CN115020740A - 燃料电池及车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池及车辆。该燃料电池包括至少两块极板和沿第一方向夹设于相邻的两块极板之间的膜电极；每一极板的相对两侧分别设有第一配合结构和第二配合结构；膜电极的相对两侧分别设有第三配合结构和第四配合结构；其中，第一配合结构能够与第三配合结构相配合，以限制对应的膜电极与相邻的一极板在第二方向上作相对运动，第二配合结构能够与第四配合结构相配合，以限制对应的膜电极与相邻的另一极板在第二方向上作相对运动；其中，第一方向与第二方向相交。上述的燃料电池在实际使用过程中，即使出现振动、冲击等载荷，燃料电池各组件之间也不会发生相对滑移，因而不会影响到燃料电池的输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池及车辆。
背景技术
氢燃料电池作为一种电化学发电装置，其反应物主要是氢气和氧气，产物只有电能和纯净水，具有反应效率高、零污染、能量密度高等优点，被广泛应用于汽车潜艇动力源、固定式发电站及便携式电源等。
燃料电池电堆结构简单，但是组件数量较多。装配过程中，主要由双极板、膜电极、双极板层叠式结构通过压紧力堆叠而成。但是，目前电堆在装配过程中存在装配精度较差的问题，导致电堆的输出性能受到影响。
发明内容
基于此，有必要针对目前电堆在装配过程中存在装配精度较差的问题，导致电堆的输出性能受到影响，提供一种能够提高各组件间的定位精度的燃料电池及车辆，其电堆的输出性能稳定。
根据本申请的第一个方面，提供一种燃料电池，
包括至少两块极板和沿第一方向夹设于相邻的两块所述极板之间的膜电极；每一所述极板的相对两侧分别设有第一配合结构和第二配合结构；所述膜电极的相对两侧分别设有第三配合结构和第四配合结构；
其中，所述第一配合结构能够与所述第三配合结构相配合，以限制对应的所述膜电极与相邻的一所述极板在第二方向上作相对运动，所述第二配合结构能够与所述第四配合结构相配合，以限制对应的所述膜电极与相邻的另一所述极板在所述第二方向上作相对运动；
其中，所述第一方向与所述第二方向相交。
在其中一个实施例中，每一所述极板包括功能区和围设于所述功能区的边缘区，且每一所述边缘区的相对两侧分别设有所述第一配合结构和所述第二配合结构。
在其中一个实施例中，所述膜电极包括膜本体和围设于所述膜本体的绝缘区，所述绝缘区的相对两侧分别设有所述第三配合结构和所述第四配合结构。
在其中一个实施例中，所述第一配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第三配合结构；和/或
所述第二配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第四配合结构。
在其中一个实施例中，所述第一配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第三配合结构；
所述第一配合结构和所述第三配合结构其中之一呈凸起结构，其中之另一呈与所述凸起结构相匹配的凹槽结构。
在其中一个实施例中，所述第二配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第四配合结构；
所述第二配合结构和所述第四配合结构其中之一呈凸起结构，其中之另一呈与所述凸起结构相匹配的凹槽结构。
在其中一个实施例中，所述凸起结构与所述凹槽结构分别设有对应的拔模角。
在其中一个实施例中，所述凹槽的槽深为所述极板厚度的2-3倍。
在其中一个实施例中，所述凸起结构和所述凹槽结构通过冲压成型在所述极板上；和/或
所述凸起结构和所述凹槽结构通过冲压成型在所述膜电极上。
在其中一个实施例中，两块所述极板为两块金属极板。
根据本申请的第二个方面，提供一种车辆，包括如上述实施例中的燃料电池。
上述燃料电池及车辆，第一配合结构配合第三配合结构能够沿与第一方向相交的第二方向限制对应膜电极与一相邻的极板作相对运动，第二配合结构配合第四配合结构能够沿第二方向限制对应膜电极与相邻的另一极板作相对运动。因此，在实际使用过程中，即使出现振动、冲击等载荷，燃料电池各组件之间也不会发生相对滑移，因而不会影响到燃料电池的输出性能。
附图说明
图1为本申请一实施例中的燃料电池的结构示意图；
图2为图1所示的燃料电池的极板的结构示意图；
图3为图1所示的燃料电池的膜电极的结构示意图。
100、燃料电池；10、极板；11、功能区；12、边缘区；20、膜电极；21、膜本体；22、绝缘区；31、第一配合结构；32、第二配合结构；33、第三配合结构；34、第四配合结构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
