CN1297024C - 具有变化厚度的封口焊道的燃料电池板 - Google Patents

具有变化厚度的封口焊道的燃料电池板 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池装置，包括至少两个对置的平行板，这些板层叠在一起，但是通过分布在至少一个板上的弹性封口焊道隔开。这些弹性封口焊道便于控制板之间的流体例如电解液流动，并且由此被称作流体封口焊道。各个板包括至少二个螺栓孔，螺栓孔用来以上述对置但是隔开的方式将两个板固定在一起。设置在孔周围的分离的焊道充当孔载荷补偿焊道。在一个优选实施例中，流体封口焊道具有一个一致的厚度，同时孔补偿焊道具有小于流体封口焊道的另一个厚度。但是在同一实施例中，孔补偿焊道比流体封口焊道宽。在另一个实施例中，流体封口焊道的厚度作为流体焊道任何部分与螺栓孔的距离的函数，可以变化，孔补偿焊道的厚度减少，以适应螺栓连接部的通常预期的较高的应力载荷。因此，当螺栓载荷由此更一致地遍布于板区域上时，本发明在配对板上产生一种改进的载荷应力分布。

Description

具有变化厚度的封口焊道的燃料电池板
技术领域
本发明涉及一种用来发电的改良燃料电池组件，并尤其涉及改良密封结构，该结构用于单个燃料电池板，电池板借助螺栓连接件固定在一起。
背景技术
已知可以将弹性封口焊道(sealing beads)施加到燃料电池板的表面，以控制多个电池板之间的流体流动，这些电池板为此目的被层叠并用螺栓连接在一起。在一种通常的燃料电池结构中，多个这样的电池板在燃料电池设备的传统装配期间以一个平行的、对置的模式夹在一起。这些板被弹性封口焊道隔开，弹性封口焊道粘接到任何两个邻接板的至少一个板的表面上。该封口焊道限定使流体在这些板之间流动的通路或通道，因此，正如本领域普通技术人员可以想到的一样，流体电解液用来以这种方式传递能量。
平常的燃料电池中使用的电池板是脆性的，因为它们通常是由包括石墨的合成物形成。因此，在燃料电池构造、加工或修理期间，必须特别小心地处理电池板，以确保不会损坏或损害易碎板。这种小心的处理甚至还延伸到燃料电池的后加工处理，以避免脆性板在物理学上的弯曲或破裂。
使用穿孔螺栓连接件会使这种脆性问题特别地恶化，这些孔分布在层叠板的周围。在这种情况下，孔可以与板的中间区域隔开明显距离，该板包含流体封口焊道，封口焊道适于控制板之间的电解液流动。因此，当中间的流体封口焊道倾向于消除板周围的螺栓的旋紧作用时，用来将板固定在一起的螺栓连接件的扭矩实际上会将弯矩引入板中。要注意的是，这种弯矩最终导致脆性板的破裂，特别在对燃料电池结构进行后加工处理过程中。
发明内容
本发明提供一种装置，包括：至少两个平行对准、相互面对但是隔开、而且彼此靠近的板，所述板的每个包括至少二个螺栓孔，一个板的每个所述孔与另一个板的相应的孔对准；一个第一弹性焊道，设置在与所述孔隔开的一个所述板的部分表面上，所述焊道具有一个第一厚度，且在所述板之间充当一个弹性隔离物，且其中当借助螺栓连接件穿过所述孔将所述板固定在一起时，被弹性隔离物隔离的区域在所述板之间构成密封通道；以及一个第二弹性焊道，设置在所述一个板的所述孔的周围而且邻近所述孔，所述第二弹性焊道具有一个第二厚度，该第二厚度小于所述第一焊道的所述第一厚度，所述第一和第二焊道的所述不同厚度减少了在用螺栓固定所述板时贯穿板的应力值的变化。这是一种改进的燃料电池板结构，其中，封口焊道厚度在板表面上受到控制，该板包括那些在螺栓孔周围的区域，螺栓孔用来将板固定在一起，这样便有效地减轻了普通脆性板的过度应力或破裂问题。因此，包含本发明的多个平行层叠板，被多个不连续的封口焊道分隔开，这些封口焊道布置在任何两个对置板的至少一个板上。在一个优选实施例中，通过网板印刷(screen printing)技术将封口焊道施加到板表面上，以形成适当厚度。封口焊道是弹性的，其最好由一种弹性材料形成，而且具有不同厚度或者板表面高度，以适应应力值变化，应力是在传统燃料电池加工技术条件下，用螺栓将这些板连接在一起时产生的。因此，借助螺栓连接件将多个燃料电池板安装在一起时，这些焊道用于在层叠板之间保持所需的间隔。
在一定程度上讲，最高局部应力区域通常发生在直接邻近螺栓孔的区域，本发明在螺栓孔周围提供了封口焊道，封口焊道的高度或厚度比离开螺栓孔并且通常用于调节流体流动的流体封口焊道低。在同一优选实施例中，螺栓孔周围的封口焊道的厚度虽然比流体封口焊道小，但是宽度却更大。因此，相对共用同一板的流体封口焊道来讲，本发明的燃料电池板在螺栓孔周围具有封口焊道的补偿厚度和宽度，以便于使燃料电池板的应力破裂和相关过早退化最小化。
