(57)【要約】本発明は、改良された加圧板（４０）および集電体（２４）を有する燃料電池スタック（１０）である。燃料電池スタック（１０）は、燃料電池スタックの反応部（１４）を形成するために互いに隣接して積み重ねられた複数の燃料電池部品板（１２）を含む。集電体（２４）は、集電体（２４）に隣接して固定された板（４０）の第一の端部（１８）に隣接して固定されている。集電体８２４）は、無孔質電気伝導性黒鉛材料から作られており、集電体（２４９）に固定された少なくとも一つの導電性スタッド（２８）を備える。加圧板（４０）は、電気非伝導性の非金属製繊維強化複合材料で作られており、その結果、集電体（２４）および加圧板（４０）は、軽量かつ小型であり、低い熱容量を有する。
2005524949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
還元性流体およびプロセス酸化剤反応物流れから電気を生成するための燃料電池スタック１０であって、
ａ．燃料電池スタック１０の反応部１４を形成するように互いに隣接して積み重ねられた複数の燃料電池部品板１２であって、燃料電池部品板１２のスタックの第一の端部１８に第一の端部電池部品板１６と、燃料電池部品板１２のスタックの反対側の第二の端部２２に第二の端部電池部品板２０とを備える燃料電池部品板１２と、
ｂ．無孔質電気伝導性黒鉛材料から作られており、端部電池部品板１６に隣接して固定された集電体２４であって、集電体２４に固定され、端部電池部品板１６から離れる方向に集電体２４から遠ざかって突出する少なくとも一つの導電性スタッド２８を備える集電体２４と、
ｃ．電気非伝導性の非金属製繊維強化複合材料で作られており、集電体２４に隣接して固定され、端部電池部品板１６に載上する加圧板４０と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック１０。
【請求項２】
集電体２４と加圧板４０との間に固定された断熱材３６をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項３】
集電体２４は、２５ジーメンス毎センチメートルに等しいか、それより大きい導電率を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項４】
加圧板２４は、加圧板２４の周囲と端部電池部品板１６までの間に延びているガスシール５７を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項５】
集電体２４に固定され、加圧板４０を貫いて突出する複数の導電性スタッド２８、３０をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項６】
集電体２４は、集電体２４が加圧板４０のくぼみ９８内に面一に取付けられるように、加圧板４０内に画成されたくぼみ９８内に嵌合するのに必要な寸法にされていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項７】
集電体２４は、電気伝導性黒鉛材料の層３９に固定された金属層３９を含み、集電体２４は、金属層３９が電気伝導性黒鉛材料の層と電気非伝導性の非金属製繊維強化加圧板４０との間に配置されるように、固定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項８】
加圧板４０は、冷却流体の流れを加圧板４０を通じて燃料電池スタック１０内に導くための、加圧板４０と一体の少なくとも一つの冷却剤母管４８を画成することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック１０。
【請求項９】
還元性流体およびプロセス酸化剤反応物流れから電気を生成するための燃料電池スタック１０であって、
ａ．燃料電池スタックの反応部１４を形成するように互いに隣接して積み重ねられた複数の燃料電池部品板１２であって、燃料電池部品板１２のスタック１０の第一の端部１８に第一の端部電池部品板１６と、燃料電池部品板１２のスタック１０の反対側の第二の端部２２に第二の端部電池部品板２０とを備える燃料電池部品板１２と、
