JP2016058391A - 燃料電池の積み重ねおよび衝突保護のための燃料電池スタック組立体−基準構造設計 - Google Patents

燃料電池の積み重ねおよび衝突保護のための燃料電池スタック組立体−基準構造設計 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池スタック内の隣接する燃料電池間の相対運動を調整しかつ軽減するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】積み重ね方向に沿った燃料電池間の協働は、電池内蔵組立体の一部を構成する双極板の縁部に沿って設置された１つまたは複数の基準構造により強化される。基準構造は、電池積み重ね方向と略一致する厚さ方向に沿って隣接して積み重ねられた双極板上の類似の基準構造との入れ子嵌合を助長する形状とされる。入れ子は、締まり嵌めを促進し、締まり嵌めは、場合により板、電池及びそれら各々の組立体の主表面を画定する方向に沿った著しい加速度の発生により生じうる各々の電池間の摺動運動に対する抵抗力を高める。一形態では、板への基準構造の溶接、接着、または関連する付着法を使用することで、板の設置面積を増大する必要なしに、板上に直接基準構造をオーバーモールドすることなしに金属的な支持の向上が促進される。【選択図】図１

Description

[0001]本開示は一般に、燃料電池スタックを組み立てるための改良された設計、ならびに衝撃および他の高加速度荷重を受けた後のスタック内の燃料電池の相対位置を確保しかつ維持するために燃料電池スタックにわたって加速度荷重を分散することに関する。
[0002]燃料電池を使用して、電気化学反応を介して燃料を使用に適した電力に変換することの大きな便益は、中間ステップとしての燃焼に依存することなく電力への変換が達成されることである。したがって、燃料電池は、推進および関連する駆動用途に関して、内燃機関（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ、ＩＣＥ）に優るいくつかの環境上の利点を有する。典型的な燃料電池−プロトン交換膜またはポリマー電解質膜（どちらの場合も、ＰＥＭ）燃料電池など−では、１対の触媒電極がイオン透過媒体（Ｎａｆｉｏｎ（商標）など）によって分離されており、これは一般に膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）と呼ばれる。電気化学反応は、気体還元剤（水素、Ｈ２など）がアノードにおいて導入されかつイオン化され、次いで、他方の電極（カソード）を通じて導入された気体酸化剤（酸素、Ｏ２など）と結合するようにイオン透過性媒体を通過させられたときに生じる。この反応物質の結合は、副産物として水を形成する。水素のイオン化において遊離した電子は、直流（ＤＣ）の形態で、有用な仕事が実行されうる負荷（電気モータなど）を通常含む外部回路を介して、カソードに進む。このＤＣ電気の流れによってもたらされる発電は、そのような電池を多数結合してより大きな電流生成組立体にすることにより、増大させることができる。１つのそのような構成では、燃料電池は、燃料電池スタックを形成するために、共通の積み重ね方向に沿って直列に−１組のトランプそっくりに−接続される。
[0003]ＭＥＡへの反応物質の送達−ならびに副生水の除去および負荷への電池生成電流の送達−は、ガス透過性拡散媒体（ガス拡散媒体（ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｄｉｕｍ、ＧＤＭ）とも呼ばれる）および双極板を通じて促進され、このうちの双極板は、対応する燃料電池に周設される寸法となされる。スタック形成中の各板および電池組立体の位置合わせを向上させる１つの方法は、１つまたは複数の基準構造（基準とも呼ばれる）を含むことであり、そのような基準は、双極板のうちの１つにまたは複数の双極板に作りつけられるか、固定されるか、または他の方法で協調する。１つの一般的な形態では、基準は、積み重ね（例えば、デカルト座標系におけるＹ軸）方向におけるそのような位置合わせを促進するために、基準ピンを受け入れうる。
[0004]車両内に設置される燃料電池スタックは、車両の加減速による激しい荷重変化、ならびに衝突、事故、および関連する衝撃による激しい荷重変化に耐えることができなければならない。具体的には、車両の衝突のような破壊的な出来事の際に高加速度荷重（例えば１６０ｇまで、またはそれ以上）を受けた後で機能し続けるために、スタックを構成する各燃料電池の位置は、互いに保持されなければならない。車両が激しく加速、減速、または衝突した場合、強い剪断力が、スタックの隣接する電池間の（特に前述のデカルト座標系のＸ−Ｚ面における）摺動を生じさせうる。電池間の小さなずれは、全ての電池について考慮した場合に、電池ブロックの大きなずれを生じさせうる（例えば、３００個の電池によるスタックの組み立ての場合、１００ミクロンの電池のずれが、３０ｍｍの電池ブロックのずれを生じさせうる）。そのような問題は、熱的に誘発された収縮がスタック組み立て中に電池に課せられたＹ軸の圧縮保持荷重を減少させうる冷機起動状態により、また、低摩擦係数性を有しうる表面処理剤またはインサートの使用でもたらされる電池間摩擦の低減により、悪化する可能性がある。接着剤または補足的な支持構造の使用は、この問題をある程度改善しようとする可能性があるが、その過程において、重量および複雑さを増大させる傾向があり、また−接着剤の場合−修理または診断解析のためのその後のスタックの分解に寄与しない。
[0005]本開示の１つの態様によれば、燃料電池スタックが開示される。スタックは、積み重ね方向（例えば、従来のデカルト座標系におけるＹ軸）に沿って隣接して対面した関係に配置された多数の燃料電池と、各電池に対するそれぞれの双極板とを含む。少なくとも１つの基準構造が、各双極板の縁部に隣接して配置され、かつ、隣接して積み重ねられる板上の別の基準構造との入れ子関係を画定する形状となされて、積み重ね方向に実質的に直角な方向に沿った電池間の位置のずれまたは運動（すなわち、この運動は積み重ね方向に対して実質的に直角な平面におけるものである）に対する強化された抵抗力を提供する。
[0006]本開示の別の態様によれば、破壊的な出来事に応じた電池間のずれに対する向上された抵抗力を有する燃料電池スタックを組み立てる方法が開示される。方法は、積み重ね方向に沿って燃料電池を配置するステップと、それぞれの燃料電池組立体の一部を形成する双極板のそれぞれの縁部に沿って設置された１つまたは複数の基準構造が向上された抵抗力を提供する形状となされるように、配置された電池をハウジング内に固定するステップとを含む。基準構造は、電池積み重ね方向に沿って増大した厚さ寸法を占有し、また、隣接する電池間の摺動運動に対する抵抗力が向上するように、隣接して積み重ねられた双極板上の位置合わせ可能な基準構造と協働するように構成される。この積み重ねられた基準構造間の協働は、板、電池、およびそれらのそれぞれの組立体の主表面を画定する方向に沿った著しい加速度の発生によって生じうる電池間の運動を最小限に抑えるかまたは排除する。
[0007]本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読めば最もよく理解することができる。
燃料電池スタックの簡易分解図である。 図１の燃料電池スタックを含む車両の斜視破断図である。 図１の燃料電池スタックで使用される双極板の簡易分解図である。 本発明の一態様による、双極板の縁部に添付可能な基準構造を示す、図３の双極板の詳細図である。 本発明の一態様による、位置合わせされた積み重ね構成におけるいくつかの双極板の立面破断図である。 補足的な電池間摺動抵抗力のために基準構造を貫通する任意の基準ピンを含む、図４の基準構造の斜視図である。 複数の基準構造を金属タブ上にオーバーモールドすることができる連続的な金属ストリップの使用法を示す図である。 補足的な電池間摺動抵抗力の別の形態を提供するために図４の基準構造と協働する形状となされた押出しハウジングの使用法を示す図である。 補足的な電池間摺動抵抗力の別の形態を提供するために図４の基準構造と協働する形状となされた補足的な荷重ブラケットを含む鋳造ハウジングの使用法を示す図である。
