CN111816903B - 一种端板受力可调节的燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种端板受力可调节的燃料电池电堆，涉及燃料电池技术领域，包括电堆机构，电堆机构的两端分别设有固定端板和调节端板机构，调节端板机构包括调节端板和与调节端板配合的调节组件，调节组件位于调节端板和电堆机构之间，调节组件包括弹簧端板，弹簧端板的一侧与电堆机构固定连接，调节端板机构向电堆机构提供由弹簧端板的中心向四周逐渐减小的压力。本发明通过调节组件工作使电堆内部各点受力大小相同，更加完善燃料电池的电堆结构设计，既能够避免极板与MEA间初始装配间隙过大，也能够防止电堆密封效果较差和反应气体泄漏，引起更加严重的后果，提高了燃料电池的性能、质量以及使用寿命，降低了燃料电池使用时的安全隐患。

Description

一种端板受力可调节的燃料电池电堆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种端板受力可调节的燃料电池电堆。

背景技术

燃料电池电堆由多个相同的单电池串联装配而成，主要包括端板、双极板、膜电极和密封垫圈等组件，其中各单电池在端板的紧固螺栓作用下收到装配压力，双极板于MEA间属于超静定装配。干频等人在《金属极板燃料电池电堆接触压力的分布规律》中指出，电堆内部装配压力的传递机理为：施加扭矩后，端板对金属极板上产生装配力，金属极板在装配力的作用下，压缩密封垫圈使其厚度减小从而与MEA产生接触。因此在电堆装配完成后螺栓装配扭矩产生的装配力由密封垫圈和MEA共同承担。通常，密封垫圈的厚度大于MEA的厚度，因此使得极板与MEA间存在初始装配间隙。如果密封垫圈厚度过大，则会造成极板与MEA间初始装配间隙过大。此时如果螺栓装配扭矩不够，则会导致极板与MEA间接触不充分和MEA接触压力较小，使接触电阻增大导致PEMFC性能降低，反之。如果密封垫圈厚度过小，则可能导致极板和MEA过分接触和MEA上接触压力过大，造成MEA损坏；甚至由于密封垫圈厚度不够，导致电堆密封效果较差和反应气体泄漏，引起更加严重的后果。

此外，在实际的装配过程中，端板的四个角由于通过螺栓固定，导致其装配位移较大，而中间位移较小，存在少量的不均变形。这是因为螺栓装配扭矩施加在端板的四个角上及四边的中央，导致端板发生少了的翘曲，由此引起电堆中组件间接触不均匀。金属电极板也是四个角上位移较大，而中心区域位移较小。这些问题都会进一步放大上述后果，且会对燃料电池的性能、质量以及使用寿命造成严重的影响，甚至在使用时会造成安全隐患。

进一步的，现有技术中的燃料电池电堆，一旦在装配完成后，在使用一段时间后，会更加加剧不均衡的装配力对燃料电池的寿命的影响。然而现有技术中还未存在可以在使用过一段时间后仍然可以对燃料电池内部装配力进行调节，以避免燃料电池加速老化的燃料电池电堆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种端板受力可调节的燃料电池电堆，以解决现有技术中燃料电池中双极板之间各点受力大小不等，使用过程中无法对燃料电池内部装配力进行调节的技术问题。

本发明提供一种端板受力可调节的燃料电池电堆，包括电堆机构，所述电堆机构的两端分别设有固定端板和调节端板机构，所述调节端板机构包括调节端板和与调节端板配合的调节组件，所述调节组件位于调节端板和电堆机构之间，所述固定端板和调节端板之间设有若干个用于连接两者的固定杆，每个固定杆的两端分别与固定端板和调节端板通过螺栓连接；所述调节组件包括弹簧端板，所述弹簧端板的一侧与电堆机构固定连接，所述调节端板机构用于向电堆机构提供由弹簧端板的中心向四周逐渐减小的压力。

进一步，所述调节组件还包括若干个弹簧和若干个定位槽，所有所述弹簧的一端均与弹簧端板的另一侧固定连接，所有所述定位槽呈阵列分布在调节端板上，若干个弹簧与若干个定位槽一一对应且每个弹簧的另一端均插接在对应的定位槽内。

