燃料電池總成的制作方法
【專利摘要】一種燃料電池總成，其包括呈堆疊形式的多個燃料電池板。所述堆疊限定空氣入口面和/或空氣出口面；以及兩個相對的接合面。所述燃料電池總成還包括可拆卸蓋，所述可拆卸蓋被構(gòu)造成可釋放地接合所述兩個接合面，以便限定具有所述空氣入口面或空氣出口面的空氣腔室。
【專利說明】燃料電池總成
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池總成，具體地說涉及用于安裝開放式陰極燃料電池堆的外殼。
[0002]常規(guī)電化學(xué)燃料電池將通常呈氣流形式的燃料和氧化劑二者轉(zhuǎn)化為電能和反應(yīng)產(chǎn)物。用于使氫和氧反應(yīng)的常見電化學(xué)燃料電池類型包括聚合物離子(質(zhì)子)轉(zhuǎn)移膜，其中燃料和空氣在所述膜的各側(cè)上穿過。質(zhì)子(即氫離子)通過所述膜傳導(dǎo)，由通過連接燃料電池的陽極和陰極的電路傳導(dǎo)的電子平衡。為了增加可用電壓，可形成包括多個此類膜的堆疊，所述膜布置有分開的陽極和陰極流體流動路徑。此堆疊通常呈包括眾多單獨燃料電池板的塊形式，所述燃料電池板由在所述堆疊的任一端處的端板固持在一起。
[0003]因為燃料與氧化劑的反應(yīng)產(chǎn)生熱量以及電能，所以一旦已達到操作溫度，燃料電池堆需要冷卻?？赏ㄟ^迫使空氣通過陰極流體流動路徑來實現(xiàn)冷卻。在開放式陰極堆疊中，氧化劑流動路徑和冷卻劑路徑是相同的，即迫使空氣通過堆疊既為陰極供應(yīng)氧化劑，又冷卻堆疊。
[0004]當(dāng)使用緊湊總成時，提供均勻空氣輸送至燃料電池內(nèi)的陰極電極表面可能具有挑戰(zhàn)性。在緊密體積包裝限制的情況下，使用充氣外形和體積可能是不可行的。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種燃料電池總成，所述總成包括:
[0006]呈堆疊形式的多個燃料電池板，所述堆疊限定:
[0007]空氣入口面和/或空氣出口面；以及
[0008]兩個相對接合面；以及
[0009]可拆卸蓋，其被構(gòu)造成可釋放地接合所述兩個接合面，以便限定具有所述空氣入口面或空氣出口面的空氣腔室
[0010]以這種方式提供空氣腔室可提供靈活性，以方便地提供與可拆卸蓋相關(guān)聯(lián)的不同功能。舉例來說，可提供錐形空氣腔室和/或在空氣腔室中提供一個或多個其它部件。此外，將蓋聯(lián)接至燃料電池板的接合面而不是空氣入口面可減少或避免與流入空氣入口面中的空氣的任何干擾。
[0011]可拆卸蓋的使用可避免對復(fù)雜管道系統(tǒng)的需求，否則將需要所述復(fù)雜管道系統(tǒng)以用于提供陰極空氣至封閉式陰極燃料電池堆中的端口。
[0012]燃料電池總成可進一步包括具有非圓形橫截面的兩個桿。每個桿可與接合面中的一個并排延伸，且可為可旋轉(zhuǎn)的，以便可釋放地提供可拆卸蓋與相應(yīng)接合面之間的密封。桿的橫截面可為凸輪形，或可為具有扁平邊緣的圓形。使用具有非圓形橫截面的桿可使桿的位于可拆卸蓋與接合面之間的厚度能夠在桿旋轉(zhuǎn)時改變。即，可通過旋轉(zhuǎn)桿來增加由桿施加至可拆卸蓋和接合面的向外壓力，從而改進可拆卸蓋與接合面之間的密封。
[0013]可拆卸蓋可包括用于接收桿的凹部。在凹部中提供桿可改進可拆卸蓋與燃料電池板之間的接合，并且還可降低當(dāng)可拆卸蓋和燃料電池板接合在一起時，它們變得分離的可能性。
[0014]多個燃料電池板可各自包括兩個突出部，每個突出部與兩個接合面中的一個相關(guān)聯(lián)。可拆卸蓋可被構(gòu)造成可釋放地接合所述突出部。提供這類突出部可使空氣腔室能夠被提供而不會顯著地施加力至燃料電池板的活性區(qū)域。
[0015]兩個突出部可使接合面延伸超出空氣入口面或空氣出口面。
[0016]兩個突出部可為響應(yīng)于桿的旋轉(zhuǎn)可變形的。突出部可為彈性體的。使用可變形/彈性體突出部可因彈力而改進可拆卸蓋與燃料電池板之間的密封，所述彈力在可拆卸蓋接合突出部時由被壓縮的突出部產(chǎn)生。
[0017]可拆卸蓋可包括兩個凹部，每個凹部被構(gòu)造成接收兩個桿中的一個和兩個突出部中的一個。所述凹部可具有用于接合相應(yīng)突出部的第一內(nèi)表面和用于接合相應(yīng)桿的第二內(nèi)表面。這類凹部可通過將可拆卸蓋和突出部維持在相對于彼此的固定位置中來改進它們之間的密封。
[0018]每個突出部可包括突出部唇緣。每個凹部可包括凹部唇緣。突出部唇緣可被構(gòu)造成當(dāng)突出部位于凹部中時與凹部唇緣接合，以便限制突出部移動離開凹部。
[0019]堆疊可包括兩個端板，所述兩個端板被構(gòu)造成與可拆卸蓋接合，以便限定空氣腔室的兩個相對端。有利的是，可用于壓縮堆疊的端板還可用于限定空氣腔室。
[0020]可拆卸蓋可包括空氣腔室入口和/或空氣腔室出口?？刹鹦渡w可被構(gòu)造成限定在空氣腔室朝向或遠離空氣入口或空氣出口延伸時具有變化的橫截面面積的空氣腔室。這種空氣腔室的幾何形狀可被設(shè)計，以便例如通過提供具有總體上均勻壓力的空氣至每個燃料電池板來改進燃料電池堆的性能。
