CN101859907B - 多电池电信号处理双极板特征 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多电池电信号处理双极板特征。公开了用于处理来自于燃料电池系统中的多个燃料电池的电信号的系统和方法。所述多个燃料电池的组，例如五个双极板，被电联接到可压缩连接器或电路板，其中，一些双极板具有用于提供至所述可压缩连接器或电路板的电接触的板接触器。所述系统允许使用更少的电气部件来处理每个电池的电信号，从而减少所需空间量和与其有关的成本。
Description
技术领域
本发明总体上涉及使用一个电路板处理来自于多个燃料电池的电信号的系统和方法，且更具体地涉及使用一个电路板处理来自于多个燃料电池的电信号的系统和方法，其中，所述电路板被连接到导电可压缩连接器或者通过板接触器直接连接到双极板。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极侧催化剂中分解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极侧催化剂中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极(催化剂层)通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂(Pt)，所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。每个MEA通常夹在两片多孔材料(即，气体扩散层(GDL))之间，所述多孔材料保护膜的机械整体性且有助于一致的反应物和湿度分配。将阳极和阴极流分开的MEA的部分称为活性区域，且仅在该区域中，水蒸汽能够在阳极和阴极之间自由交换。MEA的制造相对昂贵且需要某些湿度条件以有效操作。
燃料电池通常包括多个导电单极板和双极板，所述单极板和双极板与多个MEA、电极、密封垫、密封件和气体扩散介质(也称为“纺织品”)交替地组装(堆叠)。多个燃料电池通常被组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应物气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为反应副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢反应物气体。所述燃料电池堆还包括冷却流体流经的流动通道。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板(隔板)，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极例流分配器(流场)。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。在堆叠之后，这些部件通常在压缩下进行设置以使得接触电阻最小化并使密封件封闭。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。
本领域已知处理来自于燃料电池系统中的某些板的电信号以确定燃料电池堆是否恰当地工作且执行电池-电池短路，如本领域技术人员已知的那样。通常，由于与监测每个电池相关的成本，每隔一个电池进行电信号处理。另外，可能难以在处理每个电池的电信号可用的空间中提供必要的部件。本领域需要处理来自于每个电池的电信号，同时使得与其有关的成本和空间要求最小化。
发明内容
根据本发明的教导，公开了用于处理来自于燃料电池系统中的多个燃料电池的电信号的系统和方法。所述多个燃料电池的组(例如，五个双极板)被电联接到可压缩连接器或电路板，其中，一些双极板具有用于提供至所述可压缩连接器或电路板的电接触的板接触器。所述系统允许使用更少的电气部件来处理每个电池的电信号，从而减少所需空间量和与其有关的成本。
方案1：一种用于燃料电池堆的电信号处理系统，所述系统包括：
多个燃料电池堆；
多个双极板，每个双极板包括板接触器，且所述双极板中的至少两个包括连接器凹部；
至少一个导电可压缩连接器，所述至少一个导电可压缩连接器在板接触器或连接器凹部处电联接到所述多个双极板；和
至少一个电路板，所述至少一个电路板电联接到所述至少一个导电可压缩连接器，其中，所述至少一个电路板处理来自于与所述导电可压缩连接器电连通的所述多个双极板的电信号。
方案2：根据方案1所述的系统，其中，所述板接触器被压印和成形以在导电可压缩连接器上的具体位置处与导电可压缩连接器电接触。
