(57)【要約】【課題】  燃料電池アッセンブリ（２４）を形成するため、積み重ね形体で配置された電気化学的燃料電池スタック（２０）を提供する。【解決手段】  アッセンブリは、少なくとも一つのスペーサプレート（５２）及び第１端プレート（４５）と第２端プレート（５８）との間に配置される。これらの端プレートは、燃料電池アッセンブリに圧縮力を加えるように所定の離間関係で保持される。
2005524214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的燃料電池スタックにおいて、
第１端及び第２端の両端間に長さを持つ燃料電池アッセンブリを形成するように、積み重ねた形体で配置された複数の燃料電池と、
前記燃料電池アッセンブリの前記第１端及び第２端にそれぞれ隣接して配置され、前記燃料電池アッセンブリに前記長さに沿った方向の圧縮力を加えるように、所定間隔で固定されるように保持された第１及び第２の端プレートと、
前記第１端プレートと前記燃料電池アッセンブリの前記第１端との間に配置され、前記第１及び第２の端プレートにより前記燃料電池アッセンブリに与えられる前記圧縮力が所定の大きさとなるように寸法が定められた少なくとも一つのスペーサプレートと、
を含む、スタック。
【請求項２】
請求項１に記載のスタックにおいて、前記少なくとも一つのスペーサプレートには、重量が軽減されるように複数の開口部が設けられている、スタック。
【請求項３】
請求項１に記載のスタックにおいて、前記少なくとも一つのスペーサプレートは非導電性である、スタック。
【請求項４】
請求項３に記載のスタックにおいて、前記少なくとも一つのスペーサプレートと前記燃料電池アッセンブリの前記第１端との間に配置された端子プレートを更に含み、前記少なくとも一つのスペーサプレートは前記端子プレートを前記第１端プレートから離間し、前記端子プレートを前記第１端プレートから電気的に絶縁する、スタック。
【請求項５】
請求項１に記載のスタックにおいて、前記燃料電池アッセンブリの前記第１端は、前記燃料電池アッセンブリのドライエンドである、スタック。
【請求項６】
請求項１に記載のスタックにおいて、複数のスペーサプレートを更に有し、これらのスペーサプレートの各々は、前記第１及び第２の端プレートのうちの少なくとも一方と前記燃料電池アッセンブリとの間に位置決めされている、スタック。
【請求項７】
請求項１に記載のスタックにおいて、前記少なくとも一つのスペーサプレートはプラスチック製である、スタック。
【請求項８】
所定長さの電気化学的燃料電池スタックの製造方法において、
燃料電池アッセンブリを有する燃料電池スタックの所定の長さを選択する工程と、
前記燃料電池アッセンブリを所定の圧縮荷重で圧縮する工程と、
前記圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さを決定する工程と、
前記圧縮された燃料電池アッセンブリが前記燃料電池スタックで利用できる空間の長さと、前記圧縮された燃料電池アッセンブリの前記圧縮長さとの差を計算する工程と、
前記燃料電池アッセンブリから前記所定の圧縮荷重を取り除く工程と、
前記計算した差とほぼ等しい厚さを持つ少なくとも一つのスペーサプレートを前記燃料電池スタックに位置決めする工程と、
前記燃料電池スタックに圧縮荷重を加え、前記燃料電池スタックを前記所定の長さまで圧縮する工程と、
前記燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定し、前記燃料電池スタックを前記所定長さに保持し、これによって、前記燃料電池スタックに作用する前記加えられた圧縮荷重を取り除いた後に前記燃料電池アッセンブリに圧縮力を加える工程と
前記燃料電池スタックから前記加えられた圧縮荷重を取り除く工程と
を含む、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さを決定する工程は、前記圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さを計測する工程を含む、方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリを圧縮する前記工程は、前記燃料電池スタックを前記所定の圧縮荷重で圧縮する工程を含む、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、前記圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さを決定する前記工程は、前記圧縮された燃料電池アッセンブリの前記圧縮長さを計測する工程を含む、方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法において、前記圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さを決定する前記工程は、前記圧縮された燃料電池スタックの長さを計測する工程、及び前記燃料電池アッセンブリの前記圧縮長さを計算する工程を含む、方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の方法において、少なくとも一つのスペーサプレートを位置決めする前記工程は、前記少なくとも一つのスペーサプレートを前記燃料電池アッセンブリのドライエンドと前記燃料電池アッセンブリの前記ドライエンドと隣接した端プレートとの間に位置決めする工程を含む、方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の方法において、少なくとも一つのスペーサプレートを位置決めする前記工程は、前記少なくとも一つのスペーサプレートを前記第１及び第２の端プレートのうちの少なくとも一方と隣接した端子プレートと前記燃料電池アッセンブリとの間に位置決めする工程を含む、方法。
【請求項１５】
請求項８に記載の方法において、前記燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定する前記工程は、少なくとも一つの側プレートを前記燃料電池スタックの前記第１及び第２の端プレートに取り付ける工程を含む、方法。
【請求項１６】
所定長さの電気化学的燃料電池スタックの製造方法において、
燃料電池アッセンブリを有する燃料電池スタックの所定の長さを選択する工程と、
前記燃料電池スタックを所定の圧縮荷重で圧縮する工程と、
前記圧縮された燃料電池スタックの圧縮長さを決定する工程と、
前記所定長さと前記前記圧縮された燃料電池スタックの前記圧縮長さとの間の差を計算する工程と、
前記燃料電池スタックから前記所定の圧縮荷重を取り除く工程と、
前記計算した差とほぼ等しい厚さを持つ少なくとも一つのスペーサプレートを前記燃料電池スタックに位置決めする工程と、
前記燃料電池スタックに圧縮荷重を加え、前記燃料電池スタックを前記所定の長さまで圧縮する工程と、
前記燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定し、前記燃料電池スタックを前記所定長さに保持し、これによって、前記燃料電池スタックに作用する前記加えられた圧縮荷重を取り除いた後に前記燃料電池アッセンブリに圧縮力を加える工程と、
前記燃料電池スタックから前記加えられた圧縮荷重を取り除く工程と
を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、少なくとも一つのスペーサプレートを位置決めする前記工程は、前記少なくとも一つのスペーサプレートを前記燃料電池アッセンブリのドライエンドと前記燃料電池アッセンブリの前記ドライエンドと隣接した端プレートとの間に位置決めする工程を含む、方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法において、少なくとも一つのスペーサプレートを位置決めする前記工程は、前記少なくとも一つのスペーサプレートを前記第１及び第２の端プレートのうちの少なくとも一方と隣接した端子プレートと前記燃料電池アッセンブリとの間に位置決めする工程を含む、方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の方法において、前記燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定する前記工程は、少なくとも一つの側プレートを前記燃料電池スタックの前記第１及び第２の端プレートに取り付ける工程を含む、方法。
