CN110534786A - 燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法。燃料电池装配构件包括：两块端板，两块端板分别用于装配在单电池堆叠体堆叠方向的两端；以及至少两个抱卡，分列于端板两侧；抱卡包括抱卡本体和设置在抱卡本体两端的卡接部；同一个抱卡上的两个卡接部分别与两块端板卡接配合。端板与抱卡啮合构成的压紧机构结构简单、构成紧凑，端板与抱卡自行匹配锁止，无需第三机构提供锁止功能。
Description
技术领域
本申请属于质子交换膜燃料电池技术领域(PEMFC，Proton Exchange MembraneFuel Cell)，具体涉及一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法。
背景技术
燃料电池是一种能量转化装置，通过电化学反应将贮存在燃料气体和氧化剂气体中的化学能直接转化为电能，具有能量转化效率高，环境污染少的优点，有着广泛的应用前景。
通常燃料电池具有将多个单电池层叠而成的堆叠结构，行业统称其为燃料电池堆栈。各单电池具有如下构造：膜电极(MEA：Membrane Electrode Assembly)与双极板(BP:Bipolar Plate)，在两者之间形成有用于沿着膜电极表面供给反应气体的气体流道。反应气体从设置在双极板外缘部的反应气体的供给歧管流经膜电极的表面，朝向设置在与供给歧管的外缘部相对的外缘部上的排出歧管流动。向构成燃料电池MEA的阳极电极表面供给燃料气体并向另一方阴极电极表面供给氧化剂气体而产生电化学反应，由此进行发电，其工作原理如下：
阳极：H2→2H++2e-
阴极：1/2O2+H++2e-→H2O
电池反应：H2+1/2O2→H2O
燃料电池由于冷却方式的不同可以分为空气冷却燃料电池(下文简称空冷燃料电池)与液体冷却燃料电池，因为空冷燃料电池结构简单紧凑、供电反应迅速等优点，所以被广泛应用于备用电源、无人机动力电池、叉车动力电池、便携式电源等场景。
目前便携式燃料电池系统得到市场广泛的认可。其质量能量密度与体积能量密度相较于锂电池有明显优势，同等质量和体积下，便携式燃料电池系统可使电子消费类产品具备更长续航时间。便携式燃料电池系统需要使用更加紧凑的燃料电池堆栈，因此设计一种紧凑的、简单的、可靠的、低成本的燃料电池装配结构是便携式燃料电池系统大范围应用的前提。
专利公布号为：CN104471775A的发明专利公布了一种用于燃料电池组的压缩系统，其描述的压缩系统包括：端板、非对称板簧和张紧构件。其所述压缩系统较为复杂，端板的夹紧定位需要非对称板簧与张紧机构配合完成，所需结构件数量多，压缩系统设计复杂，成本较高。
专利公布号为：CN104995781A的发明专利公布了一种燃料电池堆组件及组装方法，其描述的压缩系统包括：第一封装构件、第二封装构件及两个锁定构件。其所述压缩系统需要两个锁定构件将第一封装构件和第二封装构件锁止，才能完成电堆组件的压缩紧固。其所述压缩系统构件全部为钣金结构，锁定构件可以有效锁止堆栈堆叠方向上位移，但是对于法向于堆栈堆叠方向的位移限制能力有限。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法。
本申请提供一种燃料电池装配构件，包括：
两块端板，两块端板分别用于装配在单电池堆叠体堆叠方向的两端；以及
至少两个抱卡，分列于端板两侧；抱卡包括抱卡本体和设置在抱卡本体两端的卡接部；同一个抱卡上的两个卡接部分别与两块端板卡接配合。
端板与抱卡啮合构成的压紧机构结构简单、构成紧凑，端板与抱卡自行匹配锁止，无需第三机构提供锁止功能。
进一步的，卡接部包括肩部；肩部呈开口朝向端板方向的U型；端板上设有用于与肩部卡接配合的支撑部；支撑部呈槽状，截面形状与所述肩部相应。端板支撑部与抱卡肩部接触，作用是限制端板因为单电池堆叠体压缩状态下具有反向的弹力而产生位移。抱卡肩部向端板内部延伸，可以与端板支撑部有更为宽泛的接触，为端板提供更加均匀的压紧力分布。
进一步的，肩部靠近开口端位置向抱卡本体一侧凸出形成突部；支撑部相应位置下凹形成锁止部，用于与突部配合锁止。所述端板锁止部与抱卡突部啮合，用于防止端板与抱卡因为法向于单电池堆叠方向产生位移，进而使端板与抱卡脱离啮合状态。
