CN208835193U - 一种用于燃料电池堆的紧固结构和燃料电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于燃料电池堆的紧固结构和燃料电池堆，包括，第一端板、第二端板和使第一端板、第二端板夹持住外部电极板的若干组绑扎组件；每组绑扎组件包括：端盖，其与第一端板相面接触；紧固带，该紧固带沿第一端板、第二端板宽度方向环绕第一端板、端盖和第二端板，使第一端板、第二端板夹持住外部电极板；绑扎组件还包括，位于第一端板与端盖之间的至少一个碟簧，利用碟簧的形变能力来补偿燃料电池堆处于不同状态时因物料(如膜电极/密封圈/膜电极/密封圈/双极板组件)形变量的不同而引起的物料与端板之间相对位置的变化；该紧固结构能够保证燃料电池堆中物料始终处于适当的受力范围内且受力分布均匀，同时显著减小了燃料电池堆的体积和重量。

Description

一种用于燃料电池堆的紧固结构和燃料电池堆

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种用于燃料电池堆的紧固结构和燃料电池堆。

背景技术

燃料电池是一种将氢气和氧气中的化学能转化成电能的发电装置。由于其是电化学反应，无燃烧放热，不受“卡诺循环”限制，因此能量转换效率要高出普通热机。除此之外，燃料电池还具有无污染、噪声低、可靠性高等优点，在汽车、航天以及固定以及便携式发电设备等领域具有十分广阔的市场前景。

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。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，而燃料电池堆在运行过程中，尤其是启动和停机过程的温差较大，会引起燃料电池堆内各部件的热胀冷缩，材料的热胀冷缩最终会使得电堆的压紧力发生变化，并且紧固所使用的螺杆、紧固带或其他紧固材料也都随温度变化而变化，从而导致电堆内各部件的形变频繁发生变化，最终可能会导致气体扩散层变形，最终导致气体透过率降低，甚至气体扩散层破损，同时，带催化层的质子交换膜也有可能受微孔层的影响而发生屈服力变化，甚至被破坏，严重影响电堆的输出性能和寿命。通常情况下都会用金属螺杆来紧固电堆，并且在螺杆上使用弹垫、碟簧、弹簧等具有回弹性的材料来防止电堆高度的变化，但是螺母与螺杆间的摩擦力相差较大，达到特定堆内高度时的各螺杆紧固力可能会因扭矩不一致，而导致端板法向应力不一致，甚至翘曲，同时，螺杆式结构还会增加电堆的体积和重量。

申请号为CN201710138182.2的发明专利申请中公开了一种紧固结构，该结构的局限性在于：1.采用弹簧、T型螺栓、压板的紧固及弹性补偿方式极大的增大了燃料电池堆的体积和重量；2.U型金属带的尺寸相对固定，无法满足金属板燃料电池堆内高度的细微变化，从而造成压紧力上的不足。

申请号为CN201810197850.3的发明专利申请中公开了一种紧固结构，该结构较好的解决了体积和重量问题，而且也有效的解决了气口端板的问题，但该发明的局限性在于：1.反弧部需要具有较强的弹性形变能力来应对物料应变、热胀冷缩所造成的形变，材料的选型非常困难，并且为了应对热胀冷缩所造成的压力变化，反弧部的两端会频繁的在水平和垂直方向发生形变，从而摩擦紧固带，而第三紧固带又从中间进一步向下压紧第一紧固带，从而使得第一紧固带在弧部的受力变大,不利于紧固带的可靠性，尤其不适于燃料电池堆在汽车上的应用；2.未考虑双极板膜电极组与紧固带间的绝缘问题，故而可能只能使用非金属类紧固带，而一般地，非金属类紧固带的热膨胀系数是不锈钢材质的数倍，所以对弧部及紧固带的设计和加工要求极高，稍有偏差就有可能造成燃料电池堆的松弛；3.正弧部、反弧部在堆上的着力点主要集中在端板的中心位置，当端板材料厚度不足时，可能会造成端板法向上的边缘位置发生翘曲变形，或者是在紧固带热变形过大的情况下，都会导致电堆压紧力的一致性变差，甚至出现气密性问题，因此不适合用于具有较大膜电极宽度，或者是具有较大堆内高度的大功率燃料电池堆的组装。

