(57)【要約】  燃料電池システムが、燃料電池スタックを圧縮し、および／または燃料電池スタックから電流を集めるために使用されるエンドプレートアセンブリを組入れる。燃料電池システムが、所定の積重ね方向に積重ねられた燃料電池を有する燃料電池スタックを含む。多機能または多領域圧縮エンドプレートアセンブリが、燃料電池スタックの端部に配置される。多領域圧縮エンドプレートアセンブリが、燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するように構成された圧縮機構を含む。多機能エンドプレートアセンブリが、エンドプレートを通る集電体を使用して、燃料電池スタックから電流を集める。集電体を使用して、燃料電池スタックの領域を優先的に圧縮してもよい。
2007510273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の積重ね方向に積重ねられた燃料電池を含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの一端に配置されたエンドプレートアセンブリであって、
エンドプレートと、
前記エンドプレートを通り、前記燃料電池スタックに電気的に結合され、かつ前記燃料電池スタックから電流を集めるように構成された集電体とを含むエンドプレートアセンブリとを含む燃料電池集電システム。
【請求項２】
所定の積重ね方向にエンドプレート間に配列された燃料電池のスタックを提供するための手段と、
前記燃料電池スタックから電流を集めるための手段であって、エンドプレートを通り、かつ前記燃料電池スタックに電気的に結合された集電体を含む、電流を集めるための手段とを含む燃料電池集電システム。
【請求項３】
所定の積重ね方向に配列された燃料電池を含む燃料電池スタックと、
２つ以上の圧縮機構を含む圧縮装置であって、各圧縮機構が、前記燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するように構成される、圧縮装置とを含む燃料電池アセンブリ。
【請求項４】
前記圧縮装置が、
第１の圧縮機構であって、
前記燃料電池スタックの両端にそれぞれ配置された第１および第２の外側圧縮プレートと、
前記第１の外側圧縮プレートと前記第２の外側圧縮プレートとの間に延在する１つ以上の外側接続部材とを含み、前記第１の圧縮機構が、前記燃料電池スタックの第１の領域の優先的な圧縮を促進するように構成される、第１の圧縮機構と、
第２の圧縮機構であって、
前記燃料電池スタックの両端にそれぞれ配置された第１および第２の内側圧縮プレートと、
前記第１の内側圧縮プレートと前記第２の内側圧縮プレートとの間に延在する１つ以上の内側接続部材とを含み、前記第２の圧縮機構が、前記燃料電池スタックの第２の領域の優先的な圧縮を促進するように構成される、第２の圧縮機構とを含む、請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項５】
前記圧縮装置が、
第１の圧縮機構であって、
前記燃料電池スタックの両端にそれぞれ配置された第１および第２の圧縮プレートと、
前記第１の圧縮プレートと前記第２の圧縮プレートとの間に延在する１つ以上の接続部材とを含み、前記第１の圧縮機構が、前記燃料電池スタックの周囲領域の圧縮を促進するように構成される、第１の圧縮機構と、
前記第１および第２の圧縮プレートの少なくとも１つの実質的に中心の部分を通って延在し、かつ前記燃料電池スタックの内側領域を圧縮するように構成された第２の圧縮機構とを含む、請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項６】
燃料電池スタックを圧縮するためのシステムであって、
第１の圧縮機構を使用して前記燃料電池スタックの第１の領域を優先的に圧縮するための手段と、
第２の圧縮機構を使用して前記燃料電池スタックの第２の領域を優先的に圧縮するための手段とを含む、燃料電池スタックを圧縮するためのシステム。
【請求項７】
燃料電池スタックを圧縮するためのシステムであって、
前記燃料電池スタックのシール領域を優先的に圧縮するための手段と、
前記燃料電池スタックの活性領域を優先的に圧縮するための手段とを含む、燃料電池スタックを圧縮するためのシステム。
【請求項８】
所定の積重ね方向に配列された燃料電池を含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するように構成された圧縮機構を含む圧縮装置であって、前記圧縮機構が、前記燃料電池スタックの第１の領域を優先的に圧縮し、かつ前記燃料電池スタックから電流を集めるように構成された集電／圧縮機構を含む、圧縮装置とを含む燃料電池システム。
【請求項９】
第１の圧縮機構を使用して燃料電池スタックの周囲領域を優先的に圧縮するための手段と、
第２の圧縮機構を使用して、前記燃料電池スタックの活性領域を優先的に圧縮し、かつ前記燃料電池スタックから電流を集めるための手段とを含む燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
フレームと、
前記フレームを少なくとも部分的に被覆する構造要素とを含む燃料電池エンドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料電池に関し、より詳細には、燃料電池エンドプレートアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池が電力を発生する電力セクションを含む。燃料電池は、水素および酸素を水に変換し、そのプロセスにおいて電気および熱を発生するエネルギー変換デバイスである。各燃料電池ユニットは、中心にプロトン交換部材を含んでもよく、ガス拡散層がプロトン交換部材の両側にある。アノード層およびカソード層は、それぞれ、ガス拡散層の外側に位置決めされる。
【０００３】
１つの燃料電池における反応は、典型的には１ボルト未満を発生する。複数の燃料電池を積重ね、直列に電気的に接続して、所望の電圧を達成してもよい。電流が、燃料電池スタックから集められ、負荷を駆動するために使用される。燃料電池を使用して、自動車からラップトップコンピュータまで、さまざまな用途のために電力を供給してもよい。
【０００４】
燃料電池電力システムの有効性は、個別の燃料電池内の、およびスタックの隣接した燃料電池の間のさまざまな接触およびシーリング界面の一体性に、部分的に依存する。そのような接触およびシーリング界面は、スタックの燃料電池内および燃料電池間の、燃料、冷却剤、および流出物の輸送と関連するものを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池スタックの圧縮を促進するデバイスが必要である。燃料電池スタックからの効果的な集電をもたらすシステムがさらに必要である。本発明はこれらおよび他の必要を満たす。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池スタックを圧縮し、および／または燃料電池スタックから電流を集めるためのエンドプレートアセンブリを組入れる燃料電池システムを含む。一実施形態によれば、燃料電池集電システムが、所定の積重ね方向に積重ねられた燃料電池を含む燃料電池スタックを含む。燃料電池集電システムは、燃料電池スタックの一端に配置されたエンドプレートアセンブリと、エンドプレートを通る集電体とをさらに含む。集電体は、燃料電池スタックに電気的に結合され、かつ燃料電池スタックから電流を集めるように構成される。
