密封圈、壳体总成、燃料电池模块以及壳体生产方法

技术领域

本申请属于壳体技术领域，具体涉及一种密封圈、壳体总成、燃料电池模块以及壳体生产方法。

背景技术

电动汽车具有清洁无污染、效率高、噪音小等优点，目前处于迅速发展的阶段。目前电动汽车多以动力电池作为能源装置，但是动力电池受功率限制，难以满足长里程的供电需求，因此部分车企开始研发燃料电池。

燃料电池由于成本、周期等因素制约，现在还不能大批量生产。其中制约燃料电池成本的其中一个因素就是电堆壳体，电堆壳体内部是发生电化学反应的场所，因此电堆壳体不仅要求具有良好的密封性，还要求具有足够的结构强度和刚度，以保护内部的电堆。

电堆壳体是由多个板件焊接得到的，目前电堆壳体板件的加工和焊接的成本均较高，导致整个燃料电池成本增加，因此，如何降低电堆壳体的成本成为各车企急需解决的问题。

发明内容

为解决目前电堆壳体生产成本高的技术问题，本申请提供一种密封圈、壳体总成、燃料电池模块以及壳体生产方法，通过改进密封圈在壳体上的走向来降低壳体加工成本。

在本申请的第一方面，提供一种密封圈，用于设置在由多个板件焊接形成的壳体上，所述密封圈的靠近于所述板件的焊接处的部分向所述壳体的外侧面凸出，以靠近于所述壳体的焊缝。

在一些实施方式中，所述密封圈适配于呈多边形的所述壳体，所述密封圈包括呈多边形的主体和位于所述主体的弯折角的外伸部，所述外伸部靠近于所述板件的焊接处。

在一些实施方式中，所述外伸部的呈曲线状且具有凸出端，所述凸出端靠近于所述壳体的焊缝。

在本申请的第二方面，提供一种壳体总成，包括：

壳体，由多个板件焊接形成；

上述第一方面的密封圈，设于所述壳体的端面。

在一些实施方式中，所述壳体的端面设有与所述密封圈形状适配的密封槽，所述密封圈位于所述密封槽中。

在一些实施方式中，所述壳体为由四个所述板件焊接形成的矩形箱体。

在一些实施方式中，其中一个所述板件包括边框和位于所述边框中的骨架，所述骨架的外端与所述边框焊接。

在本申请的第三方面，提供一种燃料电池模块，包括：

上述第二方面的壳体总成；

电堆，包括端板和堆芯，所述端板连接于所述壳体总成的第一端，所述堆芯位于所述壳体总成的内部；

封板，连接于所述壳体总成的第二端；

其中，所述壳体总成的第一端和第二端均设有所述密封圈，所述端板、所述壳体和所述封板夹紧两个所述密封圈。

在一些实施方式中，所述端板为进气端板，所述进气端板包括端板本体和设于端板本体周面的搭接边，所述搭接边连接于所述壳体，其中一个所述密封圈位于所述搭接边与所述壳体之间。

在本申请的第四方面，提供一种壳体生产方法，应用于上述第二方面的壳体总成，该壳体生产方法包括如下步骤：对所述板件进行机械加工；将多个所述板件拼接，在所述板件的外侧通过摩擦搅拌焊将多个所述板件焊接为一体，得到所述壳体。

根据本申请一个或多个实施例提供的密封圈，具有如下有益效果：

由于形成壳体的板件自身具有一定厚度，壳体的焊接都是从外部操作，导致板件对接处仅靠近壳体外表面的部分能够完全焊透。本申请一个或多个实施例提供的密封圈，通过设置密封圈的靠近于板件焊接处的部分向壳体的外侧面凸出，使得密封圈靠近壳体上被焊透的焊缝，因而能够保证壳体装配密封面处的密封效果。

相比于现有技术中必须保证壳体装配密封面处的焊缝被完全焊透才能实现良好的密封性，本申请通过改进密封圈在壳体上的走向，使得焊接处的密封圈靠近焊缝中能够被焊透的部分，能够降低壳体的焊接要求，也即，本申请一个或多个实施例提供的壳体生产方法，在对多个板件进行搅拌摩擦焊焊接后，不需要对壳体的装配密封面上的短边焊缝进行额外的焊接操作，进而降低壳体的焊接成本，并缩短壳体的生产周期。

