CN101944660A - 燃料电池堆高度公差补偿母线结构 - Google Patents

燃料电池堆高度公差补偿母线结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃料电池堆高度公差补偿母线结构。公开了一种电连接器组件，所述组件包括电连接器和通过多个紧固件联接到多个固定本体的多个触头，所述紧固件适合于利于电连接器和触头相对于固定本体的相对运动，同时保持电连通。

Description

燃料电池堆高度公差补偿母线结构
技术领域
本发明涉及电连接器，且更具体地涉及用于燃料电池堆的母线。
背景技术
燃料电池系统在广泛应用中日益增加地用作功率源。燃料电池系统已经被提出用于功率消耗件(例如车辆)中，作为例如内燃机的替代。这种系统在共同拥有的美国专利申请序列号10/418,536中公开，其全部内容作为参考引入本文。燃料电池系统也可以用作建筑物和住宅中的固定电功率装置，作为摄像机、计算机等中的便携式电源。通常，燃料电池系统产生电，用于给蓄电池充电或者提供功率给电动马达。
燃料电池是电化学装置，将燃料(如氢)和氧化剂(如氧)直接结合以产生电。氧通常由空气流提供。氢和氧结合形成水。能够使用其它燃料，例如天然气、甲醇、汽油和煤制合成燃料。
燃料电池系统采用的基本过程是有效的、大致无污染的、安静的、没有运动部件(除了空气压缩机、冷却风扇、泵和致动器之外)，且可以构造为仅仅剩下热和水作为副产物。根据使用的环境，术语“燃料电池”通常用于指代单个电池或多个电池。多个电池通常捆扎在一起并设置为形成具有通常以电串联方式设置的多个电池的燃料电池堆。由于单个燃料电池能够组装成具有各种尺寸的燃料电池堆，因而系统能够设计成产生期望能量输出水平，从而对于不同应用提供设计灵活性。
能够提供不同的燃料电池类型，例如磷酸、碱性、熔融碳酸盐、固体氧化物和质子交换膜(PEM)。PEM型燃料电池的基本部件是由聚合物膜电解质隔开的两个电极。每个电极在一侧上用薄催化剂层涂覆。电极、催化剂、和膜一起形成膜电极组件(MEA)。
在典型PEM型燃料电池中，MEA夹在“阳极”和“阴极”扩散介质(下文称为DM)或扩散层之间，扩散介质或扩散层由弹性、导电和透气材料(如碳纤维或纸)形成。DM用作阳极和阴极的主集电器，以及提供MEA的机械支撑。替代地，DM可包含催化剂层且与膜接触。DM和MEA在一对导电板之间被加压，所述导电板用作次集电器，用于从主集电器收集电流。在双极板的情况下，所述板在燃料电池堆内部的相邻电池之间传导电流，在单极板的情况下，所述板在燃料电池堆的端部处将电流传导到燃料电池堆之外。
次集电器板各包含至少一个活性区域，所述至少一个活性区域将气体反应物在阳极和阴极的主面上分配。这些活性区域(也称为流场)通常包括多个凸台，所述凸台接合主集电器且在它们之间限定多个凹槽或流动通道。通道将氢和氧供应给PEM的任一侧上的电极。具体地，氢流经通道到达阳极，在阳极处，催化剂促使分离成质子和电子。在PEM的相对侧上，氧流经通道到达阴极，在阴极处，氧吸引通过PEM的质子。电子通过外部电路被捕获作为有用能量且与质子和氧结合以在阴极侧处产生水蒸汽。
在燃料电池堆的任一端处的电连接必须适合燃料电池堆的变化高度。这必须实现，同时保持严格的空间要求，保持制造商的低成本，且保持传送高电流的能力。保持这些参数的先前尝试已经通过使用滑动接头、柔性编织连接器和悬置式母线来完成。
柔性编织连接器作为满足车辆制造商的需要的实践方式已经失败。编织连接器在编织带中包含空气空间且并不保持实心连接器的空间效率。尽管能够允许燃料电池堆的充分运动，但是编织连接器已经被证实为太贵而不可行，同时还不能落入严格的空间要求内。
悬置式母线也是不适当的选择。悬置式母线通过连接器内的偏压力来保持电接触。虽然是成本有效的选择，但是悬置式母线需要大空间来容纳燃料电池堆的可变高度，从而限制其在车辆应用中的使用。
