CN101807707B - 燃料电池电堆模块的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃料电池电堆模块的封装方法，首先将整个电堆从后端装进封装箱体，用螺钉连接电堆上的八个固定脚；固定脚和封装箱体之间设置软体减震内衬；在后盖板上用1mm厚白色四氟垫平放在氢气接头上，2mm厚硅胶垫片平放在不锈钢接头上，用快速固化胶水粘住，固化后用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片将后盖板与封装箱体固定；最后将电堆模块立放，后盖板朝下，用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片将前盖板与封装箱体固定，最后完成电堆模块结构的封装。本发明是将燃料电池电堆模块集成结构中的各零部件按步骤进行集成，采用电堆固定脚与封装箱体连接的设计，使燃料电池电堆模块兼具防水防尘、抗震、电绝缘、氢安全保护、隔热等功能。

Description

燃料电池电堆模块的封装方法

技术领域

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池的封装方法，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆模块集成封装方法。

背景技术

当今全球能源紧张，油价高涨，寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。燃料电池被认为是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术，它通过电催化反应将氧化剂和还原剂的化学能直接转换成电能，是一种高效、安全、清洁、灵活的新型发电技术。其中的质子交换膜燃料电池因其具有效率高、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等显著优点而在地面发电站、电动车和便携式电源等方面具有广泛的应用前景。燃料电池内部主要由质子交换膜、电化学反应催化剂、扩散层和双极板组成。当燃料电池工作时，其内部发生下述反应过程：反应气体在扩散层内扩散，当反应气体到达催化层时，在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；阳极反应生成的质子通过质子交换膜内传递到阴极侧，电子经外电路到达阴极，同氧分子反应结合成水，同时放出热量。电极反应为：

阳极(负极)：H₂→2H⁺+2e

阴极(正极)：1/2O₂+2H⁺+2e→H₂O

电池反应：H₂+1/2O₂→H₂O

一个典型的质子交换膜燃料电池中，膜电极放在两块导电的导流极板中间，两块导流板分别是阳极燃料的导流板与阴极氧化剂的导流板。这样形成的一个燃料电池称为单电池，为了增大整个质子交换膜燃料电池的总功率，需要将多个单电池通过直叠的方式串联成电池组，又叫燃料电池电堆。在燃料电池电堆中，一块极板的两面都可以有导流槽，其中一面可以作为一个膜电极的阳极导流面，另一面又可作为另一个相邻膜电极的阴极导流面，这种极板叫做双极板。电堆通过前端板、后端板及拉杆紧固在一起。

燃料电池发电系统主要由燃料电池堆与电池堆支持运行系统组成。当燃料电池发电系统用作车、船等运载工具的动力系统时，燃料电池发电系统又叫做燃料电池发动机。

当燃料电池发电系统用作燃料电池发动机时，对周围的使用环境要求比较高，燃料电池在工作过程中，尤其是在室外工作环境，会有大量的灰尘或水侵蚀电堆，这些灰尘或水一旦进入电堆，则将导致电堆漏电、漏氢，甚至使电堆遭到致命性的破坏，另外在汽车使用环境下，震动也会对电堆本身造成极大的影响。为此燃料电池堆需要进行模块化集成封装，达到作为一种符合特定场合用途的一体化设计的防水防尘、抗震、绝缘、隔热、氢气泄露保护以及美观的产品要求。

专利号为99219220.X的实用新型专利提到现有的两种燃料电池压装方式——内穿螺栓压装方式和外置螺栓压装方式，这两种压装方式存在明显的缺陷，如内穿螺栓压装由于需在导流板、碳纸及膜上打孔而减少了材料的有效电化学面积，使电池的体积比功率降低，而外置螺栓压装容易引起单电池在压装螺栓的垂直方向上发生位移。针对上述两种燃料电池压装方式缺点设计了一种整体封装的外壳，增加了结构的稳定性，可在各种强震动、冲击环境下工作。但是没有考虑到封装外壳的防水防尘以及电绝缘设计。

专利号为200520047310.5的实用新型专利针对普通燃料电池堆发电系统零部件集成度不够，太杂、太多，缺少人性化考虑，直接将去点插座，操作开关，安全指示灯等直接设计在壳体上，人性化、产品化、便携式的设计。空气过滤网直接封贴于侧板内侧，起到一定的散热，防水防尘作用。但是忽略了电堆封装外壳的电绝缘问题，并且没有考虑到车用情况下的抗震问题。

专利号为200710172354.4的发明专利和专利号为200420019588.7的实用新型专利都提到了一种大型集成式燃料电池堆的封装与固定，主要为承受较重的燃料电池堆，具有结构牢固、不易变形、维修及拆卸方便等优点。但是没有专门在防水防尘和电绝缘方面进行设计封装。

