JP2008506236A - 縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイス - Google Patents

縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイス Download PDF

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Abstract

少なくとも1つの要求仕様適合バンドをもつ、縛られた燃料電池スタックを組立てるためのデバイスは、フレーム、組立ての間に上記スタックを支持するためのベース、このベースに向かって、およびこのベースから離れて移動可能であり、上記スタックを一定の力の下で圧縮するプレスプレート、この圧縮されたスタックの周りに、上記バンドを、このバンドの端部が重複するように折り畳むためのバンド折り畳み手段、およびこのバンドの重複する端部を溶接するための溶接手段を備える。少なくとも1つの要求仕様適合バンドをもつ、縛られた燃料電池スタックを組み立てるための方法もまた記載される。このデバイスは、上記組み立てられたスタックの周りに複数の圧縮バンドを適合するために用いられ得る。

Description

(発明の背景)
(発明の分野)
本発明は、一般に、縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイスに、そしてより詳細には、このスタックを一定の力の下で圧縮し、この圧縮された燃料電池スタックの周りに少なくとも1つのバンドを折り畳み、そして所定の圧縮力の下にこのスタックを維持するために、その重複した端部を溶接するためのデバイスに関する。
(先行技術の説明)
電気化学的燃料電池は、反応体、すなわち、燃料および酸化剤を、この燃料電池内で生じる電気化学的反応を通じて電力に変換する。その低い作動温度(約80℃)のために、自動車およびその他の産業上の用途に用いられている1つのタイプの燃料電池は、固体ポリマー燃料電池である。固体ポリマー燃料電池は、特定量の電気触媒を膜とのそれらの界面に保持する2つの電極間に配置されたイオン交換膜を含む膜電極アセンブリ(組立て体「MEA」)を採用する。この電気触媒は、燃料電池内で起こり、電気を発生する電気化学的反応を誘導する。この膜は、イオン伝導性であり、そして上記反応体の流れ(燃料および酸化剤)を互いから分離する。
代表的な燃料電池では、上記MEAは、2つの電気的に伝導性のセパレータープレート間に配置される。これらセパレータープレートには、燃料および酸化剤の流れを電極層に向けるチャネルが提供される。これらプレートはまた、電流コレクターであり、そして上記MEAに対する支持を提供する。1つの燃料電池によって生成される電圧は、多くの産業用途で用いられるには十分大きくはない。従って、2つ以上の燃料電池が一般に直列に一緒に連結され、アセンブリの全体の電力出力を増加する。冷却剤が、スタックを通じ、一般に上記セパレータープレート中に提供されるチャネルを通じて循環され、発熱燃料電池反応によって生成された熱を吸収する。燃料、酸化剤および冷却材の流れを適正に分離するために、スタックは、代表的には、スタック構成要素間に配置されるシールを採用する。
直列に連結された燃料電池の全体のアセンブリはスタックを形成し、そして種々の配列(ロッド、圧縮バンドなど)により一緒に保持される。組み立てられたスタックに特定の圧縮力が付与されることが必要であり、適切なシールを確実にし、そして任意の燃料、酸化剤または冷却剤の漏れ、および種々の流体流れの相互混合を防ぐ。スタックの圧縮はまた、上記プレートとMEAとの間の十分な電気的接触を確実にするため、そしてスタックを構成する燃料電池間の電気的連結を提供するために所望される。スタックを圧縮するための縛りロッドの使用は、それが、スタック容量を有意に増加し得、そしてこれらロッドの位置に依存して、経時的に上記プレートの偏向を誘導し得るという不利益を受ける。
