用于燃料電池堆疊和碰撞保護(hù)的基準(zhǔn)件設(shè)計(jì)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于燃料電池堆疊和碰撞保護(hù)的基準(zhǔn)件設(shè)計(jì)。提供了用于對(duì)準(zhǔn)和減小燃料電池堆疊中相鄰燃料電池之間的相對(duì)移動(dòng)的系統(tǒng)和方法。沿著堆疊維度的所述燃料電池的電池間協(xié)作通過沿著雙極板的邊緣放置的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)件得以加強(qiáng)，所述雙極板構(gòu)成電池容納組件的一部分。所述基準(zhǔn)件沿著基本上與電池堆疊維度重合的厚度成形以避免相鄰堆疊的電池之間的偏移，該相鄰堆疊的電池之間的偏移否則會(huì)由于沿著限定板、電池和它們相應(yīng)組件的主表面的維度的明顯加速度的發(fā)生而產(chǎn)生。通過使得基準(zhǔn)件與多個(gè)堆疊的電池一體形成，避免了將單獨(dú)凸片固定到每個(gè)板的需要。
【專利說明】
用于燃料電池堆疊和碰撞保護(hù)的基準(zhǔn)件設(shè)計(jì)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總地涉及用于組裝燃料電池堆疊的改善設(shè)計(jì)，并更尤其是涉及在暴露于沖擊和其他高加速度載荷之后將加速度載荷分布到燃料電池堆疊上以固定和保持在堆疊內(nèi)的燃料電池的相對(duì)位置的方式。
【背景技術(shù)】
[0002]利用燃料電池以通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料轉(zhuǎn)變成可用電力的重要益處是它在不依賴于燃燒作為中間步驟的情況下實(shí)現(xiàn)。如此，針對(duì)推進(jìn)和相關(guān)原動(dòng)力應(yīng)用，燃料電池具有優(yōu)于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)(ICE)的若干環(huán)境優(yōu)點(diǎn)。在典型的燃料電池(諸如質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任一種情況下，PEM)燃料電池)中，一對(duì)催化電極由離子傳輸介質(zhì)(如，Naf 1nTM)分隔，其中它們共同稱為隔膜電極組件(MEA)。在氣態(tài)還原劑(如，氫，H2)被引入并在陽(yáng)極處離子化并然后使之穿過離子傳輸介質(zhì)，使得它與通過其他電極(陰極)引入的氣態(tài)氧化劑(例如，氧，02)結(jié)合時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)劑的這種結(jié)合形成作為副產(chǎn)品的水。在氫的離子化中釋放的電子通過外部電路以直流(DC)的形式行進(jìn)到陰極，該外部電路典型地包括負(fù)載(如電動(dòng)機(jī))，在該負(fù)載中可以進(jìn)行有用的工作。由這種DC電力流動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)電可以通過將多個(gè)這種電池結(jié)合到較大的電流產(chǎn)生組件中而得以增加。在一個(gè)這樣的構(gòu)造中，燃料電池沿著共同的堆疊維度連接(與撲克牌很像)以形成燃料電池堆疊。
[0003]反應(yīng)劑向MEA的傳送(以及副產(chǎn)品水的去除和電池產(chǎn)生的電流向負(fù)載的傳送)通過MEA的堆疊接合、氣體可滲透的擴(kuò)散介質(zhì)(也稱為氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM))以及多通道雙極板來促進(jìn)。除了與MEA和GDM建立平面面對(duì)關(guān)系之外，雙極板還限定了歧管，作為框架狀結(jié)構(gòu)的一部分，該框架狀結(jié)構(gòu)尺寸確定為圍繞MEA和GDM的周邊放置，以促進(jìn)反應(yīng)劑、冷卻劑和副產(chǎn)品在堆疊之內(nèi)移動(dòng)。
[0004]放置在車輛之內(nèi)的燃料電池堆疊能夠承受來自車輛加速度和減速度以及來自碰撞、事故和相關(guān)沖擊的嚴(yán)重載荷變化。尤其是，為了在諸如車輛碰撞的破壞性事件期間在暴露于高加速度載荷(例如，達(dá)到160g或更大)之后繼續(xù)進(jìn)行，構(gòu)成堆疊的燃料電池的位置必須相對(duì)于彼此得以維持。在這樣的事件中，高剪切力會(huì)導(dǎo)致堆疊的相鄰電池之間滑動(dòng)(尤其是，在前述笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)的X-Z平面內(nèi))。各個(gè)電池之間的小位移在大的堆疊組件的高度上被放大(例如，100微米的電池偏移對(duì)于300個(gè)電池堆疊組件而言可以導(dǎo)致30mm的電池塊偏移)。這種問題可能由冷起動(dòng)條件以及由減小的電池間摩擦力而加劇，在冷起動(dòng)條件下，熱致收縮會(huì)降低在堆疊組裝期間施加在電池上的壓縮維持載荷，該減小的電池間摩擦力是由于使用可能具有較低摩擦系數(shù)屬性的表面處理或插件而致使的。
