燃料电池叠层总管用的保持系统 本发明的背景
本发明涉及具有外总管的燃料电池叠层，尤其是，涉及一种保持外总管与燃料电池处于密封关系的保持系统。
燃料电池是一种器件，它将来自燃料(例如天然气、生物气体、甲醇、柴油等)的化学能借助一种电化学反应直接地转换为电能。与蓄电池相似，一个燃料电池具有两个电极，一个阳极和一个阴极。与蓄电池不同，只要燃料和氧化剂分别地传送至阳极和阴极，燃料电池就产生电能。燃料电池超过比较传统的动力产生工艺(例如，内燃发动机发生器、燃气或蒸汽涡轮等)的主要优点，是燃料电池转换化学能为电能不需要燃烧燃料。因此，燃料电池的效率在热动力学上不受限制，不像热机那样受Carnot循环的限制。这样允许燃料电池基的系统以远高于传统的动力装置的效率工作，从而降低了燃料的使用量和副产品的排放。此外，由于在燃料电池内化学反应的可控制本性和较低的温度，此系统产生接近于零的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化氮和二氧化硫地污染排放。
燃料电池典型地排列为叠层关系。一个燃料电池叠层具有许多单独的电池，以及可以分类为内总管叠层或外总管叠层。在一个内总管叠层内，传送燃料和氧化剂用的气体通道建造在燃料电池板本身内。在外总管叠层内，燃料电池板在它们的两端保留开启，气体是借助密封在燃料电池叠层的相应的表面上的总管或盘来传送。因此总管提供了密封的通道，用于传送燃料和氧化剂气体至燃料电池，从而防止这些气体泄漏至环境或其它的总管。这些总管必须在燃料电池的工作以及对其寿命期要求的条件下，实现这种功能。
燃料电池叠层总管的性能的一个重要的方面，是在总管边缘和叠层表面之间建立的气体密封。由于叠层表面是典型的电导性的和沿着长度具有电位梯度，以及总管典型地使用金属制造，需要一个介电的绝缘子以绝缘总管与燃料电池叠层。由于介电的绝缘子典型地是用陶瓷制造，它倾向于发脆，必须采取仔细措施，如何使总管压紧顶住叠层表面，而又不损坏介电材料。
燃料电池叠层总管的另一要求与以下事实有关，当电池的部件在高温下蠕变和致密化时，典型地是一个燃料电池叠层会在其寿命期内收缩。对于一个高的燃料电池叠层，其总高度可能减少2-3in(英寸)，这就意味，连续的金属总管不能固定在叠层的顶面和底面两者上，而必须，代替地允许相对于叠层表面滑动。因此，使用保持系统，以压紧总管顶住燃料电池叠层，它必须保持适当的正常力，以防止气体泄漏，而又允许总管沿叠层表面滑动。此外，这个力不能太大，以致引起绝缘子损坏。
由于固有的不均匀的温度分布，高的燃料电池组还倾向于弯曲。在高温时叠层的顶面的水平偏移相对于叠层的底面可达到1-2in。这样增加另一负担给总管和保持系统，它们被要求按照弯曲的叠层挠曲，以保持紧密的气体密封。
燃料电池在环境温度以上温度工作(聚合物电解燃料电池“PEFC”：80℃；磷酸燃料电池“PAFC”：200℃；熔融碳酸盐燃料电池“MCFC”：650℃；固体氧化物燃料电池“SOFC”：1000℃)。因此，材料的选择和机械的设计必须允许部件能经受燃料电池叠层的寿命期(典型地为数年)。部件的应力和腐蚀必须结合这些部件的工作环境考虑。在MCFC和SOFC的情况下，在高温和足够长的寿命期内，必须在它们的设计中考虑金属部件的长期蠕变。
碳酸盐燃料电池叠层的主要用途的委托人使用的现有水平的燃料电池总管的保持系统具有刚性的机械元件和弹簧，它试图施加唯一的正载荷至总管的轨道上。这些部件是由高温耐腐蚀的材料制造的，比如镍基合金和不锈钢。片状弹簧用于传送刚性元件产生的拉伸至多处位置的总管轨道。这样做是为了提供在总管轨道下面尽可能均匀的压力。由于片状弹簧经受较高的应力水平，它们精巧地设计为带有紧密的尺寸公差，从而降低了应力和延长了寿命。
