CN100341187C - 燃料电池电池堆及用于燃料电池电池堆的紧固和加强机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于燃料电池***的包括简化紧固结构的电池堆和具有这种电池堆的燃料电池***。电池堆包括至少一个发电体、外壳和盖。发电体包括MEA和位于MEA两表面上的隔板。外壳具有内部空间，发电***于内部空间中，盖与外壳结合以将发电体固定在适当位置上。利用多个不同机构将外壳和盖保持在一起并将电池堆固定在适当位置。利用多个加强部件及其结构形状可形成更坚固的外壳和盖组装件，这种组装件能被扣紧并能承受其他形式的力。

Description

燃料电池电池堆及用于燃料电池电池堆的紧固和加强机构
发明领域
本发明涉及一种燃料电池，尤其涉及燃料电池中用于电池堆(stack)的改进的紧固机构和用于加强燃料电池电池堆的改进机构。
背景技术
一般而言，燃料电池是通过空气中的氧气与如甲醇、乙醇和天然气之类的碳氢化合物中包含的氢气之间的电化学反应将化学反应能直接转换为电能的发电***。
这类燃料电池能够发电并提供作为发电的副产物的热量。通过燃料气体和氧化剂之间的电化学反应在不进行燃烧的情况下可以产生电力和热量，同时可利用这两者。
最近发展的聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)包括称为电池堆的燃料电池主体、燃料箱和将燃料从燃料箱提供给电池堆的燃料泵。PEMFC还可以包括重整器，用于重整燃料以产生氢气并且在将贮存在燃料箱中的燃料提供给电池堆的过程中将产生的氢气提供给电池堆。
在PEMFC中，通过燃料泵将储存在燃料箱中的燃料提供给重整器。然后，重整器重整燃料并且产生氢气。电池堆使氢气和氧气彼此进行电化学反应，由此产生电能。
在上述燃料电池***中，发电的电池堆包括顺序堆叠在一起的单元电池。每一单元电池具有膜-电极组件(MEA)和在单元电池的两个表面上紧夹单元电池的隔板。位于电池堆的两个最外侧的隔板可以用作端板。
MEA具有在电解质膜两侧上与电解质膜两表面连接的阳极和阴极。隔板将膜-电极组件隔开。隔板同时起将燃料电池中反应需要的氢气和氧气提供给MEA的阳极和阴极的管道的作用。隔板还起将每一MEA的阳极和阴极串联起来的导体的作用。在燃料电池领域中，这种隔板也称为双极板。
在具有上述结构的电池堆中，通常将堆叠的单元电池彼此紧固在一起而形成单一体，以避免燃料的泄漏并起到电池的作用。出于这个目的，可以用粘合剂将单元电池结合以形成单一体。或者，可通过使用端板将单元电池压紧在一起来紧固单元电池。
图11示出了使用端板的压紧型紧固结构的实例。在图11中，燃料电池电池堆的传统紧固结构包括***形成在两个端板210中的孔中的紧固杆220，此两端板支撑电池堆220的两端。螺母230拧紧在紧固杆220端部形成的阳螺纹上，以将端板紧固在适当的位置上。通过将螺母230拧紧在***形成于端板210中的孔中的紧固杆200端部的阳螺纹上，可对两端板210施压，由此以适当压力紧固电池堆。
然而，上述传统结构需要许多组件如螺钉、螺母和紧固杆垫圈，这增加了成本和组装及拆卸所需的时间。此外，这种传统结构增加了电池堆的整体体积，难以在小型燃料电池中使用电池堆。
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中电池堆的简化紧固结构，以及包括该电池堆的燃料电池***。还提供一种用于燃料电池电池堆的加强结构。
根据本发明的一方面，提供一种用于燃料电池***的电池堆。该电池堆包括至少一个发电体，其包括膜-电极组件和位于膜-电极组件的两相对表面上的隔板；具有内部空间的外壳，所述至少一个发电***于该内部空间中；与所述外壳结合以将至少一个发电体固定在适当位置的盖；多个孔被形成为穿过所述外壳和盖的至少之一；以及结合装置，其用于将所述外壳和盖结合同时将所述至少一个发电体保持在适当位置，该结合装置被形成为所述外壳和盖的一体部分，并能至少部分地沿所述外壳和盖的周边结合所述外壳和盖，其中，所述结合装置包括沿所述外壳的外周边连续形成的突起和沿所述盖的外周边形成的锁定卡齿；所述突起和锁定卡齿将所述外壳和盖结合在一起。
