具有顺应性能量衰减缓冲器的燃料电池的制作方法

1.本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种具有顺应性能量衰减缓冲器的燃料电池。


背景技术：

2.燃料电池被用于在各种车辆中产生电能。电能可以存储在电池中和/或被引导至电动机以向车辆提供动力。在典型的燃料电池中，如聚合物电解质膜燃料电池，离子传输膜夹在一对催化电极之间，其进一步夹在两个气体扩散层之间以形成膜电极组件(mea)。当气体还原剂(如氢气)形式的第一反应物通过第一气体扩散层被引入阳极电极并被离子化时，发生电化学反应。然后，第一反应物通过离子传输材料。在通过离子传输材料后，第一反应物与气体氧化剂形式的第二反应物结合，第二反应物例如通过第二气体扩散层引入阴极的氧气。反应物结合形成水。离子化中释放的电子以dc电流的形式经由外部电路行进到阴极，该外部电路通常包括诸如电动机的负载。
3.mea通常形成堆叠以形成燃料电池。相邻的mea被一系列反应物通道相互分隔开，其通常为不透气双极板的形式。双极板(bipolar plate)除了促进反应物的流动之外，还为堆叠提供支撑。每个双极板包括一个或多个防止反应物离开mea的密封凸缘。在碰撞事件中，最靠近碰撞点的前侧电池单元受到有效的正加速力，而最远离碰撞点的后侧电池单元受到有效的负加速力。因此，前侧电池单元趋向于经受增大的密封力，而后侧电池单元趋向于经受减小的密封力。
4.随着前侧电池单元上的密封力增加，超过密封力上限的风险也增加。类似地，随着后侧电池单元上的密封力减小，低于最小密封力的风险也减小。超过密封力的上限或低于密封力的下限会导致密封凸缘变形。密封凸缘变形会影响每个电池的完整性，并可能导致第一反应物、第二反应物和/或冷却剂的泄漏。因此，希望提供一种具有能量衰减缓冲器的燃料电池，以提高结构完整性和抗冲击性。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种包括多个堆叠的双极板组件的燃料电池系统。多个堆叠的双极板组件中的每一个包括第一子垫片，该第一子垫片包括第一外围边缘。第一子垫片支撑第一膜电极组件(mea)。第二子垫片包括第二外围边缘。第二子垫片支撑第二mea。双极板设置在第一子垫片和第二子垫片之间。双极板具有限定接收阴极流体的第一多个通道的第一侧，限定接收阳极流体的第二多个通道的第二侧，以及限定在第一子垫片和第二子垫片之间的多个冷却剂通道。密封凸缘围绕双极板延伸。密封凸缘抵靠密封第一子垫片和第二子垫片。顺应性能量衰减缓冲器(compliant energy attenuating bumper)围绕双极板延伸并与密封凸缘隔开。
6.除了这里描述的一个或多个特征，所述顺应性能量衰减缓冲器包括第一顺应性缓冲器元件和第二顺应性缓冲器元件。
7.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件包括第一聚合物垫，第二顺应性缓冲器元件包括第二聚合物垫。
8.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件具有第一刚度，第二顺应性缓冲器元件具有第二刚度。
9.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件的第一刚度与第二顺应性缓冲器元件的第二刚度相匹配。
10.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述密封凸缘包括第一刚度，所述顺应性能量衰减缓冲器包括不同于第一刚度的第二刚度。
11.除了这里描述的一个或多个特征之外，第二刚度在比第一刚度大约第一刚度的一半至约10倍之间。
12.除了这里描述的一个或多个特征之外，双极板由金属和非金属之一形成。
