用于燃料电池堆的电池电压监控连接器系统的制作方法
用于燃料电池堆的电池电压监控连接器系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于燃料电池堆中的电池电压监控的电连接系统。燃料电池堆包括多个层和从电池堆的至少一个表面向外延伸的多个导电连接接片。导电连接接片每一个形成为柔性密封垫片的横向延伸自由部分。垫片的其它部分被设置成提供燃料电池堆的至少两层之间的密封接合。通过使用垫片材料形成这种电连接接片而不是流动板，连接接片被制成具有柔性，以使得更容易连接到连接器组件中的标准连接器阵列。
【专利说明】用于燃料电池堆的电池电压监控连接器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池堆中使用的用于形成至燃料电池堆内的多个单独电池的电连接的电连接器系统。
【背景技术】
[0002]传统的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转换成电能和热能以及反应产物。典型的燃料电池包括夹在阳极流场板与阴极流场板之间的膜电极组件(MEA)。气体扩散层可以设置在每一个流场板与MEA之间。垫片可以用于分离各个层并提供需要的密封件。流场板典型地包括在板的与MEA相邻的表面上延伸的一个或多个通道，以用于将液体燃料或氧化剂运送到MEA的活性表面。
[0003]在传统的燃料电池堆中，多个电池堆叠在一起，使得一个电池的阳极流场板相邻于该电池堆中的下一个电池的阴极流场板，以此类推。在一些结构中使用双极流动板，使得单个流场板在板的两侧均具有流体流动通道。双极板的一侧用作第一电池的阳极流动板，流动板的另一侧用作相邻电池的阴极流动板。可以通过构造成电池堆中的第一流动板和最后流动板的电连接从电池堆提取电力。典型的电池堆可以包括数十个乃至数百个电池。本发明涉及这些各种燃料电池堆结构中的所有燃料电池堆结构。
[0004]在许多燃料电池堆中，重要的是能够监控电池堆中的各个电池的电压。因此，必须提供到电池堆中的许多流动板(通常是所有流动板)的电连接。传统地，这已经通过将电连接器接片设置到电池堆中的至少一些流动板而获得。这些电池电压监控接片从流动板的边缘从电池堆横向向外延伸，从而沿着电池堆的端面形成接片阵列，使得各个的电连接器可以连接到每一个接片。图1中显示了从每一个流动板延伸的电池电压监控接片的一种布置。
[0005]图1中的燃料电池堆I具有多个实际上平行的电池2，每一个电池都具有阳极流动板，所述阳极流动板具有从燃料电池堆的表面4向外延伸的相应接片3。为了减小接片的堆积密度(即，为了增加相邻接片的间隔)或者为了将另外的连接点设置到电池堆中的相同或不同的板，接片3可以形成为两排5、6(或者更多排)。
[0006]这些公头接片3通常可以和标准的母头电连接器一起使用，例如本领域众所周知的刀片式插座。对于每一个接片3使用单独的刀片式插座可用于制造小电池堆和小体积电池，但是考虑到连接单独插座的高劳动量，对于电池的批量生产是不理想的。
[0007]理想的是使用多路或多极连接器同时连接到许多接片。行业标准连接器具有例如基于0.1英寸或2_或者其分数或多倍的尺寸的预定闲距(pitch)。在连接到燃料电池堆的接片中，一个潜在的问题是燃料电池的间距(或闲距)由上述的各种分层部件的压缩尺寸来确定，并且这可能会不匹配标准连接器闲距。另一个问题是标准连接器对于每一个端子具有定位精度，例如±0.2mm，而该精度水平不适于许多燃料电池设计中的接片间距的变化。
[0008]因此，多路插座连接器(S卩，同时与许多接片接合的一个连接器)可能难以应用于燃料电池堆中。
【发明内容】
[0009]本发明的一个目的是克服或减轻这些问题中的一些问题或所有问题。
[0010]根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个层和从电池堆的至少一个表面向外延伸的多个导电连接接片，导电连接接片每一个都形成为柔性密封垫片的横向延伸自由部分，垫片的其它部分被设置成提供燃料电池堆的至少两层之间的密封接合。
[0011]每一个所述垫片可以包括横向相邻于流场板设置的歧管垫片。每一个所述垫片可以设置在燃料电池的膜电极组件与电极板之间。每一个所述垫片可以设置在阴极电极与阳极电极之间。每一个垫片的第一部分可以电绝缘，而垫片的与相邻电极接触的第二部分可以导电并与导电连接接片电接触。连接接片可以与垫片的其余部分一体形成。垫片可以由给大部分垫片材料提供导电性的材料形成。垫片的包括连接接片的至少一部分可以具有形成在至少一个表面上的导电层。连接接片可以具有在10欧姆至1000欧姆的范围内的电阻。每一个连接接片可以从燃料电池堆的侧面向外延伸，以便沿着侧面形成至少一排连接接片。燃料电池堆可以包括接片导向件，所述接片导向件包括多个通道，每一个通道具有容纳在该通道中的相应的一个连接接片，通道被构造成使连接接片从连接接片的近端处的第一间距成扇形变化到连接接片的远端处的第二间距。燃料电池堆可以包括在远端处连接到接片导向件中的连接接片的电连接器组件。燃料电池堆可以包括连接到所述一排连接接片的电连接器组件。连接接片中的选定的接片可以具有不同于所述连接接片中的其它接片的电阻。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]以下将以示例的方式并参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施例，在附图中:
[0013]图1是燃料电池堆的立体图，上述燃料电池堆的侧面具有从每一个电池的侧面延伸出来的电池电压监控电连接接片的阵列；
[0014]图2是示意性地显示流动板、垫片和膜电极组件的布置的燃料电池的部件的立体分解图；
[0015]图3是示意性地显示流动板、垫片和膜电极组件的布置的燃料电池的部件的立体分解图，所述膜电极组件包括具有横向向外延伸的连接接片的歧管垫片；
