CN101228658A - 用于燃料电池叠组中的重复单元和非重复单元的对准方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于装配燃料电池叠组(20)的对准系统(110)和方法。燃料电池叠组(20)的构件具有内部对准特征(110)，并且在装配期间对准到预定的定向上。该系统和方法允许在高的公差水平下装配燃料电池叠组(20)，同时改进在装配期间对各构件的接近途径。另外，该系统和方法可为燃料电池叠组(20)提供额外的刚度。

Description

用于燃料电池叠组中的重复单元和非重复单元的对准方法
发明领域
本发明涉及燃料电池叠组，更具体地说，涉及一种装配燃料电池叠组的对准系统和方法。
发明背景
在许多应用，例如在电动车辆的动力设备中，使用燃料电池或已经提出燃料电池作为一种功率源，以替换内燃机，并且在固定应用中，用以产生电功率。在质子交换膜(PEM)类型的燃料电池中，将氢供给燃料电池的阳极，并将氧供给阴极。PEM燃料电池包括膜电极组件(MEA)，其包括薄的，能传送质子的，非导电的固体聚合物电解质膜，在其一个面上具有阳极催化剂，并且在其反面具有阴极催化剂。MEA夹在一对用作阳极和阴极集电器的导电元件之间，并且包含用于将燃料电池的气态反应物分布在相应的阳极和阴极催化剂的表面上的合适的通道和/或开口。在分别于1993年12月21日和1994年5月31日公布、并转让给通用汽车公司的美国专利No.5,272,017和5,316,871中描述了一种典型的PEM燃料电池和其MEA。
用语″燃料电池″根据上下文通常用于指单个电池或多个电池。多个单个的电池通常封装在一起而形成燃料电池叠组。在燃料电池叠组中的各电池包括早先所述的MEA，并且各MEA提供了其电压增量。
将燃料电池叠组的构件精确对准到预定的定向是必需的。通常在装配期间通过利用外部元件根据相应的构件周边而将构件包围或罩起来，从而对燃料电池叠组的构件进行对准。然而，这种外部元件在装配期间可能限制了对各种构件的接近。另外，还需要比可由这种外部元件所提供的公差水平更高的公差水平。因此，需要利用内部特征来对准燃料电池叠组的构件。
发明概要
本发明提供了一种用于装配燃料电池叠组的对准系统和方法。燃料电池叠组的构件具有内部对准特征，并且在装配期间对准到预定的定向上。本发明允许在高的公差水平下装配燃料电池叠组，同时改进在装配期间对各构件的接近。另外，本发明可为燃料电池叠组提供额外的刚度。
一种根据本发明原理的用于燃料电池叠组的对准系统包括可操作地支撑燃料电池叠组构件的夹具(fixture)。至少一个对准部件可选择性地在第一位置和第二位置之间操作。对准部件构造成可与燃料电池叠组构件上的内部对准特征相互作用。对准部件的第一位置对应于与对准特征接合。对准部件的第二位置对应于与对准特征分离。
在本发明的另一方面，燃料电池叠组包括多个彼此相邻地设置在叠组结构中的燃料电池。燃料电池具有内部对准特征，其允许各燃料电池的构件利用对准部件而彼此相对地对准在预定的定向上。各对准特征包括构造成可在对准特征设置在对准部件周围时，选择性地与对准部件接合和分离的接合面。
在本发明的另一方面，公开了一种装配燃料电池叠组的方法，所述燃料电池叠组具有多个带内部对准特征的构件。该方法包括：(1)将至少一个对准部件定向到第一位置；(2)利用对准部件的内部对准特征将至少其中一个燃料电池叠组的构件定位在对准部件上；(3)将燃料电池叠组的构件和对准部件对准；和(4)将燃料电池叠组的构件压缩在一起。
从后文所提供的详细说明中将清楚本发明可适用的其它领域。应当理解，该详细说明和特定示例虽然显示了本发明的优选实施例，但是其只是用于示例性目的，而并非试图限制本发明的范围。
附图简介
从详细说明和附图中将更全面地了解本发明，其中：
图1是根据本发明原理的一个示例性的燃料电池叠组的分解透视图；
图2是根据本发明原理的一个示例性的对准部件的透视图；
图3A是沿着图2的剖面线3-3的对准部件的截面图；
图3B-3D根据本发明原理的对准部件的备选实施例沿着图2的剖面线3-3的截面图；
图4A和4B是根据本发明原理的对准部件的平面图，其中图3A的横截面分别与相应的燃料电池叠组构件的对准特征接合和分离；
图5A和5B是根据本发明原理的对准部件的平面图，其中图3B的横截面分别与相应的燃料电池叠组构件的对准特征接合和分离；
图6A和6B是根据本发明原理的对准部件的平面图，其中图3C的横截面分别与相应的燃料电池叠组构件的对准特征接合和分离；
图7A和7B是根据本发明原理的对准部件的平面图，其中图3D的横截面分别与相应的燃料电池叠组构件的对准特征接合和分离；
图8是根据本发明原理的对准部件的平面图，其中图3A的横截面与同一部分流体集管相对应的对准特征分离；
图9A-11B是根据本发明原理的处在各个装配阶段的燃料电池叠组的装配机构的透视图；
图12A和12B是根据本发明原理的用于一对对准部件的促动器在相应的第一位置和第二位置的侧视图；
图13A是根据本发明的第一备选实施例，带有两个对准部件和两个弹簧机构的燃料电池叠组的分解透视图，其中所示的一个弹簧机构与燃料电池构件接合，并且以分解图显示了另一弹簧机构；
图13B是根据本发明的第一备选实施例的与图13A的燃料电池构件接合的弹簧机构的放大的局部剖视图；
图14是根据本发明的第二备选实施例的对准部件的透视图，其带有穿过外表面的内部流体通道和孔；
图15A是根据本发明的第三备选实施例的包括径向扩展的对准部件的装配机构的分解透视图；
图15B是装配机构沿着图15A的剖面线15B-15B的截面图；
图16A和16B是根据本发明原理的分别与相应的燃料电池叠组构件的对准特征接合和分离的图15A所示径向扩展的对准部件的平面图；
图17A-17C是根据本发明的原理来装配燃料电池叠组的流程图；和
