CN114361498A - 一种燃料电池双极板的密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种燃料电池双极板的密封结构，所述密封结构包括依次层叠设置的双极板、密封件和膜电极，所述双极板在贴近密封件的一侧中部开设有至少两个凹槽，所述凹槽之间设置有凸出部，使得所述凹槽组成w型结构，所述凸出部对接密封件的凹陷部，所述密封件为n型结构。在本发明中，采用双极板表面w型和密封件n型的密封结构，使得密封件定位准确，压装后形成多个密封面结构，增强了双极板密封结构的密封性，且增强了双极板凹槽本身的机械强度，适用于多种材料的双极板结构和多种材料的密封件，通用型强，且该密封结构对双极板和密封件的批量化储运无特殊要求，操作方便。

Description

一种燃料电池双极板的密封结构
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池双极板的密封结构。
背景技术
随着双碳目标的持续推进，燃料电池以它清洁环保的优势不断被关注着。电堆是燃料电池系统的核心反应单元，双极板是电堆的核心组件之一，对电堆的性能、成本有着很大的影响。目前常见的电堆装配方式是双极板与膜电极依次堆叠的方式，因此密封结构的设计对电堆整体密封性影响很大，也是最容易出现故障的地方。
CN213026205U公开了一种双极板密封胶截面结构，包括双极板，设于双极板胶槽中的胶体，位于胶体和双极板上侧的膜电极组件，胶体的截面呈多个峰形，多个峰形之间设有多个谷形空间，膜电极组件通过胶体与双极板压合，胶体的截面结构，施加压紧力后可提高膜电极组件与双极板之间的密封性。胶槽的横截面呈梯形，一方面用于防止双极板脱模时受损，另一方用于面膜电极组件与胶体及双极板压合时，容纳胶体变形。该方案的多峰形截面具有多个空腔和接触部分，具有流固耦合密封效应，流体在通过节流间隙时产生的压差，经过多个空腔后，气体压力迅速降低，因此提高了密封性能。
CN112993305A公开了一种用于高温质子交换膜燃料电池的双极板密封结构，包括冷却介质流场相对设置、密封叠合双极板A和双极板B，于双极板A冷却介质流场一侧的双极板表面，冷却介质流场和冷却介质进出口通道及其分配流道四周、空气进出口通道及其分配流道四周、氢气进出口通道及其分配流道四周的双极板板体均设有环状凸起；环形凸起与冷却介质流场、冷却介质进出口通道及其分配流道、空气进出口通道及其分配流道、氢气进出口通道及其分配流道之间的区域作为置胶区，相对应的于双极板B冷却介质流场一侧的双极板表面，冷却介质流场和冷却介质进出口通道及其分配流道四周、空气进出口通道及其分配流道四周、氢气进出口通道及其分配流道四周的双极板板体均设有环状凹槽，环状凸起插入环状凹槽内。
CN109585876A公开了一种燃料电池双极板密封结构和密封方法，燃料电池双极板密封结构包括两分别设置在阴极板和阳极板密封圈对应位置的凸台，两所述凸台上均涂覆有固化后具有一定厚度和弹性变形量的胶水。该发明中的燃料电池双极板密封结构和密封方法，在阳极板与阴极板上直接成型凸台并涂敷特定胶水以构成密封件，步骤简便、易于操作且自动化设备精度较高，省去了手工将密封件放入密封凹槽内的时间成本，也减少了在燃料电池膜电极及双极板上直接注射成型硅胶密封件的设备成本以及研发成本。
现有技术的密封结构还存在胶体底部与极板接触部无支撑，双极板堆叠形成电堆时，容易因受力不足或尺寸偏差造成压缩量不够进而影响胶体的密封性，而且不平的胶体底部易对极板底部性能应力集中进而影响机械性能；应用于双极板内部阴阳极的粘结或封装，非电堆装配时空气和氢气的密封，且凸起的结构对于极板的输运和存储提出了更高的要求等问题，因此，亟需设计开发一种双极板的密封结构，克服现有技术存在问题，使得胶型与胶槽配合的凹凸结构确保良好密封性的同时，能够提高极板胶槽的机械强度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池双极板的密封结构，在本发明中，采用双极板表面w型和密封件n型的密封结构，使得密封件定位准确，压装后形成多个密封面结构，增强了双极板密封结构的密封性，且增强了双极板凹槽本身的机械强度，适用于多种材料的双极板结构和多种材料的密封件，通用型强，且该密封结构对双极板和密封件的批量化储运无特殊要求，操作方便。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种燃料电池双极板的密封结构，所述密封结构包括依次层叠设置的双极板、密封件和膜电极，所述双极板在贴近密封件的一侧中部开设有至少两个凹槽，所述凹槽之间设置有凸出部，使得所述凹槽组成w型结构，所述凸出部对接密封件的凹陷部，所述密封件为n型结构。
在本发明中，采用双极板表面w型和密封件n型的密封结构，使得密封件定位准确，压装后形成多个密封面结构，增强了双极板密封结构的密封性，且增强了双极板凹槽本身的机械强度，适用于多种材料的双极板结构和多种材料的密封件，通用型强，且该密封结构对双极板和密封件的批量化储运无特殊要求，操作方便。
