燃料电池堆及其组装方法与流程

本申请要求于2017年12月11日所提交的韩国专利申请第10-2017-0169269号的优先权和权益，其全部内容通过引用纳入本文。

本发明涉及一种燃料电池堆，更具体地，涉及这样一种燃料电池堆，其利用封闭件密封并保护燃料电池。

背景技术：

众所周知，燃料电池堆是一种电力产生装置，其依靠燃料电池、利用氢与氧之间的电化学反应产生电能，并且应用于例如燃料电池车辆。燃料电池堆由电能产生组件形成，其中，以数百为单位的燃料电池(单元电池)连续地布置。燃料电池具有如下配置：分隔板设置在膜电极组件(mea)的两侧，其中mea插置在分隔板之间。燃料电池可以通过端板和紧固机构而在加压状态下结合。

上述燃料电池堆可以依靠如下方法而制造成模块形式：将燃料电池一个接一个地堆叠，在燃料电池设置在上端板和下端板之间的情况下利用压力对堆叠的燃料电池进行加压，并且利用紧固机构将端板紧固。进一步地，可以以如下方式组装燃料电池堆：利用封闭件对电池堆模块进行密封，所述模块已利用端板和紧固机构而紧固燃料电池。

具体地，在电池堆模块组装的相关技术中，当利用压力对在端板之间堆叠的燃料电池进行加压时，利用螺栓或者利用螺杆和螺母将紧固带组装到上端板和下端板。进一步地，端板执行燃料电池的加压/绝缘和反应气体/冷却剂的入口和出口功能(反应气体/冷却剂反复地堆叠在燃料电池的两端位置)。然而，在相关技术中，利用端板和紧固机构以及封闭件对电池堆模块进行组装，因此，其组装程序和组装组件增加。

公开于该部分的上述信息仅旨在加深对发明背景的理解，因此其可能包含并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明提供一种燃料电池堆及其组装方法，其通过利用保护燃料电池的封闭件对燃料电池进行加压和结合而减少组装程序和组装组件。

燃料电池堆可以包括燃料电池组件和封闭件，在燃料电池组件中，多个燃料电池堆叠在上电流采集器和下电流采集器之间，而所述封闭件在燃料电池的堆叠方向上对燃料电池组件进行加压和密封。此外，在根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆中，所述封闭件可以包括壳体和盖体，壳体的一个表面是打开的，并且剩余表面是关闭的，而所述盖体将壳体的打开端封闭。

此外，在根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆中，所述燃料电池组件可以在与燃料电池的堆叠方向垂直的表面方向上经由所述打开端而插入到所述壳体中。壳体的两侧板可以支撑燃料电池组件的加压反作用力，并且燃料电池组件可以在受到施压叉加压的情况下被插入到壳体中。

另外，使得能够释放加压并将施压叉抽出到的外部的叉引导单元可以设置在两侧板的内表面处。壳体可以包括：第一方向的两侧板，其支撑燃料电池组件的两侧表面的电流采集器，并且支撑燃料电池组件的加压反作用力；第二方向的两侧板，其与所述第一方向的两侧板连接，并且支撑燃料电池组件的另外的两侧表面；以及底板，其与所述第一方向的两侧板和所述第二方向的两侧板连接，并且支撑燃料电池组件的插入方向的表面。

在根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆中，所述第一方向的两侧板可以包括：内支撑表面，其支撑电流采集器，燃料电池组件的加压反作用力施加至所述电流采集器；以及多个叉凹槽，其在所述内支撑表面处形成为沿着燃料电池组件的插入方向从壳体的打开端连接到关闭端。叉凹槽可以形成为使得形成为在两侧对电流采集器进行加压的一个臂部形状的施压叉能够在燃料电池的堆叠方向上插入到壳体的内部。

另外，所述叉凹槽可以形成为具有比施压叉的厚度更大的深度。电流采集器端子可以安装在电流采集器处。端子凹槽形成在内支撑表面处，所述端子凹槽与叉凹槽平行，并且电流采集器端子能够插入到端子凹槽中。

