本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序的燃料电池堆壳体。
燃料电池允许含氢的燃料气体和含氧的反应气体(如空气)相互电化学反应，从而产生电能。燃料电池基本上是由一块膜构成，该膜选择性地传输氢离子，并夹在两个电极之间，即阳极和阴极之间。膜和电极的组装通常称为膜电极组件(mea)。燃料电池堆通常包括多个叠层膜电极组件，这些组件被双极板隔开。
双极板是导电分离器，用于机械夹紧mea和在相邻的mea之间建立串联电气连接。每个双极板包括多个气体流动通道，用于向相应的电极提供燃料气体和反应气体，并进一步适于带走产生的水或多余的气体。在一个结构体中mea被夹在双极板之间，这样的结构体被称为单元燃料电池。
在燃料电池堆(stack)的两端，双极板形成端板，双极板将燃料电池堆夹紧。为了保持叠层结构和防止单元燃料电池之间的泄漏，优选地向燃料电池堆施加均匀的压缩力，该压缩力适于将单元燃料电池压在一起。为了保持压缩，提供诸如金属带或螺栓之类的紧固件，或者燃料电池堆被安置在壳体中。而带和壳体包围着燃料电池堆，螺栓与端板相互作用并将单元燃料电池保持在适当的位置。
已知的组件的缺点是多方面的。如果燃料电池堆用螺栓紧固，端板上具有螺栓孔并需要提供足够的力来保持压力。从而导致了作用在燃料电池堆的局部变化的压力，这种力可能会损害燃料电池堆。对于金属带也一样，它们也不适合用于在燃料电池堆中提供同类(homogenous)的压力。
为了避免螺栓孔或金属带的不利方面，也有人提出使用容纳燃料电池堆的壳体。然而，这种方法导致了另一个问题，就是所提出的壳体只有一个尺寸。然而，由于单元燃料电池的叠层结构，因此燃料电池堆具有不同的尺寸。因此，施加在均一尺寸壳体中的燃料电池堆上的压力也是不同的。这甚至可能导致燃料电池堆出现泄漏(压力不足)或燃料电池堆损坏(过大的压力)的情况。
因此，本发明的目的是提供一种用于容纳燃料电池堆的壳体，其在燃料电池堆中提供均匀分布的压力，而不损坏燃料电池堆中的某些部分。
这个问题是通过根据专利权利要求1的燃料电池堆壳体和根据专利权利要求10的燃料电池堆组件来解决。
下文公开了一种燃料电池堆壳体，包括至少一底部部分以及一第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁和第二侧壁被底部部分隔开。壳体还适于装入燃料电池堆，包括至少一个紧固元件，紧固元件与第一侧壁和第二侧壁接合。此外，至少壳体的第一侧壁具有平面(flat)部分和拱形部分，其中拱形部分在第二侧壁的方向延伸。由此，拱形部分和底部部分之间的最大可能距离限定了燃料电池堆壳体的内部高度。为了提供对燃料电池堆的容纳，该容纳保持对燃料电池堆进行均匀适当的加压，即使燃料电池的总体尺寸由于由多个单元燃料电池组成而变化，内部高度是可调整的。高度调整允许容纳这些燃料电池，并可以适应燃料电池堆的不同尺寸。因此，燃料电池堆可以容纳在壳体中而不会因压力的增加而损坏或不会因压力不足而导致单元燃料电池之间的密封性下降。
优选地，高度调整由至少一个紧固元件的收紧程度所控制。因此，壳体可作为标准壳体进行预制造，可适用于单个(individual)燃料电池堆。在确定所需高度后，不需要对壳体进行单独制造。
根据另一优选实施例，收紧程度是连续地可调整的或逐步地可调整的。这样允许针对燃料电池堆的不同高度要求进行非常精确的调整，从而提供了优化的容纳方式，同时保持着最佳的压力。因此，例如，紧固元件可以具有第一紧固程度和至少一第二紧固程度，第一紧固程度提供了最小内部高度，第二紧固程度提供了中间内部高度，其中中间内部高度介于最小内部高度和松开状态下的内部高度之间。
