用於燃料電池堆的殼體組件的製作方法

2023-05-29 21:38:06 3

專利名稱：用於燃料電池堆的殼體組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池設計，並且具體涉及適用於容納彼此堆疊的多塊燃料電池的殼體。
背景技術：
通過電化學電池即可將反應物例如氫氣流和氧氣流轉化為電力和水。例如對於聚合物電解質燃料電池設計來說，電解質膜通常被置於陽極和陰極之間以構成膜電極組件 (MEA)。由於單塊燃料電池只能提供相當有限的最大電壓，因此通常要將預定數量的燃料電池彼此堆疊或彼此並排以構成燃料電池堆，其中相鄰設置的燃料電池串聯地電接觸。對於質子交換膜燃料電池(PEMFC)以及對於其他的燃料電池設計來說，在使用氣體反應物時必需要精確控制堆內的氣體流量。為了提供氣密的密封，充分地配備有密封元件的燃料電池堆通常例如通過設置在燃料電池堆相對端的經由拉伸螺栓彼此直接互連的兩塊端板而被沿著堆疊的方向壓縮。但是，這樣的燃料電池設計由於各種燃料電池、MEA、密封元件和分離構件可能會在垂直於堆疊方向的平面內扭曲而相當地難以組裝。同樣地，整個燃料電池堆在使用中也可能很容易受到扭轉力的影響。從文獻EP1936729A1中可以獲知一種用於燃料電池堆的外殼。其中，堆體被容納在包括端板的外殼內。外殼還包括設置在堆體側面上的多塊獨立的側板。端板和側板通過連接銷相連，其中每一塊側板都具有適用於容納連接銷的多個獨立的連接部分。實際上，端板之間的拉力必需通過多個連接銷和對應的連接部分傳輸，這就可能會構成在使用時要承受相當大點負荷的弱化點。而且，端板和側板的彼此互連也相當費力。同樣，側板的互連進一步需要在相應的角部區域內單獨組裝角型材。因此本發明的目標是提供一種增強了穩定性特別是克服了扭轉效應的殼體組件。而且，殼體組件的組裝應該容易並且直觀。殼體組件應該耐用、堅固和重量輕並且還要在生產和組裝方面有成本效益。

發明內容
本發明提供了一種用於至少兩塊燃料電池、優選地用於由彼此堆疊在一起的幾十塊或者甚至是上百塊個體燃料電池構成的燃料電池堆的殼體組件。殼體組件包括沿軸向(Z)延伸並且適用於側向包圍沿軸向彼此堆疊的至少兩塊燃料電池的中空型材狀主體。殼體組件進一步包括緊固機構以將主體與適用於支撐至少兩塊燃料電池的至少一塊端板互連。通過提供中空型材狀主體，構成用於燃料電池堆的封閉外殼所需的部件數量顯著減少為中空型材主體以及適用於在已將多塊燃料電池設置在所述主體內之後封閉所述主體以構成相應的燃料電池堆的至少一塊端板。中空型材狀主體可以包括某種管狀或柱狀的形狀並且可以具有適用於支撐在其中堆疊的燃料電池的封閉底面。通過緊固機構即可封閉型材主體的頂端，目的是為了提供用於燃料電池堆的基本封閉的外殼構件。通過擁有單個中空型材狀主體，殼體組件僅包括單個側壁元件以構成用於燃料電池堆的側向外殼。因此，就不必再互連例如EP1936729A1中所述的各個側壁部分。而且，用於互連至少一塊端板和中空型材狀主體的組裝過程也變得更加簡單並且因此耗時更少。根據優選實施例，主體適用於在設於主體相對軸向端部的兩塊端板之間傳輸軸向指向的拉力或壓縮力。所以，型材主體不僅為堆疊在其中的燃料電池提供了保護性結構，而且還用於在相對設置的端板之間傳輸拉力或壓縮力，目的是為了建立和保持延伸穿過堆的氣流通道的氣密密封。因此，中空型材狀主體也可以取代和替換通常延伸在燃料電池堆相對設置的端板之間的拉伸螺栓的功能性。 通過擁有基本側向的封閉中空主體，整個燃料電池堆就能夠克服側向和軸向負荷而有效地得以穩定。在進一步優選的應用中，第一端板被完全插入中空主體內並且包括側向向外延伸的支承構件，支承構件適用於與主體第一軸向端的側向向內延伸的對應形狀的反支承構件相配合。通過將端板完全插入主體內，端板就至少被主體沿周向包圍。但是，端板可以從主體的軸向端至少部分地凸出。通過在端板以及在主體面向內的側壁上設置互相對應的支承構件和反支承構件，就可以為端板提供相對於主體的軸向止擋件或支承。