[0005]在這些高加速度事件期間，避免汽車燃料電池板間或電池間移位的一種方式是使在堆疊組裝中使用的基準(zhǔn)銷保持聯(lián)接到堆疊，甚至在組裝過程完成之后；以這種方式，銷提供對(duì)相鄰堆疊板或電池之間的剪切移動(dòng)的額外阻力。在本文中，相鄰電池或板之間的這些剪切或平面內(nèi)移位是以電池或板堆疊軸線與由這種堆疊供能的車輛的行駛方向正交的前提下來理解的。如此，堆疊軸線可以沿著基本上垂直(即，Y)笛卡爾軸線，使得尋求最小化的電池間或板間移動(dòng)的大部分在X-Z平面內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，電池、板和堆疊的特定取向并非是關(guān)鍵的，而是用于避免或減小這種電池間或板間移位的措施被優(yōu)選布置在使得這種避免得以最大化的取向上。雖然傳統(tǒng)基準(zhǔn)銷和相關(guān)結(jié)構(gòu)的使用在暴露于高加速度平面內(nèi)載荷時(shí)在保持電池或板的相對(duì)堆疊對(duì)齊方面是有效的，但是它們會(huì)顯著增加堆疊的組裝成本。在堆疊內(nèi)它們持續(xù)的存在還在其中一個(gè)電池或其他堆疊部件需要被去除以用于維護(hù)時(shí)妨礙拆卸。
[0006]在這種破壞性事件期間避免汽車燃料電池板間或電池間移位的另一種方式是通過利用可以形成在殼體壁和堆疊之間的粘結(jié)劑或者補(bǔ)充支撐結(jié)構(gòu)。這個(gè)方式的示例可以在美國(guó)專利申請(qǐng)13/803，098中找到，該專利申請(qǐng)?jiān)?013年3月14日提交且名稱為電池保持設(shè)計(jì)和方法(CELL RETENT1N DESIGN AND PROCESS)，該申請(qǐng)由本申請(qǐng)的受讓人擁有并通過引用以其全文結(jié)合于此;其中教導(dǎo)的方法在堆疊的板的側(cè)邊緣和剛性殼體或相關(guān)外殼之間利用可插入的類似粘結(jié)劑的灌封化合物。盡管如此，這個(gè)方法僅僅在電池和板已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)并堆疊之后應(yīng)用，并因此對(duì)于堆疊過程中電池和板的對(duì)準(zhǔn)沒有幫助。此外，所使用的化合物的永久特性使得為了修理或者診斷分析而進(jìn)行的隨后堆疊拆卸來說是不利的。
[0007]又一種方法涉及焊接(或以其他方式附連)凸片，該凸片從大體矩形的雙極板的一個(gè)或多個(gè)邊緣橫向突出。這些凸片被制造成沿著貫通厚度(即，Y軸)的維度彼此接合，通過凸片和切口的干涉接觸，使得堆疊之內(nèi)的每個(gè)電池或板響應(yīng)于剪切(即，平面內(nèi))力而移動(dòng)的趨勢(shì)被阻止。雖然在防止電池間/板間運(yùn)動(dòng)方面是有效的，但是每個(gè)凸片必須單獨(dú)連接到其相應(yīng)的板。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，公開了一種組裝燃料電池堆疊的方法，該燃料電池堆疊對(duì)響應(yīng)于破壞性事件的電池間移位具有提高的阻力。所述方法包括:沿著堆疊的維度布置多個(gè)雙極板，并且將灌封材料添加到由堆疊的板所形成的至少一個(gè)周邊邊緣;形成的基準(zhǔn)件(也稱為基準(zhǔn)件結(jié)構(gòu))沿著電池堆疊維度具有提高的厚度維度;所述提高的厚度對(duì)應(yīng)于特定組的被堆疊的電池和板的數(shù)量。由此，8板組將具有相應(yīng)的8基準(zhǔn)件厚度，而16板或32板組將具有對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)件厚度。優(yōu)選地是，板限定至少一個(gè)沿著邊緣的起伏部，以適應(yīng)灌封材料的互補(bǔ)形狀。通過這種方式，基準(zhǔn)件被固定到多電池組內(nèi)的堆疊電池，使得在它們之間形成緊密協(xié)作的配合。在本文中，基準(zhǔn)件向一組內(nèi)的堆疊電池的固定是通過固化的灌封材料與每個(gè)電池上的邊緣起伏部形成粘合、圍繞該邊緣起伏部或者以其他方式聯(lián)接到該邊緣起伏形成。在一個(gè)優(yōu)選形式中，起伏部是向外突出的凸片，該凸片通過灌封材料包覆模制。進(jìn)而，該灌封材料限定了一個(gè)形狀，使得由其形成的向外突起可配合到在堆疊殼體或相關(guān)外殼內(nèi)形成的互補(bǔ)形狀的切口或凹陷內(nèi)。在優(yōu)選的形式中，灌封材料沿著堆疊維度構(gòu)建到與多個(gè)板相同厚度。在更優(yōu)選形式中，通過灌封材料形成的基準(zhǔn)件和各種板之間的協(xié)作是通過將灌封材料包覆模制到一體形成的凸片上而實(shí)現(xiàn)的，該凸片沿邊緣從板周邊延伸。在這個(gè)最后實(shí)施方式中，灌封材料形成的多層厚度基準(zhǔn)件可以成形為與形成在堆疊外殼或殼體內(nèi)的互補(bǔ)形狀的橫向起伏部協(xié)作，使得賦予各堆疊的板的任何剪切運(yùn)動(dòng)通過厚度基準(zhǔn)件傳遞到殼體中，以提供增大的阻力。一個(gè)或多個(gè)夾具可以用于促進(jìn)該堆疊過程，以及在板橫向邊緣處形成模具型腔或形狀，灌封材料將澆注到其中。