电堆气体连接结构及其制造工艺和具有其的燃料电池的制作方法

1.本技术涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种电堆气体连接结构及其制造工艺和具有其的燃料电池。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种将氢能转化为化学能的装置，其工作原理是氢气和氧气发生反应生成水，提供能量并放出热量，具有清洁环保，能源转化效率高的优势。
3.氢燃料电池电堆(电堆)是燃料电池中氢燃料发生化学反应的场所，是燃料电池的核心。电堆包括电堆接头和电堆端板等各种部件，电堆接头的功能是电堆的氢路、氧路、冷却冷水路接口的输入和输出接头，一般安装在电堆端板上，电堆工作时，氢气和氧气分别通过气体接头(包括氢路和氧路的输入与输出接头)与电堆端板形成的电堆气体通道为燃料电池提供供气和排气功能，因此，电堆的进出气连接方式尤其重要。
4.现有技术中，电堆端板一般采用复合材料或环氧树脂板，气体接头一般采用不锈钢s316材质，并通过阴阳螺纹配合将气体接头固定在电堆端板上，随着燃料电池的快速发展，逐步向小体积、高比功率的方向进行优化，将气体接头尽量改成体积小的气体接头，会进一步造成电堆端板和气体接头的接触位置的应力集中，同时，在频繁进行供气流量压力切换时，会产生较多的热量，由于电堆端板和气体接头的材料性能差异大，且其在电堆反应中会产生刚性碰撞，在受到应力较大时，电堆端板与气体接头的接触位置很容易出现塑性变形，会因脆性问题导致出现开裂的现象，而且，氢燃料电池在长期运行中，由于气体接头与电堆端板热变形程度不一样，长时间的气体泄漏会影响电堆的性能，甚至会导致氢燃料电池的失效，造成不可估量的安全损失与经济损失。
5.因此，急需设计一种电堆气体连接结构，在不改变电堆端板和气体接头的材质以保证现有性能的情况下，能够有效解决因不同材质受热变形程度不一样导致的气体泄漏问题，进一步提高电堆的性能和氢燃料电池的使用寿命，且该结构简单，便于安装。


技术实现要素：

6.为克服相关技术中存在的问题，本技术提供一种电堆气体连接结构及其制造工艺和具有其的燃料电池，该电堆气体连接结构，能够通过铆钉与电堆端板的轴孔连接代替电堆端板与气体接头的螺纹连接，在电堆端板与铆钉发生形变时，通过分散接触位置所受的应力，有效解决所述电堆端板因脆性问题导致出现开裂的问题，进一步提高了电堆的性能和氢燃料电池的使用寿命，且该结构简单，便于安装。
7.本技术第一方面提供一种电堆气体连接结构，包括电堆端板和气体接头，所述电堆端板上设有安装通孔；还包括与所述安装通孔相适配的铆钉；所述铆钉套设在所述安装通孔处，并与所述电堆端板铆接；所述气体接头与所述铆钉相适配，且设置在所述铆钉的中空腔体内。
8.在一种实施方案中，还包括密封圈，所述密封圈套设在所述铆钉上。
9.在一种实施方案中，所述安装通孔的端部同轴设置有阶梯状通孔，所述阶梯状通孔包括由外至内孔径逐级递减的第一台阶通孔和第二台阶通孔。
10.在一种实施方案中，所述铆钉的剖面形状为类工字形；所述第一台阶通孔与所述铆钉的两端紧密配合。
11.在一种实施方案中，所述第二台阶通孔的孔高大于所述密封圈的高度，且所述第二台阶通孔台阶的宽度小于或等于所述密封圈的厚度。
12.在一种实施方案中，所述中空腔体的腔壁上设有内螺纹；所述气体接头上设有与所述内螺纹相适配的外螺纹。
13.在一种实施方案中，所述密封圈包括2个，分别设置在所述铆钉的两端。
14.在一种实施方案中，所述铆钉的材质为不锈钢s316。
15.本技术第二方面提供一种燃料电池，包括上述的电堆气体连接结构。
16.本技术第三方面提供一种电堆气体连接结构的制造工艺，用于制造上述的电堆气体连接结构，具体步骤包括：
17.通过通孔加工工序在电堆端板上设置安装通孔；
18.将铆钉套设在所述安装通孔处，并使其与电堆端板铆接；
19.采用压铆工具将铆钉的压铆成类工字形；
20.将气体接头与铆钉连接。