燃料電池スタックのための、より単純であり、よりコンパクトでかつ軽量の圧縮機構は、特許文献1に記載のようなスタックを束縛する少なくとも1つの圧縮バンドを採用する圧縮機構である。一般に、圧縮の前に、バンドは、スタックの周りに設置されるか、または折り畳まれ、スタックを圧縮することが推奨される。スタックを圧縮するための種々の技法が、スタックを組み立てる目的のため、またはスタック試験のために公知である。これらの先行技術の技法の大部分は、(例えば、米国特許出願第20030203269号明細書に記載されるように)固定された高さにスタックを組み立てる。これは、燃料電池の作動に影響する、スタック内の種々のシールおよび接触力を生じる。いくつかのその他の方法では、スタックは、(例えば、特許文献2、米国特許出願第20030203269号明細書または欧州特許出願第0082516号明細書に記載のように)一定の圧縮力の下で圧縮される。一定の圧縮力は、これは、スタックに、スタックの構成要素を損傷することなくシールおよび電気的接触に対して所望の負荷を与えるので有利である。
米国特許第5993987号 国際公開第02/09216号パンフレット
顕著な進歩が、燃料電池のアセンブリに関してなされているが、燃料電池を組み立てるための改良されたデバイス、特に縛られた燃料電池スタックに対する必要性が残っている。このような改良されたデバイスは、好ましくは、一定の圧縮力を用いることにより、縛られた燃料電池スタックの自動組立てを可能にし、そして燃料電池の大量生産を可能にする。
(発明の簡単な要旨)
1つ以上の要求仕様適合(custom−fit)バンドをもつ縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイスが開示され、これは、フレーム、組立ての間に該スタックを支持するために上記フレーム上に取り付けられたベース、上記ベースに向かって、および上記ベースから離れて移動可能であり、上記スタックを一定の力の下で圧縮するプレスプレート、この圧縮されたスタックの周りに、上記バンドを、該バンドの端部が重複するように折り畳むためのバンド折り畳み手段、およびこのバンドの重複する端部を溶接するための溶接手段を備える。
上記デバイスは、スタック支持プレート、バンドガイド、このデバイス上で設置の間に上記スタックを案内するためのスタックガイド、および操作の間に上記スタックを位置決め、および側方に案内するための側方スタック配置手段をさらに備え得る。上記スタックガイドは、このスタックを、それが上記デバイス上のその支持プレートに手動で押されるとき支持するために、上記バンドガイドより大きい高さのランナーを備える。
1つの実施形態では、上記バンド折り畳み手段は、上記スタックの周りの第1の方向に上記バンドを折り畳む第1の折り畳み手段、および上記第1の方向に垂直な第2の方向に上記バンドを折り畳む第2の折り畳み手段を備え、上記スタックの頂部において上記バンドの端部の十分な重複があり、適切な溶接を確実にする。
別の実施形態では、上記デバイスは、レーザー溶接デバイスをさらに備え、これは、上記バンドの重複した端部を溶接する。その他の溶接デバイスおよび方法が用いられ得、例えば、バンドの抵抗性溶接または機械的変形がある。
なおさらなる実施形態では、上記のデバイスを用いることにより、少なくとも1つの要求仕様適合バンドをもつ縛られた燃料電池スタックを組み立てる方法が開示され、以下の工程を包含する:
上記スタックを、プレスを低下することによって所定の圧縮力の下で圧縮する工程、上記ベース上のバンドガイド内に少なくとも1つのバンドを位置決めする工程、圧縮されたスタックの周りに少なくとも1つのバンドを折り畳む工程、および上記デバイスの溶接手段を用いて各バンドの重複された端部を溶接する工程。
この方法は、上記スタックガイド上で予備圧縮されたスタックを、最初、スライドし、それを、上記デバイスのスタック支持プレート上に位置決めし、そして上記スタックを作動位置に配置する工程をさらに包含し得る。上記バンドは、上記圧縮されたスタックの周りに、上記バンドに初期折り畳みを与えるために上記スタック支持プレートを低下すること、上記スタックの周りで第1の方向に上記バンドを折り畳むための第1の折り畳み手段を能動化すること、および上記スタックの周りで上記第1の方向に垂直な第2の方向に上記バンドの両端部を、上記バンドの端部が重複するように折り畳むための第2の折り畳みツールを能動化することにより折り畳まれる。
一般に、少なくとも2つのバンドが上記スタックを圧縮状態に維持するために必要であり、そしてこれらバンドの数は、スタックのアスペクト比に依存する。上記デバイスは、上記スタックの周りで8つまでのバンドの折り畳みを可能にし、その場合には、上記に記載の方法は、上記デバイス上に設置されたすべてのバンドに適用される。
本発明のこれらの局面およびその他の局面は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照する際に明瞭である。
