TWI617070B - 燃料電池堆疊總成及組裝方法 - Google Patents

Abstract

一種燃料電池堆疊總成，其包含：一第一封裝構件(302)，其包含一第一端板及自該第一端板橫向延伸之兩個側壁；一第二封裝構件(304)，其包含一第二端板；一或多個燃料電池(330)，其位於該第一端板與第二端板之間；及兩個鎖定構件(310)，其經建構以與該第一封裝構件(302)及該第二封裝構件(304)之一各別側壁嚙合，以便使該第一端板及該第二端板保持在一固定相對位置，其中該第一封裝構件(302)之該等側壁各自經建構以：與該第二封裝構件(304)嚙合以便向該一或多個燃料電池(330)提供一壓縮力，及在平行於該一或多個燃料電池(330)之平面的一方向上接收該各別鎖定構件(310)。

Description

燃料電池堆疊總成及組裝方法

本發明係關於燃料電池堆疊總成，及組裝燃料電池堆疊總成之方法。

習知電化學燃料電池將燃料及氧化劑(通常均呈氣流形式)轉化成電能及反應產物。用於使氫氣與氧氣反應的一種常見類型之電化學燃料電池包含聚合離子(質子)傳送隔膜，其中燃料與空氣經由該隔膜之各別側來傳遞。質子(亦即，氫離子)經傳導穿過該隔膜，藉由傳導穿過連接燃料電池之陽極與陰極之電路的電子而平衡。為增加可用電壓，可形成堆疊，其包含經配置而具有單獨陽極與陰極流體流動路徑的數個此種隔膜。此類堆疊典型地呈包含大量個別燃料電池板之塊體形式，該等個別燃料電池板藉由堆疊之任一端處的端板固持在一起。

根據本發明之第一態樣，提供一種燃料電池堆疊總成，其包含：一第一封裝構件，其包含一第一端板及自該第一端板橫向延伸之兩個側壁；一第二封裝構件，其包含一第二端板；一或多個燃料電池，其位於該第一端板與第二端板之間；及兩個鎖定構件，其經組態以與該第一封裝構件之一各別側壁及該第二 封裝構件嚙合，以便使該第一端板及該第二端板保持在一固定相對位置，其中該第一封裝構件之該等側壁各自經組態以：與該第二封裝構件嚙合以便向該一或多個燃料電池提供一壓縮力，及在平行於該一或多個燃料電池之平面的一方向上接收該各別鎖定構件。

該等鎖定構件可各自包含複數個嚙合區域。該複數個嚙合區域可經組態而以不同量隔開該第一封裝構件與該第二封裝構件之該等各別端板。此可允許該一或多個燃料電池對照所要尺寸組裝至所要負載。

該等嚙合區域可包含該鎖定構件之具有不同厚度之區域。該鎖定構件可包含階梯式輪廓。該等嚙合區域可包含該階梯式輪廓中的不同階梯。

該第一封裝構件之該等側壁可經組態以在與藉由該第二封裝構件施予在各別鎖定構件上的第二力相反的方向上在該等各別鎖定構件上施予第一力。

該第一力及該第二力之方向可橫向/正交與該一或多個燃料電池之該平面。

該第一力可在該鎖定構件上之一第一位置處施予每一鎖定構件上，該第一位置可不同於施予該第二力之第二位置。該第一位置可在平行於該一或多個燃料電池之該平面的方向上與該第二位置隔開。因此，可稱一剪切力施予該鎖定構件上。

該等鎖定構件可各自包含一嚙合部分及一握持部分。該嚙合部分可橫向於該握持部分。

該第一封裝構件之該等側壁可經組態以在正交於該等側壁之平面的方向上接收該鎖定構件。

該等鎖定構件可各自包含一或多個插銷，該一或多個插銷經 組態以與該第一封裝構件之各別側壁及該第二封裝構件中的一或多個開口嚙合。

該等鎖定構件可各自包含一C形夾片。

該第一封裝構件之該等側壁可經組態以在平行於該等側壁之平面的方向上接收該鎖定構件。該等鎖定構件可各自包含一插銷，該插銷經組態以與相關聯於該第一封裝構件之各別側壁及該第二封裝構件的保持構件嚙合。

該第二封裝構件可包含自該第二端板橫向延伸之兩個側壁。該兩個鎖定構件可經組態以與該第二封裝構件之各別側壁嚙合。該第二封裝構件之該等側壁中之一者或兩者可在該第一封裝構件之該等側壁之內、外部或與其共面。該第一封裝構件之該等側壁可平行於該第二封裝構件之該等側壁。

該第一端板及該第二端板可各自界定鄰近於該一或多個燃料電池且與該一或多個燃料電池成壓縮關係的一壓縮表面。該第一端板及/或該第二端板可包含界定該壓縮表面之預製元件。

該預製元件可經組態而具有一預定曲率，使得該壓縮表面在該預製元件不受負載時為一凸表面，然而，在施加負載以維持燃料電池處於壓縮下的情況下，該預製元件之撓曲可使得該壓縮表面成為實質上平坦表面。

該第一端板及/或該第二端板可包含用於將流體(其可為液體或氣體)傳送至該一或多個燃料電池或自該一或多個燃料電池傳送流體的孔口。

該燃料電池堆疊總成可進一步包含一外殼，該外殼經內部成形以用於為以下各者中之至少一者提供組裝導件：該第一封裝構件；該第二封裝構件；及該一或多個燃料電池。

該外殼可包含用於接收該等各別鎖定構件之兩個孔隙。

根據本發明之另一態樣，提供一種組裝燃料電池堆疊總成之方法，該燃料電池堆疊總成包含：一第一封裝構件，其包含一第一端板及自該第一端板橫向延伸之兩個側壁；一第二封裝構件，其包含一第二端板；一或多個燃料電池；及兩個鎖定構件，該方法包含：將該一或多個燃料電池定位在該第一端板與該第二端板之間；施加一外部負載以使該第一封裝構件之該第一端板與該第二封裝構件之該第二端板朝向彼此偏置，藉此壓縮該一或多個燃料電池；使該兩個鎖定構件在平行於該一或多個燃料電池之平面的一方向上與該第一封裝構件之一各別側壁及該第二封裝構件嚙合；及釋放該外部負載，藉此提供施予一壓縮力在該一或多個燃料電池上且使該第一端板及該第二端板保持在一固定相對位置之一燃料電池堆疊總成。