13.本发明还公开了一种动力系统，包括电动机和具有多个堆叠的双极板组件的燃料电池系统。多个堆叠的双极板组件中的每一个包括第一子垫片，该第一子垫片包括第一外围边缘。第一子垫片支撑第一膜电极组件(mea)。第二子垫片包括第二外围边缘。第二子垫片支撑第二mea。双极板设置在第一子垫片和第二子垫片之间。双极板具有限定接收阴极流体的第一多个通道的第一侧，限定接收阳极流体的第二多个通道的第二侧，以及限定在第一子垫片和第二子垫片之间的多个冷却剂通道。密封凸缘围绕双极板延伸。密封凸缘抵靠密封第一子垫片和第二子垫片。顺应性能量衰减缓冲器围绕双极板延伸并与密封凸缘隔开。
14.除了这里描述的一个或多个特征，所述顺应性能量衰减缓冲器包括第一顺应性缓冲器元件和第二顺应性缓冲器元件。
15.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件包括第一聚合物垫，第二顺应性缓冲器元件包括第二聚合物垫。
16.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件具有第一刚度，第二顺应性缓冲器元件具有第二刚度。
17.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件的第一刚度与第二顺应性缓冲器元件的第二刚度相匹配。
18.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述密封凸缘包括第一刚度，所述顺应性能量衰减缓冲器包括不同于第一刚度的第二刚度。
19.本发明还公开了一种包括车身和布置在车身中的动力系统的车辆。该动力系统包括电动机和燃料电池系统，该燃料电池系统包括多个堆叠的双极板组件。多个堆叠的双极板组件中的每一个包括第一子垫片，该第一子垫片包括第一外围边缘。第一子垫片支撑第一膜电极组件(mea)。第二子垫片包括第二外围边缘。第二子垫片支撑第二mea。双极板设置在第一子垫片和第二子垫片之间。双极板具有限定接收阴极流体的第一多个通道的第一侧，限定接收阳极流体的第二多个通道的第二侧，以及限定在第一子垫片和第二子垫片之间的多个冷却剂通道。密封凸缘围绕双极板延伸。密封凸缘抵靠密封第一子垫片和第二子垫片。顺应性能量衰减缓冲器围绕双极板延伸并与密封凸缘隔开。
20.除了这里描述的一个或多个特征，所述顺应性能量衰减缓冲器包括第一顺应性缓冲器元件和第二顺应性缓冲器元件。
21.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件包括第一聚合物垫，第二顺应性缓冲器元件包括第二聚合物垫。
22.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件具有第一刚度，第二顺应性缓冲器元件具有第二刚度。
23.除了这里描述的一个或多个特征之外，第一顺应性缓冲器元件的第一刚度与第二顺应性缓冲器元件的第二刚度相匹配。
24.除了本文所述的一个或多个特征之外，所述密封凸缘包括第一刚度，所述顺应性能量衰减缓冲器包括不同于第一刚度的第二刚度。
25.当结合附图时，从以下详细描述中，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
26.其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：
27.图1示出了根据非限制性示例的包括具有燃料电池系统的动力系统的车辆，燃料电池系统具有多个堆叠的双极板组件，每个双极板组件具有顺应性能量衰减缓冲器；
28.图2是示出根据非限制性示例的图1的动力系统的框图；
29.图3示出了根据非限制性示例的图1的燃料电池系统的堆叠双极板组件；
30.图4是图3中堆叠的双极板组件之一的部分的分解视图；
31.图5示出了根据非限制性示例的沿线4-4截取的图3的双极板组件的局部的俯视截面图。
具体实施方式
32.以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应当理解，在所有附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
