CN111785999B - 一种一体式燃料电池电堆的封装结构及其装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一体式燃料电池电堆的封装结构及其装配方法，所述燃料电池电堆的封装结构包括：前端板，上壳体，下壳体，堆芯结构和后盖板。所述上端板设有公共管路与电堆堆芯联通，形成提供反应气体及冷却液流道。所述上壳体，下壳体设有与堆芯贴紧的防塌腰结构部件。本发明所述的一体式燃料电池电堆的封装结构大大提高了燃料电池电堆的性能，有效降低了燃料电池电堆的体积和重量，使燃料电池的堆整体的集成度大大提高，同时，进一步地提升了燃料电池电堆的抗振动性能以及绝缘性。同时这种一体化的封装结构能够实现快速装配，实现流水线作业。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池封装技术领域，特别涉及一种一体式燃料电池电堆的封装结构及其装配方法。
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。当电堆的使用中，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，并且由于燃料电池受限于燃料装载，体积一般较大。
中国专利(公开号为CN106450372A)公开了一种带有外定位功能的电堆紧固结构：将外定位块紧固在侧面封装板背面，然后再与电堆上紧固，其不足在于：1.分体式的封装无法实现密封，无法达到车用燃料电池的的防护等级标准；2.封装板与电堆端板的紧固方向为电堆的法向，紧固之后，定位块与电堆本体侧面之间的装配公差难以保证，从而无法实现对电堆的定位作用
中国专利(公开号为CN103633358A)公开了一种高集成度金属板燃料电池电堆：公开了一种分体式的电堆封装结构，侧面封装板起紧固电堆的作用，其不足在于，分体式的封装无法实现密封，无法达到车用燃料电池的的防护等级标准，而且装配尺寸偏差无法保证；另一方面，封装结构上没有电堆的定位结构，在车用或振动条件下，电堆极易因振动塌腰而发生泄漏失效。
中国专利(公开号为CN110098414A)公开了一种一种燃料电池双极板及燃料电池电堆的封装结构，解决了现有封装结构零部件数量多、电堆受振动变形失效、密封面较多或密封面交叉密封效果差的技术问题，但是结构较为复杂，体积和重量较大，不能适配不同堆叠方式的堆芯结构，同时不容易实现快速安装。
故，缺少一种抗震性能强，绝缘性好，体积和重量精简，能够对不同堆叠方式的堆芯结构实现封装的燃料电池堆的封装结构以及一种较为简单快速的装配的方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种一体式燃料电池电堆的封装结构及其装配方法，本发明的技术方案是这样实施的：
一种一体式燃料电池电堆的封装结构，包括上壳体、下壳体、前端板、后盖板和堆芯结构；所述前端板设有气口和流道结构；所述前端板位于所述堆芯结构正前方，固定连接所述上壳体和所述下壳体；所述上壳体位于所述堆芯结构正上方，固定连接所述下壳体、所述前端板和所述后盖板；所述下壳体位于所述堆芯结构正下方；所述后盖板位于所述堆芯结构的正后方，固定连接所述上壳体和所述下壳体；所述堆芯结构包裹有绝缘护板；所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有防塌腰结构部件；所述防塌腰结构部件和所述堆芯结构紧密贴合；所述上壳体、所述下壳体、所述前端板和所述后盖板封装所述堆芯结构。
优选地，所述防塌腰结构部件为吸水率低的高强度绝缘塑料。
优选地，所述防塌腰结构部件上设置有橡胶垫，所述橡胶垫直接和所述堆芯结构接触。
优选地，所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有巡检部。
优选地，所述巡检部设置有用于容纳巡检连接器模块的巡检连接器模块罩壳。
优选地，所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有维修口。
优选地，所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有吹扫进气口和吹扫流道。
优选地，所述上壳体和所述下壳体内部设置到吹扫流道。
优选地，所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板还设置有泄水孔和排水槽。
优选地，所述下壳体和/或所述下壳体在连接所述后盖板处设置有包围结构。
一种一体式燃料电池电堆的封装结构的装配方法，用于装配上述中所述的任意一种一体式燃料电池电堆的封装结构，包括：
S1：将所述前端板放置在预装压机地板的模具内，通过调节前端板位置，使用定位杆和/或定位孔对于所述前端板进行定位；
S2：通过所述定位杆和/或所述定位孔对于所述堆芯结构进行定位装配；
S3：将压机顶板穿过所述定位杆，通过所述压机顶板下压压紧所述堆芯结构和所述前端板；到达预定压紧位置后，保持所述压机顶板位置；
