一种燃料电池系统的制作方法

1.本技术属于燃料电池技术领域，具体涉及一种多电堆集成的燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池电动汽车由于续驶里程长、燃料加注方便、性能与传统汽车相近等诸多优点，被认为是新能源汽车最重要的发展技术路线之一。
3.电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统核心部分，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经进气端板和盲端端板压紧后用紧固件紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至膜电极，通过膜电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
4.单个电堆所串联的单片电池的数量是有限的，因为在堆叠的时候，一旦超过一定的数量，就会出现如下问题：1)配气不均匀，导致最后几片电池没有充分利用；2)单电池不一致性，导致出现单体电压偏差过大；3)散热不均匀，导致中间单片电池过热。
5.为解决上述问题，目前燃料电池采用多个电堆集成的方案。即，由多个功率较小的电堆组成较大功率的燃料电池。目前多堆集成的燃料电池存在内部结构复杂，且装配困难的技术问题，由此制约了多堆集成燃料电池的发展应用。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种燃料电池系统，降低了系统集成以及装配工艺的复杂度，提高了后续系统集成的可靠性。
7.实现本发明目的所采用的技术方案为，一种燃料电池系统，其特征在于：包括壳体、分配歧管、高压组件和至少两个电堆；所述壳体包括第一箱体和第二箱体，所述第一箱体和所述第二箱体合围成安装腔，分配歧管和各所述电堆均位于所述安装腔中；所述高压组件包括高压输出组件和铜排组，所述高压输出组件安装于所述第一箱体上，所述铜排组用于将各所述电堆的输出极串联、并形成正极连接端和负极连接端，所述正极连接端和所述负极连接端分别与所述高压输出组件连接。
8.可选的，所述电堆设置有两个，所述铜排组包括第一铜排、第二铜排和第三铜排；所述正极连接端和所述负极连接端分别位于所述第一铜排和所述第二铜排上。
9.可选的，所述第一铜排和所述第二铜排均包括1个以上软排段和2个以上硬排段，所述软排段和所述硬排段交替分布，且所述第一铜排和所述第二铜排的两端均为硬排段；
10.至少1个所述软排段为折弯结构，以使所述折弯结构所在的所述第一铜排/第二铜排的两端位于两个不同的平面上；
11.所述连接铜排具有折弯部，以使所述连接铜排的两端位于两个不同的平面上。
12.可选的，所述第三铜排上设置有绝缘支架，所述绝缘支架的两端分别与所述第二铜排和所述第三铜排连接，且所述绝缘支架的轴线与所述第三铜排所在的平面以及所述第
二铜排所在平面均呈角度设置；所述第二铜排的软排段与所述第一铜排分布于所述绝缘支架的两侧。
13.可选的，所述高压输出组件包括两个间隔设置于所述第一箱体上的高压输出部，两个所述高压输出部均包括电连接的高压端子和连接铜排；所述正极连接端和所述负极连接端通过高压连接件分别与两个所述连接铜排连接；两个所述连接铜排通过限位板固定；
14.所述高压组件还包括绝缘板，所述壳体和所述铜排组分布于所述绝缘板的两侧；所述绝缘板上间隔设置有两个第一装配孔，两个所述高压端子分别穿设于所述第一装配孔中；所述第一箱体上设置有第二装配孔，所述高压连接件穿设于第二装配孔中。
15.可选的，所述第一箱体的内型面间隔分布有用于压紧电堆的端板的弹性柱；所述第二箱体的内型面上间隔设置有至少四个支撑座，所述至少四个支撑座分别用于支撑各所述电堆的进气端板和盲端端板，至少两个所述支撑座设置有贯通孔，所述贯通孔中设置有用于连接所述第二箱体和所述进气端板/盲端端板的连接件。
