一种高温燃料电池系统用集成的功能端板

技术领域

本发明涉及功能端板碟簧布局技术领域，尤其涉及一种高温燃料电池系统用集成的功能端板。

背景技术

在高温燃料电池的实际运行中，电堆内各部件可能由于高温环境出现热胀冷缩现象，通常需要碟簧(碟形弹簧)来进行封装力的自适应补偿，以消除热膨胀可能导致的电堆性能下降。而端板碟簧孔位的布局会直接影响浮动端板和支持板的变形，从而导致电堆性能下降，甚至有可能导致密封结构的失效，为了达到提升电堆性能，所以需要找到一个快速确定最佳碟簧布局的方法，而传统方法需要消耗大量的研发时间和成本且实际操作往往较为困难；另外有技术方案中，分水器和引射器采用独立安装在端板上的形式，即在燃料电池系统功能端板上增加螺纹孔进行安装，缺少集成性。

为此，我们提出一种高温燃料电池系统用集成的功能端板来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决背景技术中提出的端板碟簧孔位的布局会直接影响浮动端板和支持板的变形，从而导致电堆性能下降，而传统确定碟簧孔位的方法需要消耗大量的研发时间和成本且实际操作往往较为困难问题，而提出的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，包括浮动端板的上端设置有多个碟簧孔位，所述碟簧孔位可拆卸安装有碟簧，所述所述浮动端板的上方设置有碟簧支撑板，所述碟簧支撑板与碟簧抵接设置，所述浮动端板上还设置有分水组件。

根据上述的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，所述碟簧的下端固定连接有安装块，所述安装块与碟簧孔位插接配合，所述安装块的左端开设有限位槽，所述浮动端板上开设有与碟簧孔位连通的滑动腔，所述滑动腔滑动连接有限位销，所述限位销与滑动腔之间固定连接有限位弹簧。

根据上述的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，所述碟簧支撑板的下端开设有多个凹槽，且凹槽的位置与碟簧孔位的竖直位置对应。

根据上述的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，所述碟簧孔位的位置是通过将浮动端板与碟簧支撑板的布局尺寸参数化且结合热力学仿真和优化确定。

根据上述的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，所述碟簧支撑板的材料为碳化钽铪合金。

根据上述的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，所述凹槽内周壁固粘接有橡胶垫，所述碟簧的两端设置有连接块，所述凹槽与连接块通过橡胶垫过盈配合。

根据上述的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，所述分水组件包括在浮动端板开设有的分水腔，所述分水腔的右端连通有混合管道，所述浮动端板的下端右侧开设有回氢口，所述回氢口与混合管道连通，所述分水腔的后端连通有氢通道，所述氢通道连通有引射流道，所述引射流道内安装有引射器，所述浮动端板的下端左侧开设有排氢口，所述排氢口与引射流道连通设置，所述分水腔的左端前端连通有水通道，所述水通道的外侧设置电磁阀，所述水通道的下端连通有排水管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将浮动端板与碟簧支撑板的碟簧布局尺寸参数化，结合热力学仿真和优化，达到快速解决碟簧分布导致电堆性能下降的问题，不仅节约了研发时间和制造成本，而且操作简单。

2、本发明适用于用端板-碟簧自补偿机制的常用装配体，且该方法不仅限于高温燃料电池端板碟簧布局的使用，也适用于其他使用端板-碟簧自补偿机制进行热应力补偿的封装结构中。

3、本发明通过在浮动端板上开设有安装碟簧的碟簧孔位和安装相关结构，能够将轻松的将碟簧从浮动端板上进行定位安装和拆卸，使用便捷。

4、本发明集成度较高，实现一个端板技能够代替功能端板、又能起到气液分离的作用，减小功能端板的外形，也便于功能端板的装配。

附图说明

图1为本发明提出的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板正视的结构示意图；

图2为本发明提出的一种高温燃料电池系统用集成的功能端板碟簧布局的结构示意图；

图3为图1中碟簧支撑板的结构示意图；

图4为图1中碟簧与浮动端板安装的结构示意图；

图5为图4中A部分放大的结构示意图；

图6为图1中浮动端板尺寸参数化的结构示意图；

图7为图1中碟簧支撑板尺寸参数化的结构示意图；

图8为图1中浮动端板背面的结构示意图；

图9为图1中浮动端板内部的结构示意图。

图中：1浮动端板、2碟簧、3碟簧支撑板、31凹槽、4安装块、41限位槽、5滑动腔、6限位销、7限位弹簧、8回氢口、9混合管道、10分水腔、11氢通道、12引射流道、13排氢口、14水通道、15排水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-图9，一种高温燃料电池系统用集成的功能端板，包括包括浮动端板1的上端设置有多个碟簧孔位，碟簧孔位可拆卸安装有碟簧2，碟簧2的下端固定连接有安装块4，安装块4与碟簧孔位插接配合，安装块4的左端开设有限位槽41，浮动端板1上开设有与碟簧孔位连通的滑动腔5，滑动腔5滑动连接有限位销6，限位销6与滑动腔5之间固定连接有限位弹簧7，首先通过将浮动端板1与碟簧支撑板3的碟簧2布局尺寸参数化，结合热力学仿真和优化，达到快速解决碟簧孔位分布的问题，通过拉动限位销6，使限位销6完全滑离碟簧孔位，限位弹簧7被压缩，将碟簧2放入碟簧孔位，放松限位销6，在限位弹簧7的弹力下，限位销6滑进安装块4上的限位槽41中，限位销6与限位槽41插接配合对碟簧2在浮动端板1上实现固定。