[0016]图4是示意性地显示流动板、垫片和膜电极组件的布置的燃料电池的部件的立体分解图，所述膜电极组件包括具有横向向外延伸的连接接片的阳极垫片；
[0017]图5是具有横向向外延伸的连接接片的阳极垫片的一部分的示意平面图；
[0018]图6是具有可选结构的横向向外延伸的连接接片的阳极垫片的一部分的示意平面图；
[0019]图7是适于连接到垫片连接接片的电连接器组件的示意端视图；
[0020]图8是适于容纳垫片连接接片以修正所述垫片连接接片的闲距的接片导向件的平面图；以及
[0021]图9是用于将垫片连接接片连接到带状电缆连接器的电连接组件的立体图。【具体实施方式】
[0022]为了清楚，图2以分解形式显示开顶阴极型燃料电池堆的燃料电池的部件的示意图。每一个电池20都包括阳极流动板2阳极垫片2膜电极组件(MEA) 24、阴极垫片25以及阴极流动板27。阳极垫片23在阳极流动板21与MEA24之间提供流体密封并环绕阳极扩散器22限定框架。类似地，阴极垫片25在阴极流动板27与MEA24之间提供流体密封并环绕阴极扩散器26限定框架。在图2的具体布置中，阴极流动板被设置作为波纹状阴极分离板27，并且一对歧管垫片28a、28b分别设置在每一端部处。
[0023]在其它结构中，燃料电池可以为封闭的阴极系统，例如其中阴极流动板可以为平板，所述平板具有在该平板的表面中延伸的通道。在其它结构中，一个电池的阴极流动板可以与相邻电池的阳极流动板结合成为双极板。
[0024]在图2所示的燃料电池的设计中，阳极流动板21包括示例性的电连接接片15 (例如，电池电压监控接片)，每一个电连接接片从流动板21的边缘横向向外延伸。这些接片将具有由阳极流动板的结构和位置确定的刚性和间距。这种接片的潜在缺陷已经在上面论述。
[0025]在本发明中，已经认识到例如关于如图2所述的燃料电池中使用的垫片可以被修改成将接片式电连接器设置在垫片上，而不是像当前将接片设置在阳极、阴极或者由图2中的阳极流动板21上设置的接片15所例示的双极电极板上。
[0026]图3显示与图2的燃料电池相似的燃料电池32的部件的示意图，但是具有修改的歧管垫片30，所述歧管垫片包括形成在歧管垫片30上或者形成为歧管垫片30的一体部件的电连接接片35(例如，电池电压监控接片)。垫片30包括适于相对于阴极分离器板27、相邻的阴极垫片25和下一个电池(图3未示出)的相邻的阳极板设置流体密封的弹性体或者其它可压缩和具有柔性的材料。垫片30应该足以压缩到吸收相邻部件的厚度的任何微小变化以及吸收燃料电池堆组件中的任何变形，同时相对于相邻的部件保持足够的流体密封。垫片30还可以限定允许流体在延伸通过电池堆的深度的通道中流动的孔(未示出)。
[0027]垫片30和电连接接片35由导电材料形成，连接接片35横向向外延伸超过燃料电池的大致矩形的主周边，使得当多个电池被构造成电池堆时，连接接片将从燃料电池堆的表面向外延伸。因此，连接接片35的长度L长到足以使其延伸超过相邻的阳极流动板21的周边(并且超过MEA24的周边以及任何其它流动板和垫片结构)。
[0028]总的来说，垫片30包括导电连接接片35，所述导电连接接片横向向外延伸超过燃料电池32的周边，使得当电池被组装成燃料电池堆时，连接接片提供柔性密封垫片的横向延伸自由部分。垫片的其它部分被设置成在燃料电池堆的层之间提供密封接合。连接接片35的紧邻于垫片30的主体的部分将在下文中被称为“近端”，而连接接片的距离垫片主体最远的部分将在下文中被称为“远端”。垫片的“接片”或者“自由部分”表述意味着包括适于从燃料电池堆的组装垫片的表面突出的来自垫片周边边缘的总路线的任何突出形式，是的所述部分可以被容纳而成为连接器组件。
[0029]连接接片35优选地通过由一片适当的材料冲压出所需的垫片形状而与垫片的其它部件一起制造而成。换句话说，连接接片35优选地与垫片一体形成。因此，在这种情况下，接片厚度将等于垫片薄片的厚度。连接接片宽度W可以根据连接目的或传导目的的需要制造成任何适当的宽度，在下文中说明。
[0030]在所示的示例中，整个垫片30和接片35可以由导电材料形成。这是因为相邻部件(相邻电池的阴极分离板27和阳极流动板21)具有电连续性，而其它相邻部件(阴极垫片25)可以电绝缘。因此，不存在垫片30整体导电的问题。因此，接片35与燃料电池需要的导电部分具有电连续性。垫片30，具体地为垫片30的连接接片部分35对于接片必须充分导电，以能够用作电池电压监控接片。
[0031 ] 因此，整个垫片30可以由导电压缩材料形成，例如已经通过导电材料处理的弹性体。导电材料可以遍及垫片材料分布，使得垫片的整个主体导电。导电材料可以被设置成为垫片上的膜或表面层，使得垫片材料的仅一个或两个表面导电。原则上，将仅需要面对相邻电池的阳极流动板21的表面或者接触分离板27的表面导电。
[0032]如上所述的连接接片可以设置在不同于图3所示示例的垫片上。图4显示改变的阳极垫片43，其中电池电压监控接片45形成在阳极垫片43上。阳极垫片43包括适于相对于阳极流动板21和相邻的MEA23提供流体密封的弹性体材料或者其它可压缩且具有柔性的材料。如图5中更详细地显示，接片阳极垫片43环绕中心孔41限定框架40，阳极扩散器22可以容纳在中心孔中。垫片43应该可压缩到足以吸收相邻部件的厚度的任何微小变化以及吸收燃料电池堆组件中的任何变形，同时保持充分的流体密封以容纳阳极燃料。垫片43还可以限定用于允许流体在延伸通过电池堆深度的通道中流动的孔(未示出)。
[0033]垫片43和电连接接片45由导电材料形成，并且连接接片45横向向外延伸超过垫片43的大致矩形的主周边。连接接片35的长度L长到足以使该连接接片延伸超过相邻的阳极流动板21的周边(以及延伸超过MEA24的周边)。因此，将会认识到如果垫片43具有与阳极流动板21连接的外周边(如图所示，至少沿着垫片边缘42)，则连接接片的长度L仅长到足以形成电连接，从而使用下文中例示的各种技术中的任何一种。如果垫片43的面积略微小于阳极流动板21 (即，使得垫片的边缘42与流动板21相比略后退)，则长度L必须充分伸出燃料电池堆的使电池20形成一部分的表面。
