带拉紧装置的燃料电池堆制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种具有相互邻近布置的单体电池单元(14)的电池单元堆(12)和用于压缩电池单元堆(12)的拉紧装置(20)的燃料电池堆(10)。每个单体电池单元(14)具有两个电极层(16)和布置在电极层(16)之间的电解质层(18)。拉紧装置(20)包括从电池单元堆(12)的一端延伸到电池单元堆(12)的另一端的至少一个拉紧元件(22)。此外，燃料电池堆(10)包括用于将端板(38)压靠在电池单元堆(12)的一端上的至少一个压电致动器(40)。本发明专利技术还涉及一种用于操作燃料电池堆(10)的相应方法。

Fuel cell stack with tensioning device

The present invention relates to a cell stack (12) with a single cell unit (14) arranged adjacent to each other and a fuel cell stack (10) used for compressing the tensioning device (20) of a battery cell stack (12). Each monomer cell unit (14) has two electrode layers (16) and an electrolyte layer disposed between the electrode layers (16) (18). The tensioning device (20) includes at least one tensioning element (22) extending from one end of the battery unit stack (12) to the other end of the battery cell stack (12). In addition, the fuel cell stack (10) includes at least one piezoelectric actuator (40) for pressing the end plate (38) against one end of the cell stack (12). The present invention also relates to a corresponding method for operating a fuel cell stack (10).

