JP6055037B2 - 燃料電池スタックの組立方法 - Google Patents

Description

本開示内容は、一般的に燃料電池スタック及びその組立方法に関し、特に、燃料電池スタックの製造時において改良された圧縮維持システムを用いた燃料電池スタックの組立方法に関する。

燃料電池は、化学反応を介して燃料を使用可能な電気に変換する。このようなエネルギ生成手段の重要な利点は、中間工程として燃焼を経ずにエネルギが生成されるということである。そのように、燃料電池は、環境上、内燃機関（ＩＣＥ）及び関連する電力生成源に比べて幾つもの点で有利である。典型的な燃料電池、例えば、プロトン交換膜又は固体高分子電解質膜（いずれにせよ、ＰＥＭ）燃料電池では、一対の触媒電極が、イオン透過媒体（例えばナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）、登録商標）によって分離されている。気体の還元剤（例えば水素、Ｈ₂）がアノードに導入されてイオン化し、イオン透過媒体を通過して、他の電極（カソード）を通じて導入される気体の酸化剤（例えば酸素、Ｏ₂）と化合する化学反応が起こる。これら反応物質の化合により、副生成物の水が生成される。水素のイオン化で遊離した電子は、有効な仕事を行う負荷を通常含む外部回路を通じて、直流電流（ＤＣ）としてカソードに流れる。この直流電流によって生成される電力は、このような燃料電池（セル）を多数組み合わせてより大きな電流発生アセンブリとすることにより増大させることが可能である。そのような構造の一つとして、一組のトランプカードのように、複数の燃料電池が共通の積層方向（stacking dimension）に沿って直列に接続され、燃料電池スタックを形成する。

このようなスタックは、燃料電池をシールすると共に、各セルを構成する反応プレート、ガス拡散媒体、及び触媒電極間の接触面の電気抵抗を低く維持するために、通常、圧縮荷重下に組み立てられる。ある形態において、仮想の燃料電池での約１００平方インチの表面積に対し、燃料電池スタックに付与される所望の圧縮荷重は、加湿に応じて通常約８０〜１６０ｐｓｉ（すなわち、約４０〜８０ｋＮ）であり、その荷重は、燃料電池スタックを囲繞するハウジングとしての圧縮維持封止体（enclosure）によって維持される。

所望の圧縮力（加圧力）を得るために、燃料電池スタックは、該スタックに荷重を付与する加圧機（プレス）内に配置され、その後、上記の封止体を含む圧縮維持システムが係合され、該加圧機が解除され、該スタックが、係合した圧縮維持システムによって維持されるある圧力下に保持される。該圧縮維持システムは、その後耐環境シール（environmental sealing）のために別な封止体内に配置されてもよく、又は、封止用側面パネル及びエンドプレートを設け、必要なハウジング機能及びシール機能を実現してもよい。いずれにせよ、封止された燃料電池スタックは、車両又は関連する装置に、機械的に固定され電気的に接続される。

前記ハウジングが一連の側面パネル及びエンドプレートによって構成される上述の構成では、これらの別々の部品を拘束するために、且つ燃料電池スタックに付与される圧縮力を維持するために、相互接続するタイロッド又はブラケット要素が通常含まれる。その場合、エンドプレートは１以上の前記側面パネルの表面に沿って設けられるブラケット又はタイロッドによって互いに圧縮される。圧縮力は、タイロッドをボルト又は関連する締め具で固定することにより維持される。ボルト又は関連する締め具は、該ボルトが剪断方向に荷重されるように（loaded in shear）、前記側面パネルの略平坦な表面に垂直に延在する。

燃料電池システム設計者にとって、燃料電池スタックを車両のプラットフォームに一体化させることは所望の課題であり、車両の燃料電池システム載置区画（コンパートメント）内に位置する周辺機器（balance of plant、ＢＯＰ）に対する正確な配置及び整列を必要とする。本明細書において、周辺機器とは車両内の部品を指し、以下に限定されないが、ブロワ、ポンプ、ホース、コンプレッサ等、燃料電池システム自身の一部ではないが燃料電池スタックの一体化、装着、操作（性）に必要な部品を指す。このような一体化では、組み立てられる燃料電池スタックに対し厳密な寸法公差が要求される。

積層方向に沿ったアセンブリの高さの変動（従来のデカルト座標系ではＺ軸と考えられる）は、スタック全体の高さのせいぜい５〜１０パーセントである。本願の発明者は、積層方向に沿う±約８ミリメートル（又は全体で１６ミリメートル）の変動に気付いた。スタック高さにおけるこのような変動は、一貫性を有し再現可能（repeatable）な寸法を有するスタックの設計を困難にする。これは、さらに、後工程において対応する車両の区画内に周辺機器を接続しシステム全体を配置することを妨げる。従って、燃料電池スタックの高さの変動を厳密に制御された範囲内に保つ圧縮維持システムを提供することは、有用である。また、組み立てられるスタックの所望の高さ寸法を実質的に実現するために、スタックを圧縮状態に維持する間にスタックの高さを調整可能なように、積層された燃料電池を圧縮することも有用である。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、本願明細書に記載すべき先行技術情報はない。

