具有集成车辆支座的燃料电池组压缩系统的制作方法与工艺

本发明主要涉及燃料电池系统，并且尤其涉及用于燃料电池系统中的燃料电池组的压缩保持系统。

背景技术：
燃料电池是用于车辆及多种其它应用的一种清洁、有效且环保的能源。燃料电池作为一种对当代车辆使用的传统内燃机的潜在替代，正在紧张的研制之中。在质子交换膜（PEM）型燃料电池中，具有两侧附近带催化剂的电极的薄的固体电解膜形成膜电极组件（MEA）。MEA主要也包括被称为气态扩散介质（DM）的多孔导电材料，其邻接且散发反应性气体至阳极和阴极。氢作为燃料供应给阳极，在有催化剂的情况下，氢在阳极处起电化学反应产生电子和质子。电子由电路从阳极引导到阴极，质子移动穿过电解质到达阴极，在有催化剂的情况下，氧在阴极处起电化学反应产生氧阴离子。氧阴离子与质子反应形成水，作为燃料电池反应产物。PEM燃料电池通常串联连接，一个堆积在另一个上形成燃料电池组。为了密封燃料电池并且确保和保持反应物板、气态扩散介质和催化剂电极之间的低的界面电接触阻力，燃料电池组通常是在压缩状态下组装。PEM燃料电池组中的界面接触阻力基本上随着压缩载荷的增大而减小。燃料电池组上的预期压缩载荷通常是在约50至约400psi之间变化，并且由罩住燃料电池组的压缩保持外壳来维持。为了建立该期望的保持压缩力，燃料电池组放在压力机中，施加过度压缩，使压缩保持系统接合，松开压力机，电池组在由接合的压缩保持系统保持的压力作用下进行保持。在一些情况下，压缩保持系统然后被放入单独的外壳中进行环境密封，并且，在其它系统中，封装侧板可以提供任何必须的密封。封装的燃料电池组然后被放在车辆上。虽然在本领域中已知各种压缩保持系统，但是，这些系统的功能通常限于压缩保持和密封。通过与车辆支座集成而附加地执行结构功能的系统是未知的。在一些现有的压缩保持系统设计中，与刚性端板互连的系杆可以用来在燃料电池组件上施加并维持压缩力。待压缩的多个燃料电池或燃料电池组插在一对刚性端板之间，然后由穿过或围绕端板的系杆把这些端板压在一起并且在端板上施加压缩力。通过固定系杆的位置来保持压缩力。系杆通常延伸超过端板的表面并且因此增大电池组结构的容量。另外的压缩保持解决方案包括，例如，具有并入其中以控制拉伸柔量（tensilecompliance）的弹簧元件的燃料电池侧板（美国专利申请公开号2006/0040166），以及一种机构，其利用围绕端板组件的许多压缩带从而将电池组固定在压缩状态（美国专利号5,789,091）。进一步地，根据传统的燃料电池组压缩外壳，通过栓接在端盖的适当位置上使干端不动地定位。因为组装的电池组的高度变化，有时差不多变化5-10%那么多，湿端单元浮动以适应此变化。湿端是平台，下端单元、反应物歧管以及其余部件建在其中且变化，这导致设备其余部分的结构设计复杂化。可能需要伸缩接头以容忍电池组高度变化。压缩保持外壳的部件参数通常设定成使得基于燃料电池组的部件差异或车辆其余设备部件参数差异进行的对燃料电池组构造高度之间变化的适应成了问题。将有利的是，提供一种压缩保持系统，其适应干端的燃料电池组变化并且在结构上与车辆支座集成一体。

技术实现要素：
因此，本发明人已经研制了一种燃料电池系统，其克服燃料电池领域中的这些以及其它缺点。本文描述的燃料电池系统包括质量更轻的压缩保持外壳，其能够适应燃料电池构造高度以及车辆其余设备部件公差的变化。根据一个实施例，一种燃料电池系统包括燃料电池组，该电池组具有干端单元板和湿端单元板以及布置在这两者之间的多个燃料电池。电池组构造高度可以随燃料电池数量而变化，但是，即使在电池数量保持不变的情况下，也可以随电池组部件尺寸偏差而变化。