一种拼插式燃料电池装配结构

1.本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种拼插式燃料电池装配结构。


背景技术：

2.燃料电池是一种将储存在燃料中的化学能直接转化为电能的装置，具有工作高效、零污染和功率密度高等特点。氢燃料电池在阳极输入氢气，氢原子失去电子变为质子，质子通过质子交换膜到达电池阴极，与外部电路到达的电子和阴极的氧气结合生成水。典型的燃料电池由双极板、膜电极以及端板组成。为满足燃料电池发电功率和电压需求，通常将多个单电池堆叠组装，由端板夹紧。
3.然而，大功率燃料电池由数百片双极板和膜电极堆叠，定位精度难以保证，影响单元电池输出性能，使得电堆性能一致性较差。此外，大量堆叠单电池会使电堆结构刚度差，在遇到振动冲击等恶劣工况时，电堆中部会出现“塌腰”现象，影响电堆密封性能并且使电池一致性恶化，存在安全隐患。
4.经过现有技术的文献调研发现，中国专利cn210607482u提出了一种单元燃料电池电堆，通过设置第一端板、第二端板和第三端板以减少燃料电池堆叠体的震动，提升装配时双极板的定位精度，但是该方法在增强大功率电堆结构刚度，改善电堆“塌腰”方面具有局限性。中国专利cn215578637u公开了一种燃料电池装配结构，通过设置阳极注塑密封件与阴极注塑密封件，将膜电极进行嵌入式装配，提升了双极板与膜电极之间的装配精度，但该方法没有改善相邻单电池之间的装配精度，对电堆装配后结构刚度的提升有限。中国专利cn105655609a公开了一种用于燃料电池电堆装配的内定位结构，通过在电池单元中设置专有的内定位结构，提升定位精度，但该方法需要在每块双极板内安装定位结构，降低电堆装配的效率，且装配后该结构对缓解电堆“塌腰“现象的能力提升有限。中国专利cn114865037a提出了一种电堆堆芯的组装方法，通过调整每一片双极板的质心位置提升电堆的装配精度，单该方法对齐质心的方式繁琐，降低了电堆装配效率，且仅通过质心对齐的方式装配对于电堆抗冲击性能提升有限。中国专利cn110098414a提出了一种燃料电池电堆的封装结构，通过极板两侧的凹陷与电堆封箱结构和限位杆的配合提升电堆的装配精度，但该方法需要根据不同电堆节数设计出不同的封箱结构与限位杆长度，降低了电堆装配的效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种拼插式燃料电池装配结构，本发明提升了电堆堆芯的装配精度和装配效率，且为电堆提供额外约束，减小电堆装配后腰部塌陷的情况。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明提供一种拼插式燃料电池装配结构，该装配结构包括电堆堆芯、端板以及限位结构，所述的电堆堆芯由多个装配单元堆叠形成，通过端板进行压缩固定；每个装配单
元包括依次堆叠的三号特征双极板组、一号限位结构下板、一号特征双极板组、一号限位结构上板、二号限位结构下板、二号特征双极板组、二号限位结构上板，其中三号特征双极板组设有三号侧翼特征，一号特征双极板组设有一号侧翼特征，一号侧翼特征上开有固定环状孔，二号特征双极板组设有二号侧翼特征；固定环状孔与二号限位结构下板拼插配合，一号限位结构下板与三号侧翼特征相互配合，三种不同侧翼特征的双极板共同组成电堆堆芯最小装配单元；所述的三号特征双极板组、一号特征双极板组和二号特征双极板组各由一定数量的相同双极板堆叠组成，三种双极板组之间除侧翼特征具有差异以外，双极板板面特征完全相同。
8.进一步地，所述的一号限位结构下板与三号特征双极板侧翼特征配合形成间隙环状孔，该间隙环状孔的尺寸与二号限位结构上板相同，一装配单元顶部的二号限位结构上板与另一装配单元底部由三号特征双极板侧翼特征与一号限位结构下板形成的间隙环状孔相配合，实现装配单元之间的无缝拼插，依次拼插完成电堆堆芯的装配。
9.进一步地，所述固定环状孔的尺寸与二号限位结构下板相同。
10.进一步地，所述的一号限位结构下板和二号限位结构下板上开有盲孔，所述的一号限位结构上板和二号限位结构上板上开有光孔。
