JP2017130450A

JP2017130450A - 燃料電池スタック組み立て圧縮システム

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Publication number: JP2017130450A
Application number: JP2017006577A
Authority: JP
Inventors: マーティン・ハインツマン; Heinzmann Martin; デヴィッド・エイ．・マーティンチェク; A Martinchek David
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2017-07-27
Also published as: CN106981676A; DE102017100362A1; CN106981676B; DE102017100362B4; US20170207477A1; US10270120B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックを組み立てて圧縮するためのシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】システムおよび方法は、複数の側壁部を備える燃料電池スタックハウジングを含み、複数の側壁部は、エンクロージャーを形成しており、エンクロージャーは、２つの反対側の端部において開口しており、また、システムおよび方法は、内側側壁部表面に形成されている少なくとも１つのチャネルと、ハウジングの開口端部のうちの１つに固着されている第１の端部構造フレームとを含み、第１の端部構造フレームは、平面的な表面を通る少なくとも１つの工具開口部を含む。システムおよび方法は、工具をさらに含み、工具は、第１の端部構造フレームの少なくとも１つの工具開口部を通過しており、工具は、ハウジングを通ってハウジングの開口端部まで上へ延在しており、燃料電池スタックコンポーネントが、第１の端部構造フレームの反対側にある開口端部を通して、ハウジングの中へ装填されている間に、工具は、漸進的に下へ移動することができる。
【選択図】図３

Description

[0001]本発明は、概して、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するためのシステムおよび方法に関し、より具体的には、エンクロージャーの中で燃料電池スタックを組み立て、エンクロージャーの中にある燃料電池スタックを圧縮し、次いで、スタック圧縮が維持されるように、スタックの上におよびエンクロージャーの上にカバーを固定するための、システムおよび方法に関する。

[0002]燃料電池は、電気化学反応の使用を通して、水素などのような燃料を使用可能な電気へと変換させるために使用され得る。内燃エンジンとは異なり、燃料電池は、中間ステップとして燃焼に依存することなく、燃料を使用可能な電気へと変換させる。したがって、燃料電池の使用は、内燃エンジンと比較したときに、環境的な利点を有している。たとえば、水素燃料電池は、電解質をその間に備えるアノードおよびカソードを含む電気化学的なデバイスである。アノードは、水素ガスを受け入れ、カソードは、酸素または空気を受け入れる。水素ガスは、アノードの中で解離させられ、自由プロトンおよび自由電子を発生させる。プロトンは、電解質を通過してカソードに至り、カソードの中の酸素および電子と反応し、水を発生させる。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、したがって、直流電流（ＤＣ）の形態で仕事を行うための負荷を通して、電気モーターなどのような負荷を典型的に含む外部回路を介して、カソードに導かれる。

[0003]プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両用途に関して使用される一般のタイプの燃料電池である。ＰＥＭＦＣは、一般的に、ペルフルオロスルホン酸膜などのような、固体高分子電解質プロトン伝導性膜を含む。アノードおよびカソードは、典型的に、微粉触媒粒子を含み、それは、通常、プラチナ（Ｐｔ）であり、炭素粒子の上に支持され、イオノマーと混合させられている。触媒混合物は、膜の両方の側に堆積させられている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物、および膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を定義する。ＭＥＡへの反応物質の送達、副産物の水の除去、および、負荷への発生電流の送達は、ガス透過性の層（ガス拡散層と称されることが多い）およびバイポーラプレートを介して促進させられる。アノードガス拡散層は、アノード触媒層に対面接触して配置されており、一方、カソードガス拡散層は、カソード触媒層に対面接触して配置されている。本明細書で説明されているように、ＭＥＡは、アノードガス拡散層およびカソードガス拡散層を含むように理解されている。それぞれのＭＥＡは、バイポーラプレート間に挟まれ、燃料電池を形成する。当業者によって理解されるように、組み立ての間に、１つのＭＥＡが、電極のうちの１つ（および、ガス拡散層のうちの１つ）の平面的な表面をバイポーラプレートの平面的な表面に固定することによって、１つのバイポーラプレートに固着させられ、積み重ねる用意のできた燃料電池を形成することが可能である。

[0004]いくつかの燃料電池が、典型的に、燃料電池スタックの中で組み合わせられ、所望の電力を発生させる。たとえば、車両のための燃料電池スタックは、２００個以上の積層された燃料電池を有することが可能であり、２００個以上の積層された燃料電池は、共通の積み重ね寸法に沿って直列に接続されており、たとえば、紙の束と同様の様式で積層され、燃料電池スタックを形成する。上述のように、バイポーラプレートは、燃料電池スタックの中のそれぞれの燃料電池のＭＥＡの両側に位置決めされている。積層された燃料電池は、スタックのそれぞれの端部において、エンドプレートアッセンブリとエンドプレートとの間に位置決めされている。それぞれのバイポーラプレートは、スタックの中の隣接する燃料電池のためのアノード側およびカソード側を含み、アノードガスフローチャネルが、バイポーラプレートのアノード側に設けられており、それは、アノード反応物質ガスがそれぞれのＭＥＡに流れることを可能にし、また、カソードガスフローチャネルが、バイポーラプレートのカソード側に設けられており、それは、カソード反応物質ガスがそれぞれのＭＥＡに流れることを可能にする。燃料電池スタックのエンドプレートのうちの一方は、アノードガスフローチャネルを含み、他方のエンドプレートは、カソードガスフローチャネルを含む。エンドプレートアッセンブリのそれぞれは、絶縁体プレートおよび集電体プレートを含む。バイポーラプレートおよび集電体プレートは、導電性材料から作製されており、集電体プレートが、燃料電池によって発生させられる電気を、バイポーラプレートを通してスタックの外へ伝導させるようになっている。絶縁体プレートは、当業者に知られているように、スタックを絶縁する。