【請求項２０】
燃料電池アッセンブリ内に複数の燃料電池を持つ種類の電気化学的燃料電池スタックの製造方法において、
燃料電池アッセンブリを持つ燃料電池スタックを圧縮し、所定の大きさの圧縮力を前記燃料電池アッセンブリに加える所定距離を決定する工程と、
前記燃料電池スタックが前記所定距離圧縮されるように前記燃料電池スタックに圧縮荷重を加える工程と、
前記燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定し、前記第１及び第２の端プレートが燃料電池スタックを前記所定距離に圧縮された状態に維持することによって、前記圧縮荷重を取り除いた後に前記所定の大きさの圧縮力を前記燃料電池アッセンブリに加える工程と、
前記圧縮荷重を前記燃料電池スタックから取り除く工程と
を含む、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、前記燃料電池アッセンブリ内の燃料電池の既知の量に基づいて前記燃料電池スタックの前記所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、燃料電池の前記既知の量に所定の圧縮距離を乗じることにより、前記燃料電池スタックの前記所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項２３】
請求項２１に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、
所望の圧縮荷重を加えるため、既知の圧縮荷重で予め圧縮した燃料電池スタックから経験的データを収集する工程、及び
前記経験的データに基づいて前記所定距離を選択することにより、前記燃料電池スタックの前記所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、
前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する工程、及び
前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離に基づいて前記燃料電池スタックの所定の圧縮距離を計算する工程を含む、方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、前記燃料電池アッセンブリ内の燃料電池の既知の量に基づいて前記燃料電池アッセンブリを圧縮する前記距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリを圧縮する距離を決定する前記工程は、燃料電池の前記既知の量に所定の圧縮距離を乗じることによって前記燃料電池アッセンブリを圧縮する前記距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、
所望の圧縮荷重を前記燃料電池スタックに加えるために既知の圧縮荷重で予め圧縮された燃料電池スタックから経験的データを収集する工程、及び
前記経験的データに基づいて前記距離を選択することにより前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項２８】
複数の燃料電池が燃料電池アッセンブリに含まれる種類の所定長さの燃料電池スタックを製造するための方法において、
燃料電池アッセンブリを持つ燃料電池スタックについて所定長さを選択する工程と、
燃料電池アッセンブリを持つ燃料電池スタックを圧縮し、所定の大きさの圧縮力を前記燃料電池アッセンブリに加える所定距離を決定する工程と、
スペーサプレートの厚さを前記所定長さ及び前記所定距離の関数として計算する工程、
前記スペーサプレート厚さを持つ少なくとも一つのスペーサプレートを前記燃料電池スタックに位置決めする工程と、
前記燃料電池スタックがほぼ前記所定長さまで圧縮されるように前記燃料電池スタックに圧縮荷重を加える工程と、
前記燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定し、前記第１及び第２の端プレートが前記燃料電池スタックを前記所定長さに圧縮された状態に保持し、これによって、前記圧縮荷重を取り除いた後、前記所定の大きさの圧縮力が前記燃料電池アッセンブリに加えられるようにする工程と、
前記圧縮荷重を前記燃料電池スタックから取り除く工程と
を含む、方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法において、スペーサプレートの厚さを計算する前記工程は、スペーサプレートの厚さを、前記燃料電池スタックが前記所定距離圧縮された場合、前記燃料電池アッセンブリの圧縮長さに基づいて計算する工程を含む、方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、スペーサプレートの厚さを計算する前記工程は、前記燃料電池アッセンブリの前記圧縮長さ及び前記第１及び第２の端プレートの厚さを前記所定長さから減じ、前記スペーサプレートの厚さを決定する工程を含む、方法。
【請求項３１】
請求項２８に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、前記燃料電池スタックを圧縮する前記所定距離を、前記燃料電池アッセンブリ内の燃料電池の既知の量に基づいて決定する工程を含む、方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、前記燃料電池スタックを圧縮する前記所定距離を、燃料電池の前記既知の量に所定距離を乗じることにより決定する工程を含む、方法。
【請求項３３】
請求項３１に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、
前記燃料電池スタックに所望の圧縮荷重を加えるため、既知の圧縮荷重で予め圧縮された燃料電池スタックを収集する工程、及び
前記燃料電池スタックを圧縮する前記所定距離を、前記経験的データに基づいて前記所定距離を選択することにより決定する工程を含む、方法。
【請求項３４】
請求項２８に記載の方法において、燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、
前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する工程、及び
前記燃料電池スタックの所定の圧縮距離を、前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離に基づいて計算する工程を含む、方法。
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、前記燃料電池アッセンブリ内の燃料電池の既知の量に基づいて前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、燃料電池の前記既知の量に所定の圧縮距離を乗じることによって前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の方法において、前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する前記工程は、
所望の圧縮荷重を前記燃料電池スタックに加えるため、既知の圧縮荷重で予め圧縮された燃料電池スタックから経験的データを収集する工程、及び
前記経験的データに基づいて前記距離を選択することにより前記燃料電池アッセンブリの所定の圧縮距離を決定する工程を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、更に詳細には積み重ねをなして配置されており且つ圧縮状態に保持された燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、代表的には、互いに重ねられており且つ互いに関して圧縮状態に保持された複数の燃料電池を含む。積み重ねられた複数の燃料電池は燃料電池アッセンブリを形成し、この燃料電池アッセンブリが圧縮され、複数の燃料電池を圧縮関係に保持する。代表的には、各燃料電池は、陽極層、陰極層、及び陽極層と陰極層との間に配置された電解質を含む。燃料電池アッセンブリは、積み重ねをなした燃料電池を互いに押し付けるためにかなりの量の圧縮力を必要とする。圧縮力に対する必要は、燃料電池内の反応体の内部ガス圧から生じ、更に電池の内部構成要素間を電気的に良好に接触した状態に維持する必要から生じる。一般的には、単位面積当たりの力は、全部で約１３４４．４６６５ｋＰａ乃至１４１３．４１３５ｋＰａ（約１９５ｐｓｉ乃至２０５ｐｓｉ）であり、この力が電池の活性領域（代表的には、自動車用のスタックについて４９６．７７３２ｃｍ2 乃至９９９．９９８ｃｍ2 （７７平方インチ乃至１５５平方インチ）である）全体に亘って均等に分配される。かくして、約５１６．１２８ｃｍ2 （約８０平方インチ）の面積の燃料電池について、これらの大きさのスタックの全圧縮力は、代表的には、約７０３０．６８１７ｋｇ乃至７４８４．２７４１ｋｇ（約１５５００ポンド乃至１６５００ポンド）である。