【０００７】
本発明の別の実施形態によれば、燃料電池アセンブリが、所定の積重ね方向に配列された燃料電池を含む燃料電池スタックと、２つ以上の圧縮機構を含む圧縮装置とを含む。圧縮機構の各々は、燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するように構成される。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態において、燃料電池システムが、所定の積重ね方向に配列された燃料電池と、圧縮装置とを含む。圧縮装置は、燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するように構成された圧縮機構を含む。圧縮機構の１つが、燃料電池スタックの第１の領域を優先的に圧縮し、かつ燃料電池スタックから電流を集めるように構成された集電／圧縮機構を含む。
【０００９】
本発明のさらに別の実施形態において、燃料電池圧縮装置が、燃料電池エンドプレートを含む。燃料電池エンドプレートは、フレームと、フレームを少なくとも部分的に被覆する構造要素とを含む。
【００１０】
本発明の上記概要は、本発明の各実施形態またはあらゆる実現を説明することが意図されていない。本発明のより完全な理解とともに、利点および達成が、添付の図面と関連して、次の詳細な説明および特許請求の範囲を参照することによって、明らかになり、理解されるであろう。
【００１１】
本発明は、さまざまな修正例および代替形態が可能であるが、その特定のものが、図面に例として示されており、詳細に説明される。しかし、その意図は、本発明を、説明される特定の実施形態に限定することではないことが理解されるべきである。それどころか、その意図は、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内である修正例、均等物、および代替例をすべて網羅することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
例示された実施形態の次の説明において、本明細書の一部を形成し、本発明を実施してもよいさまざまな実施形態が例示として示されている添付の図面を参照する。これらの実施形態を用いてもよく、また、本発明の範囲から逸脱することなく、構造変更を行ってもよいことが理解されるべきである。
【００１３】
本発明は、燃料電池スタックを圧縮し、および／または燃料電池スタックから電流を集めるためのエンドプレートアセンブリを組入れる燃料電池システムを含む。本発明のさまざまな実施形態が、多機能エンドプレートおよび／または多領域圧縮アセンブリに関する。１つの方法によれば、多領域圧縮機能性を提供するエンドプレートアセンブリが、燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するように動作する２つ以上の圧縮機構を含む。
【００１４】
別の方法によれば、多機能エンドプレートアセンブリが、燃料電池スタックからの集電を可能にする電気接続機構を提供する。電気接続機構は、また、燃料電池スタックの内側領域を優先的に圧縮するために使用される圧縮機構として機能してもよい。
【００１５】
さまざまな実施形態において、エンドプレートアセンブリは、多数の構造要素を含むエンドプレートを含んでもよい。たとえば、エンドプレートは、１つの材料から形成されたフレーム構造を含んでもよく、第２の材料が、フレーム部材内に配置され、および／またはフレームを被覆してもよい。
【００１６】
典型的な燃料電池が図１ａに示されている。燃料電池は、水素燃料と空気からの酸素とを結合して、電気、熱、および水を発生する電気化学デバイスである。燃料電池は、燃焼を利用せず、したがって、燃料電池は、たとえあるとしても、有害な流出物をほとんど発生しない。燃料電池は、水素燃料および酸素を電気に直接変換し、かつ、たとえば内部燃焼発電機よりはるかに高い効率で動作させることができる。
【００１７】
図１ａに示された燃料電池１０は、アノード１４に隣接した第１の流体輸送層（ＦＴＬ）１２を含む。電解質膜１６がアノード１４に隣接している。カソード１８が電解質膜１６に隣接して位置し、第２の流体輸送層１９がカソード１８に隣接して位置する。動作中、水素燃料が、燃料電池１０のアノード部分に導入され、第１の流体輸送層１２を通り、アノード１４の上を通る。アノード１４において、水素燃料は、水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）とに分離される。
【００１８】
電解質膜１６は、水素イオンまたはプロトンのみが、電解質膜１６を通って、燃料電池１０のカソード部分に進むことを可能にする。電子は、電解質膜１６を通ることができず、代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷１７に電力供給することができるか、充電式バッテリなどのエネルギー蓄積デバイスに向けることができる。
【００１９】
酸素は、第２の流体輸送層１９を介して、燃料電池１０のカソード側に流入する。酸素がカソード１８の上を通るとき、酸素、プロトン、および電子は、結合して、水および熱を発生する。
【００２０】
図１ａに示されたような個別の燃料電池を、以下で説明されるように、ユニット化燃料電池アセンブリとしてパッケージングすることができる。ユニット化電池アセンブリ（ＵＣＡ）とここで呼ばれるユニット化燃料電池アセンブリを、いくつかの他のＵＣＡと組合せて、燃料電池スタックを形成することができる。ＵＣＡを直列に電気的に接続してもよく、スタック内のＵＣＡの数はスタックの総電圧を定め、各電池の活性表面積は総電流を定める。所与の燃料電池スタックによって発生される総電力は、総スタック電圧に総電流を乗じることによって定めることができる。
【００２１】
いくつかの異なった燃料電池技術を用いて、本発明の原理に従うＵＣＡを構成することができる。たとえば、本発明のＵＣＡパッケージング方法を用いて、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池アセンブリを構成することができる。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温（約１７５°Ｆ／８０℃）で動作し、高電力密度を有し、電力要求のシフトに応じるためにそれらの出力を迅速に変えることができ、たとえば自動車におけるような、迅速な始動が必要とされる用途によく適している。
【００２２】
ＰＥＭ燃料電池に使用されるプロトン交換膜は、典型的には、水素イオンを通す薄いプラスチックシートである。膜は、典型的には、活性触媒である高度に分散した金属粒子または金属合金粒子（たとえば、白金または白金／ルテニウム）で両側にコーティングされる。使用される電解質は、典型的には、固体ペルフルオロ化スルホン酸ポリマーである。固体電解質の使用は、腐食問題および管理問題を低減するので、有利である。
【００２３】
水素は、燃料電池のアノード側に供給され、そこで、触媒は、水素原子が、電子を放出し、水素イオン（プロトン）になることを促進する。電子は、利用することができる電流の形態で移動し、酸素が導入された燃料電池のカソード側に戻る。同時に、プロトンは、膜を通ってカソードに拡散し、そこで、水素イオンは、酸素と再結合され反応して、水を発生する。