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；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，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，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”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
为便于理解本申请的燃料电池及车辆的技术方案，有必要对现有技术中的燃料电池进行简要介绍。
燃料电池在日常的使用过程中，由于振动、冲击及各种加速度载荷的影响，会导致双极板、膜电极、双极板之间发生相对滑移，致使燃料电池性能降低甚至失效。现有的燃料电池装配精度主要通过在双极板上加工定位孔、装配台上提供配合结构来实现，而针对燃料电池使用过程中的组件间相对滑移还没有较好的解决方法。
为防止燃料电池在使用过程中，组件间发生相对滑移，现有技术中有采用在燃料电池电堆内部设置内配合结构的方式，例如，通过在燃料电池电堆内部设置由多个定位节依次连接形成的定位杆防止组件间滑移问题；也有提出在双极板包塑外边框，然后在外边框上加工配合结构，以解决电堆定位及组件相对滑移问题。
但是，上述方式需要增设额外的结构，导致结构复杂、成本增加，因而并不适合批量化生产。
为此，本申请提供一种燃料电池及车辆，能够较佳地改善上述问题。
下面将结合附图对本申请的燃料电池及车辆进行说明。
图1为本申请一实施例中的燃料电池的结构示意图；图2为图1所示的燃料电池的极板的结构示意图；图3为图1所示的燃料电池的膜电极的结构示意图。为便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的结构。
请参阅图1，本申请至少一实施例提供的燃料电池100，包括至少两块极板10和沿第一方向夹设于相邻的两块极板10之间的膜电极20，第一方向即为极板10与膜电极20的层叠方向。该燃料电池100可广泛用于车用动力电源、固定式电站、航空动力电源、水下动力电源、移动电源、便携电源等，满足多领域的用电需要。
极板10的材料可以为石墨板、金属板或复合板，具体应根据实际需要，选用不同的材料。考虑到金属板制成的极板10具有较好的塑性及延展性，以及后续的结构设计，故，在本申请实施例中，两块极板10的材料均选择金属板。请参阅图2，每一极板10包括功能区11和围设于功能区11的边缘区12。
膜电极20又可称膜电极20组件，主要是由离子交换膜(又称为固态电解质膜)和阴阳两极组成的，其中阴阳两极为置于固态电解质膜两个侧面的多孔电极，多孔电极又是由催化剂层(阳极催化剂层和阴极催化剂层)以及各自的气体扩散层构成，电极催化剂层是电化学反应的场所。请参阅图3，膜电极20包括膜本体21和围设于膜本体21的绝缘区22。具体地，绝缘区22采用强度较大的复合材料制成，一方面可以起到绝缘作用，另一方面可以方便后续结构加工。更具体地，膜电极20与两块极板10堆叠设置时，膜电极20的膜本体21与两块极板10的功能区11的位置对应，膜电极20的绝缘区22与两块极板10的边缘区12的位置对应。
请参阅图2-3，每一极板10的相对两侧分别设有第一配合结构31和第二配合结构32。膜电极20的相对两侧分别设有第三配合结构33和第四配合结构34。其中，第一配合结构31能够与第三配合结构33相配合，以限制对应的膜电极20与相邻的一极板10在第二方向上作相对运动，第二配合结构32能够与第四配合结构34相配合，以限制对应的膜电极20与相邻的另一极板10在第二方向上作相对运动。其中，第一方向与第二方向相交。在实际使用过程中，即使出现振动、冲击等载荷，燃料电池100各组件之间由于第一配合结构31、第二配合结构32、第三配合结构33以及第四配合结构34的设计，也不会发生相对滑移，因而不会影响到燃料电池100的输出性能。
在一些实施例中，每一边缘区12的相对两侧分别设有第一配合结构31和第二配合结构32。具体地，每一边缘区12沿第一方向的相对两侧分别设有第一配合结构31和第二配合结构32。
在实际使用中，将第一配合结构31和第二配合结构32设在边缘区12，因而不需要在极板10上增加为安装配合结构的额外附加结构件。
在一些实施例中，绝缘区22的相对两侧分别设有第三配合结构33和第四配合结构34。具体地，每一绝缘区22沿第一方向的相对两侧对应第一配合结构31和第二配合结构32分别设有第三配合结构33和第四配合结构34。
绝缘区22采用强度较大的复合材料，可以保证膜电极20与两块极板10更好的贴合且不易变形，与此同时，能够保证第三配合结构33和第四配合结构34更为稳定的与第一配合结构31和第二配合结构32相配合，从而实现各组件件的精准定位和防止相对滑动的效果。
