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CN103779515A - 一种燃料电池密封材料及其制备方法 - Google Patents

一种燃料电池密封材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池密封材料，包括离型薄膜层以及从所述离型薄膜层的两各侧面分别向外依次叠加设置的粘合剂胶层、基材薄膜和弹性密封胶层。本发明的燃料电池密封材料同时解决了燃料电池内部膜电极的内密封和膜电极与双极板之间的外密封，节约了原材料，在室温下具有良好的粘接性，不用热压，减少了膜电极的密封加工时间，提高了生产效率，同时将内外密封材料合二为一，便于燃料电池电堆的自动化生产，对燃料电池的工业化具有重要的意义。

Description

一种燃料电池密封材料及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体地涉及一种燃料电池密封材料及其制备方法。
背景技术
燃料电池以其转化效率高、低噪音、无排放等优点，越来越被各行各业的人士所接受。氢气在燃料电池的阳极板的催化剂的作用下，生成质子和电子，质子透过质子交换膜，到达燃料电池阴极，而电子是不能通过质子交换膜的，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极后，与氧原子和质子重新结合为水。由于氢气分子直径较小，给燃料电池的密封带来很大困难。现在的燃料电池的密封材料大都采用其他行业使用的硅胶类、丙烯酸类，基本上只是三层构成，基材上涂覆胶层后外加一层离型膜，有的只是在基材上涂覆一层胶，非常不便于电池内部膜电极(MEA)的密封。
传统的实现膜电极密封的方法包括将密封件设在导流板正反两面的密封槽内或平面上，并分别有一部分高出导流板的表面，与膜电极中的基材膜通过压紧方式达到密封效果；或者对膜电极进行整齐的裁剪，并在膜电极的四周用弹性体与相对应的导流板上的密封槽压紧后达到密封的目的。欧洲专利EP0604683A1中采用的密封装置包括空气进气口、质子交换膜、密封件和碳纸，其中，将膜电极上的两边多孔性支撑材料碳纸大大延伸出膜电极的活性区，将密封材料放在膜电极的质子交换膜上，这样夹住膜电极的两块导流板上不需要再放置密封材料。但上述密封方法存在的缺陷在于：由于燃料电池堆是由较多个膜电极与双极板组合装配在一起的，且燃料电池堆前后端板必须承受较大的均匀的紧固力，使密封件有一定的弹性形变，并紧紧地与膜电极、双极板贴住，才能达到密封效果。因此，这种密封件的表面在长时间的紧固力的作用下，与其接触的膜电极、双极板表面都会产生粘附力。
专利200510023723《一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构》中公开了一种用于燃料电池的导流双极板或膜电极的密封结构，包括导流双极板或膜电极、密封件，其中，密封件设置在导流双极板或膜电极的正、反对称位置，在导流双极板或膜电极设置密封件的位置上开有多个连接通孔，设置在导流双极板或膜电极正、反面的二密封件通过上述多个连接通孔用与其本身相同的材料连接在一起。其实现了当导流双极板与膜电极分离时，其密封件不易变形，也不会脱落，但其需要对膜电极表面进行加工，成本大，操作复杂。
专利200480023765《膜电极组件的密封》中公开了一种包括衬里层和粘合层的封装薄膜，为了实现对膜电极的密封，需要同时准备两条封装薄膜，一条设置在气体扩散基片的外表面上，另外一个封装薄膜被设置在气体扩散基片的内表面上，同时为了达到更好的密封效果，需要MEA上预先设置一个或多个垫片，操过过程复杂，增加了MEA的密封加工时间，不利于自动化生产。而且密封效果也不尽如人意。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种燃料电池密封材料及其制备方法，该材料不但解决了对膜电极内密封，而且也解决了膜电极与双极板之间的电堆的外密封，密封效果好。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种燃料电池密封材料，包括离型薄膜层以及从所述离型薄膜层的两个侧面分别向外依次叠加设置的粘合剂胶层、基材薄膜和弹性密封胶层。
其中，所述的基材薄膜的制作材料选自聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、聚偏氟乙烯(PVDF)、特氟龙、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)或聚酰胺(PA)中的任意一种；所述的粘合剂胶层的制作材料选自丁苯橡胶、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、有机硅胶、硅胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯类胶、丙烯酸类胶、酚醛树脂、环氧树脂、丁晴橡胶、尿醛树脂、不饱和聚酯或氯丁橡胶中的任意一种；所述的弹性密封胶层的制作材料选自橡胶类、硅胶类、聚氨酯类和聚脲中的任意一种；所述的离型薄膜层的制作材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、含氟材料、低压聚乙烯(LDPE)、高压聚乙烯(HDPE)、拉伸聚丙烯(BOPP)和聚乙烯(PE)中的任意一种，其中，所述的含氟材料优选地为聚四氟乙烯(PTFE)或铁氟龙。
优选地，所述基材薄膜的制作材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；所述粘合剂胶层的制作材料为有机硅胶或硅胶；所述弹性密封胶层的制作材料为硅胶类材料，如706硅胶、高温硅胶(HS-1860)，其弹性好，适用范围广；所述离型薄膜层的制作材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、拉伸聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)中的任意一种，这些材料来源广泛，且价格合适。在上述优选的条件下，所制备的燃料电池密封材料具有较好的密封性能。
