CN104737348A - 燃料电池堆组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池堆组件(100)和组装燃料电池堆的相关方法。燃料电池堆组件(100)包括相邻于彼此的多个燃料电池组件(102)、在多个燃料电池组件的第一端(106)处的第一端板(104)、在多个燃料电池组件的第二相对端(110)处的第二端板(108)、以及配置成啮合第一和第二端板(104、108)并从而将压缩力施加到多个燃料电池组件(102)的连杆(112)。连杆(112)是包括与第一端板(104)啮合的第一啮合表面(114)和与第二端板(108)啮合的第二啮合表面(116)的整体部件。

Description

燃料电池堆组件

技术领域

本发明涉及燃料电池堆组件，且特别是包括整体连杆的燃料电池堆组件和组装燃料电池堆的相关方法。

发明内容

常规电化学燃料电池将燃料和氧化剂转换成电能和反应产物。在图1a中示出常规燃料电池组件10的一般布局，图1a为了清楚起见以分解形式示出各种层。固体聚合物离子转移膜11夹在阳极12和阴极13之间。一般，阳极12和阴极13都由导电多孔材料例如多孔碳形成，铂和/或其它贵金属催化剂的小颗粒粘合到导电多孔材料。阳极12和阴极13常常直接粘合到膜11的相应的相邻表面。这个组合通常被称为膜-电极组件或MEA。

聚合物膜和多孔电极层夹在阳极流体流场板14和阴极流体流场板15之间。也可在阳极流体流场板14和阳极12之间和类似地在阴极流体流场板15和阴极13之间使用中间衬里层12a和13a。衬里层具有多孔性质并被制造，以便确保来往阳极和阴极表面的气体的有效扩散以及帮助水蒸气和液态水的管理。

流体流场板14、15由导电非多孔材料形成，可通过导电非多孔材料产生与相应的阳极电极12或阴极电极13的电接触。同时，流体流场板便于来往多孔电极12、13的流体燃料、氧化剂和/或反应产物的输送和/或耗尽。这照惯例通过形成在流体流场板的表面中的流体流通道例如在向多孔电极12、13呈现的表面中的沟槽或沟道16。

一般，图1a所示的多个燃料电池组件10堆叠在一起以形成燃料电池堆。将认识到，图1a所示的单独的燃料电池10的设计可被修改，以便更好地适合于堆叠。例如，阳极流体流板14和阴极流体流板15可由单个双极板的不同侧面提供。

在图1b中示出常规燃料电池堆组件20。常规燃料电池堆组件包括多个燃料电池22、第一端板24和第二端板28。多个常规连杆32和多个密封螺栓33、34用于将燃料电池22压缩到工作尺寸。

燃料电池组件22应在使用期间处于压缩中，使得在燃料电池组件22周围的密封可有效地起作用并防止氧化剂和燃料的逸出。为了实现这个压缩，连杆32在其末端处设置有螺纹用于啮合螺栓33、34。第一螺栓33可与从第一端板24突出的连杆32的第一端啮合。第二螺栓34可与从第二端板28突出的连杆32的第二端啮合。通过拧紧螺栓，可压缩燃料电池组件。

根据本发明的第一方面，提供了燃料电池堆组件，其包括：

相邻于彼此的多个燃料电池组件；

在多个燃料电池组件的第一端处的第一端板；

在多个燃料电池组件的第二相对端处的第二端板；以及

配置成啮合第一和第二端板并从而将压缩力施加到多个燃料电池组件的连杆，

其中连杆是包括与第一端板啮合的第一啮合表面和与第二端板啮合的第二啮合表面的整体部件。

整体连杆的设置可允许燃料电池的简化结构。整体连杆也可允许与提供并组装包括多个部件的连杆相关的成本的减小。燃料电池堆组件可保持在压缩的期望水平处而不需要调节连杆，因为整体连杆被制造有在第一啮合表面和第二啮合表面之间的预先配置的长度。

第一啮合表面和第二啮合表面可横向于连杆的轴向长度。

第一和第二端板可配置成通过在连杆的第一啮合表面和第二啮合表面上沿着连杆的轴线施加的力将连杆保持在适当的位置上。力可从受约束的多个燃料电池组件从压缩状态的弹性膨胀产生。多个燃料电池组件可施加垂直于多个燃料电池组件的平面的向外的力。

