CN113745623A - 一种燃料电池电堆、燃料电池以及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池电堆、燃料电池和车辆，该燃料电池电堆包括至少4个拉杆以及与拉杆数量相同的绝缘杆，至少4个拉杆分布在燃料电池电堆的4个侧面上，拉杆包括拉杆本体以及位于拉杆本体两端的连接部，拉杆通过连接部分别与燃料电池电堆的进气端板的侧面以及盲端封板的侧面连接，进气端板和盲端封板的侧面上均设置有用于容纳连接部的沉槽，连接部与沉槽连接；绝缘杆设置在燃料电池电堆的堆芯与拉杆主体之间，且绝缘杆的两端分别与燃料电池电堆的进气端绝缘板和盲端绝缘板接触。燃料电池电堆通过侧面连接以及设置沉槽，使得燃料电池电堆的绝缘以及封装方向的紧固均不需要扩大端板的面积，且有效缩小体积，有利于提高体积功率密度。

Description

一种燃料电池电堆、燃料电池以及车辆

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池电堆、燃料电池以及车辆。

背景技术

质子交换膜燃料电池(proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC)是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的发电装置，其具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单和操作方便等优点，因此燃料电池被广泛地应用于汽车行业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业。

双极板和膜电极是燃料电池堆中的重要组成部分，双极板用于分配燃料、导电和支撑膜电极，膜电极是电化学反应发生的场所，双极板和膜电极堆叠并串联后组成燃料电池电堆。一个燃料电池又称为单电池，为了提高整个燃料电池的输出功率，通常会将多个单电池通过串联的方式层叠组合起来，从而组装形成燃料电池电堆。为了使燃料电池具有尽量小的接触电阻，就必须施加一定的作用力，使得气体扩散层被压缩，因此需要在电堆外部设置紧固件。

现有技术中，燃料电池电堆采用多个螺杆的方式进行固定，一方面，难以保证在燃料电池电堆上相对的两个螺杆的拧紧力一致，因此容易导致阳极端板和阴极端板由于受力不均而出现弯曲的现象，使得燃料电池电堆的膜电极和双极板上的压力不均匀，进而影响燃料电池电堆的性能。并且，螺杆通过螺母固定在端板上，螺母以及螺杆头部占用较大体积，减小整堆体积功率密度。另一方面，出于绝缘性考虑，端板面积大于电堆端面面积，使得螺杆与电堆之间具有一定安全间隙，实现空气绝缘，但也进一步缩小了整堆的体积功率密度。

综上所述，现有技术中螺杆固定的方案不利于体积功率密度的提高，且对燃料电池电堆的性能有一定的影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池电堆、燃料电池以及车辆，明显提高了燃料电池电堆的功率密度。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种燃料电池电堆，包括至少4个拉杆以及与所述拉杆数量相同的绝缘杆，所述至少4个拉杆分布在所述燃料电池电堆的4个侧面上，所述拉杆包括拉杆本体以及位于所述拉杆本体两端的连接部，所述拉杆通过所述连接部分别与所述燃料电池电堆的进气端板的侧面以及盲端封板的侧面连接，所述进气端板和所述盲端封板的侧面上均设置有用于容纳所述连接部的沉槽，所述连接部与所述沉槽连接；所述绝缘杆设置在所述燃料电池电堆的堆芯与所述拉杆主体之间，且所述绝缘杆的两端分别与所述燃料电池电堆的进气端绝缘板和盲端绝缘板接触。