本発明の一態様によれば、燃料電池スタックの組立高さにおける変動を許容可能な、燃料電池システムの組立方法が開示される。重要なことは、本発明のスタック圧縮維持システムが、燃料電池スタックブロックの外的（すなわち、外側）形状の変動の影響を打ち消すということである。特に、組立加圧荷重を取り除くことなく、特別な形状を有するスタック包含封止体と共に、スタック加圧機及び関連工具（治具）が用いられてもよい。一態様では、個々の燃料電池のスタック又はブロックに荷重を付与するために加圧機が用いられ、前記スタック圧縮維持システムが前記スタック上に下降して、前記スタックを覆う。前記加圧機は、両機能のために用いられてもよく、その場合、下降時に適切な着座を確実にするだけの十分な重量を有しているので、前記スタック圧縮維持システムを移動させるために圧縮力は必要とされない。燃料電池ブロックの圧縮を維持すると同時に、スタック圧縮維持システムのこのような下降移動により、スタック高さの如何なる変動も、間隙を充填するシムを選択的に配置可能なように確定する（ascertain）ことができる。その変動は、前記スタック及びスタック圧縮維持システムの意図された接合面間で積層軸に沿った間隙を形成する。

加圧機の使用方法に拠らず、燃料電池の圧縮前でも後でも、燃料電池に対するスタック圧縮維持システムの共働配置が可能である。いずれの場合においても、シムの修正的挿入を必要とするスタック高さの変動が存在することの判別が、両者を完全なスタックアセンブリに固定する必要が生じる前に可能となるからである。そのように、本発明の重要な特徴は、前記間隙が存在するか否か、及び、もし前記間隙が存在するのであれば、燃料電池を略圧縮状態に維持する間シムの追加による修正措置がどれくらい行われる必要があるかということに関する適切な判別が行われた後にのみ、後工程のスタック圧縮維持システムの燃料電池スタックへの取付がなされるということである。組立工程の間、圧縮維持システムを所定の位置に保ちつつ、追加のシムを用いた微調整を容易にするために、本発明は、スタック製造効率に顕著な改善をもたらすと共に、繰り返されるスタックの圧縮荷重付与及びその解放を回避することにより、燃料電池又は維持システムの損害の可能性を減少させる。単純な外形を有する平面間で好ましい面接触がなされることにより、シール部品数を減少させシール部品を単純化させるだけでなく、さらなる効果が簡便化された耐環境シールによってもたらされる。他の効果は、スタック及び封止体を互いにアセンブリとして固定するために用いられるボルト又は関連する締め具に引張荷重（loaded in tension）が付与されることである。それにより圧縮力の方向と直角に固定されるボルトに付与される構造的に望ましくない剪断作用を回避する。さらに他の効果は、本発明の前記スタックアセンブリ及び圧縮が、スタック組立工程全体を通じて前記封止体及び燃料電池スタック間に存在する可能性のある間隙と共にブロック内の個々の燃料電池の端部への十分なアクセスを可能にするということである。これは、診断及び関連する組立作業（以下に詳述されるシムの選択的な挿入等）に役立つ。

本発明の他の態様によれば、スタック高さの変動を回避するような燃料電池スタックの組立方法が提供される。本方法は、さらに、スタック（一対のエンドプレート間に設けられる多数の燃料電池から構成される）を加圧機で圧縮する工程と、前記スタックを略圧縮状態に維持する間、１以上のシム（必要に応じて）を、一方のエンドプレートと剛体からなる耐環境封止体の相補的に隣接する表面との間の領域で形成される可能性のある間隙に選択的に挿入する挿入工程とを含む。当業者は、このような選択的なシムの挿入が、スタック高さの変動によって生じた間隙を充填するために必要な数のシムを配置することと同等であるということ、及び、実質的にスタック高さの変動がなく間隙が生じていない状況においてはより簡単に（in a degenerate sense）下限として零を含む、ということを理解するであろう。本方法は、さらに、高さ寸法を変動しないように保つ剛体からなる耐環境封止体（environmental enclosure）（そのような剛性は、一体構造の性質から生じてもよい）を設ける工程を含む。一態様では、封止体の上部に開口部を設け、スタックの圧縮が維持される間、封止体を通る加圧工具の略妨害されない通過を略容易にする。このように、加圧工具の移動方向は、個々の燃料電池の積層軸と略同一直線上に設けられる。封止体（その開口部を含む）の構造は、加圧機と共働するように配置される際、加圧機の少なくとも一部を形成する工具が封止体の開口部を通過し、圧縮力を前記封止体又は前記１以上のシムに付与することを略回避するようになっている。前記追加のシムは、圧縮工程の間、加圧機と前記スタックの各エンドプレートとで生じる接触が圧縮力を前記シムに付与しないように構成される。それにより、スタックを封止体内に包むようにスタック高さを調整する方法において、シムの追加、取り外し、交換を行う目的で、前記スタックを減圧（その後再圧縮）するように加圧機及び付随する工具を調整する必要がない。（シムの使用又は不使用に拠らず）所望のスタック高さが所定の公差内であることを確認した場合、耐環境封止体が前記スタックに配置される。これにより、前記スタックが略圧縮状態にある間、前記追加のシム及び前記スタックが耐環境封止体内に配置され、その後、前記耐環境封止体は、前記スタックによって生じるアセンブリの高さが前記耐環境封止体の初期寸法の高さを超えて変動しないように、前記スタックに取り付けられる。

