(57)【要約】燃料電池スタック及び圧縮システムが提供される。圧縮システムは燃料電池スタックに圧縮力を与えるものであり、燃料電池スタックは第１および第２の端部を有する。圧縮システムは、複数の非対称の板ばねを含み、これらの板ばねは燃料電池スタックの第１の端部及び第２の端部に動作可能に連結されている。板ばねのそれぞれは、スロットを含み、スロットは、第１および第２の連結位置を有する。圧縮システムは、又、板ばねに連結される引張部材を含んでいる。引張部材は、板ばねを圧縮し、燃料電池スタックへ圧縮荷重を与える。【選択図】図５
2015513199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックへと圧縮力を与える圧縮システムであって、
前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第１の非対称な板ばねと、
前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第２の非対称な板ばねと、
前記第１の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの引張部材と、
前記第２の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの他の引張部材とを含み、
前記少なくとも１つの引張部材および前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第１および第２の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える、
圧縮システム。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮システムであって、
前記第１の板ばねは、第１および第２の連結位置を含み、
前記第２の板ばねは、第１および第２の連結位置を含み、
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結され、
前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結されている、
圧縮システム。
【請求項３】
請求項２に記載の圧縮システムであって、
前記第１の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含み、
前記第２の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第２のスロットを含み、
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第１の引張部材と、前記第１の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第２の引張部材とを含み、
前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第３の引張部材と、前記第２の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第４の引張部材とを含む、
圧縮システム。
【請求項４】
請求項３に記載の圧縮システムであって、さらに、
前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第３のスロットを含む第３の非対称な板ばねと、
前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第４のスロットを含む第４の非対称な板ばねとを含み、
前記第１および第２の引張部材は、前記第１の板ばねを前記第３の板ばねへと連結し、
前記第３および第４の引張部材は、前記第２の板ばねを前記第４の板ばねへと連結する、圧縮システム。
【請求項５】
請求項２に記載の圧縮システムであって、
前記第１および第２の非対称な板ばねのそれぞれは、前記第２の連結位置と前記板ばねの第１の端部との間に第１の長さを、前記第２の連結位置と前記板ばねの反対側の第２の端部との間に第２の長さを有し、前記第１の長さは前記第２の長さよりも大きい、圧縮システム。
【請求項６】
請求項３に記載の圧縮システムであって、
前記第１および第２のスロットのそれぞれは、縦穴と、第１および第２の横穴とを有し、
前記第１および第２の引張部材のそれぞれは、ばね付勢と、前記縦穴に挿入された脚部とを有し、前記脚部が前記第１および第２の連結位置の１つに移動するように付勢され、摩擦結合をなす、
圧縮システム。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載の圧縮システムであって、前記少なくとも１つの引張部材および前記少なくとも１つの他の引張部材のそれぞれが、屈曲ワイヤからなる、圧縮システム。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の圧縮システムであって、
前記第１および第２の板ばねのそれぞれは、前記燃料電池スタックの幅を超えて延びる第１および第２の肩部を有し、
前記少なくとも１つの引張部材および少なくとも１つの他の引張部材は、前記燃料電池スタックの高さに沿って延び、かつそこから離間している、
圧縮システム。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の圧縮システムであって、前記第１および第２の板ばねは、非導電性のエンドプレートと接触している、圧縮システム。
【請求項１０】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへと圧縮力を与える圧縮システムとを含む燃料電池システムであって、
前記圧縮システムは、
前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第１の非対称な板ばねと、
前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第２の非対称な板ばねと、
前記第１の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの引張部材と、
前記第２の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの他の引張部材とを含み、
前記少なくとも１つの引張部材および前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第１および第２の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の板ばねは、第１および第２の連結位置を含み、
前記第２の板ばねは、第１および第２の連結位置を含み、
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結され、
前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結されている、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含み、
前記第２の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第２のスロットを含み、
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第１の引張部材と、前記第１の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第２の引張部材とを含み、
前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第３の引張部材と、前記第２の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第４の引張部材とを含む、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
前記圧縮システムは、さらに、
前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第３のスロットを含む第３の非対称な板ばねと、
前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第４のスロットを含む第４の非対称な板ばねとを含み、
前記第１および第２の引張部材は、前記第１の板ばねを前記第３の板ばねへと連結し、
前記第３および第４の引張部材は、前記第２の板ばねを前記第４の板ばねへと連結する、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２の非対称な板ばねのそれぞれは、前記第２の連結位置と前記板ばねの第１の端部との間に第１の長さを有し、前記第２の連結位置と前記板ばねの反対側の第２の端部との間に第２の長さを有し、前記第１の長さは前記第２の長さよりも大きい、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１および第２のスロットのそれぞれは、縦穴と、第１および第２の横穴とを有し、
前記第１および第２の引張部材のそれぞれは、ばね付勢と、脚部とを有し、
