CN114846658A - 用于接收至少一个燃料电池堆的壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种壳体(10)，在所述壳体中容纳至少一个燃料电池堆(20)。燃料电池堆(20)包括多个上下重叠布置的双极板(34)和电解质膜(54)。壳体(10)包括面向所述至少一个燃料电池堆(20)的内侧(12)，在所述内侧上实施增大壳体(10)的表面积的加筋部(14)或者各个双极板(34)在所述至少一个燃料电池堆(20)内都具有突出部(36)。本发明还涉及该壳体在具有至少一个燃料电池堆(20)的燃料电池中用于驱动电驱动式车辆的应用。

Description

用于接收至少一个燃料电池堆的壳体

技术领域

本发明涉及一种用于接收至少一个燃料电池堆的壳体，该燃料电池堆包括多个上下相叠地布置的双极板和电解质膜，该壳体具有指向所述至少一个燃料电池堆的内侧。本发明还涉及该壳体的应用，该壳体在具有至少一个燃料电池堆的燃料电池中用于驱动电驱动式车辆。

背景技术

燃料电池通常使用气态氢(H₂)运行，并且几乎总是作为多个单独单体形成燃料电池堆的联结而运行。单独单体典型地利用弹性体密封件来相互密封。通常，使用具有多达500个单体以及同样多的密封件的燃料电池堆。在正常运行中会发生：少量H₂通过这些密封件逸出。在对所提到的密封件中的一个或多个密封件造成损坏的情况下，可能会逸出更大量的气态氢。在这两种情况下都存在形成爆炸性混合物的可能性。为了防止爆炸性混合物的积聚，典型地用周围空气给壳体通风。

DE10001717C1涉及一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括至少一个燃料电池单元，该燃料电池单元容纳在燃料电池箱中，和/或，将阴极气体或冷启动气体供应管路或者阴极废气或阳极废气再循环管路配属给该燃料电池单元。燃料电池系统配备有至少一个柯恩达(Coanda)流量放大器，以便放大用于给燃料电池箱通风的空气流、阴极气流或冷启动气流、再循环的阴极废气流或再循环的阳极废气流，和/或，该系统配备有用于在燃料电池箱之外的壳体的通风器件，燃料电池系统的部件组合在该壳体中，其中，通风器件具有柯恩达(Coanda)流量放大器.

DE10031238A1涉及一种燃料电池系统及其运行方法。设置了至少一个安装在燃料电池箱中的燃料电池单元，其中，箱通风器件设置有通入燃料电池箱中的冲洗介质供应管路和从燃料电池箱中引出的冲洗介质排出管路。防爆风扇位于冲洗介质供应管路和/或冲洗介质排出管路中，和/或，用于燃料电池箱之外的壳体的通风器件设置由通入该壳体的冲洗介质供应管路和从该壳体引出的冲洗介质排出管路。它们组合在燃料电池系统的壳体中，其中，所述通风器件具有防爆风扇。

在封闭容器(例如包围燃料电池的壳体)中发生爆炸的情况下，在化学计量的H₂-空气-混合物中可以出现高达8.5barg的最大爆炸压力。在实践中常见的应用中，燃料电池堆壳体矩形地构造，其中，壳体的表面积以及诸如传感器阀和泵的其他内置装置有助于增加壳体的表面积。

鉴于8.5barg的最大预期爆炸压力，按照通常的实践，将用于接收燃料电池的壳体设计为用于8.5barg的压力。这导致相对多的材料使用并且由此导致相对高的重量。此外还集成有泄压结构、尤其是爆破片。

发明内容

根据本发明提出一种用于接收至少一个燃料电池堆的壳体，所述燃料电池堆包括多个上下相叠布置的双极板和电解质膜，所述壳体具有面向至少一个燃料电池堆的内侧。在壳体内侧上构造增大该壳体表面积的加筋部，或者，在至少一个燃料电池堆内的各个双极板分别具有突出部。