[0008]まず図１を参照すると、燃料電池スタック１が示されており、この燃料電池スタック１は、ドライエンドユニット板５、ウェットエンドユニット板１０、およびエンドユニット板５、１０間に積み重ね構成で配置された燃料電池１５のブロックを含む。詳細には示されていないが、ブロック内の各燃料電池１５は、一般に、ガス透過性導電拡散媒体の対の間に圧迫されるＭＥＡの全体的に平坦なサンドイッチ構造を形成するように一緒に配置されたアノード、カソード、および膜を含み、ガス透過性導電拡散媒体の対は、反応物質（すなわち、ＭＥＡのアノード側ではＨ２であり、ＭＥＡのカソード側ではＯ２（通常、空気の形態）である）を送達する働きをし、また、アノードおよびカソードにおいて触媒的に生成された電流を集電する働きもする。この文脈において、組み立てられたスタック１の高さに対応する積み重ね寸法は、図示のようにＹ軸に沿って画定されるが、これは便宜上のことであり、組み立て工程中のスタック１の向きに応じて任意の適切な線寸法が等しく適切とされることが、当業者には理解されるであろう。
[0009]スタック１内の多数の個々の電池１５は、対向するエンドキャップ２５、３０の対と、側壁３５、４０と、ウェットエンドユニット板１０をドライエンドユニット板５に固定するために側壁３５、４０のそれぞれに沿って垂直に配置される剛体受け要素４５とで構成されたハウジング２０を介して、所定の位置に保持される。１つの形態では、ウェットエンドユニット板１０は、対向するエンドキャップ２５、３０にしっかりと固定されるが、ドライエンドユニット板５は、調節可能に固定される。この後者の接続法は、最終組み立てまで終点固定位置が分からないスタック形成状況において特に有用である。このことはさらに、固定を予想される終点固定位置の範囲に対応するように適合させることを可能にする。対照的に、ウェットエンド板１０のしっかりとした固定は、互いに固定された構成要素の位置関係が実質的に不変であることを意味する。
[0010]次に図２を参照すると、車両１００（例えば、乗用車、バン、バス、トラック、またはオートバイ）が、電気モータ１２０で構成された燃料電池を基礎とした推進システム１１０を含み、電気モータ１２０は、多数の個別的な燃料電池１５を含む図１の燃料電池スタック１から、その電力を受け取る。推進システム１１０は、１つまたは複数の燃料貯蔵ガス容器１３０、１４０、ならびに電力変換装置または関連電子装置１５０、蓄電デバイス（例えば、バッテリ、ウルトラキャパシタ、など）１６０、および運用管理を提供する制御装置、および任意の数の弁、圧縮機、配管、温度調節器、および他の付属機器を含むことができる。
[0011]推進システム１１０のスタック１を構成するために、あらゆるタイプの燃料電池１５を使用することができ、これらの電池１５は、金属水素化物電池、アルカリ電池、電気ガルバニ電池、または他の変形形態の電池とされうる。１つの好ましい（しかし必然的ではない）形態では、電池１５は、上述のようなＰＥＭ燃料電池であり、この構成は、本開示の残りの部分に基づくものである。１つの好ましい形態では、スタック１内の電池１５は、車両１００の要求に応じてより高い電圧または電流収量をもたらすために、直列、並列、またはそれらの組合せで結合される。スタック１は自動車両以外の目的のために使用されうることが、理解されるであろう。
[0012]次に図３を参照すると、本発明の１つの実施形態による燃料電池１５に関連する双極板組立体２００の分解斜視図が示されている。それらが取り付けられるＭＥＡと同様に、組立体２００の各双極板は、全体的に平坦な面部分２１０と、面部分２１０を囲む外周部を形成する全体的に矩形の縁部分２２０とを画定する。面部分２１０上には、多数の蛇行流れチャネル２３０を特徴とする流れ場が配置され、反応ガスは、この流れ場を通じて、縁部分２２０のうちの１つの側部２２０Ａに隣接して形成された供給マニホルド２４０から、反対側の縁部２２０Ｃに隣接して形成された排出マニホルド２５０へと流れる。代替的な構成（図示せず）では、供給マニホルド２４０および排出マニホルド２５０は、板組立体２００の同じ縁部に隣接して並んで配置されうる。１つの形態では、双極板組立体２００は、鑞付け、レーザ溶接、または関連する操作を通じて継合することができる個別のシート２００Ａ、２００Ｂ（典型的には、厚さ（すなわち、積み重ね）方向に沿って約７５ミクロンから１００ミクロンの間）で作られうる。そのような構成では、各面部分２１０により形成された流れチャネル２３０は、隣接した２つの電池１５が積み重ねられたときにそれらの面部分２１０が背中合わせの配置になるように、全体的に互いの鏡像を画定しうる。反応ガス流れ場のための流れチャネル２３０を含むこれらのシートに加えて、独立した冷媒流れ回路を提供するために、同じように成形されたシート（図示せず）を積み重ねるように散在させることができる。そのような冷媒流れ回路は、任意の適切な流れチャネル形状（流れチャネル２３０で示された蛇行形状など）を画定することができる。シート２００Ａ、２００Ｂと同様に、任意のそのような追加的なシート冷媒流れ回路はまた、鑞付けまたは何らかの他の適切な接合技法を通じて結合されうる。この文脈において、板組立体２００の双極板は、対向する両平面上に形成された蛇行流れチャネル２３０を有する場合もあれば有さない場合もある。例えば、そのような板がスタック１における最後の板を形成する場合、エンドユニット板（図１のエンドユニット板５、１０など）に面する側に形成されたチャネル２３０を有することは必要とならないはずである。
[0013]次に図４から図７を参照すると、双極板組立体２００の１つまたは複数のシート２００Ａ、２００Ｂによって形成される縁部分２２０の側部２２０Ｄに沿った基準構造３００の配置に関する詳細が示されている。図示のように、基準構造３００は、図１のＹ軸寸法に沿ってかなりの面外厚さを画定する。示された具体的形態では、基準構造３００は、円錐状特徴３１０を画定し、この円錐状特徴３１０は、円錐によって画定された領域内が実質的に中空であることにより、双極板組立体２００を含む隣接して対面する電池１５の積み重ねに際して、２つ以上の基準構造３００を入れ子状にすることを可能にする。この文脈において、隣接して積み重ねられる２つの物体（例えば、電池、双極板など）の同じ構成要素（例えば、基準構造）は、それらの幾何学的特徴が、一方の実質的部分が他方の容積的部分内に設置されうるようなものであるときに、入れ子状になると見なされる。そのような入れ子の例は、使い捨ての飲料用コップが円柱状の入れ物に積み重ねられる様子から思い浮かべることができる。隣接する基準構造３００間の入れ子は、板と板との位置決めを促進するのに役立つ。したがって、円錐状特徴は、別個の基準ピンに依存することなしに、積み重ねられた電池１５を位置合わせしておくのに、特によく適合している。基準構造３００の面外（すなわち、Ｙ軸）の突出は、圧縮、密閉、およびスタック１に関連する他の組立作業中にスタック１において電池１５を位置合わせするのに有用であることに加えて、向上された電池間摺動抵抗力を提供する。そのような抵抗力は、上述の高加速度荷重を生じさせる出来事の際にスタック１を完全な状態に維持することに対する重要な寄与因子である。好ましい一実施形態では、各円錐状基準構造３００によって画定される面外厚さは、該電池１５から上下に３つの電池１５まで電池間摺動抵抗力を確保するのに十分なものである。このことは、図５に具体的に示されている。成形された基準構造３００の別の重要な特徴は、隣接して積み重ねられた電池１５間に恒久的な接続（エポキシ、ニカワなどの使用に伴う接続など）が存在しないことである。このことは、スタック１内の個別的な電池１５のそれぞれの保守性を可能にする。
