CN116169316B - 一种燃料电池密封结构、燃料电池、燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃料电池的密封技术领域，具体涉及一种燃料电池密封结构、燃料电池、燃料电池堆，所述燃料电池密封结构包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件，所述密封组件包括绝缘基体，所述绝缘基体两侧设置主唇口和副唇口；主唇口相对于副唇口靠近燃料电池的膜电极组件设置，且主唇口的单侧高度小于副唇口的单侧高度。本发明设置了两组唇口密封结构，低硬度副唇口具有安装导向定位作用，低硬度主唇口通过高硬度橡胶内衬的作用下，在较低压缩率下即可达到密封接触应力要求，降低了密封件工作过程中的应力松弛或衰减的速度，延长了密封的使用寿命，进而延长了燃料电池电堆的使用寿命。

Description

一种燃料电池密封结构、燃料电池、燃料电池堆

技术领域

本发明属于燃料电池的密封技术领域，具体涉及一种燃料电池密封结构、燃料电池、燃料电池堆。

背景技术

燃料电池通常也称为氢燃料电池，是一种通过氢气和氧气进行氧化还原反应，将化学能转换为电能的发电装置。燃料电池工作时，阳极的氢气在催化剂作用下分解出氢离子和电子，氢离子通过质子交换膜到达阴极，电子则沿着外部电路到达阴极产生电流。而在阴极内，空气中的氧气与氢离子、电子反应生成水，因此，燃料电池具有极佳的环保优势。

在实际使用中，通常将对片燃料电池串联起来组成燃料电池堆，以满足较大的用电需求。组成燃料电池堆的燃料电池也称为燃料单电池，燃料电池主要包括质子交换膜、气体扩散层、双极板，质子交换膜两侧具有催化剂，双极板设置在质子交换膜两侧，双极板和质子交换膜之间具有气体扩散层。双极板上具有供应氢气、氧气、冷却剂的通道，在燃料电池发电过程中，需要将双极板和质子交换膜进行完全的密封，防止氢气、氧气、冷却剂等的泄露，如果密封性不良，则可能导致燃料电池内部燃料和氧化剂混合，发生反应，这种情况易导致电池爆炸，严重危害社会安全；如果物质外漏则可能导致电池的性能迅速下降。

因此，需要在双极板之间增加密封件，在制作电池堆的过程中，利用紧固力使密封件压缩变形达到双极板之间的密封。

从现有专利看出，密封结构多种多样，现有技术CN102324471A公开了一种自锁紧燃料电池密封组件结构，涉及燃料电池单体，燃料电池单体包括双极板、膜电极组件；双极板由上单极板和下单极板组成，其特征在于：上密封圈和下密封圈的截面形状均呈凹形，上密封圈和下密封圈的凹形部分面向气体流场区域；质子交换膜的边部与膜电极支撑部件的环形支撑台阶之间由粘结剂层粘结固定。该结构简单可靠、容易加工，既防止外漏，也可防止内漏(阴阳极串气)。

但是针对石墨双极板的燃料电池，由于石墨双极板抗压强度较低，一旦装堆集成过程中，施加的应力过大就会导致石墨双极板变形甚至出现裂纹，因此，用于石墨双极板与膜电极绝缘基材之间的密封需要采用低硬度橡胶材质。而低硬度橡胶密封件，需要比较大的压缩率才能产生足够的接触应力，进而起到密封作用。针对此类平面静密封，一般认为压缩率为15%～30%较为合适。压缩率超过30%一般容易导致橡胶密封件应力衰减松弛速度加快，密封寿命缩短等问题。石墨双极板和膜电极绝缘基材之间采用的低硬度橡胶密封件就是因为需求的压缩率较大，至少需要达到40%才能达到密封要求，所以容易导致燃料电池的密封寿命仍然不理想。

发明内容

为了解决现有技术中燃料电池寿命低的上述技术问题，本发明提供一种燃料电池密封结构、燃料电池、燃料电池堆。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件，所述密封组件包括绝缘基体，所述绝缘基体两侧设置主唇口和副唇口；主唇口相对于副唇口靠近燃料电池的膜电极组件设置，且主唇口的单侧高度小于副唇口的单侧高度。

进一步地，所述主唇口的单侧高度为0.5-1.5mm。

进一步地，所述副唇口的单侧高度为0.8-2.5mm。

进一步地，所述主唇口以及所述副唇口均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度范围为30-45ShoreA。

进一步地，所述绝缘基体被主唇口包裹的外壁上设置橡胶内衬，所述橡胶内衬的硬度大于所述主唇口的硬度。

更进一步地，所述橡胶内衬的单侧高度为0.2-0.8mm。

更进一步地，所述橡胶内衬采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度范围为50-75ShoreA。

更进一步地，所述主唇口、副唇口、橡胶内衬均采用粘合剂与绝缘基体连接，所述粘合剂为单涂粘合剂。

更进一步地，所述粘合剂为CHEMLOK环保型粘合剂。

进一步地，所述主唇口和所述副唇口的横截面均为椭圆形。

进一步地，所述绝缘基体为PEN材质。

本发明还提供一种燃料电池，包括一个膜电极组件、两个双极板以及上述的燃料电池密封结构，所述膜电极组件两侧分别设置一个双极板，两个双极板之间设置所述燃料电池密封结构。