方案3：根据方案1所述的系统，其中，所述导电可压缩连接器是具有导电金属丝的弹性体、交替的导电和不导电弹性体叠层、或其组合。
方案4：根据方案1所述的系统，还包括迹线连接器，所述迹线连接器位于导电可压缩连接器和电路板之间且与导电可压缩连接器和电路板电连通，其中，所述迹线连接器允许电路板处理来自于所述多个双极板的电信号。
方案5：根据方案4所述的系统，其中，所述迹线连接器是柔性电路基底或刚性电路板基底。
方案6：根据方案1所述的系统，其中，连接器凹部电联接到导电可压缩连接器，所述导电可压缩连接器位于连接器凹部的直接下方且与连接器凹部的底侧接触。
方案7：一种用于燃料电池堆的电信号处理系统，所述系统包括：
至少四个燃料电池；
至少五个双极板，每个双极板具有板接触器和连接器凹部；
至少一个导电可压缩连接器，所述至少一个导电可压缩连接器电联接到所述至少五个双极板的板接触器或连接器凹部；和
至少一个电路板，所述至少一个电路板电联接到所述至少一个导电可压缩连接器，其中，所述至少一个电路板处理所述至少五个双极板的电信号。
方案8：根据方案7所述的系统，其中，所述板接触器被压印和成形以在导电可压缩连接器上的具体位置处与导电可压缩连接器电接触。
方案9：根据方案7所述的系统，其中，所述导电可压缩连接器是具有导电金属丝的弹性体、交替的导电和不导电弹性体叠层、或其组合。
方案10：根据方案7所述的系统，还包括电联接到所述至少一个电路板的电子封装件，其中，所述电子封装件处理电信号。
方案11：根据方案10所述的系统，其中，所述电子封装件包括功率变换模块、功率分配模块和通信装置。
方案12：根据方案7所述的系统，还包括迹线连接器，所述迹线连接器位于导电可压缩连接器和电路板之间且与导电可压缩连接器和电路板电连通，其中，所述迹线连接器允许电路板处理来自于所述至少五个双极板的电信号。
方案13：根据方案7所述的系统，其中，所述双极板中的至少一个具有定位电路板的电路板凹部区域。
方案14：根据方案7所述的系统，其中，所述至少五个双极板中的至少第一个双极板和最后一个双极板的连接器凹部电联接到第二导电可压缩连接器，所述第二导电可压缩连接器位于连接器凹部的直接下方且与连接器凹部的底侧接触。
方案15：一种用于燃料电池堆的电信号处理系统，所述系统包括：
至少两个个燃料电池；
至少三个双极板，所述至少三个双极板中的至少一个具有板接触器；
至少一个不导电弹性体，所述至少一个不导电弹性体在板接触器的直接上方定位在所述至少三个双极板的顶部上；和
至少一个电路板，所述至少一个电路板所述至少三个双极板中的所述至少一个的板接触器电连通，且安置于所述至少三个双极板中的底部双极板上且与所述双极板电连通，其中，所述不导电弹性体将至少顶部双极板的接触器区域向下压在电路板上且将电路板向下压在该组中的底部双极板上，以最小化接触电阻。
方案16：根据方案15所述的系统，其中，所述板接触器被压印和成形以在电路板上的具体位置处与电路板电接触。
方案17：根据方案15所述的系统，还包括迹线连接器，所述迹线连接器位于板接触器以及双极板与电路板的导电点之间且与所述板接触器和导电点电连通，其中，所述迹线连接器允许电路板处理来自于所述至少三个双极板的电信号。
方案18：根据方案15所述的系统，还包括电联接到所述至少一个电路板的电子封装件，其中，所述电子封装件监测电池功能。
方案19：根据方案15所述的系统，其中，所述电子封装件包括功率变换模块、功率分配模块和通信装置。
方案20：根据方案15所述的系统，其中，所述不导电弹性体包括橡胶。
方案21：根据方案15所述的系统，其中，至少一个凹口区域位于至少一个双极板上靠近电路板将安置的边缘，以允许电路板的恰当对齐和易于插入。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
附图说明
图1是用于具有板接触器的燃料电池堆的双极板的简图；
图2是用于具有板接触器的燃料电池堆的一系列双极板的简图，所述板接触器接触导电可压缩连接器，所述导电可压缩连接器使用迹线连接器连接到电路板；
图3是具有板接触器的双极板的替代视角的简图，所述板接触器接触导电可压缩连接器，所述导电可压缩连接器安置于迹线连接器上且电联接到迹线连接器，所述迹线连接器连接到电路板；
图4是强调最后一个板的简图，所述板需要接触两个导电可压缩连接器，所述导电可压缩连接器中的每个连接到分开的电路板；
图5是图4的剖视图，示出了四个燃料电池和导电可压缩连接器作为电子信号封装件的示例；以及
