一种电堆封装结构及燃料电池系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，涉及一种电堆封装结构以及燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池堆(电堆)通常是由多组单电池(电池组)组合、叠加并封装在一起的，由于电堆的封装耦合了载荷传递、物质传输、能量交换、多相流、电化学反应等因素，膜电极和密封件随着封装过程而发生变形，从而使封装后电堆性能的预测和评估比较困难。
3.现有的封装形式存在以下缺点：封装工艺效率低，封装精度差，电堆封装成本高。特别是采用手工操作时，封装进度低，手工操作失误率大，不能高效率、低成本地装配可靠性高的电堆。
4.例如电堆封装与电堆本体的组装是分离的，在将燃料电池电堆组装好后，再进行电堆封装的组装。同时电堆封装零部件较多，工序复杂，气电安装结构布局较为混乱，集成度差，给后续的使用造成了严重的安全隐患；另外封装结构密封性能较差，电堆固定不牢靠，对装配及后续维护要求高，生产成本及后续维保的成本会比较高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服背景技术中现有串联电堆的封装结构布局不合理、集成度差造成电堆安全隐患的技术问题，从而提供一种电堆封装结构及燃料电池电堆系统。
6.为解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种电堆封装结构，所述封装结构包括：
7.壳体，其形成封装空间以封装电堆，其包括分设于所述电堆相对两端的前侧板和后侧板；
8.氢空液管路结构，其包括第一氢空液进入接口和第一氢空液排出接口，所述第一氢空液进入接口与所述电堆的氢空液介质排入通道连通，所述第一氢空液排出接口与所述电堆的氢空液介质排出通道连通；以及，
9.电气安装结构，其包括：低压供电接口，其用于向所述电堆供电；电能输出接口，其用于将所述电堆产生的电压输出到负载；通讯接口，其用于与所述电堆建立通信连接；以及，cvm线束接口，其用于与cvm电压检测装置连接；
10.其中，所述氢空液管路结构设于所述前侧板和所述后侧板两个侧板中的其中一个侧板，所述电气安装结构设于所述前侧板和所述后侧板两个侧板中的另外一个侧板。
11.可选地，所述第一氢空液进入接口包括第一管路接口板和氢空液介质进入管；所述氢空液介质进入管安装于第一管路接口板，并贯穿其所在侧板以与所述氢空液介质排入通道连通；所述第一氢空液排出接口包括第二管路接口板和氢空液介质排出管，所述氢空液介质排出管安装于所述第二管路接口板，并贯穿其所在侧板以与所述氢空液介质排出通道连通。
12.可选地，还包括密封胶条；所述壳体还包括底座和盖板；所述前侧板和所述后侧板分设于所述底座的相对两端；所述盖板盖设在所述底座、所述前侧板和所述后侧板的上方，所述前侧板、所述后侧板和所述底座分别与所述盖板通过螺钉连接以形成所述封装空间，并在连接处设置所述密封胶条以将所述封装空间密封形成密闭空间。
13.可选地，还包括空气吹扫置换管路，其包括分别连通所述封装空间的第一置换气体入口接头和第一置换气体出口接头，所述第一置换气体入口接头设于所述前侧板和所述后侧板两个侧板中的其中一个侧板，所述第一置换气体出口接头设于所述前侧板和所述后侧板两个侧板中的另外一个侧板。
14.可选地，所述cvm电压检测装置包括与每一个单片电池一一对应的检测模块和插设在所述检测模块上的弹性针，每个所述弹性针分别与对应的单片电池电性连接，以用于检测单片电池的电压。
15.可选地，还包括设在所述封闭空间的ptc加热器和多个传感器，多个所述传感器用于检测所述封闭空间的温度、湿度、氢气浓度。
16.可选地，还包括内置于所述封装空间的电堆固定杆，其架设于所述电堆的两端以将所述电堆约束于所述封装空间。
17.可选地，所述电堆固定杆与所述盖板通过螺钉连接，且其连接处设置所述密封胶条。
18.可选地，所述密封胶条一体成型。
19.可选地，所述密封胶条绕设于所述螺钉的外侧。
20.可选地，所述底座与所述电堆之间设有凹凸配合构造，所述电堆固定杆的两端与所述底座连接，并配合所述凹凸配合构造限制所述电堆。
21.可选地，所述电堆包括正对设置的第一电堆结构、第二电堆结构及连接在所述第一电堆结构和所述第二电堆结构之间的绝缘中置气箱，所述绝缘中置气箱的两侧分别设有所述氢空液介质排入通道和所述氢空液介质排出通道。
