燃料電池堆組件-燃料電池堆疊的基準(zhǔn)件設(shè)計(jì)和碰撞防護(hù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開一般涉及一種用于組裝燃料電池堆的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以及涉及在燃料電池堆上分配加速負(fù)載，以在暴露于沖擊和其他高加速負(fù)載之后固定和維持燃料電池在堆內(nèi)的相對(duì)位置。
【背景技術(shù)】
[0002]使用燃料電池經(jīng)由電化學(xué)反應(yīng)將燃料轉(zhuǎn)換成可用的電的顯著的益處在于它被實(shí)現(xiàn)而不依賴于作為中間步驟的燃燒。如此，對(duì)推進(jìn)和相關(guān)的動(dòng)力應(yīng)用而言，燃料電池具有優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)(ICE)的幾個(gè)環(huán)境優(yōu)勢(shì)。在通常的燃料電池中，例如質(zhì)子交換膜或聚合物電解質(zhì)膜(在任一情況下，PEM)燃料電池，在通常稱為膜電極組件(MEA)中，一對(duì)催化電極被離子透射介質(zhì)(例如，Naf1n ?)分離。當(dāng)氣體還原劑(例如，氫，H2)被引入到陽(yáng)極并且在陽(yáng)極處被電離，并且隨后使它穿過離子透射介質(zhì)，使得它與已通過其他電極(陰極)引入的氣體氧化劑(例如，氧氣，02)結(jié)合時(shí)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)物的這種結(jié)合形成作為副產(chǎn)物的水。在氫的電離中釋放的電子以直流電(DC)的形式經(jīng)由外部電路前進(jìn)至陰極，所述外部電路通常包括負(fù)載(例如，電動(dòng)機(jī))，其中，可以執(zhí)行有用的工作。通過將許多這樣的電池結(jié)合成更大的電流產(chǎn)生組件，通過這種DC電力的流產(chǎn)生的發(fā)電量能夠增加。這一種這樣的配置中，燃料電池沿公共的堆疊維度(或堆疊方向，stacking dimens1n)串聯(lián)地連接(很像一疊卡片)，以形成燃料電池堆。
[0003]通過氣體可滲透的擴(kuò)散介質(zhì)(也稱為氣體擴(kuò)散介質(zhì)(GDM))和雙極板，其中后者尺寸設(shè)計(jì)成圍繞對(duì)應(yīng)的燃料電池的周界放置，促進(jìn)了反應(yīng)物到MEA的輸送，以及去除副產(chǎn)物水，并將電池產(chǎn)生的電流輸送至負(fù)載。在堆形成期間，改進(jìn)每個(gè)板和電池組件的對(duì)準(zhǔn)的一種方式是，包括內(nèi)置在一個(gè)或多個(gè)雙極板中，固定到所述一個(gè)或多個(gè)雙極板或與之協(xié)作的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(也稱為基準(zhǔn)件(datum))。在一種常見的形式中，基準(zhǔn)件可以接受基準(zhǔn)銷，以促進(jìn)在堆疊維度(例如，笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)中的Y軸)上的這種對(duì)準(zhǔn)。
[0004]放置在車輛內(nèi)的燃料電池堆必須能夠承受因車輛的加速和減速以及因撞車、事故和相關(guān)的沖擊而引起的嚴(yán)重負(fù)載改變。特別地，為了在暴露于破壞性事件(例如，車輛撞車)期間的高加速負(fù)載(例如，多達(dá)160g或更多)后繼續(xù)執(zhí)行，必須相對(duì)于彼此保持構(gòu)成堆的燃料電池的位置。在車輛的高加速、減速或沖擊的情況下，高剪切力可引起堆的相鄰電池之間的滑動(dòng)(尤其是在前述笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)的x-z平面中)。當(dāng)考慮所有電池時(shí)，電池之間的小位移就能夠?qū)е麓蟮碾姵貕K位移(例如，對(duì)于300個(gè)電池堆組件，100微米的電池移位能夠?qū)е?0_的電池塊移位)。