CN110915045A - 燃料电池装置 - Google Patents
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Abstract
为了提供如下燃料电池装置，其包括：燃料电池堆垛，该燃料电池堆垛包括多个沿堆叠方向相继跟随的燃料电池单元；和两个端板，燃料电池堆垛布置在这两个端板之间，在该燃料电池装置中，避免了从燃料电池单元溢出的氢的有害影响，而不会使燃料电池单元不可及或者不会引起过大的保养耗费，提出的是，燃料电池装置包括壳体，壳体包围燃料电池堆垛和端板，其中，在壳体之内在壳体、燃料电池堆垛和端板之间保留的自由的剩余体积小于壳体的内部体积的20％。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃料电池装置，其包括燃料电池堆垛和两个端板，燃料电池堆垛包括多个沿堆叠方向相继跟随的燃料电池单元，燃料电池堆垛布置在在两个端板之间。
背景技术
这种燃料电池堆垛通常和外围的系统部件、如氧化剂供应设备、冷却设备和燃气供应设备一起布置在系统周围环境的强制通风的安装空间中、例如车辆的或紧急供电系统的强制通风的安装空间中。在此，强制通风负责即使在氢从系统释放出来的故障情况下也防止形成爆炸性的空气/气体混合物并且防止了与之相关的爆炸风险。
由于强制通风，燃料电池装置的部件承受了环境影响。由于灰尘、污物、湿气或水的进入，可能在燃料电池装置的部件上、特别是燃料电池堆垛上形成相应的沉积物。燃料电池堆垛必须被保护不受这些沉积物影响，这是因为不应越过燃料电池堆垛的燃料电池单元形成导电的层。这种导电的层可能尤其通过泄漏电流造成寄生的电耗、附加的发热和/或影响电池电压测量并且以不期望的方式妨碍到燃料电池装置。
由不能导电的沉积物构成的层也可能是有害的，这是因为由此例如在水从空气中冷凝出来的情况下，燃料电池堆垛明显比在没有这种沉积物时更长时间地保持湿润，这可能在燃料电池装置的部件上造成干扰、特别是造成腐蚀加剧。
因此应当尽可能避免在燃料电池装置的部件上形成沉积物。
由US 2009/0191805 A1已知，用于燃料电池装置的强制通风系统以带有过滤器的方式运行，该强制通风系统防止了灰尘进入燃料电池装置。但使用过滤器引起了强制通风的压力损失提高和驱动强制通风的鼓风机的相应较高的功耗。此外，过滤器的保养还引起了不期望的额外耗费。特别是在伴随强烈的灰尘负荷和/或污物负荷的应用中，在强制通风系统中伴随使用过滤器而来的是极高的保养耗费。
在US 2004/0023095 A1中建议，用电绝缘的基于聚合物的材料来制造带有外边缘的燃料电池堆垛的双极板。
此外还已知的是，将燃料电池堆垛完全浇注到电绝缘的浇注材料中。但燃料电池堆垛的这种浇注引起了高耗费和高成本。此外，燃料电池堆垛的各个燃料电池单元的可及性变得困难并且尤其使更换燃料电池单元变得困难。当在燃料电池单元的外面上的一个区域没有浇注材料，以便实现单个电池电压测量时，那么还可能在这个区域中出现之前所述的问题
发明内容
本发明所基于的任务是，提供一种开头所述类型的燃料电池装置，在该燃料电池装置中，避免了从燃料电池单元溢出的氢的有害的影响，而不会使燃料电池不可及或者不会引起过大的保养耗费。
按照本发明，该任务在带有权利要求1的前序部分的特征的燃料电池装置中通过以下方式解决，即，燃料电池装置包括壳体，壳体包围燃料电池堆垛和端板，其中，在壳体之内在壳体、燃料电池堆垛和端板之间保留的自由的剩余体积小于壳体的内部体积的20％、优选小于10％、尤其小于5％。
壳体的内部体积在此是向外由壳体限定边界的体积；壳体本身的体积因此不属于壳体的内部体积。
在壳体之内保留的自由的剩余体积优选小到保证了针对燃料电池装置的三级防爆保护。这意味着，即使当在壳体之内的自由的剩余体积中存在能爆炸的混合物、特别是含氢的混合物并且这种混合物实际上被点燃时，其中发生了爆炸的自由的剩余体积也小到和/或被分成小的单个体积，使得燃料电池堆垛和壳体不会因爆炸而受损并且因此燃料电池堆垛也在爆炸后保持其完整的功能作用。
此外还有利的是，壳体被密闭以防止污物和/或湿气侵入壳体的内部空间。
