一种用于燃料电池高压电直流输出的柔性电气连接结构的制作方法

[0001]
本实用新型涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种用于燃料电池高压电直流输出的柔性电气连接结构。


背景技术：

[0002]
燃料电池系统是一种氢气和氧气(来自空气)通过电化学反应产生电能的发电装置，效率高，完全没有污染，可以广泛应用于交通工具、移动设备、固定电站等领域。与本实用新型相关中的燃料电池系统额定功率较大，一般超过30kw，主要应用领域为新能源机动车辆，包括城市公交、物流车、小型乘用车等，因此也可称为车载型燃料电池系统。燃料电池系统能够给车辆提供电能，其发电既可以直接驱动电机做功，也可以为动力电池充电。通常燃料电池车辆的电源系统包含两部分，一部分是车载动力电池组，本身自带能量；另外一部分是车载燃料电池系统，其特点是非工作状态不带能量，含能量的氢气储存在高压氢气瓶中，这点与发动机很相似。动力电池的特点是动态性好、能量密度低、高能状态下安全性不易保障，而燃料电池的特点是动态性差、能量密度高、安全性好，因此由动力电池组和燃料电池系统组成的电-电混合电源系统是目前的主流方案。在具体的使用过程中，燃料电池系统能够增加车辆的续驶里程，同时在动力电池组soc不足或下限的时候接管车辆功率输出，也可以在车辆急加速或爬坡的时候提供后备功率。
[0003]
由于主要应用于车载，整车对燃料电池的功率密度有一定要求，具体描述期望燃料电池系统功率/重量(pdm)、燃料电池电堆功率/体积(pdv)两个指标尽可能大以便实现整车有限空间的高集成度。目前国内水平大致为pdm＝200～300w/kg，pdv＝1.5～2.5kw/l，其中高pdv是实现高pdm的基础。
[0004]
燃料电池电堆极板一般有两种布置方式，分别是水平式和竖直式，在应用中分别表现为极板从左往右排布和从下往上排布。同时，燃料电池电堆安装方式也有两种，分别是拉杆紧固式和绑带紧固式。拉杆紧固式中因为需要保证各极板和端板之间压力，拉杆上往往设置有螺栓、垫片等结构件，造成拉杆较长；另外电源输出是通过集流板的导线排与电源端子连接来实现，走向上需要绕过端板到拉杆的轴向位置。上述特征对电气结构和燃料电池电堆封装结构有额外的空间要求，是减小pdv的重要因素，如图1所示。绑带紧固式可以减少拉杆较长导致的对端板法向体积要求过多的问题，但为了保证紧固的可靠性，绑带所遮挡端板的面积必然大于拉杆，造成端板上可用面积减少；在优先保证介质通道前提下必然要求集流板的导线排不可以再绕过端板到端板法向位置(原始拉杆轴线位置)，只能往端板水平方向，上述特征也会对电气结构和燃料电池电堆封装结构有额外的空间要求，也是减小pdv的重要因素。
[0005]
因此，本领域急需一种空间利用率更大的用于燃料电池高压电直流输出的柔性电气连接结构。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于燃料电池高压电直流输出的柔性电气连接结构。
[0007]
为了实现本实用新型之目的，本申请提供以下技术方案。
[0008]
在第一方面中，本申请提供一种用于燃料电池高压电直流输出的柔性电气连接结构，所述燃料电池包括电堆、设置在电堆两端的端板、用于紧固电堆和端板的紧固结构以及用于封装电堆的机盖，所述电堆由多个极板堆叠形成，所述机盖与端板垂直分布，所述连接结构设置在机盖与电堆之间，所述连接结构包括集流板、柔性排线以及端子单元，其中，所述集流板呈l型，且所述集流板的一条边设置在极板和端板之间，并和极板导通，集流板的另一条边紧贴极板，所述端子单元穿过机盖并与机盖固定，所述柔性排线的两端分别与集流板和端子单元固定并导通，所述柔性排线的中部为折叠式结构。本申请的燃料电池可使用拉杆式紧固，也可使用绑带紧固，但优选使用绑带紧固，即利用金属绑带。金属绑带实现紧固主要有两种方式，第一是螺接，类似管道卡箍的形式；另外一种是焊接，即在电堆装配位置固定后且压机尚未泄压，通过焊接方式实现金属绑带对电堆的紧固。绑带紧固式最大的优点主要是：(1)通过更大的面接触分摊压紧力，更好力平衡在工艺上保证了流道均一性和密封材料的可靠性；(2)省去了较长的拉杆尺寸，节省了端板法向空间。而本申请可在该基础上进一步节省空间，这是因为本申请使用柔性排线连接集流板和端子单元，可节省出线电气结构所需要的空间。根据实际需求集流板引出位置一般在正上方或者侧面的前、后方，柔性排线根据上述位置就近设置。柔性排线即适用于绑带紧固式电堆，也适用于拉杆紧固式电堆，主要原因是柔性导线排的就近设置原则不会绕过端板去占用端板外侧的法向空间。
[0009]
