一种一体化双面注胶的膜电极边框密封结构的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池的密封技术领域，特别是涉及一种一体化双面注胶的膜电极边框密封结构。


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。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需要进行多次点胶或者贴胶圈，不便于电堆的组装，组装效率低，也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，本实用新型提供一种一体化双面注胶的膜电极边框密封结构，旨在解决现有的密封胶线成型方式操作复杂、不便于电堆的组装，组装效率和产能均较低，且容易对膜电极和双极板等核心部件造成损伤，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，本实用新型提出如下技术方案：
6.本技术提出了一种一体化双面注胶的膜电极边框密封结构，用于膜电极的密封，包括边框组件和注胶密封圈；所述边框组件包括贴合设置的第一边框膜(即上边框膜)和第二边框膜(即下边框膜)；
7.所述第一边框膜的侧面边缘周向设置有多个第一槽孔，所述第二边框膜的侧面边缘周向设置有多个第二槽孔，所述第一槽孔与所述第二槽孔交替设置；
8.当所述第一边框膜与所述第二边框膜贴合设置时，所述第一边框膜内侧面的所述第一槽孔与所述第二边框膜内侧面的所述第二槽孔相交接形成连通的第三槽孔，所述相交接的交接处形成注胶通孔；
9.所述注胶密封圈包括第一密封环、第二密封环和密封柱，所述密封柱分别与所述第一密封环、所述第二密封环连接；所述密封柱设置于所述注胶通孔内，所述第一密封环设置于所述第一边框膜外侧面的边缘，所述第二密封环设置于所述第二边框膜外侧面的边
缘。
10.进一步地，所述第一槽孔与所述第二槽孔设置于同一水平空间内。
11.进一步地，所述第一密封环包括设置于所述第一槽孔内的第一槽孔部和设置于所述第一边框膜外侧面的边缘的第一边缘部，所述第一槽孔部和所述第一边缘部一体成型；
12.所述第二密封环包括设置于所述第二槽孔内的第二槽孔部和设置于所述第二边框膜外侧面的边缘的第二边缘部，所述第二槽孔部和所述第二边缘部一体成型。这样，可以很好的增强密封环与边框膜的粘接力，在有效提高膜电极气密性的同时，有效保证膜电极的绝缘性能。
13.进一步地，所述注胶密封圈还包括设置于所述第三槽孔内的第三密封环，所述第三密封环与所述密封柱连接。通过第三密封环，可以很好的把第一边框膜与第二边框膜贴合密封，保证第一边框膜与第二边框膜的粘结和密封性。
14.进一步地，所述第一边框膜的侧面包括内侧面和外侧面，所述第一边框膜的内侧面为所述第一边框膜靠近所述第二边框膜的侧面，所述第一边框膜的外侧面为所述第一边框膜远离所述第二边框膜的侧面；
15.所述第二边框膜的侧面包括内侧面和外侧面，所述第二边框膜的内侧面为所述第二边框膜靠近所述第一边框膜的侧面，所述第二边框膜的外侧面为所述第二边框膜远离所述第一边框膜的侧面。
16.进一步地，所述第一密封环、所述第二密封环、所述第三密封环和所述密封柱通过所述注胶通孔一体注胶成型。
17.进一步地，所述第一边框膜和所述第二边框膜的厚度之和等于所述密封柱的高度。这样可以很好的保证边框膜气密性。
18.进一步地，所述边框组件的材质优选为pi、pen、pet或者pps。
19.进一步地，所述第一槽孔的宽度为0.1-10.0mm，长度为0.1-500mm；所述第二槽孔的宽度为0.1-10.0mm，长度为0.1-500mm。相对于现有的圆孔设置，通过设置槽孔并控制其宽度和长度，可以降低注胶的操作难度，有效提高成品率。
20.进一步地，所述注胶通孔的直径优选为0.1-10.0mm；所述注胶通孔可以为圆孔、方孔或者异形孔。
21.进一步地，所述第一密封环的宽度为1.0-20mm，高度为0.1-5.0mm；所述第二密封环的宽度为1.0-20mm，高度为0.1-5.0mm；所述第三密封环的宽度为1.0-20mm，高度为0.1-5.0mm。在本技术中，密封环一般设置于槽孔的中间位置，且密封环的宽度大于槽孔的宽度，这样能够边框组件的气密性。
22.进一步地，所述注胶密封圈的材质优选为硅胶、三元乙丙橡胶、二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟硅橡胶或者氰硅橡胶。
23.进一步地，所述边框组件的两端还设置有与所述膜电极相适配的三腔流体通道。
24.进一步地，所述边缘优选为所述边框组件上距离所述边框组件的边界3.0-30.0mm的区域。
25.相对于现有技术，本技术具有如下技术效果：
26.本实用新型中，通过采用第一边框膜和第二边框膜组合形成双边框结构，在双边框结构上进行一体化双面注胶而实现膜电极的密封，在有效保证膜电极密封性、防止膜电