进一步的，肩部与抱卡本体通过导入部连接；端板侧端相应位置设有能够容纳导入部的豁口，称为导向部。所述端板导向部与抱卡导入部配合，使燃料电池压紧机构方便组装，同时限制端板与抱卡产生沿单电池堆叠方向的法向产生位移。
进一步的，连接在端板同一侧的各个抱卡相互独立，或者通过相邻的抱卡本体相互连接。根据燃料电池堆栈的大小，端板同一侧可以设置一个、两个或两个以上的抱卡；当端板同一侧设置两个或两个以上抱卡时，各个抱卡可以独立，也可以相互连接。
进一步的，卡接部包括卡臂；卡臂垂直于抱卡本体，向端板一侧延伸；端板上设有与卡臂卡接配合的卡臂槽。只设置卡臂作为卡接部的抱卡是结构较为简单的抱卡，可以单独使用，也可以多个并用，还可以与设有肩部的抱卡联合使用。
进一步的，端板靠近单电池堆叠体的表面为平面或凸形曲面。端板承受压紧力使其产生弹性形变与单电池堆叠体接触的端板内侧面形状耦合，目的是能够为单电池堆叠体提供分布均匀的压紧力。
进一步的，抱卡靠近单电池堆叠体的侧面涂覆有绝缘涂层。绝缘涂层可以是工程塑料、树脂纤维、电木、橡胶等绝缘材料，如聚四氟乙烯等。
第二方面，本申请还提供一种燃料电池堆栈，包括单电池堆叠体和上述的燃料电池装配构件；两块所述端板分别压紧在所述单电池堆叠体沿堆叠方向的两端；各个所述抱卡卡接在两块所述端板两侧。
第三方面，本申请还提供一种燃料电池装配方法，包括以下步骤：
提供单电池堆叠体和上述的燃料电池装配构件；
按照端板-单电池堆叠体-端板的位置次序叠放整齐；
压缩所述单电池堆叠体至小于指定间距，将所述抱卡安装在所述端板两侧；
释放压紧力，单电池堆叠体反弹至指定间距，同时端板与抱卡完全卡合，完成燃料电池的装配。
本申请具有的优点和积极效果是：本申请的端板与抱卡啮合构成的压紧机构结构简单、构成紧凑，端板与抱卡自行匹配锁止，无需第三机构提供锁止功能。在优选方案中，端板与抱卡设置有三维方向的锁止与限位功能，使燃料电池堆栈结构坚固牢靠；端板可以通过注射工艺制成，抱卡可以通过钣金冲压工艺制成，以上两种工艺均为成熟且大规模应用工艺，使得生产成本降低。
除了上面所描述的本申请解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本申请所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征所带来的优点，将在下文中结合附图作进一步详细的说明。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请实施例1提供的燃料电池堆栈的概略立体图；
图2是本申请实施例1提供的燃料电池堆栈的俯视图；
图3是本申请实施例1提供的燃料电池装配构件的概略立体图；
图4是本申请实施例1提供的燃料电池装配构件的概略透视图；
图5是本申请实施例1提供的燃料电池装配构件中第一端端板的概略透视图；
图6是本申请实施例1提供的燃料电池装配构件中抱卡的概略立体图；
图7是表示图2中R-R截面的放大剖视图；
图8是本申请实施例2提供的燃料电池装配构件爆炸图；
图9是本申请实施例3提供的燃料电池装配构件爆炸图；
图10是本申请实施例4提供的燃料电池装配构件爆炸图；
图11是本申请实施例5提供的燃料电池装配构件爆炸图。
标号说明：
10-燃料电池堆栈
12-第一端集电板
14-第二端集电板
16-单电池
20-燃料电池装配构件
22-第一端端板
24-第二端端板
26-抱卡
26’-联用抱卡
26”-简易抱卡
31-支撑部
32-第一端端板外侧面
33-锁止部
34-第一端端板内侧面
35-导向部
36-第二端端板外侧面
38-第二端端板内侧面
39-卡臂槽
41-肩部
42-抱卡外侧面
43-突部
44-抱卡内侧面
45-导入部
46-卡臂
50-单电池堆叠体
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
请参考图1-图7，本实施例提供一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法。
