一种密封结构、燃料电池及密封结构的制造方法与流程

1.本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，尤其涉及一种密封结构、燃料电池及密封结构的制造方法。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池双极板主要起到阴阳极流体和冷却剂流体输送和导电作用。双极板是由阴阳极板叠合而成，为了避免流体泄露，需要对双极板进行密封。
3.现有的双极板密封结构通常采用独立设置的密封条和通道条，现有的双极板的密封结构，需要多次粘贴，存在制备效率较低的问题。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种密封结构、燃料电池及密封结构的制造方法，以解决现有的双极板的密封结构，需要多次粘贴，存在制备效率较低的问题。
5.根据本发明的一方面，提供了一种密封结构，包括：
6.密封部，密封部用于围成密封回路以及至少两个腔体；
7.通道部，通道部与密封部连接，通道部用于将相邻两个腔体至少部分导通；
8.通道部包括至少一个支撑部和至少一个连接部，支撑部与连接部固定连接。
9.可选地，腔体包括第一腔体和第二腔体；
10.密封结构包括相对设置的第一端和第二端；
11.第一腔体分别设置于第一端和第二端；
12.第二腔体设置于位于第一端的第一腔体与位于第二端的第一腔体之间；
13.位于第一端的通道部，设置于位于第一端的腔体的远离第一端的一侧；
14.位于第二端的通道部，设置于位于第二端的腔体的远离第二端的一侧。
15.可选地，位于第一端的通道部与位于第二端的通道部正对或错开。
16.可选地，支撑部包括至少两个支撑条，支撑条沿第一方向延伸；
17.连接部沿第二方向延伸，第一方向与第二方向相互交叉。
18.可选地，连接部包括多个子连接部，每相邻两个支撑条通过子连接部连接；
19.至少部分子连接部位于支撑条的异端；或者，
20.各子连接部位于支撑条的靠近腔体的一端。
21.可选地，第一方向与第二方向相互垂直；
22.各支撑条相互平行。
23.根据本发明的另一方面，提供了一种燃料电池，包括：至少两个双极板以及位于双极板之间的膜电极；
24.双极板包括：上述任意实施例所述的密封结构；以及阴极板和阳极板，密封结构设置于阴极板与阳极板之间、阴极板远离阳极板的一侧以及阳极板远离阴极板的一侧。
25.可选地，密封结构包括第一密封结构、第二密封结构和第三密封结构；
26.阴极板和阳极板均包括气腔侧和冷却腔侧；
27.阴极板的冷却腔侧和阳极板的冷却腔侧通过第一密封结构连接；
28.阴极板的气腔侧设置有第二密封结构；
29.阳极板的气腔侧设置有第三密封结构。
30.可选地，阳极板和阴极板的两端分别设置有氢气腔、空气腔和冷却腔；
31.密封结构的第一腔体与阳极板和阴极板的氢气腔、空气腔和冷却腔正对，密封结构的密封部用于对氢气腔、空气腔和冷却腔进行密封。
32.根据本发明的另一方面，提供了一种密封结构的制造方法，包括：
33.提供基板；
34.在基板上形成密封部，其中，密封部用于围成密封回路以及至少两个腔体；
35.在密封部上制作通道部；其中，通道部与密封部连接；通道部用于将相邻两个腔体至少部分导通；通道部包括至少一个支撑部和至少一个连接部，支撑部与连接部固定连接。
36.本发明实施例的技术方案，通过将通道部的支撑部通过连接部与密封部连接，使密封结构为一个互相连接的整体，在进行密封结构制备时，只需要制备一次即可成型，实现了简化密封结构制备的工作量，提高密封结构的制备效率。
37.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明实施例提供的一种密封结构的结构示意图；
40.图2是本发明实施例提供的另一种密封结构的结构示意图；
41.图3是本发明实施例提供的一种通道部的结构示意图；
42.图4是本发明实施例提供的另一种通道部的结构示意图；
43.图5是本发明实施例提供的一种燃料电池的结构示意图；
44.图6是本发明实施例提供的一种阴极板的剖面的结构示意图；
45.图7是本发明实施例提供的一种阴极板的第一表面的结构示意图；
46.图8是本发明实施例提供的一种阴极板的第二表面的结构示意图；
47.图9是本发明实施例提供的一种密封结构的制造方法的流程图。
48.图中：
