CN116314907A - 燃料电池模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种燃料电池模块,其包括塑料基部和铝板。塑料基部(102)由聚合物材料构成。所述塑料基部(102)包括冷却剂输入部、空气输入部、冷却剂通道、空气通道和燃料通道。铝板(104)连接至塑料基板(102)的顶部部分。板(104)可包括燃料输入部和水排出部,其连接到塑料基部的燃料通道。
Description
技术领域
本公开基本上涉及用于燃料电池模块的系统和方法。
背景技术
燃料电池是通过一对氧化还原反应将燃料和氧化剂的化学能转化为电的电化学电池。在一个示例中,氢是燃料,氧是氧化剂。燃料电池需要连续的燃料和氧的来源来维持化学反应。
燃料电池通常包括三个相邻的区段:阳极、电解质和阴极。在三个不同区段的界面处发生两种化学反应。这两种反应的净结果是消耗燃料、产生水并产生电流,这可用于驱动电气设备、电动车辆等。
催化剂在阳极处氧化燃料(通常是氢),将燃料转化为带正电的离子和带负电的电子。电解质是特别设计的物质,使得离子可以通过它,但电子不能。自由电子移动通过导线产生电流。离子通过电解质移动到阴极。一旦到达阴极,离子与电子再结合,并且两者与第三化学品(通常是氧)反应,以产生水。
燃料电池堆的组装工艺是复杂的。应用介质模件来连接几个堆是一个额外的生产步骤,它增加了周期时间以及材料和时间方面的成本。
需要提供对生产和/或组装也相对更容易和成本更低的燃料电池模块或壳体的技术。
发明内容
本发明解决的技术问题在于,提供对生产和/或组装也相对更容易和成本更低的燃料电池模块或壳体的技术。
为此,本发明提出一种燃料电池模块,包括:
塑料基部,该塑料基部由一种或多种聚合物材料构成并且具有结构部件和通道部件,所述塑料基部包括冷却剂输入部、空气输入部、冷却剂通道、空气通道和燃料通道;和
金属的板,该金属板连接到所述塑料基部的顶部部分,该板包括燃料输入部和水排出部。
优选地,所述聚合物材料构造成减轻来自所述燃料通道中的燃料和所述冷却剂通道中的冷却剂的腐蚀并且支持所述燃料通道中的燃料和所述冷却剂通道中的冷却剂的使用。
优选地,所述燃料是氢。
优选地,所述聚合物材料中的一种包括树脂以达到介质耐性要求。
优选地,所述板通过磨铣、压铸和/或切割金属板材来形成。
优选地,所述板包括构造成满足介质耐性要求的密封件。
优选地,所述塑料基部和/或所述板包括一个或多个集成传感器。
优选地,所述塑料基部和所述板通过粘合剂连接。
优选地,所述塑料基部包括夹具以促进与所述板的连接。
优选地,所述塑料基部包括至少形成在所述燃料通道上的密封剂层以满足氢燃料的介质要求。
优选地,所述塑料基部包括至少形成在所述冷却剂通道上的第二密封层,以满足冷却剂的介质要求。
优选地,所述塑料基部包括至少形成在所述燃料通道上的密封剂层,从而允许不同的或非树脂的塑料材料用于所述通道。
优选地,所述通道部件包括树脂塑料材料,并且所述结构部件包括非树脂塑料材料。
本发明还提出一种制造燃料电池模块的方法,所述方法包括:
使用铝材料形成板;
用介质耐性材料涂覆所述板的内表面;
由聚合物材料形成塑料基部,所形成的基部具有冷却剂通道、空气通道和燃料通道;和
将所述板与所述塑料基部堆叠以形成所述燃料电池模块。
优选地,形成所述塑料基部包括形成由第一材料构成的结构部件和形成由树脂材料构成的通道部件。
本发明的优势在于提供了比其它方式更容易组装和利用更低成本的燃料电池模块或壳体。
附图说明
图1是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块100的图。
图2是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块100、200的图。
图3是示出根据一个或多个实施方案的示例基部102、300的图。
图4是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块400的图。
图5是示出根据一个或多个实施方案的塑料基部102的立体视图500的图。
图6是示出根据一个或多个实施方案的制造燃料电池模块100的方法600的图。
