用于燃料电池堆叠和碰撞保护的基准件设计制造技术

本发明专利技术公开了用于燃料电池堆叠和碰撞保护的基准件设计。提供了用于对准和减小燃料电池堆叠中相邻燃料电池之间的相对移动的系统和方法。沿着堆叠维度的所述燃料电池的电池间协作通过沿着双极板的边缘放置的一个或多个基准件得以加强，所述双极板构成电池容纳组件的一部分。所述基准件沿着基本上与电池堆叠维度重合的厚度成形以避免相邻堆叠的电池之间的偏移，该相邻堆叠的电池之间的偏移否则会由于沿着限定板、电池和它们相应组件的主表面的维度的明显加速度的发生而产生。通过使得基准件与多个堆叠的电池一体形成，避免了将单独凸片固定到每个板的需要。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总地涉及用于组装燃料电池堆叠的改善设计，并更尤其是涉及在暴露于冲击和其他高加速度载荷之后将加速度载荷分布到燃料电池堆叠上以固定和保持在堆叠内的燃料电池的相对位置的方式。
技术介绍
利用燃料电池以通过电化学反应将燃料转变成可用电力的重要益处是它在不依赖于燃烧作为中间步骤的情况下实现。如此，针对推进和相关原动力应用，燃料电池具有优于内燃发动机(ICE)的若干环境优点。在典型的燃料电池(诸如质子交换膜或聚合物电解质膜(在任一种情况下，PEM)燃料电池)中，一对催化电极由离子传输介质(如，NafionTM)分隔，其中它们共同称为隔膜电极组件(MEA)。在气态还原剂(如，氢，H2)被引入并在阳极处离子化并然后使之穿过离子传输介质，使得它与通过其他电极(阴极)引入的气态氧化剂(例如，氧，O2)结合时发生电化学反应，反应剂的这种结合形成作为副产品的水。在氢的离子化中释放的电子通过外部电路以直流(DC)的形式行进到阴极，该外部电路典型地包括负载(如电动机)，在该负载中可以进行有用的工作。由这种DC电力流动产生的发电可以通过将多个这种电池结合到较大的电流产生组件中而得以增加。在一个这样的构造中，燃料电池沿着共同的堆叠维度连接(与扑克牌很像)以形成燃料电池堆叠。反应剂向MEA的传送(以及副产品水的去除和电池产生的电流向负载的传送)通过MEA的堆叠接合、气体可渗透的扩散介质(也称为气体扩散介质(GDM))以及多通道双极板来促进。除了与MEA和GDM建立平面面对关系之外，双极板还限定了歧管，作为框架状结构的一部分，该框架状结构尺寸确定为围绕MEA和GDM的周边放置，以促进反应剂、冷却剂和副产品在堆叠之内移动。放置在车辆之内的燃料电池堆叠能够承受来自车辆加速度和减速度以
及来自碰撞、事故和相关冲击的严重载荷变化。尤其是，为了在诸如车辆碰撞的破坏性事件期间在暴露于高加速度载荷(例如，达到160g或更大)之后继续进行，构成堆叠的燃料电池的位置必须相对于彼此得以维持。在这样的事件中，高剪切力会导致堆叠的相邻电池之间滑动(尤其是，在前述笛卡尔坐标系统的X-Z平面内)。各个电池之间的小位移在大的堆叠组件的高度上被放大(例如，100微米的电池偏移对于300个电池堆叠组件而言可以导致30mm的电池块偏移)。这种问题可能由冷起动条件以及由减小的电池间摩擦力而加剧，在冷起动条件下，热致收缩会降低在堆叠组装期间施加在电池上的压缩维持载荷，该减小的电池间摩擦力是由于使用可能具有较低摩擦系数属性的表面处理或插件而致使的。在这些高加速度事件期间，避免汽车燃料电池板间或电池间移位的一种方式是使在堆叠组装中使用的基准销保持联接到堆叠，甚至在组装过程完成之后；以这种方式，销提供对相邻堆叠板或电池之间的剪切移动的额外阻力。在本文中，相邻电池或板之间的这些剪切或平面内移位是以电池或板堆叠轴线与由这种堆叠供能的车辆的行驶方向正交的前提下来理解的。如此，堆叠轴线可以沿着基本上垂直(即，Y)笛卡尔轴线，使得寻求最小化的电池间或板间移动的大部分在X-Z平面内。本领域技术人员将理解的是，电池、板和堆叠的特定取向并非是关键的，而是用于避免或减小这种电池间或板间移位的措施被优选布置在使得这种避免得以最大化的取向上。虽然传统基准销和相关结构的使用在暴露于高加速度平面内载荷时在保持电池或板的相对堆叠对齐方面是有效的，但是它们会显著增加堆叠的组装成本。在堆叠内它们持续的存在还在其中一个电池或其他堆叠部件需要被去除以用于维护时妨碍拆卸。在这种破坏性事件期间避免汽车燃料电池板间或电池间移位的另一种方式是通过利用可以形成在壳体壁和堆叠之间的粘结剂或者补充支撑结构。这个方式的示例可以在美国专利申请13/803,098中找到，该专利申请在2013年3月14日提交且名称为电池保持设计和方法(CELL RETENTION DESIGN AND PROCESS)，该申请由本申请的受让人拥有并通过引用以其全文结合于此；其中教导的方法在堆叠的板的侧边缘和刚性壳体或相关外壳之间利用可插入的类似粘结剂的灌封化合物。尽管如此，这个方法仅仅在电池和板已经对准并堆叠之后应用，并因此对于堆叠过程
