發(fā)明背景

本發(fā)明總地涉及用于組裝和壓縮燃料電池堆的系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及用于在封殼內(nèi)組裝燃料電池堆并且將位于該封殼內(nèi)的燃料電池堆進行壓縮然后將罩蓋固定在電池堆之上和封殼上以維持堆疊壓縮的系統(tǒng)和方法。

相關(guān)技術(shù)的描述

燃料電池可用于通過電化學(xué)反應(yīng)的使用來將諸如氫之類的燃料轉(zhuǎn)換成可用的電力。不同于內(nèi)燃機，燃料電池將燃料轉(zhuǎn)換成可用電力，而無需依賴于作為中間步驟的燃燒。因此，當與內(nèi)燃機相比時，燃料電池的使用具有環(huán)境優(yōu)點。氫燃料電池例如是電化學(xué)裝置，其包括陽極和陰極，且電解質(zhì)位于兩電極之間。陽極接收氫氣，陰極接收氧或空氣。氫氣在陽極發(fā)生離解以產(chǎn)生自由質(zhì)子和電子。質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達陰極，并且與陰極中的氧和電子反應(yīng)來產(chǎn)生水。來自陽極的電子不能通過電解質(zhì)，因此引導(dǎo)通過負載，以經(jīng)由外部電路執(zhí)行呈直流(dc)形式的功，該外部電路通常包括諸如電動機之類的負載。

質(zhì)子交換膜型燃料電池(pemfc)是用于車輛應(yīng)用的通用燃料電池類型。pemfc通常包括固體-聚合物-電解質(zhì)質(zhì)子導(dǎo)電膜，例如全氟磺酸膜。陽極和陰極一般包括支撐在碳顆粒上并與離聚物相混合的細小催化微粒，通常是鉑(pt)。催化混合物沉積在膜的相對側(cè)上。陽極催化混合物、陰極催化混合物和膜的組合限定膜電極組件(mea)。經(jīng)由氣體可滲透層(通常稱為氣體擴散層)和雙極板來便于將反應(yīng)物輸送至mea，去除副產(chǎn)物水以及將所產(chǎn)生的電流輸送至負載。陽極氣體擴散層設(shè)置成與陽極催化劑層面向接觸，而陰極氣體擴散層設(shè)置成與陰極催化劑層面向接觸。如這里所描述的，mea被理解成包括陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層。每個mea均夾在雙極板之間以產(chǎn)生燃料電池。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的，在組裝過程中，一個mea可通過將其中一個電極的平坦表面(以及其中一個氣體擴散層)固定于雙極板的平坦表面來粘附于一個雙極板，以產(chǎn)生燃料電池，該燃料電池準備好被堆疊。

若干燃料電池通常組合在燃料電池堆中以產(chǎn)生所需功率。例如，用于車輛的燃料電池堆可具有兩百個或更多的堆疊燃料電池，這些堆疊燃料電池沿著共同的堆疊尺寸串聯(lián)地連接，例如以類似于一沓紙的方式堆疊以形成燃料電池堆。如上所述，雙極板定位在燃料電池堆中的每個燃料電池的mea的兩側(cè)上。所堆疊的燃料電池定位在端板組件和該堆疊的每個端部上的端板之間。每個雙極板均包括用于堆疊中的相鄰燃料電池的陽極側(cè)和陰極側(cè)，其中陽極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陽極側(cè)上，以允許陽極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的mea，而陰極氣體流動通道設(shè)置在雙極板的陰極側(cè)上，以允許陰極反應(yīng)氣體流至相應(yīng)的mea。燃料電池堆的其中一個端板包括陽極氣體流動通道，而另一個端板包括陰極氣體流動通道。每個端板組件均包括絕緣板和集電板。雙極板和集電板均由導(dǎo)電材料制成，以使得集電板將由燃料電池產(chǎn)生的電力傳導(dǎo)通過雙極板并且傳導(dǎo)出堆疊。如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所知，絕緣板使堆疊絕緣。

