CN220400644U - 燃料电池电堆的连接装置、燃料电池电堆及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种燃料电池电堆的连接装置、燃料电池电堆及燃料电池。燃料电池电堆包括堆芯和容纳堆芯的封装壳体，该连接装置包括：集流件，配置于堆芯，用于收集堆芯的电能；以及导流件，配置于封装壳体，用于电连接外部负载；其中，集流件包括插接部，导流件被配置为能够沿第一方向插接于插接部。通过导流件和集流件的直接连接，简化燃料电池电堆的组装过程，同时减少燃料电池电堆内部的组件，降低燃料电池电堆的物料成本和组装成本。

Description

燃料电池电堆的连接装置、燃料电池电堆及燃料电池

技术领域

本申请涉及燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池电堆的连接装置、燃料电池电堆及燃料电池。

背景技术

随着能源需求的紧张，常规的化石能源排放的温室气体会造成空气污染和气候变暖，燃料电池通过化学反应将化学能转换成电能，是一种高效、安全、清洁、灵活的第四代电能。其中氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，只产生水和热，具有高效、能量密度大、反应温度低、无噪音、无污染等优点，被赋予广泛的应用前景。然而，氢燃料电池的成本较高，工艺过程较为复杂，影响氢燃料电池在生产生活中的应用。

连接装置用于燃料电池的电连接和电传导，将燃料电池的电能传输至外部负载。常见燃料电池电堆的连接装置包括集流板、铜排、转接铜排、电压端子，铜排与集流板之间需要转接铜排进行二次转接，从而将电能传输至外部设备中。这种结构的连接装置，铜排与转接铜排以及转接铜排和集流板之间需要螺栓连接固定，增加了燃料电池电堆的组装工序，提高了物料成本和装配成本。

实用新型内容

基于此，为简化燃料电池电堆的组装过程，本申请第一方面提供一种燃料电池电堆的连接装置，燃料电池电堆包括堆芯和容纳堆芯的封装壳体，该连接装置包括：集流件，配置于堆芯，用于收集堆芯的电能；以及导流件，配置于封装壳体，用于电连接外部负载；其中，集流件包括插接部，导流件被配置为能够沿第一方向插接于插接部。通过导流件和集流件的直接连接，简化燃料电池电堆的组装过程，同时减少燃料电池电堆内部的组件，降低燃料电池电堆的物料成本和组装成本。

在其中一个实施例中，集流件上设有作为插接部的插接槽，插接槽在第一方向上朝向导流件开口设置。

在其中一个实施例中，集流件包括主体和弯折部，主体配置为电连接堆芯，弯折部设置于面向导流件的一端，且弯折形成插接槽。

在其中一个实施例中，弯折部包括第一子部、第二子部和第三子部，第一子部沿第一方向凸设于主体；第二子部连接于第一子部背离主体的一端，且沿第一方向朝向主体延伸；第三子部连接于第二子部背离第一子部的一端，且相对第二子部弯折设置以共同形成插接槽。

本申请第二方面提供一种燃料电池电堆，该燃料电池电堆包括：封装壳体，具有容纳腔；堆芯，容纳于容纳腔内；及如上述的连接装置。

在其中一个实施例中，连接装置配置有两个，且两个连接装置分别设置于堆芯在第二方向上的相背两端，第二方向相交于第一方向。

在其中一个实施例中，封装壳体包括壳本体和盖板，壳本体形成有一端开口的容纳腔，盖板盖合于开口处；导流件贯穿设置于盖板上。

在其中一个实施例中，盖板包括盖本体和塑胶部，盖本体上具有贯通孔，塑胶部设置于贯通孔，导流件贯穿设置于塑胶部，塑胶部一体式连接导流件和盖板。

在其中一个实施例中，塑胶部与贯通孔的孔壁之间凹凸配合。

本申请第三方面提供一种燃料电池，该燃料电池包括如上述的燃料电池电堆。

附图说明

图1为本申请一些实施例中的燃料电池电堆的示意图。

图2为本申请一些实施例中的燃料电池电堆的爆炸图。

图3为本申请一些实施例中的连接装置组装前的轴测图。

图4为本申请一些实施例中的连接装置组装前的正视图。

图5为本申请一些实施例中的连接装置组装后的轴测图。

图6为本申请一些实施例中的连接装置组装后的正视图。

图7为本申请一些实施例中的集流件的轴测图。

图8为本申请一些实施例中的集流件的正视图。

图9为本申请一些实施例中的导流件和第二盖板结合的轴测图。

图10为本申请一些实施例中的导流件和第二盖板结合的剖面图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请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申请。但是本申请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申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，若有出现术语“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。在本申请的描述中，“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。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现，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。若有出现，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。

