阅读说明：本技术 一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱 (Hydrogen-oxygen fuel cell box based on negative Poisson ratio material ) 是由 周冠 闫鹏飞 赵万忠 王源隆 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱,属于新能源汽车领域,将氢氧燃料电池的整体结构放入一个含有负泊松比填充的箱体外壳中,从而减轻了氢气瓶以及电池反应部分在汽车遇到剧烈碰撞时对其造成的损害,提高了氢氧燃料电池整体的安全性,保障了汽车的稳定行驶。本发明包括：保护箱和电池组；所述保护箱包括：上盖板、箱体以及箱体底板,电池整体放置于箱体内,箱体内部填充负泊松比三维结构材料,所述负泊松比三维结构材料由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成,负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成。(The invention discloses a hydrogen-oxygen fuel cell box based on a negative Poisson's ratio material, which belongs to the field of new energy automobiles. The invention comprises the following steps: a protection box and a battery pack; the protection box includes: the battery is integrally placed in the box body, a negative Poisson ratio three-dimensional structure material is filled in the box body, the negative Poisson ratio three-dimensional structure material is formed by transversely and longitudinally arraying a negative Poisson ratio basic structure, and the negative Poisson ratio basic structure is formed by crossing every two three negative Poisson ratio cells at an angle of 90 degrees.)

一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱

技术领域

本发明属于新能源汽车领域，尤其涉及一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱。

背景技术

随着工业技术的不断进步与发展，越来越多的汽车开始采用新兴能源来代替传统的燃油，大部分通过电池来作为汽车的动力源，其中氢氧燃料电池由于其在燃料上能够实现对燃油的完全替代、能量转换效率高、零排放、燃料来源多样且可灵活取自于可再生能源等优势，被认为是实现未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源与环境的理想方案之一。

氢氧燃料电池的工作原理为：工作时向负极供给氢，向正极供给氧气，氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H⁺和电子e^-，氢离子通过质子交换膜抵达正极，而电子则沿外部电路移向正极，用电的负载就接在外部电路中，在正极上，氧气同通过质子交换膜抵达正极的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。

现有的氢氧燃料电池最大的问题在于其安全性问题。氢气极为活泼，一旦高压储氢装置遇到剧烈碰撞可能会导致氢气泄漏甚至***，这也是氢氧燃料电池一个极大的安全隐患。现有的对于氢氧燃料电池的保护措施主要在于针对氢气瓶的保护，主要是从氢气瓶壁入手，通过材料和结构上的加强。然而，在面对剧烈的碰撞时，氢气瓶仍有泄露的危险,而且电池的其他部分得不到很好的保护，在剧烈碰撞下遭到损坏也会影响电池的工作与寿命。

发明内容

本发明提供了一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱，将氢氧燃料电池的整体结构放入一个含有负泊松比填充的箱体外壳中，从而减轻了氢气瓶以及电池反应部分在汽车遇到剧烈碰撞时对其造成的损害，提高了氢氧燃料电池整体的安全性，保障了汽车的稳定行驶。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱，包括：保护箱和电池组；所述保护箱包括：上盖板1、箱体2以及箱体底板7，上盖板1上设计有电线孔20，从而能使接在箱体内部电池部电池正电极30和负电极22上的电线与箱体外负载相连接上盖板1上设置电线孔20的一侧设置有针对正、负两片电极位置的卡槽b26；箱体底板7上的一侧设计有放置氢气瓶4的凹槽13和放置泵体14的泵槽10，箱体底板7上的另一侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽a25，竖直挡板21与负电极22之间形成氢气室，用来存放还未反应的氢气，竖直挡板21上开有气孔11，气孔11与泵体14相连，泵体14用以循环每次反应剩余的氢气，两片催化剂层铂23紧贴负电极22和正电极30，两片催化剂层铂23之间为质子交换层24，负电极22、正电极30与催化剂层23、催化剂层23和质子交换层24之间通过焊接连接，整体固定于上盖板1和底板7上的卡槽a25和卡槽b26内；箱体2内壁和正电极30之间形成氧气室，箱体2内壁靠近正电极的一侧开设氧气孔28，箱体2四周侧壁内部为中空设计，在内部填充有负泊松比三维结构材料，所述负泊松比三维结构材料由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，所述负泊松比元胞的1/4结构由第一横边、第一斜边、第二斜边、第一竖边组成，所述第一横边的边长为d/2、第一斜边的边长为e、第二斜边的边长为f、第一竖边的边长为g/2，第一横边与第一斜边形成的角为β，第一斜边与第二斜边形成的角为θ，第二斜边与第一竖边形成的角为σ，其中d＝e＝f＝g＝1.8mm-2.2mm，β＝σ，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

