CN114270584A - 用于紧固燃料电池堆的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于紧固燃料电池、尤其燃料电池堆(10)的装置，燃料电池堆具有彼此叠置的单个元件(14)，这些单个元件加载有压紧力(58)。燃料电池堆(10)布置在端板(16、18)之间。端板(16、18)或者通过在套筒(38)与柱销(30)之间的力锁合的收缩连接部(46)相互间紧固，或者将紧固带(50、52)的带端部导入到加热的夹紧体(68)中，所述紧固带在冷却的情况下收缩。

Description

用于紧固燃料电池堆的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于紧固燃料电池、尤其燃料电池堆的装置，其中，燃料电池堆具有叠置的单个元件。此外，本发明还涉及用于紧固燃料电池的方法以及该方法的使用。

背景技术

文献DE 100 25 007 A1涉及一种用于热夹紧和松弛工具的方法和装置。用于在收缩衬套中热夹紧和松弛工具的收缩器具具有优选感应式工作的加热装置，用于加热收缩衬套的工具接收区段以及具有冷却装置，用于主动冷却经加热的收缩衬套。所述收缩器具具有多个、尤其三个工作站，其中，在工作站中的每一个中不但收缩衬套的加热而且被接收的收缩衬套的主动冷却也是可能的。通过承载加热装置的柱的枢转可以在各工作站之间变换。利用收缩装置可以实现在持续运行中以收缩技术处理大件数的工具。

PEM燃料电池堆由单个元件堆叠。为了功能必须将各个元件相互间压紧，以便一方面使单个元件之间的电接触电阻最小化并且另一方面足够地压紧置入的密封元件，从而堆跺是气密的。

燃料电池堆被压紧，其方式是：插入用于沿堆叠方向施加力的螺栓。在此，通过螺栓或者挤压堆跺或使用夹紧带，该夹紧带通过螺栓紧固、即拉紧。此外已知如下解决方案，其中通过装配工具挤压堆垛，并且然后在该压紧的位置中通过引入到壳体中或通过固定和栓保持该堆跺。

与光滑的栓或柱销相比，螺栓在相同的负载能力的情况下具有更大的横截面。为了传递力必须考虑若干螺距加上螺栓头。在连接中不同螺栓的拧紧力矩可能彼此不同，因为螺纹中的摩擦力矩可能不同。补求措施在此可以通过堆跺的预紧实现并且仅略微拧紧螺母或螺栓，其然后仅在预紧松开时才被加载力。于是可以不用螺纹，然而不能通过在紧固位置中具有固定间距的栓代替，因为由于在堆跺堆叠时的公差，各个螺栓位置的绝对最终尺寸可以局部地不同。

发明内容

根据本发明提出一种用于紧固燃料电池、尤其燃料电池堆的装置，其中，该燃料电池堆由叠置的单个元件组成。燃料电池堆加载有预压紧力，其中，燃料电池堆布置在端板之间。所述端板或者通过力锁合的收缩夹紧部彼此紧固在套筒与柱销之间，或者紧固带的带端部导入到经加热的夹紧体中，其中，该带端部在紧固带冷却时通过收缩而固定。

通过根据本发明提出的解决方案提供非常简单、可靠、可调节且又可松开的力锁合连接。根据本发明提出的原理可用于在螺纹连接时的栓、紧固带或用于在紧固带上的紧固螺栓。此外还提供燃料电池堆的单个元件的防操纵的紧固可能。

在根据本发明提出的解决方案的扩展中，套筒在加热的状态下关于柱销的直径具有过量。

在根据本发明提出的解决方案中，在冷却的状态下套筒收缩到柱销上，使得产生力锁合的收缩连接部。

在根据本发明提出的装置的一个实施变型中，夹紧体设有缝隙、优选地扁平缝隙。理想地，该扁平缝隙具有如下宽度，该宽度相应于用于紧固燃料电池堆的紧固带的宽度。此外，本发明还涉及一种用于预紧燃料电池、尤其燃料电池堆的方法，该燃料电池堆由叠置的单个元件组成，其中，经过以下方法步骤：

a)将多个单个元件堆叠成燃料电池堆，并且对获得的燃料电池堆加载以预压紧力；

b)将套筒或夹紧体加热，以便达到加热状态；

c)将加热的套筒接合到柱销上或将紧固带的带端部穿入到经加热的夹紧体的扁平缝隙中；

d)使套筒冷却，以便在柱销上产生收缩连接部；或

使夹紧体冷却，以便将紧固带的带端部固定在夹紧体中。

在根据本发明提出的解决方案中，可以通过感应式途径、优选地借助工具进行加热。

此外，在根据本发明提出的方法中，根据方法步骤d)可以通过工具的水冷却或通过套筒或夹紧体的压缩空气冷却引起它们的冷却，使得最终可再次松开的力锁合的收缩连接部或者在经冷却的套筒与柱销之间或者在紧固带的穿入到夹紧体缝隙中的带端部之间产生。