ｂ．第一の端部電池部品板１６に隣接して固定された第一の集電体２４および、第二の端部電池部品板２０に隣接して固定された第二の集電体２６であって、第一および第二の集電体２４、２６は、無孔質電気伝導性黒鉛材料から作られており、第一の集電体２４は、第一の集電体２４に固定され、第一の端部電池部品板１６から離れる方向に第一の集電体２４から遠ざかって突出する少なくとも一つの導電性スタッド２８を備えており、第二の集電体２６は、第二の集電体２６に固定され、第二の端部電池部品板２０から離れる方向に第二の集電体２６から遠ざかって突出する少なくとも一つの導電性スタッド３２を備える、第一および第二の集電体２４、２６と、
ｃ．第一の集電体２４に隣接して固定され、第一の端部電池部品板１６に載上する第一の加圧板４０および、第二の集電体２６に隣接して固定され、第二の端部電池部品板２０に載上する第二の加圧板４２であって、電気非伝導性の非金属製繊維強化複合材料で作られている第一および第二の加圧板４０、４２と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック１０。
【請求項１０】
燃料電池スタック１０は、第一の集電体２４と第一の加圧板１６との間に固定された第一の断熱材３６および、第二の集電体２６と第二の加圧板４２との間に固定された第二の断熱材３８をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタック１０。
【請求項１１】
第一および第二の集電体２４、２６は、各々、２５ジーメンス毎センチメートルに等しいか、それより大きい導電率を有しており、第一の加圧板４０は、第一の加圧板４０の周囲と第一の端部電池部品板１６までの間に延びている第一のガスシール５７を備えており、第二の加圧板４２は、第二の加圧板４２の周囲と第二の端部電池部品板２０までの間に延びている第二のガスシール５９を備えることを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタック１０。
【請求項１２】
第一の集電体２４は、第一の集電体２４が第一の加圧板４０のくぼみ内に面一に取付けられるように、第一の加圧４０板内に画成されたくぼみ９８内に嵌合するのに必要な寸法にされており、第二の集電体２６は、第二の集電体２６が第二の加圧板４２のくぼみ内に面一に取付けられるように、第二の加圧板４２内に画成されたくぼみ内に嵌合するのに必要な寸法にされていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタック１０。
【請求項１３】
第一の加圧板４０は、冷却流体の流れを加圧板４０および燃料電池スタック１０を通じて導くための、第一の加圧板４０と一体の少なくとも一つの冷却剤母管４８を画成しており、第二の加圧板４２は、冷却流体の流れを第二の加圧板４２および燃料電池スタック１０を通じて導くための、第二の加圧板４２と一体の少なくとも一つの冷却剤母管５４を画成していることを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタック１０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送車両、可搬型発電設備における使用に、または定置発電設備として適している燃料電池スタックアッセンブリに配列された燃料電池に関する。詳細には、本発明は、加圧板および集電体両者とも熱容量が低い、軽量の電気絶縁加圧板および小型の集電体を有する燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、周知であり、装置搭載宇宙船、輸送車両といった電気装置に、または建物用の現場発電機として電力を供給するために還元性反応物流体および酸化性反応物流体から電気エネルギーを生成するために一般に使用されている。複数の平面燃料電池板部品は通常、還元性流体、酸化剤流体、冷却剤流体および生成物流体の流れを導くためのマニホールドを燃料電池発電設備の一部として画成する電気絶縁枠構造によって包囲された電池スタックに配列される。各個別の燃料電池は一般に、電解質によって分離されたアノード電極およびカソード電極を備える。水素といった還元性流体は、アノード電極に供給され、酸素または空気といった酸化剤は、カソード電極に供給される。電解質としてプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）を利用する電池では、水素は、アノード電極の触媒表面で電気化学的に反応して水素イオンおよび電子を生成する。電子は、外部負荷回路に伝導された後、カソード電極に戻されるのに対し、水素イオンは、電解質を通じてカソード電極に移動し、そこでそれらは、酸化剤および電子と反応して水を生成し、熱エネルギーを放出する。また、燃料電池板部品はしばしば、燃料電池間に分散された複数の冷却剤板も含む。冷却剤流体は一般に、冷却剤板内を循環して燃料電池および燃料電池スタックを最適温度に維持する。