[0034]总的来说，垫片43包括导电连接接片45，所述导电连接接片横向向外延伸超过阳极板21的周边，使得当电池组装成燃料电池堆时，连接接片提供柔性密封垫片的横向延伸自由部分。垫片的其它部分被设置成在燃料电池堆的其它层之间提供密封接合。接片的其它方面可以关于图3准确说明。
[0035]连接接片45优选地通过由一片适当的材料冲压出所需的垫片形状而与垫片的其它部分(例如，中心孔41) 一起制造而成。换句话说，连接接片45优选地与垫片一体形成。因此，在这种情况下，接片厚度将等于垫片薄片的厚度。连接接片宽度W可以根据连接目的或传导目的的需要制造成任何适当的宽度，在下文中说明。
[0036]还可以使用连接接片的其它结构，例如图6的垫片44中所示的直角弯曲接片46。垫片44的其它部分对应于已经关于图5或图3进行说明的部分。
[0037]连接接片35、45、46可以可选地连接到预先形成的垫片。
[0038]如之前所论述，垫片30、43、44的连接接片35、45、46必须包括足够的导电材料，以能够用作电池电压监控接片。接片还必须具有与垫片的与燃料电池的导电部分接触的至少一部分电连续性，以便从电池提供电流路径。在图4-6的示例中，燃料电池的该导电部分可以为阳极板21。[0039]整个垫片可以由遍及垫片材料分布的导电压缩材料形成，或者导电材料可以被设置成为例如在垫片的相邻于阳极板21的下表面上的膜或表面层。原则上，将仅需要接触阳极流动板21、阴极流动板或者双极流动板的表面导电以及至少接片的表面导电。
[0040]如果整个垫片由导电材料形成，则必须小心操作以防止环绕流动板或者环绕MEA导电。如果垫片由电绝缘材料形成，则不希望有的电流路径的风险可以被最小化。如果只有垫片材料的一个表面(例如，面对适当的流动板的表面)导电，则不希望有的电流路径的风险也可以被最小化。
[0041]在另一个结构中，可能基本上理想的是减小或最小化垫片35、43、44的导电区域。在该示例中，大致描绘在图6的垫片44上，垫片可以被分成第一部分47和第二部分48。第一部分47可以电绝缘，而第二部分48可以导电。第二部分与连接接片46电通信。这样，第二部分48可以提供例如至阳极流动板21的电连接以及至连接接片46的导电路径。第二部分48可以通过用适当的导电材料处理垫片材料而形成，以在垫片的大部分中或者仅在一个或两个表面上局部限定传导部分。
[0042]虽然已经关于图6的实施例显示了第一和第二部分47、48，但是将被理解的是第一和第二部分基本上可以应用到例如关于图3、图4和图5所述的其它形式的垫片。
[0043]连接接片35、45、46和垫片的传导部分优选地高度传导，以便当在接片35、45、46的端部对电压取样时提供最小的损失和测量误差。然而，因为连接接片具有柔性，因此可能会存在增加的连接接片的两个垫片在电池的操作期间一起变得短路的风险，例如，如果耦合到连接接片35、45、46的电连接组件在正在进行操作时被从电池堆移除时出现这种风险。这种电短路会导致电流流动，从而可能会损坏电池。因此，在一个可选结构中，形成第二部分48和/或连接接片35、45、46的垫片材料的电阻率可以被布置成使连接接片具有如果接片之间出现短路可防止或抑制电池损坏。连接接片的电阻的优选范围在10欧姆至1000欧姆之间。
[0044]过高的电阻可以导致测量误差。因此，上电阻值优选地被选择为使得电池电压测量达到可接受的精确，同时下电阻值被选择为如果短路可防止电池损坏。精确值取决于用于监控电池电压的电路。
[0045]电池堆中不是所有连接接片都具有相同的电阻。理想的是制造一些用于低测量误差的具有较低电阻的连接接片以及用于短路保护的具有较高电阻的其它介入的连接接片。降低电阻接片可以通过将金属涂层提供到垫片30、43、44的表面的适当位置而形成。一些电路以选择的电池从电池堆提取低水平电力，并且这些特定的连接接片可以受益于较低电阻。可以设置任何数量的连接接片，例如，每一个电池设置一个或多个，或者仅每η个电池设置一个或多个，其中η是大于I的整数。
[0046]连接接片35、45、46可以形成在燃料电池堆的一个或多个边缘上的多个位置处。燃料电池堆可以使用两种类型的垫片构造而成，以在电池堆的表面上形成两排或更多排的连接接片35、45、46，类似于图1中的对于阳极流动板接片所示的图案。每一排连接接片可以每隔一个电池分隔开，从而构造成具有大于相邻电池之间的间距的间距，两排偏移一个电池，以便有助于连接到每一个电池。
[0047]参照图7、图8和图9，现在说明适于连接到垫片连接接片的电连接器组件的各个示例。理想的对象是使连接接片依照(即，弯曲成)预定的规则间距，以便允许连接接片连接到标准尺寸的连接器。
[0048]在第一结构中，每一个连接接片连接到固定闲距的连接器组件中的相应元件。这可以通过将每一个逐次的连接接片依次捕获到一连串的夹片的相应元件52中。每一个夹片元件52定位到楔形榫头通道53中以形成夹片组件。可选地，如图7b中所示，这可以通过将每一个连续的连接接片依次捕获到在电池堆中彼此接合以形成夹片组件51的相应的相反夹片组件55中。垫片连接接片的柔性意味着对于单个连接器组件，至少在很多电池(例如，12个电池)上，垫片30、43、44与夹片元件52或55之间的闲距或间距的任何差异可以被垫片连接接片的柔性吸收。
