CN114865039A - 端板组件及燃料电池电堆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种端板组件及燃料电池电堆，属于燃料电池技术领域。一种端板组件，用于燃料电池电堆，端板组件包括：第一端板，第一端板包括两端具有开口的容纳腔，容纳腔内设置有至少一个支撑筋，第一端板的至少部分的外表面设有弧形曲面；第二端板，第二端板包括浮动端板、弹性件和外端板，弹性件设于浮动端板和外端板之间，浮动端板相对外端板更靠近第一端板；连接构件，连接构件包括连接板件、连接杆件或连接带，沿着第一方向，第一端板与第二端板通过连接板件连接；燃料电池电堆的堆芯组件设置在第一端板和第二端板之间。本申请可以改善端板的变形问题，增加燃料电池电堆压力分布的均匀性，可靠性或密封性较高。

Description

端板组件及燃料电池电堆

技术领域

本申请属于燃料电池技术领域，具体涉及一种端板组件及燃料电池电堆。

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电化学装置，具有能量转换率高、低排放、污染小、噪声低、维护方便等优点；质子交换膜燃料电池(PEMFC)属于燃料电池中的一种。近年来，在新一轮能源革命的驱动下，以及能源和环境的双重压力下，世界各国正大力发展燃料电池技术，以支撑低碳、清洁的发展模式。质子交换膜燃料电池的应用十分广泛，主要应用领域可分为三大类：一是用作便携电源、备用电源等，适用于军事、通讯等领域，以满足野外、应急供电需要；二是可用作汽车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求；三是可用作分布式电站，可以与电网供电系统共用调峰；或者也可独立供电，适于用作海岛、山区等边远地区。因此，燃料电池技术拥有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

通常的，单个燃料电池主要由质子交换膜(电解质)，催化剂层、气体扩散层和双极板组成。气体扩散层、催化剂层和聚合物电解质膜通过热压过程制备得到膜电极组件(MEA)。其中，中间的质子交换膜主要起到传导质子(H⁺)、阻止电子传递和隔离阴阳极反应的多重作用。两侧的催化剂层是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所；气体扩散层的主要作用是为支撑催化剂层、稳定电极结构、提供气体传输通道及改善水管理；双极板的主要作用是分隔反应气体，并通过流场将反应气体导入燃料电池中，收集并传导电流，支撑膜电极，以及承担整个燃料电池的散热和排水功能。

燃料电池电堆通常由几十节到几百节单电池串联而成。为了保证燃料电池的性能和寿命，需要在某种程度上保持足够大且均匀的接触压力以防止电堆反应物(燃料、氧化剂以及冷却剂)的泄漏并且使得极板与膜电极质检的接触电阻最小。因此，通常需要将电池堆芯置于两端板之间，向堆芯施加一定组装力，并使用紧固件(如螺杆、绑带等)进行紧固。例如，公开号为CN106816619A、CN108475805A或CN113130960A的中国专利公开了燃料电池电堆的封装或端板结构，但是现有的这些燃料电池电堆中的端板大多采用平板式结构，或者采用的紧固件通常为螺杆或金属绑带，然而平板形状的端板会由于边缘局部受力而产生边缘弯曲并中间凸起的变形，进而导致密封不良、活性区受力不均甚至损坏电堆的问题；此外，螺杆也容易带来较大的局部应变，金属绑带的设计也是同样无法解决平板形状端板的变形问题。因此，相关技术中的用于燃料电池电堆中的端板还存在改进的需求。

发明内容

鉴于存在的上述问题，本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供一种端板组件、以及包含该端板组件的燃料电池电堆，可以改善端板的变形问题，增加对燃料电池电堆压力分布的均匀性，结构稳定可靠，能克服现有技术中的不足。

为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：

根据本申请的一个方面，本申请实施例提供了一种端板组件，用于燃料电池电堆，所述端板组件包括：

第一端板，所述第一端板包括两端具有开口的容纳腔，所述容纳腔内设置有至少一个支撑筋，所述第一端板的至少部分的外表面设有弧形曲面；

第二端板，所述第二端板包括浮动端板、弹性件和外端板，所述弹性件设于所述浮动端板和所述外端板之间，所述浮动端板相对所述外端板更靠近所述第一端板；

连接构件，所述连接构件包括连接板件、连接杆件或连接带，沿着第一方向，所述第一端板与所述第二端板适于通过所述连接板件连接，沿着第二方向，所述第一端板与所述第二端板适于通过连接板件、所述连接杆件或所述连接带中的至少一者连接，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

所述燃料电池电堆的堆芯组件适于设置在所述第一端板和所述第二端板之间。

在其中的一些实施方式中，所述第一端板包括第一本体和第二本体，所述第一本体和所述第二本体围构形成两端设有所述开口的所述容纳腔，所述第二本体相对所述第一本体更靠近所述第二端板，所述第一本体背离所述第二本体的外表面和/或所述第二本体背离所述第一本体的外表面设有至少部分弧形曲面。

在其中的一些实施方式中，所述第一本体、所述第二本体以及所述支撑筋采用一体成型；或者，所述第一本体与所述第二本体采用分体式的结构，所述第一本体与所述第二本体通过所述连接板件连接，所述第一本体内的部分支撑筋与所述第二本体内的部分支撑筋对接形成整个所述支撑筋。

在其中的一些实施方式中，所述第一本体背离所述第二本体的外表面设有向外凸起的弧形曲面，所述第一本体的边缘具有厚度渐变区域；和/或，所述第二本体背离所述第一本体的外表面为平面。