图6是将导电可压缩连接器连接到电路板的迹线连接器的简图；
图7是连接到导电可压缩连接器的四个双极板的简图，其中，导电可压缩连接器安置于电路板上且电联接到电路板；
图8是板组件的简化截面图；
图9是与电路板直接接触的双极板的简图，其中，一件不导电橡胶用于将板接触器压靠电路板；以及
图10是具有凹口区域的双极板的简图，所述凹口区域接收电路板的两个角部。
具体实施方式
涉及用于燃料电池系统的多个燃料电池的电信号处理的系统和方法的本发明实施例的以下阐述本质上仅仅是示例性的且不旨在以任何方式限制本发明或其应用或使用。
本发明的第一实施例在图1-6中示出，其中图1是双极板10的简图。如本领域技术人员已知的，两个双极板与膜电极组件(MEA)和其它纺织品(例如，子密封垫和气体扩散层(GDL))一起构成燃料电池，且通常多个燃料电池串联连接以构成燃料电池堆。双极板10具有金属板接触器14，金属板接触器14被压印和成形以用作导电点，如下文详细讨论的那样。双极板10还具有电路板凹部16和连接器凹部18，电路板将定位在电路板凹部16处，且导电可压缩连接器的角部将定位在连接器凹部18处，如下文详细讨论的那样。
图2是四个堆叠的双极板22、24、26和28的简图20。虽然四个堆叠的双极板用于该非限制性实施例，但是可以使用不同数量的双极板，如下文所述。每个堆叠的双极板22、24、26和28分别包括板接触器30、32、34和36。每个板接触器30、32、34和36特别地设计成定位在导电可压缩连接器40的顶部且与导电可压缩连接器40电接触。可使用(但不限于此)的一种合适的导电可压缩连接器的示例是弹性体连接器。如本领域技术人员已知的，弹性体连接器包括不导电弹性体，例如橡胶，带有在战略上设置的不同物质(例如，铜金属丝)的导电部分。弹性体连接器还可是交替的导电和不导电弹性体的叠层。导电可压缩连接器在各种商标名下销售且可以多种配置获得，如本领域技术人员已知的那样。
导电可压缩连接器40连接到电路板44。因而，双极板22、24、26和28使用同一导电可压缩连接器40和同一电路板44通过板接触器30、32、34和36监测。这继而意味着每个电路板44附连到处理四个燃料电池的电信号所需的电气部件和通信装置。因此，减少了监测和操作燃料电池堆所需的电气部件和通信装置的数量，从而减少有效地操作燃料电池堆所需的成本和空间量。
图3是简图20的另一视图，从不同的视角示出了双极板22、24、26和28。双极板22、24、26和28各分别具有板接触器30、32、34和36。每个板接触器30、32、34和36被压印和成形以在导电可压缩连接器40的期望位置处与导电可压缩连接器40电接触。指向下通过导电可压缩连接器40的箭头分别示出了来自于板接触器30、32、34和36的导电路径。从连接器凹部18指向下的箭头示出了在下方存在导电可压缩连接器时双极板22的导电路径，这将在下文更详细地讨论。由此，导电可压缩连接器40允许每个双极板22、24、26和28被同一电路板44独立地监测。
导电可压缩连接器40安置于连接器凹部18中。连接器凹部18提供插入导电可压缩连接器40的角部的区域，且还能够被电连接到直接安置于燃料电池堆的连接器凹部18下方(如果有的话)的导电可压缩连接器(未示出)，这将在下文更详细地讨论。迹线连接器42设置在导电可压缩连接器40和电路板44之间且电联接到导电可压缩连接器40和电路板44以在它们之间提供电连接。迹线连接器42可以是电路板44的刚性延伸部或者是柔性电路基底，如本领域技术人员已知的那样。导电可压缩连接器40安置在迹线连接器42的顶部且与迹线连接器42电连通。电路板44安置于电路板凹部16中。迹线连接器42允许在不需要导电可压缩连接器40和电路板44之间的刚性连接或物理接触的情况下将导电可压缩连接器40和电路板44电联接，从而允许燃料电池堆的部件的更大的尺寸变化。
图4示出了简图20中的每组四个或更多燃料电池如何与其它组的燃料电池堆叠在一起。示出了双极板22、24、26和28，且可以看到双极板接触器34和36以及电路板44。示出了第五双极板48，且也示出了安置于连接器凹部18中的第二导电可压缩连接器52。虽然未示出，但是迹线连接器位于导电可压缩连接器52下方且也安置于连接器凹部18中。因而，第二导电可压缩连接器52不直接接触第五双极板48的连接器凹部18。