可以在外壳和盖的至少之一的内表面上形成缓冲部件，以便弹性地支撑发电体。可以在缓冲部件中形成与外壳和盖中形成的孔相对应的孔。
外壳可以具有底表面、从底表面延伸的侧表面和具有开口端的内部空间，例如形成敞开的盒状。MEA和隔板可以顺序堆叠成基本上与外壳的底表面平行或垂直。
可以在外壳的外表面上形成突起，并且可以在盖处形成弹性锁定所述突起的锁定卡齿。通过突起和锁定卡齿可以使外壳和盖彼此结合在一起。可以用突起部分之间的间隙间隔地形成突起，或者沿外壳的外表面连续形成突起。锁定卡齿的横截面可以为具有狭窄前端的三角形横截面。
当外壳和盖均形成了具有一个开口端的容器时，结合装置可以包括L形的朝外弯曲的弯曲部分，该弯曲部分形成在外壳和盖的开口端处。在这种情况，外壳和盖可以通过包括螺栓和螺母的固定装置彼此结合。螺栓和螺母可以用于结合外壳和盖的前端的L形弯曲部分。
可以通过将外壳和盖焊接在一起而使其彼此结合。
外壳和盖可以由金属或塑料制成。
外壳和盖的表面可以呈波纹状并且形成有纵向延伸的凹入部分和凸起部分。可供选择的是，可将加强部件形成在外壳和盖的至少一个表面上。
根据本发明的另一方面，提供一种包括上述电池堆的燃料电池***，该***包括向电池堆提供燃料的燃料供应单元和向电池堆提供空气的空气供应单元。
燃料电池***可以使用PEMFC型式或者直接氧化燃料电池(DOFC)型式。
附图说明
图1为本发明一实施方式的燃料电池***的示意图；
图2为本发明第一实施方式的燃料电池***的电池堆的透视图；
图3为本发明第一实施方式的燃料电池***的电池堆的分解透视图；
图4A为沿图2中线IV-IV剖切的横截面图；
图4B为图4A的一部分的放大图；
图5为第一实施方式的改型实例的外壳透视图；
图6A为本发明第二实施方式的燃料电池***的电池堆的横截面图；
图6B为图6A的一部分的放大图；
图7A为本发明第三实施方式的燃料电池***的电池堆的横截面图；
图7B为图7A的一部分的放大图；
图8A为本发明第四实施方式的燃料电池***的电池堆的横截面图；
图8B为图8A的一部分的放大图；
图9为本发明第五实施方式的燃料电池***的电池堆的透视图；
图10为本发明第六实施方式的燃料电池***的电池堆的透视图；
图11为传统燃料电池***的电池堆紧固结构的侧视图。
具体实施方式
图1为本发明一实施方式的燃料电池***的示意图。在图1中，燃料电池***100包括用于重整液体燃料以产生氢气的重整器20、用于将重整器20产生的氢气与外部空气之间反应的电化学反应能转化成电能的电池堆10、用于向重整器20提供液体燃料的燃料供应单元30、用于向电池堆10提供空气的空气供应单元40、以及用于冷却空气供应单元40和电池堆10的冷却器70。使用DOFC型式的燃料电池***不包括重整器。
虽然本发明并不局限于使用PEMFC的燃料电池***，但是用这种类型的燃料电池结构来说明本发明的实施方式。
在图1示出的燃料电池***中，重整器20利用重整反应将液体燃料转化成电池堆10中进行发电所需要的氢气。重整器20还可降低所产生的氢气中含有的一氧化碳的浓度。
通常重整器20包括重整液体燃料以产生氢气的重整单元和降低产生的氢气中所含有的一氧化碳浓度的一氧化碳减少单元(carbon monoxidereducing unit)。重整单元通过如蒸汽重整、优选氧化或自热反应(auto-thermalreaction)之类的催化反应将燃料转化成富氢重整气体。一氧化碳减少单元利用如水汽转移(WGS)和优选氧化或使用分离膜的氢气提纯之类的催化反应降低重整气体中一氧化碳的浓度。重整器20通过第二供应管路92可以与电池堆10连接。
燃料供应单元30包括储存液体燃料的燃料箱31和与燃料箱31连接的燃料泵33。燃料泵33具有以预定抽吸功率使燃料箱31中存储的液体燃料从燃料箱31排出的功能。燃料供应单元30和重整器20可以通过第一供应管路91彼此连接。
