CN106816619B - 一种质子交换膜燃料电池电堆结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种质子交换膜燃料电池电堆结构，顺次包括气口端板、气口端集流板、流场板与膜电极组、盲端集流板和电堆弹性补偿结构，其特征在于，上述结构依次用多组拉带结构紧固，拉带结构包括U型金属拉带，金属拉带的末端折弯成与T型螺栓的圆杆匹配的圆环后焊接在金属拉带的拉带末端搭接处；金属拉带上的T型螺栓穿过气口端板上的固定孔，通过螺母与气口端板连接紧固。本发明主要采用拉带紧固电堆的结构，能使端板受力均匀，从而使流场板和MEA上的压力分布均匀；电堆弹性补偿结构可以补偿电堆内部零部件因松弛或温度变化引起的热胀冷缩导致的尺寸变化，维持电堆恒定的组装力；开放气口端板的外部空间，利于气口端板的集成设计。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池电堆结构，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池电堆结构。
背景技术
燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的清洁能源技术，具有高能量转换效率、结构简单、低排放、低噪音等优点，在燃料电池中，流场板分配燃料，串联堆中的单个电池、导电和支撑膜电极。膜电极是燃料电池中最重要的部件之一，由气体扩散层和催化层组成，而燃料电池就是由这样的流场板与膜电极相互层叠而成的堆叠体。燃料电池电堆在运行过程中，温度变化会引起电堆内部各部件的热胀冷缩，在组装力的作用下，电堆各部件会发生松弛效应。无论是热胀冷缩还是松弛效应，都将导致电堆压缩率的变化，从而导致组装力的波动。若电堆组装力变大，气体扩散层被压缩变形加大，扩散层的孔隙率减小，反应效率变低，同时，质子交换膜可能发生屈服甚至破坏；如果封装力变小，膜电极与流场板之间的接触电阻变大，严重影响电堆的性能，另一方面，也可能造成电堆密封失效。因此，燃料电池电堆的结构对其性能影响特别大。一般电堆使用螺杆来紧固电堆，也没有任何辅助补偿系统，该结构装配较复杂，并且由于端板的受力点位于端板边缘，会造成电堆端板明显的法向挠曲，使流场板和膜电极所受压力不均匀，严重影响电堆的性能。
申请号为201610473184.2的发明专利《一种质子交换膜燃料电池堆钢带紧固装置》中公开了一种紧固结构，其局限性在于：1、弹簧压板挡住一部分气口端板的空间，导致气口端板的空间利用率下降，使电堆与外界的流体交换管道接口的设计受限制；从气口端板的集成度方面考虑，该结构不利于集成气口上进出电堆的传感器接口；而且前端板与弹簧压板的设计过于复杂，对装配的过程十分不利；2、在进行电堆组装时，横杆很难置于拉带末端的挂钩内，即使横杆被放入挂钩内，也需继续调整其螺纹孔的位置，使之与紧固螺栓对齐，因此，该结构实际操作起来，十分困难。
综上，有必要为解决上述问题而发明设计一种操作方便，结构简单紧凑的紧固结构。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种质子交换膜燃料电池电堆结构。本发明主要采用拉带紧固电堆的结构，能使端板受力均匀，从而使流场板和MEA上的压力分布均匀；采用盲端板，弹性元件与浮动端板组成的弹性补偿结构，补偿电堆内部零部件因松弛或温度变化引起的热胀冷缩导致的尺寸变化，维持电堆恒定的组装力；开放气口端板的外部空间，利于气口端板的集成设计。
本发明采用的技术手段如下：
一种质子交换膜燃料电池电堆结构，顺次包括气口端板、气口端集流板、流场板与膜电极组、盲端集流板和电堆弹性补偿结构，其特征在于，上述结构沿所述电堆弹性补偿结构的端部向所述气口端板的方向依次用多组拉带结构紧固，所述拉带结构包括用于容纳所述电堆结构的且一端开口的U型金属拉带，所述金属拉带的末端折弯成与T型螺栓的圆杆匹配的圆环后焊接在所述金属拉带的拉带末端搭接处；所述金属拉带上的T型螺栓穿过所述气口端板上的固定孔，通过螺母与所述气口端板连接紧固；
