CN1757132A - 燃料电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池组。弹簧模块(30)安装在燃料电池组(23)上。该弹簧模块(30)包括：能够彼此相对倾斜并沿彼此接近和远离的方向移动的第1部件(31)和第2部件(32)；以及彼此独立并且彼此并联设置在所述第1部件和所述第2部件之间的多个弹簧(33)。弹簧模块(30)被设置在端板(22)和燃料电池层叠体之间。第1部件(31)包括第1壳体，第2部件(32)包括第2壳体，从而弹簧模块包括在其中容纳弹簧的壳体组件。壳体(31)和(32)的底表面可变形而成为波状。弹簧模块(30)可包括减振器(43)。该多个弹簧(33)可包括螺旋弹簧(33b)和低弹性类型的海绵(33a)。
Description
技术领域
本发明一般地涉及燃料电池组(燃料电池堆，fuel cell stack)。更具体地，本发明涉及这样一种燃料电池组，其中用于向燃料电池组赋予紧固负荷的方法得到改进。
背景技术
在层叠燃料电池时，为了降低电极接触阻力并密封气和水，燃料电池组的紧固负荷需要在一个组的电极部的整个横截面范围内均匀。此外，紧固负荷不可过大地变动。
例如，即使燃料电池表面因为分隔件(隔板)的厚度变化而倾斜，其中该变化可能是由于分隔件的制造而产生的，燃料电池组的紧固负荷也必须在整个燃料电池表面的范围内均匀。此外，燃料电池的温度会在工作停止时的环境温度(例如20℃)和工作期间的冷却水温度(约80℃)之间反复地变化，所以燃料电池组的紧固负荷也会因为燃料电池的温度变化而变化。此外，燃料电池组的紧固负荷也会因为电解质薄膜和电极在经过长期使用后的蠕变而变化。然而，这种负荷变化因素必须被吸收并且燃料电池组的紧固负荷不可过大地变动。
日本特开平8-115737公开了一种燃料电池组的紧固结构，其中，为了均匀地紧固燃料电池组，在位于燃料电池组的第一端的第一尺寸的第一刚性紧固板和位于该燃料电池组的第一端的比第一尺寸小的第二尺寸的第二刚性紧固板之间的中央位置，设置有一单个一体地弹性部件，并且在第二紧固板的四个角处，位于燃料电池组的第一端的第二紧固板和位于燃料电池组的相对的第二端的第一紧固板通过沿燃料电池层叠(堆叠)方向延伸的螺栓和螺母紧固在一起。
然而上述燃料电池组的紧固结构存在以下问题：
首先，尽管该紧固结构可以通过由于弹性部件的变形产生的紧固板的倾斜而跟随(适应，follow)燃料电池层叠体(pile of the fuel cells)的端面的倾斜，但是因为该紧固板是刚性板，该紧固板不能够跟随燃料电池层叠体的端面的波状变形。
其次，由于位于燃料电池组的第一端的第二紧固板和位于燃料电池组的相对的第二端的第一紧固板通过沿燃料电池层叠方向延伸的螺栓和螺母紧固在一起，并且螺栓不能伸长，所以该紧固结构不能够跟随燃料电池层叠体沿燃料电池层叠方向的长度的变化。因此，该紧固结构既不能跟随燃料电池层叠体的热膨胀，也不能够吸收由于电解质薄膜和电极的蠕变而产生的沿燃料电池层叠方向的负荷的变化。
发明内容
本发明的一个目的在于通过提供一种燃料电池组来解决上述问题，该燃料电池组不仅可以跟随燃料电池层叠体的端面的倾斜，还可以跟随燃料电池层叠体沿燃料电池层叠方向的长度的变化。
本发明的另一个目的在于通过提供一种燃料电池组来解决上述问题，该燃料电池组可以使紧固负荷在燃料电池平面的整个范围内均匀，并且可以减小沿燃料电池层叠方向的负荷的变化。
上述目的可以通过根据本发明的如下所述的燃料电池组实现。
(1)一种燃料电池组，包括：燃料电池层叠体；和与所述燃料电池层叠体串联设置的弹簧模块。
所述弹簧模块包括：能够彼此相对倾斜并沿彼此接近和远离的方向移动的第1部件和第2部件；和彼此独立并且彼此并联设置在所述第1部件和所述第2部件之间的多个弹簧。
(2)根据第(1)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述燃料电池组包括端板和调整螺钉(螺纹件)。所述弹簧模块设置在所述端板和所述燃料电池层叠体之间。所述调整螺钉设置在所述弹簧模块和所述端板之间。
(3)根据第(1)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1部件包括第1壳体，所述第2部件包括第2壳体。所述弹簧模块包括在其中容纳所述多个弹簧的壳体组件。
(4)根据第(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1壳体和第2壳体中距所述燃料电池层叠体较近的一个壳体包括具有一种刚性的底壁，使得当所述壁被彼此独立的所述多个弹簧推压时，所述壁沿燃料电池层叠方向变形从而以波状变形。
(5)根据第(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1壳体和第2壳体中距所述燃料电池层叠体较近的一个壳体包括底壁和形成于该壁中的孔，所述弹簧模块包括多个弹簧座部件。所述多个弹簧座部件中的每一个均具有一端部，该端部延伸穿过形成于所述壳体的所述壁中的孔，并与接触所述壳体的所述壁的部件相接触。
