CN106856248B - 燃料电池堆外壳 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池堆外壳包括：下壳体，布置在燃料电池堆下面并具有底板部分，在该底板部分中具有水出口；密封盖，将水出口与下壳体的外部封闭；以及弹性构件，朝向下壳体的底板部分弹性拉动密封盖。

Description

燃料电池堆外壳

技术领域

本公开涉及一种燃料电池堆外壳，并且更具体地，涉及这样一种燃料电池堆外壳：其具有密封结构以防止布置在燃料电池堆外壳中的燃料电池堆与外部空气接触，并且具有水密结构以维持燃料电池堆的最佳操作性能。

背景技术

燃料电池系统是一种将燃料的化学能直接转换成电力的电力生成系统。燃料电池系统包括：燃料电池堆，该燃料电池堆生成电力；燃料供应单元，该燃料供应单元向燃料电池堆供应燃料(即，氢气)；空气供应单元，该空气供应单元向燃料电池堆供应用作引起电化学反应的氧化剂的空气(即，氧气)；以及热量和水管理单元，该热量和水管理单元将热量从燃料电池堆排出并控制燃料电池堆的操作温度。燃料电池堆通过氢气(燃料)与氧气(空气)之间的电化学反应产生电力，并且也生成需要从燃料电池堆排出的副产物(热量和水)。

适用于燃料电池车辆的燃料电池堆包括布置成成一排的多个单个电池。每个单个电池包括布置在中央的膜电极组件(MEA)。MEA包括允许质子穿过的电解质膜。在电解质膜的相应表面上设置有用作阴极和阳极的催化层，氢气和氧气在该阴极和阳极处相互反应。气体扩散层(GDL)布置在催化层的表面上。在GDL的表面上布置有隔离件，该隔离件具有使燃料和空气通过该隔离件而供应至阳极和阴极的相应流场(通道)。端板布置在单个电池的相应端部处以牢固地结合所有元件。

在燃料电池堆中，氢气和氧气由催化层通过化学反应进行电离。然后，发生氧化反应，以在供应了氢气的燃料电极上生成质子(氢离子)和电子。发生涉及氢离子和氧离子的还原反应，以在供应了空气的空气电极上产生水。用于燃料电池的常见电极催化剂包括由碳材料制成的催化剂载体以及诸如为Ru、Co、Cu等的助催化剂。氢气被供应至阳极(也被称为“氧化电极”)，并且氧气(空气)被供应至阴极(也被称为“还原电极”)。通过布置在电解质膜的相应表面上的电极层上的催化剂，将供应至阳极的氢气分离成质子H⁺和电子e^-。在质子和电子中，只有质子可选择性地穿过被称为质子交换膜的电解质膜并到达阴极，并且电子移动穿过GDL(导电层)以及隔离件以达到阴极。

通过电解质膜和隔离件到达阴极的氢离子和电子与包含在由空气供应单元供应至阴极的空气中的氧气结合，从而产生水。此时，氢离子的移动引起沿着外部接线流动的电流。此时，除了水以外，也伴随产生作为副产物的热量。

通常，外壳容纳并密封提供高电压的燃料电池堆，以物理地保护燃料电池堆。在这种情况下，由于由外壳的内部与外部之间的温度差引起的冷凝，可在外壳中产生水。此外，通过布置在外壳中的燃料电池堆产生的水可聚集在外壳中。因此，需要一种用于排出由燃料电池堆产生的水以及由于冷凝生成的水的有效装置。

传统地，用于排出水的水出口形成在外壳的下壳体中，作为用于将水从外壳中排出的装置。传统的排水装置具有的问题在于可使得污染物进入外壳，这通常导致布置在外壳中的燃料电池堆故障。此外，对于传统外壳而言，水移除效率取决于水出口的位置、尺寸和数量。也就是说，随着水出口的数量增加，能改进水移除效果，但密封性能劣化。

以上仅旨在帮助本公开的背景的理解，而并非旨在表示本公开落在本领域技术人员已知的现有技术的范围内。

发明内容

本公开牢记现有技术中出现的上述问题，并且本公开旨在提出这样一种燃料电池堆外壳：其具有切断与外部空气的接触的密封结构以避免杂质或污染物侵入燃料电池堆中，并且具有水密结构以维持布置在燃料电池堆外壳中的燃料电池堆的最佳工作性能。

根据本公开中的一个实施方式，燃料电池堆外壳包括：下壳体，该下壳体布置在燃料电池堆下面并具有底板部分，在该底板部分中具有水出口；密封盖，该密封盖将水出口与下壳体的外部封闭；以及弹性构件，该弹性构件朝向下壳体的底板部分弹性拉动密封盖。