【００２４】
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、水素燃料電池などのＰＥＭ燃料電池の中心要素である。上で説明されたように、典型的なＭＥＡは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン伝導性膜（ＩＣＭ）としても知られている）を含む。
【００２５】
ＰＥＭの１つの面はアノード電極層と接触し、反対側の面はカソード電極層と接触する。各電極層は、典型的には白金金属を含む電気化学触媒を含む。流体輸送層（ＦＴＬ）は、アノード電極材料およびカソード電極材料への、ならびにアノード電極材料およびカソード電極材料からのガス輸送を促進し、かつ、電流を導く。
【００２６】
典型的なＰＥＭ燃料電池において、プロトンが、水素酸化によってアノードで形成され、カソードに輸送されて酸素と反応し、電流が、電極を接続する外部回路内で流れることを可能にする。ＦＴＬは、また、ガス拡散層（ＧＤＬ）またはディフューザ／集電体（ＤＣＣ）と呼んでもよい。アノード電極層およびカソード電極層は、完成されたＭＥＡ内でＰＥＭとＦＴＬとの間に配置される限り、製造の間、ＰＥＭに塗布してもＦＴＬに塗布してもよい。
【００２７】
任意の適切なＰＥＭを本発明の実施に使用してもよい。ＰＥＭは、典型的には厚さが５０μｍ未満、より典型的には４０μｍ未満、より典型的には３０μｍ未満、最も典型的には約２５μｍである。ＰＥＭは、典型的には、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのデュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，  Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ  ＤＥ））およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本、東京の旭硝子株式会社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．  Ｌｔｄ．，  Ｔｏｋｙｏ，  Ｊａｐａｎ））などの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成される。本発明に有用なポリマー電解質は、典型的には、好ましくはテトラフルオロエチレンと１つ以上のフッ素化酸官能性コモノマーとのコポリマーである。
【００２８】
典型的には、ポリマー電解質はスルホネート官能基を有する。最も典型的には、ポリマー電解質はナフィオン（登録商標）である。ポリマー電解質は、典型的には酸当量が１２００以下、より典型的には１１００、最も典型的には約１０００である。
【００２９】
任意の適切なＦＴＬを本発明の実施に使用してもよい。典型的には、ＦＴＬは、炭素繊維を含むシート材料から構成される。ＦＴＬは、典型的には、織布および不織布炭素繊維構造から選択される炭素繊維構造である。本発明の実施に有用であろう炭素繊維構造としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）カーボン紙、ＡＦＮ不織布カーボンクロス、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）カーボンクロスなどを挙げてもよい。ＦＴＬは、炭素粒子コーティング、親水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｚｉｎｇ）処理、およびポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）でのコーティングなどの疎水性化（ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｚｉｎｇ）処理を含めて、さまざまな材料でコーティングまたは含浸させてもよい。
【００３０】
任意の適切な触媒を本発明の実施に使用してもよい。典型的には、炭素担持触媒粒子が使用される。典型的な炭素担持触媒粒子は、５０〜９０重量％の炭素および１０〜５０重量％の触媒金属であり、触媒金属は、典型的には、カソード用のＰｔと、アノード用の２：１の重量比のＰｔおよびＲｕとを含む。触媒は、典型的には、触媒インクの形態でＰＥＭまたはＦＴＬに塗布される。触媒インクは、典型的には、ＰＥＭを構成するポリマー電解質材料と同じであっても同じでなくてもよいポリマー電解質材料を含む。
【００３１】
触媒インクは、典型的には、ポリマー電解質の分散液中の触媒粒子の分散液を含む。インクは、典型的には５〜３０％の固形分（すなわち、ポリマーおよび触媒）、より典型的には１０〜２０％の固形分を含有する。電解質分散液は、典型的には水性分散液であり、これは、アルコール、グリセリンおよびエチレングリコールなどの多価アルコール、またはＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）およびジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）などの他の溶媒をさらに含有してもよい。水、アルコール、および多価アルコール含有量は、インクのレオロジー特性を変更するように調整してもよい。インクは、典型的には、０〜５０％のアルコールおよび０〜２０％の多価アルコールを含有する。さらに、インクは適切な分散剤０〜２％を含有してもよい。インクは、典型的には、熱とともに撹拌し、その後、コーティング可能なコンシステンシーに希釈することによって製造される。
【００３２】
触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体ベアリング（ｆｌｕｉｄ  ｂｅａｒｉｎｇ）ダイコーティング、巻線ロッドコーティング、流体ベアリングコーティング、スロット供給ナイフコーティング、３ロールコーティング、またはデカール転写を含む、手動方法および機械方法の両方を含む任意の適切な手段によって、ＰＥＭまたはＦＴＬに塗布してもよい。コーティングは、１回の塗布または複数回の塗布で行ってもよい。
【００３３】
ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ポリマー膜を電解質として使用する点で、ＰＥＭ電池と同様である。しかし、ＤＭＦＣにおいて、アノード触媒自体が、液体メタノール燃料から水素を引き、燃料改質装置の必要をなくす。ＤＭＦＣは、典型的には、１２０〜１９０°Ｆ／４９〜８８℃の間の温度で動作する。ダイレクトメタノール燃料電池は、本発明の原理に従うＵＣＡパッケージングを行うことができる。
【００３４】
ここで図１ｂを参照すると、ＰＥＭ燃料電池技術に従って実現されたＵＣＡの実施形態が示されている。図１ｂに示されているように、ＵＣＡ２０の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２５は、５の構成要素層を含む。ＰＥＭ層２２が、たとえば拡散集電体（ＤＣＣ）またはガス拡散層（ＧＤＬ）などの、１対の流体輸送層２４および２６の間に挟まれる。アノード３０が、第１のＦＴＬ２４と膜２２との間に位置し、カソード３２が、膜２２と第２のＦＴＬ２６との間に位置する。
【００３５】
