CN211295282U - 用于单电池堆叠的夹具以及使用这种夹具的燃料电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于单电池堆叠的夹具。该夹具包括：被构造成布置在第二端板和第三端板之间的弹性装置，其作用于第二端板和第三端板，以使弹性装置对第二端板施加压力；以及被布置成用于感测弹性装置对第二端板施加的压力的至少一个压力感测元件。该夹具还包括电致动器，其被构造成用于致动第三端板，以调节第三端板在堆叠方向上相对于第一端板的距离。本实用新型还提供了使用这种夹具的燃料电池。根据本实用新型，能够在燃料电池发电期间监测夹具对单电池堆叠施加的夹紧载荷，并且能够根据燃料电池的不同工况和单电池堆叠的寿命来调整夹具施加的夹紧载荷，从而确保燃料电池的可靠运行并提高燃料电池的发电效率。

Description

用于单电池堆叠的夹具以及使用这种夹具的燃料电池

技术领域

本实用新型涉及一种用于单电池堆叠的夹具，以及使用这种夹具的燃料电池。

背景技术

利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的燃料电池被日益广泛地用来提供电力，尤其是在电动车领域中。这种燃料电池通常包括由所需数量的利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的单电池堆叠而成的单电池堆叠、被构造成对该单电池堆叠施加夹紧载荷的夹具。该夹具用于确保单电池堆叠的密封性和减小单电池堆叠中的接触电阻，例如在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中用于降低膜电极组件(MEA)与双极板(BPP)之间的接触电阻。如果夹具施加的夹紧载荷过小，则会使单电池堆叠中的接触电阻增大，从而导致燃料电池的效率降低。如果夹具施加的夹紧载荷过大，则会使单电池堆叠中的气孔的孔隙率减小，从而使得单电池堆叠的气体传递能力降低，这也会导致燃料电池的效率降低。另外，燃料电池发电时的膨胀或收缩会导致夹紧载荷的变动。在这种情况下，如果夹紧载荷不能被适应地调整，则会导致单电池堆叠中的夹紧载荷分配不均匀，从而导致各单电池的电阻变化。一旦出现电阻过大的单电池，在电池堆叠高功率运行或过载时，电阻过大的单电池可能会出现故障。因此，期望在燃料电池发电期间将夹具施加的夹紧载荷保持在合适的大小。另外，还期望在燃料电池发电期间监测夹具对单电池堆叠施加的夹紧载荷，并且根据燃料电池的不同工况和单电池堆叠的寿命来调整夹具施加的夹紧载荷。

因而，迫切需要对现有的用于单电池堆叠的夹具进行改进。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种用于单电池堆叠的夹具，通过使用这种夹具，能够在燃料电池发电期间监测夹具对单电池堆叠施加的夹紧载荷，并且能够根据燃料电池的不同工况和单电池堆叠的寿命来调整夹具施加的夹紧载荷，从而确保燃料电池的可靠运行并提高燃料电池的发电效率。

根据本实用新型的一方面，提供一种用于单电池堆叠的夹具，其中所述单电池堆叠由若干个利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的单电池沿着堆叠方向堆叠而成，所述夹具包括：被构造成用于沿着所述堆叠方向将所述单电池堆叠夹在其间的第一端板和第二端板；其特征在于，所述夹具还包括：第三端板，所述第三端板被构造成沿着所述堆叠方向布置在所述第二端板的与所述单电池堆叠相反的一侧；被构造成布置在所述第二端板和所述第三端板之间的弹性装置，所述弹性装置作用于所述第二端板和所述第三端板，以使所述弹性装置对所述第二端板施加压力；若干根连接杆，所述连接杆被构造成用于连接所述第一端板、所述第二端板和所述第三端板，并且至少所述第二端板和所述第三端板能够在所述连接杆上滑动；分别与所述连接杆数目对应的若干个第一保持件和若干个第二保持件，其中，所述第一保持件被构造成在所述第一端板的与所述单电池堆叠相反的一侧安装到所述连接杆，并且所述第二保持件被构造成在所述第三端板的与所述单电池堆叠相反的一侧安装到所述连接杆，从而将所述第一端板、所述单电池堆叠、所述第二端板、所述弹性装置和所述第三端板保持在一起，其中，所述第三端板在所述堆叠方向上相对于所述第一端板的距离能够被调节，以调节所述弹性装置对所述第二端板施加的压力，从而调节所述夹具对所述单电池堆叠施加的夹紧载荷；以及被布置成用于感测所述弹性装置对所述第二端板施加的压力的至少一个压力感测元件。