11.进一步地，所述的一号特征双极板上开有一号定位孔，所述的一号限位结构上板的光孔与一号限位结构下板的盲孔与一号定位孔相互配合，通过定位销连接，提升电堆的装配精度，所述的一号特征双极板组与一号限位结构下板和一号限位结构上板装配为一体。
12.进一步地，所述的一号限位结构下板和一号限位结构上板为几何轮廓相同的环状板。
13.进一步地，所述的二号特征双极板上开有二号定位孔，所述的二号限位结构上板的光孔与二号限位结构下板的盲孔与二号定位孔相互配合，通过定位销连接，提升电堆的装配精度，所述的二号特征双极板组与二号限位结构下板和二号限位结构上板装配为一体。
14.进一步地，所述的二号限位结构下板和二号限位结构上板为几何轮廓相同的环状板。
15.进一步地，所述限位结构的材料可压缩；所述一号限位结构上板的厚度与二号特征双极板组的厚度一致，所述一号限位结构下板的厚度与三号特征双极板组的厚度一致。
16.进一步地，所述二号限位结构下板的厚度小于一号特征双极板组的厚度，所述二号限位结构上板的厚度小于三号特征双极板组的厚度，避免两个装配单元进行拼插时出现干扰。所述定位销的长度需要进行核算，避免定位销影响电堆装配时的压缩。
17.作为优选的技术方案，三种双极板的主体部分可保持一致，在制造过程中，采用相同成形模具获得单极板，并通过不同的切边模形成三种侧翼特征；也可由不同模具直接加工出带有不同侧翼的单极板；若使用石墨极板则直接加工出带有不同侧翼特征的双极板。
18.作为优选的技术方案，三种双极板的侧翼特征可以与双极板分离，通过制作专有的限位结构，与相同的双极板组进行连接后形成具有不同侧翼特征的电池组。
19.作为优选的技术方案，双极板的侧翼特征为矩形结构，所述三号侧翼特征的形状为凸字形。
20.作为优选的技术方案，双极板的侧翼特征不限于矩形结构，可以根据加工条件设计为半圆等结构。
21.作为优选的技术方案，双极板的侧翼特征不限于左右两侧，可以根据实际情况加工在双极板上下两侧。
22.作为优选的技术方案，双极板的侧翼特征不限于每侧一个，可以根据实际需求加工两个及以上。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.(1)本发明通过设计三种双极板侧翼特征与限位结构，可以装配为三种电池组，三种电池组相互配合形成电堆最小装配单元，装配单元之间配合连接，提高装配精度和效率；
25.(2)本发明的限位结构可与侧翼特征相互配合，可以为电堆施加沿电池平面方向的约束，缓解电堆在使用过程中因为振动、冲击等环境工况出现的“塌腰”现象，提高电池的使用寿命。
附图说明
26.图1为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构单元组件的爆炸结构示意图；
27.图2为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的三号特征双极板示意图；
28.图3为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的一号特征双极板示意图；
29.图4为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的二号特征双极板示意图；
30.图5为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的限位结构示意图；
31.图6为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的一号特征双极板和限位结构装配示意图；
32.图7为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的二号特征双极板和限位结构装配示意图；
33.图8为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的一号特征双极板组和二号特征双极板组装配示意图；
