专利名称：复合密封结构的燃料电池双极板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种燃料电池，特别是涉及一种一体复合密封式结构的燃料电池 双极板。
背景技术：
随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的不断提升，相应地，对于传统的化石 能源(如石油、天然气等)已越来越无法满足人类日常生产、生活的需求。众所周知，传统 能源多为不可再生能源，迟早会被消耗殆尽，并且此类能源会引起严重的全球环境污染问 题。为了地球及人类社会的可持续发展，世界各国都在致力于寻找到一种可再生的清洁能 源。目前科学家们一致认为“氢能”是未来替代汽油、柴油等传统能源的有效清洁能源之一； 但是氢气直接利用的话，能量转换效率地低下，所以燃料电池的应用成为了一种有效途径， 其中尤以质子交换膜燃料电池为重，因为它是一种直接将储存于燃料(如氢气)和氧化剂 (如空气)中的化学能高效且对环境友好地转化为电能的发电装置，由于其具备这些优势 已被公认为未来的清洁动力电源，并且在移动式电源、备用电源、汽车、航空航天等领域都 已有广泛的应用。质子交换膜燃料电池堆是由多组单电池组成，一组单电池由膜电极(MEA)、阴极 板、阳极板、密封件组成，如图1所示氢气流场密封件1，阳极板2，水流场密封件3，阴极板 4，空气流场密封件5，膜电极6。单电池的阳极板与另一组单电池的阴极板连接组成一组燃 料电池双极板，两块极板之间安装有密封件结构，每两组双极板之间则放置一片膜电极，双 极板和膜电极之间也安装有密封件结构，密封件结构在电池中起到分隔流体腔，防止气体 泄漏的作用。再根据负载用电电压的不同要求串联一定数量的单电池后再加上端板等附件 组成一个燃料电池堆。这样可以看出，燃料电池电堆装配过程序要重复的部件多达6件以 上，导致装配过程复杂，容易出现漏装、错装现象。当质子交换膜燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程氢气和空气在扩散层 内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；氢气在阳 极反应生成的氢质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同空气中 的氧分子在阴极侧催化层内反应结合成水，同时放出热量。冷却水将放出的热量带出燃料 电池内部。从其反应过程可以了解，燃料电池的电化学反应是一个多流体结合电催化的反 应过程。氢气是一种极易泄漏的气体，一旦发生泄漏或和空气发生互串会导致燃烧和爆炸 等危险情况。冷却水和气体发生泄漏或互串会影响电堆性能导致水淹等情况发生。所以， 燃料电池堆的密封工艺要求就显得至关重要。本田技研工业株式会社在中国专利ZL02813619、ZL02813979、ZL200610075875
中提到一种直接在双极板上涂敷密封剂的方法，最后通过压合方法将燃料电池组件全部粘 结在一起。通过该方法得到的燃料电池组件在装配前并不是真正的双极板，仅仅是单极板。 涂敷的办法是在起始点采用相交延长的办法处理，需要加大涂胶的隔板面积，造成面积浪 费，通过该工艺粘合组成的燃料电池堆无法重复拆卸维修，而且装配时较复杂，可能会出现漏装或错装的情况。上海神力科技有限公司在中国专利ZL01105975中公开了一种燃料电池单元的 密封办法，采用独立的预先成型的密封垫圈嵌入到燃料电池极板密封槽及膜电极之间形成 密封结构的办法，需要多一步将密封垫嵌入密封槽的步骤。该方法适合批量生产燃料电池 用的密封垫片，但是其方法没能实现将密封圈直接成型在极板上，并且使用该方法组成的 极板在装配的时候比较复杂，必须以一片阴极板、一片阳极板、一片膜电极的顺序依次叠 加，并且每个单元之间需要放置单独成型的密封圈来密封。