图7是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块的图。
图8是示出根据一个或多个实施方案的基部102、802的图。
具体实施方式
以下对变型方案的描述本质上仅是阐述性的,并且决不旨在限制本公开的范围、其应用或用途。本文呈现的描述仅用于阐述本公开的各种实施方式的目的,且不应解释为对本公开的范围和适用性的限制。在本公开的发明内容和这些详细描述中,每个数值应当被解读为由术语“约”修饰一次(除非已经明确地如此修饰),然后再次解读为没有如此修饰,除非在上下文中另有说明。此外,在本公开的发明内容和这些详细描述中,应当理解,被视为已做说明的是,所列出或描述为有用的、合适的等的数值范围旨在表示该范围内的任何和每个数值,包括端点。例如,“1至10的范围”应被解读为指沿着约1至约10之间的连续区的任一和每个可能的数字。因此,即使明确认定该范围内的具体数据点,或甚至该范围内没有数据点被明确地认定或仅指定少数具体的,应理解,发明人认识和理解,该范围内的任何和所有数据点都应被视为是指定的,并且发明人拥有整个范围和该范围内的所有点。
除非明确地相反说明,否则“或”是指包含性的或而不是排他性的或。例如,条件A或B被以下任一项满足:A为真(或存在)且B为假(或不存在),A为假(或不存在)且B为真(或存在),且A和B两者均为真(或存在)。
此外,使用“一”或“一个”来描述本文实施方案的元件和组件。这样做仅仅是为了方便并且给出根据本公开的概念的一般意义。除非另有说明,否则该描述应被解读为包括一个或至少一个,并且单数也包括复数。
这里使用的术语和措词是为了描述的目的,不应被解释为对范围的限制。诸如“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或“涉及”及其变型的语言旨在是宽泛的,并且涵盖其后列出的主题、等同物和未引述的附加主题。
因此,如本文所用,对“一个实施方案”或“实施方案”的任何引用意味着结合该实施方案描述的特定元件、特征、结构或特性被包括在至少一个实施方案中。在说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施方案中”不一定是指同一实施方案。
为了阐述和描述的目的,已经提供了实施方案的上述描述。提供示例实施方案,使得本公开将充分彻底,并且将向本领域技术人员传达范围。阐述了许多具体细节,例如具体组件、设备和方法的示例,以提供对本公开的实施方案的透彻理解,但并不旨在是穷举的或限制本公开。应当理解,即使没有具体示出或描述,在本公开的范围内,特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案,而是在适用的情况下是可互换的,并且可以在选定的实施方案中使用。同样的内容也可以许多方式变化。这样的变化不应被认为是脱离本公开,并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。
此外,在一些示例实施方案中,没有详细描述公知的工艺、公知的设备结构和公知的技术。此外,对于本领域技术人员来说显而易见的是,在实现本公开中所描述的装置的设计、制造和操作中,例如可能存在装置设计、构造、条件、组件的腐蚀、组件之间的间隙的变化。
实施例可以包括主题诸如方法、用于执行方法的动作或块的手段、包括指令的至少一个机器可读介质,当由机器执行该指令时,所述指令使得机器执行根据本文描述的实施方案和实施例的方法的动作或者使用多种通信技术用于并发通信的装置或系统的动作。
燃料电池是通过一对氧化还原反应将燃料和氧化剂的化学能转化为电的电化学电池。在一个示例中,氢是燃料,氧是氧化剂。燃料电池需要连续的燃料和氧的来源来维持化学反应。
燃料电池通常包括三个相邻的区段:阳极、电解质和阴极。在三个不同区段的界面处发生两种化学反应。这两种反应的净结果是消耗燃料、产生水并产生电流,这可用于驱动电气设备、电动车辆等。
催化剂在阳极处氧化燃料(通常是氢),将燃料转化为带正电的离子和带负电的电子。电解质是特别设计的物质,使得离子可以通过它,但电子不能。自由电子移动通过导线产生电流。离子通过电解质移动到阴极。一旦到达阴极,离子与电子再结合,并且两者与第三化学品(通常是氧)反应,以产生水。
