CN214152948U - 一种金属双极板密封用的金属弹簧结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种金属双极板密封用的金属弹簧结构，包括2个将膜电极夹持在中间的金属材质的弹性件，所述弹性件的中部设有流道组，所述弹性件的两侧设有弹性片，所述弹性片为朝向同侧所述膜电极的表面弯曲的片状结构；所述膜电极被2个所述弹性件夹紧时，所述弹性片与同侧所述膜电极的表面之间为面接触，所述流道组的相邻的流道之间相互独立密封。本申请通过采用金属弹性件，当电堆装配时，弹性件两端的弹性片受到挤压变形，使原本线接触转变成面接触的稳定密封，解决了原有橡胶材料应力软化、蠕变强的问题，实现更大接触应力的密封；电堆在工作时产生的热量对金属材质的弹性件影响较小，工况更稳定。
Description
技术领域
本实用新型属于燃料电池密封技术领域，特别是一种金属双极板密封用的金属弹簧结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池是目前燃料电池产业中比较成熟的应用形式，质子交换膜燃料电池的电堆是最核心的部件，是氢气与氧气发生反应，将化学能转化为电能的场所。在质子交换膜燃料电池的工作中，氧气由燃料电池双极板的阴极侧通入，氢气由燃料电池双极板的阳极侧供给，发生氧化还原反应，氢离子通过中间的质子交换膜从阳极到达阴极，电子通过外电路运动产生电流，反应过程中只生成水。
质子交换膜燃料电池的密封结构主要由双极板、气体扩散层、催化层、质子交换膜、密封部件组成，氢气通过双极板上的流道从储氢罐进入电堆内部，通过气体扩散层，到达催化层，催化层上一般涂有Pt/C催化剂，使发生反应，直接将化学能转化为电能，不产生污染物排放。在装配质子交换膜燃料电池时，两块双极板将质子交换膜夹在中间组成整体，在四周设置密封结构，形成单电池；为了满足整个电池的工作要求，将若干个单电池堆叠串联组成完整的电堆，通过紧固螺栓产生机械力夹紧端板进行组装。密封结构目前大多采用橡胶等超弹性体，橡胶件受挤压变形产生接触压力，当质子交换膜燃料电池工作时，氢气通过阳极板进入电堆内发生反应。然而，由于橡胶材料本身的应力软化效应，在装配错误需要拆卸或需要对燃料电池堆进行维修时，每次装配时的力都容易发生变化，对整个电池的工作状况产生影响。密封结构发挥良好的密封性能，对氢气的利用率、整个电堆的经济性以及产品的安全性都有重要意义。
现有技术中，例如专利CN207517791U提供的燃料电池的密封装置，其密封结构由上部分的按压凸条和下部分的密封条组成，按压凸条的截面为三角形，位于上密封槽内，密封条采用双圆峰结构，位于下密封槽内，上下两部分密封结构均采用橡胶材料，通过上下密封槽的夹紧使橡胶材料发生弹性形变，实现密封。但是此种下密封槽上的双峰结构，不仅产生了材料的浪费，而且由于密封结构上下两面均为不规则的凸起结构，密封筋的安装以及装配时的准确定位都具有极大的困难，极易在装配中发生错位。
例如中国专利申请CN109585876A提供的燃料电池双极板密封结构和密封方法，通过在阴极板和阳极板密封圈对应位置的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，以构成密封件。中国专利申请CN111987331A提供的燃料电池用隔板构件和燃料电池堆，通过设置在电解质膜-电极结构体的紧固载荷的金属隔板，在金属隔板形成从电解质膜-电极结构体所处位置侧的表面突出的密封用凸起部，密封用凸起部因所述紧固载荷被推压于在所述电解质膜-电极结构体的发电面的外周侧设置的树脂框部，构成接合隔板的第一金属隔板和第二金属隔板由多个接合线来彼此焊接，由此防止作为反应气体或者冷却介质泄漏。上述这两个专利的结构过于复杂，采用胶水或焊接不便于后期维修，增加了燃料电池的回收维修成本。
发明内容
为了解决上述现有技术的问题，本实用新型提供一种金属双极板密封用的金属弹簧结构，通过以下技术方案实现。
一种金属双极板密封用的金属弹簧结构，包括2个将膜电极夹持在中间的金属材质的弹性件，所述弹性件的中部设有流道组，所述弹性件的两侧设有弹性片，所述弹性片为朝向同侧所述膜电极的表面弯曲的片状结构；所述膜电极被2个所述弹性件夹紧时，所述弹性片与同侧所述膜电极的表面之间为面接触，所述流道组包含若干相互平行的流道。