[0005]燃料電池スタックを自動車プラットフォームの中へ組み込むことは、例として、ブロワー、ポンプ、ホース、圧縮機などのような、車両の燃料電池システムコンパートメントの内側のバランスオブプラント機器との正確な設置およびアライメントを必要とする。正確な設置およびアライメントは、組み立てられた燃料電池スタックの厳密な寸法公差につながる。追加的に、車両の中にある燃料電池スタックは、加速度、減速、衝突、事故、および、さまざまな他の衝撃によって引き起こされる応力に耐えることができなければならず、また、燃料電池スタックの寿命を通して、スタックの中の燃料電池の位置を互いに対して保持しなければならない。上記に説明されている応力の間の高いせん断力は、スタックのセル間に滑りを引き起こす可能性があり、セル間の小さい変位は、燃料電池のすべてが考慮されたときに、大きいセルブロック変位を結果として生じさせる可能性がある。さらに、セル間の変位の問題は、コールドスタート条件によって強められる可能性がある。その理由は、熱的に誘起される収縮が、スタック組み立ての間にセルに掛けられたｙ軸方向の圧縮保持荷重を低減させる可能性があるからである。

[0006]バイポーラプレートは、それらが間に積層されているＭＥＡの周囲部の上および周りに、それらが嵌合するようにサイズ決めされている。燃料電池スタックの組み立ての間にそれぞれのプレートおよびＭＥＡのアライメントを改善するために、１つまたは複数の基準部（ｄａｔｕｍ）構造体、または、単に基準部だけが、バイポーラプレートのうちの１つもしくは複数の一部に形成され、または、バイポーラプレートのうちの１つもしくは複数の上に固定され得る。基準部は、孔部をさらに含むことが可能であり、孔部は、基準部ピンを受け入れ、当業者によって理解される様式で、積み重ねプロセスの間に、バイポーラプレートおよびセルのアライメントを促進させるように構成されている。

[0007]燃料電池スタックは、典型的に、圧縮荷重下で組み立てられ、燃料電池をシールするようになっており、また、スタックを構成する燃料電池のバイポーラプレート、ガス拡散層、および触媒電極の間の低い界面電気抵抗を実現するようになっている。圧縮荷重は、プレス手段、たとえば、プレスによって加えられ得る。燃料電池スタックに掛かる圧縮荷重は、通常、加湿に応じて、約５５１．６ｋＰａ（８０ｐｓｉ）から１１０３ｋＰａ（１６０ｐｓｉ）の範囲にあり、それは、ハウジングとしても知られる、燃料電池スタックを入れる圧縮保持エンクロージャーによって維持されている。たとえば、所望の圧縮力を確立するために、プレスが、スタックに荷重を加えるために使用され得る。次に、スタックを収容する圧縮保持エンクロージャーを含む圧縮保持システムが、プレスが解放された後に、スタックに掛かる圧縮力を維持する様式で、スタックに固着される。側部パネルのうちの１つまたは複数の表面に沿って装着されているタイロッドまたはブラケットエレメントを相互接続することが、典型的に含まれ、ハウジングの個別のコンポーネントを結合し、燃料電池スタックに掛かる圧縮力を維持するか、または、ハウジングは、圧縮された燃料電池スタックに固着されている一体構造体であることが可能である。圧縮力は、ボルトまたは関連の締結具を用いてタイロッドを固定することによって保持され、ボルトがせん断状態で荷重を掛けられるようになっている。その後に、圧縮された燃料電池スタックを収容するエンクロージャーは、環境的なシーリングのために、別のエンクロージャーの中へ設置され得、または、環境的なシーリングのために、単に、エンクロージングパネルおよびシールを使用することが可能である。完全に収容されてシールされると、燃料電池スタックは、バランスオブプラント（ＢＯＰ）コンポーネントに機械的に固定され、連結され、そして、車両または関連のデバイスに電気的に連結される。

[0008]別の例では、プレスは、個々のセルのスタックまたはブロックに荷重を加えるために使用され得、その後に、ハウジングは、スタックの上におよびスタックを覆って低下させられ得る。しかし、プレスを使用して、スタックを圧縮し、圧縮保持システムの中にスタックを入れるために必要とする時間がより少なく、また、圧縮されている燃料電池スタックの上および周りに低下させられることとなるハウジング構造体を必要としない、ハウジングの中に燃料電池スタックを組み立てる必要性が、当技術分野に存在している。

[0009]本発明の教示によれば、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するためのシステムおよび方法が開示されている。システムおよび方法は、複数の側壁部を含む燃料電池スタックハウジングを含み、複数の側壁部は、エンクロージャーを形成しており、エンクロージャーは、２つの反対側の端部において開口しており、また、システムおよび方法は、内側側壁部表面に形成されている少なくとも１つのチャネルと、ハウジングの開口端部のうちの１つに固着されている第１の端部構造フレームとを含み、第１の端部構造フレームは、平面的な表面を通る少なくとも１つの工具開口部を含む。システムおよび方法は、工具をさらに含み、工具は、第１の端部構造フレームの少なくとも１つの工具開口部を通過しており、工具は、ハウジングを通ってハウジングの開口端部まで上へ延在しており、燃料電池スタックコンポーネントが、第１の端部構造フレームの反対側にある開口端部を通して、ハウジングの中へ装填されている間に、工具は、漸進的に下へ移動することができる。

[0010]本発明の追加的な特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明、および、添付の特許請求の範囲から明らかになろう。

