JP7113566B2 - 燃料電池モジュール、燃料電池システム、および燃料電池モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

はじめに
本発明は、概して燃料電池モジュールおよび複数の燃料電池モジュールを含む燃料セルシステムに関する。

パッケージングおよび統合は、先行技術の燃料電池スタックおよびシステムの導入における重要な課題のうちの１つである。従来のまたは先行技術のスタック技術は、当業者の間では一般的に単位セルと呼ばれている、一対のバイポーラフローフィールドプレートの間に挟まれたＭＥＡを含む構成を、採用している。この単位セルは、次に、連続して積層されて単位セルのアセンブリを形成する。この単位セルのアセンブリは、次に、燃料電池スタックを形成するために、一組の圧縮ハードウェアと媒体プレートとの間に挟まれる、または、場合によっては圧縮ハードウェアに媒体プレートが統合される。この単位のアセンブリは、最終的なスタック構成に対して決められた単位セルの数に応じて、個々の部品の位置合わせと、媒体プレートおよび圧縮ハードウェアの固定中の位置合わせの保持能力とに起因する、大量生産における課題を呈する可能性がある。

発明の概要
第１の局面に従い、燃料電池スタックを形成する複数の燃料電池を有する燃料電池モジュールが提案される。燃料電池モジュールは、燃料電池スタックを取り囲むエンクロージャを含む。エンクロージャは、底部アセンブリと蓋キャップアセンブリとを含む。いくつかの実施形態において、エンクロージャは箱形である。底部アセンブリは、少なくとも一部がスタックのアーキテクチャにフォームフィット（form-fit）することにより内部位置合わせ機能を提供するジャケットと、燃料電池スタックと圧接する底部プレートとを含む。蓋キャップアセンブリは、燃料電池スタックと圧接する圧縮プレートを含む。いくつかの実施形態において、蓋キャップアセンブリは、媒体ルーティング要素を含む。底部アセンブリおよび蓋キャップアセンブリには、燃料電池モジュールに対してある範囲の圧縮圧力を提供する漸進ロックシステムが設けられている。

本開示の文脈において、漸進ロックシステムが設けられたエンクロージャは、「ランチボックス」エンクロージャと呼ばれる場合もある。

スタックアセンブリ全体を簡素化しそのコストを削減するために、新たなエンクロージャが提案される。一実施形態において、このエンクロージャは、スタックアーキテクチャにフォームフィットすることにより内部位置合わせ機能を提供する底部形成アセンブリからなる。

アセンブリの固定は、一実施形態のように、ロックステップを選択することによってある範囲の圧縮圧力を提供する漸進ロックシステムを用いて行うことができる。いくつかの実施形態において、漸進ロックシステムはいくつかのロックステップを提供する。このいくつかのロックステップは、燃料電池スタックに対し、予備圧縮を、すなわち完全圧縮未満の圧縮を提供する、少なくとも１つのロックステップと、完全圧縮を提供する少なくとも１つの他のロックステップとを含む。

完全圧縮は、個々の燃料電池および燃料電池モジュールの接触抵抗が最小にされる圧縮と定義されてもよい。完全圧縮において、燃料電池スタックの性能は、与えられた圧縮圧力の範囲全体を考慮した場合、典型的に最大電圧値を示す。完全圧縮は、典型的に０．２ＭＰａ～２ＭＰａという値を意味するものであってもよい。

予備圧縮は、スタックが水素ガスベースで漏れない圧縮レベルと定義されてもよい。本開示の文脈において、予備圧縮は、完全圧縮の何分の一かの量、たとえば、５％と１２０％との間の値であってもよい。典型的に、予備圧縮の値は、５％と３０％との間であってもよい。完全圧縮の１００％を超える圧力も、特に保管および輸送中には予備圧縮として設定可能である。

使用中に、化学反応が起こった場合、燃料電池スタックは、たとえばＨ_２Ｏの発生に起因して膨張し、積層方向においてより多くの体積が必要になる。「積層方向」という用語は、バイポーラプレートとＭＥＡとを含み得るスタック要素の主要な寸法に対して直交する方向を意味する。スタックの高さおよびスタック要素の数は、積層方向のことである。積層方向は、底部アセンブリおよび蓋キャップアセンブリが入れ子状にされる方向に等しい。底部アセンブリと蓋キャップアセンブリとが互いに近付くおよび互いから遠ざかる相対的な移動は、積層方向に生じ得る。いくつかの実施形態において、漸進ロックシステムは、使用中に燃料電池スタックが成長した場合に底部アセンブリと蓋キャップアセンブリとの間に復元力の増加を提供する。このように、化学反応の物理条件は、たとえ体積が増大しても燃料電池スタック内で一定に保つことができる。

同様に、温度が－３０℃から８０℃に変化した場合、環境に応じて、燃料電池モジュールの起動および動作モードを考慮すると、燃料電池スタックは、エンクロージャ内で拡大および収縮する可能性がある。エンクロージャは、燃料電池スタックが横方向に拡大および縮小できるようにすることで、燃料電池スタックの圧縮圧力を一定に保つとともに、そうでなければ熱膨張が伴う燃料電池スタックの機械的応力を減じる役割を果たす。

一実施形態において、内部では、底部アセンブリ、たとえば下側固定プレートは、スタックアセンブリが当業者にはよく知られている各種物理現象に基づいて成長および収縮するときの変位を吸収することにより、スタックの圧縮圧力を一定に保ってもよい。

いくつかの実施形態において、蓋キャップアセンブリは、ジャケットとフォームフィット係合するための周囲ジャケットセクションを含む。いくつかの実施形態において、漸進ロックシステムは、ジャケットセクションに形成された第１のロック要素を含む。第１のロック要素は、ばね要素、ラチェット要素などを含み得る。

したがって、エンクロージャの第２の構成要素は、本開示の文脈において蓋キャップシステムとしても理解される蓋キャップアセンブリである。蓋キャップシステムは、エンボス加工された一体化された圧縮プレートと、いくつかの実施形態における部分ジャケットとを有する。いくつかの実施形態における圧縮プレート、または代替実施形態におけるジャケットは、底部エンクロージャのジャケットを上部蓋キャップシステム内にロックすることになるロックシステムを含む。蓋キャップシステムは、外部ジャケットの位置合わせガイドに従い、さらに、接合中にそれ自体の追加の位置合わせガイドを提供してもよい。

いくつかの実施形態において、漸進ロックシステムは、ラチェットバーと係合するばね構造、好ましくは板ばね構造を含む。一実施形態において、ばね構造好ましくは板ばね構造は、蓋キャップアセンブリに設けられ、ラチェットバーは、ジャケットに設けられる。これに代えて、ばね構造好ましくは板ばね構造は、蓋キャップアセンブリに設けられてもよく、ラチェットバーは、ジャケットに設けられてもよい。

板ばね構造は、少なくとも１つの板ばねで構成されてもよい。いくつかの実施形態において、板ばね構造は、鎖状に配置されたいくつかの板ばねを含む。板ばね構造は魚の骨格のように成形されてもよく、板ばねは魚の骨のように成形される。

一実施形態において、ばね構造、好ましくは板ばね構造は、スライダの上に配置されてまたはこのスライダに固定されて、燃料電池モジュールに対する圧縮圧力の調整機能を提供する。代替実施形態において、ラチェットバーは、スライダの上に配置されて燃料電池モジュールに対する圧縮圧力の調整機能を提供する。スライダの直線移動により、ジャケットおよび蓋キャップアセンブリの調整可能な相対的位置決めを可能にすることで、エンクロージャの、ある範囲の圧縮圧力を可能にしてもよい。