以上所述结构中，上盖板1四周设计有螺纹孔d19，上盖板1下侧设计有能卡在箱体2内的凸台，凸台下侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽b26，凸台四个角和上盖板四个角都倒了圆角；在箱体底板7的每个凹槽13两侧都开设有两个螺纹孔b9，用于通过长螺栓15与集成式卡环3进行配合，实现对氢气瓶4固定，泵体14的固定则通过小卡环18实现，箱体底板7四周开设有一圈螺纹孔a8，四个角都设计有与上盖板1一样的倒圆角；在箱体2上下两个面的对应位置开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺栓12来进行上盖板1、箱体2和箱体底板7的配合，箱体2的四个角设计有和上盖板1以及箱体底板7一样的倒圆角，氧气孔28上安装有滤网29来进行防尘，每个箱体2内有两个储氢瓶4，储氢瓶4头部有一体式阀口5，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢瓶4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，气孔16能够通过外界向氢气瓶充气。

有益效果：本发明提供了一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱，所述的电池箱将氢气瓶和反应部分集成到一个箱体中，箱体整体上便于拆装，方便对于内部设备的检修，减小了整体所占的体积，而且整体结构便于对电池的保护。电池箱体四壁为中空结构，填充负泊松比材料，负泊松比材料由于其在吸能方面的优异性能，能够有效减小当汽车受到碰撞时对于氢气瓶、氧气瓶以及反应部分造成的冲击，本发明所采用的三片元胞构成的负泊松比基本结构，能使电池箱在受到横向、纵向以及垂向的撞击时都有不错的吸能和缓震效果，所设计的负泊松比结构工艺简单，较易加工与制作，整体上质量也更加轻便。

附图说明

图1为电池箱组成结构图；

图2为箱体底板示意图；

图3为负泊松比元胞参数示意图；

图4为负泊松比基本结构示意图；

图5为单层负泊松比材料填充图；

图中，1为上盖板，2为箱体，3为集成式卡环，4为氢气瓶，5为阀口，6为管道，7为箱体底板，8为螺纹孔a，9为螺纹孔b，10为泵槽，11为气孔，12为螺栓，13为放置氢气瓶的凹槽，14为泵体，15为长螺栓，16为箱体气孔，17为螺纹孔c，18为小卡环，19为螺纹孔d，20为电线孔，21为竖直挡板，22为负电极，23为催化剂层铂，24为质子交换层，25为卡槽a，26为卡槽b，27为通孔，28为氧气孔，29为滤网，30为正电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

