电堆、装配方法和应用与流程

1.本发明属于燃料电池电堆领域，涉及一种电堆、装配方法和应用。


背景技术：

2.燃料电池是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有能量转化率高、无污染、噪音低的优点。燃料电池单电池由极板和膜电极组成，多个单电池堆叠成燃料电池电堆。燃料电池极板上设计有氢气、空和冷却水的总口和流道，反应工质和冷却介质分别经由总口进入电堆，分配到各个极板上的流道。
3.燃料电池电堆通常在前后两端设计端板，经螺栓和螺杆紧固，压装力自螺栓和螺杆施加，经前端板和后端板将压装力施加在单电池上。燃料电池的单电池在压装力的作用下会产生微小的变形，这些变形量在多节电池的累积下会使位于中部的单电池受到的压装力分布不均。
4.例如对于超过300节单电池组成的长燃料电池电堆，通常的前后端板设计不能保证位于中部的单电池有足够大和均匀的压装力，导致电池内阻增大，性能下降，且抗震动和碰撞性能下降，导致产品可靠性下降。随着电堆的设计功率增大，组成电堆的单电池的节数的增多，该问题愈加严重。


技术实现要素：

5.为了解决长燃料电池电堆中部分单电池没有足够大和均匀的压装力的问题，特别是位于电堆中部的单电池没有足够大和均匀的压装力的问题。
6.本发明在第一方面上提出一种燃料电池电堆，包括多个燃料电池、多个装配件、第一紧固件和第二紧固件。
7.所述装配件包括承载部和连接部，所述连接部连接在所述承载部的长度方向上的相对的第一端部和第二端部及宽度方向上的相对的第一端部和第二端部；所述连接部包括多个安装块，所述安装块间隔地分布在所述连接部长度方向上的相对的第一端和第二端及宽度方向上的相对的第一端和第二端，所述安装块设有在第一方向上贯通安装块的第一孔。
8.所述第二紧固件沿所述第一方向设置，第二紧固件限位在沿第一方向上相对地设置的多个所述装配件的安装块的所述第一孔中。
9.所述第一紧固件安装在所述第二紧固件上，第一紧固件固定在第二紧固件上时，第一紧固件触及安装块的第一方向上的第一端和/或第二端的区域并向所述区域施加压力。
10.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述电堆的两个端部燃料电池的外端面安装所述装配件，以及两个端部燃料电池之间的至少一对相邻的两个燃料电池之间安装所述装配件。
11.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述电堆的两个端部燃料电池的外端面
安装所述装配件，以及两个端部燃料电池之间的各对相邻的两个燃料电池之间安装所述装配件。
12.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述电堆的两个端部燃料电池的外端面安装所述装配件，以及两个端部燃料电池之间的位于电堆中部的至少一对相邻的两个燃料电池之间安装所述装配件。
13.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述电堆的两个端部燃料电池的外端面安装所述装配件，以及两个端部燃料电池之间的位于电堆中部的各对相邻的两个燃料电池之间安装所述装配件。
14.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述第一紧固件包括螺栓，所述第二紧固件包括螺杆。
15.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，螺杆限位在沿第一方向上相对地设置的多个所述装配件的安装块的所述第一孔中，沿第一方向上对应各所述装配件的安装块第一孔的位置设置螺栓，所述螺栓与螺杆配合将螺栓固定在螺杆上，且螺栓在螺杆上所固定的位置使得螺栓触及所述安装块在第一方向上的第一端和/或第二端的区域并对所述区域施加压力。
16.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述装配件还包括通道，用于介质通过的所述通道设置在承载部上，且在承载部的厚度方向上贯通所述承载部。
17.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述装配件的材质为不锈钢或铝合金。
18.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述装配件表面具有导电的镀层。
19.根据本技术一些实施例的燃料电池电堆，所述镀层为金镀层或镍镀层或者碳镀层。
20.本发明在第二方面上提出一种燃料电池电堆的装配方法，包括：
