CN114464864B - 一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池，所述燃料电池包括两个电堆，所述高压组件包括两个高压输出部和三个铜排；所述两个高压输出部均包括电连接的高压端子和连接铜排，三个所述铜排用于将两个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两个高压输出部的连接铜排连接。本发明一方面可以实现两个电堆的集成，提升燃料电池的功率输出。另一方面，在满足高压设计需求的同时简化装配工艺，将高压输出部预先与燃料电池壳体的上箱体连接，三个铜排也连接设置在对应的电堆上，在上箱体和下箱体扣合之后仅需要将正极连接端和负极连接端分别连接对应的高压输出部的高压端子即可。

Description

一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池。

背景技术

燃料电池电堆通常由膜电极和双极板组成的多个单电池串联而成，在膜电极和双极板之间存在密封圈，在多个单电池的两端通过端板、绝缘板、集流板等进行压紧、绝缘、电流输出。燃料电池电堆输出电压高；同时燃料电池膜电极活性面积大，工作电流密度高，输出的电流大。近年来，由于燃料电池汽车对燃料电池***输出动力要求逐步提高，燃料电池电堆输出电压和输出电流也在逐步提高；另一方面，由于整车安全要求，燃料电池汽车对燃料电池电堆的电安全要求也在逐步提高。因此燃料电池电堆内部的高压设计需要充分考虑电安全。同时燃料电池由于空间小，需要充分考虑电气间隙和爬电距离校核以及相关的绝缘设计。

但是现有技术中的燃料电池电堆存在以下两个技术问题：一，由于单个电堆所串联的单片电池的数量是有限的，现有技术中燃料电池的输出功率受限；二，内部的高压设计装配工序复杂，且可能存在不便组装的情况，不利于高压设计的布置。

发明内容

为解决上述技术问题，实现本发明目的，本发明提供了一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池，提升燃料电池功率输出的同时解决高压设计布局以及装配。

实现本发明目的的技术方案为，一种应用于燃料电池的高压组件，所述燃料电池包括两个电堆，所述高压组件包括两个高压输出部和三个铜排，其中：所述两个高压输出部均包括电连接的高压端子和连接铜排，三个所述铜排用于将两个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两个高压输出部的连接铜排连接。

进一步地，三个所述铜排分别为第一铜排、第二铜排和第三铜排；所述第一铜排的一端用于连接其中一个所述电堆的正输出极，另一端构成所述正极连接端；所述第二铜排的一端用于连接另一个所述电堆的负输出极，另一端构成所述负极连接端；所述第三铜排的两端分别连接所述两个电堆的另一个正输出极和负输出极；所述正极连接端和所述负极连接端通过高压紧固件分别与两个所述连接铜排连接。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，所述第三铜排具有凹陷部，所述绝缘支架设置在所述凹陷部中。

进一步地，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。

进一步地，三个所述铜排用于连接所述电堆的输出极的端部均设置有至少两个安装孔，所述安装孔中设置连接件，三个所述铜排均分别通过所述连接件与所述电堆的输出极固定。

基于同样的发明构思，本发明还提供了一种燃料电池，包括壳体、两个电堆以及上述的高压组件；所述壳体包括上箱体和上箱体，所述上箱体和所述下箱体合围成安装腔；所述两个电堆设置于所述安装腔内，且所述两个电堆的输出极以串联的方式设置；所述两个高压输出部间隔设置于所述上箱体上，所述两个电堆的输出极通过三个所述铜排串联。

进一步地，所述高压组件还包括绝缘板，所述壳体和所述三个铜排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；

