用于燃料電池的電流收集器的制造方法
【專利說明】用于燃料電池的電流收集器
[0001 ] 本發(fā)明涉及在燃料電池堆中用來與燃料電池堆形成電氣連接的電氣連接器系統(tǒng)。
[0002]常規(guī)的電化學(xué)燃料電池將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)換成電能和熱能以及反應(yīng)產(chǎn)物。典型的燃料電池包括夾在陽極流場板和陰極流場板之間的膜電極組件(MEA)。氣體擴(kuò)散層可以設(shè)置在每個流場板和MEA之間，以便將燃料和氧化劑更好地分配到MEA?？梢允褂脡|片來將各種層分開并且提供必要的密封。流場板通常包括一個或多個通道，所述通道在與MEA相鄰的板表面上延伸以便將流體燃料或氧化劑傳送到MEA的活性表面。
[0003]在常規(guī)的燃料電池堆中，多個電池堆疊在一起，以使得一個電池的陽極流場板與堆中下一個電池的陰極流場板相鄰，等等。在一些布置中，使用雙極流板，以使得單個流場板在板的兩側(cè)都具有流體流動通道。雙極板的一側(cè)充當(dāng)?shù)谝浑姵氐年枠O流板，并且流板的另一側(cè)充當(dāng)相鄰電池的陰極流板?？梢酝ㄟ^與堆中第一個和最后一個流板形成的電氣連接從堆中提取電力。典型的堆可以包括僅僅幾個電池，或數(shù)十個電池，或者甚至數(shù)百個電池。本發(fā)明涉及所有這些各種燃料電池堆結(jié)構(gòu)。
[0004]按照慣例，使用一對電流收集器板從燃料電池堆中提取電力，這對電流收集器板中的一個板設(shè)置成抵靠位于堆的一個末端處的最外面陽極流板，并且這對電流收集器板中的另一個板設(shè)置成抵靠位于堆的另一末端處的最外面陰極流板。收集器板通?？梢孕纬蔀楦邔?dǎo)電性金屬(如銅或不銹鋼)的剛性板。每個收集器板的凸耳或凸出部分從堆橫向向外延伸，以便使得電氣連接器能夠例如通過焊接或者通過摩擦配合推接式連接器連接到所述凸耳或凸出部分。
[0005]本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種適合于在燃料電池堆中使用的改進(jìn)型收集器板。
[0006]根據(jù)一個方面，本發(fā)明提供一種燃料電池堆組件，其包括:
[0007]處于堆配置中的多個電池，每個電池包括設(shè)置在陽極流板和陰極流板之間的膜電極組件；
[0008]位于所述堆的每個末端處的電流收集器板；以及
[0009]壓縮組件，其被配置來將所述堆維持在壓縮狀態(tài)下；
[0010]其中，所述電流收集器板中的至少一個包括印刷電路板，所述印刷電路板具有被設(shè)置成抵靠所述堆中最外面電池的陰極流板或陽極流板的第一面；并且
[0011 ] 其中，所述第一面包括設(shè)置在所述印刷電路板的襯底上的導(dǎo)電層。
[0012]所述印刷電路板的第一面可以包括設(shè)置在其上的至少一個電子部件。所述至少一個電子部件可以包括傳感器。所述傳感器可以包括熱敏電阻器或其它溫度傳感器。所述傳感器部件可以在所述印刷電路板上定位成與沿著陰極流板或陽極流板的相鄰面延伸的流動通道對準(zhǔn)。所述傳感器部件可以被配置成凸出超過所述印刷電路板的所述面，而進(jìn)入到所述流動通道的體積中。所述印刷電路板可以包括從所述堆組件的面橫向向外延伸的連接器凸耳，并且所述導(dǎo)電層可以延伸到所述連接器凸耳上。