CN113130960A - 燃料电池堆的封装结构以及燃料电池堆系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了燃料电池堆的封装结构以及燃料电池堆系统，封装结构包括依次设置的前端板、前绝缘板、后绝缘板、弹性组件和后端板；封装结构还包括多个拉板，其具有用于与前端板连接的第一端部以及用于与后端板连接的第二端部，第一端部设有沿拉板厚度方向的第一固定孔，第二端部设有沿拉板长度方向的第二螺纹孔；前端板设置有多组与第一固定孔配合的第一螺纹孔，后端板设置有多组与第二螺纹孔配合的第二固定孔；第一端部和第二端部分别与前端板和后端板连接，前端板和后端板向内收紧前绝缘板、后绝缘板和弹性组件以用于夹持设置在前绝缘板和后绝缘板之间的电池组。通过本发明的封装结构可以高效、低成本地装配可靠性高的燃料电池堆。

Description

燃料电池堆的封装结构以及燃料电池堆系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及燃料电池堆的封装结构以及燃料电池堆系统。

背景技术

燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池通过电化学反应将燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，效率高。另外，燃料电池采用燃料(如氢气)和氧气作为原料，不采用机械传动部件，故而没有噪声污染，排放出的有害气体极少。因此，从节约能源和保护生态环境的角度而言，燃料电池是一种极具发展前途的发电技术。

然而，燃料电池堆(电堆)通常是由多组单电池(电池组)组合、叠加并封装在一起的，由于电堆的封装耦合了载荷传递、物质传输、能量交换、多相流、电化学反应等因素，膜电极和密封件随着封装过程而发生变形，从而使封装后电堆性能的预测和评估比较困难。现阶段燃料电池的封装主要是靠经验和手工，封装的工艺效率低、精度差、手工操作失误率大，电堆的生产成本高。

为了保证电堆能够稳定、高效的运行，需要对封装载荷进行优化。当封装载荷确定以后，如何将载荷均匀、合理地分布在电堆上是目前电堆封装技术的难点。

在封装电堆时，一般通过电堆端板配合紧固件将各部件封装在一起，从而组成了电堆。目前，就紧固件的类型而言，电堆的封装形式主要分为螺杆封装和钢带封装。对于螺杆封装方式，电堆在压机的作用下压到给定的力或距离后，通过手工紧固螺杆来封装电堆，由于手工操作精度较低，可能导致电堆装配后电堆内部受力不均匀，进而影响电堆的性能。钢带封装方式又可以分为两种：一种是焊接钢带封装，另一种是螺栓微调钢带封装。焊接钢带封装形式通过焊接来连接固定钢带，对封装电堆的设备要求较高，封装工艺复杂，增加了电堆的生产成本；螺栓微调钢带封装虽然也是通过钢带封装，但是最后也需要通过人工手动微调钢带的张力，以达到封装要求。

因此，现有的封装形式存在以下缺点：封装工艺效率低，封装精度差，电堆封装成本高。特别是采用手工操作时，封装工艺效率低，封装进度低，手工操作失误率大，不能高效率、低成本地装配可靠性高的电堆。

发明内容

因此，本发明的目的是针对现有技术中存在的缺点提供了燃料电池堆的封装结构，通过本发明的封装结构可以高效、低成本地装配可靠性高的燃料电池堆。另外，本发明还提供了燃料电池堆系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一方面，本发明提供了燃料电池堆的封装结构，所述封装结构包括依次设置的前端板、前绝缘板、后绝缘板、弹性组件和后端板，其中，所述封装结构还包括多个拉板，所述拉板具有用于与所述前端板连接的第一端部以及用于与所述后端板连接的第二端部，所述第一端部设有沿拉板厚度方向的第一固定孔，所述第二端部设有沿拉板长度方向的第二螺纹孔；所述前端板设置有多组与所述第一固定孔配合的第一螺纹孔，所述后端板在与所述第一螺纹孔相对应的位置上设置有多组与所述第二螺纹孔配合的第二固定孔；多个所述拉板的所述第一端部和所述第二端部分别与所述前端板和所述后端板连接，所述前端板和所述后端板向内收紧所述前绝缘板、所述后绝缘板和所述弹性组件以用于夹持设置在所述前绝缘板和所述后绝缘板之间的电池组。

