CN102163730A - 用于嵌入式燃料电池传感器的板互连方法 - Google Patents

用于嵌入式燃料电池传感器的板互连方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于嵌入式燃料电池传感器的板互连方法。一种用于燃料电池堆的嵌入式测量电路。所述燃料电池堆包括具有凹进区域的多个双极板，所述凹进区域为测量电路提供导电和固定点。所述测量电路具有长度、宽度和厚度，其中，电路的宽度和长度大于电路的厚度。所述测量电路包括台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶。所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路的台阶状切出部分的台阶中的每一个允许与独立板电接触，电路的宽度垂直于所述板的平面且电路的厚度沿双极板的平面。

Description

用于嵌入式燃料电池传感器的板互连方法
技术领域
本发明总体上涉及燃料电池堆中的嵌入式测量电路，且更具体地涉及具有台阶状切出图案的嵌入式测量电路，所述嵌入式测量电路在其边缘上定位在燃料电池堆中的双极板之间且由双极板固定。
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，其包括阳极和阴极，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）是车辆的常用燃料电池。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（气体扩散层（GDL））之间，其保护膜的机械整体性且有助于一致的反应物和湿度分配。分开阳极和阴极流的MEA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有效地交换。MEA的制造相对昂贵且需要某些湿化条件以有效操作。
燃料电池通常包括多个导电的单极和双极板，其与多个MEA、电极、垫圈、密封件和气体扩散介质（也称为“软物体”）交替地组装（堆叠）。多个燃料电池通常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。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侧流分配器（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，这些部件通常放置在压力下以最小化接触电阻且封闭密封件。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。
本领域已知处理燃料电池系统中的燃料电池的电信号以确定燃料电池堆是否根据期望工作。通常，由于与监测每个电池相关的成本，电信号处理每隔一个电池进行。此外，可能难以在空间中提供可用于监测每个单元的所需部件。为了消除使用多个互连线路将燃料电池测量电路连接到燃料电池堆的必要性，期望将这种测量电路直接嵌入在燃料电池堆组件的结构内。这种嵌入式测量电路不会增加显著的成本，且将允许监测每个燃料电池。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种用于燃料电池堆的嵌入式测量电路。所述燃料电池堆包括具有凹进区域的多个双极板，所述凹进区域为测量电路提供导电和固定点。所述测量电路具有长度、宽度和厚度，其中，电路的宽度和长度大于电路的厚度。所述测量电路包括台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶。所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路的台阶状切出部分的台阶中的每个允许与独立板电接触，电路的宽度垂直于所述板的平面且电路的厚度沿双极板的平面。所述双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐。
方案1. 一种燃料电池堆，包括：
多个堆叠的双极板；和
测量电路，所述测量电路具有长度、宽度和厚度，其中，电路的宽度和长度大于电路的厚度，所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路与独立板电接触，电路的宽度垂直于所述板的平面且电路的厚度沿双极板的平面。
方案2. 根据方案1所述的燃料电池堆，其中，所述测量电路包括台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶，使得所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路的台阶状切出部分的台阶中的每一个与独立板和电路宽度电接触。
方案3. 根据方案2所述的燃料电池堆，其中，所述测量电路包括多个弹簧加载的夹，其中，独立的夹联接到每个台阶，其中，所述弹簧加载的夹将测量电路与双极板电联接。
方案4. 根据方案3所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括凹进区域，且其中，每个弹簧加载的夹都被夹持在板的凹进区域内。
方案5. 根据方案2所述的燃料电池堆，其中，所述多个双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐。
方案6. 根据方案1所述的燃料电池堆，其中，测量电路在燃料电池堆组装期间在安装时被松弛地保持，且在压力施加到燃料电池堆时永久性地联接到燃料电池堆。
方案7. 根据方案1所述的燃料电池堆，其中，双极板是压制金属板。