[0011]燃料電池スタックを圧縮するために使用される公知のプレスの等角図である。 [0012]図２ａは、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するための公知のプロセスを図示する図である。図２ｂは、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するための公知のプロセスを図示する図である。図２ｃは、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するための公知のプロセスを図示する図である。図２ｄは、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するための公知のプロセスを図示する図である。図２ｅは、燃料電池スタックを組み立てて圧縮するための公知のプロセスを図示する図である。 [0013]燃料電池スタックコンポーネントを受け入れることができるエンクロージャーの等角の部分切り欠き図である。 [0014]基準部を含むバイポーラプレートの一部分の切り欠き図である。 [0015]図３のエンクロージャーの上部端部の切り欠き等角図である。 [0016]図６ａは、図３のエンクロージャーの中で燃料電池スタックを形成するためのプロセスを図示する図である。図６ｂは、図３のエンクロージャーの中で燃料電池スタックを形成するためのプロセスを図示する図である。図６ｃは、図３のエンクロージャーの中で燃料電池スタックを形成するためのプロセスを図示する図である。図６ｄは、図３のエンクロージャーの中で燃料電池スタックを形成するためのプロセスを図示する図である。 [0017]燃料電池スタックがエンクロージャーの中に形成された後に、エンクロージャーとともに使用され得るプレスの等角図である。 [0018]図８ａは、エンクロージャーの中に形成された燃料電池スタックを圧縮するためにプレスを使用するためのプロセスを図示する図である。図８ｂは、エンクロージャーの中に形成された燃料電池スタックを圧縮するためにプレスを使用するためのプロセスを図示する図である。図８ｃは、エンクロージャーの中に形成された燃料電池スタックを圧縮するためにプレスを使用するためのプロセスを図示する図である。

[0019]燃料電池スタックを組み立てて圧縮するためのシステムおよび方法を対象とする本発明の実施形態の以下の議論は、単に、本質的に例示的なものであり、本発明またはその用途もしくは使用を限定することを決して意図していない。

[0020]図１は、公知のプレス１０の等角図であり、それは、燃料電池スタック１２を圧縮するために使用され、それは、スタック１２がプレス１０を使用して圧縮された後に、ハウジングユニット１８を、燃料電池スタック１２の上および周りに降下させるためにさらに使用される。燃料電池スタック１２のウェットエンドプレート１４は、プレス１０の下側ツール２２の上に着座させられており、下側ツール２２は、アッセンブリプラットフォーム２０の上に着座している。スタック１２は、公知の様式でコンポーネントを積層させることによって、プレスの中で形成される。燃料電池スタック１２が完成すると、ブロック形状の上側ツール２４は、ロッド２６およびアクチュエーター２８を使用して、燃料電池スタック１２のドライエンドプレート１６に圧縮力を加えるために使用され、ここで、上側ツール２４のトラベル方向は、ドライエンドプレート１６の平面的な面に圧縮力が加えられるようなものになっている。もしあるならば、どの程度のシム厚さが、理想的なまたは目標の圧縮されたスタック高さからのマイナスの偏差を埋め合わせるために必要とされるかということを決定するために、ロードセル３０および他のコンポーネントが使用され得る。目標の圧縮されたスタック高さが実現されると、シムの有無にかかわらず、ハウジングユニット１８（それは、好ましくは、リジッドな一体構造体である）は、燃料電池スタック１２の上および周りに降下させられる。スタック１２の上および周りの適切な場所に置かれると、スクリュー、ボルト、または、同様の締結具を、ウェットエンドプレート１４の底部の中へおよびハウジングユニット１８の中まで通すことによって、ハウジングユニット１８は、ウェットエンドプレート１４に固着される。

[0021]図２ａ〜図２ｅは、図１のプレス１０の中で、スタック１２を組み立てて圧縮するための、および、ハウジングユニット１８をスタック１２に固着させるための、公知のプロセスを図示しており、そこでは、同様のエレメントは、同じ参照番号によって表されている。明確化のために示されてはいないが、プロセスは、ハウジングユニット１８をプレス１０の中の開始位置に装填することによって、および、燃料電池などのような必要なコンポーネントをシーケンシャルに装填することによってスタック１２を形成することによって、スタック１２を形成することを始める。積層された燃料電池が適切な場所に置かれると、ドライエンドプレート１６は、スタック１２の上部に位置決めされる。図２ａは、矢印４０によって表される荷重を図示しており、それは、プレス１０によって、組み立てられたスタック１２に加えられ、所望の通りに燃料電池スタック１２を圧縮する。例として、スタック１２は、約２〜１０トンまで圧縮され得る。図２ｂは、圧縮されたスタック１２の高さを決定するために、および、シム要件（もしあれば）を決定するために測定されている、スタック１２の高さを図示しており、それは、円形４２によって表されているようなものである。図２ｃは、シム４４を図示しており、シム４４は、スタック１２が圧縮下にある間に追加され、所望の最終的なスタック高さが実現されるようになっている。また、円形４６によって表されている短絡テストが、スタック１２が圧縮下にある間に実施される。図２ｄは、スタックが圧縮下にある間に、スタック１２の上におよびスタック１２を覆って低下させられるハウジングユニット１８を図示している。ハウジングユニット１８がスタック１２の上および周りの適切な場所に締結されると、円形４８によって表されているように、リークテストが実施される。図２ｅは、ハウジングユニット１８および燃料電池スタック１２の完成したアッセンブリを図示しており、それは、プレス１０から除去される準備ができている。

