环形燃料电池

技术领域

本发明涉及燃料电池领域,特别是航空领域中的燃料电池，更具体地涉及燃料电池的结构。

背景技术

燃料电池通过电化学反应来产生电能。通常，燃料电池由发生电化学反应的电池堆形成。电池包括导管，各种流体、特别是电化学反应和冷却所必需的流体通过该导管循环。密封件安装在相邻的电池之间，以使导管密封。

燃料电池进一步包括两个端板，两个端板安装在电池堆的两侧，向两个端板施加载荷以夹持电池并使电池之间密封。

为了确保对电池的整个表面进行密封，需在电池的整个表面施加均匀的载荷，特别是通过本领域技术人员已知的牵引件(如拉杆)在电池的整个表面施加均匀的载荷。以已知的方式，端板的尺寸大于电池的尺寸，以提供高刚度，从而避免在压缩电池堆时端板发生弯曲变形,即在张紧牵引件时端板发生弯曲变形。然而，端板整体尺寸和重量都较大。

当前，为了产生更大的电能，通常采用包括数个电池堆的燃料电池。由于每个电池堆由端板进行压缩，因此燃料电池的整体尺寸和重量都增加，这是一个主要缺点。

因此，需要一种包括数个电池堆、整体尺寸和重量都较小的燃料电池。

发明内容

为此，本发明涉及一种包括多个电化学电池堆的燃料电池，该电池堆彼此串联以形成环形结构。

“环形结构”为中空的环形电池堆组件。这种环形结构可特别地采用中空的圆形或多边形结构。

借助于根据本发明的燃料电池，包括数个电池堆的燃料电池的整体尺寸由于燃料电池采用环形结构而得以减小，从而允许该结构中间的空间被释放。此外，串联结构的设置有利地允许首个电池堆与末个电池堆相接触。有利地，不再需要为每个电池堆使用端板。通过本发明，所述燃料电池的整体尺寸和重量均得到减小。

优选地，所述燃料电池包括多个模块，所述多个模块彼此串联以形成环形结构，每个模块包括两个端部件和安装在两个端部件之间的电化学电池堆。因此，所述燃料电池具有模块化结构，使燃料电池的维护操作容易。每个模块可被独立地更换。优选地，这些模块彼此相同。

优选地，每个模块具有固定装置，该固定装置与端部件连接，以将电池堆固定在两个端部件之间。这种固定装置便于以模块化的方式组装电池堆。换句话说，一个电池堆和两个端部件固定在一起后可形成一个模块，以完成电池堆的组装。这种固定装置虽然无法提供足够的压缩力来对电池堆的电池进行密封，但可避免电池堆解体。

优选地，每个端部件包括多个内导管，所述多个内导管被配置为允许流体在电池堆中循环。流体独立地在每个电池堆中循环，从而优化电池堆的循环。端部件执行第一压缩功能和第二流体连通功能，以实现流体的串联供应或并联供应。

根据第一实施例，多个模块直接串联。这种燃料电池因为是由可直接组装的相同模块构成，因此易于制造和组装。

优选地，每个端部件设有安装面和贴靠面，所述安装面与电池堆的其中一个端部相接触，两个端部件中的一个贴靠面和另一端部件的另一贴靠面相贴靠。所述安装面有利地实现了对电池堆的电池的压缩。

优选地，每个内导管开口于端部件的安装面和贴靠面，以允许流体在两个连续(即串联)的电池堆之间循环。因此，流体供应和排放对于数个电池堆是一致的，从而控制了电池堆的供应和排放系统的复杂性、整体尺寸和重量。

优选地，所述安装面和所述贴靠面以角度α成角度地间隔开，该角度为0.5°-60°。这种角度可使得燃料电池为环形。

根据第二实施例，所述燃料电池包括多个独立的中间件，每个中间件安装在两个连续的模块之间。优选地，每个模块具有两个彼此平行的端面。这种平直的或直线型的模块结构设计简单且费用低廉，这是有利的。环形形状有利地由中间件形成。