[0049]在图8所示的可选结构中，接片导向件60用于将垫片连接接片之间的闲距或间距从其从电池堆表面4显露出来的近端处的第一间距调节到远端处的第二间距。如图8所示，接片导向件60包括从第一边缘62延伸到第二边缘63的一组通道61。通道61的闲距和间距从第一边缘62至第二边缘63发生变化。每一个连续的垫片连接接片被引入连续的通道61中以将接片从第一闲距引导到第二闲距。在一个示例中，第一边缘62接近接片从燃料电池堆I的侧面4显露出来的点，而第二边缘63远离接片从燃料电池堆I的侧面4显露出来的点。在这种情况下，接片导向件将接片的闲距从第一值降低到第二值。在一个示例中，接片在第一边缘62中在其近端处的闲距对应于在2.3mm与2.6mm之间的电池闲距，并且接片在第二边缘63中在其远端处的闲距对应于2mm的标准连接器闲距。在典型示例中，12个连接接片被容纳在连接器组件中以用于监控11个电池，该数量和尺寸完全是示例性的。接片导向件60可用于“输入(fan in) ” (即，减小接片间距)或者“输出(fan out) ” (即，增加接片间距)。
[0050]在一个优选结构中，接片导向件60沿着电池堆的具有面朝上的通道61的表面4放平。第一边缘62与垫片连接接片从电池堆表面4显露出来的点对准。每一个垫片连接接片弯曲90度，使得所述垫片连接接片平行于电池堆的表面4并放置到相应的通道61中。通道61在第一边缘62处可以张开以使得这更容易。参照图9，柔性扁平电缆71接着用于在第二边缘63附近或者在第二边缘63处与垫片连接接片接触，夹具72用于将电缆71压靠在垫片连接接片上。夹具72可以为如图所示的螺旋夹或者诸如铰接夹或基于凸轮的夹具的任何其它适当的夹具。连接器组件70由此形成。
[0051]还可以获得所述实施例的许多变形例。垫片连接接片可以形成在每一个垫片上，包括两个阳极垫片23和阴极垫片25或者歧管垫片28a、28b，或者可以仅形成在阳极垫片和/或阴极垫片和/或歧管垫片中的选定的垫片上。连接接片可以从垫片的任何适当的边缘显露出来，并且可以形成在多个边缘上以用于获得形成连接中的最大柔性。组装燃料电池堆时不希望有的垫片接片可以与垫片脱离。
[0052]考虑到垫片材料的大小或表面导电性以及垫片材料的厚度，垫片连接接片35、45、46可以为任何适当的宽度W，以沿着接片提供足够的传导性。垫片连接接片可以用作具有非常低的电流要求的电池电压监控接片，或者可以在从电池堆内的一个或多个电池提取电流中用于其它目的(例如，为特定电路提供低电压、小电流的输出)。例如，更高电流要求可以通过沉积或者以其它方式形成在垫片的表面上的金属层提供，以形成接片35、45、46，并且如果适用，则形成第二部分48。
[0053]垫片连接接片35、45、46的柔性允许相当大的灵活性以使多排接片或者部分排接片适应任何适当的标准连接器组件闲距，例如lmm、2mm、0.1英寸等等。
[0054]所述的垫片连接接片可以形成任何适当的内部电池垫片的一部分，如以上所例示，或者甚至可以形成为任何中间电池垫片的一部分，例如留在各个电池之间(例如相邻电池的阳极流动板与阴极流动板之间)的垫片。
[0055]其它实施例也在随附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种燃料电池堆，包括多个层和从所述电池堆的至少一个表面向外延伸的多个导电连接接片，所述导电连接接片每一个都形成为柔性密封垫片的横向延伸自由部分，所述垫片的其它部分被设置成提供所述燃料电池堆的至少两层之间的密封接合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个所述垫片包括横向相邻于流场板设置的歧管垫片。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个所述垫片设置在所述燃料电池的膜电极组件与电极板之间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个垫片设置在阴极电极与阳极电极之间。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个垫片的第一部分电绝缘，而所述垫片的与相邻电极接触的第二部分导电且与所述导电连接接片电接触。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述连接接片与所述垫片的其余部分一体形成。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述垫片由给所述垫片材料的大部分提供导电性的材料形成。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述垫片的包括所述连接接片的至少一部分具有形成在所述垫片的至少一个表面上的所述连接接片。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述连接接片具有在10欧姆至1000欧姆范围内的电阻。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个连接接片从所述燃料电池堆的侧面向外延伸，以便沿着所述侧面形成至少一排连接接片。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，还包括: 接片导向件，所述接片导向件包括多个通道，每一个通道具有容纳在该通道中的所述连接接片中的相应的一个，所述通道被构造成使所述连接接片成扇形从所述连接接片的近端处的第一间距变化到所述连接接片的远端处的第二间距。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆，还包括: 电连接器组件，所述电连接器组件在该电连接器组件的远端处连接到所述接片导向件中的所述连接接片。
13.根据权利要求10所述的燃料电池堆，还包括: 连接到所述排的连接接片的电连接器组件。
14.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中，所述连接接片中的选定的接片具有不同于所述连接接片中的其它接片的电阻。
15.一种在此基本上参照【专利附图】
【附图说明】的燃料电池。
【文档编号】H01M8/24GK103959523SQ201280046315
