CN108123150A - 燃料电池用增强型密封垫片 - Google Patents

Abstract

本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片主要用于燃料电池内的各种流体间的密封，使各流体间严格隔离，从而保障燃料电池内部的多种流体都能够严格在各自通道、流场内流动。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片，主要通过改进垫片的结构来增强密封可靠性和抵抗密封结构失效的能力，利用在燃料电池内成对使用的两个增强型密封垫片的配合，进一步提高密封的可靠性。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的结构主要包括密封基体及设置于密封基体上的垂直于垫片横截面的轴线方向的多条密封凸台组成。

Description

燃料电池用增强型密封垫片

技术领域

本发明应用于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池使用的密封垫片。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种利用燃料气体和氧化剂气体在膜电极上通过电化学反应，将化学能高效转化为电能的发电装置。由于燃料电池的产物是水，其工作过程对环境实现了零污染，是公认的零排放绿色能源转换装置，是新世纪最具发展潜力的动力装置之一。质子交换膜燃料电池的应用非常广泛，从小到几瓦的便携电源，到上百千瓦的车载电源，燃料电池能够满足我们许多方面的电能需求。

燃料电池在工作的时候，需要燃料气体和氧化剂气体参与电化学反应，将化学能转换为电能。同时，由于燃料电池在工作时会产生热量，需要冷却剂将产生的热量交换到燃料电池外部，来维持燃料电池工作在一个适当的温度范围内。因此，为保证燃料电池内部的电化学过程的顺利进行，维持燃料电池的正常运行，需要上述多种不同种类、不同操作条件的流体参与到燃料电池内的电化学反应过程。燃料电池内各种流体都有各自的流道、流场，不同的流体之间不允许有任何的接触、混合、渗漏。否则，燃料电池内部的电化学反应是无法顺利进行的，甚至损坏燃料电池。燃料电池是由多个零部件组装而成，要保证燃料电池内部的各流体间不会出现混合、渗漏等现象，采用密封垫片来对燃料电池内的各个流体之间、零部件之间进行密封是非常必要和常用的一种密封方法。

因为质子交换膜燃料电池内的介质流体压力多为低压，且工作温度一般都低于100℃，所以，橡胶密封垫片是一种非常经济、可靠的选择，是质子交换膜燃料电池采用非常多的密封原件。橡胶密封垫片的结构形式非常多，就密封形式来说，主要分为面密封和线密封两种，并在此基础上发展出线密封与面密封相结合的密封形式。如丰田自动车株式会社提出的燃料电池(中国专利申请号：201480053102.8)所使用的密封垫片就是线密封与面密封相结合的密封垫片，该密封垫片虽然结合了面密封的稳定性和线密封更佳的密封效果，但是却无法克服线密封压缩比高、压强高与自身结构薄弱的矛盾，线密封结构部分在使用过程中容易产生回弹性相对于面密封结构部分更早变差的问题，甚至由于加工误差或装配预紧力偏大等因素，造成在装配和使用过程中出现线密封结构部分被过度压缩而被压溃的现象。NOK株式会社研发的燃料电池的密封结构(中国专利申请号：201480029887.5)对于线密封与面密封相结合的密封垫片过度变形问题是采用增加限位结构来解决，但这种方法在提高加工成本的同时，对装配的精度提出了更高的要求。NOK株式会社提出的另一种燃料电池的密封结构(中国专利申请号：201080022024.7)除具有上述丰田自动车株式会社提出的密封结构的问题外，还存在由于膜电极两侧均使用线密封与面密封相结合的密封垫片，不但造成装配精度要求更高，对于刚度低的燃料电池零部件，如膜电极，还会出现在后续使用过程中线密封部分互相推挤而被挤到偏离设定的密封位置的现象，降低密封效果；更有甚者，当密封垫片由于互相推挤而互相错开时，会造成膜电极的相对应部位发生过度弯曲变形的问题。