一実施形態において、ラチェットバーは、摺動部分を有する複数の突出部を含む。底部アセンブリに対する蓋キャップアセンブリの変位は、摺動部分の上における板ばね構造の少なくとも１つの板ばねの摺動運動に変換される。板ばねの一方の方向における摺動が、復元力の増大につながる。板ばねの他方の方向における摺動が、復元力の低減につながる。このようにして、板ばね構造のばね力により、圧力自己調整エンクロージャが提供される。

代替実施形態において、漸進ロックシステムは、蓋キャップアセンブリおよびジャケットのうちの一方に設けられたばねアセンブリを含む。ばねアセンブリは、蓋キャップアセンブリおよびジャケットのうちの他方に設けられた第１のレールと係合する。第１のレールと係合するばねアセンブリは、ジャケットと蓋キャップアセンブリとの間の直線移動を提供し、したがって、ジャケットおよび蓋キャップアセンブリの相対的な位置決めを可能にし、それにより、エンクロージャのある範囲の圧縮圧力を可能にする。ばね力により、圧力自己調整エンクロージャが提供される。

一実施形態において、ジャケットは、ポケットを有する矩形の断面を有する。具体的には、底部アセンブリのジャケットの各長辺に１つのポケットがあってもよい。ポケットは、漸進ロックシステムを収容するための空間を提供する。蓋キャップアセンブリのジャケットセクションは、規則的な矩形の断面を有していてもよい。そのため、ロックシステムは、ポケットの中でジャケットと蓋キャップのジャケットセクションとの間に挟まれていてもよい。

いくつかの実施形態において、ジャケットは、組み立て中のスタックの位置合わせのための少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つの位置合わせ領域を提供する。これらの位置合わせ領域のうちの少なくとも１つ、好ましくは２つ、３つ、または４つは、燃料電池モジュールを外部支持構造に接続するための装着用貫通孔を形成することができる。そのため、組み立て中に使用される位置合わせ領域は、支持構造への組み付けのための穴としての第２の機能を有していてもよい。

一実施形態において、加湿手段、燃料電池モジュールの動作をモニタリングするためのセンサおよび／またはコントローラ、および／または電力変換装置が、エンクロージャに組み込まれている。

内部において、底部装着プレートまたは上部蓋キャップのうちのいずれか、またはこれらの双方は、水素、空気、および冷却流体をエンクロージャの外部媒体インターフェイスから内部の単位セルの集合体に接続するための、媒体経路を含む。一実施形態において、スタックの組み立て中に生じる公差位置合わせの問題を最小に抑えるために、内部媒体ポートおよびインターフェイスを、位置が重なるように設計してもよい。

外部媒体インターフェイスは、セルエンクロージャに集中させ、またはセルエンクロージャを中心として分散させたものである。

一実施形態において、エンクロージャは箱形である。蓋キャップアセンブリは、燃料電池モジュールへの圧縮空気、反応物および冷却材の供給および排出のための外部接続手段を含む。外部接続手段は、箱形のエンクロージャと同じ側に配置されてもよい。燃料電池スタックは、外部接続手段と同じ側においてエンクロージャから突出してもよい集電タブにさらに接続されてもよい。

一実施形態における、外部媒体インターフェイスの集中化は、複数の「ランチボックス」エンクロージャを、水素、空気、および冷却のためのマニホルドの共通セットに接続すること、固定された装着位置、ならびに共通の集電を可能にする、統合媒体バックプレーンに、組み立てられた「ランチボックス」エンクロージャを接続できるようにするために、行われるであろう。一実施形態において、集電は共通バスを通して行うことができるが、別の実施形態では、バックプレーンに統合されたまたは独立して装着された電力変換装置に接続される一連の独立したバスを通して行われる。

代替実施形態において、エンクロージャ上の媒体インターフェイスは、これらのエンクロージャがレゴ（登録商標）ブロックのように互いにフィットするように、かつ、これらが結合することで一体化された媒体バックプレーンを形成するように、設計される。各エンクロージャは、組み込まれた受動加湿、冷却材の流れを循環させる外部ジャケット、組み込まれた、エンクロージャ内の個々のスタックの個々の電力の電力レベルに合わせた電力変換デバイス、および、複数のユニットに対応できる独立した燃料電池コンローラを、含み得る。接続がエンクロージャ間に形成される場合、エンクロージャ内の媒体ルーティングは、カスケード形式で、または代わりに個々のエンクロージャユニット内に封入されたスタックの各々への並列接続を有するマニホルドとして、構成することができる。

提案している解決策は、配管およびコネクタを最小にすることを可能にし、システムの実用性を改善し、スタックのためのよりコンパクトで簡素化されたパッケージングを提供し、運転に先立って行われる最終的な完全圧縮の前にスタックを安定して予備圧縮することを可能にする。

本発明の別の局面に従うと、少なくとも１個の、好ましくは２～２０個の燃料電池モジュールを有する燃料電池システムが提案され、燃料電池モジュールは、先に述べたように提供される。燃料電池モジュールは、燃料電池モジュールへの圧縮空気、反応物および冷却材の供給および排出のための分配システムを有する統合バックプレーンに接続される。また、統合バックプレーンは、燃料電池モジュールの集電を提供してもよい。

このように、１ｋＷまたは２．５ｋＷまたは１０ｋＷという低い電力レベルから、最大６００ｋＷまでの、場合によってはそれよりも高い電力レベルまでの、簡素化されたモジュール式接続システムに適合させることができる、モジュール式の拡張可能な低コストの燃料電池システムも、提供される。

上記「ランチボックス」燃料電池モジュールという概念に基づいて、統合バックプレーンが提案される。統合バックプレーンまたは統合されたバックプレーンは、本開示の文脈では支持構造として理解されてもよい。

統合されたバックプレーンは、「ランチボックス」エンクロージャが統合されたバックプレーンの媒体結合部に差し込まれるプラグインタイプの概念を提供する。統合されたバックプレーンは、統合された空気および冷却材経路を含み、いくつかの実施形態においては統合された水素経路を含む。

バックプレーンは、１つのユニット全体とすることができる、または、バックプレーン自体を、可能なモジュール接続の数を増減させるモジュールに組み立てることができる。バックプレーンは、入ってくる、空気および冷却材の流れと、バックプレーンから出て周囲環境に、または、燃料電池システムを接続しなければならない車両ラジエータのような他のサブシステムに向かう、インターフェイスへの使用済みの流れの収集および抽出とを、提供するものとする。

一実施形態において、流入空気流および流出空気流は統合されたバックプレーンに含まれるので、バックプレーンは、統合された加湿器または一連の統合された加湿器を含んでいてもよい。これらの統合された加湿器は、それらの物理的原理に従って機能し統合されることにより、これらの機能が満たされることを保証するが、このことは当業者によって十分に理解される。

バックプレーンは、車両のシャーシに統合するための装着ポイントを含み、いくつかの実施形態において、バックプレーンは、圧縮機、冷却材ポンプ／ラジエータ出口、および／または水素タンク出口／低圧調整弁を接続することができる、結合インターフェイスを含む。

いくつかの実施形態において、圧縮機の入力は、いくつかの実施形態では圧縮機をバックプレーンに直に統合することができるモジュールに最も近い背面に、直に設けることができる。すべての実施形態において、圧縮機の数は、わずか１つとすることができる、または、統合されたモジュールの数の２倍以下にすることができる。

