燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种燃料电池堆(1)，所述燃料电池堆包括多个堆叠的燃料电池单元(1)以及至少一个电池堆封闭元件(3)，其中所述堆叠的燃料电池单元由壳体(2)所包围。在此，设置有框架元件(4)，所述框架元件在端侧布置在至少一个电池堆封闭元件(3)和壳体(2)上，其中在框架元件(4)的区域内至少在电池堆封闭元件(3)和壳体(2)之间布置至少一个密封件(5)。
【专利说明】燃料电池堆
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的燃料电池堆。
【背景技术】
[0002] 燃料电池单元将化学能转化为电能。通常，燃料电池单元由一膜电极单元组成，所 述膜电极单元尤其包括具有质子传导能力的膜以及作为电极的形式为气体扩散电极的阳 极和阴极，其中，所述膜布置在所述阳极和阴极之间，所述膜电极单元布置在两个双极板之 间，每个双极板相应地布置在两个相邻的燃料电池单元之间。
[0003] 由于由一个单个的燃料电池单元可产生的电压比较小，所以通常将多个燃料电池 单元彼此耦合，通过这种方法使所述燃料电池单元结合成燃料电池堆。一般来说，经堆叠的 燃料电池单元布置在壳体中，其中该壳体优选布置在该燃料电池堆的端板之间。此外在所 述布置中，端板的至少一侧是这样可接触的，即可以与支架或支承框架（例如车辆车身）建 立力锁合连接。具有预设数量的燃料电池单元的燃料电池堆的高度可以根据例如所述双极 板的、膜电极单元的和/或密封件的厚度公差而变化。这里，单个构件的厚度偏差在从百分 之几毫米直至十分之几毫米这一范围内移动。由于组件的个体公差的累计，所以例如具有 好几百个燃料电池单元的燃料电池堆的高度可能会与理论高度产生明显偏差。在此，已知 的公差例如处于+/_5毫米的范围内，在个别情况下处于+/-17毫米的范围内。据此，每个 壳体的高度都必须与燃料电池堆的高度相匹配。
[0004] 为了解决这一问题，需要例如预生产多个具有不同高度的壳体，并且一旦获知相 应的燃料电池堆的高度，则把相应匹配的壳体引入到生产过程中。
[0005] 在JP2009170169中公开了一种布置在壳体中的燃料电池堆。所述壳体在其纵向 侧上具有覆盖元件并且在端面上被端板封闭。在此，所述覆盖元件和端板按部段平行地延 伸，其中密封件布置在所述平行延伸的部段中。
【发明内容】
[0006] 本发明的任务在于，提出一种相比于现有技术经改良的燃料电池堆。
[0007] 该任务通过具有权利要求1中所提出特征的燃料电池堆来解决。
[0008] 本发明的有利的设计方案是从属权利要求的内容。
[0009] 燃料电池堆包括多个经堆叠的燃料电池单元以及至少一个电池堆封闭元件，其 中，所述经堆叠的燃料电池单元由壳体所包围。按照本发明，框架元件在端侧布置在所述至 少一个电池堆封闭元件和所述壳体上，其中在所述框架元件的区域内至少在所述电池堆封 闭兀件与壳体之间布置有至少一个密封件。
[0010] 如开头已说明地，燃料电池堆的高度可以由于例如双极板的、膜电极单元的和/ 或密封件的厚度公差而变化。这种高度差异可以借助所述框架元件以有利的方式和方法得 到补偿。为此，该框架元件在端侧包围所述电池堆封闭元件和所述壳体，从而借助所述至少 一个密封件在大高度公差的情况下仍保证壳体与所述电池堆封闭元件之间的密封性。由 此，可以优选使用具有标准化高度的壳体，从而可以使安装花费在成本上经济且时间上高 效。
[0011] 有利的是，所述框架元件形锁合地、力锁合地和/或材料结合地固定在所述电池 堆封闭元件的端面上以及壳体的端面上。所述框架元件优选形锁合地安置在所述电池堆封 闭元件和壳体的端面上，其中所述形锁合通过相应的粘接和/或螺纹连接来支持，从而在 所述框架元件和所述电池堆封闭元件以及壳体之间确保了机械稳定的连接。
[0012] 在一种可能的实施形式中，所述电池堆封闭元件的端面由该电池堆封闭元件的环 绕的、弯曲的边缘形成，其中该电池堆封闭元件的端面平行于所述壳体的端面地沿堆叠方 向延伸。借助所述电池堆封闭元件的弯曲的边缘，以有利的方式和方法提高了该电池堆封 闭元件的弯曲强度和扭转刚度。
[0013] 为了与所述电池堆封闭元件的端面以及与所述壳体的端面形成最佳的形锁合，在 一种可能的实施形式中，所述框架元件具有U型轮廓，其中该U型轮廓的两个腿部的长度与 所述电池堆封闭元件的弯曲的端面的长度相对应，从而使该框架元件包围所述电池堆封闭 元件的端面。