本発明のさらに他の態様によれば、燃料電池スタックの組立方法は、複数の燃料電池をそれぞれ積層軸に沿って配列する工程と、一対のエンドプレートを前記複数の個々の燃料電池の略両端部に配置し、それによりスタックを構成する工程と、加圧機を用いて、前記スタックを略圧縮状態にする工程と、前記積層軸に垂直な少なくとも１つの開口部を形成した剛体構造を有する耐環境封止体を設ける工程と、前記略圧縮状態のスタックの上部と前記封止体の隣接する共働部位との間で前記積層軸に沿う高さ方向の間隙が存在するか判別し、そのような間隙が存在する場合、前記スタックを前記略圧縮状態に維持する間、前記少なくとも１つのシムを前記間隙に挿入して前記間隙を閉塞する工程と、を備えることを特徴とする。このように、前記加圧機からの圧縮力が（前記封止体の開口部に略同じように配置される）シムにも封止体にも付与されないように、加圧機及び開口部は、共働する。前記スタック高さの変動の結果存在する可能性のあるいかなる間隙も充填された後、前記封止体及びスタックは互いに固定されて組み立てられたスタックを構成する。前述の実施の形態と同様に、前記封止体を圧縮されたスタックに固定するために用いられる締め具又は関連する装置が、積層軸と整列され、それら締め具又は関連する装置が少なくとも主に引張方向に荷重されることを確実にする。

本発明のまたさらに他の態様によれば、燃料電池スタックは、積層方向に沿って配置される多数の燃料電池と、前記積層された燃料電池を保持するエンドプレートと、前記積層された燃料電池及びエンドプレートを囲繞する耐環境封止体と、を含む。前記封止体は、前記積層方向に開口部を有し、加圧機が前記開口部を通過可能にし、前記スタック、エンドプレート、又はその両者に対し圧縮されて接触する。１以上のシムが前記封止体と前記スタックとの間に配置され、前記積層方向に沿った所定のスタック高さを維持するようにして、前記加圧機と前記積層された燃料電池との間の圧縮係合の際、前記所定の高さで規定される前記スタックの面が前記封止体の対応する面と共働し、確実な（及び間隙が略無い）嵌合（fit）を規定するようにしてもよい。ある１つの特別な形態において、シム（又は複数のシム）が前記開口部に規定される形状に沿って配置されてもよく、他の形態では、シム（又は複数のシム）が非長方形の形状を規定していてもよい。１つの好ましい形態において、前記エンドプレートと前記封止体との結合は、箱状の構造を形成し、これらの部品は１本以上のボルト又は締め具を介して互いに固定される。より好ましい形態において、これらの締め具は、接続された際に引張荷重が付与され、その引張は、前記積層方向に沿った前記封止体と前記エンドプレートとの間の圧縮された接触から生じる。封止体を軽量に保つため、その側壁は、周期的に離間した強化リブ又は関係する選択的剛性強化部品を備える薄壁構造を規定してもよい。

以下、添付の図面と併せて参照することにより、本発明に係る好ましい実施の形態の詳細な説明が最もよく理解される。同様な構造は、同様の参照符号によって示されるが、図面中の様々な部品は必ずしも一定の縮尺で示されない。

図１は、本発明の一態様に係る燃料電池システムを組み立てる際に用いられる加圧機の斜視図である。 図２は、図１の加圧機の一部を示す詳細斜視図である。 図３は、組み立てられたスタック及び圧縮維持封止体の一部切欠斜視図である。 図４は、図３の組み立てられたスタック及び圧縮維持封止体の角部のシムストックの挿入部に着目した拡大斜視図である。 図５は、略完全なスタック及び圧縮維持封止体のアセンブリと共に、周囲のシールの一形態として可能なシール構成を示す斜視図である。 図６は、図２及び図４で使用されるシムストックの他の実施例を示す斜視図である。

最初に、図１及び図２を参照すると、燃料電池スタック１００を圧縮するための加圧機（プレス）１０の使用例が示されている。加圧機１０は、多数のフレーム状部材２０と、ロッド３０と、荷重計４０と、アセンブリ台５０と、下部工具（tool）６０と、上部工具７０と、１以上のアクチュエータ８０を含む。本明細書では、これら加圧機の１以上の部品又は部位が加圧手段と考えられる。このような加圧の詳細な特徴（例えば、より大きな加圧動作等に応じた直接の物理的接触）は、文脈上明白であろう。例えば、上部工具７０は、アクチュエータ８０の一形態と共に、他の移動可能な加圧部品によって遂行される荷重又は圧縮機能とは少なくとも部分的に独立になされる荷重又は圧縮機能を行うよう構成されてもよい。一例として、工具７０の移動（及びその結果スタック１００に付与される荷重）は、耐環境封止体１５０（以下に詳述される）のスタック１００への配置及びその後の確実な（secured）取付を担う加圧機１０の一部の移動とは独立に行われてもよい。他の態様では、スタック１００への封止体の下降を担う加圧機１０の部分の移動に対し、有効な圧縮能力を求めなくともよい。封止体１５０の重量は、重力によって２者間の必要な接触を確立するために十分であるからである。このような構造では、アクチュエータ８０の他の形態で封止体１５０と共働し、封止体１５０と燃料電池スタック１００との確実な配置の間にその鉛直方向の移動を制御してもよい。さらに、プログラマブルコントローラや補助設備等（いずれも図示せず）の他の部品が、加圧機１０の所望の圧縮及び組立機能を促進するために設けられることは、当業者によって理解されるであろう。同様に、圧縮された燃料電池スタックの高さの読み取り、確認、又は判別のために線形変数表示セット（差動変圧器とも称される）が、荷重計４０及び他の部品と共に用いられ、理想的又は目標の圧縮スタック高さからの望ましくない偏りを補うためにどのくらいのシム（シムストックとも称される）の厚さ（もしあれば）が必要とされるのかについての情報を提供してもよい。