【０００３】
スタックの燃料電池によって生成された電流を集めるためにスタックの端部板と電気的に接触する電池スタックの両端の厚肉の集電板を利用し、ケーブルを通じて集電体から仕事を実行するための負荷に電流を導くことは周知である。また、電池スタックの両端の厚肉の金属加圧板を利用することも知られており、加圧板は一般に、加圧板間の集電体および燃料電池板部品に圧縮力を加える働きをする加圧板間に延びている複数のタイロッドなどといった締結アッセンブリを含む。
【０００４】
例えば、１９８８年３月１日にブリッグス（Ｂｒｉｇｇｓ）に発行された米国特許第４，７２８，５８５号には、厚肉集電体板および突出する鋼加圧板に代えて、ＰＴＦＥを含浸させた隣接する薄肉の多孔質黒鉛板を備える鋼加圧板が示されている。薄肉ＰＴＦＥ含浸黒鉛板は、鋼加圧板と燃料電池部品板の端部板との間に電気伝導性ガスシールを付与し、その結果、鋼加圧板は、集電体としても機能し得る。１９９１年４月２３日にガスリー（Ｇｕｔｈｒｉｅ）らに発行された米国特許第５，００９，９６８号もまた、両側の圧力パッドによって膜および隣接する電池を通じて加えられる圧縮力が膜を多数の場所で電極と密接に電気的に接触させて維持するのに、十分に薄い膜を備える、燃料電池端部板構造を示している。
【０００５】
また、１９９９年１２月１４日にウォルシュ（Ｗａｌｓｈ）に発行された米国特許第６，００１，５０２号は、組合せ構造の加圧板または端部板および集電体を「導電性本体」として示しており、導電性本体の選ばれた表面領域が、電気伝導性「絶縁材料」で処理されて、燃料電池からの導電性本体への電気伝導を可能にするとともに、本体および本体内部に画成された流体母管と接触する締結構造を絶縁する。
【０００６】
鋼またはアルミニウムの組合せ加圧板／集電体の場合、ステンレス鋼またはアルミニウムの板はたいてい、相当の費用で金などの貴金属でめっきされることも周知である。金めっきは、アルミニウムおよびステンレス鋼の両者が、典型的なＰＥＭ型燃料電池動作環境において空気および水または水蒸気にさらされた時に、非導電性酸化物表面を発生させるので、接触抵抗を最小限にする働きをする。しかし、そうした金めっきは、高価であり、かつ、金と卑金属との間での乏しい付着のために信頼できないことが示されている。
【０００７】
このように、既知の燃料電池スタックの加圧板および集電体は一般に、製造するのに高額であり、また相当の重量および体積の不利益を燃料電池スタック全体の仕様に与える、嵩張る複雑な装置である。文房具発電設備で利用される燃料電池スタックは、既知の加圧板および集電体で許容可能に動作し得るが、輸送車両に電力を供給するために利用される燃料電池スタックは、燃料電池スタックの重量、体積および費用を最小限にしなければならない。その上、輸送車両内部で利用される燃料電池スタックは、氷点下の状態で迅速に始動できなければならない。既知の重たい稠密な金属製加圧板および／または集電体は、極めて高い熱質量（ｔｈｅｒｍａｌ  ｍａｓｓ）または熱容量を呈する。従ってそれらは、冷温始動（ｃｏｌｄ  ｓｔａｒｔ）時において大量の熱エネルギーを吸収し、事実上、始動にかかる時間を引き延ばす。そのような高熱容量板はまた、加圧板に隣接する燃料電池と電池スタック内部のそうした燃料電池との間で冷温始動時に加熱遅れを生じる。そのような加熱遅れは、燃料電池の迅速な始動を妨げ、それは望ましくない。
【０００８】
従って、軽量で、製造するのにより費用がかからす、著しく低減した熱容量を有する、加圧板および集電体を有する燃料電池スタックの必要性が存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、改良された加圧板および集電体を有する燃料電池スタックである。燃料電池スタックは、還元性流体およびプロセス酸化剤反応物流れから電気を生成するものであり、また燃料電池スタックの反応部を形成するように互いに隣接して積み重ねられた複数の燃料電池部品板を備える。複数の燃料電池部品板は、燃料電池部品板のスタックの第一の端部に第一の端部電池部品板と、燃料電池部品板のスタックの反対側の第二の端部に第二の端部電池部品板とを含む。