该压缩保持系统包括一对相对的端盖、一对相对的侧板和至少两个刚性的独立支架元件，至少一个支架元件邻近地布置在每个侧板的外部且竖直地布置用于把湿端单元板固定到干端单元板，在某种程度上用于保持已经作用在电池组上的压缩力，并且进一步地提供环境密封。湿端单元板不动地固定在相对的端盖上，干端单元板可调整地固定在相对的端盖上。在一些实施例中，相对的端盖可以挤压模制成包括多个平行的竖直T形槽，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着T形槽可调整的，以适应燃料电池组构造高度和车辆支座公差，并且，干端单元板和湿端单元板可以模制成具有水平T形槽，该槽沿着每边固定到支架元件上，每个T形槽构造成接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着该T形槽的长度方向可调整的，从而，支架元件通过正对立的锁位紧固件固定到干端单元板和湿端单元板，这些紧固件的位置是沿着T形槽的长度方向可调整。另一实施例提供方法，用于组装能够适应燃料电池组构造高度变化的燃料电池系统。该方法包括提供布置在干端单元板与湿端单元板之间的燃料电池组；提供压缩保持外壳，其具有相对的端盖和一对相对的侧板，并且可选地具有至少两个刚性的独立支架元件，至少一个支架元件邻近地布置在每个侧板的外部且竖直地布置。支架元件的主要功能是在车辆冲击情况下提供电池组支撑。方法进一步地包括，将湿端单元板不动地固定到端盖和支架元件上，同时，允许干端单元板根据电池组构造高度而浮动；向燃料电池组施加适当的压缩载荷；以及可调整地固定干端单元板到端盖和支架元件上。在固定干端之前，压缩保持外壳可以安装到车辆中。根据其它实施例，提供方法，用于基本上消除燃料电池组构造高度变化对车辆其余设备部件的影响，方法包括，安装燃料电池系统到车辆中，其中，燃料电池系统包括燃料电池组和压缩保持外壳，该电池组具有干端单元板和湿端单元板以及布置在这两者之间的多个燃料电池并且具有随电池组部件尺寸偏差而变化的电池组构造高度，该压缩保持外壳包括一对相对的端盖、一对相对的侧板，且可选地具有邻近地布置在每个侧板的外部且竖直地布置的至少一个刚性的独立支架元件。安装包括不动地固定湿端单元板，同时，允许干端单元板适应其余设备部件公差。端盖和端单元板可以挤压成提供重量轻的部件并且配置可调整的紧固零件。端盖提供结构功能以及压缩保持功能。环境密封可以由结构部件实现，辅助以在外壳部件的一个或多个邻接的齐平接触面处的简单面密封。本发明提供下列技术方案。1.一种燃料电池系统，包括：燃料电池组，其具有干端单元板和湿端单元板以及布置在这两者之间的多个燃料电池，并且具有随燃料电池数量和/或部件尺寸变化而变化的电池组高度；压缩保持系统，包括一对相对的端盖，一对相对的侧板，和至少两个刚性的独立支架元件，且至少一个支架元件邻近地布置在每个侧板的外部且竖直地布置用于把湿端单元板固定到干端单元板；其中，湿端单元板不动地固定在相对的端盖上，且干端单元板可调整地固定在相对的端盖上。2.如技术方案1所述的燃料电池系统，其中，干端单元板通过穿过位于端盖上的竖直可调整槽的紧固件而可调整地固定到端盖。3.如技术方案1所述的燃料电池系统，其中，干端单元板根据工作前的燃料电池组构造高度可调整地固定到端盖。4.如技术方案1所述的燃料电池系统，其中，侧板包括塑料板材料或轻量规金属片。5.如技术方案4所述的燃料电池系统，其中，侧板包括塑料板材料。6.如技术方案1所述的燃料电池系统，其中，相对的端盖以及干端单元板与湿端单元板中的一者或两者通过挤压可挤压金属或可挤压金属复合材料来制造。7.如技术方案6所述的燃料电池系统，其中，可挤压金属包括铝。8.如技术方案6所述的燃料电池系统，其中，相对的端盖包括多个竖直平行的T形槽，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着T形槽可调整的，以适应燃料电池组构造高度和车辆支座公差。