所述基材薄膜的厚度为0.01-1mm；所述粘合剂胶层的厚度为1-100μm；所述的弹性密封胶层的厚度为0.01-3mm。
优选地，所述基材薄膜的厚度为0.1-0.3mm；所述粘合剂胶层的厚度为10-50μm；所述弹性密封胶层的厚度为0.4-1.2mm。
上述基材薄膜的厚度、离型薄膜层的厚度、粘合剂胶层的厚度以及弹性密封胶层的厚度可以根据具体的需要和实际对材料机械强度的要求来进行选择。
本发明还提出了上述燃料电池材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)在25℃下，在基材薄膜的一个侧面涂覆一层粘合剂胶层，另一个侧面涂覆弹性密封胶层，形成密封层结构，粘合剂的粘度在3000-10000cP；
(B)待密封层结构中的粘合剂胶层固化后，控制硬度在20-60邵氏硬度，再将两层密封层结构对称复合，在两层粘合剂胶层之间通过一层离型薄膜层隔离，得到所述燃料电池密封材料。
本发明的燃料电池密封材料通过对基材薄膜的处理，在一边涂覆粘合剂形成粘合剂胶层，另一边涂覆弹性密封胶层，形成一个整体的密封层结构；待粘合剂胶层固化后，将两层密封层结构进行复合，两层密封层结构之间通过离型薄膜层隔离。使用的时候，只要从离型薄膜层上揭开，将涂有粘合剂的面分别对称粘在需要密封的膜上，然后稍施加一定的压力，即可使该密封材料与燃料电池内部膜电极达到很好的密封效果。密封后的膜电极四周具有弹性密封胶层，在燃料电池堆内，由于装堆压力的作用，弹性密封胶层紧紧贴在双极板的两侧，从而达到燃料电池堆内部膜电极与双极板密封。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)通过在离型薄膜层的两个侧面都设置密封层结构，有利于膜电极的密封的手工生产和自动化生产，能更好的进行燃料电池膜电极的内密封且可以节约离型膜的使用量，同时由于是两边对称结构，可以提高密封材料的生产效率。
(2)本发明的密封材料单独设置了弹性密封胶层，由于是涂敷在外侧，增加了弹性密封层与基层的粘滞力，有利于燃料电池电堆的外密封；同时由于弹性密封层是与基材和粘合胶层同时粘接在膜电极边框的外表面，减少了燃料电池内部密封材料生产时间，提高了生产效率，有利于燃料电池自动化生产。进一步地，由于弹性密封层的存在，减少了对双极板密封槽的加工，节约了双极板的加工成本，降低了双极板加工的技术要求。
(3)本发明的燃料电池密封材料同时解决了燃料电池内部膜电极的内密封和膜电极与双极板之间的外密封，节约了原材料、室温下具有良好的粘接性，不用热压，减少了膜电极(MEA)的密封加工时间，提高了生产效率、内外密封材料合二为一，便于燃料电池电堆的自动化生产，对燃料电池的工业化具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明燃料电池密封材料的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步的解释。
实施例1
一种燃料电池密封材料，如图1所示，包括离型薄膜层4以及分别依次对称地设置于所述离型薄膜层4两个侧面的粘合剂胶层3、基材薄膜2和弹性密封胶层1。其通过如下方法进行制备：
(A)在25℃下，在基材薄膜2的一个侧面涂覆一层粘合剂胶层3，另一个侧面涂覆弹性密封胶层1，三层材料形成一个整体的密封层结构，粘合剂的粘度在5000cP左右；
(B)待密封层结构中的粘合剂胶层3固化后，控制硬度在40邵氏硬度左右，再将两层密封层结构对称复合，在两层粘合剂胶层3之间通过一层离型薄膜层4隔离，得到所述燃料电池密封材料。
其中，上述的基材薄膜2材料为PET，基材厚度为0.2mm；粘合剂胶层3的材料为有机硅胶，涂覆厚度为45μm；弹性密封胶层1的材料为706硅胶，涂覆厚度为0.8mm，离型薄膜层1为PET。
在使用时，将密封材料从离型薄膜层揭开，将涂有粘合剂的面分别对称粘在需要密封的膜上，然后稍施加一定的压力，即可使该密封材料与燃料电池内部膜电极达到很好的密封效果。
密封材料密封效果测试：
(1)将该密封材料粘接在膜电极上，保证膜电极不漏气，按照此种方法，加工10片膜电极；
(2)将贴有该密封材料的膜电极与双极板组装成一个10片的电堆，装堆压力在0.5-1T范围内；
(3)将电堆的出气口堵住，进气口充气，逐渐增加压力，观察电堆的漏气现象。
结果表明，当气体压力0.5MPa的时候，电堆没有外漏现象，当气体压力达到0.6MPa的时候，电堆出现少许外漏现象，当气体压力为0.7Mpa时，电堆外漏现象严重。以普通的密封材料做对比试验，测试过程同步骤(1)-(3)，结果表明，当气体压力达到0.2MPa的时候，密封垫被气体吹出，电堆严重外漏。从上面测试数据可以看出，本发明的燃料电池密封材料密封性能要好于市场上普通的密封材料。
实施例2～8
一种燃料电池密封材料，其基本结构和制备方法同实施例1，密封性测试方法也同实施例1，不同之处见表1。
表1
本发明所用材料的成分不限于上表中所列的材料，各层的厚度及材料的选择本领域技术人员可以根据需要和实际对材料机械强度的要求来进行选择。上述实施例2制备的密封材料在电堆内部气体压力达到0.4MPa，电堆均无外漏现象，且实施例3所制备的燃料电池密封材料的密封特性，在气体压力为0.5MPa的时候，电堆均无外漏现象，在气体压力为0.6MPa的时候，仅有少许电堆外漏现象，当气体压力为0.7MPa的时候，电堆外漏现象严重。
本发明的燃料电池密封材料同时解决了燃料电池内部膜电极的内密封和膜电极与双极板之间的外密封，节约了原材料，室温下具有良好的粘接性，不用热压，减少了膜电极(MEA)的密封加工时间，提高了生产效率，同时将内外密封材料合二为一，提高电堆抗外漏的能力，便于燃料电池电堆的自动化生产，对燃料电池的工业化具有重要的意义。