进一步地，所述拉杆和/或所述绝缘杆上设置有用于限制所述拉杆和所述绝缘杆相对位置的限位结构。

进一步地，所述限位结构包括相配合的凸台和定位槽，所述凸台设置在所述拉杆上，所述定位槽设置在所述绝缘杆上。

进一步地，所述拉杆还包括位于所述本体和所述连接部之间的弯曲部，以在所述拉杆本体与所述堆芯之间形成用于安装所述绝缘杆的空间。

进一步地，所述进气端绝缘板和/或所述盲端绝缘板的侧面上设置有用于限制所述绝缘杆轴向移动的限位块。

进一步地，所述绝缘杆呈槽型，所述绝缘杆套装在所述拉杆上，且所述绝缘杆分别与所述堆芯和所述拉杆接触。

进一步地，所述拉杆的截面为多边形。

进一步地，所述至少4个拉杆的轴线均同时垂直于所述进气端板和所述盲端封板。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种燃料电池，包括壳体和上述的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆设置在所述壳体内。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种车辆，包括上述的燃料电池。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种燃料电池电堆，包括至少4个拉杆以及与拉杆数量相同的绝缘杆；其中：至少4个拉杆分布在燃料电池电堆的4个侧面上，拉杆包括拉杆本体以及位于拉杆本体两端的连接部，拉杆通过连接部分别与燃料电池电堆的进气端板的侧面以及盲端封板的侧面连接，实现进气端板和盲端封板在封装方向上的固定限位，且进气端板和盲端封板的侧面上均设置有用于容纳连接部的沉槽，连接部与沉槽连接，由于拉杆与端板的侧面连接，所以不需要扩大端板的面积，且拉杆占用空间小、缩小整堆体积，能有效提高燃料电池电堆的体积功率密度。绝缘杆设置在燃料电池电堆的堆芯与拉杆主体之间，且绝缘杆的两端分别与燃料电池电堆的进气端绝缘板和盲端绝缘板接触，直接防止堆芯与拉杆主体的直接接触，实现堆芯与拉杆之间的绝缘，有效隔绝电堆芯与拉杆之间的电传递。本发明提供的燃料电池电堆，通过侧面连接以及设置沉槽，使得燃料电池电堆的绝缘以及封装方向的紧固均不需要扩大端板的面积，且有效缩小体积，有利于提高体积功率密度。

现有技术中，采用螺杆进行进气端板和盲端封板的紧固时，由于为了保证螺杆和堆芯之间留有间隙，必然需要外扩端板的面积，导致进气端板和盲端封板的面积大于堆芯的端面面积，且螺杆的轴向体积较大，轴向突出于燃料电池电堆表面，降低燃料电池电堆的体积功率密度。相比于现有技术，本发明在进气端板和盲端封板的侧面设置容纳拉杆连接部的沉槽，不会占用额外的空间，保证拉杆安装后与端板表面齐平，且不需要增加端板的面积，从而达到减小整体体积、提高体积功率密度的技术效果。

本发明提供的一种燃料电池和车辆，采用上述的燃料电池电堆，自然具备上述所有有益效果。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的燃料电池电堆的整体示意图；

图2为图1的燃料电池电堆的爆炸示意图；

图3为图2中的拉杆的结构示意图；

图4为图3的拉杆的俯视示意图；

图5为图3的拉杆与碟簧支撑板的局部连接示意图；

图6为本发明实施例1提供的燃料电池电堆的拉杆的第二种结构示意图；

图7为包括图6的拉杆的燃料电池电堆的整体结构示意图。

附图说明：1-拉杆，11-拉杆主体，12-连接部，13-弯曲部，14-凸台；2-绝缘杆，21-凹槽，22-定位槽；3-进气端板；4-盲端封板，41-盲端端板，42-碟簧支撑板；5-沉槽；6-堆芯；7-进气端绝缘板；8-进气端集流板；9-盲端集流板；10-盲端绝缘板。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

为了解决现有技术中电堆紧固件体积大，且需要安全间隙，导致的整堆体积功率密度小的技术问题，本发明提供了一种燃料电池电堆、燃料电池以及车辆，明显提高了燃料电池电堆的功率密度。下面通过3个实施例对本发明的内容进行详细介绍：

