CN1697230A - 电池堆及其制造方法和包括这种电池堆的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池的电池堆和制造这种燃料电池的电池堆的方法。电池堆包括发电体和杆，发电体包括具有相对侧表面的膜电极阻件(MEA)和安装在MEA侧表面的双极板；借助于形成在杆的至少一端的铆钉头将杆安装到发电体上，从而将发电体固定在一起。所述方法包括在构成电池堆的发电体中和与发电体接触的压板中形成连接孔；将杆插入发电体和压板的连接孔中；杆的至少一端形成铆钉头，致使通过铆钉连接使杆与所述发电体和压板连接。按照本发明，可减少用于组装构成电池堆的发电体的连接构件所需的零件数，故而可简化结构，降低制造成本。此外，还可简化电池堆的制造过程，并能提高发电体之间的连接强度。

Description

电池堆及其制造方法和包括 这种电池堆的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及一种用于燃料电池的电池堆(stack)。

背景技术

燃料电池是用来发电的系统。在燃料电池中，将空气中的氧和包含在如甲醇、乙醇和天然气之类的碳氢化合物中的氢之间反应产生的化学能直接转换成电能。燃料电池独特的特点是燃料和氧化剂之间的反应产生的电力以及它的热量副产品两者都可以利用。

目前已研发出聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)技术。PEMFC系统的主要部分包括称之为电池堆的燃料电池主体、燃料箱、从燃料箱向电池堆提供燃料的燃料泵、以及在将储存在燃料箱中的燃料提供给电池堆的过程中转化燃料以产生氢气的重整器。然后，重整器将氢气提供给电池堆，电池堆使氢气和氧气之间发生反应，从而发电。

在所述燃料电池系统中，顺序堆叠发电体而构成电池堆，每一发电体由膜电极组件(MEA)和设置在MEAs两侧的双极板构成。在MEA中，设有阳极和阴极，在它们之间设有电解质层。MEA的作用是使氢气和空气发生氧化/还原反应。发电体的双极板或隔开发电体的端板形成于电池堆最外端。

为了在PEMFC结构中防止燃料泄漏，应将多个堆叠的发电体连接成一个单一的单元。为了实现这种结构，用粘接剂将相邻的发电体互相连接以形成单一的单元，或者，将发电体紧密堆叠在一起时，在端板上施加朝内的压力以将发电体紧密地保持在一起。

图8为使用所述结构的传统的燃料电池电池堆的示意图，在这种结构中向电池堆施加朝内的压力以维持其紧密保持的结构。在电池堆的最外端安装有支撑发电体200的端板210、210’后，将多个发电体200堆叠。此外，利用螺母230将多根连接杆220螺纹连接到端板210、210′上。

将连接杆220插入形成在端板210、210′中的通孔210a、210a′后，形成在连接杆220两端的螺母230与螺纹啮合。结果在端板210、210′上施加偶联力(coupling force)，而将发电体200压紧在一起形成单一单元。

但是，由于在上述传统的堆叠结构中采用螺纹连接，发电体的连接强度完全取决于螺母的紧固程度。而且，所有螺母的紧固过程既不方便又费时。此外，在传统的电池堆的装配过程中，还需要用于螺纹连接的垫圈。这些额外的部件增加了与使用、管理有关的费用以及生产电池堆的总成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于燃料电池的电池堆，其可减少用于组装构成电池堆的发电体的连接构件所需的零件数，结果，可简化结构。零件数的减少还可降低制造成本。此外，通过减少组装电池堆的步骤可简化电池堆的制造过程。最后，还能提高发电体之间的连接强度。

本发明另一要解决的问题是，提供一种包括所述电池堆的燃料电池系统。

本发明又一要解决的问题是，提供制造所述电池堆的方法。

在随后的说明中将阐述本发明的其他特征，其中部分特征可从这些说明中明显得知，或者从本发明的实施中得到启示。

本发明披露了一种燃料电池的电池堆，该电池堆包括发电体，发电体包括具有相对的侧表面的MEA和安装在MEA的侧表面的双极板。电池堆还包括杆，借助于形成在该杆的至少一端上的铆钉头将该杆安装在发电体上。

本发明又公开了一种燃料电池的电池堆，该电池堆包括发电体，发电体包括具有相对的侧表面的MEA和安装到MEA的侧表面的双极板。此燃料电池电池堆还包括与发电体相连的压板和杆，借助于使杆的至少一端构成为铆钉头将所述杆安装在压板上，从而将发电体和压板固定在一起。

