本實用新型涉及燃料電池電堆結構，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池電堆結構。

背景技術：

燃料電池是一種將化學能直接轉化成電能的清潔能源技術，具有高能量轉換效率、結構簡單、低排放、低噪音等優點，在燃料電池中，流場板分配燃料，串聯堆中的單個電池、導電和支撐膜電極。膜電極是燃料電池中最重要的部件之一，由氣體擴散層和催化層組成，而燃料電池就是由這樣的流場板與膜電極相互層疊而成的堆疊體。燃料電池電堆在運行過程中，溫度變化會引起電堆內部各部件的熱脹冷縮，在組裝力的作用下，電堆各部件會發生松弛效應。無論是熱脹冷縮還是松弛效應，都將導致電堆壓縮率的變化，從而導致組裝力的波動。若電堆組裝力變大，氣體擴散層被壓縮變形加大，擴散層的孔隙率減小，反應效率變低，同時，質子交換膜可能發生屈服甚至破壞；如果封裝力變小，膜電極與流場板之間的接觸電阻變大，嚴重影響電堆的性能，另一方面，也可能造成電堆密封失效。因此，燃料電池電堆的結構對其性能影響特別大。一般電堆使用螺桿來緊固電堆，也沒有任何輔助補償系統，該結構裝配較復雜，并且由于端板的受力點位于端板邊緣，會造成電堆端板明顯的法向撓曲，使流場板和膜電極所受壓力不均勻，嚴重影響電堆的性能。

申請號為201610473184.2的實用新型專利《一種質子交換膜燃料電池堆鋼帶緊固裝置》中公開了一種緊固結構，其局限性在于：1、彈簧壓板擋住一部分氣口端板的空間，導致氣口端板的空間利用率下降，使電堆與外界的流體交換管道接口的設計受限制；從氣口端板的集成度方面考慮，該結構不利于集成氣口上進出電堆的傳感器接口；而且前端板與彈簧壓板的設計過于復雜，對裝配的過程十分不利；2、在進行電堆組裝時，橫桿很難置于拉帶末端的掛鉤內，即使橫桿被放入掛鉤內，也需繼續調整其螺紋孔的位置，使之與緊固螺栓對齊，因此，該結構實際操作起來，十分困難。

綜上，有必要為解決上述問題而實用新型設計一種操作方便，結構簡單緊湊的緊固結構。

技術實現要素：

根據上述提出的技術問題，而提供一種質子交換膜燃料電池電堆結構。本實用新型主要采用拉帶緊固電堆的結構，能使端板受力均勻，從而使流場板和MEA上的壓力分布均勻；采用盲端板，彈性元件與浮動端板組成的彈性補償結構，補償電堆內部零部件因松弛或溫度變化引起的熱脹冷縮導致的尺寸變化，維持電堆恒定的組裝力；開放氣口端板的外部空間，利于氣口端板的集成設計。

本實用新型采用的技術手段如下：

一種質子交換膜燃料電池電堆結構，順次包括氣口端板、氣口端集流板、流場板與膜電極組、盲端集流板和電堆彈性補償結構，其特征在于，上述結構沿所述電堆彈性補償結構的端部向所述氣口端板的方向依次用多組拉帶結構緊固，所述拉帶結構包括用于容納所述電堆結構的且一端開口的U型金屬拉帶，所述金屬拉帶的末端折彎成與T型螺栓的圓桿匹配的圓環后焊接在所述金屬拉帶的拉帶末端搭接處；所述金屬拉帶上的T型螺栓穿過所述氣口端板上的固定孔，通過螺母與所述氣口端板連接緊固；

所述氣口端板為所述電堆結構的起始端，所述氣口端板外側為開放面，用于集成電堆進氣歧管和傳感器接口；

所述電堆彈性補償結構為所述電堆結構的末端，所述電堆彈性補償結構用于補償因零部件的松弛或/與溫度的改變引起電堆的熱脹冷縮而導致的組裝力變化，由盲端板、彈性元件和浮動端板組成。

進一步地，所述氣口端板上設有流體通道，所述氣口端板的側面設有用于容納所述金屬拉帶末端的凹槽Ⅱ，所述凹槽Ⅱ上下表面與所述金屬拉帶末端均設有用于通過螺母線性調節電堆的厚度尺寸的間隙Ⅱ。

進一步地，所述盲端板開有與所述彈性元件匹配的定位盲孔Ⅰ，所述浮動端板上開有與所述彈性元件匹配的定位盲孔Ⅱ，將所述彈性元件置于所述定位盲孔Ⅰ和所述定位盲孔Ⅱ之間后，所述盲端板通過定位孔Ⅰ與所述浮動端板的定位孔Ⅱ通過定位桿定位將所述彈性元件夾在兩板之間。