(6)根据第(5)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多个弹簧座部件的每一个的所述端部均具有凸状弯曲的端面。
(7)根据第(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块的所述第1壳体和第2壳体具有侧壁，该侧壁上设置有负荷显示部。
(8)根据第(1)或(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块设置在所述燃料电池层叠体的沿所述燃料电池层叠方向的中间部位。
(9)根据第(8)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1部件和所述第2部件除了所述多个弹簧之外还通过导电部件彼此电连接。
(10)根据第(1)或(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块设置在所述燃料电池组的沿所述燃料电池层叠方向的各个相对端。
(11)根据第(1)或(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块还包括位于所述第1部件和所述第2部件之间的减振器。
(12)根据第(1)或(3)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块还包括多个减振器。所述多个减振器中的每一个与所述多个弹簧中的每一个彼此同轴地设置。
(13)根据第(1)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块包括具有彼此不同的弹性模数的多种类型的弹性部件。
(14)根据第(13)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件彼此并联地设置。
(15)根据第(13)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件中的一种弹性部件保持该多种类型的弹性部件中的另一种弹性部件。
(16)根据第(13)或(14)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件彼此形成为一体。
(17)根据第(13)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件中的一种弹性部件具有其值与变形速度对应变化的弹簧常数，其中，对应于高速变形的弹簧常数大于对应于低速变形的弹簧常数。
(18)根据第(13)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件包括弹簧和低弹性类型的海绵。
(19)根据第(13)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件包括结合成使得所述弹簧模块表现出在整个变形范围内的中间变形点弯折的负荷-变形特性的多种弹性部件。
(20)根据第(13)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块具有较低的弹簧常数，并且所述弹簧模块被预压缩或者在大变形范围内使用。
(21)根据第(1)项所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹性部件以及所述第1部件和所述第2部件由防腐蚀材料制成。
本发明的效果
在根据第(1)项所述的燃料电池组中，因为多个弹簧可以彼此独立地变形，该多个弹簧不仅可以跟随燃料电池层叠体的端面的倾斜以及该倾斜端面的波状变形，还可以跟随燃料电池层叠体沿燃料电池层叠方向的长度变化。从而，紧固负荷在整个燃料电池平面范围内变得均匀。此外，可以减小沿燃料电池层叠方向的负荷的变化。
在根据第(2)项所述的燃料电池组中，与图20所示的、其中在端板和燃料电池层叠体之间设置有多个碟形弹簧的成层的组件、包含负荷传感器(load cell)的球形座部件和调整螺钉的结构相比，可以除去包含负荷传感器的球形座部件和多个碟形弹簧的成层的组件。
在根据第(3)项所述的燃料电池组中，因为弹簧模块制成为壳体组件的形式，从而可以容易地将弹簧模块安装到燃料电池组中。
在根据第(4)项所述的燃料电池组中，因为壳体的底壁可以变形成波状，所以与日本特开平8-115737所公开的从一个刚性板将紧固负荷加载在燃料电池层叠体上的情况相比，从弹簧模块加载在燃料电池层叠体上的紧固负荷可以在整个燃料电池表面范围内变得基本均匀。
在根据第(5)项所述的燃料电池组中，因为弹簧座部件的端部延伸穿过形成于壳体的底壁中的孔，所以弹簧可以跟随与弹簧模块面-面接触的部件的端面的波状、凸出和凹进变形，从而紧固负荷在整个燃料电池表面范围内变得均匀。
在根据第(6)项所述的燃料电池组中，因为弹簧座部件的端面通过由一球体构成该弹簧座部件而凸状弯曲，例如，即使从与弹簧模块面-面接触的部件向该弹簧模块加载一个横向负荷(沿与燃料电池层叠方向垂直的方向的负荷)时，弹簧座部件也可以容易地通过转动而释放该横向负荷。
