具有波纹轮廓补偿结构的张紧带的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于燃料电池堆的张紧带、一种包括张紧带的燃料电池堆以及一种用于组装这种燃料电池堆的方法。

背景技术：

1、燃料电池用于通过电化学反应提供电能。为了提高可用功率，可以将多个燃料电池串联连接以形成燃料电池堆。每个燃料电池包括膜电极组件，该膜电极组件具有阳极、阴极以及将阳极与阴极隔开的质子传导膜，该质子传导膜涂覆有催化剂以促进电化学反应。此外，在燃料电池堆中，至少中央的燃料电池在膜的两侧设有双极板，以供应反应物以及必要时供应冷却剂。此外，气体扩散层用于将双极板中供应的反应物尽可能均匀地分布在催化剂涂覆膜的整个表面上。由于燃料电池的开路电压通常约为1伏（v），并且燃料电池装置的燃料电池堆的高压系统中的最大允许电压例如为330 v，因此330个膜电极组件、228个双极板和两个端板可以形成燃料电池堆。

2、组合在燃料电池堆中的多个燃料电池通常借助张紧元件以数吨量级的力压紧，以在催化剂涂覆膜上实现足够的接触压力，从而减少欧姆损耗，并避免因高压缩而导致所插入的密封件发生泄漏。被压缩的燃料电池的内阻取决于压缩力，压缩力具有使内阻达到最低的最佳值。

3、然而，应注意，在燃料电池堆运行期间会产生可能导致压紧力增大或减小的力。压紧力的增大由所使用部件的热膨胀、用于供应和分配反应物的压力以及所使用的膜在水合时的溶胀引起。

4、压缩力的减小可能由低温或温度降低时的负热膨胀引起，也可能由气体扩散层的沉降行为引起，这种沉降行为在燃料电池堆首次运行后出现，并随着使用时间增加，进而随着燃料电池堆老化而加剧。

5、文献ep 1 870 952 a2公开了根据权利要求1的前序部分所述的燃料电池堆，该燃料电池堆具有张紧带，张紧带具有波浪形或锯齿形轮廓的弹性补偿结构，其中，带端附接到燃料电池堆的下端板或在燃料电池堆的一侧连接。文献de 103 43 766 a1公开了波浪形或波纹形补偿结构的另一示例。

6、此外，燃料电池堆的组装可能具有挑战性，因为张紧元件需要以适当且均匀的方式预张紧，优选以节省成本并避免复杂机械元件的方式进行预张紧。均匀且受控地预张紧张紧元件最终可获得高效、高质量且寿命长的燃料电池堆。

技术实现思路

1、本发明所基于的问题是提供一种具有能够增大弹性范围和循环寿命的结构的张紧带、一种改进的燃料电池堆以及一种用于组装燃料电池堆的方法。

2、根据本发明的第一方面，该问题通过具有权利要求1的特征的装置来解决。本发明的有利实施例在从属权利要求中限定。

3、发明人提出了一种用于捆扎燃料电池堆的张紧带，其中，燃料电池堆被配置为经受预定的周期性尺寸变化，并且张紧带包括两个端部和弹性补偿结构，该弹性补偿结构能够补偿张紧带与物体的周期性尺寸变化相对应的预定长度变化，其中，在张紧带的张紧配置中，补偿结构的至少中央部分具有振幅a和周期l的周期性波纹轮廓。

4、发明人提出，在围绕波纹轮廓的最大转折点和最小转折点的第一区域中，轮廓的曲率比具有相同振幅a和周期长度l的正弦曲线轮廓在其最大转折点或最小转折点处的曲率小至少5%，替代地小至少10%或至少20%。

5、具有较高曲率的区域优选应占周期长度l的相当大的部分，特别是周期长度l的至少5%，优选周期长度l的至少10%。

6、根据本发明的张紧带优选为金属带，其具有预成形的波纹轮廓以及夹持结构、接合结构或端环等其他结构。

7、通过使用这种轮廓，带在最大值和最小值附近的局部曲率变化小于具有正弦曲线轮廓或锯齿形轮廓的已知带。考虑到弹簧钢材料的材料强化取决于弯曲半径或弯曲曲率，这种形状可确保弯曲强度更加均匀，而具有不均匀曲率的轮廓会导致不均匀的弯曲强度，其中强度较低的部分会在较低的阈值张紧力和/或较少的循环次数下表现出非弹性行为和/或疲劳。