进一步优选地，如果第一侧壁和第二侧壁具有平面侧壁和拱形部分，其中拱形部分在彼此的方向上延伸，但通过间隙彼此隔开。应该注意的是，即使只有一个侧壁具有一个拱形部分，间隙也是存在的。此外，优选至少一个紧固元件分别跨越(span)拱形部分之间的间隙或拱形部分与侧壁之间的间隙。因此，所公开的高度调整可以通过增加或减小壳体的拱形部分之间的间隙大小来实现，增加或减小间隙大小可以通过或多或少地收紧紧固元件来实现。
根据另一优选实施例，所述侧壁，特别是侧壁的拱形部分，提供了凸缘(flange)元件，凸缘元件从壳体突出，紧固元件附接在凸缘元件上。这允许可以方便使用紧固元件，例如在壳体的拱形部分上使用螺丝或螺栓。
根据另一优选实施例，至少一个侧壁的平面部分和拱形部分是一体成型或永久连接在一起的。因此，可以减少壳体的总元件数，从而可以加快壳体本身的组装过程。
根据另一优选实施例，底部部分可分离地连接到侧壁上。这有利于燃料电池堆进入壳体的容纳过程，因为侧壁和紧固元件可以进行预先组装。随后，壳体在预先组装的状态下装载燃料电池堆，然后与底部部分一起完成组装。
优选地，底部部分和侧壁具有联锁元件，能够相互结合并将底部部分固定在侧壁上。这允许快速地将底部部分组装到侧壁上。
本发明的另一方面涉及一个燃料电池堆组件，燃料电池堆组件包括如上所定义的容纳在燃料电池堆壳体中的燃料电池堆。此外，燃料电池堆包括第一端板和第二端板，在第一端板和第二端板之间布置多个单元燃料电池，由此，优选的是第一端板被布置为平行于壳体的底部部分，以及第二端板布置在侧壁的拱形部分附近。应当注意，即使底部部分和拱形部分被命名为底部和顶部部分，具有燃料电池堆的壳体也可以侧向布置，使得底部和顶部部分将作为燃料电池堆组件的侧面。
进一步优选地提供一种压板，压板布置在第二端板与侧壁的至少一个拱形部分之间。于是，施加于燃料电池堆上的压力被均匀地分配到端板和单元燃料电池上。
根据另一优选实施例，在压板和燃料电池堆的第二端板之间布置有弹性元件，弹性元件优选地是至少一个弹簧。进一步地，弹性元件补偿压力不均等。
进一步地，压板的形状可以类似于侧壁的拱形部分的形状，这也增加了对燃料电池堆的压力分布的均匀性。
进一步的优点和优选实施例在权利要求、说明书和附图中公开。应当进一步注意，本领域技术人员可以在不扩大本发明的范围的情况下组合所记载的特征。
在下文中，将通过附图中所示的实施例来描述本发明。所示的实施例只是示例性的，并不用于限制保护的范围。保护范围仅由所述的权利要求限定。
附图示出了：
图1:燃料电池堆组件的优选实施例的透视图；
图2:如图1所示的燃料电池堆组件的正视图；和
图3:图1和图2的燃料电池堆组件的透视图，包括被部分地移除的壳体。
在以下相同的情况下，使用相同的附图标记表示类似的功能元件。
图1至3示出燃料电池堆组件100的优选实施例的多个示意图，包括将燃料电池堆2装入其中的壳体1。因此，图1示出了一个透视图和图2是组装的燃料电池堆组件100的正面视图，而图3示出了燃料电池堆组件100，包括部分地移除的壳体1。
如图1至3所示，燃料电池堆壳体1具有第一侧壁11和第二侧壁12，第一侧壁11和第二侧壁12由底部部分13隔开，底部部分13被设计作为底板。第一和第二侧壁11、12分别包括平面部分11-1、12-1和拱形部分11-2、12-2，它们在图示的实施例中一体成型的。可以进一步看出，拱形部分11-2、12-2是朝向彼此的方向延伸，但通过间隙14保持彼此隔开。
在本实施例中，紧固元件3横跨间隙14，紧固元件3在图中为螺栓螺母系统。为了将紧固元件3附接到侧壁11、12的拱形部分11-2、12-2，拱形部分11-2、12-2被设计具有从壳体1延伸的凸缘15、16。凸缘15、16布置在拱形部分11-2、12-2的自由端处，并从壳体1向外延伸。
