CN115663255B - 一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度轻量化电堆端板，包括端板板体，端板板体正面的中部嵌设有多个加强条，多个加强条一侧壁均对称固定设有多个加强斜条，端板板体背面的顶部和底部均开设有多组内槽，内槽的内部设有补偿机构，端板板体的顶部和底部均开设有多个安装孔，本发明一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆，通过设置于电堆堆栈本体上的多组与锁紧螺母位置相错的内槽，内槽中设有的补偿机构，可以在端板板体长期的使用过程中，借助环境温度的变化，使得内置的热膨胀体逐步变大，在环境温度每达到一次凝固胶板熔点时，均可以推动外移一次补充块，环境温度下落后，补充块可停留固定在此处，实现长期的补偿抵压作用。

Description

一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆

技术领域

本发明涉及电池堆技术领域，特别涉及一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆。

背景技术

电堆，即燃料电池电化学反应系统，在电化学反应系统中，反应物氢气和空气以一定的化学计量比进入燃料电池电堆中，反应生成电能和水，电堆决定了整个燃料电池的功率密度与净功率，是整个燃料电池动力系统的核心部分。

电堆端板的主要作用是控制接触压力，因此足够的强度与刚度是端板最重要的特性，足够的强度可以保证在封装力作用下端板不发生破坏，可以使得端板变形更加合理，从而均匀地传递封装载荷到密封层和MEA上，但传统的电池堆端板采用铝合金等材质制成，强度足够但质量较大，因而尤其在应用于无人机等使用设备时，增加了设备自重，降低了续航能力，不符合低碳绿色的发展方向，并且电堆端板长期的使用中，其结构会不可避免的会发生功能性的退化，并且在装配螺栓的作用下，发生翘曲变形，这样造成MEA接触压力分布不均匀，对电池性能造成影响，如果极板翘曲变形严重，可能会影响密封垫圈的密封效果，造成气体泄漏，因而在设计轻量化端板的同时需面临变形和强度的问题；

燃料电池堆是由膜电极组件（MEA）、双极板（BP）、密封垫片和端板组成，目前燃料电池堆在使用时，其封装外壳会开设有开口，与大气相通，从而避免壳体内渗漏氢气的聚集；但是开口处又必须有防水功能，避免外部水分进入壳体内，各个电堆厂家的方案有所不同，有的采用防水透气膜，安装于封装壳体上，有的采用吹扫的方式，常见的防水透气膜安装方式，由于防水透气膜外层可能需面临防水，水分等其他异物可能附着，导致内侧气体入泄漏的氢气不易排出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆，以解决上述背景技术中提出的端板翘曲变形导致压力分布不均匀、开口处透气防水膜附着异物和水分影响气体流通等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高强度轻量化电堆端板，包括端板板体，所述端板板体正面的中部嵌设有多个加强条，多个所述加强条一侧壁均对称固定设有多个加强斜条，所述端板板体背面的顶部和底部均开设有多组内槽，所述内槽的内部设有补偿机构，所述端板板体的顶部和底部均开设有多个安装孔，多个所述安装孔的内部均插设有紧固环，所述紧固环的顶部设有错位标记机构。

作为本发明的一种优选技术方案，所述补偿机构包括热膨胀体、凝固胶板和补充块，所述热膨胀体填充于内槽内部的一侧，所述补充块设置于内槽内部的另一侧，所述凝固胶板固定粘接于内槽内壁的中部，且置于热膨胀体与补充块之间，所述热膨胀体和补充块均与凝固胶板粘接固定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述错位标记机构包括立板、三角条和荧光喷层，所述立板的底部固定设于紧固环的顶端，所述立板固定嵌设于端板板体的正面，所述三角条的底部固定穿插有转动销，所述三角条通过转动销与立板的正面转动连接，所述荧光喷层喷涂于立板的正面，所述荧光喷层与三角条尺寸一致且位置正对。

作为本发明的一种优选技术方案，所述端板板体的数量为两个，两个所述端板板体之间设有电堆堆栈本体，所述电堆堆栈本体的两端均安装有绝缘板，两个所述端板板体正对的两个安装孔之间均设有紧固螺杆，多个所述紧固螺杆的两端部均螺纹套设有锁紧螺母，所述锁紧螺母的外壁开设有插孔，两个所述端板板体、两个绝缘板和电堆堆栈本体的外部套设有封装壳体。

