一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板

本发明属于质子交换膜电堆，更具体地，涉及一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板。

背景技术：

1、能源短缺是制约人类发展的关键因素，目前能源多以化石能源为主，然而此类能源面临着不可再生和污染环境等问题。氢能作为理想的可再生清洁能源，具有较好的应用和发展前景。其中，质子交换膜电堆采用超纯水电解制取氢气，是一种高效环保的制氢方式。电堆主要由端板、集流板、双极板、多孔传输层和膜电极等部件堆叠而成，在装配过程中需要使用端板、螺栓等部件对整体部件进行紧固，因此端板是必不可少的部分。

2、端板是电堆结构最外侧的部件，不仅起到紧固的作用，还对电堆的密封性能有一定的影响。作为电堆中重要的部件，端板结构设计需要满足足够的机械强度和刚度。在电堆中，端板的质量占整体质量的很大一部分，因此在端板结构设计的同时，需要考虑端板的轻量化设计。

技术实现思路

1、为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

2、一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，所述端板整体形状为矩形，包括进水口、第一氢气出口、第二氢气出口、水和氧气出口，其特征在于，包含底板(1)和与底板上下对应的盖板(2)。

3、进水口、第一氢气出口、第二氢气出口、水和氧气出口在所述的底板(1)上对应的为上下贯通的底板进水口(103)、第一底板氢气出口(104)、第二底板氢气出口(106)、底板水和氧气出口(107)，同时在盖板(2)上对应设置盖板进水孔(203)、第一盖板氢气出口(205)、盖板氢气出口(206)、盖板水和氧气出口(204)；

4、将底板(1)用底板的垂直中心线(108)和底板水平中心线(109)按照左右上下对称划分为四部分，底板进水口(103)位于左上部分，第一底板氢气出口(104)位于左下部分，第二底板氢气出口(106)位于右上部分，底板水和氧气出口(107)位于右下部分；

5、所述底板(1)上表面设有凹槽(102)结构，凹槽(102)的的深度小于底板(1)的厚度；底板上表面设有两个凹槽结构，分别在底板上表面的左右两侧，两个凹槽结构关于底板的竖直中心线对称，同时单个凹槽结构关于底板水平中心线对称。当底板(1)上表面与底板叠合连接在一起，凹槽(102)形成封闭的空腔结构；

6、凹槽(102)对应包括四个边，四个边依次连接形成四个角；第一个边靠近底板的垂直中心线(108)，此边由三个弧形依次相切顺滑连接组成：向凹槽(102)外弯曲的第一弧形(1021)、向凹槽(102)内弯曲的第二弧形(1022)、向凹槽(102)外弯曲的第三弧形(1023)，第二弧形(1022)的直径分别大于第一弧形(1021)和第三弧形(1023)的直径，第一弧形(1021)的直径和第三弧形(1023)的直径相等；与上述第一个边相对的为第三边，第三边靠近底板(1)的短边，此边由五个弧形依次顺滑连接组成：向凹槽(102)外弯曲的第四弧形(1024)、向凹槽(102)内弯曲的第五弧形(1025)、向凹槽(102)外弯曲的第六弧形(1026)、向凹槽(102)内弯曲的第七弧形(1027)、向凹槽(102)外弯曲的第八弧形(1028)，底板进水口(103)或第二底板氢气出口(106)对应的位于凹槽(102)外被第五弧形(1025)半包围，同理第一底板氢气出口(104)或底板水和氧气出口(107)位于凹槽(102)外被第七弧形(1027)半包围；第四弧形(1024)和第八弧形(1028)向外弯曲更接近对应的底板(1)的短边(相对于对应的底板进水口(103)、第一底板氢气出口(104)、第二底板氢气出口(106)、底板水和氧气出口(107)更接近对应的底板短边)，第六弧形(1026)向外弯曲对应没有超出底板进水口(103)中心与第一底板氢气出口(104)中心的连线或没有超出第二底板氢气出口(106)中心与底板水和氧气出口(107)中心的连线；第一边和第三边之间的为相对的第二边和第四边，第二边为第一弧形(1021)与第四弧形(1024)之间采用与底板(1)长边平行的直线边相切连接而成，第四边为第三弧形(1023)与第八弧形(1028)之间采用与底板(1)长边平行的直线边相切连接而成。

7、每个凹槽是以底板水平中心线(109)为对称线的对称结构。

8、所述底板的中间区域(101)即两个凹槽之间的区域，材料予以保留，靠近所述底板水平中心线的区域材料保留较多，沿着所述底板垂直中心线、远离水平中心线的方向逐渐减少，呈现中间粗、两头细向底板两短边侧外凸的形状。

9、进一步的，所述保留材料的中间区域沿着水平中心线方向的宽度，最大不超过所述端板长边长度的1/3，最小宽度不小于端板长边长度的1/6。

10、进一步的，凹槽的深度不超过所述端板厚度的4/5。

11、进一步的，对应每个凹槽(102)内部含有加强肋，将凹槽(102)分割成多个小凹槽，并起到增加结构强度和刚度的作用。

12、进一步的，所述加强肋的最大宽度不超过第二边与第四边距离的1/8。

13、进一步的，所述加强肋的数量为奇数条，可以是3、5、……条。其中必有1条加强肋沿所述端板的水平中心线布置，且其余加强肋的宽度不大于此条加强肋的宽度，按照关于端板水平中心线对称布置。