本发明还披露了一种制造燃料电池电池堆的方法，该方法包括在构成电池堆的发电体中和与发电体接触的压板中形成连接孔；将杆插入发电体和压板的连接孔中；杆的至少一端形成铆钉头，通过铆钉连接使杆与所述发电体和压板连接。

可以理解，上面的概括描述和下面的详细描述均是示例性和解释性的，旨在进一步说明所要求保护的本发明。

附图说明

附图图示说明了本发明的示例性实施方式，它们和说明书的文字部分一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明燃料电池系统的示意图；

图2是本发明第一示例性实施方式的燃料电池电池堆的示意图，它示出了在电池堆的制造方法中涉及的零件；

图3是本发明的第二示例性实施方式的燃料电池电池堆的部分侧视图；

图4是本发明的第三示例性实施方式的燃料电池电池堆的侧视图；

图5是本发明的第四示例性实施方式的燃料电池电池堆的侧视图；

图6是本发明的第五示例性实施方式的燃料电池电池堆的部分放大图；

图7是根据本发明的示例性实施方式制造燃料电池电池堆的方法流程图；

图8是传统的燃料电池的电池堆的侧视示意图。

具体实施方式

图1是本发明燃料电池系统1的示意图。如图1所示，系统1包括转化液态碳氢化合物燃料以产生氢气的重整器20、将由重整器20产生的氢气和外部空气之间反应获得的化学能转变成电能从而发电的电池堆10。此外，系统1包括向重整器20提供液体燃料的燃料供应单元30和向用于发电的电池堆10供应空气的空气供应单元40。系统1还包括冷却电池堆10的冷却单元70。

若使用直接氧化燃料电池结构形式作为本发明的系统1，系统中可省去重整器20。在本发明的以下说明中，燃料电池系统1采用PEMFC技术。当然，本发明不限于这种结构型式。

可将重整器20构造成除通过重整反应将液体燃料转换成氢气以供电池堆10利用外，还可降低重整气中所含的一氧化碳的浓度。于是，重整器20包括重整装置和一氧化碳减少装置，重整装置转化液态碳氢化合物燃料以产生氢，一氧化碳减少装置用来降低重整气体中的一氧化碳的浓度。

重整装置通过如蒸汽重整、部分氧化或自热反应(autothermal reaction)之类的催化反应将燃料转换成富氢重整气体。一氧化碳减少装置利用催化反应方法如氢气转换、或选择氧化、或如利用分离层纯化氢之类的其它方法来降低重整气体中的一氧化碳浓度。

燃料供应单元30包括储存液态燃料的燃料箱31和连接燃料箱31的燃料泵33。燃料泵33将储存在燃料箱31中的液态燃料排出。燃料供应单元30和重整器20通过第一供应管路91相连。

空气供应单元40包括向电池堆10供应外部空气的空气泵41。空气泵41通过第三供应管路93与电池堆10相连。

图2是本发明第一示例性实施方式的燃料电池电池堆的侧面示意图。

参照图2，本发明的燃料电池系统1的电池堆10包括多个接收来自重整器20的氢和来自空气供应单元40的外部空气的发电体100。通过引起氢和空气中的氧的氧化反应和还原反应发电体产生电能。

每一发电体100包括用来实现氢和氧的氧化反应和还原反应的MEA 11和向MEA 11供给氢气和含氧的空气的双极板12。双极板12被设置在MEA11的每一侧。电池堆10由多个发电体100堆叠而成。

把堆叠的发电体100压紧在一起的压板13、13′被安装成紧压最外侧的发电体100。当然，在本发明中，也可省略压板13、13′，使最外侧的双极板12本身起压板的作用。另一种可能的结构是压板13、13′既可将发电体100压紧在一起又起双极板的作用。

为固定发电体100，电池堆10还包括杆15，所述杆被插入形成在压板13、13′上的连接孔14、14′中。利用铆钉将杆15本身与压板13、13′固定。由于要求连接孔14、14′以预定间隔沿压板13、13′的外周部分形成，压板13、13′的尺寸可比发电体100大。

在如图2所示的示例性实施方式中，将连接孔14、14′和杆15形成为具有圆形横截面。杆15的横截面直径比连接孔14、14′的横截面直径小，以使杆能方便地插入连接孔14、14′中。而且，在进行铆钉连接前的杆15的长度(L)比压板13、13′之间的距离(D)大，致使将杆插入连接孔14、14′中时，杆15的端部从压板13、13′向外突出。最后可将从压板13、13′向外突出的杆15的端部形成于铆钉头16中。