第一端板可包括啮合凹槽。第一端板的啮合凹槽可配置成与连杆的第一啮合表面啮合。第二端板可包括啮合凹槽。第二端板的啮合凹槽可配置成与连杆的第二啮合表面啮合。啮合凹槽的设置可提高连杆在燃料电池组件内的保持，并通过在燃料电池板的平面中的力的施加来防止连杆从组件移除。第一端板的外表面可包括啮合凹槽。第二端板的外表面可包括啮合凹槽。

一个或多个啮合凹槽可包括配置成防止连杆从第一和第二端板脱离的保持构件。

连杆可包括第一啮合部分。连杆可包括第二啮合部分。连杆可包括在轴向方向上在第一啮合部分和第二啮合部分之间的延伸部分。第一啮合部分可具有比延伸部分大的横截面。第二啮合部分可具有比延伸部分大的横截面。连杆的第一啮合表面可设置在第一啮合部分上。连杆的第二啮合表面可设置在第二啮合部分上。

延伸部分可以是圆柱形的，且可以有或可以没有圆形横截面。可选地，延伸部分可以是棱柱的。延伸部分可具有沿着其长度的可变横截面。延伸部分可以是中空或实心的。第一和/或第二啮合部分可以是圆柱形的或棱柱的。第一和/或第二啮合部分可具有沿着其长度的可变横截面。第一和/或第二啮合部分可以是中空或实心的。

第一和第二啮合部分可相邻于连杆的延伸部分的相对端。连杆的第一啮合表面可面向连杆的第二啮合表面。

第一和/或第二端板的侧面可包括侧凹槽。多个燃料电池组件中的每个的侧面可包括侧凹槽。这样的侧凹槽可配置成接纳连杆，并可贯穿端板或燃料电池组件的厚度延伸。可选地，第一和/或第二端板的侧凹槽可在端板内终止且不贯穿端板的厚度延伸。

第一端板和第二端板的侧凹槽可具有公共横截面。第一端板、第二端板的侧凹槽和多个燃料电池组件中的每个可具有公共横截面。侧凹槽的公共横截面可大于或等于连杆的横截面。侧凹槽的公共横截面可大于或等于连杆的延伸部分的横截面。

一个或多个侧凹槽可包括配置成防止连杆从第一和第二端板脱离的保持构件。保持构件可以是夹子。

根据本发明的另一方面，提供了组装燃料电池堆的方法，该方法包括：

使多个燃料电池组件对齐；

将第一端板定位在多个燃料电池组件的第一端处；

将第二端板定位在多个燃料电池组件的第二端处，使得第一端板、多个燃料电池组件和第二端板提供燃料电池堆；

将燃料电池堆压缩到小于燃料电池堆的预期工作尺寸的尺寸；

将整体连杆定位成使得连杆的第一啮合表面在第一端板附近且连杆的第二啮合表面在第二端板附近；

允许燃料电池堆膨胀到预期工作尺寸，此时连杆的第一啮合表面与第一端板啮合，且连杆的第二啮合表面与第二端板啮合，从而阻止燃料电池堆进一步膨胀超出预期工作尺寸。

定位连杆可包括将连杆的延伸部分插入燃料电池堆的侧面中的侧凹槽内。

定位连杆可包括将连杆定位成使得第一啮合表面与在第一端板中的啮合凹槽横向重合。定位连杆可包括将连杆定位成使得第二啮合表面与在第二端板中的啮合凹槽横向重合。与啮合凹槽横向重合的啮合表面可意味着啮合表面位于啮合凹槽之上。

允许燃料电池堆膨胀到预期工作尺寸可包括使连杆的第一啮合表面啮合在第一端板的啮合凹槽中。允许第一端板、多个燃料电池组件和第二端板膨胀到预期工作尺寸可包括使连杆的第二啮合表面啮合在第二端板的啮合凹槽中。

附图说明

现在将参考下面的附图仅作为例子描述本发明，其中：

图1a示出常规燃料电池组件；

图1b示出常规燃料电池堆组件；

图2a示出根据本发明的实施方案的燃料电池堆组件；

图2b示出根据本发明的连杆的视图；

图3示出根据本发明的在连杆、第一端板和第二端板之间的交互作用；

图4示出用在本发明的实施方案上的端板的一部分的示意图；

图5a示出用在本发明的实施方案上的端板的一部分的顶视图的示意图；

图5b示出用在本发明的实施方案上的端板的一部分的透视图的示意图；

图6示出用在本发明的实施方案上的端板的一部分的顶视图的示意图；以及

图7示出根据本发明的实施方案的组装燃料电池堆的方法。

具体实施方式

本发明的一个或多个实施方案涉及包括整体连杆的燃料电池堆，与通过其它工具例如螺母固定的连杆相反。连杆通过在压缩下的燃料电池组件和在整体连杆上在其末端附近设置的啮合表面之间的交互作用保持在燃料电池堆中的适当位置上。整体连杆可被考虑为自身固定的。