[0021]可拆卸蓋可為第一可拆卸蓋，所述第一可拆卸蓋被構(gòu)造成限定具有空氣入口面的空氣腔室。燃料電池總成可進一步包括第二可拆卸蓋，所述第二可拆卸蓋被構(gòu)造成可釋放地接合兩個接合面，以便限定具有空氣出口面的空氣腔室。將了解的是，本文所公開的可拆卸蓋的任何特征可應(yīng)用于第一可拆卸蓋和第二可拆卸蓋中的任一者或兩者。
[0022]燃料電池總成可進一步包括與空氣腔室處于流體連通的熱交換器。熱交換器可直接附接至蓋。
[0023]可提供如本文所描述的多個燃料電池總成。所述燃料電池總成中的每一個的可拆卸蓋可與另一個燃料電池總成的至少一個可拆卸蓋處于流體連通。以這種方式，燃料電池總成可被視為模塊化的。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種燃料電池總成，所述總成包括:
[0025]呈堆疊形式的多個燃料電池板，所述堆疊包括通風(fēng)面；
[0026]空氣腔室蓋，其被構(gòu)造成限定具有所述通風(fēng)面的空氣腔室；以及
[0027]熱交換器，其與所述空氣腔室處于流體連通。
[0028]空氣腔室蓋可提供用于將來自燃料電池堆的空氣聯(lián)接至熱交換器的方便機構(gòu)。
[0029]熱交換器可為冷凝器。
[0030]通風(fēng)面可為空氣出口面。冷凝器可被構(gòu)造成從自空氣腔室接收的空氣中去除水。以這種方式，冷凝器可提供來自從燃料電池堆接收的空氣的高純水源。
[0031]燃料電池總成可被構(gòu)造成將所去除的水運送至燃料電池堆，以用于水合作用或冷卻。
[0032]空氣腔室蓋可直接聯(lián)接至熱交換器。這樣可避免用于將兩者聯(lián)接在一起的復(fù)雜管道系統(tǒng)和密封件。
[0033]空氣腔室蓋可具有一個或多個孔以用于將來自空氣腔室的空氣提供至熱交換器。所述一個或多個孔可定向在橫向于空氣腔室蓋所相關(guān)聯(lián)的通風(fēng)面的平面中。
[0034]熱交換器可具有一個或多個入口開口，所述一個或多個入口開口與空氣腔室蓋中的一個或多個孔相對應(yīng)。一個或多個入口開口和一個或多個孔可被定位成彼此相鄰。
[0035]空氣腔室蓋的其中定位有一個或多個孔的面可直接鄰接熱交換器的其中定位有一個或多個入口開口的面。
[0036]空氣腔室蓋的其中定位有一個或多個孔的面可具有比它所相關(guān)聯(lián)的通風(fēng)面更大或更小的面積，這可使通過熱交換器的空氣流能夠增加或減少。
[0037]空氣腔室蓋和熱交換器可整體地形成為單個部件。
[0038]堆疊還可限定兩個相對的接合面?？諝馇皇疑w可為可拆卸蓋，所述可拆卸蓋被構(gòu)造成可釋放地接合兩個接合面，以便限定具有通風(fēng)面的空氣腔室。
[0039]燃料電池堆可為空氣冷卻燃料電池堆。
[0040]將了解的是，上述特征中的每一個同樣適用于本文所公開的本發(fā)明的其它燃料電池總成和方面。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種組裝燃料電池堆總成的方法，所述方法包括:
[0042]使多個燃料電池板對準(zhǔn)，所述燃料電池板各自具有空氣入口面和/或空氣出口面以及兩個相對的接合面；
[0043]將可拆卸蓋放置在所述燃料電池板的空氣入口面或空氣出口面上；以及
[0044]可釋放地接合所述可拆卸蓋與所述燃料電池板的接合面，從而限定所述空氣入口面或空氣出口面與所述可拆卸蓋之間的空氣腔室。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種組裝燃料電池堆總成的方法，所述方法包括:
[0046]使多個燃料電池板，與在每一端處的端板對準(zhǔn)，所述燃料電池板各自具有空氣入口面和/或空氣出口面以及兩個相對的接合面；
[0047]將可拆卸蓋放置在所述燃料電池板的空氣入口面或出口面上；
[0048]將所述多個燃料電池板壓縮在一起，以使得所述端板與所述可拆卸蓋接合；
[0049]將桿插入所述可拆卸蓋與所述接合面之間，所述桿具有非圓形橫截面；以及
[0050]旋轉(zhuǎn)所述桿以便可釋放地接合所述可拆卸蓋與所述接合面，從而限定所述空氣入口面或空氣出口面、所述可拆卸蓋與所述端板之間的空氣腔室。
[0051]現(xiàn)在將通過舉例以及參考附圖來描述本發(fā)明，其中:
[0052]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的燃料電池總成的分解圖；
[0053]圖2a和圖2b以橫截面示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的可拆卸蓋的一側(cè)與燃料電池板之間的接合；
[0054]圖3示出圖2a和圖2b中所示的可拆卸蓋的類似橫截面視圖；
[0055]圖4a和圖4b以三維方式示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的可拆卸蓋與燃料電池板的接合；
[0056]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的燃料電池總成的端部；
[0057]圖6示出可與本發(fā)明的實施方案一起使用的示例性可拆卸蓋；
[0058]圖7a示出圖6的與燃料電池堆接合的第二入口蓋和出口蓋；
[0059]圖7b示出另一個燃料電池總成；