在燃料电池堆外壳中，下壳体的下部的周缘部分可向该下壳体的下端呈锥形，使得下壳体具有从下壳体的周缘部分向下倾斜的倾斜部分，并且底板部分的端部可连接至倾斜部分的端部。

倾斜部分与底板部分可连接以在该倾斜部分和底板部分上形成存储空间来存储在燃料电池堆外壳中收集的水。

当存储在存储空间中的水的重量达到或超过一预定值时，弹性构件可延伸以向下推动密封盖，并由此打开密封盖，使得存储的水从燃料电池堆外壳排出。

燃料电池堆外壳还可包括布置在燃料电池堆与下壳体的底板部分之间的脱水构件。

燃料电池堆外壳还可包括布置在燃料电池堆与下壳体的底板部分之间的过滤构件。

燃料电池堆外壳还可包括布置在过滤构件与下壳体的底板部分之间的脱水构件。

过滤构件可以是多孔膜、无纺布或纸。

水出口可具有圆柱形形状并从下壳体的底板部分的下表面延伸。

弹性构件可包括：平坦部分，该平坦部分具有的直径大于水出口的直径；以及突出部，该突出部从平坦部分延伸至水出口的内部，使得突出部的侧表面面向水出口的内表面。

根据本公开中的另一实施方式，燃料电池堆外壳包括：下壳体，该下壳体布置在燃料电池堆下面并具有底板部分，该底板部分设置有形成在该底板部分中的水出口；密封盖，该密封盖将水出口与下壳体的外部封闭；弹性构件，该弹性构件朝向下壳体的底板部分弹性拉动密封盖；过滤构件，该过滤构件布置在燃料电池堆与下壳体的底板部分之间；以及脱水构件，该脱水构件布置在过滤构件与下壳体的底板部分之间。当存储在下壳体中的水的重量达到或超过一基准值时，弹性构件延伸以通过水向下推动密封盖，使得水从燃料电池堆外壳排出。

根据本公开的燃料电池堆外壳可在不使用电力或驱动力的情况下排出水，这导致简化的燃料电池系统。此外，因为即使在车辆停车时也能执行水的排放，所以由水引起的问题可显著降低。

此外，因为由于布置在燃料电池堆外壳中的脱水构件的存在而在燃料电池堆的各种工作状态下维持预定程度的干燥，以及因为通过密封盖维持燃料电池堆外壳的密封状态，所以在燃料电池堆外壳中不存在水的正常状态下，燃料电池堆外壳可保护燃料电池堆免受外部杂质或污染物的影响。

附图说明

图1是根据本公开中的一个实施方式的燃料电池堆外壳的下壳体的立体截面图。

图2是根据本公开中的实施方式的在燃料电池堆外壳的下壳体中形成的水出口的放大视图。

图3是示出了根据本公开中的实施方式的燃料电池堆外壳的截面图。

图4是示出了根据本公开中的实施方式的将水从燃料电池堆外壳中排出的状态的截面图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述根据本公开中的实施方式的燃料电池堆外壳。

图1是根据本公开中的一个实施方式的燃料电池堆外壳的下壳体的立体截面图；图2是根据本公开中的实施方式的在燃料电池堆外壳的下壳体中形成的水出口的放大视图；并且图3是示出了根据本公开中的实施方式的燃料电池堆外壳的截面图。

参考图1至图3，根据本公开的燃料电池堆外壳1包括下壳体10、密封盖20以及弹性构件30。

下壳体10是燃料电池堆外壳的下部。下壳体10与侧壳体和上壳体结合以形成密封空间而在其中容纳燃料电池堆。燃料电池堆布置在下壳体10中。

根据本公开中的一个实施方式，下壳体10的下部包括：平坦部分11(在下文中，被称为底板部分)，该平坦部分布置在中央；以及倾斜部分12，该倾斜部分布置在下壳体10的周缘部分中。底板部分11设置有水出口H。在燃料电池堆外壳1中生成的水被存储在底板部分11的顶面上(即，在燃料电池堆与底板部分11之间形成的空间中)，然后当满足特定条件时，通过水出口H将水从燃料电池堆外壳1中排出。后文将描述水排放的过程。

下壳体10的下部的周缘部分向其下端呈锥形。也就是说，下壳体10具有从下壳体10的周缘部分向下倾斜的倾斜部分12。倾斜部分12的端部连接至底板部分11的端部。在倾斜部分12和底板部分11上形成存储空间S以存储在燃料电池堆外壳1中生成的水。由于倾斜部分12，水可沿着燃料电池堆外壳1的倾斜的内表面而轻易向下流动至水出口H，并且因此可通过水出口H轻易排出。也就是说，下壳体的倾斜部分促进水的排放。

