CN104037441B - 带卷边的燃料电池堆外壳 - Google Patents

Abstract

本申请涉及带卷边的燃料电池堆外壳。提供了燃料电池系统，其包括压紧保持外壳，该压紧保持外壳带有上和下压紧壳以及由互锁卷边接头联接的侧薄板部件。还提供了用于制造压紧保持外壳的方法，该压紧保持外壳带有卷边接头使得外壳在燃料电池堆的操作增大时保持密封。压紧壳可由轻重量的复合结构形成，该复合结构具有设置在钢表皮之间的聚合物层，并且顶部钢表皮的延伸部可形成带卷边的边缘或者可形成具有带卷边的边缘的侧薄板。侧薄板板可通过互锁两个相反的带卷边的边缘以形成卷边接头，或者通过在压紧力下被保持在互锁位置中的两个带卷边的边缘之间滑配相反的C‑链环构件而被联接到端板。

Description

带卷边的燃料电池堆外壳

技术领域

本公开整体上涉及燃料电池系统，更具体地说，涉及形成为具有由带卷边的接头构造联接的部件的压紧保持外壳。

背景技术

燃料电池是清洁的、高效的且对环境负责的用于交通工具或各种不同的其它应用的能源。燃料电池作为用在现代交通工具中的传统的内燃发动机的潜在替代者正被紧张开发。在质子交换膜（PEM）类型燃料电池中，在两侧附近具有带催化剂的电极的薄固体电解质膜形成了膜电解质组件（MEA）。该MEA通常还包括多孔导电材料，该材料已知为气体扩散介质（DM），该材料邻接反应剂气体并将反应剂气体分配到阳极和阴极。氢被作为燃料供应到阳极，在那里其在存在催化剂地情况下发生电化学反应以产生电子和质子。电子由电路从阳极传导到阴极，并且质子迁移通过电解质到阴极，在那里氧在存在催化剂的情况下发生电化学反应以产生氧阴离子。氧阴离子与质子反应以形成作为燃料电池反应产物的水。

MEA和DM，与任何绝缘垫一起，构成了单元化的电极组件（UEA），其被设置在一对导电板之间。这些板用作电极的集流器并且具有在其内形成合适的开口、通道和通路以在相应的电极上分配气体反应剂，并供应冷却剂到电池。PEM燃料电池通常串联连接，将一个堆叠在另一个的顶部上以形成燃料电池堆。

燃料电池堆通常在压紧的情况下被组装以密封燃料电池并且固定和维持在反应剂板和UEA的各种不同的部件之间的低界面电接触电阻。PEM燃料电池堆中的界面接触电阻随着压紧载荷的增加而大幅降低。在燃料电池堆上的期望压紧载荷通常范围从约50到约400psi，并且由容纳该燃料电池堆的压紧保持外壳维持。压紧保持系统经常被建造为过压紧的，以补偿在初始的压紧力被去除时发生的压紧中的一些损失。另外，MEA被已知为随着湿度和温度中的变化而膨胀和收缩，例如，在传统的燃料电池堆中，MEA已知为在操作中最多会膨胀其原始厚度的约50％。压紧保持外壳必须被设计为适应或处理可能随着膜膨胀和燃料电池堆中的压紧应力释放发生的膜增大所产生的应变。

燃料电池堆组件需要显著量的压紧力以将该堆的燃料电池挤压在一起。对挤压力的需要来自燃料电池内的反应剂的内部气体压力加上对维持燃料电池的内部部件之间的良好电接触的需要。一般而言，每单位面积力总计是约195-205psi，这被均匀地分布在燃料电池的整个工作区域上（对于汽车尺寸的堆来说通常是55-155平方英寸）。因此，对于具有约80平方英寸面积的燃料电池来说，这些尺寸的堆的典型的总计压紧力是约156000-165000磅。

压紧保持外壳被设计为维持在双级板、DM、和催化剂层之间的期望接触压力。还已知在典型的操作载荷下发生对DM的有限量的压紧，不过，当过度的压紧载荷被施加到DM时，该力会通过在不期望的程度上使碳纤维断裂或使将碳纤维结合在一起的结合剂破裂而物理上降级DM。因此，通常期望在燃料电池堆的操作期间维持合适的压紧载荷并且提供期望的电阻，但是不超过期望的范围。压紧保持外壳通常包括数个联接在一起且协作以维持或保持在燃料电池堆上的压紧的部件。存在压紧保持外壳的许多不同的设计，每个都提供了相比其它而言的一个或多个特定的自称的优点。