所述气口端板为所述电堆结构的起始端，所述气口端板外侧为开放面，用于集成电堆进气歧管和传感器接口；
所述电堆弹性补偿结构为所述电堆结构的末端，所述电堆弹性补偿结构用于补偿因零部件的松弛或/与温度的改变引起电堆的热胀冷缩而导致的组装力变化，由盲端板、弹性元件和浮动端板组成。
进一步地，所述气口端板上设有流体通道，所述气口端板的侧面设有用于容纳所述金属拉带末端的凹槽Ⅱ，所述凹槽Ⅱ上下表面与所述金属拉带末端均设有用于通过螺母线性调节电堆的厚度尺寸的间隙Ⅱ。
进一步地，所述盲端板开有与所述弹性元件匹配的定位盲孔Ⅰ，所述浮动端板上开有与所述弹性元件匹配的定位盲孔Ⅱ，将所述弹性元件置于所述定位盲孔Ⅰ和所述定位盲孔Ⅱ之间后，所述盲端板通过定位孔Ⅰ与所述浮动端板的定位孔Ⅱ通过定位杆定位将所述弹性元件夹在两板之间。
进一步地，所述盲端板上设有用于所述金属拉带穿过卡入的凹槽Ⅰ，所述电堆弹性补偿结构与所述电堆结构主体紧固后，所述弹性元件被压缩，所述盲端板与所述浮动端板之间设有用于对电堆的尺寸变化起到补偿作用的间隙Ⅰ。
进一步地，所述金属拉带与所述盲端板上的凹槽Ⅰ接触的底部为与所述凹槽Ⅰ匹配的圆弧面，折弯处设有折弯圆角过渡。
进一步地，所述T型螺栓水平方向为圆杆，竖直方向为一段或两段螺纹杆，所述圆杆置于所述金属拉带末端弯折的圆环内，所述螺纹杆穿过开在所述金属拉带末端弯折的圆环上的长圆孔；所述T型螺栓上螺纹杆的轴线位于所述金属拉带的拉带末端搭接处的交接面内，在所述金属拉带受力时，所述T型螺栓与所述金属拉带的受力方向共面；所述T型螺栓可绕水平方向的圆杆的轴线转动。
进一步地，所述T型螺栓的圆杆和螺纹杆为一体加工或者分体加工结构，当所述T型螺栓为分体加工结构时，采用中部带有螺纹孔的销钉与螺钉配合的形式。
进一步地，所述气口端集流板与所述盲端集流板的接线端均凸出所述流场板与膜电极组的侧面，且向堆组方向弯折90°。
本发明具有以下优点：
1、本发明的拉带结构能使端板受力均匀，从而使流场板和MEA上的压力分布均匀；
2、本发明的电堆弹性补偿结构可以补偿电堆内部零部件的尺寸变化；
3、本发明开放气口端板的外部空间，利于气口端板的集成设计，提高气口端板的空间利用率；
4、本发明的拉带结构整体式设计，方便电堆的组装；
5、本发明的T型螺杆的轴线位于拉带搭接处的平面内，拉带在受拉力时，T型螺栓与拉带结构的受力方向共面，防止拉带结构在受拉时发生扭转；
6、本发明的电堆末端由弹性补偿结构组成，气口端由气口端板组成，电堆整体结构紧凑美观。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明电堆整体的结构示意图。
图2为本发明电堆气口端的结构示意图。
图3为本发明电堆弹性补偿结构的示意图。
图4为本发明电堆弹性补偿结构横截面的示意图。
图5为本发明拉带结构的主视图。
图6为本发明拉带结构的示意图。
图7为图6中T型螺栓的结构示意图。
图8为本发明双螺杆型拉带结构的示意图。
图9为图8中双螺杆螺栓的结构示意图。
图10为本发明T型螺栓扩展结构的示意图。
图中：1、气口端板；2、气口端集流板；3、流场板与膜电极组；4、盲端集流板；5、电堆弹性补偿结构；6、拉带结构；7、螺母；8、金属拉带；9、拉带末端搭接；10、T型螺栓；11、折弯圆角；12、盲端板；13、凹槽Ⅰ；14、定位盲孔Ⅰ；15、弹性元件；16、定位孔Ⅰ；17、定位孔Ⅱ；18、定位盲孔Ⅱ；19、浮动端板；20、T型螺栓上螺纹杆的轴线；21、圆弧面；22、间隙Ⅰ；23、流体通道；24、间隙Ⅱ；25、拉带末端搭接处的交接面；26、圆环；27、长圆孔；28、固定孔；29、凹槽Ⅱ；30、螺纹杆；31、圆杆Ⅰ；32、支撑面；33、双螺杆T型螺栓上的螺杆；34、双螺杆T型螺栓上的圆杆；35、方形台阶；36、圆杆Ⅱ；37、螺纹孔；38、螺钉；39、销钉。