请参考图1和图2，按照图1中所示方位描述，Z方向沿单电池堆叠体的堆叠方向，X方向沿两个抱卡中心连线方向，Y方向同时垂直于X方向和Y方向。燃料电池堆栈10具有将多片单电池16沿着Z方向(以下简称“堆叠方向”)堆叠，并利用第一端端板22和第二端端板24夹持的堆叠构造。第一端集电板12放置于第一端端板22与单电池16之间，第二端集电板14放置于第二端端板24与单电池16之间。一个或多个单电池16与第一端集电板12和第二端集电板14共同组成了单电池堆叠体50。两个抱卡26分别置于堆叠体50沿X方向的两端。
请进一步参考图3和图4，燃料电池装配构件20由一对端板(第一端端板22和第二端端板24)与一对抱卡26共同构成。其中端板22、24与抱卡26均为对称结构。第一端端板22具有面向堆叠体50的第一端端板内侧面34和背向堆叠体50的第一端端板外侧面32。相同的第二端端板24具有面向堆叠体50的第二端端板内侧面38和背向堆叠体50的第二端端板外侧面36。其中第一端端板内侧面34与第二端端板内侧面38具有平面结构，同时亦可在其他实施例中设计为具有凸形曲面的结构，其目的均是由于端板承受压紧力使其产生弹性形变与堆叠体50接触的端板内侧面形状耦合，使堆叠体50压紧力分布更均匀。
抱卡26具有面向单电池堆叠体50接触的抱卡内侧面44和背向单电池堆叠体50的抱卡外侧面42，抱卡内侧面44涂覆有聚四氟涂层，使抱卡与单电池16电气隔离，防止燃料电池堆栈10发生短路，同时对单电池16边缘进行缓冲与限位，防止单电池16发生位移和损坏。
请进一步参考图5和图6，抱卡26沿堆叠体50方向(Z方向)的两端为对称设计，包括中间的抱卡本体和设置在抱卡本体两端的卡接部。卡接部包括肩部41；肩部41呈开口朝向端板方向的U型；端板(第一端端板22和第二端端板24)上设有用于与肩部41卡接配合的支撑部31；支撑部31呈槽状，截面形状与所肩部41相应。端板支撑部31与抱卡肩部41接触，作用是限制端板因为单电池堆叠体50压缩状态下具有反向的弹力而产生位移。抱卡肩部41向端板内部延伸，可以与端板支撑部31有更为宽泛的接触，为端板提供更加均匀的压紧力分布。
肩部41靠近开口端位置向抱卡本体一侧凸出形成突部43；支撑部31相应位置下凹形成锁止部33，用于与突部43配合锁止。所述端板锁止部33与抱卡突部43啮合，用于防止端板与抱卡因为法向于单电池堆叠方向产生位移，进而使端板与抱卡脱离啮合状态。
肩部与抱卡本体通过导入部连接；端板侧端相应位置设有能够容纳导入部的豁口，称为导向部35。所述端板导向部35与抱卡导入部45配合，使燃料电池压紧机构方便组装，同时限制端板与抱卡产生沿单电池堆叠方向的法向产生位移。
其中支撑部31、锁止部33和导向部35均具有“槽”状结构，而肩部41、突部43和导入部45均具有“键”状结构，所以“槽”与“键”这种经典限位与紧固结构，能够实现第一端端板22与抱卡26的完美啮合，同时限制第一端端板22在X/Y/Z方向上的位移。第二端端板亦具有相同的啮合结构，这里就不在重复陈述。
图7是表示图2所指示截面的放大剖视图。图中清晰展示了肩部41与支撑部31的紧密啮合，作用是限制端板22或24因为堆叠体50压缩状态下具有反向的弹力而产生位移，肩部41向端板22或24内部延伸，可以有效增加接触面积，优化压紧力的均匀分布。锁止部33具有比支撑部31更深的槽结构，同时突部43向外延伸出肩部41，使得突部43与锁止部33构成X方向上的限位机构，可以有效防止燃料电池堆栈10因为震动、坠落、挤压等原因造成端板22或24与抱卡26发生脱离啮合的情况。
燃料电池堆栈10配备的抱卡26具有指定的压缩间距，在完成燃料电池堆栈10组装的过程中，需要将堆叠体50压缩至小于指定值的距离，使抱卡26顺利安装到端板22与24上，然后释放压紧力，堆叠体50由于压缩反弹会回到指定的压缩间距，同时端板22与24与抱卡26完成啮合。
端板与抱卡啮合，抱卡可以有效限制端板的位置，可以通过调节抱卡的长度调整端板组装位置；端板可以由刚性与韧性较好的材料，通过模具注射工艺制成，材料可以是碳钢、不锈钢、铝合金、工程塑料、树脂纤维等；抱卡为钣金冲压工艺制成，材料可以是冷轧钢板、不锈钢板、铝合金板等。
实施例2
本实施例提供一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法，主要部分与实施例1相同，相同部分不再赘述。本实施例与实施例1不同之处在于：
请进一步参考图8，在本实施例中，抱卡26有多个，比如可以是3对；相应的，端板上也设有多套支撑部31、锁止部33、导向部35。本实施例的设计主要用于较大的燃料电池堆栈，比如较大的液体冷却燃料电池堆栈。
