一种燃料电池密封结构的制作方法

一种燃料电池密封结构
【技术领域】
1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池密封领域。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池由膜电极和带气体流动通道的双极板交替堆叠组成。膜电极包括边框、质子交换膜、催化层和气体扩散层，金属双极板一般由阳极板和阴极板焊接组成。双极板的两侧一侧为燃料(如氢气)，另一侧为氧化剂(如空气)，中间为冷却介质(如水、乙二醇)，如图1所示。燃料电池中，燃料、氧化剂以及冷却介质需在各自独立的通道中流动，因此，极板与膜电极之间需要设置密封结构进行密封，使既不会产生互串也不会产生外部泄漏。
3.密封结构的设计一般包含两部分：1、双极板平面内密封分布设计；2、电池压缩方向上密封介质截面设计。平面内密封设计的主要工作是完成密封路径的布置；密封介质截面设计关系到密封的稳定性，稳定性问题贯穿了整个密封零部件的产品寿命周期。
4.目前密封设计通常整个极板使用一个特征区域进行设计，但极板不同位置的功能及力学特性不同，这种设计方法无法保证整个极板的密封可靠性。气口区和极板外圈密封，密封件均为一一相对，而在过桥区域，密封件为错位布置，密封件相对于膜电极的另一侧对应的是极板的凸台，而理论上凸台与边框具有一定的缝隙，需要靠对侧的密封件来补偿，因此极易造成密封件的压缩量不足，发生漏气的问题。
5.常见的密封件通过压缩来实现密封，在压缩过程中需要着重考虑密封件的定位、限位、压缩率、填充率等一系列问题，如cn112310433a，密封件压缩时容易在气动载荷冲击下挤出密封槽造成失效；过桥区由于气体流动结构的限制，密封件为错位布置，单侧密封件的对面为另一侧极板的脊结构，而反应区和气口区密封件相对于膜电极均为对称布置，整个极板使用一个特征区域进行设计，过桥区域的密封压缩量不足，密封可靠性较差；cn104538654b提出的密封结构，虽然可以使密封胶线与密封槽相互限位，但位于外沿的胶线压缩后应力分布不均，填充不充分，局部区域有拉断的风险，故该部分只能起到绝缘作用，无法实现密封。密封功能主要由密封槽内的部分胶线提供，但该部分宽度较窄，在装配误差较大时易造成密封失效，可靠性较低；cn 215815951 u提出的密封结构定位单元，主要解决粘接的问题，仍然无法解决安装限位和压缩时避免气流冲击的问题。因此，上述几种密封结构能够解决压缩时部分问题，但对密封件的结构和材料、安装普遍要求都很高，不合适的结构和尺寸、布置都容易造成密封失效、膜电极结构失效甚至导致严重后果。


技术实现要素：

6.本实用新型通过分区设计不同区域密封结构，配合密封件多层材料，采用硬度较大的密封材料与表面层、底层的粘结材料配合，解决了以往压缩密封容易失效的问题，大大提高了密封的可靠性，降低了设计难度。
7.本实用新型技术方案通过以下实现：
8.一种燃料电池密封结构，其特征在于，包括极板、具有边框和气体扩散层的膜电极以及置于密封槽内的密封件；所述密封结构分为气口区密封结构、过桥区密封结构和反应区密封结构，所述气口区密封结构与反应区密封结构中阳极侧密封件与阴极侧密封件在膜电极两侧呈对称设置；所述过桥区密封结构中阳极层密封件与阴极侧密封件在膜电极两侧错开布置；所述过桥区密封结构中密封件的高度大于所述反应区密封结构与气口区密封件中的密封件高度；所述密封件至少包括表面层、中间层以及底层；其中，所述中间层为邵氏硬度70-90的密封材料，所述表面层与底层为粘结材料，所述表面层、中间层与底层的厚度比例为1:8:1～1:10:1，所述表面层与极板接触宽度至少为2mm，所述底层与膜电极边框接触宽度至少为2mm。