极氢氧串气的同时，可以有效改善膜电极绝缘性能。
27.通过在第一边框膜和第二边框膜上交替设置槽孔，使得第一边框膜和第二边框膜贴合设置后可以在交接处形成注胶通孔，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，也有效降低了打孔注胶的操作难度，成孔效率高，有效提高成品率，又可以保证膜电极与双极板之间的密封性。
28.采用双边框结构，使得双边框结构的材质可以选择柔软轻质的材质，在有效保证密封性能和绝缘性能的同时，可以有效优化电池的质量和体积，提高空间利用率。
29.本技术通过在双边框结构上设置密封圈，当双边框结构、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，本实用新型可以通过单独更换出问题的双边框密封结构、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。而且，本实用新型工艺制作简单、注塑密封圈一体成型，不需要进行多次点胶或者贴胶圈，便于装配，有利于电堆组装效率和产能的提高；而且密封效果优良、成本低、实用性强，特别适合批量生产。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。
31.图1为本实用新型实施例所述一体化双面注胶的膜电极边框密封结构的俯视结构示意图；
32.图2为图1中第一边框膜的俯视结构示意图；
33.图3为图1中第二边框膜的俯视结构示意图；
34.图4为本技术实施例中第一边框膜和第二边框膜贴合后的贴合面的剖面视图；
35.图5为图1中注塑密封圈的俯视结构示意图；
36.图6为本技术实施例中的密封环(包括第一密封环，第二密封环和第三密封环)的截面结构示意图。
37.本实用新型目的的实现、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
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
39.需要说明，若本实用新型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。
40.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。
41.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。
42.另外，若本实用新型实施例中有涉及“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，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
43.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，燃料电池的密封主要是在双极板上采用点胶工艺、丝网印刷工艺、粘贴密封胶条，或在石墨双极板单面注胶甚至双面注胶实现的。
44.点胶工艺、丝印工艺成型密封胶条的效率低，难以实现批量化生产，且此工艺成型的密封胶条常为半圆弧型，难以对密封胶圈截面结构进行优化设计。也有部分行业内企业采用自动化设备将密封胶条粘贴到双极板槽内实现密封，此方案粘接工艺复杂，生产步骤多、效率较低，膜电极边框、双极板与密封胶条三者之间容易发生少量错位而导致气密性不合格。如果在膜电极边框上进行单面丝印或点胶成型密封胶条，需要分成二次成型密封条，工序较多且易发生错位偏移。若采用边框打孔的方式在边框上实现双面注胶，从而减少密封胶条发生错位偏移，其注胶孔的间隔距离不易控制；若注胶孔的间隔距离较大则可能导致正反两侧的密封胶条受力不均匀，进而导致边框膜产生褶皱或变形等；若注胶孔的间距较小则会造成加工工艺较为复杂，制造成本较高。
45.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，本实用新型提出了一体化双面注胶的膜电极边框密封结构。
46.如图1至图4所示，本技术实施例提出的一种一体化双面注胶的膜电极边框密封结构，用于膜电极的密封，包括边框组件10和注胶密封圈20；所述边框组件10包括贴合设置的第一边框膜11(即上边框膜)和第二边框膜12(即下边框膜)；
47.请参见图2至图3，所述第一边框膜11的侧面边缘周向设置有多个第一槽孔111，所述第二边框膜12的侧面边缘周向设置有多个第二槽孔121，所述第一槽孔111与所述第二槽孔121交替设置；
48.请参见图4所示，当所述第一边框膜11与所述第二边框膜12贴合设置时，所述第一边框膜11内侧面的所述第一槽孔111与所述第二边框膜12内侧面的所述第二槽孔121相交接形成连通的第三槽孔13，所述相交接的交接处形成注胶通孔14；