將燃料電池堆集成到汽車平臺上需要精確地布置和對準，并使得車輛的燃料電池系統(tǒng)隔室內(nèi)部的工廠設(shè)備得以平衡，該工廠設(shè)備借助示例例如是鼓風(fēng)機、泵、軟管、壓縮機等等。精確的布置和對準轉(zhuǎn)換成所組裝的燃料電池堆的緊密尺寸公差。附加地，車輛中的燃料電池堆需能夠承受由于加速、減速、碰撞、事故以及各種其他沖擊引起的應(yīng)力，并且還需在燃料電池堆的整個壽命期間保持燃料電池在堆疊中相對于彼此的位置。在如上所述的應(yīng)力期間的高剪切力會導(dǎo)致堆疊的電池之間滑動，且當考慮所有燃料電池時，電池之間的小位移會導(dǎo)致較大的電池塊位移。此外，電池之間的位移問題會由于冷起動狀況而加劇，因為熱誘發(fā)收縮會減小在堆疊組裝期間施加在電池上的y軸線壓縮保持負載。

將雙極板定尺寸成，使得這些雙極板裝配在mea的周界之上和周圍，這些mea堆疊在雙極板之間。為了改進每個板和mea在燃料電池堆的組裝期間的對準，一個或多個基準結(jié)構(gòu)或簡稱為基準可形成在一個或多個雙極板中的一部分中或者固定在其上。基準可進一步包括孔，該孔配置成接納基準銷，以促進雙極板和電池在堆疊過程期間以本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的方式對準。

燃料電池堆通常在壓縮負載下組裝，以密封燃料電池并且實現(xiàn)雙極板、氣體擴散層和構(gòu)成堆疊的燃料電池的催化劑電極之間的低界面電阻。壓縮負載可由壓制劑，例如壓機來施加。燃料電池堆上，取決于濕潤度而通常在從約80至160psi范圍內(nèi)的壓縮負載由壓縮保持封殼來維持，該壓縮保持封殼也稱為殼體并且封圍該燃料電池堆。例如，為了建立期望的壓縮力，壓機可用于將負載施加于堆疊。接著，包括容納堆疊的壓縮保持封殼的壓縮保持系統(tǒng)以在壓機釋放之后、維持堆疊上的壓縮力的方式粘附于該堆疊。通常包括使得沿著側(cè)平面的一個或多個的表面安裝的系桿或承托元件互連，以結(jié)合殼體的離散部件來維持燃料電池堆上的壓縮力，或者殼體可以是粘附于所壓縮的燃料電池堆的一體結(jié)構(gòu)。壓縮力通過使得系桿與螺栓或相關(guān)緊固件固定來保持，以使得螺栓在剪切下裝載。之后，可將容納所壓縮的燃料電池堆的封殼放置到用于環(huán)境密封的另一封殼中，或者可簡單地使用用于環(huán)境密封的封圍面板和密封件。一旦被完整地容納和密封，燃料電池堆就機械地固定，耦接以平衡設(shè)備(bop)部件，并且電氣地耦接于車輛或相關(guān)裝置。

在另一示例中，壓機可用于將負載施加于各個電池的堆疊或塊，并且之后殼體能下降到堆疊上和之上。然而，在本領(lǐng)域中需要將燃料電池堆組裝到殼體中，這需要較少的時間來使用壓機以壓縮堆疊并且將該堆疊封圍在壓縮保持系統(tǒng)中并且無需將殼體結(jié)構(gòu)下降到正被壓縮的燃料電池堆上和周圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的教示，公開一種用于組裝和壓縮燃料電池堆的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)和方法包括燃料電池堆殼體、至少一個通道以及第一端結(jié)構(gòu)框架，該燃料電池堆殼體包括多個側(cè)壁，這些側(cè)壁形成兩個相對端部敞開的封殼，該至少一個通道形成在內(nèi)側(cè)壁表面上，該第一端結(jié)構(gòu)框架粘附于殼體的其中一個開口端部，且該第一端結(jié)構(gòu)框架包括穿過平坦表面的至少一個工具開口。該系統(tǒng)和方法進一步包括工具，該工具通過第一端結(jié)構(gòu)框架的至少一個工具開口并且向上通過殼體延伸至殼體的開口端部，且該工具能夠逐漸地向下移動，同時燃料電池堆部件通過與第一端結(jié)構(gòu)框架相對的開口端部裝載到殼體中。