作为第四代发电技术，燃料电池通过电化学反应将燃料中的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能。

图1和图2分别示出了本申请一些实施例中的燃料电池电堆的示意图和爆炸图。

参阅图1和图2，在本申请的一些实施例中，燃料电池电堆100包括堆栈系统10、电压系统20、封装壳体30和电压巡检系统40。其中，堆栈系统10为燃料电池电堆的核心，是燃料电池电堆发生电化学反应以提供动力的场所。

通常地，堆栈系统10包括堆芯11、集流组件12、端板组件13和支撑组件14。堆芯11是由双极板和膜电极交替堆叠组成，是燃料电池发生电化学反应的场所。双极板和膜电极交替堆叠后，通过压紧力组装在一起，形成密闭的堆芯11。

集流组件12通常设置于堆芯11的两端，用于与电压系统20连接，将收集的燃料电池电堆100的电能输送到外部负载中。集流组件12包括相对设置于堆芯11两端的集流件121。

端板组件13设置于集流组件12的两端，具有一定的强度和刚度，在堆栈系统10组装时不被破坏并且将组装力均匀传递到堆芯组件12。端板组件13包括第一端板131、第二端板132以及第三端板133。第一端板111连接于其中一个集流件121，设置于燃料电池电堆100的阳极侧，其上设置有气体入口和气体出口，用于供燃料电池电堆100工作时气体的进出。

第二端板132和第三端板133均设置于燃料电池电堆100的阴极侧。第二端板132连接于另一个集流件121。第二端板132的一侧设置有用于容纳集流件121的容纳槽1321，另一侧设置有弹性件，第三端板133连接第二端板132，其上设置有用于与弹性件适配的凹槽1331。在燃料电池电堆100工作时，通过弹性件补偿由于膨胀或者收缩引起的装配误差，同时在组装过程中可以对第三端板133起保护作用以及储存弹性势能，维持堆栈系统10的稳定性。

支撑组件14用于在组装时为堆栈系统10提供支撑力，维持各组件间的接触压力。本实施例中，支撑组件14包括第一支撑件141和第二支撑件142，第一支撑件141和第二支撑件142成对设置。可以理解，只要能支撑堆栈系统10，支撑组件14的数量和形状不被限制。

电压系统20用于燃料电池电堆100电能的输送和转换，通常地，电压系统20包括导流组件21、未图示的配电装置和电压端子。导流组件21用于将集流组件12收集的燃料电池电堆100的电能输送到配电装置中，配电装置将电能输送至外部负载中，电压端子用于导流组件21、配电装置和外部负载的连接。

导流组件21包括相对设置的导流件211。导流组件21配置于封装壳体30内，具体位置根据集流组件12的位置进行调整，以实现燃料电池电堆100的电连接。因燃料电池电堆100输出的电流较大，导流组件21通常使用导电率较高的金属材料制备得到。本实施例中，导流组件21由铜制备得到。

封装壳体30作为堆栈系统10的容纳场所，为堆芯11及相关组件提供集成和保护。通常地，封装壳体30包括壳本体31和遮蔽组件32。壳本体31为各组件提供支撑力的同时为燃料电池电堆100提供满足相应防护等级要求的防护力，还用于定位堆栈系统10。

为便于对比和表述，本申请的实施例中定义上下方向为第一方向S1，堆芯的堆叠方向为第二方向S2，第一方向S1相交于第二方向S2。壳本体31至少一端开口，形成容纳堆芯11的容纳腔。本实施例中，壳本体31沿第二方向S2的一端设置有第一开口311，以便于第一端板131与壳本体31的连接，通过第一端板131实现堆芯11与外部气路的连接。壳本体31沿第一方向S1的一端设置有第二开口312，用于堆芯11的组装状况的检查以及支撑组件14的安装。通过第二开口312，确定集流组件12的位置，相应地确定导流组件21的位置。

