CN115064723A - 用于燃料电池的密封件及密封结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于燃料电池的密封件及密封结构，该密封件包括框体，框体与极板的周边部分接触以提供密封，其特征在于，框体具有中间开口和贯穿孔，中间开口用于暴露极板的活性区域，贯穿孔与极板的贯穿孔相对应，其中，框体的至少一侧表面还设置有密封线，框体边缘和贯穿孔边缘中的至少一者被密封线所环绕。通过采用具有密封线的异形密封件、采用螺杆式连接两端板的侧板，相邻侧板间的连接件以及位于绝缘板与端板之间的缓冲模块，有效减小了密封件的压缩疲劳，增大了密封件的压缩余量，提高了端板的受力均一性，并实现了流体管路区域和反应区域不同的压力，不仅提高了燃料电池的密封性，还提高了燃料电池电堆性能。

Description

用于燃料电池的密封件及密封结构

技术领域

本发明涉及燃料电池，更具体地，涉及一种用于燃料电池的密封框及密封结构。

背景技术

燃料电池是通过甲醇或氢等燃料在膜电极组件的催化剂层与氧化气体发生电化学反应，获取电能的发电装置。燃料电池包括膜电极组件以及位于膜电极组件两侧的双极板。

燃料电池的工作温度一般为80-90℃之间，当电池停止运行或外界环境温度降低时，燃料电池中的密封件在低温下容易由于材料收缩引起弹力降低，进而引发泄露风险；进一步地，密封件在在长期及反复压缩下，容易导致压缩疲劳，弹力会降低从而影响到燃料电池的密封性能。

由于密封件经过长期压缩，容易出现内部应力松弛，现有技术中，通常选用较大的初始预紧力来应对松弛效应，但过大的预紧力容易导致燃料电池中的膜电极或扩散层发生机械损伤进而影响其传输性能；同时，过大的初始预紧力也容易加剧密封件的压缩疲劳，减少密封件的使用寿命。由于燃料电池中的反应物多为流体，为了提高燃料电池的安全性和密封性，防止反应物及冷却液泄露，需要更好更稳定的密封结构。

针对现有燃料电池密封技术，产业界期望有更好的解决方案，能进一步改进燃料电池的密封结构，以减小燃料电池的泄露风险，提高燃料电池的使用寿命。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供用于燃料电池的密封件及密封结构，其中，通过采用具有凸起密封线的异形密封件、采用螺杆式连接两端板的侧板，相邻侧板间的连接件以及位于绝缘板与端板之间的缓冲模块，有效减小了密封件的压缩疲劳，增大了密封件的压缩余量，提高了端板的受力均一性，并实现了流体管路区域和反应区域不同的压力，不仅提高了燃料电池的密封性，提高了燃料电池的安全性与可靠性，同时还提高了燃料电池电堆的电化学性能。

根据本发明的第一方面，提供一种用于燃料电池的密封件，包括框体，所述框体与极板的周边部分接触以提供密封，其特征在于，所述框体具有中间开口和贯穿孔，所述中间开口用于暴露所述极板的活性区域，所述贯穿孔与所述极板的贯穿孔相对应，其中，所述框体的至少一侧表面还设置有密封线，所述框体边缘和所述贯穿孔边缘中的至少一者被所述密封线所环绕。

