一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池及电池堆中的密封技术领域，特别是涉及一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池是将化学能转化为电能的在线发电装置，由于突破了传统内燃机的效率限制，燃料电池发动机被认为是未来最重要的汽车动力装置发展的方向。以质子交换膜燃料电池(pemfc)为例，燃料电池堆由多节单电池叠加组成，气源通过电堆的燃料进口进入每节单电池，经过电池内的规定的密封流道并参与反应，剩余气体从电堆的出口流出电堆。为确保电池堆的正常运行，电池堆的密封是非常关键的。电池堆密封不良或者密封失效会导致电池堆的性能降低，损伤电池堆内部部件，甚至引起爆炸，造成安全事故。在氢燃料电池中，通常采用密封胶线或者丝网印刷的形式来密封三腔流体；其中丝网印刷工艺仅适用于石墨双极板的内部贴合和冷却流道的密封，而反应物气体与膜电极之间的密封一般采用密封胶线。
3.目前，在燃料电池堆的实际装配应用中，密封胶线的成型方式有多种，例如采用uv胶在双极板胶线槽内点胶固化的形式、通过模具成型的方式定制胶线的形式、在双极板上注塑或注胶成型的形式以及在膜电极边框上硅胶模压成型的形式等。然而，上述这些密封胶线成型方式容易对膜电极或双极板等核心部件造成损伤，影响整个电池堆的性能；而且，当因密封胶线问题引起的燃料电池密封不良时，需要将双极板或者膜电极整体更换，操作复杂，成本高昂，不利于燃料电池的优化升级。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池，旨在解决现有的密封胶线成型方式容易对膜电极、双极板等核心部件造成损伤的问题，影响整个电池堆的性能；而且，当因密封胶线问题引起的燃料电池密封不良时，需要将双极板或者膜电极整体更换，操作复杂，成本高昂的问题。
5.为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：
6.本技术提出了一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池，包括膜电极、以及设置在所述膜电极两侧的双极板；所述膜电极与所述双极板之间还设置有胶线-边框密封件；所述胶线-边框密封件上设置有中部通道、以及环绕所述中部通道的多个连通孔；所述胶线-边框密封件靠近所述膜电极的一侧设置有第一密封胶线，所述胶线-边框密封件的靠近所述双极板的一侧设置有第二密封胶线；所述第一密封胶线和所述第二密封胶线通过所述连通孔连接。
7.进一步地，所述第一密封胶线和所述第二密封胶线为通过注胶一体成型的胶线。
8.进一步地，所述第一密封胶线的宽度与所述第二密封胶线的宽度相同；所述第一密封胶线厚度小于所述第二密封胶线厚度。
9.进一步地，所述第二密封胶线厚度是所述第一密封胶线厚度的2倍-5倍。
10.进一步地，所述中部通道与所述膜电极的碳质区域相对设置；所述中部通道的面积大于所述膜电极的碳质区域面积。
11.进一步地，所述连通孔的横截面最大尺寸小于或等于所述第一密封胶线的宽度。
12.进一步地，相邻两个所述连通孔之间的中心距离为所述连通孔的横截面最大尺寸的1.5倍-3倍。这样能够保证所述第一密封胶线和所述第二密封胶线通过所述连通孔连接后的稳固性。
13.进一步地，所述连通孔为圆形通孔、方形通孔、三角形通孔、椭圆通孔或其它异形通孔。
14.进一步地，所述双极板上还设置有与所述第二密封胶线相适配的胶线槽。
15.进一步地，所述胶线-边框密封件的两端还设置有与所述膜电极相适配的三腔流体通道。
16.进一步地，所述胶线-边框密封件的边框为硬质边框。
17.本发明提出的一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池，通过在双极板和膜电极之间设置胶线-边框密封件结构，既避免了在膜电极或双极板上注胶成型密封件而存在的可能损伤膜电极或双极板的风险，又可以保证膜电极与双极板之间的密封性。通过在胶线-边框密封件上设置密封胶线，当胶线-边框密封件、膜电极或者双极板出现问题时，相较于现有技术需要将注胶的膜电极或者双极板整体进行更换，本发明可以通过单独更换出问题的胶线-边框密封件、膜电极或者双极板来修复，极大降低了燃料电池的修复成本。本发明工艺制作简单、容易装配、密封效果优良、成本低、实用性强，特别适合批量生产。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例所述具有胶线-边框密封件结构的燃料电池的爆炸视图；
