具有改進(jìn)堆疊中壓力分布的端板總成的燃料電池堆的制作方法
【專(zhuān)利摘要】燃料電池堆總成包括呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面。端板總成被提供在所述堆疊的每個(gè)相對(duì)端面處。所述端板總成連接在一起，從而維持所述堆疊中的所述燃料電池受壓縮。所述端板總成中的至少一個(gè)包括：限定主壓縮面的主板，所述主壓縮面具有第一部分和第二部分；限定第一從壓縮面的第一從板；以及限定第二從壓縮面的第二從板。所述第一從壓縮面面向所述主壓縮面的所述第一部分，并且在組裝時(shí)與所述第一部分成壓縮關(guān)系，并且所述第二從壓縮面面向所述主壓縮面的所述第二部分，并且在組裝時(shí)也與所述第二部分成壓縮關(guān)系。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
具有改進(jìn)堆疊中壓力分布的端板總成的燃料電池堆[0001 ] 本發(fā)明涉及適于組裝電化學(xué)燃料電池堆的方法和設(shè)備。
[0002]燃料電池堆包括逐層堆積成堆疊布置的一系列單個(gè)燃料電池。每個(gè)電池本身可包括各種層狀部件，如聚合物電解質(zhì)膜、氣體擴(kuò)散層、流體流動(dòng)板和各種密封墊圈，以便維持流體密封性并且為膜的活性表面提供流體燃料和氧化劑的分配。在堆疊的每個(gè)端面處，通常使用通過(guò)連桿連接在一起的成對(duì)的壓力端板將堆疊保持在一起并且維持對(duì)堆疊中電池的壓縮。
[0003]最重要的是，通過(guò)端板施加至燃料電池堆的端部的壓力跨堆疊的表面足夠均勻，使得堆疊的所有單個(gè)部件彼此維持適當(dāng)?shù)膲嚎s關(guān)系中。尤其必須跨每個(gè)燃料電池的整個(gè)區(qū)域維持密封墊圈的適當(dāng)壓縮，以確保流體流動(dòng)路徑被適當(dāng)?shù)叵薅?，使得燃料?或氧化劑正確地運(yùn)送至每個(gè)電池的活性表面并且不會(huì)泄露。
[0004]通常，通過(guò)提供能夠跨堆疊端部的整個(gè)表面維持足夠過(guò)量壓力的結(jié)實(shí)并且堅(jiān)固的端板來(lái)維持均勻的壓力。這導(dǎo)致大而重的端板以確保它們足夠堅(jiān)固，從而它們?cè)谒鑹毫ο虏粫?huì)顯著變形并且不會(huì)不均勻地施加壓縮力。使用大而重的端板導(dǎo)致燃料電池堆比理想的更重更大。替代方法是使用重量較輕的端板，但是需提供另外的機(jī)構(gòu)用于在施加壓縮力時(shí)減輕端板結(jié)構(gòu)變形的影響。這種機(jī)構(gòu)可為定位在端板與第一內(nèi)堆疊部件之間中心的墊板。
[0005]US 2006/0194094中描述的一種方法使用一種端板，所述端板具有朝向堆疊和軸承板凸形彎曲的壓力罩，所述軸承板充當(dāng)過(guò)渡元件以便將壓縮力傳送至燃料電池堆的平坦元件。這個(gè)文件可以說(shuō)是對(duì)維持均勻壓力分布的重要性有了認(rèn)識(shí)。
[0006]存在的問(wèn)題是:如何維持通過(guò)燃料電池堆的均勻壓縮關(guān)系，同時(shí)還允許流體分配至堆疊中的燃料電池。此外，如上所述最小化端板的大小和重量對(duì)用于某些應(yīng)用的更小燃料電池堆的并入是合乎需要的。
[0007]本發(fā)明的目標(biāo)為提供確?？缛剂想姵囟讯嗣娴牧己脡毫Ψ植嫉母倪M(jìn)方式，同時(shí)提供將所需流體供應(yīng)至燃料電池的靈活性。
[0008]根據(jù)一方面，本發(fā)明提供一種燃料電池堆總成，所述燃料電池堆總成包括:呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面；在所述堆疊的每個(gè)相對(duì)端面處的端板總成，所述端板總成連接在一起，從而維持所述堆疊中的燃料電池受壓縮；其中所述端板總成中的至少一個(gè)包括:
[0009]限定主壓縮面的主板，所述主壓縮面具有第一部分和第二部分；
[0010]限定第一從壓縮面的第一從板；
[0011 ] 限定第二從壓縮面的第二從板，
[0012]所述第一從壓縮面面向所述主壓縮面的第一部分，并且在組裝時(shí)與所述第一部分成壓縮關(guān)系，
[0013]所述第二從壓縮面面向所述主壓縮面的第二部分，并且在組裝時(shí)與所述第二部分成壓縮關(guān)系。
[0014]從板中的至少一個(gè)可在至少一側(cè)上從主板側(cè)向延伸從而限定側(cè)向延伸部分，所述側(cè)向延伸部分包括與流體分配廊道(gallery)連通的至少一個(gè)流體分配端口，所述流體分配廊道穿過(guò)堆疊中的多個(gè)燃料電池或沿著堆疊中的多個(gè)燃料電池。