[0014]重要なことには、基準構造３００は、面外の支持を提供する手段として、電池間摺動抵抗力（例えば、従来の設計が約４０ｇしか必要としなかったのに対して約１６０ｇまでの荷重に耐えることができる）を増大させる最近の設計に対する懸念を軽減するために使用することができる。１つの具体的形態では、基準構造３００は、金属タブ３２０の薄く全体的に矩形の部分上にオーバーモールドすることが可能な剛体の耐荷重性プラスチックで作られうる。このようにして、双極板組立体２００の設置面積を増大させずに、基準構造３００の完全な金属補強を達成することができる。ここでは図面は１つの双極板につき１つの基準構造３００しか示していないが、任意の所与の板に複数の（例えば、第２、第３などの）基準構造３００が結合されうることが理解されるであろう。これは、スタック１の組立て中の良好な位置合わせを促進するのに役立つだけでなく、より高水準の摺動抵抗力が必要とされうる状況において、スタック１内の隣接する電池１５層間に追加的な剪断運動抵抗力を提供することができる。好ましい一実施形態では、電池１５の積み重ねが完了し、スタック１を構成する電池ブロックに荷重が加えられた後で、基準ピン３３０（以下でより詳細に論ずる）が除去されうる。
[0015]図７を詳細に参照すると、繰り返し可能で迅速な形成を促進するために、各基準構造３００がそのタブ（上述のタブ３２０など）と一緒に個別に連続して取り外されて板組立体２００の縁部分２２０の側部２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、または２２０Ｄのうちの１つに接着（溶接等により）されうるように、そのような多数の基準構造３００が、連続した線形金属ストリップ４００にオーバーモールドされうる。この独立した金属ストリップを基礎とする手法では、各双極板をオーバーモールドするステップが回避される。好ましい一形態では、基準構造３００の円錐状部分は、双極板組立体２００に溶接されるかまたは他の方法で組み込まれるように構成された矩形部分から単一的に延在するタブ３２０の一部分上にオーバーモールドされる。他の部分は、１つの形態では、円錐状基準構造３００の切り取り線に沿った周囲寸法を画定する、開口部を含む全体的により大きい矩形を画定する。線形金属ストリップ４００から結果として作られたオーバーモールドされた基準構造３００は、板に「ネットビルド（ｎｅｔ−ｂｕｉｌｄ）」されうる。この追加的な基準構造３００の設置は、双極板および板組立体２００上の基準構造３００の位置が、部品の幾何形状によってではなく溶接器具によってのみ左右されることを意味する。個々の基準構造３００を形成するために線形金属ストリップ４００が使用されるかどうかにかかわらず、双極板の個々のシート２００Ａ、２００Ｂを結合する方法として上述されたレーザ溶接手法は、シート縁部の任意の部分に沿ったシート２００Ａ、２００Ｂの各表面間における基準構造３００の個々の設置に容易に対応するという点で、有益である。
[0016]重要なことは、基準構造３００を使用することにより、一体的に形成される基準ピンが必要とされなくなることである。しかし、図６に詳細に示されるように、任意の基準ピン３３０が、スタック１の形成中の位置合わせを向上させるため（一時的な構造の場合）に、および上述の破壊的な出来事から生じうる電池間摺動に対する補足的な抵抗力を提供するため（恒久的な構造の場合）に、一時的または恒久的なスタック１構造の一部として使用されうる。これは、スタック１の設計に極度に高い加速度荷重要求（例えば、上述の１６０ｇの荷重）が課せられる場合に特に有用とされうる。１つの形態では、ピン３３０は、基準構造３００に形成された開口部３００Ａに通される。そのようなピン３３０は、積み重ね工程中に設置されて、スタックが組み立てられた後も残されるか、スタックの最終組み立ての前に取り出されうる。好ましい一形態では、ピン３３０は、積み重ねに必要とされていないが、圧縮されていない状態では、一般に、ＧＤＭ厚さ、シール厚さ、および材料幾何形状の不一致などの要因の全てが、板組立体の平坦さからの偏差を生じさせうる。そのような状況では、基準構造３００の円錐状特徴３１０は、電池と電池との適切な位置合わせを可能とするのに、それだけでは十分でない場合がある。したがって、ピン３３０は、積み重ね中の位置合わせをさらに向上させるために、必要に応じて臨機応変に用いられうる。
[0017]開口部３００Ａの形状は、隣接する電池１５間または板組立体２００間の摺動運動の影響を受けやすい平面（例えば、図示のようなＸ−Ｚ面）内の好ましい方向における製造公差を増大するようになされうる。そのような成形（ここでは楕円形状として示される）は、ピン３３０の挿入を容易にするのに役立つことができる。別の形状（図示せず）では、開口部３００Ａは、径方向外方に延在する複数の（例えば、均等に離間された４つの）溝付き切欠きを含む円形でありうる。この形態では、円形部分は、基準ピン３３０とのわずかな締まり嵌めを提供するが、細長い切欠きは、基準構造３００の円錐形状における追加的な割れ目が寸法の変化を促進するので、製造における公差を可能にする。
[0018]図８および図９を詳細に参照すると、剪断および関連する電池間摺動に対する抵抗力の向上を促進するために、他の補足的な手段が使用されうる。例えば、図８は、実質的に一体のハウジング５００（全体的な形状および寸法は、図１のハウジング２０のものに類似しうる）に成形されうるくぼみ５１０を詳細に示す。そのような場合、成形されるくぼみ５１０は、電池１５のＸ−Ｚ面内の少なくとも１つの摺動方向Ｓに沿った精密嵌合を可能にする寸法となされ、かつ、基準構造３００のスタックの縁部に沿った配置に一致するように離間される。好ましい一形態では、くぼみ５１０は、摺動方向Ｓに沿った電池間摺動運動のいかなる傾向も、ハウジング５００の実質上の全高（図１のＹ軸の積み重ね寸法と一致する）に延在する円柱形状によってさらに抵抗されるように、全体的にＣ形状の輪郭を画定しうる。したがって、成形されるくぼみ５１０の形状は、それらが図１のＸ方向における運動に逆らう隔壁として機能するのに役立ち、また、Ｚ方向における１つの運動に沿ったそのような追加的な抵抗力を提供する。１つの形態では、ハウジングは、押出し塑性材料で作られる。好ましい一形態では、一体ハウジング５００および成形されるくぼみ５１０のための材料は、衝突の際に電池ブロック５０１（全般に図１に示された電池１５のブロックに似る）を支持するために、また、電池ブロック５０１から作られたスタック５０１を圧縮状態に維持するために、アルミニウム（またはアルミニウム合金のうちの１種）の押出し材とされる。くぼみ５１０の使用は、上述の第２または第３の基準構造３００と併せられてもよく、また、基準ピン３３０の必要性をなくすことができる。電気的絶縁を提供するために、スタック５０１の周辺部を囲むように絶縁体５２０が形成される。
[0019]同様に、図９は、電池ブロック６０１を囲むように設置された鋳造エンクロージャ６００を詳細に示す。押出しアルミニウムのハウジング５００と同様に、鋳造エンクロージャ６００（好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金のうちの１種である）は、積み重ねられた基準構造３００が設置されうる円柱状部分を画定する。鋳造エンクロージャ６００の場合、２つ以上の追加的なブラケットセット６１０が、主荷重保持機構として基準構造３００を収容するために取り付けられる。図１のスタック１と同様に、電池ブロック６０１は、対向するエンドキャップおよび側壁（標識せず）によって取り囲まれる。各ブラケットセット６１０は、位置合わせされて積み重ねられた基準構造３００を受け入れる形状となされた垂直円柱状部材６１０Ａと、垂直円柱状部材６１０Ａの頂部をエンクロージャ６００に固定する上部水平部材６１０Ｂとを含む。したがって、エンクロージャ６００は、主として環境からの保護および二次荷重保持のために使用される。
[0020]車両１００の激しい加減速、車両１００に作用する衝撃、または燃料電池スタック１自体への類似の衝撃を含む、垂直落下などの破壊的な出来事に起因する極度の荷重変化は、個々の燃料電池１５を互いに移動させることにより、燃料電池スタック１に損傷を与えるか、スタック１を分解しうる。基準構造３００の力学的性質は、そのような荷重変化に伴う最大加速度を支えるのに十分でなければならない。１つの例示的な形態では、組立体２００内の対応する各双極板のための基準構造３００は、１６０ｇの荷重を吸収する手段として約１５０Ｎの剪断強さを有する。
