CN218274653U - 一种燃料电池电堆密封结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种燃料电池电堆密封结构，属于电堆密封技术领域，解决了现有技术无法实现对电堆堆栈有效密封的问题。该密封结构包括电堆PACK、电堆堆栈歧管、弹性密封件、密封压盖和紧固螺栓。电堆PACK的壳体上设有供电堆堆栈歧管通过的通孔、与弹性密封件装配贴合的安装面、对密封压盖紧固的螺纹孔。电堆堆栈歧管的一端穿过电堆PACK后与电堆PACK壳体内的电堆堆栈连通，另一端与外接管路连接。弹性密封件、密封压盖先后套设于电堆堆栈歧管与电堆PACK的连接部位，通过紧固螺栓贯穿密封压盖连接至上述螺纹孔内将电堆堆栈歧管固定于电堆PACK上。密封压盖设于弹性密封件的密封端外侧，避免弹性密封件在电堆工作过程中与外部有害物质接触，延长使用寿命。

Description

一种燃料电池电堆密封结构

技术领域

本实用新型涉及电堆密封技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆密封结构。

背景技术

电堆被称为燃料电池发动机的心脏，是其动力来源，也是整个燃料电池产业链中成本和技术的核心所在。在实际应用中，电堆堆栈及其他附件都封装于一个箱体（PACK）之内。

电堆的密封性直接影响到整车安全。电堆PACK应首先满足电气设备外壳防护等级IP67或以上等级的设计开发要求，才能保证PACK内部不会因为进水而短路。电堆PACK的密封防水性直接关系到电堆封装设计的成败。

现有方案一般采用单凸或双凸橡胶密封垫对电堆堆栈进行密封。但是，该类密封垫的法兰体上仅设置一道圆环实现轴向密封，导致轴向密封效果较差，并且，其上筒体和下筒体均为圆柱形，仅依靠电堆堆栈歧管外部的1~2道圆环实现径向密封，径向密封效果差，还存在因电堆堆栈的压装公差导致密封垫与上述1~2道圆环可能分离，易密封失效。PACK外部使用环境复杂，密封垫会接触灰尘及液体，降低了橡胶的使用周期，随着橡胶的老化、反弹力下降，密封垫可能出现泄漏。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型实施例旨在提供一种燃料电池电堆密封结构，用以解决现有技术无法实现对电堆堆栈有效密封的问题。

一方面，本实用新型实施例提供了一种燃料电池电堆密封结构，包括电堆PACK、电堆堆栈歧管、弹性密封件、密封压盖和紧固螺栓；

电堆PACK的壳体上设有供电堆堆栈歧管通过的通孔、与弹性密封件装配贴合的安装面、对密封压盖紧固的螺纹孔；

电堆堆栈歧管的一端穿过电堆PACK后与电堆PACK壳体内的电堆堆栈连通，另一端与外接管路连接；

弹性密封件、密封压盖先后套设于电堆堆栈歧管与电堆PACK的连接部位，通过紧固螺栓贯穿密封压盖连接至上述螺纹孔内将电堆堆栈歧管固定于电堆PACK上。

上述技术方案的有益效果如下：提供的密封结构通过弹性密封件、密封压盖实现电堆PACK与电堆堆栈歧管连接部位的密封效果，再通过紧固螺栓将其可靠固定，进一步保证密封效果，有效提高了密封的可靠性。密封压盖设于弹性密封件的密封端外侧，避免弹性密封件在电堆工作过程中与外部有害气体和液体接触，延长了使用寿命。上述结构可以保证在电堆堆栈歧管装配公差范围内实现对电堆堆栈歧管与电堆PACK之间密封，从而满足电堆防护等级要求。

基于上述密封结构的进一步改进，所述弹性密封件采用具有中空结构的橡胶密封件，包括橡胶主体和蓄能弹簧；其中，

橡胶主体进一步包括一体成型的上筒体、法兰体和下筒体；上筒体外侧表面设有环形凹槽，蓄能弹簧套在所述环形凹槽内以对橡胶主体的上筒体紧固。

进一步，所述弹性密封件的内径与所述电堆堆栈歧管的封装部位的外径相同。

进一步，所述电堆堆栈歧管包括至少两段外径不同的管道；其中

上述管道中，靠近电堆堆栈的管道外径大于远离电堆堆栈的管道外径尺寸，并且，最靠近电堆堆栈的管道外侧表面设有可与弹性密封件过盈配合连接的安装凸起。

进一步，最靠近电堆堆栈的管道外侧设有2道以上的圆环凸起，通过所述圆环凸起与弹性密封件进行线密封连接。

进一步，所述上筒体的外侧表面设有两道以上的环形凹槽；并且，

在上筒体的径向截面中，每一环形凹槽的进口处为平行通道，内侧为圆形通道；并且，圆形通道的尺寸与蓄能弹簧的尺寸相匹配。

进一步，所述蓄能弹簧为椭圆形弹簧、O型片状弹簧、V型悬臂弹簧中的一种。

进一步，所述密封压盖采用凸字型结构；并且，

所述凸字型结构的顶部中间设有可供电堆堆栈歧管通过的通孔，所述凸字型结构的底部设有与电堆PACK密封连接的下部法兰，其下部法兰的内径大于弹性密封件中橡胶主体的法兰体外径。