在下面的描述中，相应的参考构件用于在图2到5中的相应特征。不一定关于每个附图描述多于一个附图所共有的特征。

图2a示出包括多个燃料电池组件102、第一端板104、第二端板108和多个连杆112的燃料电池堆组件100。

燃料电池组件102设置成以堆的形式相邻于彼此。第一端板104位于多个燃料电池组件102的第一端处，使得第一端板104的内表面106相邻于燃料电池组件102。第二端板108位于多个燃料电池组件102的相对第二端110处，使得第二端板108的内表面110相邻于燃料电池组件102。

在连杆112通过外力插入之前，燃料电池堆的多个燃料电池组件102在垂直于燃料电池组件102的平面的方向上压缩。在图2a中以参考数字180示意性示出外力。外力180在第一和第二端板104、108之间施加压力。连杆112配置成当外力被移除时啮合第一和第二端板104、108。多个燃料电池组件102可被考虑为使力施加到连杆112的啮合表面以将它保持在适当的地方，如下面更详细描述的。

可在图2b中更清楚地看到连杆212的特征。连杆212包括延伸部分213、第一啮合部分214和第二啮合部分216。延伸部分213在轴向方向上延伸。第一和第二啮合部分214、216沿着连杆212的延伸部分213的轴向长度设置在相对的末端处或附近。啮合部分214、216在垂直于轴线的尺寸上比延伸部分213宽。在本例中，延伸部分213及第一和第二啮合部分214、216都是具有圆形横截面的圆柱体，虽然这不需要是这种情况。实际上，延伸部分213及第一和第二啮合部分214、216中的一个或多个根本不需要是圆柱形的。在一些实施方案中，延伸部分213及第一和第二啮合部分214、216可每个具有任何形状的横截面。

连杆212是整体部件。这样的整体部件可以不需要任何单独的固定工具例如螺母来将它保持在适当的位置上。整体部件可被设置为单片材料。铸造、注射成型或机器加工可能是用于制造这样的整体部件的适当方法。将认识到，各种各样的制造技术可用于形成整体连杆。

在本例中，连杆212的延伸部分213包括内部区段213a、213b和外部区段214a、216a。外部区段214a、216a通过相应的啮合部分214、216与内部区段213a、213b分离。外部区段214a、216a可用于抓住或保持连杆212，当它位于燃料电池堆组件100中时。

仅为了例证性目的，在图2b中以不连续性示出内部区段213a、213b。内部区段213a、213b包括在轴向方向上布置在延伸部分213的内部区段213a、213b的相对末端处的第一部分213a和第二部分213b。

图3示出第一端板304、第二端板308和连杆312。下面提供了连杆312如何与第一和第二端板304、308啮合的描述。

连杆312的延伸部分具有相邻于第一啮合部分314并在第一啮合部分314内部的第一部分313a。延伸部分的第一部分313a与第一端板304中的凹槽340a啮合。第一啮合部分314具有当燃料电池堆组件被组装且不在外部压缩下时与第一端板304的外表面307啮合的第一啮合表面315。

类似地，连杆312的延伸部分具有相邻于第二啮合部分316并在第二啮合部分316内部的第二部分313b。延伸部分的第二部分313b与第二端板308中的凹槽340b啮合。第二啮合部分316具有当燃料电池堆组件被组装且不在外部压缩下时与第二端板308的外表面311啮合的第二啮合表面317。

在第一和第二端板304、308中的凹槽340a、340b可被称为侧凹槽。

可通过在连杆的第一和第二啮合部分314、316上在连杆312的轴线上由相应的端板304、308施加的力将连杆312保持在燃料电池组件内的适当位置上。力从多个燃料电池组件从在堆的组装期间由外部压力形成的其压缩状态的弹性膨胀产生。

图4示出端板404的一部分的可选实施方案。端板404具有内表面406和外表面407。当燃料电池堆被组装时，内表面406比外表面407更接近燃料电池组件。端板404还具有连接内表面406和外表面407的侧表面442。