[0015]第一從板和第二從板可在至少一側(cè)上從主板側(cè)向延伸,所述第一從板和第二從板中的每一個(gè)從而限定側(cè)向延伸部分，并且每個(gè)側(cè)向延伸部分包括與流體分配廊道連通的至少一個(gè)流體分配端口，所述流體分配廊道穿過(guò)堆疊中的多個(gè)燃料電池或沿著堆疊中的多個(gè)燃料電池。
[0016]至少一個(gè)流體分配端口可包括燃料分配端口、水分配端口、氧化劑分配端口和冷卻劑流體分配端口中的至少一個(gè)。第一從板和第二從板分別可包括不同構(gòu)造的流體分配端口。第一從板可限定燃料分配端口和水分配端口中的至少一個(gè)來(lái)作為至少一個(gè)流體分配端口，并且第二從板可限定氧化劑分配端口和冷卻劑流體分配端口中的至少一個(gè)來(lái)作為至少一個(gè)流體分配端口。
[0017]主壓縮面的第一部分和第二部分可相對(duì)于彼此成第一角度，并且第一從壓縮面和第二從壓縮面可彼此成第二角度。第一角度可為優(yōu)角并且第二角度可為鈍角，或第一角度可為鈍角并且第二角度可為優(yōu)角。
[0018]第一角度和第二角度可被選擇來(lái)使得主壓縮面的第一部分和第二部分以及相應(yīng)地第一從壓縮面和第二從壓縮面在施加負(fù)載至端板總成之前為非平行的，而在施加負(fù)載以便維持燃料電池受壓縮時(shí)，主板中的彎矩可引起主壓縮面的第一部分和第一從壓縮面通過(guò)主板的變形而彼此形成平行關(guān)系，并且引起主壓縮面的第二部分和第二從壓縮面通過(guò)主板的變形而彼此形成平行關(guān)系。
[0019]第一角度可大于180度，以使得主壓縮面限定凸形表面。凸形表面可被構(gòu)造來(lái)使得在施加負(fù)載以便維持燃料電池受壓縮時(shí)，主板中的彎矩引起主壓縮面的第一部分和第一從壓縮面通過(guò)主板的變形而彼此形成平行關(guān)系，并且主壓縮面的第二部分和第二從壓縮面通過(guò)主板的變形而彼此形成平行關(guān)系。
[0020]第二角度可大于180度，以使得第一從壓縮面和第二從壓縮面一起限定凸形表面。凸形表面可被構(gòu)造來(lái)使得在施加負(fù)載以便維持燃料電池受壓縮時(shí)，主板中的彎矩引起主壓縮面的第一部分與第一從壓縮面，以及主壓縮面的第二部分與第二從壓縮面通過(guò)主板的變形而彼此形成平行關(guān)系。
[0021]主壓縮面的第一部分和第二部分兩者可形成連續(xù)凸形表面的部分，并且第一從壓縮面和第二從壓縮面可為連續(xù)的，以便通過(guò)使第一從板和第二從板沿一個(gè)邊緣彼此抵接來(lái)形成凹形表面。
[0022]主板可由金屬材料形成。從板可由非金屬材料形成。
[0023]兩個(gè)端板總成都可包括主板以及第一從板和第二從板。
[0024]多個(gè)連桿可被布置來(lái)穿過(guò)燃料電池堆的相對(duì)端部處的第一從板和第二從板的側(cè)向延伸部分。連桿可被構(gòu)造來(lái)將端板總成連接在一起，從而維持堆疊中的燃料電池受壓縮。多個(gè)連桿可從至少一個(gè)流體分配端口向內(nèi)鄰近多個(gè)燃料電池定位，以便維持燃料電池堆受壓縮。
[0025]根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供形成燃料電池堆總成的方法，所述方法包括:形成呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面；將端板總成的第一從板和第二從板定位在所述堆疊的一個(gè)端面處，所述第一從板和第二從板各自具有面向所述堆疊外部的相應(yīng)第一從壓縮面和第二從壓縮面；將限定主壓縮面的主板定位在所述堆疊的端面處，以使得所述主壓縮面鄰近所述第一從壓縮面和第二從壓縮面；將第二端板總成定位在所述堆疊的相對(duì)端面處；以及，將所述端板總成連接在一起，以便使第一從壓縮面和第二從壓縮面與所述主壓縮面成壓縮關(guān)系，并且維持所述堆疊受壓縮。
[0026]附圖簡(jiǎn)述
[0027]現(xiàn)將借助實(shí)例并且參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方案，在附圖中:
[0028]圖1示出主板和五對(duì)示例性第一從板和第二從板的透視分解圖，每對(duì)板具有不同的流體分配端口；
[0029]圖2示出主板以及第一從板和第二從板的透視截面圖，示出了在組裝的燃料電池堆中的三個(gè)元件的相對(duì)位置；
[0030]圖3a示出示例性燃料電池堆總成的前部透視圖；
[0031]圖3b示出圖3a的燃料電池堆總成的后部透視圖；