在其中的一些实施方式中，所述支撑筋的数量为1-10个；和/或，所述支撑筋从一端的所述开口向另一端的所述开口方向延伸，以使所述端板的两端分别形成多个所述开口，所述支撑筋的数量比所述开口的数量少一个；和/或，所述支撑筋在所述容纳腔内呈竖直设置，或者呈倾斜设置。

在其中的一些实施方式中，所述第一端板的两端分别设有至少一个贯穿所述第一端板的通孔，所述通孔用于与管路连接，以使所述管路通过所述通孔与所述堆芯组件连通；和/或，所述第一端板的材质为铝合金或钢材；和/或，沿着第一方向，所述第一端板设有用于与所述连接板件连接的第一连接区域。

在其中的一些实施方式中，所述第一连接区域为形成于所述第一端板第一方向上的第一沉槽，所述第一沉槽设置有若干个第一连接孔。

在其中的一些实施方式中，所述堆芯组件包括活性区域，所述连接板件的宽度与所述活性区域的长度相适应；和/或，所述连接板件包括用于与所述第一端板连接的第一端部，以及用于与所述第二端板连接的第二端部，所述第一端部和所述第二端部分别设置有若干个第三连接孔。

在其中的一些实施方式中，所述连接板件包括位于所述第一端部和所述第二端部之间的连接主体，所述连接主体分别与所述第一端部和所述第二端部呈角度设置；和/或，所述连接板件设有减重结构；和/或，所述连接板件的材质包括钢材；和/或，所述连接板件的厚度为1-5mm。

在其中的一些实施方式中，所述浮动端板背离所述第一端板的一侧表面包括平面和/或弧形曲面，所述外端板朝向所述浮动端板的一侧表面包括平面和/或弧形曲面；和/或，所述浮动端板背离所述第一端板的一侧表面，与所述外端板朝向所述浮动端板的一侧表面中的一者设有弹性件安装部，另一者设有与所述弹性件安装部相对应的安装配合部。

在其中的一些实施方式中，所述浮动端板设有多个减重凹槽；和/或，所述外端板设有多个减重凹槽。

在其中的一些实施方式中，沿着第一方向，所述第二端板设有用于与所述连接板件连接的第二连接区域；所述第二连接区域为形成于所述第二端板第一方向上的第二沉槽，所述第二沉槽设置有若干个第二连接孔。

根据本申请的另一个方面，本申请实施例还提供了一种燃料电池电堆，该燃料电池电堆包括如前所述的端板组件及堆芯组件，所述堆芯组件包括第一绝缘板、第一集流板、堆芯、第二集流板、第二绝缘板；

其中，所述第一端板、所述第一绝缘板、所述第一集流板、所述堆芯、所述第二集流板、所述第二绝缘板、所述浮动端板、所述弹性件和所述外端板依次设置，所述第一端板和所述外端板通过所述连接构件连接。

实施本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：

在本申请实施例中，所提供的端板组件可用于燃料电池电堆中，该端板组件包括第一端板、第二端板和连接构件，其中，第一端板包括两端具有开口的容纳腔，容纳腔内设置有支撑筋，第一端板的至少部分的外表面设有弧形曲面；由此，增加了惯性矩并获取了较大的刚度，减少或避免了现有的平板式端板容易变形的问题，可以极大程度上改善端板的变形问题，有助于提高电堆的密封性和可靠性。并且，第二端板包括浮动端板、弹性件和外端板，由此，浮动端板和外端板可以通过弹性件在长度方向上分布调节电堆长度方向的弯曲，通过弹性件对组装力进行补偿，可以减少电堆寿命周期内部零部件材料发生松弛或蠕变等材料机械性能下降的物理特性，导致电堆组装力下降、电堆接触电阻增大或气体泄漏，可以提供过压保护功能。同时，第一端板和第二端板在第一方向上通过连接板件连接，该连接板件可以与外端板和第一端板的各个接触位置边界条件相同，能够比较平均的施加密封压力，可改善现有的螺杆带来较大局部应变而其他位置应变较小密封接触不良的问题，也可以避免现有的各个绑带受力不同带来的电堆反应区受力不均的问题。

本申请的燃料电池电堆包括上述端板组件，因而至少具有端板组件所具有的所有特征及优势，在此不再赘述。本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1为本申请示例性的一些实施方式提供的端板组件的结构示意图；

图2为本申请示例性的一些实施方式提供的第一端板的结构示意图；

图3为本申请示例性的一些实施方式提供的第一端板的截面示意图；

图4为本申请示例性的一些实施方式提供的第一端板中第一本体的结构示意图；

图5为本申请示例性的一些实施方式提供的第二端板中浮动端板的结构示意图；

图6为本申请示例性的一些实施方式提供的第二端板中外端板的结构示意图；

图7为本申请示例性的一些实施方式提供的第二端板中外端板的另一视角结构示意图；

图8为本申请示例性的一些实施方式提供的连接板件的结构示意图；

图9为本申请示例性的一些实施方式提供的燃料电池电堆的爆炸示意图；

图10为本申请示例性的一些实施方式提供的燃料电池电堆紧固后的结构示意图。

附图标记：

10-第一端板；101-第一本体；102-第二本体；103-支撑筋；104-开口；105-容纳腔；111-厚度渐变区域；112-第一沉槽；113-第一连接孔；114-通孔；115-螺杆连接孔；

20-第二端板；201-浮动端板；202-弹性件；203-外端板；211-碟簧导柱；212-碟簧槽；213-减重凹槽；214-导柱减重槽；231-第二沉槽；232-第二连接孔；233-导柱配合孔；234-碟簧沉槽；

