CN106953108A - 一种氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，包括与待密封件边缘适配的密封圈，所述密封圈包括第一密封构件和第二密封构件，其中，第一密封构件由氟橡胶材料制成，第二密封构件由硅橡胶材料制成；所述第一密封构件至少包裹在所述第二密封构件与密封介质接触面的外侧，将所述第二密封构件与密封介质隔离。本发明中密封结构由第一密封构件和第二密封构件组合形成，第二密封构件作为内芯，由硅胶材料制成，为密封结构提供合适的弹性和硬度，确保燃料电池有效组装；第一密封构件作为外层，为密封结构承担抗腐蚀功能，有效抵抗纯氧、强酸等外部环境破坏硅胶材料的分子结构，保持密封结构长期保持原有的基本形态。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池制造领域，具体是涉及一种用着密封氢氧质子交换膜燃料电池的密封结构。
背景技术
燃料电池的电力是通过氢气跟氧气的化学反应得到的，作为燃料电的氢气，是一种无色、无味、易燃易爆的小分子气体，即使很小的缝隙也非常容易导致泄露，并且能在很广的混合范围内因小火花引发爆炸燃烧，所以要求密封胶必须能够提供单元电池良好的气体密封。
现有燃料电池密封材料大多选用硅胶材料，硅胶别名：氧化硅胶或硅酸凝胶，英文名称：Silica gel; Silica，分子式：xSiO2·yH2O，分子量：60.08。硅胶根据成型工艺的不同，分为：模压硅胶制品，挤出硅胶制品，液态硅胶制品三大类，模压硅胶制品通常是通过高温模具在放入添加硫化剂的固体硅胶原料后通过硫化机台施加压力，高温硫成固体化成型的，模压硅胶的硬度通常在30°C-70°C。挤出硅胶制品通常是通过挤出机器挤压硅胶成型的，硬度通常在30°C-70°C。液态硅胶制品是通过硅胶注塑喷射成型的，产品柔软，硬度可以达到10°C-40°C。燃料电池密封材料硅胶根据不同的硅胶成型工艺得到所需的硅胶制品，成型后剖面结构大体分为两种，两种结构如图1所示，截面的最大直径为1.6~2mm。
然而，研究人员已经发现，硅胶材料在用作燃料电池密封件时存在着一定的不足。比如使用较为广泛的燃料电池中，高分子燃料电池使用了具有离子导电的高分子膜（阳离子交换膜），阳离子交换膜通常采用带磺酸基的氟树脂。最常见的是Nafion膜。这种聚合物膜只有在吸水后才会变成质子导电，因此要将反应气体加湿以保持膜的质子导电性。质子交换膜燃料电池要在50-100度左右运行，磺酸基的PH值为1-2，是强酸环境。硅胶用在高分子燃料电池密封材料中，并长期处于强酸环境状态下，硅胶材料会分解掉，失去原有的机械强度，并且会使高分子燃料电池泄露氢气，导致爆炸燃烧。氢氧质子交换膜燃料电池是一种以纯氧作为氧化剂的燃料电池，由于使用纯氧作为氧化剂，在高正电压条件下，对材料的氧化腐蚀非常严重，硅胶由于存在还原基，在纯氧条件下会很快腐蚀，最后导致燃料电池漏气。
由此可以看出，硅橡胶用来做燃料电池的密封材料，存在透气性高，耐磨性差，耐酸碱性差，耐油耐溶剂型差等缺点，而为了解决克服上述的缺陷，研究人员考虑以氟橡胶替代硅橡胶作为燃料电池的密封材料。
氟橡胶（fluororubber）是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子弹性体，其主要成分为PVDF或PTFE等氟材料。
氟橡胶具有高度的化学稳定性，是目前所有弹性体中耐介质性能最好的一种，氟橡胶的耐高温性能也同样优异，和硅橡胶的耐温性基本一致，另外氟橡胶具有极好的耐天候老化性能，耐臭氧性能，氟橡胶一般配合的强力在10~20MPa之间，扯断伸长率在150~350%之间，抗撕裂强度在3~4KN/m之间，氟橡胶对气体的溶解度比较大，但扩散速度却比较小，所以总体表现出来的透气性也小，氟橡胶具有耐高温、耐油、耐高真空及耐酸碱、耐多种化学药品的特点。
氟橡胶材料良好的解决了硅胶在高分子燃料电池中的弊端，但氟橡胶材料由于材料、工艺的原因，邵氏硬度范围在50以上，远远超过氢氧燃料电池堆组装密封材料所适合的邵氏硬度，不适合作为燃料电池的密封材料。因此，如何实现氟橡胶材料在燃料电池的密封材料中应用，发挥氟橡胶材料的性能优势，成为现阶段研究的重点。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，既保证了适中的硬度，满足燃料电池的装配需求，又具有化学稳定性强的优点。
技术方案：本发明所述氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，包括与待密封件边缘适配的密封圈，其特征在于，所述密封圈包括第一密封构件和第二密封构件，其中，第一密封构件由氟橡胶材料制成，第二密封构件由硅橡胶材料制成；
所述第一密封构件至少包裹在所述第二密封构件与密封介质接触面的外侧，将所述第二密封构件与密封介质隔离。
本发明进一步优选地技术方案为，所述第一密封构件完全包裹在所述第二密封构件的外侧，将所述第二密封构件与密封介质隔离。
所述密封圈的剖面为圆形、半圆形、矩形或异形结构。密封圈的剖面形状可以为任意形状，只要保证第一密封构件至少包裹在第二密封构件与密封介质接触面的外侧即可。
作为优选的技术方案，所述密封圈的剖面为圆形时，所述第二密封构件为实心圆柱状结构，所述第一密封件为空心管状结构，所述第二密封构件位于所述第一密封件的内腔中，且所述第一密封构件的管内径与所述第二密封构件的直径一致。