附图说明

图1示出了现有技术中壳体总成的结构示意图。

图2示出了现有技术中壳体在焊接时的结构示意图。

附图标记说明：10-壳体，11-板件，12-焊缝，20-密封圈，30-引流块。

图3示出了本申请的一个或多个实施例中密封圈的结构示意图一。

图4示出了本申请的一个或多个实施例中密封圈的结构示意图二。

图5示出了本申请的一个或多个实施例中密封圈的结构示意图三。

图6示出了本申请的一个或多个实施例中壳体总成的结构示意图。

图7示出了图6的壳体总成中壳体的结构示意图。

图8示出了本申请的一个或多个实施例中燃料电池模块的结构示意图。

图9示出了图8的燃料电池模块中壳体与进气端板的装配结构示意图。

附图标记说明：1000-燃料电池模块；100-壳体总成；110-密封圈，111-主体，112-外伸部，1121-凸出端；120-壳体，120a-装配密封面，121-板件，121a-顶板，121b-底板，121c-第一侧板，121d-第二侧板；1211-边框，1212-骨架。200-电堆，210-端板，211-进气端板，2111-端板本体，2112-搭接边；220-封板；230-上盖。

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，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，示出了现有技术中壳体总成的结构示意图，该壳体总成的壳体10呈立方体状，端部的装配密封面设置有密封圈20，密封圈20为常规的矩形密封圈，密封圈20靠近于壳体10的内侧面。在密封圈20的外侧分布有若干装配孔，用于安装装配螺栓。

请参阅图2，示出了现有技术中壳体10在焊接时的结构示意图。壳体10由四块板件11拼接后焊接得到，壳体10的两端均为装配密封面，为了避免液体从板件11的焊接处渗入壳体10内部，需要保证焊缝12中被密封圈20所覆盖的部分以及位于密封圈20覆盖范围外的部分均被焊透。由于密封圈20靠近于壳体10的内侧面，因此要求位于壳体10第一端A的四条焊缝12(如图2(a)所示)以及位于壳体10第二端B的四条焊缝12(如图2(b)所示)均被焊透。

请参阅图1和图2，现有技术中壳体10的生产工艺如下：

1)矫形：对各板件11进行整体矫形。

2)CNC加工：对各板件11进行数控机加工，形成必要的孔、槽等结构。

3)摩擦搅拌焊：将各板件11进行拼装在一起，并对拼接处进行摩擦搅拌焊，完成各板件11长边(垂直于装配密封面)共4条焊缝的焊接；因摩擦搅拌焊是在壳体10的外侧面进行焊接，形成壳体10的板件12自身具有一定厚度，因此位于壳体10第一端A的4条焊缝12(如图2(a)所示)以及位于壳体10第二端B的4条焊缝12(如图2(b)所示)，此8条焊缝12无法焊透，需要补充额外的焊接操作。

4)TIG焊(非熔化极惰性气体保护电弧焊)：在位于第一端A和第二端B的8条焊缝12处加引流块30，从断面上进行TIG焊接，将8条焊缝12焊透。

5)后处理，对壳体进行打磨、喷砂等处理，检验合格后得到壳体成品。

本申请实施例提供一种密封圈、壳体总成、燃料电池模块以及壳体生产方法，相比于上述现有技术能够一定程度降低壳体的生产成本。

在本申请的第一方面实施例，提供一种密封圈110，该密封圈110设置在由多个板件121焊接形成的壳体120上，在密封圈110的靠近于板件121的焊接处的部分，其结构相比于现有技术有所区别。请参阅图3，密封圈110的靠近于板件121的焊接处的部分相比于密封圈110的主体111向壳体120的外侧面凸出，以使该凸出的部分靠近于壳体120外侧面的焊缝。由于壳体120的焊接都是从外部操作，壳体120外侧面的焊缝能够完全焊透，通过设置密封圈110的靠近于板件121焊接处的部分向壳体120的外侧面凸出，使得密封圈110靠近壳体120上被焊透的焊缝，因而能够保证壳体120的装配密封面120a处的密封效果。

在某些实施例中，密封圈110的主体111与常规密封圈110保持不变，仅靠近于板件121的焊接处的部分进行结构改进，如此可最大化保留原密封槽的结构。密封圈110的结构改进处的数量和位置应当与壳体120的焊缝的位置和数量相匹配。

在某些实施例中，密封圈110适配于呈多边形的壳体120，相应的该密封圈110整体近似于多边形。请参阅图3，密封圈110包括主体111和外伸部112，主体111呈多边形，外伸部112的数量和位置均与多边形的壳体120上焊缝的位置和数量相同。