燃料电池堆的组装工艺是复杂的。应用介质模件来连接几个堆是一个额外的生产步骤,它增加了周期时间以及材料和时间方面的成本。
需要提供对生产和/或组装也相对更容易和成本更低的燃料电池模块或壳体的技术。
公开了一个或多个实施方案,其提供了比其它方式更容易组装和利用更低成本的燃料电池模块或壳体。
图1是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块100的图。应当理解,模块100是为了说明的目的而提供的,并且可以考虑适当的变型方案。
模块100包括塑料基部102和板104。塑料基部包括两个组件,一个用于结构,一个用于输送通道。这些组件通常由各种材料构成。板104通常涂覆有被构造成满足或处理经由通道输送的物质或介质的性质的层或内衬。
板104通常由铝或类似物构成,并且还支持所使用的冷却剂和燃料电池的燃料。板104具有内衬或涂层,其构造成支持-40℃至105℃之间的温度、冷却剂、过滤的空气、氢、水、蒸汽等。板104的材料还可以构造成满足附加的要求,例如溅水(或重复浸泡)、盐、来自阳光的UV辐射和热辐射、落石、溶剂、酸和碱、肥料、机动车辆的工作流体(汽油、液压流体、电池酸、乙二醇和油)等。板104可以由金属板材、铸件、磨铣件等构成或制成,以促进适当的绝缘和密封(仅在不同介质可能接触板104的区域)。这些部件通过合适的保持或连接机构夹在一起用于运输。预组装的部件/模块可用于燃料电池系统生产线或组装。
塑料基部102由一种或多种合适的聚合物材料构成,该聚合物材料支持所使用的冷却剂和燃料电池的燃料。基部102材料或通道材料还可构造成支持-40至105℃之间的温度、冷却剂、过滤的空气、氢、水、蒸汽等。基部102材料还可构造成满足附加的要求,例如溅水(或重复浸泡)、盐、来自阳光的UV辐射和热辐射、落石、溶剂、酸和碱、肥料、机动车辆的工作流体(汽油、液压流体、电池酸、乙二醇和油)等。上述要求也称为介质耐性要求。
应理解,介质耐性要求可基于应用/用途而变化。
塑料基部102的材料可以比板104的材料轻。另外,与由铝或类似物制成的相似基部相比,塑料基部102可以使用合适的模制工艺以较低的成本容易地形成。
图2是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块100、200的图。应当理解,模块100、200是为了说明的目的而提供的,并且可以考虑适当的变型方案。
应当理解,模块200是为了说明的目的而提供的,并且可以考虑适当的变型方案。模块200是模块100的示例。
基部102包括在左侧示出的冷却输入部(冷却入口)212和在中间的空气摄入部(空气入口)214。
板104具有氢输入部208和水输出部210。
示出多个传感器206被集成到板104中。传感器206包括压力传感器、湿度传感器、氢传感器等。
多个传感器206也可以集成在塑料基部102中,连接到基部102和板104,以及其他合适的变型方案。
图3是示出根据一个或多个实施方案的示例基部102、300的图。应当理解,提供基部300是为了说明的目的,并且可以考虑适当的变型方案。基部300是合适的基部102的一个示例。
基部300包括从冷却剂输入部308输送合适的冷却剂通过其中的冷却剂通道306。
基部300还包括从空气输入部310输送空气的空气通道314。
基部300包括如图所示的输送氢的氢/燃料通道312。空气通道314在燃料通道312和冷却剂通道306之间。
图4是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块400的图。应当理解,模块100、200、400是为了说明的目的而提供的,并且可以考虑适当的变型方案。
各种插入件或夹具可形成在塑料基部102中以促进与板104的对准。所述夹具能够将所述模块牢固地组装到壳体和燃料电池堆。
图5是示出根据一个或多个实施方案的塑料基部102的立体视图500的图。
上部示出了具有连接点522的塑料基部102和形成在其中的各种通道。