图18是根据本发明原理的燃料电池叠组的顶端构件的盲孔中的对准部件的简化的局部截面图，在它们之间存在间隙。
优选实施例的详细描述
以下对优选实施例的细节描述在性质上只是示例性的，而并决非意图限制本发明、其应用或用途。
为了获得对本发明更好的理解，图1中显示了根据本发明原理的一个示例性的燃料电池叠组20的分解图。图1显示了两个连接起来以形成叠组20的单个PEM燃料电池，其具有通过导电的液冷式双极隔板传导元件26而彼此间隔开的一对MEA 22，24。MEA形成各燃料电池的活性区域。没有串联地连接在叠组中的单个的燃料电池，具有带单个电活性面的隔板26。在叠组中，优选的双极隔板26通常具有两个位于叠组中的电活性面28，30，各活性面28，30分别面向带相反电荷的单独的分开的MEA 22，24，因此被称为″双极″板。
MEA 22，24和双极板26叠组在一起，位于不锈钢夹钳端板32，34和末端接触流体分布元件36，38之间。末端流体分布元件36，38，以及双极板26的工作面或边28，30包含多个与活性面42，28，30和44上的凹槽或槽道相邻的槽脊(land)，并形成用于将阳极和阴极反应物(即，H2和O2/空气)分布到MEA 22，24上的流场。相应的末端流体分布元件36，38的面40和46还包含多个与凹槽或槽道相邻的槽脊，但为非活性的，并且不具有流经凹槽的流体。非传导的垫圈或密封件48，50，52，54，56和58提供了燃料电池叠组的几个构件之间的密封和电绝缘。透气的传导扩散介质60，62，64和66压靠在MEA 22，24的电极面上。在末端接触流体分布元件36，38和终端集电板32，34之间设置了额外的传导介质层68，70，从而在正常操作状态期间压缩叠组时提供它们之间的传导路径。末端接触流体分布元件36，38分别压靠在扩散介质60，68和66，70上。作为备选，可使用将MEA、扩散介质层和密封部件集成在一起，以作为单个构件的组合式MEA(未示出)。
从储槽、甲醇或汽油重整器等中，将采用H2形式的阳极反应物经过合适的供给管道72而供给燃料电池叠组20的阳极流场。类似地，从储槽或从周围环境中将采用O2/空气形式的阴极反应物经过合适的供给管道74而供给燃料电池叠组20的阴极流场。还提供了排气管道76，78，用于相应的燃料电池叠组20的阳极和阴极流场中所产生的阳极和阴极流出物。提供额外的供给管道80用于使冷却剂穿过双极板26和端板36，38以及出口管道82而循环。供给和出口或排放管道72，74，76，78，80和82在燃料电池叠组20中采用集管形式。
燃料电池叠组20的各种构件具有孔84，86，88，90，92和94，其对准，而形成用于反应物流和冷却剂流的供给流体集管和返回流体集管。在以下构件上可包括有孔：MEA 22和24，密封部件48，50，52，54，56和58，双极板26，末端流体分布元件36和38，以及端板32和34。孔84和86与阳极反应物管道72和76流体连通。孔88和90与阴极反应物管道74和78流体连通。类似地，孔92和94与冷却剂管道80和82流体连通。如下面更详细所述，在本发明的某些实施例中，孔84，86，88，90，92和94还可用作燃料电池叠组20的构件的内部对准特征。
现在参见图2，其显示了根据本发明原理的一个示例性的对准部件96。对准部件96具有相对的末端98和100，它们之间限定了长度L。对准部件96还包括一个外表面102，其带有设计成可选择性地与燃料电池叠组20的构件的内部对准特征相接合的部分104。
对准部件可由各种材料制成。例如，对准部件96可由金属如高度抛光的钢、聚合物和陶瓷材料制成。当设计成可保持在燃料电池叠组中时，对准部件96由非导电材料制成，或者具有非传导的涂层。如下面更详细所述，对准部件96还可具有当和燃料电池叠组20的构件相互作用时可减轻摩擦的涂层。合适的涂层包括Teflon涂层、石墨和硫化钼，但也可使用其它涂层。
图3A显示了对准部件96的优选实施例的横截面106。如下面更详细所述，接合部分104是凸出的，并且设计成可与类似弯曲的燃料电池构件的对准特征相接合。图3B-3D显示了对准部件96的备选实施例的横截面。图3B显示了带大致方形横截面106′的对准部件96′，其中接合部分104′由圆角形成。对准部件96′与图3A的对准部件96基本上相似，但接合部分104′具有比接合部分104更小的曲率半径。图3C显示了带大致三角形横截面106′的对准部件96″，其中接合部分104″由圆角形成。图3D显示了带大致八边形横截面106′″的对准部件96′″，其中接合部分104′″位于其中的两边。
现在参见图4-7，其显示了与燃料电池叠组构件上的内部对准特征相互作用的对准部件96的各种实施例。图4A显示了围绕对准部件96的优选实施例而设置、并与之接合的燃料电池叠组20的构件108的一部分。凸出部分104与构件108的大致方形的内部对准特征110接合。具体地说，如以下更详细所述，部分104与对准特征110的四个互补的凹入表面112相接合，从而在对准部件96和构件108之间提供了四个相互作用的区域或点，以便对准构件108。接触区域在对准部件和构件之间提供了低的接触应力和高的负荷容量。图4B显示了与内部对准特征110的接合面112分离的对准部件96。对准部件96已经围绕纵向轴线旋转，而从图4A中所示的接合位置移动到图4B中所示的分离位置。
