CN109616686B - 一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构，由连接体和定位柱组成。定位柱厚度大于燃料电池密封垫片厚度，连接体厚度小于燃料电池密封垫片的度。燃料电池原件堆叠压制过程中，密封垫片上的定位柱被首先被两侧的元件接触并被压缩变形，从而被固定。在后续的压制过程中，由于各个元件的加工误差、压紧装置本身的误差及燃料电池工作时流体的压力，造成密封垫片产生滑移。燃料电池密封垫片的滑移会带动连接体一同移动，而连接体的移动会被与之相连的在压制前期就已经被压紧并固定的定位柱限制。因此本发明的一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构可有效限制密封垫片的滑移，提高密封的可靠性。

Description

一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种旨在提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)依靠电化学反应，将储存在燃料气(如氢气)中的化学能直接转变为电能。质子交换膜燃料电池发电，具有常温启动快、能量转换效率高、尾气绿色无污染、安全等特点，可以用于固定电站、移动电站、航空发电机、航海发电机、车载发电机、野外应急电源、便携电源等。2014年底，丰田公司正式发布了采用全功率质子交换膜燃料电池的乘用车Mirai，正式打开了质子交换膜燃料电池商业化应用的大门。

质子交换膜燃料电池(以下简称燃料电池)正常工作时，其内部有多种流体协同工作。任何一种流体参数偏离设定的参数，都会导致燃料电池不能正常工作。燃料电池密封垫片，作为燃料电池内部各种流体间及各个流体与外界环境间的密封原件，对于维持燃料电池正常工作是十分重要的。目前，燃料电池所使用的密封垫片的材质一般是橡胶材质的，如采用氟橡胶、硅橡胶等。由于燃料电池对燃料电池组装力及密封效果的需求的特点，燃料电池密封垫片一般为窄面密封。因此，燃料电池密封垫片在不均衡组装压制力及燃料电池工作时压力的作用下，其在长度方向及横向容易产生滑移，影响密封效果。严重情况下，密封垫片会产生超出允许的变形，甚至会脱出密封槽，造成密封失效，使燃料电池无法工作。

由东莞北京航空航天大学研究院开发的一种燃料电池密封组件(中国发明专利申请公开说明书，申请号201711495635.3)，该密封组件——即燃料电池密封垫片，是通过点胶机通过喷头直接在密封槽里底面，从而成形为密封垫片。由于燃料电池密封垫片横截面小，而燃料电池对密封垫片密封力的均匀一致性要求高，因此所采用的点胶机的精度很高，尤其是对喷头与行走机构的精度要求是非常高的，点胶机的成本也是非常高的。后续还要将点胶机成形的密封垫片放置于烘箱里，在一定温度下进行时效处理，并且会有一定的尾气排放。上述燃料电池密封垫片的加工工序是有严格顺序的，前一道工序完成，才能进入到下一道工序。另外，由于密封垫片是喷到密封槽底而自然成形的，后续在烘箱里只是在中低温条件下进行时效处理，因此密封垫片与密封槽底的结合力一般，可以比较容易拆掉密封垫片。这种燃料电池密封垫片在不均衡组装压制力及燃料电池工作时压力的作用下，也会在密封垫片的长度方向和横向产生滑移，尤其随着燃料电池拆装增加，更容易产生密封垫片滑移。使用点胶的方法在双极板上装配燃料电池密封垫片，对点胶前的双极板的清洗要求比较高，尤其是密封槽底部的清洗对燃料电池密封垫片与密封槽底部的结合力有比较大的影响，间接对燃料电池密封垫片在使用过程中的滑移产生影响。

由丰田自动车株式会社开发的燃料电池(中国发明专利ZL 201510770584.5)，其燃料电池内密封所使用的密封材料——即燃料电池密封垫片，是采用注塑工艺装配到燃料电池双极板上的。由于采用注塑工艺可以采用更高的压力和更高的硫化温度，因此注塑工艺装配的燃料电池密封垫片与双极板的结合力比较大，不会有密封垫片滑移的现象。但是，注塑工艺装配燃料电池密封垫片，装配的工艺过程相对复杂，使用的工艺设备成本更高，装配工序的顺序要求非常高，要求双极板表面非常干净且不能有任何污物。因此，注塑工艺装配燃料电池的整体成本是非常高的。