滑动接头连接器(通常称为叉形插头)具有叶片和叉，允许少量的运动，同时保持叶片和叉之间的电接触。对于大的滑动接头连接器，可能需要多个搭接接头和紧固件，连同用于减少阻力的电润滑脂。此外，连接到叉的叶片根据燃料电池堆的高度来选择。如果燃料电池堆高度随时间变化，滑动接头连接器可能不能提供叉和叶片的充分接合。由于高成本、空间要求和有限的运动范围，滑动接头连接器已经证实为燃料电池堆端部处的电连接的限制性选择。因而，滑动接头连接器不是车辆制造商的期望选择。
期望提供一种允许燃料电池堆的两个点之间的充分移动同时保持严格空间要求的成本有效的电连接器。
发明内容
根据本发明，令人惊奇地发现一种允许电气系统的两个点之间的充分运动同时保持严格空间要求的成本有效的电连接器。
在一个实施例中，一种电连接器组件包括：由导电材料形成的电连接器；触头，所述触头设置在电连接器和固定本体之间且邻接电连接器和固定本体，所述触头适合于在电连接器和固定本体之间提供电接合；和紧固件，所述紧固件适合于将电连接器和触头联接到固定本体，其中，电连接器响应于固定本体的高度的变化而围绕紧固件旋转。
在另一个实施例中，一种电连接器组件包括：由导电材料形成的电连接器；第一触头，所述第一触头设置在电连接器和第一固定本体之间且邻接电连接器和第一固定本体，所述第一触头适合于在电连接器和第一固定本体之间提供电接合；第二触头，所述第二触头设置在电连接器和第二固定本体之间且邻接电连接器和第二固定本体，所述第二触头适合于在电连接器和第二固定本体之间提供电接合；和多个紧固件，所述多个紧固件适合于将电连接器和第一触头联接到第一固定本体且适合于联接电连接器和第二触头，其中，电连接器响应于第一固定本体和第二固定本体的高度的变化而围绕紧固件旋转。
在另一个实施例中，一种用于燃料电池堆的电气系统，所述电气系统包括接口单元；具有端子集电器板的燃料电池堆；和联接到所述接口单元和端子集电器板的电连接器组件，所述电连接器组件包括：第一触头，所述第一触头设置在电连接器和第一固定本体之间且邻接电连接器和第一固定本体，所述第一触头适合于在电连接器和第一固定本体之间提供电接合；第二触头，所述第二触头设置在电连接器和第二固定本体之间且邻接电连接器和第二固定本体，所述第二触头适合于在电连接器和第二固定本体之间提供电接合；和多个紧固件，所述多个紧固件适合于将电连接器和第一触头联接到第一固定本体且适合于联接电连接器和第二触头，其中，电连接器响应于第一固定本体和第二固定本体的高度的变化而围绕紧固件旋转。
方案1.一种电连接器组件，包括：
由导电材料形成的电连接器；
触头，所述触头设置在所述电连接器和固定本体之间且邻接所述电连接器和固定本体，所述触头适合于在所述电连接器和固定本体之间提供电接合；和
紧固件，所述紧固件适合于将所述电连接器和所述触头联接到固定本体，其中，所述电连接器响应于固定本体的高度的变化而围绕所述紧固件旋转。
方案2.根据方案1所述的电连接器，其中，所述电连接器是具有大致矩形截面形状的细长构件。
方案3.根据方案1所述的电连接器，其中，所述触头是凸轮。
方案4.根据方案3所述的电连接器，其中，所述触头包括活叶。
方案5.根据方案4所述的电连接器，其中，所述触头和活叶由第一材料形成，且活叶用第二材料涂覆。
方案6.根据方案5所述的电连接器，其中，所述触头由第一材料形成，且活叶由第二材料形成。
方案7.根据方案6所述的电连接器，其中，第一材料是钢，第二材料是铜。
方案8.根据方案1所述的电连接器，还包括第二触头，所述第二触头设置在所述电连接器和固定本体之间且邻接所述电连接器和固定本体。
方案9.根据方案1所述的电连接器，其中，所述电连接器由铜、铝、镍及其组合中的一种形成。
方案10.根据方案1所述的电连接器，其中，所述电连接器通过压制片材金属制成。
方案11.根据方案1所述的电连接器，其中，所述紧固件是螺栓和螺母。