浮动端板1的上方设置有碟簧支撑板3，碟簧孔位的位置是通过将浮动端板1与碟簧支撑板3的布局尺寸参数化且结合热力学仿真和优化确定，浮动端板1的碟簧2最佳布局确定方法，该方法包括如下步骤：

1、输入浮动端板1与碟簧支撑板3的3D尺寸并确定需要优化的浮动端板1和碟簧支撑板3的尺寸，将浮动端板1和碟簧支撑板3需优化尺寸建立多参数化模型并导入热力学仿真软件；2、对1中导入的力学模型进行热力学仿真前处理、后处理和结果输出，具体包括电堆各部件材料的性能参数的确定和输入、接触条件的设置、各部件网格设置、添加稳态下电堆受热力学边界条件以及仿真计算结果的分析与导出；3、将2中得到的计算结果关联到仿真软件的优化模块中，并设置参数表达式使端板参数化尺寸与支撑板参数化建立等式关系(a＝d+D(常数)、b＝c+C(常数))，根据热力学仿真模型设置参数化尺寸优化值的范围，设置仿真优化目标与约束，将浮动端板1的变形量约束为小于要求值以及将浮动端板1最大应力值约束为低于其许用应力值，优化方法选择手动筛选，设置合适的样本容量并进行仿真计算，比较优化结果并选取最佳碟簧2的布局；4、对3中得碟簧2的布局结果进行热力学验证，选取碟簧2的最佳布局方案进行重新建模并使用2中相同的设置进行力学仿真验证。

碟簧支撑板3与碟簧2抵接设置，碟簧支撑板3的下端开设有多个凹槽31，且凹槽31的位置与碟簧孔位的竖直位置对应，凹槽31能够对碟簧2的位置进行限位。

凹槽31内周壁固粘接有橡胶垫，碟簧2的两端设置有连接块，凹槽31与连接块通过橡胶垫过盈配合，通过增加连接块与凹槽31的静摩擦力，使得碟簧2在碟簧支撑板3上的固定效果更好。

碟簧支撑板3的材料为碳化钽铪合金，碳化钽铪合金实际是指五碳化四钽铪化合物，是化合物中熔点最高的物质，能够满足碟簧支撑板3支撑部件用于高温燃料电池电堆的封装结构中。

浮动端板1上还设置有分水组件，具体的，分水组件包括在浮动端板1开设有的分水腔10，分水腔10的右端连通有混合管道9，浮动端板1的下端右侧开设有回氢口8，回氢口8与混合管道9连通，分水腔10的后端连通有氢通道11，氢通道11连通有引射流道12，引射流道12内安装有引射器，引射器为现有公知技术，在此不对其具体工作原理和结构进行详细阐述。

浮动端板1的下端左侧开设有排氢口13，排氢口13与引射流道12连通设置，分水腔10的左端前端连通有水通道14，水通道14的外侧设置电磁阀，通过设置电磁阀能够控制何时将分水腔10的水排出，便于操作。

水通道14的下端连通有排水管15，通过回氢口8进入混合管道9再进入分水腔10，气体在混合管道中撞击，利用水的密度＞氢气密度的原理，水落入分水腔10内，通过排水管15排出，氢气则通过氢通道11被引射器喷嘴处形成的低压力区域通过分离流道回流口吸进引射流道12，经排氢口13排出，实现气液分离，提高了浮动端板1的集成性。

本发明的具体工作原理如下：

首先确定浮动端板1的碟簧2最佳布局，其方法包括如下步骤：

1、输入浮动端板1与碟簧支撑板3的3D尺寸并确定需要优化的浮动端板1和碟簧支撑板3的尺寸，将浮动端板1和碟簧支撑板3需优化尺寸建立多参数化模型并导入热力学仿真软件；

2、对步骤1中导入的力学模型进行热力学仿真前处理、后处理和结果输出，具体包括电堆各部件材料的性能参数的确定和输入、接触条件的设置、各部件网格设置、添加稳态下电堆受热力学边界条件以及仿真计算结果的分析与导出；

3、将步骤2中得到的计算结果关联到仿真软件的优化模块中，并设置参数表达式使端板参数化尺寸与支撑板参数化建立等式关系(a＝d+D(常数)、b＝c+C(常数))，根据热力学仿真模型设置参数化尺寸优化值的范围，设置仿真优化目标与约束，将浮动端板1的变形量约束为小于要求值以及将浮动端板1的最大应力值约束为低于其许用应力值，优化方法选择手动筛选，设置合适的样本容量并进行仿真计算，比较优化结果并选取最佳碟簧布局；

4、对步骤3中得碟簧2的布局结果进行热力学验证，选取碟簧2的最佳布局方案进行重新建模并使用2中相同的设置进行力学仿真验证。

5、以上浮动端板1及配套碟簧2及碟簧支撑板3用于高温燃料电池电堆的封装结构；

6、确定好碟簧2的布局，开设碟簧孔位并安装相关配套结构，然后通过拉动限位销6，使限位销6完全滑离碟簧孔位，限位弹簧7被压缩，将碟簧2放入碟簧孔位，放松限位销6，在限位弹簧7的弹力下，限位销6滑进安装块4上的限位槽41中，限位销6与限位槽41插接配合对碟簧2在浮动端板1上实现定位安装，拆卸碟簧2时，反之上述操作即可。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。