[发明专利]带卷边的燃料电池堆外壳

说明书

技术领域

本公开整体上涉及燃料电池系统，更具体地说，涉及形成为具有由带卷边的接头构造联接的部件的压紧保持外壳。

背景技术

燃料电池是清洁的、高效的且对环境负责的用于交通工具或各种不同的其它应用的能源。燃料电池作为用在现代交通工具中的传统的内燃发动机的潜在替代者正被紧张开发。在质子交换膜（PEM）类型燃料电池中，在两侧附近具有带催化剂的电极的薄固体电解质膜形成了膜电解质组件（MEA）。该MEA通常还包括多孔导电材料，该材料已知为气体扩散介质（DM），该材料邻接反应剂气体并将反应剂气体分配到阳极和阴极。氢被作为燃料供应到阳极，在那里其在存在催化剂地情况下发生电化学反应以产生电子和质子。电子由电路从阳极传导到阴极，并且质子迁移通过电解质到阴极，在那里氧在存在催化剂的情况下发生电化学反应以产生氧阴离子。氧阴离子与质子反应以形成作为燃料电池反应产物的水。

MEA和DM，与任何绝缘垫一起，构成了单元化的电极组件（UEA），其被设置在一对导电板之间。这些板用作电极的集流器并且具有在其内形成合适的开口、通道和通路以在相应的电极上分配气体反应剂，并供应冷却剂到电池。PEM燃料电池通常串联连接，将一个堆叠在另一个的顶部上以形成燃料电池堆。

燃料电池堆通常在压紧的情况下被组装以密封燃料电池并且固定和维持在反应剂板和UEA的各种不同的部件之间的低界面电接触电阻。PEM燃料电池堆中的界面接触电阻随着压紧载荷的增加而大幅降低。在燃料电池堆上的期望压紧载荷通常范围从约50到约400psi，并且由容纳该燃料电池堆的压紧保持外壳维持。压紧保持系统经常被建造为过压紧的，以补偿在初始的压紧力被去除时发生的压紧中的一些损失。另外，MEA被已知为随着湿度和温度中的变化而膨胀和收缩，例如，在传统的燃料电池堆中，MEA已知为在操作中最多会膨胀其原始厚度的约50％。压紧保持外壳必须被设计为适应或处理可能随着膜膨胀和燃料电池堆中的压紧应力释放发生的膜增大所产生的应变。

燃料电池堆组件需要显著量的压紧力以将该堆的燃料电池挤压在一起。对挤压力的需要来自燃料电池内的反应剂的内部气体压力加上对维持燃料电池的内部部件之间的良好电接触的需要。一般而言，每单位面积力总计是约195-205psi，这被均匀地分布在燃料电池的整个工作区域上（对于汽车尺寸的堆来说通常是55-155平方英寸）。因此，对于具有约80平方英寸面积的燃料电池来说，这些尺寸的堆的典型的总计压紧力是约156000-165000磅。

压紧保持外壳被设计为维持在双级板、DM、和催化剂层之间的期望接触压力。还已知在典型的操作载荷下发生对DM的有限量的压紧，不过，当过度的压紧载荷被施加到DM时，该力会通过在不期望的程度上使碳纤维断裂或使将碳纤维结合在一起的结合剂破裂而物理上降级DM。因此，通常期望在燃料电池堆的操作期间维持合适的压紧载荷并且提供期望的电阻，但是不超过期望的范围。压紧保持外壳通常包括数个联接在一起且协作以维持或保持在燃料电池堆上的压紧的部件。存在压紧保持外壳的许多不同的设计，每个都提供了相比其它而言的一个或多个特定的自称的优点。

传统的压紧保持结构设计关注刚性端板和拉杆的使用以应用和维持在燃料电池组件上的压紧力。要被压紧的多个燃料电池或燃料电池组件被设置在一对刚性端板之间。端板此后被通过拉杆压紧在一起，该拉杆延伸穿过或围绕端板并在端板上施加压紧力。而且，拉杆通常延伸超过端板的表面并由此增加了堆结构的体积。当堆结构利用围绕端板的外周分布的拉杆以在燃料电池组件上施加压紧力时，对拉杆的正确加紧以施加期望的压紧力可能是困难的。即，拉杆必须被以预定的方式加紧以试图在燃料电池组件上施加均匀分布的压紧载荷。不过，当每个拉杆被加紧时，由该端板施加的压紧载荷就变化，使得每个拉杆必须被反复地重新加紧多次以实现在燃料电池组件上的基本上均匀的压紧力。而且，拉杆通常延伸超过端板的表面并由此增加了堆结构的体积。

传统的燃料电池堆外壳使用螺栓连接以保持堆载荷。螺栓螺纹连接到端单元组件内部的铝铸件中，这给系统增加了显著的重量和体积。另外，因为零件与零件之间的组装后的长度不同，所以湿端单元的定位会变化，因此导致了在该成套设备的平衡方面的设计负责性，湿端单元是一个平台，下端单元、反应剂歧管和其余部分从该平台建立。可能需要滑配接头来容纳堆高度的变化。除了使结构难以对环境密封外，使用大螺栓接头还增加了与接头相关的故障模式。增加的组装时间和成本，以及增加的包装空间是传统设计的实际的应考虑因素。