CN106558710B - 具有多层型集电板的燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有多层型集电板的燃料电池堆，包括：端板，布置在堆叠成一排的堆叠电池的两侧，以固定地支撑所述堆叠电池；以及集电体，布置在端板内，以收集由堆叠电池产生的电力，并被配置成将电力输送到外部，其中，置于堆叠电池两侧的集电体中的至少一个集电体包括：具有集电端子的第一集电板，以及堆叠在第一集电板的一个表面上的第二集电板，并且由于堆叠电池在零度以下的温度下发生热收缩而在第一集电板与第二集电板之间形成起绝热作用的间隙。

Description

具有多层型集电板的燃料电池堆
技术领域
本发明涉及一种具有多层型集电板的燃料电池堆，更具体涉及以下这种燃料电池堆，其能够手动升高电池堆端板附近电池的温度，以改善燃料电池汽车在零度以下温度时的起动性能以及低温时的驾驶性能。
背景技术
一般来讲，燃料电池堆包括被配置成产生电力的多个单元电池、被布置在堆叠单元电池的两侧以固定支撑该单元电池的端板、以及布置在端板内部以收集由单元电池所产生的电力并将电力输送到外部的集电板。
同时，图6示出根据现有技术的燃料电池堆工作时的电池温度曲线。如图6所示，置于电池堆中心的电池具有最高的温度，置于电池堆两端靠近端板的电池(在下文中，被称为“端部电池”)具有较低的温度。在电池堆工作时，每个电池的温度通过电池的放热反应而升高。然而，由不锈钢和塑料制成的每个端板的温度较低，因为受外部空气(或大气)的影响，来自端板的热损失大于来自电池堆的中心部位的热损失，因而所产生的水留在该端板中，从而使每个端部电池的电压降低。
具体地，当端部电池的温度小于电池堆的工作温度时，由于电池被水浸或激活能量劣化等原因，电池的电压会下降。因此，电池堆的性能降低，并且当电池性能长时间下降时，由于电极被损坏，因此会产生电池劣化，从而导致电池堆寿命减少。在燃料电池汽车中，当特定电池的电压下降较大时，通常会对车辆应用关断逻辑(shut-down logic)。因此，在驾驶车辆时，驾驶者会面临不希望出现的情况。
具体地，在冬季零度以下的起动条件或低温操作条件下，有必要通过均匀分布电池温度，以将端部电池的温度保持在和电池堆中的所有电池的温度相同来提高燃料电池堆的操作可靠性，其中，在零度以下，所产生的水会冻结。因此，在现有技术中，已开发出升高端板与端部电池之间的温度，以防止端板附近的电池温度降低的系统。
例如，现有技术公开了一种技术，其中将用于使从电池堆排出的高温冷却液循环的结构应用到端板，以防止电池堆端部的电池的温度降低。在另一个实施例中，现有技术公开了一种燃烧和加热接线板内隔间中的氢气-空气混合物的技术，其中，接线板作为电池堆冷起动期间用于解冻的加热装置。然而，在现有技术中，当电池堆在零度以下的温度起动时，在冷却液未被循环以升高电池的温度时，端部电池可能基本上不被加热。此外，由于在电池堆的冷起动期间，为了使端部电池解冻而在接线板内的隔间中燃烧氢气，因此由于使用了氢气，并且降低了车辆燃料效率，因而是不利的；并且存在与去除留接线板内隔间中残留氢气有关的安全问题，其中，在该接线板中形成高电势。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包括不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种燃料电池堆，其能够利用具有至少一个薄集电板的多层集电体，在车辆以零度以下温度起动时发生冻结的情况下，响应于端部电池(例如，布置在电池堆两端靠近端板的电池)的冻结，实现快速地解冻和加热功能，其中薄集电板根据温度变化而在结构和灵敏度方面可扩展或收缩。
在一个示例性实施例中，一种具有多层型集电板的燃料电池堆，可包括：端板，布置在堆叠成一排的堆叠电池的两侧，以固定地支撑堆叠电池；以及集电体，布置在端板内，以收集由堆叠电池产生的电力，并被配置成将电力输送到外部，其中，置于堆叠电池两侧的集电体中的至少一个集电体包括：具有集电端子的第一集电板，以及堆叠在第一集电板的一个表面上的第二集电板，并且起绝热作用的间隙可以因堆叠电池在零度以下的温度发生热收缩而在第一集电板与第二集电板之间形成。
弹性部件可插入在每个端板中形成的端子孔与穿过端子孔的第一集电板的集电端子之间，以弹性地支撑集电端子。在端子孔与集电端子中分别形成有阶梯部，并且弹性部件可被容纳在集电端子的阶梯部与端子孔的阶梯部之间，当集电端子被插入到端子孔中时，两个阶梯部彼此面对。
