專利名稱：用于嵌入式燃料電池傳感器的板互連方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及燃料電池堆中的嵌入式測量電路，且更具體地涉及具有臺階狀切出圖案的嵌入式測量電路，所述嵌入式測量電路在其邊緣上定位在燃料電池堆中的雙極板之間且由雙極板固定。
背景技術：
氫是非常有吸引力的燃料，因為氫是清潔的且能夠用于在燃料電池中有效地產(chǎn)生電力。氫燃料電池是電化學裝置，其包括陽極和陰極，電解質在陽極和陰極之間。陽極接收氫氣且陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極側催化劑中分解以產(chǎn)生自由質子和電子。質子穿過電解質到達陰極。質子與陰極側催化劑中的氧和電子反應產(chǎn)生水。來自于陽極的電子不能穿過電解質，且因而被引導通過負載，以在輸送至陰極之前做功。質子交換膜燃料電池(PEMFC)是車輛的常用燃料電池。PEMFC通常包括固體聚合物電解質質子傳導膜，如全氟磺酸膜。陽極和陰極電極(催化劑層)通常包括細分的催化劑顆粒，通常是鉬(Pt)，所述催化劑顆粒支承在碳顆粒上且與離聚物混合。催化劑混合物沉積在膜的相對側上。陽極催化劑混合物、陰極催化劑混合物和膜的組合限定了膜電極組件 (MEA)0每個MEA通常夾在兩片多孔材料(氣體擴散層(GDL))之間，其保護膜的機械整體性且有助于一致的反應物和濕度分配。分開陽極和陰極流的MEA部分稱為活性區(qū)域，且僅在該區(qū)域中，水蒸汽能夠在陽極和陰極之間有效地交換。MEA的制造相對昂貴且需要某些濕化條件以有效操作。燃料電池通常包括多個導電的單極和雙極板，其與多個MEA、電極、墊圈、密封件和氣體擴散介質(也稱為“軟物體”)交替地組裝(堆疊)。多個燃料電池通常組合成燃料電池堆以產(chǎn)生期望功率。例如，車輛的典型燃料電池堆可以具有兩百或更多堆疊的燃料電池。燃料電池堆接收陰極輸入反應物氣體，通常是由壓縮機強制通過燃料電池堆的空氣流。不是所有的氧都由燃料電池堆消耗，且一些空氣作為陰極廢氣輸出，所述陰極廢氣可以包括作為反應副產(chǎn)物的水。燃料電池堆也接收流入燃料電池堆的陽極側的陽極氫反應物氣體。燃料電池堆還包括冷卻流體流經(jīng)的流動通道。燃料電池堆包括位于燃料電池堆中多個MEA之間的一系列雙極板(隔板)，其中，雙極板和MEA設置在兩個端板之間。雙極板包括用于燃料電池堆中的相鄰燃料電池的陽極側和陰極側流分配器(流場)。陽極氣體流動通道設置在雙極板的陽極側上，且允許陽極反應物氣體流向相應MEA。陰極氣體流動通道設置在雙極板的陰極側上，且允許陰極反應物氣體流向相應MEA。一個端板包括陽極氣體流動通道，另一個端板包括陰極氣體流動通道。雙極板和端板由導電材料制成，如不銹鋼或導電復合物。在堆疊之后，這些部件通常放置在壓力下以最小化接觸電阻且封閉密封件。端板將燃料電池產(chǎn)生的電傳導到燃料電池堆之外。雙極板還包括冷卻流體流經(jīng)的流動通道。本領域已知處理燃料電池系統(tǒng)中的燃料電池的電信號以確定燃料電池堆是否根據(jù)期望工作。通常，由于與監(jiān)測每個電池相關的成本，電信號處理每隔一個電池進行。此外，可能難以在空間中提供可用于監(jiān)測每個單元的所需部件。為了消除使用多個互連線路將燃料電池測量電路連接到燃料電池堆的必要性，期望將這種測量電路直接嵌入在燃料電池堆組件的結構內(nèi)。這種嵌入式測量電路不會增加顯著的成本，且將允許監(jiān)測每個燃料電池。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的教導，公開了一種用于燃料電池堆的嵌入式測量電路。所述燃料電池堆包括具有凹進區(qū)域的多個雙極板，所述凹進區(qū)域為測量電路提供導電和固定點。所述測量電路具有長度、寬度和厚度，其中，電路的寬度和長度大于電路的厚度。所述測量電路包括臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階。所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路的臺階狀切出部分的臺階中的每個允許與獨立板電接觸，電路的寬度垂直于所述板的平面且電路的厚度沿雙極板的平面。所述雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊。方案1. 一種燃料電池堆，包括 多個堆疊的雙極板；和