方案8. 根据方案6所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括两个压制半板。
方案9. 根据方案1所述的燃料电池堆，其中，燃料电池堆是车辆燃料电池系统的一部分。
方案10. 一种燃料电池堆，包括：
多个压制和堆叠的双极板，每个双极板包括凹进区域；和
测量电路，所述测量电路具有长度、宽度和厚度，其中，电路的宽度和长度大于电路的厚度，所述测量电路包括台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶，所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而电路的宽度垂直于所述板的平面且电路的厚度沿双极板的平面，所述测量电路包括多个弹簧加载的夹，其中，独立的夹联接到每个台阶，其中，所述多个双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐，每个弹簧加载的夹都被夹持在板的凹进区域内以将板与测量电路电联接。
方案11. 根据方案10所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括两个压制半板。
方案12. 根据方案10所述的燃料电池堆，其中，至少一个测量电路在燃料电池堆组装期间在安装时被松弛地保持，且在压力施加到燃料电池堆时永久性地联接。
方案13. 一种燃料电池堆，包括：
多个堆叠的双极板；和
测量电路，所述测量电路具有台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶，所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路的台阶状切出部分的台阶中的每一个允许与独立板电接触，其中，所述多个双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐。
方案14. 根据方案13所述的燃料电池堆，其中，所述测量电路包括多个弹簧加载的夹，其中，独立的夹联接到每个台阶，其中，所述弹簧加载的夹将测量电路与双极板电联接。
方案15. 根据方案14所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括凹进区域，且其中，每个弹簧加载的夹都被夹持在板的凹进区域内。
方案16. 根据方案13所述的燃料电池堆，其中，测量电路在燃料电池堆组装期间在安装时被松弛地保持，且在压力施加到燃料电池堆时永久性地联接到燃料电池堆。
方案17. 根据方案13所述的燃料电池堆，其中，双极板是压制金属板。
方案18. 根据方案17所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括两个压制半板。
方案19. 根据方案13所述的燃料电池堆，其中，所述多个双极板是四个双极板，测量电路的台阶状切出部分的台阶的数量是四个台阶。
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是燃料电池堆的一部分的剖视侧视图，包括嵌入在燃料电池堆的多个双极板内的测量电路；和
图2是图1所示的燃料电池堆的透视图，包括嵌入在双极板内的测量电路。
具体实施方式
涉及用于燃料电池堆的包括台阶状切出部分的嵌入式测量电路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，所述台阶状切出部分与燃料电池堆中的双极板协作地对齐。
图1是燃料电池堆10的一部分的剖视侧视图，图2是其透视图，燃料电池堆10包括燃料电池测量电路12，测量电路12电气地和物理地联接到五个压制金属双极板16、18、20、22和24，其中，图2相对于图1颠倒。每个板16、18、20、22和24包括由相对的半板36和38限定的阳极侧和阴极侧。如本领域技术人员已知的，两个双极板（一个的阳极侧和另一个的阴极侧）与膜电极组件（MEA）和其它软物体（如，子垫圈和气体扩散层（GDL））一起组成燃料电池。通常，多个燃料电池串联连接以组成燃料电池堆。
在非限制性实施例中，板16、18、20、22和24是压制金属板，且燃料电池的电压输出由测量电路12监测，其中，测量电路12电联接到双极板16、18、20、22和24。
如上所述，双极板16、18、20、22和24中的每个包括两个半板36和38，其分开部由压制特征限定。这些压制特征提供多个凹进区域14，其在半板36和38之间限定间隔，机械地支撑半板36和38，且提供用于弹簧加载的夹26、28、30、32和34的导电和固定点。弹簧加载的夹26、28、30、32和34通常通过钎焊电气地且机械地联接到测量电路12，但是也可以使用将夹26、28、30、32和34电气地且机械地联接到电路12的其它合适方法。
根据本发明，测量电路12垂直地嵌入在双极板16、18、20、22和24之间，即，测量电路12在其边缘上定位在双极板处。换句话说，测量电路12是电路板，具有的长度和宽度大于其厚度。台阶40从测量电路12的边缘42切出，且板16、18、20、22和24的长度以互补方式错开，使得其与电路12中的台阶40对齐，如图所示。通过在其边缘上转动电路12使得电路12的宽度垂直于板16、18、20、22和24的平面延伸且电路12的厚度沿板16、18、20、22和24的平面，如图所示，与在相对于板的长度平躺时相比，电路12能够与板16、18、20、22和24中的更多板对齐。