22.可选地，所述第一氢空液进入接口与所述氢空液介质排入通道通过氢空液进入管路连通；所述第一氢空液排出接口与所述氢空液介质排出通道通过氢空液排出管路连通。
23.可选地，所述氢空液介质排入通道包括相互独立设置的氢气进入通道、空气进入通道和水进入通道；所述氢空液介质进入管包括相互设立设置的氢气接入管、空气接入管和水接入管，所述氢气接入管、所述空气接入管和所述水接入管分别与所述氢气进入通道、空气进入通道和水进入通道一一对应接通。
24.可选地，所述介质排出通道包括相互独立设置的氢气排出通道、空气排出通道和水排出通道；所述介质排出管包括相互独立设置的氢气接出管、空气接出管和水接出管，所述氢气接出管、所述空气接出管和所述水接出管分别与所述氢气排出通道、空气排出通道和水排出通道一一对应接通。
25.本发明的第二目的在于提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括上述任意一项所述的电堆封装结构，电堆封装在所述封装空间内。
26.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
27.1、通过设计一种电堆封装结构，封装结构包括壳体、氢空液管路结构和电气安装结构，其中壳体包括正对设置且分别位于电堆前后侧的前侧板和后侧板，分别作为氢空液
管路结构和电气安装结构的载体，一侧用于氢空液管路结构的连接，另一侧主要用于电气结构的安装，气电分离式的布局更为合理，避免因管路泄漏造成的安全隐患，整个壳体用于封装电堆，密封性能较好。
28.2、氢空液管路结构包括第一氢空液进入接口和第一氢空液排出接口，并且第一氢空液进入接口和第一氢空液排出接口位于同一侧板上，并分别与燃料电池的氢空液介质排入通道和氢空液介质排出通道对应连接，使得气路的布局结构简单紧凑；电气安装结构包括低压供电接口、电能输出接口、通讯接口和cvm线束接口，低压供电接口用于向燃料电池堆供电，电能输出接口用于将燃料电池堆产生的电压输出到负载，通讯接口用于与燃料电池堆建立通信连接，cvm电压检测装置沿燃料电池堆的堆叠方向连接在电堆固定连杆的一侧，cvm电压检测装置与cvm线束接口电性连接，电气安装结构均位于燃料电池堆的另一侧板上，使得电气结构合理布局，安装操作方便。
29.3、本技术实现了燃料电池的电气分离，并通过吹扫、加热实现对内部湿度、温度、氢气浓度的监控，从而保证了燃料电池运行的安全性。
30.4、本技术密封性能尤佳，密封胶条不仅实现盖板与底座、电堆固定杆的连接处的密封，还可实现对其因连接件存在的连接泄露点的密封。且密封胶条一体成型，使得本技术无泄露点存在。
31.5、本技术通过凹凸配合构造与电堆固定杆的相互配合实现了对电堆的固定安装，实现电堆水平和高度方向的限位固定，装配牢靠且不易发生晃动，确保电堆的正常运行；且一改现有技术通过对电堆两端进行固定的转配方式，不存在因不同电堆堆叠累积尺寸误差而给电堆带来的装配困难，从而保证了装机效率。进一步地，电堆固定杆因围设于电堆的外周侧，形成内部支撑，从而形成对电堆的有效保护，提高燃料电池的抗压和抗摔性能。且凹凸配合构造使燃料电池人工装配易于操作，简单易于实现，提高了电堆的装机效率。且第一导向部和第一限位部能够共同形成对电堆的水平约束，并形成电堆组装过程中的粗定位和精定位，提高组装效率。
附图说明
32.图1为本发明实施例中电堆封装结构的一方向结构示意图；
33.图2为本发明实施例中电堆封装结构的另一方向结构示意图；
34.图3为本发明实施例中电堆封装结构内部的一方向结构示意图；
35.图4为本发明实施例中电堆封装结构中前侧板的分解结构示意图；
36.图5为本发明实施例中电堆封装结构内部的另一方向结构示意图；
37.图6为本发明实施例中电堆封装结构中后侧板的分解结构示意图；
38.图7为本发明实施例中电堆封装结构的分解结构示意图；
39.图8为本发明实施例中绝缘中置气箱的结构示意图；
40.图9为本发明实施例中底座的结构示意图。
41.附图标记说明：
42.1-壳体；
43.11-前侧板；12-后侧板；13-底座；131-导向槽；132-盲槽；14-盖板；
44.2-氢空液管路结构；
45.21-第一氢空液进入接口；
46.211-第一管路接口板；212-氢空液介质进入管；2121-氢气接入管；2122-空气接入管；2123-水接入管；
47.22-第一氢空液排出接口；
