CN102881935A - 用于燃料电池堆的壳体组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃料电池堆的壳体组件。一种用于至少两块燃料电池的壳体组件，包括：中空型材状主体(12)，沿轴向(z)延伸并且适用于侧向包围沿轴向(z)彼此堆叠的至少两块燃料电池，以及紧固机构，将主体(12)与适用于支撑至少两块燃料电池的至少一块端板(18,28)互连。

Description

用于燃料电池堆的壳体组件
技术领域
本发明涉及燃料电池设计，并且具体涉及适用于容纳彼此堆叠的多块燃料电池的壳体。
背景技术
通过电化学电池即可将反应物例如氢气流和氧气流转化为电力和水。例如对于聚合物电解质燃料电池设计来说，电解质膜通常被置于阳极和阴极之间以构成膜电极组件(MEA)。由于单块燃料电池只能提供相当有限的最大电压，因此通常要将预定数量的燃料电池彼此堆叠或彼此并排以构成燃料电池堆，其中相邻设置的燃料电池串联地电接触。
对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)以及对于其他的燃料电池设计来说，在使用气体反应物时必需要精确控制堆内的气体流量。为了提供气密的密封，充分地配备有密封元件的燃料电池堆通常例如通过设置在燃料电池堆相对端的经由拉伸螺栓彼此直接互连的两块端板而被沿着堆叠的方向压缩。
但是，这样的燃料电池设计由于各种燃料电池、MEA、密封元件和分离构件可能会在垂直于堆叠方向的平面内扭曲而相当地难以组装。同样地，整个燃料电池堆在使用中也可能很容易受到扭转力的影响。
从文献EP1936729A1中可以获知一种用于燃料电池堆的外壳。其中，堆体被容纳在包括端板的外壳内。外壳还包括设置在堆体侧面上的多块独立的侧板。端板和侧板通过连接销相连，其中每一块侧板都具有适用于容纳连接销的多个独立的连接部分。实际上，端板之间的拉力必需通过多个连接销和对应的连接部分传输，这就可能会构成在使用时要承受相当大点负荷的弱化点。而且，端板和侧板的彼此互连也相当费力。同样，侧板的互连进一步需要在相应的角部区域内单独组装角型材。
因此本发明的目标是提供一种增强了稳定性特别是克服了扭转效应的壳体组件。而且，壳体组件的组装应该容易并且直观。壳体组件应该耐用、坚固和重量轻并且还要在生产和组装方面有成本效益。
发明内容
本发明提供了一种用于至少两块燃料电池、优选地用于由彼此堆叠在一起的几十块或者甚至是上百块个体燃料电池构成的燃料电池堆的壳体组件。壳体组件包括沿轴向(z)延伸并且适用于侧向包围沿轴向彼此堆叠的至少两块燃料电池的中空型材状主体。壳体组件进一步包括紧固机构以将主体与适用于支撑至少两块燃料电池的至少一块端板互连。
通过提供中空型材状主体，构成用于燃料电池堆的封闭外壳所需的部件数量显著减少为中空型材主体以及适用于在已将多块燃料电池设置在所述主体内之后封闭所述主体以构成相应的燃料电池堆的至少一块端板。中空型材状主体可以包括某种管状或柱状的形状并且可以具有适用于支撑在其中堆叠的燃料电池的封闭底面。通过紧固机构即可封闭型材主体的顶端，目的是为了提供用于燃料电池堆的基本封闭的外壳构件。
通过拥有单个中空型材状主体，壳体组件仅包括单个侧壁元件以构成用于燃料电池堆的侧向外壳。因此，就不必再互连例如EP1936729A1中所述的各个侧壁部分。而且，用于互连至少一块端板和中空型材状主体的组装过程也变得更加简单并且因此耗时更少。
根据优选实施例，主体适用于在设于主体相对轴向端部的两块端板之间传输轴向指向的拉力或压缩力。所以，型材主体不仅为堆叠在其中的燃料电池提供了保护性结构，而且还用于在相对设置的端板之间传输拉力或压缩力，目的是为了建立和保持延伸穿过堆的气流通道的气密密封。因此，中空型材状主体也可以取代和替换通常延伸在燃料电池堆相对设置的端板之间的拉伸螺栓的功能性。