优选地，所述弹性装置包括多根弹簧，并且所述第二端板和所述第三端板的彼此面对的表面分别形成有与所述弹簧数目对应的多个第一凹口和多个第二凹口，所述弹簧中的每个被通过相应的所述第一凹口和所述第二凹口保持就位。

优选地，所述至少一个压力感测元件被布置在所述第一凹口中的一个、一些或全部中，位于所述弹簧与所述第二端板之间，和/或所述至少一个压力感测元件被布置在所述第二凹口中的一个、一些或全部中，位于所述弹簧与所述第三端板之间。

优选地，所述第三端板在所述堆叠方向上相对于所述第一端板的距离能够通过所述第二保持件调节。

优选地，所述连接杆在其靠近所述第三端板的端部附近形成有螺纹，并且所述第二保持件是与所述螺纹相配合的螺母。

优选地，所述夹具还包括电致动器，所述电致动器被构造成用于致动所述第三端板，以调节所述第三端板在所述堆叠方向上相对于所述第一端板的距离。

优选地，所述电致动器被配置成基于所述压力感测元件感测到的压力致动所述第三端板，以调节所述第三端板在所述堆叠方向上相对于所述第一端板的距离。

根据本实用新型的另一方面，提供一种燃料电池，所述燃料电池包括：由若干个利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的单电池沿着堆叠方向堆叠而成的单电池堆叠；以及用于监测和控制所述燃料电池运行的燃料电池控制模块；其特征在于，所述燃料电池还包括前述夹具，所述单电池堆叠被夹在所述第一端板和所述第二端板之间，所述压力感测元件被通信地耦合到所述燃料电池控制模块，以将感测到的压力发送到所述燃料电池控制模块。

优选地，所述燃料电池控制模块基于所述感测到的压力向所述燃料电池的用户发出提醒，以提醒所述用户调节所述第二保持件，从而调节所述夹具对所述单电池堆叠施加的夹紧载荷。

优选地，所述电致动器被通信地耦合到所述燃料电池控制模块，并且所述燃料电池控制模块基于所述感测到的压力来致动所述电致动器，从而调节所述夹具对所述单电池堆叠施加的夹紧载荷。

根据本实用新型，能够在燃料电池发电期间监测夹具对单电池堆叠施加的夹紧载荷，并且能够根据燃料电池的不同工况和单电池堆叠的寿命来(手动地或机动地)调整夹具施加的夹紧载荷，从而确保燃料电池的可靠运行并提高燃料电池的发电效率。

附图说明

下面将结合附图来更彻底地理解并认识本实用新型的上述和其它方面。应当注意的是，附图仅为示意性的，并非按比例绘制。在附图中：

图1是使用根据本申请的一个实施例的用于单电池堆叠的夹具的燃料电池的示意性横截面图；以及

图2是使用根据本申请的另一个实施例的用于单电池堆叠的夹具的燃料电池的示意性横截面图。

具体实施方式

下面结合示例详细描述本实用新型的优选实施例。本领域技术人员应理解的是，这些示例性实施例并不意味着对本实用新型形成任何限制。

本申请涉及一种用于单电池堆叠的夹具。这种夹具可用于燃料电池中，被布置成对单电池堆叠施加夹紧载荷，以保证单电池堆叠的密封性和减小单电池堆叠中的接触电阻，从而保证燃料电池的可靠运行并提高燃料电池的发电效率。本申请还涉及使用这种夹具的燃料电池，其可用作载具的机载发电系统的发电设备、建筑物用的发电系统的发电设备等。

如图1所示，燃料电池1包括由所需数量的利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的单电池3堆叠而成的单电池堆叠5，以及被构造成沿着单电池堆叠5的堆叠方向6对单电池堆叠5施加夹紧载荷的夹具9。在图1的示例中，单电池堆叠5的堆叠方向6是竖向的，但也可以是其它方向，例如横向。虽然在图1中各单电池3被示出为堆叠在集电板11和13之间从而与集电板11和13一起形成单电池堆叠5，其中集电板11和13分别用作燃料电池1的正负极，但应理解到，单电池3的双极板本身可兼作集电板，以用作燃料电池1的正负极。因此，在本文中使用术语“单电池堆叠”来涵盖这些可能的情况。还应理解到，图1仅示意性地示出了单电池堆叠5的横截面，而单电池堆叠5通常呈长方体，并且可以在垂直于图1的纸面的方向上延伸。