詳細には示されないが、スタック１００は、多数の（略平坦で、矩形のポーチ状の）燃料電池１３０から構成される。燃料電池１３０は、一組のトランプカードのように、面同士が対向して隣接するように配置される。各々の燃料電池１３０は、略平坦なＰＥＭと、該ＰＥＭの一方の面に対向して接触するアノード触媒層と、該ＰＥＭの反対側の面に接触するカソード触媒層と、を含んでもよい。該ＰＥＭと触媒層は、全体として、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と称される。アノード拡散層は、アノード触媒層と対向して接触するように配置され、カソード拡散層は、カソード触媒層と対向して接触するように配置される。各拡散層は、気体の反応物質が触媒層へ通過することを促進するように、略多孔質構造に形成される。当業者が理解するように、アノード触媒層及びカソード触媒層は、電極とも称され、図示される通り別個の層として形成されてもよく、さもなければ、それぞれの拡散層内に少なくとも部分的に埋め込まれるか、ＰＥＭの両面に少なくとも部分的に埋め込まれてもよい。各燃料電池１３０及び付随するハードウェア（ガスケット、フレーム等）の構造に関する変形例は、スタック１００と互換性を持つことが当業者によって理解されるであろう。ある一態様では、スタック１００は、上述された両側のエンドプレート１１０、１２０（スタック１００の積層方向によって、しばしばウェットエンド及びドライエンドと関連付けられる）を有する。エンドプレート１１０、１２０は、一般的に、スタック１００の上側及び下側の端部を構成する。スタック１００を形成する個々の燃料電池１３０が、一旦配置及び整列されると、加圧機１０は、略完全なスタックアセンブリを形成するように、耐環境封止体１５０と共に使用することが可能である。

とりわけ、耐環境封止体１５０は、追加的に配置されたシム（詰め具、シム）１４０（以下に詳述される）と共に、本発明の圧縮維持システム（スタック圧縮システム、圧縮維持装置等とも呼ばれる）２００を構成するように作用する。略矩形の箱を構成するために多数の個々の側面パネルを用いるよりも、耐環境封止体１５０は、好ましくは、一体構造で形成され、個々の接続可能な部品で形成される組立封止体のばらつき（vagaries）を防止する。このように、耐環境封止体１５０の内部寸法は既知であり、これらの内部寸法（特に、圧縮されたスタック１００の上部の隣接部が係合するフランジ、肩部、又は他の関連する構造の高さ寸法）に対し、スタック１００の目標高さ（本明細書において「所定高さ」とも称される）が適合するように設計される。同様に、後に完成するスタックアセンブリの寸法を一定及び再現可能とする方法として、スタック１００の剛性を有するエンドプレート１１０、１２０は、耐環境封止体１５０の略不変な各寸法に対し固定される。この意味において、エンドプレート１１０、１２０は、スタック１００と圧縮維持システム２００との間で圧縮力を受容するためのインターフェースと考えられる。重要なことは、シム１４０は、スタック１００の最上面と、耐環境封止体１５０の対応する内面の不変な寸法との間の如何なる間隙も埋める（bridge）ことに役立つ。このように、スタック１００、エンドプレート１１０、１２０及び耐環境封止体１５０との間に確実な嵌合が形成される。本明細書において、確実な嵌合とは、スタック１００と封止体１５０の接合面との間に本来なら存在する間隙又は関連する製作公差（積層方向に沿った付随する組立高さ変動を含む）が略減少又は除去され、スタックアセンブリを車両の周辺機器に対し、予測可能で反復可能な配置が確実になるという状態を指す。本発明の更なる実施の形態によれば、少なくとも１つのエンドプレート（例えば、エンドプレート１１０）は、周辺機器及び車両の取付構造との一体化のために設けられる。さらに、エンドプレート１１０、１２０は、如何なる既知の手段によって製造されてもよく、既知の手段には、打ち抜き加工（stamping）、鋳造加工、押出加工等を含む。エンドプレート１１０、１２０は、アルミニウム又はその合金のような構造的に好適な材料で形成されてよい。エンドプレート（エンドキャップとも称される）１１０、１２０は、変形することなく加圧機１０の圧縮力を受容する構造的な部材として機能する。同様に、耐環境封止体１５０は、好ましくは、上述したアルミニウム又はその合金のような比較的適した材料から構成され、図示される菱形のリブパターンのような選択的に剛性が強化された薄壁で形成されてもよい。

