CN104350639A - 燃料电池堆总成 - Google Patents

Abstract

燃料电池堆总成包括呈堆叠形式的多个燃料电池，所述堆叠限定两个相对的平行端面。端板被设置在所述堆叠的每个相对的端面上。每个端板限定一个压缩表面，所述压缩表面邻近所述两个相对的平行端面中相应的一个并且与其具有压缩关系。连接机构附接到所述端板，由此维持所述堆叠中的燃料电池处在压缩下。所述端板中的至少一个，优选两个包括限定所述压缩表面的预成形元件，所述预成形元件被配置成具有预定曲率，以使得当所述预成形元件不在负载下时，所述压缩表面为凸形表面，而在施加负载以维持所述燃料电池处于压缩下时，所述连接机构的元件之间的所述预成形元件的挠曲导致所述压缩表面变为基本上平坦的表面。这使用了更少且更轻的部件在所述燃料电池堆的所述端面上提供了均匀的压力分布。

Description

燃料电池堆总成

本发明涉及适于装配电化学燃料电池堆的方法和设备。

燃料电池堆包括逐层堆积成堆叠结构的一系列单个燃料电池。每个电池本身可包括各种层状部件，如聚合物电解质膜、气体扩散层、流体流动板和各种密封垫圈，以便保持流体密封性并且为膜的活性表面提供流体燃料和氧化剂的分配。在堆叠的每个端面，通常使用通过拉杆连接在一起的成对的压力端板将堆叠保持在一起并且维持堆叠中电池上的压缩。

最重要的是，通过端板施加至燃料电池堆的端部的压力在堆叠的表面足够均匀，使得堆叠的所有的单个部件相互之间被维持在适当的压缩关系中。特别是密封垫圈，其在每个燃料电池的整个区域上必须被维持在适当的压缩中以确保流体流动路径被适当地限定，使得燃料和/或氧化剂被正确地传送至每个电池的活性表面并且不会泄露。

通常，通过提供能够在堆叠端部的整个表面上维持足够的超压的结实并且坚固的端板来维持均匀的压力。这导致大而且重的端板以确保它们足够坚固，从而它们在所需的压力下不会显著变形并且不会不均匀地施加压缩力。使用大而且重的端板导致燃料电池堆比理想的更重更大。替代方法是使用重量较轻的端板，但是需提供另外的机构用于在施加压缩力时减轻端板结构变形的影响。

US 6040072中描述的方法是使用带子或条带围绕着燃料电池堆，以便通过端板和控制压缩负载分布的可调节元件阵列来传输负载，由此将夹紧机构的尺寸和重量减到最小。

另一种方法描述于US 2006/0194094中，其使用了一种端板，所述端板具有朝向堆叠凸形地弯曲的压力屏蔽罩和朝向压力屏蔽罩凹形地弯曲的支撑板。支撑板充当从凸形地弯曲的压力屏蔽罩至燃料电池堆的下一个平坦元件的过渡元件，以便仅将所需的压缩力传输至燃料电池堆的平坦元件。

这两份文件都认同了维持均匀压力分布的重要性。然而，这两份文件都提出了解决方案，所述解决方案涉及将另外的元件引入端板总成，以补偿燃料电池堆总成被置于压缩下时，端板的挠曲。

本发明的目标是提供一种使用重量较轻的端板，在燃料电池堆的端面上确保均匀的压力分布的改进的方法。本发明另一目标是提供具有简化的构造和降低的部件数量的燃料电池堆总成。可通过本发明的一个或多个实施方案来实现这些目标中的一些或全部。

根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆总成，其包括：

呈堆叠形式的多个燃料电池，所述堆叠限定了两个相对的平行端面；

在堆叠的每个相对的端面上的端板，每个端板限定了一个压缩表面，所述压缩表面邻近两个相对的平行端面中相应的一个并且与其具有压缩关系；

附接到端板由此维持堆叠中的燃料电池处于压缩下的连接机构；

其中，端板中的至少一个包括限定压缩表面的预成形元件，所述预成形元件被配置成具有预定曲率，以使得当预成形元件不处在负载下时，压缩表面为凸形表面，而在施加负载以维持燃料电池处于压缩下时，连接机构的元件之间的预成形元件的挠曲使压缩表面变成基本上平坦的表面。