遮蔽组件32的设置用于壳本体31的遮蔽和密封，提高封装壳体30的密封性，保证燃料电池电堆100的正常使用。遮蔽组件包括第一盖板(本实施例中为第一端板131)和第二盖板322。第一端板131盖合于第一开口311。第二盖板322盖合于第二开口312。遮蔽组件32的数量与形状与所遮蔽的开口数量和形状相匹配。导流组件21配置于第二盖板322。一些可行的实施例中，导流组件21配置于壳本体31。

在一些实施例中，壳本体31其中一侧面向外设置有周向的凸起313，该凸起313形成有第三开口314的容纳空间，用于电压巡检系统40的放置。相应地，遮蔽组件32设置有第三盖板323，第三盖板323盖合于第三开口314。第三盖板323的设计便于电压巡检系统40的检修。可以理解，只要能够实现燃料电池电堆100的封装密封性，开口与遮蔽组件32的数量与形状不被限制。

在组装时，堆栈系统10与封装壳体30共同进行组装，通过第一开口311将堆栈系统10沿第二方向S2放入壳本体31中，支撑组件14一端连接第一端板131，另一端连接壳本体31的侧板315，侧板315与第一端板131分别设置于堆芯11在第二方向S2上的相背两端。其他实施例中，堆栈系统10可以单独组装后，再放入壳本体31中进行封装，此时，堆栈系统10通过第二开口312沿第一方向S1放入壳本体31中，支撑组件14一端连接第一端板131，另一端连接第三端板133。

通常地，电压巡检系统40用于采集燃料电池电堆100的单体电压或总电压信号是否低于预设电压，并将其发送到相应的系统控制器。通过对电压信号的检查，判断燃料电池电堆100的工作状态，并做出对应的控制操作。通常地，电压巡检系统40包括电压巡检器41、未图示的端子组件和信号采集线。端子组件与堆栈系统10相连，信号采集线一端与端子组件相连，另一端与电压巡检器41相连，端子组件通过信号采集线将信号传送到电压巡检器41。在一些实施例中，电压巡检系统40设置于壳本体31外侧的容纳空间314中。可以理解，电压巡检系统40也可以设置于壳本体31内部。

下面对本申请实施例中提供的连接装置作详细介绍。

图3到图6示出了本申请一些实施例中的连接装置的示意图，其中图3和图4为导流件和集流件组装前的示意图，图5和图6为导流件和集流件组装后的示意图。

在一些实施例中，参阅图3到图6，连接装置50包括集流件121和导流件211。集流件121配置于堆芯11，用于收集燃料电池电堆100的电能。导流件211配置于封装壳体30，用于将燃料电池电堆100的电能输送到外部负载，集流件121包括插接部，导流件211被配置为能够沿第一方向S1插接于插接部。具体地，插接部可以为插接槽、插接孔或者插接凸块等。

集流件121，设置于堆芯11在第二方向S2上的相背两端，用于将堆芯11发生电化学反应所产生的电能进行收集并将电能传输至导流件211中。通常地，集流件121为板状结构，常采用导电率较高的金属材料制成，如铜板、镍板或镀金的金属板等。

导流件211，配置于第二盖板322，用于将集流件211收集的电能引导至外部负载中，实现燃料电池电堆100的电能传输。通常地，导流件211也采用导电率较高的金属材料制成，截面为矩形或者圆角矩形的长导体，以实现燃料电池电堆100较大电流的传输。

在实际组装时，导流件211沿第一方向S1直接插接于集流件121的插接部上。如此，通过导流件211和集流件121的直接插接，简化燃料电池电堆100的组装过程，提高组装效率，同时减少燃料电池电堆100内部的组件，降低燃料电池电堆100的物料成本和组装成本。

在一些实施例中，连接装置50配置有两个，并且两个连接装置50分别设置于堆芯11在第二方向S2上的相背两端。

堆芯11在第二方向S2上的相背两端上具有两个集流件121，两个集流件121收集的电能均需要传送至外部负载，因此，连接装置50配置有两个。

该设置实现堆芯11两端的集流件121均和导流件211实现连接，便于燃料电池电堆100的电能传输。

请参阅图6，在一些实施例中，集流件121设有作为插接部的插接槽1213，插接槽1213在第一方向S1上朝向导流件211开口设置。

插接槽1213可以是U形槽、V形槽、W形槽等，具体构造形式不限定。通常地，导流件211与插接槽1213插接的一端的形状与插接槽1213的形状是相匹配的。

此时，插接槽1213的设置便于导流件211和集流件121的连接，且提高导流件211和集流件121的结合强度。在一些实施例中，集流件121包括主体1211和与主体1211相连的弯折部1212。主体1211配置为电连接堆芯11，弯折部1212设置于面向导流件211的一端，并弯折形成插接槽1213。

