一种提高燃料电池电堆气密性的密封插件及其使用方法

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术领域，具体而言，尤其涉及一种提高燃料电池电堆气密性的密封插件及其使用方法。

背景技术

燃料电池电堆(或称为电池组)是燃料电池整个系统的核心，其基本组成单元为单池，每一片单池均是由双极板、膜电极组件(MEA)、以及密封件等部件构成。为了满足一定功率输出需求，燃料电池电堆往往具有数十、乃至数百节单池，装配时按照压滤机方式装配而成。随着电堆节数增加后，电堆高度增加，电堆密封线增加，泄漏点也随之增加，数百节的电堆密封线可以达到几百个。电堆组装完成后，再将其进行转移、运输以及后续使用过程中，均存在极大的气体泄露隐患。

一般燃料电池电堆密封靠橡胶圈，由于氢气分子小，且容易溶解到橡胶中，导致外漏，尤其在进出口的燃料腔公共管道。所以，气密性是电池安全性的决定性因素之一。虽然电堆装配完成后需要进行气密性检测，然后将电堆转移运输至测试台，通入燃料、氧化剂、冷却剂等，测试其是否漏气指标是否合格。但是，随着密封圈在使用过程或高低温频繁变化，其在应力形变后弹性失效等，即使电堆组装时气密性达标，也会在后续的使用过程中存在泄露的可能。所以，在对组装后的电堆检测合格后，需要进一步增加密封结构，降低其在后续使用过程中漏气的可能性。

发明专利CN201510034364.6公开了一种质子交换膜燃料电池密封设计以及制造方法。该方法在PEM燃料电池中采用均匀厚度的树脂薄片用在每节电池上。该方法提供了制备树脂材料层的薄片的步骤，该薄片形成的褶皱朝向平面的部分折叠以形成复合褶皱而形成垫片。将复合褶皱放置于第一燃料电池部件与第二燃料电池部件之间以便在其中形成密封件，该专利和很多专利一样仅考虑对单池间的密封。

发明专利CN201110274791.3提出了一种质子交换膜燃料电池密封结构，是一种自锁紧燃料电池密封组件结构，主要针对燃料电池单体，在单池的上密封圈和下密封圈的截面形状设计凹形结构，并通过粘结剂层粘结固定在极板上，该专利也没有考虑电堆整体的密封设计。

因此，针对电堆整体密封要求，有必要提出一种整体密封插件的方法，从而进一步提高电堆的气密性，进一步提高了电堆使用的安全性。

发明内容

根据上述提出现有技术中鲜有考虑电堆整体气密性密封的技术问题，而提供一种提高燃料电池电堆气密性的密封插件及其使用方法。本发明主要是在电堆燃料腔和氧化剂腔的公共管道设置密封插件；将密封插件结构贴合在电堆的燃料腔和氧化剂腔内壁上；密封插件长度与电堆的燃料腔和氧化剂腔公共管道高度基本相同；通过将密封插件边缘放置密封材料，再将设置密封材料的密封插件放入公共管道中固化，之后即可有效防止气体泄露，从而使得燃料电池电堆具有较好的气密性，提高了质子交换膜燃料电池的安全性。

本发明采用的技术手段如下：

一种提高燃料电池电堆气密性的密封插件，包括：

框体，在燃料腔和氧化剂腔设置，沿所述导流槽一侧设置开口的半封闭式结构；

密封件，设置在所述框体开口侧的框体壁面上，用于与燃料腔和氧化剂腔导流槽边缘的密封；

支撑紧固结构，沿所述框体长度方向设置在所述框体内，包括带有内螺纹的紧固结构和设置在所述紧固结构外侧与所述框体之间的支撑筋，所述紧固结构与螺杆配合紧固；

密封端头，靠近燃料电池电堆端板位置在导流槽方向设置，即设置正在所述框体的一侧端部，为封闭式结构，用于电堆燃料腔和氧化剂腔进出口处的密封，所述密封端头处还设有密封垫。

进一步地，所述密封插件是树脂、橡胶或其内置金属结构，所述密封插件置于在所述电堆燃料腔和氧化剂腔公共管道内。优选地，所述树脂可以是聚丙烯、聚砜、聚甲醛、ABS、尼龙、酚醛树脂或环氧树脂中的一种。

