专利名称：用于解决部件容差差异的燃料电池板特征的制作方法
技术领域：
本公开内容涉及燃料电池，并且更具体地涉及连接到燃料电池系统的外部电气设备的燃料电池板。
背景技术：
针对电动车辆和各种其他应用，已经提出燃料电池作为干净、有效且对于环境负责的电源。各个燃料电池能够串联堆叠在一起以便为各种应用形成燃料电池电堆。燃料电池电堆能够供应足以给车辆提供动力的电量。具体而言，燃料电池电堆已经被认为是现代机动车辆中所用的传统内燃发动机的潜在替代方案。一种燃料电池类型是聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。PEM燃料电池包括三个基础部件电解质膜；以及包括阴极和阳极的一对电极。电解质膜被夹在电极之间以便形成膜-电极组件(MEA)。MEA通常被置于例如碳纤维纸的多孔扩散介质(DM)之间，这有助于反应物的传递，例如氢向阳极以及氧向阴极的传递。预组装在一起且使用子垫片(subgasket) 隔离反应物流体的MEA和DM被称为成套电极组件(UEA)。在电化学燃料电池反应中，氢在阳极中被催化氧化从而产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。来自阳极的电子不能穿过电解质膜，而是作为电流通过电负载(例如电动马达)被引导到阴极。质子在阴极内与氧和电子反应从而生成水。电解质膜通常由离聚物层形成。燃料电池的电极一般由磨细的催化剂形成。催化剂可以是针对燃料电池的电化学反应催化地支持氢或甲醇的氧化以及氧的还原中的至少一种反应的任意电催化剂。催化剂通常是贵金属，例如钼或其它钼族金属。催化剂一般被置于例如炭黑颗粒的碳支撑物上并且分布在离聚物中。电解质膜、电极、DM和子垫片(例如UEA的形式)被置于一对燃料电池板之间。这对燃料电池板构成阳极板和阴极板。每个燃料电池板均可具有在其内形成的多个通道以用于反应物和冷却剂向燃料电池的分配。燃料电池板通常通过使得板材金属成形的常规工艺来形成，例如冲压、机加工、模制或通过光刻掩膜光刻。在双极燃料电池板的情况下，燃料电池板通常由一对单极板形成，这对单极板之后被连结在一起以形成双极燃料电池板。燃料电池电堆通常连接到外部设备以便向电动马达和电路传输电力并且用于监控燃料电池电堆的性能。典型的外部设备包括电池电压监控(CVM)设备。各种燃料电池部件的尺寸偏差以及外部设备的尺寸偏差会导致干涉。干涉会导致难以在燃料电池电堆和外部设备之间产生合适的电连接。公知的多电池CVM连接器-板接口(connector-to-plate)构思已经使用过大尺寸的接触垫片或面向外的触点(单行中)，其各自连接到各双极燃料电池板。这种在板上边缘(board-on-edge)的构思会在电堆重复距离上施加不理想约束，并且因而对于能够由各电连接板服务的双极燃料电池板的数量施加不理想的约束。存在对于如下双极燃料电池板的长期需求，尽管存在尺寸偏差该双极燃料电池板仍允许双极燃料电池板和外部设备的配合。
发明内容
根据本公开内容，令人惊讶地发现了一种双极燃料电池板，尽管存在容差和电堆重复距离的偏差，该双极燃料电池板仍允许双极燃料电池板和外部设备的配合。
通过将铰接区域设计到本公开内容的双极板中，各双极板的电池电压监控调整片能够偏转以便匹配连接器间距而不会影响双极板的相邻密封上的载荷。为了保持对于调整片粗略位置的控制，指形区域内的间隙要被谨慎地定尺寸。取代了试图准确地匹配间距，连接器被制成尺寸不足，以便不产生干涉。之后，连接器修整调整片间距以与其匹配。因为某些相邻连接器在堆叠方向上交叠，所以交叠的连接器不再被并排地定位以便板能够扭转经过较长跨度。加宽的凸台和窄槽设置也可以被用于改进平面内的位置控制。在一种实施例中，用于燃料电池的双极板具有第一端、第二端、第一侧和第二侧。 双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域。周边区域围绕活性区域和供给区域中的每个的区域。密封区域被置于活性区域和供给区域中的每个区域与周边区域之间。多个外延调整片被设置成在板的第一端和第二端中的每端处与周边区域相邻。 铰接区域在双极板的第一端和第二端中的每端处被置于周边区域和外延调整片之间。铰接区域从板的第一侧延伸到双极板的第二侧。铰接区域允许外延调整片弯曲从而连接外部电气装置而不会使得密封区域不理想地弯曲。在另一实施例中，燃料电池电堆包括一对双极板。燃料电池电堆还包括成套电极组件，其具有被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件。膜电极组件和扩散介质层被置于双极板之间以便形成燃料电池电堆。在另一实施例中，燃料电池系统包括具有双极板的燃料电池电堆。燃料电池系统还包括多个外部电气装置。每个外部电气装置均具有多个电连接器。电连接器的至少一部分与双极板的调整片的至少一部分电连通。铰接区域允许外延调整片弯曲从而连接于外部电气装置的电连接器而不会使得双极板的密封区域不理想地弯曲。本发明还提供以下技术方案。方案1. 一种用于燃料电池的双极板，包括