9.如技术方案1所述的燃料电池系统，其中，干端单元板和湿端单元板构造成具有水平T形槽，该槽沿着每边固定到支架元件上，每个T形槽构造成接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着T形槽的长度方向可调整的，从而，支架元件通过正对立的锁位紧固件固定到干端单元板和湿端单元板，其位置是沿着T形槽的长度方向可调整。10.如技术方案8所述的燃料电池系统，其中，竖直T形槽中的锁位紧固件用于可调整地安装压缩保持系统到车辆中。11.如技术方案6所述的燃料电池系统，其中，挤压成型的湿端单元板和干端单元板构造成包括结构肋和反应物、冷却剂端口。12.如技术方案1所述的燃料电池系统，其中，压缩保持系统的相对的端盖和相对的侧板的特征既提供了合适的压缩保持，又提供了结构密封和车辆安装能力，从而在没有任何附加的结构化外壳的情况下，使该燃料电池系统安装到车辆中。13.一种方法，用于组装能够适应燃料电池组构造高度变化的燃料电池系统，该方法包括：提供布置在干端单元板与湿端单元板之间的燃料电池组；提供压缩保持组件，其具有相对的端盖、一对相对的侧板和至少两个刚性的独立支架元件，至少一个支架元件邻近地布置在每个侧板的外部且竖直布置；将湿端单元板不动地固定到端盖和支架元件上，同时，允许干端单元板根据电池组构造高度而浮动；向该燃料电池组施加适当的压缩载荷；以及可调整地固定该干端单元板到该端盖和该支架元件上。14.如技术方案13所述的方法，其中，该端盖包括多个竖直平行的T形槽，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着这些T形槽可调整的，以适应该干端单元板的浮动。15.如技术方案13所述的方法，其中，该端盖包括多个竖直平行的T形槽，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着这些T形槽可调整的，以安装该压缩保持系统到车辆中。16.如技术方案13所述的方法，其中，通过穿过位于该端盖中的竖直槽的紧固连接来实现可调整固定。17.如技术方案13所述的方法，其中，干端单元板、湿端单元板和端盖由可挤压铝或铝复合材料挤压而成。18.一种方法，用于基本上消除燃料电池组构造高度变化对车辆其余设备部件的影响；该方法包括：组装能够适应燃料电池组构造高度变化的燃料电池系统，该方法包括：提供布置在干端单元板与湿端单元板之间的燃料电池组；提供压缩保持组件，其具有相对的端盖、一对相对的侧板和至少两个刚性的独立支架元件，至少一个支架元件邻近地布置在每个侧板的外部且竖直布置；将湿端单元板不动地固定到端盖和支架元件上，同时，允许干端单元板根据电池组构造高度而浮动；向该燃料电池组施加适当的压缩载荷；以及可调整地固定干端单元板到端盖和支架元件上；和安装该燃料电池系统到车辆中。19.如技术方案18所述的方法，其中，该端盖包括多个竖直平行的T形槽，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件，这些紧固件是沿着这些T形槽可调整的，以适应该干端单元板的浮动。20.如技术方案18所述的方法，其中，一个或多个锁位紧固件是沿着这些T形槽可调整的，以实行燃料电池系统在车辆中的安装。参考附图以及下面阐述的详细说明可以更容易地理解这些及其它优点、实施例和详情。附图说明虽然本说明书以权利要求为结论，这些权利要求特别指出且清楚地要求本发明所保护的实施例，但是，要相信，通过连同附图对某些例子的下列描述将更好地理解本发明。在附图中，在所有这几个视图中，相同的数字代表相同的元件，附图的不同部件不是必须按比例示出。