将认识到，第二端板可具有实质上与第一端板相同的结构，以及在图4a中示出的端板404可代表第一或第二端板。

端板404包括位于侧表面442中的侧凹槽440a。侧凹槽440a在垂直于侧表面442的深度方向上延伸。在图4所示的例子中，侧凹槽贯穿端板404从内表面406延伸到外表面407。可选地，侧凹槽的厚度可从内表面406延伸并在端板404内终止。侧凹槽440a配置成容纳连杆的延伸部分的第一或第二部分。也就是说，连杆的延伸部分可在燃料电池堆的组装期间被接纳在侧凹槽440a内。

将认识到，侧凹槽也可设置在每个燃料电池组件中，燃料电池组件设置在第一和第二端板之间。在每个燃料电池组件中的侧凹槽可具有与设置在第一和第二端板中的侧凹槽类似的几何结构。特别是，所有侧凹槽可具有公共横截面，以便允许连杆插入它们内。公共横截面可具有比连杆的延伸部分更大的宽度或与系统的延伸部分相等的宽度。

图4的端板404还包括啮合凹槽444。啮合凹槽444位于端板404的外表面407上。啮合凹槽444在垂直于外表面407的深度方向上延伸。啮合凹槽444的底部为连杆提供啮合表面446。在本例中，啮合表面446与外表面407和内表面406都平行，虽然将认识到，这可能并不总是这种情况。

图5示出端板504的一部分的另一可选的实施方案。图5a示出端板504的顶视图。图5b示出类似于图4的视图的端板504的透视图。

端板504包括具有比连杆的直径更大的深度的细长侧凹槽540。侧凹槽540是具有进入部分548和啮合部分550的空隙。连杆的延伸部分可穿过进入部分548插入并放置成当在啮合部分550处的适当位置上时与端板接触。在啮合部分550处，端板504的啮合表面546可通过在燃料电池堆组件上的过压缩与连杆的啮合表面接触。过压缩是施加到燃料电池组件的力以将它压缩到小于它的预期工作尺寸的厚度。

在一些例子中，啮合凹槽544可具有保持构件以防止连杆远离在使用中的啮合部分550移动，从而防止连杆从端板504脱离。这样的保持构件可以是在端板的啮合表面546上的壁或凸起区段，连杆的啮合部分必须在啮合表面546之上通过以将它定位在侧凹槽540的啮合部分550中。一旦燃料电池堆被允许膨胀到工作尺寸，保持构件就可向从啮合部分朝着侧凹槽540的进入部分548移动的连杆提供障碍。

图6示出端板604的一部分的可选实施方案的顶视图。端板604包括细长侧凹槽640。如同图5a的实施方案一样，侧凹槽640是具有进入部分648和啮合部分650的空隙。在本例中，侧凹槽640具有保持构件以防止连杆远离在使用中的啮合部分650移动，从而防止系统从端板604脱离。在这个实施方案中的保持构件是夹子651，其弹性地可变形以便允许连杆将保持构件传递到侧凹槽640的啮合部分650中。夹子651的弹性向从啮合部分朝着侧凹槽640的进入部分648移动的连杆提供障碍。

图7示出组装燃料电池堆组件的方法。

该方法以在步骤701多个燃料电池组件的对齐开始。随后，第一端板在步骤702位于多个燃料电池组件的第一端处。可选地，多个燃料电池组件可顺序地堆叠在第一端板上。第二端板然后在步骤703位于多个燃料电池组件的第二端处。第一端板、多个燃料电池组件和第二端板可被考虑为提供燃料电池堆。

该方法通过在步骤704将燃料电池堆压缩到比燃料电池堆的预期工作尺寸小的尺寸而继续进行。这可被称为过压缩。整体连杆然后在步骤705定位成使得连杆的第一啮合表面在第一端板附近且连杆的第二啮合表面在第二端板附近。这个定位步骤705可通过将连杆的延伸部分插入第一和第二端板的侧凹槽内来实现。燃料电池堆然后在步骤706被允许膨胀到预期工作尺寸。在这个步骤被执行之后，连杆的第一啮合表面与第一端板啮合，且连杆的第二啮合表面与第二端板啮合，从而阻止燃料电池堆在预期工作尺寸之外进一步膨胀。

Claims (20)