通过拥有基本侧向的封闭中空主体，整个燃料电池堆就能够克服侧向和轴向负荷而有效地得以稳定。
在进一步优选的应用中，第一端板被完全插入中空主体内并且包括侧向向外延伸的支承构件，支承构件适用于与主体第一轴向端的侧向向内延伸的对应形状的反支承构件相配合。通过将端板完全插入主体内，端板就至少被主体沿周向包围。但是，端板可以从主体的轴向端至少部分地凸出。通过在端板以及在主体面向内的侧壁上设置互相对应的支承构件和反支承构件，就可以为端板提供相对于主体的轴向止挡件或支承。
通过在第一端板和主体之间拥有这样的单向对接和止挡功能，例如作用在端板上的方向向下的轴向作用力就能够通过互相对应的支承构件而被完全传输至主体。因此不需要附加或单独的紧固装置以将第一端板相对于周围的主体固定。
根据进一步优选的方面，紧固机构包括用于围绕主体第二轴向端的封闭框架或框架元件。框架元件包括侧向向内延伸的支承构件，支承构件适用于与主体第二端的侧向向外延伸的对应形状的反支承构件相配合。通常，主体的反支承构件包括凸缘状的轮廓。由框架元件的支承构件形成的内径基本上对应于或者至少是略大于主体截面或外径。由于框架元件的支承构件的内径或截面小于主体第二端向外延伸的反支承构件，因此通过支承构件和反支承构件的相互轴向直接对接，就能将轴向指向的压缩力或拉力从框架元件传输至主体，并且反之亦然。
支承构件和相应的反支承构件可以包括多个侧向向内和向外延伸的止挡元件。为了在框架元件、端板和主体的接触面上提供比较均匀的作用力分布，在支承构件和反支承构件包括沿周向延伸的轮缘或相应凹口时是更加有利的。这样，轴向指向的拉力或压缩力即可以材料受保护的方式在所述接触面区域上传输。点负荷上升高于最大容许水平的情况能够有效避免。
在进一步优选的方面中，框架元件包括至少两个侧向向外凸出部分，凸出部分在轴向投影内看时与第二端板中对应的紧固部分基本重叠。由于框架元件通过上述互相对应的支承构件和反支承构件被单向固定至主体，因此框架元件用作拉伸元件以与端板协作，目的是为了将相应的轴向指向的拉伸从端板传输至主体。互相对应的框架元件的侧向向外凸出部分和第二端板是为了用于沿轴向彼此刚性互连。在第二端板的紧固部分与框架元件相应的凸出部分沿轴向对齐时是有利的。
通常，大量不同的互连机构例如夹持器件均可在此广泛使用。在进一步优选的方面中，框架元件的凸出部分包括螺孔以容纳延伸穿过第二端板对应紧固部分中相应的孔的轴向延伸的螺接装置。螺接装置可以包括被插入穿过端板紧固部分中的孔并且被螺接到框架元件的对应螺孔内的常规拉伸螺栓。这样即可将相当大的压力加至夹在相对设置的端板之间的燃料电池堆。通过与相对设置的端板有效接合的中空型材状主体即可提供相应的反作用力，目的是为了在所述端板之间传输轴向指向的拉力。
根据进一步优选的方面，主体与第一端板和/或与框架元件完全沿着主体的侧向周边接合。相应地，主体的各个支承构件和/或反支承构件、第一端板和/或框架元件也完全沿其侧向周边延伸。
在进一步的方面中，主体还包括沿轴向(z)与侧壁部分相交的至少一个狭长的缝隙或槽。通过中空型材状主体的这种贯通开口，就能够获得通往各个膜电极组件或选定双极板的通路，这对监测燃料电池堆两端的电压有利。
此外并且根据另一种优选方面，主体是由电绝缘材料制成。这样，另外的绝缘板或绝缘构件就变得多余，并且燃料电池堆中的导电部件即可直接设置在主体内。因此，主体自身就随时可以接纳堆叠结构的燃料电池。
根据另一个优选实施例，壳体组件的主体包括纤维强化或纤维增强的塑料材料和/或纤维复合材料。根据机械负荷和温度应力，各种塑料或复合材料均可被用于中空型材状主体。通常，即使是纤维增强塑料部件也可以例如通过挤制或注模制造工艺而被加工为各种几何形状。这样，任意几何形状和形态的整体式中空型材状主体均可以相当成本有效的方式制造。
