CN105932318A - 一种电堆封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电堆封装结构，在双极板和膜电极构成的电堆的外部设置有外壳，电堆上、下分别设置有第一尾板和第二尾板，所述两种尾板都设置有用于安装横梁的横梁安装槽，在尾板和电堆之间设置有减震体，第一尾板和第二尾板安装的横梁上下对应，并通过安装梁固定连接。本发明使得封装部分占电堆体积降低，使得电堆应力分布的均匀性得到了明显改善，密封性能好，体积减小。

Description

一种电堆封装结构
技术领域
本发明涉及电力行业中燃料电池的包装装置，尤其是涉及一种电堆封装结构。
背景技术
燃料电池是继水力、火力和原子能发电后的第四代发电技术，也是目前唯一同时兼具无污染、高效率、适用广、无噪声和可连续工作的动力装置，被认为是21世纪最有发展前景的高效清洁发电技术。其最大特点是反应过程不涉及燃烧，能量转换不受卡诺循环限制，因此能量转换率高达60％-80％，实际使用效率是内燃机的2-3倍。目前燃料电池已用于航天飞船、汽车、舰船、发电站、移动电话、笔记本电脑等众多领域。燃料电池技术的发展将犹如20世纪初内燃机技术取代人力的工业革命，20世纪60年代计算机取代人脑的信息革命，以及20世纪末改变了人们沟通方式与生活习惯的网络通信革命一样，在21世纪初期将引发新能源与环保的绿色革命。
燃料电池的一般结构：典型的水冷电堆由膜电极、阴极流场板、阳极流场板组成，膜电极一般放在两块导电的流场板中间，流场板既作为电流集流板，也作为膜电极的机械支撑，流场板上的流道又是燃料与氧化剂、冷却剂进入阳极、阴极、冷却表面的通道，并作为带走燃料电池运行过程中生成水的通道。
电堆是燃料电池系统的核心部件，其组装方式对系统的性能有很大的影响。
1、衡量电堆效率的重要指标是体积功率密度，同样输出功率的电堆，体积越小，体积功率密度越大；封装方式直接影响电堆的体积；
2、电堆封装后的内部MEA的压力分布，对电堆的性能也有很大影响，压力分布越均，越有利于提高电堆的性能和寿命；
3、电堆的组装压力由两部分组成，一部分是MEA压缩需要的压力，一部分是密封圈压缩需要的压力，为了防止电堆长期使用中出现压力损失，电堆封装设计中需要考虑防松设计。
衡量电堆效率的重要指标是体积功率密度，同样输出功率的电堆，体积越小，体积功率密度越大；封装方式直接影响电堆的体积，现在的电堆一般采用螺杆组装。电堆尾板上需要设计安装孔，增大了电堆体积，降低了电堆的体积功率密度。
电堆封装后的内部MEA的压力分布，对电堆的性能也有很大影响，压力分布越均，越有利于提高电堆的性能和寿命；采用螺杆安装或者侧板安装的电堆，如果尾板采用铝合金或绝缘材质，因材质的抗弯强度低，会导致四周应力大于中部应力，影响电堆的性能。同时因为受力不均匀，容易引起局部应力过大，需要通过增加厚度提高双极板的强度，导致电堆体积增大。
电堆的组装压力由两部分组成，一部分是MEA压缩需要的压力，一部分是密封圈压缩需要的压力，为了防止电堆长期使用中出现压力损失，电堆封装设计中需要考虑防松设计。目前电堆的防松设计：一种是蝶形弹簧配合螺栓起到防松的作用，但蝶形弹簧在使用中容易出现永久变形失效；也有采用压缩弹簧与螺杆配合，但为了达到一定的组装压力，往往需要一定高度的压缩弹簧，导致电堆体积的显著增大。
发明内容
本发明提供了一种电堆封装结构，能够有效的解决燃料电池的封装问题，其技术方案如下所述：