中电池和板的对准没有帮助。此外，所使用的化合物的永久特性使得为了修理或者诊断分析而进行的随后堆叠拆卸来说是不利的。又一种方法涉及焊接(或以其他方式附连)凸片，该凸片从大体矩形的双极板的一个或多个边缘横向突出。这些凸片被制造成沿着贯通厚度(即，Y轴)的维度彼此接合，通过凸片和切口的干涉接触，使得堆叠之内的每个电池或板响应于剪切(即，平面内)力而移动的趋势被阻止。虽然在防止电池间/板间运动方面是有效的，但是每个凸片必须单独连接到其相应的板。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，公开了一种组装燃料电池堆叠的方法，该燃料电池堆叠对响应于破坏性事件的电池间移位具有提高的阻力。所述方法包括：沿着堆叠的维度布置多个双极板，并且将灌封材料添加到由堆叠的板所形成的至少一个周边边缘；形成的基准件(也称为基准件结构)沿着电池堆叠维度具有提高的厚度维度；所述提高的厚度对应于特定组的被堆叠的电池和板的数量。由此，8板组将具有相应的8基准件厚度，而16板或32板组将具有对应的基准件厚度。优选地是，板限定至少一个沿着边缘的起伏部，以适应灌封材料的互补形状。通过这种方式，基准件被固定到多电池组内的堆叠电池，使得在它们之间形成紧密协作的配合。在本文中，基准件向一组内的堆叠电池的固定是通过固化的灌封材料与每个电池上的边缘起伏部形成粘合、围绕该边缘起伏部或者以其他方式联接到该边缘起伏形成。在一个优选形式中，起伏部是向外突出的凸片，该凸片通过灌封材料包覆模制。进而，该灌封材料限定了一个形状，使得由其形成的向外突起可配合到在堆叠壳体或相关外壳内形成的互补形状的切口或凹陷内。在优选的形式中，灌封材料沿着堆叠维度构建到与多个板相同厚度。在更优选形式中，通过灌封材料形成的基准件和各种板之间的协作是通过将灌封材料包覆模制到一体形成的凸片上而实现的，该凸片沿边缘从板周边延伸。在这个最后实施方式中，灌封材料形成的多层厚度基准件可以成形为与形成在堆叠外壳或壳体内的互补形状的横向起伏部协作，使得赋予各堆叠的板的任何剪切运动通过厚度基准件传递到壳体中，以提供增大的阻力。一个或多个夹具可以用于促进该堆叠过程，以及在板横向边缘处形
成模具型腔或形状，灌封材料将浇注到其中。在本文中，这种夹具的单数或复数形式的表述被认为在本专利技术的范围内。根据本专利技术的另一方面，公开了一种将多个燃料电池组装到一起的方法。每个电池包括与双极板面对且相邻地放置的MEA，所述双极板在其中限定至少一个一体形成的边缘延伸部。所述方法包括在堆叠夹具之内限定一个或多个模具形状，该模具形状被构造成接收灌封材料。所述燃料电池沿着堆叠维度布置在所述堆叠夹具中，使得灌封材料的液体形式被浇注到所述模具中，使得在固化时，所述灌封材料形成基准件，该基准件沿着燃料电池的堆叠维度固定到各布置的燃料电池，由此对所布置的燃料电池沿着基本上与所述堆叠维度正交的维度的电池间移动提供增大的阻力。如其他地方讨论的，利用所述基准件作为固定或连接点可堆叠成模块的电池的数量可以通过燃料电池系统的其他堆叠需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种组装燃料电池堆叠的方法，所述方法包括：将多个基本上平面的燃料电池沿着堆叠维度布置在堆叠夹具中，每个所述燃料电池包括至少一个隔膜电极组件，该隔膜电极组件与双极板面向且相邻地设置，所述双极板在其中限定至少一个一体形成的边缘延伸部；将灌封材料浇注到所述夹具的限定基本上与所述延伸部对应的形状的一部分中，使得在固化时，所述灌封材料形成沿着所述堆叠维度固定到所述布置的燃料电池的基准件，以对所述布置的燃料电池沿着基本上与所述堆叠维度正交的维度的电池间移动提供增大的阻力；以及将所述布置的燃料电池固定在壳体内。

【技术特征摘要】
2015.03.27 US 14/670,5081.一种组装燃料电池堆叠的方法，所述方法包括：将多个基本上平面的燃料电池沿着堆叠维度布置在堆叠夹具中，每个所述燃料电池包括至少一个隔膜电极组件，该隔膜电极组件与双极板面向且相邻地设置，所述双极板在其中限定至少一个一体形成的边缘延伸部；将灌封材料浇注到所述夹具的限定基本上与所述延伸部对应的形状的一部分中，使得在固化时，所述灌封材料形成沿着所述堆叠维度固定到所述布置的燃料电池的基准件，以对所述布置的燃料电池沿着基本上与所述堆叠维度正交的维度的电池间移动提供增大的阻力；以及将所述布置的燃料电池固定在壳体内。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述壳体限定了形成其中的互补形状的延伸部，使得所述基准件和所述壳体之间的协作增加对所述电池间移动的阻力。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述基准件邻近由所述布置的燃料电池所形成的角放置。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述基准件邻近由所述布置的燃料电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：DA马丁切克，RC汤普森，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US