集電体が、端部電池部品板に隣接して固定されている。一実施形態において、集電体は、無孔質（ｎｏｎ−ｐｏｒｏｕｓ）電気伝導性黒鉛材料で作られる。代替の実施形態では、集電体は、黒鉛材料層が端部電池部品板に隣接して固定されるように、電気伝導性黒鉛材料層に固定された（２ミリメートル（「ｍｍ」）厚の銅層といった）薄肉の導電性金属層より構成され得る。「電気伝導性黒鉛材料」は、純黒鉛または黒鉛−ポリマー複合材より構成され得る。集電体はまた、集電体に固定され、端部電池部品板から離れる方向に集電体から遠ざかって突出する少なくとも一つの導電性スタッドを備える。燃料電池スタックはまた、集電体に隣接して固定された加圧板も含み、加圧板は、集電体に隣接して端部電池部品板に載上し、また加圧板は、電気非伝導性の非金属製繊維強化複合材料で作られている。
【００１０】
好ましい実施形態において、燃料電池スタックはまた、集電体と加圧板との間に固定され、集電体から加圧板および周囲環境への熱の移動を制限するための断熱材を含む。付加的な好ましい実施形態では、集電体の導電性スタッドは、加圧板内に画成された開口を貫通してもよい。集電体はまた、加圧板を貫通する一対またはそれより多くの導電性スタッドを備え得る。燃料電池スタックはまた、第一の端部電池部品板に隣接して固定された第一の集電体と、第一の集電体に隣接して固定された第一の加圧板とを含み得る一方、第二の集電体と第二の加圧板とが同様にして第二の端部電池部品板に隣接して固定されており、第一および第二の集電体は両方とも、無孔質導電性黒鉛材料から作られており、第一および第二の加圧板は両方とも、非導電性の非金属製繊維強化複合材料で作られている。
【００１１】
本発明の上記および他の目的および長所は、以下の説明を添付の図面に関連して読んだ時に、より容易に明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図面について詳細に言及すれば、図１は、本発明に従って構成され、全体として参照符号１０で表現された、燃料電池スタックの略断面図を示す。図１において最善に図示された通り、燃料電池スタック１０は、燃料電池スタック１０の反応部１４を画成する複数の燃料電池部品板１２を含む。当業技術において周知の通り、スタック１０の燃料電池部品板１２は、例えば前述の米国特許第４，７２８，５８５号に開示された燃料電池板部品だけでなく、２００１年１２月１８日にヴァン・ダイン（Ｖａｎ  Ｄｉｎｅ）らに発行された米国特許第６，３３１，３６６号に開示された燃料電池スタックといった、燃料電池および燃料電池スタック１０の最適温度を維持するためにいくつかの燃料電池間に配設される冷却剤板の他に、ＰＥＭ電解質といった電解質の両側のアノード電極およびカソード電極といった個別の燃料電池を構成する板状部品を含む。第一の端部電池部品板１６が、燃料電池スタック１０の反応部１４の第一の端部１８に固定されており、第二の端部電池部品板２０が、反応部１４の第二の端部２２に固定されており、この第二の端部２２は、燃料電池スタック１０の反応部１４の第一の端部１８とは反対側にある。
【００１３】
第一の集電体２４が、第一の集電体が第一の端部電池部品板１６と電気的に連通するように、第一の端部電池部品板１６に隣接して固定されている。第二の集電体２６が、第二の集電体２６が、第二の端部電池部品板２０と連通するように、第二の端部電池部品板２０に隣接して固定されている。第一および第二の集電体２４、２６は、無孔質電気伝導性黒鉛、または電気伝導性黒煙−ポリマー複合材（ここではひとまとめに「電気伝導性黒鉛材料」と呼ばれる）から作られている。例示的な電気伝導性黒鉛材料は、米国ミシガン州ベイ・シティーのクゥオンタム・コンポジッツ・カンパニー（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｃｏ．）社が製造する商品名「ペムテックス・グレード（ＰＥＭＴＥＸ  ＧＲＡＤＥ）」として入手可能である。第一または第二の集電体２４、２６の好ましい実施形態において、無孔質黒鉛材料は、３〜１２ｍｍの好ましい厚さおよび、２５ジーメンス毎センチメートルかそれより大きい好ましい導電率を有し得る。
【００１４】