【０００３】
代表的な従来技術の燃料電池スタック構造では、圧縮力を燃料電池アッセンブリに加え且つ維持するために剛性端プレート及びタイロッドが使用されてきた。圧縮されるべき燃料電池アッセンブリを一対の剛性端プレート間に配置する。次いで、端プレートを通って延びるタイロッドによって端プレートを互いに圧縮し、圧縮力を端プレートに加える。代表的に使用されたこの構造及び他の同様の構造により、燃料電池アッセンブリを所望の通りに圧縮するために様々な長さの燃料電池スタックが形成された。更に、燃料電池で使用されてきた電解質膜は厚さが約０．１７７８ｍｍ（約０．００７インチ）であり、経時的にスリップし即ち応力緩和し、かくして、燃料電池アッセンブリに所望の圧縮力を維持するために燃料電池スタック構造を更に圧縮することが必要とされる。
【０００４】
今日の現在の燃料電池アッセンブリは、厚さが０．０１８μｍの強化された膜を使用する。スリップ即ち応力緩和による影響が遙かに少なく、従来技術の燃料電池アッセンブリ程大きな問題とならない。従って、新たな薄い強化膜を使用する燃料電池アッセンブリは、所定期間後に緩和即ち膜の応力解放を考慮して更に圧縮する必要がない。
【０００５】
燃料電池スタック構造は様々な用途で使用できる。燃料電池スタック構造で代表的に使用される空間の容積が自動車やバス等で決まっているため、別の燃料電池スタック構造と相互交換できるように燃料電池スタック構造が均等な大きさを備えているのが望ましい。
【０００６】
従って、長さが均等な燃料電池スタック構造を提供するのが望ましい。更に、燃料電池アッセンブリを構成する燃料電池の数に拘わらず長さが均等であり、しかも燃料電池アッセンブリの活性領域に所望の圧縮荷重を加える燃料電池スタック構造を形成し提供するのが望ましい。
【０００７】
現在の燃料電池スタック構造が、寸法スリップ及び応力緩和がかなり小さい薄い強化膜を使用するため、燃料電池スタック構造に対して他の圧縮荷重方法を行うことができる。これらの圧縮荷重技術により、燃料電池スタック構造のサイズを均等にできる。更に、燃料電池アッセンブリ及び強化膜の特徴が良好に理解されているため、燃料電池アッセンブリの活性領域に所与の圧縮荷重を加えるために必要な燃料電池アッセンブリの圧縮距離は、燃料電池アッセンブリを構成する燃料電池の数で決まる。これにより、燃料電池スタック構造を組み立てるとき、従来技術のように活性領域に所定の圧縮荷重が加わるまで燃料電池スタック構造を圧縮することを使用するのでなく、所定距離の圧縮を使用できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、均等な燃料電池スタック構造を提供するための装置及び方法に関する。更に、本発明は、燃料電池アッセンブリを所定の荷重でなく所定の距離によって圧縮する方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電気化学的燃料電池スタックは、積み重ね形体で配置されて燃料電池アッセンブリを形成する複数の燃料電池を含む。燃料電池アッセンブリは、第１端及び第２端の両端及びこれらの間の長さを有する。第１及び第２の端プレートが、燃料電池アッセンブリの第１端及び第２端の夫々と隣接して配置されている。第１及び第２の端プレートは、燃料電池アッセンブリに長さに沿って圧縮力を加えるように所定距離の所定の離間関係に保持されている。少なくとも一つのスペーサプレートが、第１端プレートと燃料電池アッセンブリの第１端との間に配置される。少なくとも一つのスペーサプレートは、第１及び第２の端プレートによって燃料電池アッセンブリに加えられる圧縮力が所定の大きさであるように寸法が定められる。
【００１０】
本発明の所定長さの電気化学的燃料電池スタックの製造方法は、１）燃料電池アッセンブリを有する燃料電池スタックの所定の長さを選択する工程、２）燃料電池アッセンブリを所定の圧縮荷重で圧縮する工程、３）圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さを決定する工程、４）圧縮された燃料電池アッセンブリが燃料電池スタックで利用できる空間の長さと、圧縮された燃料電池アッセンブリの圧縮長さとの間の差を計算する工程、５）燃料電池アッセンブリから所定の圧縮荷重を取り除く工程、６）計算した差とほぼ等しい厚さを持つ少なくとも一つのスペーサプレートを燃料電池スタックに位置決めする工程、７）燃料電池スタックに圧縮荷重を加え、燃料電池スタックを所定の長さまで圧縮する工程、８）燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定し、燃料電池スタックを所定長さに保持し、これによって、燃料電池スタックに作用する加えられた圧縮荷重を取り除いた後に燃料電池アッセンブリに圧縮力を加える工程、及び９）加えられた圧縮荷重を燃料電池スタックから取り除く工程を含む。上述の方法は、燃料電池アッセンブリの活性領域に所望の圧縮荷重を維持しながら所定長さの燃料電池スタックを提供する。
【００１１】
本発明の別の特徴では、上述の方法の工程２、３、及び４を変更し、所定長さの電気化学的燃料電池スタックを製造する様々な方法を提供する。これらの工程は、２）燃料電池スタックを所定の圧縮荷重で圧縮する工程、３）圧縮された燃料電池スタックの長さを決定する工程、４）所定長さと圧縮された燃料電池スタックの決定された長さとの間の差を計算する工程を含むように変更される。
【００１２】
本発明の原理は、更に、燃料電池アッセンブリ及び／又は燃料電池スタックを所定距離圧縮することによって電気化学的燃料電池スタックを製造する方法を提供する。この方法は、１）燃料電池アッセンブリを有する燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する工程、２）燃料電池スタックが所定距離圧縮されるように燃料電池スタックに圧縮荷重を加える工程、３）燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定し、第１及び第２の端プレートが燃料電池スタックを所定距離に圧縮された状態に保持し、これによって、圧縮荷重を取り除いた後に燃料電池アッセンブリに圧縮力を加える工程、及び４）圧縮荷重を燃料電池スタックから取り除く工程を含む。
【００１３】
本発明の別の特徴では、所定長さの電気化学的燃料電池スタックの製造方法が開示される。この方法は、１）燃料電池アッセンブリを持つ燃料電池スタックについての所定の長さを選択する工程、２）所定の大きさの圧縮力を燃料電池アッセンブリに加えるため、燃料電池アッセンブリを持つ燃料電池スタックの所定の圧縮距離を決定する工程、３）スペーサプレートの厚さを前記所定長さ及び前記所定距離の関数として計算する工程、４）前記スペーサプレート厚さを持つ少なくとも一つのスペーサプレートを燃料電池スタックに位置決めする工程、５）燃料電池スタックがほぼ所定の長さまで圧縮されるように圧縮荷重を燃料電池スタックに加える工程、６）第１及び第２の端プレートが燃料電池スタックを所定長さに圧縮された状態に保持し、これによって圧縮荷重を取り除いた後にほぼ所定の大きさの圧縮力を燃料電池アッセンブリに加えるように燃料電池スタックの第１及び第２の端プレートを所定の離間関係で固定する工程、及び７）圧縮荷重を燃料電池スタックから取り除く工程を含む。
【００１４】
本発明の別の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すものであるけれども、単に例示の目的であって本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【００１５】