优选地，所述燃料电池包括夹持装置，该夹持装置安装在燃料电池的外围，以压缩电池堆。优选地，所述夹持装置向端部件和/或中间件施加直接载荷，以间接压缩电池堆。这样的设置允许对不同电池堆的电池进行均匀地压缩，并从而优化电池之间的密封。优选地，所述夹持装置与电池堆不直接接触，以避免对电池堆电池的压缩和对电池之间的密封造成干扰。有利地，所述夹持装置可施加朝向环形结构中心的压缩载荷(主要为径向的)，该压缩载荷被转换成与每个安装面垂直的压缩载荷，即沿堆叠轴线的压缩载荷。

优选地，所述夹持装置包括安装在环形结构外周处的捆扎带。优选地，所述捆扎带沿外围安装。因此，使用单个捆扎带即可压缩电池堆的电池，从而减小所需元件的数量并对整个电池堆提供均匀的压缩。

优选地，每个端部件包括安装槽，该安装槽被配置为与夹持装置配合。优选地，所述安装槽相对于所述环形结构的中心位于端部件的径向外表面上。所述捆扎带因此在夹持时被引导，以优化施加在环形结构上的压缩载荷。此外，困扎带向端部件施加压缩载荷，以避免对电池堆施加弯曲应力。

根据本发明的另一方面，所述燃料电池包括通过连接系统连接的第一电池堆和第二电池堆，该连接系统具有适于分别与第一电池堆和第二电池堆配合的两个安装面。优选地，所述安装面倾斜设置，并且优选地以1°-120°的交接角度间隔开。根据第一实施例，所述连接系统由两个端部件组成。根据第二实施例，所述连接系统由两个端部件和一个中间件组成。

因此，每个连接系统具有用于形成环形结构的角楔功能。有利地，通过角楔，可将传统的电池堆组装成上述的环形结构。交接角度允许设置环形结构的尺寸。交接角度越小，环形结构越大。相反，交接角度越大，环形结构越小。30°-90°的交接角度可在功率和整体尺寸之间取得良好的平衡。借助于本发明，可以通过使用合适的交接件来设定环形结构的尺寸，电池堆有利地保持彼此相同。

本发明还涉及一种制造如上所述的燃料电池的方法，所述方法包括：

-串联组装多个电化学电池堆以形成环形结构的步骤，以及

-夹持环形结构以压缩电池堆的电池的步骤。

借助于根据本发明的方法，电池堆通过环形结构的夹持而被压缩。这样使得可使用例如单个捆扎带对所有电池堆施加压缩载荷。此外，压缩载荷在整个电池堆中是均匀的。

优选地，该方法包括在组装时预先压缩电池堆的电池以将它们固定在一起的步骤。因此，每个电池堆的电池被固定在一起，这使得组装电池堆更容易。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

通过阅读以下仅以示例方式给出的描述，并且参考作为非限制性示例给出的附图，将更好地理解本发明，在附图中对相似的对象给出相同的附图标记，且在附图中：

图1是本发明的燃料电池的示意图；

图2是燃料电池第一模块的俯视示意图；

图3是图2第一模块的端部件示意图；

图4是形成连接系统的两个端部件的组件的示意图；

图5是具有端部件的第一实施例的第一模块示意图；

图6是具有端部件的第二实施例的第一模块示意图；

图7是安装在两个中间件之间的燃料电池的第二模块的俯视示意图；

图8是形成连接系统的两个端部件和中间件的组件的示意图。

具体实施方式

图1表示通过电化学反应产生电能的燃料电池1。

传统上，不同的流体通过在燃料电池1中循环以反应并产生电能。此反应主要为氧气和氢气之间的氧化还原反应。所述燃料电池1中供应有氧气和氢气。氧化还原反应还产生水，该水从燃料电池1排出。在优选实施例中，所述燃料电池1是高温燃料电池，其中由该反应产生的水为汽态。事实上，汽态水很容易排出，这将在稍后进行描述。

所述燃料电池1中还供应有冷却流体，以带走电化学反应产生的热能。该冷却流体是导热流体(诸如油或水)，该导热流体可与添加剂混合。

根据本发明，参照图1，所述燃料电池1包括多个电化学电池堆10，所述电池堆10彼此串联以形成环形结构。所述燃料电池1包括多个电池堆10和夹持装置30，所述多个电池堆10通过多个连接系统20彼此连接，所述夹持装置30与连接系统20相接以对各电池堆10的电池压缩。