实施例1

如图1-图7所示，本发明提供的一种燃料电池电堆，包括至少4个拉杆1以及与拉杆1数量相同的绝缘杆2；其中：至少4个拉杆1分布在燃料电池电堆的4个侧面上，拉杆1包括拉杆1本体以及位于拉杆1本体两端的连接部12，拉杆1通过连接部12分别与燃料电池电堆的进气端板3的侧面以及盲端封板4的侧面连接，实现进气端板3和盲端封板4在封装方向上的固定限位，即本实施例中拉杆1在未设置进气端板3和盲端封板4的其他4个侧面上。且进气端板3和盲端封板4的侧面上均设置有用于容纳连接部12的沉槽5，连接部12与沉槽5连接，由于拉杆1与端板的侧面连接，所以不需要扩大端板的面积，且拉杆1占用空间小、缩小整堆体积，能有效提高燃料电池电堆的体积功率密度。绝缘杆2设置在燃料电池电堆的堆芯6与拉杆主体11之间，且绝缘杆2的两端分别与燃料电池电堆的进气端绝缘板7和盲端绝缘板10接触，直接防止堆芯6与拉杆1的直接接触，实现堆芯6与拉杆1之间的绝缘，有效隔绝电堆芯6与拉杆1之间的电传递。本发明提供的燃料电池电堆，通过侧面连接以及设置沉槽5，使得燃料电池电堆的绝缘以及封装方向的紧固均不需要扩大端板的面积，且有效缩小体积，有利于提高体积功率密度。

本发明对拉杆1与端板之间的连接方式不做具体限定，可以通过螺钉、铆钉或焊接的方式与端板进行连接。为了在保证连接强度和刚度的前提下，同时尽可能减小拉杆1体积的质量，本实施例中，拉杆1的连接部12的宽带大于拉杆主体11的宽度，通过连接部12增大与进气端板3以及盲端封板4的接触面积，本实施例中，在连接部12上开设有螺纹孔，可以增设螺纹孔的数量，以保证拉杆1的紧固效果，且由于与端板的侧面连接，所以螺纹件平行于端板的长度或宽度方向，现有技术中的螺杆与端板的实际接触长度为端板的厚度，所以本实施例中的拉杆1与端板之间的连接强度远大于现有技术中的连接强度。

为了保证紧固的效果，本实施例中，拉杆1分别与其所在的侧面平行，各个拉杆1相互平行，且拉杆1的轴线同时垂直于进气端板3和盲端封板4，即拉杆1的轴向与封装方向相同，避免由于紧固力的方向与封装压紧方向之间存在夹角导致的剪切力。

现有技术中一般看来，由于堆芯6(膜电极+双极板)只在封装方向压紧固定，四周是放开无固定的。这使得电堆的摆放有特定的要求，只能按照特定的方向安装，否则重复件会受到外界使用环境(重力、振动、冲击等等)影响导致位置发生变化，影响电堆性能和安全性，这导致电堆在车辆应用时受到较大的限制。

由于燃料电池电堆会受到外界使用环境(重力、振动、冲击等等)影响导致位置发生变化，影响电堆性能和安全性，所以需要对绝缘杆2进行定位限制，由于绝缘杆2设置在拉杆1和堆芯6之间，自然拉杆1对绝缘杆2起到Y向限位的作用，为了通过拉杆1对绝缘杆2进行X向限位，本实施例中，绝缘杆2呈槽型，绝缘杆2套装在拉杆1上，绝缘杆2分别与堆芯6和拉杆1接触。同时绝缘杆2与电堆重复件的接触，能够固定双极板和膜电极的四周，再加上封装方向即拉杆1轴向的固定，使得电堆重复件在六个方向受到约束，重复件受到有效固定，外界使用环境(重力、振动、冲击等等)不会影响重复件位置。

本发明对绝缘杆2的结构不做具体限定，为了节约材料、有效控制组装后的燃料电池电堆的质量，本实施例中，绝缘杆2远离堆芯6的一侧设置有凹槽21，拉杆1设置在凹槽21内，通过凸台14与凹槽21结合避免绝缘杆2移动，相比套杆结构的绝缘杆2，仅在绝缘杆2一侧设置凹槽21，可以减少绝缘杆2在堆芯6侧面的突出厚度。