进一步地，所述膜电极组件与双极板之间形成气体扩散层。

进一步地，所述双极板为石墨双极板。

进一步地，所述双极板的表面设置第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽对称设置于双极板的上表面和下表面上，第二凹槽对称设置于双极板的上表面和下表面上；第一凹槽内嵌入副唇口，第二凹槽内嵌入主唇口。

更进一步地，第一凹槽的内壁与副唇口的外壁贴合，第二凹槽为矩形凹槽；且第一凹槽的深度大于第二凹槽的深度，第一凹槽与第二凹槽的深度差小于副唇口与主唇口的高度差以使装配时副唇口先于主唇口被压缩。

进一步地，所述膜电极组件与绝缘基体固定连接。

本发明还提供一种燃料电池堆，包括多个重叠设置的双极板，相邻双极板之间设置膜电极组件，所述膜电极组件外周设置上述的燃料电池密封结构。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的燃料电池密封结构，采用包括主唇口和副唇口的双唇口密封形式，对燃料电池内介质的内漏或外漏起到双保险的密封作用；同时副唇口和截面高度高于主唇口，同时限定了副唇口和主唇口的高度以及相应的硬度范围，双极板上对应于主唇口和副唇口位置均设置配合的凹槽，在装配过程中，副唇口优先与双极板接触，为后续的主唇口与双极板接触密封提供导向作用；副唇口优先被压缩，分摊了双极板对主唇口的压缩力，在满足密封要求的同时，延长了主唇口的密封使用寿命。

本发明在主唇口内部设置高硬度的橡胶内衬，并限定了橡胶内衬的高度和硬度，以及主唇口的硬度和高度，进而提高了主唇口的抗压强度，在较低压缩率下即可达到要求的密封接触压力，进而提高燃料电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的燃料电池密封结构示意图。

附图标记说明：

1-膜电极组件，2-双极板，3-副唇口，4-主唇口，5-橡胶内衬，6-绝缘基体，7-密封组件，8-粘合剂。

具体实施方式

下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

本实施例提供一种燃料电池密封结构，如图1所示，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口先于主唇口被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为1.0mm。所述副唇口3的单侧高度为1.5mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为35ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口4的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.6mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为60ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体6连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

实施例二

本实施例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口先于主唇口被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为0.8mm。所述副唇口3的单侧高度为1.0mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为40ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口4的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.4mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为65ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体6连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

实施例三

本实施例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口先于主唇口被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为0.5mm。所述副唇口3的单侧高度为0.8mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为30ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口4的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.2mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为50ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体6连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

实施例四

本实施例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口先于主唇口被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为1.0mm。所述副唇口3的单侧高度为1.5mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为45ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口4的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.4mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为65ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体6连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

实施例五

本实施例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口先于主唇口被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为1.5mm。所述副唇口3的单侧高度为2.5mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为42ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.8mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为75ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体6连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

对比例一

本对比例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口先于主唇口被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为0.4mm。所述副唇口3的单侧高度为0.5mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为25ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口4的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.2mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为45ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体6连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

对比例二

本对比例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件7，所述密封组件7包括绝缘基体6，所述绝缘基体6两侧设置主唇口4和副唇口3；主唇口4相对于副唇口3靠近燃料电池的膜电极组件1设置，且主唇口4的单侧高度小于副唇口3的单侧高度，装配过程中副唇口与主唇口同时被压缩，具体方式为，将燃料电池的双极板两侧的第一凹槽和第二凹槽，二者的深度差设置为与副唇口、主唇口的高度差相同，则在装配中，副唇口和主唇口能够同时被压缩。

所述主唇口4的单侧高度为1.8mm。所述副唇口3的单侧高度为2.8mm。所述主唇口4以及所述副唇口3均采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度均为50ShoreA。

所述绝缘基体6被主唇口4包裹的外壁上设置橡胶内衬5，所述橡胶内衬5的硬度大于所述主唇口4的硬度。具体地，所述橡胶内衬5的单侧高度为0.85mm。所述橡胶内衬5采用三元乙丙橡胶材质，且采用的三元乙丙橡胶材质的硬度为77ShoreA。

所述主唇口4、副唇口3、橡胶内衬5均采用粘合剂8与绝缘基体连接，所述粘合剂8为单涂粘合剂。所述粘合剂为CHEMLOK6125环保型粘合剂。

所述主唇口4和所述副唇口3的横截面均为椭圆形。所述绝缘基体6为PEN材质。

对比例三

本对比例提供一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件，所述密封组件采用现有技术中的单唇口密封形式，如背景技术CN102324471A提供的密封结构，具体为其实施例1提供的密封结构，在双极板内侧设置密封槽道，密封槽道内设有密封圈，密封圈的截面形状均呈U型结构，并且密封圈均使用橡胶材质。两侧双极板的密封槽道均设置1条。