48.221-第二管路接口板；222-氢空液介质排出管；2221-氢气接出管；2222-空气接出管；2223-水接出管；
49.23-氢空液进入管路；24-氢空液排出管路；25-o型密封圈；
50.3-电气安装结构；
51.31-低压供电接口；32-电能输出接口；33-通讯接口；34-cvm线束接口；
52.4-cvm电压检测装置；
53.41-检测模块；42-弹性针；43-线束固定支架。
54.5-电堆固定杆；51-定位凸块；
55.6-空气吹扫置换管路；
56.61-第一置换气体入口接头；62-第一空气吹扫通道；63-第一置换气体出口接头；
57.7-ptc加热器；8-传感器；
58.9-电堆；
59.91-第一电堆结构；92-第二电堆结构；93-绝缘中置气箱；
60.931-氢空液介质排入通道；9311-氢气进入通道；9312-空气进入通道；9313-水进入通道；
61.932-氢空液介质排出通道；9321-氢气排出通道；9322-空气排出通道；9323-水排出通道；
62.10-密封胶条。
具体实施方式
63.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
64.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
65.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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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。在燃料电池中，氢空液为相互独立输送的三种介质，此为本领域的普通技术人员所知。
66.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
67.如图1-9所示，本发明实施例提供一种电堆封装结构，所述封装结构包括壳体1、氢空液管路结构2和电气安装结构3，其中：
68.壳体1形成封装空间以封装电堆9，壳体1包括分设于电堆9相对两端的前侧板11和后侧板12。
69.氢空液管路结构2包括第一氢空液进入接口21和第一氢空液排出接口22，第一氢空液进入接口21与电堆9的氢空液介质排入通道931连通，第一氢空液排出接口22与电堆9的氢空液介质排出通道932连通。
70.电气安装结构3包括低压供电接口31、电能输出接口32、通讯接口33和cvm线束接口34，其中：
71.低压供电接口31用于向电堆9供电；电能输出接口32用于将电堆9产生的电压输出到负载；通讯接口33用于与电堆9建立通信连接；cvm线束接口34用于与cvm电压检测装置4连接，cvm电压检测装置4安装在线束固定支架43上，线束固定支架43的一端与电堆9的端板连接，另一端连接在绝缘中置气箱93上。
72.其中，氢空液管路结构2设于前侧板11和后侧板12两个侧板中的其中一个侧板上，电气安装结构3设于前侧板11和后侧板12两个侧板中的另外一个侧板上。
73.在实际应用中，第一氢空液进入接口21与电堆(9)的氢空液介质排入通道931直接连通，或者两者通过氢空液进入管路23间接连通。同样的，第一氢空液排出接口22与电堆9的氢空液介质排出通道932直接连通，或者两者通过氢空液排出管路24间接连通。前侧板和后侧板相对布置的方向可沿电堆9的堆叠方向，也可垂直于电堆9的堆叠方向，具体以实现需求为准。
74.请参阅图1、7所示，具体到本实施例当中，壳体1包括正对设置且分别位于电堆9前后侧的前侧板11和后侧板12，壳体1用于封装电堆9。
75.氢空液管路结构2包括安装在前侧板11上的第一氢空液进入接口21和第一氢空液排出接口22，第一氢空液进入接口21和第一氢空液排出接口22分别与电堆9的氢空液进入管路23和氢空液排出管路24对应连接，以形成电堆9的介质管路。
76.相对应地，电气安装结构3则安装在后侧板12上的低压供电接口31、电能输出接口32、通讯接口33和cvm线束接口34，低压供电接口31用于向燃料电池堆供电，电能输出接口32用于将燃料电池堆产生的电压输出到负载，通讯接口33用于与燃料电池堆建立通信连接，以形成电气线路。
77.由此，氢空液管路结构2和电气安装结构3分别位于电堆9的前侧板11和后侧板12上，以使氢空液管路与电气线路分别位于电堆9的两侧，实现气电分离。