第一集电板在面向第二集电板的一个表面上可具有凹凸(rough)结构。第一集电板可以是其厚度小于第二集电板厚度的薄集电板。此外，第一集电板可被堆叠成与堆叠电池邻接，并且第一集电板的集电端子可插入穿过第二集电板的孔以及端板中相关端板的端子孔中。第一集电板可具有约0.05～0.2mm的厚度。
间隙可在约-20至-30℃的温度下，形成于第一集电板与第二集电板之间，并且当温度升高到零度以上的预定温度时，通过电池堆的紧固压，第一集电板与第二集电板可形成最小的接触电阻。在约40至70℃的温度时，通过电池堆的紧固压，第一集电板与第二集电板可形成最小的接触电阻。集电端子可被结合到第一集电板，以便与第一集电板形成为一体；或者可被装配到第一集电板，以便通过紧固机构与第一集电板形成为一体；或者可被压靠到第一集电板上，以便电连接至第一集电板。
附图说明
通过下面的详细描述，并结合附图，本发明的上述及其它目的、特征和优点将会更加显而易见，其中附图只是出于解释说明的作用，并不构成对本发明的限制，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的外观的视图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的主要部件的详细视图；
图3是根据本发明的示例性实施例，沿图1中的A-A线'截取的剖视图；
图4是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的端板的视图；
图5是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池堆的工作状态的视图；
图6是示出根据现有技术，在常规燃料电池堆工作时的电池温度曲线的视图。
应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。在附图中，在全部的几张图中，附图标记始终指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包括运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包括各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。
尽管示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，然而可以理解的是，该示例性过程还可以由一个或多个模块来执行。另外，可以理解的是，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器被配置成存储模块，处理器被专门配置成执行上述模块，从而执行一个或多个过程，下面进一步详述。
本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包括”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
除非明确指出或可从上下文明显看出，否则如本文中使用的术语“约”被理解为在本领域中的正常公差范围内，例如，在平均数的两个标准偏差内。“约”可以被理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非从上下文可以明确知道，否则本文所提供的所有数值都可由术语“约”修正。
下面详细参考本发明的各种实施方式，本发明的实施例在附图中被图解并且在下面被描述。尽管本发明将结合示范性实施例被描述，然而可以理解的是，本描述并不意在将本发明限制到那些示范性实施例上。相反地，本发明意在不仅仅覆盖示范性实施例，而且覆盖各种可选形式、变型、等价形式和其它实施例，其可被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中。
通常地，当燃料电池汽车在等于或小于约-20℃的温度下执行冷起动时，其组件会因冷却而产生热收缩，因此紧固表面压力以及组件沿堆叠方向的长度会减小。具体地，可以采用以下这种结构，当车辆在零度以下温度起动时，基于集电板与端部电池(例如，置于电池堆两端靠近端板的电池)之间的紧固负载的减小以及因此产生的接触电阻的增大，来升高电池堆的每个端部电池的温度。
本发明利用具有至少一个薄集电板的多层集电体，而不是现有的单层集电板。在本发明的示例性实施例中，可形成多层集电体，该多层集电体包括具有最小厚度的薄集电板以及布置并堆叠在多层集电体的后表面上的厚集电板，在零度以下的温度时，在集电板之间形成间隙，即可用作诸如气阱(air pocket)等绝热体的层间隙。
