CN103000920B - 用于燃料电池的包括夹层结构嵌体的端板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括夹层结构嵌体的用于燃料电池的端板，其中金属嵌体具有包括多个堆叠的板的夹层结构嵌体，因此确保了强度并获得了轻重量的结构。该夹层结构嵌体通过堆叠每块板具有特定的形状的两块或多块板制造，随后注射成型该夹层结构嵌体而成为注塑成型体，因此与常规的整体金属嵌体相比，可确保强度并还获得轻重量结构。

Description

用于燃料电池的包括夹层结构嵌体的端板

技术领域

本发明涉及一种用于包括夹层结构嵌体(sandwich insert)的用于燃料电池的端板。更特别地，涉及一种用于包括夹层结构嵌体的燃料电池的端板，其中金属嵌体具有包括多个堆叠式承载板的夹层结构嵌体结构，从而确保了强度并使得重量减少。

背景技术

参照图7，在安装在燃料电池汽车上的燃料电池组中的单元电池中，膜电极组件(MEA)位于该燃料电池组中的单元电池的最内侧。该MEA包括可穿过质子的固态聚合物电解质膜10和涂布在固态聚合物电解质膜10的相反的表面上以使得氢能与氧反应的催化电极层，即阴极12和阳极14。

气体扩散层(GDL)16和垫片18顺序地堆叠在阴极12该阳极14的外侧。包括用于供应燃料和排出由反应产生的水的流场的隔板20位于GDL16的外侧。

燃料电池组中的几百个单元电池被堆叠之后，用于供给并紧固每个单元电池的的端板30被装配在该燃料电池组的最外侧。

在这种情况下，用于收集在燃料电池组中产生的电力并发送该收集的电力到外部的电流收集板被安装在该端板30的内侧。

相应的，氢的氧化反应在燃料电池组的阳极14发生，且产生质子和电子。此时，产生的质子和电子首先通过固态聚合物电解质膜10流向阴极12，进而到达隔板20。结果，通过来自阳极14的质子和电子与空气中的氧的电化学反应，在阴极12产生水。电能进而通过电子的流动而产生并通过端板30的电流收集板被供给需要电能的负载。

燃料电池组的端板30，被设置在燃料电池组的相反侧上，用来紧固多个堆叠的隔板、MEA和GDL，并为每个单元电池提供均匀的表面压力。

正如图6中所示，端板30由金属嵌体31、注塑成型体(plastic injection moldedbody)32和电流收集板33形成，其整体地形成以减少重量并电绝缘。

特别地，金属嵌体31被设置在注模内，进而注塑成型材料被填充进该注模，使得包括由注塑成型体32包围的金属嵌体31的端板30由此形成。

电流收集板33也可以与金属嵌体31一起被设置在注模的内部，并且一起被注射成型为注塑成型体32。可替换地，电流收集板33可在稍后的时间被独立地地组装到注塑成型体32的内部。

端板的金属嵌体31必须具有高的强度以抵抗内表面压力。因此，金属嵌体31通常通过金属材料的机械加工制造，并且典型地还以复杂形状制造，该复杂形状可提高其性能以收集燃料电池组产生的电力并紧固燃料电池组。

然而，根据常规的方法，端板的金属嵌体以一体形状的制造，其导致若干不足。

第一，在机械加工金属嵌体的轻重量的材料减少结构(material reducingstructure)中，难以注射成型金属嵌体。特别地，在端板的注射成型之后，凹进或不平坦的部分不应在树脂表面产生以便防止当用垫片保证接触时燃料的泄漏。然而，在给金属嵌体应用材料减少结构时，如果注塑成型体的树脂材料的厚度不均匀，由于树脂的收缩，凹进或不平坦部分就会在树脂的表面不利地产生。特别地，如果进行小型加工以便于对整体的金属嵌体应用材料减少结构以减少重量，则难于均匀地维持注射成型材料的厚度。