作为本发明的一种优选技术方案，所述封装壳体的一端开设有两个开口，两个所述开口的内部均固定插设有安装筒，所述安装筒的背面固定连接有环形弹性插筒，所述环形弹性插筒与封装壳体的内壁固定粘接，所述安装筒内壁的中部固定连接有防水透气膜，所述安装筒的正面设置有摆动震荡机构。

作为本发明的一种优选技术方案，所述摆动震荡机构包括圆形块、摆动杆和配重球，所述圆形块固定设置于安装筒的顶端，所述圆形块的正面转动连接有转块，所述摆动杆的顶端与转块的底端固定连接，所述摆动杆的背面均匀开设有多个凹槽，所述配重球的顶端与摆动杆的底端固定插接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述安装筒的正面均匀固定连接有多个凸块，所述摆动杆的正面均匀固定连接有多个半圆形搅动板，所述配重球的外部包裹有吸水海绵套。

作为本发明的一种优选技术方案，所述安装筒的底部开设有排水孔，所述吸水海绵套的一侧壁固定连接有擦拭棉条，所述擦拭棉条置于排水孔的底部。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置于电堆堆栈本体上的多组与锁紧螺母位置相错的内槽，内槽中设有的补偿机构，可以在端板板体长期的使用过程中，借助环境温度的变化，使得内置的热膨胀体逐步变大，在环境温度每达到一次凝固胶板熔点时，均可以推动外移一次补充块，环境温度下落后，补充块可停留固定在此处，实现长期的补偿抵压作用，解决了端板板体长期使用中，由于功能性老化、并且紧固螺栓设置不均匀导致其余部位发生少量翘曲变形的问题，对其余变形部位借助顶出的补充块实现压力补偿，使得电堆堆栈本体中各组件之间受压压力均匀且接触更加均匀，通过在端板板体的正面嵌入多个加强条和多个加强斜条，会在端板板体内部朝向其背面形成三角支撑，减少其老化退化后向正面弯曲变形的概率，向靠近电堆堆栈本体方向弯曲，会使得电堆堆栈本体内部组件堆叠更加紧密，减少向外侧变形导致松散、泄漏的问题，同时加强用T700环氧树脂基碳纤维复合材料制成的端板板体的整体强度，在保持轻量化的同时，沿着端板板体的长边设置多个平行的加强条增强抗弯能力。

2、本发明通过设置错位标记机构，可以在锁紧螺母拧入固定后，使得三角条与锁紧螺母保持相对垂直，并相互插接，这样在后续的长期使用中，由于颠簸震动，如发生锁紧螺母的松动和转动，使得原本贴合遮盖的荧光喷层局部暴露，荧光喷层采用荧光涂料制成，所以错开的区域在光线较暗的封装壳体内部更加显眼，这样开启封装壳体后，可直观的观察到荧光色即可确认锁紧螺母的转动松动，以快速定位到故障点进行检修。

3、本发明通过设置摆动震荡机构，可以在开口的防水透气膜外侧形成以借助设备晃动和运行、惯性等动力实现的摆动，摆动杆沿着安装筒的正面来回不断摆动，设有的多个凸块和摆动杆背面的凹槽，均将这种来回摆动力转化形成为高速震动力，从而使得附着在防水透气膜上的水等异物震落，使得防水透气膜防水的同时，减少水分附着导致气体流通不畅的情况，同时跟随摆动的多个半圆形搅动板，可提高防水透气膜外侧的空气流速，这样外侧气压小、内侧气压大，可促使封装壳体内部的气体排出到外侧，这样利于内部的不良气体如泄漏的氢气顺利排出。

附图说明

图1为本发明端板板体及电堆堆栈本体的结构示意图；

图2为本发明补偿机构的剖视图；

图3为本发明端板板体部分的结构示意图；

图4为本发明加强条部分的结构示意图；

图5为本发明错位标记机构部分的结构示意图；

图6为本发明封装壳体部分的结构示意图；

图7为本发明摆动震荡机构部分的结构示意图；

图8为本发明配重球部分的剖视图。

图中：1、电堆堆栈本体；2、绝缘板；3、端板板体；4、补充块；5、锁紧螺母；6、内槽；7、热膨胀体；8、凝固胶板；9、紧固环；10、加强条；11、加强斜条；12、立板；13、荧光喷层；14、三角条；15、转动销；16、插孔；17、紧固螺杆；18、安装孔；19、封装壳体；20、开口；21、防水透气膜；22、安装筒；23、环形弹性插筒；24、凸块；25、圆形块；26、转块；27、摆动杆；28、半圆形搅动板；29、吸水海绵套；30、凹槽；31、配重球；32、排水孔；33、擦拭棉条。

