CN107275662A - 带拉紧装置的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有相互邻近布置的单体电池单元(14)的电池单元堆(12)和用于压缩电池单元堆(12)的拉紧装置(20)的燃料电池堆(10)。每个单体电池单元(14)具有两个电极层(16)和布置在电极层(16)之间的电解质层(18)。拉紧装置(20)包括从电池单元堆(12)的一端延伸到电池单元堆(12)的另一端的至少一个拉紧元件(22)。此外，燃料电池堆(10)包括用于将端板(38)压靠在电池单元堆(12)的一端上的至少一个压电致动器(40)。本发明还涉及一种用于操作燃料电池堆(10)的相应方法。

Description

带拉紧装置的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种燃料电池堆，其具有彼此相邻布置的单体电池单元的电池单元堆和用于压缩电池单元堆的拉紧装置。本发明还涉及一种用于操作燃料电池堆的方法。
背景技术
燃料电池堆通常包含多个单体电池单元，其彼此相邻地布置在电池单元堆中，并且其中化学能在每种情况下通过燃料与氧化剂的反应被直接转换成电能。每个单体电池单元又包括多个板或层，其中的两个被设计为电极。在电极之间设置电解质层。另外的层是例如用于气态燃料和氧化剂的均匀分布的气体扩散层，或用于相对于相邻单体电池单元划界的隔离层。在层或板的外边缘处的密封件防止气体和流体的不期望的渗出。根据化学反应，每个单体电池单元产生大约1伏的电压。在许多单体电池单元的堆叠布置的情况下，它们串联连接地操作，由此在燃料电池堆的端部产生相应高的输出电压。
在燃料电池堆的操作期间，燃料和氧化剂在优选压力范围内的压力下被引入电池单元堆中。此外，燃料电池堆通常在高于环境温度的温度范围内运行，由于化学反应而发生额外的加热。因此，传统的燃料电池堆具有将各个电池单元彼此压紧的拉紧装置。拉紧装置在每种情况下包括在堆叠的两端处的端板。端板例如通过拉紧杠杆或拉紧带彼此连接并压缩电池单元堆堆栈。这防止燃料或氧化剂逸出并且由于各个电池单元的所有层或板之间的大面积接触而实现良好的导电性。
为了避免损坏单体电池单元的密封件或单个层，拉紧装置还必须以尽可能灵活的方式实现燃料电池堆的热膨胀或收缩。为此，例如在一个或两个端板处，在拉紧杠杆或拉紧带和端板之间设置弹簧元件。通过该措施，确保即使在堆的收缩或膨胀期间，单体电池单元和包含在其中的层或板被以预定力压缩。
专利申请US 2002/0110722A1描述了一种燃料电池堆，其在电池单元堆和端板之间具有金属压力波纹管。压力波纹管可以由加压气体加载，并且代替弹簧元件来压缩堆栈。通过改变压力波纹管中的压力，可以快速和灵活地将压力调整到期望的值。
在专利申请US 2009/0246585A1中描述了用于压缩燃料电池堆中的单体电池单元的类似原理。在每个单独电池单元中的层之间设置有腔室，该腔室可以受到压力下的燃料的作用。周围的层或板通过腔室中的压力向外挤压。布置在刚性框架中的单体电池单元通过腔室中的压力被压缩。为每个单体电池单元提供可控阀以调节腔室中的压力。阀包括例如用于控制阀的压电元件。
具有由弹簧元件预拉紧的拉紧装置的燃料电池堆的缺点在于，在操作之前指定取决于堆栈的膨胀的针对端板的压力，并且在操作期间不再调整。此外，弹簧元件在燃料电池堆的使用寿命期间可能变得疲劳，由此可能在单体电池单元中或之间发生气体泄漏或有缺陷的电接触。在具有在单体电池单元中的压力波纹管或压力腔室的燃料电池堆中，也可以在运行期间调节用于压缩堆的压力。然而，为此目的，压力波纹管或每个单体电池单元需要可变压力阀和相应的控制。这导致燃料电池堆的结构更复杂且易于故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃料电池堆和用于操作燃料电池堆的方法，其中避免或至少减少上述缺点，特别是为了压缩电池单元堆进行的可靠且不复杂的压力调节在操作期间也是可能的。