水素供給接続は、固定されたポートによってモジュールが接続された中央マニホルドによって行うことができ、また、いくつかの実施形態において、剛性または可撓性のうちのいずれかのホースによってモジュールが接続された中央マニホルドによって行うことができる。

統合されたバックプレーンは、個々のモジュールのすべてを互いに接続するために使用される統合されたバスシステムを含み得るものであり、代替実施形態において、電力変換装置が、当該電力変換装置が各モジュールから入力を取り込みそれらの間の電力バランスを取るように、バックプレーンに直接統合されてもよい。

バックプレーン内の各モジュールは、中央コントローラユニットを有することができる、または、いくつかの実施形態において、単一のコントローラユニットを、新しいモジュールが導入されると拡張性および適応性の機能を提供するサブコントローラをサブモジュールに統合した状態で、バックプレーンに統合することができる。

統合されたバックプレーンは、背面を任意の向きにした平面レイアウトで配置することができる。

すべての実施形態において、スタックの向きは、個々のモジュールの向きを、重力の方向に対して最も望ましい向きが実現されるように調整すべく、適合させることができる。

すべての実施形態において、個々のモジュールとバックプレーンとの間の接続は、全システム内の圧力損失を最小限に抑えるために、配管の長さおよび／または直接接続を最小にするように、固定される。

モジュールコントローラ、および、いくつかの実施形態ではバックプレーン内の統合されたコントローラは、特定のモジュールを選択的にアクティブ化および非アクティブ化するためにモジュール間の負荷平衡のいずれかを行うように構成することができ、後者の方法は、いくつかの実施形態において、非アクティブ化されたときにモジュール内の流れを避けるための流れバイパスと組み合わされ、その結果、各モジュールの全体的な性能および耐久性を最大にすることができる。

本発明の別の局面に従い、燃料電池モジュールを製造する方法が提案される。この方法は、
ジャケットによって囲まれた可動中央装着プレート上に複数のＭＥＡ単位およびバイポーラプレートを積層するステップを含み、この可動中央装着プレートは、積層中にジャケットが位置合わせを提供するように、動きを提供し、さらに、
組み立てプロセス中に、積層されたＭＥＡ単位およびバイポーラプレートの高さが上昇するのに伴って、ジャケットを上昇させるまたは中央装着プレートを下降させるステップと、
中央装着プレートを、位置合わせしているジャケットとの固定ポイントに達したときに適所でロックするステップとを含み、それにより、中央装着プレートおよびジャケットは底部アセンブリを形成し、さらに、
漸進ロックシステムを介して蓋キャップアセンブリを底部アセンブリに接合することにより、燃料電池スタックを取り囲むエンクロージャを形成するステップを含む。

典型的に、集電のためのエンドプレートが、積層されてもよく、スタックの最上部と最下部とを形成することになる。

ＭＥＡ単位という用語は、ＭＥＡ（膜電極接合体：membrane electrode assembly）を形成する、接合されたまたは接合されていない１つ以上の要素を意味する。ＭＥＡは１つ以上の層を含み得るものであり、これらの層は、第１のガス拡散層（ＧＤＬ：gas diffusion layer）、アノード、アノード触媒、ポリマー膜（ＰＭ：polymer membrane）、カソード触媒、カソード、および第２のガス拡散層（ＧＤＬ）を含む。典型的に、ＭＥＡは、これらの層のすべてを含み、予め組み立てられたＭＥＡも、本発明の文脈においては「ＭＥＡ単位」と理解される。本発明はいずれかの種類の燃料電池に制限されない。

このように、ＭＥＡ単位を積層することは、たとえば予め組み立てられたＭＥＡを積層する場合、１つの方法ステップを含み得る。これは、ＭＥＡの個々の要素を１つずつ積層する場合、いくつかのステップを含み得る。

ジャケットに固定後の中央装着プレートは、底部アセンブリの底部プレートを形成する。

いくつかの実施形態において、中央装着プレートは、組み立て中に、エンクロージャの外部ジャケットがスタックの組み立て中に位置合わせを提供するように、かつ、ジャケットが組み立てプロセス中にスタック高さの増加に伴って上昇するように、動きを提供する。最高の高さに達すると、底部プレートは、位置合わせする外部ジャケットとの固定ポイントに達し適所でロックする。

このように、すべてのＭＥＡ単位またはバイポーラプレートを同じ場所に配置することができる。これは、現在のＭＥＡ単位またはバイポーラプレートを、たとえばロボットまたはロボットアームによって、前のプレート上に正確に平坦に位置決めできることを、保証する。組み立て時間は、ロボットアームが底部アセンブリの底部から底部アセンブリの頂部までスタック要素を充填する場合よりも短い。さらに、目視検査およびカメラなどによってプロセスを容易に自動制御できるという利点がある。

一実施形態において、蓋キャップアセンブリを底部アセンブリに接合すると、クランプ力の形態の予備圧縮が漸進ロックシステムに適用されて、積層されたアセンブリを、最終圧縮圧力よりも低い圧縮圧力で固定する。このため、接合されると、蓋キャップシステムは、ロックシステムを通して、底部ジャケットに挿入または接合され、その結果、少量の予備圧縮が加えられて、積層されたアセンブリ全体が適所で固定され、この圧力は、最終的な燃料電池圧力ではなく、所望の使用時間まで、組み立てられたエンクロージャの事前組み立ておよび保管の目的で、位置合わせを保持しスタック安定性を維持するために使用される、安定化クランプ力にすぎない。

この方法は上記燃料電池モジュールを製造するものと理解される。したがって、燃料電池モジュールに関して開示された特徴は方法に関しても開示されており、その逆も同様であることを、理解されたい。

本開示のさらに他の局面
先行技術の燃料電池システムにおいて、従来の制御アーキテクチャは、空気、水素、加湿、および冷却ループ内に位置するセンサのアレイの使用に依存する。さらに他のセンサもスタックをモニタリングするために含まれ、これらのセンサは、スタックの中に統合されるか、またはスタックの構成要素の外側に位置する。これらのセンサのすべては、次に、制御コンピュータと組み合わせて使用され、制御コンピュータは、センサから入力値を得て、経験的もしくは半経験的モデルまたは一連の予めロードされたルックアップテーブルのいずれかを使用して、水素、空気、冷却材の入ってくる流れ、または入ってくる反応物の流れの加湿を調節する燃料電池システム内のコントローラに対する適切な入力応答を決定する。

この先行技術の燃料電池制御アーキテクチャは、一般的に、システム内のセンサの数が多いので高コストであり、また、プログラミングの予め定められた境界の外側にある動作条件に対処する際の適応性を欠くという点で非常に硬直している。加えて、この従来型のアーキテクチャのシステムは、燃料電池システムが遭遇すると予想できる潜在的な動作シナリオの最も広い範囲の下で積層動作の範囲を特徴付けるために、多大な労力、時間、および試験物品が必要なので、開発負担のコストがかかる。

燃料電池システム制御アーキテクチャのための先行技術のアプローチの欠点に対処するとともに、燃料電池システムの全体的なコストを削減するために、自己学習人工知能ベースの燃料電池制御システムが提案される。このシステムは、大多数のセンサを排除することによってコストを削減し、燃料電池システムの動作環境および要求されるデューティサイクルに直接的に基づいて、高度の適応性および最適化を提供するために、自己学習人工知能アルゴリズムの使用を導入する。

システムを制御し、空気、水素、および冷却ループ調節コントローラに入力を提供する能力は、依然として必要である。制御機能を提供するために、低コストの電圧モニタリングをスタックにおいて実現する。

