CN115172839B - 一种嵌有集流板的电堆端板、电堆及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌有集流板的电堆端板、电堆及燃料电池，嵌有集流板的电堆端板是一体注塑成型绝缘端板，电堆端板包括：端板本体和集流板，端板本体包括第一板面和第二板面，集流板紧邻第一板面；第一板面设有集流板嵌入槽，集流板嵌设在集流板嵌入槽中，沿集流板嵌入槽内侧边缘设有沟槽。本发明解决注塑件表面的平面度和尺寸公差带来导致的双极板破损问题，保证了电堆的密封性，不但解决了气体泄漏带来的安全隐患，进而提高了电堆电堆功率密度。而且，提高了电堆的产品合格率和生产效率，降低了电堆的生产成本。

Description

一种嵌有集流板的电堆端板、电堆及燃料电池

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，具体涉及一种一种嵌有集流板的电堆端板、电堆及燃料电池。

背景技术

燃料电池相较于锂电池优势明显，具有优越的低温启动能力，短时间加注能力及单次加注后的长续航能力，受到目前市场的重视。而燃料电池的成本、耐久性、低温性能以及功率密度等仍急需提高，为产业化进程带来阻碍。电堆作是燃料电池核心部件，是对外功率输出的核心，其成本约占燃料电池系统总成本的42%～62%所以电堆的开发对燃料电池推广应用至关重要。我国燃料电池技术发展路线中规划要求未来燃料电池的电堆功率密度从2.5kW/L提升至4~4.5kW/L；关键零部件国产化率从50%提升至90~98%。电堆端板、绝缘板部件均属于燃料电池的关键零部件开发设计方面，其材料选择与结构设计是影响电堆性能、寿命及成本的关键因素。

现有技术中，燃料电池电堆由端板、绝缘板、密封件、双极板、气体扩散层、MEA 以及紧固件等组成，双极板、气体扩散层和MEA等构成电堆堆芯。电堆对封装的密封性要求很高。电堆密封性能差，容易引起气体泄漏，一方面会有安全隐患，另一方面影响电堆电堆功率密度。为了保证密封性，电堆装配或封装过程需要受到封装力或者部件紧固力的作用。

电堆上的绝缘板需嵌入集流板，由于绝缘板为注塑件，其平面度和尺寸公差很难控制，这样将会在集流板与绝缘板之间的嵌接处形成向上凸的台阶，集流板是金属件，集流板与电芯双极板接触，受到电堆装配或封装过程的外力，会导致双极板的破损。目前，市场上可以实现量产的双极板为石墨双极板，石墨双极板比较脆，且石墨双极板的韧性和硬度要远远差于集流板金属件，上述所说形成的向上凸的台阶也同样要受到外部封装力或者部件紧固力的作用，台阶高度如果过大的话，会把石墨顶坏，甚至直接顶裂，导致双极板破损，影响电堆的功率密度，进而影响电堆的产品合格率和生产成本。现有技术中，为了解决这个问题，不采用凹槽设计，将整个集流板制备成形状与绝缘板一致的板件，直接贴合到绝缘板的一侧，但是这样对集流板制备要求会提高，需要在集流板上设计进出气孔等孔道。同时引入一个较大的问题，即：集流板的密封问题；如此，很大地增加了生产成本和工艺流程，降低了生产效率。

发明内容

针对上述现有技术中存在的行业棘手难题，研发人员经过不断地改进设计及实验，发现，绝缘端板一侧板面上设计可兼容集流板厚度的槽为最经济的方案，但同时要解决注塑件表面的平面度和尺寸公差带来的严重问题；研发人员合力设计集流板嵌入槽内侧边缘设有沟槽，用于缓解或消除注塑件表面的平面度和尺寸公差导致的的集流板凸起的台阶高度。保证了电堆的密封性，不但解决了气体泄漏带来的安全隐患，进而提高了电堆电堆功率密度。而且，提高了电堆的产品合格率和生产效率，降低了电堆的生产成本。

因此，本发明一方面提出了一种嵌有集流板的电堆端板，所述电堆端板是绝缘端板，所述电堆端板包括：端板本体和集流板，所述端板本体包括第一板面和第二板面，所述集流板紧邻所述第一板面；所述第一板面设有集流板嵌入槽；所述集流板嵌设在所述集流板嵌入槽中；其特征在于，沿所述集流板嵌入槽内侧边缘设有沟槽。