100‧‧‧燃料電池堆疊總成

102‧‧‧第一封裝構件

104‧‧‧第二封裝構件

105‧‧‧第二端板

106‧‧‧第一端板

108‧‧‧側壁

110‧‧‧鎖定構件

112‧‧‧嚙合部分

114‧‧‧握持部分

116‧‧‧舌片

118‧‧‧凸肩

120‧‧‧開口

122‧‧‧口部區域

124‧‧‧腔體區域

210‧‧‧鎖定構件

212‧‧‧嚙合部分

214‧‧‧握持部分

302‧‧‧第一封裝構件

304‧‧‧第二封裝構件

310‧‧‧鎖定構件

330‧‧‧燃料電池

332‧‧‧外殼

334‧‧‧孔隙

402‧‧‧第一封裝構件

404‧‧‧第二封裝構件

410‧‧‧鎖定構件

410'‧‧‧鎖定構件

440‧‧‧上部壓機

442‧‧‧下部壓機

444‧‧‧燃料電池堆疊

446‧‧‧載體

446'‧‧‧載體

447‧‧‧彈簧

500a‧‧‧燃料電池總成

500b‧‧‧燃料電池總成

500c‧‧‧燃料電池總成

500d‧‧‧燃料電池總成

502a‧‧‧第一封裝構件

502b‧‧‧第一封裝構件

502c‧‧‧第一封裝構件

502d‧‧‧第一封裝構件

503a‧‧‧外力

503b‧‧‧外力

503c‧‧‧外力

504a‧‧‧第二封裝構件

504b‧‧‧第二封裝構件

504c‧‧‧第二封裝構件

504d‧‧‧第二封裝構件

510c‧‧‧鎖定構件

510d‧‧‧鎖定構件

600‧‧‧燃料電池堆疊總成

602‧‧‧第一封裝構件

604‧‧‧第二封裝構件

605‧‧‧第二端板

606‧‧‧第一端板

608‧‧‧側壁

609‧‧‧側壁

610‧‧‧鎖定構件

620‧‧‧開口

621‧‧‧開口

700‧‧‧燃料電池堆疊總成

702‧‧‧第一封裝構件

704‧‧‧第二封裝構件

705‧‧‧第二端板

706‧‧‧第一端板

708‧‧‧側壁

709‧‧‧側壁

710‧‧‧鎖定構件

720‧‧‧保持構件

721‧‧‧保持構件

750‧‧‧鎖定構件

752‧‧‧階梯

800a‧‧‧燃料電池總成

800b‧‧‧燃料電池總成

802a‧‧‧第一封裝構件

802b‧‧‧第一封裝構件

804a‧‧‧第二封裝構件

804b‧‧‧第二封裝構件

810a‧‧‧鎖定構件

810b‧‧‧鎖定構件

812a‧‧‧嚙合部分

814a‧‧‧握持部分

902‧‧‧第一封裝構件

904‧‧‧第二封裝構件

908‧‧‧側壁

908a‧‧‧延伸構件

908b‧‧‧延伸構件

909‧‧‧側壁

910‧‧‧鎖定構件

912‧‧‧嚙合部分

914‧‧‧鎖定構件

920‧‧‧開口

921a‧‧‧開口

921b‧‧‧開口

1002‧‧‧第一封裝構件

1004‧‧‧第二封裝構件

1102‧‧‧第一封裝構件

1104‧‧‧第二封裝構件

1202‧‧‧步驟

1204‧‧‧步驟

1206‧‧‧步驟

1208‧‧‧步驟

現在僅作為實例參考附圖給出描述，在附圖中：圖1a展示燃料電池總成，其中第二封裝構件定位在第一封裝構件上方且準備好與第一封裝構件嚙合；圖1b展示圖1a之燃料電池總成，其中第二封裝構件已藉由外力而向下移動；圖1c展示圖1b之燃料電池總成，其中第二封裝構件已藉由外力而進一步向下移動； 圖1d展示圖1c之燃料電池總成，其中鎖定構件與第一封裝構件及第二封裝構件嚙合；圖1e展示圖1d之燃料電池總成之另一視圖；圖1f展示圖1a之燃料電池總成之第一封裝構件之側壁的端視圖；圖2展示一鎖定構件，其沿其長度具有可變厚度；圖3展示類似於圖1d中所說明之燃料電池總成的燃料電池總成之分解圖；圖4a展示用於組裝燃料電池堆疊之工具準備；圖4b展示用於固持鎖定構件之替代載體；圖5a展示處於實質上未壓縮條件中的燃料電池總成；圖5b展示處於壓縮下的圖5a之燃料電池總成；圖5c展示處於2000N外部負載下的圖5b之燃料電池總成；圖5d展示已移除外部負載之後的圖5c之燃料電池總成；圖6a展示一替代燃料電池堆疊總成之分解透視圖，其中第二封裝構件具有側壁；圖6b展示組裝時的圖6a之燃料電池堆疊總成之透視圖；圖7a展示一替代燃料電池堆疊總成之分解透視圖，其中提供了保持構件；圖7b展示組裝時的圖7a之燃料電池堆疊總成之透視圖；圖7c展示用於與圖7a及圖7b之燃料電池堆疊總成一起使用的替代鎖定構件；圖8a展示另一燃料電池堆疊總成之橫截面，其中鎖定構件具有同軸之嚙合及握持部分；圖8b展示另一燃料電池堆疊總成之橫截面，其中鎖定構件具有複數個嚙合部分； 圖9a展示具有複數個嚙合部分之鎖定構件；圖9b展示用於接收圖9a之鎖定構件的燃料電池堆疊總成之側視圖；圖10展示具有不同側壁組態的另一燃料電池堆疊總成之橫截面；圖11展示具有不同側壁組態的又一燃料電池堆疊總成之橫截面；及圖12說明組裝燃料電池堆疊總成之方法。

