CN101577336B - 用于电池系统的端板及使用此端板的电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电池系统的端板及使用此端板的电池系统。该用于电池系统的端板，适于配置于电池组的两端。此端板包括至少一层肋结构，可有助于使压力均布于电池组。

Description

用于电池系统的端板及使用此端板的电池系统

技术领域

本发明涉及一种用于电池系统，且特别涉及一种可用于电池系统的端板及使用此端板的电池系统。 

背景技术

燃料电池是一种利用水电解的逆反应而将化学能转换成电能的发电装置。由于燃料电池具有操作温度低、启动快、能量密度高、污染低及应用范围广等特性，且其功率高于传统的二次电池(如锂电池、镍氢电池等)，又不易受到天然条件的限制，因而成为最受瞩目的替代能源之一。 

举例来说，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)最基本的构造为单电池，其是将膜电极组件(membrane electrodeassembly，MEA)夹于两块双极板(bipolar plate)、集电板(current collector)与端板(end plate)所组成，而被膜电极组件分隔的两边分别是阳极与阴极。 

在燃料电池的结构上，除了上述各组件的制作外，大型化也是目前亟欲发展的技术。将燃料电池大型化是依上述结构的配置方式堆叠成串联式的电池组，亦即将多个单电池串联，如图1A与图1B所示。为了使单电池110可以经由串联的方式堆叠成大型的燃料电池，一般在组装电池时，会在端板120的四周周缘利用螺杆组件130进行锁合，以将各个单电池110固定成燃料电池组100，并使燃料电池组100内的各个组件能够相贴合。 

然而，由于燃料电池组100中主要的锁合力量是依赖配置在端板120四周的螺杆组件130施加力量至各个单电池110上，这样会使得位于端板120中央位置的锁合力量就会相对不足，而造成端板120受力不均匀的负面效应。再者，由于燃料电池组100仅是在外缘的周围部分产生较紧密的贴合，在燃料电池组100中央位置的各个组件或各个单电池110之间却无法产生较紧密的接触，以致于接触电阻会增加且燃料电池组100的效能会降低。而且，若是仅依靠端板120周围的力量进行锁合固定，端板120仍会容易因承受螺杆组件130的压应力及力矩而发生翘曲变形(bending)的情况，造成反应气体泄 漏与流窜，而使得气密性受到严重的考验。 

此外，在单电池110的流场板(未绘示)中分布着反应气体与冷却渠道的沟槽，为了防止反应气体的泄露与互窜(cross-over)，会在流场板刻划用来放置如O型环(O-ring)等密封材料的沟槽。通过螺杆组件130所施加的锁合力量让燃料电池组100内的各组件做紧密的接合，可以避免反应气体的泄露与互窜。然而，对于只有在端板120周缘具有锁合力量的燃料电池组100而言，若是想要使燃料电池组100中央部分能做更有效的紧密贴合，往往必须在螺杆组件130施加更大的锁合力量。如此，当组装而使流场板承受极大的力量时，由于应力会集中在结构较脆弱的沟槽，极可能造成流场板无法承受应力而破裂或遭到损坏。 

随着燃料电池组100所堆叠的单电池110数量越高，上述这些情况越显严重。因此，如何在端板120中央施加压力以使燃料电池组100中央及边缘处都可以均匀受力是目前亟欲改善的课题。 

要使电池组的端板压力均匀分布可以通过许多设计方式来达成。图2至图5所绘示分别是已知的电池系统的示意图。如图2所示，在中国台湾专利公告号485660中提出一种具有均布压力的燃料电池，其主要特征是在燃料电池组200上下两端的端板220内形成凹槽222，并在凹槽222内配置有多个均布压力装置240。螺杆组件230设于两端板220的周缘区域，以将燃料电池组200锁固于两端板220上。而设置于端板220与燃料电池组200之间的均布压力装置240，可以通过均布压力装置240施加一定程度范围的压力于燃料电池组200而使之间的组件能够紧密贴合。 

如图3所示，在中国台湾专利公开号200723583中亦披露一种具均布压力功能的燃料电池，其主要特征包括压力分配板组340及端板320，并靠螺杆组件330将压力分配板组340及端板320锁合固定于燃料电池组300的上下两侧。压力分配板组340的一端为平面，与燃料电池组300贴合，另一端则与端板320接触。利用端板320压缩锁合时产生的力量施加于压力分配板组340，可以达到平均分配压力的效果。 