此外，本发明还涉及用于借助可松开的收缩连接部紧固燃料电池堆的装置的使用，如该燃料电池堆例如可以用作用于电驱动的车辆的驱动源。

本发明的优点：

通过根据本发明的解决方案可以实现简单可靠地可保持的、可调节的且又可松开的连接，尤其是力锁合的收缩连接部。根据本发明提出的解决方案可用于在螺纹连接时的栓、紧固带或在紧固带上的紧固螺栓。根据本发明提出的解决方案的优点可在于，该解决方案能够防操纵地实施，使得不能在燃料电池堆上执行手工的改变。

在根据本发明提出的解决方案中，在螺纹连接的部位处出现配合精确的栓，例如实施为柱销，该柱销与套筒接合。该套筒在装配的情况下通过热途径、即通过加热扩宽；反之，在燃料电池堆的运行温度下套筒直径小于栓直径，使得在套筒装配在柱销圆周上的装配部位处之后产生力锁合的压配合。

替代地，可以在紧固带接合时如此进行，使得紧固带的两个带端部通过夹紧体的开口，例如扁平缝隙穿入，其中，夹紧体为了实现夹紧功能而与扁平缝隙同样被加热、尤其感应式加热。通过感应式加热实现缝隙、优选地扁平缝隙的增大，而在夹紧体的强制的冷却情况下保持紧固带的带端部。特别持久的夹紧通过以下方式实现：在构造在夹紧体中的扁平缝隙的情况下以球形的形状实施扁平缝隙的长侧。

通过根据本发明提出的解决方案，由于栓的较小横截面以及在夹紧区域中减小的突出部而产生显著减小的空间需求。总体上看，使用更少的构件，因此例如夹紧部可以直接集成到端板中。在堆跺结构中通过隔膜材料的涨大或收缩，例如由于湿度变化或温度变化而出现的长度变化的情况下，减轻螺纹连接的负载并且必要时使螺纹连接松动。因此总是能以最小的力拧紧螺纹连接，由此，该螺纹连接尤其在行驶运行时由于振动而不松开。相比之下，收缩夹紧部始终保持关闭，即使在例如安装的紧固带上应出现较小的拉力。这意味着，在轴向夹紧力中应维持较小的安全增量，使得能够实现廉价的、更轻的和更小的实施方式。此外，例如在四个夹紧装置的情况下能够有针对性地进行再调节。

附图说明

根据附图和下面的描述进一步阐述本发明。

附图示出了：

图1燃料电池堆的传统的螺纹连接；

图2用于紧固燃料电池堆的收缩夹紧的第一实施变型；

图2.1传感器场的示意图；

图3.1、3.2、3.3和3.4借助被接收在夹紧体中的紧固带对燃料电池堆的紧固；

图4.1和4.2在打开夹紧区域的情况下用于对紧固带进行再紧固的微调可能性；

图5.1和5.2借助柱销和收缩夹紧紧固燃料电池堆的俯视图和侧视图；和

图6.1至6.4用于产生在套筒与柱销之间的收缩夹紧的装配步骤。

具体实施方式

图1示出燃料电池堆10，该燃料电池堆由各个彼此堆叠的单个元件14堆至堆跺高度12形成。燃料电池堆10通过第一端板16和第二端板18固定，这两个端板彼此间通过第一螺纹连接20或第二螺纹连接22相互紧固。在根据图1的示图中，第一螺纹连接20以及第二螺纹连接22分别包括螺纹杆24以及两个螺母26。与光滑构造的栓相比，螺栓在相同负载能力的情况下具有更大的横截面。为了传递力必须考虑若干螺距加上螺栓头。在连接中不同螺栓的拧紧力矩可能彼此不同，因为螺纹中的摩擦力矩可能不同。补救措施可以通过以下方式实现：预紧燃料电池堆10并且仅略微拧紧螺母或螺栓，该螺母或螺栓然后仅在预紧松开时才被加载力。于是，虽然可以不用螺纹，但不能通过在预紧固的位置中具有固定间距的栓代替，因为由于在燃料电池堆10堆叠时的公差，各个螺栓位置的绝对最终尺寸可以局部地不同。