[0032]圖3c示出圖3a和3b的燃料電池堆總成的后視圖；
[0033]圖4a示出具有凸形主壓縮面和第一優(yōu)角θ μ的主板，以及具有在第一從壓縮面與第二從壓縮面之間的鈍角Θ s的第一從板和第二從板的示意性橫截面圖；以及
[0034]圖4b不出具有凹形主壓縮面和第一鈍角θ μ的主板，以及具有在第一從壓縮面與第二從壓縮面之間的優(yōu)角Θ s的第一從板和第二從板的示意性橫截面圖；以及
[0035]圖5示出適用于形成燃料電池堆總成的方法的流程圖。
[0036]燃料電池堆總成的基本原理為單極/雙極燃料電池板彼此的平行關(guān)系?？珉姌O維持的均勻接觸力有助于達(dá)到最佳電極性能。端板(其可為端板總成)為控制堆疊總成中的平行關(guān)系的重要部件，但是一旦負(fù)載被施加至端板，所述端板自身將很可能經(jīng)受物理變形，以便維持燃料電池堆受壓縮，并且使燃料電池形成壓縮關(guān)系。優(yōu)選地，端板的任何變形不應(yīng)傳送至燃料電池的電極板。
[0037]端板的另一功能為允許流體向堆疊的電極板的傳送。優(yōu)選地，這些流體應(yīng)與金屬表面隔離，例如以便避免腐蝕或與金屬部件的反應(yīng)，否則就需要更換受影響的部件。
[0038]取決于燃料電池堆總成的要求，以及如何將燃料電池堆總成整合到具體系統(tǒng)中而定，通常對(duì)端板部件存在定制和/或特定的要求。這些要求可包括具體的流體分配端口布置、對(duì)端板與燃料電池堆連接的提供(例如，通過(guò)使用連桿、夾子或用于維持堆疊受壓縮的帶子)，以及燃料電池堆總成的優(yōu)選性質(zhì)(例如，使堆疊盡可能的輕或小)。
[0039]圖1示出示例性主板I和五對(duì)示例性第一從板5和第二從板7。第一從板5和第二從板7為離散(即物理分離)兀件。主板I與一對(duì)第一從板5和第二從板7 —起構(gòu)成端板總成30。主板I限定主壓縮表面2，在這個(gè)實(shí)施方案中，所述主壓縮面2包括第一部分3和第二部分4。第一從板5包括第一從壓縮面6，并且第二從板7包括第二從壓縮面8。包括主板I以及第一從板5和第二從板7的端板總成可取決于具體要求而位于燃料電池堆的一端或兩端處。
[0040]每個(gè)從板5、7包括被構(gòu)造用于與燃料電池堆的端面接合的平坦背表面14。平坦背表面14可為均勻平坦的，或可包括一系列的壓力元件，所述壓力元件一起限定跨板區(qū)域分布的一系列共面壓力表面，所述共面壓力表面共同限定平坦后表面14。
[0041]例如，當(dāng)組裝在一起以形成如圖3a中的端板總成30時(shí)，第一從壓縮面6面向主壓縮面2的第一部分3，并且第二從壓縮面8面向主壓縮面2的第二部分4。當(dāng)組裝燃料電池堆時(shí)，第一從壓縮面6與主壓縮面2的第一部分3成壓縮關(guān)系。類(lèi)似地，第二從壓縮面8與主壓縮面2的第二部分4成壓縮關(guān)系。圖2示出被組裝來(lái)形成端板總成30的主板I以及第一從板5和第二從板7。
[0042]如在圖3a中最佳可見(jiàn)，第一從板5和第二從板7兩者在圖1的主板I的兩側(cè)上從主板I的邊緣22側(cè)向延伸或延伸超出所述邊緣22，其中所有示出的從板5、7都具有側(cè)向延伸部分9，所述側(cè)向部分9延伸至第一從板5的頂部以及延伸至第二從板7的底部，延伸超出主板I的邊界邊緣22。在其它實(shí)施例中,取決于從板的所選總成,僅一個(gè)從板可在至少一側(cè)上側(cè)向延伸超過(guò)主板I的邊緣22。
[0043]在圖1中可見(jiàn)側(cè)向延伸部分9，其包括至少一個(gè)流體分配端口 10、11、12、13、17。這些流體分配端口 10、11、12、13、17可各自與流體分配廊道連通，所述流體分配廊道穿過(guò)堆疊中的多個(gè)燃料電池或沿著堆疊中的多個(gè)燃料電池。流體分配廊道需要用于以已知方式將燃料和/或氧化劑和/或水輸送至堆疊中的電池。側(cè)向延伸部分9還可包括其它特征，如端口、凹口、凹槽或通道，例如以用于將空氣盒25附接至燃料電池總成20。
[0044]主板I可形成為具有空隙16和連接肢18的開(kāi)孔(open cell)結(jié)構(gòu)，以針對(duì)任何給定強(qiáng)度而實(shí)現(xiàn)重量較輕的構(gòu)造。不需要在主板I中定位任何流體分配端口孔10、11、12、13、17。這些孔10、11、12、13、17可位于從板5、7的側(cè)向延伸部分9中。
[0045]與包括流體分配端口一樣，第一從板5和第二從板7包括供連桿35 (其端部在圖3a至圖3c中可見(jiàn))通過(guò)的許多孔，所述連桿35用于組裝堆疊并用于維持堆疊受壓縮。
