用于燃料电池的可调式应力结构
阅读说明：本技术 用于燃料电池的可调式应力结构 (Adjustable stress structure for fuel cell ) 是由 林志嘉 黄靖颖 徐子轩 李钧函 吴佩蓉 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：一种用于燃料电池的可调式应力结构,包括一第一压力端板、第一组弹簧、第一组导引杆、一燃料电池、多个第一压力旋钮以及多个锁固件。燃料电池具有一第一电池端板和一第二电池端板。第一压力端板具有多个第一槽孔。第一组弹簧设置于第一电池端板与第一压力端板之间。第一组导引杆分别贯穿第一组弹簧并连接第一电池端板与该第一压力端板。多个第一压力旋钮设置于第一压力端板的该第一槽孔内与该第一组导引杆上方,通过调节该第一压力旋钮来调整该第一组弹簧的应力,使得燃料电池内部应力均匀分布。(An adjustable stress structure for a fuel cell includes a first pressure end plate, a first set of springs, a first set of guide rods, a fuel cell, a plurality of first pressure knobs, and a plurality of locking members. The fuel cell has a first cell end plate and a second cell end plate. The first pressure end plate is provided with a plurality of first slotted holes. The first set of springs is disposed between the first cell end plate and the first pressure end plate. The first group of guide rods respectively penetrate through the first group of springs and are connected with the first battery end plate and the first pressure end plate. The first pressure knobs are arranged in the first slot holes of the first pressure end plate and above the first group of guide rods, and the stress of the first group of springs is adjusted by adjusting the first pressure knobs, so that the internal stress of the fuel cell is uniformly distributed.)
技术领域
本发明涉及一种燃料电池组装模块，特别是有关于一种用于燃料电池的可调式应力结构。
背景技术
质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的关键零组件膜电极组(membrane electrode assembly，MEA)主要是有两个触媒层(阳极、阴极)，以及一个固态的高分子电解质膜组成。透过固态的质子交换膜来隔离阳极和阴极。而两个触媒层外侧分别贴附着多孔性气体扩散层，在气体扩散层外侧则是刻有流体通道的双极板。在阳极持续补充氢气，而阴极则持续补充氧气，于电极上发生氧化还原反应，质子通过电解质膜到达阴极，而电子则从阳极经过外接负载抵达阴极而完成电流回路，反应后的生成物水以及未反应的氢气与氧气则经由电极出口排出。传统组装燃料电池的制程是将所有组件包括，端板、集电板、单极板、双极板以及膜电极组堆栈而成。为了使燃料电池能够更为致密与轻量化，以提高其功率密度并利于各种产品的应用，对于下一代的燃料电池设计需求，已逐渐朝向轻薄短小的趋势发展。因为双极板占据了电池组大部分的体积与重量。所以，无论是以复合碳板或是金属板作为双极板的设计者，都会尽可能采取薄型板材以提升电池组的致密性与轻量化。金属双极板技术特色与优势在于流道一次成形，成本低廉且适合大量生产；机械性能高且气密性佳，可承受电池组装时强大压力而不破损；薄板材设计，其厚度可达0.08-0.2mm，大幅降低电池体积与重量，增加产品应用机会与竞争优势。