統合された電圧モニタリングは、プレート上のスロットに統合された低コストの金属ピンタイプのコネクタの使用を通して行われてもよく、別の方法では、フローフィールドプレートに統合されたワイヤレスセンサまたはＲＦＩＤタグの統合を通して実現され、さらに別の方法では、接着材を介してスタックの外縁に固定されたロールオン電圧センサの使用を通して実現され、電圧の検知は、外部電界の測定値または導電性材料との直接的な接触のいずれかを通して実現される。

自己学習人工知能制御アーキテクチャをさらに可能にするために、高周波測定可能デバイスが、システムの制御基板またはＤＣ－ＤＣ変換器に統合されてもよい。高周波測定可能デバイスは、スタック内の材料の水和に関連する周波数応答スペクトルのその場での収集を可能にする。

燃料電池の動作における入力および応答の挙動を理解することは不可欠であり、先行技術において、これは多数のセンサならびに一連の基礎モデルおよび／またはルックアップの使用を通して実現される。しかしながら、スタックおよびその中の個々のセルの状態に対する最も直接的な応答は、実際のところ、それぞれスタックおよびセル電圧である。スタックおよびセル電圧は、燃料電池スタックが動作している現在の動作条件またはデューティサイクルに対して直接的な１対１の応答を提供する。しかしながら、基礎となる物理学における複雑さに基づくと、応答を解釈する機能は、著しく複雑であり、簡略化は容易ではない。

システム内のセンサの削減または排除を実現し自己学習人工知能制御システムを可能にするためには、セル電圧、スタック全体の電圧、およびスタック内の水和の現在の状態の知識が必要である。セルベースの電圧および高周波抵抗の収集について先に概要を述べた説明を用いて、自己学習人工知能制御アーキテクチャのための制御アルゴリズムが提案される。

具体的には、制御側における異なる波形の使用を利用することにより、空気、水素、冷却、および加湿（含まれる場合）ループのための個々のコントローラへの入力信号を摂動させることができる。この摂動は、それぞれのループに対して個別に、またはすべてのループに対して同時に行うことができるが、異なる摂動周波数を使用する。ループの制御摂動中に、セル電圧、スタック電圧、および高周波応答が収集される。次に、セル電圧およびスタック電圧の応答を用いて、応答が、性能の改善においてプラスに働くかまたは性能の低下によりマイナスに働くかを判断する。

高周波抵抗の収集を用いることにより、設定された動作点に関連する水和の状態を判断して、システム水和を制御することにより、ドライアウトおよびフラッディングを防止することができる。加えて、水和の状態をセル電圧と組み合わせて用いることにより、起動およびシャットダウン中の動作条件を、サブゼロ動作等の条件に合わせて調整することができる。

個々の改善または集合的な改善に基づいて、最適な摂動の方向が得られ、システムが動作要求および条件のそのセットのための最適な構成点に落ち着くようにするために、プロセスを繰り返す。

さらに、同じ摂動ベースの最適化を実現するために、当業者にはよく知られている各種形態のグローバル最適化およびローカル最適化アルゴリズムを適用することができる。最適化が完了すると、人工知能システムは、動作点、設定条件、および結果として生じる最適な性能を追跡しモニタリングする。この追跡は、燃料電池制御ユニット内にローカル保存することを含み、このようなデータを、燃料電池コントローラによる参照アクセスのためだけでなく世界的または地域的な他の燃料電池コントローラユニットによる参照アクセスのためにも、中央データベースまたはローカルデータベースにアップロードすることも含み得る。

保存されたデータの使用を通じて、人工知能システムは、データを学習し適用することで、経時的な最適化を強化し、経年変化の過程にわたるスタック応答を追跡し制御することにより、システムループ入力挙動を調整し、それにより、スタック寿命を最大化し、より軽いデューティモニタリングおよび摂動をフリンジ境界点上で代わりに実現することを可能にする摂動をコア動作点の周囲で最小化することができる。

直接的であろうと、クラウドを通してであろうと、または集中型データベースを通してであろうと、ユニット間の接続性の使用を通して、個々のユニットを、他のユニットの人工知能コントローラが学習した制御アルゴリズム応答を用いて最適化することにより、ローカルに、地域的に、または世界的に、集合的または集団的な最適化を生み出すことができる。

また、自己学習人工知能制御システムの使用は、摂動および学習アルゴリズムが本質的にオンザフライの人工知能最適化制御ユニットなので、当該分野で必要な工場受入試験および／またはスタック調整の排除または最小化を提供する。これにより、システムは、初期スタックブレークイン期間またはコンディショニング期間中に漸進的に変化するセル応答に基づいてフィールドコンディショニングおよび制御挙動を実行することができる。燃料電池スタックを所望の用途に配置する前のスタック工場受入試験および／またはスタック調整の排除または最小化は、燃料電池システムの全体のコストの大幅な削減をもたらす。

いくつかの変形形態において、自己学習人工知能アルゴリズムを、性能を最適化するかまたは劣化速度を最小限に抑えるために採用することができる、または、混合モードでは、混合値ベースの最適化のために双方を最適化し双方のバランスを取る。したがって、学習アルゴリズムに、セルベースおよび／またはスタックベースで単位時間当たりの劣化率を最小限にする動作条件の選択を通して寿命最適化を課すことができる。

本発明または本開示の上記「局面」のうちの１つに関連して開示されている上記すべての特徴は、本発明または本開示のその他の「局面」にも関連して開示されていると理解され、本発明に係る他の「局面」の他の特徴と組み合わせて使用されてもよい。

本発明およびその特徴は、図面の参照によって一層理解されるであろう。しかしながら、以下の図面の説明は、請求項によって概ね定められる本発明を限定するものとして理解されてはならない。

本発明のある実施形態に係る、ランチボックスエンクロージャの斜視図である。 本発明のある実施形態に係る、ランチボックスエンクロージャの断面図である。 統合されたバックプレーンおよびランチボックスが配置されたシステムの斜視図を提供する。 統合されたバックプレーンおよびランチボックスが配置されたシステムの斜視図を提供する。 本発明のある実施形態に係る燃料電池モジュールの斜視図であり、蓋キャップアセンブリが前方にある。 図５の燃料電池モジュールの断面図である。 図５の燃料電池モジュールの蓋キャップアセンブリの断面図である。 図５の燃料電池モジュールの蓋キャップアセンブリの媒体マニホルド領域のレベルにおける断面図である。 図５の燃料電池モジュールの燃料電池スタック、集電手段、および底部アセンブリを含むアセンブリの分解図である。 図５の燃料電池モジュールの底部アセンブリの斜視図である。 図５の燃料電池モジュールの底部アセンブリの平面図である。 図５の燃料電池モジュールの底部プレートの平面図である。 図５の燃料電池モジュールの底部アセンブリの断面斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る、燃料電池モジュールの底部アセンブリの断面斜視図である。 下方から描かれた底部アセンブリの斜視図である。 図５の燃料電池モジュールのラチェットバーを有する蓋キャップアセンブリの断面斜視図である。 図５の燃料電池モジュールの板ばね構造を有する底部アセンブリの斜視図である。 図５の燃料電池モジュールの板ばね構造およびラチェットバーを有する底部アセンブリの斜視分解図である。 図５の燃料電池モジュールの板ばね構造およびラチェットバーを有する底部アセンブリの斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る、燃料電池モジュールの燃料電池スタックおよびばねアセンブリが収容された底部アセンブリの斜視図である。 直線部および楔形部分を有する図２の第１のレールの概略図である。