在第一方面的一种实施方式中，所述柔性排线包括两端的硬排部和中间的软排部，其中，所述软排部呈折叠式结构，其中一端的硬排部与集流板固定，另外一端的硬排部与端子单元固定。由于电源端子固定在机盖上，而机盖是电堆封装结构件，起到隔离和保护作用，有拆装要求，因此软排部有长度要求，即要求其在机盖打开，软排部的拉升量可以满足扳手等工具的操作空间。
[0010]
在第一方面的一种实施方式中，所述软排部为两段式的折叠结构，所述软排部有绝缘套包裹。
[0011]
在第一方面的一种实施方式中，所述集流板包括相互垂直的第一边和第二边，其中，所述第一边平行设置在极板和端板之间，且所述第一边与端板之间设有绝缘板，所述第二边垂直于端板且和所述极板的侧边紧贴，其中一个所述硬排部与第二边固定。使用绝缘纸可以大幅减少绝缘所需要的距离，在保证电气安全前提下进一步压缩空间。该硬排部与第二边之间可通过焊接、铆接、螺接等方式进行固定，必要时可在连接处涂覆导电胶。
[0012]
在第一方面的一种实施方式中，所述第二边与极板接触处设置绝缘纸。绝缘纸能有效保证高压大电流下不会被击穿，绝缘纸厚度根据具体介电强度、温度、湿度进行设定，一般控制在1mm之内。
[0013]
在第一方面的一种实施方式中，所述端子单元包括电源端子以及铜排，其中，所述电源端子穿过机盖，所述铜排和电源端子的尾端焊接，其中一个所述硬排部与铜排固定，其在连接面涂覆导电胶。该硬排部与铜排之间可采用螺栓连接、铆接、焊接、粘结等工艺。
[0014]
在第一方面的一种实施方式中，所述机盖面向极板的一侧设有绝缘纸。绝缘纸能有效保证高压大电流下不会被击穿，绝缘纸厚度根据具体介电强度、温度、湿度进行设定，一般控制在1mm之内。
[0015]
在第一方面的一种实施方式中，所述机盖上设有向外的凸起，所述铜排和柔性排线放置在所述凸起中。该设置通过局部空间增加实现整体空间减小诉求，可有效提高pdv。
[0016]
在第一方面的一种实施方式中，在所述极板中与介质通道和反应流道无关的区域设有凹槽，所述集流板和柔性排线放置于所述凹槽中。该设置可以进一步减小对外空间要求，从而提高pdv，且放置槽使用的是极板的非反应区，不会对电堆性能产生影响。
[0017]
在第一方面的一种实施方式中，所述端板的长宽尺寸比所述极板的长宽尺寸大0.5～2cm。在现有技术中，拉杆式紧固的电堆，其端板长度尺寸比极板的长度尺寸单边要长40mm以上，绑带式紧固的电堆，其端板长度尺寸比极板的长度尺寸单边要长20mm；采用本申请的结构，拉杆式紧固的电堆可将尺寸差减小到20mm，绑带式紧固的电堆可将该尺寸差减到5mm左右，优选于8mm。该设置能减小燃料电池电堆体积，从而提高pdv。根据具体需要，可以将电源正、负极均就近引出，不再汇集到同一区域。通过上述设置必然有效减少电源输出电气结构对空间的要求，最终达到增加功率密度的目的。
[0018]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
[0019]
(1)柔性导线排压紧后能够大幅节省出线电气结构所需要的空间。根据实际需求集流板引出位置一般在正上方或者侧面的前、后方，柔性导线排根据上述位置就近设置。柔性导线排即适用于绑带紧固式电堆，也适用于拉杆紧固式电堆，主要原因是柔性导线排的就近设置原则不会绕过端板去占用端板外侧的法向空间。
[0020]
(2)分别在极板与集流板位置、电源端子端铜排与盖板位置应用绝缘纸可以大幅减少绝缘所需要的距离，在保证电气安全前提下进一步压缩空间。
[0021]
(3)柔性导线排考虑了机盖安装和拆卸的空间需要，在保证拆装工艺可行性前提下对空间进行了结构优化。
[0022]
(4)根据实际需要，通过开设柔性导线排放置槽，减小端板长、宽尺寸，机盖的电源端子处局部凸起，正负极就近引出等手段均能获得更大的空间利用率。
附图说明
[0023]
图1为对比例1中拉杆式紧固燃料电池的结构示意图；
[0024]
图2为实施例1中燃料电池的主视结构示意图；
[0025]
图3为实施例1中燃料电池的俯视结构示意图；
[0026]
图4为图3中a部的局部放大示意图；
[0027]
图5为图4所示结构在拆装时的结构示意图；
[0028]
图6为柔性排线的结构示意图；
[0029]
图7为实施例1中燃料电池的左视结构示意图；
[0030]
图8为实施例2中柔性电气连接结构示意图；
[0031]
图9为实施例3中柔性电气连接结构示意图。
[0032]
在附图中，1为燃料电池电堆，2为极板，3为拉杆，4为螺栓，5为垫片，6为集流板，7为导线排，8为电源端子，9为端板，10为绑带，11为柔性排线，11-1为绝缘套，11-2为导线排
折线，11-3为硬排部，11-4为软排部，12为机盖，13为绝缘纸，14为铜排，15，连接螺母，16，连接螺栓，17为凹槽，18为凸起。
具体实施方式