第二，该整体的金属嵌体通过机加工切割金属板或非金属板制造，因此花费长时间制造单个整体的金属嵌体。这不仅使得大规模生产困难，并且使得降低成本面临更多挑战。

第三，该整体的金属嵌体应当由单一材料组成，因此难以使用不同的材料以减少重量和提高强度。

发明内容

本发明提供了一种用于包括夹层结构嵌体的用于燃料电池的端板，其中该夹层结构嵌体通过堆叠两块或多块板制造，每块板具有特定的形状。根据本发明的实施方式，该夹层结构嵌体是注射成型而成的注塑成型体，因此与常规的整体金属嵌体相比，在确保强度的同时提供了轻重量的结构。

在一方面，本发明提供了用于燃料电池的端板，包括：具有夹层结构的夹层结构嵌体，其中两块或多块板通过连接手段结合，其中夹层结构嵌体的外部表面由注塑成型材料包围。

在一具体实施方式中，该夹层结构嵌体包括：在其中心部分具有第一电流收集板连接开口的第一板；在其中心部分具有两个或多个第一材料减少空间的第二板；在其中心部分具有第三电流收集板连接开口的第三板；以及在其中心部分具有第二材料减少空间的第四板。

在另一个具体实施方式中，具有第二电流收集板连接开口的抗弯板被嵌入到第二板的第一材料减少空间中以便于防止夹层结构嵌体弯曲。

该连接手段可以是适合于用在燃料电池中的任何常规的连接手段。例如，在一具体实施方式中，该连接手段选自包括液体或薄膜型粘合剂的粘合手段和包括例如螺栓、铆钉或定位销的机械连接手段。

在又一个具体实施方式中，夹层结构嵌体由选自钢材料、非金属材料、碳基材料和复合材料中的至少一种材料制成。

相应的，本发明提供了下面的效果。

根据本发明，端板的嵌体具有数块板的堆叠结构，所以其能具有期望特性的不同的层以形成同时获得期望的强度和提供轻重量嵌体的整体堆叠结构。根据某些实施方式，重量减少可以通过在一块或多块板中形成一个或多个材料减少空间进一步获得。

进一步地，该数块板可以由不同材料(例如，轻碳基材料和具有优良的强度的材料，例如钢铁)制成并组合使用，因此进一步地使重量减少又改进了嵌体的强度。

在某些实施方式中，分离的抗弯板进一步地嵌入到板的，优选在该数块堆叠板之中的中央堆叠的板的一个或多个材料减少空间中。该抗弯板可进而提高嵌体的整体强度并可防止由应用在注射成型工艺中的树脂压力导致的该金属嵌体的弯曲，并且同时通过增加夹层结构嵌体的惯量的次弯矩可以有效地提高弯曲强度。

附图说明

本发明的上述和其它特征现参考示意在附图中的某些具体实施方式而被详细地描述，所述附图在下面仅仅通过例示的方式给出而非用于限制本发明，其中：

图1是示出根据本发明的实施方式的用于燃料电池的端板的夹层结构嵌体的分解透视图；

图2是说明根据本发明的实施方式的图1的夹层结构嵌体的粘合方法的分解透视图；

图3是说明根据本发明的实施方式的图1的组装的夹层结构嵌体的透视图；

图4是说明根据本发明的实施方式的用于燃料电池的注射成型的端板的透视图；

图5是说明根据本发明的另一个实施方式的用于燃料电池的端板的夹层结构嵌体的分解透视图

图6是说明常规的端板的透视图；以及

图7是示意性地说明燃料电池组的图。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的各块实施方式，其例子例示于附图中，并在下面说明。虽然将结合例证实施方式说明本发明，不过显然本说明并不意图把本发明局限于这些例证实施方式。相反，本发明意图不仅覆盖例证实施方式，而且覆盖包括在由附加的权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代物、修改、等同物和其它实施方式。

显然这里使用的术语“车辆”或“车辆的”或者其它类似术语包括通常的机动车辆，比如包括运动型多用途车(SUV)的客车，公共汽车，卡车，各种商用车辆，包括各种小舟和轮船的船只，飞机等，并且包括混合动力汽车，纯电动汽车，插电式混合动力汽车，氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除石油以外的资源得到的燃料)。这里使用的混合动力汽车是具有两种以上动力源的车辆，比如汽油动力和电动汽车。

