燃料电池模块、燃料电池系统以及制造燃料电池模块的方法与流程

1.本发明大体上涉及燃料电池模块和包括多个燃料电池模块的燃料电池系统。


背景技术：

2.在燃料电池堆和燃料电池系统的现有技术的开展中，包装和集成是关键挑战之一。传统或现有技术的堆栈技术采用如下配置：该配置包括被夹于一对双极流场板之间的mea；对于本领域技术人员而言这普遍被称为电池单元。电池单元因此被以串联的方式堆叠在一起构成电池单元组件。电池单元的组件因此被夹于一套压缩硬件与介质平板(或在某些情况下具有集成介质平板的压缩硬件)之间，以形成燃料电池堆。由于单独零件的对准和在固定介质平板和压缩硬件时保持对准的能力，在高产量下该单元的装配会带来挑战，这样的挑战取决于针对最终堆栈配置所确定的电池单元的数量。


技术实现要素：

3.根据第一方面，提出了一种燃料电池模块，其具有形成燃料电池堆的多个燃料电池。燃料电池模块包括了围绕燃料电池堆的壳体。壳体包括底部组件和顶盖组件。在一些实施例中，壳体具有盒状外形。底部组件包括夹套，夹套至少部分地与堆形架构适形以提供内部对准功能，并包括与燃料电池堆压力接触的底板。顶盖组件包括与燃料电池堆压力接触的压缩板。在一些实施例中顶盖组件包括介质引导元件。底部组件和顶盖组件具有渐进式锁定系统以对燃料电池模块提供一定范围的压缩压力。
4.在本发明的背景下，具有带有渐进式锁定系统的壳体还可以被称作“餐盒状”壳体。
5.为将整体堆栈组件简化并降低成本，本发明提出一款新颖的壳体。在一个实施例中，壳体包括与堆栈结构适形的底部成型组件，以提供内部对准功能。
6.该组件的固定可通过渐进式锁定系统实现，该锁定系统中的锁定阶段被选择以提供一定范围的压缩压力。在一些实施例中，渐进式锁定系统提供多个锁定阶段。该多个锁定阶段包括至少一个向燃料电池堆提供预压缩(即，小于全压缩)的锁定阶段，以及至少一个向燃料电池堆提供全压缩的其他锁定阶段。
7.全压缩可被定义为一种压缩，其中单个燃料电池和燃料电池模块的接触电阻是最小化的。如果在所施加的压缩压力范围内考虑，则在完全压缩时，燃料电池堆的性能通常会表现出最大电压值。全压缩通常可以指0.2mpa至2mpa的值。
8.预压缩可被定义为一种压缩水平，在这个水平上，堆栈以氢气为基础是密封的。在本公开内容的背景下，预压缩可以相当于全压缩的一部分，例如5％到120％之间的值。通常，预压缩可以是介于5％和30％之间的值。高于全压缩值的100％的压力也可被设置为预压缩，尤其是在储存和运输期间。
9.在使用过程中，当发生化学反应时，燃料电池堆会发生膨胀，例如，由于h2o的产生，并且在堆叠方向上需要更大的体积。术语“堆叠方向”是指与堆叠元件的主要尺寸相垂
直的方向，堆叠元件可以包括双极板和mea。堆栈高度和堆叠元件的数量是指堆叠方向。堆叠方向与底部组件和顶盖组件嵌套的方向相同。底部组件和顶盖组件相互靠近或远离的相对运动可能发生在堆叠方向。在一些实施例中，当燃料电池堆在使用过程中增长时，渐进式锁定系统在底部组件和顶盖组件之间提供了恢复力的增加。因此，即使体积增加，燃料电池堆中化学反应的物理条件也可以保持恒定。
10.类似地，在温度从-30℃到80℃变化的情况下，取决于环境并考虑到燃料电池模块的启动和运行模式，燃料电池堆可能在壳体内膨胀和收缩。壳体允许燃料电池堆横向膨胀和收缩，其作用是使燃料电池堆的压缩压力保持一致并减少燃料电池堆的机械应力，否则将伴随着热膨胀。
11.在内部，在一个实施例中，底部组件，例如下方固定板可以适配位移以允许当堆栈部件基于多种物理现象膨胀和收缩时保持该堆栈的压缩压力一致，这些物理现象对本领域具有公知常识的技术人员是熟知的。
12.在一些实施例中，顶盖组件包括用于与夹套适形接合的外周的夹套部分。在一些实施例中，渐进式锁定系统包括在夹套部分形成的第一锁定元件。第一锁定元件可包括弹簧元件、棘齿元件或与之类似的。
13.因此，外壳的第二个元件是顶盖组件，其在本发明的背景下也被理解为顶盖系统。顶盖系统具有凸起的集成压缩板，并且在一些实施例中具有一个局部夹套。在一些实施例中的压缩板或是替代实施例中的夹套包括锁定系统，该锁定系统会使底部壳体夹套锁入顶部的顶盖系统。顶盖系统将跟随外部夹套的对准参考线并且在接合时其自身还可能提供额外的对准参考线。
14.在一些实施例中，渐进式锁定系统包括接合棘轮杆的弹簧结构，优选地是板簧结构。在一个实施例中，弹簧结构(优选地为板簧结构)被提供在顶盖组件处，并且棘轮杆被提供在夹套处。可选地，弹簧结构(优选地为板簧结构)可被提供在顶盖组件处，并且棘轮杆可被提供在夹套处。
15.板簧结构可以包括至少一个板簧。在一些实施例中，板簧结构包括布置成链状的多个板簧。板簧结构可以是鱼骨架的形状，板簧为鱼骨的形状。
16.在一个实施例中，弹簧结构，优选地是板簧结构，被布置或固定在一个滑块上，提供调节燃料电池模块的压缩压力的能力。在替代的实施例中，棘轮杆被布置在滑块上，提供调节燃料电池模块压缩压力的能力。滑块的线性运动可以实现夹套和顶盖组件相对于彼此的位置可调，从而允许壳体的一定范围的压缩压力。