方案12.根据方案1所述的电连接器，其中，所述紧固件的螺母是自扣紧螺母。
方案13.根据方案1所述的电连接器，其中，固定本体是集电器板和燃料电池堆的主触头中的一个。
方案14.一种电连接器组件，包括：
由导电材料形成的电连接器；
第一触头，所述第一触头设置在所述电连接器和第一固定本体之间且邻接所述电连接器和第一固定本体，所述第一触头适合于在所述电连接器和第一固定本体之间提供电接合；
第二触头，所述第二触头设置在所述电连接器和第二固定本体之间且邻接所述电连接器和第二固定本体，所述第二触头适合于在所述电连接器和第二固定本体之间提供电接合；和
多个紧固件，所述多个紧固件适合于将所述电连接器和所述第一触头联接到第一固定本体且适合于联接所述电连接器和所述第二触头，其中，所述电连接器响应于第一固定本体和第二固定本体的高度的变化而围绕所述紧固件旋转。
方案15.根据方案14所述的电连接器，其中，所述第一触头和第二触头是凸轮。
方案16.根据方案15所述的电连接器，其中，所述第一触头和第二触头包括活叶。
方案17.根据方案14所述的电连接器，其中，所述紧固件是螺栓和自扣紧螺母。
方案18.根据方案14所述的电连接器，其中，第一固定本体是集电器板，第二固定本体是燃料电池堆的主触头。
方案19.一种用于燃料电池堆的电气系统，所述电气系统包括：
接口单元；
具有端子集电器板的燃料电池堆；和
联接到所述接口单元和端子集电器板的电连接器组件，所述电连接器组件包括：第一触头，所述第一触头设置在电连接器和第一固定本体之间且邻接电连接器和第一固定本体，所述第一触头适合于在电连接器和第一固定本体之间提供电接合；第二触头，所述第二触头设置在电连接器和第二固定本体之间且邻接电连接器和第二固定本体，所述第二触头适合于在电连接器和第二固定本体之间提供电接合；和多个紧固件，所述多个紧固件适合于将电连接器和第一触头联接到第一固定本体且适合于联接电连接器和第二触头，其中，所述电连接器响应于第一固定本体和第二固定本体的高度的变化而围绕所述紧固件旋转。
方案20.根据方案19所述的电气系统，其中，所述第一触头和第二触头是具有活叶的凸轮。
附图说明
本发明的上述以及其它优势从本发明的实施例的以下详细说明在结合附图考虑时对本领域技术人员将显而易见，在附图中：
图1是在燃料电池堆移开时的燃料电池组件的部分分解透视图，包括根据本发明实施例的电连接器组件；
图2是图1所示的电连接器组件的放大分解透视图；和
图3是联接到燃料电池堆的主连接器的已组装电连接器组件的截面图。
具体实施方式
以下详细说明和附图描述和图示了本发明的实施例。所述说明和附图用于使得本领域技术人员能够制造和使用本发明，且不旨在以任何方式限制本发明的范围。
参考图1-3，示出了根据本发明的电连接器组件10。电连接器组件10包括电连接器12和多个触头14。电连接器组件10适合于通过多个紧固件18紧固到燃料电池组件17的上端部单元16。燃料电池组件17包括上端部单元16、下端部单元19和设置在它们之间的燃料电池堆23。燃料电池组件17的部件通常由压缩系统保持在一起。
电连接器12包括在其中形成的隔开的孔20、22。在所示实施例中，电连接器12是与燃料电池组件17的燃料电池堆23的阳极侧电连通的母线。电连接器12由导电材料(例如，铜或铝)形成。在某些实施例中，电连接器12可以通过从坯体压制具有矩形截面形状的一段金属而形成。广为人知的是，导体的截面面积与导体能够传送的电流量直接相关。这些以及其它特性可以变化，以产生具有期望长度、形状和柔性以适合期望具体需要的电连接器12。应当理解的是，电连接器12可以通过其它方法形成，且电连接器12可根据需要具有任何数量的孔。孔20、22具有圆形形状且适合于接收一个紧固件18的一部分。
最佳地如图2和3所示，触头14是具有在其中形成的孔24的接触盘或凸轮且适合于接收一个紧固件18的一部分。触头14包括多个活叶26且具有大致圆形形状。触头14可以是在