（以下に述べられる通り）重要なことは、耐環境封止体１５０は、その上部平面に略矩形の開口部１５０Ａを有する。前記開口部１５０Ａは前記スタック１００の端部を構成するエンドプレート１２０の面積よりも小さい。加圧機１０のロッド３０及び荷重計４０に関して開口部１５０Ａで画定される領域（footprint）のサイズが大きいので、耐環境封止体１５０が、スタック１００、ロッド３０、及び荷重計４０と接触又は干渉せずに積層軸に沿って上下移動することを容易にする。

特に図２を参照すると、エンドプレート１１０（ここでは示されていない）及びエンドプレート１２０の剛性を有する構造により、スタック１００の表面上で圧縮力の相対的に一様な分散を促進させる。操作時、ロッド３０は（１以上のフレーム状部材２０から力が付与された時点で）、スタック１００の上部エンドプレート１２０に対し、スタック１００の軸（すなわち積層）方向Ａに沿って、（上述のように）加湿の度合い（及び結果として生じる燃料電池の膨張）に応じて約４０ｋＮ〜８０ｋＮの圧縮荷重を付与する。ロッド３０からエンドプレート１２０へ適切な値の力が付与されていることを確認するために、荷重計４０が用いられてよい。一態様では、荷重計４０は、コントローラ（図示せず）へのフィードバック機能を備え、適した荷重、変位、又は関連するパラメータの達成を確認する。上述のように、線形変数表示セット又は関連する装置を用いて、ある特定の圧縮されたスタックが寸法（特にスタック高さ）に関する設計目標にどの程度近いか判別してもよい。荷重計４０及びロッド３０は、略矩形の上部工具７０に連結され、エンドプレート１２０を通じて燃料電池１３０のスタックに圧縮荷重を伝達する。上部工具７０は、外部周囲領域（dimension）を画定し、その領域は、スタック１００の上部（上部エンドプレート１２０等）と係合する圧縮領域（compression footprint）を構成し、圧縮荷重がシム１４０に伝達することを回避すると同時に必要な圧縮力をもたらす。このような回避は、耐環境封止体１５０の上述の開口部１５０Ａ及びシム１４０の境界をもたらす配置（perimeter placement）により画定される開口部１４０Ａ（図４に示され、図４と共に以下に論じられる）で形成されるより大きな領域により可能となる。

次に、図３及び図４を参照すると、略完全なスタックアセンブリ３００は、圧縮維持システム２００によって封止されるスタック１００を含む。アセンブリ３００は、一部を切り欠いて示され、燃料電池１３０及びエンドプレート１１０、１２０と、シム１４０及び耐環境封止体１５０のフランジ１５０Ｆとの相互作用が強調される。これは、燃料電池スタック１００の組立後、対応する車両の区画への挿入前に、スタックアセンブリ３００の外寸法が一貫性及び再現性を有し、上述したスタック高さの変動の所望の減少又は略除去を促進しているということを確認するために役立つ。セル膜の膨張量は、湿度、温度及び他の環境パラメータがその要因となりうる。スタック１００毎に多数（３００を超える場合がある）の個別の燃料電池１３０が連結されると、それらの部品における極めて小さな厚さの変動も蓄積されて、スタック１００全体の高さで５〜１０パーセントの変動（上述の１６ミリメートルまでの高さの変動に対応する可能性がある）となりうる。これらの著しい変動は後工程の周辺機器に関連する組立作業に悪影響を与えるため、このような積層軸Ａに沿った変動を理解して補い、適切な最終積層寸法を確保することは最優先事項である。より具体的には、圧縮されたスタック１００の高さが目標高さである（又は若干超える）場合、スタック１００の上部と封止体１５０の接合面との間に間隙がないが、これはスタック１００及び封止体１５０を含む完成された最終アセンブリが、追加のシムがなくとも、スタック１００及び封止体１５０の両者で所望の外寸法を有することを意味する（と共に各燃料電池１３０への圧力が過剰でないことが仮定される）。それにより周辺機器との一体化が簡便化され、適切な程度の確実な内部嵌合（internal fit）が実現される。その一方、組み立てられ圧縮されたスタック１００の高さが公称の目標より低い場合、間隙Ｇが封止体の下面（現在のところ図４においてフランジ１５０Ｆの下面により示される）とスタック１００（例えば、上部エンドプレート１２０の上面）との間に存在する可能性がある。この場合、本発明は、スタック１００の圧縮力を開放する必要がなく、間隙Ｇの存在を判別するためにこれまでなされた組立工程を逆行させることなく１以上のシム１４０を挿入することを可能にする。一態様において、このような間隙Ｇの存在の判別は、上述の線形変数表示セット及び荷重計４０のような自動手段を用いて行うことが可能である。