第一端、第二端、第一侧和第二侧，该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域，所述周边区域围绕所述活性区域和所述供给区域，所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述周边区域之间，多个外延调整片被设置成在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述周边区域相邻，所述铰接区域在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处被置于所述周边区域和所述外延调整片之间，所述铰接区域从所述双极板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧并且允许所述外延调整片弯曲从而连接至少一个外部电气装置而不会使得所述双极板的所述密封区域不理想地弯曲。方案2.根据方案1所述的双极板，其中所述铰接区域的平均厚度小于与所述铰接区域相邻设置的所述调整片的平均厚度和所述周边区域的平均厚度。方案3.根据方案1所述的双极板，其中所述周边区域包括凸起增强特征，并且所述调整片包括凸起增强特征。方案4.根据方案3所述的双极板，其中所述调整片的至少一个所述凸起增强特征被构造成接触所述至少一个外部电气装置的相邻电连接器。方案5.根据方案3所述的双极板，其中所述铰接区域被置于所述周边区域和所述调整片的所述凸起增强特征之间。方案6.根据方案3所述的双极板，其中所述调整片的所述凸起增强特征的一部分是基本U形。方案7.根据方案6所述的双极板，其中所述U形凸起增强特征的开口端面向所述铰接区域。方案8.根据方案7所述的双极板，其中焊缝被形成在所述U形凸起增强特征内， 所述焊缝延伸到达所述铰接区域。方案9.根据方案1所述的双极板，包括在所述双极板的所述第一侧和所述第二侧处在所述铰接区域内形成的槽口，所述槽口促进所述铰接区域的弯曲。方案10.根据方案9所述的双极板，其中所述槽口是基本V形。方案11.根据方案1所述的双极板，包括沿所述铰接区域的长度从所述双极板的所述第一侧到所述第二侧形成在所述铰接区域内的刻线，所述刻线促进所述铰接区域的弯曲ο方案12.根据方案11所述的双极板，其中所述刻线被压印到所述铰接区域内。方案13.根据方案1所述的双极板，包括第一单极板和第二单极板，所述第一单极板被焊接到所述第二单极板，所述第一单极板和所述第二单极板中的每个均具有在所述双极板的所述第一侧和所述第二侧处的所述铰接区域内的槽口以及沿所述铰接区域的长度从所述双极板的所述第一侧到所述第二侧形成在所述铰接区域内的刻线，所述槽口和所述刻线促进所述铰接区域的弯曲。方案14. 一种燃料电池电堆，包括
一对双极板，每个双极板均具有第一端、第二端、第一侧和第二侧，该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域，所述周边区域围绕所述活性区域和所述供给区域，所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述铰接区域之间，多个外延调整片被设置成在所述板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述周边区域相邻，所述铰接区域在所述板的所述第一端和所述第二端中的每端处被置于所述周边区域和所述外延调整片之间，所述铰接区域从所述双极板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧，并且允许所述外延调整片弯曲从而连接外部电气装置而不会使得所述双极板的所述密封区域不理想地弯曲；以及
成套电极组件，其具有被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间。方案15. —种燃料电池系统，包括