如图1所示，夹具9包括被构造成用于沿着单电池堆叠5的堆叠方向6将单电池堆叠5夹在其间的第一端板901和第二端板902。换言之，第一端板901和第二端板902被沿着单电池堆叠5的堆叠方向6布置在单电池堆叠5的两侧。夹具9还包括沿着单电池堆叠5的堆叠方向6布置在第二端板902的与单电池堆叠5相反的一侧的第三端板903，以及布置在第二端板902和第三端板903之间的弹性装置。第一端板901、第二端板902和第三端板903是大致平坦的板，它们彼此大致平行并且与单电池堆叠5的堆叠方向6大致垂直地布置。

继续参考图1，夹具9还包括若干根连接杆904，其被构造成用于连接第一端板901、第二端板902和第三端板903，其中，至少第二端板902和第三端板903能够在连接杆904上滑动。在一个示例中，第一端板901、第二端板902和第三端板903可以分别在其周边附近沿着厚度方向开设有若干个贯通的安装孔(未示出)，并且第一端板901、第二端板902和第三端板903中的相应安装孔彼此对准，其中所述厚度方向平行于单电池堆叠5的堆叠方向6。连接杆904的数量可以与第一端板901、第二端板902和第三端板903中的每个的安装孔的数量对应。连接杆904可以延伸穿过第一端板901、第二端板902和第三端板903的相应安装孔。

当组装时，连接杆904连接第一端板901、第二端板902和第三端板903，并且第一端板901和第二端板902沿着单电池堆叠5的堆叠方向6将单电池堆叠5夹在其间。弹性装置被布置在第二端板902和第三端板903之间，并且能够作用于第二端板902和第三端板903，以对第二端板902施加压力。弹性装置可以使夹具9对单电池堆叠6的压缩载荷均匀化并且降低压缩载荷的变动。优选地，弹性装置由多根弹簧907组成。在这种情况下，第二端板902和第三端板903的彼此面对的表面分别形成有与弹簧907数目对应的多个第一凹口908和多个第二凹口910，弹簧907中的每个被通过相应的第一凹口908和第二凹口910保持就位，使得弹簧907的一端抵接第二端板902，另一端抵接第三端板903。连接杆904的两端分别延伸超出第一端板901和第三端板903。与连接杆904的数目对应的若干个第一保持件905可以在第一端板901的与单电池堆叠5相反的一侧安装到相应的连接杆904，并且与连接杆904的数目对应的若干个第二保持件906可以在第三端板903的与单电池堆叠5相反的一侧安装到相应的连接杆904，从而将第一端板901、单电池堆叠5、第二端板902、弹性装置和第三端板903保持在一起。第一保持件905和第二保持件906分别防止第一端板901和第三端板903从连接杆904脱出。

在一个示例中，第三端板903在堆叠方向6上相对于第一端板901的距离能够通过第二保持件906调节，使得第三端板903能沿着堆叠方向6靠近或远离第一端板901移动，以调节弹性装置对第二端板902施加的压力，从而调节夹具9对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。在图1所示的示例中，连接杆904在其两端附近的部段上可以分别形成有螺纹(未示出)，并且第一保持件905和第二保持件906可以是与所述螺纹相配合的螺母。在另一个示例中，连接杆904在其两端附近的部段上可以分别设有齿条，并且第一保持件905和第二保持件906可以是用于与齿条接合的部件。在又一个示例中，第一保持件905可以通过焊接形成。在再一个示例中，第一保持件905可以与连接杆904一体形成。应理解到，第一保持件905和第二保持件906还可以采用其它合适的方式。

继续参考图1，为了在燃料电池1发电期间监测夹具9对单电池堆叠5施加的夹紧载荷，可以设置至少一个压力感测元件909以感测弹性装置对第二端板902施加的压力。在弹性装置由多根弹簧907组成的实施例中，至少一个压力感测元件909被布置在第一凹口908中的一个、一些或全部中，位于弹簧907与第二端板902之间，和/或被布置在第二凹口910中的一个、一些或全部中，位于弹簧907与第三端板903之间，以感测弹性装置对第二端板902施加的压力，从而测量夹具9对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。压力感测元件909例如可以是压式传感器、触觉传感器或者本领域中已知的其它类型的传感器。

燃料电池1还可以包括燃料电池控制单元(FCCU)，其用于监测和控制燃料电池1的运行。压力感测元件909可以被通信(有线或无线)地耦合到燃料电池控制单元，以将感测到的压力发送给燃料电池控制单元，其中所述感测到的压力可以指示夹具9对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。燃料电池控制单元可以存储有与燃料电池1的不同工况和单电池堆叠的寿命等对应的单电池堆叠的期望压力(夹紧载荷)。燃料电池控制单元可以将所述感测到的压力与所述期望压力比较。如果所述感测到的压力偏离所述期望压力超出一定范围，则燃料电池控制单元可以向燃料电池1的用户发出提醒，以提醒燃料电池1的用户(例如，手动地)调节第二保持件906，从而调节夹具9对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。

