用於燃料電池的多功能緊固夾具的製作方法

2023-10-08 17:18:29

專利名稱：用於燃料電池的多功能緊固夾具的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池領域，該燃料電池的工業應用可以是不動的應用或者專門用於運輸。固定的或不動的用途例如涉及到醫院或其它服務性建築，對於這些醫院或服務性建築而言， 必須消除電力供應中斷的可能性。此外，相對於運輸事務的用途而言，涉及到諸如公共汽車和地鐵列車之類的城市公共運輸車輛的推進。
背景技術：
燃料電池是直接將燃料的化學能轉化為電能的電化學裝置。這種電化學發電機的工作原理在於水的電化學合成反應。許多燃料電池由一連串的也被稱為電化學電池的單元節(d' etages SlSmentaires)組成，每個單元節包括由兩個電極即陽極和陰極組成的基本元件，這兩個電極連續地接收氧化劑(例如空氣或氧氣)和燃料(例如氫氣)，這兩種氣體成分通過用作電解質的離子交換膜而保持分開。在質子交換膜類型的燃料電池的情況下，在陽極處，燃料進行催化氧化以釋放質子和電子。產生的電子沿著外電路循環，同時質子從電解質朝向陰極輸送，在陰極處，質子與電子和氧結合。這種陰極還原伴隨著水的產生並在兩個電極之間形成電位差。數種類型的燃料電池共存，它們的不同在於電解質的特性和燃料電池的工作溫度。對於以「低」溫(低於100°c的溫度)工作的燃料電池，最先進的技術是通過聚合物電解質燃料電池來實施的。這裡做出的本發明使用PEM(質子交換膜)燃料電池，該燃料電池的聚合物電解質是質子交換膜。燃料電池芯由一組單元電化學電池組成，這些單元電化學電池以足夠的數量彼此上下堆疊，以便獲得理想的電壓和電流值。燃料電池芯的單元電池的這種堆疊通常稱為「堆」。在圖1中，PEM燃料電池的每個單元電池由兩個隔板1組成，這兩個隔板布置在稱為「EME」的電極/薄膜/電極組件2的兩側，確保反應氣體的供應。EME組件2包括離子交換電解膜3和兩個氣體擴散催化電極即陽極4和陰極5，該陽極和陰極各自由活性層4A和 5A以及擴散層4B和5B組成。在陽極4處，氫氣在通過擴散層4B擴散之後，在活性層4A中被催化氧化而產生質子和電子。電子沿外電路朝向陰極5運行，同時電解膜3確保從陽極 4朝向陰極5轉運質子，而且還要確保將反應氣體分開。在陰極5處，氧氣因此進行催化還原，並且與質子和電子再次結合而產生水。在PEM型燃料電池的單元電池堆中，單級板或雙極板1還具有以下功能分配反應氣體(即氫氣和來自空氣中的氧氣)、熱傳導、收集產生的電子以及排出包括水的反應產物。每個單級板或雙極板通過該單級板或雙極板的一個面與具有N排EME組件2的陽極4 接觸，並且另一個面與具有N+1排組件的陰極5接觸。而且，在每個單級板或雙極板1上具有氣體循環通道6和冷卻流體循環通道7。因此，需要將組成燃料電池堆的所有這些元件的集合(包括單級板或雙極板1以及EME組件幻進行機械組裝。如圖2所示，在對堆10進行機械緊固之前，該集合需要在堆10的兩側加裝不同的元件。這些元件是集電器11，該集電器執行電流收集功能並且與單級板或雙極板相對；集電器11的緊固夾具12，該緊固夾具電絕緣或者未電絕緣地放置在堆10的端部；以及延伸部13，該延伸部使得能夠供給反應氣體、冷卻液並且從堆10排出通過電化學反應而產生的水。還必需確保集電器11和夾具12與反應氣體隔絕，這些反應氣體可能會對集電器和夾具的構成材料造成損害。緊固夾具12以及集電器11被刺穿，以便使延伸部13插入到與對應的集電器相對地在單級板或雙極板中機加工出的岐管。最後，堆的緊固功能通過使用拉杆來完成，這些拉杆插入在夾具12中機加工出的孔內，並且在堆的最後組裝期間根據期望的拉緊應力而被拉緊到預定扭矩。此外，在緊固夾具12不起電絕緣作用的情況下，套管(grommet)可以確保拉杆 (未示出)與緊固夾具12之間的電絕緣。因此，這種裝置需要組裝數個部件，每個部件各自在堆中執行特定功能，尤其是電流的收集、電絕緣、反應氣體和冷卻液的供給和排出，以及堆的緊固。因此，多個部件的這種組裝具有的缺點是，由於產生尺寸約束而使堆的設計及其組裝和緊固變得複雜。因此，本發明的目的是通過嘗試簡化堆的組裝和緊固來克服這些缺點，以便降低成本並且減輕由於將數個部件形成的集合組裝在一起而產生的機械約束。