その上、第一および第二の集電体２４、２６は、端部電池部品板１６、２０と集電体２４、２６との間での電気の伝導を増強するように、第一および第二の集電体２４、２６の断面積が、隣接する第一および第二の端部電池部品板１６、２０の断面積と少なくとも同程度の大きさとなるのに、必要な寸法にされ得る。第一の集電体２４はまた、集電体２４に固定された第一の導電性スタッド２８および第二の導電性スタッド３０を備える。同様に、第二の集電体２６は、第三の導電性スタッド３２および第四の導電性スタッド３４を備える。導電性スタッド２８、３０、３２、３４は、それらが固定される第一または第二の集電体２４、２６から離れる方向に、かつまた、第一または第二の集電体２４、２６が固定される第一の端部電池部品板１６または第二の端部電池部品板２０から離れる方向に突出する。導電性スタッド２８、３０、３２、３４は、銅、ニッケル、ステンレス鋼または黒鉛などといった許容可能な導電率を備える任意の材料で作ることができ、導電性スタッドは、ねじによって集電体２４、２５に機械的に連結され得るかまたは、集電体２４、２５に溶接、ろう付けまたは、導電性接着剤により接合され得る。導電性スタッド２８、３０、３２、３４はまた、燃料電池スタック１０から仕事を実行するための負荷に電気を伝導するための当業技術で周知の任意の導電性ケーブルまたはリード線で形成され得る。また、本発明の範囲が、一つまたは複数の導電性スタッドを有する第一の集電体２４だけでなく、一つまたは複数の導電性スタッドを有する第二の集電体２６を含むことも理解するべきである。
【００１５】
燃料電池スタック１０はまた、第一の集電体２４に隣接して固定された第一の断熱材３６を含むことができ、第一の断熱材３６は、第一の集電体２４が第一の断熱材３６と第一の端部電池部品板１６との間にあるように配置され得る。第二の断熱材３８もまた、第二の集電体２６に隣接して固定されており、第二の集電体２６が第二の断熱材３８と第二の端部電池部品板２０との間に固定されるように配置され得る。断熱材３６、３８は、第一および第二の集電体２４  ２６を通じた燃料電池スタック１０の反応部１４からの熱の移動を制限する。断熱材は、一般に３４５〜６９０ｋＰａである燃料電池内部の圧縮力に耐える剛性絶縁材より構成され得る。例示的な剛性絶縁材は、米国ニューヨーク州フロリダを所在地とするジルカー・セラミックス・インコーポレーテッド（Ｚｉｒｃａｒ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ，  Ｉｎｃ．）社が製造する「ＺＡＬ−４５アルミナ絶縁材」の商品名で入手可能である。
【００１６】
代替の実施形態において、集電体２４はまた、黒鉛材料層集電体２４が第一の端部電池部品板１６に隣接して固定されるように、電気伝導性黒鉛材料層集電体２４に固定された薄肉導電性金属層３９を含み得る。薄肉導電性金属層３９は、燃料電池スタック１０にとって通常は有害なはずである、銅といった任意の高導電性金属とすることができるが、本発明では、金属層３９は、それが電気伝導性黒鉛材料層２４によって燃料電池部品板１２から隔離されるので、害はないであろう。金属層３９が高導電性であるので、それは先行技術の鋼端部板よりも著しく薄くなり得る。例えば、例示的な導電性金属層３９は、厚さ２ｍｍ未満とすることができ、従って、金属層３９は、先行技術の２０ｍｍ厚鋼板よりも相当に低い熱質量を有するはずである。
【００１７】
第一の加圧板４０が、第一の断熱材３６に隣接して固定されており、第二の加圧板４２が、第二の断熱材３８に隣接して固定されている。第一および第二の加圧板４０、４２は、それらが最も近い端部電池部品板１６、２０の断面積と少なくとも同程度の大きさの断面積を有するのに必要な寸法にされている。ここでの目的のために、加圧板４０、４２に最も近い端部電池部品板１６、２０の断面積と少なくとも同程度の大きさである加圧板４０、４２の断面積は、第一の端部電池部品板１６に載上する第一の加圧板４０としてか、または第二の端部電池部品板２０に載上する第二の加圧板２０として言及されることになる。第一および第二の加圧板４０、４２は、電気非伝導性の非金属製繊維強化複合材料で作られている。加圧板４０、４２を製作するための例示的な材料は、燃料電池スタック１０の作動条件に適合するガラスまたは繊維強化ポリマーまたは樹脂を含む。例示的な繊維強化複合材料は、以下の商品名で流通する米国ミシガン州ベイ・シティーのクゥオンタム・コンポジッツ・カンパニー（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，  Ｃｏｍｐａｎｙ）社から入手可能な製品を含む。ａ．「ＬＹＴＥＸ９０６３」、６３％ガラス繊維エポキシＳＭＣ；  ｂ．「ＬＹＴＥＸ４１４９」、５５％炭素繊維エポキシＳＭＣ；  ｃ．「ＱＣ８５６０」ガラス繊維強化ビニルエステル樹脂ＳＭＣ；  ｄ．「ＱＣ８８８０」ガラス繊維強化ビニルエステル樹脂ＳＭＣ。