发明内容

本发明涉及一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构，一种用于燃料电池流场的密封垫片结构，所述流场具有密封槽和若干条脊；所述密封槽设有相配合的密封垫片，部分的脊具有若干个断点；所述密封槽单侧或者双侧临近具有断点的脊；所述密封垫片由垫片本体、若干个定位柱连接体构成，所述定位柱配合于所述的断点；所述定位柱与垫片本体经连接体相连。

作为优选的技术方案，所述具有断点的脊位于流场的周侧。

作为优选的技术方案，所述密封槽位于具有断点的脊的外侧(即靠近流场边缘的一侧)或内侧(即远离流场边缘的一侧)。

作为优选的技术方案，所述密封槽与具有断点的脊相平行。

作为优选的技术方案，所述密封槽位于两条具有断点的脊a和脊b之间。

作为优选的技术方案，所述密封垫片具有对称设置的若干对定位柱A和定位柱B，所述定位柱A配合于脊a的断点，定位柱B配合于脊b的断点。

作为优选的技术方案，所述定位柱的厚度大于垫片本体的厚度；所述连接体的厚度小于垫片本体的厚度；所述连接体的宽度大于或等于垫片本体的宽度。

作为优选的技术方案，所述定位柱的宽度大于或等于连接体的宽度。

作为优选的技术方案，所述定位柱为圆柱。

该结构由定位柱与连接体组成。定位柱布置于燃料电池密封垫片宽度方向邻近区域，通过连接体与燃料电池密封垫片相连。通过将定位柱的厚度设定为大于燃料电池密封垫片的厚度，在燃料电池密封垫片装配压制过程中，定位柱会被密封垫片两侧的元件，双极板和膜电极所压紧，随着燃料电池密封垫片装配压制过程继续推进，燃料电池密封垫片也被逐渐压紧。在燃料电池被压紧的过程中，无论燃料电池密封垫片在长度方向还是在宽度方向产生滑移，都会带动连接体移动，进而需要带动定位柱移动。因为定位柱的厚度大于燃料电池密封垫片厚度，在燃料电池密封垫片被压紧的过程中，定位柱已经被燃料电池密封垫片两侧的元件压紧并固定，所以燃料电池密封垫片的滑移会被连接到定位柱上的连接体拉紧而被限制，从而限制燃料电池密封垫片的滑移。

本发明的技术方案：在燃料电池密封垫片宽度方向的邻近区域，通过增加与燃料电池密封垫片相同材质的定位柱和连接体(见图1)，来限制燃料电池密封垫片在燃料电池组装压制过程中及工作中产生的滑移，提高燃料电池密封垫片密封的稳定性和可靠性。定位柱的厚度大于燃料电池密封垫片，并通过厚度小于燃料电池密封垫片的连接体与密封垫片连接为一体。在燃料电池装配压制过程中，连接在燃料电池密封垫片上的定位柱因为其厚度最大，首先会被其两侧的元件——燃料电池双极板和膜电极所接触并压紧；随着装配压制过程的推进，燃料电池密封垫片被其两侧的燃料电池双极板和膜电极所接触并逐渐压紧，在此过程中，燃料电池密封垫片产生滑移，就会被通过连接体连接成为一体的已经被压紧的定位柱所限制，使燃料电池密封垫片不能自由移动，被限定在既定的范围内。这样，通过定位柱的限制作用，燃料电池密封垫片的密封稳定性、可靠性都有所提升。