[0060]圖8a和圖8b示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的空氣入口可拆卸蓋的堆疊的三維視圖和沿所述堆疊的長度的橫截面；
[0061]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的四個燃料電池總成；以及
[0062]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的組裝燃料電池總成的方法。
[0063]本文所公開的實施方案涉及一種包括呈堆疊形式的多個燃料電池板的燃料電池總成。所述堆疊限定空氣入口面和兩個相對的接合面，所述接合面可為側(cè)面。燃料電池總成還包括可拆卸蓋，所述可拆卸蓋能夠可釋放地接合兩個接合面，以便限定具有堆疊的空氣入口面的空氣腔室。可拆卸蓋可被視為提供空氣盒。這類實施方案可被視為將空氣盒附接并密封至燃料電池總成并且在端板處終止所述空氣盒。
[0064]以這種方式提供空氣腔室可提供靈活性，以提供可拆卸蓋的不同功能性，如通過使錐形空氣腔室能夠被容易地提供和/或使一個或多個其它部件能夠提供在空氣腔室中。此外，將蓋聯(lián)接至燃料電池板的接合面而不是空氣入口面可減少或避免與流入空氣入口面的空氣的任何干擾。
[0065]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的燃料電池總成100的分解圖。燃料電池總成100包括可被壓縮以形成堆疊的多個燃料電池板104。圖1中所示的每個板104的頂表面具有用于接收陰極空氣的空氣入口開口。當(dāng)板104被壓縮在一起時，這些頂表面將一起被稱為堆疊的入口面。圖1中所示的板104的側(cè)表面不接收或排出任何流體。當(dāng)板104被壓縮在一起時，這些側(cè)表面將一起被稱為堆疊的接合面。
[0066]圖1還示出可拆卸蓋102，所述可拆卸蓋能夠可釋放地接合堆疊的兩個接合面，以便限定具有堆疊的空氣入口面的空氣腔室。以這種方式，提供至空氣腔室的空氣或任何其它流體被提供至每個燃料電池板104的空氣入口開口。
[0067]在堆疊的每一端處為端板106。圖1中僅不出一個端板106。端板106用于將燃料電池板104壓縮在一起并使用拉桿108將堆疊固持在一起。在這個實施方案中，端板106還用于限定空氣腔室的端壁。
[0068]圖1中還示出當(dāng)組裝燃料電池總成100時與堆疊的接合表面并排延伸的兩個桿114。在這個實例中，桿114用于接合可拆卸蓋102與板104。下面參考圖2a和圖2b提供其它細節(jié)。
[0069]圖2a和圖2b以橫截面更詳細地示出可拆卸蓋202的一側(cè)與燃料電池板204之間的接合。將了解的是，可拆卸蓋202的另一側(cè)可以類似方式接合燃料電池板204。圖2a示出與燃料電池板204—起位于使用位置中、但未與所述燃料電池板接合的可拆卸蓋202。圖2b示出與燃料電池板204接合的可拆卸蓋202。
[0070]延伸遠離空氣入口面216的通道217在圖2a和圖2b中示出為示例性空氣入口開□。
[0071]在這個實例中，燃料電池板204包括使接合表面212延伸超出板204的空氣入口面216的縱向突出部210?？v向突出部210還包括側(cè)向延伸的突出部唇緣218以用于與可拆卸蓋202接合，如下所述。在這個實現(xiàn)方式中，突出部210由如彈性體材料(例如，橡膠)的可變形材料制成。
[0072]示出桿214與突出部210的外側(cè)并排延伸。桿214具有非圓形橫截面，即具有至少兩個不同半徑的橫截面，在這個實例中所述橫截面為具有扁平邊緣220的圓形。扁平邊緣220表現(xiàn)出比橫截面的圓形區(qū)域小的橫截面半徑。
[0073]當(dāng)可拆卸蓋202以如圖2a中所示的未接合狀態(tài)圍繞突出部210定位時，桿214的扁平邊緣220面向突出部210。如下面將討論，在一些實施方案中，在沿堆疊的長度插入桿214(在圖2a和圖2b中附圖的平面之中或之外)之前，可將可拆卸蓋202放置在突出部210上。由于扁平邊緣220面向突出部210，可在不經(jīng)歷來自突出部210的干擾的情況下插入桿214，所述干擾將阻礙桿被插入。
[0074]為了可釋放地接合可拆卸蓋202與突出部210，可旋轉(zhuǎn)桿214以使得桿214的具有圓形橫截面的區(qū)域與突出部210接合。這在圖2b中示出。更一般地說，桿214是可旋轉(zhuǎn)的，以使得桿214的具有較大橫截面半徑的區(qū)域面向突出部210且與所述突出部接合。
[0075]替代方案可為燃料電池板204包括使接合表面212延伸超出板204的空氣入口面216的縱向突出部210。這個替代方案中的縱向突出部210包括突出部唇緣，所述突出部唇緣側(cè)向延伸遠離燃料電池堆的外側(cè)以用于通過可拆卸蓋202的外部凹部與所述蓋接合。具有非圓形橫截面的桿214然后將與突出部210的內(nèi)側(cè)并排延伸，以用于蓋與燃料電池板的突出部的接合。在這個替代方案中，桿和突出部唇緣還與可拆卸蓋的相對接合表面相互作用。
