一种大功率燃料电池一体化封装结构的制作方法

本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种大功率燃料电池一体化封装结构。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池是氢能利用的核心装置，随着商用车、固定式发电等场景功率需求持续提升，大功率电堆成为行业发展主流,大功率宽幅也是其中的一个关键分类。电堆封装作为电堆核心设计，直接决定电堆的性能稳定性、体积功率密度与全生命周期成本，是大功率电堆技术迭代的关键方向。

2、常见的传统螺杆、拉杆、钢带式外置封装零件数量多、整体体积大，难以适配大功率电堆的紧凑化设计需求。当前一体化壳体封装虽然可精简外围结构，但仍存在多处技术短板：部分方案保留预装拉杆与独立后端板，内部构件冗余，空间利用率不足，对比传统结构优势不足。并且新型的宽幅极板多采用外围固定形式，中心区域压紧力不均，膜电极活性区域受力不均匀，并且易影响密封可靠性与反应一致性；多腔口流道集成度低，cvm巡检设计位置不合理、难以兼顾密封性能与售后运维便利性；且多数一体化封装方案依赖大型高精度专用压堆设备，投入成本高，不适配研发阶段小批量、多规格的快速试制需求。

3、目前行业内已围绕燃料电池一体化封装形成多类技术方案，分别从堆叠限位、功能集成、组装工装、预紧结构等方向展开探索，但均未能适配解决新型的大功率多腔口宽幅电堆的封装痛点。

4、如cn120165004a一体化封装的燃料电池电堆及其压堆方法和在燃料电池中的应用，在壳体内设置固定限位垫块和可拆卸的装堆限位块，解决了堆叠初期堆芯超高部分的侧向限位问题，再配合封装盖板上的顶丝承接压紧力，能够实现恒定压力和恒定堆芯高度两种压堆模式。但这套方案没有针对大功率宽幅极板优化压紧方式，极板中心受力不足的问题没能解决。压装时需要专用压头穿过盖板开孔，对压机的规格和对位精度要求比较高，研发阶段改造成本难以控制。

5、cn118841611a一种车用燃料电池电堆一体化封装结构，把cvm控制器集成在箱体内部，通过后盖板的顶丝配合碟簧提供预紧力，能够补偿温度波动带来的堆芯收缩，保持压紧力稳定。但这套结构内部零件偏多，空间利用率提升有限。顶丝集中施压的方式也解决不了宽幅极板受力不均的问题；cvm内置的设计导致售后巡检必须拆解整个箱体，运维便利性极差。并且这套方案是面向量产场景设计的，对压装工装和设备精度要求高，不太适合研发阶段多规格、低成本的快速试制。

6、cn223842900u一种高效的一体化封装电堆的组装工装，主要针对装配工艺做优化，通过内外定位杆配合压机压板把堆芯压入一体式壳体，降低了一体化壳体的装配难度。但这只是工装层面的改进，没有对封装壳体本身的功能和结构做优化，既没有能替代预装拉杆的内置限位结构，也没有集成多腔口流道分配和外部巡检功能，壳体本身的功能集成度不高。

7、cn217468512u燃料电池堆封装用壳体结构、燃料电池堆及一体化封装机构，采用带弹簧张紧结构的单端开口设计，把预紧和封装功能合二为一，配合机械手完成堆芯装入。但弹簧结构的压紧力控制精度有限，还是解决不了宽幅极板中心受力不足的问题；单端开口的壳体形式也没法同时兼顾cvm外部巡检和结构强度。另外这套方案需要配套专用机械手，设备投入成本高，研发试制的时候灵活性不够。

技术实现思路

1、针对现有大功率多腔口宽幅燃料电池电堆封装中，传统螺杆、钢带、拉杆结构与一体化壳体适配性差、内部空间利用率低、宽幅极板压紧力分布不均、检修便利性不足等问题，本发明提供一种大功率燃料电池一体化封装结构，以一体化壳体作为电堆的承载与封装主体，直接替代传统外置锁紧结构，适配大功率多腔口电堆的封装需求，在流道集成、箱体结构、压紧方式及设备适配性等方面实现综合优化。

2、本发明技术方案如下。

3、一种大功率燃料电池一体化封装结构，封装结构主要由前端板组件、堆芯、后端承压组件、上下异型箱体、cvm巡检组件和后箱盖压紧组件构成；

4、所述前端板组件设置于堆芯前端；所述后端承压组件设置于堆芯尾端；

5、所述前端板组件由前端板承压板、前端板分配板、前端板绝缘板叠合密封而成，采用分体式前端板汇流结构，可将宽幅极板的多路气液腔口规整汇流为标准六腔接口，在保障绝缘性能、结构强度与密封可靠性的前提下，提升了流道系统的集成度，简化了外围管路布置，可适配大功率多腔口极板的封装需求；后端承压组件采用内嵌金属承压板的后绝缘板结构；所述上下异型箱体（采用上下分体式异型错位结构设计）由上箱体与下箱体组成，其中上箱体与下箱体合围形成容纳腔并包裹堆芯主体，所述上下异型箱体内壁布设减震条，侧壁配合内六角紧定螺钉实现堆芯侧向限位与间隙调节。采用上下分体异型箱体配合减震条与侧部紧定螺钉的侧向限位方案，替代传统预装拉杆结构，精简了箱体内部零部件数量，释放了内部布置空间；通过旋拧侧壁内六角紧定螺钉可灵活调节堆芯侧向间隙，保障整堆封装无松动，兼顾了限位可靠性与空间利用率。