49.密封部1、腔体11、第一端101、第二端102、第一腔体111、第二腔体112、通道部2、支撑部21、支撑条211、连接部22、子连接部221、双极板3、阴极板31、阳极板32、气腔侧301、冷却腔侧302、膜电极4、密封结构5、第一密封结构51、第二密封结构52、第三密封结构53、氢气腔6、空气腔7、冷却腔8。
具体实施方式
50.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
51.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
52.本发明实施例提供了一种密封结构，该密封结构可适用于对质子交换膜燃料电池的双极板进行密封。图1是本发明实施例提供的一种密封结构的结构示意图，参见图1，该密封结构包括：
53.密封部1，密封部1用于围成密封回路以及至少两个腔体11；通道部2，通道部2与密封部1连接，通道部2用于将相邻两个腔体11至少部分导通；通道部2包括至少一个支撑部21和至少一个连接部22，支撑部21与连接部22固定连接。
54.具体地，密封部1可以为密封胶条结构，用于对双极板进行密封。通道部2包括至少一个支撑部21和至少一个连接部22，支撑部21可以起到稳定支撑的作用，连接部22用于将支撑部21与密封部1相连。通道部2可以用于实现流体通道功能，并提高流体的分流效果。通道部2的支撑部21通过连接部22与密封部1相连成一个整体，在制备密封结构时可以制备一次就一体成型，简化了制备密封结构的过程，提高了制备密封结构的效率。支撑部21与密封部1相连用于在双极板组装后起到支撑作用，使燃料电池的整体结构更稳定。通道部2凸出腔体11边沿，可以将相邻的两个腔体11连通，由于密封结构具有厚度，因此通道部2可以形成流体通道，使流体介质通过通道部2在相邻的两个腔体11中流通；其中，支撑部21可以起到分流的效果。
55.本实施例的技术方案，通过将通道部的支撑部通过连接部与密封部连接，使密封结构为一个互相连接的整体，在进行密封结构制备时，只需要制备一次即可成型，实现了简化密封结构制备的工作量，提高密封结构的制备效率。
56.进一步的，继续参见图1，腔体11包括第一腔体111和第二腔体112；密封结构包括相对设置的第一端101和第二端102；第一腔体111分别设置于第一端101和第二端102；第二腔体112设置于位于第一端101的第一腔体111与位于第二端102的第一腔体111之间；位于第一端101的通道部2，设置于位于第一端101的腔体11的远离第一端101的一侧；位于第二端102的通道部2，设置于位于第二端102的腔体11的远离第二端102的一侧。
57.具体地，第一腔体111分别设置于第一端101和第二端102，用于对双极板上的氢气腔、空气腔和冷却腔进行密封。第二腔体112设置于位于第一端101的第一腔体111与位于第二端102的第一腔体111之间，用于对双极板上的流场进行密封。位于第一端101的通道部2，
设置于位于第一端101的腔体11的远离第一端101的一侧；位于第二端102的通道部2，设置于位于第二端102的腔体11的远离第二端102的一侧，用于为氢气腔、空气腔和冷却腔的出口或入口提供流体通道，并对流体进行分流，使流体均匀地流入流场中。
58.图2是本发明实施例提供的另一种密封结构的结构示意图，参见图1和图2，位于第一端101的通道部2与位于第二端102的通道部2正对或错开。
59.具体地，位于第一端101的通道部2与位于第二端102的通道部2可以正对设置或错开设置，其中一端可以作为流体的入口，另一端可以作为流体的出口，用于使流体均匀地流入流场中，并充分地覆盖流场区域，保证电化学反应能够均匀充分的在反应区内进行。
60.需要说明的是，图1示出了一种第一端101的通道部2与位于第二端102的通道部2错开设置的情况；图2示出了一种第一端101的通道部2与位于第二端102的通道部2正对设置的情况。
61.图3是本发明实施例提供的一种通道部的结构示意图，参见图3，支撑部21包括至少两个支撑条211，支撑条211沿第一方向m延伸；连接部22沿第二方向延伸，第一方向与第二方向相互交叉。
62.具体地，支撑条211用于在燃料电池组装后提供稳定支撑，并且对流体进行分流，使流体均匀地流入流场中；支撑条211的数量可以根据需要进行设置。支撑条211沿第一方向延伸，多个支撑条211之间可以互相平行，也可以不平行，支撑条211的角度可以根据需要进行设置。连接部22沿第二方向延伸，连接部22的角度可以根据需要进行设置。第一方向与第二方向相互交叉，使支撑条211可以与连接部22相接。