上述金属弹簧密封结构，由2个弹性件组成，弹性件为片状结构，将膜电极夹持在中间。流道组由若干多条相互平行的流道组成，流道中用于通入氢气或氧气。膜电极是现有的常见的质子交换膜燃料电池的单电池结构，其最中间为质子交换膜；质子交换膜的一面设有阳极催化层和阳极扩散层，另一面设有阴极催化层和阴极扩散层，膜电极的四周为塑料材质的边框。1个弹性件位于阳极扩散层的外侧，另1个弹性件位于阴极扩散层的外侧。在阳极扩散层一侧的弹性件上的流道通入氧气，阴极扩散层一侧的弹性件上的流道通入氢气。弹性件两端的弹性片为朝膜电极弯曲的弧面，这种金属材质的弹性片受到挤压后产生弹性形变，从而产生弹力。将2个弹性件夹持在膜电极两侧后，就组成了一个完整的单电池结构。将若干个单电池结构按照现有的方式组装在一起，用螺栓将所有单电池夹紧在一起，每个单电池的弹性片受到挤压后，弹性片的圆弧面就从原有的线接触变成面接触，从而使弹性片与膜电极之间紧密接触，实现密封，有效防止流道中的气体扩散。这种密封方式，使用中应力松弛小，寿命长，安全，增强了整个结构的密封性能。
优选地所述弹性片的垂直于气体流动方向的截面为椭圆弧。椭圆弧为一种优选的弹性片形状。
优选地，所述弹性片的垂直于气体流动方向的截面为波浪形。作为另一种优选的弹性片形状，截面为波浪形的弹性片包含有多个波峰和波谷，波谷则与膜电极的表面实现面接触，多个面接触能够具有更好的密封效果。
更优选地，所述弹性片与同侧所述膜电极的表面之间至少有3个面接触。
优选地，所述弹性片与所述流道组之间的连接处设有倒圆角。采用倒圆角的设计方式，降低了受到压缩力后的弹性应力，提高了金属弹性片的安全性。
优选地，所述弹性件为整体冲压成型的结构。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本专利提供了一种新型的质子交换膜燃料电池密封体系，采用金属双极板本身材料加工而成的弹性部件，当电堆装配时，受到装配力的挤压而发生变形，使原本的线接触转变成面接触的稳定密封，解决了原有的橡胶材料应力软化、蠕变强的问题，实现更大接触应力的密封；电堆在工作时产生的热量对金属材质的弹性件影响较小，工况更稳定；通过椭圆弧、波浪形等优化形状设计，降低了金属弹簧的刚度，增强其变形能力；在工作中金属弹簧形成了两条密封线，使密封更加可靠；采用过度圆角的设计方式，降低了受到压缩力后的弹性应力，提高了金属弹性片簧的安全性。
附图说明
图1为实施例1所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构组装在膜电极上的结构示意图；
图2为图1的金属弹簧结构的弹性片受组装压力后与膜电极之间面接触的结构示意图；
图3为实施例1所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构的弹性件的结构示意图；
图4为实施例2所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构组装在膜电极上的的结构示意图；
图5为实施例2所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构的弹性件的结构示意图；
图中：1、膜电极；2、弹性件；3、流道组；4、弹性片；5、流道；6、倒圆角。
具体实施方式
以下将结合附图对本专利中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本专利所保护的范围。
在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”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专利和简化描述，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专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
下面通过具体的实施例子并结合附图对本专利做进一步的详细描述。
实施例1
