一种电堆端板及燃料电池电堆的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种电堆端板及燃料电池电堆。


背景技术：

2.燃料电池是一种通过氢气和氧气发生电化学反应而产生电能的能源转换装置，其反应产物只有水，实现真正意义上的无污染、零排放要求。
3.燃料电池电堆为多个单体电池串联组成，某一单体电池电压过低会影响燃料电池电堆的整体性能。单体电池性能的高低对燃料电池电堆的整堆稳定性和单体电池一致性的下降影响较大，在燃料电池电堆运行过程中，性能最低的单体电池性能会持续下降甚至反极耐久损耗明显，因此燃料电池电堆整体寿命也由性能最低的单体电池决定，总的来说燃料电池电堆的性能受限于整堆中性能最差的单体电池。
4.现有的电堆端板的结构设计一般考虑机械强度、防水防尘和绝缘等因素，其中，机械强度设计主要考虑电堆在封装力的影响下会出现较大形变导致压装力不均匀，从而导致燃料电池电堆的电压分布不均匀，易产生堵水等问题，因此设计过程中考虑压力沿燃料电池电堆的表面传递基本恒定。但该设计未能充分考虑电堆端板的歧管对电堆堆芯内部气体分布均一性的影响及对位于电堆端部的单体电池(简称端部单体电池)进气量的影响，此设计上的不合理或会导致端部单体电池的进气量相较于位于电堆中部的单体电池更小，因此导致端部单体电池电压偏低，因此影响燃料电池电堆的整堆电压一致性，严重情况可能存在烧堆风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种电堆端板及燃料电池电堆，实现改善燃料电池堆的端部单体电池电压偏低的问题。
6.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
7.一种电堆端板，包括：外壳本体1和嵌套主体2；所述外壳本体1包括正面和与所述正面相反的背面，所述外壳本体1上设有第一歧管容纳槽20和第二歧管容纳槽21；所述第一歧管容纳槽20和所述第二歧管容纳槽21从厚度方向贯穿所述外壳本体1；所述嵌套主体2包括：绝缘板22，第一歧管组件2a和第二歧管组件2b；所述第一歧管组件2a和所述第二歧管组件2b分别对应嵌套至所述第一歧管容纳槽20和所述第二歧管容纳槽21内，且与所述绝缘板22连接；所述绝缘板22位于所述外壳本体1的背面。
8.可选地，还包括：加强筋3，其设置在所述外壳本体1的正面上。
9.可选地，若干个安装孔4，设置在所述外壳本体1的边缘上，若干个所述安装孔4沿所述外壳本体1周向且间隔设置。
10.可选地，所述外壳本体1的背面设有容置槽，其与所述绝缘板22相匹配，所述绝缘板22设置在所述容置槽内后，所述外壳本体1的背面为平坦的表面。
11.可选地，所述第一歧管组件2a包括：氢气进口歧管7、冷却液进口歧管6和空气出口
歧管5；所述氢气进口歧管7的管径d7，从正面至背面逐渐扩大；所述冷却液进口歧管6的管径d6，从正面至背面逐渐扩大；所述空气出口歧管5的管径d5，从正面至背面逐渐减小。
12.可选地，所述第二歧管组件2b包括：氢气出口歧管8、冷却液出口歧管9和空气进口歧管10；所述空气进口歧管10的管径d10，从正面至背面逐渐扩大；所述冷却液出口歧管9的管径d9，从正面至背面逐渐减小；所述氢气出口歧管8的管径d8，从正面至背面逐渐减小。
13.可选地，所述氢气进口歧管7的管径d7的最大值小于所述冷却液进口歧管6的管径d6的最小值，所述冷却液进口歧管6的管径d6的最大值小于所述空气出口歧管5的管径d5的最小值。