包括一对双极板的燃料电池电堆，每个双极板均具有第一端、第二端、第一侧和第二侧，该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域，所述周边区域围绕所述活性区域和所述供给区域，所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述周边区域之间，多个外延调整片被设置成在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述铰接区域相邻，所述铰接区域在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处被置于所述周边区域和所述外延调整片之间，所述铰接区域从所述双极板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧，以及成套电极组件，其包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间；以及
多个外部电气装置，每个所述外部电气装置均包括多个电连接器，所述电连接器的至少一部分与所述双极板的所述调整片的至少一部分电连通，
其中所述铰接区域允许所述外延调整片弯曲从而连接所述外部电气装置的所述电连接器而不会使得所述双极板的所述密封区域不理想地弯曲。方案16.根据方案15所述的燃料电池系统，其中所述外部电气装置是嵌入式测量模块(E匪)板。方案17.根据方案16所述的燃料电池系统，其中所述EMM板被设置成沿所述燃料电池电堆的端部处于第一竖直行和第二竖直行内。方案18.根据方案17所述的燃料电池系统，其中所述第一竖直行相对于所述第二竖直行以交错关系来设置。方案19.根据方案15所述的燃料电池系统，其中所述电连接器窄于所述板内的槽，从而最小化干涉的可能性。方案20.根据方案19所述的燃料电池系统，其中在所述电连接器上的每个部分的选定凸台与所述双极板的所述调整片之间的窄槽配对，从而提供改进的平面内的位置控制。
当具体参考这里描述的附图时，从下述具体描述中，本领域的技术人员将可以显而易见到本公开内容的上述及其他优点。图1是根据本公开内容的一种实施例的双极燃料电池板的不完整顶部透视图，为图释目的，该双极燃料电池板被设置成与电连接板相邻；
图2是图1的圈2所示的双极燃料电池板的放大的不完整俯视图； 图3是图1的方框3所示的双极燃料电池板的另一个放大的不完整俯视图； 图4是具有多个图1所示双极板的燃料电池电堆的不完整侧面透视图，为了图释目的省略了一些双极板；以及
图5是图4所示的燃料电池电堆的不完整侧面透视图，示出了与双极板电连通的电连接器板。
具体实施例方式下述具体描述及所附附图描述并图释了本发明的各种实施例。说明书和附图用于使得本领域技术人员能够制造并应用本发明，并且不试图以任意方式限制本发明的范围。参考图1-5，本公开内容的双极板2具有第一端4、第二端6、第一侧8和第二侧10。 双极板2还包括活性区域12、供给区域14、周边区域16、密封区域18和铰接区域20。周边区域16围绕活性区域12和供给区域14。密封区域18 (也被称为“密封盖”)被置于活性区域12和供给区域14中的每个区域与周边区域16之间。多个外延调整片22被设置成在双极板2的第一端4和第二端6中的每端处与铰接区域20相邻。图1所示的双极板2的端部可以根据需要是第一端4或第二端6。因为第一端4或第二端6可以提供用于电连接的调整片22，并且双极板2可以反转，应该意识到将调整片22定位于双极板2的第一端4和第二端6 二者处会在组装燃料电池电堆34 (如图 4和图5所示)期间简化一些诊断同时节省零件数量。铰接区域20被置于在双极板2的第一端4和第二端6中每端处在周边区域16和外延调整片22之间。铰接区域20从双极板2的第一侧8延伸到双极板2的第二侧10。铰接区域20有利地允许外延调整器22弯曲从而连接至少一个外部电气装置27的电连接器 25且不会不理想地弯曲密封区域18。当双极板2被置于燃料电池电堆34中时，不理想地弯曲密封区域18会导致密封区域18不密封，并且导致操作期间的泄漏。在具体实施例中，铰接区域20的平均厚度可以小于各自设置成与铰接区域20相邻的调整片22的平均厚度和周边区域16的平均厚度。应该理解，铰接区域20的较小平均厚度促进了双极板2的制造和处理以及与外部电气装置27组装期间双极板2在铰接区域 20处弯曲。铰接区域20的厚度也被选择成最小化双极板2在制造期间进行处理时对变形的易损性。作为非限制性示例，铰接区域20的平均厚度是大约150微米，每个调整片22和相邻周边区域16的平均厚度从大约450微米至大约750微米。本领域的普通技术人员可以根据需要选择周边区域16、铰接区域20和调整片22的可替代厚度。周边区域16和调整片22中每个的平均厚度均可以基于相应地置于其上的凸起增强特征24。作为非限制性示例，凸起增强特征M可以具有在平面双极板2的表面之上大约 150微米至大约300微米的高度，不过还可以使用其他高度。