S4：在需要安装所述防塌腰结构部件的部件上安装所述防塌腰结构部件；
S5：撤去所述定位杆中的部分定位杆，安装所述下壳体和上壳体，此时所述堆芯结构部完全容纳在所述上壳体和所述下壳体内部；撤去所述定位杆中余下的定位杆；
S6：抬升所述压机顶板，安装所述后盖板；
S7：安装其他功能模块以完成电池的装配。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中装配结构复杂，体积重量较大的技术问题；实施本发明的技术方案，通过一体化的封装结构设计及其装配方法，可实现抗震性能强，绝缘性好，体积和重量精简，能够对不同堆叠方式的堆芯结构实现封装，同时快速装配的技术效果。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种一体式燃料电池电堆的封装结构拆解示意图；
图2为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的前端板结构外侧示意图；
图3为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的前端板结构内侧示意图；
图4为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的上壳体结构外侧示意图；
图5为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的上壳体结构内侧示意图；
图6为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的下壳体结构示意图；
图7为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的巡检部结构示意图；
图8为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的装配完成结构示意图；
图9为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的装配方法的装配状态1；
图10为一种一体式燃料电池电堆的封装结构的装配方法的装配状态2。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
1、上壳体；
1-1、维修口盖板；1-2、巡检口；1-3、加强筋结构；1-4、上壳体防塌腰结构部件；
2、下壳体；
2-1、下壳体防塌腰结构部件；
2-2、下壳体包围结构；
3、前端板；
3-1、气口；3-2、流道结构；
4、后盖板；
5、堆芯结构；
6、巡检部；
6-1、巡检连接器模块罩壳；
7、压机；
7-1、压机底板；7-2、压机顶板；7-3、定位杆组件。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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作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。
需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置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申请的限制。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。在本申请的描述中,“若干个”、“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。在本申请中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“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,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；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。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申请中的具体含义。在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触,也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1：