此外，根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆可以包括：封闭件，其具有壳体和盖体，所述壳体和盖体彼此结合；以及燃料电池组件，在所述燃料电池组件中，在壳体中，通过壳体沿着堆叠方向以预先确定的压力对堆叠的多个燃料电池进行加压。所述盖体可以封闭所述壳体的内部，并且所述壳体可以在与所述盖体的封闭方向垂直的方向上支撑所述燃料电池组件的加压反作用力。壳体也可以具有与盖体结合的打开端。

所述燃料电池组件可以在施压叉沿着燃料电池的堆叠方向对所述燃料电池组件进行加压的状态下经由所述打开端而在与燃料电池的堆叠方向垂直的表面方向上插入到所述壳体中。所述壳体可以包括支撑所述燃料电池组件的加压反作用力的两侧板。另外，多个叉凹槽可以设置在两侧板的内表面处，所述多个叉凹槽使得能够释放加压并将施压叉抽出到外部。具体地，每个叉凹槽可以形成为沿着燃料电池组件的插入方向从壳体的打开端连接到关闭端。所述施压叉形成为对所述燃料电池组件进行加压的一个臂部的形状，可以形成为在燃料电池的堆叠方向上被插入到所述壳体内。

此外，根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的组装方法可以包括：提供壳体和盖体，所述壳体的一个表面是打开的，并且剩余表面是关闭的，而所述盖体联接到所述壳体的打开端；将燃料电池堆叠在燃料电池组件的两侧表面的电流采集器之间，并且通过施压叉沿着燃料电池的堆叠方向在两侧处对电流采集器进行加压；以及将受到施压叉加压的燃料电池的电流采集器和燃料电池组件在与燃料电池的堆叠方向垂直的方向上经由打开端插入到所述壳体中。

根据本发明的示例性实施方案的方法可以进一步包括：释放施压叉的压力；将施压叉在燃料电池的堆叠方向上插入到壳体的内表面的叉凹槽中；以及经由叉凹槽将施压叉抽出到壳体的外部。叉凹槽可以具有比施压叉的厚度更大的深度，并且可以形成在与电流采集器对应的内表面处。施压叉可以配置成以比燃料电池组件的预先确定的加压力更大的加压力而对电流采集器进行加压。另外，施压叉的部分厚度或者全部厚度可以沿着燃料电池的堆叠方向插入到叉凹槽中。在释放施压叉的压力时，壳体的内表面可以支撑燃料电池组件的加压反作用力，并且壳体的打开端可以由盖体封闭。

此外，在根据本发明的示例性实施方案的方法中，壳体的内表面可以在与盖体的封闭方向垂直的方向上支撑燃料电池组件的加压反作用力。可以利用对燃料电池组件进行密封的封闭件而以预先确定的加压力对燃料电池组件进行加压和结合，因此，可以省略用于对燃料电池进行加压和紧固的紧固件，比如端板、紧固带、螺杆和螺母。

因此，在本发明的示例性实施方案中，可以减少用于制造燃料电池堆的整体组装程序和组装组件，并且可以降低燃料电池堆的重量。另外，本发明的示例性实施方案可以获得或预期的效果在以下的具体实施方式中有直接或暗示性的描述。也即，将在以下的具体实施方式中对本发明的示例性实施方案可以预期的各种效果进行描述。

附图说明

附图作为对本发明的示例性实施方案进行描述的参考而提供，并且本发明的精神不应仅由附图进行解释。

图1为示出根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的详细立体视图；

图2为示出根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的局部详细立体视图；

图3为示出根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的截面视图；以及

图4至图9为示出根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的组装方法的示图。

附图标记：

10：燃料电池组件；

11：燃料电池；

15：电流采集器；

17：电流采集器端子；

19：接线端子；

50：封闭件；

61：壳体；

63：第一方向的两侧板；

65：第二方向的两侧板；

67：底板；

71：盖体；

81：内支撑表面；

85：叉引导单元；

87：叉凹槽；

89：端子凹槽；

91：施压叉。

具体实施方式

应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(suv)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用车辆，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如具有汽油动力和电力动力两者的车辆。