在本文中，這種夾具的單數(shù)或復(fù)數(shù)形式的表述被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種將多個(gè)燃料電池組裝到一起的方法。每個(gè)電池包括與雙極板面對(duì)且相鄰地放置的MEA，所述雙極板在其中限定至少一個(gè)一體形成的邊緣延伸部。所述方法包括在堆疊夾具之內(nèi)限定一個(gè)或多個(gè)模具形狀，該模具形狀被構(gòu)造成接收灌封材料。所述燃料電池沿著堆疊維度布置在所述堆疊夾具中，使得灌封材料的液體形式被澆注到所述模具中，使得在固化時(shí)，所述灌封材料形成基準(zhǔn)件，該基準(zhǔn)件沿著燃料電池的堆疊維度固定到各布置的燃料電池，由此對(duì)所布置的燃料電池沿著基本上與所述堆疊維度正交的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力。如其他地方討論的，利用所述基準(zhǔn)件作為固定或連接點(diǎn)可堆疊成模塊的電池的數(shù)量可以通過燃料電池系統(tǒng)的其他堆疊需要來確定；在一種形式中，每個(gè)所布置的模塊內(nèi)的電池的數(shù)量可以是8的倍數(shù)，如8、16、24或32，對(duì)電池的上限的限制由灌封材料的機(jī)械性能(如剪切強(qiáng)度)來決定。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的在另一方面，公開了一種燃料電池堆疊。所述堆疊包括多個(gè)燃料電池以及用于每個(gè)電池的相應(yīng)的雙極板，所述多個(gè)燃料電池沿著堆疊維度(例如，在傳統(tǒng)笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中的前述Y軸)成相鄰面對(duì)關(guān)系布置。灌封材料沿著燃料電池的堆疊維度固定到所堆疊布置的燃料電池，以對(duì)沿著至少具有基本上正交于所述堆疊維度的分量的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力。
[0011 ]根據(jù)本發(fā)明一方面，提供一種組裝燃料電池堆疊的方法，所述方法包括:
[0012]將多個(gè)基本上平面的燃料電池沿著堆疊維度布置在堆疊夾具中，每個(gè)所述燃料電池包括至少一個(gè)隔膜電極組件，該隔膜電極組件與雙極板面向且相鄰地設(shè)置，所述雙極板在其中限定至少一個(gè)一體形成的邊緣延伸部；
[0013]將灌封材料澆注到所述夾具的限定基本上與所述延伸部對(duì)應(yīng)的形狀的一部分中，使得在固化時(shí)，所述灌封材料形成沿著所述堆疊維度固定到所述布置的燃料電池的基準(zhǔn)件，以對(duì)所述布置的燃料電池沿著基本上與所述堆疊維度正交的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力；以及
[0014]將所述布置的燃料電池固定在殼體內(nèi)。
[0015]優(yōu)選地，其中，所述殼體限定了形成其中的互補(bǔ)形狀的延伸部，使得所述基準(zhǔn)件和所述殼體之間的協(xié)作增加對(duì)所述電池間移動(dòng)的阻力。
[0016]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件鄰近由所述布置的燃料電池所形成的角放置。
[0017]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件包括多個(gè)基準(zhǔn)件，每個(gè)基準(zhǔn)件鄰近由所述布置的燃料電池形成的相應(yīng)的角放置。
[0018]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件鄰近由所述布置的燃料電池形成的邊緣放置。
[0019]優(yōu)選地，其中，所述互補(bǔ)形狀的延伸部限定了沿著所述堆疊維度的基本上柱狀的結(jié)構(gòu)。
[0020]優(yōu)選地，其中，構(gòu)成所述基準(zhǔn)件的材料從包括環(huán)氧樹脂和彈性體的組選擇。
[0021]優(yōu)選地，其中，與所述基準(zhǔn)件協(xié)作的一組所述布置的燃料電池包括在大約8個(gè)到32個(gè)范圍內(nèi)的所述布置的燃料電池。
[0022]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件限定了突起，該突起至少部分地沿著所述堆疊維度延伸。
[0023]根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種組裝多個(gè)燃料電池的方法，每個(gè)所述燃料電池包括至少隔膜電極組件，該隔膜電極組件與雙極板面對(duì)且相鄰地放置，所述雙極板在其中限定了至少一個(gè)一體形成的邊緣延伸部，所述方法包括:
[0024]在堆疊夾具內(nèi)限定至少一個(gè)模具形狀，所述模具形狀被構(gòu)造成在其中接收灌封材料；
[0025]將所述燃料電池沿著堆疊維度布置在所述堆疊夾具內(nèi)；以及
[0026]將所述灌封材料澆注到所述模具中，使得在固化時(shí)，所述灌封材料形成沿著所述堆疊維度固定到所述布置的燃料電池上的基準(zhǔn)件，以對(duì)所述布置的燃料電池沿著基本上與所述堆疊維度正交的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力。