21.本技术提供的技术方案可以包括以下有益效果：当需要将气体接头固定在电堆端板上时，通过先将与所述电堆端板上的安装通孔相适配的铆钉铆接在所述电堆端板上，再将与所述铆钉相适配的气体接头设置在所述铆钉的中空腔体内，从而能够将所述气体接头固定在所述电堆端板上；相比现有技术中直接通过电堆端板和气体接头上的螺纹将所述气体接头固定在所述电堆端板上的方式，由于螺纹之间的接触为点或线的接触，导致其接触位置受到的应力较大，在电堆运作生成热量时，因材质不同导致的形变程度不同，容易造成电堆端板因脆性问题导致螺纹开裂，而采用本技术的电堆气体连接结构时，由于电堆端板与铆钉之间属于通孔与轴的配合，相比现有技术中的螺纹配合，其接触位置为一个面，有效改善了接触位置应力集中的问题，通过铆钉与电堆端板的轴孔连接代替电堆端板与气体接头的螺纹连接，从而能够在电堆端板与铆钉发生形变时，通过分散接触位置所受的应力，在不改变电堆端板和气体接头的材质以保证现有性能的情况下，有效解决因电堆端板开裂导致的密封性不好造成的气体泄漏问题，进一步提高了电堆的性能和氢燃料电池的使用寿命，且该结构简单，便于安装。
22.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
23.通过结合附图对本技术示例性实施方式进行更详细的描述，本技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本技术示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
24.图1是本技术实施例示出的电堆气体连接结构的剖面示意图；
25.图2是本技术实施例示出的电堆气体连接结构未装配铆钉时的剖面示意图；
26.图3是本技术实施例示出的铆钉的结构示意图；
27.图4是本技术实施例示出的电堆气体连接结构的制造工艺的流程示意图。
28.附图标记：
29.1、电堆端板；12、安装通孔；121、第一台阶通孔；122、第二台阶通孔；2、气体接头；3、铆钉；31、中空腔体；32、第一横向部；33、竖直部；34、第二横向部；4、密封圈。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本技术的优选实施方式。虽然附图中显示了本技术的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本技术而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本技术更加透彻和完整，并且能够将本技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。
31.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
32.应当理解，尽管在本技术可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
33.现有技术中，电堆端板与气体接头一般通过阴阳螺纹配合将气体接头固定在电堆端板上，在频繁进行供气流量压力切换时，会产生较多的热量，由于电堆端板和气体接头的材料性能差异大，且其在电堆反应中会产生刚性碰撞，在受到应力较大时，电堆端板的接触位置很容易出现塑性变形，会因脆性问题导致开裂，造成密封性能下降，甚至会导致氢燃料电池的失效，造成不可估量的安全损失与经济损失。
34.针对上述问题，本技术实施例提供一种电堆气体连接结构，能够通过铆钉与电堆端板的轴孔连接代替电堆端板与气体接头的螺纹连接，在电堆端板与铆钉发生形变时，通过分散接触位置所受的应力，有效解决所述电堆端板因脆性问题导致的开裂问题，进一步提高了电堆的性能和氢燃料电池的使用寿命，且该结构简单，便于安装。
35.以下结合附图详细描述本技术实施例的技术方案。
36.实施例一
37.请参阅图1-图3，图1是本技术实施例示出的电堆气体连接结构的剖面示意图。
38.本技术的电堆气体连接结构，包括电堆端板1、气体接头2和铆钉3，所述电堆端板1采用复合材料或环氧树脂注塑成型，所述气体接头2和所述铆钉3为不锈钢s316材质。