有鉴于此，特提出本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于燃料电池堆的紧固结构和燃料电池堆，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构，包括，第一端板、第二端板和使该第一端板、第二端板夹持住外部电极板的若干组绑扎组件；

每组所述绑扎组件包括：端盖，其与所述第一端板相面接触；紧固带，该紧固带沿所述第一端板、第二端板宽度方向环绕所述第一端板、端盖和第二端板，使所述第一端板、第二端板夹持住外部电极板；所述绑扎组件还包括，位于所述第一端板与端盖之间的至少一个碟簧，每个所述碟簧具有内孔。

进一步地，所述第一端板具有若干个端板凹槽，所述端板凹槽位置与所述绑扎组件、第一端板相互配合的位置相对应，每组所述绑扎组件的碟簧位于所述端板凹槽构造的容置空间内，且所述碟簧与所述端盖面接触。

进一步地，每组所述绑扎组件的所述端盖与所述碟簧相接触的一面具有盖槽，每组所述绑扎组件的碟簧位于所述盖槽构造的容置空间内，且所述碟簧与所述第一端板面接触。

进一步地，所述盖槽具有朝向所述碟簧延伸的定位杆，该定位杆贯穿所述碟簧的内孔。

进一步地，所述第一端板具有端板凹槽，所述端板凹槽的数量与所述端盖的盖槽数量相等，且所述端板凹槽位置与所述端盖与所述第一端板相贴合时的所述盖槽的位置相互对应，共同构造出若干组容置所述碟簧的空间；位于每组所述空间的碟簧的厚度大于所述空间的高度，所述定位杆穿入所述碟簧的内孔。

进一步地，所述端盖沿所述第一端板宽度方向延伸，且所述端盖的长度等于所述第一端板的宽度，所述端盖在其长度方向两端具有第三弧形面；所述第二端板在其与所述紧固带相接触的侧部设有第二弧形面。

进一步地，所述第一端板在其与所述端盖相接触的侧部设有第一弧形面，所述端盖具有与该第一弧形面相配合的第四弧形面。

进一步地，所述第一端板、第二端板和端盖分别在其与所述紧固带相接触的表面设有第一凹槽部，所述紧固带位于所述第一凹槽部内。

进一步地，所述第一端板、第二端板分别在其朝向外部电极板的一侧面设有第二凹槽部，所述第一端板、第二端板还分别设有端板通孔，所述端板通孔位置与所述绑扎组件与第一端板、第二端板相配合的位置相互错开。

第二方面，本实用新型提供一种燃料电池堆，包括膜电极/密封圈/双极板组件，还包括前述的紧固结构，所述紧固结构通过所述绑扎组件使所述第一端板、第二端板夹持住所述膜电极/密封圈/双极板组件；所述燃料电池堆还包括：分别位于所述第一端板与所述膜电极/密封圈/双极板组件之间以及所述第二端板与所述膜电极/密封圈/双极板组件的集流部件，该集流部件具有接线端子，该接线端子伸入所述第一端板、第二端板的所述端板通孔；所述膜电极/密封圈/双极板组件与所述紧固带之间具有绝缘片。

本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构和燃料电池堆，包括，第一端板、第二端板和使该第一端板、第二端板夹持住外部电极板的若干组绑扎组件；每组所述绑扎组件包括：端盖，其与所述第一端板相面接触；紧固带，该紧固带沿所述第一端板、第二端板宽度方向环绕所述第一端板、端盖和第二端板，使所述第一端板、第二端板夹持住外部电极板；所述绑扎组件还包括，位于所述第一端板与端盖之间的至少一个碟簧，每个所述碟簧具有内孔；该紧固结构具有如下有益效果：

(1)通过紧固带捆扎的碟簧组合结构有效的保证了燃料电池堆压力的稳定性；

(2)通过多组碟簧与碟簧端盖的配合使用，可进一步提高堆组装压力的一致性和稳定性；

(3)通过碟簧与碟簧端盖的配合使用，可进一步降低燃料电池堆体积和重量；

(4)通过同一紧固带下两组或更多组碟簧的使用，可以用于具有更大膜电极面积和更多片膜电极的燃料电池堆的紧固；

(5)通过紧固带焊接的方式，可提高紧固带的可靠性和组堆的速度；

(6)通过在端板、碟簧端盖上增加凹槽部的方式，可方便的定位并安装紧固带，使得电堆整体结构紧凑，受力均匀，重量轻，封装后体积小。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构立体示意图。