[0021]「好ましくは（ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ）」、「一般に（ｃｏｍｍｏｎｌｙ）」、および「典型的に（ｔｙｐｉｃａｌｌｙ）」などの用語は、本明細書において、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定するため、または、特定の特徴が特許請求の範囲に記載された発明の構造または機能にとって決定的、本質的、さらには重要であることを暗示するために用いられるのではないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の一実施形態において利用されうるまたはされえない代替形態または追加の特徴を強調することを目的としているに過ぎない。同様に、本発明を説明および定義する目的のために、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、本明細書においては、任意の定量比較、値、測定値、または他の表示に起因しうる固有の不確実性の程度を表すために使用されることに留意されたい。この用語はまた、本明細書においては、論争中の主題の基本機能の変化を伴うことなく、規定された参照値から定量的な代表値が変化しうる程度を示すために使用される。
[0022]本発明を説明および定義する目的のために、「燃料電池」などの用語は、本明細書においては好ましくは自動車、推進、または関連する目的のために電流を供給するために使用される１つまたは複数の個々の電池を表すために用いられることに留意されたい。さらに、「自動車（ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ）」、「自動車の（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ）」、「乗り物の（ｖｅｈｉｃｕｌａｒ）」などの用語の変形は、文脈上他の意味を指示する場合を除き、総称的に解釈されるように意図されている。したがって、自動車への言及は、文脈においてより具体的に記載されていない限り、乗用車、トラック、バス、オートバイ、および他の類似の輸送形態を含むと理解される。
[0023]本発明をその特定の実施形態を参照することにより詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲において定義された本発明の範囲から逸脱することなしに修正および変更が可能であることが、明らかになるであろう。より具体的には、本発明のいくつかの態様が、好ましいまたは特に有利であると本明細書において識別されたが、本発明は、必ずしもそれらの本発明の好ましい態様に限定されないことが意図されている。
１ 燃料電池スタック
５ ドライエンドユニット板
１０ ウェットエンドユニット板、ウェットエンド板
１５ 燃料電池
２０ ハウジング
２５ エンドキャップ
３０ エンドキャップ
３５ 側壁
４０ 側壁
４５ 剛体受け要素
１００ 車両
１１０ 推進システム
１２０ 電気モータ
１３０ 燃料所蔵ガス容器
１４０ 燃料所蔵ガス容器
１５０ 電力変換装置または関連電子装置
１６０ 蓄電デバイス
２００ 双極板組立体
２００Ａ シート
２００Ｂ シート
２１０ 面部分
２２０ 縁部分
２２０Ａ 側部
２２０Ｂ 側部
２２０Ｃ 縁部、側部
２２０Ｄ 側部
２３０ 蛇行流れチャネル
２４０ 供給マニホルド
３００ 基準構造
３００Ａ 開口部
３１０ 円錐状特徴
３２０ 金属タブ
３３０ 基準ピン
４００ 線形金属ストリップ
５００ ハウジング
５０１ 電池ブロック、スタック
５１０ くぼみ
５２０ 絶縁体
６００ 鋳造エンクロージャ
６０１ 電池ブロック
６１０ ブラケットセット
６１０Ａ 垂直円柱状部材
６１０Ｂ 上部水平部材
Ｓ 摺動方向
[0001]本開示は一般に、燃料電池スタックを組み立てるための改良された設計、ならびに衝撃および他の高加速度荷重を受けた後のスタック内の燃料電池の相対位置を確保しかつ維持するために燃料電池スタックにわたって加速度荷重を分散することに関する。
[0002]燃料電池を使用して、電気化学反応を介して燃料を使用に適した電力に変換することの大きな便益は、中間ステップとしての燃焼に依存することなく電力への変換が達成されることである。したがって、燃料電池は、推進および関連する駆動用途に関して、内燃機関（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ、ＩＣＥ）に優るいくつかの環境上の利点を有する。典型的な燃料電池−プロトン交換膜またはポリマー電解質膜（どちらの場合も、ＰＥＭ）燃料電池など−では、１対の触媒電極がイオン透過媒体（Ｎａｆｉｏｎ（商標）など）によって分離されており、これは一般に膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）と呼ばれる。電気化学反応は、気体還元剤（水素、Ｈ２など）がアノードにおいて導入されかつイオン化され、次いで、他方の電極（カソード）を通じて導入された気体酸化剤（酸素、Ｏ２など）と結合するようにイオン透過性媒体を通過させられたときに生じる。この反応物質の結合は、副産物として水を形成する。水素のイオン化において遊離した電子は、直流（ＤＣ）の形態で、有用な仕事が実行されうる負荷（電気モータなど）を通常含む外部回路を介して、カソードに進む。このＤＣ電気の流れによってもたらされる発電は、そのような電池を多数結合してより大きな電流生成組立体にすることにより、増大させることができる。１つのそのような構成では、燃料電池は、燃料電池スタックを形成するために、共通の積み重ね方向に沿って直列に−１組のトランプそっくりに−接続される。
[0003]ＭＥＡへの反応物質の送達−ならびに副生水の除去および負荷への電池生成電流の送達−は、ガス透過性拡散媒体（ガス拡散媒体（ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｍｅｄｉｕｍ、ＧＤＭ）とも呼ばれる）および双極板を通じて促進され、このうちの双極板は、対応する燃料電池に周設される寸法となされる。スタック形成中の各板および電池組立体の位置合わせを向上させる１つの方法は、１つまたは複数の基準構造（基準とも呼ばれる）を含むことであり、そのような基準は、双極板のうちの１つにまたは複数の双極板に作りつけられるか、固定されるか、または他の方法で協調する。１つの一般的な形態では、基準は、積み重ね（例えば、デカルト座標系におけるＹ軸）方向におけるそのような位置合わせを促進するために、基準ピンを受け入れうる。
[0004]車両内に設置される燃料電池スタックは、車両の加減速による激しい荷重変化、ならびに衝突、事故、および関連する衝撃による激しい荷重変化に耐えることができなければならない。具体的には、車両の衝突のような破壊的な出来事の際に高加速度荷重（例えば１６０ｇまで、またはそれ以上）を受けた後で機能し続けるために、スタックを構成する各燃料電池の位置は、互いに保持されなければならない。車両が激しく加速、減速、または衝突した場合、強い剪断力が、スタックの隣接する電池間の（特に前述のデカルト座標系のＸ−Ｚ面における）摺動を生じさせうる。電池間の小さなずれは、全ての電池について考慮した場合に、電池ブロックの大きなずれを生じさせうる（例えば、３００個の電池によるスタックの組み立ての場合、１００ミクロンの電池のずれが、３０ｍｍの電池ブロックのずれを生じさせうる）。そのような問題は、熱的に誘発された収縮がスタック組み立て中に電池に課せられたＹ軸の圧縮保持荷重を減少させうる冷機起動状態により、また、低摩擦係数性を有しうる表面処理剤またはインサートの使用でもたらされる電池間摩擦の低減により、悪化する可能性がある。接着剤または補足的な支持構造の使用は、この問題をある程度改善しようとする可能性があるが、その過程において、重量および複雑さを増大させる傾向があり、また−接着剤の場合−修理または診断解析のためのその後のスタックの分解に寄与しない。
[0005]本開示の１つの態様によれば、燃料電池スタックが開示される。スタックは、積み重ね方向（例えば、従来のデカルト座標系におけるＹ軸）に沿って隣接して対面した関係に配置された多数の燃料電池と、各電池に対するそれぞれの双極板とを含む。少なくとも１つの基準構造が、各双極板の縁部に隣接して配置され、かつ、隣接して積み重ねられる板上の別の基準構造との入れ子関係を画定する形状となされて、積み重ね方向に実質的に直角な方向に沿った電池間の位置のずれまたは運動（すなわち、この運動は積み重ね方向に対して実質的に直角な平面におけるものである）に対する強化された抵抗力を提供する。