根据本发明，该目的通过具有相互邻近布置的单体电池单元的电池单元堆和用于压缩电池单元堆的拉紧装置的燃料电池堆来实现。在此，每个单体电池单元具有两个电极层和布置在电极层之间的电解质层。拉紧装置包括至少一个拉紧元件，该拉紧元件从电池单元堆的一端延伸到电池单元堆的另一端。燃料电池堆还包括至少一个用于将端板压靠在电池单元堆的一端上的压电致动器。
除了电极层和电解质层之外，根据本发明的燃料电池堆的单体电池单元可具有另外的板或层，例如用于燃料和氧化剂的均匀分布的气体扩散层(GDL)，用于相对于相邻单体电池单元划界的隔离层，用于防止燃料、氧化剂或电解质流体逸出的密封层。单体电池单元的层或板特别地以夹层状方式布置并且可以在边缘处被密封件包围。根据本发明的燃料电池堆包含例如质子交换膜燃料电池或本领域技术人员已知的其它电池单元类型作为单体电池单元。在本文中，氢气或气态烃如甲烷优选用作燃料，氧气用作例如氧化剂。单体电池单元优选地以夹层式方式相互邻近地布置，使得形成各个电池单元的电串联连接。为了向单体电池单元提供燃料和氧化剂并且排出反应产物，燃料电池堆还包括适当设计的管线或通道。
拉紧装置包括例如一个或多个拉紧螺栓、一个或多个拉紧带、框架或这些元件的组合来作为拉紧元件。拉紧装置尤其确保在不同的热膨胀的情况下单体电池单元的电池单元堆的柔性保持和压缩。为此，在根据本发明的燃料电池堆中，至少一个压电致动器作用在设置在电池单元堆一端处的端板上。压电致动器包含例如压电晶体、压电陶瓷或这些材料之一的单个元件的堆叠。压电材料根据施加的电压呈现不同的体积。根据施加的电压，压电致动器更大或更小程度地作用在端板上。端板优选具有对应于或类似于电池单元堆的横截面并且用于将由压电致动器产生的压力均匀分布到电池单元堆的端部的区域。在此，至少一个压电致动器优选地通过拉紧元件保持在适当位置。
用于操作燃料电池系统的本发明的燃料电池单元堆特别适合于移动应用，例如用于在机动车辆中产生电能。通过至少一个压电致动器，可以以灵活和非常精确的方式调节用于压缩电池单元堆的针对端板的压力。有效地防止了由老化对拉紧装置的影响引起的压力不足和由此产生的泄漏。同样，有效地避免了在电池单元堆的高热膨胀的情况下由于太高的压力导致的对单体电池单元或密封件的损坏。
根据本发明的优选实施例，在各种情况下，在电池单元堆的两端分别设置端板和用于将端板压靠电池单元堆的相应端部的至少一个压电致动器。例如，压电致动器布置在两个端板中的每一个处，使得其压力区域在平行于电池单元堆的纵向轴线的轴线上抵靠相应的端板。因此，压电致动器沿着平行于电池单元堆的纵向轴线的轴线压缩两个端板。因此，这里的电池单元堆的压缩可以从两端对称地进行。通过与仅在一端具有压电致动器的燃料电池堆相比，由于压缩而导致的单体电池单元的可能的或必然的位移更均匀地分布在整个电池单元堆上。
根据本发明的另一有利实施例，在一个端板处设置多个压电致动器。优选地，在每种情况下为端板的多个区域中的一个设置一个压电致动器。例如，四个压电致动器中的一个可以布置在矩形端板的每个拐角处。根据一个实施例，在每种情况下在两个端板处设置多个压电致动器，特别是四个压电致动器。因此，端板的不同区域以及因此电池单元堆的不同纵向区域可以由不同的压力作用。因此，例如可以补偿在操作期间由于加热差异导致的电池单元堆的横截面上的不均匀的热膨胀。通过在端板的各个区域处产生相应的压力，可以有效地防止由不同热膨胀引起的电池单元堆相对于纵向轴线的弯曲。