发明内容

本发明提供的燃料电池用增强型密封垫片用于质子交换膜燃料电池内各种不同流体介质间的密封，是一种线密封与面密封相结合的密封垫片。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片由两部分结构组成，第一部分是一个中空的环形片状的密封基体，第二部分是在密封基体一侧表面的沿周向围绕中空区域设置的不少于2条并行的环状密封凸台；同时，密封基体内边缘向中空区域延伸出两个对称的延伸部，每个延伸部上均设有2个以上的通孔，每个通孔沿周向均设有围绕该通孔的不少于2条并行的环状密封凸台；并行的任意2条环状密封凸台的任意部位间的距离相等；密封基体及通孔上的密封凸台均设置于增强型密封垫片的同一侧表面上；密封垫片上的中空区域与膜电极的中部位置对应，而各个通孔与燃料电池的燃料气体、氧化剂气体及冷却剂流体的流道对应。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封基体横截面为矩形，主要提供增强型密封垫片的面密封功能，其结构的可靠性好；本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封凸台设置于密封基体上，密封凸台横截面形状可以设置为半圆形、三角形、梯形等，根据密封要求，密封凸台横截面的形状可以相同或不同，主要提供本发明所述的增强型密封垫片的线密封功能，其结构提供更好的密封性能。本发明所述的增强型密封垫片为多环形结构，其宽度与高度尺寸远远小于其长度方向的尺寸；增强型密封垫片的长度方向的走向，即为增强型密封垫片的轴线走向，由被增强型密封垫片密封隔离的不同介质和(或)不同压力以及(或)不同温度的不同密封区域的交界线确定。同理，密封槽的轴线走向，也是由被增强型密封垫片密封隔离的不同介质和(或)不同压力以及(或)不同温度的不同密封区域的交界线确定，并与相同位置的增强型密封垫片的轴线走向平行(见图7)。本发明所述的增强型密封垫片既可以成对配合使用，也可以单独使用：当成对配合使用时，两个密封垫片的主要结构互为镜像；密封基体相同，密封凸台则在两个配合使用的增强型密封垫片之间采用相互交错布置，即其中一个增强型密封垫片上的密封凸台中心线正对着另一个成对配合使用的增强型密封垫片上的相对应的相邻两个密封凸台共同的中心线；密封凸台的数量、横截面形状及尺寸，则根据燃料电池密封需求，或者选择相同，或者选择不同；成对配合使用的密封垫片中的任何一个密封垫片都可以单独使用，完成密封垫片两侧流体介质的密封隔离。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片在保持线密封与面密封垫片的优点的前提下，由于采用了多道线密封结构，成倍提高了线密封结构部分的整体承载能力，提高了密封垫片整体的密封可靠性和耐压性。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的加工、使用与普通的密封垫片相同，在成本基本不变的前提下，提高了密封垫片密封性能和密封可靠性。

本发明的技术方案：本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片，既可以成对配合使用，也可以单独使用，下面针对这两种不同的使用方法分别进行阐述。

一、本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片成对配合使用的状况：

本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片成对配合使用时，主要成对放置于双极板两侧的密封槽内配合使用或成对放置于膜电极两侧并对应于双极板密封槽位置的配合使用。

a.本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片成对放置于双极板两侧的密封槽内来配合使用时，燃料电池用增强型密封垫片的放置状态是互为镜像：安装于双极板密封槽内的成对配合使用的本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片中的任何一个增强型密封垫片的密封基体的一个侧面与密封槽底部相接合，而密封凸台设置在密封基体与密封槽底部相接合侧面相对的另一个侧面上，即成对配合使用的两个增强型密封垫片的密封基体在空间位置上是面对面的，相应的，每个密封垫片上的密封凸台在空间位置上是背对背的(图1)。

a1.本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封基体的横截面是矩形的。当矩形横截面的密封垫片被两个密封平面压缩后，会在接触面上产生均布的密封压力。密封基体在设定范围的密封压力的作用下，结构的稳定更好，但由于密封接触面积更大，为提高密封压力，所需的密封预紧力更大(图2)。

a2.本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封凸台的横截面可以是半圆形、三角形或梯形等，其面积远远小于密封基体的横截面面积。当半圆形、三角形、梯形等横截面的密封凸台被两个密封平面压缩后，会在整个接触面上产生不相等密封压力；被压缩的密封凸台在横截面的左右对称面上产生最高的峰值密封压力，密封压力从密封凸台横截面的左右对称面向左或向右渐次降低。因此，密封凸台在被密封预紧力压缩后，会在垂直于其横截面的轴线，产生一条连续的具有峰值密封压力的密封区域，且由于峰值压力作用的区域宽度非常窄，形成了线密封的效果。由于密封凸台的横截面面积小，且能够产生密封的峰值压力，所以这种结构能够在比较小的预紧力的作用下，就会产生比较好的密封效果。但是，由于密封凸台的横截面积小，在密封预紧力较大时，会形成过大的密封压力而损坏密封凸台，因此对密封预紧力控制精度要求很高。为了降低密封凸台对预紧力控制精度的要求，提高线密封结构的承载能力，本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片采用不少于两条密封凸台并行方式设置，这样可以成倍提高密封凸台整体对密封预紧力的耐受力，降低预紧力控制精度的要求，降低了密封凸台出现过度变形的可能性。同时，由于本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片是多条密封凸台沿密封基体并行布置，形成了多条线密封，在提高了密封效果的同时，提高了密封垫片抵抗在介质压力作用下造成密封垫片滑移的能力。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片即使在密封垫片密封失效时，在相同的密封条件下，多条密封凸台的增强型密封垫片对泄漏的流体会形成多道阻碍，提高泄漏流体的阻力，其介质泄漏量相比单条密封凸台的密封垫更少(图2)。