通过根据本发明提出的解决方案可以实现强烈增大的壳体表面积。尤其，在壳体内侧的表面积增大可以通过在壳体内侧上设置筋或小块来实现。

在根据本发明提出的解决方案的另一构型中，加筋部在壳体内侧上沿纵向方向从壳体上侧出发朝壳体下侧的方向延伸。替代地，存在这种可能性：加筋部在壳体内侧上沿横向方向、即例如平行于壳体上侧地延伸。此外，根据另一实施变型可能的是，加筋部在壳体内侧上沿对角线方向从壳体的上侧延伸至该壳体的下侧。

加筋部的所有上述实施变型的共同点在于：通过将该加筋部设置在壳体内侧上明显地增大该壳体的表面积，这有利地导致最大爆炸压力的减小。

在根据本发明提出的解决方案的扩展方案中，在壳体内侧上和至少一个燃料电池堆的外侧上形成能实现通风流的通道。该通道在壳体和燃料电池堆之间延伸并且使得能够通过周围空气将由于泄露而可能从各个燃料电池中逸出的氢气导出。该通道例如可以通过缝隙形成，所述缝隙由在壳体的内侧上的加筋部的单个筋朝至少一个燃料电池堆的方向的长度形成。根据单个筋的长度，在至少一个燃料电池堆的外侧和壳体的内侧之间保留有自由空间，所述自由空间形成用于通风流的通道。

在根据本发明提出的解决方案的扩展方案中，在壳体的内侧和至少一个燃料电池堆的外侧之间可以延伸绝缘层。

在根据本发明提出的解决方案中，在实现用于供通风流经过的通道时，存在这种可能性：该通道由在加筋部的单个筋中的缺口表示，使得通风流从加筋部的单个筋到单个筋地经过该通道，其中，在单个筋之间可以形成各个腔。

在根据本发明提出的解决方案的扩展方案中，至少一个燃料电池堆由双极板和电解质膜构建，其中，各个双极板可以分别具有突出部，该突出部向壳体的内侧突出，而不接触该内侧。

在根据本发明提出的解决方案中，在至少一个燃料电池堆内，每第二个至第十个双极板具有所提到的突出部。因而，在壳体内侧和燃料电池堆的外侧之间的通风通道以运动学反转的方式不是由在壳体内侧上延伸的加筋部形成，而是由各个突出部形成，所述突出部从每第二个至第十个双极板朝壳体内侧的方向延伸，而不接触该壳体或设置在那里的绝缘层。由此确保了，始终保留有缝隙或者说自由空间，该缝隙或者说自由空间可以供通风流经过。

在根据本发明提出的解决方案中，在突出部内，双极板可以以增强的材料厚度构造，使得可以抵抗由于双极板弯折而形成短路。

此外，本发明涉及壳体的应用，所述壳体在具有至少一个燃料电池堆的燃料电池中用于驱动电驱动式车辆。

通过根据本发明提出的解决方案，可以显著地降低在用于具有至少一个燃料电池堆的燃料电池的壳体内的最大爆炸压力。在表面积理想大的理想情况下，通过根据本发明提出的解决方案可以消除爆炸并将其转换为具有更低压力水平的简单燃烧。由此又存在这种可能性：使用抗压性较低的壳体，由此可以节省重量和材料。

由于降低的压力水平还可能的是，设置不具有用于通风的设备且不具有通向风扇、H₂传感器和防爆风扇的入口和出口的设备的封闭壳体。由此，除了本来就设置了的经过燃料电池的通风流，显著地降低设备耗费。

通过根据本发明提出解决方案，可以或者通过设置加筋部来设置壳体的内侧，该加筋部可以沿横向方向、纵向方向或对角线方向延伸；另一方面，存在这种可能性：在至少一个燃料电池堆的堆结构内的各个双极板都设有突出部，使得通过这些突出部显著地增大了表面积。壳体在其内侧的表面积或者说在至少一个燃料电池堆的外侧上的表面积可以设计得越大，则能实现越小的爆炸压力。