每个电池堆10包括彼此堆叠的多个电池。由于电池堆10是相同的，为了清楚起见，现在将仅阐述一个电池堆10。

如图2所示，电池堆10中的电池沿着纵向轴线X1堆叠以形成电池堆。因此，电池堆10沿着轴线X1在其两端之间延伸。每个电池呈板状，并大体沿垂直于轴线X1的方向延伸。

一个电池包括两个电极，电化学反应发生在两个电极处并产生电能。为了进行上述反应，电池供应有不同的流体，尤其是氧气和氢气。该电池也被称为电化学电池。

电池包括穿过板的开口，也被称为“挖空”。不同电池的开口彼此对齐，以形成沿轴线X1纵向延伸的通道。密封件(图中未示出)安装在两个相邻的电池之间，并包括开口以对通道密封，同时允许流体被引导通过每个电池。当所述电池被压缩时，电池之间的密封件被压缩以密封通道。

在此示例中，电池堆10包括三个供给通道和三个排放通道，以使三种流体(氢气、氧气和冷却剂)分别在电池中循环。由氧化还原反应产生的汽态水有利地不需要通道来排放，这减小了电池堆10的复杂性并使得此排放变得容易。由于电池堆10的前述结构是已知的，因此在此不再赘述。

根据本发明，电池堆10彼此串联以形成如图1所示的环形结构。换句话说，所述燃料电池1的环形结构由分布在环形结构圆周上的多个电池堆10形成。换句话说，每个电池堆10与放置在电池堆10两侧的两个其他电池堆10连接，以实现串联。为了实现这种组装，连接系统20安装在两个连续的电池堆10之间。

在图1中，电池堆组件10形成多边形的环形结构。然而，电池堆10也可为弯曲的形状，此时表面上的每个电池的厚度是可变的，以形成圆形的外缘。在这两个实施例中，环形结构为中空的环形。因此，环形结构围绕该中空的空间形成封闭外壳。中空的空间可用于安装燃料电池1的其他装备，从而减小其整体尺寸。在下文中，为环形结构定义中心，并且相对于环形结构的中心定义术语“径向内部”和“径向外部”。

如图1所示，每个连接系统20安装在两个连续的电池堆10之间。每个连接系统20的结构和功能将在下列实施例更详细地进行阐述。

参照图1，所述燃料电池1包括多个第一模块M1，该多个第一模块彼此直接串联，以形成所述燃料电池1的环形结构。

如图2所示，每个第一模块M1包括两个端部件21和安装在两个端部件21之间的电池堆10。多个第一模块M1直接串联连接，所述端部件21还具有接口功能，以适应电池堆10的朝向。模块化结构可减少形成环形结构所需的元件数量。

如图1至图4所示，每个端部件21为楔形，并包括与电池堆10的一个端部相接触的安装面21A和与安装面21A相对的贴靠面21B,贴靠面21B用于与另一端部件21的另一贴靠面21B相贴靠。电池堆10密封地安装在两个端部件21的安装面21A之间。安装面21A沿垂直于电池堆10的堆叠轴线X1的方向延伸。如图3所示，在环形结构的横截面中，所述安装面21A和所述贴靠面21B以角度α成角度地间隔开，该角度α为0.5°-60°，优选地为15°-45°。

每个端部件21包括内部流体供应导管和排放导管。这些内导管允许氢气、氧气和冷却剂通过电池堆10的电池循环，以确保电化学反应得以正常进行。这些内导管与电池堆10的通道和/或流体供应板块连通。端部件21因此被密封地安装到电池堆10上，尤其是在所述端部件21和电池堆10之间安装有密封件，以允许在端部件21与电池堆10之间进行流体循环。

参照图5，根据第一实施例，每个端部件21具有在安装面21A(图中未示出)上开口和在贴靠面21B上于连通端口23中开口的内导管。当两个端部件21的两个贴靠面21B贴靠时，两个贴靠面21B的连通端口23对齐排列，以使数个连续的电池堆10的流体彼此连通。因此，流体供应和排放对于所有电池堆10是一致的。这减小了燃料电池1的流体入口和出口数量。所述电池堆10串联且流体连通。