78.cvm电压检测装置4沿电堆9的堆叠方向连接在电堆固定杆5的一侧，cvm电压检测装置4与cvm线束接口34电性连接。
79.作为本发明实施例的优选实施方式，第一氢空液进入接口21包括第一管路接口板211和氢空液介质进入管212，氢空液介质进入管212安装于第一管路接口板211上，并贯穿其所在侧板以与氢空液进入管路23连通。
80.第一氢空液排出接口22包括第二管路接口板221和氢空液介质排出管222，氢空液介质排出管222安装于第二管路接口板221，并贯穿其所在侧板以与氢空液排出管路24连通。
81.请参阅图1所示，具体到本发明的实施例当中，第一氢空液进入接口21包括连接在前侧板11上的第一管路接口板211和贯穿在第一管路接口板211上的氢空液介质进入管
212，氢空液介质进入管212通过o型密封圈25密封连接在第一管路接口板211上，第一氢空液排出接口22包括连接在前侧板11上的第二管路接口板221和贯穿在第二管路接口板221上的氢空液介质排出管222。
82.由此，外界氢空液介质经氢空液介质进入管212进入到电堆9的氢空液进入管路23内，并经绝缘中置气箱93的管路分流到单电池电堆中发生反应，反应完成后又经绝缘中置气箱93的另一侧管路经氢空液排出管路24从介质排出管222向外排出。
83.作为本发明实施例的优选实施方式，电堆封装结构还包括密封胶条10，而壳体1还包括底座13和盖板14，前侧板11和后侧板12分设于底座13的相对两端，盖板14盖设在底座13、前侧板11和后侧板12的上方，前侧板11、后侧板12和底座13分别与盖板14通过螺钉连接以形成所述封装空间，并在连接处设置密封胶条10以将所述封装空间密封形成密闭空间。
84.请参阅图7所示，具体到本发明的实施例当中，壳体1还包括连接在前侧板11和后侧板12之间底部的底座13和适于盖设在底座13上的盖板14，前侧板11、后侧板12、底座13和盖板14之间通过螺钉连接以形成容纳电堆9的空间，并在连接处通过密封胶条10密封形成密闭空间。
85.作为本发明实施例的优选实施方式，电堆封装结构还包括空气吹扫置换管路6，空气吹扫置换管路6包括分别连通所述封装空间的第一置换气体入口接头61和第一置换气体出口接头63，第一置换气体入口接头61设于前侧板11和后侧板12两个侧板中的其中一个侧板，第一置换气体出口接头63设于前侧板11和后侧板12两个侧板中的另外一个侧板。
86.请参阅图1、2、3、5、7所示，具体到本发明的实施例当中，空气吹扫置换管路6包括设在氢空液管路结构2同侧的第一置换气体入口接头61、开设在底座13上表面的第一空气吹扫通道62和设在电气安装结构3同侧的第一置换气体出口接头63，第一置换气体入口接头61位于前侧板11的下侧。
87.对应地，第一置换气体出口接头63则位于后侧板12的上侧，第一空气吹扫通道62自底座13的长度方向的一端水平延伸到穿过燃料电池堆的端板，以形成空气流通通道，空气自空压机接入到第一置换气体入口接头61上，经第一空气吹扫通道62置换封装空间内的空气，并至第一置换气体出口接头63排出。
88.具体地，请参阅图7所示，在本发明的又一实施例当中，cvm电压检测装置4包括与每一个单片电池一一对应的检测模块41和插设在检测模块41上的弹性针42，每个弹性针42分别与对应的单片电池电性连接，以用于检测单片电池的电压。
89.具体地，请参阅图7所示，在本发明的又一实施例当中，还包括设在底座13上的ptc加热器7和多个传感器8，多个传感器8用于检测封装空间内的环境温度、湿度、氢气浓度，
90.当湿度传感器检测到封装空间的湿度超过设定值时，启动ptc加热器8对内部空气进行加热，以进行除湿；当温度传感器检测到封装空间的温度低于设定值时，或需要执行冷启动控制策略时，启动ptc加热器7加热封装空间，以带动两段式电堆升温；当氢气传感器检测到封装空间的氢气浓度超过设定值或者达到预设吹扫时间时，可通过第一置换气体入口接头61、第一空气吹扫通道62和第一置换气体出口接头63对封装空间进行吹扫，从而保证其安全可靠运行。
91.具体地，请参阅图7所示，在本发明的实施例当中，电堆封装结构还包括内置于封装空间的电堆固定杆5，电堆固定杆5架设于电堆9的两端以将电堆9约束于所述封装空间。
92.其中，电堆固定杆5与盖板14通过螺钉连接，且其连接处设置密封胶条10。
93.请参阅图7所示，在本发明的优选实施例当中，密封胶条10一体成型。具体地，盖板14分别与前侧板11、后侧板12、底座13和电堆固定杆5之间的密封胶条10为一个且一体成型。
