專利名稱：用于燃料電池堆的殼體組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池設(shè)計(jì)，并且具體涉及適用于容納彼此堆疊的多塊燃料電池的殼體。
背景技術(shù)：
通過電化學(xué)電池即可將反應(yīng)物例如氫氣流和氧氣流轉(zhuǎn)化為電力和水。例如對(duì)于聚合物電解質(zhì)燃料電池設(shè)計(jì)來說，電解質(zhì)膜通常被置于陽極和陰極之間以構(gòu)成膜電極組件 (MEA)。由于單塊燃料電池只能提供相當(dāng)有限的最大電壓，因此通常要將預(yù)定數(shù)量的燃料電池彼此堆疊或彼此并排以構(gòu)成燃料電池堆，其中相鄰設(shè)置的燃料電池串聯(lián)地電接觸。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以及對(duì)于其他的燃料電池設(shè)計(jì)來說，在使用氣體反應(yīng)物時(shí)必需要精確控制堆內(nèi)的氣體流量。為了提供氣密的密封，充分地配備有密封元件的燃料電池堆通常例如通過設(shè)置在燃料電池堆相對(duì)端的經(jīng)由拉伸螺栓彼此直接互連的兩塊端板而被沿著堆疊的方向壓縮。但是，這樣的燃料電池設(shè)計(jì)由于各種燃料電池、MEA、密封元件和分離構(gòu)件可能會(huì)在垂直于堆疊方向的平面內(nèi)扭曲而相當(dāng)?shù)仉y以組裝。同樣地，整個(gè)燃料電池堆在使用中也可能很容易受到扭轉(zhuǎn)力的影響。從文獻(xiàn)EP1936729A1中可以獲知一種用于燃料電池堆的外殼。其中，堆體被容納在包括端板的外殼內(nèi)。外殼還包括設(shè)置在堆體側(cè)面上的多塊獨(dú)立的側(cè)板。端板和側(cè)板通過連接銷相連，其中每一塊側(cè)板都具有適用于容納連接銷的多個(gè)獨(dú)立的連接部分。實(shí)際上，端板之間的拉力必需通過多個(gè)連接銷和對(duì)應(yīng)的連接部分傳輸，這就可能會(huì)構(gòu)成在使用時(shí)要承受相當(dāng)大點(diǎn)負(fù)荷的弱化點(diǎn)。而且，端板和側(cè)板的彼此互連也相當(dāng)費(fèi)力。同樣，側(cè)板的互連進(jìn)一步需要在相應(yīng)的角部區(qū)域內(nèi)單獨(dú)組裝角型材。因此本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種增強(qiáng)了穩(wěn)定性特別是克服了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的殼體組件。而且，殼體組件的組裝應(yīng)該容易并且直觀。殼體組件應(yīng)該耐用、堅(jiān)固和重量輕并且還要在生產(chǎn)和組裝方面有成本效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于至少兩塊燃料電池、優(yōu)選地用于由彼此堆疊在一起的幾十塊或者甚至是上百塊個(gè)體燃料電池構(gòu)成的燃料電池堆的殼體組件。殼體組件包括沿軸向(Z)延伸并且適用于側(cè)向包圍沿軸向彼此堆疊的至少兩塊燃料電池的中空型材狀主體。殼體組件進(jìn)一步包括緊固機(jī)構(gòu)以將主體與適用于支撐至少兩塊燃料電池的至少一塊端板互連。通過提供中空型材狀主體，構(gòu)成用于燃料電池堆的封閉外殼所需的部件數(shù)量顯著減少為中空型材主體以及適用于在已將多塊燃料電池設(shè)置在所述主體內(nèi)之后封閉所述主體以構(gòu)成相應(yīng)的燃料電池堆的至少一塊端板。中空型材狀主體可以包括某種管狀或柱狀的形狀并且可以具有適用于支撐在其中堆疊的燃料電池的封閉底面。通過緊固機(jī)構(gòu)即可封閉型材主體的頂端，目的是為了提供用于燃料電池堆的基本封閉的外殼構(gòu)件。通過擁有單個(gè)中空型材狀主體，殼體組件僅包括單個(gè)側(cè)壁元件以構(gòu)成用于燃料電池堆的側(cè)向外殼。