(57)【要約】  燃料電池セルスタック（３０）に含まれる複合型端部プレートアセンブリが、該スタックの端部セル（３６）に隣接して固定された集電板（４０）を有し、この集電板（４０）に隣接して圧力プレート（４２）が固定され、このプレート（４２）内に画定されたバックボーン支持平面（４４）内に、バックボーン（６０）が固定される。バックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）が、バックボーン支持平面（４４）と、圧力プレート（４２）内に画定された撓み用平面（５０）と、の間に画定されるギャップ（８４）を覆うように延在し、タイロッド（７８，８０）を締め付けた際に、タイロッド用端部がギャップ（８４）内で撓むようにする。バックボーンが撓むことによって、バックボーン（６０）は、作動中の燃料電池セルスタック（３０）の制限内での膨張を許容することができ、さらには、このバックボーン（６０）は、スタック（３０）の作動動的制限を越えてスタック（３０）が膨張することを防ぐ適切な曲げ強さを有する。
2010514136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）燃料電池セルスタック（３０）の反応部（３４）を形成するように互いに隣り合わせてスタックにされた複数の燃料電池セル（３２）であって、燃料電池セルスタック（３０）の反応部（３４）の外側端部に端部セル（３６）を含む複数の燃料電池セル（３２）と、
（ｂ）端部セル（３６）に隣接して固定された複合型端部プレートアセンブリ（３８）であって、
（ｉ）端部セル（３６）に隣接して固定され、端部セル（３６）と通電する集電板（４０）と、
（ｉｉ）端部セル（３６）に重なるように集電板に隣接して固定された圧力プレート（４２）であって、該圧力プレートの中心（４６）から、該圧力プレート（４２）の中心（４６）と外縁（４８）とを結ぶ距離の約３０％〜約８０％の距離まで延びるバックボーン支持平面（４４）を画定し、さらに、バックボーン支持平面（４４）と該圧力プレート（４２）の外縁（４８）との間に延びるとともに、バックボーン支持平面（４４）と、集電板（４０）に隣接する該圧力プレート（４２）の接触面（５４）と、の間に位置する撓み用平面（５０）を画定する圧力プレート（４２）と、
（ｉｉｉ）タイロッド（７８，８０）を受けて、圧力プレート（４２）の外縁（４８）に隣接して固定するように構成された貫通孔（７０，７２，７４，７６）を画定する複数のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）と、これらのタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）間に延びる少なくとも１つの梁（８２）と、を含み、バックボーン支持平面に隣接して固定され、バックボーン支持平面（４４）に接触しつつこれに沿って延在するバックボーン（６０）であって、該バックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）は、該タイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）と撓み用平面（５０）との間にギャップ（８４）を画定するように、撓み用平面に重なるように構成され、さらに、燃料電池セルスタック（３０）の作動動的制限内での膨張を許容する適切な柔軟性と、該スタック（３０）の作動動的制限を越える膨張を防ぐ所定の曲げ強さと、を兼ね備えるように構成されたバックボーン（６０）と、を備え、
（ｉｖ）上記撓み用平面（５０）は、圧力プレート（４２）内で、バックボーン支持平面（４４）から所定の距離だけ離間した位置に画定され、ギャップ（８４）内でのバックボーン（６０）の撓みを許容するように構成されてなる、
複合型端部プレートアセンブリ（３８）と、
を備える、還元剤流体とプロセス酸化剤反応物の流れから電気を生成する燃料電池セルスタック（３０）。
【請求項２】
バックボーン支持平面は、圧力プレートの中心（４６）から、圧力プレート（４２）の中心（４６）と外縁（４８）とを結ぶ距離の約５０％〜約６０％の距離まで延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック（３０）。
【請求項３】
バックボーン（６０）の梁（８２）は、圧力プレート（４２）の中心（４６）を横切るように延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック（３０）。
【請求項４】
圧力プレート（４２）の接触面（５４）に平行な平面におけるバックボーン（６０）の最大断面積が、圧力プレート（４２）の接触面（５４）に平行な平面における圧力プレート（４２）の断面積の約５０％以下の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック（３０）。