示出塑料基部102包括几何支承结构(在该实施例中为矩形形状)。支承结构增强和/或促进塑料基部102的强度和稳定性,以满足由金属材料构成的相似燃料电池基部的应力和应变要求,同时成本和重量较低。
下面示出的图8示出了合适的实施例,其中结构材料和通道材料用于基部102的单独的组件。
下部示出了塑料基部102,其上连接有板104。
图6是示出根据一个或多个实施方案的制造燃料电池模块100的方法600的图。
在602处,板104由合适的材料形成,例如铝。板104形成有氢/燃料输入部和水输入部。
在块604处,塑料基部102由合适的塑料材料形成。塑料基部102形成有冷却剂通道、空气通道和燃料通道。在一个实施例中,塑料基部102使用模具形成。塑料基部102还形成有冷却剂输入部和空气输入部。
塑料基部102形成有构造的支承结构,以满足或超过应变和/或应力规格。
在块606处,板104和塑料基部102形成为模块100。可以使用粘合剂、紧固件、壳体插入件等来连接板104和塑料基部102。
使用模块100的燃料电池可以在608处操作以由氢/燃料产生电力。
可以使用具有一个或多个处理器等的电路来执行/控制方法100。
图7是示出根据一个或多个实施方案的燃料电池模块的图。应当理解,提供该模块是为了说明的目的,并且可以考虑适当的变型方案。
该模块是合适的模块100的示例。
在此示出模块具有多个在外围周围的夹具720。夹具形成在基部702、102上,并促进板104与基部702、102的连接。
图8是示出根据一个或多个实施方案的基部102、802的图。应当理解,提供基部102、802是为了说明的目的,并且可以考虑适当的变型方案。
示出基部802包括用于结构基部部件804的结构材料和用于306、312和314通道的通道材料。
结构材料包括为基部802提供结构和强度的聚合物组合物。选择组合物以满足或超过应变等规格。
选择通道材料以满足或超过针对由通道306、312和314输送的材料或介质的规格。
在一个实施例中,选择通道材料以适应氢的运输。
可以理解,也可以考虑其它合适的变型方案。
本文描述的各个方面或特征可以使用标准编程和/或工程技术实现为方法、装置或制品。如本文所使用的术语“制品”旨在涵盖可从任何计算机可读设备、载体或介质访问的计算机程序。例如,计算机可读介质可以包括但不限于磁存储设备(例如,硬盘、软盘、磁带等)、光盘(例如,压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等)、智能卡和闪存设备(例如,EPROM、卡、棒、密钥驱动等)。另外,本文描述的各种存储介质可以表示用于存储信息的一个或多个设备和/或其它机器可读介质。术语“机器可读介质”可以包括但不限于无线信道和能够存储、包含和/或携带指令和/或数据的各种其它介质。另外,计算机程序产品可以包括具有一个或多个指令或代码的计算机可读介质,所述指令或代码可操作以使计算机执行本文所述的功能。
此外,结合本文所公开的方面而描述的方法或算法的动作可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中或其组合中。软件模块可以驻存在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性存储介质可以连接到处理器,使得处理器可以从存储介质读取信息,并且可以向存储介质写入信息。在替代方案中,存储介质可与处理器成一体式。此外,在一些方面,处理器和存储介质可以驻存在ASIC中。另外,ASIC可以驻存在用户终端中。在替代方案中,处理器和存储介质可作为分立组件驻存于用户终端中。另外,在一些方面中,方法或算法的动作和/或步骤可作为代码和/或指令中的一者或任何组合或集合而驻存在机器可读介质和/或计算机可读介质上,所述机器可读介质和/或计算机可读介质可并入到计算机程序产品中。
如本文所用,术语“电路”可指执行一个或多个软件或固件程序的应用专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享的、专用的或组的)和/或存储器(共享的、专用的或组的)、提供所述功能性的组合逻辑电路和/或其它合适的硬件部件,或它们的一部分,或包括它们。在一些实施方案中,电路可以在一个或多个软件或固件模块中实现,或者与电路相关联的功能可以由一个或多个软件或固件模块实现。在一些实施方案中,电路可以包括至少部分地在硬件中可操作的逻辑。