传统的压紧保持结构设计关注刚性端板和拉杆的使用以应用和维持在燃料电池组件上的压紧力。要被压紧的多个燃料电池或燃料电池组件被设置在一对刚性端板之间。端板此后被通过拉杆压紧在一起，该拉杆延伸穿过或围绕端板并在端板上施加压紧力。而且，拉杆通常延伸超过端板的表面并由此增加了堆结构的体积。当堆结构利用围绕端板的外周分布的拉杆以在燃料电池组件上施加压紧力时，对拉杆的正确加紧以施加期望的压紧力可能是困难的。即，拉杆必须被以预定的方式加紧以试图在燃料电池组件上施加均匀分布的压紧载荷。不过，当每个拉杆被加紧时，由该端板施加的压紧载荷就变化，使得每个拉杆必须被反复地重新加紧多次以实现在燃料电池组件上的基本上均匀的压紧力。而且，拉杆通常延伸超过端板的表面并由此增加了堆结构的体积。

传统的燃料电池堆外壳使用螺栓连接以保持堆载荷。螺栓螺纹连接到端单元组件内部的铝铸件中，这给系统增加了显著的重量和体积。另外，因为零件与零件之间的组装后的长度不同，所以湿端单元的定位会变化，因此导致了在该成套设备的平衡方面的设计负责性，湿端单元是一个平台，下端单元、反应剂歧管和其余部分从该平台建立。可能需要滑配接头来容纳堆高度的变化。除了使结构难以对环境密封外，使用大螺栓接头还增加了与接头相关的故障模式。增加的组装时间和成本，以及增加的包装空间是传统设计的实际的应考虑因素。

有利的是，提供一种堆结构，其可更容易地在燃料电池组件上施加压紧力，并且甚至更有利的是，压紧力施加装置给堆结构增加的体积最小。另外，有利的是，提供一种压紧保持外壳，其保持足够的压紧力，同时将燃料电池组件与环境密封，并且其增加的体积最小。还有利的是，提供一种燃料电池组件，其带有压紧保持外壳，该压紧保持外壳有效地容纳由燃料电池堆中的操作膜增大和压紧应力释放产生的应变。

期望开发一种压紧保持外壳的简化设计，其最小化需要用来维持燃料电池堆的压紧的部件的数量，并且其最小化燃料电池系统的质量，但不在期望容差方面作出让步。

发明内容

因此，本发明人已经开发了一种燃料电池系统，其克服了燃料电池领域中的这些或其它的缺陷。本文公开的燃料电池系统消除了在压紧保持外壳中对大螺栓接头的需要并因此消除了与这些接头相关联的全部故障模式。通过简化设计减少了组装线成本。用直接应用到薄片金属的就地固化（CIP）和就地形成（FIP）密封剂代替绳型密封件和其它已知的密封机构，减少了成本、庞大体积并减少了安装空间需求。可消除通常需要用来容纳堆高度变化的滑配接头，这进一步简化了成套设备设计的平衡。

本发明的燃料电池系统的一个实施例包括燃料电池堆组件，其具有多个设置在第一端板和第二端板之间的多个燃料电池，该燃料电池堆被围封在压紧保持外壳内。压紧保持外壳包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳，每个压紧壳都具有带卷边的边缘，该边缘朝着另一压紧壳的带卷边的边缘延伸并且基本上与该带卷边的边缘共面，以及至少一个侧薄板，每个侧薄板具有通过互锁卷边接头联接到上压紧壳的第一带卷边的边缘和通过互锁卷边接头联接到下压紧壳的第二带卷边的边缘。第一端帽和第二端帽被分别定位在压紧保持外壳的前面和后面。

根据另一实施例，每个压紧壳具有朝着另一压紧壳的延伸部延伸并且基本上与其共面的延伸部。上压紧壳的延伸部形成了上侧板并且下压紧壳的延伸部形成了下侧板。每个侧板具有带卷边的边缘并且带卷边的边缘由至少一个C链环构件联接，该C链环构件与带卷边的边缘的相反并且将上侧板的带卷边的边缘与下侧板的带卷边的边缘互锁以形成互锁卷边接头。

