燃料电池端板组合、远处端板组合、进口端板组合及电堆的制作方法

本发明涉及一种燃料电池端板组合。

本发明还涉及一种燃料电池远处端板组合。

本发明还涉及一种燃料电池进口端板组合。

本发明还涉及一种燃料电池电堆。

背景技术：

燃料电池是一种以氢为最佳燃料不经过燃烧过程而直接以电化学反应的方式，将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的高效能量转换发电装置。它不经过热机过程，不受卡诺循环的限制，实际能量转换效率高达50％至80％。质子交换膜燃料电池，是继碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后发展起来的第五代燃料电池，其具有工作温度较低、启动时间短、功率密度高，负载响应快、无电解液流失等特点。

为了保证发电功率，质子交换膜燃料电池一般设计成电堆的结构形式。电堆通常由膜电极和双极板(内含冷却单元)的重复单元、两侧的流场单极板、两侧的集电板和两侧的端板组成，上述部件在四周螺栓的预紧力作用下构成电堆。在双极板和膜电极之间、膜电极和流场单极板之间有密封结构，集电板需要根据端板的进出口相应地开流体通孔，如果端板为金属板，则还需要端板和集电板之间增加绝缘板。其中，膜电极是电化学反应的场所，双极板采用高导电性材料并在两侧加工有流槽，因此，双极板具有分配和输送两侧的反应气体、阻隔两侧的反应气体以及收集并传导膜电极反应产生的电子的作用；冷却单元用以排出电堆内部产生的废热；密封结构同时保证电堆的阴极气体(空气)和阳极气体(氢气)不向电堆外部泄漏、也不相互串气。

现有质子交换膜燃料电池电堆有如下缺陷：

1)质子交换膜燃料电池电堆的集电板上通常开有流体通孔，流体通过集电板上的流体通孔进入各单电池，由于流体长期冲刷金属集电板的流体通孔，流体通孔上的镀层离子会被冲涮掉，内部金属显露出来后发生腐蚀，因此，集电板中金属离子会被大量带入燃料电池的阴极和阳极催化层，从而毒害催化剂；

2)质子交换膜燃料电池电堆的端板通常也采用金属材料，端板上同样开有流体通孔，因此，端板的流体通孔内的金属离子也会被大量带入燃料电池催化层；

3)质子交换膜燃料电池电堆的集电板和端板都采用金属材料，因此需要在这两者之间增加绝缘板，这不仅增加了部件，三者分开的结构还会增加密封的难度以及装配电堆的复杂性；

4)在质子交换膜燃料电池电堆中，通常仅在螺杆两侧的螺帽和端板外侧面之间装有弹簧或弹簧垫片来保证电堆预紧力，无法实施缓冲力保护；并且由于电堆是方形(而不是圆形)的，因此预紧力并不能被均匀分散在单电池和双极板上各点处，这会造成电堆密封不良以及单电池的活性面积各点与双极板的流场区各点之间的接触不均匀，此外双极板也会因受到额外的剪切力而遭到破坏。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的集电板上通常开有流体通孔，集电板中金属离子会毒害催化剂的缺陷，而提供一种燃料电池端板组合、远处端板组合、进口端板组合及电堆。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供了一种燃料电池端板组合，它包括端板和集电板，端板的一表面设有与集电板的形状对应的集电腔，集电板放置在集电腔内，集电板的边缘与集电腔的内周面相贴合，集电板的厚度大于集电腔的深度。

较佳地，集电板的边缘具有凸出的导电连接端，集电腔的边缘具有与导电连接端相对应的缺口，导电连接端从缺口中伸出至端板的外部。

较佳地，集电板的厚度与集电腔的深度的差值≤0.05mm。

较佳地，端板为铝板，端板通过表面阳极氧化绝缘工艺处理。

本发明还提供了一种远处端板组合，该远处端板组合为上述技术方案所述的燃料电池端板组合。

较佳地，端板包括外板、内板和夹在外板、内板之间的弹簧阵列，弹簧阵列由多个弹簧排列而成，外板、内板之间通过限位结构相互连接，弹簧被压缩在外板、内板之间。

较佳地，外板面向弹簧阵列的一面具有外板孔阵列，外板孔阵列中的外板孔的位置与弹簧的位置一一对应，内板面向弹簧阵列的一面具有内板孔阵列，内板孔阵列中的内板孔的位置与弹簧的位置一一对应，弹簧的两端分别位于对应位置的外板孔、内板孔中，弹簧的整体长度大于外板孔、内板孔的长度的总和。