[0022]上記に説明されているようにプレス１０がスタック１２を形成するために使用される時間の量は、かなりのものである。その理由は、プレス１０の中にある間に、スタック１２が形成され、また、プレス１０の中にある間に、スタック１２が圧縮され、ハウジングユニット１８が、スタック１２の上および周りに据え付けられるからである。そのうえ、ウェットエンドプレート１４の底部から締結が起こるので、ハウジングユニット１８は、盲目的にスタック１２に固着されなければならない。図２ａ〜図２ｅに示されているプロセスの間に、所望のスタックプロファイル、すなわち、スタック１２の真直度を維持することは、困難であるが、エンクロージャー１８がスタック１２の上に降下するために必要である。追加的に、プレスは、スタック１２の上にハウジングユニット１８を吊り下げるのに十分な高さがなければならない。したがって、燃料電池スタックを組み立てるための、および、燃料電池スタックをハウジングの中に入れるための新しいアプローチが、上記に説明されているプロセスのこれらの欠点を克服するために必要とされ、それは、スタックの隣接するプレート間のスタック真直度およびプレート間アライメントを確実にする。

[0023]図３は、エンクロージャー５０の等角の部分切り欠き図であり、エンクロージャー５０は、側壁部５６を含み、側壁部５６は、リジッドな概して直方体の形状を形成し、それは、中空であり、２つの反対側の端部において開口している。エンクロージャー５０は、より詳細に下記に説明されているように、燃料電池コンポーネントを受け入れるように設計された内部寸法を含む。ウェットエンドプレート構造フレーム５４などのような、燃料電池スタックエンドプレート構造フレームは、エンクロージャー５０の底部端部６８において、側壁部５６の縁部にしっかりと締結されている。上部端部７０は、底部端部６８に対して反対側の端部に位置付けされている。側壁部５６は、アルミニウムまたは複合材料などのような、任意の適切な材料から作製され得る。

[0024]上述のように、エンクロージャー５０の内部寸法は、エンクロージャー５０の中へ装填される燃料電池コンポーネントの形状に嵌合するように設計されており、より詳細に下記に説明されているように、ウェットエンドプレート構造フレーム５４が任意の適切な様式で端部６８にしっかりと締結された後に、燃料電池スタックが中で形成され得るようになっている。明確化のために、完成したスタックは図３の部分切り欠き図に示されていないが、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４が、ウェットエンドプレート構造フレーム５４に隣接する場所において、エンクロージャー５０の中に示されている。ウェットエンドプレートアッセンブリ６４は、絶縁体プレートおよび集電体プレートを含む。また、バイポーラプレート５２が、ドライエンドプレートアッセンブリ６６、ドライエンド構造フレーム５８、および、カバー１１４とともに、エンクロージャー５０の中に示されており、カバー１１４は、上部端部７０の近くで、締結具１３８によって側壁部５６に締結されている。ドライエンドプレートアッセンブリ６６は、絶縁体プレートおよび集電体プレートを含む。側壁部５６のうちの１つまたは複数は、少なくとも１つのチャネル６０を含み、少なくとも１つのチャネル６０は、より詳細に下記に説明されているように、バイポーラプレート５２、ウェットエンドプレートアッセンブリ６６、およびドライエンドプレートアッセンブリ６８の基準部７６に整合している。チャネル６０は、基準部ロッド６２を含み、基準部ロッド６２は、また、詳細に下記に説明されている様式で、基準部７６を受け入れる。

[0025]図４は、図３のバイポーラプレート５２の一部分の切り欠き図である。それぞれのバイポーラプレート５２は、概して平面的な面部分７２、および、概して長方形の縁部部分７４を画定しており、概して長方形の縁部部分７４は、面部分７２の周りの周囲部を形成している。それを通る孔部８０を備える円錐形状の特徴部７８を含む基準部７６は、バイポーラプレート５２の一部である。取り付け部分８２を使用して、または、基準部７６がプレート５２の一部となるようにバイポーラプレート５２を形成することによって、基準部７６は、バイポーラプレート５２に固着されている。より詳細に下記に説明されているように、バイポーラプレート５２がエンクロージャー５０の中へ装填されるときに、エンクロージャー５０のチャネル６０の中にある基準部ピン６２が、孔部８０を通過する。チャネル６０は、具体的には、基準部７６を受け入れるように設計されており、また、チャネル６０と基準部７６との間に、所定の公差、すなわち、クリアランスが提供されるようにサイズ決めされている。たとえば、１ミリメートルの公差またはクリアランスが提供され、適切な全体的なスタック真直度を依然として維持しながら積層することの容易性を可能にすることができる。また、孔部８０を通過する基準部ピン６２は、アライメントを促進させ、典型的に、基準部ピン６２と孔部８０の周囲との間に、狭い所定の公差またはクリアランスを有している。例として、基準部ピン６２および孔部８０の周囲との間の公差は、プレート間アライメントを促進させるために、１００ミクロンであることが可能である。円錐形状の特徴部７８は、２つ以上のバイポーラプレート５２の基準部７６が燃料電池の積み重ねの上に入れ子になること、および、バイポーラプレート５２がプレート間アライメントをさらに促進させることを可能にする。また、基準部７６は、圧縮、シーリング、および、他の燃料電池スタック組み立て動作の間に、セル間の滑り抵抗を改善する役割を果たす。基準部７６の面外の厚さは、たとえば、最大で、特定の燃料電池／バイポーラプレート５２の上方に３つのセル、および、特定の燃料電池／バイポーラプレート５２の下方に３つのセルまで、セル間の滑り抵抗が実現されることを確実にするのに十分な厚さであることが可能である。基準部７６の使用の別の利点は、スタックのセル間の恒久的な接続が必要ではなく、個々の燃料電池を補修することをより容易にするということである。図４および図５では、１つのバイポーラプレート５２あたり１つの基準部７６が示されており、詳細に下記に説明されている図６では、２つの基準部７６が示されているが、任意の適切な数の基準部７６が、それぞれのバイポーラプレート５２に関して使用され得る。