图5-7中显示了对准部件96的备选实施例和相应的对准特征110的形状。在这些实施例中，对准部件还围绕纵向轴线旋转，从而在接合位置和分离位置之间移动。图5A和5B显示了对准部件96′和构件108′，其具有大致方形对准特征110′。如以下更详细所述，对准部件96′的部分104′与内部对准特征110′的基本平直的接合面112′相接合，从而在对准部件96′和构件108′之间提供四个相互作用的点或区域，以对准构件108′。图6A和6B显示了对准部件96″和构件108″，其具有大致三角形对准特征110″。如以下更详细所述，对准部件96″的部分104″与内部对准特征110″的基本平直的接合面112″相接合，从而在对准部件96″和构件108″之间提供三个相互作用的点或区域，以对准构件108″。类似地，图7A和7B显示了对准部件96′″和构件108′″，其具有大致方形对准特征110′″。如以下更详细所述，对准部件96′″的部分104′″与内部对准特征110′″的基本平直的接合面112′″相接合，从而在对准部件96′″和构件108′″之间提供两个相互作用的点或区域，以对准构件108′″。
如上所述，各对准部件提供了至少两个与各构件相互作用的点或区域。可以预期，可使用两个或更多个对准部件来对准燃料电池叠组的构件。总的来说，根据本发明原理，为了对准构件，在所有包括的对准部件和构件之间，需要至少五个相互作用的点或区域。通常使用能提供总共五个或六个相互作用的点或区域的对准部件的组合。优选使用两个尺寸和形状相同的大致方形的对准部件，来提供六个相互作用的点或区域。一个方形对准部件与方形对准特征相互作用，以提供四个相互作用的点或区域，并且另一方形对准部件与矩形对准特征相互作用，以提供两个相互作用的点或区域，从而产生总共六个相互作用的点或区域。应当理解，可采用各种组合来获得相互作用区域上的点的所需总数。
根据本发明的原理，对准部件可通过围绕纵向轴线的旋转，而选择性地与燃料电池叠组构件的内部对准特征接合和分离。另外，对准部件可选择性地定位在完全接合位置和完全分离位置之间的各种定向上，从而提供与内部对准特征相接合的所需水平。如以下更详细所述，完全分离的对准部件可在轴向方向上相对于构件移动，而不与任何构件接触，之后与构件重新接合或从燃料电池叠组中取下。如下面更详细所述，当处于接合位置时，与对准部件接合的构件将在所需的定向上彼此相对地对准。
构件上的内部对准特征的位置可根据燃料电池叠组的设计而改变。例如，对准特征可设置在燃料电池叠组的密封周边的内部或外部。内部对准特征优选是与流体集管分开的构件中的分散孔，并且定位在燃料电池叠组的密封周边的外部。如果位置在密封周边的外部，那么内部对准特征可具有不连续的周边，并且可包括在所有的构件上。作为备选，如图8所示，内部对准特征可以是流体集管的分段部分。在这种情况下，隔离部件114分隔集管的一部分，并形成部分对准特征。当燃料电池叠组操作时，相同的流体将流过集管和相关的对准特征，以及它们之间。
图9-11显示了根据本发明原理，用于装配燃料电池叠组的装配机构130。参见图9A和9B，其显示了在燃料电池叠组20进行部分装配下的装配机构130。装配机构130包括可移动的支撑夹具132，可移动的冲头或压头135，以及两个各具有长度L的对准部件96。夹具132在装配过程期间支撑燃料电池叠组20的构件。如下所述，在装配过程期间，冲头135和/或夹具132将燃料电池叠组20的构件压缩在一起。
如上所述，对准部件96可在完全接合位置、完全分离位置以及在这二者之间的中间位置之间旋转。为了给这种旋转提供动力，如图12A和12B中所示，对准部件96可分别在第一位置和第二位置联接到促动机构140上。促动机构140包括线性促动器142，其驱动连杆144，使孔146和148在与对准部件96的完全接合位置和完全分离位置以及它们之间的中间位置相对应的第一位置和第二位置之间旋转，从而提供所需的接合水平。
再次参见图9A，距离D1被限定为在装配机构130的夹具132和底部基准位置134之间的距离。夹具132可操作地根据构件数量而改变距离D1，以便将工作高度保持在所需的范围内，从而为额外的构件提供空间，并有助于将构件压缩在一起。距离D2被限定为在可移动的冲头135上的基准点和可移动的夹具132上的基准点之间的距离。图9B显示了燃料电池叠组20和夹具132的放大图。距离D3被限定为在对准部件96和燃料电池叠组20的当前最上面构件之间的距离。如以下更详细所述，在装配期间，由于系统的工作高度保持在所需的范围内，所以距离D3保持在有限的范围内。在装配期间，将距离D3保持在有限的范围内，就使得易于接近各个构件。
图10A和10B显示了将更多的燃料电池叠组20构件装配在一起时的装配机构130。另外，图11A和11B显示了将燃料电池叠组20的所有构件对准并通过压缩装置138压缩在一起时的装配机构130。
在上面论述的优选的实施例中，对准部件96并不与弹簧机构相互作用。弹簧机构相当于对准部件的第一备选实施例，并且在下面进行详细论述。在讨论第一备选实施例的细节之前，先介绍利用对准部件96的优选实施例进行燃料电池叠组20的装配。
参见图17A-17C，其显示了根据利用对准部件的各种实施例的本发明方法所进行的燃料电池叠组20的装配。如判定框图1000中所示，该方法将根据是否使用弹簧机构与对准部件协同而不同。当不利用弹簧机构与对准部件96协同时，装配方法继续到判定框图1010。如判定框图1010中所示，可装配燃料电池叠组20，使对准部件96处于接合位置或分离位置。优选装配燃料电池叠组20，使对准部件96处于接合位置。当在这种情况下时，如框图1020中所示，通过促动机构140将对准部件96定向到接合位置。
燃料电池叠组20的构件，无论是单个的还是成组的，都定位在对准部件96上，使对准特征110和对准部件96对准。使所述构件沿着对准部件96的长度滑动一段距离D3，直到所述构件位于直接与装配机构130的任何前面构件或夹具132相邻的位置时为止。所述构件沿着对准部件96的长度滑动，使接合部分104与对准特征110的接合面112相接合。在这个装配阶段期间，对准部件96可以只包含一定量的构件，如由图9B和10B中所示的距离D3代表。一旦距离D3减小到预定的最小值以下时，就停止进一步添加燃料叠组20的构件。