21.第一阶段：螺杆将底板装配件的第一孔贯穿，底板螺栓在所述底板装配件的安装块的下方侧向上旋紧在螺杆上，使螺杆安装在底板上；
22.第二阶段：在底板装配件上安装燃料电池，安装的所述燃料电池为至少一个；
23.第三阶段，在位于当前最上方的燃料电池上安装中间装配件，中间装配件的第一孔沿着螺杆向下插装，中间螺栓在中间装配件的安装块的上方侧向下旋紧在螺杆上，中间螺栓对其所触及的中间装配件的安装块的上端的区域施以压力；
24.第四阶段，在中间装配件上安装燃料电池，安装的所述燃料电池为至少一个；
25.第五阶段，重复第三阶段～第四阶段，直至达到电堆所需装配燃料电池的数量；
26.第六阶段，在位于当前最上方的燃料电池上安装顶板装配件，顶板装配件的第一孔沿着螺杆向下插装，顶板螺栓在顶板装配件的安装块的上方侧向下旋紧在螺杆上，顶板螺栓对其所触及的顶板装配件的安装块的上端的区域施以压力。
27.本发明在第三方面上提出一种装配件在质子交换膜燃料电池电堆中的应用。
28.本发明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，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
29.图1为燃料电池电堆的结构示意图。
30.图2为燃料电池电堆的装配件的结构示意图。
31.附图标记：
32.100.燃料电池
33.101.第一燃料电池，102.第二燃料电池，103.第三燃料电池
34.200.装配件
35.201.第一装配件，202.第二装配件，203.第三装配件，204.第四装配件
36.210.承载部
37.220.连接部，221.安装块，222.第一紧固件，223.第一孔，224.第一通孔，225.第二通孔，226.第三通孔，227.第四通孔，228.空气口，229.冷却水口，2210.氢气口
38.300.第二紧固件
具体实施方式
39.下面通过参考附图详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
40.实施例1：图1是燃料电池100电堆的结构示意图，图1示出了一种燃料电池100电堆，包括多个燃料电池100、多个装配件200和第二紧固件。
41.所述燃料电池100，是燃料电池100电堆的各单电池，燃料电池100电堆由多个燃料电池100在一个方向叠装形成，在一种实施例中，第一方向可以由图1示出的上下方向所表示。
42.所述装配件200，其是所述电堆的两个端部燃料电池100的外端面安装所述装配件200，以及两个端部燃料电池100之间的至少一对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。由上述，装配件200安装在电堆两端及两端之间的相邻的燃料电池100之间，在一种优选方案中，在图1示出的上下方向上，所述电堆包括三个燃料电池100和四个装配件200，三个燃料电池100包括第一燃料电池101、第二燃料电池102和第三燃料电池103，其中，第一燃料电池101位于电堆上端部，第三燃料电池103位于电堆的下端部。四个装配件200包括第一装配件201、第二装配件202、第三装配件203和第四装配件204，第一装配件201作为顶板，第四装配件204作为底板。第二装配件202安装在第一燃料电池101和第二燃料电池102之间，第三装配件203安装在第二燃料电池102和第三燃料电池103之间。由此，在这个实例中，所述电堆的两个端部燃料电池100的外端面安装所述装配件200，以及两个端部燃料电池100之间的各对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。
43.在其他实施例中，所述电堆的两个端部燃料电池100的外端面安装所述装配件200，以及两个端部燃料电池100之间的位于电堆中部的至少一对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。特别是，所述电堆的两个端部燃料电池100的外端面安装所述装配件200，以及两个端部燃料电池100之间的位于电堆中部的各对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。
44.所述装配件200包括承载部210和连接部220，所述连接部220连接在所述承载部210的长度方向上的相对的第一端部和第二端部及宽度方向上的相对的第一端部和第二端部，在一种方案中，所述连接部220一体成型于所述承载部210。所述连接部220包括多个安装块221，所述安装块221间隔地分布在所述连接部220长度方向上的相对的第一端和第二