[0027]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件橋接一組所述布置的燃料電池，一組所述布置的燃料電池包括在大約8個(gè)到32個(gè)范圍內(nèi)的所述布置的燃料電池。
[0028]優(yōu)選地，所述方法還包括將所述布置的燃料電池放置在殼體內(nèi)，使得在所述基準(zhǔn)件和所述殼體之間建立互補(bǔ)的阻力配合。
[0029]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件沿著所述布置的燃料電池的邊緣和角中的至少一個(gè)放置。
[0030]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件橫向突出超過由所述布置的燃料電池限定的周邊。
[0031 ]根據(jù)本發(fā)明又一方面，提供一種燃料電池堆疊，包括:
[0032]多個(gè)燃料電池，所述多個(gè)燃料電池沿著堆疊維度布置成相鄰面對(duì)關(guān)系，每個(gè)所述燃料電池包括至少一個(gè)隔膜電極組件，該隔膜電極組件與雙極板面對(duì)且相鄰地放置，所述雙極板在其中限定至少一個(gè)一體形成的邊緣延伸部；以及
[0033]至少一個(gè)灌封的基準(zhǔn)件，所述基準(zhǔn)件沿著所述堆疊維度固定到所述布置的燃料電池，以對(duì)沿著基本上與所述堆疊維度正交的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力。
[0034]優(yōu)選地，所述堆疊還包括殼體，所述殼體在其中限定與所述基準(zhǔn)件形成互補(bǔ)阻力配合的形狀。
[0035]優(yōu)選地，其中，所述殼體內(nèi)限定的所述形狀限定了沿著所述堆疊維度的基本上柱狀結(jié)構(gòu)。
[0036]優(yōu)選地，其中，所述基準(zhǔn)件包括從包括環(huán)氧樹脂和彈性體的組選擇的材料。
[0037]優(yōu)選地，其中，所述一體形成的邊緣延伸部沿著由所述布置的燃料電池形成的邊緣橫向向外延伸。
[0038]優(yōu)選地，其中，所述一體形成的邊緣延伸部沿著由所述布置的燃料電池形成的角橫向向外延伸。
【附圖說明】
[0039]在結(jié)合下面附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的以下詳細(xì)描述將得以最佳理解，附圖中，相同的結(jié)構(gòu)被標(biāo)識(shí)有相同的附圖標(biāo)記，且附圖中:
[0040]圖1是燃料電池堆疊的簡(jiǎn)化分解圖；
[0041 ]圖2是具有圖1的燃料電池堆疊的車輛的透視剖開視圖；
[0042]圖3是用在圖1的燃料電池堆疊中的雙極板的簡(jiǎn)化分解圖；
[0043]圖4是在圍繞其放置殼體支撐結(jié)構(gòu)之前的堆疊的燃料電池塊的透視圖，其中，突出的凸片和包覆模制的基準(zhǔn)件沿著相應(yīng)的雙極板的橫向邊緣設(shè)置；
[0044]圖5A示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的突出的凸片和包覆模制的基準(zhǔn)件沿著放置在堆疊的夾具中的雙極板的角放置的替代實(shí)施方式；
[0045]圖5B示出圖5A的角放置基準(zhǔn)件的詳細(xì)部分；以及
[0046]圖6示出成形為與圖4的基準(zhǔn)件協(xié)作的殼體的使用，以便提供另一種形式的電池間滑動(dòng)補(bǔ)充阻力。
【具體實(shí)施方式】
[0047]首先參照?qǐng)D1和3，示出燃料電池堆疊I，該燃料電池堆疊I包括干端部單元板5、濕端部單元板10和在端部單元板5、10之間以堆疊對(duì)準(zhǔn)方式設(shè)置的燃料電池塊15。雖然未詳細(xì)示出，但是所述塊內(nèi)的每個(gè)燃料電池15大體上包括陽(yáng)極、陰極和隔膜，所述陽(yáng)極、陰極和隔膜布置在一起以形成MEA的大體平坦夾置結(jié)構(gòu)，所述MEA被壓在一對(duì)氣體可滲透導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)之間，所述一對(duì)氣體可滲透導(dǎo)電擴(kuò)散介質(zhì)作用為傳送反應(yīng)劑(即，MEA的陽(yáng)極側(cè)上的H2和MEA的陰極側(cè)上的02(典型地為空氣的形式))，以及收集在陽(yáng)極和陰極處催化產(chǎn)生的電流。燃料電池15也包括雙極板(在此也稱為雙極板組件)17，該雙極板17為MEA和擴(kuò)散介質(zhì)提供支撐結(jié)構(gòu)。在本文中，對(duì)應(yīng)于組裝的堆疊I的高度的堆疊維度沿著Y軸限定，如圖所示，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到這是為了方便，并且任何適當(dāng)?shù)木€性維度等同地適用，這取決于在組裝過程中堆疊I的取向。