为了将各种燃料电池设置在型材主体内，当主体至少在其面向内的侧壁部分包括与要设置在其中的相应燃料电池的侧向或外部形状相匹配的对称阻断部件时是更有利的。这样，装配或安装方向即可由型材主体的结构或几何形状预先确定。燃料电池在主体内的错误或不能允许的设置就能得以有效避免。
在进一步优选的实施例中，中空主体包括圆形对称、椭圆形或者至少是截面为凸形的外部截面轮廓。主体的圆化、椭圆形或圆形截面轮廓在侧向负荷分布方面特别有利。因此，中空主体的外部形状或外部截面没有通常容易受到机械冲击影响的边缘是有利的。
在进一步优选的方面中，燃料电池堆被设置在壳体组件的中空型材状主体内。燃料电池堆通常通过两块端板被沿轴向(z)夹持，其中所述相对设置端板之间的反作用力被从第一或底部端板传输至主体，从主体传输至框架元件以及从框架元件传输至第二或顶部端板。
此外并且根据附加但独立的方面，本发明还涉及一种包含在如上所述的壳体组件内的燃料电池堆。
附图说明
在下文中，通过参照附图来详细介绍本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出了壳体组件的透视图，
图2示出了根据图1所示壳体组件的侧视图，
图3示出了沿图2中的交线A-A的截面，
图4示出了根据图3所示的主体和上端板之间的上部接触面的放大视图，
图5提供了根据图3所示的下部接触面部分的放大视图，
图6示出了壳体组件的另一侧视图，以及
图7是壳体组件沿图6中B-B的侧向截面示图。
具体实施方式
图1示出了用于容纳燃料电池堆的壳体组件10。壳体组件10包括相当狭长、基本为管形的沿轴向(z)延伸的中空型材状主体12。中空主体12通过设置在主体12顶端和底端的两块端板18,28封闭，正如能够在图3的截面图中看到的那样。通常由结构性金属板构成的端板18,28适用于支撑被夹在其间的燃料电池堆。另外，端板18,28提供了与燃料电池堆的电接触，这一点并未在给出的附图集中明确示出。
如图5中详细示出的那样，下部第一端板18被完全插入型材主体12内。第一端板28的侧向延伸边缘因此得以与中空主体12的周向侧壁直接对接或接触。为了提供端板18和主体12之间的轴向指向的作用力传输，端板28包括侧向或径向向外延伸的支承构件28a，其适用于与设置在主体12下端对应形状的向内延伸的反支承构件12b配合和协作。
径向凸出部件反支承构件12b和支承构件28a优选地分别与主体12和/或端板28整体成形。通过第一端板28与主体12的下端部12b相互的轴向对接，作用在端板28上的方向向下的作用力就能够被有效和完全地传输至主体12。
主体12的上端在图4中以放大的视图示出。主体12的相对上端包括侧向向外延伸的反支承构件12a，其与如图1所示完全包围主体12周边(w)的封闭环或框架元件14中对应形状的侧向或径向向内延伸的支承构件14a相配合。通过这种单向的轴向对接，作用在框架元件14上的方向向上的作用力就能够被有效地传输至主体12。
在组装过程中，首先，第一端板28必须从主体12的顶部被插入主体12内，直到第一端板28如图5所示与主体12中径向向内延伸的反支承构件12b相接合为止。随后，即可将若干块燃料电池堆叠在主体12内第一端板28上。主体12可以被插入围绕的框架元件14内，可以移动框架元件14直到它如图4所示与主体12中径向向外延伸的支承构件12a相接合为止。在最后的组装步骤中，将第二顶部端板18安装在燃料电池堆上。该端板18包括侧向向外延伸的紧固部分20，其基本上与框架元件14的对应形状并且侧向向外延伸的凸出部分24相重叠。
框架14的该部分24以及端板的向外延伸部分20在轴向投影内相互重叠，目的是为了使通过紧固部分20中的孔22插入的螺钉能够被进一步螺接到框架元件14凸出部分20中的螺孔26内。这样，框架元件14和上端板18之间的轴向距离就可以改变，并且就能将相应的轴向指向的压力加至位于两块端板18,28之间的燃料电池堆上。通过它们轴向面向内的表面34,32，就能将所需压力直接加至燃料电池堆。