如果如判定框图1040中所示，需要进一步增加构件，那么通过促动机构140将对准部件96旋转到分离位置，如框图1050中所示。由于对准部件96与已经装配好的燃料电池叠组20的构件是分离的，所以对准部件96可相对于构件自由移动。如框图1060中所示，降低夹具132，使得距离D1随着距离D3增加而减小。由于对准部件96现在延伸到高出燃料电池叠组20的最上面构件一段足够的距离处，以便可增加额外的构件，所以如框图1020中所示，通过促动机构140将对准部件96再次旋转到接合位置。由框图1020，1030，1040，1050和1060代表的图17A中所示的装配过程持续到达到所需的构件总数量时为止。一旦如判定框图1040中所示，增加了所有构件之后，就准备开始燃料电池叠组20的最后装配，如图17C中所示。
在最后装配期间，如图17C中所示，压缩燃料电池叠组20。可压缩燃料电池叠组20，使对准部件96处于接合位置、分离位置或处于它们之间的某个水平。因而，如判定框图1066中所示，对是否压缩燃料电池叠组20，使得对准部件96处于完全接合位置作出判定。如果需要压缩燃料电池叠组20，使得对准部件96处于某个分离水平，那么如框图1068中所示，就将对准部件96定向到所需的分离水平。当在压缩期间将对准部件96保持在完全接合位置时，对准部件96有助于在压缩期间保持燃料电池叠组20的构件的对准。当压缩燃料电池叠组20，使得对准部件96略微分离(一定程度的分离)时，对准部件96在压缩期间仍然有助于将燃料电池叠组20的构件保持在其所需的定向上，同时还减少了对准部件96的磨损，并有助于最大程度地减小在压缩工艺期间对燃料电池叠组20的构件造成损伤的可能性。在对准部件96处于所需定向(位置)的条件下，然后如框图1070中所示压缩燃料电池叠组20。
参见图11A和11B，燃料电池叠组20的顶端构件138固定在冲头135上，并且冲头135朝向夹具132移动，并将各种构件压缩在一起。随着距离D2减小，燃料电池叠组20的构件被压缩在一起。如下所述，这种压缩可以是单阶段压缩方式或两阶段压缩方式。在单阶段压缩方式中，构件相对于对准部件96的运动由孔139进行调节，孔139穿过燃料电池叠组20的顶端(最上面的)构件138以及任何涉及该相对运动的装配机构130的构件。冲头135和/或夹具132压缩燃料电池叠组，直到将所需的压缩力传递到其上面或已经达到所需的压缩距离时为止。
优选利用两阶段压缩方式，如框图1072-1078中所示。在两阶段压缩方式中，顶端构件138并不包括可允许对准部件96在压缩燃料电池叠组20期间从中穿过的孔139。相反，顶端构件138包括图18中所示的多个盲孔150，其通常具有与燃料电池叠组的其它构件上的对准特征相同的几何形状。盲孔150在压缩燃料电池叠组20期间接受对准部件96的一部分。
在两阶段压缩方式的第一阶段，冲头135(和固定在其上面的顶端构件138)朝向夹具132移动，如框图1072中所示，使对准部件96处于完全或部分接合的位置。对准部件96优选处于完全接合位置。冲头135朝向夹具132移动，并且在它们之间压缩燃料电池叠组20，直到达到第一预定的压缩水平时为止，如框图1074中所示。第一预定的压缩水平对应于预定的存在于对准部件96的末端和盲孔150的末端之间的最大间隙151，如图18中所示。预定间隙151的最大值被设为对应于一种压缩水平，即将构件压缩到其中所述构件之间的摩擦禁止相对运动的程度，相对运动将会在后续额外的压缩期间改变构件与完全分离的对准部件96的对准。
一旦实现了第一预定的压缩水平，就开始压缩方式的第二阶段。如框图1076中所示，竟对准部件96移动到进一步分离的位置，优选完全分离位置。如框图1078中所示，将燃料电池叠组20压缩到第二预定的压缩水平。在这个压缩的第二阶段期间，冲头135和夹具132以同步方式彼此相向地移动，从而在运动期间将间隙151保持在预定的公差水平内。也就是说，冲头135和夹具132同时协同地(以基本相同的速率)彼此相向地移动。结果，在压缩的第二阶段期间将间隙151保持在预定的公差水平内。第二预定的压缩水平对应于传递到燃料电池叠组20上的所需的最后的压缩力或所需的最后的压缩距离。
不管利用哪种压缩方式，一旦已经将燃料电池叠组20压缩了所需的距离或受到所需的压缩力，就将燃料电池叠组20的端板锁定就位，如框图1080中所示。在端板彼此相对固定就位的条件下，然后燃料电池叠组20将压缩力保持在燃料电池叠组中的各种构件上，并严格地禁止构件彼此相对的运动。
对准部件96可从燃料电池叠组20中被取下，或作为备选可保留在燃料电池叠组20中，以便为燃料电池叠组提供额外的刚度和支撑。优选从燃料电池叠组20中取下对准部件96。然而，如果将对准部件留在燃料电池叠组20中，如判定框图1090中所示，那么对准部件96优选处于接合位置。因此，如果需要将对准部件96移动到接合位置，如框图1095中所示，然后完成根据本发明的装配方法。如果将对准部件96取下，那么根据需要可通过促动器机构140将对准部件96旋转到分离位置，如框图1100中所示。在对准部件分离的条件下，然后可从燃料电池叠组20中取下对准部件，如框图1100中所示。为了取下对准部件，将冲头135向上移动到其正常位置，并且通过支撑夹具132的运动可将燃料电池叠组20相对于对准部件96移动。然后可从装配机构130中取下燃料电池叠组20，并且完成根据本发明的燃料电池叠组20的装配。
如上所述，在对准部件处于分离位置而非之前所述的接合位置时，可增加燃料电池叠组20的构件，如判定框图1010所示。在这种情况下，如框图1120中所示，对准部件96通过促动机构140而旋转到分离位置。然后通过使构件沿着对准部件96的长度D3滑动，并将构件定位在相对于任何前面的构件大体对准的定向上，可在夹具132上将燃料电池叠组20的构件(无论是单个的或大体上对准的成组的)装配在一起。在这点上，构件的数量将根据构件对准部件96的数量而改变，对准部件96可通过旋转到接合位置而彼此相对地对准。