如在本说明书中所采用的,术语“处理器”可以指基本上任何计算处理单元或设备,包括但不限于包括单核处理器;具有软件多线程执行能力的单处理器;多核处理器;具有软件多线程执行能力的多核处理器;具有硬件多线程技术的多核处理器;平行平台;以及具有分布式共享存储器的平行平台。另外,处理器可以指被设计为执行本文描述的功能和/或过程的集成电路、应用专用集成电路、数字信号处理器、现场可编程门阵列、可编程逻辑控制器、复杂可编程逻辑设备、分立门(discrete gate)或晶体管逻辑、分立硬件组件或其任意组合。处理器可以采用纳米级架构,例如但不限于基于分子和量子点的晶体管、开关和门,以优化空间使用或增强移动设备的性能。处理器也可以实现为计算处理单元的组合。
尽管术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述各种元件、组件、区、层和/或部段,但是这些元件、组件、区、层和/或部段不应当受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区、层或部段与另一个区、层和/或部段区分开。除非上下文清楚地指出,否则诸如“第一”、“第二”和其它数字术语的术语当在本文中使用时不暗示顺序或次序。因此,在不脱离示例实施方案的教导的情况下,下面讨论的第一元件、组件、区、层或部段可以被称为第二元件、组件、区、层或部段。
为了便于描述,本文中可使用诸如“内部”、“相邻”、“外部”、“以下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等空间相对术语来描述一个元件或特征与图中所示的另一个(多个)元件或特征的关系。空间相对术语可旨在涵盖除了图中所示的取向之外的设备在使用或操作中的不同取向。例如,如果图中的设备被翻转,则被描述为在其它元件或特征“以下”或“下方”的元件将被定向为在其它元件或特征“上方”。因此,示例术语“下方”可以涵盖上方和下方二者的取向。该设备可以以其它方式定向(旋转90度或处于其它取向),并且相应地解释本文所使用的空间相对描述。
应该补充的是,“具有”不排除其它元件或步骤,“一个”或“一”不排除多个。还应当注意,参照上述执行实施例之一描述的特征也可以与上述其他执行实施例的其他特征结合使用。权利要求中的附图标记不应被认为是限制。
提供了各种实施例,然而,应当理解,可以考虑合适的变型方案。
一个实施例是包括塑料基部和铝板的燃料电池模块。塑料基部102由聚合物材料构成。塑料基部102包括冷却剂输入部、空气输入部、冷却剂通道、空气通道和燃料通道。铝板104连接到塑料基部102的顶部部分。板104可包括连接到塑料基部的燃料通道的燃料输入部和水排出部。
一个通常方面包括燃料电池模块100。该燃料电池模块还包括塑料基部102,其可包括一种或多种聚合物材料并具有结构部件和通道部件,该塑料基部可包括冷却剂输入部、空气输入部、冷却剂通道、空气通道和燃料通道;连接到塑料基部的顶部部分的金属板104,该板可包括燃料输入部及水排出部。
执行方案可以包括一个或多个以下特征。材料构造成减轻燃料通道中的燃料和冷却剂通道中的冷却剂的腐蚀并支持燃料通道中的燃料和冷却剂通道中的冷却剂的使用。燃料是氢。在燃料电池模块100中,聚合物材料之一可包括树脂以达到介质耐性要求。在燃料电池模块100中,板104通过磨铣、压铸和/或切割金属板材来形成。在燃料电池模块100中,板104可包括被构造成满足介质耐性要求的密封件。在燃料电池模块100中,塑料基部102和板104通过粘合剂连接。在燃料电池模块100中,塑料基部102可以包括夹具416、414以促进与板104的连接。在燃料电池模块100中,塑料基部102可包括至少形成在燃料通道上的密封剂层,以满足氢燃料的介质要求。在燃料电池模块100中,塑料基部102可包括至少形成在冷却剂通道上的第二密封层,以满足冷却剂的介质要求。在燃料电池模块100中,塑料基部102可以包括至少形成在燃料通道上的密封剂层,从而允许不同的或非树脂的塑料材料用于通道。在燃料电池模块100中,通道部件可包括树脂塑料材料,而结构部件可以包括非树脂塑料材料。