较佳地，弹簧阵列中的单个弹簧的负载为100～1500n·m，弹簧阵列中的弹簧的分布数量为每2cm²～15cm²的区域内放置一个弹簧。

较佳地，外板面向弹簧阵列的一面具有凹陷区，外板孔阵列位于凹陷区内，内板面向弹簧阵列的一面具有凸出块，内板孔阵列位于凸出块上，凸出块位于凹陷区内，凸出块与凹陷区的形状相适应。

较佳地，限位结构包括位于外板上的多个螺纹孔、穿过内板的多个连接孔及多个连接螺栓，多个螺纹孔位于外板面向弹簧阵列的一面，连接孔和螺纹孔、连接螺栓的位置对应，连接螺栓穿过连接孔后与螺纹孔螺纹连接。

较佳地，连接孔为沉孔，连接螺栓的头部位于连接孔中。

较佳地，多个螺纹孔、多个连接孔位于弹簧阵列的上方和下方。

本发明还提供了一种进口端板组合，该进口端板组合为上述技术方案所述的燃料电池端板组合。

较佳地，端板上设有贯穿端板的多个流体通道，流体通道供气体或水的进出，流体通道位于集电腔的上方或下方。

本发明提供了一种燃料电池电堆，它包括远处端板组合、燃料电池本体段、进口端板组合，燃料电池本体段固定在远处端板组合、进口端板组合之间，远处端板组合的集电板、进口端板组合的集电板与燃料电池本体段相贴合。

较佳地，远处端板组合、进口端板组合通过多根绝缘螺杆相固定。

较佳地，远处端板组合的端板的边缘具有多个向外凸出的远端连接凸起，每个远端连接凸起上设有远端连接孔，进口端板组合的端板的边缘具有多个向外凸出的进端连接凸起，每个进端连接凸起上设有进端连接孔，远端连接孔、进端连接孔的数量相同且位置对应，绝缘螺杆依次穿过对应位置的远端连接孔、进端连接孔，绝缘螺杆的两端分别装有锁紧螺帽。

较佳地，绝缘螺杆包括与远处端板组合、进口端板组合相接触的中间段和位于中间段两端的螺纹段，中间段的外周面上包裹有绝缘层，螺纹段与锁紧螺帽螺纹配合。

较佳地，远处端板组合的端板设有多个贯穿的远端定位孔，燃料电池本体段设有多个贯穿燃料电池本体段的本体定位孔，进口端板组合的端板设有多个贯穿的进端定位孔，远端定位孔、本体定位孔和进端定位孔的数量相同且位置对应，对应位置的远端定位孔、本体定位孔和进端定位孔的轴线相重合。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

该燃料电池端板组合、远处端板组合、进口端板组合及电堆，去除了集电板的流体通孔，使流体不经过集电板，避免了流体对集电板的腐蚀，防止了集电板的金属离子对催化剂的毒害；将集电板和端板组合成为端板组合，从而解决了装配繁琐、密封性差等问题。

附图说明

图1为本发明燃料电池电堆的结构示意图。

图2为图1所示的燃料电池电堆的爆炸图。

图3为图1所示的燃料电池电堆的远处端板组合的结构示意图。

图4为图3所示的远处端板组合的爆炸图。

图5为图3所示的远处端板组合从限位结构处竖直剖开的局部剖视图。

图6为图3所示的远处端板组合的内板的结构示意图。

图7为图1所示的燃料电池电堆的进口端板组合的结构示意图。

图8为图1所示的燃料电池电堆的绝缘螺杆的结构示意图。

附图标记说明

燃料电池端板组合100

端板1

集电腔11

缺口12

外板13

外板孔131

凹陷区132

内板14

内板孔141

凸出块142

弹簧阵列15

弹簧151

限位结构16

螺纹孔161

连接孔162

连接螺栓163

头部164

流体通道17

集电板2

导电连接端21

导电连接孔22

远处端板组合200

远端连接凸起201

远端连接孔202

远端定位孔203

燃料电池本体段300

本体定位孔301

进口端板组合400

进端连接凸起401

进端连接孔402

进端定位孔403

绝缘螺杆500

中间段501

螺纹段502

锁紧螺帽600

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1至图8所示，本发明提供一种燃料电池端板组合100，该燃料电池端板组合100作为远处端板组合200或进口端板组合400，可用于燃料电池电堆的组装。