39.所述电堆端板1上设有安装通孔12；所述铆钉3与所述安装通孔12相适配，使得所述铆钉3能够套设在所述安装通孔12处，并与所述电堆端板1铆接；所述铆钉3包括中空腔体31，所述中空腔体31的形状和大小与所述气体接头2相适配，使得所述气体接头2能够设置在所述铆钉3的中空腔体31内且与所述中空腔体31相连通，并将所述气体接头2固定在所述
电堆端板1上，具体的，所述中空腔体31的腔壁上设有内螺纹；所述气体接头2设有与所述内螺纹相适配的外螺纹。
40.当供应气体时，气体从所述气体接头2进入到所述铆钉3的中空腔体31内，再从所述中空腔体31内进入到电堆内部；当排出气体时，气体从电堆内部进入所述铆钉3的中空腔体31内，再从所述中空腔体31内进入气体接头2中，从而将气体排出去。
41.为了进一步减少所述电堆端板1和所述铆钉3因受热形变程度不一以及脆性问题导致的开裂并造成气体泄漏等问题，所述电堆气体连接结构还包括密封圈4，所述密封圈4的横截面的形状为o形，并与所述铆钉3的竖直部33相适配，使得所述密封圈4套设在所述铆钉3上后能够与所述铆钉3的竖直部紧密配合；为了增加所述密封圈4的使用寿命，所述密封圈4的材料采用耐氢材料制成，包括聚四氟乙烯、三元乙丙橡胶(epdm)和复合聚氨酯材料中的任意一种；为了在进一步提高密封性能的同时，减少不必要的浪费，优选地，所述密封圈4包括2个，分别设置在所述铆钉3的两端。
42.具体的，为了对所述铆钉3和所述密封圈4进行限位，所述安装通孔12的端部同轴设置有阶梯状通孔，由于阶梯状通孔的层数过多时可能会过分减小气体接头2，为了尽可能的满足气体接头2的供气量，优选地，所述阶梯状通孔包括由外至内孔径逐级递减的第一台阶通孔121和第二台阶通孔122；即所述第一台阶通孔121的孔径大于所述第二台阶通孔122的孔径，所述第一台阶通孔121相比第二台阶通孔122更靠近外端；所述第一台阶通孔121与所述铆钉3的两端紧密配合，具体的，所述铆钉3包括第一横向部32和第二横向部34和位于第一横向部32和第二横向部34中间的竖直部33，使得所述铆钉3的剖面形状为类工字形；所述第一台阶通孔121的孔径和孔高与所述铆钉3的两端的宽度和高度相适配，即所述第一台阶通孔121的孔径和孔高分别与所述铆钉3的第一横向部32和第二横向部34的宽度与高度相适配，使得所述铆钉3的第一横向部32和第二横向部34能够正好放置在第一台阶通孔121内且与所述电堆端板1紧密配合。
43.为了留足所述密封圈4的形变空间，防止密封圈4因过度挤压造成的损坏，所述第二台阶通孔122的孔高大于所述密封圈4的高度；且所述第二台阶通孔122台阶的宽度小于或等于所述密封圈4的厚度，以便于当所述密封圈4套设在所述铆钉3的竖直部上，所述铆钉3装配在所述安装通孔12上后，所述密封圈4能够被限位在所述第二台阶通孔122处，且分别与所述铆钉3以及电堆端板1紧密配合，从而进一步加强所述电堆端板1和所述铆钉3间的密封。
44.需要说明的是，其一，所述第一横向部32和所述第二横向部34的尺寸大小可以一样也可以不同，即所述安装通孔12两端的第一台阶通孔121的尺寸大小可以一样也可以不同，此处不作限制；其二，以图2中的铆钉装配的方向(即箭头方向)为高度方向，以垂直于所述箭头方向的方向为宽度方向，本技术中的高度均为高度方向的长度，宽度均为宽度方向的长度，所述密封圈的厚度为所述密封圈在宽度方向上的长度，所述第二台阶通孔台阶的宽度为其中其一侧台阶的宽度。
45.在本实施例一中，当需要将气体接头固定在电堆端板上时，通过先将与所述电堆端板上的安装通孔相适配的铆钉铆接在所述电堆端板上，再将与所述铆钉相适配的气体接头设置在所述铆钉的中空腔体内，从而能够将所述气体接头固定在所述电堆端板上；相比现有技术中直接通过电堆端板和气体接头上的螺纹将所述气体接头固定在所述电堆端板
上的方式，由于螺纹之间的接触为点或线的接触，导致其接触位置受到的应力较大，在电堆运作生成热量时，因材质不同导致的形变程度不同，容易造成电堆端板因脆性问题导致螺纹开裂，而采用本技术的电堆气体连接结构时，由于电堆端板与铆钉之间属于通孔与轴的配合，相比现有技术中的螺纹配合，其接触位置为一个面，有效改善了接触位置应力集中的问题，通过铆钉与电堆端板的轴孔连接代替电堆端板与气体接头的螺纹连接，从而能够在电堆端板与铆钉发生形变时，通过分散接触位置所受的应力，在不改变电堆端板和气体接头的材质以保证现有性能的情况下，有效解决因电堆端板开裂导致的密封性不好造成的气体泄漏问题，进一步提高了电堆的性能和氢燃料电池的使用寿命，且该结构简单，便于安装。