[0014] 在本发明的第一设计方案中，在所述两个腿部之间布置有两个彼此平行地布置的 密封件，所述密封件分别具有U型轮廓，其中所述密封件中的一个包围所述电池堆封闭元 件的端面，而所述密封件中的另一个包围所述壳体的端面。由此可以以有利的方式和方法 实现所述电池堆封闭元件相对于所述壳体的形锁合和密封。所述密封件优选注射成型到所 述框架元件的内表面上并且由此可以以简单的方式和方法进行生产。
[0015] 尤其优选的是，所述密封件中一个的U型轮廓与所述电池堆封闭元件的端面的形 状和/或外部尺寸相对应，而另一个密封件的U型轮廓与所述壳体的端面的外部尺寸相对 应。用于容纳所述壳体的端面的密封件在此这样构成，即其可以容纳具有可预设的高度范 围中的不同高度的壳体的端面。
[0016] 在本发明的第二设计方案中，所述电池堆封闭元件的端面的、朝向壳体的表面侧 设置有密封件。该密封件例如由多个唇口密封件构成。在将壳体布置到燃料电池堆上的过 程中，也就是在沿堆叠方向推装上壳体的过程中，由此已经实现了良好的密封效果。在此， 为了改善由此产生的压紧力，所述框架元件布置在所述电池堆封闭元件和壳体的端面上， 并且由此起到夹紧框架的作用。
[0017] 所述密封件优选具有用于接纳拉紧装置的凹部，其中该拉紧装置至少在所述凹部 的区域中是电绝缘的。所述例如构成为唇口密封件的密封件以及所述电绝缘的拉紧装置以 有利的方式方法密闭地共同作用，并且由此防止了湿气侵入到燃料电池堆与壳体之间的区 域中。此外，用于拉紧燃料电池堆的拉紧装置与电池堆封闭元件相对于壳体的密封（结构） 的结合实现了简单且低成本地建立用于燃料电池堆的密封系统，并且同时实现了结构空间 的节省。在此，为了使所述拉紧装置电绝缘，在所述拉紧装置上形成有、优选（例如借助注 塑工艺）注射成型有绝缘体。
[0018] 为了优化所述密封件的密封效果，该密封件由橡胶、泡沫塑料、聚氯乙烯、热塑性 聚氨酯和/或热塑性聚合物制成。这些电绝缘材料的特性在于高化学稳定性、温度稳定性 以及良好的耐腐蚀性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 下面借助附图对本发明的实施例进行更详细的阐述。
[0020] 其中：
[0021] 图1示意性地示出了根据本发明的燃料电池堆的第一实施例的局部的剖视图，以 及
[0022] 图2示意性地示出了根据本发明的燃料电池堆的第二实施例的局部的剖视图。
[0023] 彼此相对应的部件在全部附图中都设有相同的附图标记。
【具体实施方式】
[0024] 图1示出了根据本发明的燃料电池堆1的第一实施例的局部，其中燃料电池堆1 具有壳体2、电池堆封闭元件3和框架元件4。
[0025] 燃料电池堆1包括多个未详细示出的经堆叠的燃料电池单元，所述燃料电池单元 布置在壳体2中并且所述燃料电池单元例如构成为高温燃料电池单元（例如固体氧化物燃 料电池）或低温燃料电池单元（例如聚合物电解质燃料电池），其中聚合物电解质燃料电池 (PEMFC)是优选的。
[0026] 壳体2例如构成为单侧敞开的壳体2并且包围所述经堆叠的燃料电池单元。理想 的情况是，壳体2借助其敞开的端部连接到电池堆封闭元件3的端部或表面侧上，该电池堆 封闭元件在端侧限制了燃料电池堆1。
[0027] 由于燃料电池堆1的高度通常由于布置在所述燃料电池单元中的双极板、膜电极 单元和/或密封件5的厚度公差而变化，所以壳体2可以包围电池堆封闭元件3的端面的 表面侧的一部段，如其例如在图1和图2中所不的。
[0028] 在本实施例中，电池堆封闭元件3的端面由电池堆封闭元件3的环绕的、弯曲的边 缘构成，其中电池堆封闭元件3的端面平行于壳体2的端面并且沿堆叠方向s延伸。
[0029] 在此，电池堆封闭元件3以上方端板的形式在端侧界定燃料电池堆1。备选地，壳 体2可以构成为两侧敞开的壳体2,其中燃料电池堆1具有两个电池堆封闭元件3,从而使 电池堆封闭元件3中的一个界定燃料电池堆1的上方端面而电池堆封闭元件3中的另一个 以下方端板的形式界定燃料电池堆1的下方端面（未示出）。在此尤其优选的是，上方端板 构成壳体2的盖，而下方端板构成壳体的底。
[0030] 尤其优选的是，电池堆封闭元件3-件式地以塑料注塑工艺制成为金属-塑 料-混合构件。构成为金属-塑料-混合构件的电池堆封闭元件3由此实现了两种不同材 料的有利特性的组合。在此，借助金属部件可以将拉紧力大面积地引入到燃料电池单元中 并且可以实现与支承结构（例如车辆车身）的连接点。此外，金属部件的形状稳定性和温 度稳定性都非常好。在此，金属合金例如钢也适合作为金属材料。