根据第二实施例，参照图6，端部件21包括内导管，该内导管一方面在安装面21A上开口，另一方面在供给端口24中与安装面21A的垂直面上开口。此端部件21因此可参与电池堆10的流体供应和排出。此端部件21能够为燃料电池形成流体入口或流体出口。可替代地，利用此端部件21，每个电池堆10可被单独地供应流体。供应是分开的。因此，有利地，所述电池堆10可串联或并联地实现流体连通。

参照图4，当所述燃料电池1包括第一模块M1时，分隔两个电池堆10的连接系统20由两个相邻的第一模块M1的两个端部件21形成。如图2所示，两个端部件21的安装面21A允许两个连续的电池堆10以等于2α的交接角度成角度地间隔开。两个安装面21A分别沿与电池堆10的轴线X1、X3垂直的方向延伸。如稍后将阐述的，这有利地允许端部件21向每个电池堆10施加轴向压缩载荷，以使电池堆密封。

优选地，交接角度为1°-120°。交接角度用于设置环形结构的尺寸。交接角度越小，环形结构越大。相反，交接角度越大，环形结构越小。交接角度介于30°与90°之间可在容量和整体尺寸之间取得良好的平衡。借助于本发明，可通过使用适配的连接系统20来设置结构的尺寸，电池堆10有利地保持彼此相同。在该示例中，燃料电池1的内半径为35cm-40cm。

所述燃料电池1进一步包括固定装置，用于将电池堆10的电池保持在一起以防止电池堆分解。优选地，每个第一模块M1包括固定装置。如图1、图5和图6所示，固定装置为弹簧片40，当然，其他固定装置也是合适的，例如捆扎带或外拉杆。弹性固定装置是有利的，因为它们可以在夹持完成后发生变形。每个弹簧片40包括通过弹性部彼此连接的两个安装端。每个安装端安装在端部件21上，该端部件安装在电池堆10的一端。换句话说，弹簧片40安装于电池堆10两端处的两个端部件21上。弹性部被配置为在安装端被安装时发生变形，以沿着轴线X1施加压缩载荷。弹性部还被配置为当电池堆10被夹持装置压缩时发生变形，这将在稍后进行描述。换句话说，弹簧片40允许电池堆10的电池通过端部件21被预压缩，以将电池堆10的电池固定到位，从而完成对燃料电池1环形结构的组装。

如图5和图6所示，所述燃料电池1包括分别安装在电池堆10两侧的两个弹簧片40，以沿轴线X1均匀地压缩电池。优选地，每个弹簧片40设有凹槽，以允许热能、特别是由电池堆10产生的热能通过该凹槽排出。

根据本发明的一个方面，一个电池堆10、两个端部件21和将端部件21连接在一起的两个弹簧片40形成第一模块M1，该第一模块易于操作和组装。将多个第一模块M1连续组装以形成燃料电池1，这将在稍后进行阐述。

如图1所示，燃料电池1包括安装在燃料电池1外围处的夹持装置30，以将第一模块M1压缩在一起。换句话说，夹持装置施加载荷以间接压缩电池堆。这允许对不同电池堆的电池进行均匀地压缩，且因此优化电池之间的密封。优选地，所述夹持装置与电池堆10不直接接触，以避免对电池堆的电池的压缩和密封造成干扰。有利地，所述夹持装置向环形结构的中心施加压缩载荷(基本上是径向的)，该压缩载荷被转换成沿着每个电池堆10的轴线方向的压缩载荷。

参照图1，所述夹持装置为捆扎带30。所述捆扎带30可以传统方式围绕环形结构进行夹持。

如图5和图6所示，每个端部件21还包括安装槽25，用于安装和引导夹持装置。该安装槽25形成在端部件21的径向外表面上。因此，所述夹持装置30安装后与端部件21接触。所述夹持装置30不与电池堆10接触。这可避免电池堆10发生弯曲变形，这将在稍后进行描述。所述夹持装置安装在燃料电池1环形结构的外围处。所述夹持装置安装在端部件21的凹槽25中，以便在夹持时被固定到位并被引导。

有利地，由于每个端部件21被压缩加载并且不再弯曲，所以端部件21可由强度较低且较轻较便宜的材料制成。

作为夹持的结果，环形结构的直径被减小。由于每个端部件21为楔形，夹持力在端部件21上产生径向载荷，这形成与每个安装面21A垂直的压缩载荷。各个电池堆10的电池被压缩在一起，这具有压缩密封件的效果，从而完成对电池的密封。捆扎带30已经进行阐述，但毋庸置疑，夹持装置为任何其他形式，特别是皮带。