根据图2所示的侧视图进一步示出的纵向缝隙16提供了通往各个燃料电池或双极板的通路，目的是为了监测电学性质特别是工作期间在燃料电池堆两端的电压。
如沿图6中交线B-B截取的图7的截面图中所示，中空型材状主体12的截面轮廓基本为矩形，但是还包括圆角38。而且，在相邻角部38之间延伸的侧壁部分基本为凸形。除了图示的截面以外，可以设想具有圆化的角部38的主体12拥有圆形对称、椭圆形或者甚至是多边形的截面。因此，围绕的环14或框架元件14也同样包括对应的几何形状和形态。
正如图6中进一步示出的那样，沿轴向(z)延伸并且从主体12凸出的凸耳30用作导电元件，可在集流板处获得的电流通过凸耳30即可传输至端板。图6中并未明确示出的集流板和端板例如可以通过塑料包覆模塑构件而电绝缘。
在根据图7所示的截面图中还示出了对称阻断部件36，其包括径向向内凸出的突肋与并未在此明确示出的燃料电池中的对应形状凹口相配合。
在根据图7所示的截面图中，从底部示出了端板18以及框架元件14。具体地，在与中空型材状主体12相比沿径向向内定位的框架元件14的部分中，示出了沿轴向(z)延伸的各个气体输送通道40。
附图标记列表
10 壳体组件
12 中空型材状主体
14 框架元件
16 缝隙
18 端板
20 紧固部分
22 通孔
24 凸出部分
26 螺孔
28 端板
30 凸耳
32 支撑面
34 接触面
36 对称阻断部件
38 圆角
40 输送通道

Claims (11)

1.一种用于至少两块燃料电池的壳体组件，包括：
- 中空型材状主体(12)，沿轴向(z)延伸并且适用于侧向包围沿轴向(z)彼此堆叠的至少两块燃料电池，
- 设置在主体(12)相对端部的一对端板(18,28)，主体适用于在端板之间传输轴向指向的拉力，以及
- 紧固机构，将主体(12)与适用于支撑至少两块燃料电池的至少一块端板(18,28)互连；
其特征在于完全插入主体(12)内的第一端板(28)包括侧向向外延伸的支承构件(28a)，适用于与主体(12)第一轴向端的侧向向内延伸的对应形状的反支承构件(12b)相配合。
2.如权利要求1所述的壳体组件，其中紧固机构包括设置用于围绕主体(12)第二轴向端的封闭框架元件(14)，所述框架元件(14)包括侧向向内延伸的支承构件(14a)，适用于与主体(12)第二端的侧向向外延伸的对应形状的反支承构件(12a)相配合。
3.如权利要求2所述的壳体组件，其中框架元件(14)包括至少两个侧向向外凸出部分(24)，凸出部分在轴向投影内与第二端板(18)的对应的紧固部分(20)基本重叠。
4.如权利要求3所述的壳体组件，其中框架元件(14)的凸出部分(24)包括螺孔(26)以容纳延伸穿过对应的紧固部(20)中的孔(22)的轴向延伸的螺钉。
5.如权利要求2所述的壳体组件，其中主体(12)与第一端板(28)和/或与框架元件(14)完全沿着主体(12)的侧向周边接合。
6.如权利要求1所述的壳体组件，其中主体(12)包括沿轴向(z)与侧壁部分相交的至少一个狭长的缝隙(16)。
7.如权利要求1所述的壳体组件，其中主体(12)由电绝缘材料制成。
8.如权利要求1所述的壳体组件，其中主体(12)包括纤维增强的塑料材料和/或纤维复合材料。
9.如权利要求1所述的壳体组件，其中主体(12)的侧向截面包括与燃料电池的侧向形状相匹配的对称阻断部件。
10.如权利要求1所述的壳体组件，其中主体(12)包括圆形对称、椭圆形或者至少是截面为凸形的外部截面轮廓。
11.如权利要求1所述的壳体组件，使设置在主体(12)内的燃料电池堆通过两块端板(18,28)沿着轴向(z)被夹持。
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