本发明对绝缘杆2的长度不做限定，当绝缘杆2的长度足以满足任何情况下均分别与进气端绝缘板7和盲端绝缘板10时，不需要额外设计用于对绝缘杆2Z向限位的结构。当无法保证始终绝缘时，需要设计定位结构。作为一种可选方案，拉杆1和/或绝缘杆2上设置有用于限制拉杆1和绝缘杆2相对位置的限位结构。该限位结构有多种实施方式，比如拉杆主体11和绝缘杆2中至少一个上固定设置高摩擦系数的结构，比如粘度大的胶体等，通过摩擦力限制相对移动，或者限位结构为嵌合且适配的摩擦齿。本实施例中，限位结构包括相配合的凸台14和定位槽22，拉杆1和绝缘杆2中，其中一个上设置有凸台14，另一个上设置定位槽22。由于拉杆1本身作为紧固件需要承载轴向力，优选地，在拉杆1上间隔设置凸台14，绝缘杆2上设置与凸台14对应的定位槽22，以保证限位强度、避免因应力等导致的栏杆发生断裂的情况，延长拉杆1的使用寿命，如图3和图4所示。

在采用凸台14和定位槽22的限位结构时，必要地需要增加绝缘杆2的厚度以承载剪切力等，此时会导致燃料电池电堆的体积增大，为了不增加端板的面积、限制体积并提高体积功率密度，本实施例中，拉杆1还包括位于本体和连接部12之间的弯曲部13，以在拉杆1本体与堆芯6之间形成用于安装绝缘杆2的空间，如图3所示。

作为另一种可选的绝缘杆2Z向限位的方案，进气端绝缘板7和/或盲端绝缘板10的侧面上设置有用于限制绝缘杆2轴向移动的限位块，将绝缘杆2的Z向运动距离限制在一定范围内，绝缘杆2紧贴电堆重复单元(堆芯6)，绝缘杆2隔绝电堆重复单元与拉杆主体11之间的电传递。此时拉杆1的结构可视具体情况选择在连接部12和拉杆主体11之间设置弯曲部13，或者连接部12和拉杆主体11直接连接，整体呈直杆形，本实施例不做具体限定，如图6所示。

本发明对拉杆1和绝缘杆2的截面形状不做具体限定，为了减小体积以降低占用空间，以及连接限位强度，并提高绝缘杆2的绝缘效果，本发明中，拉杆1和绝缘杆2的截面均优选为多边形。本实施例中，拉杆1和绝缘杆2均为截面呈矩形的杆件。

本发明对燃料电池电堆进气端板3侧的具体构件和结构不做限定，可参考现有技术，本实施例中，燃料电池电堆的进气端板3侧，由外侧至内部依次设置有进气端板3、进气端绝缘板7、进气端集流板8和碳纸。

同样的，本发明对燃料电池电堆的盲端侧的具体构件和结构不做限定，可参考现有技术，即至少包括沿燃料电池电堆的内部至外侧依次设置的盲端集流板9、盲端绝缘板10和盲端端板41，此时盲端端板41即作为盲端封板4，拉杆1的两端分别与进气端板3的侧面和盲端端板41的侧面连接固定，进气端板3的侧面和盲端封板4的侧面上对应设置用于容纳拉杆1的连接部12的沉槽5。

由于燃料电池电堆的工作温度跨度大，比如-20℃～90℃，在不同时刻下，温度的变化均会导致各零件组成的热胀冷缩，为了保证膜电极和双极板之间的压缩率，降低热胀冷缩对燃料电池电堆性能的影响，且一般情况下盲端端板41的厚度小于进气端板3的厚度，所以为了同时保证连接的强度，本实施例中，盲端端板41的外侧还设置有碟簧支撑板42，碟簧支撑板42上间隔开设碟簧安装孔，碟簧对应设置在盲端端板41和碟簧支撑板42之间，可在一定范围内实现自适应调节，本发明通过碟簧预留压缩余量和膨胀余量，保证燃料电池电堆性能的稳定。此时碟簧支撑板42作为盲端封板4，进气端板3和碟簧支撑板42分布在燃料电池电堆的封装方向的两端，所以本实施例中，拉杆1的两端分别与进气端板3和碟簧支撑板42连接固定施加紧固力，进气端板3的侧面和碟簧支撑板42的侧面上对应设置用于容纳拉杆1的连接部12的沉槽5。