主体1211连接于堆芯11，主体1211在第二方向S2上其中一端面与堆芯11的端面结合，在堆芯11发生电化学时与堆芯11电连接，用于收集堆芯11所产生的电能。通常地，主体1211为方形的板状。

弯折部1212与主体1211之间可以一体成型或分体设置，主体1211连接导流件211，难以实现长期稳定的电连接。因此集流件121设置有弯折部1212，弯折部1212用于与导流件211连接，将主体1211收集的堆芯11的电能传输至导流件211，实现燃料电池电堆100的长期稳定运行。

导流件211包括呈角度设置的连接部2111和配合部2112，连接部2111用于电连接外部负载，配合部2112沿所述第一方向S1延伸，用于插接于弯折部1212。弯折部1212和配合部2112的设置提高导流件211和集流件121连接的通用性，简化燃料电池电堆100组装过程。

在一些实施例中，弯折部1212设置于面向导流件211的一端，并在弯折部1212上沿第一方向S1开设有用于导流件211插接的插接部，弯折部1212上构造有作为插接部的插接槽或插接孔。

参阅图7和图8，图7和图8示出了本申请一些实施例中集流件的示意图。集流件121包括主体1211和弯折部1212。

在一些实施例中，请参照图8，弯折部1212包括第一子部1212a、第二子部1212b和第三子部1212c，第一子部1212a沿第一方向S1凸设于主体1211，第二子部1212b连接于第一子部1212a背离主体1211的一端，并且沿第一方向S1朝向主体1211延伸。第三子部1212c连接于第二子部1212b背离第一子部1212a的一端，且相对第二子部1212b弯折设置以共同形成插接槽1213。弯折设置的插接槽1213便于导流件211和集流件121配合。

在一些实施例中，请参照图8，弯折部1212还包括第四子部1212d，第四子部1212d连接于第三子部1212c背离第二子部1212b的一端，并且沿第一方向S1背向主体1211延伸。第四子部1212d的设置使插接槽1213与导流件211有更大的结合部分，进一步提高导流件211和集流件121配合的稳定性。

在一些实施例中，请参照图8，弯折部还包括引导部1212e，引导部1212e连接于第四子部1212d背离第三子部1212c的一端，与第四子部1212d呈倾角设置，倾角使插接槽1213的开口部位在第二方向S2上的尺寸变大。引导部1212e的设置便于导流件211的插入弯折部1211，使得导流件211和集流件121之间形成稳定的电连接。

第二子部1212a、第三子部1212b和第四子部1212c相连形成U形的插接槽，配合部2112的横截面为方形，U形与方形形状适配。U形插接槽的设置便于方形的配合部的组装，有助于保证燃料电池电堆100组装过程的准确性，提高组装精度。可以理解，只要能实现弯折部2112和配合部2112的插接，弯折部1212可以根据配合部2112进行调整。

再次参阅图5和图6，弯折部1212与配合部2112的结合方式可以是过盈结合或弹性变形结合。在一些实施例中，配合部2112与弯折部1212过盈结合。过盈配合提高导流件211和集流件121组装的稳定性，保证燃料电池电堆100的持续正常运行。

结合图7和图8，第二子部1212b和第四子部1212d之间的间隔距离不大于配合部2112横截面的宽度。

在一种可行的实施例中，在第二方向S2上，配合部2112的一端面和第二子部1212b的一端面贴合，配合部2112的另一端面和第四子部1212d的一端面贴合。表面结合有助于提高导流件211和集流件121的接触面积，改善燃料电池电堆100电能传输的效率。

在一种可行的实施例中，配合部2112与弯折部1212弹性变形结合。本实施例中，第四子部1212d具有一定的弹性。在配合部2112组装时，第四子部1212d发生弹性变形，使配合部2112进入插接槽，改善燃料电池电堆100的组装精度和组装适用性。只要使配合部2112和弯折部1212可以实现电连接的连接方式均在本申请的保护范围内。