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】哈里·约翰·卡尔曼森, 约翰·弗雷德里克·克拉克, 理查德·艾伯特·罗艾特, 马克·卢埃林·琼斯 申请人:智慧能量有限公司
【专利摘要】本发明公开了一种用于燃料电池堆中的电池电压监控的电连接系统。燃料电池堆包括多个层和从电池堆的至少一个表面向外延伸的多个导电连接接片。导电连接接片每一个形成为柔性密封垫片的横向延伸自由部分。垫片的其它部分被设置成提供燃料电池堆的至少两层之间的密封接合。通过使用垫片材料形成这种电连接接片而不是流动板，连接接片被制成具有柔性，以使得更容易连接到连接器组件中的标准连接器阵列。
【专利说明】用于燃料电池堆的电池电压监控连接器系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池堆中使用的用于形成至燃料电池堆内的多个单独电池的电连接的电连接器系统。
【背景技术】
[0002]传统的电化学燃料电池将燃料和氧化剂转换成电能和热能以及反应产物。典型的燃料电池包括夹在阳极流场板与阴极流场板之间的膜电极组件(MEA)。气体扩散层可以设置在每一个流场板与MEA之间。垫片可以用于分离各个层并提供需要的密封件。流场板典型地包括在板的与MEA相邻的表面上延伸的一个或多个通道，以用于将液体燃料或氧化剂运送到MEA的活性表面。
[0003]在传统的燃料电池堆中，多个电池堆叠在一起，使得一个电池的阳极流场板相邻于该电池堆中的下一个电池的阴极流场板，以此类推。在一些结构中使用双极流动板，使得单个流场板在板的两侧均具有流体流动通道。双极板的一侧用作第一电池的阳极流动板，流动板的另一侧用作相邻电池的阴极流动板。可以通过构造成电池堆中的第一流动板和最后流动板的电连接从电池堆提取电力。典型的电池堆可以包括数十个乃至数百个电池。本发明涉及这些各种燃料电池堆结构中的所有燃料电池堆结构。
[0004]在许多燃料电池堆中，重要的是能够监控电池堆中的各个电池的电压。因此，必须提供到电池堆中的许多流动板(通常是所有流动板)的电连接。传统地，这已经通过将电连接器接片设置到电池堆中的至少一些流动板而获得。这些电池电压监控接片从流动板的边缘从电池堆横向向外延伸，从而沿着电池堆的端面形成接片阵列，使得各个的电连接器可以连接到每一个接片。图1中显示了从每一个流动板延伸的电池电压监控接片的一种布置。
[0005]图1中的燃料电池堆I具有多个实际上平行的电池2，每一个电池都具有阳极流动板，所述阳极流动板具有从燃料电池堆的表面4向外延伸的相应接片3。为了减小接片的堆积密度(即，为了增加相邻接片的间隔)或者为了将另外的连接点设置到电池堆中的相同或不同的板，接片3可以形成为两排5、6(或者更多排)。
[0006]这些公头接片3通常可以和标准的母头电连接器一起使用，例如本领域众所周知的刀片式插座。对于每一个接片3使用单独的刀片式插座可用于制造小电池堆和小体积电池，但是考虑到连接单独插座的高劳动量，对于电池的批量生产是不理想的。
[0007]理想的是使用多路或多极连接器同时连接到许多接片。行业标准连接器具有例如基于0.1英寸或2_或者其分数或多倍的尺寸的预定闲距(pitch)。在连接到燃料电池堆的接片中，一个潜在的问题是燃料电池的间距(或闲距)由上述的各种分层部件的压缩尺寸来确定，并且这可能会不匹配标准连接器闲距。另一个问题是标准连接器对于每一个端子具有定位精度，例如±0.2mm，而该精度水平不适于许多燃料电池设计中的接片间距的变化。
[0008]因此，多路插座连接器(S卩，同时与许多接片接合的一个连接器)可能难以应用于燃料电池堆中。
【发明内容】
[0009]本发明的一个目的是克服或减轻这些问题中的一些问题或所有问题。
[0010]根据一个方面，本发明提供一种燃料电池堆，所述燃料电池堆包括多个层和从电池堆的至少一个表面向外延伸的多个导电连接接片，导电连接接片每一个都形成为柔性密封垫片的横向延伸自由部分，垫片的其它部分被设置成提供燃料电池堆的至少两层之间的密封接合。
[0011]每一个所述垫片可以包括横向相邻于流场板设置的歧管垫片。每一个所述垫片可以设置在燃料电池的膜电极组件与电极板之间。每一个所述垫片可以设置在阴极电极与阳极电极之间。每一个垫片的第一部分可以电绝缘，而垫片的与相邻电极接触的第二部分可以导电并与导电连接接片电接触。连接接片可以与垫片的其余部分一体形成。垫片可以由给大部分垫片材料提供导电性的材料形成。垫片的包括连接接片的至少一部分可以具有形成在至少一个表面上的导电层。连接接片可以具有在10欧姆至1000欧姆的范围内的电阻。每一个连接接片可以从燃料电池堆的侧面向外延伸，以便沿着侧面形成至少一排连接接片。燃料电池堆可以包括接片导向件，所述接片导向件包括多个通道，每一个通道具有容纳在该通道中的相应的一个连接接片，通道被构造成使连接接片从连接接片的近端处的第一间距成扇形变化到连接接片的远端处的第二间距。燃料电池堆可以包括在远端处连接到接片导向件中的连接接片的电连接器组件。燃料电池堆可以包括连接到所述一排连接接片的电连接器组件。连接接片中的选定的接片可以具有不同于所述连接接片中的其它接片的电阻。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]以下将以示例的方式并参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施例，在附图中:
[0013]图1是燃料电池堆的立体图，上述燃料电池堆的侧面具有从每一个电池的侧面延伸出来的电池电压监控电连接接片的阵列；
[0014]图2是示意性地显示流动板、垫片和膜电极组件的布置的燃料电池的部件的立体分解图；
[0015]图3是示意性地显示流动板、垫片和膜电极组件的布置的燃料电池的部件的立体分解图，所述膜电极组件包括具有横向向外延伸的连接接片的歧管垫片；
[0016]图4是示意性地显示流动板、垫片和膜电极组件的布置的燃料电池的部件的立体分解图，所述膜电极组件包括具有横向向外延伸的连接接片的阳极垫片；