[0006]本開示の別の態様によれば、破壊的な出来事に応じた電池間のずれに対する向上された抵抗力を有する燃料電池スタックを組み立てる方法が開示される。方法は、積み重ね方向に沿って燃料電池を配置するステップと、それぞれの燃料電池組立体の一部を形成する双極板のそれぞれの縁部に沿って設置された１つまたは複数の基準構造が向上された抵抗力を提供する形状となされるように、配置された電池をハウジング内に固定するステップとを含む。基準構造は、電池積み重ね方向に沿って増大した厚さ寸法を占有し、また、隣接する電池間の摺動運動に対する抵抗力が向上するように、隣接して積み重ねられた双極板上の位置合わせ可能な基準構造と協働するように構成される。この積み重ねられた基準構造間の協働は、板、電池、およびそれらのそれぞれの組立体の主表面を画定する方向に沿った著しい加速度の発生によって生じうる電池間の運動を最小限に抑えるかまたは排除する。
[0007]本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読めば最もよく理解することができる。
なお、本明細書には、以下の態様が記載されている。
（態様１）
積み重ね方向に沿って隣接して対面した関係に配置された複数の燃料電池と、
前記電池のそれぞれと協働する双極板と、
各前記双極板の縁部に隣接して配置された少なくとも１つの基準構造であって、前記積み重ね方向に対して実質的に直角な方向に沿った電池間の位置のずれに対する抵抗力を向上させるために、隣接して積み重ねられる基準構造との入れ子関係を画定する形状となされた少なくとも１つの基準構造と
を含む、燃料電池スタック。
（態様２）
前記少なくとも１つの基準構造が、前記双極板によって画定された平面を越えて実質的に前記積み重ね方向に沿って突出する、態様１に記載のシステム。
（態様３）
前記少なくとも１つの基準構造が、実質的に中空の円錐構造を画定する、態様２に記載のシステム。
（態様４）
前記少なくとも１つの基準構造が、その中に開口部を画定する、態様３に記載のシステム。
（態様５）
前記開口部内に設置される基準ピンをさらに含む、態様４に記載のシステム。
（態様６）
前記開口部が、非円形の形状を画定する、態様４に記載のシステム。
（態様７）
前記少なくとも１つの基準構造が、金属タブ上にオーバーモールドされるプラスチックを画定する、態様３に記載のシステム。
（態様８）
前記金属タブが、溶接または接着の構造を介して各前記双極板の縁部に隣接して配置される、態様７に記載のシステム。
（態様９）
前記スタックを取り囲むハウジングをさらに含む、態様１に記載のシステム。
（態様１０）
前記ハウジングが、押出し型構造の少なくとも一体的に形成された部分が、積み重ねられた基準構造の少なくとも一部分の周りに実質的に円柱状の構造を提供するように、前記押出し型構造を画定して、前記実質的に直角な方向に沿った前記電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を持つ隔壁を提供する、態様９に記載のシステム。
（態様１１）
前記ハウジングが、ブラケットが積み重ねられた基準構造の少なくとも一部分の周りに実質的に円柱状の構造を提供するように、積み重ね方向に沿って隣接して対面した関係に配置された前記複数の燃料電池の実質的に対向する側上に配置された少なくとも１対の追加の前記ブラケットを含む鋳造構造を画定して、前記実質的に直角な方向に沿った前記電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を持つ隔壁を提供する、態様９のシステム。
（態様１２）
燃料電池スタックを組み立てるための方法であって、
実質的に平坦な複数の燃料電池を積み重ね方向に沿って配置するステップであって、前記燃料電池のそれぞれが、少なくとも１つの膜電極組立体と、その縁部に隣接して少なくとも１つの基準構造を有する双極板とを含み、前記少なくとも１つの基準構造が、前記積み重ね方向に対して実質的に直角な方向に沿った電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を提供する形状となされるステップと、
各前記双極板上の前記少なくとも１つの基準構造と、対面して隣接する少なくとも１つの板上の隣接する基準構造との協働が、電池間摺動に対する抵抗力を高めるように、前記配置された燃料電池をハウジング内に固定するステップと
を含む、方法。
（態様１３）
前記少なくとも１つの基準構造が、実質的に中空の円錐状入れ子構造を画定する、態様１２に記載の方法。
（態様１４）
前記少なくとも１つの基準構造が、前記実質的に平坦な燃料電池のうちの対応する１つによって画定された平面を越えて実質的に前記積み重ね方向に沿って突出する、態様１３に記載の方法。
（態様１５）
前記少なくとも１つの基準構造が、複数の基準構造を含む、態様１４に記載の方法。
（態様１６）
前記ハウジングが、一体的に成形された構造のうちの少なくとも一部分が、積み重ねられた基準構造の少なくとも一部分の周りに実質的に円柱状の構造を提供するように、前記一体的に成形された構造を画定して、前記実質的に直角な方向に沿った前記電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を持つ隔壁を提供する、態様１２に記載の方法。
（態様１７）
前記配置するステップ中に前記少なくとも１つの基準構造をピンに結合するステップをさらに含む、態様１２に記載の方法。
（態様１８）
前記配置された燃料電池が前記ハウジング内に固定されるのに先立って、前記ピンが前記少なくとも１つの基準構造から取り外される、態様１７に記載の方法。
（態様１９）
前記実質的に中空の円錐状入れ子構造とともにオーバーモールドされた金属タブを介して前記少なくとも１つの基準構造を前記双極板の縁部に結合するステップをさらに含む、態様１２に記載の方法。
（態様２０）
前記結合するステップが、溶接するステップを含む、態様１９に記載の方法。
燃料電池スタックの簡易分解図である。 図１の燃料電池スタックを含む車両の斜視破断図である。 図１の燃料電池スタックで使用される双極板の簡易分解図である。 本発明の一態様による、双極板の縁部に添付可能な基準構造を示す、図３の双極板の詳細図である。 本発明の一態様による、位置合わせされた積み重ね構成におけるいくつかの双極板の立面破断図である。 補足的な電池間摺動抵抗力のために基準構造を貫通する任意の基準ピンを含む、図４の基準構造の斜視図である。 複数の基準構造を金属タブ上にオーバーモールドすることができる連続的な金属ストリップの使用法を示す図である。 補足的な電池間摺動抵抗力の別の形態を提供するために図４の基準構造と協働する形状となされた押出しハウジングの使用法を示す図である。 補足的な電池間摺動抵抗力の別の形態を提供するために図４の基準構造と協働する形状となされた補足的な荷重ブラケットを含む鋳造ハウジングの使用法を示す図である。
[0008]まず図１を参照すると、燃料電池スタック１が示されており、この燃料電池スタック１は、ドライエンドユニット板５、ウェットエンドユニット板１０、およびエンドユニット板５、１０間に積み重ね構成で配置された燃料電池１５のブロックを含む。詳細には示されていないが、ブロック内の各燃料電池１５は、一般に、ガス透過性導電拡散媒体の対の間に圧迫されるＭＥＡの全体的に平坦なサンドイッチ構造を形成するように一緒に配置されたアノード、カソード、および膜を含み、ガス透過性導電拡散媒体の対は、反応物質（すなわち、ＭＥＡのアノード側ではＨ２であり、ＭＥＡのカソード側ではＯ２（通常、空気の形態）である）を送達する働きをし、また、アノードおよびカソードにおいて触媒的に生成された電流を集電する働きもする。この文脈において、組み立てられたスタック１の高さに対応する積み重ね寸法は、図示のようにＹ軸に沿って画定されるが、これは便宜上のことであり、組み立て工程中のスタック１の向きに応じて任意の適切な線寸法が等しく適切とされることが、当業者には理解されるであろう。