進一步地，所述盲端板上設有用于所述金屬拉帶穿過卡入的凹槽Ⅰ，所述電堆彈性補償結構與所述電堆結構主體緊固后，所述彈性元件被壓縮，所述盲端板與所述浮動端板之間設有用于對電堆的尺寸變化起到補償作用的間隙Ⅰ。

進一步地，所述金屬拉帶與所述盲端板上的凹槽Ⅰ接觸的底部為與所述凹槽Ⅰ匹配的圓弧面，折彎處設有折彎圓角過渡。

進一步地，所述T型螺栓水平方向為圓桿，豎直方向為一段或兩段螺紋桿，所述圓桿置于所述金屬拉帶末端彎折的圓環內，所述螺紋桿穿過開在所述金屬拉帶末端彎折的圓環上的長圓孔；所述T型螺栓上螺紋桿的軸線位于所述金屬拉帶的拉帶末端搭接處的交接面內，在所述金屬拉帶受力時，所述T型螺栓與所述金屬拉帶的受力方向共面；所述T型螺栓可繞水平方向的圓桿的軸線轉動。

進一步地，所述T型螺栓的圓桿和螺紋桿為一體加工或者分體加工結構，當所述T型螺栓為分體加工結構時，采用中部帶有螺紋孔的銷釘與螺釘配合的形式。

進一步地，所述氣口端集流板與所述盲端集流板的接線端均凸出所述流場板與膜電極組的側面，且向堆組方向彎折90°。

本實用新型具有以下優點：

1、本實用新型的拉帶結構能使端板受力均勻，從而使流場板和MEA上的壓力分布均勻；

2、本實用新型的電堆彈性補償結構可以補償電堆內部零部件的尺寸變化；

3、本實用新型開放氣口端板的外部空間，利于氣口端板的集成設計，提高氣口端板的空間利用率；

4、本實用新型的拉帶結構整體式設計，方便電堆的組裝；

5、本實用新型的T型螺桿的軸線位于拉帶搭接處的平面內，拉帶在受拉力時，T型螺栓與拉帶結構的受力方向共面，防止拉帶結構在受拉時發生扭轉；

6、本實用新型的電堆末端由彈性補償結構組成，氣口端由氣口端板組成，電堆整體結構緊湊美觀。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型電堆整體的結構示意圖。

圖2為本實用新型電堆氣口端的結構示意圖。

圖3為本實用新型電堆彈性補償結構的示意圖。

圖4為本實用新型電堆彈性補償結構橫截面的示意圖。

圖5為本實用新型拉帶結構的主視圖。

圖6為本實用新型拉帶結構的示意圖。

圖7為圖6中T型螺栓的結構示意圖。

圖8為本實用新型雙螺桿型拉帶結構的示意圖。

圖9為圖8中雙螺桿螺栓的結構示意圖。

圖10為本實用新型T型螺栓擴展結構的示意圖。

圖中：1、氣口端板；2、氣口端集流板；3、流場板與膜電極組；4、盲端集流板；5、電堆彈性補償結構；6、拉帶結構；7、螺母；8、金屬拉帶；9、拉帶末端搭接；10、T型螺栓；11、折彎圓角；12、盲端板；13、凹槽Ⅰ；14、定位盲孔Ⅰ；15、彈性元件；16、定位孔Ⅰ；17、定位孔Ⅱ；18、定位盲孔Ⅱ；19、浮動端板；20、T型螺栓上螺紋桿的軸線；21、圓弧面；22、間隙Ⅰ；23、流體通道；24、間隙Ⅱ；25、拉帶末端搭接處的交接面；26、圓環；27、長圓孔；28、固定孔；29、凹槽Ⅱ；30、螺紋桿；31、圓桿Ⅰ；32、支撐面；33、雙螺桿T型螺栓上的螺桿；34、雙螺桿T型螺栓上的圓桿；35、方形臺階；36、圓桿Ⅱ；37、螺紋孔；38、螺釘；39、銷釘。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

如圖1所示，一種質子交換膜燃料電池電堆結構，順次包括氣口端板1、氣口端集流板2、流場板與膜電極組3、盲端集流板4和電堆彈性補償結構5，上述結構沿所述電堆彈性補償結構5的端部向所述氣口端板1的方向依次用多組拉帶結構6緊固，所述拉帶結構6包括用于容納所述電堆結構的且一端開口的U型金屬拉帶8；如圖5、圖6所示，所述金屬拉帶8末端開有長圓孔27，T型螺栓10的螺紋桿30穿過長圓孔27，所述金屬拉帶8的末端折彎成與T型螺栓10的圓桿匹配的圓環26后焊接或者鉚接在所述金屬拉帶8的拉帶末端搭接9處；所述金屬拉帶8上的T型螺栓10穿過所述氣口端板1上的固定孔28，通過螺母7與所述氣口端板1連接緊固；