[0031] 借助形成在金属部件上的加强部件可以实现燃料电池堆1与外界环境的电绝缘。 此外，借助所述加强部件可以实现至燃料电池堆1的壳体的接口，可以实现将气态或液态 介质从燃料电池堆1中导出或供给到燃料电池堆1中，并且可以实现介质的电绝缘以及保 护介质不受腐蚀。由此所述加强部件优化了金属部件。热塑性塑料尤其适合作为塑料或有 机聚合物。
[0032] 为了使电池堆封闭元件3(其端面如本实施例中所示地被壳体2的端面所包围） 相对于壳体2密封，燃料电池堆1具有框架元件4,该框架元件形锁合地、力锁合地和/或材 料结合地固定在电池堆封闭元件3的端面上以及壳体2的端面上。
[0033] 框架元件4具有U形轮廓，其中在两个腿部之间布置有两个彼此平行地布置的密 封件5,所述密封件分别具有U型轮廓。
[0034] 在此，密封件5中的一个包围电池堆封闭元件3的端面，而密封件5中的另一个包 围壳体2的端面，其中包围电池堆封闭元件3的端面的密封件5的U型轮廓的腿部的长度 与电池堆封闭元件3的弯曲的端面的长度相对应。
[0035] 在此，包围壳体2的端面的密封件5的U型轮廓的腿部的长度是可以预设的，从而 使其可以容纳具有确定高度范围中的不同高度的壳体2的端面。这里可以规定，其高度处 于确定高度范围的最小范围中的壳体2的端面不接触密封件5的U型轮廓的两个腿部之间 的接片，而其高度处于确定高度范围的最大范围中的壳体2的端面可以接触密封件5的U 型轮廓的腿部的接片，其中确保了密封件5与壳体2之间的足够的重叠。
[0036] 由此，即使在大高度公差的情况下仍可以以有利的方式和方法确保电池堆封闭元 件3相对于壳体2的形锁合和密封。由此，可以优选地使用具有标准化高度的壳体2,从而 可以使燃料电池堆1的安装花费在成本上经济且时间上高效。此外，可以减小燃料电池堆1 的重量，从而以有利的方式实现了以燃料电池进行驱动的车辆的减重并且由此实现了车辆 运行期间的节能。
[0037] 密封件5例如注射成型到框架元件4的内表面上并且由此可以以简单的方式和方 法进行制造。对此备选的是，将所述密封件5置入到框架元件4的腿部之间并且附加地进 行粘接。为了最佳的密封效果，密封件5由橡胶、泡沫塑料、聚氯乙烯、热塑性聚氨酯和/或 热塑性聚合物制成。这些电绝缘材料的特性在于高化学稳定性、温度稳定性以及良好的耐 腐蚀特性。
[0038] 框架元件4优选由塑料（例如有机聚合物）制成并且有利地在燃料电池堆1安装 期间形锁合地安置在电池堆封闭元件3的和壳体2的端面上，其中所述形锁合这样通过力 锁合和/或材料结合来支持，即在框架元件4与电池堆封闭元件3以及壳体2之间保证机 械稳定的连接。在本实施例中，框架元件4为此借助螺钉6力锁合地与电池堆封闭元件3 螺纹连接。对此备选的是，框架元件4和/或密封件5可以与电池堆封闭元件3的端面和 /或与壳体2的端面粘接。
[0039] 图2中示出了本发明的第二备选的设计方案，其中电池堆封闭元件3的端面的朝 向壳体2的表面侧设置有密封件5。
[0040] 在本实施例中，密封件5由多个环绕的唇口密封件5. 1构成，所述唇口密封件例如 注射成型到电池堆封闭元件3的端面的表面侧上。备选地，唇口密封件5. 1也可以与电池 堆封闭元件3粘接。在另一备选的实施形式中，密封件5实施为多个密封环或实施为一件 式的环绕的密封件。
[0041] 唇口密封件5. 1优选由与按本发明的第一实施例的密封环5相同的材料构成。
[0042] 唇口密封件5. 1优选具有用于容纳未示出的拉紧装置的凹部，其中所述拉紧装置 至少在该凹部的区域中是电绝缘的。电池堆封闭元件3和壳体2在燃料电池堆1的安装状 态中借助该拉紧装置相对彼此拉紧，这是因为该拉紧装置将用于拉紧燃料电池堆1的拉力 通过所述燃料电池堆传递到在壳体2中堆叠的燃料电池单元上并且传递到电池堆封闭元 件3上。
[0043] 唇口密封件5. 1和所述电绝缘的拉紧装置以有利的方式和方法密封地共同作用 并且由此防止了湿气侵入到燃料电池堆1和壳体2之间的区域中。此外，将用于拉紧燃料 电池堆1的拉紧装置与电池堆封闭元件3相对于壳体2的密封（结构）结合起来，实现了 简单且低成本地建立用于燃料电池堆1的密封系统并且此外实现了结构空间的节省。在 此，为了使所述拉紧装置电绝缘，在其上形成有、优选（例如借助注塑工艺）注射成型有绝 缘体。