タイロッド、サイドプレート、金属バンド等を使用する既知の圧縮維持システムと比較して、本発明は、圧縮されたスタック１００を剛性を有する構造的封止体１５０に配置するために、車両の周辺機器の取付及び一体化を簡便にするような一定の外寸法を提供する。このように、本開示のアプローチでは、耐環境封止体１５０と底部エンドプレート１１０との結合を、摺動／剪断方向よりも望ましい張力方向（すなわち、積層軸に沿って）で荷重が付与されるボルト又は関連する締め具１５５を介して確実にする。これは、浮遊（floating）エンドプレート（特に車両の周辺機器との一体化がしばしばシステムの複雑化を必要とする場所である、いわゆる下部又はウェットエンド）に付随する課題を実質的に解決すると共に、剪断方向での望まれない固定機構及び関連する構造的な支持部材の使用を回避する。この望まれない固定機構及び支持部材は、従来の箱状の封止体を構成する個別の部品の側面に沿う摺動調整可能な補強具を使用することに端を発する。そのように、締め具１５５及び底部エンドプレート１１０は、圧縮維持システム２００の一部又はそれと共働するものと考えられる。いずれの変形例も、本発明の範囲内であると考えられる。

さらに、以下により詳細に述べる通り、完成されたスタックアセンブリ（耐環境封止体１５０を含む）は、簡便なシール機能を有する。そのシール機能は、部品点数を減少させるだけでなく、さらに大きなシール圧力差に耐えることが可能である。特に図３に示される通り、多数の引き込み口、引き出し口、マニホールドが耐環境封止体１５０に形成されてもよく、とりわけ、反応物質及び冷却媒体の運搬、バスバーＢからの電流の取り出し、並びに診断及びメンテナンスのためのアクセスを容易にするさらなる構造的特徴をもたらす。一態様において、これらのアクセスポイントは、封止体１５０の１以上の側面１５０Ｓに形成される開口部１５０ＳＡであってもよい。本明細書のいずれかの個所で述べられる通り、多数の開口部は、構造的に強化されたシール構造からもたらされる。

図３の封止されたスタックの上部右隅に示される通り、さらに重要なことは、圧縮維持システム２００の耐環境封止体１５０及び上部エンドプレート１２０の特別な構造的形状により、燃料電池スタック１００の様々な（various）燃料電池１３０において、上述の通り共働して整然と圧縮されたアセンブリを可能にする。特に図４を参照すると、少なくとも上部エンドプレート１２０は（スタック１００及び封止体１５０を互いに固定するその一度だけ通常取り付けられるカバー１６０を、取り除いた際に）、上部プレート１２０の上面の周囲でシム１４０の配置により形成される略矩形状の開口部１４０Ａを通じて、図１及び図２の上部工具７０の隣接する下面に対し露出する。一態様では、シム１４０の配置により形成される開口部１４０Ａは、耐環境封止体１５０の略同一線上で隣接して配置される開口部１５０Ａと略同じ大きさの領域を画定するが、一方の開口部は他方に対して特に正確に同じでなくともよい（それらの間で所望の圧縮接触が維持され、それらを通じて圧縮荷重が上部エンドプレート１２０の上部に伝達されればよい）。それらが画定する領域は、上部工具７０の積層軸に沿った通過が妨害されないだけ十分に大きくなければならない。このように、ロッド３０、荷重計４０及び上部工具７０からもたらされる圧縮荷重は、図３で示されるＸ−Ｙ平面内で画定されるスタック１００の表面に渡って均一に伝達されることが可能となる。同時に、加圧機１０からの圧縮荷重が付与され続けている間でも、圧縮されるスタック１００に対し所定の高さを設けるための１以上のシム１４０の導入又は取り外しを可能にする（必要な場合）。本明細書中、スタック１００の表面積は、燃料電池１３０の最大面積に略一致するように画定される。より重要なことは、上部プレート１２０及び下部に存在するスタック１００に圧縮荷重を付与し、同時に追加的なシム１４０に圧縮荷重を付与することを防ぐことにより、スタック１００は、シム１４０の追加及び取り外しを可能にしつつ略圧縮状態が維持されることが可能となる。これにより、完全なスタックアセンブリ３００の形成工程全体を著しく簡略化する。

同じく重要なことは、耐環境封止体１５０が剛性を有すると共に一体構造であり、上部開口部１５０Ａが上部工具７０と整列し、開口部１４０Ａがシム１４０及びスタック１００の上部で画定されるので、後工程である耐環境封止体１５０の圧縮されたスタック１００への配置が行われる場合、完成したアセンブリが、耐環境封止体１５０の剛性により達成される正確な外寸法（最大高さ寸法を含む）に一致することが確実になる。そのように、略矩形の開口部１５０Ａが開口部１４０Ａと以下の点で同様に作用する。すなわち、積層軸が、開口部１５０Ａ及び開口部１４０Ａを通じて法線的に突出するように両者が略整列している場合、圧縮荷重がスタック１００に付与されると同時に、シム１４０で画定される周辺領域を圧縮されていない状態に保つ。それによりシム１４０の挿入、取り外し、配置、又はスタック１００の最終高さが確実に設計公差内に収まり且つ耐環境封止体１５０によって画定される容積内に嵌合可能となるために必要な他の関連する作業、を容易にする。