図面の説明
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながらより詳細に説明する。実施形態は、本発明の主題を限定するものと解釈されてはならない。図面に示されていない多数の変形および組み合わせは、当業者にとって、その技術的知識に基づけば、明らかであろう。

図面において、同一の参照符号は、同一の要素またはそれらの機能が類似する要素を識別するために使用される。可能な場合は記述の繰り返しは回避される。

図１は、外部ラチェッティング、ポーティングおよび外部電気的接続のための１組の可能な実施形態のランチボックスエンクロージャを示す。

図２は、内部圧縮およびポーティングブロック、スタックアセンブリのための位置合わせ特徴、ならびにＵ字型フロー構成のための１つの可能な実施形態を示すランチボックスエンクロージャの断面図を示す。

積層構成の一実施形態が、図３および図４に示される。図３および図４は、統合されたバックプレーンの積層およびプラグインという概念としてのランチボックス構成およびポーティングの正面図および背面図を示す。

図５は、燃料電池モジュール１０を斜視図で示す。示されている、燃料電池モジュール１０の前面は、蓋キャップアセンブリ３０で形成され、図示されていない底部アセンブリ２０とともに、燃料電池モジュール１０のエンクロージャ１４を形成する。

燃料電池モジュール１０は、単に例としてであるが、たとえば自動車、バス、トラックなどのような車両のドライブユニットを搭載するためのスペースである設置スペースに、省スペースかつモジュール方式で設置できるように直方体形状に設計されている。

外部接続手段７０は、直方体の燃料電池モジュール１０の片側に配置され、好ましくは、図６～図８に関してより詳細に説明する圧縮プレート３２の側に配置される。ボックス形状の、単に例示であるが直方体のエンクロージャ１４の同一側に外部接続手段７０を配置することは、たとえば圧縮空気、反応物および冷却材を燃料電池モジュールに供給し排出することができる統合バックプレーンへのプラグイン接続により、好都合に可能にされる。

図５において、外部接続手段７０は、酸化剤入口７４および酸化剤出口７６を含み、酸化剤入口および酸化剤出口は、例として、ここでは燃料電池モジュール１０またはその中の燃料電池スタック１２（図示せず）を通るＵ字形の通路を可能にするように、対向する２つの側に形成される。

外部接続手段７０は、たとえば２つの冷却材ポート７８をさらに含み、これらは、たとえば蓋キャップアセンブリ３０の正面側の対向する２つのコーナーに位置することで、燃料電池スタック１２を通る冷却材のＵ字形の通路を可能にするが、これは本発明を限定するものではない。

また、外部接続手段７０は、例として蓋キャップアセンブリ３０の正面側の別のコーナーに位置する燃料入口８０を含むが、これは本発明を限定するものではない。参照番号８２は、エジェクタバルブへのアクセス窓を示し、参照番号８４は、パージバルブへのアクセス窓を示すが、これらも、この具体例としての実施形態において、蓋キャップアセンブリ３０の正面側に位置する。燃料電池システムのアノードサブシステムの一部としてのエジェクタバルブおよびパージバルブの機能は、当業者には周知であり、本明細書でより詳細に説明する必要はない。

さらに、集電タブ７２が、蓋キャップアセンブリ３０の正面のそれぞれの貫通孔７１を通っており、よって、統合バックプレーンに接続することで、電流の除去を同時に可能にすることができる。

蓋キャップアセンブリ３０の正面側には、燃料電池モジュール１０を統合バックプレーンに固定するために２つの装着用貫通孔８６が設けられている。他の実施形態において、３つ以上の装着用貫通孔８６が、たとえば３つまたは４つの装着用貫通孔８６が存在してもよい。当然ながら、装着用貫通孔８６の代わりに、ボルト、ねじなどのような固定手段６８がそこにあってもよく、これは、対応する相手方の手段により、統合バックプレーンへの機械的接続を提供する。燃料電池モジュール１０には、さらに他の要素も、特にセンタリング手段または位置合わせ手段なども設けることができることも、理解されるはずである。

図６は、図５の燃料電池モジュール１０の断面図であり、燃料電池モジュール１０の内部を示している。

エンクロージャ１４は、図５を参照して説明した蓋キャップアセンブリ３０と、蓋キャップアセンブリ３０内に入れ子にされた底部アセンブリ２０とを含む。蓋キャップアセンブリ３０および底部アセンブリ２０は、ここでは示されていないロックシステム１６によって互いに装着されている。図１６～図２０を参照しながらロックシステム１６について説明する。蓋キャップアセンブリ３０および底部アセンブリ２０は、多数の膜電極接合体（ＭＥＡ）とバイポーラプレートとエンドプレートとから周知の方法で形成された燃料電池スタック１２を囲んでいる。詳細は当業者には周知である。典型的に、バイポーラプレートは、２つの隣接するＭＥＡを接続し、バイポーラプレートの負極は第１のＭＥＡの水素側に位置し正極は他方のＭＥＡの酸素側に接触する。バイポーラプレートおよびＭＥＡの配置はエンドプレートまで繰り返され、これにより個々のセルの電圧が加算される。

好ましい実施形態において、バイポーラプレートを有する燃料電池スタック１２が提供されているが、これらは典型的にほとんどスペースを必要としないからである。これらの高電流密度も非常に好都合である。しかながら、これは本発明を限定するものではない。また、燃料電池スタック１２は、個々のセルが互いに電気的に接続されるモノポーラ基本ユニットを含むこともできる。

底部アセンブリ２０は、たとえば４つの周囲側壁を有するジャケット２２と、第１の圧縮プレートとして機能する底部プレート２６とを含む。

蓋キャップアセンブリ３０は、底部アセンブリ２０のジャケット２２を取り囲む４つの周囲側壁を有するジャケットセクション３６を含む。また、蓋キャップアセンブリ３０は、追加機能として媒体マニホルド領域を形成する圧縮プレート３２を含む。

圧縮プレート３２と底部プレート２６とは対向するように配置されている。燃料電池スタック１２のバイポーラプレートおよびＭＥＡは、またはモノポーラプレートおよびＭＥＡは、それぞれ、底部プレート２６および圧縮プレート３２に対して実質的に平行に配置される。

蓋キャップアセンブリ３０および底部アセンブリ２０が互いに向かって移動することは、圧縮プレート３２が底部プレート２６に向かい、これらが互いに向かって移動することを意味する。圧縮プレート３２および底部プレート２６が互いに向かって移動すると、燃料電池スタック１２が圧縮されることになる。したがって、燃料電池スタック１２が空間的に拡大すると、逆方向に、底部プレート２６から圧縮プレート３２が遠ざかるように移動することになる。スロットセクション３８の高さは、底部アセンブリ２０が蓋キャップアセンブリ３０に対して相対的に移動することを許容する。このようにして、さまざまな圧力条件を燃料電池スタック１２に適用することができる。スロットセクション３８の寸法を正確に定め、いくつかの実施形態ではスロットセクション３８を封止することにより、底部アセンブリ２０と蓋キャップアセンブリ３０との接合面上での媒体の損失を回避することができる。

また、圧縮プレート３２は、図５を参照して説明した外部接続手段７０を含み、断面図において、集電タブ７２のうちの１つ、冷却材ポート７８、酸化剤入口７４の一部、および酸化剤出口７６の一部、ならびにパージバルブアクセス窓８４および装着用貫通孔８６も、示している。この具体例としての実施形態ではあるが限定しない実施形態における圧縮プレート３２は、完全に大型または中実のものではないが、媒体を外部から内部へ、すなわち燃料電池スタック１２へルーティングするための媒体ルーティングチャネル３４を含む。たとえば図６に示される媒体ルーティングチャネル３４は、例として、圧縮プレート３２を通って真っ直ぐかつ鉛直方向に延びる酸化剤入口７４および酸化剤出口７６に割り当てられる。