16.可选的，所述第一箱体的内型面上设置有用于安装所述弹性柱的安装凸台；所述弹性柱具有中心通孔，所述中心通孔内设置有限位结构，所述弹性柱通过螺栓连接于所述安装凸台上，所述螺栓穿设于所述中心通孔中，且所述螺栓的头部通过所述限位结构限位。
17.可选的，所述中心通孔为阶梯孔，所述阶梯孔的孔肩构成所述限位结构；所述螺栓的头部的长度小于所述阶梯孔的大孔段的长度；
18.所述阶梯孔中设置有套筒，所述套筒具有凸边，所述凸边通过所述孔肩限位，所述螺栓穿设于所述套筒中；或者所述阶梯孔内还设置有垫片，所述垫片套设在所述螺栓的杆部上，且所述垫片设置于所述螺栓的头部和所述凸边之间。
19.可选的，所述电堆设置有两个，所述分配歧管设置于两个所述电堆之间，且所述分配歧管与两个所述电堆的进气端板均连接；
20.用于支撑所述进气端板的至少两个所述支撑座上设置有所述贯通孔；所述弹性柱以及未设置所述贯通孔的所述支撑座分布于所述盲端端板的上下两侧；或者各所述支撑座上均设置有所述贯通孔，所述弹性柱作用于所述进气端板和/或所述盲端端板。
21.可选的，所述燃料电池系统还包括电压巡检器，所述电压巡检器设置于所述安装腔中、且与两个电堆均电连接；
22.所述第二箱体的内型面上设置有凸出的限位台；所述电压巡检器的外壳上设置有与所述限位台匹配的凹槽，所述电压巡检器与所述第二箱体连接，且所述限位台嵌于所述凹槽内。
23.由上述技术方案可知，本发明提供的燃料电池系统，包括壳体、分配歧管、高压组件和至少两个电堆；壳体包括第一箱体和第二箱体，第一箱体和第二箱体合围成安装腔，分配歧管和各电堆均位于安装腔中，通过分配歧管对各电堆进行流体分配，能够实现通过多个较小功率电堆进行功率提升的大功率电堆功率输出。高压组件包括高压输出组件和铜排组，高压输出组件安装于第一箱体上，铜排组用于将两个电堆的输出极串联、并形成正极连接端和负极连接端，正极连接端和负极连接端通过高压连接件分别与高压输出组件连接。在装配时，由于高压输出组件已与第一箱体连接固定，因此第一箱体和第二箱体扣合后，只需要对应安装高压连接件，即可实现高压输出组件、铜排组和电堆的电连接，简化高压组件的装配工艺。
附图说明
24.图1为本发明实施例中燃料电池系统的结构示意图。
25.图2为图1的主视图。
26.图3为图1的燃料电池系统拆除第一箱体后的结构示意图。
27.图4为图1的燃料电池系统拆除壳体后的结构示意图。
28.图5为图1的燃料电池系统中高压组件的结构示意图。
29.图6为图5的主视图。
30.图7为图1的燃料电池系统中高压组件与电堆输出极的连接结构图。
31.图8为图1的燃料电池系统中高压组件的限位板的结构示意图。
32.图9为图1的燃料电池系统中高压组件与绝缘板的装配结构图。
33.图10为图1的燃料电池系统中壳体与电堆的装配结构图。
34.图11为图10中弹性柱的结构示意图。
35.图12为图1的燃料电池系统中壳体与电压巡检器的装配结构图。
36.附图标记说明：1000-燃料电池；100-分配歧管；200-电堆，210-进气端板，220-盲端端板，230-集流板；300-壳体，301-第一箱体，302-第二箱体，310-安装腔，320-支撑座，321-贯通孔，330-安装凸台，340-限位台；400-高压组件；500-电压巡检器，510-凹槽。
37.10-高压输出部，11-高压端子，12-连接铜排，13-折弯部；20-铜排组，21-第一铜排，22-第二铜排，23-第三铜排，24-软排段，25-硬排段，26-凹陷部，27-安装孔，28-连接孔，29-螺母；30-绝缘支架；40-绝缘板，41-第一绝缘板，42-第二绝缘板，43-第一装配孔，44-工艺孔；50-限位板，51-限位槽，52-凸出部；60-弹性柱，61-螺栓，62-套筒，63-垫片。
具体实施方式