在根据第(7)项所述的燃料电池组中，因为在壳体的侧壁之中设置有负荷显示部，从而在本发明中不必提供负荷传感器。
在根据第(8)项所述的燃料电池组中，因为弹簧模块设置在燃料电池层叠体的沿燃料电池层叠方向的中间部位，可以将各燃料电池的倾斜和厚度波动在它们沿燃料电池层叠体的整个长度上累积之前在燃料电池层叠体的中间部位释放掉。
在根据第(9)项所述的燃料电池组中，因为第1部件和第2部件除了多个弹簧之外还通过导电部件彼此电连接，因此弹簧特性和导电性相互独立地保持且分别保持良好。
在根据第(10)项所述的燃料电池组中，因为弹簧模块设置在燃料电池组的沿燃料电池层叠方向的各个相对端，从而当冲击负荷作用在燃料电池组上时，位于燃料电池组的第一端的第一弹簧模块收缩，而位于燃料电池组的相对的第二端的第二弹簧模块暂时伸长，从而可防止作用在燃料电池组上的紧固负荷暂时减小。
在根据第(11)或(12)项所述的燃料电池组中，因为弹簧模块包括减振器，即使当有冲击负荷作用在燃料电池组上而使弹簧模块收缩时，在高速变形下减振器起作用使得它好像是刚性的，从而可防止燃料电池组的紧固负荷暂时失去。在低速变形例如热变形下，减振器可以平稳地变形，从而几乎不产生机械阻力。
在根据第(13)或(14)项所述的燃料电池组中，因为弹簧模块包括具有彼此不同的弹性模数的多种类型的弹性部件，从而即使当由一种弹性部件加载于燃料电池层叠体上的紧固负荷失去时，也可以由其它类型的弹性部件来保持加载于燃料电池层叠体上的紧固负荷。
在根据第(15)或(16)项所述的燃料电池组中，因为一种弹性部件保持另一种弹性部件，或者所述多种类型的弹性部件包括彼此一体地形成的弹性部件，从而可以容易地将弹簧模块安装到燃料电池组中。
在根据第(17)项所述的燃料电池组中，因为所述多种类型的弹性部件中的一种弹性部件具有其值与变形速度对应变化的弹簧常数，并且，对应于高速变形的弹簧常数大于对应于低速变形的弹簧常数，这一种弹性部件在高速变形下变得具有刚性，从而可以防止加载于被紧固对象(燃料电池层叠体)上的紧固负荷的失去。
在根据第(18)项所述的燃料电池组中，因为所述多种弹性部件包括弹簧和低弹性海绵，该低弹性海绵在高速变形下变得具有刚性，从而可以防止加载于被偏压(施力)对象(燃料电池)上的紧固负荷的失去。
在根据第(19)项所述的燃料电池组中，因为所述弹簧模块表现出在整个变形范围内的中间变形点弯折的负荷-变形特性，一种弹性部件在高速变形下变得具有刚性，从而可以防止加载于被紧固对象(燃料电池层叠体)上的紧固负荷的失去。
在根据第(20)项所述的燃料电池组中，因为所述弹簧模块具有较低的弹簧常数，并且所述弹簧模块被预压缩或在大变形范围内使用，从而可以防止加载于被紧固对象(燃料电池层叠体)上的紧固负荷的失去。
在根据第(21)项所述的燃料电池组中，因为所述弹性部件以及所述第1部件和所述第2部件由防腐蚀材料制成，从而可以抑制由于温度变化而导致的水滴落作用而产生锈。
附图说明
将结合附图对本发明的燃料电池组进行说明，其中：
图1是根据本发明的燃料电池组的侧面正视图；
图2是图1的燃料电池组的一部分的放大的剖视图；
图3是根据本发明的实施例1的燃料电池组的弹簧模块的剖视图；
图4是根据本发明的实施例2的燃料电池组的弹簧模块及其附近的剖视图；
图5是根据本发明的实施例3的燃料电池组的弹簧模块的剖视图；
图6是根据本发明的实施例4的燃料电池组的弹簧模块及其附近的剖视图；
图7是根据本发明的实施例5的燃料电池组的弹簧模块的透视图；
图8是根据本发明的实施例6的燃料电池组的弹簧模块的剖视图；
图9是根据本发明的实施例7的燃料电池组的侧面正视图；
图10是根据本发明的实施例8的燃料电池组的弹簧模块的剖视图；
图11是根据本发明的实施例9的燃料电池组的弹簧模块的一个弹簧和一个减振器的侧面正视图；
图12是根据本发明的实施例10的燃料电池组的弹簧模块的剖视图；
图13是示出根据本发明的实施例10的燃料电池组的弹簧模块的负荷-变形特性的曲线图；
图14是根据本发明的实施例11的燃料电池组的弹簧模块的透视图；
图15是根据本发明的实施例12的燃料电池组的弹簧模块的透视图；
图16是根据本发明的实施例13的燃料电池组的加载负荷之前的弹簧模块的剖视图；
图17是根据本发明的实施例13的燃料电池组的加载负荷之后的弹簧模块的剖视图；
图18是示出根据本发明的实施例13的燃料电池组的弹簧模块的负荷-变形特性的曲线图；
图19是示出根据本发明的实施例14的燃料电池组的弹簧模块的负荷-变形特性的曲线图；
图20是一对比示例的燃料电池组的端部(附近)的剖视图。
具体实施方式
下面参照图1～20说明根据本发明的燃料电池组。图1～3适用于本发明的任一实施例。在本发明的实施例的所有说明和图示中，本发明的所有实施例中相同或相似的部分标以相同的标号。图20示出一不被包括在本发明的范围内的对比示例。
下面将参照图1～3说明本发明的所有实施例中相同或相似的部分。
本发明的燃料电池组的燃料电池10是一种低温型燃料电池，例如一种聚合物电解质燃料电池(PEFC)类型。例如，燃料电池10可以安装在车辆上，但是并不局限于用于车辆。