空气供应单元40包括抽吸外部空气并将其提供给电池堆10的空气泵41。空气供应单元40和电池堆10可以通过第三供应管路93彼此连接。
图2为本发明第一实施方式的燃料电池***的电池堆透视图，图3为图2所示的燃料电池***的电池堆的分解透视图，图4A为沿图2中线IV-IV剖切的横截面视图，图4B为图4A所示的部分“A”的放大图。
如图2、3和4A所示，燃料电池***100中使用的电池堆10包括至少一个发电体11。每一发电体11使由重整器20重整的氢气和外部空气中包含的氧气之间发生氧化和还原反应以产生电能。每一发电体11构成用于发电的单元电池。
发电体11包括使氢气和空气发生氧化和还原反应的MEA 11a和将氢气和空气提供到MEA的隔板11b。在发电体11中，隔板11b位于MEA 11a的两个表面上。
位于最外侧发电体11的侧面处的隔板11b可以与入口112和出口114连接。通过入口112，分别将氢气和空气提供给隔板11b的氢气通道和空气通道。MEA 11a中未发生反应和剩余的氢气和空气通过出口114被排出。
为了以恒定压力将发电体11保持在一起，用于燃料电池***的电池堆10包括彼此结合的外壳13和盖14。在外壳13和盖14中形成孔132和142以使入口112和出口114与外部连接。
外壳13具有底表面13a和从底表面13a延伸的侧表面13b，从而包含具有开口端的内部空间。外壳13类似于具有开口端的盒子。在外壳13的底表面13a和侧表面13b上形成多个孔15a，以使冷却电池堆10的冷却剂流过。
缓冲外部冲击或振动并且弹性支承发电体11的缓冲部件16a可以与外壳13的内表面相连。在缓冲部件16a中形成与外壳13中形成的孔15a相对应的孔16a’，致使冷却剂可以流过外壳13和缓冲部件16a。
在所示的实施方式中，盖14的结构基本与外壳13相同。也就是说，盖14包括一端开口的内部空间和穿过盖14而形成的多个孔15b。在盖14的内表面中形成缓冲部件16b，该缓冲部件具有与盖14中形成的孔15b相对应的孔16b’。
外壳13和盖14可以由金属、塑料或各种其他材料制成。
发电体11通过外壳13和盖14的开口端顺序地被堆叠在外壳13和盖14的内部空间中。例如，在所示的实施方式中，发电体11被堆叠成膜-电极组件11a的表面和隔板11b平行于外壳13的底表面13a。在图4中，膜-电极组件11a和隔板11b沿附图的Z轴堆叠，同时它们的平面平行于外壳13的底表面13a且垂直于Z轴。
在图2、3、4A和4B所示出的实施方式中，通过外壳13和盖14结合所产生的压力将发电体11固定在适当位置。利用在外壳13的侧面和盖14端部的外壳13和盖14的侧表面13b、14b上形成的固定装置使外壳13和盖14结合。这些固定装置可以环绕外壳13和盖14的周边形成在例如图3中示出的外壳13和盖14的类似盒状结构的开口端附近。这些固定装置可以形成为开口端的延伸部分并作为外壳13和盖14的一体部分。
图4B中更详细地示出的固定装置包括形成在外壳13中的突起17和形成在盖14中的弹性部件18。如图4B所示，突起17从外壳13开口端朝外凸起。弹性部件18从盖14的开口端向下延伸并位于突起17的外侧，同时在两侧包围突起17。在弹性部件18的端部形成能够弹性地锁定突起17的锁定卡齿19。突起17可以一体地形成为外壳13的一部分。弹性部件18和锁定卡齿19可以一体地形成为盖14的一部分。
通过施加一定程度的压力使盖14结合到外壳13上，以便在盖14与外壳13接触时，使锁定卡齿19滑过突起17。在锁定过程中，弹性部件18首先弹性地弯曲或被拉紧，然后越过突起17时复原，从而锁住锁定卡齿19，使其与突起17结合。
由弹性部件18形成的锁定卡齿19可以具有前端狭窄的三角形截面，而突起17可以具有圆形端部。三角形锁定卡齿19狭窄端部和突起17端部的圆形形状之间的相互作用在外壳13和盖14相结合时使锁定卡齿19容易滑过突起17。同时，锁定卡齿19锁定在突起17上之后，锁定卡齿19和突起17不能轻易分开。