冷啟動(dòng)條件以及減小的電池間摩擦可使這樣的問題惡化，在冷啟動(dòng)條件下，熱引起的收縮可減小在堆組裝期間放置在電池上的Y軸壓縮保持負(fù)載，減小的電池間摩擦由使用表面處理或可能具有低摩擦系數(shù)屬性的插入件帶來(lái)。粘合劑或補(bǔ)充支承結(jié)構(gòu)的使用可趨于在某種程度上改善這個(gè)問題，但在過程中趨于增加重量和復(fù)雜度，并且在粘合劑的情況下，無(wú)益于為了維修或診斷分析的后續(xù)的堆的分解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本公開的一個(gè)方面，公開了一種燃料電池堆。所述堆包括許多燃料電池以及用于電池中的每一個(gè)的相應(yīng)的雙極板，所述許多燃料電池沿堆疊維度(例如，常規(guī)笛卡兒坐標(biāo)系統(tǒng)中的Y軸)以相鄰地面對(duì)(adjacently-facing)的關(guān)系布置。至少一個(gè)基準(zhǔn)件被設(shè)置成與每個(gè)雙極板的邊緣相鄰，并且被成形為限定與相鄰地堆疊的板上的另一個(gè)基準(zhǔn)件的嵌套關(guān)系，以提供對(duì)沿基本上正交于堆疊維度的維度的電池間未對(duì)準(zhǔn)或運(yùn)動(dòng)(即，在基本上正交于堆疊維度的平面中的運(yùn)動(dòng))的增加的抵抗。
[0006]根據(jù)本公開的另一方面，公開了一種組裝燃料電池堆的方法，所述燃料電池堆具有對(duì)響應(yīng)于破壞性事件的電池間移位的改進(jìn)的抵抗。所述方法包括沿堆疊維度布置燃料電池，并且將所布置的電池固定在殼體內(nèi)，使得沿形成相應(yīng)的燃料電池組件的一部分的雙極板中的每一個(gè)的邊緣放置的一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)件被成形為提供增加的抵抗。所述基準(zhǔn)件沿電池堆疊維度具有增加的厚度尺寸，并且被配置成與相鄰地堆疊的雙極板上的可對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)件協(xié)作，使得對(duì)相鄰電池之間的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的抵抗增加。在堆疊的基準(zhǔn)件之間的這種協(xié)作最小化或去除了可能由于沿限定了板、電池及它們相應(yīng)的組件的主要表面的維度發(fā)生顯著的加速而產(chǎn)生的電池間的運(yùn)動(dòng)。
[0007]本發(fā)明還包括下述方案:
1.一種燃料電池堆，包括:
多個(gè)燃料電池，其沿堆疊維度以相鄰地面對(duì)的關(guān)系布置；
與所述電池中的每一個(gè)協(xié)作的雙極板；以及
設(shè)置成與每個(gè)所述雙極板的邊緣相鄰的至少一個(gè)基準(zhǔn)件，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件成形為限定與相鄰地堆疊的基準(zhǔn)件的嵌套關(guān)系，以提供對(duì)沿基本上正交于堆疊維度的維度的電池間未對(duì)準(zhǔn)的增加的抵抗。
[0008]2.如方案1所述的燃料電池堆，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件基本上沿所述堆疊維度突出到所述雙極板所限定的平面之外。
[0009]3.如方案2所述的燃料電池堆，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件限定了基本上中空的錐形結(jié)構(gòu)。
[0010]4.如方案3所述的燃料電池堆，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件限定了其中的孔。
[0011]5.如方案4所述的燃料電池堆，還包括放置在所述孔內(nèi)的基準(zhǔn)銷。
[0012]6.如方案4所述的燃料電池堆，其特征在于，所述孔限定了非圓形的形狀。
[0013]7.如方案3所述的燃料電池堆，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件限定了包覆模制在金屬突出部上的塑料。
[0014]8.如方案7所述的燃料電池堆，其特征在于，所述金屬突出部通過焊接構(gòu)造或粘接構(gòu)造被設(shè)置成與每個(gè)所述雙極板的邊緣相鄰。