连接机构可包括成对的夹子，一个或每个夹子包括接合构件，所述接合构件被配置成与预成形元件中成对的对边中的一个接合，一个或每个夹子被配置成沿着预成形元件中相应的边延伸。一个或每个夹子可沿着预成形元件的相应的边的大部分延伸。预成形元件可在邻近成对的每个对边的表面上具有凹部，用于接合和保留所述夹子中相应的一个。一个或每个夹子可包括C形夹。预成形元件的压缩表面沿着在所述成对的对边之间延伸的线可为凸形的，并且沿着与所述成对的对边平行延伸的线可为平坦的。一个或每个夹子可表现出足以使夹子能够搭扣配合在预成形元件的相应的凹形边上的弹性特性。一个或每个夹子可在与堆叠的平行端面正交的平面中延伸，并且一个或每个夹子可被配置成表现出所述弹性特性，以在所述平面外挠曲。一个或每个夹子可沿着由堆叠的平行端面限定的平面之间的纵向轴线延伸，并且一个或每个夹子可被配置成表现出所述弹性特性，以沿着纵向轴线伸展。一个或每个夹子可包括沿着纵向轴线被配置成沿着纵向轴线提供弹性的曲折结构。两个所述端板都可包括如上述实例中的任何一个定义的预成形元件。

根据另一个方面，本发明提供装配燃料电池堆总成的方法，所述方法包括：

以堆叠形式对多个燃料电池进行分层，所述堆叠限定了两个相对的平行端面；

在堆叠的每个相对的端面处安置端板，每个端板限定了邻近两个相对的平行端面中相应的一个的压缩表面，其中端板中的至少一个为具有预定曲率的预成形元件，以使得所述预成形元件未处在负载下时，压缩表面为凸形表面；

将连接机构附接到端板上，由此使端板压缩表面与堆叠的相对的平行端面成压缩关系，并且由此在维持堆叠中的燃料电池处于压缩下，负载的施加引起至少一个预成形元件的挠曲，导致在装配的电池堆总成的负载下，压缩表面变成基本上平坦的表面。

根据另一个方面，本发明提供燃料电池堆总成，其包括：

呈堆叠形式的多个燃料电池，所述堆叠限定了两个相对的平行端面；

在电池堆每个相对的端面上的端板，每个端板总成限定了一个压缩表面，所述压缩表面邻近两个相对的平行端面中对应的一个并且与其具有压缩关系；

连接机构，所述连接机构附接到端板，由此维持堆叠中的燃料电池处于压缩下，其中连接机构包括沿着由堆叠的平行端面限定的平面之间的纵向轴线延伸的夹子，并且每个夹子被配置成表现出所述弹性特性，以沿着所述纵向轴线伸展。

每个夹子可包括沿着纵向轴线被配置成沿着纵向轴线提供弹性的曲折结构。

现将通过实例并且参照附图来描述本发明的实施方案，其中：

图1示出了用于燃料电池堆的预成形端板的透视图；

图2示出了布置预成形端板和C形夹连接机构的侧开风冷式燃料电池堆的透视图；

图3示出了图2的侧开风冷式燃料电池堆的透视图；以及

图4示出了布置预成形端板和允许尺寸配合的可弯曲夹子的侧开风冷式燃料电池堆的透视图；以及

图5示出了用于允许尺寸配合的端板和夹子总成的透视图。

虽然不排除其它，但是本公开中描述的燃料电池堆特别适合于电子消费者产品中的燃料电池，在所述产品中，希望采用适于大量生产、减轻重量、简化结构并且减低成本的设计。此外，虽然不排除其它，但是本文中描述的总成特别适合于风冷式或开放式阴极的燃料电池堆，所述燃料电池堆需要阴极总成的开放式连续入口以促进阴极电极上的均匀层流气流和空气分布。跨越燃料电池堆中阴极总成的常规固定件，如拉杆或连接杆，可对气流造成中断。本文描述的燃料电池堆端板确保施加在燃料电池电极的表面区域上的均匀施加的压紧压力。

无需大型机械端板总成即可实现抵抗由电极上所需的均匀压紧力产生的偏转的这些益处。本文描述的结构特别有利于小型化电子产品中所需的较小的堆叠总成，其中与燃料电池堆部分相比，端板总成可能变得大得不成比例。