通過在第一端板和主體之間擁有這樣的單向對接和止擋功能，例如作用在端板上的方向向下的軸向作用力就能夠通過互相對應的支承構件而被完全傳輸至主體。因此不需要附加或單獨的緊固裝置以將第一端板相對於周圍的主體固定。根據進一步優選的方面，緊固機構包括用於圍繞主體第二軸向端的封閉框架或框架元件。框架元件包括側向向內延伸的支承構件，支承構件適用於與主體第二端的側向向外延伸的對應形狀的反支承構件相配合。通常，主體的反支承構件包括凸緣狀的輪廓。由框架元件的支承構件形成的內徑基本上對應於或者至少是略大於主體截面或外徑。由於框架元件的支承構件的內徑或截面小於主體第二端向外延伸的反支承構件，因此通過支承構件和反支承構件的相互軸向直接對接，就能將軸向指向的壓縮力或拉力從框架元件傳輸至主體,並且反之亦然。支承構件和相應的反支承構件可以包括多個側向向內和向外延伸的止擋元件。為了在框架元件、端板和主體的接觸面上提供比較均勻的作用力分布，在支承構件和反支承構件包括沿周向延伸的輪緣或相應凹口時是更加有利的。這樣，軸向指向的拉力或壓縮力即可以材料受保護的方式在所述接觸面區域上傳輸。點負荷上升高於最大容許水平的情況能夠有效避免。在進一步優選的方面中，框架元件包括至少兩個側向向外凸出部分，凸出部分在軸向投影內看時與第二端板中對應的緊固部分基本重疊。由於框架元件通過上述互相對應的支承構件和反支承構件被單向固定至主體，因此框架元件用作拉伸元件以與端板協作，目的是為了將相應的軸向指向的拉伸從端板傳輸至主體。互相對應的框架元件的側向向外凸出部分和第二端板是為了用於沿軸向彼此剛性互連。在第二端板的緊固部分與框架元件相應的凸出部分沿軸向對齊時是有利的。通常，大量不同的互連機構例如夾持器件均可在此廣泛使用。在進一步優選的方面中，框架元件的凸出部分包括螺孔以容納延伸穿過第二端板對應緊固部分中相應的孔的軸向延伸的螺接裝置。螺接裝置可以包括被插入穿過端板緊固部分中的孔並且被螺接到框架元件的對應螺孔內的常規拉伸螺栓。這樣即可將相當大的壓力加至夾在相對設置的端板之間的燃料電池堆。通過與相對設置的端板有效接合的中空型材狀主體即可提供相應的反作用力，目的是為了在所述端板之間傳輸軸向指向的拉力。根據進一步優選的方面，主體與第一端板和/或與框架元件完全沿著主體的側向周邊接合。相應地，主體的各個支承構件和/或反支承構件、第一端板和/或框架元件也完全沿其側向周邊延伸。在進一步的方面中，主體還包括沿軸向(Z)與側壁部分相交的至少一個狹長的縫隙或槽。通過中空型材狀主體的這種貫通開口，就能夠獲得通往各個膜電極組件或選定雙極板的通路，這對監測燃料電池堆兩端的電壓有利。此外並且根據另一種優選方面，主體是由電絕緣材料製成。這樣，另外的絕緣板或絕緣構件就變得多餘，並且燃料電池堆中的導電部件即可直接設置在主體內。因此，主體自身就隨時可以接納堆疊結構的燃料電池。
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根據另一個優選實施例，殼體組件的主體包括纖維強化或纖維增強的塑料材料和/或纖維複合材料。根據機械負荷和溫度應力，各種塑料或複合材料均可被用於中空型材狀主體。通常，即使是纖維增強塑料部件也可以例如通過擠制或注模製造工藝而被加工為各種幾何形狀。這樣，任意幾何形狀和形態的整體式中空型材狀主體均可以相當成本有效的方式製造。為了將各種燃料電池設置在型材主體內，當主體至少在其面向內的側壁部分包括與要設置在其中的相應燃料電池的側向或外部形狀相匹配的對稱阻斷部件時是更有利的。這樣，裝配或安裝方向即可由型材主體的結構或幾何形狀預先確定。燃料電池在主體內的錯誤或不能允許的設置就能得以有效避免。在進一步優選的實施例中，中空主體包括圓形對稱、橢圓形或者至少是截面為凸形的外部截面輪廓。主體的圓化、橢圓形或圓形截面輪廓在側向負荷分布方面特別有利。因此，中空主體的外部形狀或外部截面沒有通常容易受到機械衝擊影響的邊緣是有利的。在進一步優選的方面中，燃料電池堆被設置在殼體組件的中空型材狀主體內。燃料電池堆通常通過兩塊端板被沿軸向(Z)夾持，其中所述相對設置端板之間的反作用力被從第一或底部端板傳輸至主體，從主體傳輸至框架元件以及從框架元件傳輸至第二或頂部端板。此外並且根據附加但獨立的方面，本發明還涉及一種包含在如上所述的殼體組件內的燃料電池堆。