[0044] 在将壳体2布置到燃料电池堆叠1上的过程中，也就是在沿堆叠方向s推上壳体2 的过程中，当壳体2的端面的、朝向电池堆封闭元件3的表面侧沿着密封件5滑动、直至壳 体2到达终位置时，实现了相应的密封效果。在此，为了改善由此产生的压紧力，所述框架 元件4几近形锁合地布置在电池堆封闭元件3的和壳体2的端面上，并且由此有利地起到 了夹紧框架4. 1的作用。在此，构成为夹紧框架4. 1的框架元件4可以实施为一件式的或 多件式的。
[0045] 在本实施例中，夹紧框架4. 1借助螺钉6力锁合地与电池堆封闭元件3螺纹连接。 对此备选的是，夹紧框架4. 1可以与电池堆封闭元件3和/或壳体2粘接。在另一备选方 案中，夹紧框架4. 1的内侧可以设置有相应的定位轮廓，夹紧框架4. 1借助该定位轮廓保持 在其位置中。
[0046] 为了确保夹紧框架4. 1的时间上和费用上最佳的安装，其腿部在其自由端部上具 有进入斜面。
[0047] 附图标记列表：
[0048] 1燃料电池堆
[0049] 2 壳体
[0050] 3电池堆封闭元件
[0051] 4框架元件
[0052] 4. 1夹紧框架
[0053] 5密封件
[0054] 5.1唇口密封件
[0055] 6 螺钉
[0056] s堆叠方向
【权利要求】
1. 一种燃料电池堆（1)，所述燃料电池堆包括多个堆叠的燃料电池单元（1)以及至少 一个电池堆封闭元件（3)，其中，堆叠的所述燃料电池单元由壳体（2)包围，其特征在于框 架元件（4)，所述框架元件在端侧布置在所述至少一个电池堆封闭元件（3)和所述壳体（2) 上，其中，在框架元件（4)的区域内至少在电池堆封闭元件（3)与壳体（2)之间布置有至少 一个密封件（5)。
2. 根据权利要求1所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，框架元件（4)形锁合地、力锁 合地和/或材料结合地固定在电池堆封闭元件（3)的端面上和壳体（2)的端面上。
3. 根据权利要求2所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，电池堆封闭元件（3)的端面由 电池堆封闭元件（3)的环绕、弯曲的边缘形成，其中，电池堆封闭元件（3)的端面与壳体（2) 的端面平行地沿堆叠方向延伸。
4. 根据上述权利要求任一项所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，框架元件（4)具有U 型轮廓。
5. 根据权利要求4所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，所述U型轮廓的腿部的长度与 电池堆封闭元件（3)的弯曲的端面的长度相对应。
6. 根据权利要求5所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，在所述腿部之间布置有两个彼 此平行地布置的密封件（5)，所述密封件分别具有U型轮廓，其中，密封件（5)中的一个包围 电池堆封闭元件（3)的端面，而密封件（5)中的另一个包围壳体（2)的端面。
7. 根据权利要求6所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，密封件（5)的U型轮廓与电池 堆封闭元件（3)的以及壳体（2)的端面的形状和/或外尺寸相对应。
8. 根据权利要求2至4中任一项所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，电池堆封闭元 件⑶的端面的、朝向壳体⑵的方向的表面侧设置有密封件（5)、尤其是多个唇口密封件 (5. 1)。
9. 根据权利要求8所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，密封件（5)具有用于接纳拉紧 装置的凹部，其中所述拉紧装置至少在所述凹部的区域中是电绝缘的。
10. 根据上述权利要求任一项所述的燃料电池堆（1)，其特征在于，密封件（5)由橡胶、 泡沫塑料、聚氯乙烯、热塑性聚氨酯和/或热塑性聚合物制成。
【文档编号】H01M8/24GK104067431SQ201280066655
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年12月15日 优先权日:2012年1月10日
【发明者】H·斯塔克, U-M·梅克斯 申请人:戴姆勒股份公司