为了避免在至少一个燃料电池堆的各个双极板和壳体的内侧之间的电接触，可以设置绝缘层。通风流通过其循环的通道或者可以通过加筋部的单个筋中的缺口形成，或者可以通过加筋部的缩短构造的单个筋形成，使得在对应单个筋的端部和与该端部对置的燃料电池堆的外侧之间保留缝隙，通风流可以经过该缝隙。

通过根据本发明提出的解决方案，例如可以实现从5.4barg至2.8barg的爆炸压力水平，这有助于显著更有利地、即更容易且成本更低地制造用于接收燃料电池的至少一个燃料电池堆的壳体。

通过设置在壳体内侧上的加筋部可以加固壳体，这有利地能够实现：将壳体用作用于整个燃料电池系统的支撑结构。气体体积通过设置在内侧上的加筋部而减小，这附加地有助于减小爆炸压力。对于在燃料电池的堆结构内的交替突出地构造的双极板没有与壳体的电接触并且稳定地例如以较大材料厚度实施的情况，由此可以将燃料电池堆的力传递到壳体上。平放布置的具有多个单体的燃料电池堆倾向于压弯并且对在车辆运行中发生的振动更敏感。这种压弯和振动不均匀地给这些单体的密封件加负荷，使得可能会出现非密封性。通过根据本发明提出的解决方案，这种非密封性可以通过运走可点燃的H₂-空气混合物而在很大程度上被考虑到。

附图说明

参考附图和以下说明更详细地阐释本发明的实施方式。

附图示出：

图1具有沿纵向方向延伸的加筋部的壳体的内侧；

图2由燃料电池堆和壳体组成的复合体，其中，在壳体的内侧上实施纵向加筋部；

图3燃料电池堆的俯视图，该燃料电池堆在壳体中设有在绘制平面中、即沿纵向方向延伸的加筋部；

图4燃料电池堆的实施变型，其中，各个双极板都实施有突出部；

图5具有设有突出部的各个双极板的燃料电池堆的放大图示，所述双极板朝壳体内侧突出。

具体实施方式

在下面对本发明实施方式的说明中，相同或相似的元件用相同的附图标记表示，其中，在个别情况下省去对这些元件的重复描述。附图仅示意性地示出本发明的内容。

图1示出壳体10，在该壳体的内侧12上实施加筋部14。从根据图1的图示中可得出，具有多个沿纵向方向16延伸的单个筋33的加筋部14在壳体10的内侧12上延伸。加筋部14在壳体10的内侧12上从上侧22延伸至该壳体的下侧24。

图2示出由至少一个燃料电池堆20组成的复合体，该燃料电池堆被接收在具有加筋部14的壳体10中。图2示出，在壳体10的内侧12上，加筋部14的单个筋33以彼此均等的间距尤其是沿纵向方向16延伸。替代地存在这种可能性：加筋部14并不是沿纵向方向48，而是也可以与该纵向方向垂直地沿横向方向44或沿对角线方向46带有随之出现的相应加长地在壳体10的内侧12上延伸，如图1中示出。

图3示出燃料电池堆20的俯视图，该燃料电池堆被接收在壳体10中。为了实现其内表面38的增大40，在壳体10的内侧12构造加筋部14。该加筋部沿纵向方向16延伸，即沿纵向方向48垂直地在根据图3的绘制平面中延伸。与加筋部14的单个筋33朝至少一个燃料电池堆20的方向的纵向延伸相应地，在包括多个双极板34和电解质膜54的至少一个燃料电池堆20的外侧之间保留缝隙26，所述双极板和电解质膜彼此相叠地被接收，所述缝隙可以被通风流28经过。通风流28尤其是周围空气。通风流28的任务是，将气态氢的可能出现的气体泄漏从壳体10中排出用以避免形成能爆炸的混合物。从根据图3的图示中得出，在这里沿纵向方向16延伸的加筋部14的单个筋33之间形成腔30。这些腔30由沿通风方向42流动的通风流28穿流，并且将可能积聚在那里的气态氢从各个腔30中运走，所述各个腔是通风通道56的一部分，使得不会形成能爆炸的混合物。将各个腔30彼此连接的通风通道56可以通过壳体10的内侧12上的加筋部14的单个筋33中的各个缺口52形成。通风流28、即周围空气沿通风方向42流过通风通道56，并且使可能存在的逸出氢气泄露排出。