14.可选地，氢气通过所述氢气进口歧管7进入电堆堆芯，之后通过所述氢气出口歧管8排出；冷却液通过所述冷却液进口歧管6进入电堆堆芯，之后通过所述冷却液出口歧管9排出；空气通过所述空气进口歧管10进入电堆堆芯，之后通过所述空气出口歧管5排出。
15.可选地，所述氢气进口歧管7、所述冷却液进口歧管6和所述空气出口歧管5一体化设置；所述氢气出口歧管8、所述冷却液出口歧管9和所述空气进口歧管10一体化设置。
16.另一方面，本发明还提供一种燃料电池电堆，包括：如上文所述的电堆端板，电堆壳体14，所述电堆堆芯12设置在所述电堆壳体14内部；所述电堆壳体14的端部设有与所述电堆端板上的安装孔4匹配的盲孔，通过螺栓15贯穿所述安装孔4，且停留在所述盲孔内，以将所述电堆端板固定在所述电堆壳体14的端部上；所述电堆端板与所述电堆壳体14之间设有密封圈11。
17.本发明至少具有以下优点之一：
18.本发明提供的电堆端板，其靠近所述端部单体电池设置，本发明提供的电堆端板是一种嵌套结构的电堆端板设计，包括相互嵌套设置的外壳本体、嵌套主体2或者是嵌套注塑绝缘部分。由此可知本发明的电堆端板不仅可集成绝缘板提供良好的绝缘性能并且一定程度上提供均匀压力，而且可改善端部单体电池进气量，从而提升端部单体电池性能改善电堆整体电压一致性，并且嵌套结构可有效减少端板与绝缘板之间的漏气风险。
19.本发明通过设置不同直径的端板歧管进出口的方式改善流体歧管内分配均匀性，没有引入额外的用于流体分配的装置，结构简单，方便实施。即第一歧管组件2a和第二歧管组件2b在电堆运行过程中对入堆流体进行二次分配，对端部进气量明显增加，从而改善歧口端单电池性能，进而改善电堆电压一致性。
20.本发明提供的外壳本体用于电堆壳体的封装及封装力均衡，包含氢气、空气和冷却液的进出口，可为电堆堆芯(多个单电池构成堆芯整体，单电池由极板和mea构成，堆芯外有壳体，歧口端板与堆芯及壳体都有连接)提供反应所需的以上三种介质。
附图说明
21.图1为本发明一实施例提供的电堆端板的正面立体结构示意图；
22.图2为本发明一实施例提供的电堆端板的背面立体结构示意图；
23.图3为本发明一实施例提供的电堆端板的俯视结构示意图；
24.图4为图3所示的电堆端板的沿a-a方向的剖面结构示意图；
25.图5为图3所示的电堆端板的沿b-b方向的剖面结构示意图；
26.图6为本发明一实施例提供的电堆端板的嵌套主体的正面结构示意图；
27.图7为本发明一实施例提供的电堆端板的嵌套主体的背面结构示意图；
28.图8为本发明一实施例提供的燃料电池电堆的立体结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种电堆端板及燃料电池电作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
30.如图1～图3所示，本实施例提供一种电堆端板，包括：外壳本体1和嵌套主体2；所述外壳本体1包括正面和与所述正面相反的背面，所述外壳本体1上设有第一歧管容纳槽20和第二歧管容纳槽21；所述第一歧管容纳槽20和所述第二歧管容纳槽21从厚度方向贯穿所述外壳本体1；所述嵌套主体2包括：绝缘板22，第一歧管组件2a和第二歧管组件2b；所述第一歧管组件2a和所述第二歧管组件2b分别对应嵌套至所述第一歧管容纳槽20和所述第二歧管容纳槽21内，且与所述绝缘板22连接；所述绝缘板22位于所述外壳本体1的背面。