63.优选地，第一方向与第二方向相互垂直；各支撑条211相互平行。各支撑条211相互平行，可以使支撑条211的设计和制备更加简便；第一方向与第二方向互相垂直，可以使分流通道宽度始终一致，便于流体流通，且分流更加均匀。
64.进一步的，连接部22包括多个子连接部221，每相邻两个支撑条211通过子连接部221连接；至少部分子连接部221位于支撑条211的异端；或者，各子连接部221位于支撑条211的靠近腔体11的一端。
65.具体地，连接部22可以包括多个子连接部221，子连接部221的连接位置可以根据需要进行设置。示例性地，图4是本发明实施例提供的另一种通道部的结构示意图，参见图4，可以将部分子连接部221位于支撑条211的异端，即部分子连接部221设置于支撑条211的一端，部分子连接部221设置于支撑条211的另一端；优选地，继续参见图3，可以将各子连接部221均设置于支撑条211的靠近腔体11的一端，且支撑条211和子连接部221的位置凸出腔体11的边沿，用于形成流体通道，实现流体分流，使流体可以均匀地流入流场中。
66.图5是本发明实施例提供的一种燃料电池的结构示意图，参见图5，燃料电池包括：至少两个双极板3以及位于双极板3之间的膜电极4；双极板3包括：上述任意实施例所述的密封结构；以及阴极板31和阳极板32，密封结构5设置于阴极板31与阳极板32之间、阴极板31远离阳极板32的一侧以及阳极板32远离阴极板31的一侧。
67.具体地，一个双极板3的阴极板31与另一个双极板3的阳极板32相对设置，膜电极4设置于一个双极板3的阴极板31与另一个双极板3的阳极板32之间，膜电极4通过密封结构5与双极板3连接。其中，双极板3可以包括石墨双极板和金属双极板。
68.本实施例的技术方案，通过将一次成型的密封结构与双极板进行粘贴，对双极板
进行密封加工。对阴极板和阳极板进行密封加工时，每个密封结构只需要粘贴一次即可实现密封整块极板，实现了简化粘贴密封结构的工作量，提高了双极板的加工效率。
69.图6是本发明实施例提供的一种阴极板的剖面的结构示意图，图7是本发明实施例提供的一种阴极板的第一表面的结构示意图，图8是本发明实施例提供的一种阴极板的第二表面的结构示意图；参见图5-图8，密封结构5包括第一密封结构51、第二密封结构52和第三密封结构53；阴极板31和阳极板32均包括气腔侧301和冷却腔侧302；阴极板31的冷却腔侧302和阳极板32的冷却腔侧302通过第一密封结51构连接；阴极板31的气腔侧301设置有第二密封结构52；阳极板32的气腔侧301设置有第三密封结构53。
70.具体地，第二密封结构52和第三密封结构53可以为气腔密封结构，用于对氢气介质或空气介质进行密封；第一密封结构51可以为冷却腔密封结构，用于对水介质进行密封。阴极板31和阳极板32均包括气腔侧301和冷却腔侧302，气腔侧301和冷却腔侧302为一个极板的相对设置的第一表面和第二表面。其中，阴极板31的气腔侧301用于流入空气进行电化学反应，第二密封结构52设置于阴极板31的气腔侧301，用于对空气介质进行密封。阳极板32的气腔侧301用于流入氢气进行电化学反应，第三密封结构53设置于阳极板32的气腔侧301，用于对氢气介质进行密封。阴极板31的冷却腔侧302和阳极板32的冷却腔侧302相对设置，并通过第一密封结51构连接，用于对水介质进行密封。
71.示例性地，石墨双极板还包括密封槽。由于石墨双极板比较光滑，设置密封槽可以防止密封结构安装后滑动，无法对介质进行密封。密封槽可以包括气腔密封槽和冷却腔密封槽。石墨双极板的阴极板和阳极板均设置有气腔密封槽和冷却腔密封槽。石墨双极板的密封结构可以根据所选弹性体材料的压缩特性，结合密封介质所需压力以及膜电极和流场的接触压力计算密封结构的压缩率。其中，密封介质所需压力即需要多大的压力才能将介质密封住。
72.燃料电池的电阻与压力相关，膜电极和流场的接触压力即满足燃料电池性能要求的压力。
73.示例性地，若密封结构的压缩率是25％，则密封结构的厚度比密封槽深度高出25％。根据单电池厚度与双极板密封结构厚度相等，可以推算压缩后的密封结构的厚度和密封槽的深度。根据压缩率可以计算出压缩前的密封结构的厚度。其中，单电池厚度包括一个双极板流场部分的厚度和一个膜电极压缩后的厚度；膜电极的压缩率参可以从制造厂家得知。其中，双极板密封结构包括一个双极板、密封结构和一个膜电极。示例性地，在一些实施例中，密封槽的深度可以与流场的深度相同，可以使用相同的刀制，便于生产。