30-连接板件；301-第一端部；302-第二端部；303-连接主体；304-第三连接孔；

31-连接杆件；

40-管路；

50-第一绝缘板；

60-第一集流板；

70-堆芯；

80-第二集流板；

90-第二绝缘板。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本领域技术人员理解，如背景技术所言，现有的用于燃料电池电堆的端板还存在或多或少的缺陷，仍然存在改进的需求。例如，目前端板通常为平板设计，紧固件通常为螺杆或金属绑带。该种设计结构简单，但螺杆会带来较大的局部应变，平板形状的端板也会因边缘局部受力产生边缘弯曲中间凸起的变形，进而导致密封不良、活性区受力不均甚至损坏电堆的问题。此外，金属绑带的设计也是同样无法解决平板形状端板的变形问题，且金属绑带通常采用焊接或头部螺栓连接的方式，很难保证多条绑带受力相同，有可能会加重活性区受力不均的问题。相关技术中，为了保证端板有足够的刚度以抵抗变形，通常会选择增加端板的厚度，但这会导致电堆重量的增加，违背了燃料电池电堆轻量化发展的趋势。

有鉴于此，本申请实施例的技术方案提供了一种可用于燃料电池电堆的端板组件，以及包含该端板组件的燃料电池电堆，可改善燃料电池电堆的端板容易变形的问题，提高燃料电池电堆的密封性及受力均匀性，还能满足燃料电池电堆的轻量化需求。具体技术方案的描述参见下文。

请参阅图1至图10所示，本申请的一些实施例中，提供一种端板组件，可用于燃料电池电堆，燃料电池电堆包括堆芯组件，还包括本实施例提供的端板组件。燃料电池电堆中的堆芯组件可以为相关技术中常规的或者具有改进结构的用于燃料电池电堆的堆芯组件。本实施例中，端板组件包括：第一端板10、第二端板20和连接构件，堆芯组件可以设置于第一端板10和第二端板20之间，连接构件可以与第一端板10和第二端板20连接。在进行燃料电池电堆的组装时，可以将堆芯组件设置于第一端板10和第二端板20之间，向堆芯组件施加一定组装力，并使用连接构件进行紧固。

上述第一端板10和第二端板20分别设置于燃料电池电堆的两端，第一端板10可以作为气口端板，也即，第一端板10上可以设有通气口，第二端板20可以作为盲端端板。上述气口端板可以为电堆结构的起始端，气口端板外侧为开放面，可用于集成电堆进出口歧管和传感器接口等。上述盲端端板可以为电堆结构的末端，用于补偿因零部件的松弛或/与温度的改变引起电堆的热胀冷缩而导致的组装力变化。

具体的，如图1至图4所示，第一端板10包括两端具有开口104的容纳腔105，容纳腔105内设置有至少一个支撑筋103，第一端板10的至少部分的外表面设有弧形曲面。

为了避免现有的平板状端板尤其是平板状的气口端板容易产生变形，影响燃料电池电堆的密封性或相关性能的问题，本实施例对气口端板的结构进行了改进。通过使第一端板10的两端具有开口104，内部具有容纳腔105，使得第一端板10能具有镂空结构，并且为了增加结构的稳定性，提高其强度，在容纳腔105内设置至少一个支撑筋103；同时，第一端板10的至少部分外表面具有弧形曲面，更有利于力的传递，有利于缓解燃料电池电堆内部压力不均的问题。

由此，该第一端板10的截面可以为“Ⅰ”字梁截面、或“Ⅱ”字梁截面、“Ⅲ”字梁截面等，截面的形状可以根据支撑筋103的数量的不同而变化，如设置一个支撑筋103时，第一端板10的截面可以为“Ⅰ”字梁截面，设置两个支撑筋103时，第一端板10的截面可以为“Ⅱ”字梁截面等等。从而，通过使第一端板10的截面为工字梁或类似工字梁截面，增加了惯性矩并获取宽度方向上较大的刚度，可极大程度上改善端板的变形问题，减少或避免现有的平板状端板容易变形而导致电堆密封不良或损坏电堆的问题。在本发明的一些优选实施方案中，第一端板10可以采用合金等轻量化的材质制作而成。从而，通过合金如铝合金的材料的选用和工字梁或类似工字梁的镂空能够在保证端板刚度的同时，大幅度降低端板的质量，满足燃料电池电堆的轻量化需求。

如图1所示，第二端板20包括浮动端板201、弹性件202和外端板203，弹性件202设于浮动端板201和外端板203之间，浮动端板201相对外端板203更靠近第一端板10。可选的，上述浮动端板201和外端板203中的至少一者可以设有用于对弹性件202进行定位的定位结构。

根据本实施例，浮动端板201和外端板203可以通过弹性件202在长度方向上的分布调节电堆长度方向的弯曲，二者中的至少一者可以设置具有弹性件202定位功能；同时应用拓扑优化设计保证了浮动端板201和外端板203的刚度的同时降低了端板的质量，满足燃料电池电堆的轻量化需求。通过弹性件202对组装力进行补偿，防止电堆寿命周期内电堆内部零部件材料发生松弛或蠕变等材料机械性能下降的物理特性，导致电堆组装力下降，电堆接触电阻增大或气体泄漏；弹性件亦可为电堆提供过压保护功能，防止组装力过大损坏弹性件和电堆，提高了燃料电池电堆的安全性和可靠性。

连接构件包括连接板件30、连接杆件31或连接带，沿着第一方向，第一端板10与第二端板20适于通过连接板件30连接，沿着第二方向，第一端板10与第二端板20适于通过连接板件30、连接杆件31或连接带中的至少一者连接，第一方向与第二方向相互垂直。

上述第一方向可以为第一端板10或第二端板20的长度方向，第二方向可以为第一端板10或第二端板20的宽度方向。上述第一端板10和第二端板20大体上可以呈长方形，当然，第一端板10和第二端板20还可以采用其他形状结构，本实施例对此不作限定。相对而言，各端板在第一方向上两端之间的距离要大于在第二方向上两端之间的距离。