如图1和图2所示，PEFC10包括一层膜-电极组件(MEA)和分隔件18。该MEA包括：由离子交换膜制成的电解质薄膜11、包括设置在薄膜11的一侧的触媒层12的电极14(阳极、燃料极)、包括设置在薄膜11的另一侧的触媒层15的电极17(阴极、空气极)。扩散层13和16可以分别设置在MEA与阳极侧和阴极侧的分隔件之间。在分隔件18中形成有用于向阳极供给燃料气体(例如氢气)的燃料气体流路27和用于向阴极供给氧化气体(例如氧气，通常为空气)的氧化气体流路28，和/或用于允许冷却剂(例如冷却水)流动的冷却剂流路26。至少一个燃料电池10形成燃料电池模块19。多个燃料电池模块沿燃料电池层叠方向层叠以形成燃料电池层叠体，并且电端子20、电绝缘21和端板22设置在该燃料电池层叠体的相对端。端板22通过螺栓25和/或螺母与该燃料电池层叠体外部的沿燃料电池的层叠方向延伸的紧固部件(例如拉紧板24)接合，从而形成燃料电池组23。该燃料电池层叠体沿燃料电池的层叠方向被紧固。该燃料电池组23可以沿着任何方向层叠，即，可以沿着垂直方向或沿着水平方向层叠。该燃料电池层叠体被例如由海绵制成的外部限制部件50从其侧表面进行限制。
在各燃料电池10的阳极14上，发生反应从而使氢变为氢离子(即质子)和电子。氢离子穿过电解质薄膜11到达阴极17，在该阴极，氢离子与供给的氧气和电子(该电子产生于相邻的MEA的阳极并穿过分隔件18而移动至本MEA的阴极)反应以生成水，如下所示：
在阳极：
在阴极：
当燃料电池层叠体被紧固时，燃料电池组23被赋予一个紧固负荷，以减小电极的电接触阻力，并密封反应气体和冷却剂。该紧固负荷需要在整个燃料电池平面范围内均匀并且其值不可过大地变动，即使燃料电池层叠体沿燃料电池层叠方向收缩或者伸长时也是如此。
为了满足上述要求，在本发明的燃料电池10中，如图1所示，在包括燃料电池层叠体的燃料电池组23中设置有弹簧模块30(也可称为可弹性变形模块)，使得该弹簧模块沿着燃料电池层叠方向与该燃料电池层叠体串联。如图3所示，弹簧模块30包括可以彼此相对倾斜并可以沿彼此接近和远离的方向移动的第1部件31和第2部件32，以及彼此并联或者串联设置的彼此独立的多个弹簧33(弹性部件)。
弹簧(弹性部件)33可以是金属弹簧或者由金属之外的材料制成的弹簧。弹簧33可以是螺旋弹簧、碟形弹簧，或者是由弹性材料例如海绵、低弹性海绵、橡胶、弹性合成树脂等制成的部件。该多个弹簧33可以包括一种类型的弹簧也可以包括多种类型的弹簧。该多个弹簧33可以具有共同的单一的弹簧常数或者多个不同的弹簧常数。例如，各弹簧33可以是金属螺旋弹簧或金属螺旋弹簧和低弹性海绵的组合，但是弹簧33并不限于这些示例。每一弹簧模块中弹簧33的数目优选地为5个或更多，更优选地为10个或更多，还更优选地为大约60个。
在将弹簧模块30安装到燃料电池组23之前，可有利地将弹簧模块30制成组件(模块)的形式。从而，可以将第1部件31、第2部件32、弹簧33作为单个组件(模块)进行操作和管理，并安装到燃料电池组23的一个或多个预定位置。所述燃料电池组23的一个或多个预定位置可以是燃料电池层叠体的一端、相对的两端或者位于该相对的两端之间的燃料电池层叠体的中间位置。每一燃料电池组所提供的弹簧模块的数目可以为一个、两个或者两个以上。
优选地，弹簧模块30的第1部件31和第2部件32的垂直于燃料电池层叠方向的壁具有刚性，从而当这些壁受到来自彼此独立的多个弹簧33的负荷时，这些壁可以沿着燃料电池层叠方向凸出和/或凹进和形成波状地变形。优选地，第1部件31和第2部件32的垂直于燃料电池层叠方向的壁不是刚性板，而是可以弹性变形以沿着燃料电池层叠方向凸出和/或凹进和形成波状的可变形板。
在图1中，弹簧模块30设置在位于燃料电池组23的一端的端板22与燃料电池层叠体之间。在弹簧模块30和端板22之间，设置有位置调整螺钉34。因此，沿着从端板22至燃料电池层叠体的方向，按顺序设置有端板22、调整螺钉34、压板35、弹簧模块30、电绝缘21、电端子20和燃料电池层叠体。然而弹簧模块30、电绝缘21、电端子20和燃料电池层叠体的设置顺序也可以替换为电绝缘21、电端子20、弹簧模块30和燃料电池层叠体的顺序，或者替换为电绝缘21、弹簧模块30、电端子20和燃料电池层叠体的顺序。
下面将说明上述在本发明的所有实施例中相同或者相似的部分的效果和技术优点。
在本发明的燃料电池10中，因为多个弹簧33可以彼此独立地变形，且弹簧模块30的第1部件31和第2部件32不是刚性板，因而该多个弹簧33不仅可以跟随燃料电池层叠体的端面的倾斜以及该倾斜端面的波状变形，还可以跟随燃料电池层叠体沿燃料电池层叠方向的长度变化(收缩或膨胀)。从而，紧固负荷在整个燃料电池平面范围内变得均匀。此外，可以减小沿燃料电池层叠方向的负荷的变化。