本发明的实施方式：

在下面本发明的各实施方式的描述中，相同或相似元件以相同附图标记标明，其中，省去在个别情况下对这些元件的重复描述。附图仅示意地示出本发明的内容。

图2示出通过收缩夹紧的对燃料电池堆10进行根据本发明提出的紧固的第一实施变型。

在根据图2的视图中，燃料电池堆10也在其堆跺高度12上被第一端板16和第二端板18限制。堆跺高度12由多个彼此叠置的、堆叠成的单个元件14产生。

不同地，燃料电池堆10的两个端板16、18彼此间的紧固不通过在图1中所示的螺纹连接20或22实现，而是通过柱销30实现，该柱销具有光滑表面并且在一端部上例如设有止挡片36。柱销30的长度34取决于相互间通过端板16、18要紧固的燃料电池堆10的堆跺高度12。由图2可看到，两个布置在柱销30的下端部上的止挡片36固定第二端板18，在该第二端板18上存在单个元件14的结构。两个柱销30贯穿第一端板16中的开口并且超过该第一端板上侧突出。燃料电池堆10根据在图2中示图的紧固现在通过以下方式实现：套筒38通过加热、例如感应式加热而呈现加热状态40。在加热状态40下，套筒38关于其内直径具有过量42。

经加热的套筒38现在套装到柱销30上并且冷却。套筒38的冷却状态44例如通过以下方式实现：进行水冷却或压缩空气冷却。随着套筒38的冷却，该套筒收缩到具有光滑表面的柱销30的圆周上，使得产生收缩连接部46、即收缩夹紧。套筒38在加热状态40下呈现的过量42超过具有光滑表面的柱销30的直径32，柱销30以长度34构造。在燃料电池堆10的第一端板16上方产生的收缩连接部46在燃料电池堆10的运行温度下保持在120℃以下，即用于紧固燃料电池堆10的收缩连接部46是持久的并耐高温的。

图2.1示出传感器场的示意图。传感器场28作为在燃料电池堆10中的单个元件14被接收。在此，包含传感器场28的单个元件14可以在任意部位处布置在燃料电池堆10内或在第一端板16的区域中或在第二端板18的区域中。多个传感器场28作为单个元件14在燃料电池堆10内的使用也是可能的。借助传感器场28能够求取在燃料电池堆10内的局部的表面压力。

图3.1、3.2、3.3和3.4示出对燃料电池堆10进行根据本发明提出的紧固的另一实施变型。不同于根据图2的视图，在根据本发明提出的解决方案的第二实施变型中省去套筒38和柱销30。如图3.1所示的那样，实现根据图3.2的单个元件14在第一端板16与第二端板18之间的紧固。为此使用紧固带50或52，该紧固带以紧固带宽度74实施。紧固带50或52缠绕整个燃料电池堆10并且根据图3.3通过第一夹紧区域54和第二夹紧区域56在燃料电池堆10的上侧或下侧上被引导。如在图3.4的示意图中可看到的那样，两个端板16、18分别具有夹紧体68。紧固带50或52包围燃料电池堆10的整个周边并且引导通过夹紧体68的各个扁平缝隙70。夹紧体68的扁平缝隙70的扁平缝隙宽度72优选相应于紧固带宽度74，第一紧固带50和第二紧固带52以紧固带宽度74实施。图3.3示出，在紧固带50或52紧固之前，预紧力58例如作用到两个端板16、18上。由此将燃料电池堆10内的各单个元件14相互挤压，使得一方面使在各单个元件14之间的电接触电阻最小化，并且另一方面使置入的密封元件彼此压紧，由此燃料电池堆10是气密的。

图3.3示出，相应的夹紧区域54、56在上侧上或在下侧上具有夹紧体68，这些夹紧体分别呈现打开的夹紧部62。在该状态下，拉力60被施加在紧固带50或52的端部上并且绷紧地拉紧紧固带50或52。在紧固带50或52绷紧地拉紧之后，打开的夹紧部62在第一夹紧区域54中或者在第二夹紧区域56中转变为关闭的夹紧部64，从而燃料电池堆10被预紧。

由图3.4可看到，夹紧体68分别具有扁平缝隙70。该扁平缝隙70的扁平缝隙宽度72相应于第一紧固带50和第二紧固带52的紧固带宽度74。有利地，扁平缝隙70通过分别平行于第一紧固带50和第二紧固带52延伸的第一球形侧76和第二球形侧78限界。

打开的夹紧部62转变为关闭的夹紧部64通过夹紧体68的冷却实现，使得该夹紧体收缩并且球形侧76、78贴靠在紧固带50或52的带端部上，并且在相应的夹紧体68内在第一夹紧区域54中在第一端板16的上侧上以及在第二夹紧区域56中在第二端板18的下侧上形成关闭的夹紧部64。

由图4.1和4.2可看到如下的微调，使得关闭的夹紧部64之一、即夹紧体68之一或者在第一夹紧区域54内在第一端板16的区域中，或者在第二夹紧区域56处在第二夹紧板68的区域中被加热并打开。再调节66现在可以如此进行，即紧固带50或52之一或两个紧固带朝燃料电池堆10的方向被挤压，而其它夹紧部64保持其关闭的状态，使得可以对第一紧固带50或第二紧固带52或者两个紧固带50或52进行再夹紧。