38.为了使本技术所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本技术，下面结合附图，通过具体实施例对本技术技术方案作详细描述。
39.在本发明实施例中，一种燃料电池系统，参见图1至图4，该燃料电池系统1000包括壳体300、分配歧管100、高压组件400和至少两个电堆200；壳体300包括第一箱体301和第二箱体302，第一箱体301和第二箱体302合围成安装腔310，分配歧管100和各电堆200均位于安装腔310中；高压组件400包括高压输出组件和铜排组，高压输出组件安装于第一箱体301上，铜排组用于将各电堆200的输出极串联、并形成正极连接端和负极连接端，正极连接端和负极连接端分别与高压输出组件连接。在装配时，由于高压输出组件已与第一箱体连接固定，因此第一箱体和第二箱体扣合后，只需要对应安装高压连接件，即可实现高压输出组件、铜排组和电堆的电连接，简化高压组件的装配工艺。
40.具体的，本实施例中，燃料电池系统1000为双堆集成的结构，两个电堆对称分布于安装腔310中，分配歧管100设置于两个电堆200之间，且分配歧管100与两个电堆200的进气端板210均连通。本技术的燃料电池系统1000采用歧管内置的方案，一方面歧管内置可以使得分配歧管与电堆的进气端板直接连通，燃料电池系统内部不需要设置管路，另一方面，分配歧管通过电堆的进气端板在壳体内间接固定，分配歧管100不直接与壳体300连接，简化了系统装配工艺，并且提高分配歧管与进气端板的组装精度。
41.具体的，本实施例中，两个电堆200呈镜面对称分布，分配歧管100设置于两个电堆
200之间，且分配歧管100与两个电堆200的进气端板210均连通。两个电堆200的进气端板210上均设置有6个流体通口，6个流体通口分布于进气端板210的两侧、且呈中心对称分布。位于其中一侧的3个流体通口从上至下依次为：空气进口、冷却液排口、氢气排口，位于另一侧的3个流体通口从上至下依次为：氢气进口、冷却液进口、空气排口。通过将空气进口与氢气进口设置在进气端板210的两端，使得空气与氢气形成对流，提高电堆200的自増湿性能。此外，通过设置空气进口在上、空气排口在下，氢气进口在上、氢气排口在下，采用上进下出的配气方式，便于提高反应效率。
42.分配歧管100具体是安装于两个电堆200的两个进气端板210上，分配歧管100与进气端板210通过多个螺纹紧固件固定连接。为了提高装配精度，配气歧管100与进气端板210上设置有至少2组定位结构，配气歧管与进气端板通过定位结构定位，保证连接固定的定位精度，能较好保证配气歧管安装到两侧电堆的进气端板的位置精度，以通过一个配气歧管同时对2个电堆配气，保证了配气歧管与两个电堆的位置以及适配。通过配气歧管将2个电堆集成在一起，能够实现通过两个较小功率电堆进行功率提升的大功率电堆功率输出，尤其是针对镜面对称的中小功率电堆功率提升。
43.高压组件400是燃料电池的重要组件，用于将电堆200产生的电压、电流输出。具体的，参见图5至图9，高压输出组件包括两个高压输出部10，两个高压输出部10均包括电连接的高压端子11和连接铜排12。在装配时，首先将高压输出部10预先与第一箱体301301连接，铜排组20也连接设置在对应的电堆200上，高压输出部10与铜排组20的组装固定相对独立，互不影响。
44.由于本实施例中燃料电池系统1000包含两个电堆200，铜排组20包括三个铜排，铜排具体连接电堆的集流板230。三个铜排分别为：第一铜排21、第二铜排22和第三铜排23；第一铜排21的一端用于连接其中一个电堆的正输出极，另一端构成正极连接端；第二铜排22的一端用于连接另一个电堆的负输出极，另一端构成正极连接端；第三铜排23的两端分别连接两个电堆的另一个正输出极和负输出极；正极连接端和负极连接端通过高压连接件分别与两个连接铜排12连接。