[0026]図５は、締結具１３８を使用してカバー１１４がそれに固着される前の、エンクロージャー５０の上部端部７０の切り欠き等角図である。図５に示されているように、側壁部５６の中のチャネル６０は、複数のバイポーラプレート５２およびドライエンドプレートアッセンブリ６６の基準部７６で装填されている。基準部ピン６２は、示されていないが、上述のように孔部８０を通過している。側壁部５６の縁部の凹み８４が、チャネル６０を形成しており、縁部の突出部８６が、側壁部５６、ならびに、適切な縁部表面に構造的な支持を提供し、下記に説明されているように、締結具などを使用して、締結具１３８を使用するカバー１１４をエンクロージャー５０に固着させる。バイポーラプレート５２およびドライエンドプレートアッセンブリ６６の形状は、示されているように、側壁部５６の内側表面８８の輪郭に適合している。

[0027]図６ａ〜図６ｄは、プレスの中にスタック９０を設置する前に、エンクロージャー５０の中に燃料電池スタック９０を形成するためのプロセスを図示している。図３、図４、および図５からの同様のエレメントは、同じ参照番号によって表されている。図６ａは、ウェットエンドプレート５４に固着されている側壁部５６と、エンクロージャー５０の側壁部５６に隣接して据え付けられている絶縁体スリーブ９２とを図示している。絶縁体スリーブ９２は、スタック９０がエンクロージャー５０の中に組み立てられると、スタックをエンクロージャー５０から絶縁する役割を果たしている。側壁部５６に固着されているウェットエンドプレート構造フレーム５４の平面図９４は、ウェットエンドプレート構造フレーム５４の縁部のうちの２つに設置されている基準部７６を図示しており、基準部７６は、エンクロージャーのチャネル６０に整合しており、基準部７６のそれぞれは、孔部８０を含み、孔部８０は、上記に説明されているように、基準部ピン６２を受け入れるために使用される。図６ａ〜図６ｄの切り欠き図に示されてはいないが、エンクロージャー５０の前面および後面の側壁部５６が存在しており、前面および後面の側壁部５６のそれぞれが、上記に説明されているチャネル６０および基準部ピン６２を含む。開口部１００が、ウェットエンドプレート構造フレーム５４の平面的な表面を通して提供されており、より詳細に下記に説明されているように、工具１０２が通過することを可能にする。

[0028]図６ｂは、エンクロージャー５０の中に燃料電池スタック９０を形成するための第１のステップを図示している。開始するために、基準部７６をチャネル６０の中へ嵌合させることによって、および、基準部ピン６２によって孔部８０を嵌合させることによって、ならびに、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４の平面的な表面を工具１０２の上に置くことによって、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４が、エンクロージャー５０の中へ装填される。工具１０２は、ウェットエンドプレート構造フレーム５４の中の開口部１００を通過し、エンクロージャー５０の上部開口部まで延在し、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４の平面的な表面を受け入れる。ガイド部１０６が、エンクロージャー５０の上部開口部の近くの適切な場所に提供されており、エンクロージャー５０の中へ下向きに延在し、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４などのような燃料電池スタックコンポーネントをエンクロージャー５０の中へ案内する。明確化のために示されてはいないが、ガイド部１０６は、前面および後面の側壁部５６に位置付けされ得、前面および後面の側壁部５６は、チャネル６０を含み、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４および他の燃料電池スタックコンポーネントを案内し、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４および他の燃料電池スタックコンポーネントは、チャネル６０および基準部ピン６２を用いて装填されているコンポーネントを整合させることによって、エンクロージャー５０の中へ装填されることとなる。ウェットエンドプレートアッセンブリ６４がエンクロージャー５０の中へ装填されると、工具１０２は漸進的に下へ移動し、次のコンポーネントが装填され得るようになっている。ウェットエンドプレートアッセンブリ６４の平面図１０４は、上記に説明されているようにチャネル６０に整合する基準部７６を図示している。開口部１０８は、当業者に知られているように、反応物質および冷却剤が燃料電池スタック９０を通過することを可能にする。

[0029]図６ｃは、バイポーラプレート５２（および、それに関連付けられる燃料電池）がウェットエンドプレートアッセンブリ６４の上に装填されていることを図示している。バイポーラプレート５２は、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４の上部のアッセンブリ５０のチャネル６０および基準部ピン６２の中へ装填され、基準部ピン６２がバイポーラプレート５２の孔部８０を通過するようになっている。工具１０２が、それぞれのバイポーラプレート５２が装填されるにつれて漸進的に降下し、スタック９０の形成の間にコンポーネントが漸進的に降下することを引き起こす。図６ｄは、工具１０２が最終的な位置まで漸進的に降下させられた後の、および、燃料電池スタック９０がエンクロージャー５０の中へ完全に装填された後の、ウェットエンドプレート構造フレーム５４の中の工具１０２を図示している。ドライエンドプレートアッセンブリ６６は、上記に説明されているように、スタック９０の上部の近くにあり、ドライエンド構造フレーム５８の下方にある。代替的に、ドライエンド構造フレーム５８およびドライエンドプレートアッセンブリ６６は、ウェットエンド構造フレーム５４およびウェットエンドプレートアッセンブリ６４の代わりに、最初にエンクロージャー５０に固着され得る。明確化のために示されてはいないが、プログラマブルコントローラー、ロボティクス、センシングデバイス、および附属機器などのような、コンポーネントが、図６ａ〜図６ｅに示されているプロセスを促進させるために含まれ得る。

[0030]図７は、エンクロージャー５０の中の燃料電池スタック９０を圧縮するために使用され得るプレス１１０の等角図であり、ここで、同様のエレメントは、同じ参照番号によって表されている。プレス１１０は、複数のプレスロッド１１２を含み、複数のプレスロッド１１２は、プレス１１０の上に以前に装着されたカバー１１４を通過している。カバー１１４は、スタック９０が圧縮された後に、エンクロージャー５０の上部カバーとして使用される。エンクロージャー５０は、下側ツール１１６の上に着座させられており、下側ツール１１６は、プラットフォーム１１８の上に置かれている。アクチュエーター１２０は、複数のプレスロッド１１２がドライエンド構造フレーム５８を押し下げることを引き起こす。明確化のために示されてはいないが、プログラマブルコントローラー、センサー、リニアバリアブルディスプレイセット、および附属機器などのような、他のコンポーネントが、プレス１１０の所望の圧縮および組み立て機能を促進させるために含まれ得る。