１つの構成において、ＰＥＭ層２２が、一方の表面上にアノード触媒コーティング３０を含み、他方の表面上にカソード触媒コーティング３２を含むように製造される。この構造は、しばしば、触媒コーティング膜またはＣＣＭと呼ばれる。別の構成によれば、第１のＦＴＬ２４および第２のＦＴＬ２６は、それぞれ、アノード触媒コーティング３０およびカソード触媒コーティング３２を含むように製造される。さらに別の構成において、アノード触媒コーティング３０を、第１のＦＴＬ２４上に部分的に配置し、かつＰＥＭ２２の一方の表面上に部分的に配置することができ、カソード触媒コーティング３２を、第２のＦＴＬ２６上に部分的に配置し、かつＰＥＭ２２の他方の表面上に部分的に配置することができる。
【００３６】
ＦＴＬ２４、２６は、典型的には、炭素繊維紙または不織布材料もしくは織布から製造される。製品構造によっては、ＦＴＬ２４、２６は、一方の側に炭素粒子コーティングを有することができる。上で説明されたようなＦＴＬ２４、２６は、触媒コーティングを含むか除くように製造することができる。
【００３７】
図１ｂに示された特定の実施形態において、ＭＥＡ２５は、第１のエッジシールシステム３４と第２のエッジシールシステム３６との間に挟まれて示されている。フローフィールドプレート４０および４２が、それぞれ、第１のエッジシールシステム３４および第２のエッジシールシステム３６に隣接している。フローフィールドプレート４０、４２の各々は、水素および酸素供給燃料が通るガスフローチャネル４３およびポートのフィールドを含む。図１ｂに示された構成において、フローフィールドプレート４０、４２は、間に１つのＭＥＡ２５が挟まれたモノポーラフローフィールドプレートとして構成される。このおよび他の実施形態のフローフィールドは、２００１年９月１７日に出願された同時係属中の出願０９／９５４，６０１号明細書に開示されたような低横流（ｌｏｗ  ｌａｔｅｒａｌ  ｆｌｕｘ）フローフィールドであってもよい。
【００３８】
エッジシールシステム３４、３６は、さまざまな流体（気体／液体）輸送および反応領域を、互いに汚染することから、かつＵＣＡ２０から不適切に出ることから隔離するために、ＵＣＡパッケージ内の必要なシーリングを提供し、さらに、フローフィールドプレート４０とフローフィールドプレート４２との間の電気絶縁およびハードストップ圧縮制御に備えてもよい。ここで使用されるような「ハードストップ」という用語は、一般に、動作圧力および動作温度下で厚さが著しく変わらない、ほぼまたは実質的に非圧縮性の材料を指す。より詳細には、「ハードストップ」という用語は、一定の厚さまたは歪みにおいてＭＥＡの圧縮を止める、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）内の実質的に非圧縮性の部材または層を指す。ここで呼ばれるような「ハードストップ」は、イオン伝導膜層、触媒層、またはガス拡散層を意味することが意図されない。
【００３９】
１つの構成において、エッジシールシステム３４、３６は、エラストマー材料から形成されたガスケットシステムを含む。他の構成において、以下で説明されるように、さまざまな選択された材料の、１つ、２つ、またはそれより多い層を使用して、ＵＣＡ２０内の必要なシーリングを提供することができる。他の構成は、その場で形成されたシールシステムを使用する。
【００４０】
図１ｃは、１つ以上のバイポーラフローフィールドプレート５６の使用によって多数のＭＥＡ２５を組入れるＵＣＡ５０を示す。図１ｃに示された構成において、ＵＣＡ５０は、２つのＭＥＡ２５ａおよび２５ｂと、１つのバイポーラフローフィールドプレート５６とを組入れる。ＭＥＡ２５ａは、ＦＴＬ６６ａとＦＴＬ６４ａとの間に挟まれたカソード６２ａ／膜６１ａ／アノード６０ａ層構造を含む。ＦＴＬ６６ａは、モノポーラフローフィールドプレートとして構成されるフローフィールドエンドプレート５２に隣接して位置する。ＦＴＬ６４ａは、バイポーラフローフィールドプレート５６の第１のフローフィールド表面５６ａに隣接して位置する。
【００４１】
同様に、ＭＥＢ２５ｂは、ＦＴＬ６６ｂとＦＴＬ６４ｂとの間に挟まれたカソード６２ｂ／膜６１ｂ／アノード６０ｂ層構造を含む。ＦＴＬ６４ｂは、モノポーラフローフィールドプレートとして構成されるフローフィールドエンドプレート５４に隣接して位置する。ＦＴＬ６６ｂは、バイポーラフローフィールドプレート５６の第２のフローフィールド表面５６ｂに隣接して位置する。Ｎ数のＭＥＡ２５およびＮ−１のバイポーラフローフィールドプレート５６を、１つのＵＣＡ５０に組入れることができることが理解されるであろう。しかし、一般に、１つまたは２つのＭＥＡ５６（Ｎ＝１、バイポーラプレート＝０、またはＮ＝２、バイポーラプレート＝１）を組入れるＵＣＡ５０が、より効率的な熱管理に好ましいと考えられる。
【００４２】
図１ｂおよび図１ｃに示されたＵＣＡ構成は、本発明に関連する使用のために実現することができる２つの特定の機構を表す。これらの２つの機構は、例示のためにのみ提供され、本発明の範囲内になる可能な構成をすべて表すことが意図されない。むしろ、図１ｂおよび図１ｃは、本発明の原理に従ってパッケージングされたユニット化燃料電池アセンブリに選択的に組入れることができるさまざまな構成要素を示すことが意図される。
【００４３】
さらなる例として、さまざまなシーリング方法を用いて、１対のモノポーラフローフィールドプレートの間に配置された１つのＭＥＡを含むＵＣＡの必要なシーリングを提供することができ、また、多数のＭＥＡと、１対のモノポーラフローフィールドプレートと、１つ以上のバイポーラフローフィールドプレートとを含むＵＣＡをシールすることができる。たとえば、モノポーラ構造またはバイポーラ構造を有するＵＣＡを、平坦な固体シリコーンガスケットなどのその場で形成された固体ガスケットを組入れるように構成することができる。
【００４４】
特定の実施形態において、ＵＣＡは、シーリングガスケットを含むことに加えて、ハードストップ機構を組入れることができる。ハードストップは、組込むか、ＵＣＡの内部に配置するか、モノポーラおよび／またはバイポーラフローフィールドプレートに一体化することができる。フローフィールドプレート上に設けられた微細複製パターンおよび余分なガスケット材料のトラップチャネルなどの他の特徴を、ＵＣＡに組入れることができる。ハードストップをＵＣＡパッケージングに組入れることは、有利に、製造の間（たとえば、プレス力）および使用の間（たとえば、外部スタック圧力システム）にＭＥＡに加えられる圧縮力の量を制限する。たとえば、ＵＣＡハードストップの高さを計算して、ＵＣＡ構成の間、３０％などの指定量のＭＥＡ圧縮をもたらすことができ、そのような圧縮は、ハードストップによって指定量に制限される。ハードストップをフローフィールドプレートに組入れることは、また、２つのフローフィールドプレートのための位置合せの助けとして働くことができる。したがって、本発明の燃料電池アセンブリは、特定のＵＣＡ構成に限定されない。
【００４５】
図２は、燃料電池スタック２１５を形成するように配列された多数のＵＣＡ２１０を含む燃料電池アセンブリ２００を示す。この実現例によれば、ＵＣＡ２１０のスタック２１５は、燃料電池スタック２１５の両端に配置されたエンドプレート２２２、２２４と、エンドプレート２２２、２２４を接続するロッド２２６とを含む圧縮装置２２０を使用して圧縮される。圧縮装置２２０は、以下で説明されるような本発明の実施形態による多領域圧縮機構および／または多機能エンドプレートアセンブリを含んでもよい。エンドプレート２２２、２２４は、以下で説明されるさらなる実施形態による多数の材料から形成してもよい。
