一种燃料电池电堆的制作方法

1.本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池电堆。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。低温燃料电池采用氢燃料，只产生水，因此是零排放机动性的理想技术。最先进的燃料电池利用质子交换膜将质子从阳极(氢在阳极分解成质子和电子)输送到阴极(氢在阴极与氧结合形成水)。释放能量用来驱动负载实现能量转换。每个典型的电化学电池单元产生大约0.6v到1v的电压，电池单元堆叠在一起产生高压，形成物理上的燃料电池电堆。
3.燃料电池电堆包含用作发电的电池单元、用作电流输出的集流板、用作紧固的端板、以及用作紧固用的紧固件。电池单元由膜电极组件(mea)和将膜电极组件装夹固定的双极板、密封件组成，所述膜电极组件包括电解质层和将电解质层夹在之间的碳纸或者碳布扩散层，所述双极板多为金属表面镀层板，或者石墨及石墨复合材料板，所述密封件为弹性密封材料。
4.现有技术中燃料电池电堆的紧固方式常采用螺栓紧固和拉杆连接的方式，这种方式虽然装配简单，但是对于不同功率的电堆需要匹配不同长度的螺栓和拉杆，操作起来较为复杂，且由于端板的受力点位于端板边缘，会造成电堆端板明显的法向绕曲，使集流板和膜电极所受压力不均匀，严重影响电堆的性能。


技术实现要素：

5.根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种燃料电池电堆，能够实现对不同功率电堆的灵活装配和均匀分配燃料电池电堆的压力，操作简单。
6.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.一种燃料电池电堆，包括：阳极端板、电池组、阴极端板、和固定带，
8.上述电池组设置在上述阳极端板和上述阴极端板之间，上述固定带用于箍紧上述阳极端板、上述电池组以及上述阴极端板且上述固定带两端端部固定连接。
9.可选地，上述阳极端板和上述阴极端板上均设有定位槽，上述固定带卡入上述定位槽设置。
10.可选地，上述固定带设有多条，多条上述固定带间隔设置。
11.可选地，还包括阳极集流板、阴极集流板、阳极绝缘板和阴极绝缘板，上述阳极集流板与上述电池组的阳极相连，上述阴极集流板与上述电池组的阴极相连，上述阳极绝缘板设置在上述阳极端板和上述阳极集流板之间，上述阴极绝缘板设置在上述阴极端板和上述阴极集流板之间。
12.可选地，还包括缓冲件，上述缓冲件设置在上述阳极端板和上述阳极绝缘板之间；
13.和/或，上述缓冲件设置在上述阴极端板和上述阴极绝缘板之间。
14.可选地，上述阳极端板或上述阳极绝缘板上设有凸台，上述缓冲件安装在上述凸台上；
15.和/或，上述阴极端板或上述阴极绝缘板上设有凸台，上述缓冲件安装在上述凸台上。
16.可选地，上述阳极端板和/或上述阳极绝缘板上设有凹槽，上述凹槽内凸设有凸台，上述缓冲件为弹簧，上述弹簧设置在上述凹槽内且套设于上述凸台；
17.和/或，上述阴极端板或上述阴极绝缘板上设有凹槽，上述凹槽内凸设有凸台，上述缓冲件为弹簧，上述弹簧设置在上述凹槽内且套设于上述凸台。
18.可选地，上述电池组包括若干电池单体，若干上述电池单体包括依次层叠设置的阳极双极板、阳极密封件、膜电极、阴极密封件和阴极双极板。
19.可选地，上述阳极双极板、上述膜电极和上述阴极双极板上均设有防呆位。
20.可选地，上述阳极双极板、上述膜电极和上述阴极双极板的对角处均设有定位孔。
21.本实用新型的有益效果：
22.通过将电池组放置于阳极端板和阴极端板之间，并通过固定带将阳极端板和阴极端板捆绑在一起，从而实现对电池组的固定，在对不同功率的电堆进行装配时，只需使用电堆打包机对电堆进行打包，然后根据电堆功率来切割固定带即可，能够实现对不同功率的电堆的灵活装配，且操作简单。
23.固定带设置有多条，且多条固定带间隔设置用于捆绑电堆，能够使电堆各部分受力均匀，确保电堆始终处于较优的状态下。
24.使用固定带捆绑的紧固方式可以减小燃料电池电堆的体积和重量，从而提升燃料电池电堆的体积功率密度和质量功率密度。
25.将缓冲件和固定带配合设置可以较好地实现燃料电池电堆压力分配的均匀性。
附图说明
26.图1是本实用新型燃料电池电堆的结构示意图；
27.图2是本实用新型阳极端板、缓冲件与阳极绝缘板的爆炸图；
28.图3是本实用新型阳极双极板结构示意图。
29.图中：