优选地，所述框体还包括凹槽，所述凹槽与所述密封线相匹配，所述凹槽位于所述密封线的一侧。

优选地，所述密封线的高度大于与其对应的所述凹槽的深度，所述密封线的宽度大于与其对应的所述凹槽的宽度。

优选地，所述框体的厚度0.1mm-0.7mm，所述框体的宽度为1mm-7mm。

优选地，所述密封线凸出所述框体表面的高度为0.1mm-0.25mm，所述密封线的宽度为0.2mm-0.6mm。

优选地，所述凹槽的深度为0.02mm-0.06mm，所述凹槽的宽度为0.05mm-0.3mm。

优选地，所述密封线和所述凹槽的截面例如为三角形、矩形、弧形、半圆形中的一种。

优选地，所述框体采用有机硅橡胶、氟橡胶和三元乙丙橡胶中的至少一种制成。

优选地，所述密封线包括第一密封线和第二密封线，所述第一密封线环绕所述框体边缘设置，所述第二密封线环绕所述贯穿孔边缘设置。

优选地，所述第一密封线与所述第二密封线之间的间隔为0.4mm-5mm。

根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池的密封结构，其特征在于，包括：电堆，所述电堆具有如上所述的密封件；端板，位于所述电堆的两端；多个侧板，所述多个侧板垂直于所述端板，所述多个侧板将所述电堆两端的端板相连；绝缘板，位于所述电堆与所述端板之间；其中，在所述电堆的至少一侧，所述端板与所述绝缘板之间设置有缓冲模块，所述缓冲模块边缘部分的弹力大于其中间部分的弹力，所述缓冲模块的中间部分与所述密封框的中间开口相对应。

优选地，所述多个侧板与所述端板通过螺栓相连，至少部分相邻的侧板之间设置有连接件，所述连接件将相邻的侧板相连，所述连接件朝向所述端板一侧的端面与所述侧板朝向所述端板一侧的端面齐平。

优选地，所述缓冲模块包括多个弹性件，所述弹性件包括碟形弹簧、螺旋弹簧和波形弹簧中的至少一种。

优选地，所述弹性件包括第一弹性件和第二弹性件，所述第一弹性件位于所述缓冲模块的边缘部分，所述第二弹性件位于所述缓冲模块的中间部分，以使所述缓冲模块的不同位置具有不同的弹力。

优选地，所述第一弹性件的外径为15mm-30mm，所述第二弹性件的外径为30mm-70mm。

优选地，所述缓冲模块为矩形，所述第一弹性件与所述缓冲模块最外侧边缘的距离为0.1mm-1mm。

优选地，沿所述缓冲模块的短边，相邻所述第一弹性件的间距为0.1mm-1mm，沿所述缓冲模块的长边，相邻所述第一弹性件的间距为3mm-10mm。

优选地，沿所述缓冲模块的长边，所述第二弹簧件与所述第一弹性件的间距为15mm-30mm，相邻所述第二弹性件的间距为30mm-70mm。

根据本发明提供的用于燃料电池的密封件及密封结构，具有以下有益效果：

本发明提供的密封件由于在特定位置设置有密封线，通过将该密封件应用于极板的冷却面，在保证密封效果的同时，可有效缓冲冷却面密封件的受力，减小密封件的压缩疲劳；增大密封件整体的压缩余量，在密封件因温度降低或应力松弛而收缩时，为整个燃料电池密封结构提供更大的弹性余量。

通过在相邻的侧板间设置连接件，不仅为侧板的螺杆式连接增加了限位，实现了三维空间的尺寸定位，相邻侧板间的连接件，还保证多个侧板在端板的受力均一性，避免因局部侧板拉力过大导致的电堆机械应力损伤。该侧板与连接件的组合降低了燃料电池装配和设计难度，提升了燃料电池的可靠性，稳定性和寿命，且该密封结构的设计简单，适合大规模量产。

进一步地，在电堆至少一侧的绝缘板与端板之间还设置有缓冲模块，此缓冲模块可以保证燃料电池在较小预紧力下即可保证中间反应区域的接触，减小膜电极组件中气体扩散层因预紧力过大导致的机械损伤，提高燃料电池电堆性能；同时可减小密封件因预紧力过大导致的压缩疲劳。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出燃料电池的电堆中重复部件的截面图。

图2示出根据本发明实施例的密封件的俯视图。

图3示出根据本发明实施例的密封件的局部截面图。

图4示出根据本发明实施例的燃料电池密封结构的示意图。

图5示出根据本发明实施例的燃料电池密封结构中缓冲模块的俯视图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