【技术实现步骤摘要】
带拉紧装置的燃料电池堆
本专利技术涉及一种燃料电池堆，其具有彼此相邻布置的单体电池单元的电池单元堆和用于压缩电池单元堆的拉紧装置。本专利技术还涉及一种用于操作燃料电池堆的方法。
技术介绍
燃料电池堆通常包含多个单体电池单元，其彼此相邻地布置在电池单元堆中，并且其中化学能在每种情况下通过燃料与氧化剂的反应被直接转换成电能。每个单体电池单元又包括多个板或层，其中的两个被设计为电极。在电极之间设置电解质层。另外的层是例如用于气态燃料和氧化剂的均匀分布的气体扩散层，或用于相对于相邻单体电池单元划界的隔离层。在层或板的外边缘处的密封件防止气体和流体的不期望的渗出。根据化学反应，每个单体电池单元产生大约1伏的电压。在许多单体电池单元的堆叠布置的情况下，它们串联连接地操作，由此在燃料电池堆的端部产生相应高的输出电压。在燃料电池堆的操作期间，燃料和氧化剂在优选压力范围内的压力下被引入电池单元堆中。此外，燃料电池堆通常在高于环境温度的温度范围内运行，由于化学反应而发生额外的加热。因此，传统的燃料电池堆具有将各个电池单元彼此压紧的拉紧装置。拉紧装置在每种情况下包括在堆叠的两端处的端板。端板例如通过拉紧杠杆或拉紧带彼此连接并压缩电池单元堆堆栈。这防止燃料或氧化剂逸出并且由于各个电池单元的所有层或板之间的大面积接触而实现良好的导电性。为了避免损坏单体电池单元的密封件或单个层，拉紧装置还必须以尽可能灵活的方式实现燃料电池堆的热膨胀或收缩。为此，例如在一个或两个端板处，在拉紧杠杆或拉紧带和端板之间设置弹簧元件。通过该措施，确保即使在堆的收缩或膨胀期间，单体电池单元和包含在其中的层或板被以预定力压缩。专利申请US2002/0110722A1描述了一种燃料电池堆，其在电池单元堆和端板之间具有金属压力波纹管。压力波纹管可以由加压气体加载，并且代替弹簧元件来压缩堆栈。通过改变压力波纹管中的压力，可以快速和灵活地将压力调整到期望的值。在专利申请US2009/0246585A1中描述了用于压缩燃料电池堆中的单体电池单元的类似原理。在每个单独电池单元中的层之间设置有腔室，该腔室可以受到压力下的燃料的作用。周围的层或板通过腔室中的压力向外挤压。布置在刚性框架中的单体电池单元通过腔室中的压力被压缩。为每个单体电池单元提供可控阀以调节腔室中的压力。阀包括例如用于控制阀的压电元件。具有由弹簧元件预拉紧的拉紧装置的燃料电池堆的缺点在于，在操作之前指定取决于堆栈的膨胀的针对端板的压力，并且在操作期间不再调整。此外，弹簧元件在燃料电池堆的使用寿命期间可能变得疲劳，由此可能在单体电池单元中或之间发生气体泄漏或有缺陷的电接触。在具有在单体电池单元中的压力波纹管或压力腔室的燃料电池堆中，也可以在运行期间调节用于压缩堆的压力。然而，为此目的，压力波纹管或每个单体电池单元需要可变压力阀和相应的控制。这导致燃料电池堆的结构更复杂且易于故障。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种燃料电池堆和用于操作燃料电池堆的方法，其中避免或至少减少上述缺点，特别是为了压缩电池单元堆进行的可靠且不复杂的压力调节在操作期间也是可能的。根据本专利技术，该目的通过具有相互邻近布置的单体电池单元的电池单元堆和用于压缩电池单元堆的拉紧装置的燃料电池堆来实现。在此，每个单体电池单元具有两个电极层和布置在电极层之间的电解质层。拉紧装置包括至少一个拉紧元件，该拉紧元件从电池单元堆的一端延伸到电池单元堆的另一端。燃料电池堆还包括至少一个用于将端板压靠在电池单元堆的一端上的压电致动器。除了电极层和电解质层之外，根据本专利技术的燃料电池堆的单体电池单元可具有另外的板或层，例如用于燃料和氧化剂的均匀分布的气体扩散层(GDL)，用于相对于相邻单体电池单元划界的隔离层，用于防止燃料、氧化剂或电解质流体逸出的密封层。单体电池单元的层或板特别地以夹层状方式布置并且可以在边缘处被密封件包围。根据本专利技术的燃料电池堆包含例如质子交换膜燃料电池或本领域技术人员已知的其它电池单元类型作为单体电池单元。在本文中，氢气或气态烃如甲烷优选用作燃料，氧气用作例如氧化剂。单体电池单元优选地以夹层式方式相互邻近地布置，使得形成各个电池单元的电串联连接。为了向单体电池单元提供燃料和氧化剂并且排出反应产物，燃料电池堆还包括适当设计的管线或通道。拉紧装置包括例如一个或多个拉紧螺栓、一个或多个拉紧带、框架或这些元件的组合来作为拉紧元件。拉紧装置尤其确保在不同的热膨胀的情况下单体电池单元的电池单元堆的柔性保持和压缩。为此，在根据本专利技术的燃料电池堆中，至少一个压电致动器作用在设置在电池单元堆一端处的端板上。压电致动器包含例如压电晶体、压电陶瓷或这些材料之一的单个元件的堆叠。压电材料根据施加的电压呈现不同的体积。根据施加的电压，压电致动器更大或更小程度地作用在端板上。端板优选具有对应于或类似于电池单元堆的横截面并且用于将由压电致动器产生的压力均匀分布到电池单元堆的端部的区域。在此，至少一个压电致动器优选地通过拉紧元件保持在适当位置。用于操作燃料电池系统的本专利技术的燃料电池单元堆特别适合于移动应用，例如用于在机动车辆中产生电能。通过至少一个压电致动器，可以以灵活和非常精确的方式调节用于压缩电池单元堆的针对端板的压力。有效地防止了由老化对拉紧装置的影响引起的压力不足和由此产生的泄漏。同样，有效地避免了在电池单元堆的高热膨胀的情况下由于太高的压力导致的对单体电池单元或密封件的损坏。根据本专利技术的优选实施例，在各种情况下，在电池单元堆的两端分别设置端板和用于将端板压靠电池单元堆的相应端部的至少一个压电致动器。例如，压电致动器布置在两个端板中的每一个处，使得其压力区域在平行于电池单元堆的纵向轴线的轴线上抵靠相应的端板。因此，压电致动器沿着平行于电池单元堆的纵向轴线的轴线压缩两个端板。因此，这里的电池单元堆的压缩可以从两端对称地进行。通过与仅在一端具有压电致动器的燃料电池堆相比，由于压缩而导致的单体电池单元的可能的或必然的位移更均匀地分布在整个电池单元堆上。根据本专利技术的另一有利实施例，在一个端板处设置多个压电致动器。优选地，在每种情况下为端板的多个区域中的一个设置一个压电致动器。例如，四个压电致动器中的一个可以布置在矩形端板的每个拐角处。根据一个实施例，在每种情况下在两个端板处设置多个压电致动器，特别是四个压电致动器。因此，端板的不同区域以及因此电池单元堆的不同纵向区域可以由不同的压力作用。因此，例如可以补偿在操作期间由于加热差异导致的电池单元堆的横截面上的不均匀的热膨胀。通过在端板的各个区域处产生相应的压力，可以有效地防止由不同热膨胀引起的电池单元堆相对于纵向轴线的弯曲。在根据本专利技术的燃料电池单元堆的一个实施例中，优选地提供杠杆机构，通过该杠杆机构，至少一个压电致动器作用在端板上。杠杆机构包括一个或多个杠杆，并且优选地设计成使得压电致动器的小的致动行程在端板处转换成更大的杠杆行程。例如，杠杆机构包括单侧杠杆，其中压电致动器布置在杠杆接头和杠杆的自由端之间，特别是在杠杆接头附近，并且杠杆端作用在端板上。优选地通过杠杆机构增加压电致动器的调节行程。作为该措施的结果，可以利用相对小体积的压电材料在端板处实现足够的调节行程。压电致动器可以以更紧凑和节省空间的方式设计。在根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池堆(10)，具有相互邻近布置的单体电池单元(14)的电池单元堆(12)和压缩所述电池单元堆(12)的拉紧装置(20)，其中每个单体电池单元(14)具有两个电极层(16)和布置在所述电极层(16)之间的电解质层(18)，所述拉紧装置(20)包括从所述电池单元堆(12)的一端延伸到所述电池单元堆(12)的另一端的至少一个拉紧元件(22)，以及所述燃料电池堆(10)包含用于将端板(38)压靠在所述电池单元堆(12)的一端上的至少一个压电致动器(40)。

【技术特征摘要】
2016.03.31 DE 102016205282.91.一种燃料电池堆(10)，具有相互邻近布置的单体电池单元(14)的电池单元堆(12)和压缩所述电池单元堆(12)的拉紧装置(20)，其中每个单体电池单元(14)具有两个电极层(16)和布置在所述电极层(16)之间的电解质层(18)，所述拉紧装置(20)包括从所述电池单元堆(12)的一端延伸到所述电池单元堆(12)的另一端的至少一个拉紧元件(22)，以及所述燃料电池堆(10)包含用于将端板(38)压靠在所述电池单元堆(12)的一端上的至少一个压电致动器(40)。2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中在所述电池单元堆(12)的两端在各种情况下设置有所述端板(38)和用于将所述端板(38)压靠在所述电池单元堆(12)的相应端部上的所述至少一个压电致动器(40)。3.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其中在一个所述端板(38)处设置有多个所述压电致动器(40)。4.根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池堆，其中设置有杠杆机构(41)，所述至少一个压电致动器(40)通过所述杠杆机构(41)作用在所述端板(38)上。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·斯株尔，乌韦·古森，阿努尔夫·斯庞海默，
申请(专利权)人：福特全球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US