针对上述五组实施例以及对比例中密封结构，分别装配进入如图1所示的双极板结构中，分别进行相同的性能检测，结果如表1所示，

表1实施例与对比例的性能检测结果

从表1数据可以看出，主唇口、副唇口以及内衬的尺寸，以及其硬度均对最终的燃料电池的使用具有重要影响，低硬度副唇口截面高度大于低硬度主唇口，并且与双极板上有相应的配合凹槽，以使得副唇口先于主唇口被压缩，从而可以起到安装导向定位作用，并且可以防止安装错位。低硬度橡胶主唇口采用高硬度橡胶作为内衬，提高自身的抗压强度，降低了达到密封接触应力所需的压缩率，进而减缓或降低了应力松弛或衰减的速度，提高了密封使用寿命，进而提高了燃料电池电堆使用寿命。

本发明提供的燃料电池密封结构，其密封组件采用注射成型工艺，针对高硬度橡胶内衬5和低硬度主唇口4、副唇口3的成型，采用共用下模的双上模模具实现，第一套上模用于成型高硬度橡胶内衬5，第二套上模用于成型低硬度主唇口4和副唇口3。先将绝缘基体表面涂覆粘合剂并干燥充分，放置于成型模具中，模具通过凸台对绝缘基体进行定位，第一套上模与下模闭合后，注射高硬度橡胶至型腔，在绝缘基体上形成高硬度橡胶内衬5。然后开模，并翻转上模，第二套上模与下模配合，注射低硬度橡胶至型腔，在绝缘基体及高硬度橡胶内衬上再形成低硬度主副唇口密封件。

本发明还提供一种燃料电池，包括一个膜电极组件1、两个双极板2以及上述的燃料电池密封结构，所述膜电极组件1两侧分别设置一个双极板2，两个双极板2之间设置所述燃料电池密封结构；膜电极组件1的外围固定连接燃料电池密封结构的绝缘基体6。

所述膜电极组件1与双极板2之间形成气体扩散层。所述双极板2为石墨双极板，并且双极板2优选模压、填充、颗粒石墨复合材料，优选环氧树脂与石墨复合材料。

所述双极板2的表面设置第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽对称设置于双极板2的上表面和下表面上，第二凹槽对称设置于双极板2的上表面和下表面上；第一凹槽内嵌入副唇口3，第二凹槽内嵌入主唇口4。第一凹槽的内壁与副唇口3的外壁贴合，第二凹槽为矩形凹槽；且第一凹槽的深度大于第二凹槽的深度。

本发明还提供一种燃料电池堆，包括多个重叠设置的双极板，相邻双极板之间设置膜电极组件，所述膜电极组件外周设置上述的燃料电池密封结构。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种燃料电池密封结构，包括设置在燃料电池相邻双极板之间的密封组件，其特征在于，所述密封组件包括绝缘基体，所述绝缘基体两侧设置主唇口和副唇口；主唇口相对于副唇口靠近燃料电池的膜电极组件设置，且主唇口的单侧高度小于副唇口的单侧高度，且在装配时副唇口先于主唇口被压缩；

所述主唇口的单侧高度为0.5-1.5mm；

所述副唇口的单侧高度为0.8-2.5mm；

所述主唇口以及所述副唇口的硬度范围为30-45ShoreA；

所述绝缘基体被主唇口包裹的外壁上设置橡胶内衬，所述橡胶内衬的硬度大于所述主唇口的硬度；

所述橡胶内衬的单侧高度为0.2-0.8mm；

所述橡胶内衬硬度范围为50-75ShoreA。

2.根据权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征在于，所述主唇口以及所述副唇口均采用三元乙丙橡胶材质。

3.根据权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征在于，所述橡胶内衬采用三元乙丙橡胶材质。

4.根据权利要求1所述的燃料电池密封结构，其特征在于，所述主唇口、副唇口、橡胶内衬均采用粘合剂与绝缘基体连接，所述粘合剂为单涂粘合剂。

5.一种燃料电池，其特征在于，包括一个膜电极组件、两个双极板以及权利要求1-4任一项所述的燃料电池密封结构，所述膜电极组件两侧分别设置一个双极板，两个双极板之间设置所述燃料电池密封结构。

6.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极组件与双极板之间形成气体扩散层。

7.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述双极板为石墨双极板。

8.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述双极板的表面设置第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽对称设置于双极板的上表面和下表面上，第二凹槽对称设置于双极板的上表面和下表面上；第一凹槽内嵌入副唇口，第二凹槽内嵌入主唇口。

9.根据权利要求8所述的燃料电池，其特征在于，第一凹槽的内壁与副唇口的外壁贴合，第二凹槽为矩形凹槽；且第一凹槽的深度大于第二凹槽的深度，第一凹槽与第二凹槽的深度差小于副唇口与主唇口的高度差。

10.根据权利要求5所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极组件与绝缘基体固定连接。

11.一种燃料电池堆，包括多个重叠设置的双极板，相邻双极板之间设置膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件外周设置权利要求1-4任一项所述的燃料电池密封结构。

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