[0076]在這兩個實施方案中，突出部210由橡膠制成，并且在桿214旋轉(zhuǎn)時變形以與突出部210接合。這可改進可拆卸蓋202與板204之間的密封。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在空氣入口處以這種方式提供密封可提供針對這種封閉式陰極燃料電池中的典型空氣壓力的99.9%有效密封。在一些實例中，可在可拆卸蓋202、突出部210和桿214中的兩者或更多者之間提供液體密封劑，以便進一步改進密封質(zhì)量。
[0077]使用非圓形桿214可被視為施加主凸輪，以便使來自一系列燃料電池板204的模制突出部210液壓地接合或鎖定(在液壓地壓縮突出部210的意義上)至可拆卸蓋內(nèi)的具有輪廓的接收凹槽中。
[0078]為了使蓋202與板204脫離接合，可簡單地顛倒以上過程。即，桿214可旋轉(zhuǎn)，以使得扁平邊緣220面向突出部210 (如圖2a中所示)。任選地，將桿214在縱向上從總成移除，且接著將可拆卸蓋202抬離板204。在使用液體密封劑的實施方案中，這可簡單地從蓋202剝離，以使得可重復(fù)使用蓋202。
[0079]圖3示出圖2a和圖2b中所示的可拆卸蓋302的類似橫截面圖。圖3將用于描述可拆卸蓋302的與圖2中所示的桿或突出部接合的各種表面。
[0080]在圖3中示出的可拆卸蓋302的部分可被視為可拆卸蓋302的接合區(qū)域。所述接合區(qū)域具有接收燃料電池板的桿和突出部(圖3中未圖示)的凹部330。凹部330具有開口 332，當(dāng)將可拆卸蓋302放置在堆疊的入口面上時，突出部穿過所述開口。凹部由可拆卸蓋302的用于與突出部接合的第一內(nèi)表面340和可拆卸蓋302的用于與桿接合的第二內(nèi)表面336限定范圍。在一些情形下，可拆卸蓋302可為可變形的，以便使蓋302的每一側(cè)上的凹部332與堆疊的每一側(cè)上的突出部對準(zhǔn)。
[0081]限定凹部330以便提供將被稱為凹部唇緣334的側(cè)向延伸內(nèi)表面，以用于與突出部的對應(yīng)突出部唇緣(如參考圖2a中的218所示)接合。這兩個唇緣的接合可降低當(dāng)燃料電池堆在使用中時蓋302與突出部變得分離的可能性。
[0082]凹部330還被成形成使得可拆卸蓋302的第二內(nèi)表面336限定用于接收桿(未圖示)的子凹部338。在將蓋302放置在突出部上之前，桿可位于子凹部338中，或桿在突出部已位于凹部330中之后，桿可在縱向上插入子凹部338中。
[0083]將了解的是，當(dāng)桿旋轉(zhuǎn)至接合位置時，桿產(chǎn)生抵靠可拆卸蓋的限制子凹部338范圍的第二內(nèi)表面336的來自桿的向外力，并且還產(chǎn)生抵靠突出部的向外力。反過來，施加至突出部的力使由突出部施加至第一內(nèi)表面340的力增加。以這種方式，在可拆卸蓋與燃料電池板之間提供密封。
[0084]將了解的是，以上參考圖2描述的突出部210不一定必須延伸超出每個燃料電池板的空氣入口面。在其它實例中，突出部可在側(cè)向上延伸遠離燃料電池板的接合表面。任選地，這種側(cè)向延伸突出部還可在朝向或遠離燃料電池板的空氣入口面的方向上延伸?？梢员姸嗖煌姆绞教峁┩怀霾?，同時仍提供接合表面，以與可拆卸蓋可釋放地接合。
[0085]在一些實施方案中，可能根本不需要突出部；可拆卸蓋可與燃料電池板的側(cè)面直接接合。即，燃料電池板的側(cè)面可被視為接合面。
[0086]圖4a和圖4b以三維方式示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的可拆卸蓋402與燃料電池板404的接合。接合使用與圖2a和圖2b中所示的桿類似的桿414，圖4a和圖4b中僅示出所述桿的一部分。圖4a和圖4b分別示出處于脫離接合位置和接合位置的桿414。
[0087]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的燃料電池總成的端部。圖5將用于更詳細地描述端板506對空氣腔室的約束，這在以上參考圖1簡要地提及。
[0088]圖5示出單個端板506。將了解的是，還在燃料電池板堆疊的另一端處提供第二端板。
[0089]端板506的前(或后)表面與可拆卸蓋502的端表面接合。在這種布置情況下，在堆疊被壓縮至其工作尺寸之前，將可拆卸蓋502放置在桿514和燃料電池板上、兩個端板506之間。當(dāng)堆疊被壓縮至其工作尺寸時，端板鄰接可拆卸蓋，以限定空氣腔室的兩個相對端。在這個實例中，可變形的密封件550被提供在端板506與可拆卸蓋502之間。對應(yīng)密封件150在圖1的分解圖中示出。可在端板506和/或可拆卸蓋502中提供凹槽，以用于接收密封件550，從而將密封件550固持在適當(dāng)位置。
[0090]圖5還示出突出穿過端板506并且以一系列平坦側(cè)面515終止的桿514。平坦側(cè)面515提供用于旋轉(zhuǎn)桿514的方便機構(gòu)。
[0091]以上描述提及在燃料電池板的空氣入口端處可釋放地附接蓋。將了解的是，類似蓋可被可釋放地附接至燃料電池板的空氣出口端。
[0092]圖6示出可與本發(fā)明的實施方案一起使用的示例性可拆卸蓋。圖6示出四組可拆卸蓋662、664、666、668，其中每組由用于堆疊的空氣入口的蓋和用于堆疊的空氣出口的蓋組成。相較于后兩組蓋666、668，前兩組蓋662、664是用于與較長堆疊一起使用。本發(fā)明的實施方案并不限于具有特定尺寸的燃料電池堆。