其它通過下面的描述和所附的權(quán)利要求并結(jié)合附圖，本發(fā)明的附加特征將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是用于壓縮燃料電池堆的已知壓機的等軸視圖；

圖2a-圖2e說明用于組裝和壓縮燃料電池堆的已知工藝；

圖3是能夠接收燃料電池堆部件的封殼的等軸部分剖切視圖；

圖4是包括基準的雙極板的一部分的剖切視圖；

圖5是圖3的封殼的頂端的剖切等軸視圖；

圖6a-圖6d說明在圖3的封殼內(nèi)產(chǎn)生燃料電池堆的工藝；

圖7是在封殼中已產(chǎn)生燃料電池堆之后可用于該封殼的壓機的等軸視圖；以及

圖8a-圖8c說明使用壓機以壓縮在封殼中產(chǎn)生的燃料電池堆的工藝。

具體實施方式

下文對本發(fā)明所涉及的用于組裝和壓縮燃料電池堆的系統(tǒng)和方法的各實施例的描述在本質(zhì)上僅僅是示例性的，并且并不旨在限定本發(fā)明或其應(yīng)用或使用。

圖1是已知壓機10的等軸視圖，該壓機用于壓縮燃料電池堆12，并且在堆疊12已使用壓機10壓縮之后，該壓機進一步用于將殼體單元18下降到燃料電池堆12上和周圍。燃料電池堆12的濕端板14坐落在壓機10的下方工具22上，并且該下方工具22坐落在組裝平臺20上方。堆疊12通過以已知的方式堆疊各部件而在壓機中產(chǎn)生。一旦完成了燃料電池堆12，就使用塊形上方工具24來使用桿26和致動器28將壓縮力施加于燃料電池堆12的干端板16，其中上方工具24的行進方向使得將壓縮力施加于干端板16的平坦面。負載單元30和其它部件可用于確定需要多大的墊片厚度(如果有的話)來補償相對于理想的或目標壓縮堆疊高度的負偏差。一旦在利用或不利用墊片的情形下實現(xiàn)目標壓縮堆疊高度，較佳地是剛性一體結(jié)構(gòu)的殼體單元18就下降到燃料電池堆12之上和周圍。一旦殼體單元18在堆疊12之上和周圍就位，該殼體單元18就通過使得螺釘、螺栓或類似的緊固件通入到濕端板14的底部中并且向上進入殼體單元18來粘附于濕端板14。

圖2a-圖2e說明用于組裝和壓縮堆疊12并且將殼體單元18粘附于圖1所示壓機10中的堆疊12的已知工藝，其中，類似的元件由相同的附圖標記所表示。雖然為了清楚起見而未示出，但該工具通過在壓機10中的起始位置中裝載殼體單元18而開始，并且通過按序地裝載用于產(chǎn)生堆疊12所需的部件，例如燃料電池來產(chǎn)生堆疊12。一旦所堆疊的燃料電池就位，干端板16就定位在堆疊12的頂部上。圖2a說明由箭頭40表示的負載，該負載由壓機10施加于所組裝的堆疊12，以根據(jù)需要來壓縮燃料電池堆12。借助示例，可將堆疊12壓縮至約2-10噸。圖2b說明所測量的堆疊12的由圓圈42所表示的高度，以確定堆疊12的壓縮高度并且確定墊片需求(如果有的話)。圖2c說明所添加的墊片44，同時堆疊12在壓縮下以實現(xiàn)所期望的最終堆疊高度。在堆疊12處于壓縮下的同時，也執(zhí)行由圓圈46所表示的短路測試。圖2d說明在堆疊處于壓縮下的同時，下降到該堆疊12上和之上的殼體單元18。如圓圈48所表示的，一旦殼體單元18在堆疊12之上和周圍緊固就位，就執(zhí)行泄漏測試。圖2e說明已準備好從壓機10移除的殼體單元18和燃料電池堆12的完成組件。