如图3至图7所示，该燃料电池端板组合100，它包括端板1和集电板2，端板1的一表面设有与集电板2的形状对应的集电腔11，集电板2放置在集电腔11内，集电板2的边缘与集电腔11的内周面相贴合，集电板2的厚度大于集电腔11的深度。

传统的燃料电池电堆的集电板上开有流体通孔，流体通过集电板上的流体通孔进入各单电池。由于流体长期冲刷流体通孔对内部金属发生腐蚀，将大量金属离子带入燃料电池的阴极和阳极催化层，从而毒害催化剂。而本发明将集电板2嵌入进端板1里面，去除了集电板2上的流体通孔，防止了因集电板2腐蚀而引起的催化剂中毒的问题。

集电板2的厚度大于集电腔11的深度，集电板2略凸出至集电腔11的外部。将该燃料电池端板组合100用于电堆时，燃料电池本体段300与端板1将集电板2夹紧固定。

集电板2的厚度需大于集电腔11的深度，但集电板2也不宜凸出至端板1的外部太多，避免空隙太大而造成漏水漏气的问题。因此，集电板2的厚度与集电腔11的深度的差值最好在≤0.05mm内。

如图3至图4、图7所示，集电板2的边缘具有凸出的导电连接端21，集电腔11的边缘具有与导电连接端21相对应的缺口12，导电连接端21从缺口12中伸出至端板1的外部。导电连接端21的中间设有导电连接孔22，通过导电连接孔22将集电板2与外部电路相连接。

上述端板1最好为铝板，端板1通过表面阳极氧化绝缘工艺处理。传统的燃料电池电堆，由于端板和集电板都是金属材料，为了绝缘两者之间要添加绝缘板，从而导致电堆结构复杂并且流体经过端板也会引起腐蚀。而本发明对端板1进行了表面阳极氧化绝缘工艺处理，不再需要在端板1、集电板2之间再设置绝缘板，结构简化，安装更方便，绝缘的同时也防止了流体长期经过端板引起腐蚀，避免流体带入金属离子对催化剂造成毒害作用。其中，端板1的表面和端板1上的各孔最好都要经过绝缘处理。

如图3至图6所示为本发明远处端板组合200的一种具体实施方式。该端板1具有弹簧阵列15，可保证电堆预紧力。这种带有弹簧阵列15的端板组合可用于电堆的远端。该远处端板组合200的具体结构如下。

端板1包括外板13、内板14和夹在外板13、内板14之间的弹簧阵列15，弹簧阵列15由多个弹簧151排列而成，外板13、内板14之间通过限位结构16相互连接，弹簧151被压缩在外板13、内板14之间。弹簧阵列15向外板13、内板14施加推力，而限位结构16限制了外板13、内板14之间的最远距离。在外板13、内板14不受外部压力的情况下，外板13、内板14之间具有一定的距离。当外板13、内板14受到外力时，内板14会向外板13的方向适度移动，弹簧151被进一步压缩，使端板1在一定的外力下，能起到缓冲保护电池内部的作用。同时，弹簧151始终处于被压缩状态，这种结构的端板1安装成电堆后，能始终保持一定的预紧力。

弹簧阵列15与外板13、内板14安装的具体结构如图4至图6所示。外板13面向弹簧阵列15的一面具有外板孔阵列，外板孔阵列中的外板孔131的位置与弹簧151的位置一一对应，内板14面向弹簧阵列15的一面具有内板孔阵列，内板孔阵列中的内板孔141的位置与弹簧151的位置一一对应，弹簧151的两端分别位于对应位置的外板孔131、内板孔141中，弹簧151的整体长度大于外板孔131、内板孔141的长度的总和。

该弹簧阵列15中的弹簧151均匀分布在外板13、内板14之间，使整个端板1受力均匀，双极板不会受到额外的剪切力而遭到破坏。其中，弹簧151的负载和分布数量的较优的方案为：弹簧阵列15中的单个弹簧151的负载为100～1500n·m，弹簧阵列15中的弹簧151的分布数量为每2cm²～15cm²的区域内放置一个弹簧151。