測量電路，所述測量電路具有長度、寬度和厚度，其中，電路的寬度和長度大于電路的厚度，所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路與獨立板電接觸，電路的寬度垂直于所述板的平面且電路的厚度沿雙極板的平面。方案2.根據(jù)方案1所述的燃料電池堆，其中，所述測量電路包括臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階，使得所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路的臺階狀切出部分的臺階中的每一個與獨立板和電路寬度電接觸。方案3.根據(jù)方案2所述的燃料電池堆，其中，所述測量電路包括多個彈簧加載的夾，其中，獨立的夾聯(lián)接到每個臺階，其中，所述彈簧加載的夾將測量電路與雙極板電聯(lián)接。方案4.根據(jù)方案3所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括凹進區(qū)域，且其中， 每個彈簧加載的夾都被夾持在板的凹進區(qū)域內(nèi)。方案5.根據(jù)方案2所述的燃料電池堆，其中，所述多個雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊。方案6.根據(jù)方案1所述的燃料電池堆，其中，測量電路在燃料電池堆組裝期間在安裝時被松弛地保持，且在壓力施加到燃料電池堆時永久性地聯(lián)接到燃料電池堆。方案7.根據(jù)方案1所述的燃料電池堆，其中，雙極板是壓制金屬板。方案8.根據(jù)方案6所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括兩個壓制半板。方案9.根據(jù)方案1所述的燃料電池堆，其中，燃料電池堆是車輛燃料電池系統(tǒng)的一部分。方案10. —種燃料電池堆，包括
多個壓制和堆疊的雙極板，每個雙極板包括凹進區(qū)域；和
測量電路，所述測量電路具有長度、寬度和厚度，其中，電路的寬度和長度大于電路的厚度，所述測量電路包括臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階，所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而電路的寬度垂直于所述板的平面且電路的厚度沿雙極板的平面，所述測量電路包括多個彈簧加載的夾，其中，獨立的夾聯(lián)接到每個臺階，其中，所述多個雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊，每個彈簧加載的夾都被夾持在板的凹進區(qū)域內(nèi)以將板與測量電路電聯(lián)接。方案11.根據(jù)方案10所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括兩個壓制半板。方案12.根據(jù)方案10所述的燃料電池堆，其中，至少一個測量電路在燃料電池堆組裝期間在安裝時被松弛地保持，且在壓力施加到燃料電池堆時永久性地聯(lián)接。方案13. —種燃料電池堆，包括 多個堆疊的雙極板；和
測量電路，所述測量電路具有臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階，所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路的臺階狀切出部分的臺階中的每一個允許與獨立板電接觸，其中，所述多個雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊。方案14.根據(jù)方案13所述的燃料電池堆，其中，所述測量電路包括多個彈簧加載的夾，其中，獨立的夾聯(lián)接到每個臺階，其中，所述彈簧加載的夾將測量電路與雙極板電聯(lián)接。方案15.根據(jù)方案14所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括凹進區(qū)域，且其中，每個彈簧加載的夾都被夾持在板的凹進區(qū)域內(nèi)。方案16.根據(jù)方案13所述的燃料電池堆，其中，測量電路在燃料電池堆組裝期間在安裝時被松弛地保持，且在壓力施加到燃料電池堆時永久性地聯(lián)接到燃料電池堆。方案17.根據(jù)方案13所述的燃料電池堆，其中，雙極板是壓制金屬板。方案18.根據(jù)方案17所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括兩個壓制半板。方案19.根據(jù)方案13所述的燃料電池堆，其中，所述多個雙極板是四個雙極板， 測量電路的臺階狀切出部分的臺階的數(shù)量是四個臺階。本發(fā)明的附加特征將從以下說明和所附權利要求書結合附圖顯而易見。


圖1是燃料電池堆的一部分的剖視側視圖，包括嵌入在燃料電池堆的多個雙極板內(nèi)的測量電路；和