专利号为200510026006.7的发明专利和专利号为200510026005.2的发明专利提到一种燃料电池发动机的封装装置，可有效的防尘防水防漏电，并能够及时检测氢气浓度并作出排氢处理，从而有效防止因氢气管路破裂而溢出氢气造成的爆炸。该装置在装置架上设排风口、通风口，排风口向外延伸一排风管，在该排风管上设有排风扇，通风口向外延伸一通风管，在该通风管上设有鼓风机。这种封装装置虽然能起到防水防尘、漏氢安全保护等功能，但是排风扇、鼓风机的运作需要额外的消耗功率，通风管上设有过滤设备，雨水极易损坏。

对于上述各种燃料电池电堆模块封装装置和方法都没有完整的考虑到一体化设计的防水防尘、抗震、绝缘、隔热、氢气泄露保护等所有的特定要求，作为车载燃料电池发动机使用存在安全隐患。

发明内容

本发明的目的就是为了克服现有技术存在的缺陷，符合车载环境的使用要求，提供一种可有效的防水、防尘、抗震、绝缘、隔热，并且具有氢气安全保护功能的燃料电池电堆模块的封装方法。

本发明的燃料电池电堆模块的封装方法，具体步骤是：

1.电堆装进封装箱体

将整个电堆从封装箱体后端装进封装箱体，用螺钉连接电堆上的八个固定脚；电堆通过八个电堆固定脚和封装箱体连接固定，固定脚和封装箱体之间设置软体减震内衬；

2.封装后盖板

后盖板上用1mm厚白色聚四氟垫平放在氢气接头上，2mm厚硅胶垫片平放在不锈钢接头上，用快速固化胶水粘住，固化后用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片将后盖板与封装箱体固定；

3.封装前盖板

将电堆模块立放，后盖板朝下，，用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片将前盖板与封装箱体固定，然后用1mm厚白色四氟垫平放在前盖板的氢气接头上，用M41mm的六角螺帽旋紧；将2mm厚硅胶垫片平放在前盖板的空气及水接头上，再用不锈钢盖板盖上，用十二个M5-20的银灰色尼绒螺丝拧紧，最后完成电堆模块结构的封装。

步骤一中，将电堆八个固定脚分别装在电堆的两端，前端用M8不锈钢螺帽、平垫及弹垫固定，后端用4个M6-10带法兰面的螺丝、平垫及弹垫固定。

本发明的有益效果是：本发明的封装方法是将燃料电池电堆模块集成结构中的各零部件按步骤进行集成，采用电堆固定脚与封装箱体连接的设计，使燃料电池电堆模块兼具防水防尘(IP55～IP68)、抗震、电绝缘、氢安全保护、隔热等功能的一体化封装方法。

附图说明

图1是本发明的结构立体示意图；

图2是本发明的结构主视图；

图3是图2的俯视图；

图4是电堆固定脚A、B、C、D结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明的实施方式。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1至图3所示，一种10KW游览车用燃料电池电堆模块集成封装结构，其中封装箱体6是两端开口的中空长方体，其上前后各有四个电堆固定脚螺孔和八个封装面板固定螺孔，封装箱体6选用t1.2mm钢板制成。前、后封装面板7、5与封装箱体6两端开口配合，其内侧轮廓与封装箱体6的两端开口外侧轮廓分别一致，箱体加前后盖板将燃料电池堆全部部件都集成在内。

将电堆八个固定脚2，4，8，9分别装在电堆两端，固定脚2，4，8，9上内衬10mm软体减震结构，前端用M8不锈钢螺帽、平垫及弹垫固定，后端用4个M6-10带法兰面的螺丝、平垫及弹垫固定。将整个电堆从后端装进封装箱体6，用四个M6-10带法兰面的螺丝准确的连接电堆上的八个固定脚，锁紧固定。外壳结构设有密封条，三个IP68的电器接头13、14、15结构带有O圈密封，空气吹扫口16，空气场接头10，水流场接头11，氢气场接头12与各自配套的管件之间设有密封圈，前后盖板分别使用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片固定，使用1mm厚白色四氟垫平放在氢气接头上，用M41mm六角螺帽旋紧，使用2mm厚硅胶垫片平放在空气及水接头上，再用不锈钢盖板盖上，用十二个M5-20的银灰色呢绒螺丝拧紧，在电堆壳体缝隙涂抹上硅胶密封。

空气吹扫口16，使用燃料电池系统中空气供应系统提供的干净空气导出一小支流，使其在密封的封装壳内吹扫，保持壳内空气流通，防止氢气累积。

本发明的燃料电池电堆模块的封装方法是通过以下技术方案实现的：

将整个电堆从后端装进封装箱体，用带法兰面的螺丝准确连接电堆上的八个固定脚，锁紧固定；其中，将电堆八个固定脚分别装在电堆的两端，前端用M8不锈钢螺帽、平垫及弹垫初步固定，后端用四个M6-10带法兰面的螺丝、平垫及弹垫初步固定；电堆通过八个电堆固定脚和封装封装箱体连接固定，固定脚和封装箱体之间设有软体减震内衬。