如图1所示，一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱，包括：保护箱和电池组；所述保护箱包括：上盖板1、箱体2以及箱体底板7，上盖板上1设计有电线孔20，从而能使接在箱体内部电池部电池正电极30和负电极22上的电线与箱体外负载相连接上盖板1上设置电线孔20的一侧设置有针对正、负两片电极位置的卡槽b26；如图2所示，箱体底板7上的一侧设计有放置氢气瓶4的凹槽13和放置泵体14的泵槽10，箱体底板7上的另一侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽a25，竖直挡板21与负电极22之间形成氢气室，用来存放还未反应的氢气，竖直挡板21上开有气孔11，气孔11与泵体14相连，泵体14用以循环每次反应剩余的氢气，两片催化剂层铂23紧贴负电极22和正电极30，两片催化剂层铂23之间为质子交换层24，负电极22、正电极30与催化剂层23、催化剂层23和质子交换层24之间通过焊接连接，整体固定于上盖板1和底板7上的卡槽a25和卡槽b26内；箱体2内壁和正电极30之间形成氧气室，箱体2内壁靠近正电极的一侧开设氧气孔28，箱体2四周侧壁内部为中空设计，在内部填充有负泊松比三维结构材料，如图5所示，所述负泊松比三维结构材料由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，如图4所示，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，如图3所示，所述负泊松比元胞的1/4结构由第一横边、第一斜边、第二斜边、第一竖边组成，所述第一横边的边长为d/2、第一斜边的边长为e、第二斜边的边长为f、第一竖边的边长为g/2，第一横边与第一斜边形成的角为β，第一斜边与第二斜边形成的角为θ，第二斜边与第一竖边形成的角为σ，其中d＝e＝f＝g，β＝σ，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

以上所述结构中，上盖板1四周设计有螺纹孔d19，上盖板1下侧设计有能卡在箱体2内的凸台，凸台下侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽b26，凸台四个角和上盖板四个角都倒了圆角；在箱体底板7的每个凹槽13两侧都开设有两个螺纹孔b9，用于通过长螺栓15与集成式卡环3进行配合，实现对氢气瓶4固定，泵体14的固定则通过小卡环18实现，箱体底板7四周开设有一圈螺纹孔a8，四个角都设计有与上盖板1一样的倒圆角；在箱体2上下两个面的对应位置开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺栓12来进行上盖板1、箱体2和箱体底板7的配合，箱体2的四个角设计有和上盖板(1)以及箱体底板7一样的倒圆角，氧气孔28上安装有滤网29来进行防尘，每个箱体2内有两个储氢瓶4，储氢瓶4头部有一体式阀口5，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，所有涉及到气体密封的地方都采用润滑油进行油封。

以工作压力为35Mpa，公称直径为350mm，公称长度为950mm的储氢瓶4为例，储氢瓶4头部有一体式阀口5。每个箱体内有两个储氢瓶4和一个泵体14，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢瓶4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，从而能够通过外界向储氢瓶4补充氢气。储氢瓶4置于箱体底板上的放置氢气瓶的凹槽13中，两个集成式卡环3上每一个都开有三个通孔27，小卡环18开设两个通孔27用于泵体14的固定，通过长螺栓15与箱体底板7相配合，从而实现对储氢瓶4和泵体14的固定。竖直挡板21与负电极22间的气室用来储存多余的还未反应的氢气。负电极22、正电极30、催化剂铂23与质子交换层24焊接成的整体通过底板7与上盖板1上的卡槽a和卡槽b来进行固定。上盖板1、箱体2、下底板7之间通过螺栓12进行配合，两两之间加有垫圈。箱体2上开设的氧气孔28用于空气的进入，通过空气中的氧气成分进入正电极进行反应，氧气孔28上的安装的滤网29用于防尘和其他杂质进入箱体，箱体2为中空结构，中间为负泊松比三维填充，采用的负泊松比三维填充由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，对照图3所示的负泊松比元胞的参数，所设计的元胞的各参数为d＝e＝f＝g＝2mm，β＝σ＝79°，θ＝68°，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