在本實施例中，所述氣口端板1為所述電堆結構的起始端，所述氣口端板1外側為開放面，用于集成電堆進氣歧管和傳感器接口；

所述電堆彈性補償結構5為所述電堆結構的末端，所述電堆彈性補償結構5用于補償因零部件的松弛或/與溫度的改變引起電堆的熱脹冷縮而導致的組裝力變化，由盲端板12、彈性元件15和浮動端板19組成，所述彈性元件15包含但不局限于螺旋壓縮彈簧，波形彈簧，蝶形彈簧等。

所述流場板與膜電極組3為電堆的主體部分，上述氣口端板1的四周均寬于上述流場板與膜電極組3的外緣，氣口端集流板2與盲端集流板4的本體與上述流場板與膜電極組3的外緣齊平，防止拉帶結構6的側面即金屬拉帶8的位置與上述流場板與膜電極組3的外緣接觸，造成電堆短路；所述氣口端集流板2與所述盲端集流板4的接線端均凸出所述流場板與膜電極組3的側面，且向堆組方向彎折90°。

如圖2所示，所述氣口端板1上設有流體通道23，所述氣口端板1的側面設有用于容納所述金屬拉帶8末端的凹槽Ⅱ29，所述凹槽Ⅱ29上下表面與所述金屬拉帶8末端均設有用于通過螺母7線性調節電堆的厚度尺寸的間隙Ⅱ24。所述氣口端板1上的支撐面32支撐著拉帶末端搭接9表面，防止在扭緊螺母7時，所述拉帶結構6發生扭轉。

所述電堆彈性補償結構5如圖3所示，所述盲端板12開有與所述彈性元件15匹配的定位盲孔Ⅰ14，所述浮動端板19上開有與所述彈性元件15匹配的定位盲孔Ⅱ18，將所述彈性元件15置于所述定位盲孔Ⅰ14和所述定位盲孔Ⅱ18之間后，所述盲端板12通過定位孔Ⅰ16與所述浮動端板19的定位孔Ⅱ17通過定位桿定位將所述彈性元件15夾在兩板之間。

如圖4所示，所述盲端板12上設有用于所述金屬拉帶8穿過卡入的凹槽Ⅰ13，所述電堆彈性補償結構5與所述電堆結構主體緊固后，所述彈性元件15被壓縮，所述盲端板12與所述浮動端板19之間設有用于對電堆的尺寸變化起到補償作用的間隙Ⅰ22。

如圖5、圖6所示，所述金屬拉帶8與所述盲端板12上的凹槽Ⅰ13接觸的底部為與所述凹槽Ⅰ13匹配的圓弧面21，折彎處設有折彎圓角11過渡，防止應力集中。

如圖5-10所示，所述T型螺栓10水平方向為圓桿，豎直方向為一段或兩段螺紋桿，所述圓桿置于所述金屬拉帶8末端彎折的圓環26內，所述螺紋桿穿過開在所述金屬拉帶8末端彎折的圓環26上的長圓孔27；所述T型螺栓10上螺紋桿的軸線20位于所述金屬拉帶8的拉帶末端搭接處的交接面25內，在所述金屬拉帶8受力時，所述T型螺栓10與所述金屬拉帶8的受力方向共面；所述T型螺栓10可繞水平方向的圓桿的軸線轉動，以保證組裝的靈活性。

所述T型螺栓10的圓桿和螺紋桿為一體加工或者分體加工結構。一體加工時可通過焊接或者鑄造成型，如圖7所示，當T型螺栓10為單螺紋桿結構時，由圓桿Ⅰ31和螺紋桿30組成；當T型螺栓10為雙螺紋桿結構時，如圖8，圖9所示，由雙螺桿T型螺栓上的圓桿34和雙螺桿T型螺栓上的螺桿33組成，相應的長圓孔27為兩個，供其穿過；如圖10所示，當所述T型螺栓10為分體加工結構時，采用中部帶有螺紋孔37的銷釘39與螺釘38配合的形式，這樣可以避免T型結構加工的復雜性；為避免水平方向的圓桿從拉帶末端的圓環26中脫落，可以將銷釘39設計成兩端為圓柱形圓桿Ⅱ36，中間段為方形臺階35，且帶有螺紋孔37，銷釘39中間段的方形臺階35還可增強螺紋孔的強度。T型螺栓10的具體實施形式應不止局限于上述結構，只要能與氣口端板1上的固定孔配合固定的任何形式的螺栓均可，相應的拉帶末端的結構適應性改變。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的范圍。