进一步地，所述密封端头的外侧设有外沿，所述外沿与所述密封垫为分体结构或一体化结构。

进一步地，所述密封垫为液体胶或橡胶片中的至少一种。

进一步地，所述液体胶是单组分硅橡胶、双组分硅橡胶、硅酮胶中的一种；所述橡胶片是硅橡胶、三元乙丙橡胶或氟橡胶中的一种。

进一步地，当密封插件采用橡胶内置金属结构的注塑成型时，所述密封插件的外沿和垫皮可以是一体化结构。所述密封插件可以是注塑成型或3D打印成型。

进一步地，所述密封件设置在所述框体开口侧的框体壁面上紧贴在导流槽边缘，用于与燃料腔和氧化剂腔的密封。

进一步地，所述螺杆与所述紧固结构完全固紧后，其外端在燃料电池电堆端板进出口里面。

作为优选方案，所述密封插件除了放在在燃料电池电堆的燃料腔和氧化剂腔，也可以放在冷却剂腔，能够减少电堆公共管道的金属离子污染，提高电堆绝缘电阻。

本发明还公开了一种提高燃料电池电堆气密性的方法，是在燃料电池电堆燃料腔和氧化剂腔公共管道分别设置上述密封插件，用于防止气体泄漏。

本发明的密封插件能够较好的阻止燃料电池电堆气体泄露，能够极大的提高质子交换膜燃料电池的安全性。

本发明是在燃料电池各个电极和双极板组装成电堆并将电堆端板用螺杆固紧后，将密封插件放置在燃料电池电堆的燃料腔和氧化剂腔内，也可以放在冷却剂腔，能够减少电堆公共管道的气体泄露及金属离子污染。通过将密封插件的非金属螺杆旋拧到一定位置，使紧固结构的支撑筋压紧导流槽通孔外侧的密封件，使之紧密压在导流槽边缘处，结果使电堆公共管道的气体或冷却剂限定在电堆公共管道朝向导流槽的一侧，电堆公共管道内的其他几个面接触不到气体或冷却剂。当导流槽通孔外侧的密封件压紧后，非金属螺杆全部没入电堆端板内，确保电堆端板接头的密封性。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明工艺简单，将插件直接放入燃料腔和空气腔，对插件开口处做好密封即可。

2、本发明密封效果好，与未加入插件的电堆相比，该方法减少了电堆内部气路与气体接触面积的75％，有效提高了电堆密封性。

综上，本发明的燃料电池电堆具有较好的气密性，可有效防止气体泄露，提高了质子交换膜燃料电池的安全性。

基于上述理由本发明可在质子交换膜燃料电池领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明密封插件的俯视图。

图2为本发明密封插件的结构示意图。

图3为本发明密封插件与电堆的示意图。

图4为本发明密封插件与电堆装配后的示意图。

图5为本发明燃料电池电堆燃料腔、氧化剂腔和冷却剂腔密封插件与电堆装配后示意图。

图中：1、通孔；2、密封件；3、支撑筋；4、支撑结构；5、紧固结构；6、螺杆；7、密封垫；8、外沿；9、燃料电池电堆端板氧化剂腔进出口；10、燃料电池电堆端板燃料腔进出口；11、燃料电池电堆端板冷却剂腔进出口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，本发明提供了一种提高燃料电池电堆气密性的密封插件，包括：

框体(图中阴影部分所示)，在燃料腔和氧化剂腔设置，沿所述导流槽一侧设置开口的半封闭式结构；框体的半封闭式结构形成了如图1所示的矩形的通孔1的结构。

密封件2，设置在所述框体开口侧的框体壁面上(如图2所示，在密封垫7的后侧的框体部分)，用于与燃料腔和氧化剂腔导流槽边缘的密封；所述密封件2设置在所述框体开口侧的框体壁面上紧贴在导流槽边缘，用于与燃料腔和氧化剂腔的密封。