30.100、阳极端板；101、定位槽；102、凸台；103、凹槽；200、阳极集流板；300、电池组；310、阳极双极板；311、防呆位；312、定位孔；313、进出气孔；400、阴极端板；500、阴极集流板；600、固定带；700、阳极绝缘板；800、阴极绝缘板；900、缓冲件。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
32.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固
定”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。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实用新型中的具体含义。
33.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，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”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
35.当前，燃料电池电堆的固定方式常采用螺栓紧固和拉杆连接的方式，但是这种紧固方式对功率不同的电堆需要匹配不同长度的螺栓和拉杆，装配灵活度较差，装配操作复杂，且这种紧固方式利用端板的边缘进行连接，进而使端板的受力点集中在端板边缘，会造成电堆端板明显的法向绕曲，使集流板和膜电极所受压力不均匀，严重影响电堆的性能。
36.针对上述问题，在本实用新型的一个实施例中，提供了一种燃料电池电堆，如图1所示，该燃料电池电堆包括阳极端板100、电池组300、阴极端板400和固定带600，其中电池组300设置在阳极端板100和阴极端板400之间，端板主要的作用是控制接触应力，将燃料电池电堆的封装载荷均匀地传递到电池组300中，固定带600将阳极端板100、电池组300和阴极端板400捆绑起来，然后将固定带600的两端直接固定连接，实现对燃料电池电堆的紧固。
37.通过使用固定带600对燃料电池电堆紧固，只需要在对燃料电池电堆进行装配时，根据电堆功率切割所需长度的固定带600即可，无需提前设计固定带600的长度，能够灵活的对不同功率的电堆进行装配，且固定带600两端直接相连，装配操作简单。另外，通过固定带600捆绑的方式可以使端板的各处受力均匀，进而使电池组300内部受力均匀，保证燃料电池电堆始终处于较优的状态。与采用螺栓紧固和拉杆连接的紧固方式相比，使用固定带600紧固可以减小燃料电池电堆的体积和重量，进而提升燃料电池电堆的体积功率密度和质量功率密度。
38.优选地，阳极端板100和阴极端板400的材料应该具有足够的强度和刚度，足够的强度可以保证在封装力作用下阳极端板100和阴极端板400不发生破坏，足够的刚度则可以使得阳极端板100和阴极端板400变形更加合理，从而均匀地传递封装载荷到电池组300。考虑到燃料电池电堆的输出电流较大，阳极集流板200和阴极集流板500需要采用导电性能较高的金属材料制成的金属板，如铜板、镍板或镀金的金属板等。
39.进一步地，为了使燃料电池电堆的各处固定的较为平稳，设置多条固定带600，且多条固定带600之间间隔设置，这样可以将每条固定带600做的较细一些，使每个燃料电池电堆使用的条数多一些，分散固定，这种固定方式使电堆内部受力均匀。在一个实施例中，固定带600可以为捆扎带，打包机在对电堆进行装配的过程中，截取所需捆扎带长度，然后
使用热熔胶将捆扎带的两端固定连接；在其他实施例中，固定带600也可以是钢带，打包机在对电堆进行装配的过程中，截取所需钢带长度，然后通过焊接的方式将钢带的两端固定连接。
40.优选地，在一个实施例中，可以在阳极端板100和阴极端板400上设置用于定位固定带600的定位槽101，定位槽101从阳极端板100的一侧延伸到顶面再延伸到另一侧，同样的，从阴极端板400的一侧延伸到阴极端板400的另一侧，每条固定带600对应一个定位槽101，装配时，固定带600卡入定位槽101中，以免固定带600位置偏移，且定位槽101向内凹陷，使得固定带600可以嵌入阳极端板100和阴极端板400中，不突出阳极端板100和阴极端板400的表面，不影响燃料电池电堆的安装以及堆叠等。
41.进一步地，继续参见图1，在一个实施例中，可以设置一个阳极集流板200和一个阴极集流板500，阳极集流板200与电池组300的阳极相连，阴极集流板500与电池组300的阴极相连，电池组300中的电能通过阳极集流板200和阴极集流板500输送到外部负载，可以在阳极端板100和阳极集流板200之间设置一个阳极绝缘板700，在阴极端板400和阴极集流板500之间设置一个阴极绝缘板800，阳极绝缘板700和阴极绝缘板800对燃料电池电堆的功率输出无贡献，只起到对阳极端板100和阳极集流板200以及阴极端板400和阴极集流板500之间的电隔离作用。为了提高燃料电池电堆的功率密度，在保证绝缘效果的情况下尽可能使用厚度较小，重量较轻的阳极绝缘板700和阴极绝缘板800。