图1是现有技术的燃料电池模块的示意图。如图1所示，燃料电池模块1具有燃料电池2、上电池端板4、下电池端板6以及多个螺杆8。燃料电池模块1组装压力易在螺杆8锁合处累积较大应力，而造成上电池端板4和下电池端板6变形弯曲。除此之外，如何让电池内的电化学反应能够均匀进行而不发生局部热点，进而影响到电池的性能及寿命，燃料电池组装制程中的应力应变控制就是其关键。
为解决上述问题，因此需要一种用于燃料电池的可调式应力结构，应用此可调式应力结构，可以防止电池端板变形弯曲，且可控制燃料电池局部组装应力，使燃料电池内部应力均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃料电池的可调式应力结构，使用多个高弹性系数的弹簧、导引杆以及调节旋钮，来控制燃料电池组装应力，使燃料电池内部应力均匀，达到调整燃料电池内局部的组装应力。
本发明为达成上述目的提供一种用于燃料电池的可调式应力结构，包括一第一压力端板、第一组弹簧、第一组导引杆、一燃料电池、多个第一压力旋钮以及多个锁固件。该燃料电池具有一第一电池端板和一第二电池端板。第一压力端板具有多个第一槽孔。第一组弹簧设置于该第一电池端板与该第一压力端板之间。第一组导引杆分别贯穿该第一组弹簧并连接该第一电池端板与该第一压力端板。多个第一压力旋钮设置于该第一压力端板的该第一槽孔内与该第一组导引杆上方。多个锁固件用以固定该第一压力端板、该第一电池端板与该第二电池端板。通过调节该等第一压力旋钮调整该第一组弹簧的应力，使得该燃料电池内部应力均匀分布
本发明为达成上述目的另提供一种用于燃料电池的可调式应力结构的调控应力方法，包括以下步骤：测量该燃料电池的原始阻抗值；依据该原始阻抗值调整该压力旋钮；确认调整该压力旋钮后该燃料电池的阻抗值；以及确认调整该压力旋钮后该燃料电池的应力分布。
与现有的燃料电池模块比较，本发明具有以下优点：
1.使用多个高弹性系数的弹簧、导引杆以及调节旋钮，来控制燃料电池组装应力，使燃料电池内部应力均匀。
2.应用此可调式应力结构，可以防止电池端板变形弯曲，且可控制燃料电池局部组装应力，达到调整燃料电池内局部的组装应力，进而实现燃料电池内之电化学反应能够均匀进行。
附图说明
图1是现有技术的燃料电池模块的示意图。
图2是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构分解图。
图3是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构外观立体图。
图4是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的实施例2外观立体图。
图5是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的实施例3外观立体图。
图6是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的实施例4外观立体图。
图7是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的调控应力方法流程图。
其中，附图标记为：
1：燃料电池模块 2：燃料电池
4：上电池端板 6：下电池端板
8：螺杆
100、200、300、400：用于燃料电池的可调式应力结构
10：第一压力端板 20：第一组弹簧
30：第一组导引杆 40、70：燃料电池
50：多个第一压力旋钮 52：垫片
60：多个锁固件 42：第一电池端板
44：第二电池端板 46：多个穿孔
12：多个第一槽孔 82：多个第二槽孔
80：第二压力端板 90：第二组弹簧
96：第二组导引杆 98：多个第二压力旋钮
具体实施方式
本发明是使用多个高弹性系数的弹簧、导引杆以及调节旋钮，来控制燃料电池组装应力，使燃料电池内部应力均匀，达到调整燃料电池内局部的组装应力，进而实现燃料电池内电化学反应能够均匀进行。
实施例1：图2是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构分解图。如图2所示，用于燃料电池的可调式应力结构100具有一第一压力端板10、第一组弹簧20、第一组导引杆30、一燃料电池40、多个第一压力旋钮50以及多个锁固件60。燃料电池40用来将燃料中的化学能转换成电能，燃料电池40具有一第一电池端板42、第二电池端板44以及多个穿孔46，其中多个穿孔46是用来加强燃料电池40的固定用，在本发明中并非必要具有多个穿孔46。第一压力端板10具有多个第一槽孔12。第一组弹簧20设置于第一电池端板42与第一压力端板10之间。各该第一组导引杆30分别贯穿该第一组弹簧20并连结第一电池端板42与该第一压力端板10。多个第一压力旋钮50设置于该第一压力端板10的该第一槽孔12内与该第一组导引杆30上方。各个第一压力旋钮50与各个第一槽孔12之间分别设置有垫片52。多个锁固件60用以固定该第一压力端板10、该第一电池端板42与该第二电池端板44。