进一步地，所述前端板设有多个与所述拉板的所述第一端部配合的第一固定槽，所述第一固定槽底部设置有多个所述第一螺纹孔。

进一步地，所述后端板设有多个与所述拉板的所述第二端部配合的第二固定槽，所述第二固定槽在面向所述后绝缘板的侧壁上设置有多个所述第二固定孔。

进一步地，所述第一端部放置在所述第一固定槽内并经由所述第一固定孔、所述第一螺纹孔和螺栓固定；所述第二端部放置在所述第二固定槽内并经由所述第二固定孔、所述第二螺纹孔和螺栓固定。

进一步地，所述第一端部和所述第二端部的宽度大于所述拉板的中间宽度。

进一步地，所述第一端部和所述第二端部的宽度各自独立地为所述拉板的中间宽度的1.2～2倍。

进一步地，所述第二端部的厚度为所述拉板的中间厚度的1～2倍，例如，1.5～2倍。

进一步地，所述拉板是金属拉板。

更进一步地，所述金属拉板为不锈钢拉板、碳钢拉板或铝合金拉板。

进一步地，所述弹性组件为碟簧组件或板簧组件。

进一步地，所述封装结构包括4～10个，优选4～8个所述拉板。

另一方面，本发明还提供了燃料电池堆系统，其中，所述燃料电池堆系统包括电池组和所述封装结构，所述电池组放置在前绝缘板和后绝缘板之间，拉板的第一端部和第二端部分别与前端板和后端板连接，所述前端板和所述后端板向内收紧所述前绝缘板、所述后绝缘板和弹性组件并夹持所述电池组。

进一步地，所述燃料电池堆系统还包括前集流板和后集流板。

本发明具有以下优势：

(1)本发明的封装结构中，采用特定的拉板来代替螺杆和钢带，拉板固定在前端板和后端板之间，通过拉板限定电堆的长度，使燃料电池堆(电堆)定尺寸装配，减少了装配时间，提高了燃料电池堆的装配效率，降低了工艺复杂性，减少了装配工艺步骤，也降低了安装要求和生产成本，降低了因人工操作的失误率以及手工误差，降低了对人工熟练程度的要求，提高了装配的可靠性，保证前端板和后端板能够均匀的分布在电堆上。

(2)采用本发明的封装结构进行封装时，最主要的操作是通过拉板将电堆封装完成，由此只需控制压机的行程即可实现电堆封装，操作简单、高效。

(3)本发明的封装结构中，弹性组件可以补偿电堆在不同温度下工作时产生的形变(例如，热胀冷缩)，调节电堆内部的应力分布，进而保证电堆在热胀冷缩的情况下的正常工作。

(4)燃料电池堆的封装是生产燃料电池堆的一个重要环节，本发明的封装结构可以简化燃料电池堆的装配工艺、提高装配精度和降低电堆装配设备的成本，进而有利于降低燃料电池堆成本，对燃料电池堆的发展具有非常重要的作用。另外，新能源的开发和利用是人类社会发展必然趋势，燃料电池堆作为现在新能一个重要方向，发展形势非常可观，本发明的封装结构和燃料电池堆系统具有好的发现前景。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的封装结构的一种实施方案的结构示意图；

图2是本发明的前端板的一种实施方案的结构示意图；

图3是本发明的后端板的一种实施方案的结构示意图；

图4是本发明的拉板的一种实施方案的结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1-电池组；2-前端板；201-第一螺纹孔；202-第一固定槽；203-安装孔；3-后端板；301-第二固定孔；302-第二固定槽；4-拉板；41-拉板绝缘板；42-拉板绝缘垫；401-第一端部；402-第二端部；403-第一固定孔；404-第二螺纹孔；5-前集流板；6-后集流板。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种燃料电池堆的封装结构，所述封装结构包括依次设置的前端板、前绝缘板、后绝缘板、弹性组件和后端板，其中，所述封装结构还包括多个拉板，所述拉板具有用于与所述前端板连接的第一端部以及用于与所述后端板连接的第二端部，所述第一端部设有沿拉板厚度方向的第一固定孔，所述第二端部设有沿拉板长度方向的第二螺纹孔；所述前端板设置有多组与所述第一固定孔配合的第一螺纹孔，所述后端板在与所述第一螺纹孔相对应的位置上设置有多组与所述第二螺纹孔配合的第二固定孔；多个所述拉板的所述第一端部和所述第二端部分别与所述前端板和所述后端板连接，所述前端板和所述后端板向内收紧所述前绝缘板、所述后绝缘板和所述弹性组件以用于夹持设置在所述前绝缘板和所述后绝缘板之间的电池组。