因为利用上述机构可以简单地组装电池堆10，所以可以减少组装电池堆所需要的部件数量，由此可降低成本。还可以简化电池堆组装过程，从而可提高产量。此外，因为能够方便地组装和拆卸电池堆，所以可以减少维修时拆卸电池堆所需要的时间和劳力。因为外壳13和盖14通过形成在外壳13和盖14开口端的小体积的固定装置结合，所以还可以使电池堆10的整个体积达到最小。
本发明不局限于图2、3、4A和4B中示出的、发电体11位于盖14的内部空间的实施方式。在其他实施方式中，盖也可以没有内部空间。因此，盖可以具有任何结构，只要它能够固定发电体11并且在恒定压力下将发电体保持在一起即可。
而且，本发明不限于图3中示出的、围绕外壳13的开口端连续形成突起17的实施方式。正如图5中所示，在本发明的改型实例中，可将突起171形成为有间隔的间隙。
下面描述本发明的第二到第六实施方式。因为这些实施方式具有与第一实施方式相似的基本结构，所以省略对那些相同或相似零件的详细描述，而对不同零件作较详细的描述。在这些附图中相同或者相似的零件用相同的附图标记表示。
图6A为本发明第二实施方式的燃料电池***的电池堆横截面图。图6B为图6A所示的“B”部分的放大图。在本发明的第二实施方式中，外壳53和盖54借助固定装置结合，该固定装置包括螺栓56和螺母58，其以恒定压力将发电体11固定在一起。在外壳53和盖54的开口端处分别形成L形弯曲部分534、544并作为外壳53和盖54的延伸部分。通过用螺栓56和螺母58使L形弯曲部分534、544紧固在一起，能够更方便地将外壳53和盖54结合起来。由于上述紧固结构，电池堆10可以具有更强的紧固力。因此，可避免因外部冲击和其他受力而使电池堆10分离。
形成为外壳53延伸部分的L形弯曲部分534可以具有部分531和部分532，螺栓56和螺母57紧固在部分531中，部分532从部分531向上延伸到盖54的L形弯曲部分544上部，从而覆盖外壳53和盖54之间的间隙。
图7A为本发明第三实施方式的燃料电池***的电池堆横截面图。图7B为图7A所示的部分“C”的放大图。在图7A和7B所示的本发明第三实施方式中，通过将外壳53的端部和盖54的端部焊接在一起而形成的焊接部分60使外壳53和盖54结合在一起。
图7B中示出的外壳53和盖54包括第二实施方式的L形弯曲部分534和544。当然，本发明不限于所示出的安排，而可以利用各种布置和形状焊接外壳53和盖54。
图8A为本发明第四实施方式的燃料电池***的电池堆横截面视图。图8B为图8A所示的部分“D”的放大图。在这个实施方式中，相对于先前的实施方式，改变了发电体11的堆叠取向。8A中，在本发明的第四实施方式中，发电体11堆叠在外壳13和盖14的两侧表面13b和14b之间，使得膜-电极组件11a和隔板11b基本上垂直外壳13的底表面13a。在这个实施方式中，在外壳13和盖14中形成用于出口114和入口112的通道13r和14r，由此使发电体11的堆叠更方便。
在图8A和8B所示的实施方式中，通过来自外壳13侧表面的压力使发电体11固定并且保持在一起。在此实施方式中，盖14安装在外壳13上方，覆盖外壳13的开口端。盖14的侧表面还将膜-电极组件11a和隔板11b压紧在一起，并且将发电体11保持且固定在一起。
图8B示出了利用第一实施方式的锁定卡齿而结合在一起的外壳13和盖14。当然，本发明不限于这种将外壳13和盖14保持在一起的机构。
图9为本发明第五实施方式的燃料电池***的电池堆透视图。在该实施方式中，外壳、盖或两者可以具有波浪形的表面，用于增加刚性和强度。纵向延伸的凹入部分63a和64a及凸起部分63b和64b交替地设置在外壳63和盖64的表面上。
通过采用这种波浪形状可以加强外壳63和盖64的刚性，由此可加强电池堆的结构。在图9所示的实施方式中，构成外壳或者盖的表面中至少之一可以具有上面所提到的波浪形。