因此，就不必再互連例如EP1936729A1中所述的各個(gè)側(cè)壁部分。而且，用于互連至少一塊端板和中空型材狀主體的組裝過程也變得更加簡單并且因此耗時(shí)更少。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，主體適用于在設(shè)于主體相對(duì)軸向端部的兩塊端板之間傳輸軸向指向的拉力或壓縮力。所以，型材主體不僅為堆疊在其中的燃料電池提供了保護(hù)性結(jié)構(gòu)，而且還用于在相對(duì)設(shè)置的端板之間傳輸拉力或壓縮力，目的是為了建立和保持延伸穿過堆的氣流通道的氣密密封。因此，中空型材狀主體也可以取代和替換通常延伸在燃料電池堆相對(duì)設(shè)置的端板之間的拉伸螺栓的功能性。 通過擁有基本側(cè)向的封閉中空主體，整個(gè)燃料電池堆就能夠克服側(cè)向和軸向負(fù)荷而有效地得以穩(wěn)定。在進(jìn)一步優(yōu)選的應(yīng)用中，第一端板被完全插入中空主體內(nèi)并且包括側(cè)向向外延伸的支承構(gòu)件，支承構(gòu)件適用于與主體第一軸向端的側(cè)向向內(nèi)延伸的對(duì)應(yīng)形狀的反支承構(gòu)件相配合。通過將端板完全插入主體內(nèi)，端板就至少被主體沿周向包圍。但是，端板可以從主體的軸向端至少部分地凸出。通過在端板以及在主體面向內(nèi)的側(cè)壁上設(shè)置互相對(duì)應(yīng)的支承構(gòu)件和反支承構(gòu)件，就可以為端板提供相對(duì)于主體的軸向止擋件或支承。通過在第一端板和主體之間擁有這樣的單向?qū)雍椭箵豕δ埽缱饔迷诙税迳系姆较蛳蛳碌妮S向作用力就能夠通過互相對(duì)應(yīng)的支承構(gòu)件而被完全傳輸至主體。因此不需要附加或單獨(dú)的緊固裝置以將第一端板相對(duì)于周圍的主體固定。根據(jù)進(jìn)一步優(yōu)選的方面，緊固機(jī)構(gòu)包括用于圍繞主體第二軸向端的封閉框架或框架元件?？蚣茉▊?cè)向向內(nèi)延伸的支承構(gòu)件，支承構(gòu)件適用于與主體第二端的側(cè)向向外延伸的對(duì)應(yīng)形狀的反支承構(gòu)件相配合。通常，主體的反支承構(gòu)件包括凸緣狀的輪廓。由框架元件的支承構(gòu)件形成的內(nèi)徑基本上對(duì)應(yīng)于或者至少是略大于主體截面或外徑。由于框架元件的支承構(gòu)件的內(nèi)徑或截面小于主體第二端向外延伸的反支承構(gòu)件，因此通過支承構(gòu)件和反支承構(gòu)件的相互軸向直接對(duì)接，就能將軸向指向的壓縮力或拉力從框架元件傳輸至主體,并且反之亦然。支承構(gòu)件和相應(yīng)的反支承構(gòu)件可以包括多個(gè)側(cè)向向內(nèi)和向外延伸的止擋元件。為了在框架元件、端板和主體的接觸面上提供比較均勻的作用力分布，在支承構(gòu)件和反支承構(gòu)件包括沿周向延伸的輪緣或相應(yīng)凹口時(shí)是更加有利的。這樣，軸向指向的拉力或壓縮力即可以材料受保護(hù)的方式在所述接觸面區(qū)域上傳輸。點(diǎn)負(fù)荷上升高于最大容許水平的情況能夠有效避免。在進(jìn)一步優(yōu)選的方面中，框架元件包括至少兩個(gè)側(cè)向向外凸出部分，凸出部分在軸向投影內(nèi)看時(shí)與第二端板中對(duì)應(yīng)的緊固部分基本重疊。由于框架元件通過上述互相對(duì)應(yīng)的支承構(gòu)件和反支承構(gòu)件被單向固定至主體，因此框架元件用作拉伸元件以與端板協(xié)作，目的是為了將相應(yīng)的軸向指向的拉伸從端板傳輸至主體?；ハ鄬?duì)應(yīng)的框架元件的側(cè)向向外凸出部分和第二端板是為了用于沿軸向彼此剛性互連。在第二端板的緊固部分與框架元件相應(yīng)的凸出部分沿軸向?qū)R時(shí)是有利的。通常，大量不同的互連機(jī)構(gòu)例如夾持器件均可在此廣泛使用。