用1mm厚白色聚四氟垫平放在氢气接头上，2mm厚硅胶垫片平放在不锈钢接头上，用快速固化胶水粘住，固化后装上后盖板，用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片固定；

将电堆模块立放，后盖板朝下，装配前盖板，用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片固定，然后用1mm厚白色四氟垫平放在氢气接头上，用M41mm的六角螺帽旋紧。将2mm厚硅胶垫片平放在空气及水接头上，再用不锈钢盖板盖上，用十二个M5-20的银灰色尼绒螺丝拧紧，最后完成电堆模块结构的封装。

本发明具有：

(1)防水防尘：

箱体加前后盖板将燃料电池堆全部部件都集成在内，防水防尘达到了IP55(根据客户要求可以调整提高到IP68)，外壳结构设有密封条，三个IP68的电器接头13、14、15结构带有O圈密封，空气吹扫口16，空气场接头10，水流场接头11，氢气场接头12与各自配套的管件之间设有密封圈，前后盖板分别使用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片固定，使用1mm厚白色聚四氟垫平放在氢气接头上，用M41mm六角螺帽旋紧，使用2mm厚硅胶垫片平放在空气及水接头上，再用不锈钢盖板盖上，用十二个M5-20的银灰色呢绒螺丝拧紧，在电堆壳体缝隙涂抹上硅胶密封，有效的防止水和灰尘进入壳体内部。

(2)抗震：

本发明采用防震设计，内部设有防震软体结构以及采用电堆端板和外壳螺丝固定连接，将八个电堆固定脚2，4，8，9(如图4所示)分别装在电堆两端，固定脚2，4，8，9上内衬10mm软体减震结构。将电堆放进封装外壳后使用四个M6-10带法兰面的螺丝连接电堆上的八个固定脚，锁紧固定，一体化设计，管路和外壳固定连接，防止电堆和外壳之间的碰撞。

(3)电绝缘：

首先在电堆裸堆表面复合0.5MM的绝缘树脂板，可选用环氧树脂、酚醛树脂等材料。其次所选用的电器接头13、14、15以及电缆具备绝缘的能力，电堆紧固部件表面复合绝缘层，通过固定脚使电堆与封装壳体相连，电堆不与外壳触碰，处于悬空状态。另外封装外壳固定支架1、4上还附有绝缘垫块，进一步提高燃料电池电堆模块在车用情况下外壳的电绝缘性能。

(4)氢安全保护：

设计在封装结构面板上，前后两端设计了空气吹扫口16，将燃料电池系统中空气供应系统提供的干净空气导出一小支流，引入到空气吹扫口16，使其在密封的封装壳内吹扫，保持壳内空气流通，将燃料电池模块中泄漏的部分氢气及时排除，避免氢气累积。

(5)隔热：

本发明采用电堆固定脚2、3、8、9和封装箱体6连接，减少电堆热量传递到外壳，电堆产生的热量通过冷却接头传递到外部设备，冷却水接头和封装外壳连接部分为悬空，防止接头与壳体之间的热传递，很好的起到了隔热保护的作用。

Claims (2)

1.一种燃料电池电堆模块的封装方法，其特征在于，具体步骤是：

(1)电堆装进封装箱体

将整个电堆从封装箱体后端装进封装箱体，用螺钉连接电堆上的八个固定脚；电堆通过八个电堆固定脚和封装箱体连接固定，固定脚和封装箱体之间设置软体减震内衬；

(2)封装后盖板

后盖板上用1mm厚白色四氟垫平放在氢气接头上，用快速固化胶水粘住平放在不锈钢接头上的2mm厚硅胶垫片，固化后用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片将后盖板与封装箱体固定；

(3)封装前盖板

将电堆模块立放，后盖板朝下，用八个M5-10带法兰面的螺丝加红色垫片将前盖板与封装箱体固定，然后用1mm白色四氟垫平放在前盖板的氢气接头上，用M41mm的六角螺帽旋紧；将2mm厚硅胶垫片平放在前盖板的空气及水接头上，再用不锈钢盖板盖上，用十二个M5-20的银灰色尼绒螺丝拧紧，最后完成电堆模块结构的封装。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆模块的封装方法，其特征在于：所述步骤(1)中，将电堆八个固定脚分别装在电堆的两端，前端用M8不锈钢螺帽、平垫及弹垫固定，后端用四个M6-10带法兰面的螺丝、平垫及弹垫固定。 

Images