a3.本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片为密封基体与多条并行密封凸台相结合的密封垫片，结合了面密封的结构稳定性、线密封的优良密封性能，同时提高了密封凸台对密封预紧力的耐受力。

a4.本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片在成对配合使用时，一种状态是布置于双极板两侧的密封槽内使用。该种使用状态下，两侧的燃料电池用增强型密封垫片的密封基体都贴附于双极板密封槽槽底，而密封凸台处于背对于双极板密封槽方向的。由于燃料电池中，双极板与膜电极是间隔放置的，即与双极板相邻的是膜电极，与膜电极相邻的是双极板，因此，从膜电极厚度方向向两侧的双极板方向看，成对配合使用的燃料电池用增强型密封垫片是密封凸台与膜电极相接触，而密封基体是处于背对于膜电极方向的。成对配合使用的两个燃料电池用增强型密封垫片的密封凸台采用相互交错布置，即一侧密封垫片的环状密封凸台向另一侧密封垫片投影，以该投影为A；以另一侧密封垫片的环状密封凸台为B，则A与B是间隔设置的。这种成对配合使用的增强型密封垫片的密封凸台相互交错布置，使膜电极两侧的线密封的峰值密封压力互相错开，使两侧的增强型密封垫片更容易互相自动对正，不易在介质压力作用下使密封垫片产生滑移。膜电极由于刚性低，在两侧增强型密封垫片的线密封的密封压力作用下变形，呈现一定程度的波浪形变形，相当于相互交错布置的密封凸台啮合在膜电极上。这种使用状态下的成对配合使用的增强型密封垫片具有更强的自动对正能力和更强的抵抗因介质压力造成密封垫片滑移的能力，我们可以称之为啮合式密封(图1)。

a5.成对配合使用的本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封凸台在每个密封垫片设置的数量，既可以相同，也可以不同，数量的多少取决于密封要求以及密封垫片加工的难易程度。从密封要求的角度来看，当成对配合使用的两个增强型密封垫片的密封凸台数量相同时，由于两个增强型密封垫片的密封凸台是相互交错布置的，至少其中一个增强型密封垫片的密封压力的合力位置与密封垫片横截面宽度中心线位置不重合，即两个成对配合使用的增强型密封垫片的密封压力的合力之间有一定的距离；当成对配合使用的两个本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封凸台数量不同，两个增强型密封垫片的密封凸台数量差为奇数时，每条增强型密封垫片的密封凸台采用对中布置，对于密封凸台相互交错布置的两条增强型密封垫片，密封压力合力可以完全重合，且该种使用方法与常规垫片的使用方法相同；当成对配合使用的两个本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的密封凸台数量不同，两个增强型密封垫片的密封凸台数量差为偶数时，对于密封凸台相互交错布置的两个密封垫片，密封压力的合力的状况与密封凸台数量相同时的合力状况类似，两个增强型密封垫片的密封压力的合力之间会有一定的距离。

a6.每个本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片上的密封凸台的横截面既可以相同，如全部采用三角形横截面；也可以不同，如中间的密封凸台采用三角形横截面，两边的密封凸台采用半圆形横截面，或者两边的密封凸台采用尺寸更大的三角形横截面，主要取决于密封的要求。成对配合使用的两个增强型密封垫片的密封凸台的截面形状及尺寸，既可以相同，也可以不同，也取决于密封的要求。

b.本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片成对放置于膜电极两侧并对应于双极板密封槽位置上使用时，燃料电池用增强型密封垫片的放置状态也是互为镜像的，与成对放置于双极板两侧的密封槽内的增强型密封垫片的使用状况相同，即从膜电极厚度方向看两侧的增强型密封垫片，其密封基体在空间位置上是面对面的，相应的，两个增强型密封垫片的密封凸台在空间位置上是背对背的。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片成对放置于膜电极两侧并对应于双极板密封槽位置上使用与成对放置于双极板两侧的密封槽内的增强型密封垫片的使用相同，密封方式相同(图4)。