本文中所使用的术语仅出于描述具体实施方案的目的，并且并不旨在限制本发明。本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“这个”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚指明了另外的情况。应该进一步理解的是，当被用在该说明书中时，术语“包括”和/或“包含”，指定存在所述及的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出项目的任意和全部组合。

除非具体述及或根据上下文是显而易见的，本文所使用的术语“大约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准差内。“大约”可以理解为在所述及的值的10％，9％，8％,7％,6％,5％,4％,3％,2％,1％,0.5％,0.1％,0.05％或0.01％内。除非根据上下文清楚是另外的情况，本文所提供的所有数值均受术语“大约”限定。

下文将参考所附附图对本发明进行更为全面的描述，在这些附图中显示了本发明的示例性实施方案。本领域技术人员将意识到，可以对所描述的实施方案进行各种不同方式的修改，所有这些修改将不脱离本发明的精神或范围。为了阐明本发明，将省略与描述无关的部件，并且在整个说明书中，相同的元件或者等同物使用相同的附图标记。

每一个元件的尺寸和厚度在附图中是任意显示的，并且本发明不必限制于此，并且在附图中，为了清楚的显示而夸大了各层、膜、板和区域等的厚度。此外，在下面的详细描述中，处于相同的关系中的组成元件的名称划分成“第一”、“第二”等等，但是，本发明不限于在下面的描述中的顺序。此外，本说明书中公开的术语比如，“……单元”、“……装置”、“……部件”或者“……构件”)指的是执行功能或者操作中的至少一个的包含性组成的单元。

图1和图2为示出根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的详细立体视图；以及图3为示出根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的截面视图。参照图1至图3，根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆100是通过氢(其为燃料)和空气(其为氧化剂)之间的电化学反应产生电能的单元电池的集合结构。

例如，燃料电池堆100安装在燃料电池车辆上，并且可以配置成通过由氢和空气之间的电化学反应产生的电能来对驱动电机(电动机)进行驱动。燃料电池堆100具有这样的结构：其中，对多个燃料电池进行堆叠和加压从而得到组装。在本发明的示例性实施方案中，提供了用于减少组装程序和组装组件的燃料电池堆100的结构。

下文中，将对在附图的上下方向上对燃料电池堆100进行组装的示例进行描述。下文中，朝向上侧的部分定义为上部、上表面、上端和上部，而朝向下侧的部分定义为下部、下表面、下端和下部。然而，上述对于方向的定义是相对的意义，并且可以根据燃料电池堆100的组装方向和参考位置而对方向进行改变，因此，上述方向不绝对限于本发明的示例性实施方案的参考方向。

根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆100可以包括燃料电池组件10和封闭件50。燃料电池组件10可以包括多个燃料电池11和电流采集器15，电流采集器15设置在燃料电池组件10的上侧和下侧，燃料电池11插置在其间。燃料电池11具有这样的单元电池配置，其中，分隔板设置在膜电极组件(mea)的两侧，mea插置在分隔板之间。电流采集器15可以配置成采集由燃料电池11产生的电力，并且可以在多个堆叠的燃料电池11插置在其间的情况下设置在燃料电池11的上侧和下侧，并且是与燃料电池11电连接的端部结构。

具体地，用于将氢和空气供应到燃料电池11以及用于从燃料电池11排出氢、空气和水的多个通道可以形成在电流采集器15中。此外，与电流采集器15电连接的电流采集器端子17可以安装在电流采集器15处。封闭件50是将燃料电池组件10包围并且密封从而保护燃料电池组件10的壳体结构，以及具有对燃料电池组件10的保护/支撑/绝缘的功能的壳体结构组件。比如，封闭件50可以安装在燃料电池车辆的车身上。封闭件50为燃料电池组件提供保护，比如气密性、水密性等。