所述的提高抵抗滑移能力的燃料电池用密封垫片结构包括连接体和定位柱两部分组成。定位柱的厚度大于燃料电池密封垫片的厚度，连接体的厚度小于燃料电池密封垫片的厚度。当燃料电池原件堆叠并组装压制过程中，密封垫片上的定位柱被首先两侧的元件接触并被压缩变形，建立了初始的压力，使定位柱被固定在密封垫片两侧的原件之间。燃料电池在后续进一步的压制过程中，密封垫片的两侧元件接触并逐步压紧密封垫片，这个过程中，由于燃料电池各个元件的加工误差及压紧装置本身的误差，密封垫片的压紧过程是偏离被两个平行面均衡压紧的理想状态，造成密封垫片在不均衡的压紧力作用下产生滑移；另外，燃料电池工作时需要保持一定的压力，同样会造成燃料电池密封垫片在宽度方向上产生滑移。封垫片的滑移会带动连接在密封垫片上的本发明的一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构的连接体一同移动，而连接体的另一端连接在定位柱上。由于燃料电池组装压制的前期过程就已经将定位柱压紧并固定，因此密封垫片的滑移会被本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构——定位柱和连接体，限定在一定范围内。根据燃料电池组装压制过程的参数需求，通过调整定位柱和连接体相对于密封垫片的厚度、大小等结构参数，可以将密封垫片组装过程中产生的滑移限定在密封要求许可的范围内。本发明的一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构可以有效限制密封垫片在密封槽内的滑移，提高燃料电池密封垫片密封的可靠性。

当燃料电池进行装配压制时，由于对燃料电池进行压制的两个平面是不可能保持理论上的绝对平行，同时燃料电池的原件——如燃料电池密封垫片两侧的双极板和膜电极，由于制造误差等原因，也不是理想的平面，因此在燃料电池装配压制过程中，与燃料电池密封垫片两个密封面接触的平面是不可能是理想的平行平面。燃料电池密封垫片在两个不平行且自身也不是理想平面的压制下，最先被压紧的区域的垫片在变形过程中，会向未被压紧或压紧程度更低的区域移动，因为受压力区域的燃料电池密封垫片在向四周延伸时，未被压紧或压紧程度更低区域方向的阻力更小。密封垫片的整体形状是由其密封功能所决定的，密封垫片的形状与其密封的区域是相互吻合的。由于燃料电池是电化学发电装置，其参与燃料电池电化学反应的燃料电池流场区域是最大的区域，因此由燃料电池密封垫片包围并密封的各个区域里，包围燃料电池流场区域的密封区域最大(见图2)。与燃料电池流场流体流向平行的燃料电池流场两侧的密封垫片是最长的两个长直段密封垫片，与燃料电池密封垫片其它区域结构间相互限制不同，这两段长直段密封垫片没有任何其它结构，因而最容易在燃料电池装配压制过程中发生滑移，包括长度方向滑移和横向滑移。另外，在燃料电池正常工作时，其内部流体的压力，会驱使燃料电池密封垫片产生横向滑移，并且在密封垫片的两个长直段，更容易产生滑移。因此，在燃料电池密封垫片的两个长直段增加限制滑移的定位柱和连接体结构(见图3)，对控制燃料电池密封垫片的位置，提高密封的稳定性、可靠性是有利的。

本发明的一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构——定位柱和连接体，主要是设置在燃料电池密封垫片的两个长直段，用以限制其在燃料电池装配压制及正常工作过程中产生的长度方向滑移和横向滑移；对于燃料电池密封垫片结构中长径比大的结构部位，也可以设置定位柱加连接体的提高抵抗滑移能力的结构，限制密封垫片的滑移。提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构——定位柱和连接体与燃料电池密封垫片是采用一套模具，即上模和下模，采用较高温度与短时效的硫化工艺制造，因此生产的成本低，生产工艺简单；其生产工艺过程与燃料电池其它零部件的生产工艺过程没有严格的顺序，可以灵活的与燃料电池其它零部件并行生产，可以提高燃料电池生产的效率。

附图说明

图1本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构示意图(局部)

图2燃料电池密封垫片结构示意图

图3配合本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片的双极板结构(局部)

图4本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片与双极板配合使用(局部)