在一些实施例中，第一配合结构31可沿第一方向扣接于第三配合结构33。具体地，堆叠装配两块极板10与膜电极20时，且使膜电极20沿第一方向朝其一极板10压合时，第三结构能够沿第一方向扣接于第一配合结构31。
在燃料电池100装配过程中，需要依次堆叠其一极板10、膜电极20及另一极板10，而第一配合结构31配合第三配合结构33能够为膜电极20与一对应极板10沿第一方向装配提供定位功能，因而提高了膜电极20与双极板10的定位精度与装配精度。
在本申请实施例中，第一配合结构31和第三配合结构33其中之一呈凸起结构，其中之另一呈与凸起结构相匹配的凹槽结构。在实际使用过程中，凸起结构能够沿第一方向扣接于凹槽结构中，以提供膜电极20与一极板10沿第一方向装配时的定位功能。凸起结构扣接在凹槽结构中后，能够沿第二方向限位其一极板10与膜电极20的相对位置。
在一些实施例中，第二配合结构32可沿第一方向扣接于第四配合结构34。具体地，堆叠装配两块极板10与膜电极20时，且使一极板10沿第一方向朝膜电极20压合时，第四配合结构34也沿第一方向扣接于第二配合结构32。
在燃料电池100装配过程中，需要依次堆叠其一极板10、膜电极20及另一极板10，而第二配合结构32配合第四配合结构34能够为膜电极20与一对应极板10沿第一方向装配提供定位功能，因而提高了膜电极20与双极板10的定位精度与装配精度。
在本申请实施例中，第二配合结构32和第四配合结构34其中之一呈凸起结构，其中之另一呈与凸起结构相匹配的凹槽结构。在实际使用过程中，凸起结构能够沿第一方向扣接于凹槽结构中，以提供膜电极20与另一极板10沿第一方向装配时的定位功能。凸起结构扣接在凹槽结构中后，能够沿第二方向限位另一极板10与膜电极20的相对位置。
在一些实施例中，第一配合结构31可沿第一方向扣接于第三配合结构33，第二配合结构32可沿第一方向扣接于第四配合结构34。具体地，第一配合结构31和第二配合结构32可以为开设在膜电极20相对两侧的凹槽结构和凸起结构。第三配合结构33和第四配合结构34可以为开设在每一极板10相对两侧的凸起结构与凹槽结构，且分别与膜电极20两侧的凹槽结构和凸起结构相匹配。可以理解，上述仅为了举例说明，各配合结构之间的连接方式只要能够沿第一方向提供定位功能，沿第二方向提供限位功能即可。
在一些实施例中，凸起结构和凹槽结构通过冲压成型在极板10上。具体到冲压过程中，先在极板10的相应位置形成凹槽结构，凹槽结构沿第一方向由极板10的一侧向极板10的另一侧凹陷形成，且当凹槽结构的槽底与极板10的另一侧位于同一平面时，若继续朝远离极板10的另一侧继续凹陷的话，则会在极板10的另一侧形成凸起结构。此种方式形成的凹槽结构和凸起结构在极板10两侧的位置上相互对应，当然，也可以分别成型在极板10两侧的任意位置，即凹槽结构与凸起结构的位置可以不对应。可以理解，上述仅为了举例说明，并不能理解为对本申请的限定。例如，凸起结构和凹槽结构还可以通过包塑或机械连接而成型于极板10的相对两侧。
在一些实施例中，凸起结构和凹槽结构通过冲压成型在膜电极20上。具体到冲压过程中，先在膜电极20的相应位置形成凹槽结构，凹槽结构沿第一方向由膜电极20的一侧向极板10的另一侧凹陷形成，且当凹槽结构的槽底与膜电极20的另一侧位于同一平面时，若继续朝远离膜电极20的另一侧继续凹陷的话，则会在膜电极20的另一侧形成凸起结构。此种方式形成的凹槽结构和凸起结构在膜电极20两侧的位置上相互对应，当然，也可以分别成型在膜电极20两侧的任意位置，即凹槽结构与凸起结构的位置可以不对应。可以理解，上述仅为了举例说明，并不能理解为对本申请的限定。例如，凸起结构和凹槽结构还可以通过包塑或机械连接而成型于膜电极20的相对两侧。
在其他实施例中，凸起结构和凹槽结构通过冲压成型在极板10上，凸起结构和凹槽结构通过冲压成型在膜电极20上，具体成型方式在此不再做累述。
在一些实施例中，凹槽结构的槽深为极板10厚度的2-3倍。具体到本申请实施例中，凹槽结构的槽深为极板10厚度的2.5倍。具体到实际使用中，此种槽深的凹槽结构便于凸起结构扣接在凹槽结构内，且不易脱离。如此，能够保证凸起结构与凹槽结构的连接稳定性，从而能够稳定的沿第二方向限位极板10与膜电极20之间的相对位置。
在一些实施例中，凸起结构与凹槽结构分别设有对应的拔模角。具体地，凹槽结构的拔模角度大于凸起结构的拔模角度，以方便凸起结构插入凹槽结构内或从凹槽结构内拔出，从而方便膜电极20与基板的装配。
在一些实施例中，凹槽结构沿第二方向的截面形状可以为长方形、三角形、梯形、三角形，凸起结构的形状与凹槽结构的形状向匹配。可以理解，上述仅为了举例说明，并不能理解为对本申请的限定。