在根据本发明的燃料电池单元堆的一个实施例中，优选地提供杠杆机构，通过该杠杆机构，至少一个压电致动器作用在端板上。杠杆机构包括一个或多个杠杆，并且优选地设计成使得压电致动器的小的致动行程在端板处转换成更大的杠杆行程。例如，杠杆机构包括单侧杠杆，其中压电致动器布置在杠杆接头和杠杆的自由端之间，特别是在杠杆接头附近，并且杠杆端作用在端板上。优选地通过杠杆机构增加压电致动器的调节行程。作为该措施的结果，可以利用相对小体积的压电材料在端板处实现足够的调节行程。压电致动器可以以更紧凑和节省空间的方式设计。
在根据本发明的燃料电池堆的一个实施例中，压电致动器还布置在抵靠至少一个拉紧元件的拉紧板和枢转地安装在拉紧板上的杠杆之间。例如，在每种情况下在电池单元堆的两端处设置拉紧板，所述拉紧板通过一个或多个拉紧元件(例如拉紧带或拉紧螺栓)以预定间隔保持。根据致动，压电致动器优选地将杠杆的一端朝向端板或远离端板枢转。杠杆可以特别地被设计为单侧杠杆。在各种情况下，在每个拉紧板上也可以设置多个具有一个或多个压电致动器的杠杆。在这种情况下，每个杠杆压靠端板的不同区域。因此实现了用于燃料电池堆的非常紧凑和有效的拉紧装置。
在根据本发明的燃料电池堆的一个实施例中，压电元件作为压力传感器设置在端板之一处。压电元件包含例如压电晶体、压电陶瓷或这些材料之一的单个元件的堆叠。根据施加的压力，在压电材料中产生相应的电压。通过测量发生的电压来测量压力。一个或多个压电元件例如布置在电池单元堆的两个单体电池单元之间、端板和电池单元堆之间或者燃料电池堆的拉紧装置中。压电元件有利地实现在电池单元堆的特定区域中的可靠且精确的压力测量。
在根据本发明的燃料电池堆的一个实施例中，优选地将压电致动器设计用于产生和测量端板之一上的压力。具体地，交替地使用一个压电致动器、多个压电致动器或所有压电致动器来产生和测量端板上的压力。此外可以设置另外的压电元件来测量燃料电池堆的不同点处的压力。尤其通过压电致动器的双重功能实现经济的燃料电池堆。
在根据本发明的燃料电池堆的优选实施例中，还提供了控制装置，其用于参考燃料电池堆的当前操作状态来致动至少一个压电致动器。例如，控制装置参考当前能量消耗或电流负载、环境温度、燃料电池堆内的温度或压力或端板区域处的压力。为此，控制装置可以包含用于处理数据的电子处理器和用于存储数据的存储器。除了处理一个或多个压电元件或压电致动器的压力值之外，控制装置还可以被设计用于处理附加传感器的值，例如温度或电流传感器。通过处理所提供的值，控制装置根据操作状态确定压电致动器的最佳致动。始终确保适合于当前操作状态的电池单元堆的压缩。
此外，该目的通过一种用于运行燃料电池堆的方法来实现，该方法包括将燃料和氧化剂供应给多个单体电池单元，该多个单体电池单元彼此相邻布置在电池单元堆中，并且在各种情况下具有两个电极层和布置在电极层之间的电解质层。该方法还包括在操作期间通过拉紧装置压缩电池单元堆。在压缩期间，将端板压靠电池单元堆的一端。该方法还包括致动至少一个压电致动器，以用于将端板压靠电池单元堆的一端。
类似于根据本发明的燃料电池堆，根据本发明的方法使得通过致动所述至少一个压电致动器能够以灵活且非常精确的方式调节抵靠用于压缩电池单元堆的针对端板的压力。可以避免由拉紧装置上的老化的影响导致的泄漏。
根据本发明的方法的其它实施例在每种情况下对应于所描述的燃料电池堆的实施例并且具有相应的特征和优点。
附图说明
参考附图在下面的示例性的发明实施例的详细描述中示出了本发明的上述和另外的有利特征，其中附图示出了：
图1以侧视图示出了根据本发明的燃料电池堆的示例性实施例的示意图；
图2是根据图1的燃料电池堆的一端以及杠杆和压电致动器在拉紧板(未示出)处的布置的示意性平面图；
图3是用于压缩根据图1的燃料电池堆的电池单元堆的压电致动器的致动的示意图；
图4是用于补偿根据图1的燃料电池堆的电池单元堆的第一弯曲的压电致动器的致动的示意图；
图5是用于补偿根据图1的燃料电池堆的电池单元堆的第二弯曲的压电致动器的致动的示意图。
具体实施方式