図７は、圧縮プレート３２のさらに他の詳細とともに蓋キャップアセンブリ３０の断面図を示す。圧縮プレート３２は、外部からの媒体を導くだけでなく、媒体（流体）ビーム分割、拡大または扇形化、および燃料電池スタック１２への正確なルーティングをそれぞれ可能にするが、ここでは図示されていない。これは、一例にすぎないが、冷却材ポート７８において見ることができ、加圧プレート３２の外側における冷却材ポート７８の円形の接続領域は、ここでは例として矩形の断面を有する広がった領域につながっている。このため、対応する媒体分配チャネル３４は、圧力プレート３２の高さにわたって一定の断面を有しない。

図８は、内側からの、すなわち、ここでは示されていない燃料電池スタック１２の、圧縮プレート３２に向かう視点からの平面図を示す。既に説明したように、蓋キャップアセンブリ３０は矩形のレイアウトを有する。参照番号１３は、蓋キャップアセンブリ３０によって囲まれる、燃料電池スタック１２の投影されたフットプリントを示す。

内側において、圧縮プレート３２は、外部接続手段７０のための対応する開口部を有し、この実施形態において、酸化剤出口７６および酸化剤入口７４は、ここでも図５を参照して説明したエンクロージャ１４の外側で見ることができるものと同じスロット状の矩形断面を有する。冷却材ポート７８は矩形断面を有し、これは燃料電池スタック１２への冷却流体のより好適な分配を可能にする。外部において、冷却材ポート７８は、図５に示されるように、ホースコネクタ用に設計される。これにより、冷却材を、たとえば統合バックプレーン内に配置されたホースを通して供給することができる。加えて、集電タブ７２のためのスロット状開口部および統合バックプレーンへの装着のための装着用貫通孔８６も、この図で見ることができる。燃料入口８０および燃料出口８１は、圧縮プレート３２の２つのコーナーに配置されている。

図９は、底部アセンブリ２０、燃料電池スタック１２、および、集電タブ７２が溶接される関連するエンドプレート７３の分解図を示す。燃料電池スタック１２のＭＥＡおよびバイポーラプレートは、典型的には、エンドプレート７３に対して平行に延びる。エンドプレート７３のうちの１つは、底部アセンブリ２０の底部プレート２６の領域に配置され、エンドプレート７３のうちの別の１つは、図２を参照して説明した蓋キャップアセンブリ３０の圧縮プレート３２によって上部で囲まれる底部アセンブリ２０の開放頂部領域に配置される。集電タブ７２は、結合されたアセンブリを越えて上方に突出し、圧縮プレート３２を通っている。エンドプレート７３は、典型的には、バイポーラプレートおよびＭＥＡと同じ横方向寸法を有する。スタック１２およびエンドプレート７３におけるバイポーラプレートおよびＭＥＡの形状は、実質的に矩形であるが、さまざまなリセスおよび貫通孔を含む。貫通孔は、当業者には周知の媒体ルーティングを提供する。リセスは、底部アセンブリ２０のジャケット２２の対応するリセスとフォームフィットするように設計される。リセスの機能は、以下図１０～図２０に関連してより詳細に説明する。

図１０は、底部アセンブリ２０を斜視図で示す。底部アセンブリ２０のジャケット２２は、その長辺に２つのポケット２４を有する実質的に矩形の断面を有する。ポケット２４は、内側に矩形の断面を有する。ここで示される実施形態の２つのポケット２４は、単に具体例であって本発明を限定するものではなく、底部アセンブリ２０を通る中心軸に対して鏡面対称である。ポケット２４は、底部から最上部まで均等に延び、中心からわずかに離れるようにオフセットされている。ポケット２４は、図１５～図２０を参照して説明するロックシステム１６のための筐体を提供するが、ここでは図示していない。

図１１は、底部アセンブリ２０の平面図を示し、参照符号１３は燃料電池スタック１２のフットプリントを示す。フットプリント１３は、実質的にジャケット２２のフットプリントの形状に従っており、そのため、特にポケット２４を含む。底部アセンブリ２０は、位置合わせ機能を提供し、実質的に燃料電池スタック１２とフォームフィットする。しかしながら、燃料電池スタック１２のフットプリント１３およびジャケット２２の形状は、位置合わせ領域２８の数が異なる。この実施形態において、４つの位置合わせ領域２８があるが、これは本発明を限定するものと理解されてはならない。より少ないまたはより多い、たとえば、３つ、５つ、またはそれよりも多い位置合わせ領域２８が存在してもよい。単なる例として、２つのそのような位置合わせ領域２８がジャケット２２のコーナーに位置し、２つ以上の位置合わせ領域２８がポケット２４の領域に配置される。代替実施形態において、３つもしくは４つの位置合わせ領域２８をジャケット２２のコーナーに配置することができる、または、３つもしくは４つの位置合わせ領域２８をポケット２４の領域に配置することができる。位置合わせ領域２８は、燃料電池スタック１２を形成するためにＭＥＡおよびバイポーラプレートを正確に配置するために使用される。位置合わせ領域２８は、統合バックプレーン等の外部構造に要素を取り付けるためのチャネルとしての二重機能を有することができる。

図１２は、底部プレート２６の平面図を示す。底部プレート２６のフットプリントは、図１１を参照して説明したジャケット２２のフットプリントに正確に対応することがわかる。図１１に示される位置合わせ領域２８において、底部プレート２６上に装着用貫通孔８６が設けられ、よって、締結具を外側から底部プレート２６に通しスタック１２全体に渡して最終的に蓋キャップアセンブリ３０の接続領域に向けて通すことができる。このようにして、燃料電池モジュール１０を、ねじ等の４つの固定手段６８によって底部プレート２６から統合バックプレーンに、好適に取り付けることができる。ポケット２４の領域には、図１３に示す保持手段２７のための切欠き２５が設けられている。

図１３は、ジャケット２２の断面および底部プレート２６の断面を示す、底部アセンブリ２０の断面を示す。図１３に示す実施形態において、底部プレート２６は、周囲の周りでジャケット２２に溶接される。組み立て中、ＭＥＡおよびバイポーラプレートは、底部プレート２６から始まって互いの上に配置される。

集電タブ保持手段２７が設けられ、保持手段２７は切欠き２５とフォームフィットする。保持手段２７は、特にスタックアセンブリ中に集電タブ７２に対する位置合わせを提供する。

図１４は、図１３に関連して説明した実施形態とは異なる実施形態を示す。図１４の実施形態は、ＭＥＡおよびバイポーラプレートの積層の開始時にはジャケット２２の上部領域に配置されている可動底部プレート２６を含む。可動底部プレート２６は、本開示の文脈において中央装着プレート２３と呼ぶ場合もある。実施形態に応じて、スタックが組み立てによって成長するのに伴い、中央装着プレート２３がジャケット２２の底部に向かって移動する、またはジャケット２２が中央装着プレート２３に対して相対的に移動する。これは、積層すべきすべてのＭＥＡまたはバイポーラプレートをロボット等の組み立てマシンによって同じ場所で取り扱うことを、可能にする。

図１５は、底部アセンブリ２０において燃料電池スタック１２全体を積層した後の状況を下から示している。底部プレート２６に対してジャケット２２に余分な長さがあることがわかる。余分な長さをレーザ切断してもよく、底部プレート２６をジャケット２２に溶接して底部アセンブリ２０を形成してもよい。