【００４６】
従来の燃料電池システム設計において、エンドプレートの主目的は、特定のパッケージング機構内にＵＣＡを物理的に収容するための手段を提供し、スタック内のＵＣＡの機械的圧縮に備えることである。従来のエンドプレートは、典型的には、それらの強度のために主として選択された導電性金属から製造されている。しかし、金属エンドプレートの熱特性および電気特性は、望ましくない影響を生じることがある。たとえば、金属エンドプレートは、燃料電池スタックを横切る熱勾配を生じることがあり、および／または、燃料電池アセンブリの構成要素間の電気短絡をもたらすことがある。これらの影響を回避または低減するために、付加的な電気および／または熱絶縁部品が必要であろう。
【００４７】
スタックからの集電は、好ましくは、圧縮装置のエンドプレートおよび／または他の構成要素を通る短絡による損失を伴わずに行われる。さらに、効果的な動作のため、集電構成要素と燃料電池ガスおよび冷却剤との間でシールを維持しなければならない。典型的なスタック設計において、集電構成要素は、エンドプレートと活性電池との間に配置される。したがって、金属エンドプレートから集電構成要素を電気絶縁し、かつガスおよび冷却剤から集電構成要素をシールすることは、難題を提示する。
【００４８】
本発明の実施形態は、燃料電池スタックから電流を集めるためのシステムおよび方法に関する。図３ａは、一実施形態による集電システム３００の一実施形態の側面図を示す。複数のＵＣＡ３４０が所定の積重ね方向３５０に積重ねられて、燃料電池スタック３３０を形成する。集電システム３００は、燃料電池スタック３３０を圧縮するための、たとえばタイロッドまたは他の接続部材などの、付加的な圧縮装置構成要素と関連して使用してもよいエンドプレート３１０を含む。
【００４９】
好ましい実施形態において、エンドプレート３１０は、Ｇ−１１ガラスクロスおよびエポキシ樹脂（ニューヨーク州ヨンカーズのアキュレート・プラスチックス（Ａｃｃｕｒａｔｅ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ，  Ｉｎｃ．，  Ｙｏｎｋｅｒｓ，  ＮＹ））などの電気および熱絶縁材料から形成される。そのような材料の使用は、エンドプレートの過度の変形を伴わずに適切な圧縮のための強度をもたらし、また、比較的コンパクトなエンドプレート構成を可能にする。Ｇ−１１ガラス／エポキシ、または同様の特性を有する材料を使用して、たとえば、曲げ強度が約５７，０００ｐｓｉであり、弾性率が約２．５×１０6であるエンドプレートを形成してもよい。
【００５０】
この実施形態によるエンドプレート３１０は、燃料電池スタック３３０からの電気絶縁をもたらし、電圧降下および電力損失の恐れなく、エンドプレート材料の、燃料電池活性領域との直接接触を可能にする。エンドプレート材料の体積抵抗率は、たとえば、約５×１０6メガオーム×ｃｍであってもよく、表面抵抗率は、約１．５×１０6メガオーム／スクエアであってもよい。
【００５１】
さらに、Ｇ−１１または同様の材料の使用は、良好な熱絶縁体であるエンドプレート３１０をもたらす。熱伝導性エンドプレート、たとえば、金属エンドプレートは、中心ＵＣＡとスタックの端部におけるＵＣＡとの間の著しい温度勾配を生じることがある。本発明の実施形態による熱絶縁エンドプレート３１０は、燃料電池スタック３３０を横切る熱勾配を低減し、エンドプレート３１０とバイポーラプレートとの間の直接接触を可能にする。熱絶縁エンドプレート材料の使用による、スタックを横切る熱勾配の低減は、燃料電池システム動作を向上させ、燃料電池システムのコストを低減する。
【００５２】
集電システム３００は、エンドプレート３１０を通り、かつスタック３３０の端部にエンドプレート３１０に隣接して位置決めされたＵＣＡ３４０に電気的に結合する、ボルトとして図３ａに示された集電体３２０をさらに含む。一実施形態において、集電体３２０は、積重ね方向３５０に対して実質的に長手方向に配向される。
【００５３】
集電体３２０が１つのボルトとして図３ａに示されているが、他の集電体構成が可能であり、本発明の範囲内であるとみなされる。たとえば、集電体３２０を、非導電性エンドプレート３１０を通って延在する、１つまたは複数のボルト、ピン、ロッド、または他の構造として実現してもよい。
【００５４】
図３ｂは、集電システム３００の等角図を示す。エンドプレート３１０は、燃料電池スタックの圧縮を行うために圧縮装置の接続ロッドを挿入してもよいいくつかの穴３６０を含んでもよい。エンドプレート３１０は、ガス取付物を受けるように適合された１つ以上の穴３６５をさらに含んでもよい。集電体３２０を、エンドプレート３１０の中心領域に位置決めしてもよいし、燃料電池スタックから電流を効果的に集める任意の位置に位置決めしてもよい。
【００５５】
図４ａおよび図４ｂは、それぞれ、本発明の実施形態による集電システム４００の側面図および等角図を示す。システム４００は、上で図３ａおよび図３ｂと関連して説明されたような電気および熱絶縁材料から形成されたエンドプレート４１０を含む。
【００５６】
図４ａおよび図４ｂにボルトとして示された集電体４２０は、エンドプレート４１０を通って延在する。エンドプレート４１０は、燃料電池スタック４３０を圧縮するための、たとえばタイロッドまたは他の接続部材などの、付加的な圧縮機構と関連して使用してもよい。以下で説明されるように集電を向上させるために、１つ以上の付加的な集電プレート４８０を、最後のフローフィールドプレート４９０とエンドプレート４１０との間に位置決めしてもよい。最後のフローフィールドプレート４９０の間のエンドプレート４１０の界面におけるガスおよび冷却剤リークを阻止するために、シール４７０を、最後のフローフィールドプレート４９０とエンドプレート４１０との間に位置決めしてもよい。
【００５７】
図４ｂに示されているように、燃料電池スタック４３０の最後のフローフィールドプレート４９０は、集電プレート４８０を受けるための窪んだポケット４９１を含んでもよい。集電プレート４８０は、たとえば銅などの金属材料から形成してもよい。スタック４３０（図４ａ）内の活性電池からの電流は、最後のフローフィールドプレート４９０を通って集電プレート４８０に進む。電流は、図４ａおよび図４ｂにボルトとして示された集電体４２０を介して、集電プレート４８０から取出される。集電ボルト４２０は、エンドプレート４１０を通って、集電プレート４８０に接触する。エンドプレート材料の高抵抗率は、エンドプレート４１０における過度の電流損失を防止する。高電流端子４２２を固定するために使用してもよい、たとえば標準１／４−２０ボルトなどの、ボルト４２４を受入れるように、集電体ボルト４２０の頭を穴あけし、雌ねじを切ってもよい。
【００５８】
図４ｃ〜４ｅは、燃料電池スタックからの集電を促進するためのエンドプレートアセンブリの付加的な実施形態を示す。図４ｃ〜４ｅは、集電プレート４８０（図４ａおよび図４ｂ）を受けるための凹部４９３を組入れるエンドプレートを示す。
【００５９】
先に説明されたように、集電プレートを、銅または他の金属材料から形成してもよい。図４ｃ〜ｅに示されているように、エンドプレート４１０の凹部４９３を、集電プレートの表面が燃料電池スタックの端部における燃料電池の表面と同一平面になるように、集電プレートを受けるように構成してもよい。