在减少端板部件数量、从而需要最少制造加工并且使用相对较低科技材料的情况下，实现本文描述的燃料电池堆的设计。制造过程可为低成本机械化装配过程，从而促进可重复性。

本文描述的端板总成也提供了热膨胀和收缩裕度。

参照图1，燃料电池堆的端板1各自包括弹性材料(如弹簧钢)的单一预成形片材。图1示出了燃料电池堆10、40的顶部端板1，如图2至图4中每一个图所示。每个端板1包括承靠在燃料电池堆10的端面的压缩面2，和背离燃料电池堆10的主体的外部面3(在图1中示出的端板1的顶面)。每个端板1被制造成接近平坦的片材，但是其具有预成形曲率以使得当端板无负载/未加偏压时，压缩面2(图1中朝下的面)略微凸出。对于主要表面区域的厚度大体均匀的片材，外部(顶)面3将为凹形的。然而，如果端板1片材的厚度不均匀，那么外部(顶)面3将为平坦或凸形表面，虽然压缩面2是凸形的。端板1也包括在两个对边中每一个上的接合面4，这将在下文中进行进一步详细地描述。

图2示出了穿过装配的燃料电池堆10的截面图，并且图3示出了完整的燃料电池堆。成对的预成形端板1被示出在提供用于维持堆叠中的多个燃料电池板5彼此成压缩平行关系的压缩机构的位置上。呈两个C形夹6的形式的连接机构维持端板处于正确位置。如图3中可见，堆叠包括开放气流面15(前)和开放气流面16(后)。这些面提供开放阴极燃料电池堆的空气入口面和空气出口面。

特别的特征在于每个端板1是由足够坚硬但又有弹性的材料制成，以使得在组装过程中，在燃料电池板5的所需压缩负载下，使每个未加负载的凸形压缩面2变成基本上平坦的布置。连接机构(例如C形夹6)的施加导致每个端板1的挠曲，由此使得压缩面2变得既是平坦的，又与彼此相对平行，由此在燃料电池堆的两个端面7上施加正确的均匀压力。每个预成形端板1平面外的厚度、硬度和弹性变形性经过选择以确保对堆叠10施加平坦并且均匀的压力。总之，词语“预成形”端板1旨在指示在无负载下，对端板给予预定曲率，以使得在所需的燃料电池堆总成压紧压力下，它们将呈现与彼此为平坦的且平行的关系。无负载下的预定曲率可经过选择以使得在装配和试运行期间，允许堆叠总成的首次磨合和稳定。在燃料电池堆总成中，在试运行之前或在试运行期间，可能存在一段短的时间，在这段时间中堆叠例如由于每个层(如扩散层或或各种垫圈)发生塑性变形而轻微压缩。无负载下端板的预定曲率可被配置成与此相适应，以使得在燃料电池堆试运行后，它们呈现出与彼此平坦且平行的关系。

在装配期间，在需要的总成尺寸下，将C形夹6施加到燃料电池堆的每条边和每个端部上，由此有效地将端板1彼此锚定。一般来说，每个端板1包括用于与用于维持燃料电池堆处于压缩下的连接机构相接合的连接特征。在图2至图4中示出的结构中，连接机构包括C形夹6。每个端板1包括表面3的凹形的部分8，所述部分8沿着C形夹所要附接的两个对边13延伸。在示出的结构中，凹形部分8在外部表面3中为“反向斜面”的形式。

C形夹6在每个弯曲端部11中具有与反向斜面角度一致的反向配准角度，由此限定与端板1的凹形部分8相匹配的成角度的面12。这个角度为将C形夹接合到板上提供了搭扣配合，并且也对夹子6提供了抗污垢性，以便阻止夹子6从端板1意外脱离。

在图2和图3中可看到，C形夹6各自沿着预成形端板的对边13，优选沿着对边13的大部分延伸，由此沿着对边13的主要部分提供压缩力。这确保了沿着对边的均匀的压缩力。然而，C形夹使气流面15和气流面16的全部表面区域暴露。C形夹可沿着对边13延伸，使拐角部分14暴露，所述拐角部分14可用于允许电池电压监控薄片17从堆叠中的一个或多个电池5伸出来。这在仍维持气流面15、气流面16没有阻碍的同时实现。在其它结构中，C形夹无需沿着对边13完全连续，而是可间断，只要端板1上有足够程度的保留作用以确保在端板上的装配压缩负载下，端板可维持在在平坦条件下即可。

在优选结构中，端板1中的预成形曲率在一个维度上沿着在具有接合面4的成对的对边13之间延伸的线为凸形的，例如在x方向上，如图2所示。相比之下，沿着与成对的对边13平行延伸的线(例如在y方向上，如图2所示)，在未加偏压或加偏压两种状态下，端板1为平坦的。因此夹子6仅需要使端板在两端之间(沿着x方向)挠曲以赋予端板的平坦性。但是，在其它结构中，凸度可以是在两个维度上，例如沿着x和y两个方向。