图1显示了根据本发明的封装结构的一种实施方案，图2-4分别显示了前端板、后端板和拉板的一种实施方案。

参照图1-4，本发明的封装结构包括依次设置的前端板2、前绝缘板、后绝缘板、弹性组件和后端板3。另外，本发明的封装结构包括多个拉板4。

拉板4具有用于与前端板2连接的第一端部401以及用于与后端板3连接的第二端部402，第一端部401设有沿拉板厚度方向的第一固定孔403，第二端部402设有沿拉板长度方向的第二螺纹孔404。

前端板2设置有多组与第一固定孔403配合的第一螺纹孔201，后端板3在与第一螺纹孔201相对应的位置上设置有多组与第二螺纹孔404配合的第二固定孔301。

多个拉板4的第一端部401和第二端部402分别与前端板2和后端板3连接，前端板2和后端板3向内收紧前绝缘板、后绝缘板和弹性组件以用于夹持设置在前绝缘板和后绝缘板之间的电池组1。

本申请发明人发现，在燃料电池堆(电堆)的压堆过程中，根据预设压力以及压力与距离之间的关系，将力换算成距离，进而确定压缩后燃料电池堆的高度以及拉板4的长度，由此可以控制电堆的封装力。因此，本发明中采用特定的拉板4来代替螺杆和钢带，拉板4固定在前端板2和后端板3之间，通过拉板4限定电堆的长度，使燃料电池堆定尺寸装配，减少了装配时间，提高了燃料电池堆的装配效率，降低了工艺复杂性，减少了装配工艺步骤，也降低了安装要求和生产成本，降低了因人工操作的失误率以及手工误差，降低了对人工熟练程度的要求，提高了装配的可靠性，保证前端板和后端板能够均匀的分布在电堆上。进一步地，采用本发明的封装结构，并且操作简单，封装效率高，进度快，可以高效率、低成本地装配电堆。

进行燃料电池堆(电堆)封装时，首先将前端板2、前绝缘板、电池组1、后绝缘板、弹性组件和后端板3从下而上放置在压机上，然后将它们压缩到预定距离，从前端板2的侧面，借助螺栓将拉板4的第一端部401经由第一固定孔403和第一螺纹孔201以垂直固定方式固定到前端板2上。从后端板3的上方，借助螺栓将拉板4的第二端部402经由第二固定孔301和第二螺纹孔404以水平固定的方式固定到后端板3上。采用相同的方法固定其它的拉板4，松开压机，完成燃料电池堆的装配。

另外，本发明的封装结构中，弹性组件可以补偿电堆在不同温度下工作时产生的形变，调节电堆内部的应力分布，保证电堆在热胀冷缩的情况下的正常工作。

根据本发明的一个实施例，参照图2，前端板2设有多个与拉板4的第一端部401配合的第一固定槽202，第一固定槽202底部设置有多个第一螺纹孔201。

根据本发明的一个实施例，参照图3，后端板3设有多个与拉板4的第二端部402配合的第二固定槽302，第二固定槽302在其面向后绝缘板的侧壁上设置有多个第二固定孔301。

根据本发明的一个实施例，第一端部401放置在第一固定槽202内，并经由第一固定孔403、第一螺纹孔201和螺栓固定。第二端部402放置在第二固定槽302内，并经由第二固定孔301、第二螺纹孔404和螺栓固定。