进一步，所述密封压盖材料为铝合金材质、镁合金材质、工程塑料材质中的一种；并且，

所述密封压盖的上部内表面、所述弹性密封件中橡胶主体的上筒体外表面分别采用锥度一致的圆锥形；所述密封压盖的圆锥形尺寸小于弹性密封件中橡胶主体的圆锥形尺寸，使橡胶主体的上筒体外表面的圆锥压缩率在15%~30%范围内。

进一步，所述弹性密封件中，法兰体的两端面分别设计两道以上的凸缘，所述凸缘的材质与橡胶主体的材质相同；并且，

上筒体、下筒体的内径与法兰体的内径均相同，上筒体的外径小于下筒体的外径；

密封压盖与电堆PACK的配合连接处、密封压盖与电堆堆栈歧管的配合连接处均设有预设厚度的密封橡胶，以封闭弹性密封件。

与现有技术相比，本实用新型至少可实现如下有益效果之一：

1、弹性密封件采用一种实质上为中空蓄能弹簧双凸橡胶密封件，上筒体设置有两道以上环形凹槽，凹槽截面进口处为方形，内测为圆形，可通过蓄能弹簧实现径向密封、避免橡胶反弹力较弱导致的密封性下降。

2、密封压盖自带密封结构，保证其下部法兰的端面与电堆PACK的对应端面密封、上部与歧管密封，避免橡胶密封件在电堆工作过程中与外部有害气体和液体接触，延长使用寿命。

3、电堆堆栈歧管和电堆PACK连接时的轴向密封主要依靠橡胶主体的法兰体实现，径向密封主要依靠密封压盖、橡胶主体、紧固螺栓提供的紧固力实现，具备实现轴向和径向双密封功能。

提供实用新型内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。实用新型内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了实施例1燃料电池电堆密封结构组成示意图；

图2示出了实施例1燃料电池电堆密封结构装配后示意图；

图3示出了实施例1电堆PACK的端板示意图；

图4示出了实施例2电堆PACK外部的电堆堆栈歧管三维示意图；

图5示出了实施例2电堆PACK外部的电堆堆栈歧管右视示意图；

图6示出了实施例2弹性密封件的三维示意图；

图7示出了实施例2弹性密封件的正视示意图；

图8示出了实施例2弹性密封件的轴向截面示意图；

图9示出了实施例2弹性密封件的蓄能弹簧设置位置示意图。

附图标记：

1- 电堆PACK；2- 电堆堆栈歧管；3- 弹性密封件；4- 密封压盖；5- 紧固螺栓 ；6-电堆堆栈；7- 橡胶主体；8- 蓄能弹簧。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

实施例1

本实用新型的一个实施例，公开了一种燃料电池电堆密封结构，如图1~2所示，包括电堆PACK 1、电堆堆栈歧管2、弹性密封件3、密封压盖4和紧固螺栓5。

电堆PACK 1的壳体上设有用于供电堆堆栈歧管2通过的通孔、用于与弹性密封件3装配贴合的安装面、用于对密封压盖4紧固的螺纹孔，其壳体内侧设有放置电堆堆栈6及其附件的置入机构。

电堆堆栈歧管2的一端穿过电堆PACK 1后与电堆PACK 1壳体内的电堆堆栈6连通，另一端与外接管路（电堆对外接管）连接。

弹性密封件3、密封压盖4先后套设于电堆堆栈歧管2与电堆PACK 1的连接部位，通过紧固螺栓5贯穿密封压盖4连接至上述螺纹孔内将电堆堆栈歧管2固定于电堆PACK 1上，实现电堆堆栈歧管2与电堆PACK 1的连接部位的轴向与径向密封。

电堆PACK 1，用于封装电堆堆栈6及其附件（包括巡检模块、汇流排模块、壳体内部与大气环境的交互模块等）。

弹性密封件3，作为该燃料电池电堆密封结构的密封主体，用于电堆PACK 1与电堆堆栈歧管2之间的密封。

密封压盖4及紧固螺栓5，用于为弹性密封件3提供轴向密封所需压紧力，保证其密封所需压缩量。

上述密封结构适用于现有的任意一种燃料电池，包括氢燃料电池、磷酸燃料电池、甲烷燃料电池、硫化氢燃料电池、碳氢化合物燃料电池。

实施时，当紧固螺栓5的数量为3，电堆PACK 1如图3所示，中部环状区域为安装面，中部的通道为供电堆堆栈歧管2通过的通孔，并设有3个螺纹孔。通过弹性密封件3、密封压盖4和紧固螺栓5实现电堆PACK 1与电堆堆栈歧管2的密封以及固定连接。