壓機10產(chǎn)生如上所述堆疊12所使用的時間量是大量的，因為堆疊12產(chǎn)生在壓機10中并且堆疊12也被壓縮且殼體單元18安裝在處于壓機10中的堆疊12之上和周圍。此外，殼體單元18須摸索地粘附于堆疊12，因為從濕端板14的底部發(fā)生緊固。在圖2a-圖2e中示出的工藝期間，維持期望的堆疊輪廓，即堆疊12的直線度是困難，但對于使得封殼18下降到堆疊12之上而言是必需的。附加地，壓機需足夠高來將殼體單元18懸置在堆疊12之上。因此，需要組裝燃料電池堆和將燃料電池堆封圍在殼體中的新方案來克服如上所述工藝的這些缺點并且確保堆疊直線度以及堆疊的相鄰板之間的板對板對準。

圖3是封殼50的等軸部分剖切視圖，該封殼包括側(cè)壁56，這些側(cè)壁產(chǎn)生中空的并且兩個相對端部打敞開的剛性大體長方體形狀。如下面更詳細地描述，封殼50包括設(shè)計成接納燃料電池部件的內(nèi)部尺寸。諸如濕端板結(jié)構(gòu)框架54的燃料電池堆端板結(jié)構(gòu)框架在封殼50的底端68處固定地緊固于側(cè)壁56的邊緣。頂端70位于相對于底端68的相對端部處。側(cè)壁56可由任何合適的材料，例如鋁或復(fù)合材料制成。

如上所述，將封殼50的內(nèi)部尺寸設(shè)計成匹配裝載到封殼50中的燃料電池部件的形狀，從而使得例如下文更詳細地描述，在濕端板結(jié)構(gòu)框架54已以任何合適的方式固定地緊固于端部68之后，燃料電池堆可在封殼內(nèi)產(chǎn)生。雖然出于清楚起見在圖3的部分剖切視圖中未示出完整的堆疊，但濕端板組件64如圖所示在封殼50內(nèi)處于鄰近于濕端板結(jié)構(gòu)框架54的位置處。濕端板組件64包括絕緣板和集電板。連同干端板組件66、干端結(jié)構(gòu)框架58以及由頂端70附近的緊固件138緊固于側(cè)壁56的罩蓋114一起，雙極板52也如圖所示處于封殼50中。干端板組件66包括絕緣板和集電板。如下面更詳細地描述，側(cè)壁56中的一個或多個包括與雙極板52的基準76、濕端板組件64以及干端板組件66對準的至少一個通道60。通道60包括基準桿62，該基準桿也以下文詳細描述的方式接納基準76。

圖4是包括圖3所示雙極板52的一部分的剖切視圖。每個雙極板52限定大體平坦的面部分72和形成圍繞面部分72的周界的大體矩形邊緣部分74。包括錐形特征78的基準76是雙極板52的一部分，該錐形特征具有穿過其中的孔80?；鶞?6使用附連部分82粘附于雙極板52或者通過形成雙極板52以使得基準76是板52的一部分來粘附于該雙極板。如下文更詳細地描述，當雙極板52裝載到封殼50中時，處于封殼50的通道60中的基準銷62通過孔80。通道60確切地設(shè)計成接納基準76，并且將尺寸設(shè)定成在通道60和基準76之間提供預(yù)定公差，即間隙。例如，可提供1毫米的公差或間隙以允許容易地堆疊，同時仍維持合適的總體堆疊直線度。通過孔80的基準銷62也促進對準并且通常在基準銷62和孔80的周緣之間具有狹窄的預(yù)定公差或間隙。借助示例，基準銷62和孔80的周緣之間的公差可以是100微米以促進板對板對準。錐形特征78允許兩個或更多個雙極板52的基準76能在燃料電池和雙極板52堆疊時嵌套，以進一步改進板對板對準。基準76還用于在壓縮、密封和其它燃料電池堆組裝操作期間改進電池間滑動阻力?；鶞?6的平面外厚度可例如是這樣的厚度，該厚度足以確保實現(xiàn)的電池間滑動阻力高達特定燃料電池/雙極板52之上的三個電池以及之下的三個電池。使用基準76的另一個優(yōu)點在于無需將堆疊的電池之間進行永久連接，從而可更易于維護各個燃料電池。雖然在圖4和圖5中對于每個雙極板示出一個基準76并且在圖6中示出兩個基準76，但如下文更詳細地描述，任何合適數(shù)量的基準76都可用于每個雙極板52。