[0046]流體分配端口 10、11、12、13、17可包括燃料分配端口、水分配端口、氧化劑分配端口和冷卻劑流體分配端口的任何或全部中的一個(gè)或多個(gè)。例如，如圖1、圖2和圖3a至圖3c所示，用于空氣流入和流出的端口 10、13被包括在從板5、7中，所述端口 10、13可向燃料電池提供氧化劑(例如，空氣)冷卻和/或供應(yīng)。還示出用于燃料(例如，氫)的供應(yīng)和分配的流體分配端口 11、12。流體分配端口 11、12可為鉆孔，以便提供用于將管道連接器連接至相同分配廊道的不同位置選擇，例如以便為堆疊中的陽(yáng)極板供應(yīng)燃料。還示出用于將水供應(yīng)并分配至堆疊中的燃料電池的水分配端口 17。水分配端口 17可通過(guò)注射至燃料電池陽(yáng)極或陰極中來(lái)達(dá)到直接冷卻目的，或用于燃料電池陽(yáng)極板/陰極板之間的單獨(dú)冷卻回路。也可設(shè)想在側(cè)向延伸部分中的不同端口的其它可能的布置。一些流體分配端口(例如，由參考數(shù)字12指示的端口)可完全或部分地含在相應(yīng)從板中位于由主板限定的占用區(qū)內(nèi)的一部分內(nèi)，而不是完全含在側(cè)向延伸部分9中。
[0047]使用第一從板5和第二從板7的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為用于構(gòu)成端板總成的可能布置的靈活性。如圖1所示，一起使用的第一從板5和第二從板7可具有不同的流體分配端口。因此，有可能通過(guò)選擇具有不同端口布置的個(gè)別第一從板5和第二從板7來(lái)選擇用于燃料電池堆每一側(cè)的所需端口布置。
[0048]例如，可能需要使冷卻氣體/氧化劑流入和流出燃料電池總成的對(duì)角相對(duì)邊緣。因此，在那兩個(gè)相對(duì)邊緣上需要具體的冷卻劑流體(空氣流)端口要求。另舉一例，可能需要第一從板對(duì)(也就是，在燃料電池堆的一端上)來(lái)限定燃料分配端口和/或水分配端口，并且可能需要第二從板對(duì)(在燃料電池堆的另一端上)來(lái)限定氧化劑分配端口和/或冷卻劑流體分配端口。
[0049]通過(guò)具有兩個(gè)從板5、7而實(shí)現(xiàn)的端板總成的模塊化適應(yīng)性允許在選擇燃料電池堆總成的端口布置方面的更大靈活性。對(duì)使用具有可能不同的流體分配端口布置的兩個(gè)從板來(lái)布置燃料電池堆的不同構(gòu)造的選擇意味著:燃料電池堆可經(jīng)過(guò)組裝而具有增強(qiáng)的適應(yīng)性，例如以便匹配具體的系統(tǒng)布局而不需要包括定制的部件。
[0050]從板5、7的這種模塊性還提供需要由制造商/組裝者保持的較低端板存貨水平，以便實(shí)現(xiàn)具體的端口布置，并且降低部件成本、庫(kù)存成本和采購(gòu)成本，同時(shí)改進(jìn)構(gòu)建響應(yīng)和交貨周期。
[0051]在不同位置和/或以不同比例含有流體端口 10、11、12、13、17的第一從板5和第二從板7的各種構(gòu)造可提供來(lái)適合具體的堆疊。然而，第一從板5和第二從板7可具有被設(shè)計(jì)來(lái)與主壓縮面2配合的相同第一從壓縮面6和第二從壓縮面8。從板可通過(guò)模制來(lái)制造。
[0052]圖3a至圖3c示出示例性燃料電池堆總成20的三個(gè)視圖，所述示例性燃料電池堆總成20包括主板I以及在多個(gè)燃料電池15的兩個(gè)端部上的第一從板5和第二從板7。連桿35 (其端部在圖中可見(jiàn))被包括在燃料電池堆總成中，并且每個(gè)堆疊具有兩個(gè)被包括的空氣盒25。在圖3a至圖3c中的示例性燃料電池堆總成20具有不對(duì)稱(chēng)的陰極遞送至排氣結(jié)構(gòu)(delivery to exhuast),例如其中陰極空氣進(jìn)入如圖3a所見(jiàn)的右側(cè)頂部處的端口10，并且退出圖3a的左側(cè)底部處的對(duì)應(yīng)端口。
[0053]如在圖3a至圖3c所示，燃料電池堆總成30包括呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池15，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面。單個(gè)燃料電池并未單獨(dú)示出。所述堆疊具有的每個(gè)電池平行于第一從板5和第二從板7的平坦背表面14。從板5、7的平坦背表面14為從板5、7的與從壓縮面6、8相對(duì)側(cè)上的表面。電池堆因此限定兩個(gè)相對(duì)平行端面，所述平行端面中的每一個(gè)與相應(yīng)的一對(duì)第一從板5和第二從板7接合。