尤其可以规定，壳体被构造得使其至少符合根据DIN EN60529的防护等级IP6X。
壳体的对应所要求的防护等级的密封性可以例如通过迷宫式密封件、密封圈设施、纤维衬垫、刷或类似物达到。
此外还优选规定，壳体被构造得使它至少符合按照DIN EN 60529的防水等级4、特别是至少防水等级5、特别优选至少防水等级6、最为优选至少防水等级7。
为了将在壳体之内保留的剩余体积保持得尽可能小，有利的是，垂直于堆叠方向，在燃料电池堆垛的外侧和壳体的内侧之间的间距基本上各处均小于5mm、优选小于2mm、特别优选小于1mm。
此外可以规定，壳体为了减小在该壳体之内保留的剩余体积而包括填料。
尤其可以规定，壳体包括泡沫材料、优选闭孔的泡沫材料、例如硅酮泡沫材料。
泡沫材料优选是可压缩的并且优选良好地与燃料电池堆垛的外轮廓和壳体的基体的内轮廓相匹配。
在本发明的一种优选的设计方案中规定，壳体包括由热塑性材料或由有机板材料制成的一个或多个外壳元件。
热塑性材料可以例如包括PVDF(聚偏氟乙烯)材料和/或一种优选玻纤增强的聚酰胺(PA)材料。
壳体的至少一个外壳元件可以例如在成型工艺中、特别是注塑包封工艺中或热成型工艺中制造。
此外，壳体可以包括夹芯材料。
特别有利的是，壳体包括至少符合防火等级V0的材料。
尤其可以规定，壳体基本上完全由至少符合防火等级V0的材料构成。
为了即使在故障情况下在燃料电池堆垛泄漏时也防止在壳体之内形成超压并且造成危害，壳体优选具有换气开口和/或换气阀。气体、尤其是氢可以通过换气开口或换气阀从壳体的内部空间溢出到壳体的和燃料电池装置的周围环境中。
换气阀优选构造成止回阀，其使得气体能从壳体的内部空间外溢到外部空间中，但防止了气体、湿气和/或污物从外部空间侵入到壳体的内部空间中。
换气开口优选构造得小到使得尽可能避免了湿气和/或污物通过换气开口从外部空间侵入壳体的内部空间。
为了能使从燃料电池堆垛溢出的、在壳体和燃料电池堆垛之间聚集的液体或在壳体和燃料电池堆垛之间的间隙中冷凝的液体从壳体流出，优选规定的是，壳体具有液体溢出开口和/或液体溢出阀。
这种液体溢出开口和/或这种液体溢出阀可以联接到液体排出线路上。
液体排出线路可以尤其构造成管路或构造成软管线路。
液体排出线路可以将液体溢出开口和/或液体溢出阀与布置在壳体外的液体收集设备连接起来。
液体溢出阀可以构造成止回阀，以避免气体、湿气和/或污物通过该液体溢出阀从外部空间侵入到壳体的内部空间中。
液体溢出开口优选构造得小到使得尽可能避免湿气和/或污物穿过液体溢出开口从外部空间进入壳体的内部空间中。
在本发明的一种优选的设计方案中规定，壳体借助至少一个固定设施紧固在至少一个端板上。
这种固定设施可以尤其包括螺钉、弹簧垫片、垫圈和/或帽状环。
此外可以规定，燃料电池装置包括用于优选从壳体的外侧遮盖固定设施的至少一个遮盖罩。
壳体优选能从燃料电池堆垛拆卸。
在本发明的一种设计方案中规定，壳体包括基体和盖。
基体可以由多个壳元件组装而成，以方便基体在端板上和在燃料电池堆垛上的安装。
燃料电池堆垛的介质接头，特别是用于输入燃气、用于输入氧化剂、用于排出阳极废气和用于排出阴极废气以及必要时用于输入和排出冷却介质的接头，优选分别导引穿过燃料电池装置的端板中的一个端板。
壳体包围燃料电池堆垛并且以恰当的方式接驳到端板上。
壳体优选由电绝缘的材料形成。
作为对此的备选，也可以使用带有绝缘涂层的能导电的材料作为用于壳体的材料，或使用带有至少一个绝缘的外层、优选带有两个绝缘的外层的多层的材料。
尤其在壳体的内侧上优选设置电绝缘的材料层。
在恰当地接驳到端板上时，壳体的外侧可以构造成能导电的。
在本发明的一种特殊的实施方式中，壳体仅紧固在两个端板的其中一个端板上，而壳体则可以相对第二端板在遮盖部中运动，从而可以平衡燃料电池堆垛基于热效应和/或基于制造公差的长度改变。遮盖部在此确保了所需的密封性。
遮盖部可以构造成单独的盖，或者端板中的其中一个端板可以承担起遮盖部的功能。
燃料电池装置可以包括布置在壳体之内的电池电压监控单元。
通过壳体也保证了对燃料电池堆垛的触碰防护。
附图说明
本发明的其他的特征和优点是实施例的接下来的说明书和图示的主题。图中：