密封盖20布置为将水出口H与下壳体10的外部封闭。密封盖20可由具有弹性的橡胶或硅树脂制成，以便当在燃料电池堆外壳1中不存在水时，通过封闭水出口H而保证燃料电池堆外壳1的内部的可靠密封。此外，为了实现可靠密封状态，密封盖20包括：平坦部分21，该平坦部分具有的尺寸大于水出口H的尺寸；以及突出部22，该突出部从平坦部分21的顶面延伸，并且当突出部22插入水出口H中时，该突出部具有面向水出口H的内表面的侧表面。

为了增加密封盖20的密封效果，水出口H可具有从底板部分11的底面向下延伸的圆柱形形状，并且密封盖20可布置在用作水出口H的圆柱体的端部。

弹性构件30的第一端耦接至底板部分11的下部，并且弹性构件30的第二端(剩余端)耦接至密封盖20，从而弹性地保持密封盖20。根据本公开，除了在水从燃料电池堆外壳1中排出的时间段以外，该燃料电池堆外壳都需要保持密封状态。因此，弹性构件30朝向燃料电池堆外壳1的下壳体的底板部分弹性拉动密封盖20。

弹性构件30可以是螺旋弹簧。当水出口H具有从下壳体的底板部分的底面向下延伸的圆柱形形状时，螺旋弹簧布置成围绕圆柱形水出口H。

图4是示出了根据本公开中的一个实施方式的将水从燃料电池堆外壳1中排出的状态的截面图。

根据本公开，当在燃料电池堆外壳1中生成水时，水可由于重力而被收集在下壳体10的底板部分11的顶面上。当收集的水的重量达到或超过根据用作弹性构件的螺旋弹簧的弹簧常量而确定的预定值时，弹簧30向下延伸以向下推动密封盖20使得打开水出口H。因此，如图4所示，收集的水W2可从燃料电池堆外壳1排出。在水完全排出之后，密封盖20由于弹性构件30的弹性恢复力而返回以封闭水出口H。

根据本公开，燃料电池堆外壳1还可包括脱水构件40和过滤构件50。根据图1至图3，燃料电池堆外壳1包括脱水构件40和过滤构件50两者。然而，可替换地，根据本公开的燃料电池堆外壳1可仅包括脱水构件40和过滤构件50中的任一个。

脱水构件40和/或过滤构件50可布置在燃料电池堆与下壳体的底板部分11之间。在燃料电池堆外壳1包括脱水构件40和过滤构件50两者的情况下，过滤构件50可布置在燃料电池堆与脱水构件40之间。

脱水构件40吸收在燃料电池堆外壳1中生成的水或湿气，由此使燃料电池堆外壳1的内部空间脱水。脱水构件40可具有包括均为溶解性物质(deliquescent substances，易潮解物质)的膨润土、氯化钙(CaCl)或氢氧化钠(NaOH)的组合物。根据本公开的燃料电池堆外壳1可包括脱水剂支撑板60，该脱水剂支撑板为多孔板，并且在该脱水剂支撑板上支撑脱水构件40。

脱水构件40吸收在燃料电池堆外壳1内生成的湿气或水。然而，当在燃料电池堆外壳1中生成的湿气或水的量超过脱水构件40的吸水能力时，或者当脱水构件40过度吸收超过其吸水能力的水量时，吸收的水可在下壳体10的底板部分11的顶面上形成水池(waterpool)，并且由此存储在燃料电池堆外壳1中。当存储在下壳体10的底板部分11上的水的量达到或超过预定量时，弹性构件(弹簧)30如以上描述地延伸，并且密封盖20向下移动以打开水出口H。因此，存储的水可从燃料电池堆外壳1排出。

过滤构件50用于防止包含在下面的脱水构件40中的或存储在底板部分11上的水将布置在该过滤构件上的燃料电池堆弄湿。

过滤构件50可由均由聚四氟乙烯(PTFE)制成的多孔膜、无纺布或纸制成。

基于PTFE的多孔膜具有微尺寸孔，由此允许空气和/或蒸汽穿过，而不允许液相水或灰尘穿过。当燃料电池堆工作时，也就是说，当燃料电池堆外壳1中的湿度增加时，气相的湿气W1穿过基于PTFE的多孔膜，然后被脱水构件50吸收。

无纺布或纸也具有像基于PTFE的多孔膜一样的微尺寸孔。该无纺布或多孔纸允许空气或蒸汽穿过而不允许灰尘穿过。无纺布或纸具有吸收湿气或液相水的能力。就允许空气或蒸汽穿过而言，无纺布或多孔纸具有与基于PTFE的多孔膜几乎相同的效果。此外，当湿气或液相水被收集在无纺布或多孔纸的顶面上时，该无纺布或多孔纸允许水在重力的方向上穿过其本身。穿过由无纺布或多孔纸制成的过滤构件的湿气或液相水遇到脱水构件40，然后被收集在水出口H中。