当在约-20至-30℃的低温下形成层间隙，并且在约40至70℃的温度下通过电池堆的紧固压而使集电板之间的接触电阻最小时，电池堆的端部电池可通过双金属机制进行加热，而无需单独的热能或温度监测。在包括具有不同厚度集电板的多层集电体中，当在零度以下温度起动车辆时，电流可主要施加于薄集电板。当由堆叠电池产生的高势能电动势以及在零度以下温度起动车辆时，通过相当区域的反应所产生的电流施加于薄集电板时，可通过施加高电流来产生焦耳热。
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明的示例性实施例。图1为示出根据本发明示例性实施例的燃料电池堆的外观的视图。图2为示出根据本发明示例性实施例的燃料电池堆的主要部件的详细视图。图3是沿着图1的A-A线截取的剖视图。另外，端部电池指的是置于电池堆100的两端、靠近端板120的电池。
如图1-3所示，燃料电池堆100可包括：多个堆叠电池110，在燃料电池堆100中心堆叠并布置成一排(in a line)，以产生电力；端板120，布置在电池堆左右两侧以固定地支撑堆叠电池110，以及集电体130，布置在各端板120内部，以收集由堆叠电池110产生的电力并将电力输送到外部。
置于堆叠电池110的堆叠方向上的电池堆的两侧的集电体130中的至少一个集电体，可包括第一薄集电板132，该第一薄集电板具有基于相关端板120的厚度而置于特定高度的集电端子133；以及堆叠在第一集电板132的一个表面(例如，面向该端板的表面)上的第二集电板134。集电端子133可形成有阶梯部133a，其可操作地容纳弹性部件136。
图1-3示出双层集电体的示例性实施例，该双层集电体被配置成堆叠两个集电板，也就是应用第一集电板132和第二集电板134。第一集电板132可形成为具有最小厚度的薄金属导体。第一集电板132可在其面向第二集电板134的一个表面上具有通过压印工艺所产生的凹凸结构(例如，凹凸形貌特征))，以便在以零度以下的温度或者以低温起动车辆时，保持由端板120附近的电池所产生的热量，从而升高电池的温度，并相对于堆叠电池110在堆叠方向上的膨胀和收缩，保持第一集电板132的适当堆叠压力(负载)和电连接。
在本发明的示例性实施例中，第一集电板132可以是被堆叠成接触堆叠电池110的集电板。具体地，第二集电板134可被堆叠在与第一集电板132相反的表面上。集电端子133可通过钎焊、锡焊、摩擦焊接等一体地结合到第一集电板132；或者通过诸如螺栓和铆钉等紧固机构，以螺栓连接或铆接的方式装配到第一集电板132；或者通过除装配和焊接之外的，以机械和物理接触的方式，电连接到第一集电板132。
第二集电板134可以是厚度大于第一集电板132厚度的厚集电板，并且可形成为由铜、铜合金、铝、涂层不锈钢或碳制成的板类导体。第二集电板134可包括孔口135，其具有适于穿过集电端子133和弹性部件136的直径。第二集电板134可以是具有特定厚度和横截面的板，并且可被固定到形成于端板120的一个表面(例如，面向堆叠电池的表面)的集电体容纳部122中。另外，第二集电板134可通过螺栓连接被固定到集电体容纳部122中，或者可利用粘合剂来安装。此外，尽管附图中未示出，第二集电板134可被安装到形成于集电体容纳部122的内表面的凹槽中。
如图4所示，用于容纳至少第二集电板134的集电体容纳部122可形成在面向堆叠电池110的端板120的一个表面上。形成在集电体容纳部122中的至少一个端子孔124，可沿着堆叠电池110的堆叠方向延伸，以沿着端板120的厚度方向穿透端板120。
具体地，集电体容纳部122可具有凹型结构，在第一集电板132与第二集电板134相接触(例如，邻接)时，该凹型结构容纳集电体130的厚度和横截面积。参考图5，当车辆以零度以下的温度起动时，由于堆叠电池产生热收缩，在第一集电板132与第二集电板134之间可形成间隙，并且第一集电板132可以从集电体容纳部122向外伸出。当在温度升高之后正常起动车辆时(例如，不处于零度以下温度的情况)，由于堆叠电池产生热膨胀，第一集电板132可压压靠在第二集电板134上，以便进入集电体容纳部122。
端子孔124可容纳第一集电板132的集电端子133，并且可具有与集电端子133的高度(长度)相对应的深度(长度)。端子孔124在其中心还可具有纵向形成的阶梯部125(例如，不同的高度水平)，该阶梯部可操作地容纳弹性部件136以弹性地支撑集电端子133。