1.一种燃料电池堆组件，其包括：

相邻于彼此的多个燃料电池组件；

在所述多个燃料电池组件的第一端处的第一端板；

在所述多个燃料电池组件的第二相对端处的第二端板；以及

配置成啮合所述第一端板和第二端板并从而将压缩力施加到所述多个燃料电池组件的连杆，

其中所述连杆是包括与所述第一端板啮合的第一啮合表面和与所述第二端板啮合的第二啮合表面的整体部件。

2.如权利要求1所述的燃料电池堆组件，其中所述第一啮合表面和所述第二啮合表面横向于所述连杆的轴向长度。

3.如权利要求1或权利要求2所述的燃料电池堆组件，其中所述第一端板和第二端板配置成通过在所述连杆的所述第一啮合表面和所述第二啮合表面上沿着所述连杆的轴线施加的力将所述连杆保持在适当的位置上，所述力从所述多个燃料电池组件从压缩状态的受约束的膨胀产生。

4.如任一前述权利要求所述的燃料电池堆组件，其中所述第一端板包括啮合凹槽，所述第一端板的所述啮合凹槽配置成啮合所述连杆的所述第一啮合表面，且所述第二端板包括啮合凹槽，所述第二端板的所述啮合凹槽配置成啮合所述连杆的所述第二啮合表面。

5.如权利要求4所述的燃料电池堆组件，其中所述第一端板的外表面包括所述啮合凹槽，且所述第二端板的外表面包括所述啮合凹槽。

6.如权利要求4或权利要求5所述的燃料电池堆组件，其中所述啮合凹槽包括配置成防止所述连杆从所述第一端板和第二端板脱离的保持构件。

7.如任一权利要求所述的燃料电池堆组件，其中所述连杆包括第一啮合部分、第二啮合部分和在轴向方向上在所述第一啮合部分和所述第二啮合部分之间的延伸部分，所述啮合部分具有比所述延伸部分大的横截面，且其中所述连杆的所述第一啮合表面设置在所述第一啮合部分上，所述连杆的所述第二啮合表面设置在所述第二啮合部分上。

8.如权利要求7所述的燃料电池堆组件，其中所述延伸部分是圆柱形的。

9.如任一权利要求所述的燃料电池堆组件，其中所述连杆的所述第一啮合表面面向所述连杆的所述第二啮合表面。

10.如任一权利要求所述的燃料电池堆组件，其中所述第一端板的侧面包括侧凹槽，且所述第二端板的侧面包括侧凹槽，其中所述侧凹槽配置成接纳所述连杆。

11.如权利要求10所述的燃料电池堆组件，其中所述侧凹槽贯穿所述第一端板和所述第二端板的厚度延伸。

12.如权利要求10或11所述的燃料电池堆组件，其中所述第一端板和第二端板的所述侧凹槽具有公共横截面。

13.如权利要求12所述的燃料电池堆组件，其中所述侧凹槽的公共横截面大于或等于所述连杆的横截面。

14.如权利要求10到13中的任一项所述的燃料电池堆组件，其中所述侧凹槽包括配置成防止所述连杆从所述第一端板和第二端板脱离的保持构件。

15.一种组装燃料电池堆的方法，所述方法包括：

使多个燃料电池组件对齐；

将第一端板定位在所述多个燃料电池组件的第一端处；

将第二端板定位在所述多个燃料电池组件的第二端处，使得所述第一端板、所述多个燃料电池组件和所述第二端板提供燃料电池堆；

将所述燃料电池堆压缩到小于所述燃料电池堆的预期工作尺寸的尺寸；

将整体连杆定位成使得所述连杆的第一啮合表面在所述第一端板附近且所述连杆的第二啮合表面在所述第二端板附近；

允许所述燃料电池堆膨胀到所述预期工作尺寸，此时所述连杆的所述第一啮合表面与所述第一端板啮合，且所述连杆的所述第二啮合表面与所述第二端板啮合，从而阻止所述燃料电池堆进一步膨胀超出所述预期工作尺寸。

16.如权利要求15所述的方法，其中定位所述连杆包括将所述连杆的延伸部分插入所述燃料电池堆的侧面中的侧凹槽内。

17.如权利要求16所述的方法，其中定位所述连杆包括将所述连杆定位成使得所述第一啮合表面与在所述第一端板中的啮合凹槽横向重合以及所述第二啮合表面与在所述第二端板中的啮合凹槽横向重合。

18.如权利要求17所述的方法，其中允许所述燃料电池堆膨胀到所述预期工作尺寸包括使所述连杆的所述第一啮合表面啮合在所述第一端板的所述啮合凹槽中以及使所述连杆的所述第二啮合表面啮合在所述第二端板的所述啮合凹槽中。

19.一种如参考附图2到6在本文描述的燃料电池堆组件。

20.一种用于组装燃料电池堆组件的方法，所述方法基本上如参考附图7在本文描述的。