9.进一步的，所述过桥区密封结构中阳极侧密封件与阴极板的过桥支撑平台对应，阴极侧密封件与阳极板的过桥支撑平台对应；更优选的，所述过桥支撑平台的宽度不小于阳极侧与阴极侧密封件的宽度。
10.进一步的，表面层与底层的粘结材料选自热固型或常温固化型材料，优先为硅胶、热塑性树脂等。
11.进一步的，中间层材料选自为epdm、氟橡胶等。
12.进一步的，所述密封件可以为梯形、矩形。
13.进一步的，所述表面层与极板接触宽度优选为3.5mm，所述底层与膜电极边框接触宽度优选为2.5mm。
14.进一步的，所述极板具有极板外沿凸台和流场连接凸台，所述极板外沿凸台与流场连接凸台之间形成密封槽；所述密封槽底部具有中位线长度为0.5-1mm的密封槽内部肋结构；所述密封件配置在极板密封槽中，所述密封件底部横跨于密封槽内部肋结构之上，所述密封件顶部与膜电极边框接触呈平面状；所述密封槽内部肋结构与密封件配合以及膜电极边框、极板压缩构成空间密封。
15.进一步的，所述密封槽内部肋结构高度不高于极板上所述流场连接凸台的高度，不低于极板上所述流场连接凸台度的1/2；更优选的，所述密封槽内部肋结构高度不低于极板上所述流场连接凸台的3/4。
16.进一步的，所述极板上的流场连接凸台宽度优选为2-5mm；高度优选为0.25-0.4mm；所述密封槽内部肋结构的高度优选为0.2-0.4mm。
17.进一步的，所述密封槽内部肋结构设置有一个或多个，更优选为一个或两个。
18.进一步的，所述密封结构还包括密封槽外部加强结构；优选为凹凸设计的加强结构。
19.进一步的，所述过桥区密封结构还包括极板平台内部凹陷支撑结构。
20.进一步的，所述密封件压缩后密封件与密封槽内部肋结构完全贴合。
21.有益效果：
22.(1)本实用新型中通过过桥区与气口区、反应区区分设计，设置不同的密封件截面参数，提升了过桥区域密封件截面的高度尺寸，补偿了密封件对侧极板悬空的部分空间，保证密封件具有足够的压缩量，有利于提升过桥区域极板在一定压力气体环境下的密封性。
23.(2)本实用新型中的密封结构，密封件的中间层密封材料不承担压缩的作用，有助于降低电堆的组装力，提升电堆紧固件的可靠性；同时，该较硬材料的密封线可以起到对膜
电极压缩限位的作用，避免膜电极过压影响电堆性能及寿命，而且该结构有利于活性区域组装力的均匀分布，有助于保证燃料电池的性能。
24.(3)较硬的中间层密封材料和表面层、底层的粘结材料凝固后的总厚度是固定的，可以预先计算好，不必再如传统密封件设计时计算密封件的压缩率和填充率来保证密封一定压力的气体，只需要单电池压装后的节间距一个参数即可确定密封件尺寸，设计上更简单，组装时也更好控制尺寸。
25.(4)本实用新型通过极板气口区、反应区密封槽外沿增加了较宽的凸台加强结构，增加了极板密封槽外沿的强度，有利于保证极板的平整度，增加密封可靠性。
26.综上，通过本实用新型的密封结构分区设计以及密封件特殊的层材料设计，可解决传统压缩时由于材料尺寸、结构引起的密封失效问题，降低设计与安装难度，增加燃料电池极板与膜电极之间密封的可靠性。
【附图说明】
27.图1.现有技术矩形截面密封结构示意图
28.图2(a)本实用新型密封结构分区设计俯视图，(b)本实用新型极板结构分区设计平面示意图
29.图3.本实用新型反应区极板结构部分示意图
30.图4.本实用新型气口区与反应区密封结构截面示意图
31.图5.本实用新型气口区与反应区第二密封结构截面示意图
32.图6.本实用新型过桥区密封结构截面示意图
33.图7.本实用新型过桥区极板结构示意图
34.图8.本实用新型的气口区和反应区第三密封结构截面示意图
35.附图标记