[0048]堆疊I內(nèi)的多個(gè)單獨(dú)的電池15通過外殼或殼體20保持就位，所述外殼或殼體20由一對(duì)相對(duì)的端蓋25、30、側(cè)壁35、40和剛性的托架元件45構(gòu)成，所述托架元件45沿著每個(gè)側(cè)壁35、40垂直地布置，用于將濕端部單元板10固定到干端部單元板5上。在一種形式中，濕端部單元板10牢固固定到相對(duì)的端蓋25、30，同時(shí)干端部單元板5可調(diào)節(jié)地固定。該干端部單元板5可調(diào)節(jié)固定的連接在堆疊形成情況中尤其有用，這是由于在最終組裝之前端點(diǎn)固定位置是未知的；這反之允許該固定被修改，以適應(yīng)一定范圍的可能的端點(diǎn)固定位置。相反，濕端部單元板10的牢固固定意味著關(guān)于彼此被固定的部件的位置關(guān)系基本上是不變的?？尚纬稍谝粋€(gè)或多個(gè)端蓋25、30以及側(cè)壁35、40中的與成形特征部相關(guān)聯(lián)的額外細(xì)節(jié)將結(jié)合下面的圖6來討論。
[0049 ] 接下來參照?qǐng)D2，車輛100 (例如，轎車、客貨車、公共汽車、卡車或摩托車)包括基于燃料電池的推進(jìn)系統(tǒng)110，該推進(jìn)系統(tǒng)100由電動(dòng)機(jī)120構(gòu)成，該電動(dòng)機(jī)120從包括多個(gè)單獨(dú)的燃料電池15的圖1的燃料電池堆疊I接收電功率。推進(jìn)系統(tǒng)110可以包括一個(gè)或多個(gè)燃料存儲(chǔ)氣體容器130、140以及功率轉(zhuǎn)換器或相關(guān)電子器件150、電存儲(chǔ)裝置(例如，電池、超級(jí)電容器等)160和提供操作管理的控制器、以及任意數(shù)量的閥、壓縮機(jī)、管道、溫度調(diào)節(jié)器和其他輔助設(shè)備。
[0050]任何數(shù)量的不同類型的燃料電池15可以用于構(gòu)成推進(jìn)系統(tǒng)100的堆疊I。這些電池15可以為金屬氫化物電池、堿性電池、電燃料電池或其他變型形式。在一個(gè)優(yōu)選的(但不是必須的)形式中，電池15是PEM燃料電池，如上面討論的，并且本發(fā)明的其余部分正是基于該構(gòu)造。在一個(gè)優(yōu)選形式中，堆疊I內(nèi)的電池15串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)合或串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)合，以便產(chǎn)生更高電壓或電流輸出，這取決于車輛100的需求。將理解的是堆疊I可以用于機(jī)動(dòng)車輛之外的用途。
[0051]再次參照?qǐng)D3，關(guān)于MEA和它們所附接的擴(kuò)散介質(zhì)(未示出)，每個(gè)雙極板組件17限定了大體上矩形的平面表面部分17A，其具有四個(gè)邊緣部分17B，該邊緣部分17B形成圍繞表面部分17A的周邊。在表面部分17A和兩個(gè)邊緣部分17B之間沿著細(xì)長(zhǎng)面積的是一對(duì)集管(或歧管)部分17C、17D，每個(gè)集管部分17C、17D設(shè)置在相對(duì)的邊緣上，使得引入的反應(yīng)劑穿過在表面部分17A上形成的多個(gè)蛇形流場(chǎng)通道。在一個(gè)形式中，其中一個(gè)集管部分17C、17D限定了供給(或入口)集管，而另一個(gè)限定了排放集管。在替代的構(gòu)造(未示出)中，供給和排放集管部分17C、17D可以鄰近板組件17的相同邊緣并排定位;任一種變型形式與本發(fā)明兼容。在一個(gè)形式中，雙極板組件17可以由適當(dāng)?shù)目垢g材料(如304不銹鋼)的單獨(dú)片材17E、17F(典型地沿著厚度(即，堆疊)尺寸在大約75至100微米范圍內(nèi))構(gòu)成，所述單獨(dú)的片材17E、17F通過銅焊、激光焊或相關(guān)操作連結(jié)到一起;在這種構(gòu)造中，與每個(gè)表面部分17A形成的流動(dòng)通道可以大體上限定彼此的鏡像圖像，使得在兩個(gè)相鄰電池15被堆疊時(shí)，在單個(gè)組件17之內(nèi)的兩個(gè)的表面部分17A成背靠背布置。除了包括用于反應(yīng)劑氣體流場(chǎng)的流動(dòng)通道的這些片材之外，類似形狀的片材(未示出)還可以堆疊地交替，以提供單獨(dú)的冷卻劑流動(dòng)回路；這種冷卻劑流動(dòng)回路可以限定任何適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)通道形狀(如在流動(dòng)通道中圖示的蛇形形狀)。對(duì)于片材17E、17F，任何這種額外的片材冷卻劑流動(dòng)回路也可以通過銅焊或一些其他適當(dāng)?shù)倪B結(jié)技術(shù)連結(jié)到一起。在本文中，雙極板組件17可以或可以不具有在兩個(gè)相對(duì)平面表面上形成的蛇形流動(dòng)通道;例如，當(dāng)這種板形成堆疊I中的最后一個(gè)板時(shí)，將不需要使通道形成在面對(duì)端部單元板(如圖1的端部單元板5、10)的側(cè)面中。