如图1-3所示，本实施例提供的金属双极板密封用的金属弹簧结构，包括2个将膜电极1夹持在中间的金属材质的弹性件2，所述弹性件2为整体冲压成型的结构；所述弹性件2的中部设有流道组3，所述弹性件2的两侧设有弹性片4，所述弹性片4为朝向同侧所述膜电极1的表面弯曲的片状结构，所述弹性片4的垂直于气体流动方向的截面为椭圆弧；所述膜电极1被2个所述弹性件2夹紧时，所述弹性片4与同侧所述膜电极1的表面之间为面接触，所述流道组3包含若干相互平行的流道5。
上述金属弹簧密封结构，由2个弹性件组成，弹性件为片状结构，将膜电极夹持在中间。流道组由若干多条相互平行的流道组成，流道中用于通入氢气或氧气。膜电极是现有的常见的质子交换膜燃料电池的单电池结构，其最中间为质子交换膜；质子交换膜的一面设有阳极催化层和阳极扩散层，另一面设有阴极催化层和阴极扩散层，1个弹性件位于阳极扩散层的外侧，另1个弹性件位于阴极扩散层的外侧。在阳极扩散层一侧的弹性件上的流道通入氧气，阴极扩散层一侧的弹性件上的流道通入氢气。弹性件两端的弹性片为朝膜电极弯曲的弧面，这种金属材质的弹性片受到挤压后产生弹性形变，从而产生弹力。将2个弹性件夹持在膜电极两侧后，就组成了一个完整的单电池结构。将若干个单电池结构按照现有的方式组装在一起，用螺栓将所有单电池夹紧在一起，每个单电池的弹性片受到挤压后，弹性片的圆弧面就从原有的线接触变成面接触，从而使弹性片与膜电极之间紧密接触，实现密封，有效防止流道中的气体扩散。这种密封方式，使用中应力松弛小，寿命长，安全，增强了整个结构的密封性能。
实施例2
如图4-5所示，本实施例提供的金属双极板密封用的金属弹簧结构，包括2个将膜电极1夹持在中间的金属材质的弹性件2，所述弹性件2为整体冲压成型的结构；所述弹性件2的中部设有流道组3，所述弹性件2的两侧设有弹性片4，所述弹性片4与所述流道组3之间的连接处设有倒圆角6；所述弹性片4为朝向同侧所述膜电极1的表面弯曲的片状结构，所述弹性片4的垂直于气体流动方向的截面为波浪形，所述弹性片4与同侧所述膜电极1的表面之间有3个面接触；所述膜电极1被2个所述弹性件2夹紧时，所述弹性片4与同侧所述膜电极1的表面之间为面接触，所述流道组3的相邻流道5之间相互独立密封。
本实施例与实施例1的区别在于弹性片的形状。截面设置为波浪形的弹性片包含有多个波峰和波谷，波谷则与膜电极的表面实现面接触，多个面接触能够具有更好的密封效果。
以上实施例详细描述了本实用新型的实施，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节。在本实用新型的权利要求书和技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种金属双极板密封用的金属弹簧结构，其特征在于，包括2个将膜电极夹持在中间的金属材质的弹性件，所述弹性件的中部设有流道组，所述弹性件的两侧设有弹性片，所述弹性片为朝向同侧所述膜电极的表面弯曲的片状结构；所述膜电极被2个所述弹性件夹紧时，所述弹性片与同侧所述膜电极的表面之间为面接触，所述流道组包含若干相互平行的流道。
2.根据权利要求1所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构，其特征在于，所述弹性片的垂直于气体流动方向的截面为椭圆弧。
3.根据权利要求1所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构，其特征在于，所述弹性片的垂直于气体流动方向的截面为波浪形。
4.根据权利要求3所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构，其特征在于，所述弹性片与同侧所述膜电极的表面之间至少有3个面接触。
5.根据权利要求1所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构，其特征在于，所述弹性片与所述流道组之间的连接处设有倒圆角。
6.根据权利要求1所述的金属双极板密封用的金属弹簧结构，其特征在于，所述弹性件为整体冲压成型的结构。
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