31.歧口端板壳体本体1与注塑主体2采用嵌套连接，与密封圈11及堆芯12进行连接，之后与密封圈13及电堆壳体14通过螺栓15连接完成电堆封装，与传统方式相比减少了因装配不当导致的端板绝缘板(绝缘板，电堆绝缘用的设计)之间的漏气风险，同时嵌套主体也替代绝缘板为电堆提供了绝缘功能。(端板是端板壳体和注塑主体嵌套组成，详细图纸见dwg文件，注塑主体只有一个，六根歧管，端板连接堆芯压装在一体，之后装配孔装配在电堆封装壳体上)
32.如图3所示，本实施例还包括：加强筋3，其设置在所述外壳本体1的正面上。所述加强筋3分布在所述外壳本体1的正面上，加强筋为电堆端板提供一定支撑增加压力的均匀分配。
33.如图3所示，本实施例还包括：若干个安装孔4，设置在所述外壳本体1的边缘上，若干个所述安装孔4沿所述外壳本体1周向且间隔设置。安装孔4与电堆壳体14进行连接起到密封作用。可便于外壳的加工或满足电堆装配过程的操作需求。
34.在本实施例中，所述外壳本体1的背面设有容置槽，其与所述绝缘板22相匹配，所述绝缘板22设置在所述容置槽内后，所述外壳本体1的背面为平坦的表面。
35.如图4～图7所示，所述第一歧管组件2a包括：氢气进口歧管7、冷却液进口歧管6和空气出口歧管5；所述氢气进口歧管7的管径d7，从正面至背面逐渐扩大；本文中的正面至背面均可以是指外壳本体1的正面和背面；所述冷却液进口歧管6的管径d6，从正面至背面逐渐扩大；所述空气出口歧管5的管径d5，从正面至背面逐渐减小。
36.请继续参考图4～图7所示，所述第二歧管组件2b包括：氢气出口歧管8、冷却液出口歧管9和空气进口歧管10；所述空气进口歧管10的管径d10，从正面至背面逐渐扩大；所述冷却液出口歧管9的管径d9，从正面至背面逐渐减小；所述氢气出口歧管8的管径d8，从正面
至背面逐渐减小。
37.所述氢气进口歧管7的管径d7的最大值小于所述冷却液进口歧管6的管径d6的最小值，所述冷却液进口歧管6的管径d6的最大值小于所述空气出口歧管5的管径d5的最小值。即所述氢气进口歧管7的管径小于所述冷却液进口歧管6的管径，所述冷却液进口歧管6的管径小于所述空气出口歧管5的管径；d7《d6《d5。所述氢气出口歧管8的管径d8小于所述冷却液出口歧管9的管径d9，所述冷却液出口歧管9的管径d9小于所述空气进口歧管10的管径d10，d8《d9《d10。
38.氢气通过所述氢气进口歧管7进入电堆堆芯，之后通过所述氢气出口歧管8排出；冷却液通过所述冷却液进口歧管6进入电堆堆芯，之后通过所述冷却液出口歧管9排出；空气通过所述空气进口歧管10进入电堆堆芯，之后通过所述空气出口歧管5排出。氢气通过氢气进口歧管7进入时由于其变径结构导致氢气在端部电池处流速变缓从而进气量增加，端部单电池性能提升，氢气通过堆芯后由氢气出口歧管8排出，由于其变径结构存在出口处更易排水减少堵水风险(氢空都会有水，所以说的氢空都优化排水)，同理空气路结构对进气量及排水都进了优化，用于堆芯内部供应的进出口，可以利用将流体供应至电堆堆芯泄漏到外壳内的物质；上述的流体包括空气、氢气、冷却液，但不仅限于此。
39.可选地，所述氢气进口歧管7、所述冷却液进口歧管6和所述空气出口歧管5一体化设置；所述氢气出口歧管8、所述冷却液出口歧管9和所述空气进口歧管10一体化设置。上述组件的结合方式注塑工艺，但不仅限于此；电堆端板壳体选用铝合金等高强度材料，嵌套主体可选用尼龙塑料等其他非金属材料，但不仅限于此；
40.另一方面，本发明还提供一种燃料电池电堆，包括：如上文所述的电堆端板，电堆壳体14，所述电堆堆芯12设置在所述电堆壳体14内部；所述电堆壳体14的端部设有与所述电堆端板上的安装孔4匹配的盲孔，通过螺栓15贯穿所述安装孔4，且停留在所述盲孔内，以将所述电堆端板固定在所述电堆壳体14的端部上；所述电堆端板与所述电堆壳体14之间设有密封圈11。