在下文中，通過參照附圖來詳細介紹本發明的優選實施例，在附圖中
圖I示出了殼體組件的透視圖，
圖2示出了根據圖I所示殼體組件的側視圖，
圖3示出了沿圖2中的交線A-A的截面，
圖4示出了根據圖3所示的主體和上端板之間的上部接觸面的放大視圖，
圖5提供了根據圖3所示的下部接觸面部分的放大視圖，圖6示出了殼體組件的另一側視圖，以及 圖7是殼體組件沿圖6中B-B的側向截面示圖。
具體實施例方式圖I示出了用於容納燃料電池堆的殼體組件10。殼體組件10包括相當狹長、基本為管形的沿軸向(z)延伸的中空型材狀主體12。中空主體12通過設置在主體12頂端和底端的兩塊端板18，28封閉，正如能夠在圖3的截面圖中看到的那樣。通常由結構性金屬板構成的端板18，28適用於支撐被夾在其間的燃料電池堆。另外，端板18，28提供了與燃料電池堆的電接觸，這一點並未在給出的附圖集中明確示出。如圖5中詳細示出的那樣，下部第一端板18被完全插入型材主體12內。第一端板28的側向延伸邊緣因此得以與中空主體12的周向側壁直接對接或接觸。為了提供端板18和主體12之間的軸向指向的作用力傳輸，端板28包括側向或徑向向外延伸的支承構件
28a，其適用於與設置在主體12下端對應形狀的向內延伸的反支承構件12b配合和協作。徑向凸出部件反支承構件12b和支承構件28a優選地分別與主體12和/或端板28整體成形。通過第一端板28與主體12的下端部12b相互的軸向對接，作用在端板28上的方向向下的作用力就能夠被有效和完全地傳輸至主體12。主體12的上端在圖4中以放大的視圖示出。主體12的相對上端包括側向向外延伸的反支承構件12a,其與如圖I所示完全包圍主體12周邊(w)的封閉環或框架元件14中對應形狀的側向或徑向向內延伸的支承構件14a相配合。通過這種單向的軸向對接，作用在框架元件14上的方向向上的作用力就能夠被有效地傳輸至主體12。在組裝過程中，首先，第一端板28必須從主體12的頂部被插入主體12內，直到第一端板28如圖5所示與主體12中徑向向內延伸的反支承構件12b相接合為止。隨後，即可將若干塊燃料電池堆疊在主體12內第一端板28上。主體12可以被插入圍繞的框架元件14內，可以移動框架元件14直到它如圖4所示與主體12中徑向向外延伸的支承構件12a相接合為止。在最後的組裝步驟中，將第二頂部端板18安裝在燃料電池堆上。該端板18包括側向向外延伸的緊固部分20，其基本上與框架元件14的對應形狀並且側向向外延伸的凸出部分24相重疊。框架14的該部分24以及端板的向外延伸部分20在軸向投影內相互重疊，目的是為了使通過緊固部分20中的孔22插入的螺釘能夠被進一步螺接到框架元件14凸出部分20中的螺孔26內。這樣，框架元件14和上端板18之間的軸向距離就可以改變，並且就能將相應的軸向指向的壓力加至位於兩塊端板18，28之間的燃料電池堆上。通過它們軸向面向內的表面34，32，就能將所需壓力直接加至燃料電池堆。根據圖2所示的側視圖進一步示出的縱向縫隙16提供了通往各個燃料電池或雙極板的通路，目的是為了監測電學性質特別是工作期間在燃料電池堆兩端的電壓。如沿圖6中交線B-B截取的圖7的截面圖中所示，中空型材狀主體12的截面輪廓基本為矩形，但是還包括圓角38。而且，在相鄰角部38之間延伸的側壁部分基本為凸形。除了圖示的截面以外，可以設想具有圓化的角部38的主體12擁有圓形對稱、橢圓形或者甚至是多邊形的截面。因此，圍繞的環14或框架元件14也同樣包括對應的幾何形狀和形態。