【請求項５】
圧力プレート（４２）は、バックボーン（６０）に隣接する位置に、集電板から離れる方向に立ち上がる複数の壁（５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄ）を画定し、これら複数の壁（５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄ）は、圧力プレート（４２）の接触面（５４）が画定する平面にほぼ平行な方向へのバックボーン（６０）の横方向の動きを阻止するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック（３０）。
【請求項６】
燃料電池セルスタック（３０）内に燃料電池セル（３２，３６）を動的に保持する方法であって、
（ａ）圧力プレート（４２）内に、圧力プレート（４２）の中心（４６）から、プレート（４２）の中心（４６）と外縁（４８）とを結ぶ距離の約３０％〜約８０％の距離まで延びるように構成されたバックボーン支持平面（４４）を画定し、さらに、圧力プレート（４２）内に、バックボーン支持平面（４４）と圧力プレート（４２）の外縁（４８）との間に延びるとともに、バックボーン支持平面（４４）と圧力プレート（４２）の接触面（５４）との間に位置する撓み用平面（５０）を画定するステップと、
（ｂ）集電板（４０）に隣接して圧力プレート（４２）の接触面（５４）を固定するステップと、
（ｃ）スタック（３０）の端部セル（３６）に隣接して集電板（４０）を固定するステップと、
（ｄ）バックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）が、圧力プレート（４２）内に画定された撓み用平面（５０）に重なるように延在するように、バックボーン支持平面（４４）内にバックボーン（６０）を固定するステップと、
（ｅ）バックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）内のタイロッド（７８，８０）を締め付けることによって、タイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）と撓み用平面（５０）との間に画定されたギャップ（８４）内にタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）を撓ませるステップと、
を含む方法。
【請求項７】
燃料電池セルスタック（３０）内に燃料電池セル（３２）を動的に保持する方法であって、
（ａ）燃料電池セルスタック（３０）の端部セル（３６）に隣接して固定された集電板（４０）に結合された複数平面型圧力プレート（４２）内にバックボーン（６０）を一体化し、熱容量の低い複合型端部プレートアセンブリ（３８）を形成するステップと、
（ｂ）複数平面型圧力プレート（４２）の撓み用平面（５０）に隣接するギャップ（８４）内にバックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）を撓ませるステップと、
（ｃ）複数平面型圧力プレート（４２）の互いに反対側の外縁（４８）間にバックボーン（６０）の梁（８２）を延ばすステップと、
（ｄ）バックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）から複平面圧力プレート（４２）の中心（４６）を介して締め付け荷重を再分配するステップと、
（ｅ）タイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）がギャップ（８４）内で撓み用平面（５０）に接触することなく所定の値まで撓んでなる荷重追加を提供するステップと、
を含む方法。
【請求項８】
燃料電池セルの温度変化に応答して、タイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）をギャップ（８４）内に撓ませ、燃料電池セルスタック（３２）の作動動的制限内での膨張を許容することをさらに含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
さらに、燃料電池セルスタック（３２）の作動動的制限を越える膨張を防ぐ所定の曲げ強さを有するようにバックボーン（６０）を構成することを含む請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