端及宽度方向上的相对的第一端和第二端，所述安装块221设有在第一方向上贯通安装块221的第一孔223。在一种方案中，如图2所示，所述的安装块221等距的分布在承载部210的长度方向和宽度方向的两端侧，长度方向具有五个安装块221，宽度方向具有三个安装块221。
45.所述第二紧固件300沿所述第一方向设置，如图1示出的上下方向，在优选方案中，所述第二紧固件包括螺杆。第二紧固件300限位在沿第一方向上相对地设置的多个所述装配件200的安装块221的所述第一孔223中，在第一紧固件222固定在第二紧固件300上时，第一紧固件222触及安装块221的第一方向上的第一端和/或第二端的区域并向所述区域施加压力。由所述实例，所述第一紧固件222所施加压力是由第一紧固件222因与第二紧固件300所安装的位置可调，并在第一紧固件222在第二紧固件300上调整至触及对应的装配件200的安装块221的位置后，继续朝向对应装配件200的安装块221的位置调整第一紧固件222所在第二紧固件300的位置并固定在一个位置上，在该位置上产生了第一紧固件222对所述对应的装配件200的安装块221的挤压，提供压装力。
46.由所述实例，螺杆限位在沿第一方向上相对地设置的多个所述装配件200的安装块221的所述第一孔223中，沿第一方向上对应各所述装配件的安装块第一孔223的位置设置螺栓，所述螺栓与螺杆配合将螺栓固定在螺杆上，且螺栓在螺杆上的位置可调，螺栓所固定的位置使得螺栓触及所述安装块在第一方向上的第一端和/或第二端的区域并对所述区域施加压力。
47.在优选实例中，所述的“第一紧固件222(螺栓)触及安装块221的第一方向上的第一端和/或第二端的区域并向所述区域施加压力”可以理解的是：在顶板和底板装配件的第一紧固件222分别安装在安装块221上的第一端和第二端，且中间装配件的第一紧固件222全部安装在安装块221上的两端中的同一端，如图2所示，作为顶板的装配件与中间装配件的第一紧固件222安装在第一端(如上端)，中间装配件的第一紧固件222全部安装在同一端，如第一端(如上端)作为底板的装配件的第一紧固件222安装在第二端(如下端)。在该方案中的第一紧固件222所在安装块221的位置的设置，能够使施压朝向分布具有一致性，在平衡压装力和压装力均匀性上具有更佳的效果。
48.在一种具体实例中，在上下方向上相对地设置的若干装配件200分布在电堆的竖直向的不同高度，使分布在不同高度的若干装配件200的安装块221的所述第一孔223在不同高度上相对设置，由所述实例，为清楚说明结构，该装配件200的数量为四个，在一些实例中，所述装配件200的数量超过或远超过四个。由此，所述螺杆在一个竖直方向上，穿过位于不同高度但相互在该竖直方向相对应的的若干个装配件200的安装块221的第一孔223。
49.在一种实施例中，所述螺栓与螺杆配合将螺栓固定在螺杆上，如图1所示，第一装配件201作为顶板，第四装配件204作为底板，螺杆贯穿第四装配件204的所述第一孔223，第四螺栓在第四装配件204的安装块的下方侧向上旋紧在螺杆上。在作为底板的第四装配件204上安装燃料电池100，如第三燃料电池。在所述燃料电池100上可以继续安装燃料电池100或者安装中间装配件。
50.作为中间装配件的如第三装配件203的第一孔223，沿着螺杆向下插装，第三螺栓在第三装配件203的安装块的上方侧向下旋紧在螺杆上，致第三螺栓对其所触及的第三装配件203的安装块221的上端的区域通过作为底板第四装配件204、螺栓和螺杆的旋紧配合
形成挤压，自安装块221的上端对安装块施以挤压力。
51.若还包括其他中间装配件，如第二装配件202的第一孔223，沿着螺杆向下插装，对应的螺栓在第二装配件202的安装块的上方侧向下旋紧在螺杆上，致螺栓对其所触及的第二装配件202的安装块221的上端的区域通过作为下级中间装配件200、螺栓和螺杆的旋紧配合形成挤压，自安装块221的上端对安装块施以挤压力。可见，一个或多个燃料电池100安装在两个上、下级装配件200之间，并藉由所述挤压力，两个上、下级装配件200对所述位于其中间的燃料电池100压紧。
52.直至作为顶板的装配件的如第一装配件201的第一孔223，沿着螺杆向下插装，对应的螺栓在第一装配件201的安装块的上方侧向下旋紧在螺杆上，致螺栓对其所触及的第一装配件201的安装块221的上端的区域通过作为下级装配件200、螺栓和螺杆的旋紧配合形成挤压，自安装块221的上端对安装块施以挤压力。在这些实例中，其安装螺栓的位置能够在螺栓用量和压装力需求间平衡，并在局部提供安装提供压装力时，通过上述组装方式形成整体电堆压装力均匀、平衡的作用。