附图说明
附图1是现有技术的一种燃料电池板的一个平面图，该电池板只包括流体封口焊道；即，只在远离孔的区域中的，或者与孔无关的封口焊道；
附图2是附图1沿着线2-2的横截面图；
附图3是本发明一个优选实施例的一种燃料电池板的一个平面图，其包括在流体通路区域和螺栓孔区域周围的不同高度或厚度的封口焊道；
附图4是附图3沿着线4-4的一个横截面图。
具体实施方式
先参考附图1和2，这些图显示了一种现有技术的燃料电池板10，该燃料电池板包括连续几段传统单个流体封口焊道16，该封口焊道形成的宽度和高度适合于在用螺栓将板10和12连接在一起后，适当控制封口焊道之间的流体通路区域18中的电解液流动。如图所示，板12上没有焊道，即使多个燃料电池板中一部分构成一个燃料电池，板12也可能包含与板10上所设置的焊道相似的连续焊道16。
现在具体参考附图2，通常通过螺栓(图中未示)将板10和12的一对配对螺栓孔20固定在一起。当旋紧时，螺栓4会将上板12的下侧14向下拉，使其靠在弹性焊道16顶部。本领域普通技术人员容易想到，因疏忽而施加在螺栓上的过度转矩(over-torquing)可能对焊道16造成过度挤压，这样会引起板10和12的远离焊道16的螺栓连接区域(20)一起弯曲，并且在板上产生不希望有的弯曲应力。要注意，这些应力可能使板产生应力裂纹，这些裂纹最终会导致板过早破坏，并且由此过早破坏相关燃料电池装置，特别是板由易碎合成物例如包含石墨的合成物形成时更是如此。
现在参考附图3和4，一对配对燃料电池板30和32按本发明一个优选实施例构成。如图所示，底板30包含弹性焊道36和38。为了方便描述，所示顶板32没有焊道，但是如果其被包括在一叠平行石墨板中形成一个商用燃料电池组件，那么该顶板也可能包含焊道36和38。通常用于上述用途的燃料电池板的厚度各在四分之一英寸范围内，而且常常包括便于流体流动的槽(图中未示)。
焊道36被称作流体封口焊道，而且连续几段焊道36用来在借助螺栓连接件(图中未示)穿过孔40将燃料电池板30和32螺栓连接在一起后，将适当流体通道44和46保持在燃料电池板30和32之间。在一个第一优选实施例中，连续流体封口焊道36具有一致的或单一的厚度“T”，如图4所示。通常，厚度“T”应当大约为0.10英寸。
另一方面，焊道38充当螺栓载荷补偿焊道，而不是充当封口焊道。因此，焊道38被称作载荷补偿焊道，而且基于此目的，焊道38设置在每个螺栓孔40周围。焊道38具有一个一致的、更小的厚度“t”，以适应于板30和32的螺栓连接区域(40)处的更高预期局部载荷。厚度“t”大约为0.05英寸。焊道38也基本上宽于焊道36，以将更高螺栓连接载荷分散在一个更大区域中。因此，焊道38特别适合于消除板的弯矩，该弯矩与燃料电池板30和32的螺栓连接(bolting together)相关。
在这个所述优选实施例中，连续焊道36在板32和30之间充当一个弹性隔离物。连续焊道36的内边缘限定所述燃料电池电解液流体通道44和46。这些通道44和46通常被限制到板的中间区域，同时螺栓载荷补偿焊道38通常会处于孔40处，孔40绕着板30和32的周围边缘。现在参考附图4，本领域技术人员可以想到的是，载荷补偿焊道38的厚度必须小于封口焊道36。而且，如果焊道38还宽于焊道36，将会特别有利。因此，更薄但更宽的螺栓孔补偿焊道38可以有效地抵抗板的弯曲。为了直观地理解这个概念，可以颠倒如图4所示的各个焊道36和38的相对厚度。由此完全可以认识到，板30和32周围边缘48处的较厚焊道38不利于上板32向下固定到焊道36的顶部来适当地将通道44和46密封。甚至孔40的螺栓连接产生的压缩力会全部保持在板边缘48周围。
现在具体参考附图3，两者都最好是弹性材料的弹性焊道36和38的沉积可以通过网板印刷来实现。本领域普通技术人员可以理解，网板印刷可以调节所需厚度和宽度以获得所建议的结构。
最后，即使所述焊道36和38的厚度一致，本发明可以设想，焊道也可以另一方面随与螺栓孔的距离的变化而变化。因此，各个焊道36和38具有不同厚度，每个厚度作为每个螺栓孔与任一焊道任何部分的接近的函数，适合于用来减少板应力的变化。但是，正如本领域普通技术人员可以理解的一样，在各个情况下，第一封口焊道在离任何一个所述孔都最远的点处具有其最大厚度。
要理解的是，上面的描述是用来起说明作用的而不是起限定作用的。本领域普通技术人员在阅读上面的描述之后，很容易想到多个实施例。因此，本发明的范围不是与上面的描述相关，而是应当确定为与附属的权利要求书相关，并且包含这些权利要求的等同替换的全部范围。