图1描述了根据示范性实施例的燃料电池系统的分解示意图。图2A和2B描述了根据本发明的示范性压缩保持外壳的示意图。图3描述了根据特定实施例的示范性压缩保持外壳的示意图，移除了侧板和支架元件从而显出沿着干端单元板和湿端单元板的侧边的T形槽和可调整的锁位紧固件。图4A、4B（1）、4B（2）、4C（1）和4C（2）示出挤压成型的端单元板。图4A描述了挤压成型的干端单元板的示意图。图4B（1）描述了示范性挤压成型的湿端单元板的示意图，示出阴极进料口，图4B（2）为阴极进料口的剖面图。图4C（1）描述了挤压成型的湿端单元板的另一示范性实施例，示出沿着湿端单元板的长度延伸的中肋条，该中肋条分割阴极进料口，以及图4C（2）为其放大剖视图。这些附图不意图以任何方式进行限制，其意图是，本发明的各种实施例可以以多种其它方式实施，包括那些附图中未必描述了的。并入说明书且形成其一部分的附图说明了本发明的多个方面，与此说明一起用来解释本发明的原理，然而，要理解的是，本发明不限于所示出的确切布置。具体实施方式通过下列描述和附图将明显看出本发明的各种实施例的特点和优点，这些描述和附图包括特定实施例的例子，用来给出本发明的宽泛陈述。本领域技术人员从这个描述以及本发明的实施将明显看出各种改型。这个范围不意图限制为所公开的特殊形式，而是本发明覆盖落入权利要求所限定的发明范围内的所有改型、等同和替代。值得注意的是，像"优选地"、"主要地"和"典型地"这类措辞在本文不是用来限制所要求保护的发明的范围，或是暗示某些特征是关键的、必需的，乃至对所要求保护的发明的结构或功能是重要的。相反，这些措辞仅仅意在突显替代或附加的特征，在本发明的特定实施例中，这些特征可以使用或者可以不使用。为了描述和限定本发明，注意到，措辞"基本上"和"近似"在本文用来代表固有的不确定度，这可以归因于任何定量比较结果、数值、测量结果或其它表示法。措辞"基本上"在本文还用于代表定量表达可能不同于规定基准的程度，该程度不会引起争论中的主题的基本功能的变化。本发明提供一种新颖的燃料电池系统，其具有燃料电池组组件，该组件包括压缩保持系统，该燃料电池系统简化了其余设备部件的安装，并且提供双重功能。除了在燃料电池组上提供期望的保持压缩之外，该系统还在车辆支座中提供结构化功能。在一些实施例中，通过用挤压成型的铝材和塑料薄板部件代替现有技术系统的冲压钢压缩部件，并且通过改装传统的端盖以提供结构化和压缩保持功能，本文描述的燃料电池系统提供了至少减小了10%的重量、更低的加工成本、更少的部件交付周期，提供了简化的环境密封，并且可以容易根据不同的燃料电池数量确定比例通过把湿端单元板固定在电池组中的适当位置，同时允许干端单元板浮动，能够基本上消除由电池组部件尺寸变化引起的电池组高度变化的已知负面影响和与车辆中具有可变湿端位置有关的其余设备复杂性。参照图1、2A和2B，示出燃料电池系统1，其包括燃料电池组2，该电池组具有干端单元板4和湿端单元板6以及布置在这两者之间的多个燃料电池。燃料电池组2具有随燃料电池数和/或部件尺寸变化而变化的电池组高度。燃料电池系统1包括压缩保持系统10，该压缩保持系统包括一对相对的端盖12,14以及至少两个刚性的独立支架元件20，至少一个支架元件沿着每侧竖直地布置用于把湿端单元板6固定到干端单元板4。压缩保持系统进一步地被一对相对的侧板16,18围绕从而使得刚性的独立支架元件20邻近侧板16,18布置且布置在侧板的外部。在优选实施例中，湿端单元板6不动地固定在相对的端盖12,14上，干端单元板4可调整地固定在相对的端盖12,14上。此处的短语"可调整地固定"表明，端点固定位置在最后组装之前都是未知的，并且，紧固机构适合于适应大范围的可能的端点固定位置。用"不动地固定"，意味着，固定部件彼此间的位置关系是基本上不变的。