CN1636293A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统(1)，其中在用以压紧中间板的两个端板(3)之间装入一个由多个中间板构成的燃料电池组(2)。至少一个端板(3)具有一个端板基体(4)以及一个与之连接的、用于导电连接燃料电池组的接触面板(5)。此外所述的端板基体(4)具有用于冷却燃料电池组的冷却循环的管路结构(6)。此外所述端板如此变形，使之可以在燃料电池组上传递一个均匀的压力，以及还可以补偿所述的叠层并还有端板的安置状态。

Description

燃料电池系统
本发本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的燃料电池系统。
已知燃料电池系统，其中在用以压紧中间板的两个端板之间镶入由多个中间板构成的燃料电池组(Brennstoffzellenstack)，所述的燃料电池组是一系列的板形的燃料电池。
这种压紧出于许多原因是必需。一方面通过端板的压力作用使得用尽可能均匀的压力相互压紧各个中间板，也就是各个燃料电池中的板，从而保证在各个燃料电池中进行的扩散过程以及从板到板的导电性。此外在大多数的燃料电池系统的构造中需要端板的压力，用于中间板之间的气体或者液体循环的密封功能。
根据现有技术，从许多细节上装配用于压紧中间板的端板。从而例如通常设有一个金属(多数为铝)板，该金属板对作用在端板上的力提供足够的机械强度。此外通常设有附加的构件，用于把燃料电池组的电流引出到耗电器上。附加地还在端板的区域内安排燃料电池组的媒介供应管线的接管，最后通常还在端板上设置热力学地稳定燃料电池组的分开的冷却单元。
这样的结构有显著的缺点。一方面安装费用相当地高，另外还必须按严格的公差制造和装配各个部件，以使得能够达到导出电流、均匀压紧燃料电池组以及冷却或者完善地供应媒介等功能。由于在不同的构件(如用于冷却媒介以及电流引出的接管等)之间的电气绝缘必须彼此分离而出现附加的问题。另外一个缺点是，即使在满足上述要求的一块端板的情况下也使得燃料电池组的温度控制困难，因为该端板一般含有高质量的金属部分，而高质量的金属部分因其热容使得对燃料电池组的冷却要求反应有惰性。
因此本发明的任务是，创造一种带有一个端板的燃料电池系统，所述的端板一方面可以将高的压力作用到燃料电池组上，另一方面可以成本合算地和简单地进行制造，以及能够进行良好的温度控制。
该任务通过如权利要求1的带有一个端板的燃料电池系统完成。
如此来克服现有技术的缺点：至少一个端板具有一个端板基体以及一个与之连接的用于导电连接燃料电池组的接触面板，其中所述的端板基体具有用于冷却燃料电池组的冷却循环的管路结构。
根据本发明的端板以简单的结构为特征。端板基体具有能够使用于冷却燃料电池组的冷却循环进行流动的管路结构。由此节省了费用，因为管路结构是端板的整体组成部分，并且不必设置分开的冷却段。另一个主要组成部分是接触面板，该接触面板与燃料电池组进行电气连接，并且还从所述的组实际上无绕行地向冷却循环导出热量。由此还降低了整个系统的热惯性，特别的优点在于，由于构件的数量有限，减少了安装费用，并且减少了可能的安装错误。特别是对于成本合理的系列制造的端板、例如可以把端板基体设置为注模成型件。
本发明的优选改进方案在从属权利要求中说明。
本发明的一个特别有利的实施方式提出，端板基体用塑料、例如热塑性塑料-譬如PA、PEEK、PPS、LCP、POM、或者热固塑料-譬如PF、MF进行制造。这样一种带有其管路结构的端板基体例如按照现有技术的注模工艺也可以在系列制造中成本非常合算地进行制造。此外塑料还有特别的优点：因为塑料的质量小从而特别适于移动应用。此外塑料的热容一般地低于通常的金属的，从而通过直接地设在端板基体中的冷却装置由于低惰性的响应性能而得到直接冷却，并且因此对燃料电池组实现改善的温度控制。此外还要强调的是，大多数塑料的电绝缘特性是有利的，这使得对于接触面板进行分开的电绝缘成为多余的。
在另一个有利的实施方式中还可以用金属来制造所述端板基体、如用加压铸铝。根据金属的种类在一定的情况下需要用防锈漆对金属涂层。
一个特别有利的实施形式是，接触面板的向着端板基体的侧面是冷却循环的一个分界壁。由此可以理想地发挥根据本发明的原理所述的端板基体特别容易制造，因为所述的管路结构可以只是简单的凹槽，而没有复杂的侧凹截面。不需要用复杂的核心浇铸工艺来制造端板基体。管路结构的密封封闭从接触面板向燃料电池组进行。由此还可以实现，通过接触面板进行从燃料电池组向端板冷却循环的非常直接的导热。