由于各端板在第一方向上两端之间的距离相对较长，也即第一方向上的尺寸较长，本实施例采用连接板件30进行连接，通过连接板件30的两端分别与第一端板10和第二端板20中的外端板203连接，连接板件30与外端板203和第一端板10的各个接触位置边界条件相同，连接板件30长度与有效面积区域的长度可以大概一致，这样能够比较平均的施加密封压力，可改善现有的螺杆连接带来较大局部应变而其他位置应变较小密封接触不良的问题；相较现有的绑带连接而言，本实施例的连接板件30具有固定的长度尺寸特性，可以避免各个绑带受力不同带来的电堆反应区受力不均的问题。而在第二方向上，由于其尺寸相对较短，因而，可以采用连接板件30、连接杆件31或连接带进行连接，均可在一定程度上弱化局部应力带来的密封问题，也即，第二方向上，第一端板10和第二端板20之间的连接方式可以具有多种，可以根据实际需求而选择设定。

由此，基于以上设置，根据本发明实施例提供的技术方案，可以改善端板变形的问题，提高堆芯组件与端板组件之间实现整体密封性，可将预设压力大小均匀地传递给该燃料电池电堆的燃料电池单体，减少或避免燃料电池电堆内部压力不均匀问题，保证了燃料电池电堆的运行性能，提高了燃料电池电堆的安全性及结构稳定可靠性。

如图2至图4所示，在一些实施例中，第一端板10包括第一本体101和第二本体102，第一本体101和第二本体102围构形成两端设有开口104的容纳腔105，第二本体102相对第一本体101更靠近第二端板20，第一本体101背离第二本体102的外表面和/或第二本体102背离第一本体101的外表面设有至少部分弧形曲面。

上述第一端板10可以由第一本体101和第二本体102组成，第一本体101和第二本体102可以围够形成内部具有容纳腔105的结构，且该容纳腔105内设有若干个支撑筋103，该容纳腔105的两端分别设有多个开口104，开口104位于第一端板10第一方向上的两端，开口104的数量可以根据支撑筋103的数量的不同而变化。其中，第二本体102相对第一本体101更靠近第二端板20，示例性的，燃料电池电堆沿竖直方向放置时，从上至下，第一本体101、第二本体102、堆芯组件、浮动端板201、弹性件202和外端板203可以依次设置。此外，第一本体101背离第二本体102的外表面可以设有至少部分弧形曲面，或者，第二本体102背离第一本体101的外表面可以设有至少部分弧形曲面，或者，第一本体101背离第二本体102的外表面和第二本体102背离第一本体101的外表面均可以设置至少部分弧形曲面。通过弧形曲面的设计，有助于力的传递，可改善燃料电池电堆各处的密封性。

如图2至图4所示，在一些实施例中，第一本体101、第二本体102以及支撑筋103可以采用一体成型。也即，该第一端板10可以为一个整体零件，其截面为工字梁或类工字梁结构，通过采用一体成型的方式，整体性好，连接更加可靠、稳定。

在另一些实施例中，第一本体101与第二本体102采用分体式的结构，第一本体101与第二本体102通过连接板件30连接，第一本体101内的部分支撑筋与第二本体102内的部分支撑筋对接形成整个支撑筋103。也即，第一本体101和第二本体102可以分开制作，第一本体101可以设置一部分支撑筋，第二本体102也可以设置一部分支撑筋，第一本体101的支撑筋和第二本体102的支撑筋相对应设置，将二者对接即可形成整个支撑筋103，采用分体式的结构，方便分开进行加工制作，容易成型，有助于降低成本。

由此，上述第一端板10的截面为工字梁或类工字梁结构，其可以为一个整体零件，通过一体成型的方式制作而成；或者，考虑到材料如铝型材的加工工艺及成本问题，也可以将第一端板10的第一本体101和第二本体102分为两部分进行单独制作，而后将二者组合并连接在一起，截面依然为工字梁或类工字梁结构。此外，本实施例中，将第一本体101和第二本体102进行连接时，无需再通过额外的紧固件进行连接，通过连接板件30和紧固螺钉即可将第一本体101和第二本体102紧固在一起。这样，方便安装和拆卸，容易操作，可以提高组装效率。

在一些实施例中，支撑筋103的数量可以为1-10个。进一步，在一些实施例中，支撑筋103的数量可以为2-8个。进一步，在一些实施例中，支撑筋103的数量可以为2-5个。示例性的，支撑筋103的数量可以为1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个等。采用2个或2个以上的支撑筋103时，支撑筋103间隔的设置。通过多个支撑筋103的设置，有助于提高结构的稳定可靠性，提高端板的强度，减少其变形。

如图4所示，在一些实施例中，支撑筋103从一端的开口104向另一端的开口104方向延伸，以使端板的两端分别形成多个开口104，支撑筋103的数量比开口104的数量少一个。也就是，支撑筋103沿着第一方向间隔设置，即支撑筋103可以沿着第一端板10的长度方向，从其一端延伸至另一端。支撑筋103的数量要比开口104的数量少一个，如，设置1个支撑筋103时，可以形成2个开口104，设置2个支撑筋103时，可以形成3个开口104等等，在此不再一一列举。

在一些实施例中，支撑筋103在容纳腔105内呈竖直设置，或者呈倾斜设置。支撑筋103可以垂直于极板平面设置，也可以与极板平面呈角度的倾斜设置。例如，当设置多个支撑筋103时，部分支撑筋103可以呈竖直设置，部分支撑筋103可以呈倾斜设置，使得容纳腔105内的支撑筋103呈发射状设置，或者所有的支撑筋103也可以平行布置。本实施例对于支撑筋103的具体设置方式不作限定。