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。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。

请参阅图1-8，本发明提供了一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆的技术方案：

根据图1-图5所示，一种高强度轻量化电堆端板，包括端板板体3，端板板体3采用环氧树脂基碳纤维复合材料内嵌金属连接件设计而成，通过模压工艺（T=120℃，t=1.5h）完成制作，相较同规格某铝合金材质减重45%以上，实现轻质的同时高强，端板板体3正面的中部嵌设有多个加强条10，加强条10可为金属材质制成，在复合材料内嵌设，沿着端板板体3的长边设置多个平行的加强条10增强抗弯能力，实现轻量化的同时，进一步保证刚度和结构强度，多个加强条10一侧壁均对称固定设有多个加强斜条11，加强斜条11形成三角支撑结构，三角支撑更加稳定，内嵌式结构对端板板体3整体增重较小；

端板板体3背面的顶部和底部均开设有多组内槽6，内槽6的内部设有补偿机构，端板板体3的顶部和底部均开设有多个安装孔18，多个安装孔18的内部均插设有紧固环9，紧固环9的顶部设有错位标记机构，补偿机构包括热膨胀体7、凝固胶板8和补充块4，热膨胀体7为良好的热膨胀材料制成（如热膨胀橡胶、热膨胀系数良好的金属材料），热膨胀体7填充于内槽6内部的一侧，补充块4设置于内槽6内部的另一侧，凝固胶板8固定粘接于内槽6内壁的中部，凝固胶板8所用可融胶且融点与电池堆使用时内部温度峰值接近，这样电池堆内部温度在每达到一次峰值后，凝固胶板8融化顶出一部分的补充块4，随后一旦温度回落便凝固固定，且置于热膨胀体7与补充块4之间，热膨胀体7和补充块4均与凝固胶板8粘接固定；

错位标记机构包括立板12、三角条14和荧光喷层13，立板12的底部固定设于紧固环9的顶端，立板12固定嵌设于端板板体3的正面，三角条14的底部固定穿插有转动销15，三角条14通过转动销15与立板12的正面转动连接，荧光喷层13喷涂于立板12的正面，荧光喷层13以日光荧光颜料着色，属丙烯酸树脂漆，颜色特别鲜艳、色纯度高，荧光喷层13与三角条14尺寸一致且位置正对，初始状态下位置一定正对，当发生一定松动时错位，一点点错位即可将荧光喷层13局部暴露，从而观察到鲜艳的荧光色；

根据图6-图8所示，端板板体3的数量为两个，两个端板板体3之间设有电堆堆栈本体1，电堆堆栈本体1的两端均安装有绝缘板2，两个端板板体3正对的两个安装孔18之间均设有紧固螺杆17，多个紧固螺杆17的两端部均螺纹套设有锁紧螺母5，两个端板板体3、两个绝缘板2、锁紧螺母5的外壁开设有插孔16，两个端板板体3、两个绝缘板2和电堆堆栈本体1以及紧固螺杆17和锁紧螺母5组成的紧固件配套组成电池堆；

电堆堆栈本体1的外部套设有封装壳体19，封装壳体19的一端开设有两个开口20，两个开口20的内部均固定插设有安装筒22，安装筒22的背面固定连接有环形弹性插筒23，环形弹性插筒23与封装壳体19的内壁固定粘接，安装筒22内壁的中部固定连接有防水透气膜21，安装筒22的正面设置有摆动震荡机构，摆动震荡机构包括圆形块25、摆动杆27和配重球31，配重球31实心金属结构制成，这样在受到惯性、晃动力等作用下，加强摆动杆27的摆动效果，圆形块25固定设置于安装筒22的顶端，圆形块25的正面转动连接有转块26，摆动杆27的顶端与转块26的底端固定连接，摆动杆27的背面均匀开设有多个凹槽30，配重球31的顶端与摆动杆27的底端固定插接，安装筒22的正面均匀固定连接有多个凸块24，摆动杆27的正面均匀固定连接有多个半圆形搅动板28，配重球31的外部包裹有吸水海绵套29，安装筒22的底部开设有排水孔32，吸水海绵套29的一侧壁固定连接有擦拭棉条33，擦拭棉条33置于排水孔32的底部，擦拭棉条33跟随摆动的同时，会短暂间隔的来回擦拭排水孔32的底部，这样吸附从排水孔32凝结聚集的水分，避免水分堆积。