作为本发明一种优选的技术方案，所述凹槽组成w型结构的整体宽度为1～6mm，例如可以是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明特别限定了所述凹槽组成w型结构的整体宽度为1～6mm，是因为综合考虑了双极板板面的有效利用率和密封效果，若所述凹槽组成w型结构的整体宽度超出限定值6mm时，会导致双极板有效面积利用率低进而降低电堆的体积功率密度，这是由于更宽的胶槽占用极板板面的空间就越大，相同有效反应面积下有效面积的利用率就会下降；若所述凹槽组成w型结构的整体宽度低于限定值1mm，会导致密封空间过于狭小，无法保证密封效果，这是由于有效的密封需要合理的密封空间设置。
高度为0.2～0.6mm，例如可以是0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明特别限定了所述凹槽高度为0.2～0.6mm，是因为综合考虑了双极板厚度和密封效果，若所述凹槽高度超出限定值0.6mm时，会导致双极板厚度过厚，电堆提供功率密度降低，这是由于双极板的厚度受流场和胶槽的深度以及极板腹板厚度的影响，如果凹槽高度过高也就意味着双极板的厚度更厚；若所述凹槽高度低于限定值0.2mm，会导致密封效果不良，这是由于双极板通过胶条密封需要一定的压缩量来保证双极板间的密封，若胶槽深度过小密封效果欠佳。
作为本发明一种优选的技术方案，所述凸出部的宽度小于凹槽的宽度。
优选地，所述凸出部的宽度为所述凹槽宽度的10～30％，例如可以是10％、12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明特别限定了所述凸出部的宽度为所述凹槽宽度的10～30％，这是为了保证胶槽与密封胶条的支撑与配合，若所述凸出部的宽度为所述凹槽宽度超出限定值30％时，会导致胶槽两边深部预留空间变小，增大电堆组装压装力。这是由于小的密封空间需要匹配相对更窄密封胶条，在电堆装配时需要更大的压装力以保证密封效果，同时胶槽受力增大也降低了极板胶槽部位的强度；若所述凸出部的宽度为所述凹槽宽度低于限定值10％时，会导致密封胶条凹部受力集中，影响密封效果和电堆使用寿命，这是由于胶槽凸部宽度过小，电堆装配后胶条整体受力不均且对应胶槽凸部受力集中，长时间使用易出现胶条破损风险进而影响整个电堆的使用寿命。
作为本发明一种优选的技术方案，所述凸出部的高度小于凹槽的高度。
优选地，所述凸出部的高度为所述凹槽高度的40～70％，例如可以是40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明特别限定了所述凸出部的高度为所述胶槽深度的40～70％，这是因为这样的凸出部高度设置既可以增加密封的效果又可以保证密封的寿命，若所述凸出部的高度为所述凹槽高度超出限定值70％时，会导致配合密封胶条部位过薄，胶条使用寿命减低，这是由于w型胶槽需要与n型密封胶条配合使用以达到增强密封的效果；若所述凸出部的高度为所述凹槽高度低于限定值40％时，会导致胶条定位不准确密封增强效果不明显，这是由于w型胶槽和n型密封胶条的配合是为了电堆压装后形成多个密封面结构，增强了双极板密封结构的密封性，若凸出部高度过低，将无法突出密封结构的增强效果。
作为本发明一种优选的技术方案，所述密封件为密封胶条。
优选地，所述密封件的材质为硅胶、橡胶、烯烃树脂和PEDM中的任一种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述密封件的宽度为1～6mm，例如可以是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述密封件的凹陷部的高度大于所述凸出部的高度。
作为本发明一种优选的技术方案，所述双极板的材质为硬质石墨、膨胀石墨和复合石墨中的任一种。
作为本发明一种优选的技术方案，所述凹槽和凹陷部在竖直方向的拔模角度相同。
优选地，所述凹槽在竖直方向的拔模角度为5～20°，例如可以是5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述凹陷部在竖直方向的拔模角度为5～20°，例如可以是5°、6°、7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°、14°、15°、16°、17°、18°、19°、20°，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述凹槽的棱角和内角的倒角，以及所述凹陷部的棱角和内角的倒角均相同。