[0052]凸片17G形式的沿邊緣的起伏部(也稱為沿邊緣的延伸部、橫向延伸部等)一體地形成在每個(gè)組件17的平面內(nèi)。雖然凸片17G目前示為向外延伸，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到各種向內(nèi)突出的凸片(未示出)也可以形成;任一種變型形式被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要它提供了一體形成的構(gòu)件，澆注的灌封材料可以與其附連、粘合或以其他方式固定即可。在本文中，板和凸片17G之間的一體連接不同于需要單獨(dú)附接，如通過固定、焊接等的那些。以這種方式，避免了額外的制造步驟?；鶞?zhǔn)件18利用適當(dāng)?shù)墓喾獠牧习材Ｖ圃谕蛊?7G上，使得它限定了沿著堆疊維度(即，Y軸，如圖所示)的厚度。如下面更詳細(xì)討論的，錐形切口 18A有助于對(duì)板間滑動(dòng)或相關(guān)的相對(duì)移動(dòng)提供阻力。除了錐形形狀18A之外的其他形式也可以使用，包括沿著堆疊維度呈組裝(即，基準(zhǔn)件)銷突出部形狀的立柱或軸(未示出)；這些和其他形式被認(rèn)為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0053]接下來結(jié)合圖3參照?qǐng)D4，示出了與沿多個(gè)堆疊的電池(目前以簡(jiǎn)化形式示為僅包含雙極板組件17)的兩個(gè)橫向邊緣17B基準(zhǔn)件18的形成相關(guān)的細(xì)節(jié)。如圖所示，在凸片17G中可以形成孔口，以進(jìn)一步有助于構(gòu)成基準(zhǔn)件18的澆注的灌封材料的包覆模制。雖然凸片17G(以及形成在其上的包覆模制的基準(zhǔn)件)被示出沿著雙極板組件17的細(xì)長(zhǎng)邊緣布置，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到在板周邊上的其他位置也可以被使用。例如，如下面結(jié)合圖5A和5B討論的，凸片17G以及它們的在角上的包覆模制的基準(zhǔn)件的設(shè)置也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。同樣，雖然凸片17G的形狀被示為矩形，但可以理解的是其他形狀(例如，梯形、半圓形等)也可以被使用，尤其是如果它們有利于形成包覆模制基準(zhǔn)件18的話。在圖3中所示的特別形式中，基準(zhǔn)件18限定了錐形或相關(guān)的厚度特征部18A，該厚度特征部18A在由圓錐所限定的區(qū)域內(nèi)基本上是中空的，允許在相鄰面對(duì)的組件17的組堆疊時(shí)兩個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)件18嵌套?；鶞?zhǔn)件18的錐形特征部18A在相關(guān)的美國(guó)專利申請(qǐng)14/482，000中更加詳細(xì)地討論，該美國(guó)專利申請(qǐng)?jiān)?014年9月10日提交且名稱為燃料電池堆疊組件一用于燃料電池堆疊的基準(zhǔn)件設(shè)計(jì)和碰撞保護(hù)(FUEL CELL STACK ASSEMBLY-DATUM DESIGN FOR FUEL CELL STACKING ANDCOLLIS1N PROTECT1N)，該專利申請(qǐng)由本申請(qǐng)的受讓人擁有并通過引用以其全文結(jié)合于此。重要的是，基準(zhǔn)件18的使用確保了不需要銷來用于組裝堆疊I。
[0054]尤其是，作為提供平面外支撐的方式，基準(zhǔn)件18可以用于緩解最近的設(shè)計(jì)在電池間滑動(dòng)阻力方面的增加的顧慮(例如，能夠承受大約160g載荷，而先前設(shè)計(jì)僅要求大約40g)。在一個(gè)特定形式中，基準(zhǔn)件18可以由剛性的承載塑料(如環(huán)氧樹脂或彈性體材料)制成，其可以包覆模制到薄的凸片17G上，該薄的凸片17G形成從構(gòu)成組件17的單個(gè)板的邊緣17B或角的一體延伸部。以這種方式，在堆疊組裝過程期間作為用于澆注灌封材料的模具的形狀(下面結(jié)合圖6更詳細(xì)示出和討論)有助于以柱狀構(gòu)造構(gòu)建基準(zhǔn)件18，用于在基準(zhǔn)件18和殼體20之間互補(bǔ)阻力配合。雖然圖3目前示出每個(gè)雙極板組件17兩個(gè)基準(zhǔn)件18(在相對(duì)邊緣17B每個(gè)上一個(gè))，將理解的是取決于堆疊I構(gòu)造可以形成更多或更少數(shù)量。在優(yōu)選形式中，對(duì)每個(gè)成組的組件17多個(gè)基準(zhǔn)件18是優(yōu)選的，因?yàn)檫@不僅將有助于在堆疊I組裝過程中促進(jìn)更好對(duì)準(zhǔn)，而且也可以在可能需要較高水平的滑動(dòng)阻力的情況下在堆疊I之內(nèi)的相鄰電池15層之間提供額外的剪切移動(dòng)阻力。
[0055]由于破壞性事件(這包括車輛100的高加速度或減速度，涉及車輛100的沖擊或?qū)θ剂想姵囟询BI本身的沖擊，如車輛墜落)造成的嚴(yán)重載荷變化可能通過導(dǎo)致燃料電池堆疊I中的單獨(dú)燃料電池15相對(duì)于彼此移動(dòng)而損壞燃料電池堆疊I或者使燃料電池堆疊I拆解?；鶞?zhǔn)件18的機(jī)械性能必須足以承載這種載荷變化所伴隨的最大加速度。在一個(gè)示例性形式中，用于堆疊I之內(nèi)的組件17的每個(gè)相應(yīng)雙極板的基準(zhǔn)件18將具有大約150N的剪切強(qiáng)度，作為吸收160g加載的方式。