圖5是在罩蓋114已使用緊固件138粘附于封殼50之后，該封殼的頂端70的剖切等軸視圖。如圖5中所示，側(cè)壁56中的通道60已裝載有多個雙極板52和干端板組件66的基準76。基準銷62并未示出但通過如上所述的孔80。側(cè)壁56的邊緣凹痕84形成通道60，且邊緣突部86為側(cè)壁56和合適的邊緣表面提供結(jié)構(gòu)支承，以如下文所述，使用緊固件等將罩蓋114使用緊固件138粘附于封殼50。如圖所示，雙極板52和干端板組件66的形狀適應(yīng)于側(cè)壁56的內(nèi)表面88的輪廓。

圖6a-圖6d說明在將堆疊90放置在壓機中之前、用于在封殼50中產(chǎn)生燃料電池堆90的工藝。圖3、圖4和圖5的類似元件由相同的附圖標記所指代。圖6a說明粘附于濕端板54的側(cè)壁56和鄰近于封殼50的側(cè)壁56安裝的絕緣套筒92。一旦堆疊90已組裝在封殼50中，絕緣套筒92就用于使得堆疊與封殼絕緣。粘附于側(cè)壁56的濕端板結(jié)構(gòu)框架54的平面圖94說明放置在濕端板結(jié)構(gòu)框架54的其中兩個邊緣上的基準76，這些邊緣與封殼的通道60對準，其中，每個基準76均包括用于接納如上所述的基準銷62的孔80。雖然在圖6a-圖6d的剖切視圖中并未示出，但存在封殼50的前側(cè)壁和后側(cè)壁56，且前側(cè)壁和后側(cè)壁56中的每個均包括通道60和如上所述的基準銷62。如下文更詳細地描述，開口100設(shè)置成通過濕端板結(jié)構(gòu)框架54的平坦表面，以允許工具102能通過。

圖6b說明用于在封殼50中產(chǎn)生燃料電池堆90的第一步驟。作為開始，通過經(jīng)由基準銷62將基準76裝配到通道60和孔80中并且將濕端板組件64的平坦表面抵靠在工具102上，將濕端板組件64裝載到封殼50中。工具102通過濕端板結(jié)構(gòu)框架54中的開口100并且向上延伸至封殼50的頂部開口，以接納濕端板組件64的平坦表面。引導(dǎo)件106設(shè)置在封殼50的頂部開口附近的合適位置處，并且向下延伸到封殼50中，以將諸如濕端板組件64的燃料電池堆部件引導(dǎo)到封殼50中。雖然出于清楚起見未示出，但引導(dǎo)件106也可位于包括通道60的前側(cè)壁和后側(cè)壁56上，以通過使得正被裝載的部件與通道60和基準銷62對準來引導(dǎo)將被裝載到封殼50中的濕端板組件64和其它燃料電池堆部件。一旦濕端板組件64被裝載到封殼50中，工具102就向下逐漸地移動以使得可裝載下一部件。濕端板組件64的平面圖104說明與如上所述的通道60對準的基準76。如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員所知，開口108允許反應(yīng)物和冷卻劑能通過燃料電池堆90。

圖6c說明正被裝載到濕端板組件64上的雙極板52(以及與其相關(guān)聯(lián)的燃料電池)。雙極板52在濕端板組件64的頂部裝載到通道60和組件50的基準銷62中，以使得基準銷62通過雙極板52的孔80。在產(chǎn)生堆疊90的過程中，工具102隨著裝載每個雙極板52而逐漸地下降，導(dǎo)致部件逐漸地下降。圖6d說明在工具102逐漸地下降至最終位置并且燃料電池堆90完整地裝載到封殼50中之后，在濕端板結(jié)構(gòu)框架54中的工具。干端板組件66在堆疊90的頂部附近，并且在如上所述的干端結(jié)構(gòu)框架58下方。替代地，干端結(jié)構(gòu)框架58和干端板組件66可首先粘附于封殼50，而非濕端結(jié)構(gòu)框架54和濕端板組件64。雖然出于清楚起見未示出，但也可包括諸如可編程控制器、機器人、感測裝置以及輔助設(shè)備之類的部件以便于圖6a-圖6e中示出的工藝。