与现有技术相比，本实施例提供的密封结构通过弹性密封件3、密封压盖4实现电堆PACK 1与电堆堆栈歧管2连接部位的密封效果，再通过紧固螺栓5将其可靠固定，进一步保证密封效果，有效提高了密封的可靠性。密封压盖4设于弹性密封件3的密封端外侧，避免弹性密封件3在电堆工作过程中与外部有害气体和液体接触，延长了使用寿命。上述结构可以保证在电堆堆栈歧管装配公差范围内实现对电堆堆栈歧管2与电堆PACK 1之间密封，从而满足电堆防护等级要求。

实施例2

在实施例1的基础上进行改进，弹性密封件3可采用具有中空结构的橡胶密封件。

优选地，弹性密封件3采用中空蓄能弹簧双凸橡胶密封件，包括橡胶主体7和蓄能弹簧8，如图6~9所示。在目前大多数情况下，可仅由橡胶主体7和蓄能弹簧8两部分构成，在密封性更严格的场合下使用，也可以进一步增加构件，提高密封效果。

其中，橡胶主体7进一步包括一体成型的上筒体、法兰体和下筒体，用于实现对电堆堆栈歧管2和电堆PACK1连接时的轴向和径向双重密封功能。

橡胶主体7的上筒体内径与法兰体内径相同，外部呈圆锥形，上部外径小，下部外径大，以便安装。上筒体的外侧表面设有多道环形凹槽，蓄能弹簧8套在所述环形凹槽内以对橡胶主体7的上筒体进行紧固。蓄能弹簧8可以为椭圆形弹簧、O型片状弹簧、V型悬臂弹簧中的一种。橡胶主体7的材质可以为硅橡胶、氟橡胶等耐高、低温、耐磨性能好的材料中的一种。

优选地，上筒体的外侧表面设有两道以上的环形凹槽（可以是轴向或者对称方向，根据需求设置）。并且，在上筒体的径向截面中，每一环形凹槽的进口处为平行通道，内侧为圆形通道（即凹槽截面进口处为方形，内侧为圆形）。并且，圆形通道的尺寸与蓄能弹簧8的尺寸相匹配。

法兰体的两端面分别设计两道以上的凸缘，所述凸缘的材质与橡胶主体7的材质相同。

下筒体的内径与上筒体内径、法兰体内径均相同，外侧为圆柱形。下筒体的外径大于上筒体外径。

优选地，弹性密封件3的内径（即上筒体、法兰体和下筒体的内径）与所述电堆堆栈歧管2的封装部位的外径相同，以实现紧密连接。

优选地，电堆堆栈歧管2包括至少两段外径不同的管道。其中，上述管道中，靠近电堆堆栈6的管道外径大于远离电堆堆栈6的管道外径尺寸，并且，最靠近电堆堆栈6的管道外侧表面设有可与弹性密封件3过盈配合连接的安装凸起。

优选地，最靠近电堆堆栈6的管道外侧设有2道以上的圆环凸起，通过所述圆环凸起与弹性密封件3进行线密封连接。

如图4~5所示，电堆堆栈歧管2分为两段，靠近堆栈的管道外径较大（图中为Φ30mm），其外径尺寸根据电堆性能及密封要求设计，其外经上设计有三道圆环凸起，三道圆环凸起直径及间距尺寸设计需结合仿真计算及电堆堆栈6的压装公差设计（图中圆环直径为Φ2.5mm，圆心距为8mm），保证三道圆环与橡胶密封件实现良好密封。歧管左侧远离堆栈的管道外径尺寸不超过右侧靠近堆栈的管道外径最大尺寸，从而保证歧管可以正常通过橡胶密封件。

优选地，所述密封压盖4采用凸字型结构，可选择铝合金材质、镁合金材质、工程塑料材质中的一种。

凸字型结构的顶部中间设有可供电堆堆栈歧管2通过的通孔，所述凸字型结构的底部设有与电堆PACK 1密封连接的下部法兰，其下部法兰的内径大于弹性密封件3中橡胶主体7的法兰体外径，以保证密封主体法兰体受力压缩填充量。

密封压盖4的上部内表面、所述弹性密封件3中橡胶主体7的上筒体外表面分别采用锥度一致的圆锥形。即密封压盖4上部的圆锥形，与密封主体上筒体外部圆锥形锥度相同。

密封压盖4的圆锥形尺寸小于弹性密封件3中橡胶主体7的圆锥形尺寸以便提供压紧力，使橡胶主体7的上筒体外表面的圆锥压缩率在15%~30%范围内。

优选地，密封压盖4与电堆PACK1、电堆堆栈歧管2配合连接处均设计有2mm厚的密封橡胶，用于封闭橡胶密封件，避免外部有害气体与液体接触橡胶密封件，降低橡胶密封件密封性能与使用寿命。