实施例2

如图1所示，一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱，包括：保护箱和电池组；所述保护箱包括：上盖板1、箱体2以及箱体底板7，上盖板上1设计有电线孔20，从而能使接在箱体内部电池部电池正、负极22上的电线与箱体外负载相连接上盖板1上设置电线孔20的一侧设置有针对正、负两片电极位置的卡槽b26；如图2所示，箱体底板7上的一侧设计有放置氢气瓶4的凹槽13和放置泵体14的泵槽10，箱体底板7上的另一侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽a25，竖直挡板21与负电极22之间形成氢气室，用来存放还未反应的氢气，竖直挡板21上开有气孔11，气孔11与泵体14相连，泵体14用以循环每次反应剩余的氢气，两片催化剂层铂23紧贴负电极22和正电极30两片催化剂层铂23之间为质子交换层24，负电极22、正电极30与催化剂层23、催化剂层23和质子交换层24之间通过焊接连接，整体固定于上盖板1和底板7上的卡槽a25和卡槽b26内；箱体2内壁和正电极30之间形成氧气室，箱体2内壁靠近正电极的一侧开设氧气孔28，箱体2四周侧壁内部为中空设计，在内部填充有负泊松比三维结构材料，如图5所示，所述负泊松比三维结构材料由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，如图4所示，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，如图3所示，所述负泊松比元胞的1/4结构由第一横边、第一斜边、第二斜边、第一竖边组成，所述第一横边的边长为d/2、第一斜边的边长为e、第二斜边的边长为f、第一竖边的边长为g/2，第一横边与第一斜边形成的角为β，第一斜边与第二斜边形成的角为θ，第二斜边与第一竖边形成的角为σ，其中d＝e＝f＝g，β＝σ，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

以上所述结构中，上盖板1四周设计有螺纹孔d19，上盖板1下侧设计有能卡在箱体2内的凸台，凸台下侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽b26，凸台四个角和上盖板四个角都倒了圆角；在箱体底板7的每个凹槽13两侧都开设有两个螺纹孔b9，用于通过长螺栓15与集成式卡环3进行配合，实现对氢气瓶4固定，泵体14的固定则通过小卡环18实现，箱体底板7四周开设有一圈螺纹孔a8，四个角都设计有与上盖板1一样的倒圆角；在箱体2上下两个面的对应位置开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺栓12来进行上盖板1、箱体2和箱体底板7的配合，箱体2的四个角设计有和上盖板(1)以及箱体底板7一样的倒圆角，氧气孔28上安装有滤网29来进行防尘，每个箱体2内有两个储氢瓶4，储氢瓶4头部有一体式阀口5，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，所有涉及到气体密封的地方都采用润滑油进行油封。

以工作压力为35Mpa，公称直径为350mm，公称长度为950mm的储氢瓶4为例，储氢瓶4头部有一体式阀口5。每个箱体内有两个储氢瓶4和一个泵体14，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢瓶4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，从而能够通过外界向储氢瓶4补充氢气。储氢瓶4置于箱体底板上的放置氢气瓶的凹槽13中，两个集成式卡环3上每一个都开有三个通孔27，小卡环18开设两个通孔27用于泵体14的固定，通过长螺栓15与箱体底板7相配合，从而实现对储氢瓶4和泵体14的固定。竖直挡板21与负电极22间的气室用来储存多余的还未反应的氢气。负电极22、正电极30、催化剂铂23与质子交换层24焊接成的整体通过底板7与上盖板1上的卡槽a和卡槽b来进行固定。上盖板1、箱体2、下底板7之间通过螺栓12进行配合，两两之间加有垫圈。箱体2上开设的氧气孔28用于空气的进入，通过空气中的氧气成分进入正电极进行反应，氧气孔28上的安装的滤网29用于防尘和其他杂质进入箱体，箱体2为中空结构，中间为负泊松比三维填充，采用的负泊松比三维填充由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，对照图3所示的负泊松比元胞的参数，所设计的元胞的各参数为d＝e＝f＝g＝2.2mm，β＝σ＝79°，θ＝68°，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