这样的方法不但工艺复杂，工作 量大，电堆拆卸维护也相当复杂；而且由于密封圈原本是独立的，如图2所示，装配后完全 靠压紧力来实现密封，密封件和极板之间的接触面8会有缝隙，气密性不理想，导致氢气泄 露。另外，密封垫圈的制作需要开发模具，前期开发成本高。上海神力科技有限公司又在中国专利ZL200610030850中公开了一种燃料电池 密封组件结构，其所述的密封胶是粘在导流极板或双极板的导氢气阳极面的密封槽内，其 实质依然是单极板，并没有形成燃料电池双极板单元结构，装配复杂且气密性依然不可靠。所以，如何简化燃料电池电堆的装配工艺，如何标准化燃料电池零部件生产，如何 提高燃料电池堆的气密可靠性都已成为目前影响燃料电池产业化的关键技术问题。
实用新型内容本实用新型是要提供一种复合密封结构的燃料电池双极板，使用这种双极板可简 化燃料电池堆的装配过程，提高燃料电池的密封效果。本实用新型的技术方案是一种复合密封结构的燃料电池双极板，由阴极板、阳极 板、空气流场密封件、水流场密封件、氢气流场密封件组成，空气流场密封件和氢气流场密 封件直接固化成型在阴极板和阳极板的密封槽表面，水流场密封件与阴极板和阳极板粘结 为一体形成复合密封结构的双极板；空气流场，水流场以及氢气流场密封件在极板表面固 化成型形成分子结合力密封层。阴极板一个面上设有空气流场和空气流场密封槽，另一个面上设有水流场和水流 场密封槽；阳极板一个面带有氢气流场和氢气流场密封槽；空气流场密封件直接在空气流 场密封槽内成型固化，形成分子结合力密封层；氢气流场密封件直接在氢气流场密封槽内 成型固化，形成分子结合力密封层；水流场密封件直接在水流场密封槽内成型，压合将复合 气流场密封件的阴阳极板粘结在一起后固化，水流场密封件在两极板表面都形成分子结合 力密封层。本实用新型的有益效果是本实用新型直接在极板上进行密封件涂覆、成型、压合 等工艺得到复合密封结构燃料电池双极板组件，不仅得到电堆装配的模块化组件，大大方 便了燃料电池堆的装配。而且在于密封件在极板表面直接加工成型，密封件在固化成型过 程中和极板接触面形成了分子结合力密封层，得到更加可靠的密封性。
图1是单电池结构爆炸图；图2-A、图2-B是独立密封件和极板装配前后效果示意图；图3是复合密封结构双极板示意图；[0016]图4是本实用新型密封件成型效果图；图5是复合密封结构的双极板加工工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型的实施方式。应理解，这些实施例仅 用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型 讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同 样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本实用新型的复合密封结构的燃料电池双极板如图3所示，阴极板4、阳极板2、空 气流场密封件14、水流场密封件13、氢气流场密封件10组成。其中，阴极板4 一个面上有 空气流场16和空气流场密封槽15，另一个面上有水流场17和水流场密封槽12 ；阳极板2 一个面带有氢气流场18和氢气流场密封槽9 ；空气流场密封件14直接在空气流场密封槽 15内成型固化，形成了分子结合力密封层11，氢气流场密封件10直接在氢气流场密封槽9 内成型固化，形成了分子结合力密封层11，水流场密封件13直接在水流场密封槽12内成 型，压合将复合气流场密封件的阴阳极板粘结在一起后固化，水流场密封件13在两极板表 面都形成分子结合力密封层11。图4给出了本实用新型中密封件成型后的效果图，密封胶在极板密封槽内涂敷成 型，在固化过程中接触面通过密封胶液体对极板密封槽底部的渗透，会形成靠密封胶分子 间结合力形成的密封层11，避免了电堆积压装配过程中接触面上缝隙造成的气体泄露，可 以大大改善气密性。本实用新型具体的制造方法(图5所示)1.使用流体模拟软件模拟计算流道分布的合理性，使用结构力学软件模拟计算分 析双极板的强度；2.