用于燃料电池的密封单元、单电池结构和燃料电池的电堆的制作方法

1.本技术涉及一种用于燃料电池的密封单元，以及采用这种密封单元的单电池结构和燃料电池的电堆。


背景技术：

2.燃料电池通常由膜电极组件(mea)、双极板(bpp)、端板和夹具组成，由多个单电池组装在一起形成电堆。其中，密封工艺的好坏对于电堆的安全性和有效性至关重要。mea结构的惯常设计是在ccm所在的反应区1的外围设置密封单元(sub-gasket)2，参见图1所示。
3.然而，上述密封方案存在以下缺点：为了密封效果，位于反应区1的ccm的边缘通常需要与密封单元2粘附在一起。为了获得完整的密封单元2的外围形状，在制造密封单元时，位于分配区的歧管出入口和反应区的整块密封单元的衬垫材料因此被切除，这使得制造密封单元的材料的利用率非常低；此外，为了将膜电极组件与双极板密封，设置在双极板上的橡胶密封唇工艺也需要增加额外的成本。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种燃料电池密封单元，其结构简单、成本低廉且密封性能理想。
5.根据本技术的第一方面，提供了一种用于燃料电池的密封单元，包括：由至少两片子密封单元围合而成的限定密封区域的密封垫，每片所述子密封单元具有核心层和分别施加在所述核心层上、下表面的第一粘合层和第二粘合层。该密封垫被配置为，其第一表面通过所述第一粘合层粘附至燃料电池的阴极板，与所述第一表面相对的第二表面通过所述第二粘合层粘附至燃料电池的阳极板，且所述子密封单元之间彼此通过粘合方式或材料堆叠方式密封相连。
6.在可行的实施方式中，所述子密封单元的数量为两片或四片，当所述子密封单元为两片时，该两片所述子密封单元被构造为形状相同；当所述子密封单元为四片时，该四片子密封单元被构造为两两形状相同。
7.在可行的实施方式中，当所述子密封单元为两片时，每片所述子密封单元的外轮廓被构造为l型，其中，l型的一条边被构造为限定燃料电池单侧的分配区，另一条边被构造为局部限定燃料电池的反应区。
8.在可行的实施方式中，当所述子密封单元之间通过粘合方式密封相连时，相邻的两片所述子密封单元之间的间隙由粘合剂填充。
9.在可行的实施方式中，当所述子密封单元之间采用材料堆叠方式密封相连时，相邻的两片所述子密封单元之间相互抵靠，且至少一片所述子密封单元在靠近连接处沿其厚度方向设置重叠区。
10.在可行的实施方式中，所述核心层的材料为pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)，pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或pi(聚酰亚胺)；所述粘合层的材料为acrylic(丙烯酸树脂)。
11.根据本技术的第二个方面，提供了一种单电池结构，包括阴、阳极板和位于所述阴、阳极板之间的膜电极组件，所述阴、阳极板划分有分配区和反应区，所述膜电极组件包括ccm、扩散层、以及如前所述的密封单元，所述ccm和所述扩散层被所述密封单元限定于所述反应区内。
12.在可行的实施方式中，当所述子密封单元之间采用材料堆叠方式密封相连时，所述阳极板或阴极板上具有容置所述重叠区的凹槽，所述凹槽的深度略小于所述子密封单元的厚度，一般小于5％-10％子密封单元的厚度。
13.根据本技术的第三个方面，提供了一种燃料电池的电堆，包含多个沿阴、阳极板厚度方向堆叠的如前所述的单电池结构。
14.本技术的积极效果在于：一方面保证了密封单元的密封性能，另一方面降低了其结构复杂度和加工成本，节省了材料。
附图说明
15.下面，通过参看附图更详细地描述本技术，可以更好地理解本技术的原理、特点和优点。附图包括：
16.图1为现有技术的简要示意图；
17.图2为本技术的密封单元一个具体实施方式的示意图；
18.图3为本技术的密封单元另一个具体实施方式的示意图；
19.图4为本技术中密封单元自身的结构示意图；
20.图5为子密封单元在切割前的排布示意图；
21.图6为相邻子密封单元接口处的一种连接方式示意图；
22.图7为相邻子密封单元接口处的另一种连接方式示意图。
具体实施方式
23.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本技术，而不是用于限定本技术的保护范围。
24.参见图2至图4所示，本技术的用于燃料电池的密封单元10，包括例如图2展示的四片子密封单元11、12、13、14围合而成的、限定密封区域的密封垫。本领域技术人员理解，燃料电池中需要限定的密封区域通常包括燃料电池反应区20的外边界，以及燃料电池分配区30中不同歧管的出、入口31等。参见图3所示，在另外一些实施例中，密封单元10例如也可以由两片子密封单元1213、1114围合而成。