[0009]スタック１内の多数の個々の電池１５は、対向するエンドキャップ２５、３０の対と、側壁３５、４０と、ウェットエンドユニット板１０をドライエンドユニット板５に固定するために側壁３５、４０のそれぞれに沿って垂直に配置される剛体受け要素４５とで構成されたハウジング２０を介して、所定の位置に保持される。１つの形態では、ウェットエンドユニット板１０は、対向するエンドキャップ２５、３０にしっかりと固定されるが、ドライエンドユニット板５は、調節可能に固定される。この後者の接続法は、最終組み立てまで終点固定位置が分からないスタック形成状況において特に有用である。このことはさらに、固定を予想される終点固定位置の範囲に対応するように適合させることを可能にする。対照的に、ウェットエンド板１０のしっかりとした固定は、互いに固定された構成要素の位置関係が実質的に不変であることを意味する。
[0010]次に図２を参照すると、車両１００（例えば、乗用車、バン、バス、トラック、またはオートバイ）が、電気モータ１２０で構成された燃料電池を基礎とした推進システム１１０を含み、電気モータ１２０は、多数の個別的な燃料電池１５を含む図１の燃料電池スタック１から、その電力を受け取る。推進システム１１０は、１つまたは複数の燃料貯蔵ガス容器１３０、１４０、ならびに電力変換装置または関連電子装置１５０、蓄電デバイス（例えば、バッテリ、ウルトラキャパシタ、など）１６０、および運用管理を提供する制御装置、および任意の数の弁、圧縮機、配管、温度調節器、および他の付属機器を含むことができる。
[0011]推進システム１１０のスタック１を構成するために、あらゆるタイプの燃料電池１５を使用することができ、これらの電池１５は、金属水素化物電池、アルカリ電池、電気ガルバニ電池、または他の変形形態の電池とされうる。１つの好ましい（しかし必然的ではない）形態では、電池１５は、上述のようなＰＥＭ燃料電池であり、この構成は、本開示の残りの部分に基づくものである。１つの好ましい形態では、スタック１内の電池１５は、車両１００の要求に応じてより高い電圧または電流収量をもたらすために、直列、並列、またはそれらの組合せで結合される。スタック１は自動車両以外の目的のために使用されうることが、理解されるであろう。
[0012]次に図３を参照すると、本発明の１つの実施形態による燃料電池１５に関連する双極板組立体２００の分解斜視図が示されている。それらが取り付けられるＭＥＡと同様に、組立体２００の各双極板は、全体的に平坦な面部分２１０と、面部分２１０を囲む外周部を形成する全体的に矩形の縁部分２２０とを画定する。面部分２１０上には、多数の蛇行流れチャネル２３０を特徴とする流れ場が配置され、反応ガスは、この流れ場を通じて、縁部分２２０のうちの１つの側部２２０Ａに隣接して形成された供給マニホルド２４０から、反対側の縁部２２０Ｃに隣接して形成された排出マニホルド２５０へと流れる。代替的な構成（図示せず）では、供給マニホルド２４０および排出マニホルド２５０は、板組立体２００の同じ縁部に隣接して並んで配置されうる。１つの形態では、双極板組立体２００は、鑞付け、レーザ溶接、または関連する操作を通じて継合することができる個別のシート２００Ａ、２００Ｂ（典型的には、厚さ（すなわち、積み重ね）方向に沿って約７５ミクロンから１００ミクロンの間）で作られうる。そのような構成では、各面部分２１０により形成された流れチャネル２３０は、隣接した２つの電池１５が積み重ねられたときにそれらの面部分２１０が背中合わせの配置になるように、全体的に互いの鏡像を画定しうる。反応ガス流れ場のための流れチャネル２３０を含むこれらのシートに加えて、独立した冷媒流れ回路を提供するために、同じように成形されたシート（図示せず）を積み重ねるように散在させることができる。そのような冷媒流れ回路は、任意の適切な流れチャネル形状（流れチャネル２３０で示された蛇行形状など）を画定することができる。シート２００Ａ、２００Ｂと同様に、任意のそのような追加的なシート冷媒流れ回路はまた、鑞付けまたは何らかの他の適切な接合技法を通じて結合されうる。この文脈において、板組立体２００の双極板は、対向する両平面上に形成された蛇行流れチャネル２３０を有する場合もあれば有さない場合もある。例えば、そのような板がスタック１における最後の板を形成する場合、エンドユニット板（図１のエンドユニット板５、１０など）に面する側に形成されたチャネル２３０を有することは必要とならないはずである。
[0013]次に図４から図７を参照すると、双極板組立体２００の１つまたは複数のシート２００Ａ、２００Ｂによって形成される縁部分２２０の側部２２０Ｄに沿った基準構造３００の配置に関する詳細が示されている。図示のように、基準構造３００は、図１のＹ軸寸法に沿ってかなりの面外厚さを画定する。示された具体的形態では、基準構造３００は、円錐状特徴３１０を画定し、この円錐状特徴３１０は、円錐によって画定された領域内が実質的に中空であることにより、双極板組立体２００を含む隣接して対面する電池１５の積み重ねに際して、２つ以上の基準構造３００を入れ子状にすることを可能にする。この文脈において、隣接して積み重ねられる２つの物体（例えば、電池、双極板など）の同じ構成要素（例えば、基準構造）は、それらの幾何学的特徴が、一方の実質的部分が他方の容積的部分内に設置されうるようなものであるときに、入れ子状になると見なされる。そのような入れ子の例は、使い捨ての飲料用コップが円柱状の入れ物に積み重ねられる様子から思い浮かべることができる。隣接する基準構造３００間の入れ子は、板と板との位置決めを促進するのに役立つ。したがって、円錐状特徴は、別個の基準ピンに依存することなしに、積み重ねられた電池１５を位置合わせしておくのに、特によく適合している。基準構造３００の面外（すなわち、Ｙ軸）の突出は、圧縮、密閉、およびスタック１に関連する他の組立作業中にスタック１において電池１５を位置合わせするのに有用であることに加えて、向上された電池間摺動抵抗力を提供する。そのような抵抗力は、上述の高加速度荷重を生じさせる出来事の際にスタック１を完全な状態に維持することに対する重要な寄与因子である。好ましい一実施形態では、各円錐状基準構造３００によって画定される面外厚さは、該電池１５から上下に３つの電池１５まで電池間摺動抵抗力を確保するのに十分なものである。このことは、図５に具体的に示されている。成形された基準構造３００の別の重要な特徴は、隣接して積み重ねられた電池１５間に恒久的な接続（エポキシ、ニカワなどの使用に伴う接続など）が存在しないことである。このことは、スタック１内の個別的な電池１５のそれぞれの保守性を可能にする。
[0014]重要なことには、基準構造３００は、面外の支持を提供する手段として、電池間摺動抵抗力（例えば、従来の設計が約４０ｇしか必要としなかったのに対して約１６０ｇまでの荷重に耐えることができる）を増大させる最近の設計に対する懸念を軽減するために使用することができる。１つの具体的形態では、基準構造３００は、金属タブ３２０の薄く全体的に矩形の部分上にオーバーモールドすることが可能な剛体の耐荷重性プラスチックで作られうる。このようにして、双極板組立体２００の設置面積を増大させずに、基準構造３００の完全な金属補強を達成することができる。ここでは図面は１つの双極板につき１つの基準構造３００しか示していないが、任意の所与の板に複数の（例えば、第２、第３などの）基準構造３００が結合されうることが理解されるであろう。これは、スタック１の組立て中の良好な位置合わせを促進するのに役立つだけでなく、より高水準の摺動抵抗力が必要とされうる状況において、スタック１内の隣接する電池１５層間に追加的な剪断運動抵抗力を提供することができる。好ましい一実施形態では、電池１５の積み重ねが完了し、スタック１を構成する電池ブロックに荷重が加えられた後で、基準ピン３３０（以下でより詳細に論ずる）が除去されうる。