【００１８】
代替の実施形態において、燃料電池スタック１０は、第一および第二の集電体２４、２６だけを備えることができ、第一および第二の加圧板４０、４２は、集電体２４、２６に直接固定され、集電体２４、２６と加圧板４０、４２との間に固定された断熱材３６、３８を備えない。さらに、図１に図示された通り、第一および第二の導電性スタッド２８、３０は、第一の断熱材３６および第一の加圧板４０を貫通するのに必要な寸法にされることができ、第三および第四の導電性スタッド３２、３４は同様に、第二の断熱材３８および第二の加圧板４２を直接貫通するのに必要な寸法にされ得る。
【００１９】
燃料電池スタック１０はまた、当業技術において周知の通り、燃料電池スタック１０の反応部１４内に還元性流体およびプロセス酸化剤流れといった反応物流れを導き、燃料電池スタック１０から生成物流れを導くための、燃料電池スタック１０の反応部１４に固定された第一の反応物マニホールド４４および第二の反応物マニホールド４６を備え得る。その上、第一の加圧板４０は、図１に図示されていない通路を通じて燃料電池スタック１０の反応物部分１４内に冷却剤流れを導くための第一の冷却剤母管４８を画成し得る。第一の加圧板４０はまた、燃料電池スタック１０の位置合わせおよび組立てを助けるための第一の位置合わせ支柱５０および第二の位置合わせ支柱５２を備え得る。同様に、第二の加圧板４２もまた、第二の冷却剤母管５４、第三の位置合わせ支柱５６および第四の位置合わせ支柱５８を画成し得る。第一の加圧板４０はまた、還元性流体および酸化剤または空気反応物の混合を防止するためといった、シール５７を通じたあらゆる流体の通過を阻止するために、加圧板４０と第一の端部電池部品板１６との間に延びている、従来の「Ｏリング」周縁用圧縮シールとして必要な寸法にされた第一のガスシール５７を備え得る。同様に、第二の加圧板４２は、加圧板の周囲と第二の端部電池部品板２０との間に延びるのに必要な寸法にされた第二のガスシール５９を備え得る。
【００２０】
図２〜図５には、集電体６０が加圧板６２内に嵌合するように必要な寸法にされた例示的な改良された集電体６０および改良された加圧板６２が図示されている。集電体６０は、集電体６０の第一の表面６８から遠ざかって突出する第一の導電性スタッド６４および第二の導電性スタッド６６を備える。その上、第一の冷却剤母管切欠部７０および第二の冷却剤母管切欠部７２が、例示的な集電体６０の互いに逆向きの角に画成されている。図２〜図５に図示された例示的な加圧板６２は、当業技術において周知の通り、母管７４、７６および燃料電池スタック１０を通じて冷却流体の流れを導くための第一の冷却剤母管７４および第二の冷却剤母管７６を加圧板６２の互いに逆向きの角に備える。また、加圧板６２の中心部内に画成された第一の導電性スタッド開口７８および第二の導電性スタッド開口８０ならびに、板６２の両側における第一の位置合わせ・取付支柱８２および第二の位置合わせ・取付支柱８４も備わっており、これらは両方とも、燃料電池部品板の位置合わせを助けるために燃料電池スタックの組立ての間に利用される位置合わせロッド（図示せず）の使用を助けるための貫通孔を画成している。第一および第二の位置合わせ・取付支柱８２、８４はまた、運転中に燃料電池スタック１０を支持するためにも使用され得る。例示的な加圧板６２はまた、第一のタイロッド隆起部８６、第二のタイロッド隆起部８８、第三のタイロッド隆起部９０および第四のタイロッド隆起部９２を備えており、これらの隆起部の全部は、当業技術において周知の通り、圧縮力を燃料電池スタックに加える際に協働するために第二の加圧板（例えば、図１における参照符号４２）もやはり貫通するはずである別個のタイロッド（図示せず）を受け入れるのに必要な寸法にされた貫通孔を画成する。複合材加圧板６２の絶縁性は、負荷追従システム（図示せず）からの誘電性絶縁システム（図示せず）の除去を可能にする。加圧板６２の例示的な好ましい実施形態において、加圧板６２はまた、加圧板６２に構造強度を付与する複数の構造リブ９４を備えて図示されている。加圧板６２はまた、構造リブ９４を備えずに製作することもできるが、そのような場合、匹敵する強度特性を付与するために著しくより厚くしなければならないであろう。
【００２１】