另外的实施例提供了用于制造根据本发明的燃料电池系统的方法。在一些实施例中，通过将燃料电池堆围封在形成为带有互锁卷边接头的压紧保持外壳内来制造具有在基本上持续的压紧力下的燃料电池堆的燃料电池系统。压紧保持外壳包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳，并且每个压紧壳具有带卷边的边缘，该边缘朝着另一压紧壳的带卷边的边缘延伸并基本上与其共面。该外壳包括至少一个侧薄板，每个侧薄板具有通过上互锁卷边接头联接到上压紧壳的第一带卷边的边缘和通过下互锁卷边接头联接到下压紧壳的第二带卷边的边缘。初始的压紧力被应用到压紧壳，足以引起压紧壳的带卷边的边缘与侧薄板的对应的相反的带卷边的边缘交叠。当释放初始压紧力时，相反的带卷边的边缘互锁以形成上和下互锁卷边接头，这产生了在燃料电池堆上的保持/持续的压紧力基本上等于压紧保持外壳的总张力。在初始压紧力和压紧保持外壳的总张力之间的差近似地容纳了燃料电池堆的操作膜增大。压紧保持外壳拥有足够的强度以在燃料电池堆的操作增大时保持基本上密封。

在另一方法实施例中，每个压紧壳具有朝着另一压紧壳的延伸部延伸并且基本上与其共面的延伸部。延伸部形成侧板，每个都具有带卷边的边缘。侧板的带卷边的边缘不是相反的；相反，它们向同样的方向卷。初始压紧力被应用以将带卷边的边缘移动到彼此之间的预定距离内，并且带卷边的边缘可通过桩固定来被保持在这个位置。具有匹配预定距离的预定长度的相反的C链环被滑动就位以形成联接侧板的双互锁卷边接头。被保持的压紧小于初始压紧，并且压紧保持外壳能够容纳燃料电池膜的操作增大。

燃料电池堆的压紧壳和侧板可被焊接或钉牢到带卷边的外壳的端帽以实现位置稳定性和强度。带卷边的接头的强度允许用更轻重量的复合材料制造压紧壳和端板。

将参照附图和下面公开的具体描述来阐述这些和其它的优点、实施例和细节。

本申请还提供了如下方案：

方案1. 一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆组件，其具有设置在第一端板和第二端板之间的多个燃料电池；以及

压紧保持外壳，其包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳，每个压紧壳都具有带卷边的边缘，该边缘朝着另一压紧壳的带卷边的边缘延伸并且与该带卷边的边缘共面，以及至少一个侧薄板，每个侧薄板具有通过互锁卷边接头联接到上压紧壳的第一带卷边的边缘和通过互锁卷边接头联接到下压紧壳的第二带卷边的边缘。

方案2. 如方案1所述的燃料电池系统，包括基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的在燃料电池堆组件上的持续的压紧力。

方案3. 如方案2所述的燃料电池系统，其中压紧保持外壳拥有足够的强度以甚至在燃料电池堆的操作增大时还基本上保持密封。

方案4. 如方案1所述的燃料电池系统，其中所述侧薄板匹配配合预定的燃料电池堆高度。

方案5. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括第一和第二端帽并且邻接端帽边缘的侧板边缘被设置成形成在侧板和端帽之间的接触区域，其中第一和第二端帽通过钉牢、焊接或自穿刺铆钉在接触区域被联接到侧薄板。

