CN111224127B - 燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法，其中密封结构包括密封凹槽、密封法兰和密封条，密封条置于密封凹槽中，密封法兰与密封凹槽连接时从两侧挤压密封条实现密封，密封条为复合密封条，包括由第一材料制成的外层密封圈和由第二材料制成的内芯，外层密封圈包覆于内芯表面，且第二材料的松弛模量大于第一材料的松弛模量，由第二材料制成的内芯用于补偿外层密封圈的应力松弛。与现有技术相比，本发明能够有效的解决传统密封圈长时间因应力松弛导致的密封失效问题，且结构简单、安装容易、使用寿命长，具有很强的经济性和使用性。

Description

燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆密封结构，尤其是涉及一种燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法。
背景技术
燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。此装置兼具电池和热机的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点，已成为国内外新能源发电技术研究的热点。
质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，在中大型电站、军事、氢能源汽车及便携式移动电源等领域具有十分广阔的应用前景。近年来，质子交换膜燃料电池在氢能源汽车领域已有了突破性进展，丰田Mirai氢能源汽车的百公里加速为9.6秒，续航里程达500公里，并实现三分钟加满氢气，其燃料电池堆的体积能量密度达3.1KW/L。
质子交换膜燃料电池的主要部件包括电池内部的双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜以及电池外部的端板、集电板和绝缘板等。由于单电池产生的电压不大于1.5V，为了满足实际需要，提供充足的功率，通常将多级单电池通过螺栓或者钢带封装成电池堆。质子交换膜燃料电池是一种包括流体、电化学、热、力等多场耦合作用的复杂系统，其复杂的结构和氢气易燃易爆的物理性质要求电池必须具有较高的密封可靠性，否则燃料电池容易出现气体泄漏的情况，导致电池性能降低，甚至出现爆炸。因此，密封技术对于保证质子交换膜燃料电池的安全和提高其性能具有十分重要的作用。
质子交换膜燃料电池的密封结构总体可以分为外部密封和内部密封。外部密封主要为端板上反应气体进出口、冷却液进出口的密封。内部密封主要为单电池内部、单电池之间的密封。现有技术中的外部密封是在端板上的氢气进出口、氧气进出口和冷却液进出口的连接处使用普通橡胶密封圈进行密封使反应气体和冷却液体实现零泄漏进入燃料电池内部。
该方法存在以下问题：橡胶密封圈其材料橡胶具有明显的应力松弛特性，即在恒定不变的应变条件下，应力会逐渐减弱。开始时应力衰减很快，而后逐渐降低并趋于某一值。这就导致了普通橡胶密封圈在质子交换膜燃料电池的工况下，经过一段时间之后其密封接触面上的接触压力不能满足密封要求，造成泄漏。同时，燃料电池整堆的封装力降低，造成电池功率下降。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种燃料电池堆密封结构，包括密封凹槽、密封法兰和密封条，所述密封条置于密封凹槽中，所述密封法兰与密封凹槽连接时从两侧挤压密封条实现密封，所述密封条为复合密封条，包括由第一材料制成的外层密封圈和由第二材料制成的内芯，所述外层密封圈包覆于内芯表面，且第二材料的松弛模量大于第一材料的松弛模量，由第二材料制成的内芯用于补偿外层密封圈的应力松弛。
所述第一材料为耐高温且防水汽的材料，所述第二材料为耐高温、耐腐蚀、减振且高承载力的材料。
所述第一材料为橡胶，第二材料为金属橡胶。
所述橡胶为三元乙丙橡胶。
所述内芯的直径为密封条直径的50％～70％。
所述第二材料的松弛模量为第一材料的松弛模量的10～20倍。
所述密封条为线状或环状。
一种燃料电池堆，所述燃料电池堆端板上反应气体进口及出口、冷却液进口及出口，单电池内部及单电池之间的密封中的一者或多处采用上述的密封结构。
一种基于上述的密封结构的应力松弛补偿方法，包括：
步骤S1：测定第一材料的应力松弛特性曲线；
步骤S2：构建复合密封条的弹性模量模型；
步骤S3：根据第一材料的应力松弛特性曲线，基于弹性模量模型选定第二材料的类型和厚度占比。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)采用松弛模量远大于普通橡胶材料的金属橡胶作为内芯，得到的复合密封条，内芯能够根据外层密封圈的应力松弛时间特性进行有效的变形补偿，从而保证了整个密封条表面的接触压力在长时间内满足密封要求。
2)第一材料和第二材料具有耐高温、耐腐蚀等特性，能够在燃料电池工况下稳定工作，具有较高的可靠性。
3)能够有效的提高燃料电池密封的使用寿命，在一定程度上有效地解决了燃料电池维护不方便等问题。
4)由于第二材料的存在，所以能够承载较大的应力，在补偿第一材料应力松弛的同时能够补偿燃料电池堆的封装力，这有益于维持电堆处于高功率状态。
附图说明
图1为本发明所涉及的燃料电池密封示意图；
图2本发明实施例中普通橡胶材料应力松弛曲线图；
图3本发明实施例中金属橡胶材料应力松弛曲线图；
图4本发明密封结构的示意图；
图5本发明所涉及的复合材料叠加密封结构简化计算示意图；
图6本发明所涉及的复合材料应力松弛曲线图；
其中：1、密封法兰，2、外层密封圈，3、内芯，4、密封凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
针对质子交换膜燃料电池非金属密封圈的应力松弛特性引起的难以长时间保持高效的密封性能且无法补偿非金属密封圈的变形等问题，本申请提出了一种应力松弛补偿的方式来解决上述问题。
本申请技术方案的关键在于提供一种燃料电池堆密封结构，如图4所示，包括密封凹槽、密封法兰和密封条，密封条置于密封凹槽中，密封法兰与密封凹槽连接时从两侧挤压密封条实现密封，密封条为复合密封条，包括由第一材料制成的外层密封圈和由第二材料制成的内芯，外层密封圈包覆于内芯表面，且第二材料的松弛模量大于第一材料的松弛模量，具体的，第二材料的松弛模量为第一材料的松弛模量的10～20倍。由第二材料制成的内芯用于补偿外层密封圈的应力松弛。
第一材料为耐高温且防水汽的材料，第二材料为耐高温、耐腐蚀、减振且高承载力的材料，本实施例中，第一材料为橡胶，第二材料为金属橡胶，橡胶为三元乙丙橡胶。内芯的直径为密封条直径的50％～70％。
本申请中的密封条为线状或环状。
应用本申请密封结构的燃料电池堆中，端板上反应气体进口及出口、冷却液进口及出口，单电池内部及单电池之间的密封中的一者或多处采用上述的密封结构。
下面以质子交换膜燃料电池端板密封为例，如图1所示，进行介绍，如图2所示为典型橡胶材料的应力松弛曲线图，在恒定不变的应变条件下，橡胶材料的应力会逐渐减弱，最终逐渐降低并趋于某一值。此种应力松弛由橡胶材料的黏弹性引起，在初始时间内应力衰减十分迅速，而后逐渐变缓。橡胶材料应力松弛特性的松弛模量E和松弛时间τ可以由应力松弛实验获得，其应力随时间的变化可以根据麦克斯韦模型(式1)进行计算，并可由时温等效原理(式2)转换得到不同温度下的应力松弛特性。
Figure GDA0002974813530000041
Gr(t,T2)＝Gr(αT(T1,T2)t,T1) (2)
其中：σ(t)为橡胶应力，σ∞为平衡应力，是t→∞时的稳态值，Gr(t,T2)为时间和温度的函数，t为时间，τi为松弛时间，n为项数，σi为松弛应力，αT为移动因子，T1为高温温度，T2为低温温度，T1为高温温度。
如图3所示为金属橡胶材料的应力松弛曲线图。金属橡胶材料的压缩特性与其密度有关。其密度越大，恢复力越强。金属橡胶材料的应力松弛时间较短，在很短的时间便会达到一个稳定值，且该稳定值远大于橡胶材料的压缩应力值。
如图5为本发明所涉及的复合材料叠加密封结构简化计算示意图。所述密封方法中，橡胶材料，金属橡胶材料，密封法兰与密封凹槽形成密封腔体。橡胶材料的上下表面受挤压产生接触压力起到密封作用。由串联复合材料应力相等关系σ＝σA＝σB＝σA可得：
Eε＝EAεA＝EBεB＝EAεA (3)
Figure GDA0002974813530000042
其中：σ为复合材料应力，σA为橡胶材料应力，σB为金属橡胶材料应力，Eε为复合材料应力，其值为复合材料弹性模量与复合材料应变的乘积，EA为橡胶材料弹性模量，εA为橡胶材料应变，EB为金属橡胶2弹性模量，εB为金属橡胶2应变。
再根据变形关系Δx＝ΔxA+ΔxB+ΔxA可得：
εl＝δAal+δB(1-2a)l+δAal (5)
Figure GDA0002974813530000051
其中：l为复合材料厚度，a为橡胶材料在复合材料中的厚度占比。
可根据式(7)求出复合材料弹性模量与其各组分材料弹性模量的关系：
Figure GDA0002974813530000052
其中：E为复合材料弹性模量。
基于以上理论分析，在设计得到如图4的结构后，经过实验测定，实验结果如图6所示，为由复合密封条的应力松弛曲线图，根据式(7)可求出复合材料(即复合密封条)的弹性模量与各组分材料弹性模量的关系，再进一步求出复合材料随着时间的应力松弛特性。本例中a取0.2，可以明显看出，在外层密封圈中加入金属橡胶材料制成的内芯后，复合密封条随时间应力松弛最后的稳定应力值大大提高了，能够有效解决传统橡胶材料密封圈因应力松弛导致的密封失效。