在一个具体实施例中，如附图图1-图8所示，一种一体式燃料电池电堆的封装结构，包括上壳体(1)、下壳体(2)、前端板(3)、后盖板(4)和堆芯结构(5)；前端板(3)设有气口(3-1)和流道结构(3-2)；前端板(3)位于堆芯结构(5)正前方，固定连接上壳体(1)和下壳体(2)；上壳体(1)位于堆芯结构(5)正上方，固定连接下壳体(2)、前端板(3)和后盖板(4)；下壳体(2)位于堆芯结构(5)正下方；后盖板(4)位于堆芯结构(5)的正后方，固定连接上壳体(1)和下壳体(2)；堆芯结构(5)包裹有绝缘护板；上壳体(1)和下壳体(2)分别设置有上壳体防塌腰结构部件(1-4)和下壳体防塌腰结构部件(2-1)；上壳体防塌腰结构部件(1-4)，下壳体防塌腰结构部件(2-1)紧密贴合堆芯结构(5)；上壳体(1)、下壳体(2)、前端板(3)和后盖板(4)封装堆芯结构(5)；巡检部(6)设置于下壳体(2)上。
在本实施例中，如附图图2所示的前端板的气口(3-1)和附图图3所示的流道结构(3-2)用以氢气进出口，空气进出口，冷却液进出口，氢气循环出口，本实施例中的均设有有密封槽结构，不再引入独立的气口管道用以连接封装堆芯结构(5)。如附图图5所示，上壳体防塌腰结构部件(1-4)安装于加强筋结构(1-3)上，其作用是增强上壳体的强度以及对零部件上壳体防塌腰结构部件(1-4)的限位。下壳体(2)为C型槽结构，省去了一般封装结构中需要来自正前方、后方、左侧、右侧、上面和下面六面封装材料中的左侧和右侧封装材料，因而能够加速安装，同时提供较好的一致性和密封性。上壳体防塌腰结构部件(1-4)和下壳体防塌腰结构部件(2-1)紧密贴合；上壳体(1)上设置有维修口盖板(1-1)，可以用以对于堆芯结构(5)内部进行修护；上壳体防塌腰结构部件(1-4)和下壳体防塌腰结构部件(2-1)所使用的材料是吸水率低的高强度绝缘塑料，配合起到防止堆芯塌腰的作用；其结构大大提高电堆的抗震动性能，防止堆芯结构(5)的变形；如附图图7所示，巡检部(6)上有巡检连接器模块罩壳(6-1)。
综上，
在一种优选的实施例中，防塌腰结构部件为吸水率低的高强度绝缘塑料。这样设计的效果是可以让防塌腰结构部件能够具有更好的结构稳定性以及结构强度，对于堆芯结构(5)的固定效果更好。
在一种优选的实施例中，防塌腰结构部件上设置有橡胶垫，橡胶垫直接和堆芯结构接触。橡胶垫能起到缓冲作用，且保证防塌腰部件与堆芯的紧密贴合，橡胶垫能够填充结构之间的缝隙。
在一种优选的实施例中，上壳体和/或下壳体和/或前端板和/或后盖板上设置有巡检部。巡检部的设计和安装可以根据燃料电池的实际设计和用途进行调整，巡检部可容纳燃料电池巡检模块组件，提供巡检功能。
在一种优选的实施例中，巡检部设置有用于容纳巡检连接器模块的连接器模块罩壳。巡检连接器模块罩壳能够能够对于电池巡检模块组件进行保护，同时能够对于一体式的结构进行保护，缩减体积。
在一种优选的实施例中，上壳体和/或下壳体和/或前端板和/或后盖板上设置有维修口。维修口的设计和安装可以根据燃料电池的实际设计和用途进行调整，用意对于燃料电池进行维护。
在一种优选的实施例中，上壳体和/或下壳体和/或前端板和/或后盖板上设置有吹扫进气口和吹扫流道。吹扫进气口和吹扫流道的设定能够调节燃料电池内由于温度所产生的形变，同时可以通过吹扫进气口和吹扫流道对于堆芯结构温度进行调控，增加燃料电池安全性。
在一种优选的实施例中，上壳体和/或下壳体和/或前端板和/或后盖板还设置有泄水孔和排水槽。泄水孔和排水槽的疏通结构的设计和安装可以根据燃料电池的实际设计和用途进行调整，用以对于燃料电池内可能产生的积水进行疏导。
在一种优选的实施例中，下壳体和/或下壳体在连接后盖板处设置有包围结构。如附图6所示，下壳体的包围结构(2-2)能够便于对堆芯结构的固定，在后盖板没有被安装前就能提供对于堆芯结构进行夹紧，可以方便安装的进行，防止堆芯结构发生位移。
实施例2：
在一种具体实施例中，如附图图9-10所示，具体步骤为：
S1：通过安装在压机底板(7-1)上的辅助工装预定位，压机(7)需具有压紧功能，压机(7)的上部具有压机顶板(7-2)；压机顶板(7-2)设有定位孔，定位孔用于定位用于堆芯装配定位用的六根定位杆组件(7-3)；将前端板(3)放置在压机底板(7-1)内；将由六根定位杆所组成的定位杆组件(7-3)穿过压机顶板(7-2)的定位孔和对应定位孔同心的辅助定位块的定位孔内部；调节前端板(3)的位置，使其紧靠定位杆组件(7-3)；根据六点定位原理，前端板(3)完全定位；
S2：贴紧步骤一种的定位杆组件(7-3)装配上堆芯结构(5)；
S3：压机顶板(7-2)穿过定位杆组件(7-3)，插入通过定位孔和对应定位孔同心的辅助定位块的定位孔内部，完成插入完毕；通过外部设备对于压机顶板(7-2)进行下压，堆芯结构(5)被压缩，到达预定位置后，保持压机顶板(7-2)的位置；
S4：安装堆芯侧边的防塌腰结构件，防塌腰结构件采用高强度低吸水率的绝缘材料，本实施例选用尼龙类材料；防塌腰结构件通过限位块及螺钉限位及锁紧安装在堆芯结构部件前端板(3)侧边；撤去定位杆组件(7-3)中的其中三根；撤去安装在压机底板(7-1)的辅助工装组件；将下壳体(2)朝堆芯结构(5)进行推进；下壳体(2)安装有侧面绝缘防塌腰部件；下壳体(2)设有与上壳体(1)通过螺纹孔以及螺栓固定实现；在下壳体(2)贴紧堆芯结构(5)后，三处防塌腰结构与堆芯结构(5)的接触面贴紧，此时，堆芯整体组件定位于C型的下壳体(2)内；