实施例3
本实施例提供一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法，主要部分与实施例2相同，相同部分不再赘述。本实施例与实施例2不同之处在于：
请进一步参考图9，在本实施例中，设置在端板同一侧的抱卡26于中间部分(即抱卡本体部分)相互连接在一起。为了区分实施例2中的常规抱卡26，本实施例中抱卡可称为联用抱卡26’。
实施例4
本实施例提供一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法，主要部分与实施例2相同，相同部分不再赘述。本实施例与实施例2不同之处在于：
请进一步参考图10，在本实施例中，抱卡为两个；抱卡的卡接部包括卡臂46；卡臂46垂直于抱卡本体，向端板一侧延伸，使得整个抱卡呈C型；为了区分于实施例2中的常规抱卡结构，本实施例中抱卡结构可称为简易抱卡26”。端板上设有与卡臂卡接配合的卡臂槽39。卡臂46端部同样设有突部43，卡臂槽39相应位置同样设有锁止部33。
实施例5
本实施例提供一种燃料电池装配构件、燃料电池堆栈和燃料电池装配方法，主要部分与实施例2相同，相同部分不再赘述。本实施例与实施例2不同之处在于：
请进一步参考图11，在本实施例中，共有3对抱卡；两端的两对采用实施例2中的常规抱卡26结构，中间1对采用实施例4中的简易抱卡26”结构。不同形式的抱卡搭配运用，可以在保证燃料电池堆栈稳定性的条件下，降低成本和重量。
众所周知燃料电池堆栈分为空气冷却堆栈和液体冷却堆栈两种冷却形式，本申请既可用于空气冷却堆栈，也可以用于液体冷却堆栈；比如实施例1可以是空气冷却燃料电池堆栈，实施例2可以是液体冷却燃料电池堆栈。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种燃料电池装配构件，其特征在于，包括：
两块端板，两块所述端板分别用于装配在单电池堆叠体堆叠方向的两端；
至少两个抱卡，分列于所述端板两侧；所述抱卡包括抱卡本体和设置在抱卡本体两端的卡接部；同一个所述抱卡上的两个卡接部分别与两块所述端板卡接配合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装配构件，其特征在于，所述卡接部包括肩部；所述肩部呈开口朝向所述端板方向的U型；所述端板上设有用于与所述肩部卡接配合的支撑部；所述支撑部呈槽状，截面形状与所肩部相应。
3.根据权利要求2所述的燃料电池装配构件，其特征在于，所述肩部靠近开口端位置向所述抱卡本体一侧凸出形成突部；所述支撑部相应位置下凹形成锁止部，用于与所述突部配合锁止。
4.根据权利要求2所述的燃料电池装配构件，其特征在于，所述肩部与抱卡本体通过导入部连接；所述端板侧端相应位置设有能够容纳所述导入部的豁口。
5.根据权利要求2所述的燃料电池装配构件，其特征在于，连接在所述端板同一侧的各个所述抱卡相互独立，或者通过相邻的所述抱卡本体相互连接。
6.根据权利要求1所述的燃料电池装配构件，其特征在于，所述卡接部包括卡臂；所述卡臂垂直于所述抱卡本体，向所述端板一侧延伸；所述端板上设有与所述卡臂卡接配合的卡臂槽。
7.根据权利要求1所述的燃料电池装配构件，其特征在于，所述端板靠近单电池堆叠体的表面为平面或凸形曲面。
8.根据权利要求1所述的燃料电池装配构件，其特征在于，所述抱卡靠近所述单电池堆叠体的侧面涂覆有绝缘涂层。
9.一种燃料电池堆栈，其特征在于，包括单电池堆叠体和权利要求1-8任一项所述的燃料电池装配构件；两块所述端板分别压紧在所述单电池堆叠体沿堆叠方向的两端；各个所述抱卡卡接在两块所述端板两侧。
10.一种燃料电池装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供单电池堆叠体和权利要求1-8任一项所述的燃料电池装配构件；
按照端板-单电池堆叠体-端板的位置次序叠放整齐；
压缩所述单电池堆叠体至小于指定间距，将所述抱卡安装在所述端板两侧；
释放压紧力，单电池堆叠体反弹至指定间距，同时端板与抱卡完全卡合，完成燃料电池的装配。
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