在本申请中，本文所使用的所有术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

下面，参照附图对本发明进行详细说明。

图1示出燃料电池的电堆中重复部件的截面图。重复部件包括阳极极板110、阴极极板120以及夹在两极板之间的膜电极组件130。阳极极板110朝向膜电极组件130的一侧(以下简称为“正面”)还设置有燃料流体流道111，阳极极板110背离膜电极组件130的一侧(以下简称为“背面”)具有冷却介质流道112，类似地，阴极极板120朝向膜电极组件130的一侧(以下简称为“正面”)设置有氧化气体流道121，阴极极板120背离膜电极组件130的一侧(以下简称为“背面”)具有冷却介质流道122。阳极极板110与膜电极组件130之间以及阴极极板120与膜电极组件130之间例如还分别设置有第一密封件131和第二密封件132，以增强极板与膜电极组件130之间的密封性。重复部件中的阳极极板110和阴极极板120兼有反应物流场装置、散热板、导电、支撑结构的作用，从而可以简化燃料电池的结构且减小燃料电池的体积。

燃料电池的电堆例如包括堆叠在一起且彼此电连接的多个重复部件，以提高输出电压。相邻的重复部件之间例如也设置有密封件，即在相邻两重复部件邻近的阳极极板110的背面和阴极极板120的背面之间也设置有密封件。

图2示出本发明实施例密封件的俯视图，如图2所示，该密封件包括框体100和贯穿框体100的若干贯穿孔，框体100中间位置具有与极板的反应物流场相对应的中间开口109，若干贯穿孔分别与燃料电池电堆中的管路相对应，基于燃料电池中极板的结构，该密封件还设置有环绕框体100外侧边缘的第一密封线101，以及环绕贯穿孔的第二密封线102，以增强密封性，增大密封件的压缩余量，减小压缩疲劳。该密封件可采用注塑成型工艺制成。

具体地，框体100在垂直于堆叠方向的平面上大致为矩形，其形状与阳极极板110及阴极极板120相对应，在矩形相对的两侧边部分设置有贯穿孔103-108，其中，第一贯穿孔103、第二贯穿孔104、第三贯穿孔105位于同一侧，并沿该侧边按序阵列排布，第四贯穿孔106、第五贯穿孔107和第六贯穿孔108位于相对的另一侧，其同样沿侧边按序阵列排布。以图2中虚线框中的单个单元为例，该单元中的第一贯穿孔103和第四贯穿孔106与燃料管路相对应，第二贯穿孔104和第五贯穿孔107与冷却介质管路相对应，第三贯穿孔105和第六贯穿孔108与氧化气体管路相对应。

图3示出了图2中沿A-A截面线截取的截面示意图，图中可见，在框体100的上表面分别设置有第一密封线101和第二密封线102，其中，第一密封线101环绕框体100的外侧边缘设置，第二密封线102环绕贯穿孔103-108设置。进一步地，在第一密封线101外侧还邻接设置有第一凹槽1011，在第二密封线102的内侧邻接设置有第二凹槽1021，凹槽用于容纳密封线受压产生的部分形变，避免密封线扭转断裂。具体地，框体100的厚度H例如为0.1mm-0.7mm，框体100最外侧边与中间开口109的侧边之间的距离与框体100最外侧边与贯穿孔的侧壁之间距离相同或相近，将该距离定义为框体100的宽度，则框体100的宽度D例如为1mm-7mm；第一密封线101和第二密封线102的尺寸相同，第一凹槽1011和第二凹槽1021的尺寸相同，以第一密封线101和第一凹槽1011为例，第一密封线101凸出框体100上表面的高度h1例如为0.1mm-0.25mm，第一密封线101的宽度例如为0.2mm-0.6mm；第一凹槽1011的深度h2例如为0.02mm-0.06mm，第一凹槽1011的宽度例如为0.05mm-0.3mm，第一凹槽1011的尺寸小于第一密封线101的尺寸，通过设置第一凹槽1011以容纳第一密封线101被压缩时的部分形变。第一密封线101与第二密封线102之间具有一定的间距，该间距d3例如为0.4mm-5mm。