53.由上述可见，若干作为第一紧固件222的具体的螺栓将螺杆与若干装配件200全部固定，特别是螺栓的安装位置，通过螺栓使得螺杆和装配件200之间可以被相互竖直固定，固定效果更佳。在上述的一些实例中，在作为的顶板装配件200与作为底板的装配件200之间，可以在任意上、下级的两个装配件200之间安装燃料100，各燃料电池100能保持均匀压紧力，当然，还可以包括一些情况，如在作为的顶板装配件200与作为底板的装配件200之间，具有若干个第一方向如上、下排列的燃料电池100，在其中的至少一组两个相邻的上、下级的燃料电池100之间安装所述中间装配件200，也可以达到在一定程度上保持整体压紧力的效果。在此固定的基础上，对于具有更多燃料电池100组成的电堆，两个端部燃料电池100之间的位于电堆中部的至少一对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。
54.上述方案解决了长电堆中部的单电池无法具有足够大的和均匀的压装力的问题，而且，该方案还导致，各单体电池都具有较为均衡的足够大的和均匀的压装力，电堆的固定性增强，使得抗震动和碰撞性能被提高。在一种实施例中，在每相邻的两个燃料电池100间安装装配件200，各单体电池都具有更为均衡的足够大的和均匀的压装力，能够更进一步降低电池内阻，提升电池性能，电池可靠性得到极大提升。
55.在一种实施例中，所述装配件200还包括通道，用于介质通过的所述通道设置在承载部210上，且在承载部210的厚度方向上贯通所述承载部210。所述的介质包括空气、氢气、水中的任一种或其组合，当然还可以包括其他需求的介质。
56.实施例2：图2是燃料电池100电堆装配件200的结构示意图，示出了一种燃料电池100电堆装配件200，在本实施例中称为一种质子交换膜燃料电池100电堆的中板，用于改善质子交换膜燃料电池100电堆位于中部的单电池压装力不足和均匀性较差的问题，减小电池内阻、增强其抗震动能力，延长其寿命。
57.在一种实施例中，所述中板包括：承载部210和连接部220，所述连接部220连接在所述承载部210的长度方向上的相对的第一端部和第二端部及宽度方向上的相对的第一端部和第二端部。
58.在一种方案中，所述连接部220包括多个安装块221，所述安装块221间隔地分布在所述连接部220长度方向上的相对的第一端和第二端及宽度方向上的相对的第一端和第二
端，所述安装块221设有在第一方向上贯通安装块221的第一孔223。其中：安装块221在第一方向上的第一端和/或第二端可由第一紧固件222所触及，第二紧固件300限位在沿第一方向上相对地设置的多个所述装配件200的安装块221的所述第一孔223中，所述第二紧固件沿所述第一方向设置，在第一紧固件222固定在第二紧固件300上时，第一紧固件222向其可触及的安装块221的第一方向上的第一端和/或第二端的区域施加压力。
59.在一种优选方案中，螺杆限位在沿第一方向上相对地设置的多个所述装配件200的安装块221的所述第一孔223中，沿第一方向上对应各所述装配件的安装块第一孔223的位置设置螺栓，所述螺栓与螺杆配合将螺栓固定在螺杆上，且螺栓在螺杆上所固定的位置使得螺栓触及所述安装块在第一方向上的第一端和/或第二端的区域并对所述区域施加压力。
60.在实施例1中对装配件或者相关说明和解释同样适用在本实施例中，在此不再赘述。
61.在一种优选方案中，中板使用铝合金或钢材作为基材，中板具有一定厚度，以保证在螺杆的拉力下保持变形量在设计范围内。中板表面进行镀层处理，以加强导电性和抗腐蚀性，如所述镀层为金镀层或镍镀层或者碳镀层。燃料电池100中板放置于电堆中部位置，电堆中可有一个或多个中板，中板与端板间，或中板与中板间，堆叠有燃料电池100单电池。
62.中板设计有通孔，即所述第一孔223，螺杆通过该通孔与端板或其他中板相连接，并以螺栓固定紧固。通过该燃料电池100中板，能有效的控制燃料电池100单电池累计的形变，保证燃料电池100长堆的中部位置单电池的压力及压力的均匀性，减小内阻，增大抗震能力，从而保证电堆的性能，延长电堆的寿命。
63.在一种方案中，所述的燃料电池100电堆装配件200还包括通道，用于介质通过的所述通道设置在承载部210上，且在承载部210的厚度方向上贯通所述承载部210。在优选方案中，中板使用铝合金或钢材作为基材，其表面设计空气、氢气、水的总口，总口的形状与面积与极板上对应的面积相同，以流通相应介质，所述的总口即装配件200所包括的通道。
64.如图2所示，图2示出了燃料电池100中板的空气口228，与燃料电池100极板上的空气口228形状和面积相同，用以流通空气。燃料电池100中板的冷却水口229，与燃料电池100极板上的水口形状和面积相同，用以流通冷却水。燃料电池100中板的氢气口2210，与燃料电池100极板上的氢气口2210形状和面积相同，用以流通氢气。