20.图2为图1中胶线-边框密封件的立体结构图；
21.图3为图1中胶线-边框密封件的俯视图(含第一密封胶线)；
22.图4为图1中胶线-边框密封件的仰视图(含第二密封胶线)；
23.图5为图3中a-a方向剖视图的局部视图。
24.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、
底
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
27.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
28.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
29.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
30.燃料电池堆的密封至关重要，密封不良或者密封失效会导致电池堆的性能降低，损伤电池堆内部部件，甚至引起爆炸，造成安全事故。目前，在燃料电池堆的实际装配应用中，密封胶线的成型方式有多种，例如采用uv胶在双极板胶线槽内点胶固化的形式、通过模具成型的方式定制胶线的形式、在双极板上注塑或注胶成型的形式以及在膜电极边框上硅胶模压成型的形式等。但是，uv胶在胶线槽中点胶的形式，因其点胶的固有特点，形成的胶线密封面形状为椭圆形，这种形状在装配时会出现膜电极边框两侧的胶线错位的情况，进而导致电池堆在运行过程中出现气体泄露；采用模具单独注胶模压的胶线，在装配时非常繁琐，仅适用于电池堆样机开发阶段，不适合批量生产；而在双极板上注塑成型的胶线和在膜电极边框上硅胶模压成型的胶线，不仅制作工艺要求高，成本大，而且在胶线成型过程中极有可能对双极板或者膜电极造成损伤，从而影响后续的装堆及性能测试。而且，现有的密封胶线成型方式容易对膜电极造成损伤，影响膜电极的性能；当密封胶线引起的燃料电池密封不良时，需要将双极板或者膜电极整体更换，操作复杂，成本高昂，不利于燃料电池的优化升级。为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池。
31.如图1至图4所示，本技术实施例提出的一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池，包括膜电极1、以及设置在所述膜电极1两侧的双极板2；所述膜电极1与所述双极板2之间还设置有胶线-边框密封件3；所述胶线-边框密封件3上设置有中部通道31、以及环绕所述中部通道31的多个连通孔32；所述胶线-边框密封件3靠近所述膜电极1的一侧设置有第一密封胶线4，所述胶线-边框密封件3的靠近所述双极板2的一侧设置有第二密封胶线5；所述第一密封胶线4和所述第二密封胶线5通过所述连通孔32连接。本技术实施例通过将密封胶线固定在胶线-边框密封件3的两侧，并在胶线-边框密封件3上设置连通孔32将两侧的密封胶线连接，使得密封胶线能够更加稳固地固定在胶线-边框密封件3上，有利于双极板2与膜电极1之间的密封；而且，将密封胶线设置在胶线-边框密封件3上，避免了将密封胶线直
接注胶在膜电极1或双极板2上可能导致的膜电极1和双极板2损坏，当膜电极1、双极板2、胶线-边框密封件3三者之一出现问题时，可以单独进行更换，而不用同时更换。
32.参照图5，在本技术实施例中，所述第一密封胶线4和所述第二密封胶线5为通过注胶一体成型的胶线。所述第一密封胶线4和所述第二密封胶线5使用模具注胶一体成型，而且两者之间通过所述连通孔32连接，并固定在胶线-边框密封件3的两侧，这样能够有效地避免装配过程中密封胶线出现错位或者掉落的风险，从而有效地保证燃料电池的密封性。