与现有技术相比，本实施例燃料电池电堆密封结构具有如下有益效果：

1、弹性密封件3采用一种实质上为中空蓄能弹簧8双凸橡胶密封件，上筒体设置有两道以上环形凹槽，凹槽截面进口处为方形，内测为圆形，可通过蓄能弹簧8实现径向密封、避免橡胶反弹力较弱导致的密封性下降。

2、密封压盖4自带密封结构，保证其下部法兰的端面与电堆PACK的对应端面密封、上部与歧管密封，避免橡胶密封件在电堆工作过程中与外部有害气体和液体接触，延长使用寿命。

3、电堆堆栈歧管2和电堆PACK 1连接时的轴向密封主要依靠橡胶主体7的法兰体实现，径向密封主要依靠密封压盖4、橡胶主体7、紧固螺栓5提供的紧固力实现，具备实现轴向和径向双密封功能。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆密封结构，其特征在于，包括电堆PACK（1）、电堆堆栈歧管（2）、弹性密封件（3）、密封压盖（4）和紧固螺栓（5）；

电堆PACK（1）的壳体上设有供电堆堆栈歧管（2）通过的通孔、与弹性密封件（3）装配贴合的安装面、对密封压盖（4）紧固的螺纹孔；

电堆堆栈歧管（2）的一端穿过电堆PACK（1）后与电堆PACK（1）壳体内的电堆堆栈连通，另一端与外接管路连接；

弹性密封件（3）、密封压盖（4）先后套设于电堆堆栈歧管（2）与电堆PACK（1）的连接部位，通过紧固螺栓（5）贯穿密封压盖（4）连接至上述螺纹孔内将电堆堆栈歧管（2）固定于电堆PACK（1）上。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述弹性密封件（3）采用具有中空结构的橡胶密封件，包括橡胶主体（7）和蓄能弹簧（8）；其中，

橡胶主体（7）进一步包括一体成型的上筒体、法兰体和下筒体；上筒体外侧表面设有环形凹槽，蓄能弹簧（8）套在所述环形凹槽内以对橡胶主体（7）的上筒体紧固。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述弹性密封件（3）的内径与所述电堆堆栈歧管（2）的封装部位的外径相同。

4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述电堆堆栈歧管（2）包括至少两段外径不同的管道；其中

上述管道中，靠近电堆堆栈的管道外径大于远离电堆堆栈的管道外径尺寸，并且，最靠近电堆堆栈的管道外侧表面设有可与弹性密封件（3）过盈配合连接的安装凸起。

5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，最靠近电堆堆栈的管道外侧设有2道以上的圆环凸起，通过所述圆环凸起与弹性密封件（3）进行线密封连接。

6.根据权利要求2所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述上筒体的外侧表面设有两道以上的环形凹槽；并且，

在上筒体的径向截面中，每一环形凹槽的进口处为平行通道，内侧为圆形通道；并且，圆形通道的尺寸与蓄能弹簧（8）的尺寸相匹配。

7.根据权利要求2或6所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述蓄能弹簧（8）为椭圆形弹簧、O型片状弹簧、V型悬臂弹簧中的一种。

8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述密封压盖（4）采用凸字型结构；并且，

所述凸字型结构的顶部中间设有可供电堆堆栈歧管（2）通过的通孔，所述凸字型结构的底部设有与电堆PACK（1）密封连接的下部法兰，其下部法兰的内径大于弹性密封件（3）中橡胶主体（7）的法兰体外径。

9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述密封压盖（4）材料为铝合金材质、镁合金材质、工程塑料材质中的一种；并且，

所述密封压盖（4）的上部内表面、所述弹性密封件（3）中橡胶主体（7）的上筒体外表面分别采用锥度一致的圆锥形；所述密封压盖（4）的圆锥形尺寸小于弹性密封件（3）中橡胶主体（7）的圆锥形尺寸，使橡胶主体（7）的上筒体外表面的圆锥压缩率在15%~30%范围内。

10.根据权利要求6、8、9任意一项所述的燃料电池电堆密封结构，其特征在于，所述弹性密封件（3）中，法兰体的两端面分别设计两道以上的凸缘，所述凸缘的材质与橡胶主体（7）的材质相同；并且，

上筒体、下筒体的内径与法兰体的内径均相同，上筒体的外径小于下筒体的外径；

密封压盖（4）与电堆PACK（1）的配合连接处、密封压盖（4）与电堆堆栈歧管（2）的配合连接处均设有预设厚度的密封橡胶，以封闭弹性密封件（3）。

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