[0093]圖6中所示的不同蓋說明可如何簡單地通過更換蓋來容易且方便地調(diào)整空氣腔室的參數(shù)，包括另外功能性的引入。舉例來說，至入口空氣腔室中的單個開口 680由第一入口蓋662提供，而第二入口蓋664具有雙鼓風(fēng)機入口 682。第二出口蓋664可設(shè)定尺寸，以便提供具有熱交換器的排氣盒。
[0094]圖7a示出圖6的與燃料電池堆704接合的第二入口蓋和出口蓋664。
[0095]圖7b示出包括燃料電池堆的燃料電池總成750。第一空氣腔室蓋770延伸越過燃料電池堆的空氣入口面，所述空氣入口面為圖7b中的燃料電池堆的頂面。第一空氣腔室蓋770限定具有空氣入口面的空氣入口腔室。第一空氣腔室蓋770具有兩個空氣入口端口772，所述兩個空氣入口端口可例如接收來自風(fēng)扇或鼓風(fēng)機的增壓空氣?？諝鈴目諝馊肟谇皇疫M給至燃料電池堆中。
[0096]第二空氣腔室蓋764限定具有燃料電池堆的空氣出口面的空氣出口腔室。空氣出口腔室通過燃料電池堆與空氣入口腔室處于流體連通。在這個實例中，燃料電池堆是空氣冷卻的。從空氣入口腔室傳遞至空氣出口腔室的空氣用于冷卻堆疊中的燃料電池。
[0097]燃料電池堆的空氣入口面和空氣出口面為通風(fēng)面的實例。
[0098]第二空氣腔室蓋764具有與熱交換器766 (如冷凝器)的入口面處于流體連通的孔。以這種方式，熱交換器766與空氣出口腔室處于流體連通。
[0099]這個實例中的熱交換器766是空氣冷卻的并且具有風(fēng)扇768，所述風(fēng)扇將空氣抽吸至熱交換器766上以便冷卻從空氣出口腔室接收的空氣。在其它實例中，熱交換器766可為液體冷卻的，或具有任何其它已知類型。
[0100]第二空氣腔室蓋764可與圖6和圖7a中所示的第二出口蓋類似。即，第二空氣腔室蓋764可具有與熱交換器766的入口開口相對應(yīng)的多個孔。在這個實例中，第二空氣腔室蓋764直接聯(lián)接至熱交換器766，因為第二空氣腔室蓋764中的多個孔與熱交換器766的入口開口直接對接?？赡懿恍枰艿老到y(tǒng)來將空氣出口腔室連接至熱交換器766，因為第二空氣腔室蓋764的其中定位有孔的面直接鄰接熱交換器766的其中定位有入口開口的面。
[0101]第二空氣腔室蓋764和熱交換器766可被視為可直接聯(lián)接在一起的模塊化部件。在其它實例中，第二空氣腔室蓋764和熱交換器766可整體地形成為單個部件。
[0102]第二空氣腔室蓋764可提供用于將來自燃料電池堆的空氣聯(lián)接至冷凝器766的方便機構(gòu)，以使得可收回來自空氣的高純水以供燃料電池堆重新使用。
[0103]在這個實例中，第一空氣腔室蓋770和/或第二空氣腔室蓋764不一定必須與燃料電池堆的相對接合面接合。舉例來說，空氣腔室蓋770、764可通過粘合劑直接附接至空氣入口面/空氣出口面。
[0104]在圖7b的這個實例中，熱交換器766的入口面相對于燃料電池堆的空氣出口面766橫向地設(shè)置。第二空氣腔室蓋764中的孔可定向在橫向于燃料電池堆的空氣出口面766的平面中。因此，第二空氣腔室蓋764可被視為在第一方向(圖7b中垂直向下)上接收來自燃料電池堆的空氣，并且在橫向于所述第一方向的第二方向(圖7b中水平向右)上提供空氣至熱交換器766。將了解的是，在其它實例中，第二方向可在相對于第一方向的任何定向中，包括總體平行。
[0105]冷凝器766冷卻從空氣出口腔室接收的空氣，以使得從所接收的空氣去除冷凝的水。冷凝水可用于使燃料電池堆再水化，或用于冷卻燃料電池堆。在一個實例中，管道和泵用于將來自冷凝器766的冷凝水運送至燃料電池堆的適當(dāng)部分。
[0106]冷凝水很可能為高純度的，因為它在氫和氧在膜電極總成(MEA)處結(jié)合期間由燃料電池堆產(chǎn)生。這種高純度供水在以其它方式不可獲得純水的應(yīng)用中(例如車輛上)可以是特別有利的。
[0107]由冷凝器766獲得的水可進給回至燃料電池堆陽極和/或陰極，其在所述陽極和/或陰極處用于執(zhí)行適用于維持燃料電池堆內(nèi)的最佳操作條件的一種或多種功能。舉例來說，水可是溫暖的，這對于預(yù)加熱燃料和/或氧化劑來說是有用的。燃料電池堆的水副產(chǎn)物不構(gòu)成污染或以其它方式損害燃料電池堆中的MEA的性能的顯著風(fēng)險。
[0108]水可用于濕潤入口燃料和/或氧化劑流，從而再次幫助維持燃料電池堆的MEA處的適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速率水平，并延長膜的使用壽命。水可以可替代地直接注入燃料電池堆的陽極側(cè)上和/或陰極側(cè)上的流體流場板通道中，其中水可幫助以下中的一個或多個:通過再蒸發(fā)的MEA溫度控制；膜的濕潤；以及燃料和/或氧化劑的預(yù)加熱。
[0109]圖8a和圖8b示出與燃料電池堆803的空氣入口接合的替代空氣入口可拆卸蓋802的堆疊803的三維視圖和沿所述堆疊的長度的橫截面?？刹鹦渡w802限定具有錐形橫截面面積的空氣入口腔室，所述橫截面面積隨著空氣入口腔室從空氣腔室入口 880延伸而逐漸變小。還示出與燃料電池堆803的空氣出口接合的空氣出口可拆卸蓋882?？諝獬隹诳刹鹦渡w882限定具有錐形橫截面的空氣出口腔室，所述橫截面隨著空氣出口腔室朝向空氣腔室出口 884延伸而逐漸變大。