45.为了便于连接铜排12与第一铜排21/第二铜排22的连接固定，本实施例中，优选地，连接铜排12位于第一铜排21/第二铜排22的上方，第一铜排21/第二铜排22上设置连接孔，且远离对应的连接铜排12的一侧设置有与连接孔对应配合的螺母，以增厚高压连接件的连接长度，该螺母可通过冲铆工艺与对应的铜排连接。
46.为了保证铜排与电堆集流板230的稳定连接，本实施例中，三个铜排用于连接电堆的输出极的端部均设置有至少两个安装孔27，安装孔27中设置连接件，三个铜排均分别通过连接件与电堆的输出极(集流板230)固定，相比于现有技术中集流板230与高压铜排通常由一个螺栓连接的方案，避免燃料电池随机振动过程中因集流板230与高压铜排之间产生松动、转动等造成电弧或者电火花的问题，提升了电安全性。
47.考虑到密封圈的材料老化、应力松弛，以及单电池受环境影响而存在的热胀冷缩等现象，燃料电池电堆通常在端侧的端板上存在碟簧、螺旋弹簧等结构，同时燃料电池电堆两端的集流板230的相对位置也有可能发生变化。另一方面，因为燃料电池电堆零部件种类多，单电池数量大——通常在100片节以上，且随着整车动力性要求的提高，单电池数量也在逐渐增加，目前已经出现300多节单电池构成的燃料电池电堆，单电池的结构一致性逐渐
成为影响燃料电池电堆产品一致性的关键因素，燃料电池电堆在堆叠方向尺寸也会存在一定的偏差。考虑以上两个原因，燃料电池电堆内部的高压设计需要具备一定的容错能力。
48.现有设计中，燃料电池电堆壳体内部与高压电安全有关的零部件通常有绝缘板、集流板230、高压铜排、高压输出端子、铜排紧固零件等组成。但高压铜排通常由硬铜排组成，无法满足容错需求。为了保证铜排的连接固定以及使高压组件具有容错能力，本实施例中，第一铜排21和第二铜排22均包括1个以上软排段24和2个以上硬排段25，软排段24和硬排段25交替分布，且第一铜排21和第二铜排22的两端均为硬排段25。作为一种优选实施方式，本实施例中软排段24由多片铜箔堆叠而成。
49.由于燃料电池内部空间有限，为了在有效空间内兼顾电气间隙和爬电距离满足要求，本实施例中，至少1个软排段24为折弯结构，以使折弯结构所在的第一铜排21/第二铜排22的两端位于两个不同的平面上。本发明对第一铜排21/第二铜排22的两端所处的平面不做具体限定，可以具有一定的夹角，只要不干扰其他结构的设计即可，优选地，第一铜排21/第二铜排22的两端所处的两个平面上相互平行，即构成爬升段，在壳体内的高度不同。
50.高压端子11位置一经设计确定后，第二铜排22的位置也固定，若第三铜排23与第二铜排22间隔较远，此时可以不考虑第二铜排22和第三铜排23之间的绝缘。由于壳体内部空间有限，本实施例中，第三铜排23与第二铜排22间隔较小，在第三铜排23上设置有绝缘支架30，绝缘支架30的两端分别与第二铜排22和第三铜排23连接，第二铜排22与绝缘支架30的连接部所在平面平行于第三铜排23与绝缘支架30的连接部所在平面，即第二铜排22和第三铜排23在绝缘支架30处具有一定的高度差；绝缘支架30的轴线与第三铜排23所在的平面以及第二铜排22所在平面均呈角度设置，且第二铜排22的软排段24与第一铜排21分布于绝缘支架30的两侧。绝缘支架30同时还能起到支撑或提升的作用。
51.为了方便安装绝缘支架30，第三铜排23具有凹陷部26，绝缘支架30设置在凹陷部26中，本实施例对凹陷部26的形成方式不做具体限定，可以在第三铜排23上开槽，也可以将第三铜排23弯折。
52.同样为了保证第二铜排22、绝缘支架30、第三铜排23间的连接固定，本实施例中，优选地，连接铜排12位于第一铜排21/第二铜排22的上方，第一铜排21/第二铜排22上设置连接孔28，相对靠近第一箱体301的第一铜排21/第二铜排22上设置有与连接孔28对应配合的螺母29，且螺母29优选设置在靠近第一箱体301的一侧，以增厚高压连接件的连接长度。