当已经增加了可允许的(或者更少数量的，如果需要的话)数量的构件时，那么就通过促动机构140将对准部件96旋转到接合位置，从而使构件彼此相对地对准到特定的定向上，如框图1140中所示。对准部件96至接合位置的旋转造成滞留在对准部件96上的燃料电池叠组20的构件移动到对准定向上。
如果如判定框图1150中所示，将要进一步增加构件，那么通过促动机构140将对准部件96旋转到分离位置，如框图1160中所示。如果距离D3不能容纳额外的构件，那么如框图1170中所示，通过降下夹具132而使对准部件96相对于燃料电池叠组20的构件轴向移动。随着距离D1减小，距离D3增加。一旦D3达到足够的大小，就停止夹具132的运动，并添加额外的构件，如框图1130中所示和上述。由框图1130，1140，1150，1160和1170所示的装配过程持续到已经将所需数量的构件添加到燃料电池叠组20上时为止。
一旦已经将所需数量的构件添加到燃料电池叠组20上，如框图1150中所示，那么就可根据本发明方法开始燃料电池叠组20的最后装配。最后装配以如上述和如框图1066-1110中所示的相同方法来执行。因此，将不进一步描述燃料电池叠组的最后装配。
如上所述，如图13A和13B中所示，本发明的第一备选实施例包括弹簧机构252，其与对准部件296协同使用，以对准燃料电池叠组220的构件。弹簧机构252与对准部件296的协同使用通常用于具有更短长度和/或更少燃料电池的燃料电池叠组220中。图13A显示了燃料电池叠组220的分解图。燃料电池叠组220包括多个构件208，两个对准部件296，和两个相应的弹簧机构252。一个弹簧机构252显示为联接在构件208上，而另一弹簧机构252以分解图进行显示。各弹簧机构252包括端盖253，弹簧部件254，垫圈255和延长销256。延长销256从端盖253延伸到对准部件296的下面部分。弹簧部件254被压缩，以允许对准部件296相对于构件208的运动。图13B显示了弹簧机构252与燃料电池叠组220和对准部件296相接合的放大图。
图17A-17C中显示了根据本发明方法的利用与对准部件296协同使用的弹簧机构252所进行的燃料电池叠组220的装配。当弹簧机构252与对准部件296协同使用以装配燃料电池叠组220时，如框图1000中所示，图17B中所示的装配方法与在未采用弹簧机构的上述装配方法不同。
如同上面所讨论的之前方法一样，燃料电池叠组220的构件可在对准部件296处于接合位置或分离位置时进行装配，如判定框图1180中所示。优选在对准部件296处于接合位置时添加燃料电池叠组220的构件。在这种情况下，通过促动机构140将对准部件296旋转至接合位置，如框图1190中所示。燃料电池叠组220的构件通过使各种构件(无论单个或大体上对准的成组构件)沿着对准部件296的长度滑动而装配在一起。因为对准部件296处于接合位置，所以当添加各构件时，构件将自定向到所需的位置，使其相对于其它构件对准。
如上所述，弹簧机构252和对准部件296通常与较短的燃料电池叠组相关。因此，对准部件296在装配期间将不会相对于燃料电池叠组的构件轴向移动。相反，将继续单个地或大体上成组地添加燃料电池叠组220的各构件，直到已经将所有的构件都定位在对准部件296上，并彼此相对地对准时为止。一旦已经添加了所有的构件，就可根据本发明方法开始燃料电池叠组的最后装配。
燃料电池叠组220的最后装配基本上与上面参照框图1066-1110和单阶段压缩方式所论述相同。当弹簧机构252与对准部件296相关时，不采用两阶段压缩方式。在燃料电池叠组220的压缩期间，由于弹簧部件254的压缩，弹簧机构252可使对准部件296随着燃料电池叠组220构件的压缩而轴向移动。对准部件296的这种轴向运动导致燃料电池叠组220的构件之间的受限的相对轴向运动，这些燃料电池叠组220的构件在燃料电池叠组220的压缩期间，通过对准部件296进行对准。此外，通过允许对准部件296轴向移动，当将对准部件296轴向压缩到燃料电池叠组220的下端构件中时，并不需要穿过燃料电池叠组220最上面构件以及装配机构130的构件的孔。因而，燃料电池叠组220的最后装配基本上与上面参照框图1066-1110和单阶段压缩方式所论述相同。因此，将不进一步描述燃料电池叠组的最后装配。
如上所述，可在对准部件296处于分离位置的条件下装配燃料电池叠组220，如判定框图1180中所示。在这种情况下，通过促动机构140将对准部件296旋转至分离位置，如框图1210中所示。在对准部件296处于分离位置时，燃料电池叠组220的一个或多个构件，无论是单个地还是大体上对准的成组构件，通常都会在所需的对准定向上沿着对准部件296滑动。当从分离位置旋转到接合位置时，对准部件296将能够使一定数量的不对准的构件对准。因此，可持续将构件添加到对准部件296上，直到满足对准部件296的容量。
通过将对准部件296旋转到接合位置，可使所述构件对准，如框图1230中所示。这是通过促动机构140完成的。如果如判定框图1240中所示，需要增加额外的构件，那么通过促动机构140将对准部件296旋转到分离位置，如框图1210中所示。然后可添加额外的构件。
添加和对准构件的工艺，如框图1210，1220，1230和1240所示，持续到燃料电池叠组220的所有构件都已经装配并定向到其对准位置时为止。在装配和对准所有的构件之后，如上所述和如框图1066-1110中所示，将开始燃料电池叠组220的最后装配。因此，将不进一步论述燃料电池叠组的最后装配。