6、所述前端板组件集成氢气一进两出、空气一进两出、冷却水两进两出的腔口设计，分配汇流实现氢气、空气、冷却水共六腔流道。具体为：所述前端板绝缘板上开设有氢气进口，第一氢气出口、第二氢气出口；第一冷却水进口、第二冷却水进口、第一冷却水出口、第二冷却水出口、空气进口，第一空气出口和第二空气出口；汇流成前端板承压板上的氢气进口、氢气出口、冷却水进口、冷却水出口、空气进口和空气出口。

7、进一步地，上箱体侧部预留外挂式cvm巡检安装位，搭配cvm巡检盖实现外部可运维；后箱盖集成原独立后端板的承载压紧功能，端面均布内六角紧定螺钉并预留压机操作孔。

8、进一步地，所述后端采用绝缘板内嵌金属承压板的复合承压结构，在保障完整绝缘性能的前提下显著提升后端整体承压能力；该结构省去了独立后端板部件，不会明显增大堆芯轴向尺寸，可提升电堆的结构紧凑性与体积功率密度。

9、进一步地，上箱体侧部采用错位预留的外挂式cvm巡检结构，搭配双圈密封的可拆卸巡检盖，无需拆解主箱体即可完成巡检部件的安装、检修与更换，在不削弱箱体整体强度与密封性能的前提下，显著提升了售后运维的便捷性。

10、进一步地，所述后箱盖集成原独立后端板的承载压紧功能，端面均匀布设的多颗内六角紧定螺钉可多点同步顶压后端承压板，使压紧力均匀覆盖宽幅极板整板区域，有效改善了传统方案极板中心区域受力不足的问题；同时后箱盖预留通用规格压机操作孔，仅需配套简易压块即可适配常规燃料电池压堆设备，无需定制专用压机与复杂工装，降低了研发阶段的试制成本与设备门槛。

11、进一步地，整体采用模块化分体设计，各功能部件均可独立拆卸更换；针对不同规格、不同腔口布局的双极板方案，仅需调整对应部件尺寸与配套简易工装即可快速完成封装适配，可满足研发阶段多规格、小批量电堆的快速迭代试制需求。

12、本发明中堆芯包括极板和膜电极，所述极板和膜电极预留内定位孔，同时对内定位结构进行加粗优化，可整体约束电堆叠堆装配偏移，保证叠堆成型精度。取消了传统外置定位臃肿的结构设计，有效提升叠堆工装的适配性和通用性，结构更简洁、适配场景更广。

13、与现有技术相比，本发明的优势在于：

14、本发明的前端板采用流道一体化集成设计，在满足绝缘性能、结构强度与密封可靠性的基础上，集成氢气一进两出、空气一进两出、冷却水两进两出的腔口设计方案，分配汇流实现氢气、空气、冷却水共六腔流道，相比直出流道结构减少了系统管路布置的复杂程度，该多腔口集成设计思路也可为同类腔口布局的电堆设计提供参考。

15、箱体采用上下两部分异型壳体的分体结构，结合面通过螺栓锁紧成型；针对cvm巡检需求采用错位式开口预留设计，巡检口可直接从箱体外部开启，无需拆解主箱体，既满足售后巡检的可及性，又避免连续开口对箱体整体强度和密封性能的削弱。

16、不同于现有一体化封装需在堆芯外侧设置预装拉杆以保证堆叠精度的方案，本方案省去预装拉杆结构，减少内部零部件数量与空间占用，仅通过在电堆关键位置与箱体内壁间填充减震材料实现限位，封装完成后再通过内六角紧定螺钉微调堆芯与箱体的间隙，保证整堆封装无松动，有效精简内部构件，提升箱体空间利用率与电堆体积功率密度。

17、本发明同时取消了独立的电堆后端板部件，将原后端板的承载、压紧功能集成于箱体后盖，压堆完成后，通过箱体后盖上的内六角紧定螺钉锁紧，使箱体后盖与电堆绝缘承压板可靠贴合固定，防止电堆运行中发生松动。针对大功率多腔口电堆极板宽度大、传统外围固定方式存在板面中心压紧力不足的问题，该集成式后盖结构可实现全板面均匀施压，有效改善宽幅极板中心区域的受力状态，避免因压紧不均导致的性能衰减与密封失效。

18、此外，本封装方案无需对现有常规燃料电池压堆设备进行大幅改造，仅需配套对应电堆规格的简易工装即可完成压装作业，适配研发阶段多规格电堆的试制需求，可缩短试制周期、减少工装投入。