一種氫氧質子交換膜燃料電池用密封結構的製作方法

2023-05-11 02:25:26 1

本發明屬於燃料電池製造領域，具體是涉及一種用著密封氫氧質子交換膜燃料電池的密封結構。

背景技術：

燃料電池的電力是通過氫氣跟氧氣的化學反應得到的，作為燃料電的氫氣，是一種無色、無味、易燃易爆的小分子氣體，即使很小的縫隙也非常容易導致洩露，並且能在很廣的混合範圍內因小火花引發爆炸燃燒，所以要求密封膠必須能夠提供單元電池良好的氣體密封。

現有燃料電池密封材料大多選用矽膠材料，矽膠別名：氧化矽膠或矽酸凝膠，英文名稱：silicagel;silica，分子式：xsio2·yh2o，分子量：60.08。矽膠根據成型工藝的不同，分為：模壓矽膠製品，擠出矽膠製品，液態矽膠製品三大類，模壓矽膠製品通常是通過高溫模具在放入添加硫化劑的固體矽膠原料後通過硫化機臺施加壓力，高溫硫成固體化成型的，模壓矽膠的硬度通常在30°c-70°c。擠出矽膠製品通常是通過擠出機器擠壓矽膠成型的，硬度通常在30°c-70°c。液態矽膠製品是通過矽膠注塑噴射成型的，產品柔軟，硬度可以達到10°c-40°c。燃料電池密封材料矽膠根據不同的矽膠成型工藝得到所需的矽膠製品，成型後剖面結構大體分為兩種，兩種結構如圖1所示，截面的最大直徑為1.6~2mm。

然而，研究人員已經發現，矽膠材料在用作燃料電池密封件時存在著一定的不足。比如使用較為廣泛的燃料電池中，高分子燃料電池使用了具有離子導電的高分子膜（陽離子交換膜），陽離子交換膜通常採用帶磺酸基的氟樹脂。最常見的是nafion膜。這種聚合物膜只有在吸水後才會變成質子導電，因此要將反應氣體加溼以保持膜的質子導電性。質子交換膜燃料電池要在50-100度左右運行，磺酸基的ph值為1-2，是強酸環境。矽膠用在高分子燃料電池密封材料中，並長期處於強酸環境狀態下，矽膠材料會分解掉，失去原有的機械強度，並且會使高分子燃料電池洩露氫氣，導致爆炸燃燒。氫氧質子交換膜燃料電池是一種以純氧作為氧化劑的燃料電池，由於使用純氧作為氧化劑，在高正電壓條件下，對材料的氧化腐蝕非常嚴重，矽膠由於存在還原基，在純氧條件下會很快腐蝕，最後導致燃料電池漏氣。

由此可以看出，矽橡膠用來做燃料電池的密封材料，存在透氣性高，耐磨性差，耐酸鹼性差，耐油耐溶劑型差等缺點，而為了解決克服上述的缺陷，研究人員考慮以氟橡膠替代矽橡膠作為燃料電池的密封材料。

氟橡膠（fluororubber）是指主鏈或側鏈的碳原子上含有氟原子的合成高分子彈性體，其主要成分為pvdf或ptfe等氟材料。

氟橡膠具有高度的化學穩定性，是目前所有彈性體中耐介質性能最好的一種，氟橡膠的耐高溫性能也同樣優異，和矽橡膠的耐溫性基本一致，另外氟橡膠具有極好的耐天候老化性能，耐臭氧性能，氟橡膠一般配合的強力在10~20mpa之間，扯斷伸長率在150~350%之間，抗撕裂強度在3~4kn/m之間，氟橡膠對氣體的溶解度比較大，但擴散速度卻比較小，所以總體表現出來的透氣性也小，氟橡膠具有耐高溫、耐油、耐高真空及耐酸鹼、耐多種化學藥品的特點。

氟橡膠材料良好的解決了矽膠在高分子燃料電池中的弊端，但氟橡膠材料由於材料、工藝的原因，邵氏硬度範圍在50以上，遠遠超過氫氧燃料電池堆組裝密封材料所適合的邵氏硬度，不適合作為燃料電池的密封材料。因此，如何實現氟橡膠材料在燃料電池的密封材料中應用，發揮氟橡膠材料的性能優勢，成為現階段研究的重點。

技術實現要素：

發明目的：本發明目的在於針對現有技術的不足，提供一種氫氧質子交換膜燃料電池用密封結構，既保證了適中的硬度，滿足燃料電池的裝配需求，又具有化學穩定性強的優點。

技術方案：本發明所述氫氧質子交換膜燃料電池用密封結構，包括與待密封件邊緣適配的密封圈，其特徵在於，所述密封圈包括第一密封構件和第二密封構件，其中，第一密封構件由氟橡膠材料製成，第二密封構件由矽橡膠材料製成；