【００６０】
エンドプレート４１０は、たとえば、いくつかのマニホルドポート４９５を含んでもよい。マニホルドポート４９５は、円形取付物を受入れるために、エンドプレート４１０の外側４１２（図４ｅ）またはサイド４１３（図４ｃ）において実質的に円形形状を有してもよい。マニホルドポート４９５は、フローフィールドプレートの非円形マニホルドポート（図示せず）との適合性をもたらすために、エンドプレート４１０の内側４１１（図４ｃおよび図４ｄ）において非円形形状を有してもよい。
【００６１】
エンドプレート４１０は、また、圧縮装置の接続ロッドを受入れるように構成されたいくつかの穴４６５を含んでもよい。さらに、エンドプレート４１０は、中心に配置された穴４６６、たとえば、上述されたような集電体ボルトを収容するように構成された、ねじを切られた穴を含んでもよい。シールを、エンドプレート４１０に隣接して、たとえば、エンドプレート４１０に形成された溝４７１または他の適切な特徴に、位置決めしてもよい。シールは、エンドプレート４１０と燃料電池スタックの第１の燃料電池との界面におけるガスおよび冷却剤漏れを阻止する。
【００６２】
図４ｃのエンドプレート４１０は、エンドプレート４１０の１つ以上のサイド４１３において円形ガスおよび／または冷却剤ポート４９５を含む。図４ｄ〜４ｅは、集電プレートのための凹部４９３を含むエンドプレート４１０の正面図および背面図を示す。図４ｄ〜４ｅのエンドプレート４１０は、エンドプレート４１０の外面４１２において円形ガスおよび／または入口ポート４９５を含む。
【００６３】
先に説明されたように、燃料電池スタックは、圧縮装置によって圧縮されて、ガスおよび冷却剤マニホルドをシールする。エンドプレート２２２、２２４を通り、および／またはエンドプレート２２２、２２４に機械的に結合する接続ロッド２２６または他の接続構成要素を使用する圧縮装置２２０を使用して、図２に示されているような燃料電池スタック２１５を圧縮してもよい。一般に、接続装置、たとえば、接続ロッド２２６を、燃料電池スタック内のＵＣＡの活性領域を通すことは望ましくない。そのような構成は、付加的なシーリング要件および他の問題を提示する。
【００６４】
接続装置がスタック２１５の活性領域を通ることを回避するために、圧縮金具（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｈａｒｄｗａｒｅ）、たとえば、接続ロッド２２６を、エンドプレート２２２、２２４の周囲領域に移動させてもよく、したがって、ＵＣＡ２１０の活性領域を回避してもよい。しかし、圧縮金具が活性領域を越えて周囲に配置されると、それは、バイポーラプレートを横切って均一に力を分配することがより困難になる。この場合、エンドプレート２２２、２２４の外縁は、曲がり、中に引かれることがあり、プレートの中心は、反対の方向に外方に湾曲する。これは、ＵＣＡ２１０の外縁において良好な圧力を生じるが、中心において不適切な圧力があることがある。湾曲を回避するためにエンドプレートの厚さを増加させてもよいが、この制約は、エンドプレートを、望ましくなく厚く、重く、および／または高価にすることがある。
【００６５】
本発明の実施形態によれば、燃料電池スタックの多数の領域を優先的に圧縮するために、多領域圧縮アセンブリを実現してもよい。さまざまな実施形態において、２領域圧縮アセンブリが、燃料電池スタックの別個の領域を優先的に圧縮するために使用される第１および第２の圧縮機構を含んでもよい。たとえば、図５に示されているように、第１の圧縮機構を使用して、燃料電池スタック５１０の周囲領域５２０に、力Ｆｐ1、Ｆｐ2、Ｆｐ3、Ｆｐ4を加えてもよい。第２の圧縮機構を使用して、燃料電池スタック５１０の中心領域５３０に力ＦCを加えてもよい。そのような２領域圧縮システムは、燃料電池スタックの内部マニホルディングの周囲シール領域を含む第１のゾーンの機械的圧縮を優先的にもたらすために、第１の圧縮機構を含んでもよい。別個の、独立して活性化可能な圧縮機構を使用して、中心に位置決めされた活性領域を含む第２のゾーンの機械的圧縮をもたらしてもよい。
【００６６】
図６に示された１つの実現例において、第１の圧縮機構は、燃料電池アセンブリのエンドプレート６１０の一方または両方の周囲領域の貫通穴に挿入された、ねじを切られたタイロッドなどの、いくつかの接続ロッド６１５を含む。ねじを切られた接続ロッド６１５上に配置されたナット６１７を使用して、エンドプレート６１０の端縁において力を生じて、燃料電池スタック（図６に示されていない）の周縁を優先的に圧縮してもよい。
【００６７】
第２の圧縮機構を、エンドプレート６１０を通って挿入されたボルト６２０または他の構造を使用して実現してもよい。ボルト６２０を締付け、力を生じて、燃料電池スタックの中心領域を優先的に圧縮してもよい。ボルト６２０を、さらに、先に説明されたように燃料電池スタックから電流を集めるために使用してもよい。エンドプレート６１０を非導電性材料から形成してもよい。燃料電池アセンブリは、先に説明されたように、最後のフローフィールドプレート６９０と、集電プレート６８０と、シール６７０とをさらに含んでもよい。
【００６８】
図７に示されたエンドプレート７００を、本発明のさまざまな実施形態による集電および／または多領域圧縮のために構成されたエンドプレートアセンブリに使用してもよい。この例において、エンドプレート７００は２つの材料から形成される。第１の材料、たとえば、金属材料は、エンドプレートフレーム７１５を形成するために使用される。第２の材料、たとえば、プラスチックは、フレームを少なくとも部分的に被覆し、および／またはフレーム部材内に配置される。
【００６９】
フレーム７１５は、エンドプレート７００上の圧縮荷重を支えることを促進する形状で、比較的高い弾性率の材料から形成してもよい。図７ａおよび図７ｂに示された実現例において、フレーム７１５は星形構造であり、放射状フレーム部材７５０が中心領域から延在する。図７ｂに示されたエンドプレートは、放射状フレーム部材７５０の間に延在する１つ以上のウェブ部材７６０を含む。他のフレーム形状も可能である。フレーム７１５は、金属材料、たとえば、アルミニウム、鋼など、または他の金属もしくは非金属材料から製造してもよい。金属フレームは、たとえばプラスチックのみから製造されたフレームまたはエンドプレートと比較すると、クリープしにくい。さらに、プラスチックに関するクリープデータが限られるので、金属フレームのクリープはより予測可能である。
【００７０】
フレーム７１５を、ダイカスト、砂型鋳造、鍛造、またはスタンピングを含むいくつかの方法によって形成してもよい。フレーム７１５の中心領域の、ねじを切られた穴７３０を、上述されたようにフレーム７１５を通って延在する集電体／圧縮ボルトのために設けてもよい。ねじを切られた穴７３０を、たとえば、鋳造、機械加工、またはインサートしてもよい。
【００７１】
エンドプレート７００は、また、圧縮装置の接続ロッドがエンドプレート７００を通って延在することを可能にするいくつかの穴７４０を含んでもよい。圧縮ロッドをフレーム７１５を通して挿入することは、圧縮荷重がフレーム７１５に直接伝達されることを可能にする。集電体ボルトとの電気接続を防止するために、穴７４０、７３０を電気絶縁してもよい。
【００７２】