17.在一个实施例中，棘轮杆包括多个具有滑动部分的突起。顶盖组件相对于底部组件的位移转化为板簧结构中至少一个板簧在滑动部分上的滑动运动。板簧在一个方向上的滑动导致恢复力的增加。板簧在另一个方向上的滑动导致恢复力的降低。通过板簧结构的弹簧力，从而提供了压力自调节壳体。
18.在替代的实施例中，渐进式锁定系统包括提供在顶盖组件和夹套中的一个处的弹簧组件。该弹簧组件与提供在顶盖组件和夹套中的另一个处的第一导轨相接合。与第一导轨接合的弹簧组件使得夹套和顶盖组件之间能够进行线性运动，从而使夹套和顶盖组件能够相对于彼此相对定位，从而使壳体有一定范围的压缩压力。由于弹簧力的作用，提供了压力自调节壳体。
19.在一个实施例中，夹套具有带口袋的矩形横截面。特别地，底部组件的夹套的每一长边上可有一个口袋。这些口袋为容纳渐进式锁定系统提供了空间。顶盖组件的夹套部分可具有规则的矩形横截面。锁定系统因此可以被夹于口袋中夹套和顶盖的夹套部分之间。
20.在一些实施例中，夹套提供了至少三个、优选地至少四个对准区域用于在组装时进行堆栈的对准。这些对准区域中的至少一个，优选地为两个、三个或四个对准区域可以形成安装通孔，以用来将燃料电池模块连接到外部支撑结构的。因此，在组装时使用的对准区域可具有第二种功能，即作为装配到支撑结构的孔。
21.在一个实施例中，加湿装置、传感器和/或控制器被集成到壳体中，用于监控燃料电池模块和/或功率转换装置运转。
22.在内部；底部安装板或顶部顶盖(或二者皆有)，包括了从壳体的外部介质接口至内部的电池单元集的介质通路以连接氢气、空气和冷却液体。其中的介质端口和接口在一个实施例中可能被设计成为了最小化在堆栈部件时产生的对准公差问题提供定位重叠。
23.该外部介质接口将会集中在电池壳体处或围绕电池壳体分布。
24.在一个实施例中，该壳体是箱形的。顶盖组件包括用于向燃料电池模块供应和排出压缩空气、反应物和冷却剂的外部连接装置。外部连接装置可被布置在箱形的壳体的同一侧。燃料电池堆可进一步连接到集电器接线片，该集电器接线片可在与外部连接装置相同的一侧离开壳体。
25.在一个实施例中，外部介质接口实现集中化使得已装配的“餐盒”壳体可连接至集成介质背板，从而允许将多个“餐盒”壳体连接成一组共有的歧管装置，用于氢气、空气和冷却，固定的安装位置以及共有电源集取。在一个实施例中，电源集取可通过公共总线实现，而在另一个实施例中则通过将一系列分离的总线连接至一个功率转换装置而实现，该功率转换装置集成到背板中或单独安装至背板上。
26.在一个可替代的实施例中，壳体的介质接口被设计成将壳体如乐高积木块般拼接在一起的方式，并且他们的连接形成集成介质背板。每个壳体可以包括集成被动加湿、循环冷却流的外夹套、集成了适配于壳体中单独堆栈中单独电源的功率级别的功率转换装置，和能应对多个单元的独立燃料电池控制器。当壳体与壳体间形成连接时，壳体内的介质路径可被配置为级联格式或可替代地为歧管，该歧管平行连接至单独的壳体单元内包围的每个堆栈。
27.所提出的解决方案为管路和接口的最少化创造了条件，改善了系统的可保养性，为堆栈提供了更紧凑并简化的包装方式，并为堆栈(在运转前实现的最终全压缩之前)的稳定的预压缩创造了条件。
28.根据本发明的另一方面，提出了一种具有至少一个、优选地为2至20个燃料电池模块的燃料电池系统，其中燃料电池模块如上所述被提供。燃料电池模块连接到集成背板，该集成背板具有一个分配系统，用于向燃料电池模块供应和排出压缩空气、反应物和冷却剂。集成背板还可提供燃料电池模块的电流收集。
29.因此，还提供了一种简化的模块化连接系统，该模块化、可扩展的低成本燃料电池系统能够适配功率级从低至1kw或2.5kw或10kw，并且到可能高达超过600kw。
30.基于上述“餐盒状”燃料电池模块概念，提出了一种集成背板。在本公开的上下文中，集成背板或被集成的背板可被理解为一种支撑结构。
31.该集成背板提供了插入式概念，其中“餐盒状”壳体插入集成背板的介质耦合。该集成背板包括集成的空气和冷却通路；并在一些实施例中包括集成的氢气通路。
32.该背板可以是一个整体单元或其自身可为模块的形式装配以测算可能的模块连接的数目。背板应提供进入的空气和冷却剂流体以及将用过的流体收集并提取至离开背板的接口，该接口连接至周边环境或连接至燃料电池系统必须被连接至的其他子系统，诸如车辆散热器。
33.在一个实施例中，当进入和离开的空气流被容纳于集成背板中时，该背板可以包括集成加湿器或一系列的集成加湿器。这(多)个集成的加湿器会根据其物理原理工作并被集成为一体以确保这些(已被本领域具有公知常识的技术人员熟知的)功能已被满足。
34.该背板将包括用以集成进汽车底盘的安装点，并且在一些实施例中该背板将包括一个耦合接口，在该耦合接口处可被连接上压缩机、冷却泵/散热器出口和/或氢气箱出口/低压调节阀门。