圖1a至圖1e說明燃料電池堆疊總成100之各種視圖，燃料電池堆疊總成100包含第一封裝構件102及第二封裝構件104，第一封裝構件102及第二封裝構件104經組態以彼此嚙合以便向位於該兩個封裝構件102、104之間的一或多個燃料電池(圖1中未展示)施加壓縮力。

第一封裝構件102包含第一端板106及自第一端板106橫向延伸且處於第一端板106之對置端處的兩個側壁108。第二封裝構件104包含第二端板105。

在一些實施例中，第一端板106及/或第二端板105可具有一或多個孔口，可經由該一或多個孔口將流體傳送至燃料電池或自燃料電池傳送流體。此類流體可例如為燃料、空氣或冷卻劑。

如圖1c、圖1d及圖1e中所示，燃料電池總成100亦包含兩個鎖定構件110。每一鎖定構件110嚙合第一封裝構件102之側壁108及第二封裝構件104中的一者以便壓縮該一或多個燃料電池。

每一鎖定構件110在平行於該等燃料電池之平面的方向上嚙合側壁108及第二封裝構件104中的一者，如下文將更詳細地描述。在此實施例中，鎖定構件110在正交於側壁108之平面的方向上嚙合。

圖1a展示燃料電池總成100，其中第二封裝構件104定位在第一封裝構件102上方且準備好與第一封裝構件102嚙合。第二封裝構件104具有自兩個對置端面中的每一者延伸的舌片116。

第一封裝構件102之側壁108各自在其遠端(距第一端板106最遠的端)具有用於接收第二封裝構件104之舌片116的開口120。

圖1f展示側壁108之端視圖。開口120具有最接近於側壁108之遠端的口部區域122。口部區域122向上開放至腔體區域124中，腔體區域124比口部區域122更接近於第一端板106。腔體區域124之寬度大於口部區域122之寬度。亦即，開口120在平行於第一端板106之平面及正交於側壁108之平面的方向上的尺寸在開口120之較接近於第一端板106的區域中較大。

在此實施例中，側壁108中的兩個凸肩118提供於開口120之口部區域122與腔體區域124之間的過渡處，如將參考圖1e所進一步詳細描述的。

圖1b展示燃料電池總成100，其中第二封裝構件104已藉由外力向下移動，使得第二封裝構件104已自圖1a中所示的位置朝向第一封裝構件102移動。如圖1b中所示，第二端板105之舌片116定位於側壁108中的開口120之口部區域中。口部區域之寬度可僅稍微大於舌片之寬度，例如，可提供僅幾毫米之間隙。

圖1c展示燃料電池總成100，其中第二封裝構件104已藉由外力進一步向下移動，使得第二封裝構件104已自圖1b中所示的位置朝向第一封裝構件102移動。如圖1a中所示，第二端板105之舌片116定位於側壁108中的開口120之腔體區域中。舌片116已移動經過開口120中的凸肩118。

鎖定構件110在圖1c中展示為處於準備好與第一封裝構件102及第二封裝構件104嚙合之位置。鎖定構件110具有橫向延伸至彼此之嚙合部分112及握持部分114，在此實施例中，其彼此正交。鎖定構件110之嚙合部分112待插入至開口120之腔體區域中。腔體區域之寬度大體上與 鎖定構件110之寬度相對應。鎖定構件110之寬度大於第二端板105之舌片116之寬度。

圖1d及圖1e展示與第一封裝構件102之側壁108及第二封裝構件104嚙合之鎖定構件110。更精確言之，每一鎖定構件110之嚙合部分112定位於舌片116之頂表面與側壁108中的凸肩118之底表面之間。

用以將第二封裝構件104之舌片116定位在側壁108中的開口120之腔體區域中的外力已被移除，因為鎖定構件110現在將第一封裝構件及第二封裝構件相對於彼此固持在適當位置，藉此維持燃料電池上的壓縮力。

應瞭解，燃料電池在壓縮下被固持於堆疊中，使得各種墊圈及密封件可恰當地行使功能。因此，當燃料電池靜止且在壓縮力下被固持於第一端板106與第二端板105之間時，其在該兩個端板105、106上提供向外推動的力。此力使得舌片116之頂表面在橫向於第二端板105之平面的第一方向上向鎖定構件110之嚙合部分112施加一力。藉由舌片116提供至嚙合部分112之該力係在該兩個組件鄰接之位置處朝向嚙合部分112之中心施加。

嚙合部分112為硬質的，使得其又向側壁108之界定開口120中的凸肩118之區域施加一力。此力係在與藉由舌片116提供至嚙合部分112之力相同的方向上，但係在藉由舌片116提供該力至嚙合部分112之位置外部的位置處施加。此係因為凸肩118在舌片116之佔據面積之外部。凸肩118在第一位置接觸鎖定構件110，該第一位置不同於舌片116接觸鎖定構件110之位置。該第一位置在平行於該一或多個燃料電池之平面的方向上與第二位置隔開。

凸肩118足夠硬，使得其在藉由燃料電池板抵抗壓縮而施加的力下不會顯著移動；亦即，燃料電池總成100之各種組件之間的所有力 係平衡的。因此，當如在圖1e中所示而考慮鎖定構件110時，舌片116在向上方向上在鎖定構件110之中心區域上施予第二力，且側壁108之凸肩118在向下方向上在鎖定構件110之外部區域上施予第一力。中心區域為第二位置之一實例。外部區域為第一區域之實例。在寬度方向上，該等外部區域在中心區域外部，使得剪切力在相反方向上藉由舌片116及凸肩118所施予的力而施加至鎖定構件110。