方案6. 如方案5所述的燃料电池系统，其中第一和第二端帽通过凸焊被焊接到侧薄板。

方案7. 如方案5所述的燃料电池系统，其中第一和第二端帽通过Tog-L-Loc被钉牢到侧薄板。

方案8. 如方案5所述的燃料电池系统，其中就地固化或就地形成密封剂形成在压紧壳、侧薄板和端帽之间的密封接触以密封压紧保持外壳。

方案9. 如方案1所述的燃料电池系统，其中上压紧壳是大致穹顶形的。

方案10. 如方案1所述的燃料电池系统，其中压紧壳由包括聚合物层和金属层的复合材料制造。

方案11. 如方案10所述的燃料电池系统，其中金属层包括钢和/或铝。

方案12. 如方案10所述的燃料电池系统，其中聚合物层是聚合物芯并且复合材料包括设置在底部钢表皮和顶部钢表皮之间的聚合物芯。

方案13. 如方案11所述的燃料电池系统，其中压紧壳的带卷边的边缘是顶部钢表皮的延伸部。

方案14. 如方案10所述的燃料电池系统，其中钢包括选自DP和TRIP钢的高级高强度钢（AHSS）。

方案15. 如方案14所述的燃料电池系统，其中DP钢是选自DP350和DP600，并且TRIP钢是选自TRIP350和TRIP600。

方案16. 如方案10所述的燃料电池系统，其中聚合物层包括选自复合泡沫塑料或者适合于注射成型的塑料的聚合物。

方案17. 如方案1所述的燃料电池系统，还包括设置在压紧保持外壳和燃料电池堆之间的绝缘层。

方案18. 一种制造具有在基本上持续的压紧力下的燃料电池堆的燃料电池系统的方法，该方法包括： 将具有设置在第一端帽和第二端帽之间的多个燃料电池的燃料电池堆装在压紧保持外壳内，该压紧保持外壳包括设置成接触第一端帽的上压紧壳、设置成接触第二端帽的下压紧壳，每个压紧壳具有带卷边的边缘，该边缘基本上平行于端帽地延伸并且与另一压紧壳的带卷边的边缘共面，和至少一个侧薄板，每个侧薄板具有通过上互锁卷边接头联接到上压紧壳的第一带卷边的边缘和通过下互锁卷边接头连接到下压紧壳的第二带卷边的边缘，其中通过施加初始压紧力给压紧壳来定位带卷边的边缘以实现联接，该压紧力足以使压紧壳的带卷边的边缘与侧薄板的对应的带卷边的边缘交叠，使得当该压紧力被释放时，带卷边的边缘互锁以形成上和下互锁卷边接头，从而产生了基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的在燃料电池堆上的持续的压紧力，并且其中在初始压紧力和压紧保持外壳的总张紧力之间的差近似容纳了燃料电池堆的操作膜增大。

方案19. 一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆组件，其具有设置在第一端板和第二端板之间的多个燃料电池；

压紧保持外壳，其包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳，每个压紧壳具有朝着另一压紧壳的延伸部的且与该延伸部基本上共面的延伸部，上压紧壳的延伸部形成了上侧板且下压紧壳的延伸部形成了下侧板，每个侧板具有带卷边的边缘使得共面的带卷边的边缘不是相反的；

至少一个C-链环构件，其与带卷边的边缘相反且将上侧板的带卷边的边缘与下侧板的带卷边的边缘互锁以形成互锁卷边接头。

方案20. 如方案17所述的燃料电池系统，包括基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的在燃料电池堆上的持续的压紧力。

方案21. 如方案17所述的燃料电池系统，其中压紧保持外壳拥有足够的强度以甚至在燃料电池堆的操作增大时还基本上保持密封。

方案22. 如方案17所述的燃料电池系统，其中压紧壳由包括聚合物层和钢层的复合材料制造。

方案23. 如方案22所述的燃料电池系统，其中聚合物层是聚合物芯并且复合材料包括设置在底部钢表皮和顶部钢表皮之间的聚合物芯。

方案24. 如方案23所述的燃料电池系统，其中形成侧板的延伸部是顶部钢表皮层的延伸部。

方案25. 一种制造如方案17所述的燃料电池系统的方法，该方法包括： 应用初始压紧力到压紧壳，该压紧力足以将上侧板的带卷边的边缘相对于下侧板的带卷边的边缘定位，使得C-链环构件滑入互锁位置；释放初始压紧力以接合互锁卷边接头，这产生了在燃料电池堆上的基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的持续的压紧力，其中在初始压紧力和压紧保持外壳的总张紧力之间的差近似容纳了燃料电池堆的膜增大。

附图说明

虽然说明书以具体指出并清楚地要求保护了本发明的实施例的权利要求作为结论，但是应该认为，可从下面的对某些示例的描述并结合附图来更好地理解本发明。在附图中，在各附图中同样的附图标记代表同样的元件，并且附图中的各个部件不一定是按比例绘制的。

图 1A描述了根据本发明的一些实施例的燃料电池系统的示例性压紧保持外壳的示意冠状横截面切片视图，其说明了侧薄板通过互锁卷边接头到上和下压紧壳的联接。

图1B描述了图1A的标记方框的部分的放大视图，其说明了将带卷边的边缘联接到侧薄板的互锁带卷边的接头。

图2A描述了根据本发明的一些实施例的上压紧壳的透视图。

图2B描述了根据本发明的一个或多个实施例的上压紧壳的示意冠状横截面视图。

图3A是根据本发明的一个或多个实施例的燃料电池系统的压紧保持外壳的示意冠状横截面视图，其说明了由C-链环构件互锁的带卷边的边缘。

图3B是示出了由C-链环构件互锁的带卷边的边缘的图3A的标记方框部分的放大视图。

图4是根据本发明的一些实施例的实现了联接两个带卷边的边缘的C-链环构件。

图5描述了上部分被切除的压紧保持系统以示出侧板到端帽的联接和密封。

决不打算让附图是限定性的，并且应认为，本发明的各种不同的实施例可以多种其它方式被实施，包括不一定在附图中描述的那些方式。包含在说明书中并形成该说明书的一部分的附图说明了本发明的若干方面，并且与文字描述一起用来解释本发明的原理，不过，应该理解，本发明不限于所示出的精确布置。