46.实施例二
47.目前，铆钉的剖面形状一般为t字形，为了便于连接，有采用冷铆工艺将拉铆螺母进行拉铆操作后进行铆接，如cn108627116a中，通过拉铆螺母将内螺纹安装在保温棉的盲孔内，但是该传统的拉铆螺母不适合厚度较大材料的铆接，且铆杆与孔之间存在间隙，无法实现密封，因此，传统的拉铆螺母并不能适用于燃料电池领域的电堆气体连接结构中。
48.为了解决上述问题，本技术提出了相应的方案，请参阅图4，具体为：
49.本技术还提供了一种电堆气体连接结构的制造工艺，用于制造上述的电堆气体连接结构，具体步骤包括：
50.s1、通过通孔加工工序在电堆端板上设置安装通孔；
51.s2、将铆钉套设在所述安装通孔处，并使其与电堆端板铆接；
52.s3、采用压铆工具将铆钉的压铆成类工字形；
53.s4、将气体接头与铆钉连接。
54.在s1中，所述通孔加工工序包括机加工方式或直接模具注塑成型形成安装通孔中的任意一种，所述安装通孔为阶梯状通孔。
55.在s2中，将铆钉套设在所述安装通孔处之前，将一个密封圈套设在所述铆钉的竖直部与第一横向部相连接的位置，然后将所述铆钉从所述安装通孔的一端插入(如图2中的箭头方向)，使得所述密封圈处于第二台阶通孔的位置，再将所述铆钉与所述电堆端板铆接，此时，所述铆钉的第一横向部位于所述竖直部的上端。
56.在s3中，采用压铆工具将铆钉的压铆成类工字形之前，将电堆端板旋转180度，此时，所述铆钉的第一横向部位于所述竖直部的下端，再将一个密封圈套设在所述铆钉的竖直部上，使得所述密封圈能够处于另一个第二台阶通孔的位置，然后，采用压铆工具将铆钉的竖直部顶端压铆成第二横向部，所述第二横向部的形状和大小与另一个所述第一台阶通孔相适配，也能将所述密封圈限位在所述第二台阶通孔处，防止所述密封圈掉落。
57.在s4中，通过气体接头上的外螺纹与铆钉上的内螺纹相互配合，将所述气体接头与所述铆钉连接，从而完成电堆气体连接结构的制造。
58.在本技术实施例中，通过将电堆端板用机加工方式或直接模具注塑成型的方式形成安装通孔，再通过压铆工具将所述铆钉压铆成与所述安装通孔相适配的类工字形结构，能够使铆钉适用于材料厚度较大的电堆端板，从而实现气体接头与所述电堆端板的连接，减少电堆端板因脆性问题导致的开裂造成的气体泄漏；而且，通过安装通孔与铆钉的相互配合，还能有效对密封圈进行限位，进一步提高了电堆气体连接结构的气密性。
59.实施例三
60.在上述实施例的基础上，本技术还提供一种燃料电池，包括上述的电堆气体连接结构。
61.所述电堆气体连接结构的具体结构详见上述实施例，此处不再赘述。
62.在本技术实施例中，采用了本技术提供的电堆气体连接结构的燃料电池，由于电堆端板与铆钉之间属于通孔与轴的配合，相比现有技术中的螺纹配合，其接触位置为一个面，有效改善了接触位置应力集中的问题，从而能够在电堆端板与铆钉发生形变时，通过分散接触位置所受的应力，有效解决所述电堆端板因脆性问题导致的开裂，进一步提高了电堆气体连接结构的气密性，从而提高了燃料电池的使用寿命和安全性能。
63.关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不再做详细阐述说明。
64.上文中已经参考附图详细描述了本技术的方案。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。另外，可以理解，本技术实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减，本技术实施例装置中的模块可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
65.附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
66.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。