通过在外部用螺栓旋紧或者张紧，如果没有括附加的措施，那么就可能在平面的内部出现不均匀的压力分布，从而使接触面板非均匀地压到叠层面上。这种非均匀的压力作用在塑料板的情况下要特别注意。为了避免发生这种情况，许多措施是有意义的。一个特别有利的实施形式是，把接触面板如此嵌入到端板基体中，使得接触面板朝向燃料电池组球形隆起。由此通过一个预定的变形来补偿可能导致作用到叠层上非均匀的压力的不利的弯曲。对此可替换还可以如此形成接触面板，使该接触面板向端板基体基本上是平坦的，而向燃料电池组是弯曲的。由此通过集电器插头向叠层中引入力来平衡翘曲。在此要确定的是，可以如此在高度上改变冷却结构，使得在叠层上传递扇形圆锥形状(隆起、弯曲)，或者如此在燃料电池的活性区域中引入均匀的力分布：通过适当的结构如此弹性地建立端板，从而通过中心的张紧从外部建立所述的力。
特别有利的是，端板基体或者接触面板具有用于使作用在接触面板上的压力负荷进行分布的支撑元件。由此可以在接触面板的整个面上从端板向燃料电池组均匀地传递压力。这种均匀的压力还引起均匀地下压燃料电池组的全部其它的中间板，从而在该中间板之间出现良好的电接触，这在燃料电池系统中表现出良好的效率。根据本发明的支撑元件可以采用按照现有技术的制造方法(如注塑工艺等)方便而成本合算地制造。
另外还可以例如在端板基体的背离接触面板的背侧面上设置支撑杆，用于强化特别是用塑料制造的端板基体。从而即使在非常小质量的端板基体的情况下也可以实现坚固的截面，从而即使以轻的结构也可以实现在燃料电池组上的均匀的压力。
另一个有利的实施形式是，在接触面板与端板基体之间布置密封件，以避免冷却液体从管路结构中流出。为此可以设置分开的密封元件(如橡胶密封件)，这样例如通过一种定位连接来固定接触面板。然而还可以把接触面板直接地注塑在端板基体中，或者将接触面板与端板基体融合起来(该方法特别适用于塑料制造的端板基体)。
接触面板本身也可以是不同的实施形式。从而可以全部地用金属(0.5至3毫米厚的优质钢、铝或者铜)制造。在此根据金属在一定的情况下在金属上涂覆防锈漆是有意义的。
此外还可以把接触面板设计成用金属涂覆的塑料板。在此面对燃料电池组的侧面上将较小厚度的、最好为0.1至1毫米的铝或者铜薄膜涂覆。在此有利的是，许多塑料的电绝缘特性使得附加的绝缘成为多余的，然而要考虑到充分地支撑塑料板，以便对燃料电池组达到均匀的表面压力。此外对接触面板设置一个导电的防腐涂层。
对根据本发明的系统特别有利的是，容易地在端板上设置各种媒介的连接端口。电流连接端子例如可以实施为易于与一个耗电器连接的接触面的凸出的接片。此外还可以在端板基体上容易地设置气体或者液体的入口或者出口，该入口或者出口可以与燃料电池组的相应的入口或者出口连接，用于供应媒介(如氢气、氧气、空气、甲醇等等)。同样地可以方便地实现向着引导冷却剂的管路结构的冷却剂入口或者冷却剂出口。整体上这种入口或者出口可以是在端板基体中的孔形开口或者还可以是接管。在此在用注塑工艺制造端板基体时，可以方便地整体地形成所述接管，在用塑料制造的端板基体中在此还可以同时取消其它的电的密封。然而，还可以把接管作成分开的构件，并且以后才牢固地连接在端板基体上。
另一个有利的实施方式是接触面板在其向着燃料电池组的侧面上具有这样一种三维结构，可以通过该结构引导反应物。这就是说，接触面板的整体构件是一个所谓的“流场”。从而例如可以引导诸如分子氢之类的反应气体使其大面积地分布在接触面板上，从而得到均匀的大面积分布。
另一个有利的实施形式是，端板基体在其向着燃料电池组的侧面上具有密封件，用于密封气体或者液体的入口或者出口，并且用于封闭燃料电池组的电化学的活性区域。在此可以例如是在端板基体的槽中设置的弹性体密封件。从而在相互压紧端板时还可以同时确保密封媒介输送机构。可替换的也可以使接触面板大体上在端板基体的整个面上延伸，并且在其向着燃料电池组的侧面上具有密封件，该密封件用于封闭媒体的入口或者出口以及燃料电池组的电化学活性区域。在此情况下用于气体或者液体的管路穿过接触面板。特别是在金属的接触面板的情况下，例如通过丝网印刷工艺借助于涂覆弹性体可以成本合算地涂覆密封件。
附加地在该变型中接触面板还可以在其向着端板基体的侧面上具有密封件。从而可以例如在该部分上在端板基体与接触面板之间设置弹性体密封件(这例如在接触面板同时是一个布置在端板基体中的冷却循环的分界壁时是必需的)。在此应当在接触面板和端面基体之间实现一种啮合机构或者固定机构(例如通过点状热固定)，以便按要求对这些构件进行互相定位。只要通过在端板上施加压力使燃料电池组相互夹紧，就出现最终的密封效果。
其它有利的实施方式在其它从属权利要求中说明。
下面参照多张附图详细地说明本发明。附图示出：