[0017]图5是具有横向向外延伸的连接接片的阳极垫片的一部分的示意平面图；
[0018]图6是具有可选结构的横向向外延伸的连接接片的阳极垫片的一部分的示意平面图；
[0019]图7是适于连接到垫片连接接片的电连接器组件的示意端视图；
[0020]图8是适于容纳垫片连接接片以修正所述垫片连接接片的闲距的接片导向件的平面图；以及
[0021]图9是用于将垫片连接接片连接到带状电缆连接器的电连接组件的立体图。【具体实施方式】
[0022]为了清楚，图2以分解形式显示开顶阴极型燃料电池堆的燃料电池的部件的示意图。每一个电池20都包括阳极流动板2阳极垫片2膜电极组件(MEA) 24、阴极垫片25以及阴极流动板27。阳极垫片23在阳极流动板21与MEA24之间提供流体密封并环绕阳极扩散器22限定框架。类似地，阴极垫片25在阴极流动板27与MEA24之间提供流体密封并环绕阴极扩散器26限定框架。在图2的具体布置中，阴极流动板被设置作为波纹状阴极分离板27，并且一对歧管垫片28a、28b分别设置在每一端部处。
[0023]在其它结构中，燃料电池可以为封闭的阴极系统，例如其中阴极流动板可以为平板，所述平板具有在该平板的表面中延伸的通道。在其它结构中，一个电池的阴极流动板可以与相邻电池的阳极流动板结合成为双极板。
[0024]在图2所示的燃料电池的设计中，阳极流动板21包括示例性的电连接接片15 (例如，电池电压监控接片)，每一个电连接接片从流动板21的边缘横向向外延伸。这些接片将具有由阳极流动板的结构和位置确定的刚性和间距。这种接片的潜在缺陷已经在上面论述。
[0025]在本发明中，已经认识到例如关于如图2所述的燃料电池中使用的垫片可以被修改成将接片式电连接器设置在垫片上，而不是像当前将接片设置在阳极、阴极或者由图2中的阳极流动板21上设置的接片15所例示的双极电极板上。
[0026]图3显示与图2的燃料电池相似的燃料电池32的部件的示意图，但是具有修改的歧管垫片30，所述歧管垫片包括形成在歧管垫片30上或者形成为歧管垫片30的一体部件的电连接接片35(例如，电池电压监控接片)。垫片30包括适于相对于阴极分离器板27、相邻的阴极垫片25和下一个电池(图3未示出)的相邻的阳极板设置流体密封的弹性体或者其它可压缩和具有柔性的材料。垫片30应该足以压缩到吸收相邻部件的厚度的任何微小变化以及吸收燃料电池堆组件中的任何变形，同时相对于相邻的部件保持足够的流体密封。垫片30还可以限定允许流体在延伸通过电池堆的深度的通道中流动的孔(未示出)。
[0027]垫片30和电连接接片35由导电材料形成，连接接片35横向向外延伸超过燃料电池的大致矩形的主周边，使得当多个电池被构造成电池堆时，连接接片将从燃料电池堆的表面向外延伸。因此，连接接片35的长度L长到足以使其延伸超过相邻的阳极流动板21的周边(并且超过MEA24的周边以及任何其它流动板和垫片结构)。
[0028]总的来说，垫片30包括导电连接接片35，所述导电连接接片横向向外延伸超过燃料电池32的周边，使得当电池被组装成燃料电池堆时，连接接片提供柔性密封垫片的横向延伸自由部分。垫片的其它部分被设置成在燃料电池堆的层之间提供密封接合。连接接片35的紧邻于垫片30的主体的部分将在下文中被称为“近端”，而连接接片的距离垫片主体最远的部分将在下文中被称为“远端”。垫片的“接片”或者“自由部分”表述意味着包括适于从燃料电池堆的组装垫片的表面突出的来自垫片周边边缘的总路线的任何突出形式，是的所述部分可以被容纳而成为连接器组件。
[0029]连接接片35优选地通过由一片适当的材料冲压出所需的垫片形状而与垫片的其它部件一起制造而成。换句话说，连接接片35优选地与垫片一体形成。因此，在这种情况下，接片厚度将等于垫片薄片的厚度。连接接片宽度W可以根据连接目的或传导目的的需要制造成任何适当的宽度，在下文中说明。
[0030]在所示的示例中，整个垫片30和接片35可以由导电材料形成。这是因为相邻部件(相邻电池的阴极分离板27和阳极流动板21)具有电连续性，而其它相邻部件(阴极垫片25)可以电绝缘。因此，不存在垫片30整体导电的问题。因此，接片35与燃料电池需要的导电部分具有电连续性。垫片30，具体地为垫片30的连接接片部分35对于接片必须充分导电，以能够用作电池电压监控接片。
[0031 ] 因此，整个垫片30可以由导电压缩材料形成，例如已经通过导电材料处理的弹性体。导电材料可以遍及垫片材料分布，使得垫片的整个主体导电。导电材料可以被设置成为垫片上的膜或表面层，使得垫片材料的仅一个或两个表面导电。原则上，将仅需要面对相邻电池的阳极流动板21的表面或者接触分离板27的表面导电。
[0032]如上所述的连接接片可以设置在不同于图3所示示例的垫片上。图4显示改变的阳极垫片43，其中电池电压监控接片45形成在阳极垫片43上。阳极垫片43包括适于相对于阳极流动板21和相邻的MEA23提供流体密封的弹性体材料或者其它可压缩且具有柔性的材料。如图5中更详细地显示，接片阳极垫片43环绕中心孔41限定框架40，阳极扩散器22可以容纳在中心孔中。垫片43应该可压缩到足以吸收相邻部件的厚度的任何微小变化以及吸收燃料电池堆组件中的任何变形，同时保持充分的流体密封以容纳阳极燃料。垫片43还可以限定用于允许流体在延伸通过电池堆深度的通道中流动的孔(未示出)。
[0033]垫片43和电连接接片45由导电材料形成，并且连接接片45横向向外延伸超过垫片43的大致矩形的主周边。连接接片35的长度L长到足以使该连接接片延伸超过相邻的阳极流动板21的周边(以及延伸超过MEA24的周边)。因此，将会认识到如果垫片43具有与阳极流动板21连接的外周边(如图所示，至少沿着垫片边缘42)，则连接接片的长度L仅长到足以形成电连接，从而使用下文中例示的各种技术中的任何一种。如果垫片43的面积略微小于阳极流动板21 (即，使得垫片的边缘42与流动板21相比略后退)，则长度L必须充分伸出燃料电池堆的使电池20形成一部分的表面。