Figure BSA00000186817300071
商标下销售且由MultiContact AG生产的接触盘。触头14适合于传输大的电流且由导电材料(例如，铜、铝或钢)形成。活叶26可以由与触头14的其余部分相同的材料形成，或者可以由不同的导电材料形成。替代地，活叶26可以用与形成触头14所用的材料不同的导电材料涂覆。应当理解的是，触头14可以根据需要具有任何形状，例如三角形或矩形。
最佳地如图2所示，每个紧固件18是包括自扣紧螺母18A和螺栓18b(在商标下销售且由PennEngineering制造的自扣紧硬件)的组件。每个紧固件18适合于限制螺母18A和螺栓18b在触头14和电连接器12上的压缩，以利于在电连接器组件10被组装时触头14和电连接器12围绕螺栓18b的相对运动。应当理解的是，每个紧固件18根据需要可以是任何常规紧固件，例如螺钉或带螺纹螺栓和螺母。其它特征(例如，接线片或突起)可以并入电连接器12中以利于充分的电连接。
为了组装电连接器组件10，一个触头14设置成邻近端子集电器板30的触头接线片28，触头接线片28具有在其中形成的孔34。另一触头14设置成邻近燃料电池组件17的主触头接线片32，主触头接线片32具有孔36。主触头接线片32与燃料电池组件17的另一部件(例如，固定燃料电池堆接口单元(未示出)、另一燃料电池堆(未示出)、或燃料电池系统的其它电子部件(未示出))电连通。电连接器组件10也可以在两个独立的蓄电池之间或蓄电池端子和接线板之间形成连接。当电连接器组件10用于非机动车应用时，同样的益处也是显而易见的。孔34、36适合于接收紧固件18。接线片28、32被隔开，使得在其中形成的孔34、36分别与电连接器12中形成的孔20、22对齐。
电连接器12设置在接线片28和一个触头14以及接线片32和另一个触头14的中间。接线片28的孔34、一个触头14的孔24、以及电连接器12的孔20对齐，且一个紧固件18的螺栓18b设置成从中穿过。螺母18a然后放置在螺栓18b上，以将相应部件联接在一起。接线片32的孔36、另一个触头14的孔24、以及电连接器12的孔22对齐，且另一个紧固件18的螺栓18b设置成从中穿过。螺母18a然后放置在螺栓18b上，以将相应部件联接在一起。一旦组装，触头14就邻接电连接器12和相应接线片28、32，以在它们之间提供充分的电接触，同时也利于触头14和电连接器12相对于紧固件18旋转。
在组装后，电连接器12的纵轴线L大致平行于下端部单元19的纵轴线L’。然而，可以根据需要使用电连接器12的其它设置。例如，电连接器12可以设置成大致垂直于下端部单元19的纵轴线。此外，电连接器12能以适合于具体需要的在平行和垂直设置之间的任何角度设置。
使用中，电连接器组件10被联接到电气系统的至少一个可移动部件。如上所述，电连接器组件10可用于需要能够以低成本在紧凑空间中运送高电流的连接器的机动车应用。例如，当电连接器组件10用作燃料电池堆的连接器时，电连接器组件10可在燃料电池堆和固定燃料电池堆接口单元之间、在两个独立燃料电池堆之间、在两个独立蓄电池之间、或者在蓄电池端子和接线板之间提供电连通。
如图1所示，电连接器10被联接到邻近上端部单元16的端子集电器板30，如上所述。第二电连接器组件21被固定到下端部单元19。具有期望数量的燃料电池的燃料电池堆23设置在上端部单元16和下端部单元19之间，其中，电连接器组件10与燃料电池堆23的阳极侧电连通，第二电连接器组件21与燃料电池堆23的阴极侧电连通。在燃料电池组件17的操作期间，其中的湿度和温度变化使得燃料电池堆23的部件(例如，膜、扩散介质等)膨胀和收缩，从而导致燃料电池堆23的高度变化。由于触头14和电连接器12围绕紧固件18自由旋转，同时保持它们之间以及与接线片28、32的电接触，因而当燃料电池堆23的高度变化时，电连接器12和触头14围绕紧固件18旋转和枢转，同时保持与接线片28、32的电接触。例如，燃料电池堆23的7mm的高度变化导致电连接器12和一个触头14围绕一个紧固件18旋转1.5度，其中到燃料电池堆23的侧面的移动量可忽略。由于触头14和电连接器12的旋转是极小的，因而，由于各个部件的旋转和移动引起的触头14、电连接器12和接线片28、32的磨损(称为啮蚀(fretcorrosion))最小化。