图3中的密封线和凹槽的截面形状虽然均为弧形，但也可根据需求将截面变换为三角形、矩形、半圆形等其他形状，当然地，密封线和凹槽也可设置在框体100的下表面，或者在框体100的上下两侧均设置有密封线和凹槽。框体100、第一密封线101和第二密封线102例如均采用有机硅橡胶、氟橡胶和三元乙丙橡胶中的至少一种制成。

具体地，在燃料电池的电堆中，阳极极板与膜电极组件之间，阴极极板与膜电极组件之间例如均采用平面的密封件，而在阳极极板的背面和阴极极板的背面为具有冷却介质流道用于进行冷却的冷却面，因冷却面的温差及温度变化相对更加剧烈和频繁，故在冷却面采用如图2和图3所示的在框体100上设有密封线的密封件，不仅可以缓冲冷却面密封件的受力，减小密封件的压缩疲劳；同时还增大了密封件整体的压缩余量，使得在密封件因温度降低或应力松弛而收缩时，能为整个密封体系提供更大的弹性余量，防止泄露的发生。

图4示出本发明实施例的燃料电池密封结构的示意图，为了更清晰的展示该密封结构，将电堆及绝缘板从其中拆出并以爆炸图的方式放于左侧，其余部分位于右侧。具体地，该燃料电池密封结构包括第一端板60、第二端板70以及位于两端板之间的绝缘板和电堆，电堆包括若干堆叠的重复部件10、第一电流集流体20、第二电流集流体30，第一绝缘板40位于第一集流体20上方，第二绝缘板50位于第二集流体30下方，其中，重复部件10、第二电流集流体30和第二绝缘板70上均设置有贯穿孔以形成垂直于堆叠平面的管路，重复部件10中的阳极极板例如与第一电流集流体20电连接，重复部件10中的阴极极板例如与第二电流集流体30电连接。

第一端板60与第二端板70例如分别位于电堆的上下两端，在第一端板60与第一绝缘板40之间例如还设置有缓冲模块80，以更好的调节电堆所受压力，保证电堆的密封性；第二端板70垂直于重复部件10堆叠平面的一侧面设置有流体接口71，通过流体接口71可以向该燃料电池提供燃料、氧化气体和冷却介质，进一步地，第二端板70朝向电堆一侧的表面还设置有流体分配孔72，流体结构71通过第二端板70中的流体通道与流体分配孔72相连，以向电堆提供所需的燃料、氧化气体和冷却介质。第一端板60与第二端板70通过对称设置于电堆左右两侧的若干侧板90相连，侧板90例如为具有一定厚度的长条板状，螺栓穿过端板的一侧并与位于端板另一侧的侧板90的侧边相连，通过调节螺栓的松紧从而调整端板为电堆提供的预紧力。位于电堆同一侧的相邻的侧板90之间还设置有连接件91，连接件91例如为矩形块状，通过控制连接件91的形状和尺寸可以对相邻的侧板90之间的间距及平行关系进行定位和限制，进一步地，连接件91朝向端板一侧的端面与侧板90朝向该端板一侧的端面齐平，以使侧板90与连接件91形成的组合体与端板的接触面积更大，避免因个别侧板90的螺栓过紧引起局部压力过大导致电堆机械应力损伤。通过了连接件91与侧板90的组合，省去了高精度的定位需求，极大降低了燃料电池的装配和设计难度，提升了燃料电池的可靠性、稳定性和寿命，工艺流程也更加简单，利于大规模量产。