如上所述，紧固元件3被设计为具有两个圆柱形螺母31、32的螺栓螺母系统，螺母31、32可容纳螺栓33。进一步地，如图1-3所示，凸缘15、16是稍微弯曲，以容纳和固定紧固元件3的圆柱形螺母31、32。螺栓33穿过圆柱形螺母31和32被拧紧，使间隙14可以取决于螺母31、32中的螺栓33的收紧程度而或多或少地闭合。
根据紧固件3的收紧程度，可以调整内部高度hi，内部高度hi对应于底部部分13和拱形顶部部分11-2、12-2之间的最大可能距离。因此，可以通过收紧紧固元件3从而减小间隙14的大小以降低内部高度。这种高度调整能够将壳体1单独调整到适合容纳燃料电池堆2，从而可以在燃料电池堆中保持均匀的和最佳的压力。
如上所述，由于燃料电池堆由单元燃料电池组成，单元燃料电池包括夹在两个双极板之间的膜电极组件(mea)，燃料电池堆的总体尺寸可能略有变化。这些尺寸变化可能导致由燃料电池堆壳体保持的压力对于容纳的燃料电池堆而言不是最优的。这甚至可能导致燃料电池堆因压力过大而损坏或因压力不足而泄漏的情况。通过所述的可调整壳体1克服了这些缺陷，因为可以通过将紧固元件3收紧到期望的程度来调整壳体的内部高度hi，从而调整间隙14的打开程度，从而限定可用的内部高度hi。
如图1至3所示，燃料电池堆2是以第一端板21和第二端板22作为端部，因此，第一端板21被布置为平行于燃料电池堆壳体1的底部部分13。相应地，第二端板22与燃料电池堆1的侧壁11、12的拱形部分11-2、12-2平行布置。
进一步示出了，在拱形部分11-2、12-2和第二端板22a之间布置压力板23，在压力板23和第二端板22之间布置弹性构件，弹性构件的形式是弹簧24。压力板23和弹簧24分别允许将压力均匀地分配到端板22。因此，也可以避免燃料电池堆2中的局部压力。
如图2以及图2a中的细节所示，底部部分13不是与燃料电池堆壳体1的侧壁11、12一体成型的，而是可拆卸地设计的。为了将底部部件13与侧壁11、12分离，在侧壁11、12和底部13中分别设置了联锁(interlocking)元件17、18。通过这些联锁元件17、18，可以将底部部分13连接到侧壁11、12中，或者如图3所示，侧壁11、12可在底部部分13的联锁元件18上滑动。
从图3中可以进一步看到，在侧壁11、12放置好后，紧固元件3可附接到侧壁11、12上。显然，对于本领域技术人员来说，也可以使用不同的紧固元件，而不是图中所示的螺栓螺母系统。相应地，图中所示的螺栓螺母系统具有这样的优点，即圆柱形的螺母可以紧密地安装到弯曲凸缘15、16中，于是弯曲凸缘15、16也可以防止螺栓和螺母分离。
有利的是，所提供的燃料电池堆壳体通过能够调整燃料电池堆壳的内部高度，对燃料电池堆的不同尺寸提供方便的公差补偿。这可以通过对紧固元件的不同收紧程度来实现。此外，套管的重量较轻，端板受到较低的压力。壳体，特别地，侧壁可以由铝或另一种轻合金制成，其中在压铸过程中容易地集成附接点(例如紧固元件或凸缘的开口)。侧壁本身可以是一体成型的，也可以设计成两部分的形式，通过搅拌摩擦焊接等方式融合在一起。此外，即使外壳被调整为燃料电池堆的不同长度，外部组件的尺寸还是可以保持不变。所提供的燃料电池堆壳体的拱形部分之间的间隙具有进一步的优点，即燃料电池堆可以通过由堆叠压力机施加的压力容纳到壳体中，其中紧固元件在释放压力之前被预先收紧。
标记
100燃料电池堆组件
1燃料电池堆壳体
11、12侧壁
11-1、12-1侧壁平面部分
11-2、12-2侧壁拱形部分
13底部部分
14间隙
15、16凸缘
17、18联锁元件
2燃料电池堆壳体
21第一端板
22第二端板
23压力板
24弹性元件
3紧固元件
31、32圆柱形螺母
33螺栓