虽然用于C形夹6接合至端板的接合机构展示为端板1外部面3中的凹部8，但是所述配置可以逆转以在端板1的外部面3中提供直立部分并且在C形夹弯曲端部11中提供相应的凹部，或在C形夹6的端部提供锁定凸耳用于与经过的直立部分产生摩擦。技术人员能容易地实施提供保持力或适合的止动器来保持C形夹在应有的位置上的各种可能的结构。

每个夹子6被配置成表现出足以使夹子6能够搭扣配合在预成形端板的相应的凹形边上的弹性特性。这种弹性特性优选地包括夹子在堆叠10的对边13之间延伸的纵向平面之外挠曲。这种挠曲有效地打开了由弯曲端部11界定的C形夹的“夹爪”。因此，一般来说，每个C形夹6在与堆叠10的平行端面7正交的平面中延伸，并且每个C形夹6被配置成表现出弹性特性以在所述平面外挠曲。

图2和图3展示了仅以四个部件就可提供整个燃料电池端板总成和连接机构，所述部件经过特别制造，以使得在正确的压缩负载下，可在堆叠的平行端面的整个表面区域上施加均匀的压力。这代表了相当大的成本节约，并且使得制造和装配变得简单，而在以上提及的现有技术的描述中，端板总成是复杂和多部件的。

在运行燃料电池堆时，随着电池的电负载，电池出现发热。在正常运行期间，这引起燃料电池堆的热膨胀和收缩。通过使端板1部件处于缓冲悬挂状态下来适应燃料电池堆的热膨胀和收缩。在图2和图3的设计中，C形夹固定端部可能在尺寸上更受约束，但是这是在燃料电池板的歧管区域上的并且因此具有非常有限的效果。然而，可制作更先进的C形夹设计以适应更大的燃料电池堆的热膨胀裕度和收缩裕度。这类设计在图4中示出。

图4示出了燃料电池堆40，其中每个C形夹41被制成包括一系列狭缝42和弯曲43的曲折结构以允许C形夹41的纵向弹性膨胀和收缩。应这样设计曲折结构，以使其能提供适当程度的膨胀和收缩，理想地匹配在正常热循环下燃料电池堆所需的程度，同时维持对预成形端板1的最优或接近最优的压缩力，以使得它们与燃料电池堆的相应端面7维持基本上平面的平行关系。在其它方面，C形夹41的设计选择和替换方案可跟与结合图2和图3中的C形夹6描述的那些相似。

一般来说，每个C形夹41沿着由堆叠40的平行端面7限定的平面之间的纵向轴线延伸，并且每个C形夹41被配置成表现出弹性特性以沿着纵向轴线挠曲(即伸展)。

可通过图4中示出的曲折结构的替代方案来实现这种一般性方面。例如，C形夹可被实施为在平面外具有孔或轮廓而不是狭缝的结构，从而在燃料电池堆热循环下允许纵向膨胀和收缩。

接合夹子与预成形端板1的替代方法可包括点焊、螺纹固定件、铆钉等。

提供附接到预成形端板上以维持堆叠中的燃料电池处于压缩下的连接机构的替代方法包括点焊条或杆、螺纹固定件、铆钉或条带/带子。

在其它情况下，可使用以下一般性方面，其中每个C形夹41沿着由燃料电池堆40的平行端面限定的平面之间的纵向轴线延伸，并且每个C形夹被配置成表现出弹性特性以沿着纵向轴线挠曲(即伸展)。例如，参照图5，并且示出端板和压缩总成50，其中C形夹51包括多于一个的曲折结构52，所述曲折结构52包括一系列狭缝53和弯曲54，从而允许C形夹51的纵向弹性膨胀和收缩。与图4中的实施例相同，应这样设计曲折结构52，以使其能提供适当程度的膨胀和收缩，理想地匹配在正常热循环下燃料电池堆需要的程度，同时在端板55上维持最优或接近最优的压缩力，以使得它们与燃料电池(未在图5中示出)的相应端面维持基本上平面的平行关系。

在其它情况下还可使用以下一般性方面作为替代端板结构(如在图5中示出者)，其中每个C形夹41沿着由燃料电池堆的平行端面40限定的平面之间的纵向轴线延伸，并且每个C形夹被配置成表现出弹性特性，以沿着纵向轴线挠曲(即伸展)。端板55可包括多部件端板，所述多部件端板包括主板56和在压缩下紧靠主板的从板57。