本发明提供的燃料电池电堆，通过采用拉杆1式紧固件，缩小整堆体积，端板侧边设置沉孔，保证拉杆1安装后端板表面齐平即拉杆1不突出于端板的表面，减小整体体积，提高体积功率密度。同时拉杆1与堆芯6之间增设绝缘杆2，提高绝缘效果，以使端板面积减小，进一步提高体积功率密度。绝缘杆2在X向、Y向和Z向均被限位，且在拉杆1作用下与电堆重复件贴合接触，能够固定双极板和膜电极的四周，再加上封装方向的固定，使得电堆重复件在六个方向受到约束，重复件受到有效固定，外界使用环境(重力、振动、冲击等等)不会影响重复件位置。

实施例2

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种燃料电池，包括壳体和实施例1提供的的燃料电池电堆，燃料电池电堆设置在壳体内。本发明对燃料电池的种类及类型不做具体限定，可以为现有技术中任一种燃料电池，比如质子交换膜燃料电池等，该燃料电池的其他未详述结构均可参照现有技术的相关公开，此处不做展开说明。

实施例3

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种车辆，包括实施例2提供的燃料电池，即该车辆的燃料电池电堆采用实施例1提供的燃料电池电堆的结构，并通过拉杆1和绝缘杆2连接固定。本发明对车辆的种类及类型不做具体限定，可以为现有技术中任一种车辆，比如家用小车、客车、货车等，该车辆的其他未详述结构均可参照现有技术的相关公开，此处不做展开说明。

通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

1)本发明提供的燃料电池电堆，通过采用拉杆式紧固件，缩小整堆体积，端板侧边设置沉孔，保证拉杆安装后端板表面齐平即拉杆不突出于端板的表面，减小整体体积，提高体积功率密度，同时拉杆与堆芯之间增设绝缘杆，提高绝缘效果，以使端板面积减小，进一步提高体积功率密度。且由于与端板的侧面连接，所以螺纹件平行于端板的长度或宽度方向，现有技术中的螺杆与端板的实际接触长度为端板的厚度，所以本实施例中的拉杆与端板之间的连接强度远大于现有技术中的连接强度。

2)本发明提供的燃料电池电堆，绝缘杆在X向、Y向和Z向均被限位，且在拉杆作用下与电堆重复件贴合接触，能够固定双极板和膜电极的四周，再加上封装方向的固定，使得电堆重复件在六个方向受到约束，重复件受到有效固定，外界使用环境(重力、振动、冲击等等)不会影响重复件位置。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括至少4个拉杆以及与所述拉杆数量相同的绝缘杆，所述至少4个拉杆分布在所述燃料电池电堆的4个侧面上，所述拉杆包括拉杆本体以及位于所述拉杆本体两端的连接部，所述拉杆通过所述连接部分别与所述燃料电池电堆的进气端板的侧面以及盲端封板的侧面连接，所述进气端板和所述盲端封板的侧面上均设置有用于容纳所述连接部的沉槽，所述连接部与所述沉槽连接；所述绝缘杆设置在所述燃料电池电堆的堆芯与所述拉杆主体之间，且所述绝缘杆的两端分别与所述燃料电池电堆的进气端绝缘板和盲端绝缘板接触。

2.如权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述拉杆和/或所述绝缘杆上设置有用于限制所述拉杆和所述绝缘杆相对位置的限位结构。

3.如权利要求2所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述限位结构包括相配合的凸台和定位槽，所述凸台设置在所述拉杆上，所述定位槽设置在所述绝缘杆上。

4.如权利要求3所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述拉杆还包括位于所述本体和所述连接部之间的弯曲部，以在所述拉杆本体与所述堆芯之间形成用于安装所述绝缘杆的空间。

5.如权利要求1所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述进气端绝缘板和/或所述盲端绝缘板的侧面上设置有用于限制所述绝缘杆轴向移动的限位块。

6.如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述绝缘杆呈槽型，所述绝缘杆套装在所述拉杆上，且所述绝缘杆分别与所述堆芯和所述拉杆接触。

7.如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述拉杆的截面为多边形。

8.如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述至少4个拉杆的轴线均同时垂直于所述进气端板和所述盲端封板。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括壳体和权利要求1-8中任一项所述的燃料电池电堆，所述燃料电池电堆设置在所述壳体内。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求9所述的燃料电池。

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