基于以上容纳腔105内支撑筋103的设置，可以提高结构的稳定可靠性，提高端板的强度，可以改善端板的变形问题。

如图2至图4所示，在一些实施例中，第一本体101背离第二本体102的外表面设有向外凸起的弧形曲面，第一本体101的边缘具有厚度渐变区域111。例如，第一本体101的上表面可以设有向外凸起的弧形曲面，也即第一本体101可以具有拱形部分，第一本体101的边缘可以采用厚度渐变式的设置方式。可选的，厚度渐变区域111的渐变方向与第一端板10上边弧度的切线相垂直。

通过采用厚度渐变设计，厚度从外至电堆的堆芯组件方向逐渐增加，且与弧形的切线相垂直，电堆的所受的垂直于极板方向的组装力可被分解为沿弧形切线方向和厚度渐变方向的分力，这样，增加了端板边缘部分的刚度，从而可以改善因边缘应力集中产生的变形问题。

在一些实施例中，第二本体102背离第一本体101的外表面为平面。例如，第二本体102的下表面可以为平面。这样，便于与堆芯组件进行紧密配合连接。

此外，在其他实施方式中，第二本体102的下表面也可以具有至少部分弧形曲面。可选的，第二本体102的边缘也可以采用厚度渐变设计，或者也可以采用厚度一致性的设计。

如图2所示，在一些实施例中，第一端板10的两端分别设有至少一个贯穿第一端板10的通孔114，通孔114用于与管路40连接，以使管路40通过通孔114与堆芯组件连通。

根据本实施例，第一端板10可以作为气口端板，因而，第一端板10需要设有用于通入气体或液体的通孔114，该通孔114与管路40连接，管路40可以与气源连接，通过在通孔114处设置管路40，并使管路40可以从第一端板10的下表面穿出，也即管路40可以从第一端板10的上方插入并从第一端板10的下表面穿出，从而可以使管路40通过该通孔114与堆芯组件中的三腔连通。可选的，上述管路40可以为歧管，通孔114需要与歧管相匹配。

可选的，位于第一端板10一侧的通孔114可以为一个相对较大尺寸的通孔114，或者，也可以为三个相互独立的通孔114，位于第一端板10两侧的通孔114可以相适应的设置。

在一些实施例中，第一端板10的下表面与歧管匹配的通孔114周围可设有与歧管底座相配合的凹槽。通过设置在第一端板10的下表面设置凹槽，可以使第一端板10与堆芯组件中的第一绝缘板50紧密连接配合，避免二者之间存在间隙而影响电堆的密封性，使得整个结构的连接更为可靠。此外，在其他实施方式中，也可以在第一端板10不设置该凹槽，并将凹槽设置于堆芯组件中的第一绝缘板50，这样也可以提高二者连接的紧密性，使得电堆的密封性较好。

可选的，上述歧管的设计可以采用绝缘材质，并且使用内部嵌套结构，上、下密封件承受电堆预紧力与气口端板和绝缘板接触直接形成密封，这样安全可靠，无需紧固件固定，避免了传统歧管安装在气口端板组件外侧需要紧固件进行密封，在电堆运行的过程当中受到冲击振动，紧固件易产生松脱进而发生气体泄漏的问题。

在一些实施例中，第一端板10的材质为铝合金或钢材；其中的钢材优选为高强度钢。当然，在其他实施方式中，第一端板10的制作材质还可以为其他的轻质材料，如类似于铝合金的合金材料等。

由此，本实施例的第一端板10可以采用铝合金等轻质材料，并通过上述第一本体101、第二本体102、支撑筋103等的配合设置，在保证第一端板10具有足够的刚度可以抵抗变形的情况下，避免了现有技术中通过增加端板厚度导致电堆重量增加的缺陷，大幅度降低了第一端板10的质量，满足燃料电池电堆的轻量化需求。

在一些实施例中，沿着第一方向，第一端板10设有用于与连接板件30连接的第一连接区域。为了方便与连接板件30进行连接，减少或避免第一端板10的变形问题，在第一端板10的长度方向两侧端可以分别设置第一连接区域，连接板件30通过该第一连接区域与第一端板10进行连接。

可选的，如图2所示，第一连接区域为形成于第一端板10第一方向上的第一沉槽112，第一沉槽112设置有若干个第一连接孔113。例如，在第一端板10长度方向上表面和侧面设置与连接板件30相匹配的第一沉槽112，第一沉槽112上表面可以分布多个第一连接孔113，以作为连接板件30的连接区域。可选的，第一连接孔113可以为螺纹孔，连接板件30可以通过螺纹孔和螺钉与第一端板10的第一连接区域紧固连接。此外，在其他实施方式中，还可以通过本领域熟知的其他连接方式如卡接、铆接等方式，将第一端板10与连接板件30连接在一起，本实施例对此不作限定。

可选的，第一连接孔113贯穿第一本体101和第二本体102，位于第一本体101上的第一连接孔113可以为通孔，位于第二本体102上的相对应的第一连接孔113可以为螺纹孔。

如图10所示，在一些实施例中，沿着第二方向，第一端板10与第二端板20通过一个或多个连接杆件31连接。可选的，连接杆件31可以为螺杆，第一端板10的第二方向设置有螺杆连接孔115，以使第一端板10通过该螺杆连接孔115与螺杆连接。上述螺杆连接孔115贯穿第一端板10，一侧的螺杆连接孔115的数量可以为一个或多个。可选的，螺杆连接孔115的上表面为一个平面或平台，这样便于螺杆以及螺母垫片的安装。