提供依賴於鎖定構件110之剪切強度的燃料電池總成可為有利的，此係因為剪切力正交於經壓縮燃料電池總成之膨脹力，從而允許以下情況中之一或多者：‧小接觸區域將總成固持在適當的位置；‧該擴展力用以將鎖定機構固持在適當的位置且不會隨時間推移而鬆開；及‧相比於使用彈簧夾片之總成，該燃料電池總成之實施中的變化減小，此係因為剪切鎖定構件自身不會施予任何力，僅維持施予其上之該力。

此類燃料電池總成之構造因此為經簡化構造，此係因為端板可簡單地滑動到位。又，至總成之大小的總體添加小。

此外，當在適當的位置時，鎖定構件110在平行於燃料電池之平面的方向上可經歷極少或不經歷力，此可為有利的，因為可不需要用於限制鎖定構件110在橫向方向上之移動的機構。

在此實施例中，第一端板106及第二端板105兩者皆包含預製元件，該預製元件經組態而具有預定曲率，使得端板之接觸燃料電池之表面(其將被稱作壓縮表面)在預製元件不受負載時為凸表面。此情形展示於圖1a及圖1b中。

當鎖定構件110與封裝構件102、104嚙合以施加負載以維持燃料電池處於壓縮下時，預製元件在相對於側壁108位置固定之兩端之 間的撓曲使得壓縮表面成為實質上平坦表面。此情形展示於圖1c及圖1d中。

在使用此些預製元件之具體實例中，每一端板102、104係由具有足夠剛性但有彈性的材料製造，使得在組裝期間燃料電池板之所要壓縮加載使每一未加載凸壓縮面處於實質上平坦安置。鎖定構件110之應用導致端板102、104中的每一者之撓曲，使得壓縮面皆變得平坦，且相對平行於彼此，藉此在燃料電池堆疊之兩個端面上賦予正確、均一的壓力。預製端板102、104中的每一者之厚度、硬度及平面外彈性變形性經選擇以確保將平坦且均一的壓力賦予燃料電池。

概言之，表述「預製」端板意欲指示端板在不受負載時展現預定曲率，使得其在所需燃料電池堆疊總成壓縮壓力下彼此呈扁平且平行之關係。不受負載時之預定曲率可經選擇而使得其允許堆疊總成在組裝及調測期間的初始試用及沈降。在燃料電池堆疊總成中，可在調測之前或在調測期間存在一短週期，在該短週期中，堆疊稍微壓縮(例如，由於諸如擴散層或各種墊圈之層的塑性變形)。端板在不受負載時之預定曲率可經組態以適應此情形，使得其在燃料電池堆疊之調測之後彼此呈扁平且平行之關係。

使用一或多個此類預製端板102、104可使得能夠將燃料電池總成建構至所要負載而非設定高度。由於較小的燃料電池堆疊的應用變得愈加重要，因此具有較薄規格之材料變得尤其有利。然而，若將燃料電池總成建置至設定高度，則可能需要施加過載以確保對於燃料電池尺寸之在構造之容限內的所有變化將足夠壓縮力施加至燃料電池。此過載可使得薄組件變彎，藉此損害燃料電池堆疊之效能。因此，本文中所揭示之可建置至預定負載而非預定高度之燃料電池總成可減少此等問題。

應瞭解，在其他實施例中，第一封裝構件包含沿第一端板之 兩個以上邊緣(或在一些情況下，所有邊緣)之側壁。在此等實施例中，對應舌片可提供於第二封裝構件上。每一舌片因此與可與鎖定構件嚙合之壁之開口相關聯。

圖2說明可與圖1a至圖1f之燃料電池總成一起使用的鎖定構件210。鎖定構件210包含用於與兩個封裝構件嚙合之嚙合部分212及可選握持部分214。該握持部分可輔助插入及移除鎖定構件210。

在此實施例中，嚙合部分212具有一輪廓，其具有不同厚度之嚙合區域，使得其可用以將燃料電池總成建置至所要負載而非固定尺寸。不同嚙合區域可用以按不同量隔開第一封裝構件與第二封裝構件之各別端板。以上文參考圖1a至圖1e所描述之相同方式，可藉由外力將燃料電池及封裝構件壓縮至所要工作負載。可接著將鎖定構件210插入第二端板上之舌片與相關聯於第一端板之側壁之凸肩之間，直至鎖定構件之嚙合部分212的將被提供所需負載之部分被恰當地定位。

在此實施例中，鎖定構件210之嚙合部分212具有階梯式輪廓，其中每一階梯表示一不同嚙合區域且具有大體上平行於第一端板之用於鄰接第二封裝構件之接觸表面。每一階梯之厚度隨沿嚙合部分212之距離而變，其中隨著距握持部分214之距離增加，厚度減小。此實施例係有利的，因為存在極少組件或無組件具有藉由封裝構件在平行於端板之方向上施加至鎖定構件210之任何力。因此，可不需要用於限制鎖定構件210在橫向維度(亦即平行於端板)上的移動之機構。

在其他具體實例中，鎖定構件可具有具不同厚度之至少兩個區域的任何輪廓，包括傘形輪廓。

可代替上文描述之預製元件或除了上文描述之預製元件之外亦使用鎖定構件210將燃料電池總成建置至負載而非固定高度之能力。

圖3說明類似於圖1中所展示之燃料電池總成的燃料電池總 成300之分解圖。已經參考圖1描述的組件將不必在此處再次加以描述。應瞭解，當與可與圖3之燃料電池總成300一起使用的鎖定構件310之定向相比時，圖2之鎖定構件上下顛倒地展示。

