CN109346758B - 一种燃料电池电堆及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池电堆及其封装方法，属于燃料电池技术领域。该燃料电池电堆包括燃料电池电堆主体、以及封装结构；燃料电池电堆主体包括燃料电池发电体、第一端板以及第二端板，燃料电池发电体包括相对的第一侧和第二侧、相对的第三侧和第四侧、以及相对的第五侧和第六侧，第一端板设置于第一侧，第二端板设置于第二侧。封装结构包括至少两个第一封装件和至少两个第二封装件，至少两个第一封装件分别设置于第三侧和第四侧，每个第一封装件的两端分别与第一端板和第二端板连接，至少两个第二封装件分别设置于第五侧和第六侧，每个第二封装件的两端分别与第一端板和第二端板连接，该燃料电池电堆具有较好的稳定性。

Description

一种燃料电池电堆及其封装方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池电堆及其封装方法。

背景技术

燃料电池电堆是由两侧起保持及压缩作用的端板、绝缘隔离体、电流导出体、一系列沿单电池反应面法向层层堆叠的单电池及封装结构形成的。电堆使用氢燃料与空气作为反应气体，通过电化学作用生成电能通过电流导出体导出对负载供电。当电堆应用于运输车辆时，其结构稳定性一方面会受到振动与冲击的影响，另一方面也受到自身的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种燃料电池电堆及其封装方法，旨在改善电池电堆结构不稳定的问题。

本发明是这样实现的：

一种燃料电池电堆，包括：燃料电池电堆主体、以及封装结构；

燃料电池电堆主体包括燃料电池发电体、第一端板以及第二端板，燃料电池发电体包括相对的第一侧和第二侧、相对的第三侧和第四侧、以及相对的第五侧和第六侧，第一端板设置于第一侧，第二端板设置于第二侧；

封装结构包括至少两个第一封装件和至少两个第二封装件，至少两个第一封装件分别设置于第三侧和第四侧，每个第一封装件的两端分别与第一端板和第二端板连接；至少两个第二封装件分别设置于第五侧和第六侧，每个第二封装件的两端分别与第一端板和第二端板连接。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

燃料电池电堆还包括紧固件，第一端板和第二端板均能够通过紧固件与第一封装件连接；第一端板和第二端板均能够通过紧固件与第二封装件连接。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一端板和第二端板均开设有第一通孔，第一封装件和第二封装件均开设第一盲孔，紧固件能够穿过第一通孔与第一盲孔螺纹连接；或者第一端板和第二端板分别开设有第二通孔和第二盲孔，第一封装件和第二封装件均开设有第三盲孔和第四通孔，紧固件能够穿过第二通孔与第三盲孔螺纹连接，且紧固件能够穿过第四通孔与第二盲孔螺纹连接。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一端板和第二端板均设置有第一卡合结构，第一封装件和第二封装件均设置有第二卡合结构，第一卡合结构与第二卡合结构能够相互卡合。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一卡合结构为卡槽，第二卡合结构为条形体，条形体能够与卡槽卡合。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一封装件包括上下叠合的第一承载体和第一绝缘层，第一绝缘层靠近燃料电池发电体设置。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第二封装件包括上下叠合的第二承载体和第二绝缘层，第二绝缘层靠近燃料电池发电体设置。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一封装件设置于燃料电池发电体的活性区域的边界线之间。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一封装件和第二封装件均为板状，第一封装件沿自身的厚度方向开设有第一减重孔，第二封装件沿自身的厚度方向开设有第二减重孔。

进一步地，在本发明的一种实施例中：

第一封装件和第二封装件均设置为偶数个，偶数个第一封装件对称设置于燃料电池发电体的第三侧和第四侧；偶数个第二封装件对称设置于燃料电池发电体的第五侧和第六侧。

一种燃料电池电堆的封装方法，其主要利用压力机进行，包括：

将第一封装件安装于第一工装夹具，第一工装夹具开设有槽，第一封装件的连接部位与第一工装夹具的槽对应设置；将第二封装件安装于第二工装夹具，第二工装夹具开设有槽，第二封装件的连接部位与第二工装夹具的槽对应设置；