図３は、見る者に向けて裏返され加圧板６２の底面９６を示している例示的な加圧板６２を図示している。底面９６は、集電体６２の底面１００（図４に図示される）が加圧板６２の底面９６と面一になるように例示的な集電体６０を受け入れるのに必要な寸法にされている底面９６内に画成されたくぼみ９８を備える。好ましい実施形態が図４に図示されており、集電体６０の底面１００および加圧板６２の底面９６は、ほぼ同じ平面を画成する。ここでの目的のために、そのような実施形態は、集電体６０が加圧板６２内に画成されたくぼみ９８内に「面一に取付けられている」と称する。面一に取付けられることによって、集電体６０および加圧板６２は、集電体６０および加圧板への端部電池部品板１６、２０の封止を助けるために協働する。そのような面一取付けは、加圧板６２が圧縮ガスシール（図１に図示されたガスシール５７など）を備えるものとすれば、いずれかのシール圧縮のための埋め合わせを付与するために、例えば約１．２７ｍｍだけ、加圧板６２からの集電体６０の若干の突出を含む。
【００２２】
図４は、加圧板６２の底面９６のくぼみ９８内に面一に取付けられた集電体６０の下方斜視図を示している。図５は、加圧板６２内に取付けられた集電体６０の上方斜視図を示しており、第一の導電性スタッド６４の接触先端部１００が、第一の導電性スタッド開口７８を貫通しており、集電体６０の第二の導電性スタッド６６の接触先端部１０２もまた、加圧板６２内に画成された第二の導電性スタッド開口８０を貫通している。導電性スタッド６４、６６は、加圧板６２より上に突出するのに必要な寸法にされているので、導電性スタッド６４、６６の接触先端部１００、１０２は、燃料電池スタックによって生成された電流を電気負荷に伝導するために電気ケーブル（図示せず）に容易に固定され得る。
【００２３】
例示的な集電体６０が高密度な軽量の電気伝導性無孔質黒鉛から作られており、例示的な加圧板６２が軽量で強力な電気非伝導性の非金属製繊維強化複合材料から作られているので、改良された集電体６０および加圧板６２は、燃料電池スタック１０の重量、体積および熱容量を著しく低減するはずであることがわかる。その上、加圧板６２が電気的に非伝導性であるので、その加圧板を利用する燃料電池スタックは、電気伝導性板が燃料電池スタックの周囲の環境に露出されないので、より安全である。また、加圧板６２が電気的に非伝導性であるので、タイロッドまたは、板６２に接触する他の部品を絶縁する必要がまったくない。同様に断熱材３６、３８が集電体６０と加圧板６２との間に利用された場合、燃料電池スタックは、寒冷な周囲条件の間における燃料電池スタックの始動中、あらゆる加熱遅れまたは熱エネルギー損失をさらに低減する。
【００２４】
改良された集電体および加圧板を有する燃料電池スタックの特定の実施形態に関して本発明を説明および例示したが、本発明が説明および例示された実施形態に限定されるものではないことを理解するべきである。例えば、集電体および加圧板の相対的な寸法は、変化する燃料電池部品板および、特定の燃料電池スタック内での反応物および生成物流体ならびに冷却流体の関連する流路の寸法に応じて、著しく異なり得る。その上、第一および第二の周縁用圧縮ガスシール５７、５９は、端部電池部品板への加圧板の全周接合によってか、または流体の混合を制限するために当業技術で周知の他のいずれかの機構によって、代替され得る。従って、本発明の範囲を決定するためには上述の説明よりはむしろ、添付の特許請求の範囲を第一に参照しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従って構成された改良された加圧板および集電体を有する燃料電池スタックの略断面図。
【図２】例示的な改良された加圧板および集電体の上方斜視図。
【図３】図２の例示的な改良された加圧板の下方斜視図。
【図４】図２の例示的な改良された加圧板の下方斜視図であり、加圧板内に配置された図２の集電体の斜視図。
【図５】図２の例示的な改良された加圧板の上方斜視図であり、図２の加圧板内に画成された開口を貫通する図２の集電体の導電性スタッドの斜視図。
【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５】
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【国際調査報告】
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