第一集电板132的集电端子133可插入穿过第二集电板134的孔口和端板120的端子孔124。弹性部件136可被容纳在集电端子133的阶梯部133a与端子孔124的阶梯部125之间，当集电端子133被插入到端子孔124中时，这两个阶梯部彼此面对。根据上述布置，第一集电板132可由弹性部件136弹性地支撑。
因此，如图5所示，第一集电板132可由弹性部件136弹性地支撑以更稳定地压压靠在端部电池上，其中，在车辆在零度以下的温度起动时，在堆叠电池热收缩时，该第一集电板132与第二集电板134形成间隙。换句话说，弹性部件136可弹性地支撑第一集电板132，并且当车辆以零度以下的温度起动时，该弹性部件可稳定地保持在第一集电板132和第二集电板134之间产生的间隙。弹性部件136可以是诸如环状板簧或螺旋弹簧等弹簧部件，或者可由诸如聚合物或橡胶等弹性材料制成。
根据本发明示例性实施例的燃料电池堆100包括上面提及的、置于堆叠电池110的两侧的至少一个端板120内部的集电体130。如图1所示，燃料电池堆100可包括诸如紧固带140或紧固杆等固定紧固机构，并且可在电池堆100的两侧，将紧固机构的紧固表面压力施加到端板120。
另外，在燃料电池堆100中，由于组件因冷却而产生收缩，因此与初始负载相比，可降低在零度以下的极低温度下施加于每个端板120的紧固负载。因此，可减少在端板120与端部电池之间的紧固力(例如，接触力)，并且可在两者之间形成细小的间隙。具体地，第一集电板132可被配置成由弹性部件136从端板120移到端部电池，以压靠该端部电池。因此，第一集电板132可与第二集电板134分开，并且在第一集电板132与第二集电板134之间可形成间隙。
在第一集电板132与第二集电板134之间形成的细小间隙，可在零度以下的温度充当诸如气阱等绝热体。因此，可减轻在电流施加于第一集电板132时由电阻产生的焦耳热的损失，以及当车辆在零度以下的温度起动时，由端部电池所产生的废热的损失，从而增加电池的加热速率，并提高电池堆的起动速度。因此，由于可以通过将当燃料电池汽车在零度以下的温度起动且在低温情况下行驶时，通过堆叠电池110的热收缩而形成在集电体130中的间隙作为绝热体，而使热损失减到最小，因此可实现端部电池的快速解冻和加热，从而减轻因端部电池的低温所产生的电池电压的下降。
此外，在布置在电池堆100两端的每个端板120附近的电池的温度，通过第一集电板132的焦耳热以及端部电池的废热而升高，并且车辆正常起动时，堆叠电池110可通过电池堆温度的升高而沿其堆叠方向热膨胀。具体地，第一集电板132可从端部电池移动到端板120，从而使第一集电板132被压靠在第二集电板134上。因此，当车辆正常起动后电池堆工作时，包含第一集电板132和第二集电板134的多层集电板130，可类似于与多层集电体具有大致相同厚度和横截面积的现有单层集电体，进行电流的收集和施加。因此，可省略单独控制或附件机构。
换句话说，当端部电池的温度因集电体130的焦耳热而升高时，并且堆叠电池因在车辆正常起动时电池堆的温度升高而沿着堆叠方向热膨胀时，第一集电板132可与第二集电板134相接触(例如，邻接)。具体地，由于集电体130可被配置成执行与具有典型厚度和横截面积的现有集电体相同的电流收集和施加功能，因此可省略单独控制或者附加的昂贵机构。
当以多层形式堆叠薄集电板来配置集电体时，可改变每个薄集电板的厚度和形状以及集电板之间的连接结构。因此，可以实现各种附加功能，例如形成具有孔或多个间隙的电导体，该孔或多个间隙的主要功能是隔热，并且通过以各种方式形成导通电流的传导路径来自由地调节(例如，增加或减少)焦耳热的产生。例如，在本发明的示例性实施例中，作为薄集电板的第一集电板132可具有约0.05～0.2mm的厚度。
另外，当第一集电板132的厚度大于约0.2mm时，难以通过施加高电流来产生预期的焦耳热。当第一集电板132的厚度小于约0.05mm时，难以通过集电端子133施加的弹性部件136的弹性力，产生和保持第一集电板132与第二集电板134之间的间隙，并且在第一集电板132开始接触第二集电板134时，难以保持第一集电板132的形状和持久性。
在第一集电板132的厚度大于上述范围时，难以在约-20至-30℃的低温下产生预期的间隙(例如，层间隙)，并且在约40至70℃温度时，由于存在电池堆的紧固压，因此难以均匀地形成最小面电阻(areal resistance)或最小接触电阻。当第一集电板132因具有最小厚度而具有低弯曲强度时，由于第一集电板132的弯曲等，因此会因非均匀表面接触而引起电压下降。