需要说明的是，实际在极板10和膜电极20上设置凹槽结构和凸起结构时，应该优化凹槽结构和凸起结构的大小尺寸，以减小电堆体积，提高电堆功率密度。
请参阅图1，在燃料电池100装配过程中，依次将下端板、下绝缘板、下集流板、双极板10、膜电极20组件等等放在电堆装配台上，在极板10与膜电极20组件上加工出特有的凹槽结构和凸起结构，起到装配过程中精准定位的功能。利用双极板10之间的凹槽结构和凸起结构相互配合实现自定位装配，双极板10与膜电极20之间同样通过凸起结构与凹槽结构相互配合实现自定位装配，极板10与膜电极20组件按照上述定位方法依次堆叠。使用压力机完成电堆压紧，再采用螺栓紧固或者钢带紧固的方式完成电堆紧固，撤去压装力，完成燃料电池100装配。
作为本申请的同一构思，还提供一种车辆，包括上述实施例中的燃料电池100。
上述的燃料电池100及车辆，第一配合结构31配合第三配合结构33能够沿与第一方向相交的第二方向限制对应膜电极20与相邻的一极板10作相对运动，第二配合结构32配合第四配合结构34能够沿第二方向限制对应膜电极20与相邻的另一极板10作相对运动。因此，在实际使用过程中，即使出现振动、冲击等载荷，燃料电池100各组件之间也不会发生相对滑移，因而不会影响到燃料电池100的输出性能。
此外，第一配合结构31配合第三配合结构33能够为对应膜电极20与相邻一极板10装配提供定位功能，第二配合结构32配合第四配合结构34能够为对应膜电极20与另一相邻的极板10装配提供定位功能，因而提高了膜电极20与双极板10的定位精度与装配精度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种燃料电池，其特征在于，包括至少两块极板和沿第一方向夹设于相邻的两块所述极板之间的膜电极；每一所述极板的相对两侧分别设有第一配合结构和第二配合结构；所述膜电极的相对两侧分别设有第三配合结构和第四配合结构；
其中，所述第一配合结构能够与所述第三配合结构相配合，以限制对应的所述膜电极与相邻的一所述极板在第二方向上作相对运动，所述第二配合结构能够与所述第四配合结构相配合，以限制对应的所述膜电极与相邻的另一所述极板在所述第二方向上作相对运动；
其中，所述第一方向与所述第二方向相交。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，每一所述极板包括功能区和围设于所述功能区的边缘区，且每一所述边缘区的相对两侧分别设有所述第一配合结构和所述第二配合结构。
3.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述膜电极包括膜本体和围设于所述膜本体的绝缘区，所述绝缘区的相对两侧分别设有所述第三配合结构和所述第四配合结构。
4.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述第一配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第三配合结构；和/或
所述第二配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第四配合结构。
5.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述第一配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第三配合结构；
所述第一配合结构和所述第三配合结构其中之一呈凸起结构，其中之另一呈与所述凸起结构相匹配的凹槽结构。
6.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，所述第二配合结构可沿所述第一方向扣接于所述第四配合结构；
所述第二配合结构和所述第四配合结构其中之一呈凸起结构，其中之另一呈与所述凸起结构相匹配的凹槽结构。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池，其特征在于，所述凸起结构与所述凹槽结构分别设有对应的拔模角。
8.根据权利要求5或6所述的燃料电池，其特征在于，所述凹槽结构的槽深为所述极板厚度的2-3倍。
9.根据权利要求5或6所述的燃料电池，其特征在于，所述凸起结构和所述凹槽结构通过冲压成型在所述极板上；和/或
所述凸起结构和所述凹槽结构通过冲压成型在所述膜电极上。
10.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，两块所述极板均为金属极板。
11.一种车辆，其特征在于，包括如权利要求1～10任意一项所述的燃料电池。
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