燃料電池堆組件-燃料電池堆疊的基準件設計和碰撞防護的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開一般涉及一種用于組裝燃料電池堆的改進設計，以及涉及在燃料電池堆上分配加速負載，以在暴露于沖擊和其他高加速負載之后固定和維持燃料電池在堆內的相對位置。
【背景技術】
[0002]使用燃料電池經由電化學反應將燃料轉換成可用的電的顯著的益處在于它被實現而不依賴于作為中間步驟的燃燒。如此，對推進和相關的動力應用而言，燃料電池具有優于內燃機(ICE)的幾個環境優勢。在通常的燃料電池中，例如質子交換膜或聚合物電解質膜(在任一情況下，PEM)燃料電池，在通常稱為膜電極組件(MEA)中，一對催化電極被離子透射介質(例如，Naf1n ?)分離。當氣體還原劑(例如，氫，H2)被引入到陽極并且在陽極處被電離，并且隨后使它穿過離子透射介質，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)結合時，發生電化學反應；反應物的這種結合形成作為副產物的水。在氫的電離中釋放的電子以直流電(DC)的形式經由外部電路前進至陰極，所述外部電路通常包括負載(例如，電動機)，其中，可以執行有用的工作。通過將許多這樣的電池結合成更大的電流產生組件，通過這種DC電力的流產生的發電量能夠增加。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散介質(也稱為氣體擴散介質(GDM))和雙極板，其中后者尺寸設計成圍繞對應的燃料電池的周界放置，促進了反應物到MEA的輸送，以及去除副產物水，并將電池產生的電流輸送至負載。在堆形成期間，改進每個板和電池組件的對準的一種方式是，包括內置在一個或多個雙極板中，固定到所述一個或多個雙極板或與之協作的一個或多個基準結構(也稱為基準件(datum))。在一種常見的形式中，基準件可以接受基準銷，以促進在堆疊維度(例如，笛卡兒坐標系統中的Y軸)上的這種對準。
[0004]放置在車輛內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、事故和相關的沖擊而引起的嚴重負載改變。特別地，為了在暴露于破壞性事件(例如，車輛撞車)期間的高加速負載(例如，多達160g或更多)后繼續執行，必須相對于彼此保持構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(尤其是在前述笛卡兒坐標系統的x-z平面中)。當考慮所有電池時，電池之間的小位移就能夠導致大的電池塊位移(例如，對于300個電池堆組件，100微米的電池移位能夠導致30_的電池塊移位)。冷啟動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屬性的插入件帶來。粘合劑或補充支承結構的使用可趨于在某種程度上改善這個問題，但在過程中趨于增加重量和復雜度，并且在粘合劑的情況下，無益于為了維修或診斷分析的后續的堆的分解。
【發明內容】
[0005]根據本公開的一個方面，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的相應的雙極板，所述許多燃料電池沿堆疊維度(例如，常規笛卡兒坐標系統中的Y軸)以相鄰地面對(adjacently-facing)的關系布置。至少一個基準件被設置成與每個雙極板的邊緣相鄰，并且被成形為限定與相鄰地堆疊的板上的另一個基準件的嵌套關系，以提供對沿基本上正交于堆疊維度的維度的電池間未對準或運動(即，在基本上正交于堆疊維度的平面中的運動)的增加的抵抗。
[0006]根據本公開的另一方面，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響應于破壞性事件的電池間移位的改進的抵抗。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，使得沿形成相應的燃料電池組件的一部分的雙極板中的每一個的邊緣放置的一個或多個基準件被成形為提供增加的抵抗。所述基準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準基準件協作，使得對相鄰電池之間的滑動運動的抵抗增加。在堆疊的基準件之間的這種協作最小化或去除了可能由于沿限定了板、電池及它們相應的組件的主要表面的維度發生顯著的加速而產生的電池間的運動。
[0007]本發明還包括下述方案:
1.一種燃料電池堆，包括:
多個燃料電池，其沿堆疊維度以相鄰地面對的關系布置；
與所述電池中的每一個協作的雙極板；以及
設置成與每個所述雙極板的邊緣相鄰的至少一個基準件，所述至少一個基準件成形為限定與相鄰地堆疊的基準件的嵌套關系，以提供對沿基本上正交于堆疊維度的維度的電池間未對準的增加的抵抗。
[0008]2.如方案1所述的燃料電池堆，其特征在于，所述至少一個基準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，所述至少一個基準件限定了基本上中空的錐形結構。
[0010]4.如方案3所述的燃料電池堆，其特征在于，所述至少一個基準件限定了其中的孔。
[0011]5.如方案4所述的燃料電池堆，還包括放置在所述孔內的基準銷。
[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，所述至少一個基準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造或粘接構造被設置成與每個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造，使得其至少一體形成的部分提供圍繞堆疊的基準件的至少一部分的基本上柱狀的結構，以提供隔壁，所述隔壁具有對沿所述基本上正交的維度的所述電池間未對準的增強的抵抗。
[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造，所述鑄造構造具有設置在所述多個燃料電池的基本上相對側上的至少一對附加的支架，所述多個燃料電池沿堆疊維度以相鄰地面對的關系布置，使得所述支架提供圍繞堆疊的基準件的至少一部分的基本上柱狀的結構，以提供隔壁，所述隔壁具有對沿所述基本上正交的維度的所述電池間未對準的增強的抵抗。
[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基本上平面的燃料電池，所述燃料電池中的每一個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基準件，所述至少一個基準件成形為提供對沿基本上正交于所述堆疊維度的維度的電池間未對準的增加的抵抗；以及將所述布置的燃料電池固定在殼體內，使得每個所述雙極板上的所述至少一個基準件與至少一個面對地相鄰的板上的相鄰基準件之間的協作增加對電池間滑動的抵抗。
[0019]13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述至少一個基準件限定了基本上中空的錐形嵌套結構。
[0020]14.如方案13所述的方法，其特征在于，所述至少一個基準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應的一個所限定的平面之外。
[0021]15.如方案14所述的方法，其特征在于，所述至少一個基準件包括多個基準件。
[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造，使得其至少一部分提供圍繞堆疊的基準件的至少一部分的基本上柱狀的結構，以提供隔壁，所述隔壁具有對沿所述基本上正交的維度的所述電池間未對準的增強的抵抗。
[0023]17.如方案12所述的方法，還包括在所述布置期間，將所述至少一個基準件耦接到銷。
[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之前，將所述銷從所述至少一個基準件移除。
[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基準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構來包覆模制。
[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]當結合以下附圖閱讀時，能夠最好地理解本發明的優選實施例的以下詳細描述，在附圖中，相同的結構采用相同的附圖標記來指示，并且在附圖中:
圖1是燃料電池堆的簡化分解圖；
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化分解圖；
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