35.在一些实施例中，压缩机输入口可直接位于后方最接近的模块，在一些实施例中该压缩机可直接集成于背板上。在所有的实施例中，压缩机的数量可少至一个或多达集成模块总数的两倍。
36.氢气供应连接可通过中心歧管实现，该中心歧管与模块通过固定端口连接，并且还在一些实施例中，中心歧管与模块通过硬管或软管连接实现。
37.该集成背板可以包括集成总线系统，该集成总线系统用以将所有单独的模块连接在一起，并且在替代的实施例中，可能将功率转换装置直接集成到背板之中使得功率转换设备获得来自每个模块的输入并在这些模块之间进行功率平衡。
38.背板中的每个模块可具有中央控制器单元，或在一些实施例中，可将单个的控制器单元集成到背板之中并将子控制器集成到子模块中，当引入新模块时可提供拓展性和适配性功能。
39.该集成背板可呈平面布局的形式展开，其背面可被置于任何方向。
40.在所有的实施例中，堆栈的方向可被调整以使得单独模块的方向可被调整以实现首选方向为重力方向。
41.在所有的实施例中，各个模块与背板为固定的连接以最小化管道和/或直接连接的长度，从而最小化总系统中的压力损失。
42.模块控制器(以及一些实施例中背板内的集成控制器)既可被配置成在模块中实现负载平衡，又可被配置成可选择地启用或停用特定的模块，并将后者配置中的方法结合到一些具有流体旁通的实施例中，以在停用时将模块内的流体转移，从而最大化每个模块的整体性能和耐久性。
43.根据本发明的另一个方面，提出了一种制造燃料电池模块的方法。该方法包括以下步骤：
[0044]-将多个mea单元和双极板堆叠在由夹套包围的可移动中心安装板上，可移动中心安装板提供动力，以使夹套在堆叠时提供对准，
[0045]-随着组装过程中堆叠的mea单元和双极板的高度增加，升高夹套或降低中心安装板，
[0046]-当中心安装板与对准的夹套相接于固定点时，将中心安装板锁定到位，中心安装
板和夹套从而形成底部组件，以及
[0047]-通过渐进式锁定系统将顶盖组件连接到底部组件以形成围绕燃料电池堆的壳体。
[0048]
通常情况下，用于电流收集的端板可以堆叠并且将形成堆栈的顶部和底部。
[0049]
术语mea单元是指形成mea(膜电极组件)的一个或多个结合或非结合的元件。mea可以包括一层或多层，其中包括第一气体扩散层(gdl)、阳极、阳极催化剂、聚合物膜(pm)、阴极催化剂、阴极和第二气体扩散层(gdl)。通常地，mea将包括所有这些层，并且在本发明的上下文中，预组装的mea也被理解为“mea单元”。本发明决不局限于任何类型的燃料电池。
[0050]
因此，倘若例如一个预组装的mea被堆叠起来，则mea单元的堆叠可能涉及单个方法步骤。倘若来自mea的单个元件被一个接一个地堆叠起来，则mea单元的堆叠可能涉及多个步骤。
[0051]
与夹套固定后的中心安装板形成底部组件的底板。
[0052]
在一些实施例中，在装配过程中，中心安装板供应了动力使得壳体的外部夹套在堆栈装配时提供对准，并且在装配过程中堆栈高度增加时该夹套也随之升高。在升至最高处时，底部平板与对准的外部夹套在固定点相接并且就位锁止。
[0053]
因此，每个mea单元或双极板都可以被放置在同一位置。这确保了当前的mea单元或双极板可以精确地平放在前一块板之上，例如由机器人或机器人手臂来完成。组装时间比起如果用机器人手臂从底部组件的底部到底部组件的顶部填充堆叠元件的时间更短。更为有利的是，该过程可容易地通过目视检查以及照相机等进行自动控制。
[0054]
在一个实施例中，在将顶盖组件连接到底部组件时，预压缩以夹持力的形式被施加到渐进式锁定系统以在低于最终压缩压力的情况下固定堆叠组件。因此，在接合时，顶盖系统会通过锁定系统，插入底部夹套或与底部夹套结合以施加少量的预压缩将整个堆叠的组件固定到位；该压力将不会是燃料电池的最终压力而仅是保持稳定的夹持力，该夹持力用于(为了预装配和保存已装配的壳体直至需使用时的目的)保持对准并且保持堆栈稳定性。
[0055]
该方法被理解为用于生产上述燃料电池模块。因此，应当理解，关于燃料电池模块所公开的特征也公开了关于该方法的特征，且反之亦然。
[0056]
本发明的进一步的方面
[0057]
在燃料电池系统的现有技术中，传统控制架构依赖于使用位于空气、氢气、加湿、和冷却循环中的一系列传感器。还包括了更多的传感器用以监控堆栈，并且这些传感器既可集成在堆栈中又可位于堆栈部件的外部。所有的这些传感器与控制电脑结合使用，该控制电脑从传感器获得输入值，既使用经验模型，又使用半经验模型，又或是使用一系列预加载的查询表，以判断出对应燃料电池系统中控制器合适的输入响应值(用以调节输入流中的氢气、空气、冷却液或加湿量)。
[0058]
一般来说，由于系统中大量的传感器，现有技术的燃料电池控制架构是昂贵的，并且由于其在处理程序预定范围之外的运行状态时缺乏适应性，现有技术还非常死板。此外，为了在(燃料电池系统可能遭遇的)最广范围的潜在运行场景下表现出该堆栈运行的范围，该传统类型架构的系统存在开发成本负担，因为它们需要大量的努力、时间、和试验样品。