[0034]总的来说，垫片43包括导电连接接片45，所述导电连接接片横向向外延伸超过阳极板21的周边，使得当电池组装成燃料电池堆时，连接接片提供柔性密封垫片的横向延伸自由部分。垫片的其它部分被设置成在燃料电池堆的其它层之间提供密封接合。接片的其它方面可以关于图3准确说明。
[0035]连接接片45优选地通过由一片适当的材料冲压出所需的垫片形状而与垫片的其它部分(例如，中心孔41) 一起制造而成。换句话说，连接接片45优选地与垫片一体形成。因此，在这种情况下，接片厚度将等于垫片薄片的厚度。连接接片宽度W可以根据连接目的或传导目的的需要制造成任何适当的宽度，在下文中说明。
[0036]还可以使用连接接片的其它结构，例如图6的垫片44中所示的直角弯曲接片46。垫片44的其它部分对应于已经关于图5或图3进行说明的部分。
[0037]连接接片35、45、46可以可选地连接到预先形成的垫片。
[0038]如之前所论述，垫片30、43、44的连接接片35、45、46必须包括足够的导电材料，以能够用作电池电压监控接片。接片还必须具有与垫片的与燃料电池的导电部分接触的至少一部分电连续性，以便从电池提供电流路径。在图4-6的示例中，燃料电池的该导电部分可以为阳极板21。[0039]整个垫片可以由遍及垫片材料分布的导电压缩材料形成，或者导电材料可以被设置成为例如在垫片的相邻于阳极板21的下表面上的膜或表面层。原则上，将仅需要接触阳极流动板21、阴极流动板或者双极流动板的表面导电以及至少接片的表面导电。
[0040]如果整个垫片由导电材料形成，则必须小心操作以防止环绕流动板或者环绕MEA导电。如果垫片由电绝缘材料形成，则不希望有的电流路径的风险可以被最小化。如果只有垫片材料的一个表面(例如，面对适当的流动板的表面)导电，则不希望有的电流路径的风险也可以被最小化。
[0041]在另一个结构中，可能基本上理想的是减小或最小化垫片35、43、44的导电区域。在该示例中，大致描绘在图6的垫片44上，垫片可以被分成第一部分47和第二部分48。第一部分47可以电绝缘，而第二部分48可以导电。第二部分与连接接片46电通信。这样，第二部分48可以提供例如至阳极流动板21的电连接以及至连接接片46的导电路径。第二部分48可以通过用适当的导电材料处理垫片材料而形成，以在垫片的大部分中或者仅在一个或两个表面上局部限定传导部分。
[0042]虽然已经关于图6的实施例显示了第一和第二部分47、48，但是将被理解的是第一和第二部分基本上可以应用到例如关于图3、图4和图5所述的其它形式的垫片。
[0043]连接接片35、45、46和垫片的传导部分优选地高度传导，以便当在接片35、45、46的端部对电压取样时提供最小的损失和测量误差。然而，因为连接接片具有柔性，因此可能会存在增加的连接接片的两个垫片在电池的操作期间一起变得短路的风险，例如，如果耦合到连接接片35、45、46的电连接组件在正在进行操作时被从电池堆移除时出现这种风险。这种电短路会导致电流流动，从而可能会损坏电池。因此，在一个可选结构中，形成第二部分48和/或连接接片35、45、46的垫片材料的电阻率可以被布置成使连接接片具有如果接片之间出现短路可防止或抑制电池损坏。连接接片的电阻的优选范围在10欧姆至1000欧姆之间。
[0044]过高的电阻可以导致测量误差。因此，上电阻值优选地被选择为使得电池电压测量达到可接受的精确，同时下电阻值被选择为如果短路可防止电池损坏。精确值取决于用于监控电池电压的电路。
[0045]电池堆中不是所有连接接片都具有相同的电阻。理想的是制造一些用于低测量误差的具有较低电阻的连接接片以及用于短路保护的具有较高电阻的其它介入的连接接片。降低电阻接片可以通过将金属涂层提供到垫片30、43、44的表面的适当位置而形成。一些电路以选择的电池从电池堆提取低水平电力，并且这些特定的连接接片可以受益于较低电阻。可以设置任何数量的连接接片，例如，每一个电池设置一个或多个，或者仅每η个电池设置一个或多个，其中η是大于I的整数。
[0046]连接接片35、45、46可以形成在燃料电池堆的一个或多个边缘上的多个位置处。燃料电池堆可以使用两种类型的垫片构造而成，以在电池堆的表面上形成两排或更多排的连接接片35、45、46，类似于图1中的对于阳极流动板接片所示的图案。每一排连接接片可以每隔一个电池分隔开，从而构造成具有大于相邻电池之间的间距的间距，两排偏移一个电池，以便有助于连接到每一个电池。
[0047]参照图7、图8和图9，现在说明适于连接到垫片连接接片的电连接器组件的各个示例。理想的对象是使连接接片依照(即，弯曲成)预定的规则间距，以便允许连接接片连接到标准尺寸的连接器。
[0048]在第一结构中，每一个连接接片连接到固定闲距的连接器组件中的相应元件。这可以通过将每一个逐次的连接接片依次捕获到一连串的夹片的相应元件52中。每一个夹片元件52定位到楔形榫头通道53中以形成夹片组件。可选地，如图7b中所示，这可以通过将每一个连续的连接接片依次捕获到在电池堆中彼此接合以形成夹片组件51的相应的相反夹片组件55中。垫片连接接片的柔性意味着对于单个连接器组件，至少在很多电池(例如，12个电池)上，垫片30、43、44与夹片元件52或55之间的闲距或间距的任何差异可以被垫片连接接片的柔性吸收。
[0049]在图8所示的可选结构中，接片导向件60用于将垫片连接接片之间的闲距或间距从其从电池堆表面4显露出来的近端处的第一间距调节到远端处的第二间距。如图8所示，接片导向件60包括从第一边缘62延伸到第二边缘63的一组通道61。通道61的闲距和间距从第一边缘62至第二边缘63发生变化。每一个连续的垫片连接接片被引入连续的通道61中以将接片从第一闲距引导到第二闲距。在一个示例中，第一边缘62接近接片从燃料电池堆I的侧面4显露出来的点，而第二边缘63远离接片从燃料电池堆I的侧面4显露出来的点。在这种情况下，接片导向件将接片的闲距从第一值降低到第二值。在一个示例中，接片在第一边缘62中在其近端处的闲距对应于在2.3mm与2.6mm之间的电池闲距，并且接片在第二边缘63中在其远端处的闲距对应于2mm的标准连接器闲距。在典型示例中，12个连接接片被容纳在连接器组件中以用于监控11个电池，该数量和尺寸完全是示例性的。接片导向件60可用于“输入(fan in) ” (即，减小接片间距)或者“输出(fan out) ” (即，增加接片间距)。