S5：撤去定位杆组件(7-3)中余下的定位杆，将上壳体(1)朝堆芯结构(5)进行推进，与下壳体(2)合并；上壳体(1)安装有防塌腰部件；上壳体(1)与下壳体(2)及前端板(3)的通孔位进行对准，直至上壳体(1)与下壳体(2)贴紧时为止；紧固上壳体(1)与下壳体(2)之间的螺栓锁紧到达指定扭矩；紧固上壳体(1)、下壳体(2)和前端板(3)之间的螺栓并锁紧到达指定扭矩；安装上壳体(1)和下壳体(2)之间安装密封条；此时堆芯结构(5)部完全容纳在上壳体(1)和下壳体(2)之间。
S6：撤去施加于压机顶板(7-2)的外部压力，使得安装结构脱离压机(7)。
S7：安装后盖板(4)；安装带有巡检通讯单元的巡检部(6)；连接堆芯结构(5)与巡检通讯单元之间的巡检线束；安装巡检连接器模块罩壳(6-1)等其余部件从而完成装配。
需要说明的是，压机(7)可采用现有技术中的任意技术方案，与本专利披露的技术方案结合，形成的技术方案，均在本专利的保护范围内。
在本具体实施例中，定位杆组件(7-3)具有高强度耐磨损，抗弯曲的不锈钢材料，也可选用具有同样性能的合金，碳钢材料；定位杆组件(7-3)进行精定位燃料电池堆芯结构(5)部件。
本实施例采用的定位杆组件(7-3)上具有圆形压头，压头数量为两个；压头形式不限于本实施例，如根据具体使用工况数量增加或减少，压头为方形或其他形状。
通过实施本实施例的装配方法，能够实现对于燃料电池的快速装配，可大大降低燃料电池装配的复杂难度，减少燃料电池装配的时间，提升装配效率。本方法简单，不仅能够实现人工装配，也能够适用于机器人流水线作业，能够实现燃料电池装配的效率要求。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)
1.一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：包括上壳体、下壳体、前端板、后盖板和堆芯结构；所述前端板设有气口和流道结构；所述前端板位于所述堆芯结构正前方，固定连接所述上壳体和所述下壳体；所述上壳体位于所述堆芯结构正上方，固定连接所述下壳体、所述前端板和所述后盖板；所述下壳体位于所述堆芯结构正下方；所述后盖板位于所述堆芯结构的正后方，固定连接所述上壳体和所述下壳体；所述堆芯结构包裹有绝缘护板；所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有防塌腰结构部件；所述防塌腰结构部件和所述堆芯结构紧密贴合；所述上壳体、所述下壳体、所述前端板和所述后盖板封装所述堆芯结构；
所述体式燃料电池电堆的封装结构的装配方法包括如下步骤：
S1：将所述前端板放置在预装压机地板的模具内，通过调节前端板位置，使用定位杆和/或定位孔对于所述前端板进行定位；
S2：通过所述定位杆和/或所述定位孔对于所述堆芯结构进行定位装配；
S3：将压机顶板穿过所述定位杆，通过所述压机顶板下压压紧所述堆芯结构和所述前端板；到达预定压紧位置后，保持所述压机顶板位置；
S4：在需要安装所述防塌腰结构部件的部件上安装所述防塌腰结构部件；
S5：撤去所述定位杆中的部分定位杆，安装所述下壳体和上壳体，此时所述堆芯结构部完全容纳在所述上壳体和所述下壳体内部；撤去所述定位杆中余下的定位杆；
S6：抬升所述压机顶板，安装所述后盖板；
S7：安装其他功能模块以完成电池的装配。
2.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述防塌腰结构部件为吸水率低的高强度绝缘塑料。
3.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述防塌腰结构部件上设置有橡胶垫，所述橡胶垫直接和所述堆芯结构接触。
4.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有巡检部。
5.根据权利要求4所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述巡检部设置有用于容纳巡检连接器模块的巡检连接器模块罩壳。
6.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有维修口。
7.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板上设置有吹扫进气口和吹扫流道。
8.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述上壳体和/或所述下壳体和/或所述前端板和/或所述后盖板还设置有泄水孔和排水槽。
9.根据权利要求1所述的一种一体式燃料电池电堆的封装结构，其特征在于：所述下壳体和/或所述下壳体在连接所述后盖板处设置有包围结构。
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