燃料電池總成300包括第一封裝構件302、第二封裝構件304及位於該兩個封裝構件302、304之間的三個燃料電池330。如上文所論述，燃料電池330壓縮在藉由鎖定構件310固持在一起的兩個封裝構件302、304之間。燃料電池總成300亦包括外殼332，外殼332可經內部成形以用於以用於為燃料電池總成300之組件中的至少一些提供組裝導件。

在一個實施例中，至少以下組件中的每一者又可放置至外殼332中以便組裝燃料電池總成300：‧第二封裝構件304；‧三個燃料電池330；及‧第一封裝構件302。

外殼332可具有與以上組件中之一或多者的邊緣或面嚙合以將其定位在所要位置的一或多個已知導引機構或構件。舉例而言，可提供導軌。導引機構或構件亦可為定向特定的，使得組件在不正確定向(諸如上下顛倒)中無法插入至外殼332中。

在兩個封裝構件302、304及燃料電池330已被插入至外殼332中之後，其被壓縮至工作尺寸或工作負載，使得與燃料電池330相關聯之墊圈及密封件可恰當地行使功能。

外殼332在其側壁中具有對應於第一封裝構件302之側壁中的開口之至少部分的兩個孔隙334。當兩個封裝構件302、304及燃料電池330已被充分壓縮時，將鎖定構件310插入穿過孔隙334，使得其進入第一封裝構件302中的開口，藉此將兩個封裝構件302、304固持在一起，如上文相對於圖1a至圖1e所論述。在此實施例中，鎖定構件310亦與外殼332 嚙合且相對於該兩個封裝構件將其維持在固定位置。

外殼332可與第一封裝構件302之側壁具有摩擦接觸，此可幫助使燃料電池330居中且將其保持在部分壓縮之位置。此情形可使此組裝階段處置起來容易且穩健，而無零件移動或散落。

使用圖3之外殼332可增加燃料電池堆疊總成之組裝速度。

外殼332可由塑膠製成。第一封裝構件302及第二封裝構件304可由不鏽鋼製成。

圖4a及圖4b說明用於組裝如本文中所揭示之燃料電池總成的工具準備。該工具準備展示為嚙合類似於圖1a至圖1e中所示的鎖定構件的兩個鎖定構件410，但應瞭解，類似工具準備可用於其他類型之鎖定構件。

該工具準備包含上部壓機440及下部壓機442。將上部壓機440與下部壓機442向一起拉攏以便在第一封裝構件402與第二封裝構件404之間壓縮燃料電池堆疊444。壓機440、442可經控制而使得將所要負載施加至燃料電池堆疊444或使得將燃料電池堆疊444壓縮至所要尺寸。

該工具準備亦包含可相對於燃料電池總成在平行於燃料電池堆疊444中的燃料電池之平面的方向上側向移動的兩個載體446。載體446中的每一者固持一鎖定構件410以用於與第一封裝構件402及第二封裝構件404嚙合，使得其在壓機440、442回縮時可維持燃料電池堆疊444上的壓縮力。

在此實施例中，歸因於在載體446中固持鎖定構件410之方式，載體446亦在正交於燃料電池之平面的方向上移動以便自鎖定構件410脫嚙，使得鎖定構件410保持在適當位置。

在一些實施例中，可在載體446自鎖定構件410脫嚙之前自燃料電池總成釋放壓機440、442。以此方式，鎖定構件410與兩個封裝構件402、404之間的摩擦可在移除載體446時幫助使鎖定構件410保持在所 要位置。

圖4b展示用於固持鎖定構件410'之替代載體446'之進一步細節。在此實施例中，該載體包含彈簧447，彈簧447偏置鎖定構件410'，使得其嚙合部分(其將與兩個封裝構件嚙合)與載體446'隔開。此可輔助將鎖定構件410'恰當地定位在燃料電池總成中的適當位置。

當然，可代替彈簧447而使用任何其他彈性偏置部件。

圖5a至圖5d說明類似於參考圖1a至圖1f所描述的燃料電池總成的燃料電池總成500a至500d的組裝過程中的階段。燃料電池總成500a至500d包含第一封裝構件502a至502d、第二封裝構件504a至504d及一或多個燃料電池(圖中未示)。第一封裝構件502a至502d包含第一端板。第二封裝構件504a至504d包含第二端板。第一端板及第二端板兩者皆預製有預定曲率，使得每一板之壓縮表面在該板不受負載時為凸表面。

圖5a說明處於實質上未壓縮條件中的燃料電池總成。外力503a已施加至第一封裝構件502a以便與第二封裝構件504a對準且使其與第二封裝構件504a接觸。第一封裝構件502a之側壁並不延伸超出第二封裝構件504a之端板。在此條件中，第一側板及第二側板呈現撓曲，其中第一側板及第二側板之各別壓縮表面為凸表面。

圖5b說明處於壓縮下的燃料電池總成500b。外力503b之施加足以使第一封裝構件502b之開口與第二封裝構件504b之舌片嚙合，如關於圖1a至圖1f所詳細論述。

圖5c說明燃料電池總成500c，其中在此實施例中施加了2000N之外力503c。燃料電池總成500c內之一或多個燃料電池可例如被加載至1200N至1800N。此力足以確保與該等燃料電池相關聯的各種密封件及墊圈被加載至適當的操作壓力以便在燃料電池之不同區域之間提供必要密封。經提供而高於可由燃料電池適應之負載的任何外力503c將由第一封 裝構件502c之側壁來承受。

當燃料電池總成處於足夠外部負載下時，鎖定構件510c可與封裝構件502c、504c嚙合以便將第一封裝構件502c及第二封裝構件504c保持在相對固定位置中。鎖定構件510c在平行於燃料電池之平面的方向上插入穿過第一封裝構件502c之側壁中的開口。該等鎖定構件有效地將第二封裝構件504c與第一封裝構件502c夾在適當的位置。