圧縮クリープに起因する燃料電池セル（３２）の薄化に応答してバックボーン（６０）のタイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）の撓みがしだいに減少し、タイロッド用端部（６２，６４，６６，６８）の上記の撓み減少に応答して荷重追加が維持されることをさらに含む請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、乗り物、可搬式電力プラントまたは据置型電力プラントとしての使用に適した燃料電池に関し、詳しくは、集電板と、軽量の圧力プレートと、この圧力プレートを覆う剛性のバックボーンと、を組み合わせて使用することにより得られる、熱容量の低い複合型端部プレートアセンブリを備える燃料電池セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は周知のものであり、一般に、宇宙飛行体や乗り物に搭載された装置や建物用オンサイト発電機などの電力装置に電力供給するために、還元剤流体と酸化反応物流体から電気エネルギを生み出すように使用される。複数の平板状燃料電池セルが、一般に、電気絶縁体のフレーム構造によって囲まれた燃料電池セルスタックとなるように配置され、そのフレーム構造は、還元剤、酸化剤、冷却剤および生成物の流体の流れを案内するマニホールドを燃料電池電力プラントの一部として画定する。個々の燃料電池セルは、一般に、電解質によって分離されたアノード側電極とカソード側電極を含む。燃料電池セルは、周知のように、水輸送プレートやセパレータプレートをさらに含み得る。
【０００３】
燃料電池セルスタックは、還元剤流体とプロセス酸化剤の流れから電気を生成する。図１の従来技術の燃料電池セルスタックの簡略図に示すように、従来技術の燃料電池セルスタック１０は、互いに隣り合わせてスタックにされた複数の燃料電池セル１４から形成された反応部１２を含み、この反応部１２で周知の様式で電気を生み出す。複数の燃料電池セル１４は、燃料電池セルスタック１０の反応部１２の両端における、第１の端部セル１６と、反対側の第２の端部セル１８を含む。第１の圧力プレート２０および第２の圧力プレート２２が端部セル１６，１８を覆い、これらの圧力プレート２０，２２は、一般に、複数のタイロッド（図示せず）によって互いに固定され、これらのタイロッドは、スタック１０内の複数の圧縮シールを密閉するように、スタックに圧縮荷重を加える。周知の圧力プレート２０，２２は、大型の導電性金属材料から形成される。
【０００４】
このような燃料電池セルスタック１０の作動中に、スタック１０による熱の発生と、スタック１０を通流する圧縮流体の流れと、によって、燃料電池セルスタック１０の作動動的制限内でのスタック１０の寸法の膨張や縮小が生じる。従って、周知の燃料電池セルスタック１０は、上記の制限内でのスタック１０の膨張を許容するために、荷重追加システムを利用する。一般的な荷重追加システムは、タイロッド固定用ナット（図示せず）と、圧力プレート２０，２２と、の間に、スタック１０の各タイロッドに保持された１つまたは複数の皿座金（図示せず）を含む。このような荷重追加システムは、スタック１０に一定の最小荷重を加えつつ、スタック１０の膨張を作動動的制限内に制限する。従来は、有効な荷重追加システムを実現するために、周知の燃料電池セルスタック１０は、大型の重い金属製圧力プレート２０，２２を荷重追加システムの一部として利用している。
【０００５】
このような周知の燃料電池セルスタック１０は、大型の圧力プレート２０，２２の高い熱容量に関連して、多くの問題を引き起こしている。例えば、氷点下の条件からの「ブートストラップ」起動の際に、水素などの還元剤流体と、酸素や空気などの酸化剤とが、燃料電池１４に供給される間に、燃料電池セルスタック１０に補助的な高温流体が何も加えられないことが好ましい。電解質としてプロトン交換膜（“ＰＥＭ”）を利用する燃料電池１４においては、水素がアノード側電極の触媒表面で電気化学的に反応し、水素イオンと電子に分かれる。この電子は、外部の負荷回路を流れてカソード側電極に戻るが、その間に、水素イオンは電解質を通過してカソード側電極まで移動し、酸化剤および電子と反応して水を生成するとともに熱エネルギを放出する。燃料電池セル１４が生成した電気は、導電性圧力プレート２０，２２内に流入および／または通流する。
【０００６】
このような「ブートストラップ」起動の際に、スタック１０の中央領域にある燃料電池セル１４は、スタック１０の両端部に隣接する端部セル１６，１８と比較して、温度が早く上昇する。端部セル１６，１８で発生する熱は、大型の導電性金属圧力プレート２０，２２に直ぐに伝達されるので、端部セル１６，１８は、ゆっくり温度が上昇する。端部セル１６，１８の温度が、０℃より高い温度まで急速に上がらない場合、スタック１０内の水輸送プレート中の水は凍結したままであり、それによって、生成した水を除くことができなくなり、端部セル１６，１８が燃料電池の生成水で溢れてしまう。端部セル１６，１８が水で溢れることによって、端部セル１６，１８の触媒に反応物の流体が達することが遅くなり、その結果、端部セル１６，１８に負の電圧が発生する恐れがある。端部セル１６，１８における負の電圧に起因して、カソード側電極において水素ガスが発生することや、セル１６，１８の電極の炭素支持層が腐食することがある。これらのことが発生すると、燃料電池セルスタック１０の性能および長期安定性を劣化させてしまう。