如图4所示，美国专利第6,428,921号(US 6,428,921 B1)中披露一种燃料电池堆的压缩方法与装置。此装置包括燃料电池组400、上端板420、集电板或分布板424、下端板422、多个螺杆440及多个螺杆组件430。此专利所披露的装置主要是利用螺杆组件430施以压缩力来锁合固定上端板420与下端板422之间的燃料电池组400。此外，其特征在于通过调节配置于上端板420上方的螺杆440的锁合力量使集电板或分布板424所承受的扭矩及压缩力均匀分布，而避免集电板或分布板424因受力绷紧而过度挠曲。

如图5所示，美国专利第6,663,995号(US 6,663,995 B2)亦披露一种燃料电池堆所用的改善均匀度的方法与装置。此装置包括燃料电池组500、位于燃料电池组500上下两方的端板520、集电板或分布板524、位于端板520与集电板或分布板524之间的间隔板522、位于周围的多个螺杆组件530。此专利的特征主要是在于使端板520为具有曲面形状的弹性体，并使端板520的凸面接触到间隔板522，而使压应力可以均匀分布于燃料电池组500。 

然而，在上述专利所披露的技术中，大多是将端板配置于电池组的两侧并使用螺杆支持作为固定之用，再通过外加均布压力装置或设计复杂且特殊的结构，以改善端板形变量并使端板受力均匀。再者，在已知技术中，无论是端板的预变形、均布压力装置的设计或是外加螺栓的施予力量，都必须按照不同的电池系统结构来设计各自适合的配置方式以获得较佳化的压力分配效果，而无法提供一种可通过大体通则而适用于所有电池系统。因此，虽然传统方法在实际应用上确实能够提升产电量及发电效率，但考量到成本、重量与使用状况的适用性，仍使得电池系统的设计具有相当高的难度。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于电池系统的端板，可有助于使压力均布于电池组。 

本发明另提供一种电池系统，具有较高的电池效能及使用寿命。 

本发明提出一种用于电池系统的端板，适于配置于电池组的两端。此端板包括多个肋结构(rib structure)，该肋结构以层叠的方式配置，该肋结构两两之间具有一交角。 