可動装着プレート２３を含む技術は、さまざまなスタックサイズの燃料電池モジュール１０を可能にする。一旦１つの燃料電池モジュール１０の必要なスタックサイズに達すると、ジャケット２２をレーザ切断してもよく、次のものを容易に組み立てることができる。このため、生産ラインを、要求に応じて異なるスタックサイズを組み立てて燃料電池モジュール１０にするように適合させてもよい。

図１６は、蓋キャップアセンブリ３０のジャケットセクション３６に取り付けられた４つのラチェットバー６０を有する蓋キャップアセンブリ３０の斜視図を示し、４つのラチェットバーのうちの３つが示されている。ラチェットバー６０は、以下でより詳細に説明するように、蓋キャップアセンブリ３０を底部アセンブリ２０に固定するためのロックシステム１６の一部を形成する。

ラチェットバー６０は、互いに距離を置いて配置されている。図示の実施形態における各ラチェットバー６０は、いくつかの突出部６２が取り付けられた第２のレール６３を含む。ジャケットセクション３６の各側に、２つのラチェットバー６０が、突出部６２が向かい合うように取り付けられている。突出部６２の各々は、摺動部分６４と、第２のバー６３を基準として摺動部分６４の遠位端に配置されたノブ部分６６とを含む。

図１７は、ジャケット２２と、ポケット２４の中に配置されたロックシステム１６の要素とを有する底部アセンブリ２０を示す。ポケット２４は、先に説明したように設計することができる、すなわち底部アセンブリ２０の縦軸に対してわずかに非対称である、またはこれに代えて互いに対向している。

図示の実施形態において、底部アセンブリ２０上に位置するロックシステム１６の部分は、スライダ１８および板ばね構造４０を有するアセンブリを含む。スライダ１８は、バックドロップガイダンス４６内に移動可能に配置されている。バックドロップガイダンス４６は、さらに他の固定手段６８によって底部アセンブリ２０のジャケット２２に取り付けられる。バックドロップガイダンス４６は、たとえば、Ｃプロファイルを有するガイドブラケットとして設計することができる。スライダ１８の技術的機能を、以下でより詳細に説明する。

板ばね構造４０は、固定手段６８のセグメントによってスライダ１８に取り付けられる。図１７に示す実施形態において、板ばね構造４０は、スライダ１８に対して固定的にまたは旋回可能に取り付けることができる複数の板ばね４４を含む。この実施形態は、たとえば、各々が固定部分４３から延びる２つの分岐部４２を含む、６つの板ばね４４を含む。分岐部４２は、底部プレート２６に向かって湾曲している。分岐部４２は、曲げられると、弾性エネルギを吸収する。屈曲または拡大している（ここでは横に拡がる）間、分岐部は復元力を蓄積する。

図１６および図１７に関して説明したロックシステム１６の要素は、機械的に逆にして設けることも可能である、すなわち、板ばね構造４０をスライダ１８とともに蓋キャップアセンブリ３０に割り当て、ラチェットバー６０を底部アセンブリ２０に割り当てることも可能であることを、理解されたい。

図１８は、ラチェットバー６０と板ばね構造４０との相互作用を概略的に示す。この実施形態において、ラチェットバー６０は蓋キャップアセンブリ３０に取り付けられているが、明確にするために図１８には示されていないことが理解されるはずである。底部アセンブリ２０を蓋キャップアセンブリ３０とともに組み立てると、ラチェットバー６０の突出部６２が、底部プレート２６に平行に延びる。

板ばね構造４０およびラチェットバー６０が寸法的に一致するようにされ、そのため、分岐部４２および突出部６２が一緒にされると分岐部４２はノブ部分６６の後ろに入り摺動部分６４の上に載ることがわかる。たとえば、ラチェットバー６０上の突出部６２と同数の分岐部４２が板ばね構造４０上にあってもよい。これに代えて、突出部６２よりも多いまたは少ない分岐部４２が設けられてもよい。

実際には、燃料電池モジュール１０を装着した後に、すなわち、燃料電池スタック１２をエンクロージャ１４に挿入した後に、底部アセンブリ２０および蓋キャップアセンブリ３０を互いに対して移動させて、予備圧縮段階を構築することができる。図１９は、ロックシステム１６の第１のロック位置を示し、このような予備圧縮がスタックに適用されている。分岐部４２のうちの少なくともいくつかは、ノブ部分６６の後ろに入っている。

スライダ１８が底部プレート２６に向かって押し出された場合、分岐部４２は、ラチェットバー６０の摺動部分６４の上で摺動する。燃料電池スタック１２に対してより多くの圧縮を発生させることができる。スライダ１８を移動させることにより、全範囲の圧縮圧力を燃料電池スタック１２に加えることができる。

いくつかの実施形態において、スライダ１８は、図面に示されていない蓋キャップアセンブリの貫通孔を介してアクセスされてもよい。スライダ１８は、ツールを用いて底部プレート２６に向かって押し出してもよい。次に、底部アセンブリ２０および蓋キャップアセンブリ３０をよりきつく締め付けることにより、燃料電池スタック１２に対して完全な圧縮を提供することができる。適所に入ると、スライダ１８は、下から固定手段によって固定されてもよい。固定手段は、位置を拘束するケーブルシステムとして提供されてもよい。これに代えて、固定ねじ、ボルトまたは溶接が使用されてもよい。

使用中、化学反応が起こると、燃料電池スタック１２は膨張または熱膨張し、積層方向においてより多くの体積が必要になる。底部プレート２６と圧縮プレート３２とは互いにずれている。板ばね構造４０およびラチェットバー６０も互いにずれている。分岐部４２は曲げられて復元力を蓄積し、これが、燃料電池スタック１２内の圧力になる。実際には、動作中の燃料電池スタック１２の動的な体積変化は、ロックシステム１６内の弾性エネルギによって和らげることができる。

具体的には、板ばね構造４０は、化学反応の物理的環境を、燃料電池スタック１２内で、たとえその体積が増大しても一定にすることができる、定荷重ばねであってもよい。

図２０は、ポケット２４の中央においてジャケット２２と一体的に形成された第１のレール５２と、ばねアセンブリ５０とを有する、ロックシステム１６の代替実施形態を示す。いくつかの実施形態において、第１のレール５２は、スライダ１８に関して説明したのと同じように、ジャケット２２上に摺動可能に配置されてもよい。

図２０には、ばねアセンブリ５０を形成する、中央の第１のレール５２の左右に相互接続されたシリンダ部材５４が示されている。ばね部材は、図２０には示されていない蓋キャップアセンブリ３０に取り付けられる。底部アセンブリ２０に対する蓋キャップアセンブリ３０の変位は、復元力の増加または減少につながり、これが、燃料電池スタック１２の動的圧力調整を可能にする。

そのために、第１のレール５２は、図２１に示される楔形部分５３を含む。図２１は、直線セクション５５および楔形部分５３を有する第１のレール５２を示す。直線セクション５５も示されているが、いくつかの実施形態は直線セクション５５を必要としない。シリンダ部材５４が楔形部分５３の上で移動する場合、いくつかのロックステップを簡単にすることができ、ロックステップは燃料電池スタック１２に予備圧縮および完全圧縮を提供する。