图1示出燃料电池装置的立体图，该燃料电池装置包括：燃料电池堆垛，该燃料电池堆垛包括多个沿堆叠方向相继跟随的燃料电池单元；两个端板，燃料电池堆垛布置在这两个端板之间；用于将两个端板相对彼此夹紧的卡夹装置；和壳体，该壳体包围燃料电池堆垛和端板；
图2示出从上方对图1的燃料电池装置的俯视图；
图3示出从下方对图1和2的燃料电池装置的俯视图；
图4示出在壳体的盖被取下后，图1的燃料电池装置的立体图；
图5示出从上方对图4的在盖取下时的燃料电池装置的俯视图；
图6示出在壳体的基体也被取下后，图4的燃料电池装置的立体图；
图7示出在壳体的泡沫材料元件移除后，图6的燃料电池装置的立体图；
图8示出在卡夹装置的卡夹元件的区域中图1至3的燃料电池装置的沿着燃料电池堆垛的堆叠方向且沿着图2中线8-8的剖面图；
图9示出图8的区域I的放大图；
图10示出图8的区域II的放大图；并且
图11示出在壳体的泡沫材料元件的区域中的图1至3的燃料电池装置的沿着燃料电池堆垛的堆叠方向且沿着图2中线11-11的剖面图。
相同的或功能类似的元件在所有图中用同一附图标记标注。
具体实施方式
在图1、4、6和7中以不同的安装阶段示出的、整体用附图标记100标注的燃料电池装置包括燃料电池堆垛102，该燃料电池堆垛在图7中仅示意性地用其包络的外轮廓104示出。这个燃料电池堆垛102包括多个沿堆叠方向106相继跟随的燃料电池单元(在图7中没有单独示出)。
此外，燃料电池装置100还包括两个端板108a和108b，燃料电池堆垛102布置在这两个端板之间，并且包括卡夹装置110，借助该卡夹装置能将两个端板108a和108b沿着堆叠方向106相对彼此夹紧，以便用夹持力来加载布置在端板108a、108b之间的燃料电池堆垛102。
卡夹装置110包括一个或多个、例如四个或更多个、特别是六个或更多个卡夹元件112，卡夹元件例如布置在端板108a和端板108b的靠外的边缘区域中。
由图8至10可看到针对这种卡夹元件112的结构的可能性。
在这个示例性的结构中，卡夹元件112包括卡夹螺钉114，该卡夹螺钉的柄116平行于堆叠方向106地穿过在端板108a中的贯通开口118延伸。
在此，卡夹螺钉114可以借助插入到端板108a的贯通开口118中的导向衬套120在端板108a上导引。
卡夹螺钉114的螺钉头122在此可以抵靠在导向衬套120的挡边124上。
设置在卡夹螺钉114的柄116上的外螺纹126与空心螺钉130的与之互补的内螺纹128啮合。
在空心螺钉130的头部132的面朝端板108a的一侧上支撑着例如形式为弹簧元件138、特别是压缩螺旋弹簧的弹性元件136的第一端部区域134。
弹性元件136的背对弹性元件136的第一端部区域134的第二端部区域140支撑在卡夹套筒144的面朝端板108a的端部区域142上。
卡夹套筒144的背对第一端部区域142的第二端部区域146从后方接合端板108b的突出部148。
端板108b因此被卡夹元件112用夹持力拉向端板108a，该夹持力对应弹性元件136的弹性的复位力。
通过将卡夹螺钉114的外螺纹126旋入到空心螺钉130的内螺纹128中，提高了这种夹持力；通过将卡夹螺钉114的外螺纹126从空心螺钉130的内螺纹128旋出，减小了这种夹持力。
总夹持力对应由卡夹装置110的卡夹元件112产生的夹持力的总和，端板108a和108b通过该总夹持力借助卡夹装置110彼此夹紧并且用该总夹持力加载布置在端板108a和108b之间的燃料电池堆垛102。
燃料电池装置100还包括壳体150，该壳体包围燃料电池堆垛102和端板108a、108b。
由图1可知，壳体150包括基体152和盖154。
基体152可以尤其包括外壳元件156，该外壳元件例如能环形封闭地构造并且优选包括多个、例如四个侧壁158。
外壳元件156可以例如由热塑性材料、特别是由PVDF(聚偏氟乙烯)材料或者由优选玻纤增强的PA(聚酰胺)材料或由有机板材料形成。
基体152可以由多个、例如两个外壳元件156组装而成，以方便基体152安装在端板108a、108b上和燃料电池堆垛102上。
壳体150的盖154可以具有例如基本上长方体形的遮盖板160和一个或多个、例如四个优选基本上直角地离开遮盖板160延伸的侧壁162。