一个通常方面包括制造燃料电池模块的方法600。制造方法600还包括使用铝材料形成板。制造方法600还包括用介质耐性材料涂覆该板的内表面。制造方法600还包括由聚合物材料形成塑料基部,所形成的基部具有冷却剂通道、空气通道和燃料通道。制造方法600还包括将板与塑料基部堆叠以形成燃料电池模块。
尽管上面已经详细描述了本公开的一些实施方案,但是本领域的普通技术人员将容易理解,在本质上不脱离本公开的教导的情况下,许多修改是可能的。因此,这些修改旨在包括在根据权利要求中所限定的本公开的范围内。
Claims (15)
1.燃料电池模块(100),包括:
塑料基部(102),该塑料基部由一种或多种聚合物材料构成并且具有结构部件和通道部件,所述塑料基部包括冷却剂输入部、空气输入部、冷却剂通道、空气通道和燃料通道;和
金属的板(104),该金属板连接到所述塑料基部的顶部部分,该板包括燃料输入部和水排出部。
2.根据权利要求1所述的燃料电池模块(100),所述聚合物材料构造成减轻来自所述燃料通道中的燃料和所述冷却剂通道中的冷却剂的腐蚀并且支持所述燃料通道中的燃料和所述冷却剂通道中的冷却剂的使用。
3.根据权利要求2所述的燃料电池模块(100),所述燃料是氢。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃料电池模块(100),所述聚合物材料中的一种包括树脂以达到介质耐性要求。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃料电池模块(100),所述板(104)通过磨铣、压铸和/或切割金属板材来形成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃料电池模块(100),所述板(104)包括构造成满足介质耐性要求的密封件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃料电池模块(100),所述塑料基部(102)和/或所述板包括一个或多个集成传感器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃料电池模块(100),所述塑料基部(102)和所述板(104)通过粘合剂连接。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃料电池模块(100),所述塑料基部(102)包括夹具(416、414)以促进与所述板(104)的连接。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的燃料电池模块(100),所述塑料基部(102)包括至少形成在所述燃料通道上的密封剂层以满足氢燃料的介质要求。
11.根据权利要求10所述的燃料电池模块(100),所述塑料基部(102)包括至少形成在所述冷却剂通道上的第二密封层,以满足冷却剂的介质要求。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的燃料电池模块(100),所述塑料基部(102)包括至少形成在所述燃料通道上的密封剂层,从而允许不同的或非树脂的塑料材料用于所述通道。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的燃料电池模块(100),所述通道部件包括树脂塑料材料,并且所述结构部件包括非树脂塑料材料。
14.制造燃料电池模块的方法(600),所述方法(600)包括:
使用铝材料形成板;
用介质耐性材料涂覆所述板的内表面;
由聚合物材料形成塑料基部,所形成的基部具有冷却剂通道、空气通道和燃料通道;和
将所述板与所述塑料基部堆叠以形成所述燃料电池模块。
15.根据权利要求14所述的方法,形成所述塑料基部包括形成由第一材料构成的结构部件和形成由树脂材料构成的通道部件。
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