图1根据本发明的燃料电池系统，
图2根据本发明的端板，
图3a和3b根据本发明的端板基体的正视图，而
图4一个接触面板的凸起。
图1示出根据本发明的燃料电池系统1。在该图中可见一个由多个中间板构成的燃料电池组2，该燃料电池组2由电气串连的相互层叠的多个板形燃料电池组成。这种燃料电池组布置在两个端板3之间。在燃料电池组上施加的压力例如可以借助于通过通孔13引入并且在端板的背离燃料电池组的侧面上锁紧的夹紧螺栓来完成，可替换地还可以用夹紧带或者夹紧簧片施加这种压力。
单个端板3的详细构造借助于图2说明。图中示出一个端板基体4以及与之连接或者装入其中的用于对于燃料电池组2进行电连接的接触面板5(图2示出接触面板5的还没有安装的位置，它的成品安装位置在图1的端板中可见)。端板基体4具有用于冷却燃料电池组的冷却循环的管路结构6。在此端板基体4通过注塑制造。在此特别有利的是较小的质量以及较低的热容，从而冷却循环可以直接地影响燃料电池组中的温度而没有惰性损失(Trgheitsverlust)。
接触面板5的向着端板基体4的侧面5.1是冷却循环的分界壁。所述管路结构是单侧敞开的端板基体的凹槽。在图2的截面图中示出多个彼此相邻的管路，该管路通过隆起或者说支撑元件7相互分隔开。这样的形状在制造技术上容易实现，因为所述的管路没有侧凹。把接触面板5如此固定在支撑元件7，上使得完全地封闭管路结构6。在此有利的是支撑元件7将接触面板5支撑在非常宽的面上，从而不会出现接触面板例如在其中心的翘曲，并因此导致燃料电池组的不均匀的压力状态。在接触面板5和端板基体4之间可以设置环绕的密封件8，以避免通过管路结构6流动的冷却剂泄露。可以设置一种胶作为所述密封件，然而还可以是分开的密封元件，例如一个橡胶密封件。根据材料在接触面板与端板基体之间还可以有热的接合。
在这里所述接触面板由一种塑料制成，该接触面板在向着燃料电池组的侧面上整个面地敷设厚度为0.2毫米的铜箔。可替换地还可以设置完全用金属制造的接触面板。接触面板具有一个导电的引出端、即电流连接端子9，用该电流连接端子9可以进行从燃料电池组经接触面板向连接在电流端子9上的耗电器的电气连接。
此外端板基体4还示出一个用于引入反应气体(空气或者氢等)的入口10以及反应气体的出口11以及冷却剂入口12，该冷却剂入口12与用于运行冷却循环的管路结构6相连接。用于气体的入口10或出口11以及冷却剂入口12此外还通过没有详细示出的管路与燃料电池组的相应的孔连接，并且与气体和液体的相应的输入输出管路相连接。所述的入口及出口10、11、12设计为接管，该接管作为分开的构件设置在端板的背离燃料电池组的背侧面上。
图3a和3b示出根据本发明的端板基体的正视图和后视图。该端板基体具有一个基本上为正方形的平坦截面，然而还可以是具有圆的或者非正方形的矩形截面的系统。该端板基体作成注塑件。在图3a中可见带有支撑元件7’的管路结构6’，在支撑元件7’上稍后放置接触面板。在端板基体的边缘区域中的三角形凹槽用于使端板的冷却区域与燃料电池组的冷却区域进行连接。入口10’、出口11’以及冷却剂出口12’构成为塑料端板基体4’的整体的接管。在密封性、制造费用以及可以对于所述接管进行电气绝缘的方面这样是有利的。
入口10’及出口11’进入到孔10a’及11a’中，通过该孔可以进行与燃料电池组的气体导通的连接。冷却剂入口12’进入到通过支撑元件7’中断的管路结构6’中，该支撑元件7’基本上是板条状的并且与端板基体为对角线地交叉。
在图3b中可见，为了提高端板基体的抗弯强度，在端板基体的背侧面上布置一个带有向端板基体的中心呈星形延伸的、收缩的强化撑杆的边缘侧面的框架。由此达到在整个面上全面压紧燃料电池组。
图4用示意的方式示出如何通过接触面板的凸起达到在燃料电池组上的均匀的压紧。为此如此在一个端板体4中嵌入一个接触面板5：使得接触面板5向燃料电池组2隆起。在轴向压紧端板基体以及燃料电池组2时—这例如通过在边缘区域中的螺栓拧紧进行—在接触面板5的中心区域出现一种变形，由此总体实现：通过所述的凸起的扇形圆锥形状达到接触面板对于叠层面均匀的压紧。可替换的是，这种效果还可以通过接触面板的弯曲达到(见说明书开头部分)。总而言之如此使所述端板变形：使之可以向所述组件传递均匀的压力，以及使之还可以补偿所述组件和/或还有端板的安置状态。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统(1)，其中在用以压紧中间板的两个端板(3)之间装入一个由多个板构成的燃料电池组(2)，
其特征在于，