盖154的在盖154的侧壁162之间的净宽优选略大于基体152在其上边缘上的外轮廓，因此盖154可以在基体152的上边缘区域上方倒扣。
盖154可以由热塑性材料、特别是由PVDF(聚偏氟乙烯)材料或者由优选玻纤增强的PA(聚酰胺)材料或由有机板材料形成。
盖154的材料可以不同于基体152的材料或者与基体152的材料一致。
由图6和11可以看到，壳体150优选包括一个或多个泡沫材料元件164，泡沫材料元件用于减小在壳体150的基体152之内的自由的剩余体积并且布置在一方面的燃料电池堆垛102和另一方面的壳体150的基体152之间。
泡沫材料元件164优选包括闭孔的泡沫材料。
泡沫元件164可以例如包括硅酮泡沫材料。
泡沫材料元件164优选与壳体150的基体152分开制造并且在与基体152松开的状态下能布置在燃料电池堆垛102上，如在图6中所示的那样。
在此尤其可以规定，在燃料电池装置100的卡夹装置110的两个卡夹元件112之间分别布置有各一个泡沫材料元件164。
泡沫材料元件164优选构造成板形的、特别是呈基本上平坦的板的形式。
泡沫材料元件164优选从泡沫材料分离出来，特别是裁剪或冲裁出来，使得它们的形状尽可能良好地分别与在燃料电池堆垛102、卡夹装置110的两个卡夹元件112和基体152之间的间隙的形状相匹配。
在壳体150之内在壳体150、燃料电池堆垛102、端板108a、108b和卡夹装置110之间保留的自由的剩余体积优选小于壳体150的整个内部体积(即向外由泡沫材料元件164、壳体150的基体152和盖154限定边界的体积)的20％、特别是小于10％、特别优选小于5％。
在壳体150之内保留的自由的剩余体积优选小到使得保证了针对燃料电池装置100的三级防爆保护。
这意味着，即使当在壳体150之内的自由的剩余体积中存在能爆炸的混合物、特别是含氢的混合物并且这种混合物实际上被点燃时，其中发生了爆炸的自由的剩余体积也小到和/或被分成小的单个体积，使得燃料电池堆垛102和壳体150不会因爆炸而受损并且因此也在爆炸后保持其完整的功能作用。
尤其可以规定，在燃料电池堆垛102的外侧和壳体150的内侧之间的间距，垂直于堆叠方向106来看，基本上各处均小于5mm、优选小于2mm、特别优选小于1mm。
壳体150优选构造得使它被密闭以防止污物和/或湿气侵入到壳体150的内部空间中。
壳体尤其被构造得使它至少符合按照DIN EN 60529的防护等级IP6X。
还优选规定，壳体150被构造得使它至少符合按照DIN EN 60529的防水等级4、特别是至少防水等级5、特别优选至少防水等级6、最为优选至少防水等级7。
壳体150优选包括至少符合防火等级V0的材料。
特别优选规定，壳体150由一种材料或由多种至少符合防火等级V0的材料构成。
为了即使在故障情况下在燃料电池堆垛102泄漏时也防止在壳体150之内形成超压并且造成危害，壳体150优选具有换气开口和/或换气阀，气体可以通过该换气开口和/或换气阀从壳体150的内部空间外溢到壳体150的和燃料电池装置100的周围环境166中。
为了能使从燃料电池堆垛102溢出的、在壳体150和燃料电池堆垛102之间聚集的液体或在壳体150和燃料电池堆垛102之间的间隙中冷凝的液体从壳体150流出，优选规定，壳体150具有液体溢出开口和/或液体溢出阀。
这种液体溢出开口和/或这种液体溢出阀可以联接在液体排出线路上。
液体排出线路可以尤其构造成管路或构造成软管线路。
液体排出线路可以将液体溢出开口和/或液体溢出阀与在壳体150外的液体收集设备连接起来。
壳体150分别借助至少一个固定设施168紧固在端板108a、108b的至少一个端板上、优选布置在两个端板108a、108b上。
壳体150优选分别以能拆卸的方式紧固在端板108a上和108b上。
固定设施168尤其可以包括螺钉、弹簧垫片、垫圈和/或帽状环。
此外，燃料电池装置100可以包括至少一个遮盖罩170，用以特别是从壳体150的外侧分别遮盖固定设施168。
壳体150优选能从燃料电池堆垛102拆卸。
为了将之前所述的壳体150安装在燃料电池堆垛102上和借助卡夹装置110彼此夹紧的端板108a、108b上，做法如下：