将第一工装夹具和第二工装夹具固定于压力机的平台上，其中，第一工装夹具布置在压力机平台的相对第一端和第二端，第二工装夹具布置在压力机平台的相对第三端和第四端；将第二端板置于第一工装夹具和第二工装夹具之间的区域，将燃料电池电堆主体和第一端板按顺序依次安装层叠，并使得第一工装夹具位于燃料电池发电体的第三侧和第四侧，第二工装夹具位于燃料电池发电体的第五侧和第六侧；

利用压力机对燃料电池电堆进行压缩，以使得第一封装件或第二封装件的连接部位到达第一端板和第二端板的对应连接部位后，使用紧固件将第一封装件和第二封装件分别与第一端板和第二端板连接到一起。

本发明的有益效果至少包括：

通过第一端板和第二端板对第一封装件和第二封装件的固定，可以限制燃料电池电堆在第一侧和第二侧的位移，通过第一封装件与第一端板和第二端板连接，能够限制燃料电池电堆在第三侧和第四侧的位移，通过第二封装件与第一端板和第二端板连接，能够限制燃料电池电堆在第五侧和第六侧的位移，从而使得燃料电池电堆具有较好的稳定性，更高的固有频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例的燃料电池电堆的结构示意图；

图2是本发明实施例的燃料电池发电体的结构示意图；

图3是本发明实施例的燃料电池发电体与第一封装件、第二封装件的一种配合结构图；

图4是本发明实施例的燃料电池发电体与第一封装件、第二封装件的另一种配合结构图；

图5是本发明实施例的第一封装件与第一端板、第二端板的配合结构图；

图6是本发明实施例的第一封装件与第一端板、第二端板的另一种配合结构图；

图7是本发明实施例的燃料电池电堆的一种装配示意图；

图8是本发明实施例的燃料电池电堆的另一种装配示意图。

图标：100-燃料电池电堆；101-第一端板；102-第二端板；103-绝缘隔离体；104a-第一电流导出体；104b-第二电流导出体；105-燃料电池发电体；105a-活性区域；105b-边界线；105c-卡槽；1051-第一侧；1052-第二侧；1053-第三侧；1054-第四侧；1055-第五侧；1056-第六侧；106-浮动支撑体；111-第一封装件；111a-第一承载体；111b-第一绝缘层；111c-第一减重孔；112-第二封装件；112a-第二承载体；112b-第二绝缘层；112c-第二减重孔；113-紧固件；200-压力机；210-第一工装夹具；220-第二工装夹具。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

本实施例提供一种燃料电池电堆100，具体地，请参照图1，图1示出了燃料电池电堆100的结构示意图，燃料电池电堆100包括：燃料电池电堆主体以及封装结构。

其中，燃料电池电堆主体包括燃料电池发电体105、两个绝缘隔离体103、第一电流导出体104a、第二电流导出体104b、浮动支撑体106以及第一端板101和第二端板102。燃料电池发电体105由层层堆叠在一起的单电池组成，或者由一系列阴极板、膜电极组件和阳极板形成，是整个燃料电池电堆100的核心部分。燃料电池发电体105整体呈长方体形，燃料电池发电体105包括相对的第一侧1051和第二侧1052、相对的第三侧1053和第四侧1054、以及相对的第五侧1055和第六侧1056。第一端板101、其中一个绝缘隔离体103、第一电流导出体104a均设置于第一侧1051，第二端板102、第二电流导出体104b、另一个绝缘隔离体103和浮动支撑体106均设置于第二侧1052。需要说明的是，这里的长方体并非是严格意义上的长方体。沿燃料电池发电体105的层叠方向，也即是图中的Z轴相反的方向，依次为第一端板101、绝缘隔离体103、第一电流导出体104a、燃料电池发电体105、第二电流导出体104b、绝缘隔离体103、浮动支撑体106以及第二端板102。通过第一端板101和第二端板102对封装结构的固定，可限制燃料电池电堆100在Z向上的运动。另外，需要说明的是，燃料电池电堆主体的主要部件可以根据需要自行设计，本实施例对燃料电池电堆主体的主要部件不做具体限定。

其中，第一端板101具有反应气体通道和冷却液通道，反应气体和冷却液都需要经第一端板101进入相应的通道内。第一端板101和第二端板102通常设置为长方体形状，由不锈钢、铝合金、高强度工程塑料或以铝合金为基的复合材料制造而成。