独立的夹26、28、30、32和34联接到每个台阶40。由此，测量电路12中的台阶40与压制双极板16、18、20、22和24的端部对齐，使得测量电路12垂直于双极板16、18、20、22和24的平面嵌入。在测量电路12的台阶40上的弹簧加载的夹26、28、30、32和34配合且夹持到双极板16、18、20、22和24的凹进区域14中。通过提供测量电路12的边缘42内的台阶状图案且将测量电路12垂直地插入到双极板16、18、20、22和24的平面，这允许基本上平坦且便宜的测量电路12嵌入在燃料电池堆的多个双极板之间。
一旦弹簧加载的夹26、28、30、32和34分别夹持到双极板16、18、20、22和24的凹进区域14中，测量电路12就能够直接通过弹簧加载的夹26、28、30、32和34处理双极板16、18、20、22和24的电信号。这允许测量电路12垂直地嵌入到双极板16、18、20、22和24中且与其电接触，仅需要弹簧加载的夹26、28、30、32和34，从而减少监测燃料电池堆10的燃料电池所需的电气部件量和空间。
通过以重复方式连续地切削构成燃料电池堆组件的双极板（以及软物体的边缘）从而在每个板中产生端部开口的孔且软物体以正确（重复）顺序依次堆叠因而在燃料电池堆10的一侧上产生一系列腔，测量电路12在双极板16、18、20、22和24之间的定向是可能的，其中，可安装一个或多个测量电路12。因而，本发明允许在燃料电池堆内使用嵌入式测量电路，同时在板压制操作期间不需要附加的拉伸深度（draw depth）。用于嵌入式测量电路的先前接触方法需要深的压制特征，这导致关于板材料变薄和可能失效的问题。此外，其使得实现嵌入式电信号处理所需的各个板的数量和软物体部件数量最小化。
此外，通过限定板凹进区域的互补机械尺寸和弹簧加载的接触以及弹簧加载接触材料的弹簧常量，总接触方法可以限定为使得测量电路12在燃料电池堆组装期间安装时松弛地保持且在压力施加到燃料电池堆10时由于弹簧加载的夹26、28、30、32和34吸收燃料电池堆压力且联接到嵌入式测量电路12因而被永久地联接。由于测量电路12相对于板和软物体的平面垂直地定向，因而其需要板和软物体的平面面积的少量增加。然而，由于测量电路12被嵌入，因而板和软物体的平面面积的增加最小化。本发明的附加益处在于可针对任何数量的电池每个测量电路进行缩放。除了上述益处之外，本发明的另外益处在于其允许自动组装且允许所有识别的光学通信方法。
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 (10)

1.一种燃料电池堆，包括：
多个堆叠的双极板；和
测量电路，所述测量电路具有长度、宽度和厚度，其中，电路的宽度和长度大于电路的厚度，所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路与独立板电接触，电路的宽度垂直于所述板的平面且电路的厚度沿双极板的平面。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述测量电路包括台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶，使得所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路的台阶状切出部分的台阶中的每一个与独立板和电路宽度电接触。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，所述测量电路包括多个弹簧加载的夹，其中，独立的夹联接到每个台阶，其中，所述弹簧加载的夹将测量电路与双极板电联接。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括凹进区域，且其中，每个弹簧加载的夹都被夹持在板的凹进区域内。
5.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，所述多个双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，测量电路在燃料电池堆组装期间在安装时被松弛地保持，且在压力施加到燃料电池堆时永久性地联接到燃料电池堆。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，双极板是压制金属板。
8.根据权利要求6所述的燃料电池堆，其中，每个双极板包括两个压制半板。
9.一种燃料电池堆，包括：
多个压制和堆叠的双极板，每个双极板包括凹进区域；和
测量电路，所述测量电路具有长度、宽度和厚度，其中，电路的宽度和长度大于电路的厚度，所述测量电路包括台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶，所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而电路的宽度垂直于所述板的平面且电路的厚度沿双极板的平面，所述测量电路包括多个弹簧加载的夹，其中，独立的夹联接到每个台阶，其中，所述多个双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐，每个弹簧加载的夹都被夹持在板的凹进区域内以将板与测量电路电联接。
10.一种燃料电池堆，包括：
多个堆叠的双极板；和
测量电路，所述测量电路具有台阶状切出部分，沿电路的长度的边缘限定台阶，所述测量电路定位在所述多个双极板之间，从而所述测量电路的台阶状切出部分的台阶中的每一个允许与独立板电接触，其中，所述多个双极板以与测量电路的台阶状切出部分协作且相对的方式错开，从而测量电路与所述板对齐。
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