进一步，所述定位槽的深度由调节端板的中心向四周逐渐增大。

进一步，所述调节端板上的弹簧从中心向四周弹性系数从逐渐减小。

进一步，所述调节组件还包括若干个弹簧和若干个定位槽，所有所述弹簧的一端均与弹簧端板的另一侧固定连接，所有所述定位槽呈阵列分布在调节端板上，若干个弹簧与若干个定位槽一一对应且每个弹簧的另一端均插接在对应的定位槽内，每个所述定位槽内均设有与其滑动配合的调节块，所述调节端板上对应每个定位槽均设有一个与其连通的调节螺纹孔，每个所述调节块的一侧均设有与调节螺纹孔连接的调节螺纹杆，所述调节螺纹杆与所述调节螺纹孔螺纹配合。

进一步，每个所述调节螺纹杆的端部均设有旋钮。

进一步，所述调节端板上的弹簧从中心向四周弹性系数从逐渐减小。

进一步，所述调节组件还包括若干个调节槽和若干个调节活塞，若干个调节槽呈阵列分布在调节端板的一侧，若干个调节活塞与若干个调节槽一一对应且滑动配合且每个调节活塞的一端均与弹簧端板连接，每个调节槽的一侧均设有用于将其与调节槽连通的液压管。

进一步，每个所述调节槽的槽口处均设有限位环，每个所述调节活塞的前端均设有与限位环配合对调节活塞进行限位的限位台阶。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

（1）本发明提出的端板受力可调节的燃料电池电堆工作时，调节组件挤压弹簧端板，改变对弹簧端板的各个受力点的压力大小，使得弹簧端板的所有受力点均不产生形变，从而使电堆内部各点受力大小趋于相同，更加完善燃料电池的电堆结构设计，既能够避免极板与MEA间初始装配间隙过大，也能够防止电堆密封效果较差和反应气体泄漏，引起更加严重的后果，提高了燃料电池的性能、质量以及使用寿命，降低了燃料电池使用时的安全隐患。

（2）本发明提出的端板受力可调节的燃料电池电堆，在使用一段时间后，依然可以人为主动进行对装配力进行动态调节，有效的延续了燃料电池的寿命，避免了不平衡的装配力在燃料电池使用过程中造成更加严重的后果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为实施例一的立体结构示意图；

图2为实施例一的俯视图；

图3为图2沿A-A线的剖视图；

图4为实施例二的立体结构示意图；

图5为实施例二的剖视图；

图6为图5中B处的放大图；

图7为实施例三的立体结构示意图；

图8为实施例三的剖视图；

图9为图8中C处的放大图。

附图标记：

电堆机构1，固定端板2，调节端板机构3，调节端板31，调节组件32，弹簧端板321，弹簧322，定位槽323，调节块324，调节螺纹杆325，调节槽326，调节活塞327，液压管道328，固定杆4，旋钮5，限位环6，限位台阶7。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

下面结合图1至图3所示，本发明实施例提供了一种端板受力可调节的燃料电池电堆，包括电堆机构1，所述电堆机构1的两端分别设有固定端板2和调节端板机构3，所述调节端板机构3包括调节端板31和与调节端板31配合的调节组件32，所述调节组件32位于调节端板31和电堆机构1之间，所述固定端板2和调节端板31之间设有若干个用于连接两者的固定杆4，每个固定杆4的两端分别与固定端板2和调节端板31通过螺栓连接；所述调节组件32包括弹簧端板321，所述弹簧端板321的一侧与电堆机构1固定连接，所述调节端板机构3用于向电堆机构1提供由弹簧端板321的中心向四周逐渐减小的压力。

具体地，所述调节组件32包括若干个弹簧322和若干个定位槽323，所有所述弹簧322的一端均与弹簧端板321的另一侧固定连接，所有所述定位槽323呈阵列分布在调节端板31上，若干个弹簧322与若干个定位槽323一一对应且每个弹簧322的另一端均插接在对应的定位槽323内；其中弹簧端板321厚度较薄，一旦受力较大后会产生形变，以便于配合弹簧322工作检测各点的压力强度。