(発明の詳細な説明)
本発明は、一般に、スタックの周りで複数のバンドを折り畳むこと、およびそれらの重複した端部を溶接することにより、自動車またはその他の目的のために用いられる燃料電池スタックを自動的に組み立てるためのデバイスに関する。図1および図2に示されるように、燃料電池スタック1は、2つの端部プレート2の間に組み立てられ、それらの1つには、スプリングパック3およびキャップ4が提供され、これらは、圧縮ハンドル5と一緒になって、スタックが圧縮された状態に維持されることを確実にする。図3にさらに示されるように、スプリングパック3の各々は、他方の上に積まれた1つであり、Mylar(登録商標)テープ7中に覆われて組立てられたパックを形成するいくつかのベルビル(Belleville)ディスクスプリング6を備える。スペーサー(図示せず)が、これらスプリングの間に配置され得、そしてパック中のディスクスプリングの数は変動し得る。
縛られた燃料電池スタックを組み立てるための代表的なデバイスが図4に示され、そして圧縮およびストラップアセンブリ9ならびにレーザーヘッド10を支持する主フレーム8を備え、すべての要素は、包囲物(図示せず)中に位置される。このデバイスの主フレームに連結されているデバイスは、空気コンプレッサー11、主電気包囲物12、操作者制御パネル13、およびレーザー供給ユニット15および冷却器16を含むレーザー電気包囲物14である。冷却器は、レーザー装置を冷却するために供される。図5に示されるように、この圧縮およびストラップアセンブリ9は、ベース17およびプレスプレート18を備える。
図4〜6に示されるXYZ座標は、上記デバイスの主軸に対応し、XおよびYは、水平面にあるデバイスの長軸方向軸および横断方向軸にそれぞれ平行であり、Z軸は、このデバイスの垂直軸である。
図6を参照して、ベース17には、デバイスの作動の間にスタックを保持するスタック保持プレート、スタックが上記デバイスに設置されている間にスタックを支持するスタックガイド20、スタックをZ方向に案内し、そしてスタックをXおよびY方向でベース上の位置にロックする2つの側方スタック配置手段21、デバイス上のスタックの設置の間にスタックを案内するためのランナー22、スタックの周りに溶接されるべきバンドを保持するバンドガイド23、Y方向のバンドの移動を制限するためのバンド端部ストップ24、およびスタックの各側面に沿ってバンドを折り畳む第1の折り畳み手段25が提供される。スタックは、ランナー22に沿って押され、そして上記プレート19上に提供されるスプリング装填ノッチ26上のスタック支持プレート19上に置かれ、これは、スタックの下にバンドの挿入を容易にするスタックとプレートとの間のギャップを可能にする。このランナー22は、バンドガイド23より大きい高さを有し、ベース上のスタック設置の間でさえ、スタックの下のバンド容易な挿入を可能にする。スタックは、プレート19上でスタック配置ピン27がスタックの燃料ポートに適合するように配向される。スタックがプレーと19上に置かれた後、側方スタック配置手段21が、スタックに向かって押され、それをその場にロックする。バンドガイドおよびバンド端部ストップは、ベース上で、バンド端部の重複が、それらが溶接されるスタックの上部で生じるようなバンドの正確な配向および整列を確実にする。
図7a〜7gは、スタックの周りでバンドを折り畳み、そしてそれをその場に溶接するために上記デバイスによって実施されるステップを示す。この点について、図7a〜7gに示されるような、スタックとバンドとの間のギャップ、およびバンドと折り畳み手段との間のギャップは、表示目的のために誇張されていることに注目すべきである。
バンドは、最初、図7aに示されるようにスタックの下に位置決めされる。負荷がスタックにもたらされるとき、図6に示されるスタック支持プレート19は僅かに低下する。なぜなら、それは、図7bに示されるように、バンドをその垂直位置に向かって予備的に折り畳むために底プレート29上のダイスプリング28によって支持されているからである。次いで、図6に示される第1の折り畳みツール25が、バンドを、図7cに示されるようなスタックに緊密に近接した垂直位置にもたらすために押し上げられる。次いで、前部形態スライド30が中心に向かって進行され、スタックの上部でバンドの1つの側面折り畳むように中心に向かって進行され(図7dおよび7eに示されるように)、そして次に後部形態スライド31がまた、スタックの上部でバンドの他方の端部を折り畳み、バンドの第1の端部と重複するように中心に向かって進行される(図7eおよび7fに示されるように)。この後部形態スライドは、図7gに示されるように、バンドの重複した端部の溶接のための視界のレーザービームラインを可能にする穴とともに提供される。