所述上箱体上设置有第二装配孔，用于连接所述正极连接端/所述负极连接端与所述连接铜排的高压紧固件穿设于第二装配孔中。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种应用于燃料电池的高压组件，燃料电池包括两个电堆，高压组件包括两个高压输出部和三个铜排，其中：两个高压输出部均包括电连接的高压端子和连接铜排，三个铜排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分别与两个高压输出部的连接铜排连接。本发明一方面可以实现两个电堆的集成，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。另一方面，在装配时，可以将高压输出部预先与燃料电池壳体的上箱体连接，三个铜排也连接设置在对应的电堆上，高压输出部与三个铜排的组装固定相对独立，互不影响，且在上箱体和下箱体扣合连接之前，操作空间充裕，在上箱体和下箱体扣合之后仅需要将正极连接端和负极连接端分别连接对应的高压输出部的高压端子即可，高压组件的结构简单，且高压组件的连接装配工艺简单方便。

本发明还提供了一种燃料电池，包括壳体、两个电堆以及上述的高压组件，由于采用上述的高压组件，该燃料电池自然具有上述的所有有益效果，一方面实现两个电堆的集成，实现功率提升的技术效果，另一方面只需在上箱体和下箱体封装之前，分别在上箱体上固定高压输出部、在电堆上设置三个铜排，正极连接端/负极连接端与连接铜排的对接部刚好暴露在安装孔内，工作人员通过该安装孔即可完成高压组件的连接固定，解决了不便高压组件组装、不利于高压组件布置的技术问题。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的应用于燃料电池的高压组件的整体示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1中的高压输出部的连接铜排的立体示意图；

图4为图3中的连接铜排的另一视角示意图；

图5为图1中的第一铜排的立体示意图；

图6为图5中的第一铜排的另一视角示意图；

图7为图1中的第二铜排的立体示意图；

图8为图7中的第二铜排的另一视角示意图；

图9为图1中的第三铜排的立体示意图；

图10为图9中的第三铜排的另一视角示意图；

图11为本发明实施例2提供的燃料电池的整体俯视图；

图12为图11中的A-A剖视图；

图13为图11中的B-B剖视图；

图14为图13中导向架的立体示意图；

图15为图11中绝缘板与三个铜排之间的示意图；

图16为图15的另一视角示意图；

图17为图15中的第一绝缘板的示意图；

图18为图15中的第二绝缘板的示意图。

附图标记：11-高压端子，12-连接铜排，13-折弯部；2-铜排，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；3-绝缘支架；4-壳体，41-上箱体，42-第二装配孔；5-电堆，51-集流板；6-绝缘板，61-第一绝缘板，62-第二绝缘板，63-第一装配孔，64-工艺孔；7-导向板，71-限位槽，72-凸出部。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

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。同时燃料电池由于空间小，燃料电池内部的高压设计需要充分考虑电气间隙和爬电距离校核以及相关的绝缘设计。如何提升燃料电池的输出功率以及保证内部高压的稳定输出是当前研究的重点之一。

为了解决实现燃料电池功率提升，同时优化内部高压设计，满足电堆电安全要求的前提下，简化装配体工艺，本发明提供了一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池，下面通过两个具体实施例对本发明内容进行详细说明：

实施例1

本发明实施例提供的一种应用于燃料电池的高压组件，燃料电池包括两个电堆，高压组件包括两个高压输出部和三个铜排2，其中：两个高压输出部均包括电连接的高压端子11和连接铜排12，三个铜排2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分别与两个高压输出部的连接铜排12连接。本发明一方面可以实现两个电堆的集成，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。另一方面，在装配时，可以将高压输出部预先与燃料电池壳体的上箱体连接，三个铜排2也连接设置在对应的电堆上，高压输出部与三个铜排2的组装固定相对独立，互不影响，且在上箱体和上箱体扣合连接之前，操作空间充裕，在上箱体和上箱体扣合之后仅需要将正极连接端和负极连接端分别连接对应的高压输出部的高压端子11即可，高压组件的结构简单，且高压组件的连接装配工艺简单方便。

本实施例中，三个铜排2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紧固件分别与两个连接铜排12连接。

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28，且远离对应的连接铜排12的一侧设置有与连接孔28对应配合的螺母29，以增厚高压紧固件的连接长度，该螺母29可通过冲铆工艺与对应的铜排2连接。