[0056]接著參照?qǐng)D5A和5B，示出了關(guān)于基準(zhǔn)件18的放置和形狀的變型形式。尤其是，用于堆疊各個(gè)燃料電池15的夾具200包括上部和下部板210、220，以及角安裝的基準(zhǔn)件形式230和導(dǎo)引銷240。凸緣安裝的軸承250固定到頂部板210，以接收線性導(dǎo)引銷240的端部，該線性導(dǎo)引銷240在它們的相對(duì)端部處安裝到下部板220。也可以使用額外的榫或相關(guān)對(duì)準(zhǔn)銷(未示出)。在這個(gè)變型形式中，夾具200的下部板220包括大體上梯形的模具或相關(guān)的預(yù)制件230，其定位于下部板220的四個(gè)角上，以接收將(在固化時(shí))成為基準(zhǔn)件18的液體灌封材料前體。雙極板組件17的角成形為使得凸片狀延伸部(S卩，大體類似于圖3的凸片17G)可以接合基準(zhǔn)件18。如上所述，基準(zhǔn)件18的數(shù)量、形狀和放置可以根據(jù)采用堆疊I的燃料電池系統(tǒng)的需要而變化。
[0057]接下來結(jié)合圖4參照?qǐng)D6，可以使用其他補(bǔ)充措施來促進(jìn)對(duì)剪切和相關(guān)電池間滑動(dòng)的提高的阻力。例如，圖6示出了通過特定的凹進(jìn)20A，該凹進(jìn)20A可以模制到或固定到殼體20 ο在所示的版本中，殼體20可以是基本一體結(jié)構(gòu)(例如基于擠出鋁)，其足夠堅(jiān)固以在碰撞過程中對(duì)電池塊I提供支撐并保持它沿著堆疊軸處于壓縮狀態(tài)。這些形狀限定了在模制的基準(zhǔn)件18和形成在殼體20內(nèi)的凹進(jìn)20A之間的互補(bǔ)阻力配合。在這種事件中，模制的凹進(jìn)20A尺寸為在堆疊I內(nèi)的每個(gè)組件17的X-Z平面之內(nèi)沿著至少一個(gè)滑動(dòng)方向S允許緊密公差配合，并且間隔開以與堆疊的基準(zhǔn)件18的組沿邊緣的放置重合(其在一個(gè)實(shí)施方式中當(dāng)前被示為避免了圖3的實(shí)施方式的錐形特征部18A)。在一個(gè)優(yōu)選形式中，凹進(jìn)20A—體形成到擠出鋁殼體20中，但是在另一變型形式中，凹進(jìn)20A可以單獨(dú)形成并隨后附接到殼體20。此夕卜，凹進(jìn)20A可以限定大體上C形輪廓(當(dāng)從上面看時(shí))，使得任何沿著滑動(dòng)方向S的電池間滑動(dòng)移動(dòng)的趨勢(shì)被延伸殼體20的基本上整個(gè)高度(其與圖1的Y軸的堆疊維度重合)的柱狀形狀額外地阻止。如此，模制的凹進(jìn)20A的形狀有助于它們作為抵抗沿圖1的X方向的移動(dòng)的擋板，以及提供在X-Z平面內(nèi)的其他地方沿著一個(gè)移動(dòng)的額外阻力。絕緣件20B可以放置在堆疊I的周邊和內(nèi)部殼體20壁之間的間隙區(qū)域內(nèi)，以提供電絕緣。
[0058]如上所述，在圖6中圖示的實(shí)施方式中，基準(zhǔn)件18可以不包括錐形特征部18A。同樣，這種變型形式(以及圖3的變型形式)可以避免具有銷接收孔口，因?yàn)橥ㄟ^將根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的基準(zhǔn)件18模制到多個(gè)堆疊的電池單元15上而形成的一體構(gòu)建結(jié)構(gòu)促進(jìn)每個(gè)電池15在堆疊維度牢固精確地放置，而不必依賴于銷或其他補(bǔ)充結(jié)構(gòu)。此外，形成在每個(gè)雙極板或組件17的周邊結(jié)構(gòu)中的凸片17G可以被形成為與殼體20的互補(bǔ)形狀的切口或凹陷接合，使得響應(yīng)于剪切(即，平面內(nèi)的)力而每個(gè)電池或板在堆疊內(nèi)移動(dòng)的趨勢(shì)被基準(zhǔn)件18和凸片17G的一體特性所阻止，以形成復(fù)合狀貫穿厚度的板間結(jié)構(gòu)。
[0059]再次參照?qǐng)D4，在另一結(jié)構(gòu)增強(qiáng)實(shí)施方式中，豎直的細(xì)長(zhǎng)保持件50(優(yōu)選地由鋁或鋼制成)可以在圖1的端部單元板5、10之間延伸，使得它以呈C形凹進(jìn)20A的方式基本上包封或以其他方式覆蓋突出的堆疊的基準(zhǔn)件18，該C形凹進(jìn)20A—體形成到圖6的擠出鋁殼體20的實(shí)施方式中。這種保持件可以螺栓連接或以其他方式固定到端部單元板5、10，作為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛性的一種方式，而不必形成單獨(dú)的殼體20。在又另一變型形式中，取代直接固定到端部單元板5、10，保持件可以固定到圍繞堆疊I形成的盒狀框架。這種框架可以另外包括墊片55，以有助于調(diào)節(jié)構(gòu)成堆疊I的各個(gè)電池15的高度中的變化。還圖示了另外的設(shè)備，包括集電器板60、65，該集電器板60、65橫向延伸出相應(yīng)的端部板5、10之外，以連接到電路(未示出)。絕緣體板70可以放置在端部板5、10的下表面和堆疊I的面對(duì)的相鄰上表面之間，以促進(jìn)它們之間的電和熱絕緣。