所述第一密封構件至少包裹在所述第二密封構件與密封介質接觸面的外側，將所述第二密封構件與密封介質隔離。

本發明進一步優選地技術方案為，所述第一密封構件完全包裹在所述第二密封構件的外側，將所述第二密封構件與密封介質隔離。

所述密封圈的剖面為圓形、半圓形、矩形或異形結構。密封圈的剖面形狀可以為任意形狀，只要保證第一密封構件至少包裹在第二密封構件與密封介質接觸面的外側即可。

作為優選的技術方案，所述密封圈的剖面為圓形時，所述第二密封構件為實心圓柱狀結構，所述第一密封件為空心管狀結構，所述第二密封構件位於所述第一密封件的內腔中，且所述第一密封構件的管內徑與所述第二密封構件的直徑一致。

優選地，所述第一密封構件的管壁厚度為0.5~0.55mm、管外徑為1.6~2mm。

優選地，所述密封圈的剖面為半圓形時，所述第二密封構件為方柱狀或圓柱狀結構，所述第一密封件為半圓柱結構，在所述第一密封件的底部設置有與第二密封構件形狀一致的空腔，所述第二密封構件位於所述第一密封件的空腔中。

優選地，所述第一密封構件的直徑為1.6~2mm、空腔壁到外壁的距離為0.5~0.55mm。

有益效果：本發明中密封結構由第一密封構件和第二密封構件組合形成，第二密封構件作為內芯，由矽膠材料製成，為密封結構提供合適的彈性和硬度，確保燃料電池有效組裝；第一密封構件作為外層，至少包裹在所述第二密封構件與密封介質接觸面的外側，將所述第二密封構件與密封介質隔離，為密封結構承擔抗腐蝕功能，可免除矽膠內芯直接暴露在外，有效抵抗純氧、強酸等外部環境破壞矽膠材料的分子結構，保持密封結構長期保持原有的基本形態；本發明的密封結構對使用環境具有良好的耐受性，如強酸強鹼環境、高溫高冷環境、冷熱循環等環境，對氣體的防漏性同樣非常出色，另外本密封結構邵氏硬度可以達到30~50度，適合高分子燃料電池密封材料結構的邵氏硬度。

附圖說明

圖1為背景技術中矽膠成型後兩種剖面結構圖；

圖2為本發明實施例1的密封結構的剖面結構示意圖；

圖3為本發明實施例2的密封結構的剖面結構示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖對本發明技術方案進行詳細說明，但是本發明的保護範圍不局限於所述實施例。

一種氫氧質子交換膜燃料電池用密封結構，包括與待密封件邊緣適配的密封圈，密封圈包括第一密封構件1和第二密封構件2，其中，第一密封構件1由氟橡膠材料製成，第二密封構件2由矽橡膠材料製成；作為第一密封構件和第二密封構件的氟橡膠和矽橡膠均是由本領域的常規技術手段製成。

第一密封構件1至少包裹在第二密封構件2與密封介質接觸面的外側，將第二密封構件2與密封介質隔離。

密封圈的剖面為圓形、半圓形、矩形或異形結構。本申請對密封圈的形狀不作具體限定，為了更清楚的說明本申請密封圈的結構，僅以如下的實施例將密封圈其中的兩種形態作具體說明。

實施例1：在密封圈的剖面為圓形時，第二密封構件2為實心圓柱狀結構，第一密封件1為空心管狀結構，第一密封構件1包裹在第二密封構件2的外側，將第二密封構件2密封，且第一密封構件1的管內徑與第二密封構件2的直徑一致。

第一密封構件1的管壁厚度為0.5~0.55mm、管外徑為1.6~2mm。

實施例2：在密封圈的剖面為半圓形時，第二密封構件2為方柱狀結構，第一密封件1為半圓柱結構，在第一密封件1的底部設置有與第二密封構件2形狀一致的空腔，第二密封構件2位於第一密封件1的空腔中，由第一密封構件1將第二密封構件2密封。

第一密封構件1的直徑為1.6~2mm、空腔壁到外壁的距離為0.5~0.55mm。

如上所述，儘管參照特定的優選實施例已經表示和表述了本發明，但其不得解釋為對本發明自身的限制。在不脫離所附權利要求定義的本發明的精神和範圍前提下，可對其在形式上和細節上作出各種變化。