圖2是圖1所示的燃料電池堆的透視圖，包括嵌入在雙極板內(nèi)的測量電路。
具體實施例方式涉及用于燃料電池堆的包括臺階狀切出部分的嵌入式測量電路的本發(fā)明實施例的以下闡述本質上僅僅是示例性的且不旨在以任何方式限制本發(fā)明或其應用或使用，所述臺階狀切出部分與燃料電池堆中的雙極板協(xié)作地對齊。圖1是燃料電池堆10的一部分的剖視側視圖，圖2是其透視圖，燃料電池堆10包括燃料電池測量電路12，測量電路12電氣地和物理地聯(lián)接到五個壓制金屬雙極板16、18、 20,22和24，其中，圖2相對于圖1顛倒。每個板16、18、20、22和24包括由相對的半板36 和38限定的陽極側和陰極側。如本領域技術人員已知的，兩個雙極板(一個的陽極側和另一個的陰極側)與膜電極組件(MEA)和其它軟物體(如，子墊圈和氣體擴散層(⑶L)) 一起組成燃料電池。通常，多個燃料電池串聯(lián)連接以組成燃料電池堆。在非限制性實施例中，板16、18、20、22和M是壓制金屬板，且燃料電池的電壓輸出由測量電路12監(jiān)測，其中，測量電路12電聯(lián)接到雙極板16、18、20、22和24。如上所述，雙極板16、18、20、22和M中的每個包括兩個半板36和38，其分開部由壓制特征限定。這些壓制特征提供多個凹進區(qū)域14，其在半板36和38之間限定間隔，機械地支撐半板36和38，且提供用于彈簧加載的夾沈、28、30、32和34的導電和固定點。彈簧加載的夾26、28、30、32和34通常通過釬焊電氣地且機械地聯(lián)接到測量電路12，但是也可以使用將夾沈、28、30、32和34電氣地且機械地聯(lián)接到電路12的其它合適方法。根據(jù)本發(fā)明，測量電路12垂直地嵌入在雙極板16、18、20、22和對之間，S卩，測量電路12在其邊緣上定位在雙極板處。換句話說，測量電路12是電路板，具有的長度和寬度大于其厚度。臺階40從測量電路12的邊緣42切出，且板16、18、20、22和M的長度以互補方式錯開，使得其與電路12中的臺階40對齊，如圖所示。通過在其邊緣上轉動電路12 使得電路12的寬度垂直于板16、18、20、22和M的平面延伸且電路12的厚度沿板16、18、 20、22和M的平面，如圖所示，與在相對于板的長度平躺時相比，電路12能夠與板16、18、 20、22和M中的更多板對齊。獨立的夾沈、28、30、32和34聯(lián)接到每個臺階40。由此，測量電路12中的臺階40 與壓制雙極板16、18、20、22和M的端部對齊，使得測量電路12垂直于雙極板16、18、20、22 和M的平面嵌入。在測量電路12的臺階40上的彈簧加載的夾沈、28、30、32和34配合且夾持到雙極板16、18、20、22和M的凹進區(qū)域14中。通過提供測量電路12的邊緣42內(nèi)的臺階狀圖案且將測量電路12垂直地插入到雙極板16、18、20、22和M的平面，這允許基本上平坦且便宜的測量電路12嵌入在燃料電池堆的多個雙極板之間。一旦彈簧加載的夾26、沘、30、32和；34分別夾持到雙極板16、18、20、22和M的凹進區(qū)域14中，測量電路12就能夠直接通過彈簧加載的夾沈、28、30、32和34處理雙極板 16、18、20、22和24的電信號。這允許測量電路12垂直地嵌入到雙極板16、18、20、22和24 中且與其電接觸，僅需要彈簧加載的夾沈、28、30、32和34，從而減少監(jiān)測燃料電池堆10的燃料電池所需的電氣部件量和空間。通過以重復方式連續(xù)地切削構成燃料電池堆組件的雙極板(以及軟物體的邊緣) 從而在每個板中產(chǎn)生端部開口的孔且軟物體以正確(重復)順序依次堆疊因而在燃料電池堆10的一側上產(chǎn)生一系列腔，測量電路12在雙極板16、18、20、22和M之間的定向是可能的，其中，可安裝一個或多個測量電路12。因而，本發(fā)明允許在燃料電池堆內(nèi)使用嵌入式測量電路，同時在板壓制操作期間不需要附加的拉伸深度(draw depth)。用于嵌入式測量電路的先前接觸方法需要深的壓制特征，這導致關于板材料變薄和可能失效的問題。此外，其使得實現(xiàn)嵌入式電信號處理所需的各個板的數(shù)量和軟物體部件數(shù)量最小化。此外，通過限定板凹進區(qū)域的互補機械尺寸和彈簧加載的接觸以及彈簧加載接觸材料的彈簧常量，總接觸方法可以限定為使得測量電路12在燃料電池堆組裝期間安裝時松弛地保持且在壓力施加到燃料電池堆10時由于彈簧加載的夾沈、28、30、32和34吸收燃料電池堆壓力且聯(lián)接到嵌入式測量電路12因而被永久地聯(lián)接。由于測量電路12相對于板和軟物體的平面垂直地定向，因而其需要板和軟物體的平面面積的少量增加。然而，由于測量電路12被嵌入，因而板和軟物體的平面面積的增加最小化。本發(fā)明的附加益處在于可針對任何數(shù)量的電池每個測量電路進行縮放。除了上述益處之外，本發(fā)明的另外益處在于其允許自動組裝且允許所有識別的光學通信方法。