至少一个端板(3)具有一个端板基体(4)以及一个与该端板基体相连接的、用于导电连接燃料电池组的接触面板(5)，其中所述的端板基体(4)具有用于冷却燃料电池组的冷却循环的管路结构(6)。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，端板基体(4)是塑料制成的。
3.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，端板基体(4)用压铸金属、浇铸金属或者用泡沫金属制成的。
4.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板(5)的向着端板基体(4)的侧面(5.1)是冷却循环的一个分界壁。
5.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，端板基体(4)和/或接触面板(5)具有用于将作用到接触面板(5)上的压力负荷朝向端板基体(4)进行分布的支撑元件(7)。
6.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，在接触面板(5)与端板基体(4)之间布置密封件。
7.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板(5)注塑到端板基体(4)中，或者与端板基体(4)融合。
8.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板(5)用金属制成。
9.如权利要求1至7中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板(5)是用金属涂覆的一个塑料板。
10.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板设置电流连接端子(9)，用于使所述的燃料电池系统(1)与一个耗电器进行电气连接。
11.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，端板(3)具有用于气体或者液体的入口(10)和/或出口(11)，其中所述入口和/或出口分别通过管路与燃料电池组的相应的孔进行连接。
12.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，端板(3)具有与用于冷却循环的管路结构(6)相连的冷却剂入口(12)和冷却剂出口。
13.如权利要求11或12中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，入口(10；12)和/或出口(11)是在端板中的孔形开口、整体的接管、或者是作为分开的构件的接管。
14.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，端板具有用于穿过夹紧螺栓的通孔(13)或者用于容纳夹紧带的凹槽，该夹紧带用于向燃料电池组施加压力。
15.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板在其向着燃料电池组(2)的侧面上具有这样一种三维结构，以致于通过该结构可以引导反应物。
16.如权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，端板基体(5)在其向着燃料电池组(2)的侧面上具有密封件，该密封件用于密封气体或者液体的入口(10)或者出口(11)、以及用于密封燃料电池组(2)的活性区域。
17.如权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板(5)在其向着燃料电池组(2)的侧面上具有密封件，该密封件用于密封气体或者液体的入口(10)或者出口(11)、以及用于密封燃料电池组(2)的活性区域。
18.如权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于，接触面板(5)附加地在其向着端板基体(4)的侧面上具有密封件。
19.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，将接触面板如此嵌入到端板基体中，使得接触面板朝向燃料电池组隆起。
20.如以上权利要求中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，使接触面板朝向端板基体基本上是平坦的，而朝向燃料电池组是弯曲的。
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