根据本发明，由于多层集电体可插入在端板与端部电池(例如，位于电池堆的两端靠近端板的电池)之间，因此可以通过在燃料电池汽车在零度以下的温度起动或以低温行驶时升高电池堆的每个端部电池的加热速率，改善电池堆的起动速度和可操作性，并且通过减缓因端部电池的低温所造成的电压下降，来改善电池堆在零度以下温度的起动。
具体地，本发明采用具有至少一个薄集电板的多层集电体，以响应堆叠电池基于温度变化而产生的热胀或收缩。因此，当车辆以零度以下的温度起动时，由于堆叠电池产生热收缩，在沿着堆叠电池的方向而堆叠的第一集电板和第二集电板之间可形成起绝热作用的间隙。因此，由于车辆在以零度以下的温度起动或以低温行驶时，通过施加由堆叠电池产生的电流产生的集电体的焦耳热以及由端部电池产生的废热可被该间隙隔绝，因此该端部电池的温度可快速升高。
上面已通过参考示例性实施例对本发明进行详细描述。然而，本领域的技术人员应当清楚，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，还可对这些示例性实施例进行修改，本发明的保护范围由所附权利要求及其等效布置来限定。

Claims (10)

1.一种具有多层型集电板的燃料电池堆，包括：
端板，布置在堆叠成一排的堆叠电池的两侧，以固定地支撑所述堆叠电池；以及
集电体，布置在所述端板内，以收集由所述堆叠电池产生的电力，并被配置成将电力输送到外部，
其中，置于所述堆叠电池两侧的所述集电体中的至少一个集电体包括：具有集电端子的第一集电板，以及堆叠在所述第一集电板的一个表面上的第二集电板，
其中，所述第一集电板由弹性部件弹性地支撑以被压在所述堆叠电池的端部电池上，并且
其中，当所述堆叠电池在零度以下的温度下或在低温下热收缩时，所述第一集电板通过所述弹性部件，从所述端板向所述端部电池移动，以在所述第一集电板和所述第二集电板之间形成间隙，
其中，所述第二集电板不由所述弹性部件支撑，使得所述间隙通过所述堆叠电池在零度以下的温度下或在低温下的热收缩在所述第一集电板和所述第二集电板之间形成。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述弹性部件插入在所述端板的每个端板中形成的端子孔与穿过所述端子孔的第一集电板的集电端子之间，以弹性地支撑所述集电端子。
3.根据权利要求2所述的燃料电池堆，其中，在所述端子孔与所述集电端子中分别形成有阶梯部，并且所述弹性部件容纳在所述集电端子的阶梯部与所述端子孔的阶梯部之间，当所述集电端子插入在所述端子孔中时，两个阶梯部彼此面对。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述第一集电板在面向所述第二集电板的一个表面上具有凹凸结构。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述第一集电板是其厚度小于第二集电板厚度的薄集电板。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中，所述第一集电板被堆叠成与所述堆叠电池邻接，并且所述第一集电板的集电端子插入穿过所述第二集电板的孔以及所述端板中相关端板的端子孔中。
7.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中，所述第一集电板具有0.05～0.2mm的厚度。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述间隙在-20℃至-30℃的温度下，形成于所述第一集电板与所述第二集电板之间，并且当温度升高到零度以上的预定温度时，通过所述电池堆的紧固压，所述第一集电板与所述第二集电板形成最小的接触电阻。
9.根据权利要求8所述的燃料电池堆，其中，在40℃至70℃的温度时，通过所述电池堆的紧固压，所述第一集电板与所述第二集电板形成最小的接触电阻。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述集电端子被结合到所述第一集电板，以便与所述第一集电板形成为一体；或者被装配到所述第一集电板，以便通过紧固机构与所述第一集电板形成为一体；或者被压靠到所述第一集电板上，以便电连接至所述第一集电板上。
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