现在的设计使用大量的不同的零件，以便满足均匀地分布正载荷至总管的要求，以及允许叠层同时收缩和弯曲。选择的材料，几何形状的精巧，以及设计中大量零件的使用使它变得昂贵、笨重和难以安装。而且，现有的系统设计为完全独立于总管来工作，以及因此导致材料的繁杂，它增加了燃料电池叠层的价格、重量和复杂程度。
其它的燃料电池总管的保持系统分开于不同的专利中，现将这些专利号列于下面：
US 4,345,009 US 4,670,361 JP 6-129075
US 4,212,929 US 4,849,308 US 4,407,904
US 4,337,571 US 4,794,055
US 4,873,155 US 4,260,067 US 5,811,202
US 4,467,018 US 4,444,851
US 4,738,905 US 4,490,442
因此，本发明的一个目的是提供一种燃料电池叠层总管的保持系统，它没有上述的缺点。
本发明的另一目的是提供一种燃料电池叠层总管的保持系统，它价廉、较不复杂和容易装配。
本发明的另一目的是提供一种燃料电池叠层总管的保持系统，它更好地允许叠层弯曲和收缩。
本发明的另一目的是提供一种燃料电池叠层总管的保持系统，它重量较轻和导致更有效的气体密封。本发明的概述
按照本发明的原理，上述的和其它的目的可以在一种燃料电池叠层的总管保持系统中实现，它具有一组条带元件，用以保持叠层总管顶住相应的叠层表面。每个条带元件延伸越过总管的一定距离，以及一个连接组件，连接条带元件至燃料电池叠层。条带元件还适合于膨胀、收缩和滑动。以这种方式，条带元件可以保持总管顶住燃料电池叠层的表面，从而使可以调节由于温度改变和材料蠕变而引起的燃料电池叠层的几何形状的变化。
在下面公开的本发明的实施例中，每个条带元件连接至一个总管，围绕一个相邻的总管延伸，以及连接组件连接条带元件至叠层的相对的侧面。并且，在本实施例中，条带元件是弹簧加载的，以提供膨胀和收缩。此外，连接组件具有构架元件，用以支承延伸至越过总管的条带元件的长度，以及吊架组件和挂勾元件，用于保持条带元件的末端。这些部件中的某些固定地连接至总管，例如借助焊接，或者它们设计为总管本身的一部分。附图的简要说明
本发明的上述的和其它的特点和方面，可以通过阅读下列详细的说明并结合附图而明确地体现，其中：
图1-4示出按照本发明原理的燃料电池叠层包括燃料电池叠层总管的保持系统在内的各种视图；
图5示出跟随图1-4的燃料电池叠层总管的保持系统的某些条带元件的通道；
图6-8示出图1-4的燃料电池叠层总管的保持系统的条带元件的不同的末端的形状；
图9示出图1-4的燃料电池叠层总管的保持系统的吊架组件的一部分；
图10示出图1-4的燃料电池叠层总管的保持系统内使用的吊架组件的介电的界面；
图11示出图1-4的燃料电池叠层总管的保持系统用的条带元件的延伸和总管垫片的压力的预定的特性；
图12示出图1-4的燃料电池叠层总管的保持系统的改进。本发明的详细的说明
图1-4示出按照本发明原理的燃料电池叠层1，包括燃料电池叠层总管的保持系统100在内。燃料电池叠层1具有一组叠层的燃料电池，通过气体总管反应气体供给至叠层的燃料电池以及排放的气体由其排出。端板11和12也位于叠层的顶面和底面。
为了说明图1-4的燃料电池叠层，给出了三个总管21、22和23。这些总管分别为燃料入口和出口总管，以及氧化剂出口总管，以及位于邻接叠层表面2、3和4。第四总管为氧化剂入口总管，与第四叠层表面5连接，以及由一个容器提供，叠层插入在其中。容器在图中没有示出。
应该指出，本发明的原理很好地适用于具有全部的总管与相应的叠层表面邻接的叠层。此外，本发明的原理有意地用于具有任何数目的叠层表面和总管的叠层。