图5示出本发明实施例的燃料电池密封结构中缓冲模块的俯视图。该缓冲模块80例如为矩形，包括第一弹性件81和第二弹性件82两种弹性件，以实现缓冲模块80的周边区域和中间区域不同的弹力，当然地，也可设置更多种类的弹性件，在此不再赘述，其弹性件可以采用碟形弹簧、螺旋弹簧或波形弹簧等弹性元件中的至少一种，可采用层叠并联或反向串联的方式来增加弹簧载荷及弹簧行程。具体地，在如图5所示的实施例中，第一弹性件81环绕缓冲模块80的周边设置，第二弹性件82位于缓冲模块80的中间区域，即在缓冲模块80中采用周边区域弹性元件小而紧密，中间区域弹性元件大而稀疏的布置方式。此种设计方式可以增加燃料电池密封结构中电堆端面四周受力的均一性，减小因受力不均导致的泄露点产生，同时也可通过调整弹簧改变缓冲模块80的弹力，避免密封件因受力过大导致的密封件挤出；中间区域弹性元件大而稀疏的布置可以提高燃料电池中间活性区域的接触，减小接触内阻进而提高燃料电池的电化学性能。

具体地，该缓冲模块80为具有两条长边和两条短边的矩形，第一弹性件81和第二弹性件82例如均为截面为圆形的螺旋弹簧，第一弹性件81的外径D1为15mm-30mm，第二弹性件82的外径D2为30mm-70mm，第一弹性件81环绕缓冲模块80的四周布置，其与缓冲模块80的侧边之间的间距例如为0.1mm-1mm，沿缓冲模块80的长边设置的相邻的第一弹性件81之间的距离D3为3mm-10mm，沿缓冲模块80的短边设置的相邻的第一弹性件81之间的距离D4为0.1mm-1mm，第二弹性件82与沿短边设置的第一弹性件81之间的间距D6为15mm-30mm，相邻的第二弹性件82之间的间距D5为30mm-70mm。结合燃料电池中的密封件及连接两端板的侧板，此设计可以保证燃料电池在较小预紧力下即实现中间反应区域的密封及接触，减小膜电极组件中膜电极及气体扩散层因预紧力过大导致的受力损失，提高电堆性能；同时可减小密封件因预紧力过大导致的压缩疲劳。在该实施例中，第二弹性件82仅为横向排列的一排，但在实际应用中可根据实际尺寸设置有多排的第二弹性件82。

根据本发明的上述实施例的燃料电池密封结构可以应用于电动车辆中，由于燃料电池功率密度高、大电流放电性能好，可提高车辆的动力性能、燃料利用效率和续航里程。

根据本发明提供的用于燃料电池的密封件及密封结构，具有以下有益效果：

本发明提供的密封件由于在特定位置设置有密封线，通过将该密封件应用于极板的冷却面，在保证密封效果的同时，可有效缓冲冷却面密封件的受力，减小密封件的压缩疲劳；增大密封件整体的压缩余量，在密封件因温度降低或应力松弛而收缩时，为整个燃料电池密封结构提供更大的弹性余量。

通过在相邻的侧板间设置连接件，不仅为侧板的螺杆式连接增加了限位，实现了三维空间的尺寸定位，相邻侧板间的连接件，还保证多个侧板在端板的受力均一性，避免因局部侧板拉力过大导致的电堆机械应力损伤。该侧板与连接件的组合降低了燃料电池装配和设计难度，提升了燃料电池的可靠性，稳定性和寿命，且该密封结构的设计简单，适合大规模量产。

进一步地，在电堆至少一侧的绝缘板与端板之间还设置有缓冲模块，此缓冲模块可以保证燃料电池在较小预紧力下即可保证中间反应区域的接触，减小膜电极组件中气体扩散层因预紧力过大导致的机械损伤，提高燃料电池电堆性能；同时可减小密封件因预紧力过大导致的压缩疲劳。

应当说明的是，在本发明的描述中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (18)

1.一种用于燃料电池的密封件，包括框体，所述框体与极板的周边部分接触以提供密封，其特征在于，所述框体具有中间开口和贯穿孔，所述中间开口用于暴露所述极板的活性区域，所述贯穿孔与所述极板的贯穿孔相对应，