[0060]要指出的是術(shù)語(yǔ)，如“優(yōu)選地”、“通常地”和“典型地”在此并不用于限制所要求保護(hù)的發(fā)明的范圍或暗示一些特征部對(duì)于所要求保護(hù)的發(fā)明的結(jié)構(gòu)或功能而言是關(guān)鍵的、基本的或甚至重要的。而是，這些術(shù)語(yǔ)僅僅意在強(qiáng)調(diào)在本發(fā)明的特定實(shí)施方式中可以或可以不使用的替代或附加的特征部。同樣，為了描述和限定本發(fā)明的目的，要指出的是術(shù)語(yǔ)“基本上”在此被用于表示歸因于任何量化比較、數(shù)值、測(cè)量或其他表示的固有的不確定程度。該術(shù)語(yǔ)在此也可以用于表示程度，通過該程度，量化表示可以與所陳述的參照不同，而不會(huì)導(dǎo)致所關(guān)注的主題的基本功能的變化。
[0061]為了描述和限定本發(fā)明的目的，要指出的是術(shù)語(yǔ)“燃料電池”等在此用于表示用來提供電流，優(yōu)選地用于車輛推進(jìn)或相關(guān)用途的一個(gè)或多個(gè)單個(gè)電池。此外，術(shù)語(yǔ)“汽車”、“機(jī)動(dòng)車”、“車輛”等的變化意指通常的解釋，除非上下文另有所指。如此，對(duì)汽車的稱謂將理解為覆蓋轎車、卡車、公共汽車、摩托車和其他類似形式的運(yùn)輸工具，除非在上下文中更具體陳述。
[0062]已經(jīng)通過參照本發(fā)明的特定實(shí)施方式具體描述了本發(fā)明，將理解的是在不背離所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的范圍的前提下修改和改變是有可能的。更具體地說，雖然本發(fā)明的一些方面在此被識(shí)別為優(yōu)選的或特別有利的，但是可以構(gòu)想到本發(fā)明不必局限于本發(fā)明的這些優(yōu)選方面。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種組裝燃料電池堆疊的方法，所述方法包括: 將多個(gè)基本上平面的燃料電池沿著堆疊維度布置在堆疊夾具中，每個(gè)所述燃料電池包括至少一個(gè)隔膜電極組件，該隔膜電極組件與雙極板面向且相鄰地設(shè)置，所述雙極板在其中限定至少一個(gè)一體形成的邊緣延伸部； 將灌封材料澆注到所述夾具的限定基本上與所述延伸部對(duì)應(yīng)的形狀的一部分中，使得在固化時(shí)，所述灌封材料形成沿著所述堆疊維度固定到所述布置的燃料電池的基準(zhǔn)件，以對(duì)所述布置的燃料電池沿著基本上與所述堆疊維度正交的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力；以及 將所述布置的燃料電池固定在殼體內(nèi)。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述殼體限定了形成其中的互補(bǔ)形狀的延伸部，使得所述基準(zhǔn)件和所述殼體之間的協(xié)作增加對(duì)所述電池間移動(dòng)的阻力。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基準(zhǔn)件鄰近由所述布置的燃料電池所形成的角放置。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基準(zhǔn)件鄰近由所述布置的燃料電池形成的邊緣放置。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述互補(bǔ)形狀的延伸部限定了沿著所述堆疊維度的基本上柱狀的結(jié)構(gòu)。6.一種燃料電池堆疊，包括: 多個(gè)燃料電池，所述多個(gè)燃料電池沿著堆疊維度布置成相鄰面對(duì)關(guān)系，每個(gè)所述燃料電池包括至少一個(gè)隔膜電極組件，該隔膜電極組件與雙極板面對(duì)且相鄰地放置，所述雙極板在其中限定至少一個(gè)一體形成的邊緣延伸部；以及 至少一個(gè)灌封的基準(zhǔn)件，所述基準(zhǔn)件沿著所述堆疊維度固定到所述布置的燃料電池，以對(duì)沿著基本上與所述堆疊維度正交的維度的電池間移動(dòng)提供增大的阻力。7.如權(quán)利要求6所述的堆疊，還包括殼體，所述殼體在其中限定與所述基準(zhǔn)件形成互補(bǔ)阻力配合的形狀。8.如權(quán)利要求7所述的堆疊，其中，所述殼體內(nèi)限定的所述形狀限定了沿著所述堆疊維度的基本上柱狀結(jié)構(gòu)。9.如權(quán)利要求6所述的堆疊，其中，所述一體形成的邊緣延伸部沿著由所述布置的燃料電池形成的邊緣橫向向外延伸。10.如權(quán)利要求6所述的堆疊，其中，所述一體形成的邊緣延伸部沿著由所述布置的燃料電池形成的角橫向向外延伸。
【文檔編號(hào)】H01M8/24GK106025321SQ201610170104
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年3月23日
【發(fā)明人】D.A.馬丁切克, R.C.湯普森
【申請(qǐng)人】通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司