以立方体壳体120为例，在某些实施例中，立方体壳体120由4块板件121焊接而成，且焊缝均靠近于立方体的边角，相应的密封圈110包括主体111和4个外伸部112，4个外伸部112位于矩形主体111的弯折角处，如图3所示。在某些实施例中，立方体壳体120由2块结构相同、且呈U形的板件121焊接而成，相应的密封圈110包括主体111和2个外伸部112，2个外伸部112分别分布于矩形主体111的两相对边的中点，如图5所示。

可以理解的是，在某些实施例中，主体111呈多边形意指主体111各个部分分隔设置，但各个部分所在直线的延长线可以合围成多边形，外伸部112将主体111的分隔设置的各个部分连接起来，使得密封圈110形成一个封闭的结构，如图3和图5所示；在某些实施例中，主体111呈多边形意指主体111整体为一个封闭的多边形，外伸部112为主体111上额外伸出的一部分，如图4所示。

对于壳体120上的密封圈110，其形状通常与壳体120的开口形状保持一致，例如立方体结构的壳体120通常采用矩形密封圈110，相应的主体111呈直线状；圆筒形壳体120通常采用圆形密封圈110，相应的主体111呈弧线状。请参阅图3、图4和图5，在一些实施方式中，外伸部112的呈曲线状且具有凸出端1121，凸出端1121靠近于壳体120的焊缝。例如，外伸部112呈V形或U形，其中部则构成凸出端1121。

为保证密封效果，在某些实施例中，外伸部112所包围区域应该大于装配密封面120a上短边焊缝的宽度以及延伸区域，这样即使密封圈110在安装时略有错位，仍然能够保证装配密封面120a上短边焊缝处的密封效果。

在本申请的第二方面实施例，提供一种壳体总成100，该壳体总成100可以是动力电池包的壳体总成100，或是燃料电池模块1000的壳体总成100。当然，该壳体总成100还可应用于其他对于产品密封性和结构强度有较高要求的场景。本申请不做限制。

请参阅图6，该壳体总成100包括壳体120和上述第一方面任一实施例所述的密封圈110。壳体120由多个板件121焊接形成，板件121可以是平板、弧形板、L型板等，具体结构本申请不做限制。壳体120上设有一个以上装配密封面120a，且至少一个装配密封面120a为壳体120的端面。至少一个装配密封面120a上设有上述第一方面任一实施例所述的密封圈110。

壳体总成100在使用时通常与其他零件的装配密封面120a对接，并通过密封圈110密封。为了防止密封圈110发生窜动，通常会在装配密封面120a上设置密封槽。密封槽可设置在两个对接的装配密封面120a的任一者上，或者两个对接的装配密封面120a上均设置密封槽。在某些实施例中，壳体120的端面设有与密封圈110形状适配的密封槽，也即靠近焊接处的密封槽同样向壳体120的外侧面凸出，密封圈110位于密封槽中。

在某些实施例中，该壳体总成100应用于燃料电池模块1000中，可以实现电堆的整体式封装。请参阅图7，壳体120为由四个板件121焊接形成的矩形箱体，为方便区分各板件121，将四个板件121分别命名为：顶板121a、底板121b、第一侧板121c和第二侧板121d，如图7所示。其中第一侧板121c用于安装CVM(电压巡检器)，也称为CVM侧板。

四个板件121采用搅拌摩擦焊进行焊接，具体为：顶板121a与第一侧板121c采用搅拌摩擦焊；底板121b与第一侧板121c采用搅拌摩擦焊；底板121b与第二侧板121d采用搅拌摩擦焊；顶板121a与第二侧板121d采用搅拌摩擦焊。为方便进行搅拌摩擦焊，要求四个板件121的长焊缝(沿电堆的堆叠方向的焊缝)均位于平面上，请参阅图2，各长焊缝均靠近于板件121的端部，且位于壳体120的外表面上。

在某些实施例中，要求壳体总成100在满足结构强度和刚度的情况话，尽可能实现轻量化和低成本化。相应的，壳体120的其中一个板件121采用中部镂空结构，请参阅图7，该板件121包括边框1211和位于边框1211的框内空间中的骨架1212。该镂空结构能够降低板件121的重量，中部的骨架1212则起到加强作用，同时镂空的空间还可作为壳体120装配时的可视孔和操作孔。

镂空结构的板件121可以由平板经机加工去除部分材料得到，但是这种方式会产生材料浪费，在某些实施例中，骨架1212单独制作，例如可以采用铸造成型，然后将骨架1212的外端与边框1211焊接，由此可以降低材料成本。