[0015]9.如方案1所述的燃料電池堆，還包括圍繞所述堆的殼體。
[0016]10.如方案9所述的燃料電池堆，其特征在于，所述殼體限定了擠制模具構(gòu)造，使得其至少一體形成的部分提供圍繞堆疊的基準(zhǔn)件的至少一部分的基本上柱狀的結(jié)構(gòu)，以提供隔壁，所述隔壁具有對(duì)沿所述基本上正交的維度的所述電池間未對(duì)準(zhǔn)的增強(qiáng)的抵抗。
[0017]11.如方案9所述的燃料電池堆，其特征在于，所述殼體限定了鑄造構(gòu)造，所述鑄造構(gòu)造具有設(shè)置在所述多個(gè)燃料電池的基本上相對(duì)側(cè)上的至少一對(duì)附加的支架，所述多個(gè)燃料電池沿堆疊維度以相鄰地面對(duì)的關(guān)系布置，使得所述支架提供圍繞堆疊的基準(zhǔn)件的至少一部分的基本上柱狀的結(jié)構(gòu)，以提供隔壁，所述隔壁具有對(duì)沿所述基本上正交的維度的所述電池間未對(duì)準(zhǔn)的增強(qiáng)的抵抗。
[0018]12.一種用于組裝燃料電池堆的方法，所述方法包括:
沿堆疊維度布置多個(gè)基本上平面的燃料電池，所述燃料電池中的每一個(gè)包括至少膜電極組件和雙極板，所述雙極板具有與其邊緣相鄰的至少一個(gè)基準(zhǔn)件，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件成形為提供對(duì)沿基本上正交于所述堆疊維度的維度的電池間未對(duì)準(zhǔn)的增加的抵抗；以及將所述布置的燃料電池固定在殼體內(nèi)，使得每個(gè)所述雙極板上的所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件與至少一個(gè)面對(duì)地相鄰的板上的相鄰基準(zhǔn)件之間的協(xié)作增加對(duì)電池間滑動(dòng)的抵抗。
[0019]13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件限定了基本上中空的錐形嵌套結(jié)構(gòu)。
[0020]14.如方案13所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件基本上沿所述堆疊維度突出到所述基本上平面的燃料電池中對(duì)應(yīng)的一個(gè)所限定的平面之外。
[0021]15.如方案14所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件包括多個(gè)基準(zhǔn)件。
[0022]16.如方案12所述的方法，其特征在于，所述殼體限定了一體形成的構(gòu)造，使得其至少一部分提供圍繞堆疊的基準(zhǔn)件的至少一部分的基本上柱狀的結(jié)構(gòu)，以提供隔壁，所述隔壁具有對(duì)沿所述基本上正交的維度的所述電池間未對(duì)準(zhǔn)的增強(qiáng)的抵抗。
[0023]17.如方案12所述的方法，還包括在所述布置期間，將所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件耦接到銷。
[0024]18.如方案17所述的方法，其特征在于，在將所述布置的燃料電池固定在所述殼體內(nèi)之前，將所述銷從所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件移除。
[0025]19.如方案12所述的方法，還包括通過金屬突出部將所述至少一個(gè)基準(zhǔn)件耦接到所述雙極板的邊緣，所述金屬突出部利用所述基本上中空的錐形嵌套結(jié)構(gòu)來(lái)包覆模制。
[0026]20.如方案19所述的方法，其特征在于，所述耦接包括焊接。
【附圖說明】
[0027]當(dāng)結(jié)合以下附圖閱讀時(shí)，能夠最好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述，在附圖中，相同的結(jié)構(gòu)采用相同的附圖標(biāo)記來(lái)指示，并且在附圖中:
圖1是燃料電池堆的簡(jiǎn)化分解圖；
圖2是具有圖1的燃料電池堆的車輛的透視剖面圖；
圖3是在圖1的燃料電池堆中使用的雙極板的簡(jiǎn)化分解圖；
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