[0054]例如，如上所述的端板總成30可如圖所示位于燃料電池堆的每個(gè)相對(duì)端面處。在圖3a至圖3c的實(shí)施例中，三件式端板總成30在燃料電池堆的兩個(gè)端部處使用。然而，應(yīng)了解這種三件式端板總成30可僅在燃料電池堆的一端處使用，而另一端具有常規(guī)端板。端板總成可連接在一起以便維持堆疊中的燃料電池受壓縮?？墒褂萌魏芜m合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，例如，通過(guò)使用夾子、帶子或連桿/拉桿來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。多個(gè)連桿可如圖3a至圖3c所示被布置來(lái)在燃料電池堆的相對(duì)端部處穿過(guò)主板I以及第一從板5和第二從板7。連桿35可被構(gòu)造來(lái)將端板總成30連接在一起，從而維持堆置中的燃料電池受壓縮。
[0055]堆疊固定點(diǎn)，如用于在燃料電池堆總成20中定位連桿35的端口沿主板的頂部邊緣和底部邊緣的軸定位(如圖3a至圖3c所見(jiàn))，從而大致上容納主板I受壓縮的變形，以便圍繞與主板平行的軸而變形。
[0056]如圖3a至圖3c所示的多個(gè)連桿35優(yōu)選從流體分配端口 10、11、12、13、17向內(nèi)鄰近多個(gè)燃料電池15定位，以便維持燃料電池堆受壓縮。以這種方式將連桿更靠近于堆疊中的燃料電池定位使得從板5、7的壓縮集中至最需要所述壓縮的燃料電池堆的主體上，而不是通過(guò)側(cè)向延伸部分9集中至空氣盒25上。
[0057]由于燃料電池堆的壓縮而施加至板/電極總成20的施加力的大約95%可為(更中心的)電極區(qū)域所需要的，并且在這個(gè)集中區(qū)域外部(通常在流體分配端口 10、11、12、13可位于其中的歧管區(qū)域)，僅需要5%的總施加力。這種壓力分布可為最佳分布，以便跨堆疊中的燃料電池產(chǎn)生所需的均勻壓力負(fù)載。
[0058]如圖3a至圖3c所示，通過(guò)避免使主板I顯著地延伸超出燃料電池板15的占用區(qū)，有可能減少施加至主板I的彎矩，因?yàn)槎税錓的總高度減少或最小化。相應(yīng)地，如果主板的高度減少或最小化，那么主板的厚度也可減少或最小化。從板5、7的側(cè)向延伸部分9可被構(gòu)造用于將所需壓縮力的大約5%傳送至外歧管區(qū)域。
[0059]在以上實(shí)施例中，端板總成可具有由金屬形成的主板(例如，用于獲得強(qiáng)度、耐久性和/或制造便利性)，并且從板可由如塑料或韌化玻璃材料的非金屬材料形成，例如用于獲得被動(dòng)性。
[0060]圖4a和圖4b示出用于主板I以及第一從板5和第二從板7的兩種可能外形的示意性橫截面圖。主壓縮面2的第一部分3和第二部分4相對(duì)于彼此成第一角度ΘΜ，第一從壓縮面6和第二從壓縮面8彼此成第二角度9S。
[0061]將優(yōu)角θ M引入主板I增強(qiáng)主板I中的臨界區(qū)域(沿主板I的中心成角區(qū)域)。例如，如圖4a所示的這種布置還允許在端板總成30的外邊緣處的較大質(zhì)量的從板5、7材料。
[0062]利用如圖4a和圖4b所示的第一從板5和第二從板7的側(cè)向延伸部分9的情況下，較大質(zhì)量的非金屬或塑料材料可專(zhuān)用于提供從板5、7中的流體分配端口。從板5、7中具有的非金屬流體分配端口允許供應(yīng)至燃料電池總成的流體與端板總成30中的金屬表面隔離。這可減少可能另外發(fā)生在暴露于流體流動(dòng)的由可腐蝕金屬制成的端板總成部分中的腐蝕。這也限制或避免了在端板總成中使用昂貴的抗腐蝕金屬(例如，不銹鋼)。
[0063]主板I上的第一角度θ μ以及由第一從板5和第二從板7形成的第二角度Θ s被優(yōu)選選擇來(lái)使得當(dāng)主板在壓縮下經(jīng)歷變形時(shí)，第二角度es加上第一角度θμ(其可由于施加至堆疊的壓縮力而變化)將傾向于360度值。這個(gè)壓縮力和在主板中所得的變形也將傾向于使第一從壓縮面6和第二從壓縮面8與主壓縮面的對(duì)應(yīng)部分3、4成為平行關(guān)系，而第一從板5和第二從板7的鄰近燃料電池板/電極總成的平坦背表面14保留平坦并且與堆疊中的燃料電池平行。
[0064]如圖4a所示，主壓縮面2的兩個(gè)部分3、4之間的第一角度ΘΜ優(yōu)選為優(yōu)角(大于180度)，并且第一從壓縮面6與第二從壓縮面8之間的第二角度9S優(yōu)選為鈍角(在90度與180度之間)。在圖4b中，主壓縮面2的兩個(gè)部分3、4之間的第一角度θ M優(yōu)選為鈍角(在90度與180度之間)，并且第一從壓縮面6與第二從壓縮面8之間的第二角度Θ s為優(yōu)角(大于180度)。