74.示例性地，金属双极板不设置密封槽，金属双极板的阴极板和阳极板分别进行冲压加工，即金属双极板的阴极板和阳极板上的气腔流场和冷却腔流场均凸出极板边沿。金属双极板的阴极板和阳极板的冷却腔流场相对设置，阴极板和阳极板的冷却腔流场之间的距离即金属双极板的冷却腔密封结构压缩后的厚度。金属双极板的气腔流场与膜电极连接，金属双极板的气腔密封结构压缩后的厚度根据气腔流场的高度与膜电极的厚度确定。根据所选弹性体材料的压缩特性，结合密封介质所需压力以及膜电极和流场的接触压力计算密封结构的压缩率。根据压缩率可以计算出压缩前的密封结构的厚度。
75.进一步的，继续参见图5-图8，阳极板32和阴极板31的两端分别设置有氢气腔6、空气腔7和冷却腔8；密封结构5的第一腔体111与阳极板32和阴极板31的氢气腔6、空气腔7和
冷却腔8正对，密封结构6的密封部1用于对氢气腔6、空气腔7和冷却腔8进行密封。
76.具体地，阳极板32和阴极板31的两端分别设置有氢气腔6、空气腔7和冷却腔8，其中一端为氢气腔6、空气腔7或冷却腔8的流体入口，另一端为氢气腔6、空气腔7或冷却腔8的流体出口。
77.示例性的，阴极板31的气腔侧301设置有空气腔7的空气入口70及空气出口71，空气入口70及空气出口71之间设置有空气流场。空气入口70、空气出口71及空气流场互相导通，空气腔7中的空气通过阴极板31的气腔侧301的空气入口70进入空气流场进行电化学反应，再通过阴极板31的气腔侧301的空气出口71流出。阴极板31的冷却腔侧302设置有冷却腔8的冷却剂入口80及冷却剂出口81，冷却剂入口80及冷却剂出口81之间设置有冷却剂流场，冷却剂入口80、冷却剂出口81及冷却剂流场互相导通，冷却腔8中的冷却剂通过阴极板31的冷却腔侧302的冷却剂入口80进入空气流场进行电化学反应，再通过阴极板31的气腔侧301的冷却剂出口81流出。其中，冷却剂可以包括水。
78.示例性的，阳极板32的气腔侧301设置有氢气腔6的氢气入口及氢气出口，氢气入口及氢气出口之间设置有氢气流场。氢气入口、氢气出口及氢气流场互相导通，氢气腔6中的氢气通过阳极板32的气腔侧301的氢气入口进入氢气流场进行电化学反应，再通过阳极板32的气腔侧301的氢气出口流出。阳极板32的冷却腔侧302的冷却腔8与阴极板31的冷却腔侧302的冷却腔8原理相同，不再赘述。
79.图9是本发明实施例提供的一种密封结构的制造方法的流程图，参见图9，包括：
80.s101、提供基板。
81.具体地，提供一种基板作为制作密封结构的衬底，该基板可以在成品制作完成后与密封结构剥离，在此不作任何限定。
82.s102、在基板上形成密封部，其中，密封部用于围成密封回路以及至少两个腔体。
83.具体地，在基板上形成密封部，密封部可采用模切成型、模压成型或注胶成型工艺进行加工；密封部可以采用弹性体材料制作。
84.s103、在密封部上制作通道部；其中，通道部与密封部连接；通道部用于将相邻两个腔体至少部分导通；通道部包括至少一个支撑部和至少一个连接部，支撑部与连接部固定连接。
85.具体地，在密封部上制作通道部，通道部与密封部连接，通道部与密封部一体成型，通道部的加工方式与密封部相同。通道部可以采用弹性体材料制作，通道部和密封部可以采用相同材料，也可以采用不同材料；优选地，通道部和密封部采用相同的弹性体材料制作，便于设计密封条，双极板的加工效率更高。通道部包括至少一个支撑部和至少一个连接部，支撑部与连接部固定连接，支撑部和连接部凸出腔体的边沿。
86.本实施例的技术方案，通过将通道部的支撑部通过连接部与密封部连接，使密封结构为一个互相连接的整体，在进行密封结构制备时，只需要制备一次即可成型，实现了简化密封结构制备的工作量，提高密封结构的制备效率。
87.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
88.上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明
白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。