一种电堆封装结构，在双极板和膜电极构成的电堆的外部设置有外壳，电堆上、下分别设置有第一尾板和第二尾板，所述两种尾板都设置有用于安装横梁的横梁安装槽，在尾板和电堆之间设置有减震体，第一尾板和第二尾 板安装的横梁上下对应，并通过安装梁固定连接。
在第一尾板和电堆之间设置有第三尾板，所述第三尾板上安装有减震体安装槽，所述减震体安装槽内能够安装调整垫片。
所述减震体采用波形弹簧或螺旋弹簧。
所述第一尾板、第二尾板上都设置有横梁安装孔和减震体安装槽。
所述横梁采用碳钢材质，所述安装梁采用铝合金材质，所述安装梁和横梁采用螺钉进行连接，所述第一尾板、第二尾板、第三尾板采用绝缘材质或表面做了绝缘处理的金属材质。
所述第一尾板和第二尾板都设置有减震体安装槽，所述减震体安装在减震体安装槽内，与横梁接触。
安装在第一尾板、第二尾板上的横梁数量相同，均为2-5个，第一尾板上每个横梁的两端和安装梁固定连接，通过安装梁和第二尾板上的对应横梁固定连接，从而固定住双极板和膜电极。
所述横梁连接有2-5个减震体。
所述外壳设置有安装梁凹槽，用于放置安装梁。
所述横梁、减震体均匀设置在各尾板上根据布置的位置，使得从宽度方向、长度方向或高度方向做到布置均匀。
本发明有如下优点：封装部分占电堆体积降低，使得电堆应力分布的均匀性得到了明显改善，密封性能好，体积减小。
附图说明
图1是实施例1中所述电堆封装结构的整体示意图；
图2是实施例1中所述电堆封装结构的爆炸结构示意图；
图3是实施例1中双极板和膜电极的示意图；
图4是实施例1中第一尾板的正面示意图；
图5是实施例1中第一尾板的背面示意图；
图6是实施例1中第三尾板的正面示意图；
图7是实施例1中第二尾板的正面示意图；
图8是实施例1中封装部分的示意图；
图9是采用螺栓安装的电堆中应力分布示意图；
图10是实施例1中利用本发明组装的电堆的双极板应力分布示意图；
图11是实施例2的整体示意图；
图12是实施例2中所述电堆封装结构的爆炸结构示意图；
图13是波形弹簧的示意图；
图14是所述电堆测试结果示意图。
具体实施方式
本发明提供的电堆封装结构，整体外观如图1所示，本实施例采用了设计组装的50片电堆。从图2和图3可见，所述电堆封装结构包括：第一尾板1、第三尾板2、第二尾板3、横梁4、安装梁6、减震体、外壳板11、外壳板12、外壳板13、外壳板14，双极板及膜电池8，在第三尾板2上设置有减震体安装槽21，第一尾板1和第三尾板2之间装有减震弹簧5，第三尾板2和第二尾板3中间装有双极板和膜电极8，双极板和膜电极作为电堆的组成核心，本实施例1中所述减震体采用蝶形弹簧5。
如图4所示，所述第一尾板1上的正面，设计有横梁安装槽15，第一尾板1的背面如图5所示，设计有弹簧安装槽16。
如图6所示，所述第三尾板2上设计有减震弹簧安装槽21，可以通过在此安装槽内添加调整垫片，调节电堆的整体高度。
如图7所述，所述第二尾板3上设计有横梁安装槽31。
横梁4安装在第一尾板1和第二尾板3的安装槽内，第一尾板1上的横梁安装槽15和第二尾板3上的横梁安装槽31上下一一对应，通过安装梁6与上下的横梁4连接。
所述第一尾板1、第三尾板2、第二尾板3均采用绝缘材质；横梁4采用强度较强的材质，例如碳钢等，本实施例1采用强度较强的不锈钢304； 安装梁6采用强度和弹性模量较好的材质，例如铝合金等，本实施例中采用强度和弹性模量较好的铝合金6061-T6；减震弹簧5可以选择波形弹簧或螺旋弹簧，本实施例采用了波形弹簧；安装梁和横梁的连接，可以采用螺钉。