この前部および後部形態スライド30および31は、ここで、それらが配置されるプレスプレート18の文脈で説明される。図8に示されるプレスプレート18は、形態スライドガイド32とともに提供され、それを通って、前部形態スライド30および後部形態スライド31を備える第2の折り畳み手段が進行され、スタックの周りでバンドを折り畳み、そしてそれらを、溶接操作が終了するまでその場に保持する。空気力シリンダー33は、この前部よび後部形態スライドを互いに向かって移動する。プレスプレート18がまた、スプリングキャップ4を配置するために減圧ネスト34とともに提供される。この減圧ネストは、キャップの配向を、それらが端部プレート2の上部でスプリングパックの上に配置されるときに矯正することを確実にする。
図5に示されるような圧縮およびストラップアセンブリは、ベルト機構によりプレスプレート18を低下または持上げるサーボモーター35をさらに備える。プレスプレートは、Z方向におけるその移動の間に、4つの垂直ポスト36上を案内される。安全クランプ留めロッド37は、ロッドクランプ38を物理的に係合することにより、プレスプレートの突然の落下を防ぐために供される。この落下は、電力の停電によるか、または空気力供給源にともなう問題により引き起こされ得る。ロードセル39は、スタック上にサーボで駆動されるプレスプレートにより奏される力の量をモニターし、それを一定値(例えば、20000N)で維持する。
図4に示されるレーザーヘッド10は、サーボ駆動線形アクチュエーターに取り付けられ、そして1つ以上のバンドがスタックの周りで折り畳まれるとき、1つの溶接ステーションから次までX方向に移動し得る。各溶接ステーションは、スタックの長さに沿ってバンドの位置に対応する。
上記デバイスには、センサーが提供され、その適正な作動を確実にする。縛ることの調製の間に、作動センサーが提供され、スプリングキャップ、ストラップおよび側方スタック配置手段21がその場にあることを確実にする。デバイス作動の間に、その他のセンサーは、操作者に、電池の列が適正位置にあるか否か、プレスプレート18がその完全な圧縮位置にもたらされたか否か、および第1の折り畳み手段25ならびに前部および後部形態スライド30および31がその場にあるか否かの信号を送る。これら状態のいずれかが満たされない場合、サイクルは停止し、エラーメッセージが操作者インターフェースに書かれ、そして制御パネル13上の操作者の隣で赤色光が点滅する。
次いで、図4〜8と組合せて上記デバイスの作動が説明される。燃料電池スタックは、スタックの上に、いくつかの一時的なバンドを、それらの端部を一緒にねじで保持し、その大体の圧縮状態を維持して手動で設置することにより、スタック構成要素が、単位ブロックに予備組立てされることを可能にする暫定的な力で、別個の予備圧縮スタンド上で予備的に圧縮される。これらの一時的バンドは、溶接バンドが配置される場所の間に配置される。燃料電池スタックは、次に、上部にスプリングを保持する端部プレートとともにデバイスのベースに移される。次いで、操作者は、2つのスタックガイド20まで、ランナー22上でスタックを手動で上方に押す。
このスタックガイド20は、スタックの底端部プレートがスプリング装填ノッチ26に到達するまでスタックの重量の下で低下され、これは、スタックとスタック支持プレート19との間に、バンドガイド23中に1つ以上のバンドを挿入することを可能にする。この時間の間に、操作者は、スタックを、スタック配置ピン27が、デバイスのスタック支持プレート19上のスタックの正確な配置に対応する位置である、スタックの冷却剤ポートに置かれるように手動で案内する。この時点で、操作者は、2つの側方スタック配置手段21をスタックに向かって手動で進行させ、スタックの隣にそれらが配置される位置に到達し、それをZ方向に案内し、そしてXおよびY方向のその動きをブロックする。デバイスが作動を開始するとき、側方スタック配置手段は、空気力手段によってスタックに対して強固に押される。スタックの周りに溶接されるべきバンドが、次いで、バンドガイド23中に挿入され、そしてベースの背部に向かって、それがバンド端部ストップ24に到達するまで押される。これは、ベース上に正確に位置決めされ、その結果、折り畳まれるとき、その端部が、適正な溶接を可能にする位置にあるスタックの頂部で重複することを確実にする。一般に、1つ以上のバンドが、スタックをその圧縮された状態に維持するために必要である。これらバンドは、各々がバンドガイド内に挿入され、それらは、同時に折り畳まれ、そして次に各バンドは別個に溶接される。本明細書で示されるデバイスは、8つまでのバンドを収容し得る。