以图7所示结构为例，骨架1212为井字形结构，外端与边框1211采用FSW焊接(搅拌摩擦焊)，共8处焊缝。该板件121的加工工艺如下：对板件121进行CNC加工，得到边框1211；然后对4个型材支架进行下料并截断到尺寸，按照“井”字结构拼放，得到骨架1212；将骨架1212与边框1211进行搅拌摩擦焊，即4个型材支架搅拌摩擦焊接到边框1211的内部空间中。相比于将平板在机床进行CNC加工，加工出井字形结构的9个镂空面，且一次加工到理论尺寸，采用焊接的方案可以节省200元/每台，并节省9处加工面材料费。

在本申请的第三方面实施例，提供一种燃料电池模块1000，请参阅图7，该燃料电池模块1000包括上述第二方面实施例的壳体总成100、电堆和封板220。其中壳体总成100具有两个装配密封面120a，分别位于壳体120的沿堆芯堆叠方向的两端，电堆包括端板210和堆芯(被封装于壳体120内，图8中不可见)，堆芯位于壳体总成100的内部，端板210连接于壳体总成100的第一端A，封板220连接于壳体总成100的第二端B，端板210和封板220封闭壳体总成100，形成密封空腔，保护位于其中的堆芯。

请参阅图9，壳体总成100的第一端和第二端均设有上述第一方面实施例的密封圈110，端板210与壳体120以及壳体120与封板220分别夹紧两个密封圈110。由于两个密封圈110均具有向壳体120的外侧面凸出的部分，因此要求壳体120仅进行外部的焊缝焊接即可，装配密封面120a上的焊缝不需要增加额外的焊接步骤。

电堆通常设有进气端板211和盲端端板210，在某些实施例中，电堆还设有碟簧和碟簧支撑板，因此封闭壳体120的第一端A的端板210可以是进气端板211、盲端端板210(无碟簧支撑板的情况)或碟簧支撑板。请参阅图9(为方便显示，将壳体120内的堆芯隐藏处理)，在某些实施例中，封闭壳体120第一端A的端板210为进气端板211，进气端板211包括端板本体2111和设于端板本体2111周面的搭接边2112，端板本体2111上开设有供介质流通的开口，端板本体2111的厚度大于搭接边2112。搭接边2112与壳体120的第一端A连接，其中一个密封圈110位于搭接边2112与壳体120之间。

在某些实施例中，壳体120的其中一个板件121采用中部镂空结构，以实现轻量化和低成本化。例如，顶板121a采用中部镂空结构，镂空的空间可作为电堆装配时的可视孔和操作孔。为保证壳体的密封性，需要在镂空的顶板121a上安装一上盖230，如图8所示。由于镂空空间无焊缝，因此顶板121a与上盖230之间设置普通密封圈即可。

该燃料电池模块1000的其他未详述结构均可参考现有技术的相关公开，此处不展开说明。

在本申请的第四方面实施例，提供一种壳体生产方法，该壳体生产方法应用于上述第二方面实施例的壳体总成100，该壳体生产方法包括如下步骤：

对板件121进行机械加工。在某些实施例中，机械加工采用CNC加工，对各板件12111进行数控机加工，形成必要的孔、槽等结构。

将多个板件121拼接，在板件121的外侧通过摩擦搅拌焊将多个板件121焊接为一体，得到壳体120。摩擦搅拌焊得到的焊缝位于各板件12111长边(垂直于装配密封面120a)。由于该壳体120适配的密封圈110具有向壳体120的外侧面凸出的部分，该部分靠近于位于壳体120外侧面、经搅拌摩擦焊得到的长边焊缝，因此不需要再对位于壳体120装配密封面120a上的短边焊缝(图2中的焊缝12)进行焊接。

以图2所示壳体120为例，采用本申请的第四方面实施例提供的壳体生产方法加工壳体120，考虑到壳体120与上述第一方面实施例的密封圈110适配，因此后期不用进行电堆壳体120短边两侧共计8条焊缝的TIG焊接(即现有技术的步骤4)，可节省焊接成本500元/每台，以提高电堆壳体120的经济性。

在某些实施例中，在对板件121进行机械加工之前，该壳体生产方法还包括矫形步骤，对各板件121进行整体矫形。在某些实施例中，在对多个板件121焊接后，该壳体生产方法还包括后处理步骤，包括但不限于对壳体120进行打磨、喷砂等处理，检验合格后即得到壳体120成品。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。