此外，封闭件50在燃料电池11的堆叠方向上以预先确定的压力对燃料电池组件10进行加压和密封。封闭件50在燃料电池11的堆叠方向上对燃料电池组件10的上电流采集器和下电流采集器15进行加压，并且支撑施加到燃料电池组件10的燃料电池11的堆叠方向上的加压反作用力。换言之，封闭件50以预先确定的加压力对包括在其中的燃料电池组件10进行刚性加压。可以从两侧对上电流采集器和下电流采集器15进行加压，并且将压迫燃料电池11的力定义为加压力。此外，施加到上电流采集器和下电流采集器15的燃料电池11的压迫反作用力，也即，施加到与燃料电池的加压方向相反的方向的力定义为加压反作用力。

封闭件50可以包括壳体61和盖体71，其中，壳体61和盖体71彼此结合或联接从而密封燃料电池组件10。壳体61将燃料电池组件10容纳其中，并且可以形成为正方体形状，其一个表面打开，剩余的表面关闭。下文中，壳体61的打开部分称为打开端(图中的上端)。壳体61可以包括第一方向的两侧板63、第二方向的两侧板65和底板67，其中，第一方向的两侧板63支撑燃料电池组件10的两个侧表面的电流采集器15，第二方向的两侧板65与第一方向的两侧板63连接并且支撑燃料电池组件10的另外的侧表面，底板与一个方向的两侧板63和另一个方向的两侧板65连接。换言之，壳体包括支撑燃料电池组件的第一组侧表面的第一组侧板63和支撑燃料电池组件的第二组侧表面的第二组侧板65。第一方向指的是燃料电池11的堆叠方向，而第二方向指的是在xy平面上与燃料电池11的堆叠方向垂直的方向。

此外，燃料电池组件10的第一组侧表面和第二组侧表面是封闭件50以预先确定的压力进行加压的燃料电池组件10的表面。因此，底板67支撑以预先确定的压力加压的燃料电池组件10的下表面。以预先确定的压力受到加压的燃料电池组件10的上表面可以暴露于壳体61的打开端。接线端子19可以与如上所述的电流采集器15的电流采集器端子17连接。

另外，壳体61可以包括阴极耗氧(cod)加热器、歧管档块和汇流排等，其中，歧管档块与燃料电池组件10的歧管连接，汇流排与接线端子19电连接。cod加热器、歧管档块和汇流排在相关技术中是众所周知的，因此，将省略其详细描述。壳体61可以进一步包括安装装置(安装装置比如板、档块、圈等等)，从而安装周围组件，比如cod加热器、歧管档块和汇流排等。附接元件和安装装置用于将周围组件安装在壳体61上，以及将壳体61安装在车身上。因此，在本发明的示例性实施方案中，除了特别情况以外，也将附接元件和安装装置称作是壳体61。盖体71将安装有燃料电池组件10的壳体61的打开端封闭，并且可以联接到壳体61的打开端。换言之，盖体71可以将燃料电池组件10容纳在其中，并且可以联接到壳体61的打开端，对燃料电池组件10进行加压。

下文中，将对燃料电池组件10的组件结构进行更详细的描述。在本发明的示例性实施方案中，燃料电池11可以堆叠在上电流采集器和下电流采集器15之间，并且在通过按压机构在燃料电池11的堆叠方向上从两侧对电流采集器15进行加压的情况下，燃料电池11的燃料电池组件10和电流采集器15可以经由壳体61的打开端而插入到壳体61中。

特别地，燃料电池组件10可以在与燃料电池11的堆叠方向垂直的表面方向上经由壳体61的打开端插入到壳体61中。与燃料电池11的堆叠方向垂直的表面方向指的是受到加压的燃料电池组件10的下表面设置在底板67上的方向。底板67支撑燃料电池组件10的插入方向的表面。