[0050]在一个优选结构中，接片导向件60沿着电池堆的具有面朝上的通道61的表面4放平。第一边缘62与垫片连接接片从电池堆表面4显露出来的点对准。每一个垫片连接接片弯曲90度，使得所述垫片连接接片平行于电池堆的表面4并放置到相应的通道61中。通道61在第一边缘62处可以张开以使得这更容易。参照图9，柔性扁平电缆71接着用于在第二边缘63附近或者在第二边缘63处与垫片连接接片接触，夹具72用于将电缆71压靠在垫片连接接片上。夹具72可以为如图所示的螺旋夹或者诸如铰接夹或基于凸轮的夹具的任何其它适当的夹具。连接器组件70由此形成。
[0051]还可以获得所述实施例的许多变形例。垫片连接接片可以形成在每一个垫片上，包括两个阳极垫片23和阴极垫片25或者歧管垫片28a、28b，或者可以仅形成在阳极垫片和/或阴极垫片和/或歧管垫片中的选定的垫片上。连接接片可以从垫片的任何适当的边缘显露出来，并且可以形成在多个边缘上以用于获得形成连接中的最大柔性。组装燃料电池堆时不希望有的垫片接片可以与垫片脱离。
[0052]考虑到垫片材料的大小或表面导电性以及垫片材料的厚度，垫片连接接片35、45、46可以为任何适当的宽度W，以沿着接片提供足够的传导性。垫片连接接片可以用作具有非常低的电流要求的电池电压监控接片，或者可以在从电池堆内的一个或多个电池提取电流中用于其它目的(例如，为特定电路提供低电压、小电流的输出)。例如，更高电流要求可以通过沉积或者以其它方式形成在垫片的表面上的金属层提供，以形成接片35、45、46，并且如果适用，则形成第二部分48。
[0053]垫片连接接片35、45、46的柔性允许相当大的灵活性以使多排接片或者部分排接片适应任何适当的标准连接器组件闲距，例如lmm、2mm、0.1英寸等等。
[0054]所述的垫片连接接片可以形成任何适当的内部电池垫片的一部分，如以上所例示，或者甚至可以形成为任何中间电池垫片的一部分，例如留在各个电池之间(例如相邻电池的阳极流动板与阴极流动板之间)的垫片。
[0055]其它实施例也在随附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种燃料电池堆，包括多个层和从所述电池堆的至少一个表面向外延伸的多个导电连接接片，所述导电连接接片每一个都形成为柔性密封垫片的横向延伸自由部分，所述垫片的其它部分被设置成提供所述燃料电池堆的至少两层之间的密封接合。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个所述垫片包括横向相邻于流场板设置的歧管垫片。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个所述垫片设置在所述燃料电池的膜电极组件与电极板之间。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个垫片设置在阴极电极与阳极电极之间。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个垫片的第一部分电绝缘，而所述垫片的与相邻电极接触的第二部分导电且与所述导电连接接片电接触。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述连接接片与所述垫片的其余部分一体形成。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述垫片由给所述垫片材料的大部分提供导电性的材料形成。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述垫片的包括所述连接接片的至少一部分具有形成在所述垫片的至少一个表面上的所述连接接片。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，所述连接接片具有在10欧姆至1000欧姆范围内的电阻。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，每一个连接接片从所述燃料电池堆的侧面向外延伸，以便沿着所述侧面形成至少一排连接接片。
11.根据权利要求10所述的燃料电池堆，还包括: 接片导向件，所述接片导向件包括多个通道，每一个通道具有容纳在该通道中的所述连接接片中的相应的一个，所述通道被构造成使所述连接接片成扇形从所述连接接片的近端处的第一间距变化到所述连接接片的远端处的第二间距。
12.根据权利要求11所述的燃料电池堆，还包括: 电连接器组件，所述电连接器组件在该电连接器组件的远端处连接到所述接片导向件中的所述连接接片。
13.根据权利要求10所述的燃料电池堆，还包括: 连接到所述排的连接接片的电连接器组件。
14.根据权利要求10所述的燃料电池堆，其中，所述连接接片中的选定的接片具有不同于所述连接接片中的其它接片的电阻。
15.一种在此基本上参照【专利附图】
【附图说明】的燃料电池。
【文档编号】H01M8/24GK103959523SQ201280046315
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2011年9月21日
【发明者】哈里·约翰·卡尔曼森, 约翰·弗雷德里克·克拉克, 理查德·艾伯特·罗艾特, 马克·卢埃林·琼斯 申请人:智慧能量有限公司
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