14、进一步的，所述凹槽底部到所述底板下表面的距离与所述盖板的厚度相等。

15、进一步的，所述底板四个边上含有安装孔，按照所述底板长边与短边边长均匀布置；所述的安装孔为向外凸起的半圆柱中心设孔；或相邻两个安装孔圆心连线之间的底板外侧材料被去除形成半圆柱，相邻两个半圆柱之间以直线相连，多个半圆柱呈现类波浪线形状；安装孔处外边缘即半圆柱的圆弧半径尺寸大于与对应安装孔相匹配的螺栓垫片半径，安装孔半边在底板边缘外侧；底板四角的安装孔对应的外边缘为3/4圆柱。

16、进一步的，所述安装孔数量与电堆装配时所需要的预紧力相匹配对应，均匀的分布在端板的四个边，螺栓通过安装孔，利用端板施加预紧力，将电堆的各个部件装配在一起。

17、进一步的，所述底板的四个角均有定位孔。

18、进一步的，所述盖板上同样对应的含有安装孔、定位孔，大小尺寸和布置位置与底板相同。

19、进一步的，所述盖板与所述底板的材料可以是钢合金或铝合金。

20、进一步的，所述端板的所述盖板和所述底板可以分块机械加工，焊接或粘连而成，也可以通过增材制造技术整体制成。

21、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备如下的优点和有益效果：

22、1、本发明所提供的端板，与当前相同尺寸的端板相比，质量减少40％，强度与刚度基本保持不变，极大地减少了电堆整体的质量。

23、2、本发明所提供的端板，在相同端板的质量下，具有更高的强度与刚度，装配在电堆中时，其翘曲变形量大幅度下降，密封效果更好，反应区受力更均匀，提高了电堆的性能和使用寿命。

技术特征：

1.一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，所述端板整体形状为矩形，包括进水口、第一氢气出口、第二氢气出口、水和氧气出口，其特征在于，包含底板(1)和与底板上下对应的盖板(2)；

2.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述底板的中间区域即两个凹槽之间的区域，材料予以保留，靠近所述底板水平中心线的区域材料保留较多，沿着所述底板垂直中心线、远离水平中心线的方向逐渐减少，呈现中间粗、两头细向底板两短边侧外凸的形状；

3.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，凹槽的深度不超过所述端板厚度的4/5。

4.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，对应每个凹槽(102)内部含有加强肋，将凹槽(102)分割成多个小凹槽，并起到增加结构强度和刚度的作用；所述加强肋的最大宽度不超过第二边与第四边距离的1/8。

5.按照权利要求4所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述加强肋的数量为奇数条，可以是3、5、7……条等，其中必有1条加强肋沿所述端板的水平中心线布置，且其余加强肋的宽度不大于此条加强肋的宽度，按照关于端板水平中心线对称布置。

6.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述凹槽底部到所述底板下表面的距离与所述盖板的厚度相等。

7.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述底板四个边上含有安装孔，按照所述底板长边与短边边长均匀布置；所述的安装孔为向外凸起的半圆柱中心设孔；或相邻两个安装孔圆心连线之间的底板外侧材料被去除形成半圆柱，相邻两个半圆柱之间以直线相连，多个半圆柱呈现类波浪线形状；安装孔处外边缘即半圆柱的圆弧半径尺寸大于与对应安装孔相匹配的螺栓垫片半径，安装孔半边在底板边缘外侧；底板四角的安装孔对应的外边缘为3/4圆柱。

8.按照权利要求7所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述安装孔数量与电堆装配时所需要的预紧力相匹配对应，均匀的分布在端板的四个边，螺栓通过安装孔，利用端板施加预紧力，将电堆的各个部件装配在一起。

9.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述底板的四个角均有定位孔；

10.按照权利要求1所述的一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，其特征在于，所述盖板与所述底板的材料可以是钢合金或铝合金；所述端板的所述盖板和所述底板可以分块机械加工，焊接或粘连而成，也可以通过增材制造技术整体制成。

技术总结
一种小尺寸矩形电堆的轻量化端板，属于质子交换膜电堆技术领域。包含底板和盖板；所述底板上含有凹槽结构，所述盖板与所述底板连接在一起，底板设有两个凹槽，两个凹槽之间的中间区域材料予以保留，靠近底板水平中心线的区域材料保留较多，沿着底板垂直中心线、远离水平中心线的方向逐渐减少，呈现中间粗、两头细向底板两短边侧外凸的形状。底板上含有安装孔，底板上还含有定位孔、进/出水口和出气孔，盖板上同样含有安装孔、定位孔、进/出水口和出气孔，大小尺寸和布置位置与底板相同。本发明提供的电堆端板，在同等条件下，具有更轻的质量，更高的强度与刚度，减小了翘曲变形，使电解池密封效果更好，反应区受力更均匀。

技术研发人员：孙国芹,李欢
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19