为了保证铜排2与电堆集流板的稳定连接，本实施例中，三个铜排2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2均分别通过连接件与电堆的输出极固定，相比于现有技术中集流板与高压铜排2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与高压铜排2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。

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。

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、高压铜排2、高压输出端子、铜排2紧固零件等组成。但高压铜排2通常由硬铜排2组成，无法满足容错需求。为了保证铜排2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。

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。

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3，绝缘支架3的两端分别与第二铜排22和第三铜排23连接，第二铜排22用于连接绝缘支架3的部分所在的平面平行于第三铜排23用于连接绝缘支架3的部分所在的平面，即第二铜排22和第三铜排23在绝缘支架3处具有一定的高度差；绝缘支架3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3的两侧。绝缘支架3同时还能起到支撑或提升的作用。

第三铜排23具有凹陷部26，绝缘支架3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。

同样为了保证第二铜排22、绝缘支架3、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，相对靠近上箱体的第一铜排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优选设置在靠近上箱体的一侧，以增厚高压紧固件的连接长度。

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。

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，且短边连接电堆负极，长边连接连接铜排12；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。

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。

实施例2

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种燃料电池，包括壳体4、两个电堆5以及实施例1提供的高压组件；壳体4包括上箱体和上箱体41，上箱体和上箱体41合围成安装腔；两个电堆5设置于安装腔内，且两个电堆5的输出极以串联的方式设置；两个高压输出部间隔设置于上箱体上，两个电堆的输出极通过三个铜排串联，具体地与实施例1相同：三个铜排2将两个电堆5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两个高压输出部的连接铜排12连接，即铜排2将两个电堆5的集流板51按照串联的排列方式电连接。

为了实现壳体4与铜排2之间的绝缘，本实施例中，高压组件还包括绝缘板6，壳体4和三个铜排2分布于绝缘板6的两侧；绝缘板上间隔设置有两个第一装配孔63，两个高压端子11分别穿设于第一装配孔63中；同时上箱体41上设置有第二装配孔42，用于连接正极连接端/负极连接端与连接铜排12的高压紧固件穿设于第二装配孔42中，绝缘板6上设置有与壳体4上的第二装配孔42对应的工艺孔64。

本实施例通提供的燃料电池由于采用上述的高压组件，该燃料电池自然具有上述的所有有益效果，一方面实现两个电堆5的集成，实现功率提升的技术效果，另一方面只需在上箱体和上箱体41封装之前，分别在上箱体上固定高压输出部、在电堆5上设置三个铜排2，正极连接端/负极连接端与连接铜排12的连接孔28刚好暴露在第二装配孔42内，工作人员通过该第二装配孔42即可完成高压组件的连接固定，解决了不便高压组件组装、不利于高压组件布置的技术问题。

本实施例对电堆5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5并排设置且位于同一平面上，两个电堆5之间还设置有用于配气的中央歧管，两个电堆5的进气端板均固定在上箱体41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5靠近中央歧管的进气集流板，第一铜排21位于设置有高压输出部的电堆5上，且高压输出部靠近所在电堆5的盲端集流板设置；第一铜排21的软排段24位于该电堆5的两个集流板之间；第二铜排22一端位于未设置高压输出部的电堆5的盲端集流板上，另一端位于设置有高压输出部的电堆5上方，第三铜排23通过绝缘结构连接第二铜排22的中间段。

为了保证安装的定位准确，本实施例中，高压组件还包括导向板7，导向板7与绝缘板6连接，导向板7具有用于导向的、间隔设置的2个限位槽71；2个连接铜排12夹设于导向板7和绝缘板6之间，且2个连接铜排12分别位于限位槽71内。