现在参见图14，其显示了根据本发明原理的对准部件的第二备选实施例。对准部件396设计成可保留在燃料电池叠组中，并构造成可在形成部分流体集管的对准特征中使用，例如图8中所示的对准特征110。在已经装配好燃料电池叠组之后，以及在使用燃料电池叠组期间，对准部件396保留在流体集管的那一部分中。因为对准部件396保持在形成流体集管一部分的对准特征中，所以，对准部件396设计成对穿过该集管和形成该集管一部分的对准特征的流体流动具有最小的影响。因此，对准部件396包括末端360，362，以及在它们之间延伸的内部流体通道364。对准部件396的外表面366包括与内部流体通道364流体连通的多个孔368。
当流体流过集管和对准特征时，流体可环绕对准部件396的外部而流动，穿过通道364，并在它们之间经由孔368流动。因而，对准部件396允许流体流过集管的对准特征，以到达必要的燃料电池叠组的构件上。此外，对准部件396优选为非传导的，或具有非传导涂层，从而不会干扰流过燃料电池叠组的电流。当其保留在燃料电池叠组中时，对准部件396优选保持在与对准特征相接合的位置。通过将对准部件396保持在接合位置，对准部件396为燃料电池的构件和整个燃料电池叠组增加了额外的刚度和稳定度。此外，通过将对准部件396保持在接合位置，进一步抑制了燃料电池叠组的各种构件的相对运动。
利用对准部件396装配燃料电池叠组的方法与上面参照在装配之后将对准部件保留在燃料电池叠组中的优选实施例所论述的装配方法相同。因此，将不进一步论述利用对准部件396所进行的燃料电池叠组的装配。
图15和图16中显示了本发明的第三备选实施例。图15A显示了将燃料电池叠组420部分地装配到装配底座430上的分解图。燃料电池叠组420包括围绕对准部件496而设置的构件408。如以下更详细所述，对准部件496通过径向扩展和收缩而相对于构件408在接合位置和分离位置之间移动。
参见图15B，详细地显示了对准部件496。径向扩展和收缩的对准部件496各包括三个互补的部件470，471和472，其提供了位于各端的渐缩形的内凹部和轴向延伸的内部通道。部件470，471和472的渐缩形部分和楔块474和476相互作用。楔块474包括渐缩形的外部分，其与部件470，471和472所形成的渐缩形凹部相接合，并可相对于楔块476而移动，从而提供对准部件496的径向扩展和收缩。扩展与接合位置相对应，而收缩与分离位置相对应。固定的楔块476固定在装配底座430上，并且还包括渐缩形的外部分，其与部件470，471和472所形成的相对的渐缩形凹部相接合。
对准部件496包括可轴向移动的杆件478。杆件478定位在互补部件470，471和472之间的内部通道中，并固定在可移动的楔块474上。杆件470能够相对于互补部件470，471和472以及固定的楔块476而轴向移动。促动器440联接在杆件478上，并可操作地使杆件478轴向移动。杆件478相对于固定楔块476的运动导致可移动的楔块474朝向或远离固定楔块476而移动，以造成对准部件496的径向扩展或收缩。
对准部件496还包括径向向内偏压部件470，471和472的上面和下面的偏压部件480。因而，当将可移动的楔块474拉向固定楔块476时，楔块474，476上的渐缩形表面和部件470，471和472所形成的渐缩形凹部的接合，就导致部件470，471和472克服偏压部件480的偏压而径向向外移动到接合位置。另一方面，可移动的楔块474远离固定楔块476的运动允许偏压部件480的作用力迫使部件470，471和472径向向内移动到分离位置。
图16A和图16B显示了分别与具有内部对准特征410的构件408接合和分离的对准部件496。应当理解，出于说明性的目的已经放大了图16A和16B的相对比例。参见图16A，其显示了径向扩展的并且处于接合位置的部件470，471和472。在接合位置，部件470，471和472各具有至少一个与构件408的内部对准特征410相互作用的点或区域，从而为各个对准部件496提供了至少三个接触点或区域。参见图16B，显示了径向收缩的部件470，471和472，其与构件408分离，从而未与内部对准特征410相互作用。
利用对准部件496进行的燃料电池叠组的装配基本上与上面参照对准部件96所论述的装配是相同的，其中主要差异在于，对准部件496在与燃料电池叠组的构件形成接合和分离的位置之间移动的方式。因此，不再进一步论述利用对准部件496所进行的燃料电池叠组的装配。
应当理解，本发明可在所示和所述的特定特征和功能上进行变化。包括在燃料电池叠组中的板可由各种材料制成，并具有各种结构。例如，可使用复合板和不锈钢板，并且板可具有冲压、蚀刻、模制或机械加工的结构。对准部件和内部对准特征的形状还可进一步不同于这里所示的几个实施例。还可改变用于本发明的装配机构的构造，本发明的燃料电池叠组的尺寸，以及对准部件的数量和类型。另外，还可构思出装配方法上的变化。因而，本发明的描述在性质上仅仅是示例性的，不脱离本发明要点的变型将属于本发明的范围内。这种变型并不被认为脱离了本发明的精神和范围。

Claims (48)

1.一种用于燃料电池叠组的对准系统，所述燃料电池叠组具有多个带内部对准特征的构件，所述对准系统包括：
夹具，其可操作，以用于支撑燃料电池叠组的构件；和
至少一个可选择性地在第一位置和第二位置之间操作的对准部件，所述对准部件构造成用于与燃料电池叠组的构件上的内部对准特征相互作用，所述第一位置对应于与对准特征相接合，所述第二位置对应于与对准特征分离。
2.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件具有外表面，并且当处于所述第一位置时，所述外表面的部分与对准特征相接合。
3.根据权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述外表面具有几何形状，当处于所述第一位置时，所述几何形状造成与对准特征相接触的多个不同的点。