在下面描述的示例性实施例中，在功能上或结构上彼此类似的元件在可能的情况下具有相同或相似的附图标记。因此，为了理解附图的各个元件的特征，还请参考其他附图的描述或本发明的一般描述。以下分别描述燃料电池堆的示例性实施例的功能以及用于操作燃料电池堆的相应方法的示例性实施例。
图1示出了燃料电池堆10的示意图。燃料电池堆10包含具有多个相互邻近布置的单体电池单元14的电池单元堆12。单体电池单元14以其长侧面彼此相对地夹层式布置以便实现单体电池单元14的电串联连接。通过燃料电池堆10的通道或管线(未示出)向每个单体电池单元14供应燃料，例如氢气、甲烷或另一种气态烃，并且供应氧化剂，例如氧气。为每个单体电池单元14相应提供用于反应产物的排出管线(图1中未示出)。由电池单元堆12产生的电压或能量在电池单元堆12的两端处通过电触点(同样未示出)供应。在该实施例中的燃料电池堆10被设计用于移动应用，例如在车辆中，并且为此目的被构造地尽可能轻便和紧凑。
为了产生电能，每个单体电池单元14在每种情况下包含两个电极层16和布置在它们之间的电解质层18。每个单体电池单元14可以另外包含另外的层或板，例如布置在电极层16上的用于在电极层16的整个表面上均匀分布燃料和氧化剂的气体扩散层(GDL)以及用于分离单体电池单元14的分隔板。单独的分隔板，即所谓的双极板，此处可设置用于两个相邻的单体电池单元14。此外，用于供应燃料和氧化剂以及用于排出反应产物的通道可以包含在分隔板中。此外，对于每个单体电池单元14，在电池单元堆12的外边缘处提供密封件或密封件被设置作为另外的板或层以防止燃料、氧化剂、反应产物或电解质流体从电池单元堆12溢出。单体电池单元14被设计为例如具有质子交换膜(PEM)作为电解质层的质子交换膜燃料电池单元，仅举例说明可用于燃料电池堆10中并且为本领域技术人员所知的许多单独电池单元类型中的一种。
为了将电池单元堆12压缩和保持在一起，燃料电池堆10还包括拉紧装置20。拉紧装置20具有设计为拉紧带的四个拉紧元件22，其在各种情况下从燃料电池堆10的第一端24延伸到第二端26。拉紧元件22成对地布置在电池单元堆12的相对侧，并且彼此平行地延伸并且延伸到电池单元堆12的纵向轴线。如图1所示，两个拉紧元件22由燃料电池堆10的端部24、26处的远端部分28表示，以示出在它们后面的元件和结构。四个拉紧元件22各自在燃料电池堆10的第一端24和第二端26处以固定的彼此最大间隔保持拉紧板30。在替代实施例中，可以使用多于或少于四个拉紧带、使用围绕两端24、26并沿着相对侧引导的一个管状拉紧带而非两个拉紧带、或者使用代替拉紧带的拉紧螺栓。具有集成的拉紧元件和拉紧板的刚性框架是可能的。重要的是，拉紧板30彼此之间具有固定的间距，从而构成用于在电池单元堆12上产生压力的反支承。
在燃料电池堆10的每个端部24、26处的四个杠杆32(其中在图1中仅可见两个)在各种情况下通过接头34枢转地安装在两个拉紧板30中的每一个上。杠杆32以其自由端36抵靠端板38，端板38将来自杠杆32的力均匀地传递到电池单元堆12的一端。为此，设置在电池单元堆12的两端处的端板38在电池单元堆12的的相应端的整个表面上抵靠电池单元堆12的相应端，并且具有对应于或类似于电池单元堆的横截面的区域。在每个杠杆32处，压电致动器40布置在杠杆32的支承表面和拉紧板30之间的接头34附近。根据压电致动器40的可调节的膨胀，杠杆32被更大或更少程度地压靠短板38。杠杆32因此构造成单侧杠杆，其将压电致动器40的轻微膨胀转换成在杠杆32的自由端36处的较大偏转。拉紧板30与杠杆32和接头34构成用于压电致动器40的杠杆机构41。