本発明は、詳細な説明及び添付図面から更に完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
[実施例]
好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
【００１７】
図１及び図２を参照すると、これらの図には本発明の好ましい実施例による電気化学的燃料電池スタック２０が示してある。この燃料電池スタック２０は、燃料電池アッセンブリ２４を形成するために積み重ね形体で配置された複数の燃料電池２２を含む。燃料電池アッセンブリは、上端２６及び下端２８を有し、これらの間に圧縮長さ３０、及び図１０のＡに示す非圧縮長さ３１を有する。燃料電池アッセンブリ２４は、上端アッセンブリ３２と下端アッセンブリ３４との間に配置される。上端アッセンブリ３２及び下端アッセンブリ３４は、側壁によって所定の離間関係に保持される。現在の好ましい実施例では、側壁は少なくとも一つの側プレート３６を含む。この側プレート３６は、上端アッセンブリ３２及び下端アッセンブリ３４が燃料電池アッセンブリ２４に所定の圧縮力を加えるようにこれらの上下の端アッセンブリ３２、３４を所定の離間関係に保持する。周知の燃料スタック技術による燃料電池スタック２０は、入口３７、出口３８、及び反応体及びクーラント流体ストリームを燃料電池アッセンブリ２４に供給し、この燃料電池アッセンブリから排出するための通路（図示せず）を含む。
【００１８】
燃料電池アッセンブリ２４は、図４でわかるように、ＭＥＡ４０及びこのＭＥＡ４０の両側に配置された一対の双極プレートアッセンブリを持つ多数の繰り返しユニット即ち燃料電池２２を含む。各双極プレートアッセンブリ４２は、二つのガス分配層４２ｇ間に配置されたクーラント分配層４２ｃを含む。クーラント分配層４２ｃとガス分配層４２ｇとの間には不透過性セパレータープレート４４が配置されており、これらのプレートによりクーラントが収容され、陽極ガスストリーム及び陰極ガスストリームを分離する。燃料電池２２は、一つの電池の陽極ガス分配層４２ｇａと隣接した電池の陰極ガス分配層４２ｇｃとの間にＭＥＡ４０を配置したときに形成される。ＭＥＡ４０は、当該技術分野で周知のように様々な形態をとることができる。例えば、ＭＥＡ４０はポリマー電解質膜であってもよい。好ましくは、ポリマー電解質膜は、厚さが約０．０１８μｍ程度の薄い強化膜である。薄い強化ポリマー電解質膜は、従来技術で使用された厚さが約０．１７７８ｍｍ（約０．００７インチ）のポリマー電解質膜よりも遙かに薄い。本発明で使用する薄い強化ポリマー電解質膜は、燃料電池アッセンブリ２４の長さ３０の小さな割合しか占めず、スリップ即ち応力緩和が、従来技術の燃料電池スタックで使用された厚いポリマー電解質膜よりもかなり小さい。
【００１９】
燃料電池２２は、燃料電池アッセンブリ２４を形成するために積み重ね形体で配置されている。互いに隣接して積み重ねられて燃料電池アッセンブリ２４を形成する燃料電池２２の数は変化させることができる。燃料電池アッセンブリ２４を形成するのに使用される燃料電池２２の数は、燃料電池スタック２０の必要で決まる。即ち、大型の又は更に強力な燃料電池スタック２０が望ましい場合には、燃料電池アッセンブリ２４の燃料電池２２の数が増大する。当該技術分野で周知のように、燃料電池２２が更に効率的であり且つ更に大きな出力を発生するように、燃料電池２２を圧縮する必要がある。従って、燃料電池アッセンブリ２４は、上端アッセンブリ３２と下端アッセンブリ３４との間で圧縮される。好ましくは、燃料電池アッセンブリ２４の活性領域（図示せず）は、燃料電池アッセンブリ２４及び燃料電池アッセンブリ２４内の燃料電池２２の各々の効率を最大にするために均等に圧縮される。
【００２０】
図２及び図３を再度参照すると、上端アッセンブリ３２は燃料電池アッセンブリ２４の上端２６と隣接して位置決めされる。上端アッセンブリ３２は、内面４６及び外面４８の両面を持つ上端プレート４５を含む。この上端プレート４５の内面４６は、燃料電池アッセンブリ２４の上端２６に面する。上端プレート４５は、流体通路に連結された様々な入口３７及び出口３８を燃料電池アッセンブリ２４から燃料電池スタック２０の外部まで延長できる多くの開口部５０を有する。通路に連結される入口３７及び出口３８を備えた燃料電池スタック２０の端部は、「ウェット（ｗｅｔ）端」とも呼ばれる。
【００２１】
下端アッセンブリ３４は、燃料電池アッセンブリ２４の下端２８と隣接して位置決めされる。下端アッセンブリ３４は、内面６０及び外面６２の両面を持つ下端プレート５８を含む。この下端プレート５８は、その内面６０が燃料電池アッセンブリ２４の下端２８に面するように配向される。流体通路に連結される  口や出口がない場合、燃料電池スタック２０の下端２８は、「ドライエンド」としても周知である。
【００２２】
随意であるが、好ましくは、一つ又はそれ以上のスペーサプレート５２が燃料電池アッセンブリ２４と上下の端プレート４５、５８との間に配置されていてもよい。スペーサプレート５２は、端プレート４５、５８と燃料電池アッセンブリ２４の端部２６、２８との間に位置決めされ、スペーサプレート５２の内面５４は燃料電池アッセンブリ２４の端部２６、２８に面し、スペーサプレート５２の外面５５は端プレート４５、５８の内面５４、６０に面する。端子プレート５６が燃料電池アッセンブリ２４の端部２６、２８に位置決めされている場合には、スペーサプレート５２は、端子プレート５６と端プレート４５、５８との間に位置決めされ、スペーサプレート５２の内面５４は端子プレート５６に面する。スペーサプレート５２は端プレート４５、５８を端子プレート５６から分離する。スペーサプレート５２は、端アッセンブリ３２、３４で、スペーサプレート５２の厚さ５７が燃料電池アッセンブリ２４の長さ３０と整合するように配向される。好ましい実施例では、上下の端アッセンブリ３２、３４と関連したスペーサプレート５２が例示してあるが、スペーサプレート５２の数及び位置は、燃料電池スタック２０の設計及び用途に応じて変化するということは当業者には理解されよう。
【００２３】
上下の端プレート４５、５８の各々は、内面４６、６０を外面４８、６２から離間する上下の端プレート４５、５８の周側壁６４を有する。周側壁６４は燃料電池アッセンブリ２４の長さ３０と整合している。好ましくは、添付図面に示すように、燃料電池スタック２０は全体に矩形形状であり、上下の端プレート４５、５８もまた矩形形状である。矩形形状の上下の端プレート４５、５８の周側壁６４は、互いにほぼ垂直な第１及び第２の対をなした両側壁６６、６８を含む。第１及び第２の対をなした両側壁６６、６８の各々は、ねじ山を備えた一つ又はそれ以上のボア７０を有し、これらのボアは、側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に固定するため、ねじ山を備えたファスナ８０を受け入れる。
【００２４】
上述のように、上下の端アッセンブリ３２、３４が燃料電池アッセンブリ２４に圧縮力を加える。燃料電池アッセンブリ２４に加えられる圧縮力は、上下の端プレート４５、５８を所定の離間関係に保持することによって発生される。好ましくは、上下の端プレート４５、５８は、側プレート３６によって所定の離間関係に保持される。各側プレート３６は第１端７２及び第２端７４の両端を有し、これらの間に長さ７６を有する。各側プレート３６は、第１端７２が上端プレート４５と隣接しており且つ第２端７４が下端プレート５８と隣接するように燃料電池スタック２０で配向されており、側プレート３６の長さ７６が燃料電池アッセンブリ２４の長さ３０と整合する。随意であるが、好ましくは、側プレート３６は端プレート４５、５８の周側壁６４に沿って延びる。各側プレート３６の第１端７２及び第２端７４には、燃料電池アッセンブリ２４が圧縮されたときに上下の端プレート４５、５８の周側壁６４のねじ山を備えたボア７０と整合する一つ又はそれ以上の開口部７８が設けられている。好ましくは、開口部７８はスロットの形態であり、そのため上下の端プレート４５、５８を所定の離間関係で保持できる。これらのスロットにより、燃料電池スタック２０の様々な構成要素の大きさを変化させることができ、更に上下の端プレート４５、５８を所定の離間関係に保持できる。好ましくは、ねじ山を備えた機械式ファスナ８０を使用して側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に取り付けることができるが、側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に取り付けるこの他の手段を、特許請求の範囲に定義した本発明の範囲から逸脱することなく、使用できるということは当業者には理解されよう。これに関し、側プレート３６及び端プレート４５、５８によって形成された接合部は、これらの間の界面での相対的回転に耐えるのに十分でなければならない。例えば、側プレート３６の第１及び第２の端部７２、７４を上下の端プレート４５、５８の夫々にリベットやピン等の他の機械式ファスニング手段で、又は溶接、鑞付け、又は接着剤結合等の様々な結合手段で固定してもよく、これは本発明の精神の範疇にある。更に、側プレート３６の端部７２、７４のうちの一方を曲げて保持エレメント（図示せず）を形成してもよいということは理解されよう。この保持エレメントは、端プレート４５、５８を保持するため、これらの端プレート４５、５８のうちの一方に位置決めできる。この際、側プレート３６の反対側の端部７２、７４は反対側の端プレート４５、５８に取り付けられ、これらの端プレートを所定の離間関係に保持する。