具体使用时，本发明一种高强度轻量化电堆端板及燃料电池堆，其工作原理为：

S1：端板板体3采用T700环氧树脂基碳纤维复合材料，所用模具为P20钢制模具，借助模压工艺T=120℃，t=1.5h完成制作，装配时，两个端板板体3分别置于电堆堆栈本体1的两侧，两个端板板体3逐渐靠近将电堆堆栈本体1和两个绝缘板2夹紧堆叠在一起，随后借助多个紧固螺杆17分别贯穿两个端板板体3的多个安装孔18，再在紧固螺杆17的两端部拧入锁紧螺母5实现紧固安装，端板板体3在长期使用过程中，会发生功能性老化，多组内槽6中的补偿机构，可以在长期使用过程中，其内部的热膨胀体7逐步受热后，慢慢变大，因而，每当电池堆附近环境温度达到凝固胶板8的熔点后，凝固胶板8发生融化，从而补充块4会在热膨胀体7的推动下外移，外移的补充块4会抵触到电堆堆栈本体1中的绝缘板2部分，从而填补这个变形产生的空隙，使得端板板体3对电堆堆栈本体1以及绝缘板2压紧力均衡且充分，环境温度降低后，凝固胶板8会再次凝固成型，此时外移的补充块4会固定在此处，实现长期的补偿抵压作用，多组内槽6分别与多个锁紧螺母5位置相错，则可以准确补偿由于螺栓装配扭矩施加在端板板体3四个角及两边的中央位置，导致端板板体3其余多出可能发生少量翘曲变形的情况；

S2：在热压成型的加工中，同时在端板板体3的正面嵌入多个加强条10，多个加强条10的多个加强斜条11，会在端板板体3内部朝向其背面形成三角支撑，减少其老化退化后向正面弯曲变形的概率，这样向靠近电堆堆栈本体1方向弯曲，使得电堆堆栈本体1内部组件堆叠更加紧密，减少向外侧变形导致松散、泄漏的问题，同时加强T700环氧树脂基碳纤维复合材料制成的端板板体3的强度，在保持轻量化的同时，沿着端板板体3的长边设置多个平行的加强条10增强抗弯能力；

S3：在紧固螺杆17的两端部拧入锁紧螺母5后，最终锁紧螺母5上的插孔16与对应位置三角条14底部设有的凸起插接在一起，锁紧螺母5伴随着拧入后固定，则三角条14位置保持固定且处于竖直状态，后续的长期使用中，由于使用设备的颠簸晃动，导致局部的锁紧螺母5可能发生旋转松动，则锁紧螺母5的旋转松动会通过插接的凸起带动三角条14的旋转，三角条14的底部设置的转动销15，会放大三角条14顶部的偏移幅度，从而使得原本贴合遮盖的荧光喷层13局部暴露，由于荧光喷层13采用荧光涂料制成，所以错开的区域在光线较暗的封装壳体19内部更加显眼，从而开启封装壳体19后，可直观的观察到荧光色即可确认锁紧螺母5的转动松动，以快速定位到故障点进行检修；