总共八个压电致动器40中的每一个包含压电晶体、压电陶瓷或这些材料中的一种的单独元件的堆叠。压电材料根据施加的电压呈现不同的体积。通过借助于控制装置(未示出)施加特定的电压，压电致动器40在拉紧板30和杠杆32之间呈现相应的膨胀。在替代实施例中，可以提供替代单侧杠杆的双侧杠杆、在燃料电池堆10的端部24、26中的仅一个处的杠杆和压电致动器、或在每端24、26多于或少于四个压电致动器和杠杆。在该实施例中，弹簧元件42还布置在拉紧板30和端板38之间的每个端部24、26处，用于将端板38附加地压靠电池单元堆12。弹簧元件42例如被设计为盘簧或螺旋弹簧。
图2示出了根据图1的燃料电池堆10的一端的示意性平面图，其中没有拉紧板30。清楚地示出了杠杆32和压电致动器40相对于端板38的布置。在端板38的拐角的区域中，每个杠杆32在一端通过接头34连接到拉紧板30(未示出)。安装在拉紧板上并延伸到在杠杆32中的孔的销被设置为例如接头34。因此，杠杆32的枢转轴线平行于接头34处的虚线。每个杠杆32还沿着端板38的侧边缘延伸并且进入端板38的相对的拐角，其中杠杆32的自由端36用杠杆头作用在端板38上。两个杠杆32在这里在各种情况下交叉地布置并且设计成使得它们在其间隙方面而不彼此限制。
邻近接头34处，每个杠杆具有支承表面44，相应的压电致动器40抵靠该支承表面44。压电致动器40由拉紧板30保持在适当位置，拉紧板30又通过拉紧元件22固定在适当位置。通过杠杆32和压电致动器40的这种布置实现了非常紧凑和节省空间的拉紧装置20。这种布置需要压电致动器40具有小的调节行程，并且因此具有小的尺寸，这是由于杠杆32被设计为尽可能长的原因。此外，例如设计为盘簧或螺旋弹簧的三个弹簧元件42布置在端板38的中心。可选地，可以设置多于或少于三个的弹簧元件42。弹簧元件42在端板38上，特别是在其中心区域中施加额外的压力。
每个压电致动器40可以通过相应地调节电压而由控制装置(未示出)单独地致动。因此，可以在电池单元堆12的每个拐角的区域中分别调整电池单元堆12上的压力。此外，还提供压电致动器40和控制装置用于测量压力。代替产生压力，因此也可以在电池单元堆12的每个拐角处通过端板38和杠杆32执行作用在压电致动器40上的压力的测量。控制装置参考例如当压电致动器40致动时的当前能量消耗、环境温度、燃料电池堆内的温度或压力或端板区域处的压力。为此，控制装置也可以被设计用于处理诸如温度或电流传感器的附加传感器的值，并且可以包含用于处理数据的电子处理器和用于存储数据的存储器。通过处理所提供的值，控制装置根据操作状态确定压电致动器40的最佳致动。
图3至图5以示意图示出了处于不同操作状态的燃料电池堆10和压电致动器40的相应致动。为了便于描述，在这些图中示出了笛卡尔xyz坐标系。x轴被选择平行于燃料电池堆10和电池单元堆12的纵向轴线。燃料电池堆10的纵向轴线大体上垂直于单体电池单元14的端板38和各个层或板的大的外表面。
图3示意性地示出了长方体的电池单元堆12。端板38(未示出)在各种情况下抵靠电池单元堆12的端面46或端部，其垂直于x方向。端面46的区域上的压力可以在每种情况下通过四个压电致动器40通过杠杆32和端板38在操作期间调节。压力区域48被象征性描述为圆形。通过借助于压电致动器40测量这些压力区域48处的压力，可以在操作期间在任意时间确定当前压力。然后通过在两个端面46处对每个压力区域48致动压电致动器40来产生精确指定的压力。因此，拉紧装置20在操作期间灵活地对电池单元堆12的热膨胀或收缩作出反应，并且在每个压力区域48处以预定压力压缩电池单元堆12。由于膨胀而在x方向上作用在端面上的力Fexp由压电致动器40的相应的力Fpiezo补偿。