优选地，所述第一密封构件的管壁厚度为0.5~0.55mm、管外径为1.6~2mm。
优选地，所述密封圈的剖面为半圆形时，所述第二密封构件为方柱状或圆柱状结构，所述第一密封件为半圆柱结构，在所述第一密封件的底部设置有与第二密封构件形状一致的空腔，所述第二密封构件位于所述第一密封件的空腔中。
优选地，所述第一密封构件的直径为1.6~2mm、空腔壁到外壁的距离为0.5~0.55mm。
有益效果：本发明中密封结构由第一密封构件和第二密封构件组合形成，第二密封构件作为内芯，由硅胶材料制成，为密封结构提供合适的弹性和硬度，确保燃料电池有效组装；第一密封构件作为外层，至少包裹在所述第二密封构件与密封介质接触面的外侧，将所述第二密封构件与密封介质隔离，为密封结构承担抗腐蚀功能，可免除硅胶内芯直接暴露在外，有效抵抗纯氧、强酸等外部环境破坏硅胶材料的分子结构，保持密封结构长期保持原有的基本形态；本发明的密封结构对使用环境具有良好的耐受性，如强酸强碱环境、高温高冷环境、冷热循环等环境，对气体的防漏性同样非常出色，另外本密封结构邵氏硬度可以达到30~50度，适合高分子燃料电池密封材料结构的邵氏硬度。
附图说明
图1为背景技术中硅胶成型后两种剖面结构图；
图2为本发明实施例1的密封结构的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例2的密封结构的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，包括与待密封件边缘适配的密封圈，密封圈包括第一密封构件1和第二密封构件2，其中，第一密封构件1由氟橡胶材料制成，第二密封构件2由硅橡胶材料制成；作为第一密封构件和第二密封构件的氟橡胶和硅橡胶均是由本领域的常规技术手段制成。
第一密封构件1至少包裹在第二密封构件2与密封介质接触面的外侧，将第二密封构件2与密封介质隔离。
密封圈的剖面为圆形、半圆形、矩形或异形结构。本申请对密封圈的形状不作具体限定，为了更清楚的说明本申请密封圈的结构，仅以如下的实施例将密封圈其中的两种形态作具体说明。
实施例1：在密封圈的剖面为圆形时，第二密封构件2为实心圆柱状结构，第一密封件1为空心管状结构，第一密封构件1包裹在第二密封构件2的外侧，将第二密封构件2密封，且第一密封构件1的管内径与第二密封构件2的直径一致。
第一密封构件1的管壁厚度为0.5~0.55mm、管外径为1.6~2mm。
实施例2：在密封圈的剖面为半圆形时，第二密封构件2为方柱状结构，第一密封件1为半圆柱结构，在第一密封件1的底部设置有与第二密封构件2形状一致的空腔，第二密封构件2位于第一密封件1的空腔中，由第一密封构件1将第二密封构件2密封。
第一密封构件1的直径为1.6~2mm、空腔壁到外壁的距离为0.5~0.55mm。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (7)
1.一种氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，包括与待密封件边缘适配的密封圈，其特征在于，所述密封圈包括第一密封构件和第二密封构件，其中，第一密封构件由氟橡胶材料制成，第二密封构件由硅橡胶材料制成；
所述第一密封构件至少包裹在所述第二密封构件与密封介质接触面的外侧，将所述第二密封构件与密封介质隔离。
2.根据权利要求1所述的氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，其特征在于，所述第一密封构件完全包裹在所述第二密封构件的外侧，将所述第二密封构件与密封介质隔离。
3.根据权利要求1所述的氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，其特征在于，所述密封圈的剖面为圆形、半圆形、矩形或异形结构。
4.根据权利要求3所述的氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，其特征在于，所述密封圈的剖面为圆形时，所述第二密封构件为实心圆柱状结构，所述第一密封件为空心管状结构，所述第二密封构件位于所述第一密封件的内腔中，且所述第一密封构件的管内径与所述第二密封构件的直径一致。
5.根据权利要求4所述的氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，其特征在于，所述第一密封构件的管壁厚度为0.5~0.55mm、管外径为1.6~2mm。
6.根据权利要求3所述的氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，其特征在于，所述密封圈的剖面为半圆形时，所述第二密封构件为方柱状或圆柱状结构，所述第一密封件为半圆柱结构，在所述第一密封件的底部设置有与第二密封构件形状一致的空腔，所述第二密封构件位于所述第一密封件的空腔中。
7.根据权利要求6所述的氢氧质子交换膜燃料电池用密封结构，其特征在于，所述第一密封构件的直径为1.6~2mm、空腔壁到外壁的距离为0.5~0.55mm。
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