本明細書において、文言「開口部」は、シム１４０又は耐環境封止体１５０内の略連続する画枠状の囲み構造によって画定される通路だけでなく、（各シム又は封止体の側面を通過するアクセスを可能にするような）側部の孔部（breaks）を含む意味を有する。各部品の構造、並びにスタック１００の工具７０及び上部エンドプレート１２０間で妨害されない圧縮時の共働（compressive cooperation）を保つ全ての変形例は、本発明の範囲内にある。同様に本明細書において、スタック１００と圧縮維持装置２００との間の接触、共働又は関連する相互作用を意味する文言は、直接対向する接触が含まれるか否かに関わらず、全ての各部品を含むと理解される。そのように、加圧機１０とスタック１００との共働は、上部工具７０の下面と上部エンドプレート１２０の上面との間の直接の接触によってもたらされてもよく、その場合上部エンドプレート１２０の下面と、対向して隣接するスタック１００の上面との間に絶縁プレート１２５を配置して、電気絶縁性及び断熱性を促進させてもよい。

次に、図４と共に図５を参照すると、本発明に係る燃料電池システムは、様々な方法で環境シールを設けてもよく、該シールは、耐環境封止体１５０内に開口部を形成する上部エンドプレート１２０の上面とカバー１６０の下面との平面的な相互作用から、非常に簡便な、連続して加圧された（continuous press-in-place）「画枠」型の端面シール１７０を含む。側面の開口部１５０ＳＡは、耐環境封止体１５０の１以上の側壁１５０Ｓ内に形成される。開口部１５０ＳＡは、診断検査及び関連機能のための使用者のアクセスを容易にする。耐環境封止体１５０に形成される他の開口部と同様に、シール部（図４のシール１７０等）は、開口部周辺に含まれてよい。重要なことは、封止体１５０と下部エンドプレート１１０との取付が、ボルト１５５を用いたねじによる取付を形成することを含むということである。特に、下部エンドプレート１１０が周囲に離間した複数のボス１１０Ｂを規定し、ボス１１０Ｂは内部に鉛直方向を指向するねじ孔部（threaded path）１１０Ｐを規定し、ねじ孔部１１０Ｐは、ボス１１０Ｂが規定する厚さに渡って延在し、ボルト１５５を受容する寸法を有する。対応するように離間し且つ対応する寸法を有して鉛直方向を指向するねじ孔部（threaded path）１５０Ｐが封止体のボス１５０Ｂに形成され、ボルト１５５と共に用いられて封止体１５０と下部エンドプレート１１０との固定接続を促進する。組立の間、封止体１５０は、鉛直方向を指向するねじ孔部１１０Ｐ、１５０Ｐへのボルト１５５の螺入作用により、封止体１５０のフランジ１５０Ｆがシム１４０及び燃料電池１３０を押し下げることに呼応して、下部エンドプレート１１０の方へ引張（pull or stretch）される。同様に、燃料電池スタック１００が下方へ引張されて荷重が付与される際、ボルト１５５を通じた封止体１５０と下部エンドプレート１１０との間のこの引張荷重が達成可能である。カバー１６０に形成されるボス１６０Ｂと、封止体１５０の上部近傍に離間したボス１５０Ｂとの間に、同様なねじ構造が用いられる。このように、スタック１００に圧縮荷重を付与する際（最初は加圧機１０による付与、続いて下部エンドプレート１１０と共働する封止体１５０及びシム１４０で構成される圧縮維持装置２００による付与）、この力に対抗してねじ付きボルト１５５が引張荷重を付与する。またその際、１以上の側面パネルの厚さを通じてこのような締め付けが行われ且つ望まれない剪断荷重となる可能性のある配置と比較して、ねじ付きボルト１５５が改善された構造上の適応力（structural capacity）を具備する。

次に図２及び図４と共に図６を参照すると、シム１４０は、図２に示される長方形である必要はない。特に図６に示される他の形状において、２つのＬ字型シム１４２の配置により間隙を充填してもよい。Ｌ字型シム１４２は、封止体１５０の上部に形成される四角形の開口部１５０Ａの周囲近傍に配置される。さらに、シム１４２（及び図４に示されるシム１４０）が略共通の厚さを有するように示されているが、間隙Ｇを閉塞する所望の度合いを達成するべく比較的厚いシムと比較的薄いシムを組みあわせて使用することを妨げるものはない。どんな変形例も本発明の範囲内であると考えられる。特にＬ字型の変形例を用いることにより、開口部１５０Ａの略周囲近傍に連続した接触面を形成することが容易になる。

本明細書で用いられる「好ましくは」「一般的に（又は略）」及び「通常（又は典型的）」のような文言は、本発明の特許請求の範囲を限定するためにも、ある特徴が該請求の範囲の構造又は機能に対して決定的、必須又は重要であるということを含意するためにも使用されないことに留意されたい。むしろ、これらの文言は、本発明のある特定の実施の形態において利用可能か又は利用可能でない、代替的又は追加的な特徴を強調するために単に意図されているにすぎない。

本発明を記載し規定するために、本明細書で用いられる文言「略（又は実質的に）」、「約」及びその類義語は、何らかの量的な比較、値、測定及び他の表現に起因する可能性のある、内在する不確かさの度合いを示すことに留意されたい。本明細書で用いられる文言「略」は、問題となる主題の基本的な機能に変化をもたらさずに、量的な表現が記載された内容から変化する可能性があるという度合いを示すことにも留意されたい。