42.优选地，如图2所示，在一个实施例中，可以在阳极端板100和阳极绝缘板700之间设置缓冲件900，并在阳极端板100或阳极绝缘板700上设置凸台102，将缓冲件900安装在凸台102上。缓冲件900能够进一步协调燃料电池电堆在运行过程中所产生的微小变形，还可以用于补偿因零部件的松弛或因温度的改变引起的电堆的热胀冷缩而导致组装力的变化；在另一个实施例中，还可以在阴极端板400和阴极绝缘板800之间设置缓冲件900；在其他实施例中，还可以在阳极端板100和阳极绝缘板700之间以及阴极端板400和阴极绝缘板800之间均设置缓冲件900，根据实际需要生产即可。
43.作为优选地技术方案，在一个实施例中，可以在阳极端板100或阳极绝缘板700上开设凹槽103，在凹槽103内凸设凸台102，缓冲件900选择碟形弹簧或波形弹簧，将缓冲件900套设在凸台102上，凹槽103用于容纳缓冲件900，这样可以更好地固定缓冲件900，防止缓冲件900在电堆工作过程中移位；在另一个实施例中，还可以在阴极端板400和阴极绝缘板800上开设凹槽103，在凹槽103内凸设凸台102，缓冲件900选择碟形弹簧或波形弹簧，将缓冲件900套设在凸台102上，凹槽103用于容纳缓冲件900；在其他实施例中，还可以在阳极端板100或阳极绝缘板700以及阴极端板400或阴极绝缘板800上均开设凹槽103，在凹槽103内凸设凸台102，缓冲件900选择碟形弹簧或波形弹簧，将缓冲件900套设在凸台102上，凹槽103用于容纳缓冲件900。
44.进一步地，电池组300由若干电池单体组成，电池单体由阳极双极板310、阳极密封件、膜电极、阴极密封件和阴极双极板组成，其中阳极双极板310、阳极密封件、膜电极、阴极密封件和阴极双极板依次层叠设置，阳极双极板310和阴极双极板又叫流场板，是电堆中的“骨架”，在燃料电池电堆中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心组件，它由质子交换膜、催化层与气体扩散层三个部分组成。阳极密封件和阴极密封件的主要作用是保证电堆内部气体和液体正常、安
全地流动。
45.优选地，如图3所示，可以在阳极双极板310上设置防呆位311，同样地在膜电极和阴极双极板上也设置防呆位，避免进行电池单体的堆叠时，导致膜电极，阴极双极板和阳极双极板310的方向叠放错误。
46.进一步地，继续参见图3，可以在阳极双极板310的对角位置处设置定位孔312，同样地在阴极双极板和膜电极的对角位置上也设置定位孔，避免在电池组300的堆叠过程中，阳极双极板310、膜电极和阴极双极板的位置发生偏移，影响电堆的性能；在其它实施例中，还可以在阳极双极板310、膜电极和阴极双极板的两对对角处都设置定位孔，根据实际需要生产即可。
47.进一步地，继续参见图3，在一个实施例中，可以在阳极双极板310上设置进出气孔313，同样地在膜电极、阴极双极板以及阳极端板100上设置进出气孔。电堆的阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，膜电极作为传递h
+
的介质，只允许h
+
通过，工作时相当于一直流电源，阳极即为电源负极，阴极即为电源正极。电堆在工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各电池单体的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。在另一个实施例中，也可以在阳极双极板310、膜电极、阴极双极板以及阴极端板400上均设置进出气孔。在其他实施例中，还可以在阳极双极板310、膜电极、阴极双极板、阳极端板100以及阴极端板400上均设置进出气孔。
48.本实用新型通过固定带600将阳极端板100、阳极集流板200、电池组300、阴极集流板500和阴极端板400捆绑固定，并直接将固定带600的两端连接起来，可以对不同功率的电堆进行灵活地装配，操作简单；设置多条间隔设置的固定带600，能够使阴极端板400和阳极端板100的受力均匀，进而使电堆内部的受力均匀，保证电堆始终保持在最优的工作状态；设置缓冲件900对电堆工作工程中产生的微小形变和组装力变化进行补偿，保证电堆的使用性能。
49.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。