具体实施方式

从下面的文字描述和附图可容易理解本发明的各种实施例的特征和益处，这些文字描述和附图包括了意图给出对本发明的广泛描绘的具体实施例的示例。从这些文字描述和从本发明的实践，本领域技术人员会容易理解各种改进。并非意图将范围限制到所公开的具体形式，而是本发明覆盖了落入本发明的由权利要求定义的精神和范围内的全部的改进、等同方式和替换方式。

注意到像“优选地”、“普遍地”和“通常地”这样的术语，当在本文中被使用时，不是用来限制所要求包含的发明的范围或暗示某些特征对所要求保护的发明的结构或功能来说是关键的、必不可少的、甚至是重要的。相反，这些术语仅是用于强调替代性的或额外的特征，这些特征在本发明的特定实施例可被利用或可不被利用。

为了在本发明中描述和定义的目的，注意到术语“基本上”和“大约”在本文中被用于代表固有的不确定程度，这些不确定程度可归因于任何定量比较、值、测量或其它描绘。术语“基本上”在本文中也用于表示在不导致所讨论的主题的基本功能改变的情况下定量表示可不同于所述参考的程度。

参照图1A和1B，示意地描述了根据本发明的燃料电池系统的一个实施例。应该理解，未描述或仅在必要的细节上描述了对理解或定义本文中描述的实施例的范围来说不必要的典型的燃料电池系统的特征。本文公开的燃料电池系统包括燃料电池堆组件5，其包括设置在第一端板15和第二端板20之间的多个燃料电池10。示出了容纳燃料电池堆组件5的压紧保持外壳25的一个实施例的横截面冠状切片。压紧保持外壳25被设计为维持在燃料电池堆的部件上的压紧力以维持足够的接触并减少在燃料电池的部件之间的接触电阻。

压紧保持外壳25包括邻接第一端板15的上压紧壳30。上压紧壳30可使用就地形成或就地固化密封剂被密封到端板15，和/或可被铆接、钉牢或焊接到第一端板15以提供环境密封。在优选的实施例中，上压紧壳30可通过诸如由BTM公司推向市场的Tog-L-Loc™过程的冲压和承模型钉牢过程被固定到第一端板15。在一些实施例中，绝缘层可被设置在上压紧壳30和第一端板15之间，并且可被包含在固定/密封机构中。当在本文中被使用时，“邻接”不是意味着排除中间绝缘层。下压紧壳35也可接触第二端板20，通常在燃料电池堆组件5的湿端。

上压紧壳30和下压紧壳35每一个都具有至少一个带卷边的边缘50，带卷边的边缘50朝着另一个压紧壳的带卷边的边缘55延伸并且基本上与其共面。卷边的朝向是彼此相反的。当在本文中使用时，“朝向相反”意思是卷边朝向相反的方向并且由此能够彼此接合以形成带卷边的接头60。压紧保持外壳25还包括至少一个侧薄板45，其可包裹在燃料电池堆组件5的周缘的周围。侧向边缘可交叠以形成被密封的缝。在侧薄板的侧向边缘交叠的情况下，就地固化和/或就地形成的密封剂可被用来固定这些边缘以形成牢固的环境密封。在其它的实施例中，压紧保持外壳25包括多于一个的侧薄板45。每个侧薄板45具有通过互锁卷边接头60联接到上压紧壳30的第一带卷边的边缘50和通过互锁卷边接头60联接到下压紧壳35的第二带卷边的边缘55。

燃料电池系统1通常被设计为使得压紧保持外壳25施加持续的压紧力到燃料电池堆组件5上。一般而言，该压紧保持外壳是在初始压紧下被形成，该初始压紧足以将带卷边的边缘定位成在该初始压紧被释放时互锁。燃料电池堆组件5的部件在压力机中被布置并且被压紧到预定吨位，并且添加了过压紧因素以有利于侧张力盖组装。压力机的压力被释放，使得燃料电池堆由压紧保持外壳25在期望工作吨位下压紧。

通过在持续的（也称为保持的）压紧力下形成互锁带卷边的接头60，带卷边的接头60和侧薄板45将经受基本上等于持续的压紧力的总张力/张紧力。本发明的发明人令人惊喜地发现了根据本发明的压紧保持外壳25拥有足够的强度以甚至在燃料电池堆组件5的操作增大时也基本上保持环境密封。