图3是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构外观立体图。如图3所示，本发明是通过调节该第一压力旋钮50来调整该第一组弹簧20的应力，使得燃料电池40内部应力均匀分布。
在实施例1中，在该第二电池端板44侧还可以包括第二压力端板(未图示)，该第二压力端板通过多个锁固件锁固。
实施例2：图4是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的实施例2外观立体图。如图4所示，用于燃料电池的可调式应力结构200是具有实施例1的用于燃料电池的可调式应力结构100的全部元件再加入以下元件，包括，一第二压力端板80、第二组弹簧90、第二组导引杆96以及多个第二压力旋钮98。第二压力端板80具有多个第二槽孔82。第二组弹簧90设置于该第二电池端板44与该第二压力端板80之间。各该第二组导引杆96分别贯穿该第二组弹簧90并连结该第二电池端板44与该第二压力端板80。多个第二压力旋钮98设置于该第二压力端板80的多个第二槽孔82内与第二组导引杆96上方。于实施例2中，多个锁固件60是用以固定该第一压力端板10、第二压力端板80、该第一电池端板42与该第二电池端板44。如图4所示，本发明是通过调节该第一压力旋钮50和第二压力旋钮98来调整该第一组弹簧20和第二组弹簧90的应力，使得燃料电池40内部应力均匀分布。
实施例3：图5是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的实施例3外观立体图。如图5所示，用于燃料电池的可调式应力结构300具有第一压力端板10、第一组弹簧20、第一组导引杆30、一燃料电池70、多个第一压力旋钮50以及多个锁固件60。用于燃料电池的可调式应力结构300的第一压力端板10、第一组弹簧20、第一组导引杆30、多个第一压力旋钮50、多个锁固件60、第一电池端板42、第二电池端板44，与实施例1中具有相同标号的元件为相同及等效的元件。本实施例3中用于燃料电池的可调式应力结构300与可调式应力结构100的差别在于，多个锁固件60是位于燃料电池70的外侧来固定该燃料电池70。
实施例4：图6是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的实施例4外观立体图。如图6所示，用于燃料电池的可调式应力结构400具有燃料电池70。本实施例4中用于燃料电池的可调式应力结构400与可调式应力结构200的差别是在于，多个锁固件是位于燃料电池70的外侧来固定该燃料电池70。
实施例5：图7是本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的调控应力方法流程图。首先，组装用于燃料电池的可调式应力结构100、200、300或400，如步骤S10所示。其次，测量燃料电池40的原始阻抗值，如步骤S20所示。然后，依据该原始阻抗值调整该压力旋钮，如步骤S30所示。然后，测量调整该压力旋钮后该燃料电池的阻抗值，如步骤S40所示。最后，确认调整该压力旋钮后该燃料电池的应力分布，如步骤S50所示。
本发明的该弹簧20、90是相同或不同弹性系数的弹簧。本发明的该第一压力端板10及第二压力端板80中至少一者的形状为X形，其形状并不限于此，其材质为铝合金、镁合金、钛合金或是塑钢，但不限于上述材料。本发明的燃料电池40或燃料电池70可以为单颗燃料电池或多颗燃料电池。
本发明的用于燃料电池的可调式应力结构的电池内部受压应力分析的设定与结果，以实际燃料电池组装进行压应力分析，在一般组装制程中，使用万能试验机给予燃料电池一个均匀的组装压力，组装完锁固件后，再将组装压力移除。
电池内部受压应力分析的设定：
1.透过燃料电池内部应力监测反馈，来验证本发明可调式应力结构提升电池内部应力均匀分布之效果。
2.由于燃料电池形状对称，因此采取对于1/4区域进行分析，而且将此1/4区域分成九宫格，在每个格子内放入对应的压力感测器以监控压力变化。
电池内部受压应力分析的结果，如下表所示：
1.具有本发明可调式应力结构之燃料电池内部压应力提升2倍以上。
2.具有本发明可调式应力结构之燃料电池整体压应力均匀性提升30％以上。
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