壳体150的泡沫材料元件164在燃料电池堆垛102的外侧上置入到堆垛上并且置入到沿燃料电池堆垛102的周向方向相继跟随的卡夹元件112之间。
在燃料电池装置100的已安装状态下，将从壳体150引出的电线路置入到其中一个端板108a或108b的分别为此所设的槽中。
紧接着，将壳体150的基体152在端板108a上并且沿着堆叠方向106继续推移至另一个端板108b。
将壳体150的盖154套装到基体152上。
借助固定设施168优选以能拆卸的方式，特别是通过旋拧将基体152紧固在端板108b上。
将遮盖罩170套装到每个固定设施168上，以便从壳体150的外侧起遮盖各个固定设施168。
遮盖罩170在此优选能与固定设施168的组成部分、例如固定设施168的螺钉卡锁。
因此结束了壳体150在端板108a、108b上和燃料电池堆垛102上的安装。
Claims (15)
1.燃料电池装置，包括：
燃料电池堆垛(102)，所述燃料电池堆垛包括多个沿堆叠方向(106)相继跟随的燃料电池单元；和
两个端板(108a、108b)，所述燃料电池堆垛(102)布置在所述两个端板之间，
其特征在于，
所述燃料电池装置(100)包括壳体(150)，所述壳体包围所述燃料电池堆垛(102)和所述端板(108a、108b)，
其中，在所述壳体(150)之内在所述壳体(150)、所述燃料电池堆垛(102)和所述端板(108a、108b)之间保留的自由的剩余体积小于所述壳体(150)的内部体积的20％。
2.按照权利要求1所述的燃料电池装置，其特征在于，在所述壳体(150)之内保留的自由的剩余体积小到保证了对所述燃料电池装置(100)的三级防爆保护。
3.按照权利要求1或2所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)被密闭以防止污物和/或湿气侵入所述壳体(150)的内部空间。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)构造得使所述壳体至少符合防护等级IP6X。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)构造得使所述壳体至少符合防水等级4。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，垂直于所述堆叠方向(106)，在所述燃料电池堆垛(102)的外侧和所述壳体(150)的内侧之间的间距基本上各处均小于5mm。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)包括泡沫材料。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)包括由热塑性材料或由有机板材料构成的外壳元件(156)。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)包括至少符合防火等级V0的材料。
10.按照权利要求1至9中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)包括基体(152)和盖(154)。
11.按照权利要求10所述的燃料电池装置，其特征在于，所述基体(152)由多个壳元件组装而成。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)具有换气开口和/或换气阀。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)具有液体溢出开口和/或液体溢出阀。
14.按照权利要求1至13中任一项所述的燃料电池装置，其特征在于，所述壳体(150)借助至少一个固定设施(168)紧固在至少一个端板(108a、108b)上。
15.按照权利要求14所述的燃料电池装置，其特征在于，所述燃料电池装置(100)包括用于遮盖固定设施(168)的至少一个遮盖罩(170)。
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