更具体地，在图20的对比示例中，包括端板22、调整螺钉34、球形座部件36、负荷传感器37、多个碟形弹簧38和压板35的结构跟随燃料电池层叠体的端面的倾斜。然而，因为压板35是刚性板，所以压板35不能跟随燃料电池层叠体的端面沿着燃料电池层叠方向变形而凸出和凹进的波状变形，从而该压板35不能解决由于波状变形而造成的负荷波动的问题。相反地，在本发明中，因为多个弹簧33不仅可以跟随燃料电池层叠体的端面的倾斜，而且可以跟随该倾斜端面的波状变形，使得在整个燃料电池平面范围内紧固负荷变得均匀。
由于多个弹簧33被组装成一个组件(模块)，因而可以容易地处理弹簧模块30、管理负荷以及将弹簧模块30安装至燃料电池组23的预定位置。
此外，与图20的对比示例所示的、其中在端板和燃料电池层叠体之间设置有多个碟形弹簧的成层的组件、包含负荷传感器的球形座部件和调整螺钉的结构相比，在本发明中，可以除去包含负荷传感器的球形座部件和多个碟形弹簧的成层的组件。在对比示例中，由于在燃料电池组的组装期间需要进行多个碟形弹簧的设置成层以及对负荷的管理，所以工作很困难。相反地，在本发明中，由于采用弹簧模块30，可以在组装燃料电池组之前组装弹簧模块和管理负荷，从而工作比对比示例的容易得多。
此外，当弹簧33的数目多时，紧固负荷可以在整个燃料电池平面范围内变得更均匀。更具体地，当弹簧33的数目为大约60时，紧固负荷在整个燃料电池平面范围内变得基本均匀，并且各弹簧33的承载负荷变小。从而，各弹簧33的长度变短，并且弹簧模块30在轴向变短和紧凑。
此外，当将弹簧模块30设置在燃料电池层叠体的沿燃料电池层叠方向的中间部位时，可以将各燃料电池的倾斜和厚度波动在它们沿燃料电池层叠体的整个长度上累积之前在燃料电池层叠体的中间部位吸收掉。
下面将说明本发明的各实施例独特的结构和技术优点。
根据本发明的实施例1，如图3所示，在弹簧模块30中，第1部件31由第1壳体(由于该第1壳体与第1部件31是同一部件，所以该第1壳体的参考标号也选为31)构成，而第2部件32由第2壳体(由于该第2壳体与第2部件32是同一部件，所以该第2壳体的参考标号也选为32)构成。由于该结构，弹簧模块30是容纳多个弹簧的壳体组件(构成盒体的形式)。
第1壳体31和第2壳体32具有与燃料电池平面平行的底壁31a和32a以及从该底壁31a和32a的外边缘部朝向相对的壳体32和31延伸的侧壁31b和32b。弹簧33设置在第1壳体31和第2壳体32所包围的空间中。
实施例1具有技术优点，因为弹簧模块30形成为壳体组件，所以弹簧模块30可以通过单个组件的形式组装于燃料电池组23中，从而可以容易地将弹簧模块30安装到燃料电池组23中。此外，因为在弹簧模块30上进行负荷管理，所以与分别管理多个弹簧中的每一个的情况下相比，负荷管理更容易。
根据本发明的实施例2，如图4所示，在弹簧模块30中，第1壳体31和第2壳体32的垂直于燃料电池层叠方向的壁(底壁31a和32a)(特别地，第1壳体31和第2壳体32中距离燃料电池层叠体较近的壳体31的底壁31a)具有这样的刚性，即，当该壁被彼此独立的多个弹簧33推压时，所述壁变形而沿燃料电池层叠方向凸出和/或凹进并变形成波状。底壁不是刚性板，而是可以沿燃料电池层叠方向变形成凸出和/或凹进的波状形式弹性变形的板。
实施例2在技术上具有优点，因为当接触弹簧模块30的部件的垂直于燃料电池层叠方向的平面从垂直于燃料电池层叠方向的平面倾斜时，第1壳体31和第2壳体32彼此相对倾斜，从而使得弹簧模块30可以跟随接触弹簧模块的部件的所述平面的倾斜。此外，即使当接触弹簧模块30的部件的垂直于燃料电池层叠方向的平面从垂直于燃料电池层叠方向的平面或者所述倾斜的平面变形为在燃料电池层叠方向上凸出和/或凹进而呈现波状时，弹簧模块30也可以通过第1壳体31和第2壳体32的底壁中的至少一个的波状变形来跟随接触弹簧模块30的部件的平面的波状变形。从而，与紧固负荷通过一个刚性板加载在燃料电池层叠体上的情况相比，紧固负荷可在整个燃料电池平面范围内变得更加均匀。
根据本发明的实施例3，如图5所示，弹簧模块30包括多个弹簧座部件39。例如，弹簧座部件39的数目与所述多个弹簧33的数目相同。该多个弹簧座部件39中的每一个均具有第一端部(与弹簧座部件39接触弹簧33的第二端部相对的端部)，该第一端部延伸穿过形成于第1壳体31和第2壳体32中距离燃料电池层叠体较近的壳体31的底壁31a中的孔40，并与接触壳体31的底壁31a的部件相接触。因为弹簧33彼此独立，所以弹簧座部件39推压与弹簧模块30接触的部件的力也彼此独立，并且该弹簧座部件的端部从壳体的底壁突出的突出量也彼此独立。
实施例3具有技术优点，因为弹簧座部件39的端部延伸穿过形成于壳体31的底壁31a中的孔40，所以弹簧33可以跟随与弹簧模块30面-面接触的部件的端面的波状、凸出和凹进变形而不会受该壳体的底壁31a的刚性的影响，从而紧固负荷在整个燃料电池平面范围内变得均匀。
根据本发明的实施例4，如图6所示，弹簧模块30包括多个弹簧座部件39。例如，弹簧座部件39的数目与所述多个弹簧33的数目相同。该多个弹簧座部件39中的每一个均具有第一端部(与弹簧座部件39接触弹簧33的第二端部相对的端部)，该第一端部延伸穿过形成于第1壳体31和第2壳体32中距离燃料电池层叠体较近的壳体31的底壁31a中的孔40，并与接触壳体31的底壁31a的部件相接触。因为弹簧33彼此独立，所以弹簧座部件39推压与弹簧模块30接触的部件的力也彼此独立，并且该弹簧座部件的端部从壳体的底壁突出的突出量也彼此独立。