8、在本发明的上下文中，表述“曲率”是指曲率半径的倒数。

9、在本发明的上下文中，表述“周期性”可以指引起周期性热膨胀/收缩循环的周期性温度变化，也可以指其他循环，例如高压罐的周期性填充和排空所引起的罐直径周期性膨胀。

10、此外，在本发明的上下文中，如果除连接各区域的小区段外均具有某些曲率值，则认为轮廓“基本上”由具有这些曲率值的区域组成，其中，沿带的形状测量时，这些小区段的总长度优选小于波纹部分总长度的10%，更优选小于波纹部分总长度的20%。

11、发明人进一步提出，在至少一个波纹轮廓的相邻最大转折点与最小转折点之间的第二区域中，曲率大于波纹轮廓的最大转折点和最小转折点处的曲率。

12、在本发明的优选实施例中，波纹轮廓可以表示为

13、

14、其中，l为周期性波纹轮廓的周期长度，h（x）为轮廓在其平均高度之上的高度，并且0.05≤a1/a0≤1。根据本发明的张紧带的轮廓不是完美的正弦形，而是包括不可忽略的高次谐波，特别是第一谐波a1，其特别地在燃料电池实际使用中出现的张紧力范围内有助于带的总弹性。

15、进一步提出，补偿结构的端部形成为包括最外侧部分，该最外侧部分成形为在约30°的角度范围内延伸的圆弧，其后为在约60°的角度范围内延伸的具有反向曲率的相邻部分。在本文中，“约”应理解为表示±10°的公差范围。

16、进一步提出，张紧带包括两个补偿结构，这两个补偿结构布置在彼此镜像对称的位置并具有彼此镜像对称的配置。

17、根据本发明的另一方面，发明人提出了一种燃料电池堆，其包括上端板和下端板、具有夹在端板之间的多个双极板的堆叠体、以及至少一个张紧带，其中，张紧带包括两个端部和至少弹性补偿结构，其中张紧带围绕包括上端板和下端板的整个燃料电池堆延伸。

18、提出的是，弹性补偿结构设置在张紧带的沿堆叠方向延伸的侧部中，并且端部布置并连接在燃料电池堆的上端板处或上方和/或下端板下方。通过在燃料电池堆的顶部闭合张紧带，由于对称张紧和摩擦作用，力将均匀地分布在各侧部上。在下端板下方闭合时同样如此。

19、根据本发明的另一方面，本发明提出了一种燃料电池堆，其包括上端板和下端板、具有夹在端板之间的多个双极板的堆叠体、以及至少一个张紧带，其中，张紧带包括两个端部和至少弹性补偿结构。

20、提出的是，弹性补偿结构沿堆叠方向延伸，并且端部连接到上端板和下端板两者。

21、优选地，至少一个端部包括形成为孔的夹持结构，该夹持结构被配置为与设置在上端板和/或下端板上的钩接合。与在燃料电池堆的顶部或下端板下方闭合张紧带的情况一样，以对称分布的方式设置多个张紧带和多个附接点有助于实现均匀、对称的力分布。

22、在根据本发明的燃料电池堆或张紧带的优选实施例中，张紧带在其侧部的顶部包括用于张紧机构的接合结构或夹持结构。

23、当端部通过焊接或压接进行连接时，可以实现节省成本且可靠的组装。

24、替代地，端部通过张紧机构进行连接。

25、本发明的另一方面涉及一种用于组装如上所述的燃料电池堆的方法。该方法包括以下步骤：将具有多个双极板的堆叠体夹在端板之间，在向燃料电池堆的上端板施加压力的同时拉动两个端部，以及将张紧带的端部彼此连接或连接到端板。

26、从以下对实施例和附图的描述中，其他特征和优点将变得显而易见。整个说明书、权利要求书和附图以具体实施例和组合公开了本发明的特征。本领域技术人员还会单独考虑这些特征，并将其组合成其他组合或子组合，以使权利要求所限定的本发明适合其需要或具体应用领域。