所述印刷電路板可以包括至少一個導(dǎo)電軌道，所述至少一個導(dǎo)電軌道從所述電子部件延伸到從所述堆組件的面橫向向外延伸的連接器凸耳，所述連接器凸耳提供電氣端子以用于與所述電子部件的電氣連接。所述印刷電路板襯底可以由電絕緣介質(zhì)材料形成。位于所述堆的每個末端處的電流收集器板可以各自包括印刷電路板，所述印刷電路板具有被設(shè)置成抵靠所述堆中最外面電池的相應(yīng)陽極流板或陰極流板的第一面。所述印刷電路板的第一面上的所述導(dǎo)電層可以被配置來充當(dāng)堆電流收集器電極。所述燃料電池堆組件可以包括位于所述印刷電路板的與所述第一面相反的第二面上的導(dǎo)電軌道，所述導(dǎo)電軌道被配置來充當(dāng)與安裝到所述印刷電路板的所述第一面的一個或多個電子部件的電氣連接。所述電流收集器板中的至少一個可以橫向延伸超過由所述堆配置中的多個電池界定的所述堆組件的面以便界定橫向延伸部分，并且還可以包括安裝在所述橫向延伸部分上的至少一個電子部件。在另一方面中，本發(fā)明提供一種制造具有上述特征的燃料電池堆組件的方法。
[0013]現(xiàn)將借助實例并且參照附圖來描述本發(fā)明的實施方案，在附圖中:
[0014]圖1展示燃料電池堆的透視圖；
[0015]圖2展示圖1的燃料電池堆的透視圖，其中壓縮端板已被移除來顯露內(nèi)部部件；以及
[0016]圖3展示圖1和圖2的堆的電流收集器板的透視圖。
[0017]在本說明書的全文中，與相對方位和位置有關(guān)的描述詞(如“頂部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”)以及其任何形容詞或副詞形式的派生詞是在附圖中所呈現(xiàn)的燃料電池堆組件的方位意義上使用的，以便幫助理解所描述的實施方案。然而，這些描述詞并不意圖以任何方式限制燃料電池堆組件的預(yù)期用途。
[0018]參考圖1，燃料電池堆組件I具有多個平行的電池2，這些電池各自包括設(shè)置在陽極流板4和陰極流板5之間的膜電極組件(MEA)3。在圖1所示的堆組件中，陽極流板4水平地位于每個相應(yīng)MEA 3上方，并且陰極流板5水平地位于每個相應(yīng)MEA 3下方。
[0019]所展示的燃料電池堆屬于空氣冷卻式開放陰極種類，其中陽極流板4為薄金屬層，其各自具有在陽極流板面向MEA的表面(圖1中不可見)中蝕刻出的或以其它方式形成的一組流動通道，以便將陽極燃料氣體(如氫氣)傳送到MEA 3的陽極側(cè)。多孔氣體擴(kuò)散材料層(圖1中不可見)可以定位在MEA和陽極流板之間，以便幫助將燃料分配到MEA表面。墊片圍繞MEA和陽極流板的外圍延伸，以便提供密封來防止陽極燃料的泄漏。
[0020]在所展示的實施例中，陰極流板5屬于開放陰極類型，并且形成為波紋板6。波紋提供了開放末端式流動通道8，以便經(jīng)過設(shè)置在其上的MEA或氣體擴(kuò)散層的表面?zhèn)鬟f空氣。如圖1中所看到的堆I的正面7提供空氣入口面，通過所述空氣入口面可以將空氣在堆體積中傳遞到MEA的陰極表面。堆的相反面(也就是，如圖1中所看到的堆的背面)可以提供另外的空氣入口面。或者，如果堆被迫通風(fēng)，那么所述相反面可以是空氣出口面，以便排出被迫進(jìn)入到正面7中的空氣。
[0021]在堆組件I的頂部上，陽極電流收集器板9包括從堆橫向向外延伸的陽極電流連接器凸耳10，以便提供可以供電氣連接器附接的電氣端子。在堆組件I的底部，陰極電流收集器板11包括從堆橫向向外延伸的陰極電流收集器凸耳12，以便提供可以供電氣連接器附接(例如，通過焊接)的電氣端子。