[0031]複数のプレスロッド１１２は、図１に示されているプレス１０の単一の上側ツール２４と比較したときに、より均一な圧縮を提供する。追加的に、カバー１１４だけがスタック９０の上に吊り下げられることを必要とし、それは、より低いプレス高さが必要とされるということを意味している。複数のプレスロッド１１２が通過するカバー１１４の中の孔部は、標準的なプラグによって容易にシールされ得、それは、上側工具２４がそれを通過することを可能にするために必要なハウジング１８の開口面積をカバーするために使用されるカバーと比較したときに、より信頼性の高いシールを確実にする。

[0032]図８ａ〜図８ｃは、エンクロージャー５０の中にある燃料電池スタック９０を圧縮するためにプレス１１０を使用することを含むプロセスを図示している。図８ａは、プレス１１０の上に装填されるカバー１１４を図示している。プレス１１０は、明確化のために示されていないが、その代わりに、矢印１３０によって表されている。圧縮がスタック９０に加えられ、それは矢印１３０によって表されており、ガイド部１０６が除去される。絶縁スリーブ９２が以前に据え付けられていなかった場合には、絶縁スリーブ９２は、このときに据え付けられ得る。図８ｂは、圧縮を完了すること、円形１３４によって表されているスタック高さを測定すること、および、円形１３６によって表されているエンクロージャー高さを測定することを図示している。測定されるスタック高さは、ドライエンド構造フレーム５８の４つの角部の高さを測定することを含む。測定されるスタック高さと測定されるエンクロージャー高さ（もしあれば）との間の差は、シム１３２が必要とされるかどうかということを決定するために使用される。そうである場合には、シム１３２が、ドライエンド構造フレーム５８の上部面の上に据え付けられる。基準部ピン６２は、このときに除去され得る。代替的に、基準部ピン６２は、端部を切り落とされた長さを中に残されてもよく、基準部ピン６２がエンクロージャー５０の中に嵌合することを確実にする。明確化のために示されてはいないが、プログラマブルコントローラー、センサー、リニアバリアブルディスプレイセット、および附属機器などのような、他のコンポーネントが、プレス１１０の所望の圧縮および組み立て機能を促進させるために含まれ得る。図８ｃは、締結具１３８を使用してカバー１１４を据え付けることを図示している。スタック９０は、カバーおよび締結具１３８が据え付けられている間に、わずかに過大に圧縮され得る。次に、明確化のために示されてはいないが、リークテストおよび電気的なテストなどのような、エンジニアリングテストが実施される。これらのテストは、リークテストマニホールドを含む下側ツール１１６を使用して実施され得、および／または、エンクロージャーのアクセスパネル（図示せず）を通してスタック９０にアクセスすることによって実施され得る。

[0033]図６ａ〜図６ｅに示されているプロセス、および、図８ａ〜図８ｃに示されているプロセスを使用して、燃料電池スタック９０は、プレス１１０の外側で組み立てられて整合させられ得、それによって、図２ａ〜図２ｅのプロセスと比較して、それぞれのスタック９０に関してプレス１１０が必要とされる時間の量を低減させる。例として、図２ａ〜図２ｅのプロセスは、プレス１０の中にそれぞれのスタック１２を完全に収容するために４５分を必要とする可能性があり、一方、スタック９０は、おおよそ７分だけしかプレス１１０の中にいない。したがって、さらなる大量生産、および／または、より少ないプレスが実現され得る。エンクロージャー５０は、スタックコンポーネントを装填する前に、ウェットエンド構造フレーム５４に固着されるので、オペレーターは、図２ａ〜図２ｅのプロセスにおいて要求されるように、エンクロージャー５０を盲目的にスタック９０に固着させることを要求されず、スタック９０を圧縮するために使用されるプレス１１０は、カバー１１４だけがスタック９０の上に吊り下げられるので、それほど高さがある必要はない。

[0034]先述の議論は、単に、本発明の例示的な実施形態を開示および説明している。そのような議論から、および、添付の図面および特許請求の範囲から、当業者は、さまざまな変更、修正、および変形が、以下の特許請求の範囲の中に定義されているような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その中で行われ得るということを容易に認識することとなる。

１０プレス
１２燃料電池スタック
１４ウェットエンドプレート
１６ドライエンドプレート
１８ハウジングユニット、エンクロージャー
２０アッセンブリプラットフォーム
２２下側ツール
２４上側ツール
２６ロッド
２８アクチュエーター
３０ロードセル
４０矢印
４２円形
４４シム
４６円形
４８円形
５０エンクロージャー
５２バイポーラプレート
５４ウェットエンドプレート構造フレーム
５６側壁部
５８ドライエンド構造フレーム
６０チャネル
６２基準部ピン、基準部ロッド
６４ウェットエンドプレートアッセンブリ
６６ドライエンドプレートアッセンブリ
６８底部端部
７０上部端部
７２面部分
７４縁部部分
７６基準部
７８円錐形状の特徴部
８０孔部
８２取り付け部分
８４縁部の凹み
８６縁部の突出部
８８内側表面
９０燃料電池スタック
９２絶縁スリーブ、絶縁体スリーブ
９４平面図
１００開口部
１０２工具
１０４平面図
１０６ガイド部
１０８開口部
１１０プレス
１１２プレスロッド
１１４カバー
１１６下側ツール
１１８プラットフォーム
１２０アクチュエーター
１３０矢印
１３２シム
１３４円形
１３６円形
１３８締結具