各弹簧座部件39的第一端部(与弹簧座部件39接触弹簧33的第二端部相对的端部)具有一个凸状弯曲的端面。例如，弹簧座部件39由一球体构成以使得弹簧座部件39具有一球形端面。
实施例4具有技术优点，因为弹簧座部件39的端部延伸穿过形成于壳体31的底壁31a中的孔40，所以弹簧33可以跟随与弹簧模块30面-面接触的部件的端面的波状、凸出和凹进变形而不会受该壳体的底壁31a的刚性的影响，从而紧固负荷在整个燃料电池平面范围内变得均匀。
此外，因为弹簧座部件39的端面例如通过由一球体构造该弹簧座部件而凸状弯曲，所以即使从与弹簧模块30面-面接触的部件向该弹簧模块加载一个横向负荷(沿与燃料电池层叠方向垂直的方向的负荷)时，弹簧座部件39也可以容易地通过其转动而释放该横向负荷。此外，通过将从壳体的底壁突出的突出部构造为球体，弹簧座部件39可以和所述与弹簧模块30面-面接触的部件点接触，从而可以消除在面-面接触中发生的面内应力。从而，紧固负荷在整个燃料电池平面范围内变得更加均匀。
根据本发明的实施例5，如图7所示，弹簧模块30的第1壳体31具有侧壁31b而弹簧模块30的第2壳体32具有侧壁32b。在该侧壁31b和侧壁32b中，设置有一负荷显示部41。该负荷显示部41是一机械式负荷传感器。当该机械式负荷传感器包括螺旋弹簧时，负荷-变形特性是线性的。负荷L的调节在事先进行。
实施例5具有技术优点，因为在壳体31和32的侧壁31b和32b中设置有负荷显示部41，从而在本发明中不必提供图20的对比示例中的负荷传感器。
根据本发明的实施例6，如图8所示，第1部件31(例如第1壳体31)和第2部件32(例如第2壳体32)除了多个弹簧33之外还通过导电部件42彼此电连接。
在这种情况下，弹簧模块30可以设置在燃料电池层叠体的沿燃料电池层叠方向的中间部位，或者弹簧模块30可以设置在燃料电池层叠体的端面和电端子20之间。
实施例6具有技术优点，因为第1部件31(例如第1壳体31)和第2部件32(例如第2壳体32)除了多个弹簧33之外还通过导电部件42彼此电连接，并因此弹簧特性和导电性分别保持良好。由于这种结构，即使当弹簧模块30设置在燃料电池层叠体的沿燃料电池层叠方向的中间部位，或者设置在燃料电池层叠体的端面和电端子20之间时，也不会发生导电问题。
当弹簧模块30设置在燃料电池层叠体的中间部位时，可以将各燃料电池的倾斜和厚度波动在它们沿燃料电池层叠体的整个长度上累积之前在燃料电池层叠体的中间部位吸收掉。
根据本发明的实施例7，如图9所示，弹簧模块30设置在燃料电池组23的沿燃料电池层叠方向的各个相对端部(例如在燃料电池组的端板22内侧)。
实施例7具有技术优点，因为弹簧模块30设置在燃料电池组23的沿燃料电池层叠方向的各个相对端部，从而当冲击负荷Ls暂时作用在燃料电池组23上时，位于燃料电池组23的第一端的第一弹簧模块30收缩，而位于燃料电池组23的相对的第二端的第二弹簧模块30暂时伸长，从而可防止作用在燃料电池组23上的紧固负荷暂时失去。
根据本发明的实施例8，如图10所示，弹簧模块30还包括一个位于第1部件31(第1壳体31)和第2部件32(第2壳体32)之间的减振器43。该减振器43位于第1部件31和第2部件32的中央部位。该减振器43包括缸体43a和活塞43b，在该活塞43b上形成有小孔43c。缸体43a中充满有油。
实施例8具有技术优点，因为当活塞43b以高速移动时，通过孔43c的油的阻力变大。因此，当冲击负荷作用在燃料电池层叠体上时，减振器43起作用使得它好像是刚性的并且抑制燃料电池层叠体的移动，从而可防止作用在燃料电池组上的紧固负荷暂时失去。相反地，当活塞43b以低速移动时，通过孔43c的油的阻力变小。因此，在例如热膨胀和收缩时活塞低速移动的情况下，减振器43可以没有阻力地变形，从而减振器43可以跟随热膨胀和收缩而不会放松燃料电池组的紧固负荷。
根据本发明的实施例9，弹簧模块30包括多个减振器43，例如减振器43的数目与所述多个弹簧33的数目相同。如图11所示，所述多个减振器43的每一个与所述多个弹簧33的每一个彼此同轴地设置。
实施例9具有与实施例8相同的技术优点。此外，与实施例8相比，因为在实施例9中弹簧33和减振器43彼此同轴地设置，各减振器43可以设置在各弹簧33的位置处，从而可以使设置弹簧33和位于其内的减振器43所需要的空间最小化。
根据本发明的实施例10，如图12和图13所示，弹簧模块30包括具有彼此不同的弹性模数的多种类型的弹性部件33a和33b。各种类型的弹性部件的数目可以为一个、两个或更多。
所述多种类型的弹性部件33a和33b彼此并联地设置。在图12中，该多种类型的弹性部件33a和33b中的一种弹性部件33a是低弹性类型的海绵，而另一种弹性部件33b是金属螺旋弹簧。该低弹性类型的海绵33a称为慢恢复类型的海绵。该低弹性类型的海绵33a具有其值与变形速度对应变化的弹簧常数，其中对应于高速变形的弹簧常数大于对应于低速变形的弹簧常数。图13示出了该低弹性类型的海绵33a的负荷-变形特性。如图13所示，对于在发生车辆碰撞时的高速变形，该低弹性类型的海绵33a表现出在小变形中负荷迅速上升的高梯度特性，示出大而高的弹簧常数。相反地，对于通常的低速变形，该低弹性类型的海绵33a表现出在大变形中负荷缓慢上升的低梯度特性，示出小而低的弹簧常数。