图2为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构另一视角立体示意图。

图3为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的第一端板立体示意图。

图4为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的第二端板立体示意图。

图5为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的端盖的立体示意图。

图6为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的端盖另一视角的立体示意图。

图7为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的碟簧的立体示意图。

图8为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的碟簧另一视角立体示意图。

图9为本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构的反映端盖、碟簧与第一端板配合关系的局部分解示意图。

图10为本实用新型提供的一种燃料电池堆的立体示意图。

图11为本实用新型提供的一种燃料电池堆的结构分解示意图。

图12为本实用新型提供的一种燃料电池堆中反映第一端板与集流部件配合关系的立体示意图。

图中：

1.第一端板 2.第二端板 3.端盖 31.盖槽 32.定位杆 4.紧固带 5.碟簧 51.内孔 6.端板凹槽 7.第一弧形面 8.第二弧形面 9.第三弧形面 10.第四弧形面 11.第一凹槽部 12.第二凹槽部 13.端板通孔 14.膜电极/密封圈/双极板组件 15.集流部件 151.接线端子 16.绝缘片 17.平垫。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1-9，本实用新型提供的一种用于燃料电池堆的紧固结构，包括，间隔布置的第一端板1、第二端板2，和使外部电极板被该第一端板1、第二端板2夹持在其间隔内的若干组绑扎组件；

如图1和2所示，每组所述绑扎组件包括：紧固带4，该紧固带4沿所述第一端板1、第二端板2宽度方向环绕所述第一端板1、第二端板2，并通过紧固带4两端相互连接，向第一端板1、第二端板2施加束紧作用力，使第一端板1、第二端板2夹持住外部电极板；所述绑扎组件还包括，端盖3，其位于第一端板1与紧固带4之间，并与第一端板1相面接触；以及，位于所述第一端板1与端盖3之间的至少一个碟簧5，用于承受紧固带4与第一端板1之间的载荷；在本实施例中，碟簧5即为圆锥台体形(碟状)的弹簧垫圈，如图5和6所示，每个碟簧5中央具有内孔51；端盖3的作用是承受紧固带4对碟簧5施加的载荷，并且为紧固带4的连接提供支撑，即在本实施例中，紧固带4两端头相互连接后贴合在端盖3上。应当理解的是，紧固带4的长度是根据电池堆纵截面周长设置的，其可以设置为环绕电池堆(电机板)一圈或者多圈，具体长度是本领域技术人根据实际需要设置的，其本身不构成对本实用新型的具体限制。

具有上述设置的紧固结构，利用碟簧5的形变能力，承受物料(电机板)自身产生形变的载荷，补偿物料与端板之间相对位置的偏差，能够保证紧固带4载荷分布均匀，同时利用紧固带4绑扎的结构相对于螺杆式锁紧机构大大减小了燃料电池堆的体积和重量。在本实用新型提供的实施例中，绑扎组件的数量设置为多组，应当理解的是，其应当是均匀布置的，如以端板中心线对称布置的两组绑扎组件，或根据燃料电池堆的长度等间距布置的三组或更多数量。

为了能够在紧固结构装备时快速地对碟簧5进行定位同时防止碟簧5产生横向位移导致松脱，作为一些改进实施例的一种，如图5所示，第一端板1具有若干个端板凹槽6，所述端板凹槽6位置与所述绑扎组件、第一端板1相互配合的位置相对应，每组所述绑扎组件的碟簧5位于所述端板凹槽6构造的容置空间内，且所述碟簧5与所述第一端板1和端盖3面接触。应当理解的是，位于端板凹槽6内的碟簧5(总)厚度应当大于端板凹槽6的高度，使碟簧5与所述第一端板1和端盖3面接触，保证碟簧5发挥作用。

在另一些改进的实施例中，如图6所示，每组所述绑扎组件的所述端盖3与所述碟簧5相接触的一面具有盖槽31，每组所述绑扎组件的碟簧5位于所述盖槽31构造的容置空间内，且所述碟簧5与所述端盖3和第一端板1面接触。应当理解的是，位于盖槽31内的碟簧5(总)厚度应当大于盖槽31的高度，使碟簧5与所述第一端板1和端盖3面接触，保证碟簧5发挥作用。