25.如图3所示，本技术中的密封单元10被配置为：具有一个核心层10c，以及位于核心层10c的上表面的第一粘合层10a和位于核心层10c的下表面的、与第一粘合层10a相对的第二粘合层10b。其中，第一粘合层10a粘附至燃料电池的一个极板(例如阴极板)；而与所述第一粘合层10a相对的第二粘合层10b粘附至燃料电池的另一个极板(例如阳极板)。
26.不同于现有技术中常见的边缘处需要通过凹凸形状拼接进行密封的各种密封单元，本技术中各子密封单元11、12、13、14(或1213、1114)的邻接处形状无需采用复杂设计。如图所示，子密封单元11、12、13、14(或1213、1114)之间直接通过粘合剂粘合的方式或材料
堆叠方式密封相连，也就是说，各个子密封单元之间省略了各种相互匹配或者可插接的边缘形状。这就使得各个子密封单元的端面在设计和制造时工艺大为简化；同时，由于不规则的边角数量减少，也节省了材料。
27.当所述子密封单元为四片时，该四片子密封单元被构造为两两形状相同，也就是四片子密封单元可以分为两组，同组中的两片形状是相同的。例如图中，子密封单元11、12的形状相同，子密封单元13、14的形状相同。将这四片子密封单元连接起来时，相同的两片子密封单元两两相对，即可以将密封垫围成中间是反应区20、两侧为分配区30的形状。
28.类似地，当所述子密封单元为两片时，该两片所述子密封单元1213、1114被构造为形状相同的两片。例如附图4所示，每片所述子密封单元1213(1114)均被构造为l型。其中，l型的一条边(等同于子密封单元11、12)被构造为限定燃料电池单侧的分配区，另一条边(等同于子密封单元的13、14)被构造为限定燃料电池的反应区的一侧。将这两片l型的子密封单元1213、1114首尾相连时，可以形成一个完整的密封垫，其中，密封垫围合形成的中间部分即为燃料电池的反应区20，两侧的区域则分别位于两边的分配区30。
29.参见图5所示，无论是两片式还是四片式的子密封单元，这种设计在衬垫100上进行材料切割时都可以利用其形状特点非常紧密地排布，因此相比于现有设计而言极大程度上节省了子密封单元的材料，也使得工艺变得简单。
30.由于每片所述子密封单元具有核心层10c和分别施加在所述核心层10c上、下表面的第一粘合层10a和第二粘合层10b。所述核心层10c的材料为pen，pet或pi中的一种；所述第一、第二粘合层10a、10b的材料为acrylic。其通过粘合的方式与两边的金属极板(阴、阳极板)40相互固定，使得固定面更大更牢固，同时也省略了传统工艺中密封唇边的设计。
31.此外，由于子密封单元之间的连接部位不要求特殊形状的拼接，也进一步简化了工艺并节省了材料。相对于四片式而言，两片式子密封单元由于形状完全一样，加工和排布起来也更加简单明了；而且接口处更少，密封状况更好。
32.如图6、图7所示，在本技术中，接口处的连接方式可以有多种，例如图6所示，当所述子密封单元12、13之间通过粘合方式密封相连时，相邻的两片所述子密封单元12、13之间的间隙由粘合剂50填充。
33.如图7所示，当所述子密封单元12、13之间采用材料堆叠方式密封相连时，相邻的两片所述子密封单元12、13之间相互抵靠，且至少一片所述子密封单元在靠近连接处a沿竖直方向设置重叠区。
34.在一些实施方式中，重叠区的设置有赖于金属极板40上的凹槽41。如图所示，例如可以在金属极板40上通过冲压的方式形成容置所述重叠区15的凹槽41，所述凹槽41的深度小于所述子密封单元的厚度的5％-10％，也是就是说，所述凹槽41的深度为所述子密度单元的厚度的90％-95％。将与子密封单元12、13结构相同的且能置于凹槽内的材料以在子密封单元厚度方向上堆叠的形式粘结于相邻两片子密封单元的连接处a附近，如图所示，两片子密封单元12、13的连接处由此被重叠区15的材料密封，使得密封区内的流体无法通过连接处泄漏出来。
35.本领域技术人员理解，对于单电池结构而言，其通常包括阴、阳极板和位于所述阴、阳极板之间的膜电极组件，所述阴、阳极板划分有分配区和反应区，所述膜电极组件包括ccm、扩散层、以及如前所述的密封单元10，所述ccm和所述扩散层被所述密封单元限定于
所述反应区内。组装时，先将ccm和扩散层裁剪至适当的尺寸，将两片或四片涂敷有粘合层的子密封单元贴附在一侧金属极板和ccm的表面，然后填充各子密封单元之间的缝隙，最后再将另一侧金属极板贴好。由此就完成了一个单电池的安装。
36.对于电堆而言，其包含多个沿竖直方向堆叠的前述单电池结构，且相邻的阴、阳极板由同一块金属极板(双极板)构成。
37.尽管这里详细描述了本技术的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本技术的范围构成限制。在不脱离本技术精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。