此外，从图3中可得知，至少一个燃料电池堆20包括多个双极板34和电解质膜54。这些双极板和电解质膜在至少一个燃料电池堆20中相叠地堆叠地布置。在各个双极板34或电解质膜54之间设置在此未详细示出的密封元件。

已证实，在壳体的实际表面积和所包围的气体体积之间存在经验性关联。最大压力计算为：

p_max＝-0.146O/V+8.32。

其中，p_max＝最大爆炸压力(barg)，

O＝内部总表面积(m²)，并且

V＝所包围的气体体积(m³)。

作为用于设计的参考，可以考虑燃料电池堆20和壳体10具有以下数据：具有400个单体和端板的堆，高度x宽度x深度＝500x500x150mm³；围绕燃料电池堆20的壳体10，高度x宽度x深度＝520x520x170mm³；燃料电池堆20的表面积(圆整后)＝0.8m²；壳体10的表面积(内部，圆整后)＝0.9m²；以及所包围的气体体积(圆整后)＝0.85m³。考虑到以上值，得出最大爆炸压力为5.4barg。出于这个原因，需针对至少5.4barg的爆炸压力来设计壳体10，这将会导致高的材料使用和与此相应地高的重量。

如果现在考察具有根据本发明提出的加筋部14的壳体10，则得出以下值：

具有400个单体和端板的燃料电池堆20，高度x宽度x深度＝500x500x150mm³；围绕燃料电池堆20的壳体10，高度x宽度x深度＝520x520x170mm³；加筋部14横向地具有间距x高度x厚度＝10x10x1mm³；堆表面积(圆整后)＝0.8m²；壳体10加上加筋部14的内部表面积(圆整后)＝2.2m²；所包围的气体体积减去加筋部14(圆整后)＝0.79m³。

利用上述数据，得到仅为2.8barg的降低的最大爆炸压力。这体现了显著的改进潜力，因为壳体10现在可以显著地构建得更轻，这不仅导致使用重量的显著降低，而且也导致了所使用材料的成本的显著降低。

从根据图4的图示中可得出燃料电池堆20的实施变型，该燃料电池堆由多个双极板34和电解质膜54构造。图4示出，彼此层叠的双极板34中的各个双极板都具有突出部36。与图3相比，通过运动反向，在燃料电池堆20内通过每第二个至第十个双极板34上的相应突出部36可以实现：壳体10的内侧12和燃料电池堆20的外侧之间的通风通道56(参见图3)恰好由突出部36形成。每第二个至第十个双极板34的各个突出部36可以例如设有缺口52，使得在壳体10的内侧12和至少一个燃料电池堆20的外侧之间可以实现用于通风流28的通风通道56，该通风流沿通风方向42流动。通风通道56也可以通过以下方式构成：在双极板34的各个突出部36的端部和壳体10的内侧12之间保留缝隙26，通过所述缝隙形成双极板34的突出部36之间的各个腔30，所述腔由通风流28经过。由此确保了，在根据本发明提出的解决方案的该实施变型中也确保了通风流28的经过并且快速地使可能积聚在腔30中的气态氢运走，而不会形成能爆炸的H₂/空气混合物。