参照图2A、2B和3，干端单元板4通过穿过位于端盖12,14上的竖直可调整槽21的紧固件而可调整地固定到端盖12,14。干端单元板4可以根据工作前的燃料电池组高度可调整地固定到端盖12,14。也就是说，在组装燃料电池组之后但是在工作之前，确定且固定端点位置。虽然传统的燃料电池组构造有规定数量的电池，但是，根据非常特定的实施例，干端单元板的端点固定位置可以进行调整以适应不同的电池数量。然而，在具有规定数量的燃料电池的燃料电池组内，公知的是，燃料电池组高度取决于燃料电池组的部件的尺寸变化。例如，质子交换膜（PEM）部件的膜膨胀可能因为环境参数例如湿度和温度的差异而发生，并且响应于燃料电池组上的压缩力。典型的燃料电池组可以包括接近300个独立的镀板、垫圈和电池部件，并且，这些部件的即使很小的厚度变化的累积效应可能总计达到整个电池组高度变化的百分之五至百分之十。其余设备（BOP）指的是车辆中存在的部件，包括但不限于风扇、泵、管、压缩机等等，这些是安装和工作所必需的，但是，它们不是本文所公开的燃料电池系统的一部分。湿端是布置大多数冷却剂和反应物进口和出口以及相关导管和歧管布置于该处的单元端。在一些已知的压缩保持系统中，采用结构化保持装置，例如，系杆、侧板、弹簧等等。压缩的电池组然后放入结构化外壳中，该外壳提供密封功能和车辆安装能力。虽然这个结构基本上消除了与"浮动湿端"相关联的问题，但是，它导致结构化支撑不希望有的冗余。在不依靠结构化外壳的系统中，通常，干端的安装位置是固定不变的，允许湿端位置变化，导致BOP复杂性。根据本发明的实施例，湿端通过钉入BOP部件而使其位置固定不变，仅仅是干端位置随着电池组构造变化而变化，因此简化BOP公差。根据本发明的实施例，端盖用作压缩保持系统的部份，并且致力于提供相当大量的保持压缩力，或者，在特定实施例中，提供保持压缩力的大部分。根据本发明的更多实施例，端盖构造成与车辆支座结构集成。已知的燃料电池系统以多种方式提供环境密封，包括，通过把压缩保持系统封装在单独的结构化外壳中，通常用沿着齐平的部件边缘的泡沫密封剂进行密封。根据本发明的实施例，压缩保持系统包括轻质侧板，这些侧板起着保护燃料电池组组件和提供环境密封的作用。轻质塑料或轻量规金属可以用来提供侧板以完全围住且环境上密封燃料电池组。此外，可以通过利用简单的表面密封来实行环境密封，例如，通过沿着外壳部件的一个或多个邻接齐平表面使用压敏粘合剂。适合于制造侧板16,18的塑料是本领域技术人员很容易确定的。合适的塑料板的非限制性例子包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、乙酰基、丙烯酸、氯化聚氯乙烯（CPVC）、尼龙、聚碳酸酯、聚乙烯（低密度聚乙烯、中密度聚乙烯和高密度聚乙烯）、聚丙烯、聚氨基甲酸酯、聚氯乙烯（PVC）和苯乙烯以及超高分子量聚乙烯。通常，这些塑料以刚性或半刚性板的形式提供。合适的轻量规金属同样是本领域技术人员很容易确定的。非限制性例子包括钢、不锈钢、铝和锌，优选带有通常大于10gauge的钢板。根据特别优选的实施例，侧板包括塑料侧板。根据其他实施例，相对的端盖12,14以及干端单元板4与湿端单元板6中的一者或两者可以用任何已知的方式制造，包括冲压、模制和挤压。在优选实施例中，相对的端盖12,14以及干端单元板4与湿端单元板6中的一者或两者由挤压制造而成，例如，通过可挤压金属或可挤压金属复合材料的挤压。在特定的实施例中，可挤压金属包括铝，在非常特定的实施例中，可以围绕挤压成型部件的全部或一部分布置铝包皮。为了提供用于可调整固定部件的机构，相对的端盖12,14可以模制成包括多个竖直平行的T形槽22，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件24，这些紧固件是沿着T形槽22可调整的，以适应燃料电池组构造高度和车辆支座公差。