Claims (7)

1.一种燃料电池密封材料，其特征在于，包括离型薄膜层(4)以及从所述离型薄膜层(4)的两个侧面分别向外依次叠加设置的粘合剂胶层(3)、基材薄膜(2)和弹性密封胶层(1)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池密封材料，其特征在于，所述的基材薄膜(2)的制作材料选自聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯、特氟龙、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚酰胺中的任意一种；所述的粘合剂胶层(3)的制作材料选自丁苯橡胶、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、有机硅胶、硅胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丙烯酸酯共聚物、聚氨酯类胶、丙烯酸类胶、酚醛树脂、环氧树脂、丁晴橡胶、尿醛树脂、不饱和聚酯或氯丁橡胶中的任意一种；所述的弹性密封胶层(1)的制作材料选自橡胶类、硅胶类、聚氨酯类和聚脲中的任意一种；所述的离型薄膜层(4)的制作材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、含氟材料、低压聚乙烯、高压聚乙烯、拉伸聚丙烯或聚乙烯中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的燃料电池密封材料，其特征在于，所述含氟材料为聚四氟乙烯或铁氟龙。
4.根据权利要求2所述的燃料电池密封材料，其特征在于，所述的基材薄膜(2)的制作材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；所述的粘合剂胶层(3)的制作材料为有机硅胶或硅胶；所述弹性密封胶层(1)的制作材料为硅胶类材料；所述的离型薄膜层(4)的制作材料选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、拉伸聚丙烯和聚乙烯中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的燃料电池密封材料，其特征在于，所述基材薄膜(2)的厚度为0.01-1mm；所述粘合剂胶层(3)的厚度为1-100μm；所述的弹性密封胶层(1)的厚度为0.01-3mm。
6.根据权利要求5所述的燃料电池密封材料，其特征在于，所述基材薄膜的厚度为0.1-0.3mm；所述粘合剂胶层(3)的厚度为10-50μm；所述弹性密封胶层的厚度为0.4-1.2mm。
7.权利要求1所述的燃料电池密封材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)在25℃下，在基材薄膜(2)的一个侧面涂覆一层粘合剂胶层(3)，另一个侧面涂覆弹性密封胶层(1)，形成密封层结构，粘合剂的粘度在3000-10000cP；
(B)待密封层结构中的粘合剂胶层(3)固化后，控制硬度在20-60邵氏硬度，再将两层密封层结构对称复合，在两层粘合剂胶层(3)之间通过一层离型薄膜层(4)隔离，得到所述燃料电池密封材料。
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