如上两种实施例可以选择其中一种单独设置，也可以相互结合设置，如在一种优选的实施例中，如图9所示，第一端板1具有端板凹槽6，所述端板凹槽6的数量与所述端盖3的盖槽31数量相等，且所述端板凹槽6位置与所述端盖3与所述第一端板1相贴合时的所述盖槽31的位置相互对应，共同构造出若干组容置所述碟簧5的空间，位于每组所述空间的碟簧5的厚度大于所述空间的高度。其中，每组绑扎组件的安装位置用于碟簧5的容置空间组可以为一对或多对，如图9所示的，每组绑扎组件的安装位置具有两对沿端盖3中线对称设置两组容置空间组，其载荷分布更为均匀整体结构更加稳固。

在上述有端板凹槽6和/或盖槽31的实施例中，位于端板凹槽6和/或盖槽31内的碟簧5可以设置为一片或多片，采用多片层叠布置的碟簧5结构其防松脱及吸收载荷的效果最佳。

在上述具有盖槽31的实施例中，还可以包括如下进一步的改进，如图6所示，盖槽31具有朝向所述碟簧5延伸的定位杆32，该定位杆32穿入/贯穿所述碟簧5的内孔51，定位杆32的作用是进一步地防止碟簧5产生横向滑移导致的松脱，应当理解的是，定位杆32的的直径是根据碟簧5的内孔51的孔径设置的，应当设置在盖槽31的中央，定位杆32的长度应当与碟簧5的(总)厚度相适配，定位杆32的长度优选略小于碟簧5在组堆压力下的(总)厚度。

为了防止位于端板边缘的紧固带4受到端板/端盖3边缘的切割，在一些改进的实施例中，如图3、4、5所示，端盖3沿所述第一端板1宽度方向延伸，且所述端盖3的长度等于所述第一端板1的宽度，所述端盖3在其长度方向两端具有第三弧形面9，第二端板2在其与所述紧固带4相接触的侧部设有第二弧形面8，采用上述设置，即在端板/端盖3边缘设置圆角，有效延长紧固带4的寿命；

在一种进一步改进的实施例中，如图3和6所示，第一端板1在其与所述端盖3相接触的侧部设有第一弧形面7，所述端盖3具有与该第一弧形面7相配合的第四弧形面10。

为了防止紧固带4产生横向滑移导致紧固松脱，作为一种改进的实施例，第一端板1、第二端板2和端盖3分别在其与所述紧固带4相接触的表面设有第一凹槽部11，所述紧固带4位于所述第一凹槽部11内。

在一些实施例中，第一端板1、第二端板2分别在其朝向外部电极板的一侧面设有第二凹槽部12，其用于放置集流部件15；

进一步，所述第一端板1、第二端板2还分别设有端板通孔13，其用于设置接线端子151，应当理解的是，所述端板通孔13位置与所述绑扎组件与第一端板1、第二端板2相配合的位置(如紧固带4的位置)相互错开。

在本实用新型提供的紧固结构中，第一端板1、第二端板2的材料为具有机械强度高，绝缘性能好的有机高分子材料，优选复合材料，如具有玻璃纤维、碳纤维的环氧树脂、ABS、PPS等；也可以采用金属材料，如铝合金、不锈钢等，但是需要在外部集流板和端板间增加绝缘材料，如PTFE，PVDF，聚甲醛，环氧树脂，ABS等；

端盖3优选的选用铝合金，包括但不限于不锈钢、高强度塑料、玻纤增强塑料、碳纤维增强塑料等；紧固带4，优选的选用不锈钢材料，在所述的碟簧5数量足够多的情况下，也可以选用高分子聚合物材料，碳纤维复合材料、PET等。紧固带4终端(连接端头)连接采用焊接的方式，优选地选用激光焊接的方式。