支撑紧固结构，沿所述框体长度方向设置在所述框体内，包括带有内螺纹的紧固结构5和设置在所述紧固结构5外侧与所述框体之间的支撑筋3，如图所示，至少设置3条，其中2条设置在导流槽方向通孔1边缘，与框体结合起到支撑作用(在图2中，形似鱼骨状)，另1个在导流槽相反的方向，在支撑筋3上还设有支撑结构4，所述密封插件采用穿过螺纹的非金属螺杆6固紧，即所述紧固结构5与螺杆6(非金属螺杆)配合紧固；

密封端头，靠近燃料电池电堆端板位置在导流槽方向设置，即设置正在所述框体的一侧端部，无需开口为封闭式结构，用于电堆燃料腔和氧化剂腔进出口处的密封，所述密封端头的外侧设有外沿8，所述外沿8与所述密封垫7为分体结构或一体化结构，所述密封端头处还设有密封垫7。所述密封垫7在密封插件的非金属螺杆6固紧后，能够起到密封作用，防止燃料和氧化剂从密封插件外侧流出。所述螺杆与所述紧固结构完全固紧后，其外端在燃料电池电堆端板进出口里面。

所述密封垫7为液体胶或橡胶片中的至少一种。所述液体胶是单组分硅橡胶、双组分硅橡胶、硅酮胶中的一种；所述橡胶片是硅橡胶、三元乙丙橡胶或氟橡胶中的一种。

所述密封插件是树脂、橡胶或其内置金属结构，所述密封插件置于在所述电堆燃料腔和氧化剂腔公共管道内。优选地，所述树脂可以是聚丙烯、聚砜、聚甲醛、ABS、尼龙、酚醛树脂或环氧树脂中的一种。

实施例1

本发明的密封插件为3D打印成型，尼龙材质，将密封插件放在一个5kW燃料电池电堆燃料腔和氧化剂腔公共管道内，通过旋拧在密封插件支撑结构上的尼龙螺杆，将密封插件固紧在燃料电池电堆的燃料腔和氧化剂腔。密封插件的导流槽处的密封件采用0.3mm的硅橡胶片，而电堆燃料腔和氧化剂腔进出口处的密封垫7为三元乙丙橡胶片。当支撑结构5上的螺杆6拧紧后，支撑筋3作用在导流槽处，起到密封作用，螺杆6完全在电堆端板里侧。然后，将电堆端板的进出口(如图3、图4所示)接头装配、固紧后，端板接头作用在密封插件外沿上，外沿受力压在三元乙丙橡胶片上，起到密封作用。采用氦气检漏仪对5kW燃料电池电堆外漏量进行分析，其气密性由不采用密封插件的1.3×10

实施例2

本发明的密封插件采用硅橡胶内置不锈钢结构，采用注塑成型，支撑结构5上的螺杆是聚砜树脂，密封插件和导流槽处的密封件是硅橡胶一体化结构。将密封插件放在一个30kW燃料电池电堆的燃料腔、氧化剂腔和冷却剂腔公共管道内，通过旋拧在密封插件支撑结构上的聚砜螺杆，将密封插件固紧在燃料电池电堆的燃料腔和氧化剂腔。电堆燃料腔、氧化剂腔和冷却剂腔进出口处的外沿不用垫皮。当支撑结构上的螺杆拧紧后，支撑筋作用在导流槽处，起到密封作用，螺杆完全在电堆端板里侧。然后，将电堆端板的进出口接头装配、固紧后，端板接头作用在密封插件外沿上，硅橡胶外沿受力直接起到密封作用。采用氦气检漏仪对30kW燃料电池电堆外漏量进行分析，其气密性由不采用密封插件的8.6×10

本发明根据电堆的燃料腔和氧化剂腔及电堆公共管道尺寸，设计可以贴合电堆公共管道的密封插件，密封插件靠近燃料腔和氧化剂腔的导流槽处设置通孔。待电堆组装后，将密封插件放入燃料腔和氧化剂腔的公共管道，也可以放在冷却剂腔公共管道内，并对密封插件在电堆端板处进行密封。本发明可实现电堆的高气密性，减少氢气泄露的安全隐患，还可以降低公共管道金属离子污染，为燃料电池电堆的推广应用提供安全保障。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。