[0110]這種錐形體積可改進提供至呈堆疊形式的燃料電池板中的每一個的空氣壓力的均勻性。另外，具有錐形空氣入口腔室和空氣出口腔室兩者可促進兩個盒中的均勻空氣速度，從而有助于電池平衡。
[0111]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的四個燃料電池總成900a至900d。
[0112]圖9的燃料電池總成900a至900d可以模塊化方式彼此組合?？煽闯?，總成900a至900d可并排或彼此疊加定位，并通過使用可拆卸蓋連接在一起，所述可拆卸蓋與至少一個其它可拆卸蓋處于流體連通。圖9中的總成900a至900d為雙并聯(lián)系統(tǒng)(twin parallelsystem)中的串聯(lián)堆疊。
[0113]圖9的實例包括用于總成900a至900d中的全部的單個空氣入口 990。空氣入口990提供在與第一總成900a相關(guān)聯(lián)的第一可拆卸蓋992中。第一可拆卸蓋992具有空氣出口，所述空氣出口與同第二總成900b相關(guān)聯(lián)的第二可拆卸蓋994的空氣入口處于流體連通。類似地，第二可拆卸蓋994與第三可拆卸蓋996處于流體連通，且第三可拆卸蓋996與第四可拆卸蓋998處于流體連通?？稍O(shè)定蓋992、994、996、998中的每一個的尺寸，以便在燃料電池堆900a、900b、900c、900d中的每一個的空氣入口面處提供所需的空氣壓力。
[0114]第二總成900b和第三總成900c的可拆卸蓋994、996在這個實例中示出具有附接點997，在一些實例中所述附接點可連接至壓縮機以對可拆卸蓋中的空氣增壓。
[0115]將了解的是，任何數(shù)目的燃料電池總成可以這種方式連接在一起，并且可通過使用適當(dāng)?shù)目刹鹦渡w連接在一起。
[0116]還將了解的是，燃料堆疊的空氣出口可以類似方式另外/可替代地連接在一起。
[0117]圖10示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的組裝燃料電池總成的方法。
[0118]所述方法開始于步驟1002:對準(zhǔn)多個燃料電池板，所述多個燃料電池板在壓縮后將提供燃料電池堆。如本領(lǐng)域所已知，端板可提供在堆疊的每一端處。燃料電池板各自具有空氣入口面和/或空氣出口面，以及兩個相對接合面。
[0119]任選地，可壓縮燃料電池板，以使得其幾乎處于工作尺寸。舉例來說，可壓縮燃料電池板以使得其限定比所需的堆疊工作尺寸長1mm的堆疊?？捎欣氖潜苊庠谶@時將堆疊壓縮至其工作尺寸，以便使可拆卸蓋能夠容易地插入堆疊的端板之間。
[0120]所述方法在步驟1004繼續(xù):將可拆卸蓋放置在燃料電池板的空氣入口面上和/或?qū)⒖刹鹦渡w放置在燃料電池板的出口空氣面上以便在蓋與燃料電池板之間提供空氣腔室。如以上所討論，這個方法步驟1004可涉及將可拆卸蓋的接合區(qū)域放置在燃料電池板的接合表面附近。
[0121]所述方法可任選地繼續(xù):將燃料電池板和端板壓縮至其工作尺寸，以便使可拆卸蓋與兩個端板接合。以這種方式，空氣腔室的端部由端板限定。
[0122]在使用非圓形桿來接合燃料電池板的實施方案中，所述方法可繼續(xù):將桿插入可拆卸蓋與燃料電池板之間。將了解的是，桿可被視為任選的，因為在以下討論所述蓋與所述板之間的替代接合裝置。
[0123]所述方法在這個實施方案中在步驟1006結(jié)束:可釋放地接合所述蓋與所述燃料電池板的相對接合面。對于使用可旋轉(zhuǎn)桿的實例，可通過旋轉(zhuǎn)桿以接合可拆卸蓋與所述板二者來實施步驟1006。
[0124]將了解的是，在所有實施方案中，非圓形桿對于使可拆卸蓋接合至燃料電池板來說并非是必需的。用于使可拆卸蓋可釋放地接合至燃料電池板的替代方案的非窮盡列表包括:
[0125]ο燃料電池板，可能地來自燃料電池板的突出部可具有一個或多個倒鉤，可拆卸蓋可被推壓至所述一個或多個倒鉤上。任選地，燃料電池板與預(yù)填充或隨后注入密封劑的可拆卸蓋之間可存在空腔。
[0126]O可拆卸蓋可在燃料電池板總成(可能地來自燃料電池板的突出部)上縱向(沿燃料電池堆的長度)滑動，并且接著注入密封劑。這與以上涉及將可拆卸蓋推壓至燃料電池板上的實施方案形成對照。
[0127]O可拆卸蓋可具有與燃料電池板接合的鉸接爪特征。這與涉及夾在突出部總成上的固定凹部的實施方案形成對照。
[0128]O可使用具有沿其長度變化的橫截面的桿，以使得所述桿可被縱向地推壓到適當(dāng)位置上，以可釋放地接合可拆卸蓋與燃料電池板。以這種方式，桿可被視為具有沿桿的長度變化的橫截面半徑。這與使用旋轉(zhuǎn)凸輪桿的實施方案形成對照。
[0129]O當(dāng)在適當(dāng)位置中時可液壓或氣動膨脹的管可用于接合可拆卸蓋與多個燃料電池板。這與使用可旋轉(zhuǎn)桿的實施方案形成對照。
[0130]O燃料電池板上的模制突出部可各自包括孔，所述孔當(dāng)組裝時產(chǎn)生沿堆疊總成的長度展伸的廊道(gallery)?？卓删哂羞B接至突出部外形的小凹槽，液體密封劑/粘合劑注入組裝的廊道中，將少量密封劑轉(zhuǎn)移至突出部的外形中(通過凹槽)，從而填充突出部與可拆卸蓋的接合區(qū)域中的凹部的內(nèi)表面之間的小空腔。隨著小凹槽中的壓力上升，突出部膨脹，從而填充凹部中的全部空腔。接著使密封劑/粘合劑固化，從而產(chǎn)生永久性或半永久性附接。