【００２５】
各側プレート３６は、端子プレート５６に設けられた端子ブロック８３を燃料電池スタック２０の外部に延ばすことができる一つ又はそれ以上の開口部８２を必要に応じて備えていてもよい。好ましくは、各側プレート３６は、電気的に接地されており、燃料電池アッセンブリ２４を電磁干渉から保護する。更に好ましくは、各側プレート３６は金属製である。上下の端プレート４５、５８を所定の離間関係に保持するのに使用される側プレート３６は、上下の端プレート４５、５８を所定の離間関係に維持すると同時に上下の端プレート４５、５８が燃料電池アッセンブリ２４に圧縮力を加えてこの力を維持するように寸法が定められている。側プレート３６の幅が比較的大きいため、圧縮荷重を伝えるために必要な引張強度を提供するために必要とされる厚さが比較的小さい。本発明のこの特徴は、燃料電池アッセンブリの周囲及び／又は燃料電池アッセンブリを通して軸線方向ロッドを使用する従来技術よりも重量の軽減がなされるということを表す。
【００２６】
好ましくは、一つ又はそれ以上の側プレート３６が燃料電池アッセンブリ２４の少なくとも一部を包囲し、燃料電池アッセンブリ２４に不時の損傷に対する保護を提供する。更に好ましくは、側プレート３６は燃料電池アッセンブリ２４の全体を包囲し、燃料電池アッセンブリ２４及び燃料電池スタック２０用の保護カバーを提供する。従って、側プレート３６は、衝撃、打撃、及び他の様々な性質の攻撃に耐えると同時に燃料電池アッセンブリ２４及び燃料電池スタック２０をこれらの衝撃、打撃、及び他の攻撃による損傷から保護するように寸法が定められる。このようにして、側プレート３６は、燃料電池アッセンブリ２４に圧縮荷重を加えてこの荷重を維持する所定の離間関係に上下の端プレート４５、５８を保持するように作用するばかりでなく、燃料電池アッセンブリ２４及び燃料電池スタック２０に対して保護包囲体を提供する。保護機能を実施するために側プレート３６を使用することにより、燃料電池スタック２０に対する不時の打撃、衝撃、又は他の攻撃から保護するために従来技術の燃料電池スタックで行われていたように追加の構造を燃料電池スタック２０の周囲に配置する必要をなくす。
【００２７】
上端アッセンブリ３２及び／又は下端アッセンブリ３４に随意に含まれるスペーサプレート５２は様々な目的で役立つ。即ち、スペーサプレート５２は一つ又はそれ以上の理由で燃料電池スタック２０に設けることができる。例えば、スペーサプレート５２は上下の端プレート４５、５８を端子プレート５６から分離するために使用できる。端子プレート５６は、上文中に説明したように導電性であり、電流を燃料電池スタック２０から端子ブロック８３を通して取り出すのに使用される。上端プレート４５及び／又は下端プレート５８が導電性である場合、上端プレート４５及び／又は下端プレート５８と端子プレート５６との間に位置決めされたスペーサプレート５２により、上端プレート４５及び／又は下端プレート５８を端子プレート５６から電気的に絶縁できる。スペーサプレート５２は、燃料電池スタック２０の全体寸法を制御するのにも使用できる。即ち、所定の長さを持つ燃料電池スタック２０を提供するため、一つ又はそれ以上のスペーサプレート５２を燃料電池アッセンブリ２４と上端プレート４５及び／又は下端プレート５８との間に位置決めできる。この際、端アッセンブリ３２、３４は、以下に詳細に説明するように、燃料電池アッセンブリ２４に圧縮力を加えたままである。現在、スペーサプレート５２の厚さ５７は、適当な電気絶縁を提供し、燃料電池スタック２０の寸法を均等にするため、約８ｍｍ乃至１８ｍｍの範囲である。しかしながら、特定の用途及び設計仕様でスペーサプレート５２の厚さ５７が決まるということは当業者には理解されよう。スペーサプレート５２は、燃料電池アッセンブリ２４に以下に更に詳細に論じるようにほぼ均等な圧縮荷重を加えるため、上端プレート４５及び／又は下端プレート５８と組み合わせて使用することもできる。
【００２８】
好ましくは、スペーサプレート５２は非導電性であり、燃料電池スタック２０の様々な構成要素を電気的に絶縁するのに役立つ。従って、スペーサプレート５２は、好ましくは、プラスチック等の不導体から形成される。更に好ましくは、スペーサプレート５２をエンジニアリング等級の高性能プラスチックから形成する。一つ又はそれ以上のスペーサプレート５２を形成するのに使用されたエンジニアリング等級の高性能プラスチックは、圧縮荷重を上端プレート４５及び／又は下端プレート５８から燃料電池アッセンブリ２４の上端２６及び下端２８の夫々に伝達するように、燃料電池アッセンブリ２４に大きな圧縮荷重が加わった状態で比較的非圧縮性（即ち応力緩和が低い）である。詳細には、ポリセニレンスルフィドがスペーサプレート５２を形成する特に有効な材料であることがわかっている。ポリセニレンスルフィドは、シェブロン・フィリップス・ケミカル社Ｌ．Ｐ．が販売しているライトン（ＲＹＴＯＮ）ＰＰＳの商標で、及びドイツ国フランクフルトのセラネーゼＡＧが販売しているフォートロン（ＦＯＲＴＲＯＮ）の商標で入手できる。好ましくは、図８でわかるように、スペーサプレート５２には一つ又はそれ以上の穴８４が設けられ、これによりスペーサプレート５２の重量が軽減される。
【００２９】
上述のように、上下の端プレート４５、５８は、側プレート３６によって所定の離間関係に保持され、圧縮荷重を燃料電池アッセンブリ２４に加える。上述のように、上下の端プレート４５、５８は側プレート３６によって所定の離間関係に保持される。燃料電池アッセンブリ２４の上端２６及び下端２８に発生する圧縮荷重は、周側壁６４からの距離に応じて変化し、圧縮荷重は、周側壁６４に沿って最大であり、上下の端プレート４５、５８の中央で最小である。即ち、上下の端プレート４５、５８は、それらの周側縁に沿ってのみ保持されるため、上下の端プレート４５、５８は燃料電池アッセンブリ２４に加えられる圧縮荷重に応じて変形し即ち撓み、上下の端プレート４５、５８の周側壁６４を更に離すように移動させることができない。燃料電池スタック２０の効率が、部分的には燃料電池アッセンブリ２４の活性領域に亘って加えられる均等な圧縮荷重で決まるため、燃料電池アッセンブリ２４の全活性領域に亘ってほぼ均等な圧縮荷重を維持するのが望ましい。
【００３０】