53.同样为了兼顾电气间隙和爬电距离，作为一种优选实施方式，连接铜排12具有折弯部13，以使连接铜排12的两端位于两个不同的平面上，且优选为两个平行的平面。
54.本发明对第一铜排21、第二铜排22和第三铜排23的形状以及高压输出部10的位置布局均不做具体限定，作为一种可选方案，本实施例中，第一铜排21和第二铜排22均包括1个软排段24和2个硬排；第一铜排21呈u型，第一铜排21的软排段24具有一个弯折部；第二铜排22的软排段24具有三个弯折部，第二铜排22呈l型，第二铜排22的短边连接电堆负极、长边与连接铜排12连接；第三铜排23呈t型，第三铜排23的横边串联两个电堆，竖边相对横边向下凹陷，以构成凹陷部26。
55.本发明对第一铜排21、第二铜排22和第三铜排23的材料不做限定，优选为紫铜t2。
56.本实施例对电堆200的串联方式不做具体限定，为了避免高低压交错，优选为“正负正负”或“负正负正”。两个电堆200并排设置且位于同一平面上，两个电堆200之间还设置
有用于配气的分配歧管100，两个电堆200的进气端板均固定在第一箱体301上，所以盲端端板存在出现位置偏差的可能。本实施例中，第三铜排23连接两个电堆200靠近分配歧管100的进气集流板230，第一铜排21位于设置有高压输出部10的电堆200上，且高压输出部10靠近所在电堆200的盲端集流板230设置；第一铜排21的软排段24位于该电堆200的两个集流板230之间；第二铜排22一端位于未设置高压输出部10的电堆200的盲端集流板230上，另一端位于设置有高压输出部10的电堆200上方，第三铜排23通过绝缘结构连接第二铜排22的中间段。
57.为了保证安装的定位准确，本实施例中，高压组件还包括限位板50，限位板50与绝缘板40连接，限位板50具有用于导向的、间隔设置的2个限位槽51；2个连接铜排12夹设于限位板50和绝缘板40之间，且2个连接铜排12分别位于限位槽51内。
58.为了辅助支撑高压端子11，本实施例中，限位板50呈十字结构，包括横架和竖架，2个限位槽51位于横架的两侧，竖架上设置有用于支撑绝缘板40的凸出部52。
59.为了匹配连接铜排12的折弯结构，本实施例中，绝缘板40包括分别与第一箱体301连接的第一绝缘板41和第二绝缘板42，第一绝缘板41和第二绝缘板42存在高度差，且优选为相互平行。用于安装两个高压端子11的第一装配孔43设置在第一绝缘板41上，与壳体4上第二装配孔42对应的工艺孔44设置在第二绝缘板42上，第二绝缘板42连接限位板7。本发明对绝缘板40的材料不做具体限定，优选为环氧树脂硬质层压板材料。
60.本实施例的燃料电池系统1000中，电堆200固定安装于第二箱体302中，由于分配歧管100、高压组件400均与电堆200连接，因此电堆200的安装稳定性对于燃料电池系统1000的性能至关重要。
1.具体参见图10至图12，第一箱体301的内型面间隔分布有用于压紧电堆的端板的弹性柱60，第二箱体302的内型面上间隔设置有至少四个支撑座320，至少四个支撑座320分别用于支撑各电堆的进气端板和盲端端板，保证电堆两端的支撑和平稳。第一箱体301和第二箱体302合体时，弹性柱60压缩设定长度，以对电堆施加压紧作用的紧固力，保证燃料电池电堆在第二箱体302和第一箱体301的封装方向的固定。至少两个支撑座320设置有贯通孔，贯通孔中设置有用于连接第二箱体302和进气端板/盲端端板的连接件，未设置连接孔的支撑座320仅起到支撑的作用，具有连接孔的支撑座320起到支撑作用的同时配合连接件实现端板的固定定位。本发明通过在第一箱体301和第二箱体302内同时设置简单的结构即可保证内部电堆的稳固性，相比其他固定方法，结构简单，不需要单独设计固定支架。