[0131]O或者，蓋可簡單地通過摩擦配合接合燃料電池板。
[0132]本文所描述的實施方案可減少沿著燃料電池板中的雙極板內(nèi)的限定和固定空氣端口的陰極輸送歧管壓力降的影響。這可促進堆疊中每個電池的均勻空氣分配，并允許燃料電池堆總成成為與進氣盒和排氣盒獨立的模塊，所述進氣盒和排氣盒被構(gòu)造成滿足應(yīng)用和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體要求，從而允許堆疊模塊完全整合至系統(tǒng)中。
[0133]單部件空氣盒/可拆卸蓋可替代本領(lǐng)域中常見的使用膜、子墊圈、密封材料和雙極板的層壓的方法，所述膜、子墊圈、密封材料和雙極板以一種方式布置以便在堆疊結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生空氣輸送廊道。提供用于在所有三個維度上勾畫空氣盒的橫截面外形的輪廓的靈活性允許圍繞核心燃料電池模塊的調(diào)整的陰極流輸送和整合排氣功能。此外，空氣盒可成為多功能的且并入預(yù)熱器、過濾器、熱線質(zhì)量流量部件、水分離器、蓄水器、泵、陽極或陰極再循環(huán)部件、傳感器、熱交換器、冷凝器等，所有均在受保護、監(jiān)測和控制的環(huán)境中。這可允許這類部件完全整合至系統(tǒng)中。如壓縮機、鼓風(fēng)機、熱交換器和冷凝器的主要串聯(lián)部件可直接附接至專用空氣盒幾何形狀，且所述盒可包括如用于熱交換器矩陣的管板或用于壓縮機的定制接口的特征。
[0134]本文所描述的實施方案可避免使用已知管道系統(tǒng)用于提供空氣至燃料電池堆的空氣入口面。因此，通過不將主要系統(tǒng)部件與管道系統(tǒng)連接可改進流體動力學(xué)，且可降低系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)聯(lián)的壓降。此外，可能能夠組裝實際上任何長度(包括實際上任何數(shù)目的燃料電池板)的燃料電池堆疊，因為可避免燃料電池板內(nèi)的已知陰極空氣輸送廊道的制約。
[0135]本文所公開的燃料電池總成的特征可使燃料電池發(fā)動機能夠包裝在較小體積內(nèi)，從而允許更大應(yīng)用范圍。
[0136]本文所公開的實施方案的另一個優(yōu)點在于堆疊總成能夠承受高得多的振動、沖擊和G負荷，而無板從原位滑落。這是因為可拆卸蓋提供共用部件，燃料電池板以物理方式附接至所述共用部件。反過來，可拆卸蓋可被固定至端板總成，以進一步改進堆疊總成的機械結(jié)構(gòu)。這些特征還可解決可由燃料電池板隨著時間推移由于其自身質(zhì)量而滑塌引起的任何問題。
【權(quán)利要求】
1.一種燃料電池總成，其包括: 呈堆疊形式的多個燃料電池板，所述堆疊限定: 空氣入口面和/或空氣出口面；以及 兩個相對接合面；以及 可拆卸蓋，其被構(gòu)造成可釋放地接合所述兩個接合面，以便限定具有所述空氣入口面或所述空氣出口面的空氣腔室。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池總成，其進一步包括具有非圓形橫截面的兩個桿，其中每個桿與所述接合面中的一個并排延伸且為可旋轉(zhuǎn)的以便可釋放地提供所述可拆卸蓋與所述相應(yīng)接合面之間的密封。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料電池總成，其中所述桿的橫截面為凸輪形狀或具有扁平邊緣的圓形。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的燃料電池總成，其中所述可拆卸蓋包括用于接收所述桿的凹部。
5.如前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池總成，其中所述多個燃料電池板各自包括兩個突出部，每個突出部與所述兩個接合面中的一個相關(guān)聯(lián)，并且其中所述可拆卸蓋被構(gòu)造成可釋放地接合所述突出部。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料電池總成，其中所述兩個突出部使所述接合面延伸超出所述空氣入口面或所述空氣出口面。
7.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的燃料電池總成，其中所述兩個突出部為響應(yīng)于桿的旋轉(zhuǎn)可變形的。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料電池總成，其中所述突出部為彈性體的。
9.如權(quán)利要求5至8中任一項所述的燃料電池總成，在其直接或間接從屬于權(quán)利要求14時，其中所述可拆卸蓋包括兩個凹部，每個凹部被構(gòu)造成接收所述兩個桿中的一個和所述兩個突出部中的一個，所述凹部具有用于接合所述相應(yīng)突出部的第一內(nèi)表面和用于接合所述相應(yīng)桿的第二內(nèi)表面。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料電池總成，其中每個突出部包括突出部唇緣，并且每個凹部包括凹部唇緣，其中所述突出部唇緣被構(gòu)造成在所述突出部位于所述凹部中時與所述凹部唇緣接合，以便限制所述突出部移動離開所述凹部。