在第一端板10宽度方向的两端由于尺寸较窄，连接板件30的排布可能会有困难，因此采用有螺杆连接孔115代替第一沉槽112，采用螺杆来对两端气口侧施加组装力。此处螺杆排布相对长度方向更密集，可在一定程度上弱化螺杆局部应力带来的密封问题。也就是，在宽度方向上采用螺杆连接紧固的方式，可以弱化端板变形的现象，能减少或避免由于局部应力而带来的密封问题。

此外，在其他实施方式中，沿着第二方向，第一端板10与第二端板20也通过连接板件30或连接带连接，或者也可以通过连接板件30和连接杆件31进行连接。当第一端板10与第二端板20也通过连接板件30进行连接时，第一端板10的宽度方向需要设有用于与连接杆件31连接的连接区域，如在宽度方向上也开设与连接板件30相匹配的沉槽。

可选的，上述螺杆的总数量可以为2-8根，进一步可以为2-4根，例如可以为2根、3根、4根、5根、6根、7根、8根等。其中，当设置2根螺杆时，可以在电堆的两侧分别设置1根；当设置4根螺杆时，可以在电堆的两侧分别设置2根。可选的，上述螺杆的直径可以为M4-M8，例如可以为M4、M5、M6、M7、M8等。

进一步，如图5至图7所示，根据本实施例，第二端板20包括浮动端板201、外端板203、及设于浮动端板201和外端板203之间的弹性件202；其中，浮动端板201的外形可以与堆芯组件中的双极板的外形尺寸相一致，外端板203的整体尺寸可以略大于浮动端板201的尺寸，且外端板203的尺寸可以与第一端板10即气口端板的尺寸相同。通过浮动端板201和弹性件202的设置，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。

如图5至图7所示，在一些实施例中，沿着第一方向，第二端板20设有用于与连接板件30连接的第二连接区域。为了方便与连接板件30进行连接，与第一端板10相对应的，可以在第二端板20中的外端板203的长度方向两侧端可以分别设置第二连接区域，连接板件30通过该第二连接区域与第二端板20进行连接。可选的，所述第二连接区域为形成于第二端板20第一方向上的第二沉槽231，第二沉槽231设置有若干个第二连接孔232。

应理解，第二端板20中，与上述第一端板10相对应，外端板203的长度方向可以上表面和侧面设置与连接板件30相匹配的第二沉槽231，第二沉槽231上表面可以分布多个第二连接孔232，以作为连接板件30的连接区域。可选的，该第二连接孔232也可以为螺纹孔，连接板件30可以通过螺纹孔和螺钉与外端板203的第二连接区域紧固连接。

在一些实施例中，沿着第二方向，与第一端板10的位置相对应，第二端板20中的外端板203的两端也可以设置有位置相适应的螺杆连接孔115，以使第一端板10和第二端板20的宽度方向两端通过连接杆件31如螺杆进行连接，并利用螺杆定位固定电堆施加组装力。

在一些实施例中，浮动端板201背离第一端板10的一侧表面(也即，浮动端板201朝向外端板203的一侧表面)包括平面和/或弧形曲面；该浮动端板201背离第一端板10的一侧表面可用于与弹性件203接触或连接，浮动端板201背离第一端板10的一侧表面可以为平面，也可以具有弧形曲面，或者可以为平面和弧形曲面的组合。此外，浮动端板201朝向第一端板10的一侧表面可以为平面，浮动端板201朝向第一端板10的一侧表面可用于与堆芯组件中的第二绝缘板90连接。相应的，外端板203朝向浮动端板201的一侧表面包括平面和/或弧形曲面；该外端板203朝向浮动端板201的一侧表面可用于与弹性件203接触或连接，外端板203朝向浮动端板201的一侧表面可以为平面，也可以具有弧形曲面，或者可以为平面和弧形曲面的组合。

可选的，在一些实施方式中，浮动端板201背离第一端板10的一侧表面包括弧形曲面，即该侧表面设有拱形部分；外端板203朝向浮动端板201的一侧表面包括弧形曲面，即该侧表面设有拱形部分。通过使浮动端板201的背离第一端板10的一侧表面和外端板203朝向浮动端板201的一侧表面设计成一对对称的拱形，这样有利于在中心部位布置更多的弹簧来保证组装力集中在双极板的中心线上，外部布置较少的弹簧来保证边缘处的密封。

可选的，外端板203背离浮动端板201的一侧表面可以为平面；此外，在其他实施方式中，外端板203背离浮动端板201的一侧表面也可以具有至少部分弧形曲面。

如图5至图7所示，在一些实施例中，浮动端板201背离第一端板10的一侧表面，与外端板203朝向浮动端板201的一侧表面中的一者设有弹性件安装部，另一者设有与弹性件安装部相对应的安装配合部。例如，弹性件202设于浮动端板201的下表面和外端板203的上表面之间，浮动端板201的下表面和外端板203的上表面中的一者可以设置弹性件安装部，另一者设有与弹性件安装部相对应的安装配合部。

可选的，浮动端板201的外形与堆芯组件中的双极板的外形尺寸相一致，浮动端板201的上表面用于与堆芯组件中的第一绝缘板50相接触，浮动端板201的上表面可以为平面；浮动端板201的下表面用于与弹性件202接触。在浮动端板201的下表面设有用于与弹性件202内径相配合的导柱(如碟簧导柱211)，并具有用于放置弹性件202的沉槽如碟簧槽212，这样，方便弹性件的安装，结构简单，易于实施。可选的，经拓扑优化后，浮动端板201外侧具有多个减重凹槽213，且导柱内部具有导柱减重槽214或导致减重孔。