4.根据权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件的接合部分在横截面上是大致方形的。
5.根据权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件的接合部分在横截面上是大致三角形的。
6.根据权利要求2所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件的接合部分在横截面上是大致八边形的。
7.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件构造成在装配之后保留在燃料电池叠组中。
8.根据权利要求7所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件具有内部流体通道和外表面，所述外表面带有多个与所述通道相通的孔，从而可使流体在所述通道和所述对准部件的外部之间通过。
9.根据权利要求7所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件在所述第一位置和第二位置之间旋转。
10.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，还包括有动力的的促动器，其可操作，而使所述对准部件在所述第一位置和第二位置之间移动。
11.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件的径向尺寸随着所述对准部件在所述第一位置和第二位置之间移动而变化。
12.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，当所述对准部件处于所述第一位置时，燃料电池叠组的构件可相对于所述对准部件轴向地移动。
13.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，还包括联接在所述对准部件上的弹簧部件，并且，当将燃料电池叠组的构件轴向地压缩在一起时，所述对准部件轴向地移动。
14.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件从所述第二位置至所述第一位置的运动导致燃料电池叠组的构件彼此相对地移动到预定的定向。
15.根据权利要求1所述的对准系统，其特征在于，所述对准部件可选择性地定位在所述第一位置和第二位置之间的中间位置，从而在所述对准部件和所述内部对准特征之间提供变化的接合程度。
16.一种燃料电池叠组，包括多个彼此相邻地设置成叠组构造的燃料电池，所述燃料电池具有内部对准特征，其允许利用对准部件将各燃料电池的构件彼此相对地对准在预定的定向上，
其中，各对准特征包括接合面，其构造成当所述对准特征围绕对准部件设置时，用于选择性地与对准部件接合和分离。
17.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准特征相当于所述燃料电池叠组的流体集管。
18.根据权利要求17所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准特征是所述燃料电池叠组的流体集管的分段部分。
19.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，还包括至少一个可在第一位置和第二位置之间操作的对准部件，所述第一位置对应于与所述对准特征相接合，并且所述第二位置对应于与所述对准特征分离。
20.根据权利要求19所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准特征与所述燃料电池叠组的流体集管相关，并且所述对准部件具有内部通道和多个与所述内部通道相通的外部开口。
21.根据权利要求19所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准部件可定位在所述第一位置和第二位置之间的中间位置，从而提供了变化的与所述对准特征接合的程度。
22.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述燃料电池包括具有所述对准特征的MEA。
23.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述燃料电池包括具有所述对准特征的密封部件。
24.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准特征构造成用于与对准部件上的转角相接合。
25.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准特征构造成用于与对准部件上的大致平直的表面相接合。
26.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述对准特征构造成可利用至少两个接触点与对准部件相接合。
27.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述接合面是弯曲的。
28.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，所述接合面是大致平直的。
29.根据权利要求16所述的燃料电池叠组，其特征在于，还包括：
设置在所述对准特征中的对准部件；和
弹簧机构，其联接在所述对准部件上，并且在所述燃料电池的压缩期间可操作，以允许所述对准部件轴向地移动。
30.一种用于装配燃料电池叠组的方法，所述燃料电池叠组具有多个带内部对准特征的构件，所述方法包括：
(a)将至少一个对准部件定向在第一位置中；