图10为本发明第六实施方式的燃料电池***的电池堆透视图。在图10中，在本发明的第六实施方式中，在外壳13和盖14的表面上形成有加强部件68a和69a。
加强部件68a和69a用于避免由于施加大负载或由于外壳13和盖14尺寸的增加而引起的扣紧失效(buckling failure)。此外，加强部件68a和69a可以加强电池堆的结构。
虽然已经描述了本发明的一些示例性实施方式，但是本发明并不限于所描述的实施方式和实例，在不超出本发明的构思和所附权利要求、详细的文字说明和附图的范围的前提下，可对本发明作出各种改型。显然，这些改型都将落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于燃料电池***的电池堆，包括：
至少一个发电体，其包括膜-电极组件和位于膜-电极组件的两相对表面上的隔板；
具有内部空间的外壳，所述至少一个发电***于该内部空间中；
与所述外壳结合以将至少一个发电体固定在适当位置的盖；
多个孔被形成为穿过所述外壳和盖的至少之一；以及
结合装置，其用于将所述外壳和盖结合同时将所述至少一个发电体保持在适当位置，该结合装置被形成为所述外壳和盖的一体部分，并能至少部分地沿所述外壳和盖的周边结合所述外壳和盖，
其中，所述结合装置包括沿所述外壳的外周边连续形成的突起和沿所述盖的外周边形成的锁定卡齿；所述突起和锁定卡齿将所述外壳和盖结合在一起。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，在所述外壳和盖的至少之一的内表面上形成有缓冲部件，以弹性地支承所述至少一个发电体。
3.根据权利要求2所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，在所述外壳和盖的至少之一中形成多个孔；穿过所述缓冲部件形成与所述外壳和盖中所形成的孔相对应的孔。
4.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述外壳具有底表面和从所述底表面延伸的侧表面而形成具有开口端的内部空间。
5.根据权利要求4所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述膜-电极组件和隔板被顺序堆叠成基本上与所述外壳的底表面平行。
6.根据权利要求4所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述膜-电极组件和隔板被顺序堆叠成基本上与所述外壳的底表面垂直。
7.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述突起围绕所述外壳开口端的周边间隔地形成，得到多于一个的突起部分，在相邻突起部分之间具有间隙。
8.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述锁定卡齿具有前端狭窄的三角形横截面。
9.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述外壳和盖由金属或塑料制成。
10.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，所述外壳和盖的表面具有带纵向延伸的凹入部分和凸起部分的波浪形状。
11.根据权利要求1所述的用于燃料电池***的电池堆，其中，在所述外壳和盖的至少一个表面上形成加强部件。
12.一种燃料电池***，包括：
如权利要求1所述的电池堆，
向所述电池堆提供燃料的燃料供应单元；以及
向所述电池堆提供空气的空气供应单元。
13.根据权利要求12所述的燃料电池***，其中，在所述电池堆和燃料供应单元之间还设有用于重整燃料以产生氢气的重整器。
14.根据权利要求13所述的燃料电池***，其中，所述燃料电池***是聚合物电解质膜燃料电池***或直接氧化燃料电池***。
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