具体工作方法是：工作时，将调节端板31的侧面调节到与双极板平行的状态，之后再沿着弹簧322的轴线方向移动调节端板31，使得调节端板31挤压所有的弹簧322，弹簧322的端部挤压弹簧端板321，通过每个弹簧322端部挤压弹簧端板321处的形变程度测试出平衡电堆内部各点受力大小的程度，之后，通过调节各个定位槽323的深度，改变各个弹簧322对弹簧端板321的压力即对电堆各点的压力也不同，直至使得弹簧端板321的所有受力点均不产生形变，从而使电堆内部各点受力大小趋于相同，更加完善燃料电池的电堆结构设计，既能够避免极板与MEA间初始装配间隙过大，也能够防止电堆密封效果较差和反应气体泄漏，引起更加严重的后果，提高了燃料电池的性能、质量以及使用寿命，降低了燃料电池使用时的安全隐患。

具体地，所述定位槽323的深度由调节端板31的中心向四周逐渐增大；由于电堆以及固定端板2和调节端板31的四角是通过螺栓连接的，且位移较大，使得电堆中部有向外凸起的趋势，因此，在调节时，需要中间的弹簧322对电堆施加的力更大，从中间向外弹簧322需要对电堆施加的压力逐渐减小，设置时，中间的定位槽323深度小，对弹簧322压得更紧，也使得弹簧322对电堆的压力更大，外部定位槽323的深度大，对弹簧322的压力小，也使得弹簧322对电堆的压力更小。

此外，在实际工作过程中，由于固定端板2和调节端板31四角螺栓的松紧程度不同以及双极板之间的胶线和膜电极被压缩后，双极板受力各点不等。因此，每个定位槽323具体的深度还需要在安装时进一步的进行微调。

实施例二：

结合图4-6所示，本发明提供了一种端板受力可调节的燃料电池电堆，包括电堆机构1，所述电堆机构1的两端分别设有固定端板2和调节端板机构3，所述调节端板机构3包括调节端板31和与调节端板31配合的调节组件32，所述调节组件32位于调节端板31和电堆机构1之间，所述固定端板2和调节端板31之间设有若干个用于连接两者的固定杆4，每个固定杆4的两端分别与固定端板2和调节端板31通过螺栓连接；所述调节组件32包括弹簧端板321，所述弹簧端板321的一侧与电堆机构1固定连接，所述调节端板机构3用于向电堆机构1提供由弹簧端板321的中心向四周逐渐减小的压力。

所述调节组件32包括若干个弹簧322和若干个定位槽323，所有所述弹簧322的一端均与弹簧端板321的另一侧固定连接，所有所述定位槽323呈阵列分布在调节端板31上，若干个弹簧322与若干个定位槽323一一对应且每个弹簧322的另一端均插接在对应的定位槽323内，每个所述定位槽323内均设有与其滑动配合的调节块324，所述调节端板31上对应每个定位槽323均设有一个与其连通的调节螺纹孔，每个所述调节块324的一侧均设有与调节螺纹孔连接的调节螺纹杆325，所述调节螺纹杆325与所述调节螺纹孔螺纹配合。

具体工作方法是：工作时，将调节端板31的侧面调节到与双极板平行的状态，之后再沿着弹簧322的轴线方向移动调节端板31，使得调节端板31挤压所有的弹簧322，弹簧322的端部挤压弹簧端板321，通过每个弹簧322端部挤压弹簧端板321处的形变程度测试出平衡电堆内部各点受力大小的程度，之后，通过转动调节螺纹杆325，在调节螺纹杆325与调节螺纹孔的螺纹配合下推动调节块324在定位槽323内移动，从而改变弹簧322的挤压程度，使得弹簧端板321的所有受力点均不产生形变，从而使电堆内部各点受力大小趋于相同，更加完善燃料电池的电堆结构设计，既能够避免极板与MEA间初始装配间隙过大，也能够防止电堆密封效果较差和反应气体泄漏，引起更加严重的后果，提高了燃料电池的性能、质量以及使用寿命，降低了燃料电池使用时的安全隐患。而且，燃料电池电堆在使用一段时间后，电堆内部的应力分布情况有了进一步变化，依然可以人为主动进行对装配力进行动态调节，有效的延续了燃料电池的寿命，避免了不平衡的装配力在燃料电池使用过程中造成更加严重的后果。