本发明另提出一种电池系统，其包括电池组以及两端板。端板配置于电池组的两端，其中至少一端板包括多个肋结构，该肋结构以层叠的方式配置，该肋结构两两之间具有一交角。 

在本发明的一实施例中，上述的肋结构例如是纤维状结构或蜂巢状结构。 

在本发明的一实施例中，上述的端板还包括本体，且本体与肋结构相接触。 

在本发明的一实施例中，上述的肋结构的材料与本体的材料为相同或不 

在本发明的一实施例中，上述的本体与肋结构是以在本体加工的方式而形成的。 

在本发明的一实施例中，上述的本体还包括至少一凹槽，以使肋结构配置于凹槽内。 

在本发明的一实施例中，上述的本体的相对向两侧分别形成有凹槽。 

在本发明的一实施例中，上述的肋结构内嵌于本体中。 

在本发明的一实施例中，上述的肋结构配置于本体的表面上。 

在本发明的一实施例中，上述的肋结构与电池组分别位于本体的相对向两侧。 

在本发明的一实施例中，上述的肋结构贯穿本体。 

在本发明的一实施例中，当上述的端板具有多个肋结构时，肋结构例如是以层叠的方式配置，且各层肋结构两两之间具有一角度。 

在本发明的一实施例中，还包括多个锁固孔，配置于本体上。 

在本发明的一实施例中，上述的电池组包括多个单电池，且单电池串联。 

本发明的用于电池系统的端板因具有肋结构，因此具有较强的结构刚性，能够使端板压力均匀分布在电池组上。因此，使用上述端板的电池系统，其效能及寿命可以获得有效地提升。 

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。 

附图说明

图1A与图1B是已知的一种电池系统的示意图。 

图2至图5分别是已知的具有均布压力装置的电池系统的示意图。 

图6是依照本发明的一实施例的一种电池系统的剖面示意图。 

图7A与图7B分别是依照本发明的一实施例的一种电池系统的立体示意图。 

图8是依照本发明的一实施例的一种电池系统的立体示意图。 

图9是依照本发明又一实施例的一种电池系统的立体示意图。 

图10是图9的肋结构的排列示意图。 

图11至图15分别是依照本发明其他实施例的一种电池系统的剖面示意 图。 

图16是依照本发明再一实施例的一种电池系统的剖面示意图。 

附图标记说明 

100、200、300、400、500：燃料电池组 

110：单电池 

120、220、320、520、610、610a、610b、610c、 

610d、610e、614f、810、910：端板 

130、230、330、430、530、604：螺杆组件 

222、611、611a、611b、811：凹槽 

240：均布压力装置  340：压力分配板组 

420：上端板        424、524：集电板或分布板 

422：下端板        440：螺杆 

522：间隔板        600：电池组 

602：集电板        606：锁固孔 

612、612a、612b、612c、612d、612e、812、912：本体 

614、614a、614b、614c、614d、614e、 

616、618、816、818、916、918：肋结构 

具体实施方式

下列各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明的实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」等，仅是参考附加图式的方向。因此，下列使用的方向用语仅是用来说明，以使熟习此项技术者能够据以实施，但并非用以限定本发明的范围。 

此外，本领域技术人员应当知道，以下所介绍的端板，可以适用于任何一种的燃料电池系统或是其他种类的电池系统。 

图6是依照本发明的一实施例的一种电池系统的剖面示意图。图7A与图7B分别是依照本发明的一实施例的一种电池系统的立体示意图。 

请参照图6与图7B，此电池系统包括电池组600、两集电板602、两端板610及多个螺杆组件604。电池组600包括多个单电池(未绘示)，且单电 池之间是以串联的方式相连接。两集电板602配置于两端板610之间，而电池组600配置于两集电板602之间。螺杆组件604例如是穿过两端板610，以将两端板610之间的集电板602与电池组600固定，并施予压力以使电池组600内的各组件能够作紧密的接合。 

端板610包括本体612与肋结构614，其中肋结构614与本体612相接触。本体612的材料例如是绝缘材料，其可以为塑料或是其他合适的材料。而肋结构614的材料与本体612的材料例如是相同或不相同。本体612具有多个锁固孔606与凹槽611。锁固孔606例如是使螺杆组件604可以穿设于其中，而使螺杆组件604的两端固定于端板610上。凹槽611例如是形成于本体612的表面。如图6所示，相对于电池组600，凹槽611例如是位于端板610的外侧。 

肋结构614配置于凹槽611内。在此实施例中，肋结构614是以直接在本体612加工的方式而形成的。也就是说，如图6与图7B所示，肋结构614是形成于本体612中，且肋结构614与本体612会共同构成端板610的外侧表面。 

在一实施例中，如图7A与图7B所示，端板610包括两层肋结构616与肋结构618。肋结构616与肋结构618彼此之间是以层叠的方式排列，亦即肋结构618例如是叠置于肋结构616的外侧，而使肋结构616位于本体612与肋结构618之间。 

承上述，肋结构616、618例如是纤维状结构。换言之，肋结构616、618分别是由多个平行排列的条状物所组成的纤维状结构，且构成肋结构616、618的各个条状物例如是与凹槽611的边界不垂直。此外，在肋结构616与肋结构618之间例如是具有一角度，也就是说构成肋结构616的条状物会与构成肋结构618的条状物形成交角，如图7A与图7B所示。在此实施例中，肋结构616与肋结构618之间例如是以相互垂直的方式配置而相匹配。 

由于在端板610上配置肋结构614可以使端板610具有较强的结构刚性，因此端板610的压力可以在组装时分布得更均匀。对于电池组600而言，端板610的压力均匀分布可以使电池组600中各个单电池受到更均匀的压力分布，进而能够有助于电池组600中的各组件做更有效的紧密接合，而降低接触电阻并提升气密性。此外，肋结构614还可以避免不需要的应力过度集中，因此能够防止组件材料的损坏。特别说明的是，肋结构的数量并不限于上述 实施例所使用的数量，且当配置两层或多层肋结构时，各层肋结构两两之间的交角可以为任意角度，只要能够使其相匹配而达到强化端板结构的功效即可，本发明于此不作任何的限定。 