在周边区域16和调整片22中的每个均包括凸起增强特征M的情况下，铰接区域20被置于周边区域16和调整片22的凸起增强特征M之间。调整片22上的凸起增强特征M还可以被构造成接触至少一个外部电气装置27 的电连接器25。例如，如图2所示，在外延调整片22上的凸起增强特征M可以是多个基本与外延调整片22的取向轴线正交定向的细长行。根据需要，在周边区域16和调整片22上的凸起增强特征M的其他形状和取向也可以被使用。在图2所示的具体实施例中，调整片22的凸起增强特征M的一部分可以是基本 U形。U形凸起增强特征M的开口端沈可以被定向成面向双极板2的铰接区域20。焊缝 28被形成在U形凸起增强特征M内。焊缝观可以至少部分地被应用以便固定第一单极板和第二单极板从而形成整体双极板2。焊缝观不延伸到铰接区域20内，因为焊缝观会不理想地影响铰接区域20的柔性。进一步如图3所示，本公开内容的双极板2可以包括槽口 30。槽口 30被置于双极板2的第一侧8和第二侧10中每侧处的铰接区域内。在某些实施例中，槽口 30是基本 V形。双极板2还可以具有形成在其内的刻线32。刻线32沿铰接区域20的长度形成在铰接区域20内。刻线32可以从双极板2的第一侧8延伸到第二侧10。作为一种非限制性示例，槽口 30和刻线32中的每个均可以被压印在铰接区域20内。应该意识到，双极板2中的槽口 30以及在双极板2的第一和第二侧8、10之间延伸的刻线32促进了铰接区域20的理想弯曲。现在参考图4和图5，本公开内容还包括具有多个双极板2和多个成套电极组件 36的燃料电池电堆34。每个成套电极组件36均包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件。膜电极组件和扩散介质层被置于双极板2之间。双极板2和成套电极组件 36以交替形式堆叠并被压缩以形成燃料电池电堆34。具体参考图1和图5，本公开内容还包括燃料电池系统38，其包括燃料电池电堆34 和多个外部电气装置27。每个外部电气装置27均包括多个电连接器25。电连接器25的至少一部分与燃料电池电堆34的双极板2的调整片22的至少一部分电连通。如上文进一步的解释，铰接区域20允许外延调整片22弯曲从而连接于外部电气装置27的电连接器25 而不会导致双极板2的密封区域18不理想地弯曲。在具体实施例中，外部电气装置27是嵌入式测量模块(EMM)板。EMM板沿燃料电池电堆34的端部被设置在第一竖直行40和第二竖直行42内。EMM板被设置成消除了交叠效果。例如，第一竖直行40相对于第二竖直行42以交错关系来设置。已经发现使用双行设置对于有效电子器件封装是理想的。因为一个板上的某些电连接器25沿堆叠方向与下一板上的电连接器25交叠，所以交叠的电连接器25不被并排地定位以便双极板2能够扭转经过更长跨度。应该理解，使用其他外部电气装置27也落入本公开内容的范围内。根据本发明，使用加宽的凸台和窄槽设置来改进燃料电池电堆34的平面内的位置控制。例如，与电连接器25电连通的调整片22的每个部分均可宽于双极板2的调整片 22之间的相邻槽。电连接器25也窄于与电连接器25电连通的调整片22的所述部分。因而，最小化了燃料电池系统38组装期间在调整片22和电连接器25之间干涉的可能性。通过使得加宽的凸台和窄槽配对，避免了过度的位置偏差，从而提供了沿横向方向的单个定位特征且同时避免了冗余且可能相干涉的约束。有利地，尽管存在容差和电堆重复距离的偏差，本公开内容的双极板2仍允许双极板2和外部电气装置27的配合。虽然为了解释本发明已经示出了某些代表性实施例和细节，不过本领域技术人员将显而易见到可以在不脱离本公开内容范围的情况下做出各种改变，本公开内容的范围进一步在所附权利要求中被描述。
权利要求
1.一种用于燃料电池的双极板，包括第一端、第二端、第一侧和第二侧，该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域，所述周边区域围绕所述活性区域和所述供给区域，所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述周边区域之间，多个外延调整片被设置成在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述周边区域相邻，所述铰接区域在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处被置于所述周边区域和所述外延调整片之间，所述铰接区域从所述双极板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧并且允许所述外延调整片弯曲从而连接至少一个外部电气装置而不会使得所述双极板的所述密封区域不理想地弯曲。