如图4至图6所示，外板13面向弹簧阵列15的一面具有凹陷区132，外板孔阵列位于凹陷区132内，内板14面向弹簧阵列15的一面具有凸出块142，内板孔阵列位于凸出块142上，凸出块142位于凹陷区132内，凸出块142与凹陷区132的形状相适应。凸出块142位于凹陷区132，将弹簧阵列15嵌入端板1的内部，从而可以在电堆装配时可以分次施压，提高密封性以及使活性区和流场区均匀受力。

限位结构16的一种具体结构如图5所示。限位结构16包括位于外板13上的多个螺纹孔161、穿过内板14的多个连接孔162及多个连接螺栓163，多个螺纹孔161位于外板13面向弹簧阵列15的一面，连接孔162和螺纹孔161的数量相同且位置对应，连接螺栓163穿过连接孔162后与螺纹孔161螺纹连接。连接孔162的内周面为光滑平面，内板14可在连接螺栓163上移动。在端板1不受外力时，弹簧151将外板13、内板14撑开，而连接螺栓163的头部164将内板14挡住，限制了外板13、内板14之间的最大距离。在端板1受外力时，内板14又可在连接螺栓163上移动，弹簧151被进一步压缩，起到缓冲保护电池内部的作用。

为了不影响其他部件的组装，连接孔162设计为沉孔，连接螺栓163的头部164位于连接孔162中。

多个螺纹孔161、多个连接孔162位于弹簧阵列15的上方和下方，使外板13、内板14整体受力均匀。

如图7所示为本发明进口端板组合400的一种具体实施方式，该进口端板组合400可用于电堆的进口。端板1上设有贯穿端板1的多个流体通道17，流体通道17供气体或水的进出，流体通道17位于集电腔11的上方或下方。如图1和图7所示，流体通道17的数量为六个，其中三个流体通道17位于上方，分别为空气、氢气和冷却水的进口，另三个流体通道17位于下方，分别为空气、氢气和和冷却水的出口。

如图1至图2所示，本发明提供一种燃料电池电堆，它包括远处端板组合200、燃料电池本体段300、进口端板组合400，远处端板组合200如图3至图6所示，进口端板组合400如图7所示，燃料电池本体段300固定在远处端板组合200、进口端板组合400之间，远处端板组合200的集电板2、进口端板组合400的集电板2与燃料电池本体段300相贴合。

上述远处端板组合200、进口端板组合400通过多根绝缘螺杆500相固定。具体而言，远处端板组合200的端板1的边缘具有多个向外凸出的远端连接凸起201，每个远端连接凸起201上设有远端连接孔202，进口端板组合400的端板1的边缘具有多个向外凸出的进端连接凸起401，每个进端连接凸起401上设有进端连接孔402，远端连接孔202、进端连接孔402的数量相同且位置对应，绝缘螺杆500依次穿过对应位置的远端连接孔202、进端连接孔402，绝缘螺杆500的两端分别装有锁紧螺帽600。锁紧螺帽600从绝缘螺杆500的两端将远处端板组合200、燃料电池本体段300、进口端板组合400整体锁紧。

远端连接凸起201、进端连接凸起401沿端板1的周向均匀布置，使燃料电池电堆安装后整体受力均匀。

如图8所示，绝缘螺杆500包括与远处端板组合200、进口端板组合400相接触的中间段501和位于中间段501两端的螺纹段502，中间段501的外周面上包裹有绝缘层，螺纹段502与锁紧螺帽600螺纹配合。绝缘层使绝缘螺杆500与远处端板组合200、进口端板组合400保持绝缘。

如图1至图8所示，远处端板组合200的端板1设有多个贯穿的远端定位孔203，燃料电池本体段300设有多个贯穿燃料电池本体段300的本体定位孔301，进口端板组合400的端板1设有多个贯穿的进端定位孔403，远端定位孔203、本体定位孔301和进端定位孔403的数量相同且位置对应，对应位置的远端定位孔203、本体定位孔301和进端定位孔403的轴线相重合。

在安装过程中，先将定位杆依次穿过远端定位孔203、本体定位孔301和进端定位孔403，使远处端板组合200、燃料电池本体段300、进口端板组合400之间的相对位置固定。再将绝缘螺杆500依次穿过远端连接孔202、进端连接孔402，最后在绝缘螺杆500的两端装上锁紧螺帽600，旋紧锁紧螺帽600，使远处端板组合200、燃料电池本体段300、进口端板组合400压紧固定。

本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，均落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。