S4：电堆堆栈本体1需要装配到封装壳体19内加以固定和保护，封装壳体19的一端开设有开口20，内部通过安装筒22设置的防水透气膜21，可使得封装壳体19内部与外界相通，封装壳体19内部的气体可从开口20溢出，同时外界的水不会进入，在实际的使用过程中，使用设备的晃动和运行、停顿，都会带动摆动杆27的来回摆动，摆动杆27来回摆动的同时，其背面会不断摩擦多个凸块24，这样摆动杆27背面的多个凹槽30与多个凸块24相对运动摩擦，对安装筒22形成快速震动，这样安装筒22内部的防水透气膜21也同步跟随震动，一旦防水透气膜21的外表面堆积附着水，会在震动力下震落，经由排水孔32排出，摆动杆27来回摆动的同时，其底部的配重球31配合其可发生一定幅度的改动，跟随摆动的擦拭棉条33会将排出的水吸附，水分传递给吸水海绵套29，由于配重球31经常发生摆动，吸附的水分会在吸水海绵套29的摆动下加速蒸发，减少水分堆积的情况，同时跟随摆动的多个半圆形搅动板28会提高防水透气膜21外侧的空气流动，空气流速快则气压低，相对防水透气膜21内侧的相对静态的空气，外侧气压低于内侧，从而会促使封装壳体19内部的气体排出到外侧，这样利于内部的不良气体如氢气排出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度轻量化电堆端板，包括端板板体（3），其特征在于：所述端板板体（3）采用环氧树脂基碳纤维复合材料制成，所述端板板体（3）正面的中部嵌设有多个加强条（10），多个所述加强条（10）一侧壁均对称固定设有多个加强斜条（11），所述端板板体（3）背面的顶部和底部均开设有多组内槽（6），所述内槽（6）的内部设有补偿机构，所述端板板体（3）的顶部和底部均开设有多个安装孔（18），多个所述安装孔（18）的内部均插设有紧固环（9），所述紧固环（9）的顶部设有错位标记机构。

2.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化电堆端板，其特征在于：所述补偿机构包括热膨胀体（7）、凝固胶板（8）和补充块（4），所述热膨胀体（7）填充于内槽（6）内部的一侧，所述补充块（4）设置于内槽（6）内部的另一侧，所述凝固胶板（8）固定粘接于内槽（6）内壁的中部，且置于热膨胀体（7）与补充块（4）之间，所述热膨胀体（7）和补充块（4）均与凝固胶板（8）粘接固定。

3.根据权利要求1所述的一种高强度轻量化电堆端板，其特征在于：所述错位标记机构包括立板（12）、三角条（14）和荧光喷层（13），所述立板（12）的底部固定设于紧固环（9）的顶端，所述立板（12）固定嵌设于端板板体（3）的正面，所述三角条（14）的底部固定穿插有转动销（15），所述三角条（14）通过转动销（15）与立板（12）的正面转动连接，所述荧光喷层（13）喷涂于立板（12）的正面，所述荧光喷层（13）与三角条（14）尺寸一致且位置正对。

4.一种燃料电池堆，包括权利要求1-3中任意一项所述的一种高强度轻量化电堆端板，其特征在于：所述端板板体（3）的数量为两个，两个所述端板板体（3）之间设有电堆堆栈本体（1），所述电堆堆栈本体（1）的两端均安装有绝缘板（2），两个所述端板板体（3）正对的两个安装孔（18）之间均设有紧固螺杆（17），多个所述紧固螺杆（17）的两端部均螺纹套设有锁紧螺母（5），两个所述端板板体（3）、两个绝缘板（2）和电堆堆栈本体（1）的外部套设有封装壳体（19）。

5.根据权利要求4所述的一种燃料电池堆，其特征在于：所述封装壳体（19）的一端开设有两个开口（20），两个所述开口（20）的内部均固定插设有安装筒（22），所述安装筒（22）的背面固定连接有环形弹性插筒（23），所述环形弹性插筒（23）与封装壳体（19）的内壁固定粘接，所述安装筒（22）内壁的中部固定连接有防水透气膜（21），所述安装筒（22）的正面设置有摆动震荡机构。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池堆，其特征在于：所述摆动震荡机构包括圆形块（25）、摆动杆（27）和配重球（31），所述圆形块（25）固定设置于安装筒（22）的顶端，所述圆形块（25）的正面转动连接有转块（26），所述摆动杆（27）的顶端与转块（26）的底端固定连接，所述摆动杆（27）的背面均匀开设有多个凹槽（30），所述配重球（31）的顶端与摆动杆（27）的底端固定插接。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池堆，其特征在于：所述安装筒（22）的正面均匀固定连接有多个凸起（24），所述摆动杆（27）的正面均匀固定连接有多个半圆形搅动板（28），所述配重球（31）的外部包裹有吸水海绵套（29）。

8.根据权利要求7所述的一种燃料电池堆，其特征在于：所述安装筒（22）的底部开设有排水孔（32），所述吸水海绵套（29）的一侧壁固定连接有擦拭棉条（33），所述擦拭棉条（33）置于排水孔（32）的底部。

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