根据本发明的一个实施例，参照图4，第一端部401和第二端部402的宽度大于拉板4的中间宽度。由此，可以具有足够的空间设置第一固定孔403和第二螺纹孔404。

根据本发明的一个优选实施例，第一端部401和第二端部402的宽度各自独立地为拉板4的中间宽度的1.2～2倍。

根据本发明的一个实施例，第二端部402的厚度为拉板4的中间厚度的1～2倍，例如，1.5～2倍。由此，可以为第二螺纹孔404提供足够的设置空间。

根据本发明的一个实施例，拉板4是金属拉板。适合用于本发明的金属拉板的实例包括但不限于不锈钢拉板、碳钢拉板和铝合金拉板。

根据本发明的一个实施例，参照图4，本发明的封装结构还包括拉板绝缘板41和拉板绝缘垫42。拉板绝缘垫42、拉板绝缘板41和拉板4自下而上设置，形成拉板组件。

根据本发明的一个实施例，前端板2上还设有安装孔203，由此便于电堆装配。

根据本发明的一个实施例，本发明可以采用本领域中已知的弹性组件。例如，弹性组件为碟簧组件或板簧组件。

根据本发明的一个实施例，本发明的封装结构可以包括4～10个，优选4～8个拉板组件。也就是说，本发明的封装结构可以包括4～10个，优选4～8个拉板4。

另外，本发明中可以采用本领域中任何已知的前绝缘板和后绝缘板，本发明对此没有特殊要求。

另一方面，本发明还提供了燃料电池堆系统。

参照图1，本发明的燃料电池堆系统包括电池组1和封装结构，电池组1放置在前绝缘板和后绝缘板之间，拉板4的第一端部401和第二端部402分别与前端板2和后端板3连接，前端板2和后端板3向内收紧前绝缘板、后绝缘板和弹性组件并夹持电池组1。

根据本发明的一个实施例，本发明的燃料电池堆系统还包括前集流板5和后集流板6。

本发明中，可以采用本领域中任何已知的前集流板和后集流板，本发明对此没有特殊要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)

1.燃料电池堆的封装结构，所述封装结构包括依次设置的前端板(2)、前绝缘板、后绝缘板、弹性组件和后端板(3)，其中，所述封装结构还包括多个拉板(4)，所述拉板(4)具有用于与所述前端板(2)连接的第一端部(401)以及用于与所述后端板(3)连接的第二端部(402)，所述第一端部(401)设有沿拉板厚度方向的第一固定孔(403)，所述第二端部(402)设有沿拉板长度方向的第二螺纹孔(404)；所述前端板(2)设置有多组与所述第一固定孔(403)配合的第一螺纹孔(201)，所述后端板(3)在与所述第一螺纹孔(201)相对应的位置上设置有多组与所述第二螺纹孔(404)配合的第二固定孔(301)；多个所述拉板(4)的所述第一端部(401)和所述第二端部(402)分别与所述前端板(2)和所述后端板(3)连接，所述前端板(2)和所述后端板(3)向内收紧所述前绝缘板、所述后绝缘板和所述弹性组件以用于夹持设置在所述前绝缘板和所述后绝缘板之间的电池组(1)。

2.根据权利要求1所述的封装结构，其中，所述前端板(2)设有多个与所述拉板(4)的所述第一端部(401)配合的第一固定槽(202)，所述第一固定槽(202)底部设置有多个所述第一螺纹孔(201)。

3.根据权利要求2所述的封装结构，其中，所述后端板(3)设有多个与所述拉板(4)的所述第二端部(402)配合的第二固定槽(302)，所述第二固定槽(302)在面向所述后绝缘板的侧壁上设置有多个所述第二固定孔(301)。

4.根据权利要求3所述的封装结构，其中，所述第一端部(401)放置在所述第一固定槽(202)内并经由所述第一固定孔(403)、所述第一螺纹孔(201)和螺栓固定；所述第二端部(402)放置在所述第二固定槽(302)内并经由所述第二固定孔(301)、所述第二螺纹孔(404)和螺栓固定。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的封装结构，其中，所述第一端部(401)和所述第二端部(402)的宽度大于所述拉板(4)的中间宽度。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的封装结构，其中，所述第一端部(401)和所述第二端部(402)的宽度各自独立地为所述拉板(4)的中间宽度的1.2～2倍。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的封装结构，其中，所述第二端部(402)的厚度为所述拉板(4)的中间厚度的1～2倍，例如，1.5～2倍。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的封装结构，其中，所述拉板(4)是金属拉板；

优选地，所述金属拉板为不锈钢拉板、碳钢拉板或铝合金拉板；

优选地，所述弹性组件为碟簧组件或板簧组件；

优选地，所述封装结构包括4～10个，优选4～8个所述拉板(4)。

9.燃料电池堆系统，其中，所述燃料电池堆系统包括电池组(1)和权利要求1至8中任一项所述的封装结构，所述电池组(1)放置在前绝缘板和后绝缘板之间，拉板(4)的第一端部(401)和第二端部(402)分别与前端板(2)和后端板(3)连接，所述前端板(2)和所述后端板(3)向内收紧所述前绝缘板、所述后绝缘板和弹性组件并夹持所述电池组(1)。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆系统，其中，所述燃料电池堆系统还包括前集流板(5)和后集流板(6)。

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