由本设计实现的另一益处包括能够将匹配配合的侧薄板制造到预定的燃料电池堆高度。堆高度变化是本领域公知的问题。在传统的设计中，滑配接头被用来容许堆高度变化。根据本文公开的实施例，基于燃料电池模块堆放要求的堆变化可不再被考虑，从而提供了更可用的包装空间。消除了滑配接头简化了零件设计的平衡。

通过消除了绳型密封并用由任何已知密封技术，例如装罐工业中广泛使用的那些，或者由就地固化或就地形成的封装密封材料直接应用到薄板金属的涂层代替绳型密封，使得环境密封更加稳健。

参照图2A，本发明的发明人实验了各种不同的设计选择并且根据一个优选的实施例，上压紧壳30是大致穹顶形的，但是也可采用包括基本上平面形的设计在内的其它形状。由带卷边的接头设计施加的密封的强度使得压紧壳能由轻质复合材料制造。

参照图2B，根据一些实施例，复合材料具有聚合物层和金属层。合适的金属的非限定性示例包括钢和铝，并且在具体的实施例中钢是不锈钢或高级的高强度钢。在其它的具体实施例中，钢是双相（DP）钢并且在另外的具体实施例中，钢是相变诱生塑性（TRIP）钢。非常具体的实施例包括DP350/600，TRIP350/600，不锈钢，例如SS304，和它们的组合。应该理解，压紧壳和板可由不同的材料制造，这些材料具有的材料比例可例如相对于成本被优化。在一个实施例中，壳和板的组合包括不锈钢和DP或TRIP钢。

在具体实施例中，聚合物层是聚合物芯85并且复合材料包括设置在底部钢表皮95和顶部钢表皮30之间的聚合物芯85。在非常具体的实施例中，压紧壳的带卷边的边缘是顶部钢表皮70的延伸部。适合于制造芯的聚合物材料的非限定性示例包括例如复合泡沫塑料之类的泡沫。复合泡沫塑料是通过用被称作微气球的中空颗粒填充金属、聚合物或陶瓷基体而人工合成的复合材料，“复合”意味着“放在一起”。中空颗粒的存在导致了更低的密度、更高的强度、和更低的热膨胀系数。基体材料可选自几乎任何金属、聚合物或陶瓷。可利用各种不同的微气球，这包括空心微珠、玻璃微球、和碳和聚合物微气球。复合泡沫塑料的具体示例包括玻璃微气球-环氧树脂、玻璃微气球-铝和空心微珠-铝。

复合泡沫塑料的压紧特性主要取决于微气球的特性，而拉伸特性取决于将微气球保持在一起的基体材料。材料的特性可通过改变微气球在复合泡沫塑料结构中的体积占比，或者通过使用不同壁厚的微气球来调节。通常，材料的压紧强度与其密度成正比。具体来说，合适的泡沫包括环氧树脂基的复合泡沫塑料，其带有变化的中空钠钙玻璃微气球或空心微珠的体积占比。

在其它的实施例中，聚合物部分的全部或部分可以是注射成型塑料，其中该成型塑料包括了本领域已知的实现高压紧强度的数种塑料中的任一种。具体的示例包括尼龙6-6并且非常具体的示例包括短玻璃纤维加强尼龙6-6，例如30％玻璃纤维加强的尼龙6-6。在全模制实施例中，可能需要一些环氧树脂或其它的粘结剂来将表皮结合到芯。

根据一些实施例中，带卷边的边缘50、55被定位成通过如下方式实现联接：应用初始压紧力到压紧壳30、35，该初始压紧力足以将压紧壳30、35的带卷边的边缘与侧薄板45的对应的带卷边的边缘交叠，使得当初始压紧力被释放时，带卷边的边缘互锁以形成上和下互锁卷边接头60。这产生了在燃料电池堆组件5上的持续的压紧力，该压紧力基本上等于压紧保持外壳25的总张紧力。在具体实施例中，在初始压紧力和压紧保持外壳25的总张紧力之间的差几乎容纳了燃料电池堆的操作膜增大，而不损害环境密封。