图5以放大的图示示出在至少一个燃料电池堆20内的分别设有突出部36的双极板34。视至少一个燃料电池堆20的设计而定地，每第二个至第十个双极板34可以设有一个突出部36，使得形成各个腔30。为了避免电短路，存在突出部36以较大材料厚度构成的可能性，使得可以避免这些突出部的弯折以及与相邻的双极板34发生短路。此外，存在“在壳体10的内侧12和突出部36的端部或者说双极板34的端部之间将至少一个绝缘层50拉入到壳体10中”的可能性，以便避免电短路。从根据图5的俯视图中还得知，在至少一个燃料电池堆20内的各个双极板34之间分别接收电解质膜54。图5中示出的腔30中存在缝隙26(参见根据图3的图示)，所述腔通过由双极板34的构造到超长部中的各个突出部36来限界，所述缝隙可以由通风流28沿通风方向42经过并且可以如此将气态氢从其中布置有至少一个燃料电池堆20的壳体10中运走。

作为另外的增大表面积的元件，可以将波纹板材部件、纱网、金属网或蜂窝板安装到自由气体体积中，由此能显著地增大表面积。同时，显著地减少仍存在的自由气体体积。然而在该变型中，省去壳体10的加固效果，并且可以作为对上述实施方式的附加措施来应用。此外，存在这种可能性：在壳体10的内侧12上安装例如粘接上的蜂窝结构，由此可以不容忽视地加强壳体10。

本发明不限于这里描述的实施例和其中强调的方面。相反，在通过权利要求给出的范围内能实现在本领域常规技术手段范畴内的大量改型。

Claims (12)

1.用于接收至少一个燃料电池堆(20)的壳体(10)，所述燃料电池堆包括多个彼此相叠地布置的双极板(34)和电解质膜(54)，所述壳体具有面向所述至少一个燃料电池堆(20)的内侧(12)，其特征在于，在所述壳体(10)的所述内侧(12)上构造增大该壳体的表面积的加筋部(14)，或者，在所述至少一个燃料电池堆(20)内，各个双极板(34)具有突出部(36)。

2.根据权利要求1所述的壳体(10)，其特征在于，所述加筋部(14)在所述壳体(10)的所述内侧(12)上沿纵向方向(48)从所述壳体(10)的上侧(22)延伸至下侧(24)。

3.根据权利要求1所述的壳体(10)，其特征在于，所述加筋部(14)在所述壳体(10)的所述内侧(12)上关于所述壳体(10)的上侧(22)沿横向方向(44)延伸。

4.根据权利要求1所述的壳体(10)，其特征在于，所述壳体(10)的所述内侧(12)的所述加筋部(14)沿对角线方向(46)从所述壳体(10)的上侧(22)延伸至该壳体的下侧(24)。

5.根据权利要求1至4所述的壳体(10)，其特征在于，在所述壳体(10)的内侧(12)和所述至少一个燃料电池堆(20)的外侧之间形成能实现通风流(28)的通风通道(56)。

6.根据权利要求5所述的壳体(10)，其特征在于，所述通风通道(56)由缝隙(26)形成，所述缝隙通过所述加筋部(14)的单个筋(33)朝所述至少一个燃料电池堆(20)的方向的长度(32)形成。

7.根据权利要求1至6所述的壳体(10)，其特征在于，在所述壳体(10)的内侧(12)和所述至少一个燃料电池堆(20)的外侧之间延伸绝缘层(50)。

8.根据权利要求5所述的壳体(10)，其特征在于，所述通风通道(56)由所述加筋部(14)的单个筋(33)中的缺口(52)形成。

9.根据权利要求1至8所述的壳体(10)，其特征在于，由双极板(34)和电解质膜(54)构成的所述至少一个燃料电池堆(20)包括这样的所述双极板(34)：所述双极板(34)分别具有突出部(36)并且朝所述壳体(10)的内侧(12)伸出，而不接触所述内侧。

10.根据权利要求9所述的壳体(10)，其特征在于，在所述至少一个燃料电池堆(20)中，每第二个至第十个双极板(34)具有所述突出部(36)。

11.根据权利要求9所述的壳体(10)，其特征在于，在所述双极板(34)上的突出部(36)以比所述双极板(34)的材料厚度更大的材料厚度来实施。

12.根据前述权利要求中任一项所述的壳体(10)的应用，用在具有至少一个燃料电池堆(20)的燃料电池中，所述燃料电池用于驱动电驱动式车辆。

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