36.1.膜电极边框，2.传统阳极侧密封件，2’.传统阴极侧密封件，3.阳极侧气体扩散层，3’.阴极侧气体扩散层，4.质子交换膜，5.阳极板，6.阴极板，7.氢气流场，8.空气流场，9.冷却剂流场，10.极板外沿凸台，11.流场连接凸台，12.密封槽，13.本实用新型阳极侧密封件中间层，13’.本实用新型阴极侧密封件中间层，14.阳极侧密封件底层，14’.阴极侧密封件底层，15.阳极侧密封件表面层，15’.阴极侧密封件表面层，16.气口区，17.过桥区，18.反应区，19.密封槽外沿加强结构，20.密封槽内部肋结构，21.流场，22.过桥区阳极侧密封件中间层，22’.过桥区阴极侧密封件中间层，23.过桥区阳极侧密封件表面层，23’.过桥区阴极侧密封件表面层，24.过桥区阳极侧密封件底层，24’.过桥区阴极侧密封件底层，25.进气口，26.过桥支撑平台，27.极板平台内部凹陷支撑结构，28.过桥区域密封件外侧平台，29.第一密封部，30.第二密封部
【具体实施方式】
37.为帮助本领域的技术人员更确切的理解本实用新型的技术，下面结合附图详细描述本实用新型的具体实施方式。
38.参见图2，根据三腔的几何空间，将燃料电池单元三腔分为气口区(16)、过桥区(17)和反应区(18)三个不同区域进行设计。
39.如图5所示为气口区与反应区的密封结构示意图，燃料电池的密封结构包括极板、膜电极以及位于极板密封槽中的密封件构成，密封槽内的密封件在固化后实现密封，使得燃料、氧化剂以及冷却介质在各自独立的通道中流动，不会产生互串或者外泄。为了突出本实用新型的技术重点，本实用新型省略了对整个极板和膜电极的具体结构绘制，示意的绘出了靠近膜电极边框部分的极板和膜电极组件。极板包括阳极板(5)、阴极板(6)，所述膜电极具有边框、质子交换膜、催化层和气体扩散层，气体扩散层包括阳极侧气体扩散层(3)和阴极侧气体扩散层(3’)。极板外沿通过冲压形成极板外沿凸台(10)，极板靠近流场区域通过冲压形成流场连接凸台(11)，极板外沿凸台与流场连接凸台之间的空间构成本实用新型所述的密封槽，用于容纳密封件、压缩达到流场密封。本实用新型中，通过实验发现，流场连接凸台的宽度为3mm，高度与极板流场高度相同均为0.4mm时密封效果更好。
40.反应区与气口区的密封件包括阳极侧密封件与阴极侧密封件，阳极侧密封件位于阳极侧密封槽内，阴极侧密封件位于阴极侧密封槽内，在膜电极两侧呈对称设置，如图5所示。阳极侧密封件包括三层材料，包括中间层(13)，底层(14)，表面层(15)，阴极侧密封件括三层材料，包括中间层(13’)，底层(14’)，表面层(15’)
41.过桥区密封结构与反应区、气口区密封结构的内部形状设计基本一致，与上述反应区、气口区密封结构不同的是阳极板和阴极板的密封件为膜电极两侧错位布置，如图6所示。阳极板(5)、阴极板(6)上通过冲压成型有密封槽(12)，阳极侧密封件位于密封槽(12)内、并与阴极板(6)的过桥支撑平台(26)相对应，阴极侧密封件位于密封槽(12)内、并与阳极板(5)的过桥支撑平台(26)相对应。阳极侧密封件包括三层材料，包括中间层(22)，底层(24)，表面层(23)，阴极侧密封件括三层材料，包括中间层(22’)，底层(24’)，表面层(23’)。为了补偿密封件对侧膜电极与过桥支撑平台的间隙，过桥区密封件中间层的厚度要高于反应区、气口区密封件中间层的厚度。
42.本实用新型中，反应区、气口区与过桥区的密封结构的中间层材料为较硬的材料，邵氏硬度为70-90，可以选自epdm、氟橡胶等。表面层与底层为粘结材料，可以选自热固型或常温固化型材料，例如硅胶、热塑性树脂等，使得粘结材料固化达到密封，阻断流场的泄露。
43.通过实验发现，设置表面层、中间层与底层的厚度比例为1:8:1～1:10:1时，密封效果最好。