33.根据非限制性示例，车辆在图1中总体上以10表示。车辆10包括位于多个车轮上的车身12，其中一个车轮用14表示。车辆10包括乘客车厢16。动力系统20可操作地连接到多个车轮14中的一个或多个。参考图2，动力系统20包括连接到燃料电池系统30的电动机24。燃料电池系统30基于驾驶员输入提供电力来操作电动机24。也就是说，坐在乘客车厢16中的驾驶员(未示出)可以请求从电动机24向车轮14输送动力。在这一点上，应该理解，虽然车辆10被描述为汽车，但是根据非限制性示例，燃料电池系统30可以用于各种车辆，包括机车、飞机、轮船等。
34.现在将参照图3描述根据非限制性示例的燃料电池系统30。燃料电池系统30由多个堆叠和互连的双极板组件形成，包括第一双极板组件34、第二双极板组件36和第三双极板组件38。双极板的数量和排列可以变化。将参照图5并继续参照图3描述第一双极板组件34，第二双极板组件36和第三双极板组件38包括类似的结构。
35.第一双极板组件34包括第一子垫片41，其具有第一外围边缘43和第一膜电极组件(mea)45。第一双极板组件34还包括第二子垫片48，其具有第二外围边缘50。第二子垫片48包括第二mea 52。如图5所示，第二子垫片48可以限定第二双极板组件36的表面，也可以限
定第一双极板组件34的表面。双极板56位于第一子垫片41和第二子垫片48之间。双极板56包括限定阴极侧(未单独标出)的第一侧58和限定阳极侧(也未单独标出)的第二侧60。
36.在非限制性示例中，双极板56可以由金属形成。在另一个非限制性示例中，双极板56可以由非金属形成。
37.双极板56包括在第一侧58上形成第一多个通道62的多个波纹(未单独标出)。第一多个通道62可以包含将与第一mea 45的表面(未单独标出)接触的第一反应物或阴极流体(未示出)。波纹还在第二侧60形成第二多个通道64。第二多个通道64可以包含与第二mea 52的表面(也没有单独标出)接触的第二反应物或阳极流体(未示出)。双极板56还包括多个冷却剂通道69，其可以包含从燃料电池系统30吸收热量的冷却剂。
38.进一步根据非限制性示例，双极板56包括多个汇集部70，汇集部70与第一多个通道62、第二多个通道64和冷却剂通道69流体连通。更具体地，所述多个汇集部70包括第一反应物入口72和第一反应物出口74。所述多个汇集部70还包括第二反应物入口76和第二反应物出口78。此外，所述多个汇集部可以包括冷却剂入口80和冷却剂出口82。
39.双极板56还显示为包括完全围绕第一mea 45、第二mea 52以及第一多个通道62、第二多个通道64和冷却剂通道69延伸的周边密封凸缘90。此外，所述多个汇集部70中的每一个包括与第一反应物入口72第二反应物入口76和冷却剂入口80相连的相关联的汇集部密封凸缘，如94、96和98所示。例如，密封凸缘94完全围绕第一反应物入口72延伸，密封凸缘96完全围绕冷却剂入口80延伸，密封凸缘98完全围绕第二反应物入口76延伸。密封凸缘90、94、96和98设置在第一子垫片41和第二子垫片48之间。密封凸缘90围绕第一双极板组件34延伸。以这种方式，密封凸缘90将双极板组件34与环境流体地隔离。密封凸缘90、94、96和98确保第一反应物、第二反应物和冷却剂和/或环境之间的流体隔离。
40.在碰撞事件中，密封凸缘的完整性可能会受到损害。
41.碰撞事件中密封力的变化可表示为：
42.方程1：δf
leading
∝
(αn m a)/l；和
43.方程2：δf
trailing
∝‑
(αn m a)/l
44.其中，δf
leading
是前侧电池单元中密封力的变化[n/mm]；
[0045]
δf
trailing
是后侧电池单元中密封力的变化[n/mm]；
[0046]
n是电池堆内的电池单元数量；
[0047]
m是每个电池单元的质量[g]；
[0048]
a是碰撞过程中的峰值加速度[mm/s2]；
[0049]
α是施加在密封区域上的电池单元的质量分数；和
[0050]
l是总密封长度。
[0051]
为了减少δf
trailing
和δf
leading
