參閱圖1，在現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池中，膜電極中的質(zhì)子交換膜7要比電化學(xué)活性區(qū)域8向外延伸許多，以便將燃料氣體和氧化性氣體分隔開，而防止它們混合一起，同時(shí)也可以分隔開兩塊極板9，防止它們相互接觸發(fā)生短路。在兩個(gè)極板9的反應(yīng)氣體流槽91的周圍均刻有密封槽，然后在兩個(gè)密封槽里均填充密封墊圈10，通常兩個(gè)密封墊圈10都要高出對應(yīng)的極板9平面少許。組裝電池時(shí)，把膜電極放置在均具有密封墊圈10的兩塊導(dǎo)電極板9之間，用機(jī)械力夾緊兩塊導(dǎo)電極板，使得密封墊圈10與質(zhì)子交換膜7以及另一塊極板上的密封墊圈10之間相互擠壓，從而達(dá)到密封作用。這種密封設(shè)計(jì)存在如下缺點(diǎn)1)質(zhì)子交換膜7要延伸到密封墊圈10外，所以質(zhì)子交換膜的用量大，導(dǎo)致電池造價(jià)昂貴；2)質(zhì)子交換膜作為氣體隔膜，由于其受到密封墊圈10和極板9的接觸擠壓，時(shí)間長久容易使質(zhì)子交換膜老化破裂，從而容易導(dǎo)致陽極氣體和陰極氣體混合發(fā)生危險(xiǎn)。
為此解決上述問題，人們設(shè)計(jì)出更加合適的燃料電池密封裝置，如公告號為2475144Y、公告日期為2002年1月30日、實(shí)用新型名稱為“燃料電池單元的密封裝置”的中國專利所揭示。該密封裝置包括膜電極及夾持該膜電極的導(dǎo)流極板，該膜電極由甲、乙兩部分組成，甲部分采用質(zhì)子交換膜、催化劑和多孔性碳紙壓制而成，甲部分的多孔性碳紙比質(zhì)子交換膜短1-10mm或同樣長，乙部分為一套框，該甲、乙兩部分進(jìn)行接合便形成一個(gè)完整的膜電極，所述的導(dǎo)流極板的周邊設(shè)置密封圈，或者所述的乙部分設(shè)置密封圈，將兩塊導(dǎo)流極板相貼合并在中間夾持一上述膜電極，即構(gòu)成燃料電池單元的密封裝置。但是該種密封裝置存在如下缺點(diǎn)1)在導(dǎo)流極板上放置密封圈，當(dāng)電池組裝時(shí)，兩塊極板上凸起的密封圈或剛性部分相互擠壓乙部分，使兩極板之間難以整齊對位，即使對位整齊了也是一個(gè)不穩(wěn)定平衡，兩極板之間容易發(fā)生錯(cuò)位；2)利用一個(gè)平面或一條線與密封圈之間實(shí)現(xiàn)密封，密封圈長時(shí)間使用老化后，其會失去彈性，從而容易發(fā)生氣體泄漏。
公開號為1567612A
公開日期為2005年1月19日、發(fā)明名稱為“燃料電池的密封結(jié)構(gòu)”的中國專利揭示了另外一種密封結(jié)構(gòu)，該密封結(jié)構(gòu)是在各個(gè)分隔板與膜-電極結(jié)合體之間的邊沿處均插入密封墊，且該密封墊的兩側(cè)上沿長度方向向外突出形成凸出部件，使密著時(shí)能彈性地緊密粘著且可維持氣密。但是，該種密封結(jié)構(gòu)存在如下缺點(diǎn)1)由于密封墊是插入分隔板和膜-電極結(jié)合體之間，所以使兩分隔板難以對正整齊，即使對齊也容易發(fā)生錯(cuò)位；2)密封墊與分隔板之間也是線或面接觸，長久使用后也會造成密封墊老化失效而造成氣體泄漏。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種氣密性好的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的該質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，包括膜電極組件、密封元件及夾合該膜電極組件的陽極導(dǎo)流極板和陰極導(dǎo)流極板，膜電極組件包括質(zhì)子交換膜及附著在其兩側(cè)的陽極和陰極，密封元件套設(shè)于質(zhì)子交換膜的周緣上并與該周緣接合，所述的密封元件面向陰、陽極導(dǎo)流極板的側(cè)面設(shè)有第一定位件，陰、陽極導(dǎo)流極板上對應(yīng)該第一定位件的位置設(shè)有第二定位件，該第一、第二定位件匹配。
所述的第一、第二定位件的形狀相吻合。
所述的第一定位件為自密封元件的表面突出形成的凸起，第二定位件為自陰、陽極導(dǎo)流極板面向膜電極組件的表面凹入形成的密封槽，該凸起定位于該密封槽中。
所述的凸起的截面為圓弧形、多邊形、橢圓形或錐形，密封槽為對應(yīng)的形狀。
所述的凸起的頂表面高出膜電極組件的表面。
所述的凸起與密封槽之間為過盈配合。
所述的陰、陽極為多孔性碳紙或碳布，且在長度方向上，質(zhì)子交換膜比多孔性碳紙或碳布的長度長0.1％-80％。
所述的密封元件為彈性體。
所述的膜電極組件和密封元件膠合一體。