技术特征：
1.一种用于燃料电池的密封单元，其特征在于，包括：由至少两片子密封单元围合而成的限定密封区域的密封垫，每片所述子密封单元具有核心层和分别施加在所述核心层上、下表面的第一粘合层和第二粘合层，该密封垫被配置为，其第一表面通过所述第一粘合层粘附至燃料电池的阴极板，与所述第一表面相对的第二表面通过所述第二粘合层粘附至燃料电池的阳极板，且所述子密封单元之间彼此通过粘合方式或材料堆叠方式密封相连。2.根据权利要求1所述的密封单元，其特征在于，所述子密封单元的数量为两片或四片，当所述子密封单元为两片时，该两片所述子密封单元被构造为形状相同；当所述子密封单元为四片时，该四片子密封单元被构造为两两形状相同。3.根据权利要求2所述的密封单元，其特征在于，当所述子密封单元为两片时，每片所述子密封单元的外轮廓被构造为l型，其中，l型的一条边被构造为限定燃料电池单侧的分配区，另一条边被构造为局部限定燃料电池的反应区。4.根据权利要求1所述的密封单元，其特征在于，当所述子密封单元之间通过粘合方式密封相连时，相邻的两片所述子密封单元之间的间隙由粘合剂填充。5.根据权利要求1所述的密封单元，其特征在于，当所述子密封单元之间采用材料堆叠方式密封相连时，相邻的两片所述子密封单元之间相互抵靠，且至少一片所述子密封单元在靠近连接处沿其厚度方向设置重叠区。6.根据权利要求1所述的密封单元，其特征在于，所述核心层的材料为聚萘二甲酸乙二醇酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺；所述粘合层的材料为丙烯酸树脂。7.一种单电池结构，包括阴、阳极板和位于所述阴、阳极板之间的膜电极组件，所述阴、阳极板划分有分配区和反应区，其特征在于，所述膜电极组件包括ccm、扩散层、以及如权利要求1-6中任意一项所述的密封单元，所述ccm和所述扩散层被所述密封单元限定于所述反应区内。8.一种单电池结构，包括阴、阳极板和位于所述阴、阳极板之间的膜电极组件，所述阴、阳极板划分有分配区和反应区，其特征在于，所述膜电极组件包括ccm、扩散层、以及如权利要求5所述的密封单元，所述ccm和所述扩散层被所述密封单元限定于所述反应区内，所述阳极板或阴极板上具有容置所述重叠区的凹槽。9.根据权利要求8所述的单电池结构，其特征在于，所述凹槽的深度小于所述子密封单元的厚度，且所述凹槽的深度为所述子密封单元的厚度的90％-95％。10.一种燃料电池的电堆，其特征在于，包含多个沿阴、阳极板厚度方向堆叠的如权利要求7或8或9所述的单电池结构。

技术总结
本申请涉及一种用于燃料电池的密封单元、单电池结构和燃料电池的电堆，其中密封单元包括：由至少两片子密封单元围合而成的限定密封区域的密封垫，每片所述子密封单元具有核心层和分别施加在所述核心层上、下表面的第一粘合层和第二粘合层，该密封垫被配置为，其第一表面通过所述第一粘合层粘附至燃料电池的阴极板，与所述第一表面相对的第二表面通过所述第二粘合层粘附至燃料电池的阳极板，且所述子密封单元之间彼此通过粘合方式或材料堆叠方式密封相连。密封相连。密封相连。


技术研发人员：郝小罡 张敬君 谢旭
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2023.01.17
技术公布日：2023/7/28