参照符号のリスト
１０ 燃料電池モジュール
１２ 燃料電池スタック
１３ 燃料電池スタックのフットプリント
１４ エンクロージャ
１６ ロックシステム
１８ スライダ
２０ 底部アセンブリ
２２ ジャケット
２３ 中央装着プレート
２４ ポケット
２５ 切欠き
２６ 底部プレート
２７ 保持手段
２８ 位置合わせ領域
３０ 蓋キャップアセンブリ
３２ 圧縮プレート
３４ 媒体ルーティングチャネル
３６ ジャケットセクション
３８ スロットセクション
４０ 板ばね構造
４２ 分岐部セクション
４３ 中央部分
４４ 板ばね
４６ バックドロップガイダンス
５０ ばねアセンブリ
５２ 第１のレール
５３ 楔形部分
５４ ばね部材
５５ 直線セクション
６０ ラチェットバー
６２ 突出部
６３ 第２のレール
６４ 摺動部分
６６ ノブ部分
６８ 固定手段
７０ 外部接続手段
７１ 貫通孔
７２ 集電タブ
７３ エンドプレート
７４ 酸化剤入口
７６ 酸化剤出口
７８ 冷却材口
８０ 燃料入口
８１ 燃料出口
８２ エジェクタバルブアクセス窓
８４ パージバルブアクセス窓
８６ 装着用貫通孔

Claims (14)

1. 燃料電池モジュール（１０）であって、前記燃料電池モジュールは、
   燃料電池スタック（１２）を形成する複数の燃料電池と、
   前記燃料電池スタック（１２）を取り囲むエンクロージャ（１４）とを有し、
   前記エンクロージャ（１４）は、底部アセンブリ（２０）と蓋キャップアセンブリ（３０）とを含み、
   前記底部アセンブリ（２０）は、少なくとも一部が前記スタックのアーキテクチャとフォームフィットすることにより内部位置合わせ機能を提供するジャケット（２２）と、前記燃料電池スタック（１２）と圧接する底部プレート（２６）とを含み、
   前記蓋キャップアセンブリ（３０）は、前記燃料電池スタック（１２）と圧接する圧縮プレート（３２）を含み、
   前記底部アセンブリ（２０）および前記蓋キャップアセンブリ（３０）に、前記燃料電池モジュール（１０）に対してある範囲の圧縮圧力を提供する漸進ロックシステム（１６）が設けられ、
   前記漸進ロックシステム（１６）は、使用中に前記燃料電池スタック（１２）が成長し積層方向においてより多くの体積を必要とする場合に、前記蓋キャップアセンブリ（３０）に対する前記底部アセンブリ（２０）の変位を通して復元力の増加を提供することを特徴とする、燃料電池モジュール（１０）。
2. 前記漸進ロックシステム（１６）はいくつかのロックステップを提供し、前記燃料電池スタック（１２）に対し、少なくとも１つのロックステップは予備圧縮を提供し、少なくとも１つの他のロックステップは完全圧縮を提供する、請求項１に記載の燃料電池モジュール（１０）。
3. 前記蓋キャップアセンブリ（３０）は、前記ジャケット（２２）とフォームフィット係合するための周囲ジャケットセクション（３６）を含み、前記漸進ロックシステム（１６）は、前記ジャケットセクション（３６）に形成された第１のロック要素を含む、請求項１または２に記載の燃料電池モジュール（１０）。
4. 前記漸進ロックシステム（１６）は、前記蓋キャップアセンブリ（３０）および前記ジャケット（２２）のうちの一方に設けられたばね構造、好ましくは板ばね構造（４０）を含み、
   前記ばね構造は、前記蓋キャップアセンブリ（３０）および前記ジャケット（２２）のうちの他方に設けられたラチェットバー（６０）と係合する、請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）。
5. 前記ばね構造および前記ラチェットバー（６０）のうちの一方は、スライダ（１８）の上に配置されて前記燃料電池モジュール（１０）に対する圧縮圧力の調整機能を提供する、請求項４に記載の燃料電池モジュール（１０）。
6. 前記ラチェットバー（６０）は、摺動部分（６４）を有する複数の突出部（６２）を含み、
   前記底部アセンブリ（２０）に対する前記蓋キャップアセンブリ（３０）の変位は、摺動部分（６４）の上における前記板ばね構造（４０）の少なくとも１つの板ばね（４４）の摺動移動に変換される、請求項４または５に記載の燃料電池モジュール（１０）。
7. 前記漸進ロックシステム（１６）は、前記蓋キャップアセンブリ（３０）および前記ジャケット（２２）のうちの一方に設けられたばねアセンブリ（５０）を含み、
   前記ばねアセンブリ（５０）は、前記蓋キャップアセンブリ（３０）および前記ジャケット（２２）のうちの他方に設けられた第１のレール（５２）と係合する、請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）。
8. 前記ジャケット（２２）は、ポケット（２４）を有する矩形の断面を有し、
   前記ポケット（２４）は、前記漸進ロックシステム（１６）を収容するための空間を提供する、請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）。
9. 前記ジャケット（２２）は、組み立て中のスタックの位置合わせのための少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つの位置合わせ領域（２８）を提供し、
   前記位置合わせ領域（２８）のうちの少なくとも１つ、好ましくは２つ、３つ、または４つは、前記燃料電池モジュール（１０）を外部支持構造に接続するための装着用貫通孔（８２）を形成する、請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）。
10. 前記エンクロージャ（１４）に組み込まれた、加湿手段、前記燃料電池モジュール（１０）の動作をモニタリングするためのセンサおよび／またはコントローラ、および／または電力変換装置を備える、請求項１～９のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）。
11. 前記エンクロージャ（１４）は箱形であり、
    前記蓋キャップアセンブリ（３０）は、前記燃料電池モジュール（１０）への圧縮空気、反応物、および冷却材の供給および排出のための外部接続手段（７０）を含み、
    前記外部接続手段（７０）は、箱形の前記エンクロージャ（１４）と同じ側に配置される、請求項１～１０のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）。
12. 前記燃料電池スタック（１２）は集電タブ（７２）に接続され、
    前記集電タブ（７２）は、前記外部接続手段（７０）と同じ側において前記エンクロージャ（１４）から出ている、請求項１１に記載の燃料電池モジュール（１０）。
13. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の、少なくとも１個の、好ましくは２～２０個の燃料電池モジュール（１０）を有する燃料電池システムであって、
    前記燃料電池モジュール（１０）は、前記燃料電池モジュール（１０）への圧縮空気、反応物、および冷却材の供給および排出のための、および／または前記燃料電池モジュール（１０）の集電を提供するための、分配システムを有する統合バックプレーンに接続されている、燃料電池システム。
14. 請求項１～１２のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール（１０）を製造する方法であって、前記方法は、
    前記ジャケット（２２）によって囲まれた可動中央装着プレート（２３）上に複数のＭＥＡ単位およびバイポーラプレートを積層するステップを含み、前記可動中央装着プレート（２３）は、積層中に前記ジャケット（２２）が位置合わせを提供するように、動きを提供し、前記方法はさらに、
    組み立てプロセス中に、積層された前記ＭＥＡ単位およびバイポーラプレートの高さが上昇するのに伴って、前記ジャケット（２２）を上昇させるまたは前記中央装着プレート（２３）を下降させるステップと、
    前記中央装着プレート（２３）を、位置合わせしている前記ジャケット（２２）との固定ポイントに達したときに適所でロックするステップとを含み、それにより、前記中央装着プレート（２３）および前記ジャケット（２２）は前記底部アセンブリ（２０）を形成し、前記方法はさらに、
    前記漸進ロックシステム（１６）を介して前記蓋キャップアセンブリ（３０）を前記底部アセンブリ（２０）に接合することにより、前記燃料電池スタック（１２）を取り囲む前記エンクロージャ（１４）を形成するステップを含む、方法。

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