二、本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片单独使用时，其密封与上述“a1段”、“a2段”及“a3段”描述相同，即结合了面密封的结构稳定性、线密封的优良密封性能，同时提高了密封凸台整体对密封预紧力的耐受力，使密封性能和承载能力都提高。

本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片用于燃料电池内的各种流体间的密封，使各流体间严格隔离，从而保障燃料电池内部的多种流体都能够严格在各自通道、流场内流动。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片，主要通过改进垫片的结构来增强密封可靠性和抵抗密封结构失效的能力，利用在燃料电池内成对使用的两个增强型密封垫片的配合，进一步提高密封的可靠性。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片的结构主要包括密封基体及设置于密封基体上的垂直于垫片横截面的轴线方向的多条密封凸台组成。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片，在燃料电池内部成对配套使用时，两个密封垫片上密封凸台相互之间采用相互交错设置，形成互补的密封结构，使两个增强型密封垫片具有自行互相对正的能力，提高密封性能，减小密封垫片在密封槽内扭曲变形，避免造成膜电极相应部位过渡变形。本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片，布置于燃料电池内的密封槽内，不需要更改燃料电池的密封结构形式，使本发明所述的燃料电池用增强型密封垫片具有广阔的应用范围，既可以应用于未来的新型结构的燃料电池的密封，也可以应用于已有的燃料电池的升级改造，提高已有燃料电池的密封性能。

附图说明

图1成对放置于双极板两侧密封槽内配合使用的增强型密封垫片局部放大图(垫片未压缩)；

图2增强型密封垫片的密封基体、密封凸台横截面上的密封压力分布示意图；

图3成对放置于双极板两侧密封槽内配合使用的增强型密封垫片局部放大图(垫片已压缩)；

图4成对放置于膜电极两侧对应于双极板密封槽位置的配合使用的增强型密封垫片局部放大图；

图5成对放置于双极板两侧密封槽内配合使用的不同密封凸台形状的增强型密封垫片局部放大图；

图6成对放置于双极板两侧密封槽内配合使用的不同密封凸台形状的增强型密封垫片局部放大图；

图7增强型密封垫片、密封槽、增强型密封垫片与密封槽装配的局部放大轴测图。

示意图说明：1-双极板一侧(局部)；2-双极板一侧密封槽；3-成对配合使用的增强型密封垫片中的一个密封垫片；4-膜电极；5-成对配合使用的增强型密封垫片中的另一个密封垫片；6-双极板另一侧密封槽；7-双极板另一侧(局部)；8-增强型密封垫片的密封凸台；9-增强型密封垫片的密封基体；10-增强型密封垫片(局部)；11-增强型密封垫片轴线；12-密封槽(局部)；13-密封槽轴线；a-一侧的环状密封凸台向膜电极另一侧密封垫片的投影A的中心线；b-另一侧密封垫片环状密封凸台B的中心线。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明的燃料电池用增强型密封垫片做进一步说明。

采用本发明的燃料电池用增强型密封垫片，垫片的宽度为3毫米，其中密封基体的高度为0.5毫米，密封凸台的高度为0.6毫米。密封基体上设置3个相同的密封凸台，密封凸台的横截面形状为等边三角形，各个密封凸台的间距为0.8毫米。因为增强型密封垫片加工和优化受力的要求，在密封垫片上设置必要的圆角结构。具体见图2。

采用本发明的燃料电池用增强型密封垫片，用于成对配合使用，两个增强型密封垫片的宽度均为3毫米，密封基体的高度均为0.5毫米，密封凸台的高度均为0.6毫米，密封凸台的横截面形状均为等边三角形，且密封凸台的间距均为0.8毫米，均采用对中布置。两个增强型密封垫片的不同之处在于，上方的增强型密封垫片采用两个密封凸台，下方的增强型密封垫片采用三个密封凸台。具体见图1。

采用本发明的燃料电池用增强型密封垫片，用于成对配合使用，上方的增强型密封垫片的密封凸台横截面的形状为等边三角形，下方的增强型密封垫片两边的密封凸台横截面形状为半圆形，下方的增强型密封垫片中间的密封凸台为等边三角形，密封凸台的间距均相同。这种成对配合使用的增强型密封垫片，提高了两边最外侧两个密封凸台抵抗变形的能力，提高了密封垫片可以承受的介质压力。具体见图5。