本发明所述绝缘端板是一体注塑成型，所述绝缘端板即起到绝缘板的作用，也起到端板的封装所用，实际将是现有技术中所说的端板和绝缘板功能合并至绝缘端板上。

本发明所述沟槽的作用是缓解或消除塑件表面的平面度和尺寸公差导致的的集流板凸起的台阶高度，本发明中“凸起的台阶”与“凸起”所表示的意思一致，发明内容中主要采用“凸起”来表示。所述沟槽作用的截面形状不做限制，可以是规则形状，也可以是不规则形状。沟槽侧面可以是垂直、也可以是斜面，沟槽的截面形状可以是矩形、梯形等。

此外，研发人员通过反复的DOA 实验发现，所述凸起的高度超过0.3mm时候就会发生顶裂石墨板双极板边缘的现象。同时通过所述沟槽的尺寸等特性设计，可以将所述凸起完全消除。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板中所述集流板嵌入所述集流板嵌入槽后使所述集流板边缘形成凸起，所述凸起嵌入所述沟槽中，所述凸起的高度＜0.30mm。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板中所述凸起的高度≦0.00mm。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板中所述沟槽底表面到所述集流板嵌入槽底表面的距离为所述沟槽的深度，所述沟槽的深度为H，所述沟槽的宽度为W；其中，H=0.1mm~0.3mm，W=0.1mm~1mm。

根据现有集流板的厚度，所述集流板嵌入槽的深度与所述集流板的厚度相匹配，两者存在小范围误差的情况。而所述集流板主要作用是收集堆芯产生电流，进行输出，但从这方面考虑，所述集流板与堆芯的接触面越大越好。因此，所述沟槽的设计要尽可能地小，但又必须保证可容纳上述所述的凸起。进而对所述沟槽容纳空间设计提出更高的要求。本发明根据多方面的原因综合研究，通过设定所述沟槽的深度H和所述沟槽的宽度W范围，以达到设计目的。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板中所述沟槽的深度H和所述沟槽的宽度W满足关系式：W=（36.67*H－19.17）*H+2.55。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板为进气端板。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板中所述集流板嵌入槽两侧分别设置有贯通所述第一板面和所述第二板面的第一孔道、第二孔道、第三孔道；所述第二板面的板面上设置有安装孔。

在燃料电池电堆结构中嵌设集流板的电堆端板为绝端缘板，分别位于电芯两段，而本发明中所述电堆端板的设计结构可以用于电堆结构的任一一用于嵌设集流板的绝缘端板上。

进一步，本发明所述的嵌有集流板的电堆端板为盲端端板，所述第二板面的板面上设置有安装孔。

另一方面，本发明还提出了一种电堆，所述电堆包括：堆芯、紧固件、上述所述的进气端板、权上述所述的盲端端板；所述堆芯位于所述进气端板的所述第一板面和所述盲端端板的所述第一板面之间，所述紧固件与所述进气端板和所述盲端端板分别可拆卸式连接。

另一方面，本发明还提出了一种燃料电池，包括壳体和上述所述的电堆，所述电堆设置在所述壳体内。

本发明的优点如下：

本发明提供的一种嵌有集流板的电堆端板，通过在集流板嵌入槽内侧边缘设计沟槽结构，缓解或消除注塑件表面的平面度和尺寸公差导致的的集流板凸起的台阶高度，解决注塑件表面的平面度和尺寸公差带来导致的双极板破损问题。保证了电堆的密封性，不但解决了气体泄漏带来的安全隐患，进而提高了电堆电堆功率密度。而且，提高了电堆的产品合格率和生产效率，降低了电堆的生产成本。

附图说明

图1是本发明进气端板和集流板安装结构示意图；

图2是本发明进气端板第一板面结构示意图；

图3是本发明进气端板第二板面结构示意图；

图4是本发明进气端板沿AA'面的剖面示意图；

图5是本发明电堆结构示意图；

附图标记如下：100-端板本体，600-集流板，103-第一板面，104-第二板面，101-集流板嵌入槽，102-沟槽，201-第一孔道，202-第二孔道，203-第三孔道，131-安装孔，300-进气端板，500-堆芯，400-盲端端板。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚地理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，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。