[0065]第一角度θ M和第二角度0S被優(yōu)選選擇來(lái)使得:主壓縮面2的第一部分3和第一從壓縮面6在將負(fù)載施加至端板總成之前是非平行的；類(lèi)似地，主壓縮面2的第二部分4和第二從壓縮面8在將負(fù)載施加至端板總成之前是非平行的。也就是說(shuō)，在將負(fù)載施加至端板總成以便壓縮燃料電池堆之前，主壓縮面2的部分3、4以及相應(yīng)地第一從壓縮面6和第二從壓縮面8在主壓縮面2的中心角度部分處彼此會(huì)合(其中主壓縮面2的兩個(gè)部分3、4相遇)。然而，在施加負(fù)載以便維持燃料電池受壓縮時(shí)，主板I中的彎矩引起:主壓縮面2的第一部分3與第一從壓縮面6，以及主壓縮面2的第二部分4與第二從壓縮面8通過(guò)主板I的變形而彼此形成平行關(guān)系。
[0066]圖4a示出以下情況:第一角度θ μ大于180度以使得主壓縮面2限定凸形表面，所述凸形表面被構(gòu)造以使得在施加負(fù)載以便維持燃料電池受壓縮時(shí)，主板I中的彎矩引起主壓縮面的第一部分3與第一從壓縮面6通過(guò)主板I的變形而彼此形成平行關(guān)系，并且引起主壓縮面的第二部分4與第二從壓縮面8通過(guò)主板I的變形而彼此形成平行關(guān)系。
[0067]圖4b示出以下情況:第二角度Θ s大于180度以使得第一從壓縮面6與第二從壓縮面8 —起限定凸形表面，所述凸形表面被構(gòu)造以使得在施加負(fù)載以便維持燃料電池受壓縮時(shí)，主板I中的彎矩引起主壓縮面的第一部分3與第一從壓縮面6通過(guò)主板I的變形而彼此形成平行關(guān)系，并且引起主壓縮面的第二部分4與第二從壓縮面8通過(guò)主板I的變形而彼此形成平行關(guān)系。
[0068]角度Θ ?和Θ 3可被選擇來(lái)適合主板和從板的任何具體設(shè)計(jì)，這要考慮許多不同的因素，如主板的剛度、從板中用于所需流體端口和流體遞送管道的所需材料體積、端板總成的所需質(zhì)量和/或體積以及使用的材料類(lèi)型。
[0069]在圖4a和圖4b所示的那些角度的另一示例性構(gòu)造中，主壓縮面2的第一部分3和第二部分4中的每一個(gè)無(wú)需為平坦的而可為彎曲表面。例如，第一部分3和第二部分4中的每一個(gè)可存在分別朝向第一從壓縮面6和第二從壓縮面8的凸形表面。表面3、4可為凹形而不是凸形。在其它實(shí)施例中，第一從壓縮面6和第二從壓縮面8也可或替代性地存在朝向主壓縮面2的相應(yīng)部分的凹形(或凸形)表面。在另一實(shí)施例中，第一從壓縮面6和第二從壓縮面8可通過(guò)使第一從板5和第二從板7沿一個(gè)邊緣抵接在一起而為連續(xù)的。在一些實(shí)施例中，主壓縮面2也可為平坦表面。
[0070]主壓縮面2的第一部分3與第二部分4之間的過(guò)渡段未必需要為如圖4a和圖4b所示的銳角。過(guò)渡段可為在兩個(gè)部分3、4之間的平滑圓形過(guò)渡部分。例如，主壓縮面2中的圓形過(guò)渡部分可隨從圓柱形外形，其中平坦第一部分3和第二部分4處于圓柱形過(guò)渡部分的半徑的切向上。主壓縮面2的第一部分3和第二部分4都可形成連續(xù)凸形(或在其它實(shí)施例中凹形)表面的部分。
[0071]類(lèi)似地，在第一從壓縮面6與第二從壓縮面8之間的過(guò)渡段未必需要為如圖4a和圖4b所示的銳角。過(guò)渡段可為在兩個(gè)面6、8之間的平滑圓形過(guò)渡部分。因此，第一從壓縮面6和第二從壓縮面8可通過(guò)使第一從板5與第二從板7沿一個(gè)邊緣彼此抵接來(lái)提供連續(xù)的凹形(或在其它實(shí)施例中凸形)表面。
[0072]如果主板I具有較復(fù)雜成形的主壓縮面2，那么比起僅具有平坦主壓縮面和從壓縮面的情況，這可在堆疊壓縮下產(chǎn)生主壓縮面2與第一從壓縮面6和第二從壓縮面8的更精確的彼此平行關(guān)系。具有在兩個(gè)主壓縮面部分3、4之間的圓形過(guò)渡段的主壓縮面2的這種形狀可能夠在堆疊壓縮期間更精確地適應(yīng)主板I中的變形，從而在操作中導(dǎo)致平坦壓縮面3、4被提供至對(duì)應(yīng)從板壓縮面6、8。
[0073]此外，利用形成連續(xù)表面的第一從壓縮面6和第二從壓縮面8可用于更好地在壓縮下匹配主板I的變形面，所述連續(xù)表面具有例如在第一壓縮面6與第二壓縮面8之間的圓形過(guò)渡段(例如，第一從板和第二從板一起的掃掠(swept)輪廓外形)。