ほぼ均等な荷重を得るための一つの手段は、上下の端プレート４５、５８の厚さを厚くすることによって剛性にすることである。その結果、上下の端プレート４５、５８で生じる撓みにより燃料電池アッセンブリ２４の効率に及ぼされる効果が小さくなる。しかしながら、この厚さを加えると、上下の端プレート４５、５８は過度に厚くなり、燃料電池スタック２０に過度の重量を追加し、これによって燃料電池スタックの重量及び容積についての効率が低下する。比較的剛性の端プレート４５、５８を提供する必要をなくすため、これらの端プレート４５、５８を、随意であるが、スペーサプレート５２及び端子プレート５６に取り付ける。その結果、スペーサプレート５２の剛性及び端子プレート５６の剛性が端アッセンブリ３２、３４の全体としての剛性に寄与し、燃料電池アッセンブリ２４の活性領域に亘ってほぼ均等な圧縮荷重を加えるのに必要な端プレート４５、５８の厚さを小さくする。即ち、図７のＡ及びＢでわかるように、端子プレート５６、スペーサプレート５２、及び端プレート４５、５８を互いに取り付けてこれらの剛性を組み合わせ、燃料電池アッセンブリ２４の活性領域にほぼ均等な圧縮荷重を加えることができる端アッセンブリ３２、３４を形成する。図７のＡでわかるように、端子プレート５６は、ねじ山を備えたボルトやねじ等の機械式ファスナ８６によってスペーサプレート５２に連結でき、組み合わせた端子プレート５６及びスペーサプレート５２を一方の端プレート４５、５８に機械式ファスナ８７を介して取り付けることができる。別の態様では、端子プレート５６、スペーサプレート５２、及び一方の端プレート４５、５８を夫々の構成要素間に配置された接着剤層８８によって取り付けてもよい。これによって、端子プレート５６の剛性及びスペーサプレート５２の剛性を端プレート４５、５８の剛性と組み合わせ、薄い端プレートで燃料電池アッセンブリ２４の活性領域にほぼ均等な圧縮荷重を加えることができる端アッセンブリ３２、３４を提供する。この場合に必要とされるのは、端子プレート５６又はスペーサプレート５２が端プレート４５、５８に取り付けられていない状態で比較的薄い端プレート４５、５８である。
【００３１】
別の態様では及び／又は追加として、端プレート４５、５８及び／又はスペーサプレート５２は、過度に厚い端プレート４５、５８を使用する必要なしに端プレート４５、５８の撓みを補償し、燃料電池アッセンブリ２４の活性領域に亘ってほぼ均等な圧縮荷重を加える賦形面を備えていてもよい。即ち、上端プレート４５及び単一のスペーサプレート５２だけを示す図５のＡ乃至Ｇでわかるように、上端プレート４５の内面４６は、上端プレート４５の厚さが周側壁６４に沿って最小であり且つ上端プレート４５の中央で最大であるように、上端プレート４５から遠ざかる方向で燃料電池アッセンブリ２４の上端２６に向かって湾曲しているような寸法を備えていてもよい。上端プレート４５の内面４６は、上端プレート４５がその周側壁６４に沿って下端プレート５８から所定の離間関係に保持されると同時に所望の大きさの圧縮荷重を燃料電池アッセンブリ２４の活性領域に加えるために上端プレート４５で生じる撓みを考慮して賦形される。図６のＡ乃至Ｃは、上端プレート４５の内面４６の例示の賦形を示す。わかるように、上端プレート４５は、そのほぼ中央に最大厚さを有する。
【００３２】
変形例では、及び／又は追加として、スペーサプレート５２は、上端プレート４５で生じる撓みを考慮して賦形された内面５４及び／又は外面５５を備えていてもよい。即ち、スペーサプレート５２は、厚さがスペーサプレート５２の周囲に沿って最小でスペーサプレート５２の中央で最大であるように形成できる。例えば、図５のＧに示すように、スペーサプレート５２の内面５４は、スペーサプレート５２から燃料電池アッセンブリ２４の上端２６に向かって延びるように賦形されていてもよく、図５のＥに示すように、スペーサプレート５２の外面５５は、端プレート４５によって燃料電池アッセンブリ２４の活性領域にほぼ均等な圧縮荷重を加えることができるように、スペーサプレート５２から上端プレート４５に向かって延びるように賦形されていてもよい。別の態様では、図５のＦでわかるように、燃料電池アッセンブリ２４の活性領域にほぼ均等な圧縮荷重を加えることができるように、スペーサプレート５２の内面５４及び外面５５の両方を、スペーサプレート５２から燃料電池アッセンブリ２４の上端２６及び上端プレート４５の夫々に向かって延びるように賦形してもよい。
【００３３】
スペーサプレート５２の内面５４及び外面５５の形状、及び上端プレート４５の内面４６の形状の様々な組み合わせが図５のＡ乃至Ｇに示してある。上端プレート４５及び／又はスペーサプレート５２の表面の賦形形状は、燃料電池アッセンブリ２４の上端２６及び下端２８の両方がほぼ均等な圧縮荷重を受け取るように、上端プレート４５の撓みばかりでなく下端プレート５８の撓みも考慮に入れて定めることができる。同様に、下端アッセンブリ３４の構成要素が燃料電池アッセンブリ２４の活性領域にほぼ均等な圧縮荷重を加えるように、下端アッセンブリ３４の下端プレート５８の内面６０及びスペーサプレート５２の内面５４及び５５もまた同様に賦形できるということは理解されるべきである。燃料電池アッセンブリ２４の活性領域に亘って更に均等な圧縮荷重が得られるように、内面４６には様々な局所的特徴が設けられていてもよいということは当業者には理解されよう。従って、上端アッセンブリ３２の構成要素及び／又は下端アッセンブリ３４の構成要素は、燃料電池アッセンブリ２４の活性領域にほぼ均等な圧縮荷重を加えるため、それらの表面が、単独で又は同時に賦形されていてもよいということは理解されるべきである。更に、様々な図に示す寸法は例示の目的で誇張されているということは理解されるべきであり、燃料電池スタック２０の各構成要素に対して大きさが定められていると受け取られるべきではない。即ち、端プレート４５、５８の撓み、及び端プレート４５、５８及びスペーサプレート５２の表面を賦形することによる補正は、本発明の原理を良好に例示するために誇張されているということは理解されるべきである。燃料電池スタック２０の様々な構成要素を説明するために上、及び下という用語を使用することは、絶対的な基準であると解釈されるべきではなく、むしろ、燃料電池スタック２０の構成要素の相対的関係を提供するものであると解釈されるべきである。
【００３４】
燃料電池スタック２０を全体に矩形形状の形体を備えているものとして説明し例示したが、燃料電池スタック２０の形状は、様々な形体をとることができ、それでも、特許請求の範囲に定義された本発明の範疇に含まれるということは理解されるべきである。例えば燃料電池スタック２０は円筒形であってもよく、燃料電池アッセンブリ２４及び上下の端アッセンブリ３２、３４もまた円筒形であってもよい。燃料電池スタック２０が円筒形である場合には、側プレート３６は、上下の端アッセンブリ３２、３４及び燃料アッセンブリ２４が挿入された単一の円筒形スリーブであってもよい。側プレート３６は円筒形スリーブの部分であってもよく、燃料電池スタック２０の構成要素を包囲していてもよい。従って、側プレートという用語の使用は、平らなプレートに限定されるべきではなく、むしろ、平らなプレートであってもよいし湾曲したプレートであってもよく、燃料電池スタック２０の特定の形状で決まる様々な形状を備えたプレートであってもよい。
【００３５】
上述のように、燃料電池スタック２０は、燃料電池アッセンブリ２４が更に効率的であるように圧縮荷重が加わった状態に維持された燃料電池アッセンブリ２４を有する。本発明は、更に、圧縮荷重が加わった燃料電池アッセンブリ２４を持つ燃料電池スタック２０の様々な製造方法を含む。第１の方法である所定圧縮荷重方法では、図９のＡ及びＢ、及び図１１でわかるように、燃料電池アッセンブリ２４及び／又は燃料電池スタック２０を外部圧縮荷重で圧縮する。これにより、所定の大きさＦの内部圧縮荷重が燃料電池アッセンブリ２４に発生する。次いで、側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に固定し、外部圧縮荷重が燃料電池アッセンブリ２４及び／又は燃料電池スタック２０から取り除かれた場合に上下の端プレート４５、５８を所定の離間関係に維持する。外部圧縮荷重が取り除かれた後に上下の端プレート４５、５８が所定の離間関係に維持されるため、以下に更に詳細に論じるように、燃料電池アッセンブリ２４には上下の端プレート４５、５８によって内部圧縮荷重が加えられたままである。
【００３６】
第２の方法、即ち所定圧縮距離方法では、図１０のＡ及びＢ、及び図１２でわかるように、燃料電池アッセンブリ２４及び／又は燃料電池スタック２０を外部圧縮荷重Ｃによって所定距離Ｄだけ圧縮する。換言すると、外部圧縮荷重の大きさは、燃料電池アッセンブリ２４を所定距離Ｄだけ圧縮するのに十分である。次いで、側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に（以下に更に詳細に説明するように）取り付ける。次いで、外部圧縮荷重を取り除く。上下の端プレート４５、５８はそれらの所定の離間関係のままである。燃料電池アッセンブリ２４は全体に所定距離Ｄだけ圧縮されたままであり、内部圧縮荷重が加わっている。
【００３７】