[0022]借助于一對端板(具體來說，頂部端板13和底部端板14)將堆組件I放置在壓縮狀態(tài)下，這對端板是由左端夾15和右端夾16保持在一起。端夾15、16是在受拉狀態(tài)下應(yīng)用，以使得堆的各層保持在緊密壓縮狀態(tài)下，以便所有墊片與堆中電池的各種層正確密封。
[0023]堆組件I也可以包括一系列電壓監(jiān)測凸耳17，這些電壓監(jiān)測凸耳各自從陽極流板或陰極流板中的相應(yīng)流板橫向向外延伸。在所展示的實施例中，電壓監(jiān)測凸耳17為陽極流板的橫向延伸部。電壓監(jiān)測凸耳可以針對堆中的每個電池提供或者可以針對堆中的每幾個電池提供，并且可用于在操作期間監(jiān)測整個堆上的電池電壓。
[0024]墊片布置18可以提供對堆中電池的末端的密封，并且也可以提供穿過堆的垂直延伸廊道，以便將燃料傳送和分配到堆中的每個電池?？梢栽陧敳堪?3的每個末端中提供口 19、20，以便提供對圖2中可以看到的分配廊道的進(jìn)入。墊片一般可以呈適合于所部署電池和堆的特定配置的任何形式。
[0025]圖2展示燃料電池堆組件1，其中頂部端板13被移除來顯露陽極電流收集器板9、陽極流體分配廊道21和22，通過口 19和20進(jìn)入所述陽極流體分配廊道21和22。如果陽極電流收集器板9并不延伸到堆的左側(cè)和右側(cè)，那么可以提供厚度與陽極電流收集器板9類似的間隔板或墊片層23、24，如稍后將論述的。這類墊片層23、24的厚度在未經(jīng)壓縮時一般可以是任何合適厚度，以便在被適當(dāng)壓縮以用于組裝后的堆時正確地發(fā)揮作用來提供密封和間隔功能性。
[0026]現(xiàn)在參看圖3，展示從堆組件I移除并且與圖1和圖2的方位相比而言從后到前旋轉(zhuǎn)的陰極電流收集器板11。陰極電流收集器板11是由合適電絕緣介質(zhì)材料(如環(huán)氧樹脂)的印刷電路板襯底25制造而成，所述印刷電路板襯底25具有處于層壓結(jié)構(gòu)中的編織或非編織支撐件。設(shè)置在襯底25上的是被圖案化成在大部分襯底上延伸的高度導(dǎo)電材料層26 (如銅)。這個材料層26充當(dāng)燃料電池堆的電流收集電極。更一般來說，高度導(dǎo)電材料層26可以被配置成在襯底25的任何足夠區(qū)域上延伸，以便電流收集器板11提供從相鄰電池的充分電流收集。導(dǎo)電材料層26可以部分或完全由導(dǎo)電的鑲嵌織物或其它材料形成，這種材料可以用橡膠處理或一般是可撓的以提供某種程度的撓性和壓縮性。
[0027]在印刷電路板襯底25的表面上的一個選定位置或多個選定位置處，安裝有一個或多個電氣部件27，形成到所述電氣部件27的導(dǎo)電軌道28以用于電氣連接。充當(dāng)堆電流收集電極的導(dǎo)電材料26的主要場區(qū)域也可以用作電氣部件27的第二電氣連接，或者可以改為使用多個分開的軌道28。多個部件27可以設(shè)置在印刷電路板25/陰極電流收集器板11的表面上，并且這些部件可以與位于相鄰流板5中或襯底25上任何其它地方的流動通道對準(zhǔn)。導(dǎo)電軌道28優(yōu)選地延伸到板25的邊緣，其中導(dǎo)電軌道28在板的邊緣處或邊緣附近終止，優(yōu)選地在橫向延伸凸耳30上終止。推入配合式