采用本发明的燃料电池用增强型密封垫片，用于成对配合使用，上方的增强型密封垫片的密封凸台横截面的形状为等腰梯形，下方的增强型密封垫片两边的密封凸台横截面形状为半圆形，下方的增强型密封垫片中间的密封凸台为等边三角形，密封凸台的间距均相同。这种成对配合使用的增强型密封垫片，提高了两边最外侧两个密封凸台抵抗变形的能力，进一步提高了密封垫片可以承受的介质压力。具体见图6。

上面对燃料电池用增强型密封垫片进行了详细描述，本发明所属领域的技术人员应当可以理解。所述仅仅为本发明的具体实施例，并非用于限制本发明。凡是本发明的精神及原则内所做的任何修改、尺寸结构的缩放、等同替换或者改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.燃料电池用增强型密封垫片，其特征在于：

所述垫片包括一中空的环形片状密封基体(9)，于密封基体(9)一侧表面的沿周向围绕中空区域设有不少于2条并行的环状密封凸台(8)；而于密封基体(9)内边缘向中空区域延伸有延伸部，于延伸部上设有2个以上通孔，分别于延伸部上的每个通孔沿周向均设有围绕此通孔的不少于2条并行的环状密封凸台(8)，任意2通孔间均由通孔沿周向的环状密封凸台(8)分隔。

2.按照权利要求1所述密封垫片，其特征在于：

所述并行是指相邻2条密封凸台(8)中的1条凸台各处至另1条凸台的距离相等。

3.按照权利要求1所述密封垫片，其特征在于：

通孔沿周向的环状密封凸台(8)与密封基体(9)沿周向的环状密封凸台(8)处于密封垫片的同一侧表面上。

4.按照权利要求1所述密封垫片，其特征在于：

所述延伸部为对称的2个，每个延伸部上通孔为2个以上，同一延伸部上的通孔间均由通孔沿周向的环状密封凸台(8)分隔，通孔与燃料电池的燃料气体、氧化剂气体及冷却剂流体流道对应。

5.一种权利要求1、权利要求2、权利要求3及权利要求4任一所述密封垫片在燃料电池中的应用，其特征在于：

2个密封垫片分别置于双极板的密封槽(2或6)内，再将2个密封垫片面向燃料电池膜电极(4)分别置于燃料电池膜电极(4)厚度方向的两侧，密封垫片上的中空区域与膜电极(4)中部位置相对应，通孔与燃料电池上的流道对应，密封凸台(8)面向或背向膜电极(4)方向设置。

6.按照权利要求5所述密封垫片在燃料电池中的应用，其特征在于：

每个密封垫片上并行的任意相邻2条密封凸台(8)间距离相等，2个密封垫片面向膜电极(4)方向放置时，2个密封垫片上的相应位置处的环状密封凸台(8)相互交错，即膜电极(4)一侧的不少于2条并行的环状密封凸台(8)向膜电极(4)另一侧密封垫片投影，以凸台投影为A，以另一侧密封垫片上环状密封凸台(8)为B，则A与B相互间隔。

7.按照权利要求5所述密封垫片在燃料电池中的应用，其特征在于：

在密封基体(9)上设置不少于两个密封凸台(8)来共同构成所述的燃料电池用增强型密封垫片，密封基体(9)、密封凸台(8)各自的与横截面垂直的轴线始终保持平行一致；在装配预紧力作用下被压缩，将增强型密封垫片两侧不同种类或/和不同操作条件的两种流体严格密封隔离。

8.按照权利要求6所述密封垫片在燃料电池中的应用，其特征在于：

在成对配合密封使用时，需要将两个增强型密封垫片上对应位置处的密封凸台(8)互相之间采用相互交错布置，即其中一个增强型密封垫片(3)上的密封凸台(8)中心线正对着另一个成对配合使用的增强型密封垫片(5)上的相对应的相邻两个密封凸台(8)共同的中心线。

9.按照权利要求6所述密封垫片在燃料电池中的应用，其特征在于：

成对配合密封使用时，两个增强型密封垫片上对应位置处的相互交错布置密封凸台(8)的数量相同或不同。

10.按照权利要求5所述密封垫片在燃料电池中的应用，其特征在于：

其密封凸台(8)根据密封的要求，采用相同的横截面形状和尺寸，或者采用不同的横截面形状或/和不同的尺寸；在成对配合密封使用时，可以根据密封的要求，两个增强型密封垫片的密封凸台(8)的横截面形状采用相同或不同的设置。