实施例3

如图1所示，一种基于负泊松比材料的氢氧燃料电池箱，包括：保护箱和电池组；所述保护箱包括：上盖板1、箱体2以及箱体底板7，上盖板上1设计有电线孔20，从而能使接在箱体内部电池部电池正、负极22上的电线与箱体外负载相连接上盖板1上设置电线孔20的一侧设置有针对正、负两片电极位置的卡槽b26；如图2所示，箱体底板7上的一侧设计有放置氢气瓶4的凹槽13和放置泵体14的泵槽10，箱体底板7上的另一侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽a25，竖直挡板21与负电极22之间形成氢气室，用来存放还未反应的氢气，竖直挡板21上开有气孔11，气孔11与泵体14相连，泵体14用以循环每次反应剩余的氢气，两片催化剂层铂23紧贴负电极22和正电极30两片催化剂层铂23之间为质子交换层24，负电极22、正电极30与催化剂层23、催化剂层23和质子交换层24之间通过焊接连接，整体固定于上盖板1和底板7上的卡槽a25和卡槽b26内；箱体2内壁和正电极30之间形成氧气室，箱体2内壁靠近正电极的一侧开设氧气孔28，箱体2四周侧壁内部为中空设计，在内部填充有负泊松比三维结构材料，如图5所示，所述负泊松比三维结构材料由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，如图4所示，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，如图3所示，所述负泊松比元胞的1/4结构由第一横边、第一斜边、第二斜边、第一竖边组成，所述第一横边的边长为d/2、第一斜边的边长为e、第二斜边的边长为f、第一竖边的边长为g/2，第一横边与第一斜边形成的角为β，第一斜边与第二斜边形成的角为θ，第二斜边与第一竖边形成的角为σ，其中d＝e＝f＝g，β＝σ，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

以上所述结构中，上盖板1四周设计有螺纹孔d19，上盖板1下侧设计有能卡在箱体2内的凸台，凸台下侧设计有针对正、负两片电极位置的卡槽b26，凸台四个角和上盖板四个角都倒了圆角；在箱体底板7的每个凹槽13两侧都开设有两个螺纹孔b9，用于通过长螺栓15与集成式卡环3进行配合，实现对氢气瓶4固定，泵体14的固定则通过小卡环18实现，箱体底板7四周开设有一圈螺纹孔a8，四个角都设计有与上盖板1一样的倒圆角；在箱体2上下两个面的对应位置开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺开设有与上盖板1和箱体底板7相对应的螺纹孔c17，从而能够通过短螺栓12来进行上盖板1、箱体2和箱体底板7的配合，箱体2的四个角设计有和上盖板(1)以及箱体底板7一样的倒圆角，氧气孔28上安装有滤网29来进行防尘，每个箱体2内有两个储氢瓶4，储氢瓶4头部有一体式阀口5，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，所有涉及到气体密封的地方都采用润滑油进行油封。

以工作压力为35Mpa，公称直径为350mm，公称长度为950mm的储氢瓶4为例，储氢瓶4头部有一体式阀口5。每个箱体内有两个储氢瓶4和一个泵体14，两储氢瓶4之间的阀口5通过管道6相连，第二个储氢瓶4的阀口5与泵体14入口通过管道6相连，泵体14另一侧的两个出口与竖直挡板21上的气孔也通过管道6相连，第一个储氢瓶4的阀口5与箱体2上的气孔16也通过管道6相连，从而能够通过外界向储氢瓶4补充氢气。储氢瓶4置于箱体底板上的放置氢气瓶的凹槽13中，两个集成式卡环3上每一个都开有三个通孔27，小卡环18开设两个通孔27用于泵体14的固定，通过长螺栓15与箱体底板7相配合，从而实现对储氢瓶4和泵体14的固定。竖直挡板21与负电极22间的气室用来储存多余的还未反应的氢气。负电极22、正电极30、催化剂铂23与质子交换层24焊接成的整体通过底板7与上盖板1上的卡槽a和卡槽b来进行固定。上盖板1、箱体2、下底板7之间通过螺栓12进行配合，两两之间加有垫圈。箱体2上开设的氧气孔28用于空气的进入，通过空气中的氧气成分进入正电极进行反应，氧气孔28上的安装的滤网29用于防尘和其他杂质进入箱体，箱体2为中空结构，中间为负泊松比三维填充，采用的负泊松比三维填充由负泊松比基本结构通过横向和纵向的阵列而成，负泊松比基本结构由三片负泊松比元胞两两呈90°交叉而成，对照图3所示的负泊松比元胞的参数，所设计的元胞的各参数为d＝e＝f＝g＝1.8mm，β＝σ＝79°，θ＝68°，负泊松比元胞厚度t＝0.8mm，高度h＝1mm。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。