次に、減圧供給源がオンされ、そしてスプリングキャップが、プレスプレート18中に配置された減圧ネスト32中に置かれる。同時に、側方スタック配置手段21がスタックに対して押される。このステージで、スタックおよびバンドは、圧縮およびストラップアセンブリ内で適正に配置され、そしてストラップアセンブリおよびデバイスは、組立てプロセスを開始する状態にある。
このデバイスは、手動または自動モードで作動し得る。手動モードの間に、操作者は、操作者制御パネル上のキーを用いることにより1つのステップから次にスイッチし得る。いずれの方式でも、組立てプロセスのステップは以下のようである。第1に、プレスプレート18が低下される;それはスタックに到達し、そしてそれは、ロードセル37によって感知される圧縮力が所望の負荷に到達するまでスタックを増加して圧縮する。この移動の間に、キャップが、スタックの頂部に置かれたスプリングの上に位置決めされるようになる。次に、スタックをその圧縮された位置で保持するスタック支持プレート19が低下され、その結果、バンドは、スタックの底の周りで僅かに曲がり、それらを、次のステップのための準備のためにスタックにより近くにもたらす。次いで、第1の折り畳み手段25が、スタックに緊密に近接してバンドを位置決めするために持上げられる。次に、プレスプレート18上の前部形態成スライド30が、空気力シリンダー33によって能動化され、バンドの前部部分をスタックの頂部の上で折り畳む。この後、空気力シリンダー33による後部形態スライド31が能動化され、バンドの後部部分をスタックの頂部の上で折り畳み、その結果、それらは、スタックの周りで既に折り畳まれたバンドの前部部分と重複する。次いで、バンドの重複した端部の自動化レーザー溶接が始まる。レーザービームは、図7gに示されるように、後部形態スライド中の穴を通じて各バンドの重複した端部に到達する。1つ以上のバンドが、スタックの周りで折り畳まれる場合、レーザーヘッド10が、スタックの周りで折り畳まれた第1のバンドに対応する第1の溶接位置から、ベース上に置かれる次のバンドに対応する次の位置に、すべてのバンドが溶接されるまで、サーボ駆動線形アクチュエーターによって移動される。
溶接プロセスが終了した後、前部および後部形態スライド30および31は退却され、第1の折り畳み手段25は低下され、スタック支持プレート19はその当初の非能動位置に持上げられ、プレスプレート18はその最上位位置まで高められ、そして側方スタック配置手段21は組み立てられたスタックの取り出しを可能にするように退却される。
上記に記載の縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイスおよび作動方法は、要求仕様適合バンドが、過剰圧縮することなく、一定の力の下で設置されるという利点を有し、これは、上記構成要素を損傷することなく、スタック中のシールおよび電気接点に所望の負荷を与える。その他の利点は、この自動化設備は、要求仕様適合バンドが提供される燃料電池スタックを大量生産するために適切であることである。本発明の特定のステップ、要素、実施形態および適用が示され、そして説明されているが、勿論、本発明は、それらに制限されないことが理解される。なぜなら、特に前述の教示を考慮して改変が当業者によってなされ得るからである。従って、添付の請求項によって、本発明の思想および範囲内に入るようなステップまたは要素を取り込むような改変例が包含されることが企図される。