圖7是可用于壓縮封殼50中的燃料電池堆90的壓機110的等軸視圖，其中，類似的元件由相同的附圖標記指代。壓機110包括多個沖壓桿112，這些沖壓桿通過已事先安裝在壓機110上的罩蓋114。在堆疊90已被壓縮之后，罩蓋114用作封殼50的頂部罩蓋。封殼50坐落在下方工具116上，該下方工具抵靠在平臺118上。致動器120致使多個沖壓桿112向下壓到干端結(jié)構(gòu)框架58上。雖然出于清楚起見未示出，但也可包括諸如可編程控制器、傳感器、線性可變顯示器組以及輔助設(shè)備之類的其它部件以便于壓機110的期望壓縮和組裝功能。

當與圖1中示出的壓機10的單個上方工具24相比，多個沖壓桿112提供更均勻的壓縮。附加地，僅僅需要罩蓋114來懸置在堆疊90之上，這意味著需要較小的沖壓高度。罩蓋114中多個沖壓桿112通過其中的孔可由標準插塞容易地密封，從而當與用于覆蓋殼體18的允許上方工具24能通過其中所需的打開區(qū)域的罩蓋相比時，確保更可靠的密封。

圖8a-圖8c說明使用壓機110以壓縮在封殼50中的燃料電池堆90的工藝。圖8a說明裝載到壓機110上的罩蓋114。壓機110出于清楚起見并未示出，而是由箭頭130所表示。壓縮施加于由箭頭130表示的堆疊90，且引導(dǎo)件106被移除。如果之前并未安裝絕緣套筒92，則此時可安裝絕緣套筒92。圖8b說明完成壓縮，測量由圓圈134表示的堆疊高度并測量由圓圈136表示的封殼高度。所測得的堆疊高度包括測量干端結(jié)構(gòu)框架58的四個角部的高度。所測得的堆疊高度和所測得的封殼高度之間的差值(如果有的話)用于確定是否需要墊片132。如果需要的話，則將墊片132安裝在干端結(jié)構(gòu)框架58的頂面上。可在此時將基準銷62移除。替代地，基準銷62可留下將端部剪除的長度，以確?；鶞输N62裝配在封殼50內(nèi)。雖然出于清楚起見未示出，但也可包括諸如可編程控制器、傳感器、線性可變顯示器組以及輔助設(shè)備之類的其它部件以便于壓機110的期望壓縮和組裝功能。圖8c說明使用緊固件138來安裝罩蓋114。堆疊90可在罩蓋和緊固件138正安裝的同時略微過壓縮。雖然出于清楚起見并未示出，但接下來，執(zhí)行諸如泄漏測試和電測試之類的工程測試。這些測試可使用包括泄漏測試歧管的下方工具116執(zhí)行，和/或可通過經(jīng)由封殼的訪問面板(未示出)來訪問堆疊90來執(zhí)行。

使用圖6a-圖6e中示出的工藝和圖8a-圖8c中示出的工藝，燃料電池堆90可組裝并且對準在壓機110的外部，由此與圖2a-圖2e的工藝相比，縮短對于每個堆疊90，壓機110所需的時間量。借助示例，圖2a-圖2e的工藝可需要45分鐘來將每個堆疊12完整地安裝在壓機10中，而堆疊90在壓機110中僅僅需要大約7分鐘。因此，可實現(xiàn)更大量的生產(chǎn)和/或更少的工藝。由于封殼50在裝載堆疊部件之前粘附于濕端結(jié)構(gòu)框架54，操作者并不需要如同在圖2a-圖2e的工藝中所需的那樣將封殼50摸索地粘附于堆疊90，且用于壓縮堆疊90的壓機110并不需要一樣高，因為僅僅罩蓋114懸置在堆疊90之上。

以上的討論僅僅公開和描述本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從這些討論并且從附圖和權(quán)利要求中容易地認識到，在不偏離在以下權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可進行各種改變、改型和變型。