而且，在本发明的示例性实施方案中，当受到按压机构加压的燃料电池组件10在与燃料电池的堆叠方向垂直的表面方向上插入到壳体61中时，可以消除按压机构的压力。然后，壳体61的第一方向的两侧板63支撑燃料电池组件10的电流采集器15，并且支撑燃料电池组件10的加压反作用力。换言之，第一方向的两侧板63在燃料电池11的堆叠方向上对燃料电池组件10进行加压，并且支撑电流采集器15，燃料电池组件10的加压反作用力施加至电流采集器15上。

按压机构包括施压叉91(下文中，参照图4)，其配置成对电流采集器15进行加压，其中，燃料电池11插置在电路采集器15之间。施压叉91可以成对地设置在燃料电池组件10的两侧，可以形成为具有预先确定的厚度的叉的形状，并且配置成对支撑电流采集器15的表面进行加压。施压叉91可以形成为一个臂部(armweir)的形状，其第一侧部作为固定端，其第二侧部作为自由端。

此外，施压叉91组件可以配置成当施加压力时彼此接触，并且可以配置成对燃料电池组件10的电流采集器15进行加压。施压叉91的组件可以配置成当释放压力时通过燃料电池组件10的加压反作用力而彼此分离，并因此可以配置成释放燃料电池组件10的加压。第一方向的两侧板63可以包括支撑电流采集器15的内支撑表面81，燃料电池组件10的加压反作用力施加至电流采集器15，而且叉引导单元85可以形成在两侧板63的内表面处，所述叉引导单元85使得可以释放压力，并且使得施压叉91能够抽出到外部。

当释放施压叉91的加压时，内支撑表面81支撑燃料电池组件10的电流采集器15以及燃料电池组件10的加压反作用力。换言之，内支撑表面81可以是加压表面，其配置成在壳体61中在燃料电池11的堆叠方向上对燃料电池组件10进行加压。叉引导单元85可以是引导施压叉91的引导件。叉引导单元85可以包括多个叉凹槽87，所述叉凹槽87形成在内支撑表面81处，沿着燃料电池组件10的插入方向从打开端连接到壳体61的关闭端。

叉凹槽87可以形成为：在施压叉91的加压在壳体61中从两侧对燃料电池组件10的电流采集器15进行加压的情况下，施压叉可以在燃料电池11的堆叠方向上插入到壳体61内部。另外，叉凹槽87可以具有与施压叉91的宽度对应的宽度或者比施压叉91的宽度更大的宽度，并且可以形成为比施压叉91的厚度更大的深度。具体地，施压叉91可以从叉凹槽87移出(比如，滑出)并且当燃料电池组件10在燃料电池组件10受到加压的状态下插入到壳体61中时插入到壳体61中。此外，施压叉91的一部分可以插入到叉凹槽87中，并且可以在沿着叉凹槽87而受到引导的同时插入到壳体61中。

如上所述，当施压叉91在壳体61中释放时，壳体61的第一方向的两侧板63通过内支撑表面81支撑燃料电池组件10的加压反作用力。因此，第一方向的两侧板63通过内支撑表面81而支撑燃料电池组件10的加压反作用力，并且作为沿着燃料电池11的堆叠方向对燃料电池组件10进行加压的加压板工作。

同时，封闭件50的盖体71可以联接到壳体61的打开端，并且可以在燃料电池组件10容纳在壳体61中的状态下封闭壳体61的内部。具体地，壳体61的第一方向的两侧板63在与盖体71的封闭方向垂直的方向上支撑燃料电池组件10的加压反作用力，并且可以在燃料电池的堆叠方向上对燃料电池组件10进行加压。此外，在壳体61的第一方向的两侧板63中，端子凹槽89形成在内支撑表面81上，电流采集器端子17可以插入所述端子凹槽中。端子凹槽89可以形成为与叉凹槽87平行，并且从壳体61的打开端连接到关闭端。

下文中，将参照上述附图对根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆100的组装方法进行详细的解释。图4至图9为用于解释根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆的组装方法的图。