44.通过实验发现，表面层与极板的接触宽度至少为2mm，底层与膜电极边框接触宽度至少为2mm。更优选的，表面层与极板接触宽度优选为3.5mm，底层与膜电极边框接触宽度优选为2.5mm。此时不仅能够起到密封的效果，还能起到安装粘结限位的作用。
45.本实施例中，密封件为矩形密封件，中间层为厚度0.5mm的epdm材料，表面层与底层为厚度为0.05mm的热固型液态硅胶材料，表面层与极板的接触宽度为3.5mm，底层与膜电极边框接触宽度为2.5mm。
46.将安装有三层密封件的双极板和膜电极交替摞在一起，并安装端板夹具；将摞好的电堆置于压机上，启动压机，待电堆达到预期高度尺寸和压力后，停止压合；使用紧固件将电堆紧固直至压机压力显示为0。经测试满足电堆密封要求，反应介质及冷却介质不存在流场互串或外部泄露的问题。
47.另一些实施例中，过桥区密封结构中过桥支撑平台(26)上具有长条状凹陷的支撑(27)，用于与密封槽背面支撑形成气体流通的通道。过桥支撑平台(26)高度与流场凸台同
高为0.4mm。阳极板侧密封槽(12)宽5mm，过桥支撑平台(26)宽7mm，平台右侧设有进气口。相对应的，另一侧阴极侧过桥支撑平台宽7mm，平台上同样设有长条状凹陷的支撑(27)，密封槽(12)宽5mm，密封槽右侧设有过桥区域密封件外侧平台(28)宽3mm。密封槽中的肋(20)宽1mm，高0.3mm。密封件(22’)横截面结构与长度方向尺寸同上，厚度为0.6mm，中间部分厚度为0.3mm。
48.另一实施例中，密封槽的底部设置有1个密封槽内部肋结构(20)，该内部肋结构通过极板冲压成型时一体成型，通过该内部肋结构的设计可以实现密封安装定位，提高密封的可靠性。
49.密封槽内部肋结构的高度与宽度满足下述条件要求：
50.密封槽内部肋结构(19)的高度不超过流场连接凸台(11)的高度，不低于流场连接凸台(11)高度的1/2，优选不低于流场连接凸台(11)高度的3/4；密封槽内部肋结构(19)的宽度满足密封槽内部肋结构(19)的中位线长度为0.5-1mm；
51.极板流场区域的高度为0.4mm，流场连接凸台(11)的高度为0.4mm，密封槽内部肋结构的高度为0.3mm(低于流场连接凸台0.1mm)，宽度为0.6mm；密封件尺寸为3.9mm。
52.反应区与气口区的密封件置于密封槽中，并对称分布在膜电极边框两侧，密封件的底部横跨于密封槽内部肋结构上，由密封槽内部肋结构分为左右第一密封部(29)与第二密封部(30)，第一密封部与第二密封部是相互连接的，第一密封部与第二密封部均为三层密封材料构成，第一密封部与第二密封部为矩形。
53.一些实施例中，密封件为梯形；
54.本实用新型通过分区设计不同区域密封结构，配合密封件多层材料，采用硬度较大的密封材料与表面层、底层的粘结材料配合，解决了以往压缩密封容易失效的问题，大大提高了密封的可靠性，降低了设计难度。
55.本实用新型说明书中未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
56.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
57.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
58.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
59.在本实用新型中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些
示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
60.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。