电堆测试结果如下：
1、电堆体积相对于螺栓安装，体积降低了17％；
2、电堆测试结果，对比采用螺杆封装的氢璞II代电堆(专利号201410543495.2)，性能上有了明显的提升，如图14所示。
本发明有如下效果：
1、相比于使用螺栓固定连接，螺栓固定连接占用面积为(A+B)，9为区域B，10为区域A，如图8所示，本发明占用的面积为B，封装部分占电堆体积降低了70％；
2、采用螺栓安装的电堆，应力分布如图9所示，工作区100内应力差别较大，采用本发明组装的电堆的双极板应力分布如图10所示，工作区100内的应力分布的均匀性得到了明显改善；
3一般电堆使用蝶形弹簧或者压缩弹簧，避免长期使用出现密封问题。蝶形弹簧安装繁琐，寿命低；压缩弹簧需要较高的高度，增加电堆的体积；本发明使用如图13所示的波形弹簧5，或这可以采用压缩弹簧，有效避免了上述两种缺点。
进一步的，在本发明的基础上，也可以扩展成其它形式，在实施例2中，封装外观如图10所示，内部结构如图11。
实施例2的电堆封装结构中包含安装横梁4、减震体18、第一尾板1、双极板及膜电极8、第三尾板2、安装梁6。
第一尾板1上设计有安装横梁安装孔和减震体安装孔，第三尾板2上设计有安装横梁安装孔和减震体安装孔。
减震体18安装在尾板的减震体安装槽21内，减震体18安装在横梁4上。安装在第一尾板1和第三尾板2上的安装横梁4通过安装梁6进行连接。
通过两个实施例，可见本发明的封装部分占电堆体积降低，使得电堆应 力分布的均匀性得到了明显改善，密封性能好，体积减小。

Claims (10)

1.一种电堆封装结构，其特征在于：在双极板和膜电极构成的电堆的外部设置有外壳，电堆上、下分别设置有第一尾板和第二尾板，所述两种尾板都设置有用于安装横梁的横梁安装槽，在尾板和电堆之间设置有减震体，第一尾板和第二尾板安装的横梁上下对应，并通过安装梁固定连接。
2.根据权利要求1所述的电堆封装结构，其特征在于：在第一尾板和电堆之间设置有第三尾板，所述第三尾板上安装有减震体安装槽，所述减震体安装槽内能够安装调整垫片。
3.根据权利要求1所述的电堆封装结构，其特征在于：所述减震体采用波形弹簧或螺旋弹簧。
4.根据权利要求2所述的电堆封装结构，其特征在于：所述第一尾板、第二尾板上都设置有横梁安装孔和减震体安装槽。
5.根据权利要求2所述的电堆封装结构，其特征在于：所述横梁采用碳钢材质，所述安装梁采用铝合金材质，所述安装梁和横梁采用螺钉进行连接，所述第一尾板、第二尾板、第三尾板采用绝缘材质或表面做了绝缘处理的金属材质。
6.根据权利要求1所述的电堆封装结构，其特征在于：所述第一尾板和第二尾板都设置有减震体安装槽，所述减震体安装在减震体安装槽内，与横梁接触。
7.根据权利要求1所述的电堆封装结构，其特征在于：安装在第一尾板、第二尾板上的横梁数量相同，均为2-5个，第一尾板上每个横梁的两端和安装梁固定连接，通过安装梁和第二尾板上的对应横梁固定连接，从而固定住双极板和膜电极。
8.根据权利要求6所述的电堆封装结构，其特征在于：所述横梁连接有2-5个减震体。
9.根据权利要求1所述的电堆封装结构，其特征在于：所述外壳设置有安装梁凹槽，用于放置安装梁。
10.根据权利要求1-9任一所述的电堆封装结构，其特征在于：所述横梁、减震体均匀设置在各尾板上。
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