[0059]
为了解决燃料电池系统控制架构现有技术解决方式的短板，同时还降低燃料电池
总体成本——提出了一种自我学习，基于人工智能的燃料电池控制系统。该系统淘汰了绝大多数的传感器因此降低了成本并且引进了使用一种自我学习，人工智能的算法以提供高度适应性和优化，其直接基于燃料电池系统受到的操作环境和所需工作周期。
[0060]
仍然需要控制系统并提供对空气、氢气和冷却循环调节控制器的输入的能力。为了提供控制功能，低成本的电压监控被应用于该堆栈中。
[0061]
集成电压监控可通过使用被集成到板面槽位的低成本金属销钉接头而实现，而在另一个实施例中是通过集成无线传感器或将无线射频识别(rfid)标签集成到流场板而实现的，并且，在另外的方法中，是通过使用被粘接剂固定在堆栈外部边缘的ro(roll-on)电压传感器实现的，该电压传感既可通过测量外界场实现又可通过直接接触传导材料实现。
[0062]
为进一步赋予控制架构自我学习和人工智能的能力；一种具有高频测量能力的装置可能被集成到系统的控制板或dc-dc转换器上。该具有高频测量能力的装置为对涉及堆栈内材料水化过程的频率反应谱进行原位采样创造了条件。
[0063]
对于燃料电池的运行，理解输入和响应行为至关重要，并且在现有技术中，这是通过使用许多传感器和一系列的底层模型和/或查询而实现的。然而，其中堆栈及单独电池状态的最直接响应事实上是堆栈和电池各自的电压。堆栈和电池电压对燃料电池堆运行时的当前运行状态或占空比提供了直接的一对一响应；然而，基于基础物理机制的复杂性，解读响应的能力尤其复杂且无法被轻易的解卷积。
[0064]
为实现减少或淘汰系统中的传感器并使自我学习、人工智能的控制系统成为可能，需要了解电池压力、总堆栈压力和堆栈水化过程的当前状态。使用以上概述的用于收集基于电池的压力和高频电阻的描述，提出了一种用于自我学习、人工智能的控制架构。
[0065]
具体地，在控制侧的不同波形的使用可以用来对用于空气、氢气、冷却、和加湿(如有包括)循环的各个控制器的输入信号进行干扰。该干扰可在相应的循环上单独实现或通过使用不同干扰频率同时在所有的循环中实现。在对循环的控制干扰中，将收集电池压力、堆栈压力、和高频响应。电池电压和堆栈电压的响应然后被用来确定该响应在提升性能方面是否是正面的或对降低性能是否是负面的。
[0066]
采集高频电阻是用来判断与固定运行位置连接的水化过程状态以使系统水化过程可被控制从而避免干涸和溢流。此外，在譬如零度下运行的状态中的启动和关闭时，水化过程状态可与电池压力结合使用以调整运行状态。
[0067]
基于单独改善或总体改善，得到最佳的干扰方向，并且重复冲程以便系统稳定于对于该一系列运行需求和条件而言最优的配置点。
[0068]
进一步地，可应用本领域具有公知常识的技术人员常见的多种形式的整体优化和局部优化算法以实现同样基于干扰的优化。当优化过程完成，人工智能系统跟踪并监控运行位置、预设条件、以及最终的优化性能。该跟踪包括在燃料电池控制单元内本地存储，并且还可包括将该数据上传至中央数据库或是本地化数据库，以使燃料电池控制器(但同样包括其他全球或区域地燃料电池控制器单元)引用访问。
[0069]
通过使用存储的数据，人工智能系统可学习并且应用该数据，随着时间的推移强化优化，随着老化的过程跟踪并控制堆栈反应以调整系统循环输入行为，从而最大化堆栈寿命，并且最小化围绕中心运行位置(而非边缘边界位置)必须的干扰，以此为实现更轻负荷监控和干扰创造了条件。
[0070]
通过利用单元间的连接，无论是直接的或通过云端或是通过中心化数据库；单独的单元能够通过使用由其他单元的人工智能控制器学习到的控制算法反应被优化，因此无论是在本地、区域、或是全球皆建立集体或蜂群优化。
[0071]
使用自我学习，人工智能控制系统还提供了淘汰或最小化了本领域必须的工厂验收测试和/或堆栈调整，因为干扰和学习算法本质上就是动态的人工智能优化控制单元。这为系统在最初堆栈磨合或调整期间基于逐步变化的电池反应进行现场调整和控制行为创造了条件。在将燃料电池堆部署到期望的应用之前，淘汰或最小化堆栈工厂验收测试和/或堆栈调整导致燃料电池系统总成本极大的降低。
[0072]
在一些变体中，自我学习的人工智能算法可被用于优化性能或最小化性能降级速率；或在混合模式下，优化和平衡基于混合值的优化。因此该学习算法也可通过选择运行状态来负责生命周期优化，该运行状态基于电池和/或基于堆栈最小化单位时间下的性能降级速率。
[0073]
与本发明或本公开的上述“方面”之一相关的上文中公开的每个特征应被理解为也与本发明或本公开的其他“方面”的公开相关，并且可根据本发明的其他“方面”的其他特征结合使用。
附图说明
[0074]
参考附图可更好地理解本发明及其特征。然而，以下对附图的描述不应理解为对本发明的限制，本发明一般由权利要求书所定义。
[0075]
图1为根据本发明的一个实施例示出的餐盒状壳体的透视图；
[0076]