参阅图9和图10，图9和图10示出了本申请一些实施例中导流件和第二盖板结合的示意图和剖面图。

在一些实施例中，请参阅图9和图10，第二盖板322包括盖本体3221和塑胶部3222。盖本体3221设置有贯通孔3221a，塑胶部3222设置于贯通孔3221a，导流件211贯穿设置于塑胶部3222，塑胶部3222一体式连接导流件211和盖本体3221。

本实施例中，塑胶选用高绝缘性、耐腐蚀、比重轻、强度高、使用寿命长的材料，优选地，选用热塑性塑料。氢燃料电池涉及易燃易爆的可燃气体氢气，氢气爆炸极限范围广，需要保证封装壳体30的密封性，提高燃料电池的安全性和稳定性。

塑胶部3222一体式连接导流件211和盖本体3221实现导流件211与第二盖板322之间的密封，避免因第二盖板322出现泄露，提高燃料电池电堆100的密封性，同时塑胶部3222的设置提高了导流件211的组装精度。

一些实施例中，请参照图10，塑胶部3222与贯通孔3221a的孔壁之间凹凸配合。

具体地，贯穿孔3221a的孔壁配置有凸起，且凸起相对设置于贯穿孔3221a在第一方向S1上两端面之间的孔壁上。

此时，塑胶部3222成形时相应形成与凸起相匹配的凹陷，实现塑胶部3222与贯通孔3221a的孔壁之间凹凸配合。凹凸配合提高了塑胶部3222和盖本体3221结合的稳定性，避免因塑胶部3222的损坏影响盖板322的密封性。

在一些情形下，装配时，将堆芯11放入壳本体31中，确定集流组件12在壳本体31中的位置，相应得到导流组件21在盖板322上的位置。塑胶部3222一体式连接导流组件21和盖本体3221。将配置有导流组件21的盖板322与壳本体31安装结合，使导流件211沿第一方向S1插接于集流件121的弯折部1212，实现堆栈系统10和电压系统20的连接，简化燃料电池电堆100的组装过程，提高组装效率，同时改善燃料电池电堆100的密封性。

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申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池电堆的连接装置，其特征在于，所述燃料电池电堆包括堆芯和容纳所述堆芯的封装壳体，所述连接装置包括：

集流件，配置于所述堆芯，用于收集所述堆芯的电能；以及

导流件，配置于所述封装壳体，用于电连接外部负载；

其中，所述集流件包括插接部，所述导流件被配置为能够沿第一方向插接于所述插接部。

2.根据权利要求1所述的燃料电池电堆的连接装置，其特征在于，所述集流件上设有作为所述插接部的插接槽，所述插接槽在所述第一方向上朝向所述导流件开口设置。

3.根据权利要求2所述的燃料电池电堆的连接装置，其特征在于，所述集流件包括主体和弯折部，所述主体配置为电连接所述堆芯，所述弯折部设置于所述面向所述导流件的一端，且弯折形成所述插接槽。

4.根据权利要求3所述的燃料电池电堆的连接装置，其特征在于，所述弯折部包括第一子部、第二子部和第三子部，所述第一子部沿所述第一方向凸设于所述主体；所述第二子部连接于所述第一子部背离所述主体的一端，且沿所述第一方向朝向所述主体延伸；所述第三子部连接于所述第二子部背离所述第一子部的一端，且相对所述第二子部弯折设置以共同形成所述插接槽。

5.一种燃料电池电堆，其特征在于，所述燃料电池电堆包括：

封装壳体，具有容纳腔；

堆芯，容纳于所述容纳腔内；及

如权利要求1-4任一项所述的连接装置。

6.根据权利要求5所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述连接装置配置有两个，且两个所述连接装置分别设置于所述堆芯在第二方向上的相背两端，所述第二方向相交于所述第一方向。

7.根据权利要求6所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述封装壳体包括壳本体和盖板，所述壳本体形成有一端开口的所述容纳腔，所述盖板盖合于所述开口处；所述导流件贯穿设置于所述盖板上。

8.根据权利要求7所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述盖板包括盖本体和塑胶部，所述盖本体上具有贯通孔，所述塑胶部设置于所述贯通孔，所述导流件贯穿设置于所述塑胶部，所述塑胶部一体式连接所述导流件和所述盖板。

9.根据权利要求8所述的燃料电池电堆，其特征在于，所述塑胶部与所述贯通孔的孔壁之间凹凸配合。

10.一种燃料电池，其特征在于，所述燃料电池包括如权利要求5-9任一项所述的燃料电池电堆。