【０００７】
これらの問題を解決するために、多くの努力がなされている。例えば、２００４年７月２０日にＭｏｒｒｏｗらに発行された特許文献１は、電気を通さない非金属の繊維強化型複合材料から形成された圧力プレートを開示しており、その圧力プレートは、軽量かつコンパクトであるとともに熱容量が低い。同様に、２００４年１１月３０日にＲｅｉｓｅｒらに発行された特許文献２は、圧力プレートと端部セルとの間に断熱スペーサを備える燃料電池セルスタックを開示している。これらの特許の両方とも、本開示のすべての権利を有する本出願人が所有している。周知の燃料電池セルスタックには、大型の金属製圧力プレートの高い熱容量に関する上記のような制限的な問題があるので、そのような燃料電池スタックを効率良く動作させることは、依然として困難であり、特に、乗り物への電力供給などの変化する環境条件で頻繁に起動−停止サイクルを繰り返すような燃料電池セルスタック内のＰＥＭ電解質形燃料電池については、かなり困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，７６４，７８６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，８２４，９０１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、氷点下の条件からの起動時に、端部セルの温度が急速に０℃よりも高い温度まで上昇するような端部セルを有する燃料電池セルスタックが必要とされ、さらには、その燃料電池セルスタックが効率の良い荷重追加システムを提供できることが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示は、還元剤流体とプロセス酸化剤反応物の流れから電気を生成する燃料電池セルスタックに関する。このスタックは、燃料電池セルスタックの反応部を形成するように互いに隣り合わせてスタックにされた複数の燃料電池セルを含む。燃料電池セルスタックの反応部の外側端部に、端部セルが固定される。スタックは、端部セルに隣接して固定された複合型端部プレートアセンブリをさらに含む。このアセンブリは、端部セルに隣接して固定されて端部セルと通電する集電板と、この集電板に隣接して固定されて端部セルを覆う圧力プレートと、を含む。圧力プレートは、非導電性でかつ非金属の複合材料から形成される。圧力プレートは、該圧力プレートの中心から、該圧力プレートの中心と該圧力プレートの外縁とを結ぶ距離の約３０％〜約８０％まで延びるバックボーン支持平面を画定する。（本明細書中で用いる「約」という語は、前後２０％までを意味する。）圧力プレートは、バックボーン支持平面と、該圧力プレートの外縁と、の間に延びる撓み用平面をさらに画定する。また、この撓み用平面は、バックボーン支持平面と、集電板に隣接する圧力プレートの接触面と、の間に位置する。
【００１１】
複合型端部プレートアセンブリは、複数のタイロッド用端部を有するバックボーンをさらに含み、これらのタイロッド用端部は、燃料電池セルスタックの周縁に隣接する位置にタイロッドを受けて固定するように構成された貫通孔を画定する。バックボーンは、タイロッド用端部間に延びる少なくとも１つの梁を含む。バックボーンと集電板との間に圧力プレートが固定されるように、バックボーンが圧力プレートのバックボーン支持平面に隣接して固定されるとともに、梁がバックボーン支持平面に接触しつつこれに沿って延在する。バックボーンのタイロッド用端部が圧力プレートの撓み用平面に重なっており、タイロッド用端部と撓み用平面との間にギャップが画定されている。バックボーンは、燃料電池セルスタックの作動動的制限内での膨張を許容する適切な柔軟性と、燃料電池セルスタックの作動動的制限を越える膨張を防ぐ適切な曲げ強さと、を兼ね備える。撓み用平面は、圧力プレート内で、バックボーン支持平面から適切な距離だけ離間した位置に設定されており、バックボーンのタイロッド用端部と撓み用平面との間に画定されるギャップ内でのバックボーンの撓みを許容する。
【００１２】