具体的な実施の形態を参照して本発明を詳細に説明することにより、添付の請求項の範囲で規定される本発明の範囲から逸脱することなく、その改変及び変形が可能であることは、明白である。特に、本発明の範囲は、記載された好ましい態様及び例示された実施の形態に必ずしも限定されず、添付の請求項によって規定（govern）される。

１０…加圧機 ２０…フレーム状部材
３０…ロッド ４０…荷重計
５０…アセンブリ台 ６０…下部工具
７０…上部工具 ８０…アクチュエータ
１００…燃料電池スタック １１０、１２０…エンドプレート
１３０…燃料電池 １４０、１４２…シム
１４０Ａ、１５０Ａ、１５０ＳＡ…開口部
１５０…封止体 １５０Ｆ…フランジ
１５０Ｐ…ねじ孔部 １５５…ボルト
１６０…カバー １７０…端面シール
２００…圧縮維持システム ３００…スタックアセンブリ

Claims (7)

1. 燃料電池スタックの組立方法であって、
   複数の燃料電池を対向して隣接する方向に配置し、それによって積層軸を規定する配置工程と、
   前記複数の燃料電池の前記積層軸方向の端部にエンドプレートを配置してなるスタックを前記積層軸に沿って加圧手段で圧縮する圧縮工程と、
   前記複数の燃料電池を圧縮状態に維持しながら、開口部を有する箱状の封止体を移動させて、前記開口部を通じて前記加圧手段により圧縮された前記スタックを、前記封止体内に収容する工程と、
   前記圧縮された前記スタックの前記エンドプレートと前記封止体との前記積層軸方向に互いに対向する面間に間隙が存在するか判別し、前記間隙が存在する場合、前記間隙に対応した厚さを有する少なくとも１つのシムを前記間隙内に配置する判別工程と、
   前記圧縮された前記スタックと前記封止体を互いに固定して、スタックアセンブリを構成する固定工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
2. 請求項１記載の組立方法において、
   少なくとも前記固定工程の一部は、前記封止体に対して圧縮された複数の前記燃料電池によって生じる力に対抗するように、引張荷重が付与される締め具を通じて行われることを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
3. 請求項１記載の組立方法において、
   前記圧縮工程の前に前記複数の燃料電池の両端に一対の前記エンドプレートを構成する荷重受容プレートが配置され、前記封止体と圧縮された前記複数の燃料電池とは、少なくとも１つの前記荷重受容プレートを介して係合していることを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
4. 請求項３記載の組立方法において、
   前記荷重受容プレートを介して前記封止体を圧縮された前記複数の燃料電池と係合するように配置する工程は、
   前記封止体を加圧機を用いて配置する工程を備えることを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
5. 燃料電池スタックで構成されるアセンブリの高さの変動を回避する燃料電池スタックの組立方法であって、
   上部に開口部が設けられた耐環境封止体を、一対のエンドプレート間に配置された複数の燃料電池を含む前記スタックの上方に位置決めする位置決め工程と、
   前記スタックを積層軸に沿って圧縮状態に配置する配置工程であって、前記圧縮状態にするための荷重を前記開口部を介して前記スタックに付与することにより、前記耐環境封止体に圧縮力を付与することを回避する、配置工程と、
   前記荷重により前記エンドプレートを押圧した状態で、前記耐環境封止体を前記スタックを収容するように下降させる移動工程と、
   前記耐環境封止体における前記エンドプレートに対向する内面と前記エンドプレートの上面との間に、前記積層軸に沿って、前記内面と前記上面との間の隙間に対応するために必要な数のシムを挿入する工程と、
   前記封止体及び前記スタックを互いに固定してそれによりスタックアセンブリを構成する固定工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
6. 請求項５記載の組立方法において、
   前記位置決め工程及び前記配置工程の少なくとも一方は、加圧機によって行われることを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。
7. 燃料電池スタックの組立方法であって、
   複数の個々の燃料電池をそれぞれ積層軸に沿って配列する工程と、
   一対のエンドプレートを前記複数の燃料電池の両端部に配置し、それによりスタックを構成する工程と、
   加圧機を用いて、前記スタックを圧縮状態に配置する工程と、
   前記スタックを前記圧縮状態にしたままで、前記積層軸に垂直な少なくとも１つの開口部が設けられた剛体構造を有する耐環境封止体を、前記スタックの上方位置から、前記スタックを収容する位置へと移動させる工程と、
   前記圧縮状態のスタックの上側の前記エンドプレートの上面と前記耐環境封止体における前記上面と対向する内面との間で前記積層軸に沿う高さ方向の間隙が存在するか判別し、そのような間隙が存在する場合、前記加圧機からの圧縮力が少なくとも１つのシムにも前記耐環境封止体にも付与されないように前記スタックの圧縮状態を維持しながら、前記間隙に対応する厚さの前記少なくとも１つのシムを前記間隙に挿入する工程と、
   前記耐環境封止体を前記スタックに固定する工程と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタックの組立方法。

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