65.如图2所示，装配件200上用于螺栓通过的安装块上的第一孔223，在一种实例中，第一孔223包括第一通孔224、第二通孔225、第三通孔226、第四通孔227，皆为螺杆的通孔，螺杆通过第一孔223将中板与端板连接紧固。压装力也通过螺杆与螺栓施加在燃料电池100的中板上。
66.如图1所示，其中第一装配件201与第四装配件204分别为常见燃料电池100电堆的前、后端板，即上述顶板、底板。第一燃料电池101、第二燃料电池102、第三燃料电池103为燃料电池100单电池，由其组成所述电堆。第二紧固件为螺杆。
67.在常见的燃料电池100电堆中，燃料电池100前、后端板经螺杆，对电堆的第一燃料电池101、第二燃料电池102、第三燃料电池103施加压装力。
68.所述电堆包括三个燃料电池100和四个装配件200，三个燃料电池100包括第一燃料电池101、第二燃料电池102和第三燃料电池103，其中，第一燃料电池101位于电堆上端
部，第三燃料电池103位于电堆的下端部。四个装配件200包括第一装配件201、第二装配件202、第三装配件203和第四装配件204，第一装配件201作为前端板，第四装配件204作为后端板。第二装配件202安装在第一燃料电池101和第二燃料电池102之间，第三装配件203安装在第二燃料电池102和第三燃料电池103之间。以上装配件200通过第一孔223、螺杆和螺栓连接和紧固。
69.电堆的第三燃料电池103的累计变形经过第三装配件203和第四装配件204进行限制，减小了常见电堆结构中单电池组成的单一电堆中累计变形量。
70.同理第二装配件202、第三装配对电堆的第二燃料电池102的单电池的累计变形进行了限制，第一装配件201和第二装配件202对电堆的第一燃料电池101的单电池的累计变形进行了限制。
71.通过以上结构，有效的控制燃料电池100单电池累计的形变，保证燃料电池100长堆的中部位置单电池的压力及压力分布的均匀性，减小内阻，增大抗震能力，从而延长电堆的寿命和竞争力。
72.根据以上实例，在一种方案中，所述电堆的两个端部燃料电池100的外端面安装所述装配件200，以及两个端部燃料电池100之间的至少一对或各对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。在一种方案中，两个端部燃料电池100之间的位于电堆中部的至少一对或各对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。可见，对于具有更多燃料电池100组成的电堆，两个端部燃料电池100之间的位于电堆中部的至少一对相邻的两个燃料电池100之间安装所述装配件200。从而解决了长电堆中部的单电池无法具有足够大的和均匀的压装力的问题，而且，该方案还导致，各单体电池都具有较为均衡的足够大的和均匀的压装力，电堆的固定性增强，使得抗震动和碰撞性能被提高。在一种实施例中，在每相邻的两个燃料电池100间安装装配件200，各单体电池都具有更为均衡的足够大的和均匀的压装力，能够更进一步降低电池内阻，提升电池性能，电池可靠性得到极大提升。
73.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。
74.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。
75.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。
76.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。
77.在本发明中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“至少一个”是指一个或一个以上；“a和b中的至少一个”，类似于“a和/或b”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b中的至少一个，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
78.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。
79.以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造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创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。