49.如图5所示，所述注胶密封圈20包括第一密封环21、第二密封环22和密封柱23，所述密封柱23分别与所述第一密封环21、所述第二密封环22连接；所述密封柱23设置于所述注胶通孔14内，所述第一密封环21设置于所述第一边框膜11外侧面的边缘，所述第二密封环22设置于所述第二边框膜12外侧面的边缘。
50.进一步地，所述第一槽孔111与所述第二槽孔121设置于同一水平空间内。在本技术中，当所述第一边框膜11与所述第二边框膜12贴合设置(本技术的贴合设置，可以通过粘结等方式实现)时，所述第一槽孔111与所述第二槽孔121交替设置，即指第一槽孔111，第二槽孔121，第一槽孔111，第二槽孔121，第一槽孔111，第二槽孔121.....的交替设置，由于第一槽孔111和第二槽孔设置于同一水平空间(如同一水平线，或者同一水平面等等)，这样能够保证边框组件的气密性。
51.进一步地，所述第一密封环21包括设置于所述第一槽孔111内的第一槽孔部(图中未标识)和设置于所述第一边框膜11外侧面的边缘的第一边缘部(图中未标识)，所述第一槽孔部和所述第一边缘部一体成型；
52.所述第二密封环22包括设置于所述第二槽孔121内的第二槽孔部(图中未标识)和设置于所述第二边框膜12外侧面的边缘的第二边缘部(图中未标识)，所述第二槽孔部和所述第二边缘部一体成型。这样，可以很好的增强密封环与边框膜的粘接力，在有效提高膜电极气密性的同时，有效保证膜电极的绝缘性能。
53.进一步地，所述注胶密封圈20还包括设置于所述第三槽孔13内的第三密封环(图中未标识)，所述第三密封环与所述密封柱23连接。通过第三密封环，可以很好的把第一边框膜与第二边框膜贴合密封，保证第一边框膜与第二边框膜的粘结和密封性，这样，通过第三密封环将第一边框膜和第二边框膜粘结而实现对质子交换膜的第一道密封(一次密封)，通过第一密封环和第二密封环实现对质子交换膜的第二道密封(二次密封)。
54.进一步地，所述第一边框膜11的侧面包括内侧面和外侧面，所述第一边框膜11的内侧面为所述第一边框膜11靠近所述第二边框膜12的侧面，所述第一边框膜11的外侧面为所述第一边框膜11远离所述第二边框膜12的侧面；
55.所述第二边框膜12的侧面包括内侧面和外侧面，所述第二边框膜12的内侧面为所述第二边框膜12靠近所述第一边框膜11的侧面，所述第二边框膜12的外侧面为所述第二边框膜12远离所述第一边框膜11的侧面。
56.进一步地，所述第一密封环21、所述第二密封环22、所述第三密封环和所述密封柱23通过所述注胶通孔一体注胶成型。这样能够有效地避免装配过程中密封环出现错位或者掉落的风险，通过注胶通孔一体注胶成型，即可实现对质子交换膜的一次密封和二次密封，可以有效地保证膜电极(燃料电池)的密封性，而且操作方便快捷。
57.进一步地，所述第一边框膜11和所述第二边框膜12的厚度之和等于所述密封柱23的高度。这样可以很好的保证边框膜的气密性。
58.进一步地，所述边框组件10的材质优选为pi、pen、pet或者pps。
59.进一步地，所述第一槽孔111的宽度为0.1-10.0mm，长度为0.1-500mm；所述第二槽孔121的宽度为0.1-10.0mm，长度为0.1-500mm。相对于现有的圆孔设置，通过设置槽孔并控制其宽度和长度，可以降低注胶的操作难度，有效提高成品率。
60.进一步地，所述注胶通孔的直径优选为0.1-10.0mm；所述注胶通孔可以为圆孔、方
孔或者异形孔。一般的，注胶通孔的尺寸需要和槽孔(包括第一槽孔和第二槽孔)相适配，即槽孔的尺寸决定注胶通孔的直径。
61.在本技术实施例中，所述注胶通孔的最大尺寸为：当所述注胶通孔为圆形通孔时，所述注胶通孔的横截面最大尺寸为圆形通孔的直径；当所述注胶通孔为方形通孔、三角形通孔时，所述注胶通孔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；当所述注胶通孔为椭圆通孔时，所述注胶通孔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。
62.进一步地，所述第一密封环21的宽度为1.0-20mm，高度为0.1-5.0mm；所述第二密封环22的宽度为1.0-20mm，高度为0.1-5.0mm；所述第三密封环的宽度为1.0-20mm，高度为0.1-5.0mm。在本技术中，密封环(包括第一密封环，第二密封环和第三密封环)一般设置于槽孔(包括第一槽孔，第二槽孔和第三槽孔，密封环和槽孔一一对应)的中间位置，且密封环的宽度大于槽孔的宽度，这样能够边框组件的气密性。
63.进一步地，所述注胶密封圈20的材质优选为硅胶、三元乙丙橡胶、二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟硅橡胶或者氰硅橡胶。
64.进一步地，所述边框组件10的两端还设置有与所述膜电极相适配的三腔流体通道15。