第一电流导出体104a和第二电流导出体104b为一正一负，第一电流导出体104a和第二电流导出体104b均与燃料电池发电体105靠近，用于将燃料电池发电体105产生的电能汇集并对外输出。浮动支撑体106用于保持燃料电池发电体105合理压缩。绝缘隔离体103用于第一端板101与燃料电池发电体105电气隔离，需要说明的是，当第一端板101材质和浮动支撑体106为绝缘材质时，也可以不设置绝缘隔离体103。在本实施例中，当设置绝缘隔离体103时，绝缘隔离体103可由酚醛塑料、环氧玻璃布层压板或聚甲醛等工程塑料制成。

封装结构包括至少两个第一封装件111和至少两个第二封装件112，至少两个第一封装件111分别设置于第三侧1053和第四侧1054。至少两个第二封装件112分别设置于第五侧1055和第六侧1056。

如图1所示，第三侧1053和第四侧1054在图中的Y方向，第五侧1055和第六侧1056在图中的X方向，通过第一封装件111的作用可限制燃料电池电堆100的Y方向的运动。通过第二封装件112的作用可限制燃料电池电堆100的X方向的运动。

每个第一封装件111的两端分别与第一端板101和第二端板102连接。每个第二封装件112的两端分别与第一端板101和第二端板102连接。这样设置能够使得燃料电池电堆主体能够活动的空间变小，进一步对其进行限制。

需要说明的是，第一封装件111和第二封装件112均可以设置2个、3个、4个等。一种优选的实施方案中，第一封装件111和第二封装件112设置为偶数个，例如第一封装件111设置为4个或6个，第二封装件112设置为2个或4个。当第一封装件111设置4个时，第三侧1053和第四侧1054分别设置两个，第三侧1053的两个第一封装件111关于燃料电池发电体105的中心线对称设置，第四侧1054的两个第一封装件111关于燃料电池发电体105的中心线对称设置。2个第二封装件112分别设置于第五侧1055和第六侧1056，2个第二封装件112关于燃料电池发电体105的中心线对称设置。对称分布有利于燃料电池发电体105的受力均匀，第一封装件111的数量过多或过少还会影响燃料电池电堆100的比功率。

具体地，请参照图3，第一封装件111包括上下叠合设置的第一承载体111a和第一绝缘层111b，第二封装件112包括第二承载体112a和第二绝缘层112b，其中，第一绝缘层111b和第二绝缘层112b均靠近燃料电池发电体105设置，以实现与燃料电池发电体105的电气隔离。在本实施例中，第一承载体111a与第一绝缘层111b的连接以及第二承载体112a与第二绝缘层112b的连接均可通过螺栓固定，也可以是粘接的连接方式，也可以是通过将树脂喷射在第一承载体111a的表面形成第一绝缘层111b，通过将树脂喷射在第二承载体112a的表面形成第二绝缘层112b。

在一种可选的实施方案中，第一承载体111a和第二承载体112a均为铝合金板体，其厚度为5～15mm。铝合金具有较强的承载能力，该厚度的第一承载体111a和第二承载体112a能承载较大的封装压力。

进一步地，请参照图2，燃料电池发电体105具有活性区域105a，第一封装件111布置于活性区域105a的边界线105b之间。也即是燃料电池发电体105在X方向具有两个边界线105b，第一封装件111设置在两个边界线105b之间，这样能够最大程度地保持对燃料电池发电体105的均匀压缩，使得燃料电池发电体105具有更高的电性能输出能力。

其中，第一封装件111与第一端板101、第二端板102的连接方式以及第二封装件112与第一端板101、第二端板102的连接方式均可单独通过紧固件113进行串行紧固连接；也可以在具有紧固件113的情况下，第一封装件111与第一端板101、第二端板102卡合，第二封装件112与第一端板101、第二端板102卡合。将紧固件113紧固与卡合的方式相结合，能够使得燃料电池发电体105的稳定性更好。

请参照图4，当采用卡合的方式进行定位时，第一端板101和第二端板102均设置第一卡合结构，第一封装件111和第二封装件112均设置第二卡合结构，第一卡合结构与第二卡合结构卡合到位。具体地，第一端板101和第二端板102开设卡槽105c，第一封装件111的两端设置有与卡槽105c配合的条形体，第二封装件112的两端设置有与卡槽105c配合的条形体，通过条形体与卡槽105c配合能够将第一封装件111与第一端板101、第二端板102卡合，第二封装件112与第一端板101、第二端板102卡合。需要说明的是，第一卡合结构和第二卡合结构也均设置在燃料电池发电体105的活性区域105a的边界线105b之间。