其中，所述框体的至少一侧表面还设置有密封线，所述框体外边缘和所述贯穿孔边缘中的至少一者被所述密封线所环绕。

2.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述框体还包括凹槽，所述凹槽与所述密封线相匹配，所述凹槽位于所述密封线的一侧。

3.根据权利要求2所述的密封件，其特征在于，所述密封线的高度大于与其对应的所述凹槽的深度，所述密封线的宽度大于与其对应的所述凹槽的宽度。

4.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述框体的厚度0.1mm-0.7mm，所述框体的宽度为1mm-7mm。

5.根据权利要求2所述的密封件，其特征在于，所述密封线凸出所述框体表面的高度为0.1mm-0.25mm，所述密封线的宽度为0.2mm-0.6mm。

6.根据权利要求2所述的密封件，其特征在于，所述凹槽的深度为0.02mm-0.06mm，所述凹槽的宽度为0.05mm-0.3mm。

7.根据权利要求2所述的密封件，其特征在于，所述密封线和所述凹槽的截面例如为三角形、矩形、弧形、半圆形中的一种。

8.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述框体采用有机硅橡胶、氟橡胶和三元乙丙橡胶中的至少一种制成。

9.根据权利要求2所述的密封件，其特征在于，所述密封线包括第一密封线和第二密封线，所述第一密封线环绕所述框体边缘设置，所述第二密封线环绕所述贯穿孔边缘设置。

10.根据权利要求9所述的密封件，其特征在于，所述第一密封线与所述第二密封线之间的间隔为0.4mm-5mm。

11.一种用于燃料电池的密封结构，其特征在于，包括：

电堆，所述电堆具有如权利要求1-10任一项所述的密封件；

端板，位于所述电堆的两端；

多个侧板，所述多个侧板垂直于所述端板，所述多个侧板将所述电堆两端的端板相连；

绝缘板，位于所述电堆与所述端板之间；

其中，在所述电堆的至少一侧，所述端板与所述绝缘板之间设置有缓冲模块，所述缓冲模块边缘部分的弹力大于其中间部分的弹力，所述缓冲模块的中间部分与所述密封框的中间开口相对应。

12.根据权利要求11所述的密封结构，其特征在于，所述多个侧板与所述端板通过螺栓相连，至少部分相邻的侧板之间设置有连接件，所述连接件将相邻的侧板相连，所述连接件朝向所述端板一侧的端面与所述侧板朝向所述端板一侧的端面齐平。

13.根据权利要求11所述的密封结构，其特征在于，所述缓冲模块包括多个弹性件，所述弹性件包括碟形弹簧、螺旋弹簧和波形弹簧中的至少一种。

14.根据权利要求13所述的密封结构，其特征在于，所述弹性件包括第一弹性件和第二弹性件，所述第一弹性件位于所述缓冲模块的边缘部分，所述第二弹性件位于所述缓冲模块的中间部分，以使所述缓冲模块的不同位置具有不同的弹力。

15.根据权利要求14所述的密封结构，其特征在于，所述第一弹性件的外径为15mm-30mm，所述第二弹性件的外径为30mm-70mm。

16.根据权利要求15所述的密封结构，其特征在于，所述缓冲模块为矩形，所述第一弹性件与所述缓冲模块最外侧边缘的距离为0.1mm-1mm。

17.根据权利要求16所述的密封结构，其特征在于，沿所述缓冲模块的短边，相邻所述第一弹性件的间距为0.1mm-1mm，沿所述缓冲模块的长边，相邻所述第一弹性件的间距为3mm-10mm。

18.根据权利要求17所述的密封结构，其特征在于，沿所述缓冲模块的长边，所述第二弹簧件与所述第一弹性件的间距为15mm-30mm，相邻所述第二弹性件的间距为30mm-70mm。

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