[发明专利]用于燃料电池组的压紧设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池组组件，在所述燃料电池组组件中用于将燃料电池组固定在压紧、组装的状态下的机构包括在一碟形弹簧的内径处对该碟形弹簧加载的弹性杆以及限定燃料电池组组件范围的压紧带。

背景技术

燃料电池将燃料和氧化剂转化为电和反应产物。固体聚合物电化学燃料电池一般采用膜电极组件(“MEA”)，该膜电极组件包括布置在两个电极之间的聚合物电解质膜(“PEM”)(或离子交换膜)和布置在各膜/电极层交界面处以引起期望的电化学反应的电催化剂，该电极包括多孔、导电的板材。

在通常的燃料电池中，MEA布置在两个导电隔板或流体流场板之间。流体流场板中形成有至少一个流动通路以将燃料和氧化剂导引至各自的电极，即在燃料侧的阳极和在氧化剂侧的阴极。在电池单体结构中，在阳极侧和阴极侧各自设置流体流场板。所述板还用作集电器并为电极提供机械支承。

可将两个或多个燃料电池串联形成燃料电池组以增加组件的总电压。在燃料电池组中，给定板件的一侧用作一个电池的阳极板，而该板件的另一侧可用作相邻电池的阴极板。

燃料电池组通常还包括将燃料和氧化剂分别导引至阳极和阴极流场通路入口和集管。燃料电池组还常常包括用于将冷却剂流体——通常为水——导引至燃料电池组内的内部通路以吸收由燃料电池内的放热反应产生的热量入口和集管。燃料电池组一般还包括用于排出未反应的燃料和氧化剂气体的出口和排放集管以及用于冷却剂流离开燃料电池组的出口和排放集管。

在常规的燃料电池组组件的设计中，例如，在US 3,134,697、US3,297,490、US 4,057,479、US 4,214,969和US 4,478,917中描述和图示的，组成各常规的燃料电池组件的板件由拉杆/系杆压紧并保持在组装状态下。拉杆穿过形成在电池组的端板的周向边缘部分中的孔延伸，并具有相应的螺母或其它紧固结构，该螺母或其它紧固结构将拉杆组装到电池组组件并将燃料电池组组件的端板向彼此压紧。拉杆通常是外部的，即，所述拉杆不穿过燃料电池隔板或流场板。在常规设计中将拉杆用在周向边缘位置的一个原因是为了避免在燃料电池的中心的、电化学活性部分中引入开孔。

但是，在常规的燃料电池设计中，拉杆的周向边缘位置具有固有的缺点。要求端板具有明显的厚度以在端板的整个面积上均匀地传递压紧力。而且，如果端板不够厚，则拉杆的周向位置会随着时间的推移引起端板的变形/倾斜。不充分的压紧力会危及与在内板件的中心区域的集管和流场相关的密封，而且还会危及为了在组成电池组的各燃料电池之间提供串联电连接而在MEA和板件表面上所需的电接触。但是，具有明显厚度的端板显著地增加了燃料电池组的总重量和总体积，这在移动式燃料电池应用中是特别不期望的。而且，当采用外拉杆时，各端板的面积必需大于堆叠的燃料电池组件的面积。端板伸出燃料电池组件的量取决于拉杆的厚度，更重要地取决于旋在拉杆端部上的垫片、螺母和任何弹簧的直径，因为这些部件优选地不应伸出端板的边缘。因此，外拉杆的使用可显著地增加电池组的体积。

US 5,484,666公开了结合内拉杆与膜电极组件的、紧凑的燃料电池组设计，该内拉杆穿过燃料电池板件中的开口在各端板之间延伸，但是，这样的设计增加了在MEA中所需的密封结构的数量，增加了复杂性、制造成本以及可能出现故障的机构。

为了减小端板的厚度和重量、以及更均匀地分配压紧力，(目前)采用各种各样的如下设计：其中跨越每个端板延伸延伸有一个或多个刚性压紧杆，并(通常通过外拉杆和紧固件)将所述(压紧)杆与在相对端板处的相应(压紧)杆相连接。US 5,486,430描述和图示了这种设计。

上述燃料电池组压紧机构通常使用与一般是基本上刚性的拉杆和端板相配合的弹簧、液压或气动活塞、压力垫或其它弹性压紧装置，以朝向彼此推动两个端板从而压紧燃料电池组。这些压紧机构不希望地增加了燃料电池组的重量和/或体积以及复杂性。

拉杆通常显著增加电池组的重量，并且很难在不增加电池组体积的情况容装所述拉杆。相关的紧固件增加了组装燃料电池组所需的不同零件的数量。

US 5,993,987公开了一种包括具有压紧带的端板组件的燃料电池组，所述压紧带紧密地围绕端板组件延伸，该端板组件将燃料电池组保持和固定在组装状态中。端板组件还包括一对分层板，该一对分层板之间设置有碟形弹簧组。端板组件优选地具有倒圆角的边缘以减小压紧带上的应力。