フレーム材料と比較して、より低い弾性率を有する材料から形成された第２の構造７２０を使用して、フレーム７１５の部分を被覆してもよい。第２の材料は、たとえば、成形可能な熱可塑性材料または熱硬化性材料であってもよい。フレーム７１５を第２の材料にインサート成形してもよい。第２の材料を使用して、金属フレーム７１５のための非導電性外部カバーを提供してもよい。たとえばプラスチックに埋込まれた金属フレームを含む多材料エンドプレート７００が、従来のエンドプレートに対して、重量および／またはサイズの低減に加えて、熱絶縁および電気絶縁をもたらしてもよい。
【００７３】
本発明の別の実施形態は、多領域圧縮を行うためにデュアルエンドプレートアセンブリを含む。そのような圧縮装置を使用して、圧縮力を燃料電池スタックの活性領域に加え、依然として、内部マニホルドの周りの実質的に漏れないシールをもたらすように、周囲領域における十分な圧縮をもたらしてもよい。
【００７４】
本発明の実施形態によるデュアルエンドプレート圧縮アセンブリ８００が、図８ａから図８ｄに示されている。第１のエンドプレート８１０および第２のエンドプレート８２０が、燃料電池スタック８３０（図８ｄ）の各端部に位置決めされる。１組の接続ロッド８１５（図８ａ）が第１のエンドプレート８１０を通る。第２の組の接続ロッド８２５が第１のエンドプレート８１０および第２のエンドプレート８２０の両方を通る。この例において、図８ｃに示されたプレート８１０、８２０の端面図に最もよく示されているように、第１のエンドプレート８１０は、燃料電池スタック８３０に対して直角に（ｓｑｕａｒｅ）位置決めされる。第２のプレート８２０は、第１のエンドプレート８１０から約４５度だけ回転される。
【００７５】
燃料電池スタック８３０の活性領域の優先的な圧縮を促進するために、第２のエンドプレート８２０の一方または両方が、プレート８２０の中心領域に隆起部分８５０を有してもよい。図８ｂは、隆起部分８５０を有する第２のエンドプレート８２０の内面を示す。隆起部分８５０は、たとえばＵＣＡの活性領域のほぼ相対位置に位置が対応してもよい。第２のエンドプレート８２０を、隆起領域８５０（図８ｂ）が第１のエンドプレート８１０に隣接して位置決めされるように配列してもよい。第２のプレート８２０のナット８２７（図８ａおよび図８ｃ）が締付けられると、隆起部分８５０は、第１のエンドプレート８１０の中心において力を生じる。力は、第１のプレート８１０のナット８１７が締付けられると通常発生する歪みに対抗する。
【００７６】
プレートを、２つのグループのねじを切られたロッド８１５、８２５および対応するナット８１７、８２７によって、独立して中に引いてもよい。たとえば、第２のプレート８２０のためのナット８２７で始まり、その後、第１のプレート８１０のためのナット８１７で、ナット８１７、８２７に均一にトルクを与えてもよい。第２のプレート８２０が、中心に突出領域８５０を有する場合、そのナット８２７を締付けることを校正して、第１のプレート８１０外縁において最小力を生じてもよい。
【００７７】
第２のプレート８２０の機能は、燃料電池スタック８３０（図８ｄ）から離れて外方に湾曲する第１のプレート８１０の歪みを低減することによって、第１のプレート８１０が燃料電池の活性領域を横切って均一な圧力を与えるのを助けることを含む。ナット８２７が第２のプレート８２０上で締付けられると、圧力が第１のプレート８１０の中心に加えられる。ナット８１７が第１のプレート８１０上で締付けられると、圧力が第１のプレート８１０の外周に加えられ、したがって、内部マニホルドシールに、および燃料電池の活性領域に加えられるシーリング力を制御する。この手順は、圧縮力の均一な分布を向上させる。第２のプレート８２０の歪みは、燃料電池の性能全体を劣化しない。第１のプレート８１０および第２のプレート８２０の厚さを、サイズ、および動作条件、たとえば、燃料電池のシーリングなどに必要な圧力によって定めてもよい。
【００７８】
デュアルエンドプレートアセンブリは、配列された燃料電池スタックの中心において付加的な力を加えることによって、エンドプレート歪みを補償して、燃料電池スタックの活性領域の圧縮を向上させることができる。図８ａ〜８ｄと関連して説明される実施形態は、ＵＣＡの活性領域を通る穴を必要とせずに、燃料電池スタックの周囲領域および中心領域の圧縮をもたらす。この実施形態で説明されるデュアルエンドプレートアセンブリを使用して、エンドプレート厚さを低減してもよく、したがって、重量および材料コストを低減してもよい。
【００７９】
図９は、電力源としての燃料電池の動作の理解を促進する簡略化された燃料電池システムを示す。上述された集電システムおよび／またはエンドプレートアセンブリのいずれも、図９に一般に示されたタイプのシステムに使用してもよいことが理解される。図９に示されたスタックの特定の構成要素および構成は、例示的な目的のためにのみ与えられる。
【００８０】
図９に示された燃料電池システム９００は、上で説明された実施形態によって構成され、かつ燃料電池スタックの各端部に配置された第１および第２のエンドプレートアセンブリを含む。たとえば、１つの実現例において、エンドプレートアセンブリが、エンドプレート９０２、９０４と、集電／圧縮ボルト９１２、９１４と、シール９２２、９２４と、集電プレート９４２、９４４とを含んでもよい。燃料電池スタックは、エンドプレート９０２、９０４に隣接して配置されたモノポーラフローフィールドプレートとして構成されたフローフィールドプレート９３２、９３４を含む。いくつかのＭＥＡ９６０およびバイポーラフローフィールドプレート９７０が、第１のエンドプレート９０２と第２のエンドプレート９０４との間に位置する。これらのＭＥＡおよびフローフィールド構成要素は、好ましくは上述されたタイプのものである。
【００８１】
エンドプレート９０２、９０４を通る接続ロッド９８０を使用して、接続ロッドナット９８５が締付けられるときに燃料電池スタックの周囲領域を優先的に圧縮してもよい。集電／圧縮ボルト９１２、９１４を締付けることによって、燃料電池スタックの中心領域を優先的に圧縮してもよい。集電／圧縮ボルト９１２、９１４を、また、燃料電池スタックから電流を集めるために使用してもよい。燃料電池スタックから集められた電流を使用して、負荷９９０に電力供給する。
【００８２】
図９に示されているように、燃料電池システム９００は、たとえば酸素を受入れることができる第１の燃料入口ポート９０６と、たとえば水素を排出することができる第２の燃料出口ポート９０８とを含む第１のエンドプレート９０２を含む。第２のエンドプレート９０４は、たとえば酸素を排出することができる第１の燃料出口ポート９０９と、たとえば水素を受入れることができる第２の燃料入口ポート９１０とを含む。燃料は、エンドプレート９０２、９０４に設けられたさまざまなポート９０６、９０８、９０９、９１０、ならびにスタックのＭＥＡ９６０およびフローフィールドプレート９７０（たとえば、ＵＣＡ）の各々の上に設けられたマニホルドポートを介して、指定されたように、スタックを通る。
【００８３】
図１０〜１３は、ここで説明されるような燃料電池アセンブリを組入れ、発電のために燃料電池スタックを使用してもよいさまざまな燃料電池システムを示す。図１０に示された燃料電池システム１０００は、ここでの実施形態によって示されるような燃料電池アセンブリを使用してもよい多くの可能なシステムの１つを示す。
【００８４】