当采用紧固件113进行连接时，可以在第一端板101和第二端板102开设第一通孔，第一通孔沿第一端板101和第二端板102的厚度方向开设，请参照图5。第一封装件111和第二封装件112均开设第一盲孔，第一盲孔也是沿第一端板101的厚度方向开设，也即是图中的Z向开设。其中，紧固件113可以是螺栓或螺钉，通过将紧固件113依次穿过第一通孔与盲孔配合即可将第一封装件111与第一端板101和第二端板102连接固定，第二封装件112与第一端板101和第二端板102连接固定。

当然也可以这样设置：第一端板101和第二端板102分别开设有第二通孔和第二盲孔，请参照图6。也即是如果第一端板101开设第二通孔，则第二端板102开设第二盲孔；如果第一端板101开设第二盲孔，则第二端板102开设第二通孔。第一封装件111和第二封装件112的两端均分别开设第三盲孔和第四通孔。通过紧固件113依次穿过第二通孔与第三盲孔螺纹连接，紧固件113依次穿过第四通孔与第二盲孔螺纹连接，能够使得第一封装件111与第一端板101和第二端板102连接，第二封装件112与第一端板101和第二端板102连接。本实施例的这两种连接方式均能将第一封装件111、第二封装件112与第一端板101和第二端板102连接得比较牢固，增加燃料电池电堆100的稳定性。

由于燃料电池电堆100对重量比功率要求高，本实施例的第一封装件111和第二封装件112均为板状，第一封装件111沿自身的厚度方向开设有第一减重孔111c，第二封装件112沿自身的厚度方向开设有第二减重孔112c，其中，第一减重孔111c和第二减重孔112c均为长条形孔，通过第一减重孔111c和第二减重孔112c减轻了燃料电池电堆100的自重。

本实例还提供一种燃料电池电堆100的封装方法，其主要利用压力机200进行，包括：

将第一封装件111安装于第一工装夹具210，第一工装夹具210开设有槽，第一封装件111的连接部位与第一工装夹具210的槽对应设置从而将第一封装件111的连接部位露出，将第二封装件112安装于第二工装夹具220，第二工装夹具220开设有槽，第二封装件112的连接部位与第二工装夹具220的槽对应设置从而将第二封装件112的连接部位露出，请参照图7。

然后将第一工装夹具210和第二工装夹具220固定于压力机200的平台上，其中，第一工装夹具210布置在压力机200平台的相对第一端和第二端，第二工装夹具220布置在压力机200平台的相对第三端和第四端。将第二端板102置于第一工装夹具210和第二工装夹具220之间的区域，第一工装夹具210和第二工装夹具220能够对燃料电池电堆100进行限位，确保燃料电池发电体105能刚好从上到下安装到位，然后将浮动支撑体106、绝缘隔离体103、第二电流导出体104b、燃料电池发电体105、第一电流导出体104a、绝缘隔离体103和第一端板101按顺序依次安装层叠。开启压力机200，使压力机200进入压缩行程对燃料电池电堆100进行缓慢压缩，压缩速度控制在0.5mm/min-5mm/min之间，第一封装件111或第二封装件112的连接部位到达第一端板101的对应连接部位时，组装力不超过设计值的±5％以内为合理。若组装力超过设计值的5％，则应减少燃料电池发电体105的层数使之达到前述合理值。若组装力低于设计值的5％，则应增加燃料电池发电体105的层数使之达到前述合理值。第一封装件111或第二封装件112的连接部位到达第一端板101的对应连接部位后，使用紧固件113将第一封装件111和第二封装件112分别与第一端板101和第二端板102的连接。最后将第一工装夹具210和第二工装夹具220拆下，操作压力机200使其进入上升行程，即实现与燃料电池电堆100脱离。通过将第一封装件111与第一工装夹具210组装在一起，以及将第二封装件112和第二工装夹具220组装在一起然后对燃料电池电堆100进行压缩，比较容易实现第一封装件111与第一端板101的对位以及第二封装件112与第二端板102的对位，同时确保第一封装件111和第二封装件112与燃料电池发电体105紧密贴合。