41.所述电堆堆芯12包括若干个相互串联的电池单体，相邻的电池单体之间也设有其他密封圈13结构，电堆堆芯12可以使用现有的电堆堆芯结构，本发明不再赘述。
42.壳体本体1与注塑主体(嵌套主体)2采用嵌套连接，与密封圈11及堆芯12进行连接，之后与密封圈13及电堆壳体(电堆封装壳体)14通过螺栓15连接完成电堆封装，与传统方式相比减少了因装配不当导致的端板绝缘板之间的漏气风险，同时嵌套主体也替代绝缘板为电堆提供了绝缘功能。(端板是端板壳体和注塑主体嵌套组成注塑主体只有一个，六根歧管，端板连接堆芯压装在一体，之后装配孔装配在电堆封装壳体14上)。
43.本实施例提供的电堆端板，其靠近所述端部单体电池设置，本实施例提供的电堆端板是一种嵌套结构的电堆端板设计，包括相互嵌套设置的外壳本体、嵌套主体2或者是嵌套注塑绝缘部分。由此可知本发明的电堆端板不仅可集成绝缘板提供良好的绝缘性能并且一定程度上提供均匀压力，而且可改善端部单体电池进气量，从而提升端部单体电池性能改善电堆整体电压一致性，并且嵌套结构可有效减少端板与绝缘板之间的漏气风险。
44.本实施例通过设置不同直径的端板歧管进出口的方式改善流体歧管内分配均匀性，没有引入额外的用于流体分配的装置，结构简单，方便实施。即第一歧管组件2a和第二歧管组件2b在电堆运行过程中对入堆流体进行二次分配，对端部进气量明显增加，从而改
善歧口端单电池性能，进而改善电堆电压一致性。
45.本实施例提供的外壳本体用于电堆壳体的封装及封装力均衡，包含氢气、空气和冷却液的进出口，可为电堆堆芯(多个单电池构成堆芯整体，单电池由极板和mea构成，堆芯外有壳体，歧口端板与堆芯及壳体都有连接)提供反应所需的以上三种介质。
46.本实施例可用于电堆壳体封装，均衡封装力，并且将绝缘板集成在端板(嵌套主体带有绝缘板功能，不需要再加一个绝缘板)上，端板壳体与内部嵌套可减少安装不当导致的漏气风险；注塑主体内部歧管设计可对流体进行二次分配(变径流道)，通过变径结构增加端部单体电池进气量(文丘里效应)，提高端部单体电池性能(端部单电池性能低于中部单电池，增加进气量可以提高端部单电池电压，端部单电池电压升高后整体电压一致性就会变好，短板效应)，从而改善燃料电池电堆整体电压一致性。
47.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“高度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
49.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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发明中的具体含义。
50.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。
51.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种电堆端板，其特征在于，包括：外壳本体(1)和嵌套主体(2)；所述外壳本体(1)包括正面和与所述正面相反的背面，所述外壳本体(1)上设有第一歧管容纳槽(20)和第二歧管容纳槽(21)；所述第一歧管容纳槽(20)和所述第二歧管容纳槽(21)从厚度方向贯穿所述外壳本体(1)；所述嵌套主体(2)包括：绝缘板(22)，第一歧管组件(2a)和第二歧管组件(2b)；所述第一歧管组件(2a)和所述第二歧管组件(2b)分别对应嵌套至所述第一歧管容纳槽(20)和所述第二歧管容纳槽(21)内，且与所述绝缘板(22)连接；所述绝缘板(22)位于所述外壳本体(1)的背面。