实施例10具有技术优点，因为弹簧模块30包括具有彼此不同的弹性模数的多种类型的弹性部件33a和33b，从而即使当由一种类型弹性部件33a加载于燃料电池层叠体上的紧固负荷失去时，也可以由其它类型的弹性部件33b来保持加载于燃料电池层叠体上的紧固负荷。
对于燃料电池组23的缓慢变形，弹簧33b是起主要作用的。对于冲击负荷，海绵33a承受负荷，从而可以防止弹簧模块收缩。更具体地，在仅在燃料电池组的一端设置其中仅容纳弹簧的弹簧模块且该燃料电池组被安装在车辆上使该端朝向车辆前方的情况下，当车辆发生正面碰撞时，该弹簧模块收缩，从而燃料电池组的紧固负荷将会暂时失去或者减小。然而，在实施例10中，因为弹簧模块30容纳低弹性类型的海绵33a，所以可防止弹簧模块的收缩，从而可以防止紧固负荷的暂时失去。
根据本发明的实施例11，如图14所示，多种类型的弹性部件33a和33b中的一种弹性部件33a保持该多种类型的弹性部件33a和33b中的另一种弹性部件33b。
例如，该一种弹性部件33a是低弹性类型的海绵，而另一种弹性部件33b是一种金属螺旋弹簧。该低弹性类型的弹性部件33a形成为单个一体部件，并且在该单个一体海绵33a中，形成有与螺旋弹簧33b的数目相同的孔33c(各具有与螺旋弹簧33b的外径相同的直径)。各螺旋弹簧33b设置在各孔33c中。
实施例11具有技术优点，因为一种弹性部件33a保持另一种弹性部件33b，从而与在壳体中形成切割和弯曲部(卡爪)并将弹簧设置在该切割和弯曲部中的情况相比，可以容易地将弹簧33安装到弹簧模块30的壳体上以及将弹簧模块30安装到燃料电池组23中。
根据本发明的实施例12，如图15所示，多种类型的弹性部件33a和33b彼此形成一体。
例如，一种弹性部件33a是低弹性类型的海绵，而另一种弹性部件33b是金属螺旋弹簧。螺旋弹簧33b嵌入低弹性类型的海绵33a中，从而与海绵33a形成一体。
实施例12具有技术优点，因为螺旋弹簧33b嵌入低弹性类型的海绵33a中，从而与海绵33a形成一体，因此可以容易地将弹簧33b和海绵33a的一体组件安装到弹簧模块30的壳体上以及将弹簧模块30安装到燃料电池组23中。
此外，因为海绵33a甚至可以插入到弹簧33b的内部空间中，从而可以增加设置海绵33a的面积。从而可以增加由于该海绵33a的效果。
根据本发明的实施例13，如图16～18所示，多种类型的弹性部件33a和33b组合成使得弹簧模块30表现出在整个变形范围W内的中间变形点W1处弯折的负荷-变形特性。
在图16和17中，一种弹性部件33a和另一种弹性部件33b彼此并联地设置。处于自由、未被压缩状态下的弹性部件33a的长度H与在第1和第2壳体之间的距离(H+H’)不相等，该长度H比该距离(H+H’)小H’。当负荷为零时，在弹簧壳体和弹性部件33a之间具有一个H’的间隙。当有负荷加载在第1和第2壳体上并且在第1和第2壳体之间的距离(H+H’)减小H’时，弹性部件33a开始承受负荷。该负荷-变形特性在图18中示出。该一种弹性部件33a和另一种弹性部件33b组合成使得在达到弹簧模块的预定变形之前，只有所述一种弹性部件33b变形，在该弹簧模块的预定变形之上，两种弹性部件33a和33b都变形，从而获得图18中的负荷-变形特性。在该特性中，弹簧模块表现出低的弹簧常数直到该弹簧模块的预定变形，并且在该弹簧模块的预定变形之上表现出高的弹簧常数。根据所需要的特性，可以改变弹簧的类型组合。
根据本发明的实施例14，如图19所示，弹簧模块30的多种类型的弹性部件33的综合弹簧常数被设置为较低，并且弹簧模块30在预压缩状态或者大变形范围内使用。当弹簧模块30的综合弹簧常数被设置为较低并且弹簧模块30在预压缩状态下使用时，该弹簧模块在图19的线A上的使用范围B内使用。当弹簧模块30的综合弹簧常数被设置为较低并且在大变形范围内使用时，该弹簧模块在图19的线C上的使用范围D内使用。
实施例14具有技术优点，因为在弹簧模块被预压缩的情况下，可以防止紧固负荷的暂时失去。此外，因为综合弹簧常数被设置为较低，在预定的负荷范围内可以吸收燃料电池层叠体的长度中大的尺寸波动。
根据本发明的实施例15，弹性部件33以及第1和第2部件31和32由防腐蚀材料制成。该防腐蚀材料可以包括不锈钢和合成树脂。
实施例15具有技术优点，因为防腐蚀程度被设定得较高，所以可以消除由于锈例如氧化铁对燃料电池的不良影响。因为弹簧模块30和分隔件18在空间上彼此相通，来自弹簧模块的氧化铁粉末会促进分隔件的腐蚀，并且金属离子会增加弹簧模块附近的导电性。然而，在本发明中，通过抑制铁锈的产生，可以消除锈对燃料电池的不良影响。
工业实用性
根据本发明的燃料电池组可非常实用地用作不仅可以跟随燃料电池层叠体的端面的倾斜、而且可以跟随燃料电池层叠体的沿燃料电池层叠方向的长度的变化的燃料电池组。