[0033]
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
[0034]
以下将描述本实用新型的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本实用新型的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本实用新型的保护范围之内。
[0035]
实施例
[0036]
下面将对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0037]
实施例1
[0038]
一中高压直流输出的燃料电池，其结构如图2、图3所示，其包括由多块极板2堆叠形成的电堆1、设置在电堆1两端的端板9以及用于紧固电堆1和端板9的绑带10，绑带10采用螺接的方式进行紧固，该燃料电池的额定功率为75kw，其额定输出电压一般为72～200v，其开路电压最高可超过300v。
[0039]
在该燃料电池中设有柔性电气连接结构，其如图4所示，集流板6折弯成l形状后，尽量靠近极板2，集流板6与极板2之间设置有绝缘纸13，绝缘纸13能有效保证高压大电流下不会被击穿，绝缘纸厚度根据具体介电强度、温度、湿度进行设定，一般控制在1mm之内。柔性排线11的两端为硬排部11-3，其中一端的硬排部11-3与集流板6焊接，另一端的硬排部11-3与铜排14螺接。柔性排线11中间为软排部11-4，有较好的折弯性能且不影响大电流导通。折弯性能可以用弯曲半径表示，数值越小折弯性能越好。弯曲半径取决于柔性排线中导体材料、导体厚度、导体宽度、绝缘套材料、绝缘套厚度、温度等参数。柔性排线软排外有一层或多层用于绝缘的绝缘套11-1。柔性排线11将燃料电池电化学反应生成的直流电传导到电源端子8，完成对外输出。柔性排线11的软排部11-4的形状，可以为弧形的，如图4、与5中显示，另外，柔性排线11中的软排部11-4可以分成两段，两段中间为导线排折线11-2，如图6所示，通过导线排折线11-2可以实现两段软排部11-4在导通前提下的距离最小化。
[0040]
电源端子8与铜排14提前焊接在一起，且电源端子8穿过机盖12。机盖是电堆封装结构件，起到隔离和保护作用，有拆装要求。机盖12与极板2、端板9靠近的面需要设置绝缘纸13。拆卸时，抬升机盖12，柔性排线11被拉伸，拧开连接螺栓16进行机盖分离。要求拉升量可以满足扳手等工具的操作空间，该拉升量决定了柔性排线11中软排的长度，如图5所示。
[0041]
在本实施例中，通过柔性排线的连接方式，端板9长宽尺寸可以尽可能接近极板2长宽尺寸，两者相差8mm，如图7所示。
[0042]
经测试，本实施例所述燃料电池在裸堆情况下的pdv为1.7kw/l，封装堆情况下pdv
为1.0kw/l。
[0043]
实施例2
[0044]
采用与实施例1类似的电堆，不同之处在于：
[0045]
在本实施例中，极板2中与介质通道和反应流道无关的区域可以设置凹槽17，凹槽17可以放置包括柔性排线11、集流板6等电气结构，如图8所示。
[0046]
经测试，本实施例所述燃料电池裸堆情况下的pdv为1.7kw/l，封装堆情况下pdv为1.1kw/l。
[0047]
实施例3
[0048]
采用与实施例1类似的电堆，不同之处在于：
[0049]
在本实施例中，在机盖12上设置凸起18，该凸起18用于放置铜排14、柔性排线11等电气结构，如图9所示。
[0050]
经测试，本实施例所述燃料电池裸堆情况下的pdv为1.7kw/l，封装堆情况下pdv为1.15kw/l。
[0051]
对比例1
[0052]
取一组与实施例1相同的燃料电池电堆，并采用拉杆进行紧固，其结构如图1所示，拉杆3穿过极板2，通过端板9压紧实现极板2紧固(膜电极等零部件图中未显示)。紧固力主要来自拉杆3上的螺栓4和垫片5，其中垫片5用于调节位置并起到压力均衡的作用。集流板6用于收集电化学反应电流，其一面与极板贴合导通，另外一端与端板靠近，与端板之间应设置绝缘板。集流板6为便于电气连接，可以弯折成不同的形状。导线排7与集流板6螺接，将来自集流板的电流向外输出，连接面建议涂抹导电胶。导线排7与电源端子8连接。
[0053]
经测试，该燃料电池的pdv裸堆情况下的pdv为1.7kw/l，封装堆情况下pdv为0.72kw/l。
[0054]
从实施例1～3与对比例1的比较中我们可以发现，本申请的柔性电气连接结构能有效减少电源输出电气结构对空间的要求，最终达到增加功率密度的目的。
[0055]
上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都本申请的范围之内。