在所示的情况下，每个总管21、22和23通过顶面和底面水平的轨道以及左和右垂直的轨道和它们相应的叠层表面2、3和4邻接，每个总管的轨道要求保证在叠层1的各种工作条件下与相应的叠层表面有气体密封的界面。如图所示，总管21具有垂直的轨道21A和21B，以及水平的轨道21C，21D；总管22具有垂直的轨道22A和22B，以及水平的轨道22C、22D；以及总管23具有垂直的轨道23A、23B，和水平的轨道23C、23D。
虽然看不见，在每个总管轨道和它们的相应的叠层表面之间有一个绝缘子。这些绝缘子电绝缘总管与叠层，以及它们的完整性必须在实现总管和叠层的表面之间的气体密封时保持下来。
按照本发明的原理，叠层总管的保持系统100具有条带元件101和连接组件200。条带元件101保持总管21、22和23与叠层表面为密封连接，以及连接组件200连接条带元件101至叠层1。
每个条带元件101延伸越过相应的总管的一段，以及适合于膨胀、收缩和滑动，以调节叠层几何形状的变化，这种变化是由于叠层的工作条件导致的。以这种方式，条带元件101可以施加一个希望的压力顶住总管21、22和23的水平的和垂直的轨道，从而密封轨道顶住叠层表面，而仍保持介电绝缘子的完整性。
在所示的说明的情况下，燃料电池叠层1是矩形的，这就是说，叠层表面4和5是等宽度b的，它大于叠层表面2和3的等宽度a，以及条带元件101仅围绕叠层的较短的表面2和3行进。这样减少了条带元件的长度，以及因而减少了因超时而引起的条带元件内的蠕变。再者，条带元件101不仅保持周围的总管21和22在原位，也保持总管23。尤其是，6个条带元件101沿着每个总管21和22的长度分布。再者，每个条带元件101具有一部分延伸越过相应的总管的宽度，以及每个条带元件101具有端段101A和101B。
每个条带元件可以设计为多丝索(缆索)或者夹层平带，或者能保证所需的柔软性的围绕总管和相对于其滑动的任何其它元件。为此目的，每个条带元件101可以套装在柔性的陶瓷管内(编织)，以便减少条带元件和它的支承表面之间的摩擦，以及防止腐蚀碎片由条带元件落入周围的环境。代替地，条带元件可以镀一层适当的高温耐腐蚀的涂层。
条带元件的滑动功能有利地允许当燃料电池叠层的热膨胀和收缩导致叠层的周边改变时，围绕总管的条带的延伸的程度可以增加和减少。尤其是，被条带元件占据的通道长度的变化，已通过条带相对于总管的相对的滑动充分地考虑。以这种方式，希望的载荷可以施加至全部的总管，而与叠层的温度无关。
为了允许每个条带元件101膨胀和收缩至相应的长度或程度，每个条带元件是弹簧加载的。更具体地说，每个条带元件101在其端部101A设置一个弹簧组件102。弹簧组件102保持其相应的条带元件101紧密，以及设计为在高温时施加正确的载荷，以达到希望的总管压力，以顶住叠层表面处的介电的绝缘子。再者，可以理解，每个弹簧组件由于系统的热膨胀在条带元件通道的长度上引起差别，以及当热收缩或其它效应，比如在高温时材料蠕变，也会引起条带元件内的松弛。
在公开的实施例中，如由图6所见，弹簧组件102具有压缩的螺旋弹簧102A。弹簧102A在端段101A处相对于相应的条带元件处于围绕的关系，以及其一端与止动元件102B连接。止动元件102B也围绕条带元件的端段101A，以及固定至其末端上。一个第二止动元件102C位于弹簧的另一末端上，以及也围绕条带元件的端段。
如图所示，止动元件102B和102C是垫圈，并且止动元件102C是自对准垫圈。每个垫圈的球形允许它枢动，以造成一个小的条带角度的偏差，它是由于制造和装配变化而引起的。也可以使用圆柱形或其它曲线形状。与此相似，弹簧102也可以使用其它类型的弹簧。例如，也可以使用拉伸的、V形的、扭转的和片状的形状。