在進(jìn)一步優(yōu)選的方面中，框架元件的凸出部分包括螺孔以容納延伸穿過第二端板對(duì)應(yīng)緊固部分中相應(yīng)的孔的軸向延伸的螺接裝置。螺接裝置可以包括被插入穿過端板緊固部分中的孔并且被螺接到框架元件的對(duì)應(yīng)螺孔內(nèi)的常規(guī)拉伸螺栓。這樣即可將相當(dāng)大的壓力加至夾在相對(duì)設(shè)置的端板之間的燃料電池堆。通過與相對(duì)設(shè)置的端板有效接合的中空型材狀主體即可提供相應(yīng)的反作用力，目的是為了在所述端板之間傳輸軸向指向的拉力。根據(jù)進(jìn)一步優(yōu)選的方面，主體與第一端板和/或與框架元件完全沿著主體的側(cè)向周邊接合。相應(yīng)地，主體的各個(gè)支承構(gòu)件和/或反支承構(gòu)件、第一端板和/或框架元件也完全沿其側(cè)向周邊延伸。在進(jìn)一步的方面中，主體還包括沿軸向(Z)與側(cè)壁部分相交的至少一個(gè)狹長的縫隙或槽。通過中空型材狀主體的這種貫通開口，就能夠獲得通往各個(gè)膜電極組件或選定雙極板的通路，這對(duì)監(jiān)測(cè)燃料電池堆兩端的電壓有利。此外并且根據(jù)另一種優(yōu)選方面，主體是由電絕緣材料制成。這樣，另外的絕緣板或絕緣構(gòu)件就變得多余，并且燃料電池堆中的導(dǎo)電部件即可直接設(shè)置在主體內(nèi)。因此，主體自身就隨時(shí)可以接納堆疊結(jié)構(gòu)的燃料電池。
·
根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，殼體組件的主體包括纖維強(qiáng)化或纖維增強(qiáng)的塑料材料和/或纖維復(fù)合材料。根據(jù)機(jī)械負(fù)荷和溫度應(yīng)力，各種塑料或復(fù)合材料均可被用于中空型材狀主體。通常，即使是纖維增強(qiáng)塑料部件也可以例如通過擠制或注模制造工藝而被加工為各種幾何形狀。這樣，任意幾何形狀和形態(tài)的整體式中空型材狀主體均可以相當(dāng)成本有效的方式制造。為了將各種燃料電池設(shè)置在型材主體內(nèi)，當(dāng)主體至少在其面向內(nèi)的側(cè)壁部分包括與要設(shè)置在其中的相應(yīng)燃料電池的側(cè)向或外部形狀相匹配的對(duì)稱阻斷部件時(shí)是更有利的。這樣，裝配或安裝方向即可由型材主體的結(jié)構(gòu)或幾何形狀預(yù)先確定。燃料電池在主體內(nèi)的錯(cuò)誤或不能允許的設(shè)置就能得以有效避免。在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，中空主體包括圓形對(duì)稱、橢圓形或者至少是截面為凸形的外部截面輪廓。主體的圓化、橢圓形或圓形截面輪廓在側(cè)向負(fù)荷分布方面特別有利。因此，中空主體的外部形狀或外部截面沒有通常容易受到機(jī)械沖擊影響的邊緣是有利的。在進(jìn)一步優(yōu)選的方面中，燃料電池堆被設(shè)置在殼體組件的中空型材狀主體內(nèi)。燃料電池堆通常通過兩塊端板被沿軸向(Z)夾持，其中所述相對(duì)設(shè)置端板之間的反作用力被從第一或底部端板傳輸至主體，從主體傳輸至框架元件以及從框架元件傳輸至第二或頂部端板。此外并且根據(jù)附加但獨(dú)立的方面，本發(fā)明還涉及一種包含在如上所述的殼體組件內(nèi)的燃料電池堆。


在下文中，通過參照附圖來詳細(xì)介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中
圖I示出了殼體組件的透視圖，
圖2示出了根據(jù)圖I所示殼體組件的側(cè)視圖，
圖3示出了沿圖2中的交線A-A的截面，
圖4示出了根據(jù)圖3所示的主體和上端板之間的上部接觸面的放大視圖，
圖5提供了根據(jù)圖3所示的下部接觸面部分的放大視圖，圖6示出了殼體組件的另一側(cè)視圖，以及 圖7是殼體組件沿圖6中B-B的側(cè)向截面示圖。