2.如权利要求1所述的电堆端板，其特征在于，还包括：加强筋(3)，其设置在所述外壳本体(1)的正面上。3.如权利要求2所述的电堆端板，其特征在于，若干个安装孔(4)，设置在所述外壳本体(1)的边缘上，若干个所述安装孔(4)沿所述外壳本体(1)周向且间隔设置。4.如权利要求3所述的电堆端板，其特征在于，所述外壳本体(1)的背面设有容置槽，其与所述绝缘板(22)相匹配，所述绝缘板(22)设置在所述容置槽内后，所述外壳本体(1)的背面为平坦的表面。5.如权利要求4所述的电堆端板，其特征在于，所述第一歧管组件(2a)包括：氢气进口歧管(7)、冷却液进口歧管(6)和空气出口歧管(5)；所述氢气进口歧管(7)的管径d7，从正面至背面逐渐扩大；所述冷却液进口歧管(6)的管径d6，从正面至背面逐渐扩大；所述空气出口歧管(5)的管径d5，从正面至背面逐渐减小。6.如权利要求5所述的电堆端板，其特征在于，所述第二歧管组件(2b)包括：氢气出口歧管(8)、冷却液出口歧管(9)和空气进口歧管(10)；所述空气进口歧管(10)的管径d10，从正面至背面逐渐扩大；所述冷却液出口歧管(9)的管径d9，从正面至背面逐渐减小；所述氢气出口歧管(8)的管径d8，从正面至背面逐渐减小。7.如权利要求6所述的电堆端板，其特征在于，所述氢气进口歧管(7)的管径d7的最大值小于所述冷却液进口歧管(6)的管径d6的最小值，所述冷却液进口歧管(6)的管径d6的最大值小于所述空气出口歧管(5)的管径d5的最小值。8.如权利要求7所述的电堆端板，其特征在于，氢气通过所述氢气进口歧管(7)进入电堆堆芯，之后通过所述氢气出口歧管(8)排出；冷却液通过所述冷却液进口歧管(6)进入电堆堆芯，之后通过所述冷却液出口歧管(9)排出；空气通过所述空气进口歧管(10)进入电堆堆芯，之后通过所述空气出口歧管(5)排出。9.如权利要求8所述的电堆端板，其特征在于，所述氢气进口歧管(7)、所述冷却液进口歧管(6)和所述空气出口歧管(5)一体化设置；所述氢气出口歧管(8)、所述冷却液出口歧管(9)和所述空气进口歧管(10)一体化设置。10.一种燃料电池电堆，其特征在于，包括：如权利要求1～9任意一项所述的电堆端板，
电堆壳体(14)，所述电堆堆芯(12)设置在所述电堆壳体(14)内部；所述电堆壳体(14)的端部设有与所述电堆端板上的安装孔(4)匹配的盲孔，通过螺栓(15)贯穿所述安装孔(4)，且停留在所述盲孔内，以将所述电堆端板固定在所述电堆壳体(14)的端部上；所述电堆端板与所述电堆壳体(14)之间设有密封圈(11)。

技术总结
本发明公开了一种电堆端板及燃料电池电堆，所述电堆端板包括：外壳本体和嵌套主体；外壳本体上设有第一歧管容纳槽和第二歧管容纳槽；第一歧管容纳槽和第二歧管容纳槽从厚度方向贯穿外壳本体；嵌套主体包括：绝缘板，第一歧管组件和第二歧管组件；第一歧管组件和第二歧管组件分别对应嵌套至第一歧管容纳槽和第二歧管容纳槽内，且与绝缘板连接；绝缘板位于外壳本体的背面。本发明能够改善燃料电池堆的端部单体电池电压偏低的问题。部单体电池电压偏低的问题。部单体电池电压偏低的问题。


技术研发人员：吴海龙 王燊 冯帝文 姜远坤 周思宇 钮赛 宋永平 蒋永伟 周道武 王涛
受保护的技术使用者：航天氢能（上海）科技有限公司
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/7/11