本发明提供了用于燃料电池的兼顾轻重量和强度的端板。特别地，本发明提供了包括夹层结构嵌体100的端板，其中两块或多块板被堆叠并通过连接手段(couplingmeans)500粘合，并且其中夹层结构嵌体100被注塑成型材料包围以形成注塑成型体200。根据本发明的实施方式，形成夹层结构嵌体100的两块或多块板具有歧管形成部分，氢气、空气和冷却水在其相对的端流过该歧管形成部分。

如图1-4中所示出的，根据本发明的实施方式的夹层结构嵌体100被制造成具有顺序地堆叠第一板110、第二板210、第三板310以及第四板410并通过连接手段500粘合的结构。当然，夹层结构嵌体100不限于此，而是可以提供具有任何合适数量的板和板构造而不是在图中描述的四块板。

如示出的，第一板110被设置在夹层结构嵌体100(在燃料电池组的一侧)的最内侧部分并且具有矩形板结构。通过任意合适的手段例如常规的机械加工和压制工艺，该第一板110被提供具有合适的厚度，例如大约4-5t的厚度。该第一板110具有形成在其相反端的第一歧管形成部分111。进一步示出的，该第一板110被提供具有在其中心部分的第一电流收集板连接开口112。

第二板210被堆叠在第一板110的外侧并被制造成矩形板结构。通过任意合适的手段例如常规的机械加工和压制工艺，该第二板210类似地提供具有合适的厚度，例如大约4-5t的厚度。该第二板210具有形成在其相反端的第二歧管形成部分211。在这个实施方式中进一步示出的，该第二板210被进一步提供具有在其中心部分的两个或多个第一材料减少空间212。然而，应注意第一材料减少空间212的数量和布置不限制在描述的数量和布置。因而，例如，单个材料减少空间212的运用也可以使用在某些实施方式中。

在这个实施方式中，第二板210的第一材料减少空间212是以矩形开口的形状贯通第二板210的空间，其减少了第二板210的重量并且有助于轻重量夹层结构嵌体100的形成。

第三板310被堆叠在第二板210的外侧，并且如这个实施方式中所示出的那样，具有与第一板110相同的形状和结构。

特别地，通过使用任意合适的手段例如常规的机械加工和压制工艺，该第三板310被制造成具有合适的厚度(例如大约4-5t的厚度)的矩形板结构。正如所示出的，该第三板310具有形成在其相反端的第三歧管形成部分311，并且该第三电流收集板连接开口312在其中心部分穿过第三板310。

如进一步示出的，第四板410被堆叠并粘合到第三板310并被放置在夹层结构嵌体100的最外侧。通过任意合适的手段例如常规的机械加工和压制工艺，该第四板410被制造成具有合适的厚度(例如大约4-5t的厚度)的矩形板结构。类似于第二板210，该第四板410具有形成在其相反端的第四歧管形成部分411。正如在这个实实施方式中所示出的，第四板410进一步被提供具有在其中心部分的第二材料减少空间412。正如第二板210，第二材料减少空间412的数量和布置不限于描述的数量和布置。

正如图1中描述的实施方式所阐明的，第一板110和第三板310具有这样的结构，即具有除了电流收集板连接开口112和312以外基本平坦的表面。如所示出的，第一板110和第三板310被放置在被提供具有第一材料减少空间212用于减少重量的第二板210的上侧和下侧，使得整个金属嵌体的材料和端板的厚度均匀。

如图2所示，用于粘合第一到第四板的连接手段500可以是应用在第一到第四板间的粘合剂。在某些实施方式中，该粘合剂可以使用能够抵抗温度升高到150摄氏度的粘合工具，例如液体类型或薄膜类型的粘合剂。根据一可替换的实施方式，第一到第四板可以通过用例如紧固螺栓、紧固铆钉或定位销的机械连接手段固定第一到第四板的端部而被堆叠。

根据本发明，夹层结构嵌体100的第一到第四板可以由一种或多种常规地用于形成嵌体的合适材料形成。例如，第一到第四板可以由钢材料、非金属材料和碳基材料形成。进一步地，第一到第四板可以有利地由不同材料形成以进一步地改善夹层结构嵌体的轻重量性。