将发电体100堆叠在压板13、13′之间时，借助于所形成的连接力(connection force)，压板13、13′上杆15的铆钉连接承受到预定压力，从而将发电体100固定在一起，并将电池堆10形成为整体构件。

利用如锤60、揿钮接头61和夹持器62之类的器械可形成铆钉连接结构。如图2中虚线所示，如果将其中的一根杆15的端部插入形成在压板13中的一对相对的连接孔14、14′中，夹持器62紧密接触杆15的一端，同时揿钮接头61紧密接触杆15的另一端，借此支撑杆15。接下来用锤子60敲击揿钮接头61，使得杆15的端部形成为相应于凹陷62′、61′的形状。凹陷62′、61′分别被形成于夹持器62和揿钮接头61中，最终形成铆钉头16。在本实施方式中，凹陷62′、61′为半球形，当然并不限于此。

因此，两压板13、13′借助于由上述过程实现的杆15的铆钉连接将安装在其间的发电体100压紧。

杆15可由非导电材料制成。或者，例如在杆15的表面形成由合成树脂构成的绝缘层17。这种结构型式可防止发电体100之间、或压板13、13′和邻近的发电体100之间短路。

此外，杆15可以由热变形最小的材料制成，如由低碳钢、合金钢或轻合金钢制成。低碳钢是指含大约0.2％的碳的钢；合金钢是指包含大量铬和镍的耐热钢，也可以包括无腐蚀性的铬钢和不锈钢；轻合金钢是指重量轻的铝或镁合金钢。

另外，杆15可以是这样一种结构，即，其端部部分由不同于中间部分的材料制成。例如，可将要形成为铆钉头16的杆15的端部由如铝之类的可延展性的材料制成。或者，可使杆15的端部经受热处理过程如退火过程，以使杆的端部比杆15的其他区域具有更好的延展性。

现在将描述本发明其它实施方式。与第一实施方式中相同的那些零件用相同的附图标记表示。

图3是本发明第二示例性实施方式的电池堆10的侧视图。

如图3所示，该实施方式的电池堆10包括一个或多个发电体100，每一发电体包括一MEA 11和安装到MEA 11侧表面的一对双极板12。

发电体100中形成有连接孔11′、12′。堆叠多个发电体100时，将杆15插入由发电体100的连接孔11′、12′对中而形成的通道中。杆15的端部形成为铆钉连接，因而将发电体100固定在一起。

如此一来，与第一实施方式不同，第二实施方式的电池堆10采用的是将杆15直接插入发电体100中而不是插在压板中的结构型式，借此采用杆15的铆钉连接固定多个发电体100。

连接孔11′、12′形成在不涉及发电的发电体100区域中。这些区域可以是MEAs 11的催化剂层和分散层外侧区域，以及在流体通道形成区域外侧的双极板12部分。

相对于所有发电体100，连接孔11′、12′的形状相同并处于相同部位。因此，将发电体100堆叠时，连接孔11′、12′对中而形成长通道。杆15穿过连接孔11′、12′以与发电体100相互连接。可以预定间隔在发电体100的外周区域形成多个连接孔11′、12′。或者，使连接孔11′、12′只形成在发电体100的中心，或形成在发电体100的两个角部和角部之间的区域。

另外，可在杆15的铆钉头16和最外侧的发电体100的双极板12之间设置环形垫圈50。垫圈50可以由如橡胶之类的柔性材料制成，用来提高铆钉头16的连接强度，以防止由于电池堆10或电池堆10周围环境的温度变化而使铆钉连接松动。可在形成铆钉头16之前将垫圈50安装在杆15上。

图4示出了本发明第三示例性实施方式的电池堆。如图4所示，杆15不像第二实施方式中那样与所有的发电体100相连，取而代之的是，通过铆钉连接仅仅连接最外侧的发电体100，借此固定所有的发电体100。

本发明第三实施方式的其他方面和第二实施方式相同，因此，不再赘述。

图5示出了本发明第四示例性实施方式的电池堆。如图5所示，本实施方式的电池堆10采用铆钉连接和螺纹固定件两者来固定多个发电体100。

第四示例性实施方式的电池堆10具有和第三示例性实施方式的电池堆相同的基本结构。但是，在本实施方式中，每根杆15的一端形成为铆钉头16，而另一端形成与螺母18配合的螺纹。第四实施方式的结构也可用于图2和图3所示的电池堆中。