本文描述的预成形端板的另一个益处在于，端板的质量与常规的重型端板相比较轻避免了在堆叠的每个端部具有大的热质量。堆叠每个端部的大的热质量可导致在加热和冷却堆叠中一个或多个邻近端板的电池时出现热滞后。这可能对滞后电池的性能产生不良影响。本文所述的预成形的、轻重量的端板可被配置成对堆叠中最端部的电池几乎不具有热效应，由此使堆叠中的电极的动态热响应连成一体，并且防止其中的热滞后。进一步的结果就是可能不需要隔热层。作为另一个替代方案，可对预成形端板进行热控制，由此也使与更大型端板相关联的热滞后减少。

其它实施方案意欲在所附权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种燃料电池堆总成，其包括：

呈堆叠形式的多个燃料电池，所述堆叠限定了两个相对的平行端面；

在堆叠的每个相对的端面处的端板，每个端板限定了压缩表面，所述压缩表面邻近所述两个相对的平行端面中相应的一个并且与其具有压缩关系；

连接机构，所述连接机构附接到所述端板，由此维持所述堆叠中的所述燃料电池处于压缩下；

其中所述端板中的至少一个包括限定所述压缩表面的预成形元件，所述预成形元件被配置成具有预定曲率，以使得当所述预成形元件不在负载下时，所述压缩表面为凸形表面，而在施加负载以维持所述燃料电池处于压缩下时，所述连接机构的元件之间的所述预成形元件的挠曲使所述压缩表面变成基本上平坦的表面。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆总成，其中所述连接机构包括成对的夹子，每个夹子包括接合构件，所述接合构件被配置成与所述预成形元件中成对的对边中的一个接合，每个夹子被配置成沿着所述预成形元件的相应的边延伸。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子沿着所述预成形元件的相应的边的大部分延伸。

4.根据权利要求2所述的燃料电池堆总成，其中所述预成形元件在邻近所述成对的对边中的每一个的表面上具有凹部，用于接合和保留所述夹子中相应的一个。

5.根据权利要求4所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子包括C形夹。

6.根据权利要求2所述的燃料电池堆总成，其中所述预成形元件的所述压缩表面沿着所述成对的对边之间延伸的线为凸形的，并且所述压缩表面沿着与所述成对的对边平行延伸的线为平坦的。

7.根据权利要求2所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子表现出足以使所述夹子能够搭扣配合在所述预成形元件的相应的凹形边上的弹性特性。

8.根据权利要求7所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子在与所述堆叠的所述平行端面正交的平面中延伸，并且每个夹子被配置成表现出所述弹性特性以在所述平面外挠曲。

9.根据权利要求7所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子沿着由所述堆叠的所述平行端面限定的平面之间的纵向轴线延伸，并且每个夹子被配置成表现出所述弹性特性以沿着所述纵向轴线伸展。

10.根据权利要求9所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子包括沿着所述纵向轴线被配置成沿着所述纵向轴线提供弹性的曲折结构。

11.根据权利要求1所述的燃料电池堆总成，其中所述端板两者都包括如前述权利要求中任一项所述的预成形元件。

12.一种装配燃料电池堆总成的方法，所述方法包括：

以堆叠形式对多个燃料电池进行分层，所述堆叠限定了两个相对的平行端面；

在所述堆叠的每个相对的端面处安置端板，每个端板限定了邻近所述两个相对的平行端面中相应的一个的压缩表面，其中所述端板中的至少一个为具有预定曲率的预成形元件，以使得所述预成形元件未处在负载下时，所述压缩表面为凸形表面；

将连接机构附接到所述端板上，由此使所述端板压缩表面与所述堆叠的所述相对的平行端面成压缩关系，并且由此维持所述堆叠中的所述燃料电池处于压缩下，所述负载的施加引起至少一个预成形元件的挠曲，导致在装配的电池堆总成的所述负载下，所述压缩表面变成基本上平坦的表面。

13.一种燃料电池堆总成，其包括：

呈堆叠形式的多个燃料电池，所述堆叠限定了两个相对的平行端面；

在所述电池堆的每个相对的端面上的端板，每个端板总成限定了一个压缩表面，所述压缩表面邻近所述两个相对的平行端面中对应的一个并且与其具有压缩关系；

连接机构，所述连接机构附接到所述端板，由此维持所述堆叠中的所述燃料电池处于压缩下，其中所述连接机构包括沿着由所述堆叠的所述平行端面限定的平面之间的纵向轴线延伸的夹子，并且每个夹子被配置成表现出所述弹性特性以沿着所述纵向轴线伸展。

14.根据权利要求13所述的燃料电池堆总成，其中每个夹子包括沿着所述纵向轴线被配置成沿着所述纵向轴线提供弹性的曲折结构。