图5带有本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构的燃料电池密封垫片示意图

图6采用对称的本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构示意图(局部)

图7带有对称的本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构的燃料电池密封垫片示意图

图8带有对称的本发明提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片与双极板配合使用(局部)

图中，1固定柱；2连接体；3垫片本体(局部)；4燃料电池流场；5脊；6密封槽；7脊的断点

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明的一种提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构做进一步具体说明。

如图1、图5、图6所示，密封垫片由垫片本体3、若干个定位柱1和连接体2构成，定位柱与垫片本体3经连接体2相连。

如图3、图5所示、定位柱1配合脊5的若干个断点7。

本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构(参照图1)，密封垫片本体3的总体长度400毫米，宽度100毫米；密封垫片横截面尺寸为宽度2毫米，厚度0.8毫米；连接体2的长度为2毫米，宽度2毫米，宽度0.4毫米；定位柱1的厚度为1.2毫米，直径为2毫米。本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构的各个特征尺寸可以根据所使用的密封垫片的材质及其硬度，结合燃料电池装配的具体参数进行适当调整。

本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构在燃料电池密封垫片本体3的两个长直段分别均匀布置若干个定位柱1(见图3、图4和图5)，间距根据密封垫片的硬度、结构尺寸及燃料电池装配参数来设置，一般采用30毫米至60毫米的间距，均匀布置。

如图3、图5所示，具有断点的脊5位于流场的周侧，密封槽6位于具有断点的脊5的外侧，且与脊5相平行。

如图7所示，密封槽位于两条具有断点的脊a和脊b之间，所述密封垫片具有对称设置的若干对定位柱A和定位柱B，定位柱A配合于脊a的断点，定位柱B配合于脊b的断点。

由于所采用的本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构在压制过程中，燃料电池两侧的双极板和膜电极会首先压紧定位柱1，因为定位柱1在压紧过程中也会出现向四周移动，因此定位柱会通过连接体2推动临近的密封垫片产生一定的横向滑移。为了减少上述由定位柱压紧而产生的燃料电池密封垫片的横向滑移，可以采用成对对称布置本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构的方法(见图4)，在密封垫片本体3的宽度方向的两侧，对称设置定位柱1和连接体2的结构，让本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构引起的横向滑移互相抵消(见图5)。另外，采用成对对称布置本发明的提高抵抗滑移能力的燃料电池密封垫片结构，可以使燃料电池密封垫片抵抗长度方向滑移的能力进一步提高。

上面描述了本发明的一种燃料电池双极板布局，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 (8)

1.一种用于燃料电池流场的密封垫片结构，所述流场具有密封槽和若干条脊；所述密封槽设有相配合的密封垫片，部分的脊具有若干个断点；

其特征在于：所述密封槽单侧或者双侧临近具有断点的脊；所述密封垫片由垫片本体(3)、若干个定位柱(1)和连接体(2)构成，所述定位柱(1)配合于所述的断点；所述定位柱与垫片本体(3)经连接体(2)相连；

所述定位柱(1)的厚度大于垫片本体(3)的厚度；所述连接体(2)的厚度小于垫片本体(3)的厚度；所述连接体(2)的宽度大于或等于垫片本体(3)的宽度。

2.根据权利要求1所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：

具有断点的脊位于流场的周侧。

3.根据权利要求1所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：

所述密封槽位于具有断点的脊的外侧或内侧。

4.根据权利要求1所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：

所述密封槽与具有断点的脊相平行。

5.根据权利要求1所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：

所述密封槽位于两条具有断点的脊a和脊b之间。

6.根据权利要求5所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：

所述密封垫片具有对称设置的若干对定位柱A和定位柱B，所述定位柱A配合于脊a的断点，定位柱B配合于脊b的断点。

7.根据权利要求1、或 权利要求2所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：所述定位柱(1)的宽度大于或等于连接体(2)的宽度。

8.根据权利要求1、或 权利要求2所述的用于燃料电池流场的密封垫片结构；其特征在于：所述定位柱为圆柱。

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