此外，根据本发明的燃料电池组可非常实用地用作可以使紧固负荷在整个燃料电池平面范围内均匀并且可以减小燃料电池层叠方向的负荷的变化的燃料电池组。
Claims (21)
1.一种燃料电池组，包括：
燃料电池层叠体；和
与所述燃料电池层叠体串联设置的弹簧模块，
其中，所述弹簧模块包括：
能够彼此相对倾斜并沿彼此接近和远离的方向移动的第1部件和第2部件；和
彼此独立并且彼此并联设置在所述第1部件和所述第2部件之间的多个弹簧。
2.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，所述燃料电池组包括端板和调整螺钉，所述弹簧模块设置在所述端板和所述燃料电池层叠体之间，所述调整螺钉设置在所述弹簧模块和所述端板之间。
3.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1部件包括第1壳体，所述第2部件包括第2壳体，所述弹簧模块包括容纳所述多个弹簧的壳体组件。
4.根据权利要求3所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1壳体和第2壳体中距所述燃料电池层叠体较近的一个壳体包括具有刚性的底壁，使得当所述壁被彼此独立的所述多个弹簧推压时，所述壁沿燃料电池层叠方向变形而以波状变形。
5.根据权利要求3所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块包括多个弹簧座部件，所述多个弹簧座部件中的每一个均具有这样的一个端部，该端部延伸穿过形成于距所述燃料电池层叠体较近的所述壳体的所述壁中的孔，并与接触所述壳体的所述壁的部件相接触。
6.根据权利要求5所述的燃料电池组，其特征在于，所述多个弹簧座部件的每一个的所述端部均具有凸状弯曲的端面。
7.根据权利要求3所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块的所述第1和第2壳体具有侧壁，该侧壁上设置有负荷显示部。
8.根据权利要求1或3所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块设置在所述燃料电池层叠体的所述燃料电池层叠方向的中间部位。
9.根据权利要求8所述的燃料电池组，其特征在于，所述第1部件和所述第2部件除了所述多个弹簧之外还通过导电部件彼此电连接。
10.根据权利要求1或3所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块设置在所述燃料电池组的所述燃料电池层叠方向的各个相对端。
11.根据权利要求1或3所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块还包括位于所述第1部件和所述第2部件之间的减振器。
12.根据权利要求1或3所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块还包括多个减振器，所述多个减振器中的每一个与所述多个弹簧中的每一个彼此同轴地设置。
13.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块包括具有彼此不同的弹性模数的多种类型的弹性部件。
14.根据权利要求13所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件彼此并联地设置。
15.根据权利要求13所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件中的一种弹性部件保持该多种类型的弹性部件中的另一种弹性部件。
16.根据权利要求13或14所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件彼此形成为一体。
17.根据权利要求13所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件中的一种弹性部件具有其值与变形速度相应变化的弹簧常数，其中，对应于高速变形的弹簧常数大于对应于低速变形的弹簧常数。
18.根据权利要求13所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件包括弹簧和低弹性类型的海绵。
19.根据权利要求13所述的燃料电池组，其特征在于，所述多种类型的弹性部件组合成使得所述弹簧模块表现出在整个变形范围内的中间变形点弯折的负荷-变形特性。
20.根据权利要求13所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹簧模块具有较低的弹簧常数，并且所述弹簧模块被预压缩或者在大变形范围内使用。
21.根据权利要求1所述的燃料电池组，其特征在于，所述弹性部件以及所述第1和所述第2部件由防腐蚀材料制成。
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