由此，该浮动端板201通过上述碟簧导柱211、碟簧槽212、减重凹槽213、导柱减重槽214等的配合设置，既便于弹性件的安装，方便组装，也减轻了浮动端板201的重量，结构可靠，方便加工和制造。

可选的，外端板203与浮动端板201相配合，外端板203的下表面可以为平面，外端板203的上表面可用于与弹性件202相接触。外端板203的上表面设有用于与浮动端板201的碟簧导柱211相配合导柱配合孔233，这样方便压缩时浮动端板201滑动。外端板203的上表面设有用于与浮动端板201的碟簧槽212相对应的碟簧沉槽234，可用于放置弹性件202。可选的，经拓扑优化后，外端板203内侧具有多个减重凹槽213。外端板203的长度方向两侧端设置有第二连接区域，第二连接区域为形成于第二端板20长度方向上的第二沉槽231，第二沉槽231设置有若干个第二连接孔232。外端板203的两端还设有螺杆连接孔115。

由此，该外端板203通过上述导柱配合孔233、碟簧沉槽234、减重凹槽213、第二沉槽231、螺杆连接孔115等的配合设置，既便于方便与浮动端板201进行配合，便于弹性件的安装，也方便与螺杆和连接板件30连接，还减轻了外端板203的重量，结构可靠，方便加工和制造。

在一些实施例中，浮动端板201设有多个减重凹槽213；和/或，外端板203设有多个减重凹槽213。这样，有助于减轻第二端板20的重量，进而降低整个燃料电池电堆的重量，满足燃料电池电堆的轻量化需求。

在一些实施例中，上述弹性件202可以为碟簧，或者也可以为线性弹簧。当然，在其他实施方式中，还可以采用任何能够提供弹性力的弹性部件，本实施例对此不作限定。

可选的，采用碟簧时，弹簧导柱及弹簧沉槽表面需要进行热处理，HRC52～55。

通过在浮动端板201和外端板203之间设置弹性件202如碟簧，浮动端板201和弹性件202可以分别允许将压力均匀地分配到外端板203，因此，也可以减少或避免燃料电池电堆的局部压力。

如图8所示，在一些实施例中，堆芯组件包括活性区域，连接板件30的宽度与活性区域的长度相适应。相较于现有的连接板，本实施例设置的连接板件30的宽度较宽，该连接板件30的宽度可以与活性区域的长度相一致。

根据本实施例，通过连接板件30的设置，连接板件30与外端板203和第一端板10的各个接触位置边界条件相同，连接板件长度与有效面积区域的长度可以大概一致，这样能够比较平均的施加密封压力，可改善现有的螺杆连接带来较大局部应变而其他位置应变较小密封接触不良的问题；相较现有的绑带连接而言，本实施例的连接板件30具有固定的长度尺寸特性，可以避免各个绑带受力不同带来的电堆反应区受力不均的问题。

如图8所示，在一些实施例中，连接板件30包括用于与第一端板10连接的第一端部301，以及用于与第二端板20连接的第二端部302，第一端部301和第二端部302分别设置有均匀分布的若干个第三连接孔304。第三连接孔304与第一沉槽112的第一连接孔113，以及第二沉槽231的第二连接孔232相对应设置。

在一些实施例中，连接板件30包括位于第一端部301和第二端部302之间的连接主体303，连接主体303分别与第一端部301和第二端部302呈角度设置。

上述连接板件30包括连接主体303及设于连接主体303两端的第一端部301和第二端部302，其中第一端部301通过第三连接孔304可以与第一端板10的第一沉槽112的第一连接孔113对应配合连接，第二端部302通过第三连接孔304可以与第二端板20中的外端板203的第二沉槽231的第二连接孔232对应配合连接。连接主体303与第一端部301和第二端部302呈角度设置，例如，可以将连接主体303的两端进行90°折弯处理，以形成第一端部301和第二端部302。

可选的，连接板件30设有减重结构；例如可以设置多个减重槽等，本实施例对于连接板件30的减重结构的具体设置不作限定。这样，可以减轻连接板件30的重量，有助于满足燃料电池电堆的轻量化需求。

可选的，连接板件30的材质包括钢材。

本实施例中，连接板件30的材质需要具有一定的硬度，连接板件30的材质可以为高强度钢等材料。可选的，可以对连接板件30进行热处理，以优化连接板件30的强度，使其满足使用需求。

在一些实施例中，连接板件30的厚度为1-5mm。在一些实施例中，连接板件30的厚度为2-4mm。示例性的，连接板件30的厚度可以为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm等。适宜的连接板件的厚度有助于使其满足一定的强度，提高结构的稳定可靠性。

如图9至图10所示，在一些实施例中，还提供了一种燃料电池电堆，其包括如前述的端板组件及堆芯组件，堆芯组件包括第一绝缘板50、第一集流板60、堆芯70、第二集流板80、第二绝缘板90；

其中，第一端板10、第一绝缘板50、第一集流板60、堆芯70、第二集流板80、第二绝缘板90、浮动端板201、弹性件202和外端板203依次设置，第一端板10和第二端板20中的外端板203通过连接构件连接。

本实施例的燃料电池电堆包括上述端板组件，因而至少具有该端板组件所具有的所有特征及优势，在此不再赘述。应理解，以上示例性的给出燃料电池电堆的结构，然而，在其他实施方式中，燃料电池电堆的结构并不限于此。此外，燃料电池电堆中的其余部分零件如第一绝缘板50、第一集流板60、堆芯70、第二集流板80、第二绝缘板90等的具体结构或连接方式或工作原理可参考现有技术，本实施例对此不作限定，在此不再赘述。

可选的，上述堆芯70由若干个组堆单电池叠加构成。该堆芯70可以包括多个依次叠合设置的双极板和膜电极，双极板包括阳极板和阴极板。双极板和膜电极的数量可以根据实际需求而选择设定。