有利地，捆扎带30被配置为在操作燃料电池1时适应电池堆10的热膨胀，从而随着时间的推移保持电池被压缩。

根据图7和图8所示的实施例，所述燃料电池1包括多个模块M2和多个中间件，所述多个中间件彼此交替地安装以形成环形结构。为了清楚起见，模块M2被称为第二模块M2。

类似于上述，每个第二模块M2包括两个端部件21和安装在两个端部件21之间的电池堆10。

在该实施例中，端部件21不为具有倾斜的安装面21A和贴靠面21B的楔形。端部件21具有平行的安装面21A和贴靠面21B，从而降低其成本。

类似于上述，每个端部件21设有内导管，该内导管在安装面21A上和在贴靠面21B上开口。类似地，每个第二模块M2包括固定装置40，该固定装置连接端部件21，以将组件固持在一起。由于端部件21已经在前面进行阐述，因此在此不再赘述。

在该实施例中，参照图7和图8，中间件22呈楔形的形式，该楔形具有倾斜的两个面22A、22B，以适应两个不同的第二模块M2的朝向。此后，中间件22的两个面22A、22B之间形成的中间角度被称为Θ。与交接角度对应的中间角度Θ在1°与120°之间，优选地在30°与90°之间。

类似于端部件，中间件22设有内导管以与第二模块M2的流体连通，该中间件与该第二模块M2接触。

在该第二实施例中，端部件21具有更简单的结构，从而降低了制造成本。有利地，利用相同的第二模块M2，通过选择与中间角度Θ相适配的中间件22，可实现燃料电池的多个尺寸。

以下将对用于制造根据本发明的燃料电池1的方法进行阐述。

首先，将电池堆叠以形成电池堆10。为此，使用插入引导端口中的引导件将电池放置在彼此的顶部，从而使各个电池的开口对齐。

然后将端部件21安装在电池堆10的两端，并将弹簧片40安装到两个端部件21上，以预压缩电池堆10的电池。为此，每个弹簧片40的安装端被安装在端部构件21的缺口中。为了安装两个安装端，弹性部在安装端被安装时发生变形，这具有压缩电池的效果。所述电池堆10、两个端部件21和弹簧片40因此形成组件，该组件易于操作，且避免了电池分解。在将电池堆10安装到端部件21时，该电池堆和端部件的流体连通以实现流体循环。

为使第一模块M1形成燃料电池，将多个第一模块M1彼此直接连接，以形成燃料电池1的环形结构。两个连续的电池堆以角度2α成角度地间隔开。然后环形结构可用如前所述的捆扎带30进行夹持以压缩环形结构。

该径向载荷被传递给电池堆10以施加压缩载荷。因此，每个电池堆10沿其轴线被压缩，并且不会发生弯曲变形，从而确保了电池之间的密封。在夹持时，弹簧片40的弹性部发生变形，以允许电池被进一步压缩以将电池密封。所述燃料电池1与流体供应系统连通，特别是氢气、氧气和冷却剂供应系统。

为使第二模块M2形成燃料电池，将中间件22和第二模块M2交替安装，以改变电池堆10相对于彼此的倾斜角度。两个连续的电池堆以值Θ成角度地间隔开。中间件22和第二模块M2的流体连通，以允许流体循环。然后环形结构可用如上所述的捆扎带30进行夹持。

根据本发明的一个方面，如果连接系统20的尺寸不允许设置供应端口24，则可由流体供应模块代替环形结构的电池堆10。

各电池堆10的朝向不同的环形结构对于高温燃料电池是特别有利的。这是因为由反应产生的水蒸汽可很容易地从电池堆10排出，而不论电池堆10的方向如何。

优选地，所述燃料电池可以平坦放置，即在水平面上，靠近无人机的中心，该无人机的轴对称结构与电池堆的环形形状兼容。

对于纵向设备(例如飞行器或潜艇)，所述燃料电池可有利地放置在竖直平面中，以减小其在这种设备圆柱形结构中的整体尺寸。

有利地，环形结构中心的空间可被用于容纳其他装备，特别是与燃料电池(箱等)相关的装备，以控制连接部的长度并完成组件的紧凑装配。