参照图3A和3B，描述了另一个实施例，其中并非侧薄板，而是上压紧壳30的延伸部形成了上侧板70，而下压紧壳35的延伸部形成了下侧板75。这些侧板基本上是共面的并且每个侧板都具有一个带卷边的边缘80，该带卷边的边缘80面对对应的侧板的带卷边的边缘80，使得卷边不是相反的并且因此不能被移动到互锁位置。至少一个C-链环构件85与带卷边的边缘80相反。上侧板70的带卷边的边缘和下侧板75的带卷边的边缘被移动到固定位置使得C-链环构件85移动就位，从而通过双互锁卷边接头将两个侧板相互固定。C-链环构件85在长度上可与侧板的侧向长度共同延伸，或者多于一个的C-链环构件85可滑动就位以固定侧板70、75。

如附图4中示意地描述的，卷边在初始压紧力下与至少一个C-链环构件85互锁。初始力可被施加以定位侧板的带卷边的边缘80到彼此之间的预定距离，并且该位置可由任意的压紧桩固定机构保持。预定长度匹配C-链环构件85的预定尺寸，从而允许C-链环构件85轻易地沿着带卷边的边缘80的沟槽滑动就位。通过“匹配”，其意味着该长度基本上等于或小于C-链环构件的“抓持”长度（即，竖直的而非横向于汽车的长度），这取决于期望的过压紧的程度。当释放初始压紧力时，C-链环构件85和带卷边的边缘80互锁从而形成双互锁带卷边的接头。在互锁时在带卷边的接头和侧板上建立的张紧力近似等于压紧保持外壳25在燃料电池堆组件5上的持续的压紧力。根据本发明的压紧保持外壳拥有足够的强度以甚至在燃料电池堆的操作增大时也基本上保持密封，这种增大由初始过压紧容纳。

根据本公开的包括带卷边的接头的压紧保持外壳25的压紧壳30、35可由更轻重量的复合材料制造，如在图2B中示意性地图示的，这在一些实施例中包括聚合物层和钢层。在具体实施例中，聚合物层包括聚合物并形成了聚合物芯85，并且复合材料包括设置在底部钢表皮95和顶部钢表皮90之间的聚合物芯85。形成侧板70、75的延伸部可以是用复合材料制造的压紧壳30、35的顶部钢表皮层90的延伸部。

关于图5，压紧保持系统通常包括定位成横跨前面的第一端帽，和定位成横跨后面的第二端帽。在本发明的一些实施例中，邻接端帽的边缘的侧板的边缘具有边缘唇部，以建立与端帽115的邻接边缘的接触区域110，从而适合于通过例如金属焊接过程的密封和固定。在某些实施例中，侧板45通过例如凸焊的薄板金属焊接工艺被固定在端帽100的接触区域110处。在另外的实施例中，侧薄板45可由例如可从Advel获得的Fastriv®紧固件系统的自穿刺铆钉固定到端帽100。在另外的实施例中，可使用孔在两个邻接部件内使接头偏置于上或下极限已知距离，并利用传统的螺栓连接紧固件固定。重量和成本优化是紧固件选择中所考虑的因素。

在已具体地并参照具体实施例描述了本发明之后，不过显然的是，在不脱离所附权利要求所定义的实施例范围的情况下，可进行改进和改变。具体来说，应该理解，本发明的范围不一定是被限制到所述的优选方面和示例性实施例，而是应该由所附的权利要求规定。

Claims (24)

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆组件，其具有设置在第一端板和第二端板之间的多个燃料电池；以及

压紧保持外壳，其包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳以及至少一个侧薄板，每个压紧壳都具有带卷边的边缘，该边缘朝着另一压紧壳的带卷边的边缘延伸并且与该带卷边的边缘共面，每个侧薄板具有通过互锁卷边接头联接到上压紧壳的第一带卷边的边缘和通过互锁卷边接头联接到下压紧壳的第二带卷边的边缘；

还包括分别定位在压紧保持外壳的前面和后面的第一和第二端帽，其中第一和第二端帽通过钉牢、焊接或自穿刺铆钉在与所述侧薄板的接触区域被联接到侧薄板。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，包括基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的在燃料电池堆组件上的持续的压紧力。

3.如权利要求2所述的燃料电池系统，其中压紧保持外壳拥有足够的强度以甚至在燃料电池堆的操作增大时还保持密封。

4.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述侧薄板匹配配合预定的燃料电池堆高度。

5.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中第一和第二端帽通过凸焊被焊接到侧薄板。

6.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中第一和第二端帽通过Tog-L-Loc被钉牢到侧薄板。

7.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中就地固化或就地形成密封剂形成在压紧壳、侧薄板和端帽之间的密封接触以密封压紧保持外壳。

8.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中上压紧壳是穹顶形的。

9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中压紧壳由包括聚合物层和金属层的复合材料制造。

10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中金属层包括钢和/或铝。

11.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中聚合物层是聚合物芯并且复合材料包括设置在底部钢表皮和顶部钢表皮之间的聚合物芯。