燃料電池システム１０００は、燃料処理装置１００４と、電力セクション１００６と、電力調整装置１００８とを含む。燃料改質装置を含む燃料処理装置１００４は、天然ガスなどの源燃料を受け、源燃料を処理して水素リッチ燃料を発生する。水素リッチ燃料は電力セクション１００６に供給される。電力セクション１００６内で、水素リッチ燃料は、電力セクション１００６に収容された燃料電池スタックのＵＣＡのスタックに導入される。空気の供給も電力セクション１００６に提供され、これは、燃料電池のスタックのための酸素源を提供する。
【００８５】
電力セクション１００６の燃料電池スタックは、ＤＣ電力、使用可能な熱、およびきれいな水を発生する。再生システムにおいて、副産物熱のいくらかまたはすべてを使用して蒸気を発生することができ、蒸気は、燃料処理装置１００４によって、そのさまざまな処理機能を行うために使用することができる。電力セクション１００６によって発生されたＤＣ電力は、電力調整装置１００８に送られ、これは、その後の使用のためＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。ＡＣ電力変換が、ＤＣ出力電力を提供するシステムに含まれる必要はないことが理解される。
【００８６】
図１１は、燃料供給ユニット１１０５と、燃料電池電力セクション１１０６と、電力調整装置１１０８とを含む燃料電池電力供給１１００を示す。燃料供給ユニット１１０５は、燃料電池電力セクション１１０６に供給される水素燃料を収容する溜めを含む。電力セクション１１０６内で、水素燃料は、空気または酸素とともに、電力セクション１１０６内に収容された燃料電池スタックのＵＣＡに導入される。
【００８７】
燃料電池電力供給システム１１００の電力セクション１１０６は、ＤＣ電力、使用可能な熱、およびきれいな水を発生する。電力セクション１１０６によって発生されたＤＣ電力は、望ましい場合、ＡＣ電力への変換のため、電力調整装置１１０８に伝達してもよい。図１１に示された燃料電池電力供給システム１１００を、たとえば、定置式または携帯用ＡＣ発電機またはＤＣ発電機として実現してもよい。
【００８８】
図１２に示された実現例において、燃料電池システムが、燃料電池電力供給によって発生された電力を使用して、電力を提供して、コンピュータを動作させる。図１１と関連して説明されるように、燃料電池電力供給システムは、燃料供給ユニット１２０５と、燃料電池電力セクション１２０６とを含む。燃料供給ユニット１２０５は、水素燃料を燃料電池電力セクション１２０６に提供する。電力セクション１２０６の燃料電池スタックは、デスクトップまたはラップトップコンピュータなどのコンピュータ１２１０を動作させるために使用される電力を発生する。
【００８９】
図１３に示された別の実現例において、燃料電池電力供給からの電力を使用して、自動車を動作させる。この構成において、燃料供給ユニット１３０５が、水素燃料を燃料電池電力セクション１３０６に供給する。電力セクション１３０６の燃料電池スタックは、自動車の駆動機構１３１０に結合されたモータ１３０８を動作させるために使用される電力を発生する。
【００９０】
本発明のさまざまな実施形態の先の説明は、例示および説明のために提示された。余すところがないこと、または本発明を開示された厳密な形式に限定することは意図されていない。上記教示に鑑み、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ、特許請求の範囲によって限定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１ａ】燃料電池およびその構成層の図である。
【図１ｂ】本発明の実施形態による、モノポーラ構成を有するユニット化電池アセンブリを示す。
【図１ｃ】本発明の実施形態による、モノポーラ／バイポーラ構成を有するユニット化電池アセンブリを示す。
【図２】本発明の実施形態による燃料電池アセンブリである。
【図３ａ】本発明の実施形態による燃料電池集電システムを示す。
【図３ｂ】本発明の実施形態による燃料電池集電システムを示す。
【図４ａ】本発明の実施形態による、１つ以上の集電プレートを含む燃料電池集電システムを示す。
【図４ｂ】本発明の実施形態による、１つ以上の集電プレートを含む燃料電池集電システムを示す。
【図４ｃ】本発明の実施形態による、１つ以上の集電プレートを含む燃料電池集電システムを示す。
【図４ｄ】本発明の実施形態による、１つ以上の集電プレートを含む燃料電池集電システムを示す。
【図４ｅ】本発明の実施形態による、１つ以上の集電プレートを含む燃料電池集電システムを示す。
【図５】本発明の実施形態による、燃料電池スタックの多数の領域の優先的な圧縮を示す図である。
【図６】本発明の実施形態による、集電機能性を有する２領域圧縮機構を示す。
【図７】本発明の実施形態によるエンドプレートを示す。
【図８ａ】本発明の実施形態による２領域圧縮機構を示す。
【図８ｂ】本発明の実施形態による２領域圧縮機構を示す。
【図８ｃ】本発明の実施形態による２領域圧縮機構を示す。
【図８ｄ】本発明の実施形態による２領域圧縮機構を示す。
【図９】本発明の原理による燃料電池動作の理解を促進する簡略化された燃料電池スタックの例示的な図を示す。
【図１０】本発明の圧縮機構および／または集電システムを使用する１つ以上の燃料電池スタックを使用することができる燃料電池システムを示す。
【図１１】本発明の圧縮機構および／または集電システムを使用する１つ以上の燃料電池スタックを使用することができる燃料電池システムを示す。
【図１２】本発明の圧縮機構および／または集電システムを使用する１つ以上の燃料電池スタックを使用することができる燃料電池システムを示す。
【図１３】本発明の圧縮機構および／または集電システムを使用する１つ以上の燃料電池スタックを使用することができる燃料電池システムを示す。
【図１ａ】
2007510273.tif 000003
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
2007510273.tif 000009
【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図５】
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【図６】
2007510273.tif 000015
【図７ａ】
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【図７ｂ】
2007510273.tif 000017
【図８ａ】
2007510273.tif 000018
【図８ｂ】
2007510273.tif 000019
【図８ｃ】
2007510273.tif 000020
【図８ｄ】
2007510273.tif 000021
【図９】
2007510273.tif 000022
【図１０】
2007510273.tif 000023
【図１１】
2007510273.tif 000024
【図１２】
2007510273.tif 000025
【図１３】
2007510273.tif 000026
【国際調査報告】
2007510273.tif 000027
2007510273.tif 000028
2007510273.tif 000029
2007510273.tif 000030
2007510273.tif 000031