所述的密封元件與質(zhì)子交換膜配合的部分設(shè)有凹槽，質(zhì)子交換膜的周緣定位在該凹槽內(nèi)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)通過相匹配的第一、第二定位件的設(shè)置，使陰、陽極導(dǎo)流極板之間不易滑動，從而使電池的密封更加嚴(yán)實(shí)，實(shí)現(xiàn)良好的氣密性；2)由于密封元件為兩面凸起的結(jié)構(gòu)，而導(dǎo)流極板上僅設(shè)置密封槽，從而在電池組裝時(shí)，兩塊導(dǎo)流極板的位置是以膜電極組件為基準(zhǔn)，使電池更加容易組裝，極板之間不易錯(cuò)位；3)由于密封元件具有彈性，且質(zhì)子交換膜不會伸出密封元件外，所以減少了質(zhì)子交換膜的用量，節(jié)約了電池的成本，而且也使密封元件不易老化，使電池壽命更長。

圖1是現(xiàn)有質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置的剖面圖。
圖2是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置第一具體實(shí)施方式
的剖面圖。
圖3是本發(fā)明第一具體實(shí)施方式
中的密封元件的主視圖。
圖4是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置第二具體實(shí)施方式
的剖面圖。
圖5是本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置第三具體實(shí)施方式
的剖面圖。
具體實(shí)施方式請參閱圖2至圖5，本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置包括膜電極組件1及夾合該膜電極組件的陰極導(dǎo)流極板2和陽極導(dǎo)流極板3。該膜電極組件1包括質(zhì)子交換膜11及附著在該質(zhì)子交換膜11長度方向上兩側(cè)面的陰極13和陽極12，該質(zhì)子交換膜11是由高分子材料制成，如現(xiàn)有的杜邦公司的Nafion膜。該陽極12和陰極13均由多孔性且可導(dǎo)電的材料制成，在本實(shí)施方式中，該陽極12和陰極13均為多孔性碳紙或碳布，在長度方向上，該質(zhì)子交換膜11要比該多孔性碳紙或碳布的長度長0.1％-80％。
陰極導(dǎo)流極板2和陽極導(dǎo)流極板3面向膜電極組件1的一側(cè)均設(shè)有若干個(gè)導(dǎo)流槽21、31，使陽極導(dǎo)流極板3和膜電極組件1之間形成燃料氣體流場，使陰極導(dǎo)流極板2和膜電極組件1之間形成氧化氣體流場，且該陰、陽極導(dǎo)流極板2、3同時(shí)為膜電極組件提供支撐及導(dǎo)通電子的作用。在長度方向上，該陰、陽極導(dǎo)流極板2、3的長度大于質(zhì)子交換膜11的長度。
該密封裝置還包括密封元件4，該密封元件4套設(shè)于質(zhì)子交換膜11的周緣上。該密封元件4大致呈“口”型的框架結(jié)構(gòu)，其包括“口”型基體41及第一定位件42，該基體41與質(zhì)子交換膜11周緣配合的部分設(shè)有凹槽42，該凹槽42與質(zhì)子交換膜11的周緣吻合，從而使密封元件4定位在質(zhì)子交換膜11上。另外，該密封元件4的基體41面向陰、陽極導(dǎo)流極板2、3的側(cè)面均設(shè)有第一定位件5，在本實(shí)施方式中，該第一定位件5為自基體41的側(cè)面向陰極導(dǎo)流極板2和陽極導(dǎo)流極板3方向突出形成的凸起5。該密封元件4由具彈性且能耐化學(xué)腐蝕的材料制成，如由硅膠等熱硫化材料制成，其也可以由橡膠或聚氨酯等材料制成。生產(chǎn)制造時(shí)，該密封元件4通過一次熱壓成型，膜電極組件1由質(zhì)子交換膜11及陰、陽極13、12壓制而成，然后將該膜電極組件1和密封元件4通過膠接合而形成一體。
陰、陽極導(dǎo)流極板2、3對應(yīng)密封元件4的第一定位件5的位置設(shè)有第二定位件6，該第一、第二定位件5、6相匹配，較佳的是該第一、第二定位件5、6的形狀和大小相吻合，在本實(shí)施方式中，該第二定位件6為自陰、陽極導(dǎo)流極板2、3面向膜電極組件1的表面凹入形成的圈狀密封槽6。
本發(fā)明密封裝置組裝時(shí)，陰、陽極導(dǎo)流極板2、3夾持膜電極組件1，且密封元件4的凸起5嵌入陰、陽極導(dǎo)流極板2、3的密封槽6內(nèi)，并通過緊固件(如螺紋緊固件)而將該陰、陽極導(dǎo)流極板2、3和密封元件4緊固一體。通過該密封元件4即可實(shí)現(xiàn)陰、陽極導(dǎo)流極板2、3和膜電極組件1之間的彈性密著，進(jìn)而不會產(chǎn)生縫隙而維持氣密性。