如上所述，电连接器组件10可用于需要能够以低成本在紧凑空间中运送高电流的连接器的机动车应用。通过使得形成电连接器组件10的复杂性和部件数量最小化，利于燃料电池堆高度公差的增加和燃料电池堆23和燃料电池组件17的可察觉的膨胀量的增加。此外，通过使得电连接器组件10的部件数量最小化，在燃料电池组件17操作期间导致电损失的部件断开可能性最小化，同时电连接器组件10的成本也最小化。
本领域技术人员从前述说明能够容易地确定本发明的实质特征，且在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出各种变化和修改以使之适合于各种用途和条件。

Claims (10)

1.一种电连接器组件，包括：
由导电材料形成的电连接器；
触头，所述触头设置在所述电连接器和固定本体之间且邻接所述电连接器和固定本体，所述触头适合于在所述电连接器和固定本体之间提供电接合；和
紧固件，所述紧固件适合于将所述电连接器和所述触头联接到固定本体，其中，所述电连接器响应于固定本体的高度的变化而围绕所述紧固件旋转。
2.根据权利要求1所述的电连接器，其中，所述电连接器是具有大致矩形截面形状的细长构件。
3.根据权利要求1所述的电连接器，其中，所述触头是凸轮。
4.根据权利要求3所述的电连接器，其中，所述触头包括活叶。
5.根据权利要求4所述的电连接器，其中，所述触头和活叶由第一材料形成，且活叶用第二材料涂覆。
6.根据权利要求5所述的电连接器，其中，所述触头由第一材料形成，且活叶由第二材料形成。
7.根据权利要求6所述的电连接器，其中，第一材料是钢，第二材料是铜。
8.根据权利要求1所述的电连接器，还包括第二触头，所述第二触头设置在所述电连接器和固定本体之间且邻接所述电连接器和固定本体。
9.一种电连接器组件，包括：
由导电材料形成的电连接器；
第一触头，所述第一触头设置在所述电连接器和第一固定本体之间且邻接所述电连接器和第一固定本体，所述第一触头适合于在所述电连接器和第一固定本体之间提供电接合；
第二触头，所述第二触头设置在所述电连接器和第二固定本体之间且邻接所述电连接器和第二固定本体，所述第二触头适合于在所述电连接器和第二固定本体之间提供电接合；和
多个紧固件，所述多个紧固件适合于将所述电连接器和所述第一触头联接到第一固定本体且适合于联接所述电连接器和所述第二触头，其中，所述电连接器响应于第一固定本体和第二固定本体的高度的变化而围绕所述紧固件旋转。
10.一种用于燃料电池堆的电气系统，所述电气系统包括：
接口单元；
具有端子集电器板的燃料电池堆；和
联接到所述接口单元和端子集电器板的电连接器组件，所述电连接器组件包括：第一触头，所述第一触头设置在电连接器和第一固定本体之间且邻接电连接器和第一固定本体，所述第一触头适合于在电连接器和第一固定本体之间提供电接合；第二触头，所述第二触头设置在电连接器和第二固定本体之间且邻接电连接器和第二固定本体，所述第二触头适合于在电连接器和第二固定本体之间提供电接合；和多个紧固件，所述多个紧固件适合于将电连接器和第一触头联接到第一固定本体且适合于联接电连接器和第二触头，其中，所述电连接器响应于第一固定本体和第二固定本体的高度的变化而围绕所述紧固件旋转。
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