图4示出了燃料电池堆10的电池单元堆12，其处于例如由于使用燃料或氧化剂的不均匀的加热或加压而在z方向上发生弯曲50的运行状态。该弯曲50由作用在z方向上的力Fbend引起。该力Fbend可以通过拉紧装置20通过产生相应的反作用力Fcomp来补偿。为此，通过两个压电致动器40在由十字形表示的压力区域48上产生力Fpiezo。这种单侧的或者通过相对的压电致动器对称地对电池单元堆12的作用在电池单元堆12中产生用于矫正弯曲50的力Fcomp。类似地，电池单元堆12在负y方向上的弯曲52(图5所示)可以通过用于由十字表示的压力区域48的两个致动器40的致动来抵消。通过致动位于电池单元堆12的面向弯曲方向的侧面的边缘处的两个压力区域48的压电致动器40，可以在电池单元堆中产生力Fcomp。该力Fcomp抵消弯曲力Fbend。因此，通过用于一个端面46的四个压电致动器40，可以有效地矫正电池单元堆12的弯曲，并且可以在x、y和z方向上补偿在电池单元堆12中出现的破坏力。

Claims (9)

1.一种燃料电池堆(10)，具有相互邻近布置的单体电池单元(14)的电池单元堆(12)和压缩所述电池单元堆(12)的拉紧装置(20)，
其中
每个单体电池单元(14)具有两个电极层(16)和布置在所述电极层(16)之间的电解质层(18)，
所述拉紧装置(20)包括从所述电池单元堆(12)的一端延伸到所述电池单元堆(12)的另一端的至少一个拉紧元件(22)，以及
所述燃料电池堆(10)包含用于将端板(38)压靠在所述电池单元堆(12)的一端上的至少一个压电致动器(40)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，
其中
在所述电池单元堆(12)的两端在各种情况下设置有所述端板(38)和用于将所述端板(38)压靠在所述电池单元堆(12)的相应端部上的所述至少一个压电致动器(40)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，
其中
在一个所述端板(38)处设置有多个所述压电致动器(40)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，
其中
设置有杠杆机构(41)，所述至少一个压电致动器(40)通过所述杠杆机构(41)作用在所述端板(38)上。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，
其中
所述压电致动器(40)布置在抵靠所述至少一个拉紧元件(22)的拉紧板(30)和枢转地安装在所述拉紧板(30)上的杠杆(32)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，
其中
在所述端板(38)之一处设置压电元件作为压力传感器。
7.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，
其中
所述压电致动器(40)被设计用于产生和测量所述端板(38)的其中一个上的压力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，
其中
设置有控制装置，所述控制装置用于在参考所述燃料电池堆(10)的当前操作状态的同时致动所述至少一个压电致动器(40)。
9.一种用于操作燃料电池堆(10)的方法，其特征在于以下步骤：
将燃料和氧化剂供应到多个单体电池单元(14)，所述多个单体电池单元(14)在电池单元堆(12)中相互邻近布置并且在每种情况下具有两个电极层(16)和布置在所述电极层(16)之间的电解质层(18)；
在操作期间通过拉紧装置(20)压缩所述电池单元堆(12)，其中在所述压缩期间将端板(38)压靠在所述电池单元堆(12)的一端上，以及
致动用于将所述端板(38)压靠所述电池单元堆(12)的所述一端的至少一个压电致动器(40)。
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