2.为了实现弹性柱60的可拆卸可更换，同时避免弹性柱60的过度形变，本实施例中第一箱体301的内型面上设置有用于安装弹性柱60的安装凸台330；弹性柱60具有中心通孔，中心通孔内设置有限位结构，弹性柱60通过螺栓61连接于安装凸台330，螺栓61穿设于中心通孔中，且螺栓61的头部通过限位结构限位，以使弹性柱60通过限位结构固定于螺栓61的头部和安装凸台330之间，且弹性柱60的长度大于螺栓61位于弹性柱60内的长度，使得弹性柱60具有可压缩空间。
3.本发明对限位结构不做具体限定，本实施例中，中心通孔为阶梯孔，阶梯孔的孔肩构成限位结构；螺栓61的头部的长度小于阶梯孔的大孔段的长度，以满足弹性柱60可压缩的需求。本发明对弹性柱60的结构和尺寸不做具体限定，可根据实际需求设计，本实施例中，弹性柱60选用材料为橡胶，半径为10mm，高度为20mm，设计压缩量为2mm。
4.为了防止螺接时弹性柱60直接被压缩导致位置发生偏移，影响电堆的位置固定，本实施例中，阶梯孔中设置有套筒62，套筒62具有凸边，凸边通过孔肩限位，螺栓61穿设于套筒62中；通过套筒62使得位于螺栓61头部和安装凸台330之间的部分弹性柱60不会过度变形，本实施例对套筒62的材质不做具体限定，只要具有一定刚性，能满足弹性柱60的连接定位即可，优选地，套筒62为金属件。
5.为了进一步保证弹性柱60螺接的稳定，本实施例中，阶梯孔内还设置有垫片63，即同时设置有套筒62和垫片63，垫片63套设在螺栓61的杆部上，且垫片63设置于螺栓61的头部和凸边之间，避免直接接触，且用于增大螺栓61头部与套筒62的接触面积，使弹性柱60受力更均衡。
61.由于本实施例中燃料电池系统1000包含两个电堆200，分配歧管100设置于两个电堆200之间，且分配歧管100与两个电堆200的进气端板210均连接，为了保证电堆200和分配歧管100的稳定固定，本实施例中，用于支撑进气端板210的至少两个支撑座320上设置有贯通孔321；弹性柱60以及未设置贯通孔321的支撑座320分布于盲端端板220的上下两侧。通过将弹性柱60压紧未通过连接件固定的其中一个端板，以在第一箱体301和第二箱体302合装后，保证端板在未设置连接件的支撑座320上的位置不发生垂直位移，保持稳定定位。
6.在其他实施例中，也可将各支撑座320上均设置有贯通孔321，此时由于进气端板210和盲端端板220均通过连接件与壳体300固定连接，所以所有端板的定位均有基本的保障。弹性柱60作用于进气端板210和/或盲端端板220，即弹性柱60至少作用于电堆的一个端板，优选地，弹性柱60靠近第一箱体301的侧壁设置，即弹性柱60仅作用于盲端端板220，避免影响其他构件结构的布局或连接等。
7.为了控制壳体300的整体体积，以控制体积功率密度，本实施例中，第二箱体302的外型面上设置有用于容纳连接件的沉孔，以使连接件不会凸出第二箱体302的外型面。
8.本实施例中燃料电池系统1000采用cvm(电压巡检器500)的方案，电压巡检器500设置于安装腔中、且与两个电堆均电连接。同时为了实现电压巡检器500的固定，本实施例中，第二箱体302内还设置有用于固定电压巡检器500的限位台340。
62.电压巡检器500的外壳上设置有与限位台340匹配的凹槽510，电压巡检器500与箱体连接，且限位台340嵌于凹槽510内，实现安装定位功能。本实施例中，电压巡检器500箱体材质为塑料，为了不增设其他固定电压巡检器500的结构、节约成本，在限位台340上设置有螺纹孔，且螺纹孔优选为螺纹盲孔，避免增设密封组件，简化结构。
63.优选地，限位台340的半径为6mm～10mm，限位台340上表面设置半径为1mm的防止锐边割伤的倒角，高度为可适配设计，实现电压巡检器500线束与电堆的接口基本齐平(线束安装稳固)。
64.尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
65.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。