Claims (4)

1.一种燃料电池堆密封结构，包括密封凹槽、密封法兰和密封条，所述密封条置于密封凹槽中，所述密封法兰与密封凹槽连接时从两侧挤压密封条实现密封，其特征在于，所述密封条为复合密封条，包括由第一材料制成的外层密封圈和由第二材料制成的内芯，所述外层密封圈包覆于内芯表面，且第二材料的松弛模量大于第一材料的松弛模量，由第二材料制成的内芯用于补偿外层密封圈的应力松弛；
所述第一材料为橡胶，所述橡胶为三元乙丙橡胶，第二材料为金属橡胶；
所述内芯的直径为密封条直径的50%~70%；
所述第二材料的松弛模量为第一材料的松弛模量的10~20倍。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池堆密封结构，其特征在于，所述密封条为线状或环状。
3.一种燃料电池堆，其特征在于，所述燃料电池堆端板上反应气体进口及出口、冷却液进口及出口，单电池内部及单电池之间的密封中的一者或多处采用如权利要求1~2中任一所述的密封结构。
4.一种基于权利要求1~2中任一所述的密封结构的应力松弛补偿方法，其特征在于，包括：
步骤S1：测定第一材料的应力松弛特性曲线；
步骤S2：构建复合密封条的弹性模量模型；
步骤S3：根据第一材料的应力松弛特性曲线，基于弹性模量模型选定第二材料的类型和厚度占比。
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