图8是依照本发明的一实施例的一种电池系统的立体示意图。在此说明的是，构成图8的电池系统的组件与构成图6、图7A、图7B的电池系统的组件大致相同，故于以下省略类似组件的描述，其中主要的差异是在于肋结构排列的结构型态。 

请参照图8，在另一实施例中，端板810包括本体812与两层肋结构816、818。肋结构816与肋结构818例如是以层叠的方式配置，而使肋结构816配置于本体812与肋结构818之间。肋结构816、818分别是由多个平行排列的条状物所组成的纤维状结构，且构成肋结构816、818的各个条状物例如是与凹槽811的边界垂直。同样地，肋结构816与肋结构818之间具有一角度，亦即构成肋结构816的条状物与构成肋结构818的条状物例如是相互垂直。 

图9是依照本发明又一实施例的一种电池系统的立体示意图。构成图9的电池系统的组件与前述构成图6、图7A、图7B的电池系统的组件大致相同，其中主要的差异仅在于肋结构本身的态样。 

请参照图9，在又一实施例中，端板910包括本体912与两层肋结构916、918。肋结构916与肋结构918例如是以层叠的方式配置，亦即肋结构918叠置于肋结构916的外侧，以使肋结构916夹于本体912与肋结构918之间。肋结构916与肋结构918分别例如是蜂巢状结构。此蜂巢状结构是由多个六边形所构成，且六边形两两之间是通过共用一边长而相连接。肋结构916与肋结构918之间具有一角度，其例如是旋转至45°。如图10所示，在此实施例中，肋结构916与肋结构918之间的交角为45°指的是，当肋结构916以xy坐标作为基准且肋结构918以x’y’坐标作为基准时，xy坐标与x’y’坐标之间的夹角为45°。当然，肋结构916与肋结构918之间的旋转角度并不局限于图9与图10中的排列方式，只要能使肋结构916与肋结构918能够相匹配而达到强化端板910的功效即可，于此技术领域技术人员当可视其需求进行调整。 

值得一提的是，在上述图9及图10的实施例中，是以多个六边形所构成的蜂巢状结构为例来进行说明，然本发明并不限于此。在其他实施例中， 蜂巢状结构也可以是由三角形、四边形、任意多边形、甚至是不规则形状及上述形状的组合所构成，熟知本领域的技术人员当可知其应用及变化，故于此不再赘述。 

本发明除了上述实施例之外，尚具有其他的实施型态。在上述实施例中，肋结构是配置于本体中并与本体共同构成端板的表面，且相对于电池组，肋结构位于端板的外侧，但本发明并不限于此。在其他实施例中，肋结构与本体的位置还可以有其他的配置关系，以下将一一说明。 

图11至图15分别是依照本发明其他实施例的一种电池系统的剖面示意图。在图11至图15中，与图6相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。此外，为简化图示，仅绘示肋结构的分布位置以使熟习此项技术者能够据以实施。至于肋结构本身的结构型态、数量与排列方式，熟知本领域的技术人员当可依据前述实施例而知其应用及变化。 

请参照图11，端板610a包括本体612a与肋结构614a，且肋结构614a与本体612a相接触。本体612a具有凹槽611a，其例如是配置于端板610a的内侧。也就是说，凹槽611a是配置在靠近电池组600的本体612a的表面上。而肋结构614a例如是以在本体612a加工的方式而配置于凹槽611a中，使得肋结构614a与本体612a共同构成端板610a靠近电池组600的内侧表面。 

在一实施例中，如图12所示，凹槽611b也可以形成在本体612b的相对向两侧表面，而肋结构614b是以在本体612b加工的方式而配置于凹槽611b中。如此，端板610b的内外两侧表面都是由肋结构614b与本体612b所构成。 

请参照图13，肋结构614c还可以是内嵌于本体612c中，且肋结构614c例如是以在本体612c加工的方式而形成的。也就是说，肋结构614c是以夹层的方式配置于端板610c中，而使得端板610c的表面皆是由本体612c所构成。 

请参照图14，肋结构614d例如是贯穿本体612d。详细说明的是，除了在端板610d周缘配置锁固孔606的位置是本体612d之外，其余的端板610d都是由肋结构614d所组成。在此实施例中，本体612d与肋结构614d具有相同的厚度，且肋结构614d是以在本体612d进行加工的方式而形成的，以使本体612d连接于肋结构614d的周缘角落。 