前述說明僅僅公開和描述本發(fā)明的示例性實施例。本領域技術人員從這種說明和附圖以及權利要求書將容易認識到，能夠對本發(fā)明進行各種變化、修改和變型，而不偏離由所附權利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種燃料電池堆，包括多個堆疊的雙極板；和測量電路，所述測量電路具有長度、寬度和厚度，其中，電路的寬度和長度大于電路的厚度，所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路與獨立板電接觸，電路的寬度垂直于所述板的平面且電路的厚度沿雙極板的平面。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池堆，其中，所述測量電路包括臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階，使得所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路的臺階狀切出部分的臺階中的每一個與獨立板和電路寬度電接觸。
3.根據(jù)權利要求2所述的燃料電池堆，其中，所述測量電路包括多個彈簧加載的夾，其中，獨立的夾聯(lián)接到每個臺階，其中，所述彈簧加載的夾將測量電路與雙極板電聯(lián)接。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括凹進區(qū)域，且其中，每個彈簧加載的夾都被夾持在板的凹進區(qū)域內(nèi)。
5.根據(jù)權利要求2所述的燃料電池堆，其中，所述多個雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池堆，其中，測量電路在燃料電池堆組裝期間在安裝時被松弛地保持，且在壓力施加到燃料電池堆時永久性地聯(lián)接到燃料電池堆。
7.根據(jù)權利要求1所述的燃料電池堆，其中，雙極板是壓制金屬板。
8.根據(jù)權利要求6所述的燃料電池堆，其中，每個雙極板包括兩個壓制半板。
9.一種燃料電池堆，包括多個壓制和堆疊的雙極板，每個雙極板包括凹進區(qū)域；和測量電路，所述測量電路具有長度、寬度和厚度，其中，電路的寬度和長度大于電路的厚度，所述測量電路包括臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階，所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而電路的寬度垂直于所述板的平面且電路的厚度沿雙極板的平面，所述測量電路包括多個彈簧加載的夾，其中，獨立的夾聯(lián)接到每個臺階，其中，所述多個雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊，每個彈簧加載的夾都被夾持在板的凹進區(qū)域內(nèi)以將板與測量電路電聯(lián)接。
10.一種燃料電池堆，包括多個堆疊的雙極板；和測量電路，所述測量電路具有臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階，所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路的臺階狀切出部分的臺階中的每一個允許與獨立板電接觸，其中，所述多個雙極板以與測量電路的臺階狀切出部分協(xié)作且相對的方式錯開，從而測量電路與所述板對齊。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于嵌入式燃料電池傳感器的板互連方法。一種用于燃料電池堆的嵌入式測量電路。所述燃料電池堆包括具有凹進區(qū)域的多個雙極板，所述凹進區(qū)域為測量電路提供導電和固定點。所述測量電路具有長度、寬度和厚度，其中，電路的寬度和長度大于電路的厚度。所述測量電路包括臺階狀切出部分，沿電路的長度的邊緣限定臺階。所述測量電路定位在所述多個雙極板之間，從而所述測量電路的臺階狀切出部分的臺階中的每一個允許與獨立板電接觸，電路的寬度垂直于所述板的平面且電路的厚度沿雙極板的平面。
文檔編號H01M8/24GK102163730SQ20111003971
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權日2010年2月17日
發(fā)明者D.D.里, J.A.羅克, J.D.威廉斯 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司