图2为根据本发明的一个实施例示出的餐盒状壳体的横截面；
[0077]
图3和图4提供了具有集成背板的系统以及布置于其上的餐盒的透视图；
[0078]
图5为根据本发明的一个实施例示出的燃料电池模块的透视图，前景为顶盖组件；
[0079]
图6为图5所示燃料电池模块的截面图；
[0080]
图7为图5所示的燃料电池模块的顶盖组件的截面图；
[0081]
图8为图5所示的燃料电池模块的顶盖组件在介质歧管区域水平处的截面图；
[0082]
图9是由燃料电池堆、电流集取装置和图5的燃料电池模块的底部组件所构成的组件的分解图。
[0083]
图10是图5所示的燃料电池模块的底部组件的透视图。
[0084]
图11是图5所示的燃料电池模块的底部组件的俯视图。
[0085]
图12是图5所示的燃料电池模块的底板的俯视图。
[0086]
图13是图5所示的燃料电池模块的底部组件的截面和透视图。
[0087]
图14是根据本发明第二实施例的燃料电池模块的底部组件的截面和透视图。
[0088]
图15是从下方描绘的底部组件的透视图。
[0089]
图16是图5的燃料电池模块的带有棘轮杆的顶盖组件的截面和透视图。
[0090]
图17是图5的燃料电池模块的具有板簧结构的底部组件的透视图。
[0091]
图18是图5的燃料电池模块的具有板簧结构和棘轮杆的底部组件的分解透视图。
[0092]
图19是图5的燃料电池模块的具有板簧结构和棘轮杆的底部组件的透视图。
[0093]
图20是根据本发明的第三实施例的填充有燃料电池堆和燃料电池模块的弹簧组
件的底部组件的透视图。
[0094]
图21是图20的第一导轨的示意图，具有直线分段和楔块。
具体实施方式
[0095]
在下文中，本发明的实施例根据附图进行更具体的描述。这些实施例不是用来理解成限制本发明的主旨。未在附图中示出的许多改进和结合对于本领域具有公知常识的技术人员基于其技术知识看来是显而易见的。
[0096]
在附图中，同样的参考标记被用来识别相同元件或具有相似功能的元件。如果可能，重复性的语句被避免。
[0097]
图1描绘的餐盒状壳体具有一套用于外部棘齿、进排口以及外部电子连接的可能的实施例。
[0098]
图2描绘了餐盒状壳体的横截面，示出了一个可能的实施例，该实施例用于内部压缩和进排口接头、堆叠部件的对准功能、以及用于u型流布置的端口配置。
[0099]
该堆叠布置的一个实施例于图3和图4中示出。图3和图4示出了如集成背板堆叠和插入概念下的餐盒布置和进排口的前视图和后视图
[0100]
图5以透视图示出燃料电池模块10。所示燃料电池模块10的前侧由顶盖组件30形成，与未示出的底部组件20一起形成燃料电池模块10的壳体14。
[0101]
纯粹作为示例，燃料电池模块10被设计成立方体形状，以便能够在安装空间中实现空间节约和模块化安装，例如，用于安装车辆的驱动单元的空间，如机动车、巴士、卡车等。
[0102]
外部连接装置70被布置在立方体燃料电池模块10的单侧，如图6至图8中所更详细描述的优选地位于压缩板32的一侧。外部连接装置70安排在箱形、纯示例性的立方体壳体14的同一侧，有利地通过与集成背板的插入式连接来实现，该集成背板可以，例如，向(多个)燃料电池模块供应和排放压缩空气、反应物和冷却剂。
[0103]
在图5中，外部连接装置70包括一个氧化剂入口74和一个氧化剂出口76，作为示例，它们在此形成在两个相对的侧面上，以允许u形通道通过燃料电池模块10或通过其中的燃料电池堆12(未示出)。
[0104]
例如，在不限制本发明的情况下，外部连接装置70还包括两个冷却剂端口78，其位于例如顶盖组件30前部的两个相对角落处，以允许冷却剂的u形通道通过燃料电池堆12。
[0105]
外部连接装置70还包括一个燃料入口80，举例来说，其位于顶盖组件30前部的另一个角落中，但这不限制本发明。附图标记82示出了一个喷射阀门通窗，并且附图标记84示出了通往清洗阀门的窗口，在该示例性实施例中，它们也位于顶盖组件30的前侧。作为燃料电池系统的阳极子系统的一部分，喷射阀门和清洗阀门的功能是对于本领域的技术人员来说是众所周知的，在此不必作更多赘述。
[0106]
此外，集电器接线片72穿过顶盖组件30前部各自的通孔71，使得与集成背板的连接能够同时实现电流的移除。
[0107]
在顶盖组件30的正面设有两个安装通孔86，用于将燃料电池模块10固定在集成背板上。在其他实施例中，可以有两个以上的安装通86存在，例如，三个或四个通孔86。当然也可以有代替安装通孔86的固定装置68，如螺栓、螺钉等，它们通过相应的对应物提供与集成
背板的机械连接。还应当理解的是，在燃料电池模块10处也可提供另外的元件，尤其是中心对齐装置或对准装置等。
[0108]
图6通过图5所示的燃料电池模块10的剖面图，描绘了燃料电池模块10的内部。
[0109]