34.图9为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构的装配单元示意图；
35.图10为本发明实施例1中拼插式燃料电池装配结构带有侧翼支撑结构的堆芯装配示意图；
36.图11为本发明实施例2中拼插式燃料电池装配结构的三号特征双极板示意图；
37.图12为本发明实施例2中拼插式燃料电池装配结构的一号特征双极板示意图；
38.图13为本发明实施例2中拼插式燃料电池装配结构的二号特征双极板示意图；
39.图14为本发明实施例2中拼插式燃料电池装配结构的限位结构示意图；
40.图15为本发明实施例2中拼插式燃料电池装配结构的装配单元示意图；
41.图16为本发明实施例3中拼插式燃料电池装配结构的三号特征双极板示意图；
42.图17为本发明实施例3中拼插式燃料电池装配结构的一号特征双极板示意图；
43.图18为本发明实施例3中拼插式燃料电池装配结构的二号特征双极板示意图；
44.图19为本发明实施例3中拼插式燃料电池装配结构的装配单元示意图。
45.图中标记说明：
46.1—三号特征双极板组、11—三号侧翼特征、2—一号限位结构下板、3—一号特征
双极板组、31—一号侧翼特征、32—一号定位孔、33—固定环状孔、4—一号限位结构上板、5—二号限位结构下板、6—二号特征双极板组、61—二号侧翼特征、62—二号定位孔、7—二号限位结构上板、8—端板。
具体实施方式
47.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
48.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
49.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.实施例1：
51.一种拼插式燃料电池装配结构，如图1至4所示，包括电堆堆芯、端板8以及限位结构，电堆堆芯由多个装配单元堆叠形成，通过端板8进行压缩固定；每个装配单元自下而上依次为三号特征双极板组1、一号限位结构下板2、一号特征双极板组3、一号限位结构上板4、二号限位结构下板5、二号特征双极板组6和二号限位结构上板7。三号特征双极板组1、一号特征双极板组3和二号特征双极板组6各由一定数量的相同双极板堆叠组成，三种双极板组之间除侧翼特征具有差异以外，双极板板面特征完全相同。其中一号侧翼特征31上开有固定环状孔33，固定环状孔33的尺寸与二号限位结构下板5相同。三号侧翼特征11为凸字形，装配时可与一号限位结构下板2相互配合并形成间隙环状孔。一号特征双极板组3与一号限位结构下板2和一号限位结构上板4装配为一体，二号特征双极板组6与二号限位结构下板5和二号限位结构上板7装配为一体。其中固定环状孔33可与装配后的二号限位结构下板5拼插配合，一号限位结构下板2与三号特征双极板组1相互配合，共同组成电堆最小装配单元。
52.如图5所示，一号限位结构下板2和一号限位结构上板4为几何轮廓相同的矩形环状板，二号限位结构下板5和二号限位结构上板7为几何轮廓相同的矩形环状板，限位结构为可压缩的橡胶材料；一号限位结构上板4的厚度与二号特征双极板组6的厚度一致，一号限位结构下板2的厚度与三号特征双极板组1的厚度一致；二号限位结构下板5的厚度小于一号特征双极板组3的厚度，二号限位结构上板7的厚度小于三号特征双极板组1的厚度；间隙环状孔的尺寸与二号限位结构上板7相同，固定环状孔33的尺寸与二号限位结构下板5相同。
53.一号特征双极板3上开有一号定位孔32，一号限位结构上板4的光孔与一号限位结
构下板2的盲孔与一号定位孔32相互配合，通过定位销连接，二号特征双极板6上开有二号定位孔62，所述的二号限位结构上板7的光孔与二号限位结构下板5的盲孔与二号定位孔62相互配合，通过定位销连接。
54.在本实施例中，用于定位双极板组与限位结构的定位销可采用不导电的环氧树脂材料，防止在连接后导致电池短路损坏电池。