[0074]主壓縮面和(當(dāng)?shù)谝粡陌?和第二從板7沿一個(gè)邊緣抵接時(shí)，由第一從壓縮面6和第二從壓縮面8—起形成的)從壓縮面的其它可能外形包括一個(gè)單一彎曲外形(其中所述彎曲可例如為球形、拋物線(xiàn)形或適用于在堆疊壓縮后實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池堆的均勻壓力分布的另一形狀)，或大致上平坦并面向由第一從壓縮面6和第二從壓縮面8形成的彎曲從壓縮面的主壓縮面2。
[0075]主壓縮面2和/或第一從壓縮面6和第二從壓縮面8中的掃掠形狀或在這些面中包括圓形或彎曲部分可例如根據(jù)成本要求通過(guò)預(yù)成形(performing)、彎曲、鑄造或擠出來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0076]其它特征可被包括在主板和從板中，所述其它特征如從板可借以與主板配準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)。示例性布置在圖1至圖3c中示出，其中榫部23或突起或一系列突起形成在主板I上，所述榫部23或突起或一系列突起與在從板5、7表面中的榫眼24或?qū)?yīng)凹口或凹槽接合/接合于所述榫眼24或?qū)?yīng)凹口或凹槽中。應(yīng)了解，榫眼和榫部結(jié)構(gòu)可在主板與從板之間反轉(zhuǎn)。
[0077]圖5示出適用于形成燃料電池堆總成的方法的流程圖，所述方法包括以下步驟:形成呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面(步驟51);將端板總成的第一從板和第二從板定位在堆疊的一個(gè)端面處，所述第一從板和第二從板各自具有面向堆疊外部的相應(yīng)第一從壓縮面和第二從壓縮面(步驟52);將限定主壓縮面的主板定位在堆疊的端面處，以使得主壓縮面鄰近第一從壓縮面和第二從壓縮面(步驟53);將第二端板總成定位在堆疊的相對(duì)端面處(步驟54);以及，將端板總成連接在一起，以便使第一從壓縮面和第二從壓縮面與主壓縮面成壓縮關(guān)系，并且維持堆疊受壓縮(步驟55)，并且圖5為不言自明的。
[0078]其它實(shí)施方案意欲在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池堆總成，其包括: 呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面； 在所述堆疊的每個(gè)相對(duì)端面處的端板總成，所述端板總成連接在一起從而維持所述堆疊中的所述燃料電池受壓縮； 其中所述端板總成中的至少一個(gè)包括: 限定主壓縮面的主板，所述主壓縮面具有第一部分和第二部分； 限定第一從壓縮面的第一從板； 限定第二從壓縮面的第二從板， 所述第一從壓縮面面向所述主壓縮面的所述第一部分，并且在組裝時(shí)與所述第一部分成壓縮關(guān)系， 所述第二從壓縮面面向所述主壓縮面的所述第二部分，并且在組裝時(shí)與所述第二部分成壓縮關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆總成，其中所述從板中的至少一個(gè)在至少一例上從所述主板側(cè)向延伸從而限定側(cè)向延伸部分，所述側(cè)向延伸部分包括與流體分配廊道連通的至少一個(gè)流體分配端口，所述流體分配廊道穿過(guò)所述堆疊中的所述多個(gè)燃料電池或沿著所述堆疊中的所述多個(gè)燃料電池。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆總成，其中所述第一從板和第二從板在至少一側(cè)上從所述主板側(cè)向延伸，所述第一從板和第二從板中的每一個(gè)從而限定側(cè)向延伸部分，并且每個(gè)側(cè)向延伸部分包括與流體分配廊道連通的至少一個(gè)流體分配端口，所述流體分配廊道穿過(guò)所述堆疊中的所述多個(gè)燃料電池或沿著所述堆疊中的所述多個(gè)燃料電池。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的燃料電池堆總成，其中所述至少一個(gè)流體分配端口包括燃料分配端口、水分配端口、氧化劑分配端口和冷卻劑流體分配端口中的至少一個(gè)。
5.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆總成，其中所述第一從板和第二從板分別包括不同構(gòu)造的流體分配端口。