正如圖6中進一步示出的那樣，沿軸向(Z)延伸並且從主體12凸出的凸耳30用作導電元件，可在集流板處獲得的電流通過凸耳30即可傳輸至端板。圖6中並未明確示出的集流板和端板例如可以通過塑料包覆模塑構件而電絕緣。在根據圖7所示的截面圖中還示出了對稱阻斷部件36，其包括徑向向內凸出的突肋與並未在此明確示出的燃料電池中的對應形狀 凹口相配合。在根據圖7所示的截面圖中，從底部示出了端板18以及框架元件14。具體地，在與中空型材狀主體12相比沿徑向向內定位的框架元件14的部分中，示出了沿軸向(Z)延伸的各個氣體輸送通道40。附圖標記列表 10殼體組件
12中空型材狀主體
14框架元件 16縫隙 18端板 20緊固部分 22通孔 24凸出部分 26螺孔 28端板 30凸耳 32支撐面 34接觸面 36對稱阻斷部件 38圓角 40輸送通道
權利要求
1.一種用於至少兩塊燃料電池的殼體組件，包括 -中空型材狀主體(12)，沿軸向(Z)延伸並且適用於側向包圍沿軸向(Z)彼此堆疊的至少兩塊燃料電池， -設置在主體(12)相對端部的一對端板(18，28)，主體適用於在端板之間傳輸軸向指向的拉力，以及 -緊固機構，將主體(12)與適用於支撐至少兩塊燃料電池的至少一塊端板(18，28)互連； 其特徵在於完全插入主體(12)內的第一端板(28)包括側向向外延伸的支承構件(28a)，適用於與主體(12)第一軸向端的側向向內延伸的對應形狀的反支承構件(12b)相配合。
2.如權利要求I所述的殼體組件，其中緊固機構包括設置用於圍繞主體(12)第二軸向端的封閉框架元件(14)，所述框架元件(14)包括側向向內延伸的支承構件(14a)，適用於與主體(12)第二端的側向向外延伸的對應形狀的反支承構件(12a)相配合。
3.如權利要求2所述的殼體組件，其中框架元件(14)包括至少兩個側向向外凸出部分(24)，凸出部分在軸向投影內與第二端板(18)的對應的緊固部分(20)基本重疊。
4.如權利要求3所述的殼體組件，其中框架元件(14)的凸出部分(24)包括螺孔(26)以容納延伸穿過對應的緊固部(20)中的孔(22)的軸向延伸的螺釘。
5.如權利要求2所述的殼體組件，其中主體(12)與第一端板(28)和/或與框架元件(14)完全沿著主體(12)的側向周邊接合。
6.如權利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)包括沿軸向(z)與側壁部分相交的至少一個狹長的縫隙(16)。
7.如權利要求I所述的殼體組件,其中主體(12)由電絕緣材料製成。
8.如權利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)包括纖維增強的塑料材料和/或纖維複合材料。
9.如權利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)的側向截面包括與燃料電池的側向形狀相匹配的對稱阻斷部件。
10.如權利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)包括圓形對稱、橢圓形或者至少是截面為凸形的外部截面輪廓。
11.如權利要求I所述的殼體組件，使設置在主體(12)內的燃料電池堆通過兩塊端板(18，28)沿著軸向(z)被夾持。
全文摘要
本發明涉及用於燃料電池堆的殼體組件。一種用於至少兩塊燃料電池的殼體組件，包括中空型材狀主體(12)，沿軸向(z)延伸並且適用於側向包圍沿軸向(z)彼此堆疊的至少兩塊燃料電池，以及緊固機構，將主體(12)與適用於支撐至少兩塊燃料電池的至少一塊端板(18,28)互連。
文檔編號H01M8/24GK102881935SQ20121023679
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月10日 優先權日2011年7月11日
發明者U.漢內森 申請人:貝倫諾斯清潔電力控股有限公司