94.请参阅图7所示，在本发明的又一优选实施例当中，密封胶条10绕设于螺钉的外侧。具体地，盖板14分别与前侧板11、后侧板12、底座13和电堆固定杆5之间通过螺钉连接，密封胶条10为中空密封胶条，螺钉刚好位于其中空位置，从而使得密封胶条10绕设于螺钉的外周侧，从而实现本技术螺钉连接处无泄漏点，提高本技术的密封和防尘效果。
95.在本发明的实施例当中，底座13与电堆9之间设有凹凸配合构造，电堆固定杆5的两端与底座13连接，并配合所述凹凸配合构造限制电堆9。
96.具体到本发明的实施例当中，电堆固定杆5沿堆叠方向连接在电堆9的上下表面，且电堆固定杆5远离电堆9的一侧表面设有定位凸块51。底座13上对应电堆固定杆5上的定位凸块51的位置开设有导向槽131和盲槽132，当定位凸块51落在导向槽131内的盲槽132上时，以与绝缘中置气箱93位置对应的定位凸块51卡入到底座13上对应位置的盲槽132中作为精定位基准，调整其他定位凸块51并落入到对应的盲槽132中。
97.具体地，请参阅图7所示，在本发明的实施例当中，电堆9包括正对设置的第一电堆结构91、第二电堆结构92及连接在第一电堆结构91和第二电堆结构92之间的绝缘中置气箱93，绝缘中置气箱93的两侧分别设有氢空液介质排入通道931和氢空液介质排出通道932；
98.第一氢空液进入接口21和第一氢空液排出接口22分别通过电堆管路与氢空液介质排入通道931和氢空液介质排出通道932一一对应连接。
99.具体地，请参阅图8所示，在本发明的实施例当中，氢空液介质排入通道931包括相互独立设置的氢气进入通道9311、空气进入通道9312和水进入通道9313，
100.氢空液介质进入管212包括相互独立设置的氢气接入管2121、空气接入管2122和水接入管2123，氢气接入管2121、空气接入管2122和水接入管2123分别与氢气进入通道9311、空气进入通道9312和水进入通道9313一一对应接通。
101.具体地，请参阅图8所示，在本发明的实施例当中，氢空液介质排出通道932包括相互独立设置的氢气排出通道9321、空气排出通道9322和水排出通道9323，
102.氢空液介质排出管222包括相互独立设置氢气接出管2221、空气接出管2222和水接出管2223，氢气接出管2221、空气接出管2222和水接出管2223分别与氢气排出通道9321、空气排出通道9322和水排出通道9323一一对应接通。
103.具体地，第一电堆结构和第二电堆结构均由多个单电池电堆堆叠而成，第一电堆结构和第二电堆结构的单电池电堆的数量可相同或不同。第一电堆结构和第二电堆结构均设有氢空液分配通道进口和氢空液分配通道出口，且氢空液分配通道进口包括相互独立的氢气分配通道入口、空气分配通道入口和水分配通道入口，氢空液分配通道出口包括相互独立的氢气分配通道出口、空气分配通道出口和水分配通道出口；氢空液进入管路23包括相互独立设置的氢进入管路、空进入管路和水进入管路，氢空液排出管路24包括氢排出管路、空排出管路和水排出管路。氢气依次流经氢气接入管2121、氢进入管路、氢气进入通道9311流向氢气分配通道入口，然后流向双极板参与反应，未参与反应的氢气将由双极板流向氢气分配通道出口，最终依次流经氢气排出通道9321、氢排出管路、氢气接出管2221流
出；空气依次流经空气接入管2122、空进入管路、空气进入通道9312流向空气分配通道入口，然后流向双极板参与反应，未参与反应的空气以及反应产生的部分水将由双极板流向空气分配通道出口，最终依次流经空气排出通道9322、空排出管路、空气接出管2222流出；冷却水依次流经水接入管2123、水进入管路、水进入通道9313流向水分配通道入口，然后流向双极板进行热交换，换热后的冷却水由双极板流向水分配通道出口，最终依次流经水排出通道9323、水排出管路、水接出管2223流出。
104.值得说明的是，适用本发明的电堆9可为上述实施例描述的电堆结构，也可为其他结构类型的电堆。
105.本发明的又一实施例还提供了一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括如上述所述的电堆封装结构，电堆9封装在所述封装空间内。
106.虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。