[0024]上述のように、エンクロージャー５０の内部寸法は、エンクロージャー５０の中へ装填される燃料電池コンポーネントの形状に嵌合するように設計されており、より詳細に下記に説明されているように、ウェットエンドプレート構造フレーム５４が任意の適切な様式で端部６８にしっかりと締結された後に、燃料電池スタックが中で形成され得るようになっている。明確化のために、完成したスタックは図３の部分切り欠き図に示されていないが、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４が、ウェットエンドプレート構造フレーム５４に隣接する場所において、エンクロージャー５０の中に示されている。ウェットエンドプレートアッセンブリ６４は、絶縁体プレートおよび集電体プレートを含む。また、バイポーラプレート５２が、ドライエンドプレートアッセンブリ６６、ドライエンド構造フレーム５８、および、カバー１１４とともに、エンクロージャー５０の中に示されており、カバー１１４は、上部端部７０の近くで、締結具１３８によって側壁部５６に締結されている。ドライエンドプレートアッセンブリ６６は、絶縁体プレートおよび集電体プレートを含む。側壁部５６のうちの１つまたは複数は、少なくとも１つのチャネル６０を含み、少なくとも１つのチャネル６０は、より詳細に下記に説明されているように、バイポーラプレート５２、ウェットエンドプレートアッセンブリ６４、およびドライエンドプレートアッセンブリ６６の基準部７６に整合している。チャネル６０は、基準部ロッド６２を含み、基準部ロッド６２は、また、詳細に下記に説明されている様式で、基準部７６を受け入れる。