圖5d說明如相對於圖5c所描述的完全組裝的燃料電池總成500d，其中外力已被移除。在此狀態中，燃料電池總成500d內之燃料電池受到約束。燃料電池之各種墊圈及密封件的膨脹力向第一封裝構件502d及第二封裝構件504d以及鎖定構件510d施加400N至550N的力。

圖6a及圖6b說明一替代燃料電池堆疊總成600之視圖，其中第二封裝構件具有側壁。

圖6a說明燃料電池堆疊總成600之分解透視圖。燃料電池堆疊總成600包含第一封裝構件602及第二封裝構件604，其經組態以彼此嚙合以便向位於該兩個封裝構件602、604之間的一或多個燃料電池(圖6a中未展示)施加一壓縮力。

第一封裝構件602包含第一端板606及自該第一端板606橫向延伸且處於該第一端板606之對置端處的兩個側壁608。第二封裝構件604包含第二端板605及自該第二端板605橫向延伸且處於該第二端板605之對置端處的兩個側壁609。該第一封裝構件602之側壁608平行於第二封裝構件604之側壁609。

燃料電池堆疊總成600之每一側壁608、609包含開口620、621，在此實施例中，開口620、621鄰近於其近端(亦即，鄰近於相關聯端板602、604之端)。

燃料電池總成600亦包含鎖定構件610，鎖定構件610在此 實施例中為C形夾片鎖定構件。鎖定構件610經組態以在平行於燃料電池之平面的方向上嚙合第一封裝構件604及第二封裝構件606之側壁608、609之開口620、621。鎖定構件610經組態以在正交於側壁608之平面的方向上嚙合。不同於圖1中所說明之燃料電池總成，在此實施例中在開口620、621中不需要口部區域。在圖6a中所示的燃料電池總成中，每一側壁608、609之開口620、621延伸至側壁608、609之邊緣。

圖6b說明經組裝燃料電池堆疊總成600，其可因為其獨特形狀而被稱為信箱總成。在此實施例中，第一封裝構件602與第二封裝構件604接觸，且鎖定構件610與第一封裝構件602及第二封裝構件604嚙合。如關於圖1及圖4描述之類似技術可用以組裝圖6b中所示的總成。應瞭解，一旦燃料電池總成得以組裝，總成內的在第一封裝構件602及第二封裝構件604上的燃料電池之相互作用力便將鎖定構件維持在適當位置。

圖7a及圖7b說明一替代燃料電池堆疊總成700之視圖，其具有包含保持構件之側壁。圖7a說明燃料電池堆疊總成700之分解透視圖。圖7b展示組裝時之燃料電池堆疊總成700。

類似於關於圖6描述之實施例，燃料電池堆疊總成700包含第一封裝構件702及第二封裝構件704，其經組態以彼此嚙合以便向位於該兩個封裝構件702、704之間的一或多個燃料電池(圖7a中未展示)施加壓縮力。

第一封裝構件702及第二封裝構件704可包含用於將流體傳送至該一或多個燃料電池或自該一或多個燃料電池傳送流體的複數個孔口。

第一封裝構件702包含第一端板706及自該第一端板706橫向延伸且處於該第一端板706之對置端處的兩個側壁708。又，如同關於圖6描述之實施例，如同第二封裝構件702包含第二端板705及橫向延伸至第 二端板705且處於第二端板705之對置端處的兩個側壁709。

圖7之燃料電池總成700之第一封裝構件702的每一側壁708具有複數個保持構件721。各別側壁708之該複數個保持構件721在與燃料電池之平面平行且與側壁708之平面平行的方向上彼此隔開。保持構件721在側壁708之遠端向外延伸。亦即，側壁708之遠端在與燃料電池之平面平行的方向上延伸離開第一封裝構件702，藉此界定一卡鉤。

第二封裝構件704之每一側壁709具有至少一個保持構件720。該至少一個保持構件720定位在與燃料電池之平面平行且與側壁709之平面平行的方向上。該至少一個保持構件720經配置以與第一封裝構件702之複數個保持構件721交錯。該至少一個保持構件720在側壁709之遠端向外延伸，藉此亦界定一卡鉤。

燃料電池總成700亦包含鎖定構件710，其在此實施例中為棒桿或插銷。鎖定構件710經組態以在平行於燃料電池之平面的方向上嚙合第一封裝構件704及第二封裝構件706之側壁708、709。鎖定構件710經組態以在正交於側壁708、709之平面的方向上或在平行於側壁708、709之平面的方向上嚙合。

燃料電池在組裝期間可位於第一封裝構件702之建置部分上。可接著將第二封裝構件704定位在第一封裝構件702上，以使得第一封裝構件702及第二封裝構件704之保持構件720、721交錯。可施加外力以便向燃料電池總成700內之燃料電池加以足夠的負載，其類似於參考圖1描述之加載。一旦已達成足夠負載，鎖定構件710便可與第一封裝構件702及第二封裝構件704之保持構件720、721嚙合，以便在壓縮下固持燃料電池總成700。

在此實施例中，鎖定構件710可包含可以不同量隔開各別端板706、705之複數個嚙合區域。如上文所論述，此可允許一或多個燃料電 池對照所要尺寸組裝至所要負載。

一替代鎖定構件750說明為圖7c。鎖定構件750可沿其長度包含一階梯式輪廓，其中每一階梯752至少與以下各者之總和等長：i.第一封裝構件702之保持構件721中的一者之寬度；ii.第二封裝構件704之保持構件720的寬度；及iii.第一封裝構件702之另一保持構件721的寬度之至少部分。

iii的值應經選擇以便提供足夠保持力，以避免鎖定構件750在使用中脫位。

視需要，可在組裝之後移除不用以嚙合第一封裝構件702或第二封裝構件704之鎖定構件750的任何過剩材料。

在其他實施例中，鎖定構件710可在橫截面上為凸輪形，或具有任何其他非圓形橫截面形狀。亦即，鎖定構件710可具有比第二不同直徑短之第一直徑。以此方式，鎖定構件710可在第一定向上插入，使得在圖7之實施例中，鎖定構件710之第一直徑係垂直定向。該第一直徑小於對置封裝構件702、704之保持構件720、721之間的距離。可接著旋轉鎖定構件710，直至鎖定構件710之第二直徑垂直定向。第二直徑對應於對置封裝構件702、704之保持構件720、721之間的距離。此類鎖定構件710表示可方便地將燃料電池總成700建置至所要負載的另一方式。