[0015]図７を詳細に参照すると、繰り返し可能で迅速な形成を促進するために、各基準構造３００がそのタブ（上述のタブ３２０など）と一緒に個別に連続して取り外されて板組立体２００の縁部分２２０の側部２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、または２２０Ｄのうちの１つに接着（溶接等により）されうるように、そのような多数の基準構造３００が、連続した線形金属ストリップ４００にオーバーモールドされうる。この独立した金属ストリップを基礎とする手法では、各双極板をオーバーモールドするステップが回避される。好ましい一形態では、基準構造３００の円錐状部分は、双極板組立体２００に溶接されるかまたは他の方法で組み込まれるように構成された矩形部分から単一的に延在するタブ３２０の一部分上にオーバーモールドされる。他の部分は、１つの形態では、円錐状基準構造３００の切り取り線に沿った周囲寸法を画定する、開口部を含む全体的により大きい矩形を画定する。線形金属ストリップ４００から結果として作られたオーバーモールドされた基準構造３００は、板に「ネットビルド（ｎｅｔ−ｂｕｉｌｄ）」されうる。この追加的な基準構造３００の設置は、双極板および板組立体２００上の基準構造３００の位置が、部品の幾何形状によってではなく溶接器具によってのみ左右されることを意味する。個々の基準構造３００を形成するために線形金属ストリップ４００が使用されるかどうかにかかわらず、双極板の個々のシート２００Ａ、２００Ｂを結合する方法として上述されたレーザ溶接手法は、シート縁部の任意の部分に沿ったシート２００Ａ、２００Ｂの各表面間における基準構造３００の個々の設置に容易に対応するという点で、有益である。
[0016]重要なことは、基準構造３００を使用することにより、一体的に形成される基準ピンが必要とされなくなることである。しかし、図６に詳細に示されるように、任意の基準ピン３３０が、スタック１の形成中の位置合わせを向上させるため（一時的な構造の場合）に、および上述の破壊的な出来事から生じうる電池間摺動に対する補足的な抵抗力を提供するため（恒久的な構造の場合）に、一時的または恒久的なスタック１構造の一部として使用されうる。これは、スタック１の設計に極度に高い加速度荷重要求（例えば、上述の１６０ｇの荷重）が課せられる場合に特に有用とされうる。１つの形態では、ピン３３０は、基準構造３００に形成された開口部３００Ａに通される。そのようなピン３３０は、積み重ね工程中に設置されて、スタックが組み立てられた後も残されるか、スタックの最終組み立ての前に取り出されうる。好ましい一形態では、ピン３３０は、積み重ねに必要とされていないが、圧縮されていない状態では、一般に、ＧＤＭ厚さ、シール厚さ、および材料幾何形状の不一致などの要因の全てが、板組立体の平坦さからの偏差を生じさせうる。そのような状況では、基準構造３００の円錐状特徴３１０は、電池と電池との適切な位置合わせを可能とするのに、それだけでは十分でない場合がある。したがって、ピン３３０は、積み重ね中の位置合わせをさらに向上させるために、必要に応じて臨機応変に用いられうる。
[0017]開口部３００Ａの形状は、隣接する電池１５間または板組立体２００間の摺動運動の影響を受けやすい平面（例えば、図示のようなＸ−Ｚ面）内の好ましい方向における製造公差を増大するようになされうる。そのような成形（ここでは楕円形状として示される）は、ピン３３０の挿入を容易にするのに役立つことができる。別の形状（図示せず）では、開口部３００Ａは、径方向外方に延在する複数の（例えば、均等に離間された４つの）溝付き切欠きを含む円形でありうる。この形態では、円形部分は、基準ピン３３０とのわずかな締まり嵌めを提供するが、細長い切欠きは、基準構造３００の円錐形状における追加的な割れ目が寸法の変化を促進するので、製造における公差を可能にする。
[0018]図８および図９を詳細に参照すると、剪断および関連する電池間摺動に対する抵抗力の向上を促進するために、他の補足的な手段が使用されうる。例えば、図８は、実質的に一体のハウジング５００（全体的な形状および寸法は、図１のハウジング２０のものに類似しうる）に成形されうるくぼみ５１０を詳細に示す。そのような場合、成形されるくぼみ５１０は、電池１５のＸ−Ｚ面内の少なくとも１つの摺動方向Ｓに沿った精密嵌合を可能にする寸法となされ、かつ、基準構造３００のスタックの縁部に沿った配置に一致するように離間される。好ましい一形態では、くぼみ５１０は、摺動方向Ｓに沿った電池間摺動運動のいかなる傾向も、ハウジング５００の実質上の全高（図１のＹ軸の積み重ね寸法と一致する）に延在する円柱形状によってさらに抵抗されるように、全体的にＣ形状の輪郭を画定しうる。したがって、成形されるくぼみ５１０の形状は、それらが図１のＸ方向における運動に逆らう隔壁として機能するのに役立ち、また、Ｚ方向における１つの運動に沿ったそのような追加的な抵抗力を提供する。１つの形態では、ハウジングは、押出し塑性材料で作られる。好ましい一形態では、一体ハウジング５００および成形されるくぼみ５１０のための材料は、衝突の際に電池ブロック５０１（全般に図１に示された電池１５のブロックに似る）を支持するために、また、電池ブロック５０１から作られたスタック５０１を圧縮状態に維持するために、アルミニウム（またはアルミニウム合金のうちの１種）の押出し材とされる。くぼみ５１０の使用は、上述の第２または第３の基準構造３００と併せられてもよく、また、基準ピン３３０の必要性をなくすことができる。電気的絶縁を提供するために、スタック５０１の周辺部を囲むように絶縁体５２０が形成される。
[0019]同様に、図９は、電池ブロック６０１を囲むように設置された鋳造エンクロージャ６００を詳細に示す。押出しアルミニウムのハウジング５００と同様に、鋳造エンクロージャ６００（好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウム合金のうちの１種である）は、積み重ねられた基準構造３００が設置されうる円柱状部分を画定する。鋳造エンクロージャ６００の場合、２つ以上の追加的なブラケットセット６１０が、主荷重保持機構として基準構造３００を収容するために取り付けられる。図１のスタック１と同様に、電池ブロック６０１は、対向するエンドキャップおよび側壁（標識せず）によって取り囲まれる。各ブラケットセット６１０は、位置合わせされて積み重ねられた基準構造３００を受け入れる形状となされた垂直円柱状部材６１０Ａと、垂直円柱状部材６１０Ａの頂部をエンクロージャ６００に固定する上部水平部材６１０Ｂとを含む。したがって、エンクロージャ６００は、主として環境からの保護および二次荷重保持のために使用される。
[0020]車両１００の激しい加減速、車両１００に作用する衝撃、または燃料電池スタック１自体への類似の衝撃を含む、垂直落下などの破壊的な出来事に起因する極度の荷重変化は、個々の燃料電池１５を互いに移動させることにより、燃料電池スタック１に損傷を与えるか、スタック１を分解しうる。基準構造３００の力学的性質は、そのような荷重変化に伴う最大加速度を支えるのに十分でなければならない。１つの例示的な形態では、組立体２００内の対応する各双極板のための基準構造３００は、１６０ｇの荷重を吸収する手段として約１５０Ｎの剪断強さを有する。
[0021]「好ましくは（ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ）」、「一般に（ｃｏｍｍｏｎｌｙ）」、および「典型的に（ｔｙｐｉｃａｌｌｙ）」などの用語は、本明細書において、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を限定するため、または、特定の特徴が特許請求の範囲に記載された発明の構造または機能にとって決定的、本質的、さらには重要であることを暗示するために用いられるのではないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は、本発明の特定の一実施形態において利用されうるまたはされえない代替形態または追加の特徴を強調することを目的としているに過ぎない。同様に、本発明を説明および定義する目的のために、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」という用語は、本明細書においては、任意の定量比較、値、測定値、または他の表示に起因しうる固有の不確実性の程度を表すために使用されることに留意されたい。この用語はまた、本明細書においては、論争中の主題の基本機能の変化を伴うことなく、規定された参照値から定量的な代表値が変化しうる程度を示すために使用される。