(b)利用所述对准部件上的内部对准特征，将所述燃料电池叠组的多个所述构件定位在所述对准部件上；
(c)将所述燃料电池叠组的构件与所述对准部件对准；和
(d)将所述燃料电池叠组的构件压缩在一起。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，(d)包括，在所述对准部件处于所述第一位置时，将所述燃料电池叠组的构件压缩在一起，直到实现第一预定的压缩水平时为止，将所述对准部件从所述第一位置移动到第二位置，并且在所述对准部件处于所述第二位置时，将所述燃料电池叠组的构件压缩在一起，直到实现第二预定的压缩水平时为止。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，将所述燃料电池叠组的构件压缩在一起直到实现第一预定的压缩水平时为止，其包括，将所述构件压缩在一起直到所述对准部件与所述燃料电池叠组的构件之间存在具有小于预定值的大小的间隙时为止，并且将所述燃料电池叠组的构件压缩在一起直到实现第二预定的压缩水平时为止，这包括，将所述间隙的所述大小保持在预定的公差内。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，将所述间隙的所述大小保持在所述预定的公差内，这包括，将所述间隙的所述大小保持基本恒定。
34.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，(d)包括，将所述对准部件移动到其中所述对准部件与所述对准特征完全分离的第二位置。
35.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，(d)包括，将所述燃料电池叠组的构件压缩在一起，直到实现第一预定的压缩水平时为止，所述第一预定的压缩水平对应于所述构件之间的足以阻止因进一步压缩导致的不对准的摩擦力。
36.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述第一位置对应于所述对准部件与所述对准特征相接合而导致构件彼此相对地对准在预定的定向上，并且(c)包括，使所述燃料电池叠组的构件沿着处于所述第一位置中的所述对准部件的长度而滑动。
37.根据权利要求36所述的方法，其特征在于，(c)还包括：
(i)在所述构件已经沿着所述对准部件的所述长度而滑动之后，使所述对准部件移动到对应于所述对准部件与所述对准特征分离的第二位置；
(ii)当处于所述第二位置时，使所述对准部件相对于所述构件轴向地移动；和
(iii)多次执行(a)至(c)，直到所述燃料电池叠组的预定数量的构件彼此对准时为止。
38.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括，在执行(d)之后，从所述燃料电池叠组上取下所述对准部件。
39.根据权利要求38所述的方法，其特征在于，所述第一位置对应于所述对准部件与所述对准特征相接合而导致所述构件彼此相对地对准在预定的定向上，并且所述方法还包括，使所述对准部件移动到对应于在取下所述对准部件之前所述对准部件与所述对准特征分离的第二位置。
40.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，(c)包括，使所述对准部件旋转到第二位置，从而导致位于所述对准部件上的所述燃料电池叠组的构件彼此相对地对准在预定的定向上。
41.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，(c)包括，使所述对准部件沿径向地扩展到第二位置，从而导致位于所述对准部件上的所述燃料电池叠组的构件彼此相对地对准在预定的定向上。
42.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，(c)包括，利用至少两个接触点使所述对准特征与所述对准部件相接合。
43.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述第一位置对应于所述对准部件与所述对准特征相接合，从而导致所述构件彼此相对地对准在预定的定向上，并且(d)包括，当所述对准部件处于所述第一位置时，将所述构件压缩在一起。
44.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述对准部件可在第一位置和第二位置之间移动，所述第一位置和第二位置各自对应于与所述内部对准特征完全接合和完全分离的位置中的一个位置，并且(d)包括，将所述对准部件定位在所述第一位置和第二位置之间的中间位置，以便提供与所述内部对准特征相接合的所需接合水平，并在所述对准部件处于所述中间位置时将所述构件压缩在一起。
45.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，还包括，在装配之后，将所述对准部件保留在所述燃料电池叠组中。
46.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，利用多个对准部件来执行(a)至(c)。
47.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述内部对准特征对应于所述燃料电池叠组的流体集管部分，并且(c)包括，利用所述流体集管部分中的所述对准特征将所述构件彼此相对地对准在预定的定向上。
48.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，(b)包括，利用所述对准部件上的所述内部对准特征，将一组燃料电池叠组构件定位在所述对准部件上。
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