此類鎖定構件之不同直徑可認為係複數個嚙合區域，其中該複數個嚙合區域經組態以按不同量隔開第一封裝構件及第二封裝構件之各別端板。

圖8a及圖8b說明燃料電池總成800a、800b，其各自包含第一封裝構件802a、802b及第二封裝構件804a、804b。各別第一封裝構件802a、802b各自具有第一端板及正交於該第一端板且處於該第一端板之對置端處的兩個側板。各別第二封裝構件804a、804b具有第二端板及正交於該第二 端板且處於該第二端板之對置端處的兩個側板。

圖8a之燃料電池總成800a進一步包含兩個插銷鎖定構件810a，其各自沿各別插銷鎖定構件810a之軸線提供嚙合部分812a及握持部分814a。第一封裝構件802a及第二封裝構件804a之側壁各自包含開口，且經配置而使得鎖定構件810a可插入至與第一封裝構件802a及第二封裝構件804a嚙合之開口中。可藉由在與燃料電池總成800a內之燃料電池板(圖中未示)之平面平行的方向上將鎖定構件插入穿過第一封裝構件802a及第二封裝構件804a之側壁而達成鎖定構件810a之嚙合。插入方向亦與第一封裝構件802a及第二封裝構件804a之端板平行。在此情況下，該方向亦垂直於第一封裝構件802a及第二封裝構件804a之側壁的平面。

圖8b之燃料電池總成800b類似於圖8a之燃料電池總成，例外之處在於第一封裝構件802b及第二封裝構件804b之側壁各自經組態以接收鎖定構件810a與複數個嚙合部分812a。鎖定構件810b具有耦接至複數個嚙合部分812a中的每一者之握持部分814a。

第一封裝構件802b及第二封裝構件804b之側壁各自包含開口，該等開口係以使得其可接收鎖定構件810b之嚙合部分812a的方式而配置。在此實施例中，該等開口沿燃料電池總成之高度隔開。此配置可利於減小第一封裝構件802b及第二封裝構件804b之側壁中的應力集中。

圖9a及圖9b說明鎖定構件910及用於接收鎖定構件910之燃料電池堆疊總成之側壁配置。

圖9a說明包含複數個嚙合部分912及握持部分914之鎖定構件910。嚙合部分912提供為垂直於握持部分914之平面而延伸之插銷。

圖9b說明適合於接收圖9a之鎖定構件910之燃料電池堆疊總成之側壁的側視圖。該燃料電池堆疊總成包含第一封裝構件902及第二封裝構件904，其經組態以彼此嚙合以便向位於該兩個封裝構件902、904 之間的一或多個燃料電池施加壓縮力。

第一封裝構件902之側壁908及第一封裝構件904之側壁909展示於圖9a中。

第一封裝構件902之側壁908具有在垂直於燃料電池之平面的方向上延伸之至少一個(且在此實施例中為兩個)延伸構件908a、908b。每一延伸構件908a、908b包含用於接收鎖定構件914之嚙合部分912中的一者之開口921a、921b。各別側壁908之該複數個延伸構件908a、908b在與燃料電池之平面平行且與側壁908之平面平行的方向上彼此隔開。

第二封裝構件904之側壁909具有至少一個延伸構件。該至少一個延伸構件在與燃料電池之平面平行且與側壁909之平面平行的方向上延伸。該至少一個延伸構件經配置以與第一封裝構件902之該複數個延伸構件908a、908b交錯。該至少一個延伸構件包含用於接收鎖定構件914之嚙合部分912中的一者之開口920。

圖10說明具有第一封裝構件1002及第二封裝構件1004之燃料電池堆疊總成。第二封裝構件1004之側壁提供於第一封裝構件1002之側壁的內側。亦即，第二封裝構件1004之側壁可鄰近於封閉體內之燃料電池堆疊。第一封裝構件1002之側壁可鄰近於第二封裝構件1004之側壁。

圖11說明具有第一封裝構件1102及第二封裝構件1104之替代燃料電池堆疊總成。第二封裝構件1104之側壁可鄰近於封閉體內之燃料電池堆疊。第一封裝構件1102之對應側壁可鄰近於第二封裝構件1104之側壁。第一封裝構件1102之對置側壁亦可鄰近於燃料電池堆疊。第二封裝構件1104之對置側壁可鄰近於第一封裝構件1102之側壁。

本文中所揭示之實施例中之一或多者可簡化燃料電池堆疊總成之已知組裝方法，且可適合於大量製造。此可減小組裝成本。

描述於此文件中之燃料電池堆疊總成可歸因於鎖定構件及 其與封裝構件嚙合之方式而小於先前技術總成。

圖12說明組裝燃料電池堆疊總成之方法。

關於圖12所參考之燃料電池堆疊總成包含：一第一封裝構件，其包含一第一端板及自該第一端板橫向延伸之兩個側壁；一第二封裝構件，其包含一第二端板；一或多個燃料電池；及兩個鎖定構件，該方法在步驟1202藉由將一或多個燃料電池定位在第一端板與第二端板之間而開始。

在步驟1204，該方法藉由施加一外部負載以使該第一封裝構件之第一端板與第二封裝構件之第二端板朝向彼此偏置，藉此壓縮該一或多個燃料電池而持續。該一或多個燃料電池可被壓縮至所要負載。