由图5.1和5.2的俯视图和侧视图可看到燃料电池堆借助柱销和收缩夹紧的紧固。

图5.1示出，燃料电池堆10通过四个分别带有一个套筒38的柱销30朝制图平面的方向紧固。附图标记80标明气体通道，参见根据图5.2的示图，这些气体通道穿过燃料电池堆10。

由图5.2可看到，燃料电池堆10通过第一端板16和第二端板18固定。平行于气体通道80穿过燃料电池堆10延伸的柱销30在一侧上具有止挡片36，该止挡片例如沉放在第二端板18中。在第一端板16的区域中，套筒38与柱销30分别通过收缩连接部46相互连接。

图6.1至6.4示出经过的装配步骤，以便在套筒与柱销之间产生收缩夹紧。图6.1示出，具有支承面84的套筒38布置在第一端板16的凹槽中。在图6.1中示出冷状态，即套筒38具有的初始形状。图6.1还示出，套筒38的孔略微球形地实施。

由图6.2可看到，通过装配线圈82加热夹紧区域。贯穿套筒38的孔被扩宽。套筒38在加热期间也仍然以其支承面84支撑在第一端板16的开口的底部上。由图6.3可看到，在套筒38的根据图6.2的加热状态下，将柱销30导入到套筒38中。在导入柱销30期间仍然通过装配线圈82加热套筒38。

根据图6.4移除装配线圈82，使得套筒38冷却。在此，套筒38的通孔的根据图6.1球形构造的区域贴靠在柱销30的外周上并且在那里形成收缩连接部46。在根据图6.4的状态下，在套筒38与柱销30之间存在冷的压配合。根据图5.2，燃料电池堆10通过四个柱销30与相应的四个套筒38通过收缩连接部46在第一端板16的区域中连接。

与形成收缩连接部46结合地存在以下可能性：将感应线圈集成到夹盘(Spannfutter)中。这意味着：在收缩连接部46的区域中的夹紧区域直接被线圈、例如装配线圈82围绕。装配线圈82的用于加热电流或者来自燃料电池系统自身，或者插入插头，电流通过该插头流经装配线圈82。

本发明不限于在此所述实施例和在其中突出的方面。而是在通过权利要求给出的范围内的多种改型是可能的，这些改型位于本领域技术人员的处理范围内。

Claims (11)

1.一种用于紧固燃料电池、尤其燃料电池堆(10)的装置，所述燃料电池堆具有叠置的单个元件(14)，这些单个元件加载有压紧力(58)，其中，燃料电池堆(10)布置在端板(16、18)之间，其特征在于，所述端板(16、18)彼此压紧并且通过柱销(30)或紧固带(50、52)被施加压力，并且所述柱销(30)或所述紧固带(50、52)在至少一个端板(16、18)上的固定通过力锁合的收缩连接部(46)或者在套筒(38)与柱销(30)之间或者在夹紧体(68)与紧固带(50、52)之间产生，并且所述收缩连接部(46)在加热状态下接合并且在冷却状态下在冷却之后通过收缩而固定。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述套筒(38)在加热状态(40)下关于所述柱销(30)的直径(32)具有过量(42)。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在冷却状态(44)下，所述套筒(38)收缩到所述柱销(30)上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述夹紧体(68)设有缝隙、优选地扁平缝隙(70)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述扁平缝隙(74)具有固定所述紧固带(50、52)的球形侧(76、78)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，紧固带宽度(74)基本上相应于所述缝隙(70)、尤其所述扁平缝隙(70)的缝隙宽度(72)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，在所述燃料电池堆(10)中包含用于求取该燃料电池堆(10)中的局部的表面压力的传感器场(28)或单个传感器。

8.一种用于预紧燃料电池、尤其燃料电池堆(10)的方法，所述燃料电池堆由彼此叠置的单个元件(14)组成，该方法包括以下方法步骤：

a)将多个单个元件(14)堆叠成燃料电池堆(10)，并且对获得的燃料电池堆(10)加载以预压紧力(58)；

b)将套筒(38)或夹紧体(68)加热，以便达到加热状态(40)；

c)将经加热的套筒(38)接合在所述柱销(30)上或将紧固带(50、52)的带端部穿入到经加热的夹紧体(68)的扁平缝隙(70)中；

d)使所述套筒(38)冷却，以便在所述柱销(30)上产生收缩连接部(46)；或

e)使所述夹紧体(68)冷却，以便将所述紧固带(50、52)的带端部固定在该夹紧体(68)中。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据方法步骤b)，感应式地、优选地借助工具进行加热。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据方法步骤d)，冷却通过工具的水冷却或者通过所述套筒(38)或所述夹紧体(68)的压缩空气冷却实现。

11.一种根据权利要求1至7中任一项所述的装置的使用，该装置用于借助能松开的收缩连接部(46)紧固燃料电池堆(10)。

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