12.如权利要求10所述的燃料电池系统，其中压紧壳的带卷边的边缘是顶部钢表皮的延伸部。

13.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中钢包括选自DP和TRIP钢的高级高强度钢（AHSS）。

14.如权利要求13所述的燃料电池系统，其中DP钢是选自DP350和DP600，并且TRIP钢是选自TRIP350和TRIP600。

15.如权利要求9所述的燃料电池系统，其中聚合物层包括选自复合泡沫塑料或者适合于注射成型的塑料的聚合物。

16.如权利要求1所述的燃料电池系统，还包括设置在压紧保持外壳和燃料电池堆之间的绝缘层。

17.一种制造具有在基本上持续的压紧力下的燃料电池堆的燃料电池系统的方法，该方法包括： 将具有设置在第一端板和第二端板之间的多个燃料电池的燃料电池堆装在压紧保持外壳内，该压紧保持外壳包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳，每个压紧壳具有带卷边的边缘，该边缘平行于端板地延伸并且与另一压紧壳的带卷边的边缘共面，和至少一个侧薄板，每个侧薄板具有通过上互锁卷边接头联接到上压紧壳的第一带卷边的边缘和通过下互锁卷边接头连接到下压紧壳的第二带卷边的边缘，其中通过施加初始压紧力给压紧壳来定位带卷边的边缘以实现联接，该压紧力足以使压紧壳的带卷边的边缘与侧薄板的对应的带卷边的边缘交叠，使得当该压紧力被释放时，带卷边的边缘互锁以形成上和下互锁卷边接头，从而产生了基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的在燃料电池堆上的持续的压紧力，并且其中在初始压紧力和压紧保持外壳的总张紧力之间的差容纳了燃料电池堆的操作膜增大；以及

提供分别定位在压紧保持外壳的前面和后面的第一和第二端帽，其中第一和第二端帽通过钉牢、焊接或自穿刺铆钉在与所述侧薄板的接触区域被联接到侧薄板。

18.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆组件，其具有设置在第一端板和第二端板之间的多个燃料电池；

压紧保持外壳，其包括设置成接触第一端板的上压紧壳、设置成接触第二端板的下压紧壳，每个压紧壳具有朝着另一压紧壳的延伸部的且与该延伸部共面的延伸部，上压紧壳的延伸部形成了上侧板且下压紧壳的延伸部形成了下侧板，每个侧板具有带卷边的边缘使得共面的带卷边的边缘不是相反的；

至少一个C-链环构件，其与带卷边的边缘相反且将上侧板的带卷边的边缘与下侧板的带卷边的边缘互锁以形成互锁卷边接头；

还包括分别定位在压紧保持外壳的前面和后面的第一和第二端帽并且邻接端帽边缘的侧板边缘被设置成形成在侧板和端帽之间的接触区域，其中第一和第二端帽通过钉牢、焊接或自穿刺铆钉在接触区域被联接到侧板。

19.如权利要求18所述的燃料电池系统，包括基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的在燃料电池堆上的持续的压紧力。

20.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中压紧保持外壳拥有足够的强度以甚至在燃料电池堆的操作增大时还保持密封。

21.如权利要求18所述的燃料电池系统，其中压紧壳由包括聚合物层和钢层的复合材料制造。

22.如权利要求21所述的燃料电池系统，其中聚合物层是聚合物芯并且复合材料包括设置在底部钢表皮和顶部钢表皮之间的聚合物芯。

23.如权利要求22所述的燃料电池系统，其中形成侧板的延伸部是顶部钢表皮层的延伸部。

24.一种制造如权利要求18所述的燃料电池系统的方法，该方法包括： 应用初始压紧力到压紧壳，该压紧力足以将上侧板的带卷边的边缘相对于下侧板的带卷边的边缘定位，使得C-链环构件滑入互锁位置；释放初始压紧力以接合互锁卷边接头，这产生了在燃料电池堆上的基本上等于压紧保持外壳的总张紧力的持续的压紧力，其中在初始压紧力和压紧保持外壳的总张紧力之间的差容纳了燃料电池堆的膜增大；以及

提供分别定位在压紧保持外壳的前面和后面的第一和第二端帽并且将邻接端帽边缘的侧板边缘设置成形成在侧板和端帽之间的接触区域，其中第一和第二端帽通过钉牢、焊接或自穿刺铆钉在接触区域被联接到侧板。