此外，肋结构也可以是以额外附加方式配置于本体上。如图15所示，肋结构614e例如是配置于本体612e的外侧表面上，使得肋结构614e与电池组600会分别配置于本体612e的相对向两侧表面。由于肋结构614e是额外配置在本体612e的表面上，因此端板610e会具有突出的外侧表面。 

在图11至图15所绘示的实施例中，是通过在端板的本体加工或是以额外附加的方式配置肋结构，来强化端板的结构刚性，进而使组装时的压应力可以均匀分散。当然，除了上述实施例外，端板还可以是其他的结构，亦即本体与肋结构的分布关系、肋结构本身的结构型态和数量都可以依实际需求作任意组合，只要能够改善端板整体的结构刚性即可。 

值得一提的是，上述实施例皆是以彼此相接触的本体与肋结构所构成的端板为例，但本发明还可以有其他的实施态样。图16是依照本发明再一实施例的一种电池系统的剖面示意图。同样地，图16中与图6相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。 

如图16所示，端板610f仅包括肋结构，也就是说整个端板610f可以是由单层或多层的肋结构所构成。锁固孔606例如是配置于端板610f的周缘，亦即肋结构上会形成有多个贯孔以作为锁固孔606之用。 

综上所述，本发明的端板及使用此端板的电池系统利用单层或多层肋结构的配置来强化端板本身的结构刚性，因此可以在组装电池系统时可以均匀分散组装的压应力，使端板压力均匀分布于电池组中，进而能够有效地降低接触电阻，防止反应气体的泄露与互窜，以提高气密性并改善电池效能。再者，本发明的端板及使用此端板的电池系统还能够避免应力过度集中而造成电池的组件损坏，因此可有助于延长电池的使用寿命。 

此外，本发明的端板具有轻量化、制造简单及装配容易等特性，并可以广泛适用于电池系统，因此能够减轻电池系统的重量及改善组装方便性。 

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的权利要求所界定的为准。 

Claims (25)

1.一种用于电池系统的端板，适于配置于电池组的两端，该端板包括多个肋结构，该肋结构以层叠的方式配置，该肋结构两两之间具有一交角。

2.如权利要求1所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构为纤维状结构或蜂巢状结构。

3.如权利要求1所述的用于电池系统的端板，还包括本体，与该肋结构相接触。

4.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构的材料与该本体的材料为相同或不相同。

5.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构是以在该本体加工的方式而形成的。

6.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，其中该本体还包括至少一凹槽，以使该肋结构配置于该凹槽内。

7.如权利要求6所述的用于电池系统的端板，其中该本体的相对向两侧分别形成有该凹槽。

8.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构内嵌于该本体中。

9.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构配置于该本体的表面上。

10.如权利要求9所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构与该电池组分别位于该本体的相对向两侧。

11.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，其中该肋结构贯穿该本体。

12.如权利要求3所述的用于电池系统的端板，还包括多个锁固孔，配置于该本体上。

13.一种电池系统，包括：

电池组；以及

两端板，配置于该电池组的两端，其中至少一端板包括多个肋结构，该肋结构以层叠的方式配置，该肋结构两两之间具有一交角。

14.如权利要求13所述的电池系统，其中该肋结构为纤维状结构或蜂巢状结构。

15.如权利要求13所述的电池系统，该端板还包括本体，与该本体相接触。

16.如权利要求15所述的电池系统，其中该肋结构的材料与该本体的材料为相同或不相同。

17.如权利要求15所述的电池系统，其中该本体与该肋结构是以在该本体加工的方式而形成的。

18.如权利要求15所述的电池系统，其中该本体还包括至少一凹槽，以使该肋结构配置于该凹槽内。

19.如权利要求18所述的电池系统，其中该本体的相对向两侧分别形成有该凹槽。

20.如权利要求15所述的电池系统，其中该肋结构内嵌于该本体中。

21.如权利要求15所述的电池系统，其中该肋结构配置于该本体的表面上。

22.如权利要求21所述的电池系统，其中该肋结构与该电池组分别位于该本体的相对向两侧。

23.如权利要求15所述的电池系统，其中该肋结构贯穿该本体。

24.如权利要求15所述的电池系统，还包括多个锁固孔，配置于该本体上。

25.如权利要求13所述的电池系统，其中该电池组包括多个单电池，且该单电池串联。

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