因此，根据本发明的压缩保持系统提供双重功能；它用于在燃料电池组上保持期望的压缩力，并且还通过与车辆支座的集成来提供结构化功能。干端单元板4和湿端单元板6可以模制成具有水平T形槽26，该槽沿着每边固定到支架元件20上，每个T形槽26构造成接合一个或多个锁位紧固件24，这些紧固件是沿着水平T形槽26的长度方向可调整的，从而，支架元件20通过正对立的锁位紧固件24进一步固定到干端单元板4和湿端单元板6，这些紧固件的位置是沿着T形槽26的长度方向可调整。通过这种方式，支架元件20的位置沿着压缩保持外壳的长度方向是可水平调整的。根据特定的实施例，刚性的独立支架元件20包括钢，但是可以由任何具有合适刚性的结构材料制造而成。参照图4A、4B（1）、4B（2）、4C（1）和4C（2），在优选实施例中，提供用于反应物和冷却剂流的进口、出口和歧管的湿端单元板6可以制造成提供更多的结构化零件，例如，用于强度的肋，并且可以制造成包括反应物和冷却剂流端口和相关的管道。肋可以用于加强板。在特定的实施例中，湿端单元板6可以制造有肋，并且在非常特定的实施例中，可以制造成包括全长的中央肋条27，例如，分割阴极进料口28，并且提供更大的结构强度和简单性。本发明的另一实施例涉及方法，用于组装能够适应燃料电池组2构造高度变化的燃料电池系统1。该方法可以包括提供布置在干端单元板4与湿端单元板6之间的燃料电池组2；提供压缩保持外壳10，其具有相对的端盖12,14、一对相对的塑料侧板16,18，并且在一些实施例中，具有至少两个刚性的独立支架元件20，至少一个支架元件邻近地布置在每个侧板16,18的外部且竖直布置；将湿端单元板6不动地固定到端盖12,14和支架元件20上，同时，允许干端单元板4根据电池组构造高度而浮动；向燃料电池组2施加适当的压缩载荷；以及，可调整地固定干端单元板4到端盖12,14和支架元件20，由此保持燃料电池组上的压缩力。这些端盖提供大部分的保持压缩力，两个或更多的独立支架元件20可以补充这个保持，即使支架元件的主要功能是例如在车辆冲击情况下提供电池组支撑。通过把湿端单元位置不动地固定到BOP部件，压缩保持系统10安装到车辆上。大多数BOP零件位于湿端单元处或其下。因此，通过固定湿端相对于BOP的位置，电池组高度变化的公差可以得以适应。虽然干端的相对位置在不同的车辆之间有所不同，但是，对车辆支座和BOP公差的影响大大减少。端盖12,14可以例如通过挤压成型而制造成包括多个竖直平行的T形槽22，这些槽构造成滑行地接合一个或多个锁位紧固件24，这些紧固件是沿着T形槽22可调整的，以适应干端单元板4的浮动。位于端盖12,14的干端紧固端的竖直可调整槽21允许干端单元板4在固定到端点位置时例如通过穿过竖直可调整槽21的螺栓连接而固定到端盖12,14。在特定的实施例中，干端单元板4、湿端单元板6和端盖12,14可以由可挤压铝或铝复合材料挤压模制而成，在非常特定的实施例中，可以围绕挤压模制成型的部件的表面布置铝包皮。本发明的更多实施例关注于方法，用于基本上消除燃料电池组构造高度变化对车辆其余设备部件的负面影响。根据本发明的一些实施例，湿端单元安装钉就车辆位置可以固定在下部，湿端单元的安装位置及其与BOP的相对位置在不同的车辆之间基本上不变。另一方面，干端单元的位置根据电池组高度差异可以变化多达5-10%。因此，在端盖上设置可调整的紧固件以适应车辆支座公差。已经详细描述了本发明并且参照了特定实施例，但是很显然，在不脱离所附权利要求限定的发明范围的情况下，改型和变化是可行的。具体地，预期的是，本发明的范围不是必须限制于所阐述的优选方面和示范实施例，而是将由所附权利要求决定。