需要说明的是，本实施例的第一封装件111和第二封装件112也可以不装配到第一工装夹具210和第二工装夹具220。该种第一工装夹具210和第二工装夹具220则可以不开设槽，请参照图8。在压力机200进行压缩行程前，先对燃料电池电堆100的压缩厚度进行计算和设置标尺，当压力机200进入压缩行程对燃料电池电堆100进行缓慢压缩时，第一封装件111或第二封装件112的连接部位对应标尺的相应位置与第一端板101的连接部位对应时，使用紧固件113将第一封装件111和第二封装件112分别与第一端板101和第二端板102的连接。最后将第一工装夹具210和第二工装夹具220拆下，操作压力机200使其进入上升行程，即实现与燃料电池电堆100脱离。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括：

燃料电池电堆主体，所述燃料电池电堆主体包括燃料电池发电体、第一端板以及第二端板，所述燃料电池发电体包括相对的第一侧和第二侧、相对的第三侧和第四侧、以及相对的第五侧和第六侧，所述第一端板设置于所述第一侧，所述第二端板设置于所述第二侧；以及

封装结构，所述封装结构包括至少两个第一封装件和至少两个第二封装件，所述至少两个第一封装件分别设置于所述第三侧和所述第四侧，每个所述第一封装件的两端分别与所述第一端板和所述第二端板连接；所述至少两个第二封装件分别设置于所述第五侧和第六侧，每个所述第二封装件的两端分别与所述第一端板和所述第二端板连接；

所述第一封装件包括上下叠合的第一承载体和第一绝缘层，所述第一绝缘层靠近所述燃料电池发电体设置；所述第二封装件包括上下叠合的第二承载体和第二绝缘层，所述第二绝缘层靠近所述燃料电池发电体设置。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆还包括紧固件，所述第一端板和所述第二端板均能够通过紧固件与所述第一封装件连接；所述第一端板和所述第二端板均能够通过紧固件与所述第二封装件连接。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一端板和所述第二端板均开设有第一通孔，所述第一封装件和所述第二封装件均开设第一盲孔，所述紧固件能够穿过所述第一通孔与所述第一盲孔螺纹连接；或者所述第一端板和所述第二端板分别开设有第二通孔和第二盲孔，所述第一封装件和所述第二封装件均开设有第三盲孔和第四通孔，所述紧固件能够穿过所述第二通孔与所述第三盲孔螺纹连接，且所述紧固件能够穿过所述第四通孔与所述第二盲孔螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一端板和所述第二端板均设置有第一卡合结构，所述第一封装件和所述第二封装件均设置有第二卡合结构，所述第一卡合结构与所述第二卡合结构能够相互卡合。

5.根据权利要求4所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一卡合结构为卡槽，所述第二卡合结构为条形体，所述条形体能够与所述卡槽卡合。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一封装件设置于所述燃料电池发电体的活性区域的边界线之间。

7.根据权利要求1-5任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述第一封装件和所述第二封装件均设置为偶数个，偶数个所述第一封装件对称设置于所述燃料电池发电体的所述第三侧和所述第四侧；偶数个所述第二封装件对称设置于所述燃料电池发电体的所述第五侧和所述第六侧。

8.一种如权利要求2-7任一项所述的燃料电池电堆的封装方法，其特征在于，其主要利用压力机进行，包括：

将所述第一封装件安装于第一工装夹具，第一工装夹具开设有槽，所述第一封装件的连接部位与所述第一工装夹具的槽对应设置；将所述第二封装件安装于第二工装夹具，所述第二工装夹具开设有槽，所述第二封装件的连接部位与所述第二工装夹具的槽对应设置；

将所述第一工装夹具和所述第二工装夹具固定于压力机的平台上，其中，所述第一工装夹具布置在压力机平台的相对第一端和第二端，第二工装夹具布置在压力机平台的相对第三端和第四端；将所述第二端板置于所述第一工装夹具和所述第二工装夹具之间的区域，将所述燃料电池电堆主体和第一端板按顺序依次安装层叠，并使得所述第一工装夹具位于所述燃料电池发电体的所述第三侧和所述第四侧，所述第二工装夹具位于所述燃料电池发电体的所述第五侧和所述第六侧；

利用所述压力机对所述燃料电池电堆进行压缩，以使得所述第一封装件或所述第二封装件的连接部位到达所述第一端板和所述第二端板的对应连接部位后，使用紧固件将所述第一封装件和所述第二封装件分别与所述第一端板和所述第二端板连接到一起。

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