壳体14包括参照图5描述的顶盖组件30和嵌套在顶盖组件30中的底部组件20。顶盖组件30和底部组件20通过此处未显示的锁定系统16的方式相互连接。锁定系统16将参照图16至20进行描述。顶盖组件30和底部组件20包围一个燃料电池堆12，该燃料电池堆12以已知方式由多个膜电极组件(mea)、双极板和端板形成。细节是本领域技术人员已知的。通常，一个双极板连接两个相邻的mea，双极板的负电极被设于第一个mea的氢气侧，正电极与另一个mea的氧气侧接触。双极板和mea的排列方式一直重复直至端板处，这导致单个电池的电压相加。
[0110]
在优选实施例中，提供具有双极板的燃料电池堆12，因为它们通常需要很少的空间。它们的高电流密度也是特别有利的。然而，这并不是要限制本发明。燃料电池堆12还可以包括单极基本单元，其中各个电池是相互电连接的。
[0111]
底部组件20包括一个夹套22，其具有例如四个圆周侧壁和一个底板26，其功能是用作第一压缩板。
[0112]
顶盖组件30包括一个夹套部分36，其具有围绕底部组件20中夹套22的四个圆周侧壁。顶盖组件30还包括压缩板32，作为一个额外的功能，其形成了一个介质分流区域。
[0113]
压缩板32和底板26被布置为彼此相对的。燃料电池堆12的双极板和mea，或单极板和mea分别被布置成与底板26及压缩板32基本平行。
[0114]
顶盖组件30和底部组件20的朝向彼此的移动意味着压缩板32和底板26朝向彼此的移动。压缩板32和底板26朝向彼此的移动导致了燃料电池堆12的压缩。燃料电池堆12的空间扩展相应地导致压缩板32相对于底板26在相反方向上相互远离的运动。槽部38的高度允许底部组件20相对于顶盖组件30移动。因此，能够对燃料电池堆12施加各种压力条件。通过准确地确定槽部38的尺寸，并在一些实施例中密封槽部38，能够避免底部组件20与顶盖组件30在接合面上的介质损失。
[0115]
压缩板32还包括参照图5描述的外部连接装置70，在剖视图中还示出了集电器接线片72、冷却剂端口78、氧化剂入口74的一部分和氧化剂出口76的一部分，以及清洗阀门通窗84和安装通孔86。在该示例性但非限制性实施例中，压缩板32不是完全块状的或实心的，而是包含了介质引导通道34，用于将介质从外部引导到内部，即燃料电池堆12。例如，图6中所示的介质引导通道34被分配给氧化剂入口74和氧化剂出口76，举例来说，笔直且垂直地穿过压缩板32。
[0116]
图7示出了贯通顶盖组件30的截面图，其中具有压缩板32的更多细节。压缩板32不仅从外部引导介质通过，而且能够使介质(流体)能够束状分裂、加宽或扇状化，并且分别地精确引导至燃料电池堆12(此处未示出)。这仅作为示例地可以在冷却剂端口78处视得，其在压缩板32外侧上的圆形连接区域被转移到一个加宽的区域(例如在此处具有矩形横截面)。因此，相应的介质引导通道34在整个压力板32的高度方向上不具有恒定的横截面。
[0117]
图8显示了从内部，即，从燃料电池堆12(此处未示出)的视角朝向压缩板32的俯视图。如前所述，顶盖组件30具有矩形的布局。附图标记13示出了燃料电池堆12的投影覆盖区，其被顶盖组件30所包含。
[0118]
在内部，压缩板32具有相应的用于外部连接装置70的开口，并且在本实施例中，氧化剂出口76和氧化剂入口74仍然具有与(参考图5所描述的)壳体14外部可见的相同的槽状矩形横截面。冷却剂端口78具有矩形横截面，可以更好地将冷却液分配给燃料电池堆12。在外部，如图5所示，冷却剂端口78被设计为用于软管连接器，这使得冷却剂可通过软管供应(例如这些软管布置在集成背板内)。此外，在该视角下可以看到用于集电器接线片72的槽状开口以及用于附接到集成背板的安装通孔86。燃料入口80和燃料出口81被设置在压缩板32的两个角落处。
[0119]
图9示出了底部组件20、燃料电池堆12和相关的端板73(集电器接线片72被焊接到其上)的分解图。燃料电池堆12的mea和双极板通常平行于端板73延伸。其中一个端板73位于底部组件20的底板26的区域之中，而另一个端板73位于底部组件20的开放顶部区域之中，其顶部被顶盖组件30的压缩板32包围，如参考图2所描述。集电片72向上突出至超出组合的组件，并且它们穿过压缩板32。端板73通常具有与双极板和mea相同的横向尺寸。堆栈12和端板73中的双极板和mea的形状基本上是矩形的，但包括各种凹槽和通孔。如本领域技术人员所已知的，通孔是用于引导介质。凹槽被设计成与底部组件20的夹套22中的相应凹槽形状正向配合。下文将结合图10至20更详细地解释这些凹槽的功能。
[0120]
图10示出了底部组件20的透视图。底部组件20的夹套22具有大致为矩形的横截面，在其长边侧具有两个口袋24。口袋24在内部占据了矩形横截面。此处所示实施例中的两个口袋24纯粹是示例性的，而并不限制本发明，并且相对于穿过底部组件20的中心轴线呈镜像对称。口袋24从底部均匀地延伸到顶部并略微偏离中心。口袋24为锁定系统16(参照图15至20所描述的)提供了外壳，此处未示出。
[0121]