[0022]本発明を説明および定義する目的のために、「燃料電池」などの用語は、本明細書においては好ましくは自動車、推進、または関連する目的のために電流を供給するために使用される１つまたは複数の個々の電池を表すために用いられることに留意されたい。さらに、「自動車（ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ）」、「自動車の（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ）」、「乗り物の（ｖｅｈｉｃｕｌａｒ）」などの用語の変形は、文脈上他の意味を指示する場合を除き、総称的に解釈されるように意図されている。したがって、自動車への言及は、文脈においてより具体的に記載されていない限り、乗用車、トラック、バス、オートバイ、および他の類似の輸送形態を含むと理解される。
[0023]本発明をその特定の実施形態を参照することにより詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲において定義された本発明の範囲から逸脱することなしに修正および変更が可能であることが、明らかになるであろう。より具体的には、本発明のいくつかの態様が、好ましいまたは特に有利であると本明細書において識別されたが、本発明は、必ずしもそれらの本発明の好ましい態様に限定されないことが意図されている。
１ 燃料電池スタック
５ ドライエンドユニット板
１０ ウェットエンドユニット板、ウェットエンド板
１５ 燃料電池
２０ ハウジング
２５ エンドキャップ
３０ エンドキャップ
３５ 側壁
４０ 側壁
４５ 剛体受け要素
１００ 車両
１１０ 推進システム
１２０ 電気モータ
１３０ 燃料所蔵ガス容器
１４０ 燃料所蔵ガス容器
１５０ 電力変換装置または関連電子装置
１６０ 蓄電デバイス
２００ 双極板組立体
２００Ａ シート
２００Ｂ シート
２１０ 面部分
２２０ 縁部分
２２０Ａ 側部
２２０Ｂ 側部
２２０Ｃ 縁部、側部
２２０Ｄ 側部
２３０ 蛇行流れチャネル
２４０ 供給マニホルド
３００ 基準構造
３００Ａ 開口部
３１０ 円錐状特徴
３２０ 金属タブ
３３０ 基準ピン
４００ 線形金属ストリップ
５００ ハウジング
５０１ 電池ブロック、スタック
５１０ くぼみ
５２０ 絶縁体
６００ 鋳造エンクロージャ
６０１ 電池ブロック
６１０ ブラケットセット
６１０Ａ 垂直円柱状部材
６１０Ｂ 上部水平部材
Ｓ 摺動方向

Claims (20)

  1. 積み重ね方向に沿って隣接して対面した関係に配置された複数の燃料電池と、
    前記電池のそれぞれと協働する双極板と、
    各前記双極板の縁部に隣接して配置された少なくとも１つの基準構造であって、前記積み重ね方向に対して実質的に直角な方向に沿った電池間の位置のずれに対する抵抗力を向上させるために、隣接して積み重ねられる基準構造との入れ子関係を画定する形状となされた少なくとも１つの基準構造と
    を含む、燃料電池スタック。
  2. 前記少なくとも１つの基準構造が、前記双極板によって画定された平面を越えて実質的に前記積み重ね方向に沿って突出する、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記少なくとも１つの基準構造が、実質的に中空の円錐構造を画定する、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記少なくとも１つの基準構造が、その中に開口部を画定する、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記開口部内に設置される基準ピンをさらに含む、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記開口部が、非円形の形状を画定する、請求項４に記載のシステム。
  7. 前記少なくとも１つの基準構造が、金属タブ上にオーバーモールドされるプラスチックを画定する、請求項３に記載のシステム。
  8. 前記金属タブが、溶接または接着の構造を介して各前記双極板の縁部に隣接して配置される、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記スタックを取り囲むハウジングをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
  10. 前記ハウジングが、押出し型構造の少なくとも一体的に形成された部分が、積み重ねられた基準構造の少なくとも一部分の周りに実質的に円柱状の構造を提供するように、前記押出し型構造を画定して、前記実質的に直角な方向に沿った前記電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を持つ隔壁を提供する、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記ハウジングが、ブラケットが積み重ねられた基準構造の少なくとも一部分の周りに実質的に円柱状の構造を提供するように、積み重ね方向に沿って隣接して対面した関係に配置された前記複数の燃料電池の実質的に対向する側上に配置された少なくとも１対の追加の前記ブラケットを含む鋳造構造を画定して、前記実質的に直角な方向に沿った前記電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を持つ隔壁を提供する、請求項９のシステム。
  12. 燃料電池スタックを組み立てるための方法であって、
    実質的に平坦な複数の燃料電池を積み重ね方向に沿って配置するステップであって、前記燃料電池のそれぞれが、少なくとも１つの膜電極組立体と、その縁部に隣接して少なくとも１つの基準構造を有する双極板とを含み、前記少なくとも１つの基準構造が、前記積み重ね方向に対して実質的に直角な方向に沿った電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を提供する形状となされるステップと、
    各前記双極板上の前記少なくとも１つの基準構造と、対面して隣接する少なくとも１つの板上の隣接する基準構造との協働が、電池間摺動に対する抵抗力を高めるように、前記配置された燃料電池をハウジング内に固定するステップと
    を含む、方法。
  13. 前記少なくとも１つの基準構造が、実質的に中空の円錐状入れ子構造を画定する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記少なくとも１つの基準構造が、前記実質的に平坦な燃料電池のうちの対応する１つによって画定された平面を越えて実質的に前記積み重ね方向に沿って突出する、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記少なくとも１つの基準構造が、複数の基準構造を含む、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記ハウジングが、一体的に成形された構造のうちの少なくとも一部分が、積み重ねられた基準構造の少なくとも一部分の周りに実質的に円柱状の構造を提供するように、前記一体的に成形された構造を画定して、前記実質的に直角な方向に沿った前記電池間の位置のずれに対する向上された抵抗力を持つ隔壁を提供する、請求項１２に記載の方法。
  17. 前記配置するステップ中に前記少なくとも１つの基準構造をピンに結合するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  18. 前記配置された燃料電池が前記ハウジング内に固定されるのに先立って、前記ピンが前記少なくとも１つの基準構造から取り外される、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記実質的に中空の円錐状入れ子構造とともにオーバーモールドされた金属タブを介して前記少なくとも１つの基準構造を前記双極板の縁部に結合するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  20. 前記結合するステップが、溶接するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
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