紧固结构还可以包括其它现有技术中经常应用的部件，如在碟簧5与第一端板1之间还设有平垫17。

第二方面，本是实用新型提供了一种使用了前述紧固结构的燃料电池堆，如图10-12所示，其包括膜电极/密封圈/双极板组件14，紧固结构与电极板的配合关系为：膜电极/密封圈/双极板组件14位于第一端板1、第二端板2之间的间隔内，并且使膜电极/密封圈/双极板组件14的膜电极件分别朝向第一端板1、第二端板2，安装时，一般自下而上布置，第二端板2、膜电极/密封圈/双极板组件14、第一端板1、碟簧5以及端盖3，使紧固带4环绕第一端板1、第二端板2后收紧，将紧固带4的两端相互连接并固定于端盖3表面上；在本实用新型提供燃料电池堆中还包括：分别位于所述第一端板1与所述膜电极/密封圈/双极板组件14之间以及所述第二端板2与所述膜电极/密封圈/双极板组件14的集流部件15，优选位于上述紧固结构实施例中的第二凹槽部12内，如图12所示，该集流部件15具有接线端子151，该接线端子151伸入所述第一端板1、第二端板2的所述端板通孔13；所述膜电极/密封圈/双极板组件14与所述紧固带4之间具有绝缘片16，其作用是防止电极板与紧固带4之间电流传导产生的安全隐患，绝缘片16可以采用胶黏的方式固定。

本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池堆的紧固结构，其特征在于，该紧固结构包括，第一端板、第二端板和使该第一端板、第二端板夹持住外部电极板的若干组绑扎组件；

每组所述绑扎组件包括：端盖，其与所述第一端板相面接触；紧固带，该紧固带沿所述第一端板、第二端板宽度方向环绕所述第一端板、端盖和第二端板，使所述第一端板、第二端板夹持住外部电极板；所述绑扎组件还包括，位于所述第一端板与端盖之间的至少一个碟簧，每个所述碟簧具有内孔。

2.根据权利要求1所述的紧固结构，其特征在于，所述第一端板具有若干个端板凹槽，所述端板凹槽位置与所述绑扎组件、第一端板相互配合的位置相对应，每组所述绑扎组件的碟簧位于所述端板凹槽内，且所述碟簧与所述端盖面接触。

3.根据权利要求1所述的紧固结构，其特征在于，每组所述绑扎组件的所述端盖与所述碟簧相接触的一面具有盖槽，每组所述绑扎组件的碟簧位于所述盖槽内，且所述碟簧与所述第一端板面接触。

4.根据权利要求3所述的紧固结构，其特征在于，所述盖槽具有朝向所述碟簧延伸的定位杆，该定位杆贯穿所述碟簧的内孔。

5.根据权利要求4所述的紧固结构，其特征在于，所述第一端板具有端板凹槽，所述端板凹槽的数量与所述端盖的盖槽数量相等，且所述端板凹槽位置与所述端盖与所述第一端板相贴合时的所述盖槽的位置相互对应，共同构造出若干组容置所述碟簧的空间；位于每组所述空间的碟簧的厚度大于所述空间的高度，所述定位杆穿入所述碟簧的内孔。

6.根据权利要求1所述的紧固结构，其特征在于，所述端盖沿所述第一端板宽度方向延伸，且所述端盖的长度等于所述第一端板的宽度，所述端盖在其长度方向两端具有第三弧形面；所述第二端板在其与所述紧固带相接触的侧部设有第二弧形面。

7.根据权利要求5所述的紧固结构，其特征在于，所述第一端板在其与所述端盖相接触的侧部设有第一弧形面，所述端盖具有与该第一弧形面相配合的第四弧形面。

8.根据权利要求1所述的紧固结构，其特征在于，所述第一端板、第二端板和端盖分别在其与所述紧固带相接触的表面设有第一凹槽部，所述紧固带位于所述第一凹槽部内。

9.根据权利要求1所述的紧固结构，其特征在于，所述第一端板、第二端板分别在其朝向外部电极板的一侧面设有第二凹槽部，所述第一端板、第二端板还分别设有端板通孔，所述端板通孔位置与所述紧固带的位置相互错开。

10.一种燃料电池堆，包括膜电极/密封圈/双极板组件，其特征在于，该燃料电池堆还包括如权利要求9所述的紧固结构，所述紧固结构通过所述绑扎组件使所述第一端板、第二端板夹持住所述膜电极/密封圈/双极板组件；所述燃料电池堆还包括：分别位于所述第一端板与所述膜电极/密封圈/双极板组件之间以及所述第二端板与所述膜电极/密封圈/双极板组件之间的集流部件，该集流部件具有接线端子，该接线端子伸入所述第一端板、第二端板的所述端板通孔；所述膜电极/密封圈/双极板组件与所述紧固带之间具有绝缘片。