例如，根据一个实施方式，仅第一板由钢制造并且剩余的第二到第四板由轻的碳基材料制造。这样的结构可使得进一步的获得轻重量而同时仍维持强度的夹层结构嵌体100成为可能。

下面将描述根据本发明的另一实施方式的端板。

根据本发明的这个实施方式的端板基本上等同于根据本发明的前述的实施方式的端板，端板包括夹层结构嵌体100，其中具有在其相反的端部的氢气、空气和冷却水流过的歧管形成部分的两块或多块板通过连接手段500粘合，并且注塑成型体200是通过用注塑成型材料包围夹层结构嵌体100而注射成型。该端板进一步的与被制造成具有以下结构的夹层结构嵌体100相同，即，第一板110、第二板210、第三板310和第四板410被依序地堆叠并通过连接手段500粘合。然而，根据本发明的这块实施方式的端板具有这样的特征，即，附加的结构被添加，其能够防止由于在注塑成型工艺中的树脂压力导致的夹层结构嵌体100的弯曲。

特别地，如图5中所示的，第二板210的第一材料减少空间212被提供为两个贯通第二板210的空的空间用于减少重量。然而，如所示的，抗弯曲板214被嵌入到第一材料减少空间212以便于防止夹层结构嵌体100的弯曲。这些抗弯曲板214可适合于由非常轻重量的材料形成以便于维持整个的夹层结构嵌体100的轻重量性能。

特别地，如图5中所示，抗弯曲板214是具有第二电流收集板连接开口213的矩形板，并被制造成具有与第二板210的相同厚度，使得抗弯曲板214被嵌入到第一材料减少空间212而同时形成与第二板210相同的平面(即，使得当嵌入穿过第一材料减少空间212时没有突起超过第二板210的表面)。根据各种实施方式，抗弯曲板214由塑性材料或轻的金属材料构成用于获得轻重量结构。

因此，在夹层结构嵌体100中，第一板、包括抗弯曲板214的第二板210以及第三板被堆叠并粘合，当这样描述的夹层结构嵌体100被设置在注模内部并将注塑成型树脂注入注模时，即使注入树脂的压力被施加到金属嵌体100的一个表面，金属嵌体100的整个强度由抗弯曲板21加强。如此，金属嵌体100易于防止由于树脂压力导致的弯曲。

尽管用于示例性的目的公开了本发明的优选实施方式，但是那些本领域技术人员将理解各种修改、添加和置换是可能的，没有脱离出如所附的权利要求中公开的范围和精神。

引用遍及这个申请的所有参考文献(包括参考文献书目、出版的专利、公开的专利申请和共同待审的专利申请)的内容藉此明确地通过参考的方式把它们完全地并入本文。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池的端板，包括：

具有夹层结构的夹层结构嵌体，在所述夹层结构中，两块或更多块板通过连接手段结合，

其中所述夹层结构嵌体的外表面被注塑成型材料包围，

所述夹层结构嵌体包括：

在其中心部分具有第一电流收集板连接开口的第一板；

在其中心部分具有两个或多个第一材料减少空间的第二板；

在其中心部分具有第三电流收集板连接开口的第三板；以及

在其中心部分具有第二材料减少空间的第四板，并且

所述端板进一步包括嵌入到所述第二板中的一个或多个第一材料减少空间中的一个或多个抗弯曲板以防止所述夹层结构嵌体弯曲，所述抗弯曲板具有第二电流收集板连接开口。

2.如权利要求1所述的端板，其中所述连接手段选自粘合手段和机械连接手段。

3.如权利要求2所述的端板，其中所述粘合手段是液体或薄膜型粘合剂。

4.如权利要求2所述的端板，其中所述机械连接手段是螺栓、铆钉或定位销。

5.如权利要求1所述的端板，其中所述夹层结构嵌体由选自钢材料、非金属材料和复合材料中的至少一种材料制成。

6.如权利要求5所述的端板，其中所述夹层结构嵌体由碳基材料制成。

7.如权利要求5所述的端板，其中两块或更多块板由不同材料制成。