33.在本技术实施例中，所述第一密封胶线4的宽度与所述第二密封胶线5的宽度相同；所述第一密封胶线4厚度小于所述第二密封胶线5厚度。由于所述第一密封胶线4与所述膜电极1对应，所述第二密封胶线5与所述双极板2对应，考虑到胶线-边框密封件3不能碰撞到膜电极1的碳质区域从而造成可能的损坏、考虑到双极板2上预留的胶线槽深度、以及三者相互之间配合的紧凑性，在本技术实施例中，注胶时需要精确控制第一密封胶线4和所述第二密封胶线5的厚度。
34.在本技术实施例中，所述第二密封胶线5厚度是所述第一密封胶线4厚度的2倍-5倍。
35.再次参照图2，在本技术实施例中，所述中部通道31与所述膜电极1的碳质区域相对设置；所述中部通道31的面积大于所述膜电极1的碳质区域面积。为保证胶线-边框密封件3不会影响膜电极1与双极板2之间的直接接触，因此，胶线-边框密封件3上的中部通道31的面积需要大于膜电极1的碳质区域面积，从而确保燃料电池的性能。
36.在本技术实施例中，所述连通孔32的横截面最大尺寸小于或等于所述第一密封胶线4的宽度，使得胶线-边框密封件3两侧的密封胶线能够将连通孔32完全堵住，防止反应物从连通孔32中外泄，这样能够更好的保证燃料电池的密封性。在本技术实施例中，所述第一密封胶线4和所述第二密封胶线5均呈带状结构，因此，所述第一密封胶线4和所述第二密封胶线5的宽度指的是带状结构的宽度。
37.在本技术实施例中，相邻两个所述连通孔32之间的中心距离为所述连通孔32的横截面最大尺寸的1.5倍-3倍。这样能够保证所述第一密封胶线4和所述第二密封胶线5通过所述连通孔32连接后的稳固性。
38.在本技术实施例中，所述连通孔32为圆形通孔、方形通孔、三角形通孔、椭圆通孔或其它异形通孔，具体为圆形通孔。
39.在本技术实施例中，所述双极板2上还设置有与所述第二密封胶线4相适配的胶线槽(图中未标示)。
40.再次参照图2，在本技术实施例中，所述胶线-边框密封件3的两端还设置有与所述膜电极1相适配的三腔流体通道33。本技术实施例中的三腔流体通道33指的是燃料通道、冷却水通道和氧化剂通道；燃料通道包括燃料进口和燃料出口；冷却水通道包括冷却水进口和冷却水出口；氧化剂通道包括氧化剂进口和氧化剂出口；其中，燃料进口、冷却水进口和氧化剂出口设置在胶线-边框密封件的一端；燃料出口、冷却水出口和氧化剂进口设置在胶线-边框密封件的另一端。所述燃料通道、所述冷却水通道和所述氧化剂通道分别与所述膜电极1上的相应通道连通，同时所述燃料通道、所述冷却水通道和所述氧化剂通道也分别与所述双极板2上的相应通道连通。
41.在本技术实时例中，为保证膜电极1、双极板2和胶线-边框密封件3三者之间的密
封性，所述第一密封胶线4环绕所述胶线-边框密封件3一侧的三腔流体通道33进出口和中部通道31设置，所述第二密封胶线5环绕所述胶线-边框密封件3另一侧的三腔流体通道33进出口和中部通道31设置。
42.在本技术实施例中，所述胶线-边框密封件3为硬质边框，所述硬质框具备一定的刚度，有利于组装，同时也不会影响组装后的燃料电池性能。
43.在本技术实施例中，所述连通孔32的最大尺寸为：当所述连通孔32为圆形通孔时，所述连通孔32的横截面最大尺寸为圆形通孔的直径；当所述连通孔32为方形通孔、三角形通孔时，所述连通孔32的横截面最大尺寸为方形通孔外接圆直径、三角形通孔外接圆直径；当所述连通孔32为椭圆通孔时，所述连通孔32的横截面最大尺寸为椭圆通孔的长径；若为其他异形通孔，则为异形通孔横截面的可测量的最大尺寸。
44.本发明提出的一种具有胶线-边框密封件结构的燃料电池，通过在双极板2和膜电极1之间设置胶线-边框密封件3，既避免了将密封胶线直接注胶在膜电极1或双极板2上可能导致的膜电极1和双极板2损坏，又可以保证膜电极1与双极板2之间的密封性。通过在胶线-边框密封件3上设置密封胶线，当胶线-边框密封件3、膜电极1或者双极板2出现问题时，相较于现有技术需要将注胶的膜电极1或者双极板2整体进行更换，本发明可以通过单独更换出问题的胶线-边框密封件3、膜电极1或者双极板2来修复，极大降低了燃料电池的修复成本。本发明工艺制作简单、容易装配、密封效果优良、成本低、实用性强，特别适合批量生产。
45.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。