再者，重要的是每个条带元件101可平行于其相关的弹簧排列。这样可保证没有横向的载荷施加，它可能引起弹簧倾倒，以及还保证高的弯曲应力不会施加至条带的末端。
供每个条带元件101围绕其相应的总管前进的通道取决于在总管的轨道上希望的压力分布。在本实施例中，在总管的全部面积上希望有均匀的和相等的压力。这种情况是，对于施加压力至总管的垂直轨道的条带元件，也就是对于位于最顶部的和最底部的条带元件之间的条带元件，这些条带元件是这样前进，使与相邻的总管的垂直的轨道相邻的条带元件断面与相关的叠层表面形成45°角度。这样导致条带的拉伸对全部的垂直的总管轨道相等地分布。尤其是，施加在每个垂直轨道上的力等于乘以条带元件内的拉伸。
条带元件前进时施加压力至水平的轨道，即围绕一个总管的最顶部的和最低部的条带元件，另一方面，应以相关的相邻的叠层表面的宽度尺寸比限定的角度前进。这种情况示于图5。
对于图1的叠层，其相邻的叠层表面具有宽度尺寸a和b，即对于带有一个矩形轨迹的叠层，由较短表面测量的角度等于较短面的宽度a相对于较长面的宽度b比率的反正切。这个角度也示于图5，它允许条带元件内的拉伸在较短的和较长的水平的总管轨道之间分开，从而达到相等的密封压力。由图还可以理解，对于等长度的叠层面，那带有方形轨迹的叠层，其前进角度θ＝45°。
为了使条带元件101能够按照上述的方式保持总管21、22和23就位，连接组件200具有构架元件201，吊架组件203和挂勾元件204。每个构架元件201具有上弯曲段201A和脚柱元件201B。每个吊架元件203具有包带元件203A，它在其每端带有一个弹簧支承耳形元件203B。
构架元件201延伸越过相应的总管21和22的宽度。挂勾元件204连接至总管23的垂直的轨道23A和23B。希望，构架元件和挂勾元件与其相应的总管制成整体的。此目的可以借助构架元件和挂勾元件与总管的焊接实现。代替的方案是，构架元件和挂勾元件可以设计作为相应的总管整体件的一部分。
如图7和8更清晰地示出，总管的水平的轨道23C和23D具有狭槽202A，以及挂勾元件204具有狭槽204A，用于捕捉末端101B，即相关的条带元件101的死端。这些条带元件101随后前进越过构架元件201的弯曲段201A。每个构架弯曲段201A的曲率是这样的，可使实现上述的条带元件101的希望的前进，以达到在总管的轨道上实质上相等的恒定的压力。
尤其是，每个弯曲段201A具有圆扇形的曲率。以这种方式，每个条带元件可以在一个正切点处离开弯曲段201A，它使条带元件101在经过上述的相邻的叠层表面时具有希望的角度，如以上所述。
如同上述，每个条带元件101的死端101B被捕捉在挂勾元件204的狭槽或水平的轨道23C或23D的狭槽内。
条带元件的这些死端设计为枢动，以造成条带角度小的偏差，它是由制造和装配的变化而引起的。这个目的的实现是借助死端制成圆柱形的，虽然其它的形状，比如球形也可以使用。
条带元件101的弹簧组件102被放置到燃料电池叠层的表面5和支承在这里。尤其是，为了支承弹簧组件102在它们正确的位置和取向，而又保持与叠层面电绝缘，使用上述的吊架元件203。
更具体地说，每个吊架组件203的包带元件203A跨越叠层的表面5的宽度。此外，每个包带元件203A以及其相应的弹簧支承耳形元件203B(它支承弹簧组件102)，设计成这样(见图6)，在所有载荷条件下弹簧组件是正确取向的，以及没有横向的加载或转动施加至与吊架组件203连接的介电的组件205上。
介电组件205的较充分的讨论见下文，以及它使弹簧支承耳形元件与叠层表面5绝缘和允许相对于叠层表面5滑动。为了实现此点，每个弹簧支承耳形元件203B制成足够牢固，使在载荷下不会大量变形。此外，由弹簧支承耳形元件的弯膝部至包带元件203A的高度h的选择要保证沿弯膝部为零力矩。