使用计算机制图软件设计双极板整体结构及流道；3.通过机械加工得到阴极板和阳极板半成品；4.采用三轴涂覆设备在阴极板密封槽上涂覆高温固化的密封胶，涂覆方法为，用 适当的气压、温度及涂覆速度在密封槽上涂上一层宽度和高度适中的密封胶，然后放入烘 箱，在设定温度下烘烤固化。5.在复合密封结构阴极板和阳极板冷却水侧密封槽涂覆另一种密封胶，涂覆完后 立即压合，至密封胶固化完全，最后再进行气密性测试得到合格的成品。由此便得到了一组 复合密封结构的燃料电池双极板如图3。具体实施案例(1)采用石墨片材，先用高精度磨床进行表面打磨处理，得到厚度为1.3mm和 0. 9mm的双极板基材，长、宽分别为400mm，IOOmm ；再采用高精度数控机床加工双极板基材 上的流道、孔、密封槽等结构，阴阳极采用普通的多通道平行流场；(2)采用三轴密封涂敷设备，通过压力为5. Obar的氮气驱动，针头以约50mm/s的 速度在阴极板密封槽上涂覆一层0. 5mm高，4mm宽的密封胶；(3)用检验设备检验合格后，放入烘箱烘烤使其固化，烘烤温度为130°C，时间为1 小时；
5[0031](4)固化完毕后，继续在冷却水侧密封槽上涂覆一层常温缓慢固化的密封胶，驱动 气压为5. 5bar,针头速度为60mm/s，密封胶高度为0. 6mm,宽度约2. Omm,涂覆完后立即在压 合模具中压合，至密封胶固化完全；(5)对双极板进行气密性测试；(6)气密性测试合格最后得到一组一体式的原位复合密封结构的燃料电池双极 板。
权利要求一种复合密封结构的燃料电池双极板，由阴极板(4)、阳极板(2)、空气流场密封件、水流场密封件、氢气流场密封件组成，其特征在于所述空气流场密封件和氢气流场密封件直接固化成型在阴极板(4)和阳极板(2)的密封槽表面，水流场密封件与阴极板(4)和阳极板(2)粘结为一体形成复合密封结构的双极板；空气流场，水流场以及氢气流场密封件在极板表面固化成型形成分子结合力密封层。
2.根据权利要求1所述的复合密封结构的燃料电池双极板，其特征在于所述阴极板 (4) 一个面上设有空气流场(16)和空气流场密封槽(15)，另一个面上设有水流场(17)和 水流场密封槽(12)。
3.根据权利要求1所述的复合密封结构的燃料电池双极板，其特征在于空气流场密 封件(14)直接在空气流场密封槽(15)内成型固化，形成分子结合力密封层(11)。
4.根据权利要求1所述的复合密封结构的燃料电池双极板，其特征在于所述阳极板 一个面带有氢气流场(18)和氢气流场密封槽(9)；氢气流场密封件(10)直接在氢气流场 密封槽(9)内成型固化，形成分子结合力密封层(11)。
5.根据权利要求1所述的复合密封结构的燃料电池双极板，其特征在于所述水流场 密封件(13)直接在水流场密封槽(12)内成型，压合将复合气流场密封件的阴阳极板粘结 在一起后固化，水流场密封件(13)在两极板表面都形成分子结合力密封层(11)。
专利摘要本实用新型涉及一种复合密封结构的燃料电池双极板，空气流场密封件和氢气流场密封件直接固化成型在阴极板和阳极板的密封槽表面，水流场密封件与阴极板和阳极板粘结为一体形成复合密封结构的双极板；空气流场，水流场以及氢气流场密封件在极板表面固化成型形成分子结合力密封层。采用石墨或金属作为成型材料，在加工完外形尺寸、流体通道孔和流体分配流道后得到阴极和阳极板，使用高温固化密封胶，在阴阳极板的空气密封槽和氢气密封槽中通过涂敷密封胶工艺加工出具有阻滞功能的弹性密封结构，再经高温固化后得到复合密封结构单极板，在复合密封结构单极板的水流场密封槽中涂敷密封胶，再通过压合模具压合阴阳极板固化制成复合密封结构的燃料电池双极板。
文档编号H01M4/86GK201689935SQ20102016071
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者张超, 徐麟, 沈军, 章波, 陈凌云, 陈捷 申请人:昆山弗尔赛能源有限公司