2.根据权利要求1所述的双极板，其中所述铰接区域的平均厚度小于与所述铰接区域相邻设置的所述调整片的平均厚度和所述周边区域的平均厚度。
3.根据权利要求1所述的双极板，其中所述周边区域包括凸起增强特征，并且所述调整片包括凸起增强特征。
4.根据权利要求3所述的双极板，其中所述调整片的至少一个所述凸起增强特征被构造成接触所述至少一个外部电气装置的相邻电连接器。
5.根据权利要求3所述的双极板，其中所述铰接区域被置于所述周边区域和所述调整片的所述凸起增强特征之间。
6.根据权利要求3所述的双极板，其中所述调整片的所述凸起增强特征的一部分是基本U形。
7.根据权利要求6所述的双极板，其中所述U形凸起增强特征的开口端面向所述铰接区域。
8.根据权利要求7所述的双极板，其中焊缝被形成在所述U形凸起增强特征内，所述焊缝延伸到达所述铰接区域。
9.一种燃料电池电堆，包括一对双极板，每个双极板均具有第一端、第二端、第一侧和第二侧，该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域，所述周边区域围绕所述活性区域和所述供给区域，所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述铰接区域之间，多个外延调整片被设置成在所述板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述周边区域相邻，所述铰接区域在所述板的所述第一端和所述第二端中的每端处被置于所述周边区域和所述外延调整片之间，所述铰接区域从所述双极板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧，并且允许所述外延调整片弯曲从而连接外部电气装置而不会使得所述双极板的所述密封区域不理想地弯曲；以及成套电极组件，其具有被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间。
10.一种燃料电池系统，包括包括一对双极板的燃料电池电堆，每个双极板均具有第一端、第二端、第一侧和第二侧，该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域，所述周边区域围绕所述活性区域和所述供给区域，所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述周边区域之间，多个外延调整片被设置成在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述铰接区域相邻，所述铰接区域在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处被置于所述周边区域和所述外延调整片之间，所述铰接区域从所述双极板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧，以及成套电极组件，其包括被置于一对扩散介质层之间的子垫片和膜电极组件，所述膜电极组件和所述扩散介质层被置于所述双极板之间；以及多个外部电气装置，每个所述外部电气装置均包括多个电连接器，所述电连接器的至少一部分与所述双极板的所述调整片的至少一部分电连通，其中所述铰接区域允许所述外延调整片弯曲从而连接所述外部电气装置的所述电连接器而不会使得所述双极板的所述密封区域不理想地弯曲。
全文摘要
本发明涉及用于解决部件容差差异的燃料电池板特征。用于燃料电池的双极板具有第一端、第二端、第一侧和第二侧。该双极板还具有活性区域、供给区域、周边区域、密封区域和铰接区域。所述密封区域被置于所述活性区域和所述供给区域中的每个区域与所述周边区域之间。多个外延调整片被设置成在所述双极板的所述第一端和所述第二端中的每端处与所述周边区域相邻。所述铰接区域被置于所述周边区域和所述外延调整片之间。所述铰接区域从所述板的所述第一侧延伸到所述双极板的所述第二侧。所述铰接区域允许所述外延调整片弯曲从而连接外部电气装置而不会使得所述密封区域不理想地弯曲。
文档编号H01M8/24GK102468491SQ20111036779
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者A. 罗克 J., D. 威廉斯 J., J. 博伊特尔 M., J. 斯潘塞 S. 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司