特别是，如图9所示，高度h是取自条带元件101至支承耳形元件203B的弯膝部的长度1除以条带元件与相邻的叠层表面形成的角度的余弦(如图9中的角度θ所示)。这种几何形状保证了在弹簧支承耳形元件与介电组件的接触点处的零力矩，从而使弹簧保持正确的取向和放置包带元件203A在纯拉伸状态。这样依次又允许包带元件203A制成较薄和较轻的。
如同上述，每个弹簧支承耳形元件203B借助使用介电组件205与燃料电池叠层表面5电绝缘和允许相对于燃料电池叠层表面5滑动。如图10所示，每个介电组件205具有第一和第二陶瓷背板205A和205B。这两个陶瓷背板被位于其间的陶瓷织物205隔离。
在本实施例的情况下，一个陶瓷背板205A连接至弹簧支承耳形元件的弯膝处，而另一个陶瓷背板固定至叠层表面，以及陶瓷织物位于其间。当叠层收缩时，叠层与耳形元件之间的相对移动产生在陶瓷织物平面上。这个平面保证了低的摩擦面，并且没有腐蚀和熔化。
可以理解，最顶部的和最底部的条带元件101，以及相关的构架元件201和吊架组件203施加希望的均匀的载荷压力至总管21和22的水平的轨道。为了使总管23的水平的轨道接收类似的保持压力，它们必须设计具有足够的刚性，使其在工作压力时的载荷下不会有大的变形。
作为保持条带101的死端用的水平轨道23C和23D形状的代替方案，水平轨道可以制成平的和拉伸条具有狭槽202A用以捕捉条带元件101的死端，它可以位于轨道的对面。这些拉伸条可以借助下列两种技术之一成形为能提供轨道的均匀的加载。一种技术是考虑每个拉伸杆机加工，以给予适当的型面，从而使在组件挠曲时拉伸条施加均匀的压力。第二种较简单的技术，是在每个拉伸条下面放置特定厚度的填隙片，从而使拉伸条挠曲，在条挠曲后在每个填隙片下面产生均匀的压力。
可以理解，在燃料电池叠层保持系统100内最高应力的部件是柔性的条带元件101和弹簧102A。为了使这些部件具有合理的重量和价格，它们必须设计为具有较高的应力。由于燃料电池叠层1的高温和长寿命期，条带元件101的长期蠕变和弹簧102A的松弛必须考虑和设计在保持系统内。
发展了一种数学模型，它结合条带元件101的高温蠕变，弹簧102A的松弛以及全部部件的热膨胀，以便优化条带元件和弹簧的设计，以及在叠层寿命期内提供适当的总管垫片(介电的绝缘子)压力。根据此模型，绘制出一条显示在叠层寿命期内预定的条带拉伸和总管垫片压力的曲线，以及示于图11。
材料在高温时的蠕变是随着温度和应力水平按指数增加的一种非线性现象。这种事实有利地使用于保持系统100。由于弹簧和条带元件的排列，两种部件的蠕变成为自限制的过程(见图11)。由于每个条带元件蠕变，弹簧的挠曲减少，以及随后条带元件和弹簧内的应力也减少。当弹簧松弛时，施加在条带元件上的载荷也松弛，从而减少了两个部件的蠕变速率。借助正确地选择条带元件和弹簧的几何形状，以及规定开始的弹簧挠曲，在燃料电池叠层的整个寿命期保持了适当的介电的绝缘子的压力。在叠层寿命期的开始阶段要求较高的压力，以保证在叠层装运时总管不会向下滑动。一旦安装之后，压力仅需足够防止气体泄漏。
图12示出图1-4的燃料电池叠层的保持系统的另一代替的实施例，其中总管24作为氧化剂入口总管，位于邻接燃料电池叠层1的表面5处。总管24通过垂直的轨道24A、24B和水平的轨道24C、24D邻接叠层表面5。
在本实施例中，弹簧支承耳形元件203B是与总管24制成整体，或者是借助焊接，或者是在总管成型时整体制成。因此弹簧支承耳形元件203B可以支承弹簧组件102，而不需要包带元件203A和介电组件205。
在所有情况下应该理解，上述的排列仅是代表本发明用途的许多可能的特定的实施例是说明性的。在不脱离本发明的精神和范围的条件下，根据本发明的原理多种改变的排列可以容易地设想出来。