65.进一步地，所述边缘优选为所述边框组件(包括第一边框膜和第二边框膜)上距离所述边框组件的边界3.0-30.0mm的区域，即第一边框膜的侧面边缘为第一边框膜上距离第一边框膜的边界3.0-30.0mm的区域，第二边框膜的侧面边缘为第二边框膜上距离第二边框膜的边界3.0-30.0mm的区域。在本技术中，边框进出口处的边框结构设计由成型时的模具结构及成型工艺参数条件所决定，根据实际需要，边框进出口处可开通孔、不形成连续密封线的槽孔或形成连续密封线的槽孔。
66.此外，注塑密封圈可以采用侧面进胶或底部进胶的方式，具体可以根据成型模具结构设计而定。在本技术的实施例中，注塑密封圈采用侧边进胶的方式成型，注胶口有十个。
67.在本技术中，注塑成型时与ccm接触的区域需要严格控制温度，具体的温度需要根据边框组件的材料、胶水材质以及成型温度等而决定，一般接触区域温度不超过110℃。
68.在本技术实施例中，第一密封环、第二密封环以及第三密封环的截面可以为矩形、梯形、半圆弧型、三角形或者矩形内带凹槽结构(如图6所示)等形状。密封环的截面为矩形内带凹槽结构的形状，可以更好的提高边框组件的气密性。
69.具体的，在其中一个实施例中的一体化双面注胶的膜电极边框密封结构中，其边框组件的材质为pi膜，边框组件的厚度为50μm。第一槽孔和第二槽孔的直径为1.6mm，长度为65mm。注胶成型用选用的胶水为硅胶，注塑密封圈的成型温度约为110℃，成型时间2min；第一密封环和第二密封环的胶高为0.6
±
0.03mm，胶条宽度为1.8
±
0.03mm。第一密封环和第二密封环的横截面为矩形内带凹槽的结构，这样可以达到逐层减压、双向密封的作用。在该实施案例中，在注胶工艺生产过程中需控制膜电极活性区域的温度，需严格控制温度小于或等于75℃。注射成型后的注塑密封圈无气泡、无白点、无缺胶且尺寸合格后方视为合格产品。
70.使用的时候，将质子交换膜(ccm)放置于本技术的结构的第一边框膜和第二边框
膜之间，且质子交换膜放置于第三密封环的密封区域内，通过第三密封环将第一边框膜和第二边框膜粘结而实现对质子交换膜的第一道密封(一次密封)，通过第一密封环和第二密封环实现对质子交换膜的第二道密封(二次密封)，然后与其他组件一起按顺序堆叠固定即可。本技术实施例通过将密封环固定在边框组件的两侧，并通过注胶通孔将两侧的密封环连接，使得密封环能够更加稳固地固定在边框组件上，有利于膜电极的密封；而且，将密封环设置在边框组件上，避免了将密封环直接注胶在膜电极边框或双极板上可能导致的膜电极和双极板损坏，当出现问题时，可以单独对边框组件进行更换，而不用同时更换双极板或者其他部件。
71.本技术实施例中的三腔流体通道指的是燃料通道、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边框组件的一端；燃料出口、冷却水出口和氧化剂进口设置在边框组件的另一端。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上的相应通道连通。
72.在本技术实时例中，为保证膜电极、双极板和边框组件三者之间的密封性，所述第一密封环环绕所述边框组件一侧的三腔流体通道的进出口设置，所述第二密封环环绕所述边框组件另一侧的三腔流体通道进出口设置。
73.在本实用新型中，通过采用第一边框膜和第二边框膜组合形成双边框结构，在双边框结构上进行一体化双面注胶而实现膜电极的密封，在有效保证膜电极密封性、防止膜电极氢氧串气的同时，可以有效改善膜电极绝缘性能。
74.通过在第一边框膜和第二边框膜上交替设置槽孔，使得第一边框膜和第二边框膜贴合设置后可以在交接处形成注胶通孔，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，也有效降低了打孔注胶的操作难度，有效提高成品率，又可以保证膜电极与双极板之间的密封性。
75.相对于单边框结构，本技术采用双边框结构，使得双边框结构的材质可以选择柔软轻质的材质，在有效保证密封性能和绝缘性能的同时，可以有效优化电池的质量和体积，提高空间利用率。
76.本技术通过在双边框结构上设置密封圈，当双边框结构、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，本实用新型可以通过单独更换出问题的双边框密封结构、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。而且，本实用新型工艺制作简单、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。
77.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型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实用新型的专利保护范围内。