具体地，每个所述调节螺纹杆325的端部均设有旋钮5，设置旋钮5便于转动调节螺纹杆325。

具体地，所述调节端板31上的弹簧322从中心向四周弹性系数从逐渐减小。由于电堆以及固定端板2和调节端板31的四角是通过螺栓连接的，且位移较大，使得电堆中部会有向外凸起的趋势，因此，在调节时，需要中间的弹簧322对电堆施加的力更大，从中间向外弹簧322需要对电堆施加的压力逐渐减小，设置时，中间的弹簧322弹性系数大，因此弹簧322对电堆的压力大，外部的弹簧322弹性系数小，弹簧322对电堆的压力小。

实施例三：

结合图7-图9所示，本发明提供了一种端板受力可调节的燃料电池电堆，包括电堆机构1，所述电堆机构1的两端分别设有固定端板2和调节端板机构3，所述调节端板机构3包括调节端板31和与调节端板31配合的调节组件32，所述调节组件32位于调节端板31和电堆机构1之间，所述固定端板2和调节端板31之间设有若干个用于连接两者的固定杆4，每个固定杆4的两端分别与固定端板2和调节端板31通过螺栓连接；所述调节组件32包括弹簧端板321，所述弹簧端板321的一侧与电堆机构1固定连接，所述调节端板机构3用于向电堆机构1提供由弹簧端板321的中心向四周逐渐减小的压力。所述调节组件32包括弹簧端板321、若干个调节槽326和若干个调节活塞327，若干个调节槽326呈阵列分布在调节端板31的一侧，若干个调节活塞327与若干个调节槽326一一对应且滑动配合且每个调节活塞327的一端均与弹簧端板321连接，每个调节槽327的一侧均设有用于将其与调节槽326连通的液压管328。

具体工作方法是：工作时，将调节端板31的侧面调节到与双极板平行的状态，之后再沿着调节槽326的长度方向移动调节端板31，使得调节活塞327挤压弹簧端板321，通过每个调节活塞327端部挤压弹簧端板321处的形变程度测试出平衡电堆内部各点受力大小的程度，之后，通过对应的液压管328对对应的调节槽326内的液压进行调节，使得弹簧端板321的所有受力点均不产生形变，从而使电堆内部各点受力大小趋于相同，更加完善燃料电池的电堆结构设计，既能够避免极板与MEA间初始装配间隙过大，也能够防止电堆密封效果较差和反应气体泄漏，引起更加严重的后果，提高了燃料电池的性能、质量以及使用寿命，降低了燃料电池使用时的安全隐患。而且燃料电池电堆在使用一段时间后，电堆内部的应力分布情况有了进一步变化，依然可以人为主动进行对装配力进行动态调节，有效的延续了燃料电池的寿命，避免了不平衡的装配力在燃料电池使用过程中造成更加严重的后果。

每个所述调节槽326的槽口处均设有限位环6，每个所述调节活塞327的前端均设有与限位环6配合对调节活塞327进行限位的限位台阶7，限位环6和限位台阶7的配合设置能够避免调节活塞327在调节时从调节槽326内脱落。

本发明中，实施例一的结构最简单，能够节约成本，但是在使用过程中需要不断的对定位槽323进行调节，对定位槽323的深度进行改变和微调，操作繁琐。虽然完成调节后，定位槽323的深度不会再发生其他变化，稳定性较高，但也存在后续可能使用过程中，电堆内部的应力分布情况有了进一步变化，无法再次适应性调整。