本领域技术人员理解，如背景技术所言，现有技术中，电堆对封装的密封性要求很高。电堆密封性能差，容易引起气体泄漏，一方面会有安全隐患，另一方面影响电堆电堆功率密度。为了保证密封性，电堆装配或封装过程需要受到封装力或者部件紧固力的作用。电堆上的绝缘端板需嵌入集流板，由于绝缘端板为注塑件，其平面度和尺寸公差很难控制，这样将会在集流板与绝缘端板之间的嵌接处形成向上凸的台阶，集流板是金属件，集流板与电芯双极板接触，受到电堆装配或封装过程的外力，会导致双极板的破损。目前，市场上可以实现量产的双极板为石墨双极板，石墨双极板比较脆，且石墨双极板的韧性和硬度要远远差于集流板金属件，上述所说形成的向上凸的台阶也同样要受到外部封装力或者部件紧固力的作用，台阶高度如果过大的话，会把石墨顶坏，甚至直接顶裂，导致双极板破损，影响电堆的功率密度，进而影响电堆的产品合格率和生产成本。现有技术中，为了解决这个问题，不采用凹槽设计，将整个集流板制备成形状与绝缘端板一致的板件，直接贴合到绝缘端板的一侧，但是这样对集流板制备要求会提高，需要在集流板上设计进出气孔等孔道。同时引入一个较大的问题，即：集流板的密封问题；如此，很大地增加了生产成本和工艺流程，降低了生产效率。

鉴于此，本申请实施例的技术方案提供了一种嵌有集流板的电堆端板，以及包含该端板电堆和燃料电池。

请参阅图1至图5所示，本发明的一些实施例中，提供了一种嵌有集流板的电堆端板，可用于燃料电池。嵌有集流板的电堆端板是绝缘端板，嵌有集流板的电堆端板包括：端板本体100和集流板600，端板本体100包括第一板面103和第二板面104，集流板600紧邻第一板面103；第一板面设有集流板嵌入槽101；集流板600嵌设在集流板嵌入槽101中；其特征在于，沿集流板嵌入槽101内侧边缘设有沟槽102。

在本发明中，所述绝缘端板是一体注塑成型。

如图1所示，在本发明中，集流板600嵌设入集流板嵌入槽101中。

在本发明中，沟槽102的作用是缓解或消除塑件表面的平面度和尺寸公差导致的的集流板凸起的台阶高度，“凸起的台阶”与“凸起”所表示的意思一致，发明内容中主要采用“凸起”来表示。沟槽102作用的截面形状不做限制。

在一些实施例中，沟槽102可以是规则形状，也可以是不规则形状。

在一些实施例中，沟槽102侧面可以是垂直、也可以是斜面，沟槽的截面形状可以是矩形、梯形等。

本发明的一些实施例中，嵌有集流板的电堆端板100中集流板600嵌入集流板嵌入槽101后使集流板600边缘形成凸起，凸起嵌入沟槽102中，凸起的高度＜0.30mm。

进一步，嵌有集流板的电堆端板100中凸起的高度≦0.00mm。

本发明中，研发人员通过反复的DOA 实验发现，凸起的高度超过0.3mm时候就会发生顶裂石墨板双极板边缘的现象。同时通过沟槽的尺寸等特性设计，可以将凸起完全消除。

在一些实施例中，如图4所示，嵌有集流板的电堆端板中沟槽102底表面到集流板嵌入槽101底表面的距离为沟槽102的深度，沟槽102的深度为H，沟槽102的宽度为W；其中，H=0.1mm~0.3mm，W=0.1mm~1mm。

在一些实施例中，沟槽102的深度H=0.15mm~0.2mm，沟槽102的宽度W=0.1mm~0.5mm。

在一些实施例中，沟槽102的深度H=0.25mm~0.3mm，沟槽102的宽度W=0.55mm~1mm。

在一些实施例中，嵌有集流板的电堆端板中沟槽102的深度H和沟槽102的宽度W满足关系式：W=（36.67*H－19.17）*H+2.55 。

在一些实施例中，H=0.3时W=0.1，或H=0.15时W=0.5，或H=0.1时W=1。

在本发明中，嵌有集流板的电堆端板可以是燃料电池电堆的进气端板，也可是燃料电池电堆的盲端端板。

请参阅图2所示，本发明的一些实施例中，嵌有集流板的电堆端板为进气端板，包括上述实施例所述的端板本体100和集流板600，端板本体100包括第一板面103和第二板面104，集流板600紧邻第一板面103；第一板面设有集流板嵌入槽101；集流板600嵌设在集流板嵌入槽101中；其特征在于，沿集流板嵌入槽101内侧边缘设有沟槽102；同时，集流板嵌入槽101两侧分别设置有贯通第一板面103和第二板面104的第一孔道201、第二孔道202、第三孔道203；第二板面104的板面上设置有安装孔131，安装孔131用于连接电堆与燃料电池壳体。