在步驟1206，該方法包含使該兩個鎖定構件在平行於該一或多個燃料電池之平面的方向上與該第一封裝構件之各別側壁及該第二封裝構件嚙合。

現在燃料電池堆疊總成得以組裝，且在步驟1208，該方法藉由釋放該外部負載，藉此提供施予一壓縮力在該一或多個燃料電池上且使該第一端板及該第二端板保持在一固定相對位置之一燃料電池堆疊總成而結束。

應瞭解，關於一個實施例描述之特徵可與關於另一實施例描述之特徵加以組合，除非目的明顯相反。

Claims (21)

1. 一種燃料電池堆疊總成，其包含：一第一封裝構件，其包含一第一端板及自該第一端板橫向延伸之兩個側壁；一第二封裝構件，其包含一第二端板；一或多個燃料電池，其位於該第一端板與第二端板之間；及兩個鎖定構件，其經建構以與該第一封裝構件之一各別側壁及該第二封裝構件嚙合，以便使該第一端板及該第二端板保持在一固定相對位置，其中該第一封裝構件之該等側壁各自經建構以：與該第二封裝構件嚙合以便向該一或多個燃料電池提供一壓縮力，及在平行於該一或多個燃料電池之平面且正交於該等側壁之平面的一方向上接收該各別鎖定構件。
2. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該等鎖定構件各自包含複數個嚙合區域，其中該複數個嚙合區域經建構以按不同量隔開該第一封裝構件及該第二封裝構件之該等各別端板。
3. 如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊總成，其中該等嚙合區域包含該鎖定構件之具有不同厚度的區域。
4. 如申請專利範圍第2項之燃料電池堆疊總成，其中該鎖定構件包含一階梯式輪廓，且該等嚙合區域包含在該階梯式輪廓中的不同階梯。
5. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該第一封裝構件之該等側壁經建構以在與藉由該第二封裝構件施予在該等各別鎖定構件上的一第二力相反的一方向上在該等各別鎖定構件上施予一第一力。
6. 如申請專利範圍第5項之燃料電池堆疊總成，其中該第一力及該第二力之該方向係橫向於該一或多個燃料電池之該平面。
7. 如申請專利範圍第5項之燃料電池堆疊總成，其中該第一力係在該 鎖定構件上之一第一位置處施予每一鎖定構件上，該第一位置不同於施予該第二力之一第二位置，其中該第一位置在平行於該一或多個燃料電池之該平面的一方向上與該第二位置隔開。
8. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該等鎖定構件各自包含一嚙合部分及一握持部分。
9. 如申請專利範圍第8項之燃料電池堆疊總成，其中該嚙合部分橫向於該握持部分。
10. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該等鎖定構件各自包含一或多個插銷，該一或多個插銷經建構以與該第一封裝構件之該各別側壁及該第二封裝構件中的一或多個開口嚙合。
11. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該等鎖定構件各自包含一C形夾片。
12. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該第一封裝構件之該等側壁經建構以在平行於該等側壁之該平面的一方向上接收該鎖定構件。
13. 如申請專利範圍第12項之燃料電池堆疊總成，其中該等鎖定構件各自包含一插銷，該插銷經建構以與相關聯於該第一封裝構件之該各別側壁及該第二封裝構件的保持構件嚙合。
14. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該第二封裝構件包含自該第二端板橫向延伸之兩個側壁，且該兩個鎖定構件經建構以與該第二封裝構件之一各別側壁嚙合。
15. 如申請專利範圍第14項之燃料電池堆疊總成，其中該第二封裝構件之該等側壁中之一者或兩者在該第一封裝構件之該等側壁之內、外部或與其共面。
16. 如申請專利範圍第14項之燃料電池堆疊總成，其中該第一封裝構件 之該等側壁平行於該第二封裝構件之該等側壁。
17. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該第一端板及該第二端板各自界定鄰近於該一或多個燃料電池且與該一或多個燃料電池成壓縮關係的一壓縮表面；且該第一端板及/或該第二端板包含界定該壓縮表面之一預製元件，該預製元件經建構而具有一預定曲率，使得該壓縮表面在該預製元件不受負載時為一凸表面，然而，在施加該負載以維持該等燃料電池處於壓縮下的情況下，該預製元件之撓曲使得該壓縮表面成為一實質上平坦表面。
18. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其中該第一端板及/或該第二端板包含用於將流體傳送至該一或多個燃料電池或自該一或多個燃料電池傳送流體之一孔口。
19. 如申請專利範圍第1項之燃料電池堆疊總成，其進一步包含一外殼，該外殼經內部成形以用於為以下各者中之至少一者提供一組裝導件：該第一封裝構件；該第二封裝構件；及該一或多個燃料電池。
20. 如申請專利範圍第19項之燃料電池堆疊總成，其中該外殼包含用於接收該等各別鎖定構件之兩個孔隙。
21. 一種組裝一燃料電池堆疊總成之方法，該燃料電池堆疊總成包含：一第一封裝構件，其包含一第一端板及自該第一端板橫向延伸之兩個側壁；一第二封裝構件，其包含一第二端板；一或多個燃料電池；及兩個鎖定構件，該方法包含：將該一或多個燃料電池定位在該第一端板與該第二端板之間；施加一外部負載以使該第一封裝構件之該第一端板與該第二封裝構件 之該第二端板朝向彼此偏置，藉此壓縮該一或多個燃料電池；使該兩個鎖定構件在平行於該一或多個燃料電池之平面且正交於該等側壁之平面的一方向上與該第一封裝構件之一各別側壁及該第二封裝構件嚙合；及釋放該外部負載，藉此提供施予一壓縮力在該一或多個燃料電池上且使該第一端板及該第二端板保持在一固定相對位置之一燃料電池堆疊總成。