在进行燃料电池电堆的组装时，可以将外端板203、弹性件202、浮动端板201、第二绝缘板90、第二集流板80、堆芯70、第一集流板60、第一绝缘板50在定位装置的引导下依次堆叠在一起；

将管路40即进出口歧管从第一端板10自下表面从通孔114穿出，而后将组合好的第一端板10与歧管组件堆叠至上述第一绝缘板50上；

再将燃料电池电堆移至压机上，加压，直至达到预期的组装力和尺寸，

安装连接板件30和连接杆件31如螺杆，紧固螺钉螺母，直至压机显示压力为0。

本发明说明书中未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

在本发明的描述中，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，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，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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发明中的具体含义。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (13)

1.一种端板组件，用于燃料电池电堆，其特征在于，所述端板组件包括：

第一端板，所述第一端板包括两端具有开口的容纳腔，所述容纳腔内设置有至少一个支撑筋，所述第一端板的至少部分的外表面设有弧形曲面；

第二端板，所述第二端板包括浮动端板、弹性件和外端板，所述弹性件设于所述浮动端板和所述外端板之间，所述浮动端板相对所述外端板更靠近所述第一端板；

连接构件，所述连接构件包括连接板件、连接杆件或连接带，沿着第一方向，所述第一端板与所述第二端板适于通过所述连接板件连接，沿着第二方向，所述第一端板与所述第二端板适于通过连接板件、所述连接杆件或所述连接带中的至少一者连接，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

所述燃料电池电堆的堆芯组件适于设置在所述第一端板和所述第二端板之间。

2.根据权利要求1所述的端板组件，其特征在于，所述第一端板包括第一本体和第二本体，所述第一本体和所述第二本体围构形成两端设有所述开口的所述容纳腔，所述第二本体相对所述第一本体更靠近所述第二端板，所述第一本体背离所述第二本体的外表面和/或所述第二本体背离所述第一本体的外表面设有至少部分弧形曲面。

3.根据权利要求2所述的端板组件，其特征在于，所述第一本体、所述第二本体以及所述支撑筋采用一体成型；

或者，所述第一本体与所述第二本体采用分体式的结构，所述第一本体与所述第二本体通过所述连接板件连接，所述第一本体内的部分支撑筋与所述第二本体内的部分支撑筋对接形成整个所述支撑筋。

4.根据权利要求2所述的端板组件，其特征在于，所述第一本体背离所述第二本体的外表面设有向外凸起的弧形曲面，所述第一本体的边缘具有厚度渐变区域；

和/或，所述第二本体背离所述第一本体的外表面为平面。

5.根据权利要求1所述的端板组件，其特征在于，所述支撑筋的数量为1-10个；

和/或，所述支撑筋从一端的所述开口向另一端的所述开口方向延伸，以使所述端板的两端分别形成多个所述开口，所述支撑筋的数量比所述开口的数量少一个；

和/或，所述支撑筋在所述容纳腔内呈竖直设置，或者呈倾斜设置。

6.根据权利要求1所述的端板组件，其特征在于，所述第一端板的两端分别设有至少一个贯穿所述第一端板的通孔，所述通孔用于与管路连接，以使所述管路通过所述通孔与所述堆芯组件连通；

和/或，所述第一端板的材质为铝合金或钢材；

和/或，沿着第一方向，所述第一端板设有用于与所述连接板件连接的第一连接区域。

7.根据权利要求6所述的端板组件，其特征在于，所述第一连接区域为形成于所述第一端板第一方向上的第一沉槽，所述第一沉槽设置有若干个第一连接孔。

8.根据权利要求1所述的端板组件，其特征在于，所述堆芯组件包括活性区域，所述连接板件的宽度与所述活性区域的长度相适应；

和/或，所述连接板件包括用于与所述第一端板连接的第一端部，以及用于与所述第二端板连接的第二端部，所述第一端部和所述第二端部分别设置有若干个第三连接孔。

9.根据权利要求8所述的端板组件，其特征在于，所述连接板件包括位于所述第一端部和所述第二端部之间的连接主体，所述连接主体分别与所述第一端部和所述第二端部呈角度设置；

和/或，所述连接板件设有减重结构；

和/或，所述连接板件的材质包括钢材；

和/或，所述连接板件的厚度为1-5mm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的端板组件，其特征在于，所述浮动端板背离所述第一端板的一侧表面包括平面和/或弧形曲面，所述外端板朝向所述浮动端板的一侧表面包括平面和/或弧形曲面；

和/或，所述浮动端板背离所述第一端板的一侧表面，与所述外端板朝向所述浮动端板的一侧表面中的一者设有弹性件安装部，另一者设有与所述弹性件安装部相对应的安装配合部。

11.根据权利要求1-9任一项所述的端板组件，其特征在于，所述浮动端板设有多个减重凹槽；

和/或，所述外端板设有多个减重凹槽。

12.根据权利要求1-9任一项所述的端板组件，其特征在于，沿着第一方向，所述第二端板设有用于与所述连接板件连接的第二连接区域；

所述第二连接区域为形成于所述第二端板第一方向上的第二沉槽，所述第二沉槽设置有若干个第二连接孔。

13.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括如权利要求1-12任一项所述的端板组件及堆芯组件，所述堆芯组件包括第一绝缘板、第一集流板、堆芯、第二集流板、第二绝缘板；

其中，所述第一端板、所述第一绝缘板、所述第一集流板、所述堆芯、所述第二集流板、所述第二绝缘板、所述浮动端板、所述弹性件和所述外端板依次设置，所述第一端板和所述外端板通过所述连接构件连接。

Images