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种质子交换膜燃料电池电堆结构，顺次包括气口端板1、气口端集流板2、流场板与膜电极组3、盲端集流板4和电堆弹性补偿结构5，上述结构沿所述电堆弹性补偿结构5的端部向所述气口端板1的方向依次用多组拉带结构6紧固，所述拉带结构6包括用于容纳所述电堆结构的且一端开口的U型金属拉带8；如图5、图6所示，所述金属拉带8末端开有长圆孔27，T型螺栓10的螺纹杆30穿过长圆孔27，所述金属拉带8的末端折弯成与T型螺栓10的圆杆匹配的圆环26后焊接或者铆接在所述金属拉带8的拉带末端搭接9处；所述金属拉带8上的T型螺栓10穿过所述气口端板1上的固定孔28，通过螺母7与所述气口端板1连接紧固；
在本实施例中，所述气口端板1为所述电堆结构的起始端，所述气口端板1外侧为开放面，用于集成电堆进气歧管和传感器接口；
所述电堆弹性补偿结构5为所述电堆结构的末端，所述电堆弹性补偿结构5用于补偿因零部件的松弛或/与温度的改变引起电堆的热胀冷缩而导致的组装力变化，由盲端板12、弹性元件15和浮动端板19组成，所述弹性元件15包含但不局限于螺旋压缩弹簧，波形弹簧，蝶形弹簧等。
所述流场板与膜电极组3为电堆的主体部分，上述气口端板1的四周均宽于上述流场板与膜电极组3的外缘，气口端集流板2与盲端集流板4的本体与上述流场板与膜电极组3的外缘齐平，防止拉带结构6的侧面即金属拉带8的位置与上述流场板与膜电极组3的外缘接触，造成电堆短路；所述气口端集流板2与所述盲端集流板4的接线端均凸出所述流场板与膜电极组3的侧面，且向堆组方向弯折90°。
如图2所示，所述气口端板1上设有流体通道23，所述气口端板1的侧面设有用于容纳所述金属拉带8末端的凹槽Ⅱ29，所述凹槽Ⅱ29上下表面与所述金属拉带8末端均设有用于通过螺母7线性调节电堆的厚度尺寸的间隙Ⅱ24。所述气口端板1上的支撑面32支撑着拉带末端搭接9表面，防止在扭紧螺母7时，所述拉带结构6发生扭转。
所述电堆弹性补偿结构5如图3所示，所述盲端板12开有与所述弹性元件15匹配的定位盲孔Ⅰ14，所述浮动端板19上开有与所述弹性元件15匹配的定位盲孔Ⅱ18，将所述弹性元件15置于所述定位盲孔Ⅰ14和所述定位盲孔Ⅱ18之间后，所述盲端板12通过定位孔Ⅰ16与所述浮动端板19的定位孔Ⅱ17通过定位杆定位将所述弹性元件15夹在两板之间。
如图4所示，所述盲端板12上设有用于所述金属拉带8穿过卡入的凹槽Ⅰ13，所述电堆弹性补偿结构5与所述电堆结构主体紧固后，所述弹性元件15被压缩，所述盲端板12与所述浮动端板19之间设有用于对电堆的尺寸变化起到补偿作用的间隙Ⅰ22。
如图5、图6所示，所述金属拉带8与所述盲端板12上的凹槽Ⅰ13接触的底部为与所述凹槽Ⅰ13匹配的圆弧面21，折弯处设有折弯圆角11过渡，防止应力集中。
如图5-10所示，所述T型螺栓10水平方向为圆杆，竖直方向为一段或两段螺纹杆，所述圆杆置于所述金属拉带8末端弯折的圆环26内，所述螺纹杆穿过开在所述金属拉带8末端弯折的圆环26上的长圆孔27；所述T型螺栓10上螺纹杆的轴线20位于所述金属拉带8的拉带末端搭接处的交接面25内，在所述金属拉带8受力时，所述T型螺栓10与所述金属拉带8的受力方向共面；所述T型螺栓10可绕水平方向的圆杆的轴线转动，以保证组装的灵活性。