导电可压缩连接器通过双极板48上的双极板接触器50与双极板48电接触。在第二导电可压缩连接器52和双极板接触器34和36下方安置导电可压缩连接器40(但未示出)。双极板48的接触器凹部18的底侧与导电可压缩连接器52下方的导电可压缩连接器40电连通，且双极板48的双极板接触器50与导电可压缩连接器52电连通。因而，双极板48的电信号通过连接器凹部18的底侧被电路板44获知，且双极板48的电信号还通过板接触器50被电路板46获知。这是必要的，因为每个板是具有阳极侧和阴极侧的双极板，因而为了测量四个燃料电池的电信号，必须获知五个双极板的电信号，这是本领域技术人员清楚的。
图5是图4的剖视图，示出了具有五个双极板22、24、26、28和48以及两个导电可压缩连接器40和52的简图20。板接触器30、32、34和36和双极板48的连接器凹部18的底部与导电可压缩连接器40电连通。双极板48的板接触器50与导电可压缩连接器52电连通。虽然未示出，但是电路板44和46分别与导电可压缩连接器40和52电连通。每个电路板还与电气部件(未示出)电连通。电气部件可包括但不限于功率变换模块、功率分配模块和通信装置(例如，发送器和接收器)。
图6是简图20的另一视图，示出了五个双极板22、24、26、28和48、两个导电可压缩连接器40和52、以及电路板44和46。此外，迹线连接器62将导电可压缩连接器52连接到电路板46，迹线连接器64将导电可压缩连接器40连接到电路板44。迹线连接器62和64允许电路板44和46根据期望远离导电可压缩连接器40和52隔开。这些部件允许燃料电池堆的多个燃料电池电联接到单个导电可压缩连接器和单个电路板，且允许所述多个燃料电池的组串联堆叠以构成燃料电池堆。所述多个燃料电池中的每个连接到信号处理所需的电气部件，因而允许每个燃料电池的电信号通过共用在所述多个燃料电池间信号处理所需的电气部件来处理。此外，可根据期望采用电池-电池的短路。因而，减少了与燃料电池堆操作有关的成本，所需空间量也减少，而不损害燃料电池堆的燃料电池的电信号处理。
本发明的第二实施例在图7和8中示出。图7示出了燃料电池系统70，其中，电路板72在导电可压缩连接器86下延伸。在替代实施例中，柔性电路板迹线可在导电可压缩连接器86下延伸，从而将电路板72和导电可压缩连接器86电联接。指向下通过导电可压缩连接器86的箭头示出了来自于板接触器的导电路径。从区域84指向下的箭头示出了在下面存在导电可压缩连接器时双极板74的导电路径，这将在下文更详细地讨论。从区域84指向上的箭头示出了从双极板74通过电路板72(或通过柔性电路板迹线，如果有的话)的导电路径。电路板72还包括通信装置82，通信装置82可包括但不限于接收器和发送器。
双极板74在区域84处与电路板72直接电接触。双极板76、78和80经由板接触器88、90和92与导电可压缩连接器86电连通。板接触器88、90和92中的每个特别地成形以安置在导电可压缩连接器86的顶部且与导电可压缩连接器86电连通。虽然未示出，但是类似于板74的第五板94堆叠在板80的顶部以提供监测四个燃料电池所需的第五板94，如上文所述。板74并不需要板接触器，因为区域84在顶侧和底侧上提供电连通。区域84的底侧与其下方的导电可压缩连接器(如果有的话)电连通，区域84的顶侧与其上方的电路板72电连通。
图8是燃料电池系统70的简化截面图，包括测量四个燃料电池的电信号所需的第五双极板94，如上文所述。如图所示，双极板74的底部在区域84的顶侧处与电路板72电接触。双极板76、78和80分别在板接触器88、90和92处与导电可压缩连接器86电接触。第五双极板94在用于该具体双极板94的区域84的底侧处与导电可压缩连接器86电接触。由此，多个燃料电池可堆叠在一起，其中，燃料电池采用相同的导电可压缩连接器86、电路板72和通信装置82。这允许每个电池使用更少的部件被监测，以及根据期望执行电池-电池短路。如上所示，更少的部件意味着需要更少的空间来执行电信号处理，且与其有关的成本减少。
本发明的第三实施例98在图9和10中示出。图9示出了不导电弹性体100(例如橡胶件)以使双极板104、106、108和110的接触区域112、114、116和118压靠电路板124。向下指向电路板124的箭头示出了来自于双极板102、104、106、108和110上的板接触器和其它接触区域的导电路径。替代地，不导电弹性体100可以使接触区域112、114、116和118压靠与电路板124电连通的柔性电路基底，如本领域技术人员清楚的那样。来自于不导电弹性体的压力确保接触区域112、114、116和118与电路板124的充分电接触。双极板102在接触区域120处与电路板124电接触。双极板110在接触区域112处与电路板124电接触，且双极板110还在接触区域122处与电路板126电接触。在图9中还示出了两个桥接件128，然而，桥接件128不与任何电路板电连通。桥接件128提供机械稳定性。