图11显示了底部组件20的俯视图，参考标记13示出了燃料电池堆12的投影覆盖区。投影覆盖区13基本上遵循夹套22的投影覆盖区的形状，因此特别包括了口袋24。底部组件20提供对准功能，并且基本上与燃料电池堆12的形状相匹配。然而，燃料电池堆12的投影覆盖区13与夹套22的形状在一些对准区域28处有所不同。在本实施例中有四个对准区域28，然而，这不应该被理解为对本发明的限制。对准区域28也可以更少或更多，例如3个、5个或甚至更多个。仅作为示例，两个这样的对准区域28位于夹套22的角落中，并且还有两个对准区域28位于口袋24的区域中。在替代的实施例中，三个或四个对准区域28可以位于夹套22的角落中，或者三个或四个对准区域28位于口袋24的区域中。对准区域28被用于精确放置mea和双极板以形成燃料电池堆12。对准区域28可以具有双重功能，作为用于将元件安装到外部结构(如集成背板)的通道。
[0122]
图12示出了底板26的俯视图。可以看出，底板26的投影覆盖区与参照图11描述的夹套22的投影覆盖区完全对应。图11所示的对准区域28在底板26上设有安装通孔28，以便紧固件可以从外侧穿过底板26，跨过堆栈12并且最终朝向顶盖组件30的连接区。因此，燃料电池模块10可以通过四个固定装置68(例如螺钉)从底板26处有利地安装到集成背板。在口袋24的区域中，为图13中描述的保持装置27提供了一个凹口25。
[0123]
图13示出底部组件20的横截面，描述了夹套22的一部分和底板26的一部分。在图13所示的实施例中，底板26绕着圆周被焊接到夹套22上。在装配过程中，从底板26开始，mea和双极板被安置在彼此的顶部。
[0124]
提供有集电器接线片的保持装置27，该保持装置27与凹口25适形。保持装置27提
供与集电器接线片72的对准，尤其是在堆叠组装期间。
[0125]
图14示出了与关于图13所述实施例不同的实施例。图14中的实施例包括可移动底板26，其在mea和双极板的堆叠开始时被安置在夹套22的上部区域。在本公开的上下文中，可移动底板26也可被称为中心安装板23。随着堆叠通过组装而增长，取决于实施例，中心安装板23向夹套22的底部移动，或者夹套22相对于中心安装板23移动。这使得每个待堆叠的mea或双极板都能在同一位置被组装机器(例如机器人)处理。
[0126]
图15从下方示出了在底部组件20中堆叠了整个燃料电池堆12之后的情况。可以看出，相对于底板26，夹套22可能有多余的长度。多余的长度可以被激光切割并且底板26可以焊接到夹套22上以形成底部组件20。
[0127]
涉及可移动安装板23的技术能够实现燃料电池模块10的不同堆叠尺寸。一旦达到一个燃料电池模块10所需的堆叠尺寸，就可以用激光切割夹套22并且可以轻易地组装下一个。因此，生产线可适用于按需求将不同的堆叠尺寸组装到燃料电池模块10。
[0128]
图16示出了顶盖组件30的透视图，其中有四个棘轮杆60附接到顶盖组件30的夹套部分36，其中的三个被描绘了出来。棘轮杆60构成锁定系统16的一部分，用于将顶盖组件30固定在底部组件20上，这将在下文中详细描述。
[0129]
棘轮杆60彼此间隔一定距离布置。所示实施例中的每个棘轮杆60包括第二导轨63，其上附接有多个突起62。两个棘轮杆60被连接到夹套部分36的每一侧，使得突起62彼此面对。每个突起62包括一个滑动部分64和一个凸出部分66，该凸出部分66被安置在(相对于第二杆63而言)滑动部分64的远端处。
[0130]
图17示出了底部组件20，其中夹套22和锁定系统16的元件被布置在口袋24中。口袋24可以如上所述设计，即，相对于底部组件20的纵轴略微不对称，或者，可选择地彼此相对。
[0131]
在所示实施例中，锁定系统16的位于底部组件20之上的部分包括一个具有滑块18和板簧结构40的组件。滑块18可移动地布置在背板导向装置46中。背板导向装置46通过另外的固定装置68固定到底部组件20的夹套22。例如，背板导向装置46可以设计为具有“c”形轮廓的引导支架。下文将更详细地描述滑块18的技术功能。
[0132]
板簧结构40通过一系列的固定装置68附接到滑块18。在图17所示的实施例中，板簧结构40包括多个板簧44，它们可以刚性地或可绕枢轴旋转地附接到滑块18上。该实施例包括，例如，六个板簧44，每个都包括从固定部分43延伸出来的两个分叉部42。分叉部42朝向底板26弯曲。如果分叉部42被弯曲，则它们吸收弹性能量。在弯曲或扩张(这里：扩散)过程中，这些分叉部积累了恢复力。
[0133]
应当理解的是，关于图16和17所描述的锁定系统16的元件也可以以机械方式反向提供，即，带有滑块18的板簧结构40被分配给顶盖组件30，而棘轮杆60被分配给底部组件20。
[0134]
图18示意性地示出了棘轮杆60与板弹簧结构40的相互作用。应该理解的是，在该实施例中，棘轮杆60附接到顶盖组件30上，为了清楚起见，图18中未示出。将底部组件20与顶盖组件30组装在一起，棘轮杆60的突起62平行于底板26。