55.一般情况下，在装配电堆之前首先将三种类型的双极板进行分类，单独拼装；根据限位结构的大小和实际需要选择合适的节数作为一组电池进行装配。
56.如图6所示，装配时首先装配一号特征电池组。将开有盲孔的一号限位结构下板2放置于装配平台上，插上定位销，随后顺序堆叠一号特征双极板组3至目标节数，再将匹配开有光孔的一号限位结构上板4进行定位安装，形成一号特征电池组。
57.如图7所示，以完全相同的方式继续装配二号特征双极板组6，形成电池组后将二号特征电池组整体装配于一号特征电池组之上，如图8所示，二号限位结构下板5与固定环状孔33形成拼插配合。
58.将一定数量的三号特征双极板组1堆叠形成三号特征电池组，将一号特征电池组与二号特征电池组的装配体整体装配于三号特征电池组之上，如图9所示，其中一号限位结构下板2与三号侧翼特征11相配合形成定位，完成了三种类型电池的匹配，形成大电堆的最小装配单元。
59.如图10所示，在装配完成多个装配单元后，依次将所有的装配单元进行堆叠，前一个装配单元上凸起的二号限位结构上板7与后一个装配单元中三号特征双极板侧翼特征11与一号限位结构下板2形成的间隙环状孔空位拼插，依次循环，达成与目标匹配的电堆，并在两侧装配与侧翼特征相匹配的侧翼支撑结构，为电堆堆芯提供额外的结构刚度。
60.本实施例重新规划了电堆装配过程中的特征组与最小装配单元，通过设计具有不同侧翼特征的三号特征双极板1、一号特征双极板3、二号特征双极板6以及限位结构，不同的特征之间相互配合装配出一定数量的电池组作为大电堆装配中的最小装配单元。在燃料电池电堆装配过程中，只需要对此装配单元进行叠加即可完成组装，降低了传统装配过程中安装复杂，装配精度要求高的难度，且在堆芯受到端板压缩后，除去电堆本身的摩擦力以外，特征电池组中的定位销、同一装配单元中的拼插结构以及不同装配单元之间的拼插结构都为电堆提供了额外的沿电堆平面方向上的约束，提升了电堆堆芯结构沿堆芯平面方向上的刚度，对电堆在振动冲击等工况下的稳定性有一定的提升。
61.实施例2：
62.一种拼插式燃料电池装配结构，如图11至14所示，与实施例1不同之处在于，侧翼特征为半圆形结构，限位结构对应变化。
63.如图15所示，在安装具有半圆形侧翼特征的电池时，首先装配一号特征电池组。将开有盲孔的一号限位结构下板2放置于装配平台上，插上定位销，随后顺序堆叠一号特征双极板组3至目标节数，再将匹配开有光孔的一号限位结构上板4进行定位安装，形成一号特征电池组。以完全相同的方式继续装配二号特征双极板组6，形成电池组后将二号特征电池组整体装配于一号特征电池组之上，二号限位结构下板5与马蹄铁形固定环状孔33形成拼插配合。将一定数量的三号特征双极板组1堆叠形成三号特征电池组，将一号特征电池组与二号特征电池组的装配体整体装配于三号特征电池组之上，其中一号限位结构下板2与三
号侧翼特征11相配合形成定位，完成了三种类型电池的匹配，形成具有半圆形侧翼特征电堆的最小装配单元。
64.实施例3：
65.一种拼插式燃料电池装配结构，如图16至18所示，与实施例1不同之处在于，侧翼特征为两组矩形结构，其中一组侧翼特征分布在双极板左右两侧，另一组分布在双极板上下两侧。
66.如图19所示，在安装具有两组矩形侧翼特征的电池时，首先装配一号特征电池组。将开有盲孔的一号限位结构下板2放置于装配平台上，插上定位销，随后顺序堆叠一号特征双极板组3至目标节数，再将匹配开有光孔的一号限位结构上板4进行定位安装，形成一号特征电池组。以完全相同的方式继续装配二号特征双极板组6，形成电池组后将二号特征电池组整体装配于一号特征电池组之上，二号限位结构下板5与固定环状孔33形成拼插配合。将一定数量的三号特征双极板组1堆叠形成三号特征电池组，将一号特征电池组与二号特征电池组的装配体整体装配于三号特征电池组之上，其中一号限位结构下板2与三号侧翼特征11相配合形成定位，完成了三种类型电池的匹配，形成具有两组矩形侧翼特征电堆的最小装配单元。
67.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。