图10示出了本发明的第三实施例98，包括凹口区域130，凹口区域130允许电路板124或126相对容易地恰当地插入和对齐且确保电路板124和126在压缩燃料电池堆时保持到位。
因而，在所有上述实施例中，多个双极板连接到一个电路板，其中，最后一个双极板与其上方和其下方(如果使用一个以上的电路板)的电路板电接触。因而，多个燃料电池共用电信号处理部件，从而在减少成本和所需空间量的同时允许燃料电池的电信号处理和电池-电池短路。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
Claims (14)
1.一种用于燃料电池堆的电信号处理系统，所述系统包括：
多个燃料电池堆；
多个双极板，每个双极板包括板接触器，且所述双极板中的至少两个包括形成在所述双极板内的连接器凹部；
至少一个导电可压缩连接器，所述至少一个导电可压缩连接器安置于一个连接器凹部中，并且在板接触器和另一连接器凹部处电联接到所述多个双极板；和
至少一个电路板，所述至少一个电路板电联接到所述至少一个导电可压缩连接器，其中，所述至少一个电路板处理来自于与所述导电可压缩连接器电连通的所述多个双极板的电信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述板接触器被压印和成形以在导电可压缩连接器上的具体位置处与导电可压缩连接器电接触。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电可压缩连接器是具有导电金属丝的弹性体、交替的导电和不导电弹性体叠层、或其组合。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括迹线连接器，所述迹线连接器位于导电可压缩连接器和电路板之间且与导电可压缩连接器和电路板电连通，其中，所述迹线连接器允许电路板处理来自于所述多个双极板的电信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述迹线连接器是柔性电路基底或刚性电路板基底。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导电可压缩连接器位于连接器凹部的直接下方且与连接器凹部的底侧接触。
7.一种用于燃料电池堆的电信号处理系统，所述系统包括：
至少四个燃料电池；
至少五个双极板，每个双极板具有板接触器和形成在所述双极板内的连接器凹部；
至少一个导电可压缩连接器，所述至少一个导电可压缩连接器安置于一个连接器凹部内并且电联接到所述至少五个双极板的板接触器或连接器凹部；和
至少一个电路板，所述至少一个电路板电联接到所述至少一个导电可压缩连接器，其中，所述至少一个电路板处理所述至少五个双极板的电信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述板接触器被压印和成形以在导电可压缩连接器上的具体位置处与导电可压缩连接器电接触。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述导电可压缩连接器是具有导电金属丝的弹性体、交替的导电和不导电弹性体叠层、或其组合。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括电联接到所述至少一个电路板的电子封装件，其中，所述电子封装件处理电信号。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述电子封装件包括功率变换模块、功率分配模块和通信装置。
12.根据权利要求7所述的系统，还包括迹线连接器，所述迹线连接器位于导电可压缩连接器和电路板之间且与导电可压缩连接器和电路板电连通，其中，所述迹线连接器允许电路板处理来自于所述至少五个双极板的电信号。
13.根据权利要求7所述的系统，其中，所述双极板中的至少一个具有定位电路板的电路板凹部区域。
14.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少五个双极板中的至少第一个双极板和最后一个双极板的连接器凹部电联接到第二导电可压缩连接器，所述第二导电可压缩连接器位于连接器凹部的直接下方且与连接器凹部的底侧接触。
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