發明內容
本發明的構思意在確保通過簡單的多功能部件來實現這最後四個列出的功能，即導電、電絕緣、氣體和冷卻流體的供給和排出，以及機械緊固。結果，本發明的主要目的是用於燃料電池的單體式緊固夾具，該單體式緊固夾具用以通過緊固表面來確保燃料電池元件形成的堆的緊固，該堆的端面具有預定的導電區域和預定的電絕緣區域。根據本發明，緊固夾具的下表面在與堆的端面的絕緣區域對應的預定區域上覆蓋有絕緣材料，並且緊固夾具的表面在與堆的端面的非絕緣區域對應的區域覆蓋有導電材料，並且根據本發明的緊固夾具有利地還包括覆蓋有以下材料的供給開口，該材料容許使用反應氣體和水並且優選是電絕緣的。在這種情況下，優選地提供旋入供給開口內的連接器。優選地，電絕緣材料是氟化樹脂，導電材料是銀。


通過閱讀附加有若干附圖的如下描述，將能更好地理解本發明及其特徵，所述附圖分別示出了圖1是已經描述過的關於燃料電池的操作的圖；圖2是已經描述過的現有技術的燃料電池堆的實施例的橫截面；圖3是使用了根據本發明的緊固夾具的燃料電池堆的等軸測圖；圖4是根據本發明的緊固夾具的等軸測俯視圖5是根據圖4的發明的相同緊固夾具的等軸測俯視圖，該緊固夾具裝備有連接器；以及圖6是根據本發明的相同的緊固夾具的等軸測仰視圖。
具體實施例方式根據圖3，可以理解根據本發明的緊固板的使用。實際上，顯示了燃料電池。該燃料電池主要包括上下疊置的燃料電池的單元電池形成的堆。該堆通過下部緊固夾具211和上部緊固夾具21S來保持緊固，下部緊固夾具211和上部緊固夾具21S這二者自身以通常方式通過配備有拉緊器件的數個拉杆22來緊固。下部緊固夾具211和上部緊固夾具21S 這二者是單件式的，即各自由單個部件製成。上部緊固夾具21S的上部以及該夾具的未與隔板接觸的大致整個表面區域覆蓋有電絕緣材料。在上部緊固夾具21S的該上部中示出的元件是供給和排出開口 23以及中心導電部25，這些供給和排出開口位於該上部的兩側，並且用以供給和排出各種工作流體， 即燃料、產生的水以及任何冷卻流體，中心導電部25用於引出在堆20中產生的電。拉杆22可以事先配備有動力學襯墊，該動力學襯墊使得可以吸收堆的一部分幾何變化。實際上，襯墊即使例如由於堆的各種材料的熱膨脹而進行大的幾何變化，在拉緊期間施加的應力中僅經歷小的變化。因此，根據期望的拉緊應力計算所使用的襯墊的數量，並且每個螺釘上所使用的襯墊的數量相等，以便在整個堆上施加一致的拉緊應力。圖4示出了這種上部緊固夾具的更詳細的視圖。通常，緊固夾具可以由導電材料製成，原則上至少每個緊固夾具的與緊固表面相對的整個上表面(除中心導電部25以外) 以及側表面覆蓋有電絕緣材料，或者由電絕緣材料製成。 為了能夠覆蓋供給和排出孔23，所使用的電絕緣材料還必須與反應氣體例如在陽極的氫氣和在陰極的空氣或氧氣的使用兼容，並且與水兼容，無論是冷卻水還是通過在燃料電池堆中進行的化學反應所產生的水。結果，由於緊固夾具通過在各種管道中澱積電絕緣材料而與所述流體絕緣，從而不需要延伸部，所述緊固夾具的構成材料不必須與上述流體兼容。因此，緊固夾具是多功能的並且還執行向堆供給流體的功能。此外，電絕緣澱積材料與所使用的流體兼容這一事實在緊固夾具由導電材料製成時，不需要使製成緊固夾具的導電材料起電絕緣作用。澱積在緊固夾具上的電絕緣材料還必須相對於所想到的燃料電池的用途的工作溫度具有穩定的物理化學性能。