参照图4，在本发明的示例性实施方案中，可以设置封闭件50，所述封闭件50包括壳体61和盖体71，壳体61的一个表面打开而剩余表面关闭，盖体71联接到壳体的打开端。具体地，壳体61的第一方向的两侧板63可以包括内支撑表面81，而叉凹槽87和端子凹槽89可以在内支撑表面81处从打开端到关闭端与壳体61连接。

之后，在本发明的示例性实施方案中，设置在两侧的电流采集器之间的燃料电池可以受到堆叠(布置)，并且可以通过施压叉91沿着燃料电池11的堆叠方向在两侧对电流采集器进行加压。具体地，受到施压叉91加压的电流采集器15和燃料电池11的燃料电池组件10在与燃料电池11的堆叠方向垂直的方向上经由打开端插入到壳体61中。燃料电池组件10可以通过施压叉91而在燃料电池11的垂直表面方向上插入到壳体61中。燃料电池组件10可以受到施压叉91的加压力压迫，并且可以配置成将压迫反作用力(比如，加压反作用力)施加到施压叉91。

具体地，施压叉91可以与燃料电池组件10一起插入到壳体61中，并且如图5中所示，施压叉91可以从第一方向的两侧板63的叉凹槽87释放或滑出，并且可以插入到壳体61中。此外，如图6中所示，施压叉91可以沿着燃料电池11的堆叠方向而以部分厚度插入到叉凹槽87中，并且可以插入到壳体61中。如图7中所示，施压叉91可以沿着燃料电池11的堆叠方向而以全部厚度插入到叉凹槽87中，并且可以插入到壳体61中。

而且，可以通过施压叉91以比预先确定的加压力更大的加压力而对电流采集器15进行加压。因此，当施压叉91释放压力时，可以保持以预先确定的加压力进行加压的燃料电池组件10的状态。可以在壳体61中释放施压叉91的加压，并且施压叉91可以通过燃料电池组件10的加压反作用力而移动以被释放，并且燃料电池组件10的加压可以释放。具体地，如图8所示，施压叉91可以在燃料电池11的堆叠方向上在壳体61中插入第一方向的两侧板63的叉凹槽87中。在该过程中，电流采集器15的电流采集器端子17可以插入到两侧板63的端子凹槽89中。

因此，壳体61的两侧板63通过内支撑表面81支撑燃料电池组件10的加压反作用力。两侧板63的内支撑表面81支撑电流采集器15，并且可以支撑燃料电池组件10的加压反作用力。因此，在本发明的示例性实施方案中，可以以预先确定的加压力通过两侧板63而在燃料电池的堆叠方向上对燃料电池组件10进行加压。

此外，如图9所示，施压叉91可以经由内支撑表面81的叉凹槽87而抽出到外部(比如，壳体的外部)，并且盖体71可以在组件(比如接线端子19)安装在燃料电池组件10上的状态下联接到壳体的打开端。由此，完成了根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆100的组装。具体地，壳体61的两侧板63在与盖体71的封闭方向垂直的方向上支撑燃料电池组件10的加压反作用力，并且可以在燃料电池的堆叠方向上对燃料电池组件10进行加压。

根据本发明的示例性实施方案的燃料电池堆100及其组装方法，可以提供燃料电池堆100，其中，利用对燃料电池组件10进行密封的封闭件50而以预先确定的加压力对燃料电池组件10进行加压和结合。因此，在本发明的示例性实施方案中，可以省略用于对燃料电池进行加压和紧固的紧固件，比如端板、紧固带、螺杆和螺母。因此，在本发明的示例性实施方案中，可以减少用于制造燃料电池堆100的整体组装程序和组装组件，并且可以降低燃料电池堆的重量。

尽管已经结合目前被认为是示例性实施方案的方案描述了本发明，但是，应该理解本发明不限于公开的实施方案，而是相反地，旨在涵盖体包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变化和等同布置。