本發(fā)明中，在長度方向上，質(zhì)子交換膜11和密封元件4配合好后的整體長度小于或等于陰、陽極導(dǎo)流極板2、3的長度，從而保證密封元件4不伸出陰、陽極導(dǎo)流極板2、3。凸起5的頂表面應(yīng)該高出膜電極組件1的表面，從而組裝時(shí)密封元件4先與陰、陽極導(dǎo)流極板2、3接觸。凸起5的高度尺寸應(yīng)該等于或略大于陰、陽極導(dǎo)流極板2、3的密封槽6的深度，從而避免質(zhì)子交換膜11受到密封元件4和陰、陽極導(dǎo)流極板2、3之間的接觸擠壓。
請參閱圖4，其為本發(fā)明的第二具體實(shí)施方式
，該實(shí)施方式與第一具體實(shí)施方式
的區(qū)別在于第一定位元件5’是截面為圓弧形的凸起，第二定位件6’是截面為圓弧形的密封槽。請參閱圖5，其為本發(fā)明的第三具體實(shí)施方式
，該實(shí)施方式與第一具體實(shí)施方式
的區(qū)別在于第一定位元件為錐形凸起5”，第二定位元件6”為錐形密封槽。當(dāng)然，該第一定位元件還可以是截面為四方形或多邊形的凸起，第二定位元件為對應(yīng)的四方形或多邊形的密封槽。
權(quán)利要求
1.一種質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，包括膜電極組件、密封元件及夾合該膜電極組件的陽極導(dǎo)流極板和陰極導(dǎo)流極板，膜電極組件包括質(zhì)子交換膜及附著在其兩側(cè)的陽極和陰極，密封元件套設(shè)于質(zhì)子交換膜的周緣上并與該周緣接合，其特征在于所述的密封元件面向陰、陽極導(dǎo)流極板的側(cè)面設(shè)有第一定位件，陰、陽極導(dǎo)流極板上對應(yīng)該第一定位件的位置設(shè)有第二定位件，該第一、第二定位件匹配。
2.如權(quán)利要求1所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的第一、第二定位件的形狀相吻合。
3.如權(quán)利要求2所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的第一定位件為自密封元件的表面突出形成的凸起，第二定位件為自陰、陽極導(dǎo)流極板的面向膜電極組件的表面凹入形成的密封槽，該凸起定位于該密封槽中。
4.如權(quán)利要求3所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的凸起的截面為圓弧形、多邊形、橢圓形或錐形，密封槽為對應(yīng)的形狀。
5.如權(quán)利要求3所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的凸起的頂表面高出膜電極組件的表面。
6.如權(quán)利要求3所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的凸起與密封槽之間為過盈配合。
7.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的陰、陽極為多孔性碳紙或碳布，且在長度方向上，質(zhì)子交換膜比多孔性碳紙或碳布的長度長0.1％-80％。
8.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的密封元件為彈性體。
9.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的膜電極組件和密封元件膠合一體。
10.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置，其特征在于所述的密封元件與質(zhì)子交換膜配合的部分設(shè)有凹槽，質(zhì)子交換膜的周緣定位在該凹槽內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明質(zhì)子交換膜燃料電池單元的密封裝置包括膜電極組件、密封元件及夾合該膜電極組件的陽極導(dǎo)流極板和陰極導(dǎo)流極板，膜電極組件包括質(zhì)子交換膜及附著在其兩側(cè)的陽極和陰極，密封元件套設(shè)于質(zhì)子交換膜的周緣上并與該周緣接合，所述的密封元件面向陰、陽極導(dǎo)流極板的側(cè)面設(shè)有第一定位件，陰、陽極導(dǎo)流極板上對應(yīng)該第一定位件的位置設(shè)有第二定位件，該第一、第二定位件匹配。第一定位件為自密封元件的表面突出形成的凸起，第二定位件為自陰、陽極導(dǎo)流極板面向膜電極組件的表面凹入形成的密封槽。通過相匹配的第一、第二定位件的設(shè)置，使陰、陽極導(dǎo)流極板之間不易滑動，從而使電池的密封更加嚴(yán)實(shí)，實(shí)現(xiàn)良好的氣密性。
文檔編號H01M8/10GK1858926SQ200510020840
公開日2006年11月8日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者張日清, 劉瑞, 董俊卿 申請人:比亞迪股份有限公司