這種材料在電絕緣、與供給的流體兼容並且在工作溫度下穩定的同時可構成特別薄的澱積物(約零點幾毫米)並且可以例如是氟化樹脂。參考圖5，使用連接器26，其放置在緊固夾具的上表面上的開口中，在圖4中這些開口以附圖標記23表示。連接器26提供了堆與燃料電池的工作流體的不同供給和排出設施之間的接口。這些連接器26有利地代替了參照圖2提及的根據現有技術的裝置中所用的延伸部。實際上，與相對於圖2描述的延伸部不同，由於連接器26隻是簡單地旋入與緊固夾具的緊固表面相對的部分中，而不穿透該緊固夾具的整個厚度，所以這些連接器26體積更小、更容易使用和設計。連接器26的構成材料例如可以是複合聚合物材料，該複合聚合物材料必須與反應氣體的使用及水兼容。還必須確保堆相對於緊固夾具和用於燃料電池組件的各種流體供給和排出器件之間的連接的電絕緣。 圖6示出了根據本發明的緊固夾具的底部，尤其示出了置於下表面29的中心部上的金屬澱積物28，該下表面29用作緊固表面，並且被放置為與燃料電池的單元電池堆的最後隔板相對。換句話說，金屬澱積物28和開口 27的絕緣接合部佔據了緊固表面29的與堆的最後板接觸的部分。這種導電澱積物替代了集電器的使用，並且具有與相對的隔板相同的表面積，以確保最優的電接觸。這種導電澱積物可以由金屬材料例如銀製成，並且可以具有約幾十微米的非常小的厚度。另一方面，在每一側都有三個岐管(C0lleCteUr)27，對應於供給和排出口 23(圖4)，這些岐管是電絕緣的，即這些岐管覆蓋有絕緣材料形成的澱積物。同樣地，在該多功能夾具的緊固表面29的整個剩餘部分上，特別是在邊緣上，具有電絕緣材料形成的澱積物。這種電絕緣材料在燃料電池的工作溫度下必須是穩定的。圖6還示出了側開口 24，這些側開口用作堆的緊固拉杆的通道。因此，根據本發明的緊固夾具由於確保了管道的電絕緣、將所產生的電流向堆的外部傳輸、不同工作流體的循環、當然還有使用拉杆來實現燃料電池組件堆的緊固，所以該緊固夾具是多功能的。
權利要求
1.一種用於燃料電池的單件式緊固夾具，該緊固夾具用以通過緊固表面09)來確保所述燃料電池的組成元件形成的堆，所述堆具有端面，該端面具有預定的導電區域和預定的電絕緣區域，其特徵在於，所述緊固夾具的下表面在與所述堆的所述端面的所述絕緣區域對應的預定區域上覆蓋有電絕緣材料，並且在所述緊固表面09)的導電錶面08)上覆蓋有導電材料，所述導電錶面08)對應於所述堆的所述端面的非絕緣區域；並且供給和排出開口 03) 覆蓋有容許使用所使用的反應氣體和在燃料電池的操作期間所使用的水的材料。
2.根據權利要求1所述的緊固夾具，其特徵在於，覆蓋所述供給和排出開口03)的所述材料是電絕緣的。
3.根據權利要求2所述的緊固夾具，其特徵在於，所述緊固夾具還包括旋入所述供給和排出開口 03)內的連接器06)。
4.根據權利要求1所述的緊固夾具，其特徵在於，所述絕緣材料是氟化樹脂。
5.根據權利要求1所述的緊固夾具，其特徵在於，所述導電材料是銀。
全文摘要
本發明涉及一種多功能緊固夾具，該多功能緊固夾具確保通過燃料電池堆產生的電流的傳輸、燃料電池堆的工作流體的不同管道和通道開口的絕緣以及堆自身的緊固。每個夾具包括單個部件，該部件的上表面和側面除了導電部以外塗覆有絕緣材料。類似地，供給和排出開口(23)同樣是絕緣的。然而，緊固表面(29)至少在與堆的端部的上表面的導電區域對應的預定區域上，塗覆有導電澱積物。本發明可以用在PEM(質子交換膜)燃料電池中。
文檔編號H01M8/04GK102160225SQ200980136261
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月15日 優先權日2008年9月17日
發明者克裡斯蒂安·昆蒂裡, 斯特凡·馬澤特, 瓦勒裡·肖德龍, 萊昂內爾·瓦爾 申請人:赫利恩公司