具體實(shí)施例方式圖I示出了用于容納燃料電池堆的殼體組件10。殼體組件10包括相當(dāng)狹長、基本為管形的沿軸向(z)延伸的中空型材狀主體12。中空主體12通過設(shè)置在主體12頂端和底端的兩塊端板18，28封閉，正如能夠在圖3的截面圖中看到的那樣。通常由結(jié)構(gòu)性金屬板構(gòu)成的端板18，28適用于支撐被夾在其間的燃料電池堆。另外，端板18，28提供了與燃料電池堆的電接觸，這一點(diǎn)并未在給出的附圖集中明確示出。如圖5中詳細(xì)示出的那樣，下部第一端板18被完全插入型材主體12內(nèi)。第一端板28的側(cè)向延伸邊緣因此得以與中空主體12的周向側(cè)壁直接對(duì)接或接觸。為了提供端板18和主體12之間的軸向指向的作用力傳輸，端板28包括側(cè)向或徑向向外延伸的支承構(gòu)件
28a，其適用于與設(shè)置在主體12下端對(duì)應(yīng)形狀的向內(nèi)延伸的反支承構(gòu)件12b配合和協(xié)作。徑向凸出部件反支承構(gòu)件12b和支承構(gòu)件28a優(yōu)選地分別與主體12和/或端板28整體成形。通過第一端板28與主體12的下端部12b相互的軸向?qū)?，作用在端?8上的方向向下的作用力就能夠被有效和完全地傳輸至主體12。主體12的上端在圖4中以放大的視圖示出。主體12的相對(duì)上端包括側(cè)向向外延伸的反支承構(gòu)件12a,其與如圖I所示完全包圍主體12周邊(w)的封閉環(huán)或框架元件14中對(duì)應(yīng)形狀的側(cè)向或徑向向內(nèi)延伸的支承構(gòu)件14a相配合。通過這種單向的軸向?qū)樱饔迷诳蚣茉?4上的方向向上的作用力就能夠被有效地傳輸至主體12。在組裝過程中，首先，第一端板28必須從主體12的頂部被插入主體12內(nèi)，直到第一端板28如圖5所示與主體12中徑向向內(nèi)延伸的反支承構(gòu)件12b相接合為止。隨后，即可將若干塊燃料電池堆疊在主體12內(nèi)第一端板28上。主體12可以被插入圍繞的框架元件14內(nèi)，可以移動(dòng)框架元件14直到它如圖4所示與主體12中徑向向外延伸的支承構(gòu)件12a相接合為止。在最后的組裝步驟中，將第二頂部端板18安裝在燃料電池堆上。該端板18包括側(cè)向向外延伸的緊固部分20，其基本上與框架元件14的對(duì)應(yīng)形狀并且側(cè)向向外延伸的凸出部分24相重疊。框架14的該部分24以及端板的向外延伸部分20在軸向投影內(nèi)相互重疊，目的是為了使通過緊固部分20中的孔22插入的螺釘能夠被進(jìn)一步螺接到框架元件14凸出部分20中的螺孔26內(nèi)。這樣，框架元件14和上端板18之間的軸向距離就可以改變，并且就能將相應(yīng)的軸向指向的壓力加至位于兩塊端板18，28之間的燃料電池堆上。通過它們軸向面向內(nèi)的表面34，32，就能將所需壓力直接加至燃料電池堆。根據(jù)圖2所示的側(cè)視圖進(jìn)一步示出的縱向縫隙16提供了通往各個(gè)燃料電池或雙極板的通路，目的是為了監(jiān)測(cè)電學(xué)性質(zhì)特別是工作期間在燃料電池堆兩端的電壓。如沿圖6中交線B-B截取的圖7的截面圖中所示，中空型材狀主體12的截面輪廓基本為矩形，但是還包括圓角38。而且，在相鄰角部38之間延伸的側(cè)壁部分基本為凸形。除了圖示的截面以外，可以設(shè)想具有圓化的角部38的主體12擁有圓形對(duì)稱、橢圓形或者甚至是多邊形的截面。因此，圍繞的環(huán)14或框架元件14也同樣包括對(duì)應(yīng)的幾何形狀和形態(tài)。正如圖6中進(jìn)一步示出的那樣，沿軸向(Z)延伸并且從主體12凸出的凸耳30用作導(dǎo)電元件，可在集流板處獲得的電流通過凸耳30即可傳輸至端板。圖6中并未明確示出的集流板和端板例如可以通過塑料包覆模塑構(gòu)件而電絕緣。在根據(jù)圖7所示的截面圖中還示出了對(duì)稱阻斷部件36，其包括徑向向內(nèi)凸出的突肋與并未在此明確示出的燃料電池中的對(duì)應(yīng)形狀 凹口相配合。在根據(jù)圖7所示的截面圖中，從底部示出了端板18以及框架元件14。具體地，在與中空型材狀主體12相比沿徑向向內(nèi)定位的框架元件14的部分中，示出了沿軸向(Z)延伸的各個(gè)氣體輸送通道40。附圖標(biāo)記列表 10殼體組件