上述のように、所定の大きさＦの圧縮荷重が加わった燃料電池アッセンブリ２４を持つ燃料電池スタック２０を製造する所定圧縮荷重方法は、燃料電池スタック２０に外部圧縮荷重を加える工程を含む。所定圧縮荷重方法は、１）燃料電池アッセンブリ２４を、燃料電池アッセンブリ２４の上端２６が上端プレート４５と隣接し、燃料電池アッセンブリ２４の下端２８が下端プレート５８と隣接した状態で上下の端プレート４５、５８の間に位置決めする工程、２）燃料電池アッセンブリ２４が圧縮され、所定の大きさＦの内部圧縮力が加わるように、外部圧縮力を端プレート４５、５８の少なくとも一方に加える工程、３）側プレート３６の第１及び第２の端部が上下の端プレート４５、５８の夫々に取り付けられるように側プレート３６を端プレート４５、５８に取り付ける工程、及び４）端プレート４５、５８の少なくとも一方に加えられた外部圧縮力を取り除く工程を含み、これによって、上下の端プレート４５、５８は所定の離間関係のままであり、所定の大きさＦとほぼ等しい圧縮力を燃料電池アッセンブリ２４に維持する。所定圧縮荷重方法は、これによって、所定の大きさＦとほぼ等しい圧縮力が燃料電池アッセンブリ２４に加わった燃料電池スタック２０を提供する。
【００３８】
これとは対照的に、所定圧縮距離方法を燃料電池スタック２０の組み立てに使用する場合には、燃料電池スタック２０及び／又は燃料電池アッセンブリ２４を、所定の大きさＦの圧縮力で圧縮するのでなく、所定距離Ｄだけ圧縮する。所定距離Ｄについての基準点は、燃料電池アッセンブリ２４自体の全長であってもよい。従って、燃料電池スタック２０を圧縮するためではなく、燃料電池アッセンブリ２４を所定距離Ｄだけ圧縮するためにだけ別の基準が付けられる。従って、燃料電池スタック２０を所定距離Ｄだけ圧縮することによっても燃料電池アッセンブリ２４を所定距離Ｄだけ圧縮することができるということは理解されるべきである。好ましくは、所定距離Ｄは、所定の圧縮力を燃料電池アッセンブリ２４に加えることと相当し、これにより、燃料電池スタック２０が効率的に作動される。燃料電池アッセンブリ２４を圧縮するための所定距離Ｄは、様々な方法で決定できる。例えば、所定距離Ｄは、燃料電池アッセンブリ２４を構成する各燃料電池２２についての所定の圧縮距離に基づいて計算でき、又は以下に更に詳細に論じるように、既知の数の燃料電池２２を含む燃料電池アッセンブリ２４を圧縮することによる過去の経験からの経験的データに基づいて計算できる。ひとたび所定距離Ｄが決定された後、外部圧縮荷重を燃料電池スタック２０に加え、燃料電池スタック２０及び／又は燃料電池アッセンブリ２４を所定距離Ｄだけ圧縮する。次いで、側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に取り付け、外部圧縮荷重を取り除く。結果的に得られた燃料電池スタック２０は、所定距離Ｄだけ圧縮された、燃料電池スタック２０の効率的作動と対応する内部圧縮荷重を持つ燃料電池アッセンブリ２４を有する。
【００３９】
所定距離Ｄが計算に基づく（即ち各燃料電池についての所定距離の圧縮に基づく）場合、各燃料電池２２は所定距離圧縮される。燃料電池アッセンブリ２４を圧縮する所定距離Ｄは、燃料電池アッセンブリ２４内の燃料電池２２の数ｎに各燃料電池２２の圧縮されるべき距離ｄを乗じることによって計算される。換言すると、Ｄ＝ｎ×ｄによって計算される。各燃料電池２２の所定の圧縮距離は、燃料電池アッセンブリ２４の効率的作動を提供するのとほぼ対応する大きさの所定の圧縮力を燃料電池２２に提供するために選択される。即ち、各燃料電池２２が圧縮されるべき所定距離ｄは、燃料電池２２の物理的特定及び燃料電池２２を効率的に作動させるのに必要な圧縮量に基づく。結果的に得られた燃料電池スタック２０は、所定距離Ｄだけ圧縮されており且つ燃料電池アッセンブリ２４の効率的作動と対応する圧縮荷重が加わった燃料電池アッセンブリ２４を有する。
【００４０】
経験的データに基づく場合、燃料電池アッセンブリ２４を圧縮するための所定距離Ｄは、過去の経験から決定され、各燃料電池２２を所定距離圧縮するのでなく、燃料電池アッセンブリ２４を既知の圧縮荷重で圧縮する。結果的に得られた所定距離Ｄは、両方法で同じであってもよい。燃料電池アッセンブリ２４を構成する燃料電池２２の組成がほぼ均等であるため、燃料電池２２の各種類に対し、燃料電池２２の数と、燃料電池アッセンブリ２４に既知の大きさの圧縮力を加えた場合に生じる燃料電池アッセンブリ２４及び／又は燃料電池スタック２０の圧縮距離との間におおまかな相関を確立できる。この相関は、燃料電池アッセンブリ２４を圧縮して所望の大きさの圧縮力を燃料電池アッセンブリ２４に加えるための所定距離Ｄを、燃料電池アッセンブリ２４を構成する燃料電池２２の数に基づいて決定するのに使用できる。例えば、経験的データによれば、２５０個の燃料電池を含む燃料電池アッセンブリを距離Ｘ及び４Ｘの夫々で圧縮すると、所望の大きさの圧縮力が加えられることが示される。１００個の同様の燃料電池２２を含む燃料電池アッセンブリ２４を持つ燃料電池スタック２０を距離２Ｘだけ圧縮し、相関に基づいてほぼ同じ所望の大きさの圧縮力を燃料電池アッセンブリ２４に加える。
【００４１】
任意の所与の種類の燃料電池２２の組成に或る程度のばらつきがあるため、燃料電池アッセンブリ２４に結果的に加えられる圧縮力が変化する。結果的圧縮力の変化量は、相関の精度及び燃料電池２２のばらつきで決まる。好ましくは、結果的圧縮力は、ばらつきが燃料電池スタック２０の効率に悪影響を及ぼすため、所望の大きさの前後の受容可能な範囲内で変化する。経験的データ方法は、これによって、燃料電池アッセンブリ２４が所定距離Ｄだけ圧縮された場合、燃料電池アッセンブリ２４の効率的作動と対応する所望の大きさとほぼ同じ圧縮力が加わった燃料電池アッセンブリ２４を持つ燃料電池スタック２０を提供する。
【００４２】
上述のように、スペーサプレート５２は、燃料電池スタック２０を所定の即ち均等な長さＬにするのに使用できる。即ち、スペーサプレート５２は、燃料電池スタック２０が所定の即ち均等な長さＬであるように空間を専有するために燃料電池スタック２０で使用できる。均等な長さＬは、多くの利点を提供する。例えば、均等な長さＬにより、燃料電池スタックを容易に交換でき、燃料電池スタック２０を使用する装置の燃料電池スタック２０用の空間を標準化できる。
【００４３】
本発明は、図１３のａ及びｂに示す、均等な長さＬを持つ燃料電池スタック用の様々な組み立て手順を提供する。燃料電池スタック２０の所望の所定の即ち均等な長さＬは、工業規格や選択された長さ等の既知の長さのいずれであってもよい。いずれの場合でも、全長Ｌは既知の量である。上下の端プレート４５、５８、燃料電池スタック２０で使用された任意の端子プレート５６、及び端部アッセンブリ３２、３４の任意の他の構成要素の厚さは、計測でき、及びかくして既知の量である。これらの既知の量／寸法に基づき、燃料電池アッセンブリ２４が配置されるべき燃料電池スタック２０内の空間を計算でき、及び従って、これもまた既知の量である。即ち、燃料電池アッセンブリ２４が配置されるべき燃料電池スタック２０内の空間の長さは、燃料電池スタック２０の所定の即ち均等な長さＬから、端プレート４５、５８、任意の端子プレート５６、及び端部アッセンブリ３２、３４の任意の他の構成要素の寸法を減じた長さと等しい。唯一の知られていない寸法は、燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０である。燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０は、上文中に説明したように、燃料電池スタック２０を形成するのに使用される方法、及び燃料電池アッセンブリ２４を構成する燃料電池２２の数に応じて変化する。
【００４４】
上述のように、所定の即ち均等な長さＬを持ち、所定の大きさＦとほぼ等しい圧縮荷重が燃料電池アッセンブリ２４に加わった燃料電池スタック２０を形成するため、スペーサプレート５２を所定圧縮荷重方法で使用できる。これを行うため、一つ又はそれ以上のスペーサプレート５２の必要な組み合わせ厚さを確認できるように、燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０又は燃料電池スタック２０の圧縮長さのいずれかを決定する必要がある。
【００４５】
燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０は、（１）所定の大きさＦの内部圧縮荷重が得られるように、図９のＡでわかるように燃料電池アッセンブリ２４を外部圧縮荷重で圧縮し、圧縮長さ３０を計測することによって、又は（２）所定の大きさＦの内部圧縮荷重が燃料電池アッセンブリ２４に加わるように、図９のＢでわかるように燃料電池スタック２０を外部荷重で圧縮し、（Ａ）燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０を計測するか或いは（Ｂ）燃料電池スタック２０の圧縮長さを計測し、端プレート４５、５８、端子プレート５６、及び端部アッセンブリ３２、３４の任意の他の構成要素の既知の寸法を減じることによって燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０を計算するかのいずれかを行うことによって決定できる。燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０が決定された後、燃料電池アッセンブリ又は燃料電池スタック２０から外部圧縮荷重を取り除くことができる。燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０を使用し、スペーサプレート５２の必要な組み合わせ長さを計算し、所定の即ち均等な長さＬを持つ燃料電池スタック２０を形成する。スペーサプレート５２の必要な組み合わせ長さは、燃料電池アッセンブリ２４が配置されるべき（上文中に論じたように）空間の長さと燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０との間の差と等しい。従って、スペーサプレート５２の必要な組み合わせ長さを計算できる。
【００４６】
別の態様では、所定の大きさＦの内部圧縮荷重が燃料電池アッセンブリ２４に加わった燃料電池スタック２０の圧縮長さを使用できる。燃料電池スタック２０の圧縮長さは、所定の大きさＦの内部圧縮荷重が燃料電池アッセンブリ２４に加わるように燃料電池スタック２０を外部圧縮荷重で圧縮し、次いで燃料電池スタック２０の圧縮長さを計測することによって決定できる。次いで、燃料電池スタックに加わる外部圧縮荷重を取り除く。燃料電池スタック２０の所定の即ち均等な長さＬと燃料電池スタック２０の計測した圧縮長さとの間の差を計算する。計算した差が、スペーサプレート５２の必要な組み合わせ長さである。
【００４７】
スペーサプレート５２の必要な組み合わせ長さが決定された後、必要な組み合わせ厚さを持つ一つ又はそれ以上のスペーサプレート５２を選択する。選択されたスペーサプレート５２を上端プレート４５及び／又は下端プレート５８と燃料電池アッセンブリ２４の上端２６及び／又は下端２８の夫々との間に位置決めする。スペーサプレート５２は、スペーサプレート５２の組み合わせ厚さが燃料電池アッセンブリ２４の長さ３０と整合するように配向される。次いで、燃料電池スタック２０がほぼ所定の即ち均等な長さＬであるように、燃料電池スタック２０に外部圧縮荷重を加えることによって、燃料電池スタック２０を圧縮する。所定の即ち均等な長さＬを持つ燃料電池スタック２０の結果的内部圧縮荷重は、所定の大きさＦとほぼ等しくなければならない。次いで、上下の端プレート４５、５８が燃料電池スタック２０をほぼ所定の即ち均等な長さＬに保持するように、側プレート３６を上下の端プレート４５、５８に固定する。最後に、燃料電池スタック２０から外部圧縮荷重を取り除く。燃料電池スタック２０の結果的長さは、所定の即ち均等な長さＬとほぼ等しく、燃料電池アッセンブリ２４は、ほぼ所定の大きさＦで圧縮される。
【００４８】
燃料電池スタック２０を製造するための所定圧縮距離方法もまた、所定の即ち均等な長さＬの燃料電池スタック２０を製造するためにスペーサプレート５２を使用できる。スペーサプレート５２の必要な組み合わせ厚さは、燃料電池スタック２０についての所望の所定の即ち均等な長さＬ、燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０、及び端部アッセンブリ３２、３４を構成する構成要素の厚さに基づく。燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０は、所定距離Ｄを燃料電池アッセンブリ２４の未圧縮長さ３１から減じることによって計算される。燃料電池アッセンブリ２４の圧縮長さ３０、及び端プレート４５、５８、端子プレート５６、及び端部アッセンブリ３２、３４を構成する任意の他の構成要素の厚さを、燃料電池スタック２０の所定の即ち均等な長さＬから減じ、スペーサプレート５２の必要な組み合わせ厚さを算出する。次いで、スペーサプレート５２の組み合わせ厚さが必要な全体厚さとほぼ等しいようにスペーサプレート５２を選択する。次いで、上文中に論じたように、選択されたスペーサプレート５２を燃料電池スタック２０に追加する。結果的に得られた燃料電池スタック２０は、全体として所望の所定の即ち均等な長さＬを有し、燃料電池アッセンブリ２４は所定距離Ｄに全体に圧縮され、内部圧縮荷重は燃料電池アッセンブリ２４の効率的作動と対応する。
【００４９】
本明細書中、「全体に」という副詞を用語に使用したとき、説明したファクタの大きさが所望の大きさに対する受容可能な許容差の範囲内にあるということを意味するということは理解されるべきである。
【００５０】
本発明の説明は単なる例示であって、本発明の要旨の範疇の変更は本発明の範疇に吹き生まれる。このような変更は、本発明の精神及び範囲からの逸脱であるとは見做されない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の電気化学的燃料電池スタックの斜視図である。
【図２】図１の電気化学的燃料電池スタックの２−２線に沿った概略断面図である。
【図３】電気化学的燃料電池スタックへの側プレートの取り付けを示す、図１の電気化学的燃料電池スタックの部分分解斜視図である。
【図４】燃料電池の詳細を示す概略部分図である。
【図５】Ａ乃至Ｇは、本発明の電気化学的燃料電池スタックの端プレート及びスペーサプレートの様々な形体の断面図である。
【図６】Ａは、本発明の原理による端プレートの賦形内面の平面図であり、Ｂは、図６のＡの端プレートのＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、Ｃは、図６のＡの端プレートのＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図７】Ａ及びＢは、端部アッセンブリの構成要素の様々な取り付け方法を示す、本発明の電気化学的燃料電池スタックの端部アッセンブリの概略断面図である。
【図８】スペーサプレートの重量を軽減するために穴を使用することを示す、本発明の電気化学的燃料電池スタックで使用するスペーサプレートの斜視図である。
【図９】Ａ及びＢは、所定の大きさＦの圧縮力による燃料電池アッセンブリ及び燃料電池スタックの夫々の圧縮を示す、図１の電気化学的燃料電池スタックの概略断面図である。
【図１０】Ａ及びＢは、燃料電池アッセンブリ及び燃料電池スタックを所定距離Ｄだけ圧縮することを示す、図１の電気化学的燃料電池スタックの概略断面図である。
【図１１】本発明の原理による燃料電池スタックを製造する所定力圧縮方法を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の原理による燃料電池スタックを製造する所定圧縮距離方法を示すフローチャートである。
【図１３ａ】所定の即ち均等な長さの燃料電池スタックを製造するためのスペーサプレートを使用する工程を示すフローチャートである。
【図１３ｂ】所定の即ち均等な長さの燃料電池スタックを製造するためのスペーサプレートを使用する工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５２】
２０  電気化学的燃料電池スタック
２２  燃料電池
２４  燃料電池アッセンブリ
２６  上端
２８  下端
３０  圧縮長さ
３１  非圧縮長さ
３２  上端アッセンブリ
３４  下端アッセンブリ
３６  側プレート
３７  入口
３８  出口
４０  ＭＥＡ
４２  双極プレートアッセンブリ
４２ｃ  クーラント分配層
４２ｇ  ガス分配層
４２ｇａ  陽極ガス分配層
４２ｇｃ  陰極ガス分配層
４４  不透過性セパレータープレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【国際調査報告】
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