图2是使用根据本申请的另一个实施例的用于单电池堆叠的夹具9’的燃料电池1’的示意性横截面图。图2所示的燃料电池1’与图1所示的燃料电池1的区别仅在于夹具不同，而燃料电池1’的夹具9’与燃料电池1的夹具9的区别在于：夹具9’还包括电致动器17，其被构造成用于致动第三端板903，以调节第三端板903在堆叠方向6上相对于第一端板901的距离，进而调节弹性装置对第二端板902施加的压力，由此调节夹具9’对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。具体而言，电致动器17能够基于由压力感测元件909感测到的压力致动第三端板903，使得第三端板903沿着堆叠方向6靠近或远离第一端板901移动，以使弹性装置对第二端板902施加的压力增大或减小，从而调节夹具9’对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。电致动器17可以被相对于夹具9’固定，例如电致动器17可以被固定地安装到连接杆904上。电致动器17包括致动部19，其可以抵靠第三端板903进行致动，以使第三端板903抵抗弹性装置的压力朝着第二端板902移动，或者使第三端板903顺应弹性装置的压力远离第一端板901移动。如图2所示，电致动器17使第三端板903与第二保持件906脱离接触，在这种情况下，电致动器17可以代替第二保持件906来调节第三端板903相对于第一端板901的距离，从而调节夹具9’对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。

如图2中的虚线表示的，电致动器17可以被通信地耦合到燃料电池1’的燃料电池控制单元15，以接收来自燃料电池控制单元15的控制信号。如上所述，压力感测元件909也可以被通信地耦合到燃料电池控制单元15，以将感测到的压力发送给燃料电池控制单元15，其中所述感测到的压力可以指示夹具9’对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。燃料电池控制单元15可以存储有与燃料电池1’的不同工况和单电池堆叠的寿命等对应的单电池堆叠的期望压力(夹紧载荷)。燃料电池控制单元15可以将所述感测到的压力与所述期望压力比较。如果感测到的压力偏离期望压力超出一定范围，则燃料电池控制单元15可以控制电致动器17使其致动第三端板903，以调节第三端板903在堆叠方向6上相对于第一端板901的距离，从而调节夹具9’对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。在本实施例中，电致动器17可以是线性致动器。但应理解到，电致动器17也可以呈任何其它合适的形式，例如蜗轮蜗杆致动器、传动齿轮等。还应理解到，电致动器17本身可以具有控制模块，并且可以直接耦合到压力感测单元909，使得电致动器能直接基于压力感测元件909感测到的压力来调节第三端板903相对于第一端板901的距离，而无需与燃料电池控制单元15建立通信。在这种情况下，电致动器17可以具有控制模块，其存储有单电池堆叠的期望压力。

还应理解到，如上所述，单电池堆叠5以及夹具9和9’通常呈长方体构型，并且可以在垂直于图1的纸面的方向上延伸。因此，夹具9’可以沿着第三端板903布置有多于一个电致动器17。在这种的情况下，多个电致动器17可以基于压力感测元件909感测到的压力而被彼此独立或者共同地致动，从而局部或者全局地调节夹具9’对单电池堆叠5施加的夹紧载荷。

以上结合具体实施例对本实用新型进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本实用新型的限制。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本实用新型的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本实用新型的范围。

Claims (10)

1.一种用于单电池堆叠(5)的夹具(9、9’)，其中所述单电池堆叠(5)由若干个利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的单电池(3)沿着堆叠方向(6)堆叠而成，所述夹具(9、9’)包括：

被构造成用于沿着所述堆叠方向(6)将所述单电池堆叠(5)夹在其间的第一端板(901)和第二端板(902)；

其特征在于，所述夹具(9、9’)还包括：

第三端板(903)，所述第三端板(903)被构造成沿着所述堆叠方向(6)布置在所述第二端板(902)的与所述单电池堆叠(5)相反的一侧；

被构造成布置在所述第二端板(902)和所述第三端板(903)之间的弹性装置，所述弹性装置作用于所述第二端板(902)和所述第三端板(903)，以使所述弹性装置对所述第二端板(902)施加压力；