实施例二通过调节螺纹杆325和调节螺孔的配合，便于改变调节块324在定位槽323内的位置，实现定位槽323深度的改变，与实施例一相比，其调节方式更加简单。但是，会增加设备的成本，此外，在调节后需要对所有的调节螺纹杆325进行固定，防止其在使用过程中发生转动，其稳定性较差。但是，燃料电池电堆在使用一段时间后，电堆内部的应力分布情况有了进一步变化，依然可以人为主动进行对装配力进行动态调节，有效的延续了燃料电池的寿命，避免了不平衡的装配力在燃料电池使用过程中造成更加严重的后果。

实施例三通过液压调节的方式进行工作，便于调节，且配合液压传感器后能够对各个点位的压力进行实时调控，配合不通使用状态下压力的状况进行调节，效果更好，但是，会极大的增加成本。但是，燃料电池电堆在使用一段时间后，电堆内部的应力分布情况有了进一步变化，依然可以人为主动进行对装配力进行动态调节，有效的延续了燃料电池的寿命，避免了不平衡的装配力在燃料电池使用过程中造成更加严重的后果。

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 (6)

1.一种端板受力可调节的燃料电池电堆，包括电堆机构（1），其特征在于：所述电堆机构（1）的两端分别设有固定端板（2）和调节端板机构（3），所述调节端板机构（3）包括调节端板（31）和与调节端板（31）配合的调节组件（32），所述调节组件（32）位于调节端板（31）和电堆机构（1）之间，所述固定端板（2）和调节端板（31）之间设有若干个用于连接两者的固定杆（4），每个固定杆（4）的两端分别与固定端板（2）和调节端板（31）通过螺栓连接；所述调节组件（32）包括弹簧端板（321），所述弹簧端板（321）的一侧与电堆机构（1）固定连接，所述调节端板机构（3）用于向电堆机构（1）提供由弹簧端板（321）的中心向四周逐渐减小的压力；

所述调节组件（32）还包括若干个弹簧（322）和若干个定位槽（323），所有所述弹簧（322）的一端均与弹簧端板（321）的另一侧固定连接，所有所述定位槽（323）呈阵列分布在调节端板（31）上，若干个弹簧（322）与若干个定位槽（323）一一对应且每个弹簧（322）的另一端均插接在对应的定位槽（323）内；并且定位槽（323）的深度由调节端板（31）的中心向四周逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种端板受力可调节的燃料电池电堆，其特征在于：所述调节组件（32）还包括若干个弹簧（322）和若干个定位槽（323），所有所述弹簧（322）的一端均与弹簧端板（321）的另一侧固定连接，所有所述定位槽（323）呈阵列分布在调节端板（31）上，若干个弹簧（322）与若干个定位槽（323）一一对应且每个弹簧（322）的另一端均插接在对应的定位槽（323）内，每个所述定位槽（323）内均设有与其滑动配合的调节块（324），所述调节端板（31）上对应每个定位槽（323）均设有一个与其连通的调节螺纹孔，每个所述调节块（324）的一侧均设有与调节螺纹孔连接的调节螺纹杆（325），所述调节螺纹杆（325）与所述调节螺纹孔螺纹配合。

3.根据权利要求2所述的一种端板受力可调节的燃料电池电堆，其特征在于：每个所述调节螺纹杆（325）的端部均设有旋钮（5）。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种端板受力可调节的燃料电池电堆，其特征在于：所述调节端板（31）上的弹簧（322）从中心向四周弹性系数逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的一种端板受力可调节的燃料电池电堆，其特征在于：所述调节组件（32）还包括若干个调节槽（326）和若干个调节活塞（327），若干个调节槽（326）呈阵列分布在调节端板（31）的一侧，若干个调节活塞（327）与若干个调节槽（326）一一对应且滑动配合且每个调节活塞（327）的一端均与弹簧端板（321）连接，每个调节槽（327）的一侧均设有用于将其与调节槽（326）连通的液压管（328）。

6.根据权利要求5所述的一种端板受力可调节的燃料电池电堆，其特征在于：每个所述调节槽（326）的槽口处均设有限位环（6），每个所述调节活塞（327）的前端均设有与限位环（6）配合对调节活塞（327）进行限位的限位台阶（7）。

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