複数の平面を有する圧力プレートにバックボーンを一体化することによって、本発明の燃料電池セルスタックは、重くて熱容量の高い周知の燃料電池セルスタックを使うことなく、効率の良い荷重追加システムを実現する。圧力プレートの撓み用平面に隣接するギャップ内にバックボーンのタイロッド用端部を撓ませることを利用して、バックボーンは、圧力プレートの互いに反対側の周縁間に延在する片持ち梁として機能し、タイロッド用端部から圧力プレートの中心を介して締め付け荷重を再分配するとともに、セルスタックの荷重追加システムを提供するのに十分な撓みをもたらす。
【００１３】
燃料電池セルスタックが組み立てられた後、タイロッドのナットがタイロッドを締め付けてスタックに圧縮荷重を加えると、タイロッド用端部は、ギャップ内に向かって曲がるつまり撓むが、圧力プレートの撓み用平面には接触しない。燃料電池セルスタックの作動中に、タイロッド用端部が、スタックの様々な作動温度および作動条件においてわずかに撓み、スタックの作動動的制限内でのスタックの膨張を許容する。バックボーンは、上記の制限を越えるスタックの膨張を防ぐ適切な曲げ強さを有するように構成されている。また、圧縮クリープに起因して燃料電池部品がわずかに薄化するので、バックボーンの撓みが時間の経過とともにしだいに減少する。バックボーンの片持ち梁式の撓みによって提供されるこの荷重追加システムにおいては、スタックの厚さの特定の変化に対する燃料電池セルスタック全体の荷重変化は、周知の大型の金属製圧力プレートを有する燃料電池セルスタックにおける同様なスタックの厚さの変化に対する荷重変化と比較して、かなり小さくなる。好ましい実施例においては、バックボーンはステンレススチールから形成される。
【００１４】
従って、本発明の目的は、従来技術の欠点を克服する複合型端部プレートアセンブリを有する燃料電池セルスタックを提供することである。
【００１５】
詳しくは、本発明の目的は、締め付け荷重を、燃料電池セルスタックの周縁からスタックの中心を介して分配する熱容量の低い複合型端部プレートアセンブリを備える燃料電池セルスタックを提供することであり、さらには、この複合型端部プレートアセンブリが、制限内でのスタックの膨張を許容する効率の良い荷重追加システムを提供することである。
【００１６】
複合型端部プレートを有する本発明の燃料電池セルスタックの上記および他の目的および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、さらに明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の燃料電池セルスタックの概略図。
【図２】本発明の複合型端部プレートを備える燃料電池セルスタックの側断面図。
【図３】図２の燃料電池セルスタックの上面図であり、圧力プレート内に固定されたバックボーンを示している。
【図４】図３のバックボーンの上面図。
【図５】図３の圧力プレートの上面図であり、プレート内に画定されたバックボーン支持平面および撓み用平面を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図を詳しく参照すると、図２に、複合型端部プレートアセンブリを備える燃料電池セルスタックの断面が、符号３０で概略的に示される。燃料電池セルスタック３０は、燃料電池セルスタック３０の反応部３４を形成するように互いに隣り合わせてスタックにされ還元剤流体とプロセス酸化剤反応物の流れから電気を発生させる複数の燃料電池セル３２を含む。燃料電池セルスタック３０の反応部３４の外側端部に端部セル３６が固定される。燃料電池セルスタック３０は、端部セル３６に隣接して固定された複合型端部プレートアセンブリ３８をさらに備える。
【００１９】
複合型端部プレートアセンブリ３８は、端部セル３６に隣接して固定された導電性の導電板４０を備え、この導電板４０は、燃料電池セル３２，３６からの電流の流れをスタック３０の外部へ導くように端部セル３６と通電する。圧力プレート４２が、端部セル３６に接触する側の集電板４０の面とは反対側の集電板４０の面において、集電板４０に隣接するように固定される。圧力プレートはさらに、端部セル３６を覆うことができる。圧力プレート４２は、スタック３０の燃料電池セル３２，３６に均一な圧縮荷重を加えるのに適当な剛性を有するものであり、非導電性でかつ非金属の複合材料から形成することができる。
【００２０】