図1は、部分的に分解された状態にあるスタックの斜視図である。 図2は、スタック上に設置された、いくつかの要求仕様適合バンドをもつスタックの斜視図である。 図3は、組み立てられたベルビルスプリングパックの図である。 図4は、縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイスの前面図である。 図5は、デバイスの圧縮および縛るアセンブリの斜視図である。 図6は、圧縮および縛るアセンブリのベースの斜視図である。 図7aは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。 図7bは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。 図7cは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。 図7dは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。 図7eは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。 図7fは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。 図7gは、デバイスの作動の間に実施されるようなスタックの周りでバンドを折り畳む工程を示す。

Claims (11)

  1. 要求仕様適合の溶接バンドをもつ縛られた燃料電池スタックを組み立てるためのデバイスであって:
    フレーム;
    組立ての間に該スタックを支持するために該フレーム上に取り付けられたベース;
    該ベースに向かって、および該ベースから離れて移動可能であり、該スタックを一定の力の下で圧縮するプレスプレート;
    該圧縮されたスタックの周りに、該バンドの端部を、該バンドの端部が重複するように圧縮されている間に折り畳むためのバンド折り畳み手段;および
    該バンドの重複する端部を溶接するための溶接手段、を備える、デバイス。
  2. 前記ベースが:
    スタック支持プレート;
    該ベース上に少なくとも1つのバンドを位置決めするための少なくとも1つのバンドガイド;
    前記デバイス上の設置の間に前記スタックを案内するためのスタックガイド;および
    操作の間に該スタックを位置決め、および案内するための側方スタック配置手段、をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記スタックガイドが、前記スタックを支持するために前記バンドガイドより大きい高さのランナーを備える、請求項2に記載のデバイス。
  4. 前記バンド折り畳み手段が、前記スタックの周りの第1の方向に前記バンドを折り畳むための第1の折り畳み手段を備える、請求項1に記載のデバイス。
  5. 前記バンド折り畳み手段が、前記第1の方向に垂直な第2の方向に前記バンドを折り畳むための第2の折り畳み手段を備える、請求項1に記載のデバイス。
  6. 前記溶接手段が、レーザー溶接デバイスである、請求項1に記載のデバイス。
  7. 請求項1に記載のデバイスであって、それによって少なくとも2つのスタックが組み立てられ、そして1つのスタックの高さがその他のスタックの高さとは異なる、デバイス。
  8. 要求仕様適合の溶接バンドをもつ縛られた燃料電池スタックを組み立てる方法であって:
    請求項1に記載のデバイスを提供する工程;
    スタックを、プレスを低下することによって所定の圧縮力の下で圧縮する工程;
    ベース上のバンドガイド内に少なくとも1つのバンドを位置決めする工程;
    圧縮されたスタックの周りに少なくとも1つのバンドを折り畳む工程;および
    該デバイスの溶接手段を用いて各バンドの重複された端部を溶接する工程、を包含する、方法。
  9. 前記スタックガイド上で予備圧縮されたスタックを、最初、スライドし、それを、前記デバイスのスタック支持プレート上に位置決めし、そして該スタックを作動位置に配置する工程をさらに包含する、請求項8に記載の方法。
  10. 前記圧縮されたスタックの周りにバンドを折り畳む工程が、該バンドに初期折り畳みを与えるために前記スタック支持プレートを低下すること、該スタックの周りで第1の方向に該バンドを折り畳むための第1の折り畳みツールを能動化すること、および該スタックの周りで該第1の方向に垂直な第2の方向に該バンドの両端部を、該バンドの端部が重複するように折り畳むための第2の折り畳みツールを能動化することを包含する、請求項8に記載の方法。
  11. 請求項8に記載の方法であって、それによって、少なくとも2つのスタックが組み立てられ、そして1つのスタックの高さがその他のスタックの高さとは異なる、請求項8に記載の方法。
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