Claims

燃料電池スタック組み立ておよび圧縮システムであって、前記システムは、
複数の側壁部を含む燃料電池スタックハウジングであって、前記複数の側壁部は、エンクロージャーを形成しており、前記エンクロージャーは、２つの反対側の端部において開口しており、前記側壁部のうちの少なくとも１つは、内側壁部表面に形成されているチャネルを含む、燃料電池スタックハウジングと、
前記ハウジングの開口端部のうちの１つに固着されている第１の端部構造フレームであって、前記第１の端部構造フレームは、エンドプレートの縁部において少なくとも１つの基準部を含み、前記基準部は、それを通る孔部を含み、前記第１の端部構造フレームは、前記第１の端部構造フレームの平面的な表面を通る少なくとも１つの工具開口部をさらに含む、第１の端部構造フレームと、
前記第１の端部構造フレームの前記少なくとも１つの工具開口部を通過する工具であって、前記工具は、前記ハウジングを通って前記ハウジングの前記開口端部まで上へ延在しており、少なくとも１つの基準部をそれぞれ含む燃料電池スタックコンポーネントが、前記第１の端部構造フレームの反対側にある前記開口端部を通して、前記ハウジングの中へ装填されている間に、前記工具は、漸進的に下へ移動することができる、工具と、
前記燃料電池コンポーネントを前記ハウジングの中へ積み重ねることによって形成された燃料電池スタックを圧縮するために動作する複数のプレスロッドを備えるプレスと
を含む、システム。
前記第１の端部構造フレームの前記基準部、および、前記燃料電池コンポーネントの前記基準部は、前記ハウジングの前記側壁部のうちの少なくとも１つの内側表面に形成されている前記チャネルに整合している、請求項１に記載のシステム。
前記少なくとも１つの基準部を含む前記燃料電池コンポーネントは、バイポーラプレート、絶縁体プレート、集電体プレート、および、第２の端部構造フレームである、請求項１に記載のシステム。
前記燃料電池スタックコンポーネントを前記ハウジングの中へ案内するため前記ハウジングの前記開口端部においてガイド部をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
基準部ピンをさらに含み、前記基準部ピンは、前記ハウジングの少なくとも１つの側壁部の前記内側壁部表面に形成されているそれぞれのチャネルを通って延在しており、前記基準部ピンは、前記第１の端部構造フレームの前記基準部の前記孔部を通過しており、また、前記燃料電池コンポーネントが前記工具の上に装填されるときに、前記燃料電池コンポーネントのそれぞれの前記基準部の前記孔部を通過する、請求項１に記載のシステム。
前記ハウジングのカバーをさらに含み、前記カバーは、複数の開口部を含み、前記複数の開口部は、前記複数のプレスロッドの構成に整合しており、前記カバーが、前記プレスの中へ装填され得るようになっており、また、前記複数のプレスロッドが前記燃料電池スタックの上の圧縮を維持しながら、前記カバーが、前記ハウジングの前記開口端部の上に挿入され得るようになっており、前記カバーは、前記ハウジングの前記開口端部の寸法に合致するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
複数のプラグをさらに含み、前記複数のプラグは、前記カバーの前記複数の開口部のそれぞれの中に嵌合するように構成され、前記カバーが据え付けられて前記複数のプレスロッドが除去された後に、前記ハウジングの中の前記燃料電池スタックを環境的にシールするようになっている、請求項６に記載のシステム。
シムをさらに含み、前記シムは、前記燃料電池スタックの上部に設置され、前記燃料電池スタックの圧縮を維持しており、前記プレスが除去されて前記カバーが据え付けられる前に、前記シムは据え付けられる、請求項６に記載のシステム。
燃料電池スタックを組み立てて圧縮するための方法であって、前記方法は、
複数の側壁部を含む燃料電池スタックハウジングを提供するステップであって、前記複数の側壁部は、エンクロージャーを形成しており、前記エンクロージャーは、２つの反対側の端部において開口しており、前記側壁部のうちの少なくとも１つは、内側壁部表面に形成されているチャネルを含む、ステップと、
前記ハウジングの開口端部のうちの１つにおいて、第１の端部構造フレームを前記ハウジングに固着させるステップであって、前記第１の端部構造フレームは、前記チャネルに整合する少なくとも１つの基準部を含み、前記基準部は、それを通る孔部を含み、前記第１の端部構造フレームは、前記第１の端部構造フレームの平面的な表面を通る少なくとも１つの工具開口部をさらに含む、ステップと、
前記第１の端部構造フレームの前記少なくとも１つの工具開口部を通して工具を延在させ、また、前記第１の端部構造フレームの反対側にある前記エンクロージャーの前記開口端部まで前記ハウジングを通して工具を上へ延在させるステップであって、前記工具は、漸進的に下へ移動することができる、ステップと、
前記エンクロージャーの前記開口端部の近くで前記工具の上に燃料電池コンポーネントを積み重ねるステップであって、前記燃料電池コンポーネントは、前記チャネルに整合する少なくとも１つの基準部をそれぞれ含み、前記基準部は、それを通る孔部を含み、前記工具は、前記燃料電池スタックコンポーネントのそれぞれが前記工具の上に積層されるときに、漸進的に下へ移動し、前記燃料電池スタックコンポーネントのそれぞれが、同じ場所の中に積層されるようになっており、前記工具が漸進的に下へ移動するときに、燃料電池スタックが前記エンクロージャーの内側に形成されるようになっている、ステップと、
前記エンクロージャーの内側に形成された前記燃料電池スタックを圧縮するために動作する複数のプレスロッドを備えるプレスを提供するステップと
を含む、方法。
前記第１の端部構造フレームの前記基準部、および、前記燃料電池コンポーネントのそれぞれの前記基準部は、前記側壁部のうちの少なくとも１つの前記内側壁部表面に形成されている前記チャネルに整合している、請求項９に記載の方法。
基準部を含む前記燃料電池コンポーネントは、バイポーラプレート、絶縁体プレート、集電体プレート、および、第２の端部構造フレームを含む、請求項９に記載の方法。
前記ハウジングの前記開口端部においてガイド部を提供し、前記燃料電池スタックコンポーネントを前記ハウジングの中へ案内するステップさらに含む、請求項９に記載の方法。
少なくとも１つの基準部ピンを提供するステップをさらに含み、前記基準部ピンは、前記チャネルの中にあり、前記基準部ピンは、前記第１の端部構造フレームの前記基準部の前記孔部を通過しており、また、前記燃料電池コンポーネントが前記工具とともに漸進的に下へ移動するときに、前記燃料電池コンポーネントのそれぞれの前記基準部の前記孔部を通過し、前記基準部ピンは、プレート間アライメントを提供するように動作する、請求項９に記載の方法。
カバーを提供するステップをさらに含み、前記カバーは、複数の開口部を含み、前記複数の開口部は、前記複数のプレスロッドの構成に整合しており、前記カバーが、前記プレスの中へ装填され得るようになっており、また、前記カバーは、前記燃料電池スタックの圧縮が完了した後に、前記エンクロージャーの前記開口端部の中へ挿入され得るようになっている、請求項９に記載の方法。
複数のプラグをさらに含み、前記複数のプラグは、前記カバーの中の前記複数の開口部のそれぞれの中に嵌合するように構成され、前記カバーが据え付けられて前記複数のプレスロッドが除去された後に、前記エンクロージャーの中の前記燃料電池スタックを環境的にシールするようになっている、請求項１４に記載の方法。
燃料電池スタック組み立ておよび圧縮システムであって、前記システムは、
複数の側壁部を含む燃料電池スタックハウジングであって、前記複数の側壁部は、エンクロージャーを形成しており、前記エンクロージャーは、２つの反対側の端部において開口しており、前記側壁部のうちの少なくとも１つは、内側壁部表面に形成されているチャネルを含む、燃料電池スタックハウジングと、
前記ハウジングの開口端部のうちの１つに固着されている第１の端部構造フレームであって、前記第１の端部構造フレームは、前記第１の端部構造フレームの縁部において少なくとも１つの基準部を含み、前記基準部は、それを通る孔部を含み、前記第１の端部構造フレームは、前記第１の端部構造フレームの平面的な表面を通る少なくとも１つの工具開口部をさらに含む、第１の端部構造フレームと、
前記第１の端部構造フレームの前記少なくとも１つの工具開口部を通過する工具であって、前記工具は、前記ハウジングを通って前記ハウジングの前記開口端部まで上に延在しており、少なくとも１つの基準部をそれぞれ含む燃料電池スタックコンポーネントが、前記第１の端部構造フレームの反対側にある前記開口端部を通して、前記ハウジングの中へ装填されている間に、前記工具は、漸進的に下へ移動することができる、工具と
を含む、システム。
前記第１の端部構造フレームの前記基準部、および、前記燃料電池コンポーネントの前記基準部は、前記ハウジングの前記側壁部のうちの少なくとも１つの内側表面に形成されている前記チャネルに整合している、請求項１６に記載のシステム。
基準部を含む前記燃料電池コンポーネントは、バイポーラプレート、絶縁体プレート、集電体プレート、および、第２の端部構造フレームである、請求項１８に記載のシステム。
前記燃料電池スタックコンポーネントを前記ハウジングの中へ案内するため前記ハウジングの前記開口端部においてガイド部をさらに含む、請求項１８に記載のシステム。
基準部ピンをさらに含み、前記基準部ピンは、前記ハウジングの前記少なくとも１つの側壁部の前記内側壁部表面に形成されているそれぞれのチャネルを通って延在しており、前記基準部ピンは、前記第１の端部構造フレームの前記基準部の前記孔部を通過しており、また、前記燃料電池コンポーネントが前記工具の上に装填されるときに、前記燃料電池コンポーネントのそれぞれの前記基準部の前記孔部を通過する、請求項１６に記載のシステム。