Claims (10)

1.一种装置，包括：
至少两个平行对准、相互面对但是隔开、而且彼此靠近的板，所述板的每个包括至少二个螺栓孔，一个板的每个所述孔与另一个板的相应孔对准；
一个第一弹性焊道，设置在与所述孔隔开的一个所述板的部分表面上，所述焊道具有一个第一厚度，且在所述板之间充当一个弹性隔离物，且其中当借助螺栓连接件穿过所述孔将所述板固定在一起时，被弹性隔离物隔离的区域在所述板之间构成密封通道；以及
一个第二弹性焊道，设置在所述一个板的所述孔的周围而且邻近所述孔，所述第二弹性焊道具有一个第二厚度，该第二厚度小于所述第一焊道的所述第一厚度，所述第一和第二焊道的所述不同厚度减少了在用螺栓固定所述板时贯穿板的应力值的变化。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述弹性焊道由一种弹性材料构成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二弹性焊道比所述第一焊道宽。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述板是燃料电池板，该电池板由一种较脆的材料形成。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述板是燃料电池板，该电池板由石墨材料形成。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，多个所述燃料电池板夹在一起，各个板在其一侧上设有所述第一和第二弹性焊道。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在各个板上形成有多个所述孔，其中，所述孔的多数位于任何给定板的边缘。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一和第二弹性焊道分别充当流体封口焊道和穿孔螺栓载荷补偿焊道。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二弹性焊道都具有多个厚度，每个厚度作为所述板中每个螺栓孔靠近所述第一弹性焊道的函数适于用来减少板应力的变化。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述螺栓孔分布在所述板周围，且其中，第一弹性焊道具有一这样的厚度，即该厚度作为所述任一孔靠近所述第一弹性焊道的函数是变化的，其中，所述第一弹性焊道在离任一所述孔最远的点处具有最大厚度。
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