所述T型螺栓10的圆杆和螺纹杆为一体加工或者分体加工结构。一体加工时可通过焊接或者铸造成型，如图7所示，当T型螺栓10为单螺纹杆结构时，由圆杆Ⅰ31和螺纹杆30组成；当T型螺栓10为双螺纹杆结构时，如图8，图9所示，由双螺杆T型螺栓上的圆杆34和双螺杆T型螺栓上的螺杆33组成，相应的长圆孔27为两个，供其穿过；如图10所示，当所述T型螺栓10为分体加工结构时，采用中部带有螺纹孔37的销钉39与螺钉38配合的形式，这样可以避免T型结构加工的复杂性；为避免水平方向的圆杆从拉带末端的圆环26中脱落，可以将销钉39设计成两端为圆柱形圆杆Ⅱ36，中间段为方形台阶35，且带有螺纹孔37，销钉39中间段的方形台阶35还可增强螺纹孔的强度。T型螺栓10的具体实施形式应不止局限于上述结构，只要能与气口端板1上的固定孔配合固定的任何形式的螺栓均可，相应的拉带末端的结构适应性改变。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种质子交换膜燃料电池电堆结构，顺次包括气口端板、气口端集流板、流场板与膜电极组、盲端集流板和电堆弹性补偿结构，其特征在于，上述结构沿所述电堆弹性补偿结构的端部向所述气口端板的方向依次用多组拉带结构紧固，所述拉带结构包括用于容纳所述电堆结构的且一端开口的U型金属拉带，所述金属拉带的末端折弯成与T型螺栓的圆杆匹配的圆环后焊接在所述金属拉带的拉带末端搭接处；所述金属拉带上的T型螺栓穿过所述气口端板上的固定孔，通过螺母与所述气口端板连接紧固；
所述气口端板为所述电堆结构的起始端，所述气口端板外侧为开放面，用于集成电堆进气歧管和传感器接口；
所述电堆弹性补偿结构为所述电堆结构的末端，所述电堆弹性补偿结构用于补偿因零部件的松弛或/与温度的改变引起电堆的热胀冷缩而导致的组装力变化，由盲端板、弹性元件和浮动端板组成。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述气口端板上设有流体通道，所述气口端板的侧面设有用于容纳所述金属拉带末端的凹槽Ⅱ，所述凹槽Ⅱ上下表面与所述金属拉带末端均设有用于通过螺母线性调节电堆的厚度尺寸的间隙Ⅱ。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述盲端板开有与所述弹性元件匹配的定位盲孔Ⅰ，所述浮动端板上开有与所述弹性元件匹配的定位盲孔Ⅱ，将所述弹性元件置于所述定位盲孔Ⅰ和所述定位盲孔Ⅱ之间后，所述盲端板通过定位孔Ⅰ与所述浮动端板的定位孔Ⅱ通过定位杆定位将所述弹性元件夹在两板之间。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述盲端板上设有用于所述金属拉带穿过卡入的凹槽Ⅰ，所述电堆弹性补偿结构与所述电堆结构主体紧固后，所述弹性元件被压缩，所述盲端板与所述浮动端板之间设有用于对电堆的尺寸变化起到补偿作用的间隙Ⅰ。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述金属拉带与所述盲端板上的凹槽Ⅰ接触的底部为与所述凹槽Ⅰ匹配的圆弧面，折弯处设有折弯圆角过渡。
6.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述T型螺栓水平方向为圆杆，竖直方向为一段或两段螺纹杆，所述圆杆置于所述金属拉带末端弯折的圆环内，所述螺纹杆穿过开在所述金属拉带末端弯折的圆环上的长圆孔；所述T型螺栓上螺纹杆的轴线位于所述金属拉带的拉带末端搭接处的交接面内，在所述金属拉带受力时，所述T型螺栓与所述金属拉带的受力方向共面；所述T型螺栓可绕水平方向的圆杆的轴线转动。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述T型螺栓的圆杆和螺纹杆为一体加工或者分体加工结构，当所述T型螺栓为分体加工结构时，采用中部带有螺纹孔的销钉与螺钉配合的形式。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池电堆结构，其特征在于，所述气口端集流板与所述盲端集流板的接线端均凸出所述流场板与膜电极组的侧面，且向堆组方向弯折90°。
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