若干根连接杆(904)，所述连接杆(904)被构造成用于连接所述第一端板(901)、所述第二端板(902)和所述第三端板(903)，并且至少所述第二端板(902)和所述第三端板(903)能够在所述连接杆(904)上滑动；

分别与所述连接杆(904)数目对应的若干个第一保持件(905)和若干个第二保持件(906)，其中，所述第一保持件(905)被构造成在所述第一端板(901)的与所述单电池堆叠(5)相反的一侧安装到所述连接杆(904)，并且所述第二保持件(906)被构造成在所述第三端板(903)的与所述单电池堆叠(5)相反的一侧安装到所述连接杆(904)，从而将所述第一端板(901)、所述单电池堆叠(5)、所述第二端板(902)、所述弹性装置和所述第三端板(903)保持在一起，其中，所述第三端板(903)在所述堆叠方向(6)上相对于所述第一端板(901)的距离能够被调节，以调节所述弹性装置对所述第二端板(902)施加的压力，从而调节所述夹具(9、9’)对所述单电池堆叠(5)施加的夹紧载荷；以及

被布置成用于感测所述弹性装置对所述第二端板(902)施加的压力的至少一个压力感测元件(909)。

2.根据权利要求1所述的夹具(9、9’)，其特征在于，所述弹性装置包括多根弹簧(907)，并且所述第二端板(902)和所述第三端板(903)的彼此面对的表面分别形成有与所述弹簧(907)数目对应的多个第一凹口(908)和多个第二凹口(910)，所述弹簧(907)中的每个被通过相应的所述第一凹口(908)和所述第二凹口(910)保持就位。

3.根据权利要求2所述的夹具(9、9’)，其特征在于：

所述至少一个压力感测元件(909)被布置在所述第一凹口(908)中的一个、一些或全部中，位于所述弹簧(907)与所述第二端板(902)之间；和/或

所述至少一个压力感测元件(909)被布置在所述第二凹口(910)中的一个、一些或全部中，位于所述弹簧(907)与所述第三端板(903)之间。

4.根据权利要求1所述的夹具(9、9’)，其特征在于，所述第三端板(903)在所述堆叠方向(6)上相对于所述第一端板(901)的距离能够通过所述第二保持件(906)调节。

5.根据权利要求4所述的夹具(9、9’)，其特征在于，所述连接杆(904)在其靠近所述第三端板(903)的端部附近形成有螺纹，并且所述第二保持件(906)是与所述螺纹相配合的螺母。

6.根据权利要求1所述的夹具(9’)，其特征在于，所述夹具(9’)还包括电致动器(17)，所述电致动器(17)被构造成用于致动所述第三端板(903)，以调节所述第三端板(903)在所述堆叠方向(6)上相对于所述第一端板(901)的距离。

7.根据权利要求6所述的夹具(9’)，其特征在于，所述电致动器(17)被配置成基于所述压力感测元件(909)感测到的压力致动所述第三端板(903)，以调节所述第三端板(903)在所述堆叠方向(6)上相对于所述第一端板(901)的距离。

8.一种燃料电池(1、1’)，包括：

由若干个利用燃料气体与氧化气体的电化学反应发电的单电池(3)沿着堆叠方向(6)堆叠而成的单电池堆叠(5)；以及

用于监测和控制所述燃料电池(1、1’)运行的燃料电池控制模块(15)；

其特征在于，所述燃料电池(1、1’)还包括根据权利要求1至7中任一项所述的夹具(9、9’)，所述单电池堆叠(5)被夹在所述第一端板(901)和所述第二端板(902)之间，所述压力感测元件(909)被通信地耦合到所述燃料电池控制模块(15)，以将感测到的压力发送到所述燃料电池控制模块(15)。

9.根据权利要求8所述的燃料电池(1、1’)，其特征在于，当所述燃料电池(1、1’)包括根据权利要求4或5所述的夹具(9、9’)时，所述燃料电池控制模块(15)基于所述感测到的压力向所述燃料电池(1、1’)的用户发出提醒，以提醒所述用户调节所述第二保持件(906)，从而调节所述夹具(9、9’)对所述单电池堆叠(5)施加的夹紧载荷。

10.根据权利要求8所述的燃料电池(1、1’)，其特征在于，当所述燃料电池(1、1’)包括根据权利要求6或7所述的夹具(9’)时，所述电致动器(17)被通信地耦合到所述燃料电池控制模块(15)，并且所述燃料电池控制模块(15)基于所述感测到的压力来致动所述电致动器(17)，从而调节所述夹具(9、9’)对所述单电池堆叠(5)施加的夹紧载荷。

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