当在燃料电池堆工作或不工作的状态下，湿气或汽相水在燃料电池堆外壳1中增加时，燃料电池堆外壳1中的湿度通过由基于PTFE的多孔膜制成的过滤构件管理。另一方面，当湿气或液相水在燃料电池堆外壳1中增加时，燃料电池堆外壳1中的湿度被管理成使得湿气或水被由无纺布或纸制成的过滤构件吸收并最终被收集在水出口H中。

如上所述，根据本公开的燃料电池堆外壳可在不使用电力或驱动力的情况下排出水，这导致简化的系统。此外，因为即使在车辆停车时也能执行水的排放，所以由水引起的问题显著降低。

具体地，根据本公开的燃料电池堆外壳通过可使用脱水构件在燃料电池堆的各种工作状态下维持预定程度的干燥。此外，因为在燃料电池堆外壳中不存在水的正常状态下，燃料电池堆外壳的密封状态由密封盖维持，所以能够有效地保护燃料电池堆免受杂质或污染物的影响。

尽管出于说明性目的已描述了本公开中的示例性实施方式，但本领域技术人员将理解到，在不背离如在所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可进行各种修改、添加以及替换。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆外壳，包括：

下壳体，所述下壳体布置在燃料电池堆下面并具有底板部分，在所述底板部分中具有水出口；

密封盖，所述密封盖将所述水出口与所述下壳体的外部封闭；以及

弹性构件，所述弹性构件朝向所述下壳体的所述底板部分弹性拉动所述密封盖，

其中，当存储在存储空间中的水的重量达到或超过一基准值时，所述弹性构件延伸以向下推动所述密封盖，并由此打开所述密封盖，使得存储的水从所述燃料电池堆外壳排出。

2.根据权利要求1所述的燃料电池堆外壳，其中，由于所述下壳体的下部的周缘部分向所述下壳体的下端呈锥形，所以所述下壳体具有从所述下壳体的所述周缘部分向下倾斜的倾斜部分，并且所述底板部分的端部连接至所述倾斜部分的端部。

3.根据权利要求2所述的燃料电池堆外壳，其中，所述倾斜部分与所述底板部分连接以在所述倾斜部分和所述底板部分上形成存储空间来存储在所述燃料电池堆外壳中收集的水。

4.根据权利要求1所述的燃料电池堆外壳，还包括：

脱水构件，所述脱水构件布置在所述燃料电池堆与所述下壳体的所述底板部分之间。

5.根据权利要求1所述的燃料电池堆外壳，还包括：

过滤构件，所述过滤构件布置在所述燃料电池堆与所述下壳体的所述底板部分之间。

6.根据权利要求5所述的燃料电池堆外壳，还包括：

脱水构件，所述脱水构件布置在所述过滤构件与所述下壳体的所述底板部分之间。

7.根据权利要求5所述的燃料电池堆外壳，其中，所述过滤构件是多孔膜、无纺布或纸。

8.根据权利要求1所述的燃料电池堆外壳，其中，所述水出口具有圆柱形形状并从所述下壳体的所述底板部分的下表面延伸。

9.根据权利要求1所述的燃料电池堆外壳，其中，所述弹性构件包括：

平坦部分，所述平坦部分具有的直径大于所述水出口的直径；以及

突出部，所述突出部从所述平坦部分延伸至所述水出口的内部，使得所述突出部的侧表面面向所述水出口的内表面。

10.一种燃料电池堆外壳，包括：

下壳体，所述下壳体布置在所述燃料电池堆下面并具有底板部分，所述底板部分设置有形成在所述底板部分中的水出口；

密封盖，所述密封盖将所述水出口与所述下壳体的外部封闭；

弹性构件，所述弹性构件朝向所述下壳体的所述底板部分弹性拉动所述密封盖；

过滤构件，所述过滤构件布置在所述燃料电池堆与所述下壳体的所述底板部分之间；以及

脱水构件，所述脱水构件布置在所述过滤构件与所述下壳体的所述底板部分之间，

其中，当存储在所述下壳体中的水的重量达到或超过一基准值时，所述弹性构件延伸以通过水向下推动所述密封盖，使得水从所述燃料电池堆外壳排出，

其中，当存储在存储空间中的水的重量达到或超过一基准值时，所述弹性构件延伸以向下推动所述密封盖，并由此打开所述密封盖，使得存储的水从所述燃料电池堆外壳排出。

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