[发明专利]燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法

说明书

本发明涉及一种燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法，其中密封结构包括密封凹槽、密封法兰和密封条，密封条置于密封凹槽中，密封法兰与密封凹槽连接时从两侧挤压密封条实现密封，密封条为复合密封条，包括由第一材料制成的外层密封圈和由第二材料制成的内芯，外层密封圈包覆于内芯表面，且第二材料的松弛模量大于第一材料的松弛模量，由第二材料制成的内芯用于补偿外层密封圈的应力松弛。与现有技术相比，本发明能够有效的解决传统密封圈长时间因应力松弛导致的密封失效问题，且结构简单、安装容易、使用寿命长，具有很强的经济性和使用性。

技术领域

本发明涉及一种燃料电池堆密封结构，尤其是涉及一种燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法。

背景技术

燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。此装置兼具电池和热机的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速启动、振动和噪声等级低等特点，已成为国内外新能源发电技术研究的热点。

质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，在中大型电站、军事、氢能源汽车及便携式移动电源等领域具有十分广阔的应用前景。近年来，质子交换膜燃料电池在氢能源汽车领域已有了突破性进展，丰田Mirai氢能源汽车的百公里加速为9.6秒，续航里程达500公里，并实现三分钟加满氢气，其燃料电池堆的体积能量密度达3.1KW/L。

质子交换膜燃料电池的主要部件包括电池内部的双极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜以及电池外部的端板、集电板和绝缘板等。由于单电池产生的电压不大于1.5V，为了满足实际需要，提供充足的功率，通常将多级单电池通过螺栓或者钢带封装成电池堆。质子交换膜燃料电池是一种包括流体、电化学、热、力等多场耦合作用的复杂系统，其复杂的结构和氢气易燃易爆的物理性质要求电池必须具有较高的密封可靠性，否则燃料电池容易出现气体泄漏的情况，导致电池性能降低，甚至出现爆炸。因此，密封技术对于保证质子交换膜燃料电池的安全和提高其性能具有十分重要的作用。

质子交换膜燃料电池的密封结构总体可以分为外部密封和内部密封。外部密封主要为端板上反应气体进出口、冷却液进出口的密封。内部密封主要为单电池内部、单电池之间的密封。现有技术中的外部密封是在端板上的氢气进出口、氧气进出口和冷却液进出口的连接处使用普通橡胶密封圈进行密封使反应气体和冷却液体实现零泄漏进入燃料电池内部。

该方法存在以下问题：橡胶密封圈其材料橡胶具有明显的应力松弛特性，即在恒定不变的应变条件下，应力会逐渐减弱。开始时应力衰减很快，而后逐渐降低并趋于某一值。这就导致了普通橡胶密封圈在质子交换膜燃料电池的工况下，经过一段时间之后其密封接触面上的接触压力不能满足密封要求，造成泄漏。同时，燃料电池整堆的封装力降低，造成电池功率下降。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种燃料电池堆密封结构及应力松弛补偿方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种燃料电池堆密封结构，包括密封凹槽、密封法兰和密封条，所述密封条置于密封凹槽中，所述密封法兰与密封凹槽连接时从两侧挤压密封条实现密封，所述密封条为复合密封条，包括由第一材料制成的外层密封圈和由第二材料制成的内芯，所述外层密封圈包覆于内芯表面，且第二材料的松弛模量大于第一材料的松弛模量，由第二材料制成的内芯用于补偿外层密封圈的应力松弛。

所述第一材料为耐高温且防水汽的材料，所述第二材料为耐高温、耐腐蚀、减振且高承载力的材料。

所述第一材料为橡胶，第二材料为金属橡胶。

所述橡胶为三元乙丙橡胶。

所述内芯的直径为密封条直径的50％～70％。

所述第二材料的松弛模量为第一材料的松弛模量的10～20倍。

所述密封条为线状或环状。