的绝对值，可以减少乘积(αn m a)或增加l。然而，量(αn m a)通常是由燃料电池堆的功率和功率密度预先确定的固定值，而增加密封长度l将增加密封缺陷的可能性，这不利地增加了泄漏的风险。基于对碰撞事件中密封行为的理解，希望提供一种具有能量衰减缓冲器的燃料电池，通过具有增加l的相同效果而不会实际改变燃料电池密封件的尺寸和设计，从而提高燃料电池密封件的密封完整性和抗碰撞性能。
[0052]
因此，根据一个非限制性示例，双极板组件34还包括顺应性能量衰减缓冲器100，
其被设计成吸收加速力，使得密封凸缘90、94、96和98在例如碰撞事件中保持密封完整性。在非限制性实例中，顺应性能量衰减缓冲器100可包括第一顺应性缓冲器元件108，其布置在双极板56的第一侧58与第一子垫片41之间，还包括第二顺应性缓冲器元件110，其布置在双极板56的第二侧60与第二子垫片48之间。在双极板组件34中，第一顺应性缓冲器元件108与第二顺应性缓冲器元件110对准。在非限制性示例中，顺应性能量衰减缓冲器100可围绕双极板组件34的外周的一部分延伸。在另一非限制性示例中，顺应性能量衰减缓冲器100可围绕双极板组件34的外周的全部延伸。
[0053]
还应该理解的是，虽然显示为设置在密封凸缘90、94、96和98的外部，但是，顺应性能量衰减缓冲器100的具体位置可以变化。例如，顺应性能量衰减缓冲器100可以设置在密封凸缘90的内部，或者设置在密封凸缘90、94、96和98中的任何一个之间。在一个非限制性示例中，顺应性能量衰减缓冲器100采用聚合物垫(polymer pad)的形式，其在形成燃料电池40时被压缩。即，顺应性能量衰减缓冲器100在燃料电池40运行期间处于预加载荷之下，下面更详细介绍。
[0054]
在一个非限制性示例中，密封凸缘90、94、96和98由具有第一刚度的第一材料形成，顺应性能量衰减缓冲器100具有不同于第一刚度的第二刚度。刚度应理解为：对于每个电池单元而言，密封凸缘或能量衰减缓冲器变形发生单位长度的位移[nm]时，每个电池单元所需的总的竖直方向上施加的压缩力的大小[n]。在非限制性示例中，第二刚度可以比第一刚度大第一刚度的一半至十倍。在非限制性示例中，第二刚度可以比第一刚度大一至两倍。
[0055]
另外，应当理解，第一顺应性缓冲器元件108具有第一刚度，第二顺应性缓冲器元件110具有第二刚度。在一个非限制性示例中，第一顺应性缓冲器元件108的第一刚度可与第二顺应性缓冲器元件110的第二刚度相匹配。在另一非限制性示例中，第一顺应性缓冲器元件108的第一刚度可与第二顺应性缓冲器元件110的第二刚度不同。另外，刚度可根据在燃料电池40内的位置而不同。
[0056]
刚度的大小可以决定顺应性能量衰减缓冲器100围绕第一双极板组件34延伸的程度。刚度越大，顺应性能量衰减缓冲器100围绕第一双极板组件34延伸的覆盖程度越少。顺应性能量衰减缓冲器100被设计和定位成在密封凸缘90、94、96和98之前实现加速力。以这种方式，顺应性能量衰减缓冲器100可以变形和偏转，从而吸收那些加速力，以便保护密封凸缘90、94、96和98，并确保燃料电池系统30的整体完整性。应该理解的是，顺应性能量衰减缓冲器100被设计成在碰撞事件之前处于预加载荷或压缩力下。压缩力建立了一个卸载力范围和一个加载力范围，卸载力范围适应碰撞事件期间后侧电池单元中密封力的减小，加载力范围适应碰撞事件期间前侧电池单元中密封力的增加。
[0057]
应当理解，根据一个非限制性示例，密封凸缘90、94、96和98实际上密封第一子垫片41和第二子垫片48，并防止反应物流出。相反，在第一子垫片41和第二子垫片48上施加力的顺应性能量衰减缓冲器100没有设计成执行密封功能。此外，应该理解的是，在正常操作和碰撞事件期间，顺应性能量衰减缓冲器100均在第一子垫片41和第二子垫片48上施加力。
[0058]
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代其要素。此外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定的情况或材料适应本公开的教导。
因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。