[0135]
可以看到的是，板簧结构40和棘轮杆60在尺寸上是匹配的，所以当分叉部42和突起62凑在一起时，分叉部42移至凸出部分66的后面并靠于滑动部分64之上。例如，板簧结构
40上的分叉部42的数量可以与棘轮杆60上的突起62的数量相当。另外，也可以提供比突起62更多或更少的分叉部42。
[0136]
在实践中，在安装燃料电池模块10之后，即，在将燃料电池堆12插入壳体14之后，底部组件20和顶盖组件30可以相对移动以建立一个预压缩阶段。图19示出了锁定系统16的第一锁定位置，其中对堆栈施加了这样的预压缩。至少一些分叉部42已经移至凸出部分66的后面。
[0137]
如果滑块18被推向底板26，分叉部42就会在棘轮杆60的滑动部分64上滑动。可以对燃料电池堆12建立更多的压力。移动滑块18可以对燃料电池堆12施加整个范围的压缩压力。
[0138]
在一些实施例中，滑块18可以通过顶盖组件上的开孔进入，这些开孔未在图中描述。可以通过使用工具将滑块18推向底板26。然后，底部组件20和顶盖组件30可以被更紧密地紧固在一起，以向燃料电池堆12提供全压缩。一旦就位，滑块18可以通过固定装置从下方固定。固定装置可以被提供为连接该位置的缆索系统。作为替代地，也可以使用固定螺钉、螺栓或焊接。
[0139]
在使用过程中，当发生化学反应时，燃料电池堆12会发生膨胀或热膨胀，并且在堆叠方向上需要更大的体积。底板26和压缩板32彼此错开。板簧结构40和棘轮杆60也相互移位。分叉部42被弯曲并积累恢复力，该恢复力增加了燃料电池堆12中的压力。在实践中，燃料电池堆12在操作过程中的动态体积变化可以通过锁定系统16中的弹性能量进行缓冲。
[0140]
具体地，板簧结构40可以是恒力弹簧，即使燃料电池堆12的体积增大，也允许用于化学反应的物理环境在燃料电池堆12中保持恒定。
[0141]
图20示出了具有第一导轨52的锁定系统16的替代实施例，该第一导轨52在口袋24和弹簧组件50的中间与夹套22一体地形成。在一些实施例中，第一导轨52可以在夹套22上可滑动地排列，其方式与关于滑块18的描述相同。
[0142]
在中央第一导轨52的左侧和右侧，图20中示出了相互连接的圆柱体部件54，以形成了弹簧组件50。弹簧部件被附接到顶盖组件30(图20中未示出)。顶盖组件30相对于底部组件20的位移导致了恢复力的增加或减少，这使得为燃料电池堆12进行动态压力调节成为可能。
[0143]
为此，第一导轨52包括如图21所示的楔块53。图21示出第一导轨52具有直线分段55和楔块53。虽然也示出了直线分段55，但在一些实施例中不需要直线段55。如果圆柱体部件54在楔块53上移动时，可以促进多个锁定阶段，该多个锁定阶段为燃料电池堆12提供了预压缩和全压缩。
[0144]
附图标记说明：
[0145]
10
ꢀꢀꢀ
燃料电池模块
[0146]
12
ꢀꢀꢀ
燃料电池堆
[0147]
13
ꢀꢀꢀ
燃料电池堆的投影覆盖区
[0148]
14
ꢀꢀꢀ
壳体
[0149]
16
ꢀꢀꢀ
锁定系统
[0150]
18
ꢀꢀꢀ
滑块
[0151]
20
ꢀꢀꢀ
底部组件
[0152]
22
ꢀꢀꢀ
夹套
[0153]
23
ꢀꢀꢀ
中心安装板
[0154]
24
ꢀꢀꢀ
口袋
[0155]
25
ꢀꢀꢀ
凹口
[0156]
26
ꢀꢀꢀ
底板
[0157]
27
ꢀꢀꢀ
保持装置
[0158]
28
ꢀꢀꢀ
对准区域
[0159]
30
ꢀꢀꢀ
顶盖组件
[0160]
32
ꢀꢀꢀ
压缩板
[0161]
34
ꢀꢀꢀ
介质引导通道
[0162]
36
ꢀꢀꢀ
夹套部分
[0163]
38
ꢀꢀꢀ
槽部
[0164]
40
ꢀꢀꢀ
板簧结构
[0165]
42
ꢀꢀꢀ
分叉部
[0166]
43
ꢀꢀꢀ
中心部分
[0167]
44
ꢀꢀꢀ
板簧
[0168]
46
ꢀꢀꢀ
背板导向装置
[0169]
50
ꢀꢀꢀ
弹簧组件
[0170]
52
ꢀꢀꢀ
第一导轨
[0171]
53
ꢀꢀꢀ
楔块
[0172]
54
ꢀꢀꢀ
弹簧部件
[0173]
55
ꢀꢀꢀ
直线分段
[0174]
60
ꢀꢀꢀ
棘轮杆
[0175]
62
ꢀꢀꢀ
突起
[0176]
63
ꢀꢀꢀ
第二导轨
[0177]
64
ꢀꢀꢀ
滑动部分
[0178]
66
ꢀꢀꢀ
凸出部分
[0179]
68
ꢀꢀꢀ
固定装置
[0180]
70
ꢀꢀꢀ
外部连接装置
[0181]
71
ꢀꢀꢀ
通孔
[0182]
72
ꢀꢀꢀ
集电器接线片
[0183]
73
ꢀꢀꢀ
端板
[0184]
74
ꢀꢀꢀ
氧化剂入口
[0185]
76
ꢀꢀꢀ
氧化剂出口
[0186]
78
ꢀꢀꢀ
冷却剂端口
[0187]
80
ꢀꢀꢀ
燃料入口
[0188]
81
ꢀꢀꢀ
燃料出口
[0189]
82
ꢀꢀꢀ
喷射阀门通窗
[0190]
84
ꢀꢀꢀ
清洗阀门通窗
[0191]
86
ꢀꢀꢀ
安装通孔