圧力プレート４２は、図５に示すバックボーン支持平面４４を画定する。バックボーン支持平面４４は、圧力プレート４２の中心４６から、圧力プレート４２の中心４６と外縁４８とを結ぶ距離の約３０％〜約８０％、好ましくは約５０％〜約６０％の距離まで延在する。バックボーン支持平面４４の最適な延長距離は約５５％である。この距離は、以下に詳細に示すように、バックボーン支持平面４４に隣接して支持されたバックボーン６０の撓みを最適化するとともに、圧力プレート４２の望ましくない歪みを最小にするものとして確保される。圧力プレート４２は、また、バックボーン支持平面４４と圧力プレート４２の外縁４８との間に延びる撓み用平面５０を画定する。圧力プレート４２のバックボーン支持平面４４と撓み用平面５０との間に、さらに、複数の傾斜部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄつまり境界部を設けるようにしても良い。図５に示すように、撓み用平面５０は、圧力プレート４２の外縁４８における複数の位置（図５に示す四角形の形状に形成された圧力プレート４２の四隅など）に設けることができる。撓み用平面５０は、さらに、バックボーン支持平面４４と、集電板４０に隣接する圧力プレート４２の接触面５４と、の間に位置する。「バックボーン支持平面４４」および「撓み用平面５０」という用語を使用することによって、これら２つの要素は、異なる平面上のものであり、同一平面上にないことを意味する。しかし、これらの用語は、「バックボーン支持平面４４」または「撓み用平面５０」が、それぞれの表面領域の全体に亘って必ず平面状であることを意味するのではなく、互いに平行な平面内または燃料電池セルスタック３０の他の要素に平行な平面内に必ずあることを意味するのでもない。好ましい実施例においては、バックボーン支持平面４４および撓み用平面５０は、表面領域の全体に亘って平面状であってもよいし、互いに平行な平面内にあってもよいが、そのことは本開示の要件ではない。圧力プレート４２は、バックボーン支持平面４４および／または撓み用平面５０に隣接する位置に、集電板から離れる方向に立ち上がっている複数の壁５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄをさらに設けることができる。圧力プレート４２は、プレート４２の製造における材料の要求を最小にするように、複数の切欠部５８をさらに備えていても良い。
【００２１】
複合型プレートアセンブリ３０は、図２，３，４に示すようなバックボーン６０をさらに含む。バックボーン６０は、複数のタイロッド用端部６２，６４，６６，６８を含み、各タイロッド用端部は、図２，３に示すように、タイロッド７８，８０を受けてセルスタック３０の周縁に隣接する位置に固定するように構成された貫通孔７０，７２，７４，７６を画定する。図２は、燃料電池セルスタック３０の片側の端部のみを示すが、本発明は、燃料電池セルスタック３０の反対側の端部（図示せず）にも本明細書中に示したのと同一または同様の構造を含み得ることを理解されたい。バックボーン６０は、タイロッド用端部６２，６４，６６，６８間に延びる少なくとも１つの梁８２をさらに含む。図２，３に最もよく示されるように、バックボーン６０と集電板４０との間に圧力プレート４２が固定されるように、バックボーン６０が圧力プレート４２のバックボーン支持平面４４に隣接して固定されるとともに、梁８２がバックボーン支持平面４４に接しつつこれに沿って延在するように構成される。好ましい実施例においては、梁８２は、圧力プレート４２の中心４６を跨いで延びており、タイロッド７８，８０の締め付け力を、圧力プレート４２全体に亘って分配することを容易にする。
【００２２】
バックボーン６０のタイロッド用端部６２，６４，６６，６８は、圧力プレート４２の撓み用平面５０を覆うように構成されており、それによって、図２に示すように、タイロッド用端部と撓み用平面５０との間にギャップ８４が画定される。バックボーン６０は、スタック３０の作動動的制限内での燃料電池セルスタックの膨張を許容する適切な柔軟性と、燃料電池セルスタック３０が該スタック３０の作動動的制限を越えて膨張することがないようにする適切な曲げ強さと、を兼ね備えるように構成される。撓み用平面５０は、圧力プレート４２内で、バックボーン支持平面４４から適切に離間した位置に画定され、バックボーン６０の上記の撓みをギャップ８４内で許容する。
【００２３】
燃料電池セルスタック３０は、集電板リード８６をさらに含み、この集電板リード８６は、留め具８８Ａ，８８Ｂで圧力プレート４２に固定されるとともに、集電板４０と通電するように固定され、集電板４０から、圧力プレート４２の外面９２に設けられ得る電流端子９０Ａ，９０Ｂへ電流を導いている。図３および図５に最も良く示されるように、圧力プレート４２内でバックボーン支持平面４４および／または撓み用平面５０に隣接する位置に画定された壁５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄは、さらに、バックボーン支持平面４４上のバックボーン６０に隣接している。従って、壁５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄによって、圧力プレート４２の接触面５４が画定する平面にほぼ平行ないずれの方向についてもバックボーン６０の横方向の動きが阻止される。