图6是本发明的第五实施方式的电池堆10的部分剖面图。如图6所示，本实施方式的电池堆10具有和第一示例性实施方式相同的基本结构。但形成杆15的铆钉连接的铆钉头19由杆15和附加部件构成。

本实施方式的电池堆10被构成为使杆15插入连接孔14时，管状铆钉头19被插入连接孔14中，且杆15的端部插入铆钉头19中。这种结构可使这些零件之间紧密连接。为加强杆15和铆钉头19之间的连接，可以在这些零件之间涂敷粘接剂。

在第五实施方式中，将铆钉头19插入连接孔14中时，如图6中虚线所示，铆钉头19从压板13向外伸出。实际上铆钉头是执行铆接工序时形成的。

如图6所示，铆钉头19可以是留在压板13上的余留部分，或可以只存在于连接孔14内。

第五示例性实施方式的结构也可以应用于图3和4所示的电池堆结构中。

现在将参照图7的流程图描述采用本发明的铆钉连接的电池堆的制造方法。

首先，在步骤S100中，为了形成电池堆，在发电体中形成连接孔。在第一示例性实施方式的情况中，连接孔形成在压板中。

接着，在步骤S200中，准备用于装配的、待插入连接孔中的杆。此步骤包括将杆加热到预定温度，以使杆热膨胀而能进行热铆接。加热温度设定在60℃和200℃之间。

随后，在步骤S300中，将杆15插入连接孔中。在第一实施方式的情况下，将杆插入压板的连接孔中。杆端部的上方可以安装垫圈。

下一步，在步骤S400中，利用如上所述的揿钮接头、夹持器和锤子铆接杆的端部。因为杆被加热到预定温度，可方便地进行铆接。

铆接工序之后，在步骤S500中，在预定时间内在室温下冷却电池堆，以冷却杆。这种冷却过程产生由杆15的连接而引起的连接压力，使得铆钉头部分进一步紧固到发电体上或压板上，从而使多个发电体彼此牢固地连接。

显然，在不超出本发明的构思和范围的前提下，本领域技术人员可对本发明作出各种改型和变换。因此，本发明应涵盖在所附权利要求及其等同物的范围内对本发明作出的改型和变换。

Claims (16)

1.一种燃料电池的电池堆，包括：

发电体，其包括具有侧表面的膜电极组件和被安装到所述膜电极组件的所述侧表面的双极板；及

杆，借助于形成在该杆的至少一端的铆钉头将该杆安装到所述发电体上。

2.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，以多个的形式堆叠所述发电体；通过铆钉连接将所述杆安装于电池堆中最外侧的发电体上。

3.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，堆叠多个所述发电体并通过铆钉连接将所述杆安装到所述发电体上。

4.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，还包括设置在所述铆钉头和所述发电体之间的垫圈。

5.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，所述杆从由低碳钢、合金钢和轻质合金钢组成的组中选取的一种材料制成。

6.如权利要求5所述的燃料电池的电池堆，其中，所述杆由铝制成。

7.如权利要求5所述的燃料电池的电池堆，其中，所述杆由碳钢制成。

8.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，在所述杆的表面形成有绝缘层。

9.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，铆接区比所述杆的其他区域更具延展性。

10.如权利要求1所述的燃料电池的电池堆，其中，铆接区被形成在所述杆上和分离的零件上。

11.一种燃料电池的电池堆，包括：

发电体，其包括具有侧表面的膜电极阻件和安装在所述膜电极组件的所述侧表面的双极板；

与所述发电体相连的压板；及

杆，借助于形成在该杆的至少一端的铆钉头将该杆安装于所述压板上。

12.一种制造燃料电池的电池堆的方法，包括：

在构成所述电池堆的发电体中和与所述发电体接触的压板中形成连接孔；

在所述发电体或所述压板的所述连接孔中插入杆；及

将所述杆的至少一端形成为铆钉头，通过铆钉连接使所述杆与所述发电体和所述压板相连。

13.如权利要求12所述的方法，其中，将所述杆插入形成在多个被堆叠在一起的发电体的至少最外侧的发电体中的连接孔中。

14.如权利要求12所述的方法，其中，将所述杆插入所述连接孔中时，对所述杆进行预热。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述预热温度在60℃和200℃之间。

16.如权利要求12所述的方法，其中，还包括在所述杆经铆钉连接后冷却所述电池堆。

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