根据上述实施例中，第一孔道201、第二孔道202和第三孔道203的形状不做限制，可以是规则形状，也可以是不规则形状。第一孔道201、第二孔道202和第三孔道203的孔道大小也不作限制，根据电堆大小进行设计即可，孔道作用根据电堆设计需要使用。

在本发明的另一些实施例中，嵌有集流板的电堆端板为盲端端板，第二板面的板面上设置有安装孔。

根据上述实施例中，进气端板和盲端端板上可设置用于安装螺杆的接孔，也可设置用与钢带捆扎的限位坑道。

请参照图5所示，本发明另一些实施例中，提供了一种电堆，电堆包括：堆芯500、紧固件、上述实施例中的进气端板300、上述实施例中的盲端端板400；堆芯500位于进气端板300的第一板面和盲端端板400的第一板面之间，紧固件与进气端板300和盲端端板400分别可拆卸式连接。

本发明对紧固件结构和类型不作限定。在一些实施例中紧固件为螺杆组件，则电堆采用螺杆紧固。在另一些实施例中紧固件为钢带组件，则电堆采用钢带紧固。

本发明另一些实施例中，提供了一种燃料电池，包括壳体和上述的电堆，电堆设置在壳体内。

本发明上述实施例解决注塑件表面的平面度和尺寸公差带来导致的双极板破损问题，保证了电堆的密封性，不但解决了气体泄漏带来的安全隐患，进而提高了电堆电堆功率密度。而且，提高了电堆的产品合格率和生产效率，降低了电堆的生产成本。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、 “厚度”、“高度”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体成型；除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本发明是通过上述具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。本发明说明书中未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本使用新型的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (7)

1.一种嵌有集流板的电堆端板，其特征在于，所述电堆端板是绝缘端板，所述电堆端板包括：端板本体和集流板，所述端板本体包括第一板面和第二板面，所述集流板紧邻所述第一板面；所述第一板面设有集流板嵌入槽；所述集流板嵌设在所述集流板嵌入槽中；沿所述集流板嵌入槽内侧边缘设有沟槽；

所述集流板嵌入所述集流板嵌入槽后使所述集流板边缘形成凸起，所述凸起嵌入所述沟槽中，所述凸起的高度＜0.30mm；

所述沟槽底表面到所述集流板嵌入槽底表面的距离为所述沟槽的深度，所述沟槽的深度为H，所述沟槽的宽度为W；

其中，H=0.1mm～0.3mm，W=0.1mm～1mm；

所述沟槽的深度H和所述沟槽的宽度W满足关系式：W=（36.67*H－19.17）*H+2.55 。

2.根据权利要求1所述的嵌有集流板的电堆端板，其特征在于，所述凸起的高度≦0.00mm。

3.根据权利要求1或2所述的嵌有集流板的电堆端板，其特征在于，所述电堆端板为进气端板。

4.根据权利要求3所述的嵌有集流板的电堆端板，其特征在于，所述集流板嵌入槽两侧分别设置有贯通所述第一板面和所述第二板面的第一孔道、第二孔道、第三孔道；所述第二板面的板面上设置有安装孔。

5.根据权利要求1或2所述的嵌有集流板的电堆端板，其特征在于，所述电堆端板为盲端端板，所述第二板面的板面上设置有安装孔。

6.一种电堆，其特征在于，所述电堆包括：堆芯、紧固件、权利要求3-4中任一所述的进气端板、权利要求5中所述的盲端端板；所述堆芯位于所述进气端板的所述第一板面和所述盲端端板的所述第一板面之间，所述紧固件与所述进气端板和所述盲端端板分别可拆卸式连接。

7.一种燃料电池，包括壳体和权利要求6所述电堆，所述电堆设置在所述壳体内。