优选地，所述凹槽的棱角和内角的倒角为R0.1-R1，例如可以是R0.1、R0.2、R0.3、R0.4、R0.5、R0.6、R0.7、R0.8、R0.9、R1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述凹陷部的棱角和内角的倒角为R0.1-R1，例如可以是R0.1、R0.2、R0.3、R0.4、R0.5、R0.6、R0.7、R0.8、R0.9、R1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在本发明中，采用双极板表面w型和密封件n型的密封结构，使得密封件定位准确，压装后形成多个密封面结构，增强了双极板密封结构的密封性，且增强了双极板凹槽本身的机械强度，适用于多种材料的双极板结构和多种材料的密封件，通用型强，且该密封结构对双极板和密封件的批量化储运无特殊要求，操作方便。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式中提供的燃料电池双极板的密封结构示意图；
图2为本发明一个具体实施方式中提供的燃料电池双极板的密封结构的尺寸示意图；
其中，1-双极板；2-膜电极；3-密封件；4-凹陷部；5-凹槽；6-凸出部。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种燃料电池双极板1的密封结构，如图1和图2所示，所述密封结构包括依次层叠设置的双极板1、密封件3和膜电极2，双极板1在贴近密封件3的一侧中部开设有至少两个凹槽5，凹槽5之间设置有凸出部6，使得凹槽5组成w型结构，凸出部6对接密封件3的凹陷部4，密封件3为n型结构。
在本发明中，采用双极板1表面w型和密封件3n型的密封结构，使得密封件3定位准确，压装后形成多个密封面结构，增强了双极板1密封结构的密封性，且增强了双极板1凹槽5本身的机械强度，适用于多种材料的双极板1结构和多种材料的密封件3，通用型强，且该密封结构对双极板1和密封件3的批量化储运无特殊要求，操作方便。
凹槽5组成w型结构的整体宽度g为1～6mm，高度b为0.2～0.6mm，凸出部6的宽度i小于凹槽5的宽度的一半，凸出部6的宽度i为凹槽5宽度g的10～30％，凸出部6的高度e小于凹槽5的高度b，凸出部6的高度e为凹槽5高度b的40～70％。
密封件3为密封胶条，进一步地，密封件3的材质为硅胶、橡胶、烯烃树脂和PEDM中的任一种，更进一步地，密封件3的宽度f为1～6mm，且密封件3的凹陷部4的高度d大于凸出部6的高度e，凹陷部4的宽度为h大于凸出部6宽度i。
双极板1的材质为硬质石墨、膨胀石墨和复合石墨中的任一种，凹槽5和凹陷部4在竖直方向的拔模角度相同，进一步地，凹槽5在竖直方向的拔模角度为5～20°，凹陷部4在竖直方向的拔模角度为5～20°；凹槽5的棱角和内角的倒角，以及凹陷部4的棱角和内角的倒角均相同，进一步地，凹槽5的棱角和内角的倒角为R0.1-R1，凹陷部4的棱角和内角的倒角为R0.1-R1。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池双极板的密封结构，其特征在于，所述密封结构包括依次层叠设置的双极板、密封件和膜电极，所述双极板在贴近密封件的一侧中部开设有至少两个凹槽，所述凹槽之间设置有凸出部，使得所述凹槽组成w型结构，所述凸出部对接密封件的凹陷部，所述密封件为n型结构。
2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于，所述凹槽组成w型结构的整体宽度为1～6mm，高度为0.2～0.6mm。
3.根据权利要求1或2所述的密封结构，其特征在于，所述凸出部的宽度小于凹槽的宽度；
优选地，所述凸出部的宽度为所述凹槽宽度的10～30％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的密封结构，其特征在于，所述凸出部的高度小于凹槽的高度；
优选地，所述凸出部的高度为所述凹槽高度的40～70％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的密封结构，其特征在于，所述密封件为密封胶条；
优选地，所述密封件的材质为硅胶、橡胶、烯烃树脂和PEDM中的任一种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的密封结构，其特征在于，所述密封件的宽度为1～6mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的密封结构，其特征在于，所述密封件的凹陷部的高度大于所述凸出部的高度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的密封结构，其特征在于，所述双极板的材质为硬质石墨、膨胀石墨和复合石墨中的任一种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的密封结构，其特征在于，所述凹槽和凹陷部在竖直方向的拔模角度相同；
优选地，所述凹槽在竖直方向的拔模角度为5～20°；
优选地，所述凹陷部在竖直方向的拔模角度为5～20°。
10.根据权利要求1-9任一项所述的密封结构，其特征在于，所述凹槽的棱角和内角的倒角，以及所述凹陷部的棱角和内角的倒角均相同；
优选地，所述凹槽的棱角和内角的倒角为R0.1-R1；
优选地，所述凹陷部的棱角和内角的倒角为R0.1-R1。
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