11.如前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池總成，其中所述堆疊包括兩個端板，所述兩個端板被構(gòu)造成與所述可拆卸蓋接合，以便限定所述空氣腔室的兩個相對端。
12.如前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池總成，其中所述可拆卸蓋包括空氣腔室入口和/或空氣腔室出口，并且其中所述可拆卸蓋被構(gòu)造成限定在所述空氣腔室朝向所述空氣入口或所述空氣出口延伸時具有變化的橫截面面積的所述空氣腔室。
13.如前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池總成，其中所述可拆卸蓋為被構(gòu)造成限定具有所述空氣入口面的空氣腔室的第一可拆卸蓋，所述燃料電池總成進一步包括第二可拆卸蓋，所述第二可拆卸蓋被構(gòu)造成可釋放地接合兩個接合面，以便限定具有所述空氣出口面的空氣腔室。
14.如前述權(quán)利要求中任一項所述的燃料電池總成，其進一步包括與所述空氣腔室處于流體連通的熱交換器。
15.如權(quán)利要求14所述的燃料電池總成，其中所述熱交換器直接附接至所述蓋。
16.如前述權(quán)利要求中任一項所述的多個燃料電池總成，其中所述燃料電池總成中的每一個的所述可拆卸蓋與另一個燃料電池總成的至少一個可拆卸蓋處于流體連通。
17.—種組裝燃料電池堆總成的方法，所述方法包括: 對準(zhǔn)多個燃料電池板，所述燃料電池板各自具有空氣入口面和/或空氣出口面以及兩個相對的接合面； 將可拆卸蓋放置在所述燃料電池板的所述空氣入口面或所述空氣出口面上；以及可釋放地接合所述可拆卸蓋與所述燃料電池板的所述接合面，從而限定所述空氣入口面或所述空氣出口面與所述可拆卸蓋之間的空氣腔室。
18.—種組裝燃料電池堆總成的方法，所述方法包括: 使多個燃料電池板與在每一端處的端板對準(zhǔn)，所述燃料電池板各自具有空氣入口面和/或空氣出口面以及兩個相對的接合面； 將可拆卸蓋放置在所述燃料電池板的所述空氣入口面或所述空氣出口面上； 將所述多個燃料電池板壓縮在一起，以使得所述端板與所述可拆卸蓋接合； 將桿插入所述可拆卸蓋與所述接合面之間，所述桿具有非圓形橫截面；以及旋轉(zhuǎn)所述桿以便可釋放地接合所述可拆卸蓋與所述接合面，從而限定所述空氣入口面或所述空氣出口面、所述可拆卸蓋與所述端板之間的空氣腔室。
19.一種燃料電池總成,其包括: 呈堆疊形式的多個燃料電池板，所述堆疊包括通風(fēng)面； 空氣腔室蓋，其被構(gòu)造成限定具有所述通風(fēng)面的空氣腔室；以及 熱交換器，其與所述空氣腔室處于流體連通。
20.如權(quán)利要求19所述的燃料電池總成，其中所述熱交換器為冷凝器。
21.如權(quán)利要求19或權(quán)利要求20所述的燃料電池總成，所述通風(fēng)面為空氣出口面，并且所述冷凝器被構(gòu)造成從自所述空氣腔室接收的空氣中去除水。
22.如權(quán)利要求21所述的燃料電池總成，其中所述燃料電池總成被構(gòu)造成將所述去除的水運送至所述燃料電池堆，以用于水合作用或冷卻。
23.如權(quán)利要求19至22中任一項所述的燃料電池總成，其中所述空氣腔室蓋直接聯(lián)接至所述熱交換器。
24.如權(quán)利要求23所述的燃料電池總成，其中所述空氣腔室蓋具有一個或多個孔以用于將來自所述空氣腔室的空氣提供至所述熱交換器。
25.如權(quán)利要求24所述的燃料電池總成，其中所述一個或多個孔定向在橫向于所述空氣腔室蓋所相關(guān)聯(lián)的所述通風(fēng)面的平面中。
26.如權(quán)利要求24或權(quán)利要求25所述的燃料電池總成，其中所述熱交換器具有與所述空氣腔室蓋中的所述一個或多個孔相對應(yīng)的一個或多個入口開口。
27.如權(quán)利要求26所述的燃料電池總成，其中所述空氣腔室蓋的其中定位有所述一個或多個孔的面直接鄰接所述熱交換器的其中定位有所述一個或多個入口開口的面。
28.如權(quán)利要求19至23中任一項所述的燃料電池總成，其中所述空氣腔室蓋與所述熱交換器整體地形成為單個部件。
29.如權(quán)利要求19至28中任一項所述的燃料電池總成，其中: 所述堆疊還限定兩個相對的接合面；以及 所述空氣腔室蓋為可拆卸蓋，所述可拆卸蓋被構(gòu)造成可釋放地接合所述兩個接合面，以便限定具有所述通風(fēng)面的所述空氣腔室。
30.如權(quán)利要求19至29中任一項所述的燃料電池總成，其中所述燃料電池堆為空氣冷卻燃料電池堆。
31.一種燃料電池總成，其大體上如本文所描述且如附圖中所示。
32.—種方法，其大體上如本文所描述且如附圖中所示。
【文檔編號】H01M8/04GK104335407SQ201380023117
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月1日
【發(fā)明者】彼得·戴維·胡德 申請人:智慧能量有限公司