为了辅助支撑高压端子11，本实施例中，导向板7呈十字结构，包括横架和竖架，2个限位槽71位于横架的两侧，竖架上设置有用于支撑绝缘板6的凸出部72。

为了匹配连接铜排12的折弯结构，本实施例中，绝缘板6包括分别与上箱体41连接的第一绝缘板61和第二绝缘板62，第一绝缘板61和第二绝缘板62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63设置在第一绝缘板61上，与壳体4上第二装配孔42对应的工艺孔64设置在第二绝缘板62上，第二绝缘板62连接导向板7。本发明对绝缘板6的材料不做具体限定，优选为环氧树脂硬质层压板材料。

通过上述实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

1)本发明，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。

2)本发明可以解决电堆集成过程中兼顾电气间隙、爬电距离和电安全要求的困难，从而提高电堆集成的电安全。

3)本发明通过绝缘板、铜排固定板的设计，硬排段和软排段组合的设计，双孔固定的设计，能够较好满足电堆集成过程中电堆高压设计容错要求，允许实际运行过程燃料电池电堆两端的集流板的相对位置发生变化，允许燃料电池电堆在堆叠方向尺寸存在一定的偏差，降低电堆无法装配的风险。

4)本发明可以解决燃料电池电堆随机振动过程有可能出现集流板与高压铜排之间固定松动、转动等不良，提升电安全性。

尽管已描述了本申请的优选实施例，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申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种应用于燃料电池的高压组件，所述燃料电池包括两个电堆，其特征在于，两个所述电堆沿堆叠方向并排设置；所述高压组件包括两个高压输出部和三个铜排，其中：所述高压输出部靠近所在电堆的盲端集流板设置；所述两个高压输出部均包括电连接的高压端子和连接铜排，三个所述铜排分别为第一铜排、第二铜排和第三铜排；所述第一铜排位于设置有所述高压输出部的所述电堆上，所述第一铜排的一端用于连接其中一个所述电堆的正输出极，另一端构成正极连接端；所述第二铜排的一端位于未设置所述高压输出部的所述电堆的盲端集流板上，另一端位于设置有所述高压输出部的电堆的上方，所述第二铜排的一端用于连接另一个所述电堆的负输出极，另一端构成负极连接端；所述正极连接端和所述负极连接端分别与所述两个高压输出部的连接铜排连接；所述第三铜排的两端分别连接所述两个电堆的另一个正输出极和负输出极，具体是所述第三铜排连接于两个所述电堆的进气集流板，以将两个所述电堆串联；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的中间段和所述第三铜排连接。

2.如权利要求1所述的高压组件，其特征在于，所述正极连接端和所述负极连接端通过高压紧固件分别与两个所述连接铜排连接。

3.如权利要求2所述的高压组件，其特征在于，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。

4.如权利要求3所述的高压组件，其特征在于，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。

5.如权利要求2所述的高压组件，其特征在于，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。

6.如权利要求5所述的高压组件，其特征在于，所述第三铜排具有凹陷部，所述绝缘支架设置在所述凹陷部中。

7.如权利要求1-6中任一项所述的高压组件，其特征在于，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。

8.如权利要求1-6中任一项所述的高压组件，其特征在于，三个所述铜排用于连接所述电堆的输出极的端部均设置有至少两个安装孔，所述安装孔中设置连接件，三个所述铜排均分别通过所述连接件与所述电堆的输出极固定。

9.一种燃料电池，其特征在于，包括壳体、两个电堆以及权利要求1-8中任一项所述的高压组件；所述壳体包括上箱体和上箱体，所述上箱体和所述下箱体合围成安装腔；所述两个电堆沿堆叠方向并排设置于所述安装腔内，且所述两个电堆的输出极以串联的方式设置；所述两个高压输出部间隔设置于所述上箱体上，所述两个电堆的输出极通过三个所述铜排串联。

10.如权利要求9所述的燃料电池，其特征在于，所述高压组件还包括绝缘板，所述壳体和所述三个铜排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；

所述上箱体上设置有第二装配孔，用于连接所述正极连接端/所述负极连接端与所述连接铜排的高压紧固件穿设于第二装配孔中。