【００２４】
バックボーン支持平面４４および撓み用平面５０の両方を有する圧力プレート４２にバックボーン６０を一体化することによって、燃料電池セルスタック３０は、従来技術の燃料電池セルスタック１０における重くて熱容量の高い圧力プレート２０，２２を備えることなく効率の良い荷重追加システムとして機能する。バックボーン６０は、上記の機能を実現するのに十分な強さをもつ種々の材料から形成することができる。バックボーン６０の好ましい材料はステンレススチールであり、好ましいステンレススチールとしては、３１６Ｌステンレスチールがある。好ましい集電板４０は、金メッキされた錫、または金メッキされた３１６Ｌステンレススチールから形成される。高強度材料を使ってバックボーン６０の全体の質量を減らすことによって、上記の荷重追加システムを提供するとともに、端部セル３６に隣接する燃料電池セル３２による上記の不利益な熱の損失を除去ないし抑制することができる。好ましい実施例においては、圧力プレート４２の接触面５４に平行な平面におけるバックボーン６０の最大断面積が、圧力プレート４２の接触面５４に平行な平面における圧力プレート４２の断面積の約５０％以下である。
【００２５】
本発明の複合型端部プレートアセンブリ３０を備える燃料電池セルスタック３０の使用中に、バックボーン６０のタイロッド用端部６２，６４，６６，６８上でタイロッド７８，８０が締め付けられると、タイロッド７８，８０は、スタック３０に圧縮荷重を加える。タイロッド用端部６２，６４，６６，６８は、ギャップ８４内に曲がるつまり撓むが、圧力プレート４２の撓み用平面５０には接触しない。燃料電池セルスタック３０の作動中に、タイロッド用端部６２，６４，６６，６８は、スタック３０の様々な作動温度や作動条件においてわずかに撓み、スタック３０の作動動的制限内でのスタック３０の膨張を許容する。圧縮クリープに起因して燃料電池セルスタック３０の部品がわずかに薄くなるので、バックボーン６０の撓みは時間の経過とともにしだいに小さくなる。ギャップ８４内でのバックボーン６０の片持ち梁式の撓みによって提供される荷重追加システムにおいては、燃料電池セルスタック３０の厚さの特定の変化に対する該スタック３０全体の荷重変化は、周知の大きな金属圧力プレート２０，２２を有する従来技術の燃料電池セルスタック１０における該スタック１０の厚さの同様の変化に対する荷重変化と比較して、かなり小さくなる。
【００２６】
本開示の方法は、燃料電池セルスタック３０内に燃料電池セル３２，３６を動的に保持する方法であって、圧力プレート４２内に、圧力プレート４２の中心から、プレート４２の中心４６と外縁４８とを結ぶ距離の約３０％〜約８０％の距離まで延びるように構成されたバックボーン支持平面４４を画定するステップと、圧力プレート４２内に、バックボーン支持平面４４と圧力プレートの外縁４８との間に延びるとともに、バックボーン支持平面４４と圧力プレート４２の接触面５４との間に位置する撓み用平面５０を画定するステップと、集電板４０に隣接して圧力プレート４２を固定するステップと、スタック３０の端部セル３６に隣接して集電板４０を固定するステップと、バックボーン６０のタイロッド用端部６２，６４，６６，６８が、圧力プレート４２内に画定された撓み用平面５０に重なるように延在するように、バックボーン支持平面内にバックボーン６０を固定するステップと、バックボーン６０のタイロッド用端部６２，６４，６６，６８内のタイロッド７８，８０を締め付けることによって、タイロッド用端部６２，６４，６６，６８と撓み用平面５０との間に画定されたギャップ８４内にタイロッド用端部６２，６４，６６，６８を撓ませるステップと、を含む。燃料電池セルスタック３０内に燃料電池セル３２，３６を動的に保持する本発明の方法によれば、タイロッド用端部６２，６４，６６，６８をギャップ８４内に撓ませるようにタイロッド７８，８０を締め付けることによって、外縁４８に隣接するタイロッド７８，８０の圧縮荷重を、圧力プレート４２を介してプレート４２の中心４６に再分配するとともに、上記の荷重追加システムを提供することができる。
【００２７】
本開示は、複合型端部プレートアセンブリ３８を有する上記および図示した燃料電池セルスタック３０に関して開示しているが、本開示は、上記の代表例および記述した実施例に限定されないことを理解されたい。例えば、本開示は、リン酸形燃料電池、プロトン交換膜形燃料電池などの種々の燃料電池に利用することができる。
【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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