12中空型材狀主體
14框架元件 16縫隙 18端板 20緊固部分 22通孔 24凸出部分 26螺孔 28端板 30凸耳 32支撐面 34接觸面 36對(duì)稱阻斷部件 38圓角 40輸送通道
權(quán)利要求
1.一種用于至少兩塊燃料電池的殼體組件，包括 -中空型材狀主體(12)，沿軸向(Z)延伸并且適用于側(cè)向包圍沿軸向(Z)彼此堆疊的至少兩塊燃料電池， -設(shè)置在主體(12)相對(duì)端部的一對(duì)端板(18，28)，主體適用于在端板之間傳輸軸向指向的拉力，以及 -緊固機(jī)構(gòu)，將主體(12)與適用于支撐至少兩塊燃料電池的至少一塊端板(18，28)互連； 其特征在于完全插入主體(12)內(nèi)的第一端板(28)包括側(cè)向向外延伸的支承構(gòu)件(28a)，適用于與主體(12)第一軸向端的側(cè)向向內(nèi)延伸的對(duì)應(yīng)形狀的反支承構(gòu)件(12b)相配合。
2.如權(quán)利要求I所述的殼體組件，其中緊固機(jī)構(gòu)包括設(shè)置用于圍繞主體(12)第二軸向端的封閉框架元件(14)，所述框架元件(14)包括側(cè)向向內(nèi)延伸的支承構(gòu)件(14a)，適用于與主體(12)第二端的側(cè)向向外延伸的對(duì)應(yīng)形狀的反支承構(gòu)件(12a)相配合。
3.如權(quán)利要求2所述的殼體組件，其中框架元件(14)包括至少兩個(gè)側(cè)向向外凸出部分(24)，凸出部分在軸向投影內(nèi)與第二端板(18)的對(duì)應(yīng)的緊固部分(20)基本重疊。
4.如權(quán)利要求3所述的殼體組件，其中框架元件(14)的凸出部分(24)包括螺孔(26)以容納延伸穿過對(duì)應(yīng)的緊固部(20)中的孔(22)的軸向延伸的螺釘。
5.如權(quán)利要求2所述的殼體組件，其中主體(12)與第一端板(28)和/或與框架元件(14)完全沿著主體(12)的側(cè)向周邊接合。
6.如權(quán)利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)包括沿軸向(z)與側(cè)壁部分相交的至少一個(gè)狹長的縫隙(16)。
7.如權(quán)利要求I所述的殼體組件,其中主體(12)由電絕緣材料制成。
8.如權(quán)利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)包括纖維增強(qiáng)的塑料材料和/或纖維復(fù)合材料。
9.如權(quán)利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)的側(cè)向截面包括與燃料電池的側(cè)向形狀相匹配的對(duì)稱阻斷部件。
10.如權(quán)利要求I所述的殼體組件，其中主體(12)包括圓形對(duì)稱、橢圓形或者至少是截面為凸形的外部截面輪廓。
11.如權(quán)利要求I所述的殼體組件，使設(shè)置在主體(12)內(nèi)的燃料電池堆通過兩塊端板(18，28)沿著軸向(z)被夾持。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池堆的殼體組件。一種用于至少兩塊燃料電池的殼體組件，包括中空型材狀主體(12)，沿軸向(z)延伸并且適用于側(cè)向包圍沿軸向(z)彼此堆疊的至少兩塊燃料電池，以及緊固機(jī)構(gòu)，將主體(12)與適用于支撐至少兩塊燃料電池的至少一塊端板(18,28)互連。
文檔編號(hào)H01M8/24GK102881935SQ20121023679
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者U.漢內(nèi)森 申請(qǐng)人:貝倫諾斯清潔電力控股有限公司