6.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆總成，其中 所述第一從板限定燃料分配端口和水分配端口中的至少一個(gè)來(lái)作為所述至少一個(gè)流體分配端口，并且； 所述第二從板限定氧化劑分配端口和冷卻劑分配端口中的至少一個(gè)來(lái)作為所述至少一個(gè)流體分配端口。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆總成，其中: 所述主壓縮面的所述第一部分和第二部分相對(duì)于彼此成第一角度；并且 所述第一從壓縮面和第二從壓縮彼此成第二角度。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池堆總成，其中所述第一角度為優(yōu)角，并且所述第二角度為鈍角，或所述第一角度為鈍角并且所述第二角度為優(yōu)角。
9.如權(quán)利要求7所述的燃料電池堆總成，其中所述第一角度和所述第二角度被選擇來(lái)使得所述主壓縮面的所述第一部分和第二部分以及相應(yīng)地所述第一從壓縮面和第二從壓縮面在施加負(fù)載至所述端板總成之前為非平行的，而在施加所述負(fù)載以便維持所述燃料電池受壓縮時(shí)，所述主板中的彎矩引起所述主壓縮面的所述第一部分和所述第一從壓縮面通過(guò)所述主板的變形而彼此形成平行關(guān)系，并且引起所述主壓縮面的所述第二部分與所述第二從壓縮面通過(guò)所述主板的變形而彼此形成平行關(guān)系。
10.如權(quán)利要求8所述的燃料電池堆總成，其中所述第一角度大于180度，以使得所述主壓縮面限定凸形表面，所述凸形表面被構(gòu)造來(lái)使得在施加所述負(fù)載以便維持所述燃料電池受壓縮時(shí)，所述主板中的所述彎矩引起所述主壓縮面的所述第一部分與所述第一從壓縮面通過(guò)所述主板的變形而彼此形成平行關(guān)系，并且引起所述主壓縮面的所述第二部分與所述第二從壓縮面通過(guò)所述主板的變形而彼此形成平行關(guān)系。
11.如權(quán)利要求8所述的燃料電池堆總成，其中所述第二角度大于180度，以使得所述第一從壓縮面和第二從壓縮面一起限定凸形表面，所述凸形表面被構(gòu)造來(lái)使得在施加所述負(fù)載以便維持所述燃料電池受壓縮時(shí)，所述主板中的所述彎矩引起所述主壓縮面的所述第一部分與所述第一從壓縮面，以及所述主壓縮面的所述第二部分與所述第二從壓縮面通過(guò)所述主板的變形而彼此形成平行關(guān)系。
12.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆總成，其中所述主壓縮面的所述第一部分和第二部分兩者形成連續(xù)凸形表面的部分，并且所述第一從壓縮面和第二從壓縮面為連續(xù)的，以便通過(guò)使所述第一從板和第二從板沿一個(gè)邊緣彼此抵接來(lái)形成凹形表面。
13.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆總成，其中所述主板由金屬材料形成，并且所述從板由非金屬材料形成。
14.如權(quán)利要求1所述的燃料電池堆總成，其中兩個(gè)所述端板總成都包括如權(quán)利要求1所述的主板以及第一從板和第二從板。
15.如權(quán)利要求3所述的燃料電池堆總成，其中多個(gè)連桿被布置來(lái)穿過(guò)所述燃料電池堆的相對(duì)端部處的所述第一從板和第二從板的所述側(cè)向延伸部分，所述連桿被構(gòu)造來(lái)將所述端板總成連接在一起，從而維持所述堆疊中的所述燃料電池受壓縮。
16.如權(quán)利要求15所述的燃料電池堆總成，其中所述多個(gè)連桿可從所述至少一個(gè)流體分配端口向內(nèi)鄰近所述多個(gè)燃料電池定位，以便維持所述燃料電池堆受壓縮。
17.一種形成燃料電池堆總成的方法，所述方法包括: 形成呈堆疊形式的多個(gè)燃料電池，所述堆疊限定兩個(gè)相對(duì)平行端面； 將端板總成的第一從板和第二從板定位在所述堆疊的一個(gè)端面處，所述第一從板和第二從板各自具有面向所述堆疊外部的相應(yīng)第一從壓縮面和第二從壓縮面； 將限定主壓縮面的主板定位在所述堆疊的所述端面處，以使得所述主壓縮面鄰近所述第一從壓縮面和第二從壓縮面； 將第二端板總成定位在所述堆疊的所述相對(duì)端面處；以及 將所述端板總成連接在一起，以便使所述第一從壓縮面和第二從壓縮面與所述主壓縮面成壓縮關(guān)系，并且維持所述堆疊受壓縮。
【文檔編號(hào)】H01M8/24GK104335406SQ201380023078
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月1日
【發(fā)明者】彼得·戴維·胡德 申請(qǐng)人:智慧能量有限公司