前記脚部は、前記縦穴に挿入され、前記第１および第２の連結位置の１つに移動するように付勢され、摩擦結合を形成する、
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１および第２の端部をなす第１および第２の非導電性のエンドプレートを含み、前記圧縮システムは、前記第１および第２の非導電性のエンドプレートと接触する、燃料電池システム。
【請求項１７】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックへと圧縮力を与える圧縮システムであって、
前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含む前記第１の板ばねと、
前記第１の板ばねの前記第１の連結位置で連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された第１の引張部材と、
前記第１の板ばねの前記第２の連結位置で連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された第２の引張部材とを含み、
前記第１および第２の引張部材は、前記第１の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える、
圧縮システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の圧縮システムであって、さらに、前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結された第２の板ばねを含み、
前記第２の板ばねは、第１および第２の連結位置を有する第２のスロットを含み、
前記第１の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１の連結位置で連結され、
前記第２の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第２の連結位置で連結され、
前記第１および第２の引張部材は、前記第１および第２の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える、
圧縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池に関するものであり、とりわけ、燃料電池スタックへと圧縮荷重を与えるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯用電子機器の電源としての燃料電池バッテリへの興味は、増大しつつある。燃料電池は、正極および負極の活物質として、電池外部からの物質を用いる電気化学電池である。燃料電池は、発電に用いられる活物質のすべてを収容する必要がないため、他のタイプの電池と比べて、発生する電気エネルギの量に対して小さな容量で作成することが可能である。
【０００３】
燃料電池は、正極（カソード）および負極（アノード）反応に用いられる物質のタイプによって分類可能である。燃料電池の１つの種類は、水素を負極活物質、酸素を正極活物質として用いる水素燃料電池である。このような燃料電池の放電の際には、負極で水素が酸化され、水素イオンと電子を発生する。水素イオンは非導電性でイオン透過性のセパレータを通過し、電子は外部回路を通過して陽極へと至り、そこで酸素が還元される。
【０００４】
燃料電池システムは、１つまたはそれ以上のセルと水素源を含む燃料電池バッテリを含むものとできる。十分な量の電力を生じるために、複数の単セルは直列に重ねられ、燃料電池スタックを形成することができる。一般に、単セルのスタック全体で密着が保たれていなくてはならないが、これはセルが水和したり水分が抜けたりして、使用中に伸び縮みするためである。圧縮システムは、典型的には、スタックに圧縮荷重を与えるために用いられ、これは典型的には、ボルトまたはねじ棒を介して引張部材で連結されたエンドプレート間にスプリングを含んでいる。
【０００５】
以下の特徴、燃料電池スタックの均一な圧縮をもたらす、製造および組み立てがシンプルかつ容易、長期耐久性および容易かつ安価な製造性を有する、のうち１つまたはそれ以上を有する燃料電池スタック用の圧縮システムを提供することが望ましい。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の１つの特徴によると、第１および第２の端部を有する燃料電池スタックへと圧縮力を与える圧縮システムが提供される。前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第１の非対称な板ばねを含む。前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第２の非対称な板ばねを含む。前記圧縮システムはまた、前記第１の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの引張部材を含む。前記圧縮システムはさらに、前記第２の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの他の引張部材を含む。前記少なくとも１つの引張部材および前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第１および第２の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える。実施の形態は、以下の特徴のうち１つまたはそれ以上を含むものとできる。
【０００７】
前記第１の板ばねはさらに、第１および第２の連結位置を含み、前記第２の板ばねは、第１および第２の連結位置を含む。
【０００８】
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結され、前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結されている。
【０００９】
第１の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含み、前記第２の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第２のスロットを含む。
【００１０】
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第１の引張部材と、前記第１の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第２の引張部材とを含む。
【００１１】
前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第３の引張部材と、前記第２の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第４の引張部材とを含む。
【００１２】
前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第３のスロットを含む第３の非対称な板ばねと、前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第４のスロットを含む第４の非対称な板ばねとをさらに含み、前記第１および第２の引張部材は、前記第１の板ばねを前記第３の板ばねへと連結し、前記第３および第４の引張部材は、前記第２の板ばねを前記第４の板ばねへと連結する。
【００１３】
前記第１および第２の非対称な板ばねのそれぞれが、前記第２の連結位置と前記板ばねの第１の端部との間に第１の長さを、前記第２の連結位置と前記板ばねの反対側の第２の端部との間に第２の長さを有し、前記第１の長さは前記第２の長さよりも大きい。
【００１４】
前記第１および第２のスロットのそれぞれが、縦穴と、第１および第２の横穴とを有し、前記第１および第２の引張部材のそれぞれが、ばね付勢と、前記縦穴に挿入された脚部とを有し、前記脚部が前記第１および第２の連結位置の１つに移動するように付勢され、摩擦結合をなす。
【００１５】
前記少なくとも１つの引張部材および前記少なくとも１つの他の引張部材のそれぞれが、屈曲ワイヤからなる。
【００１６】
前記第１および第２の板ばねのそれぞれが、前記燃料電池スタックの幅を超えて延びる第１および第２の肩部を有し、前記少なくとも１つの引張部材および少なくとも１つの他の引張部材が前記燃料電池スタックの高さに沿って延び、かつそこから離間している。
【００１７】
前記第１および第２の板ばねは、非導電性のエンドプレートと接触している。
【００１８】
本発明の他の特徴によると、燃料電池システムが提供される。前記燃料電池システムは、第１および第２の端部を有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える圧縮システムとを含む。前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第１の非対称な板ばねを含む。前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第２の非対称な板ばねを含む。前記圧縮システムはまた、前記第１の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの引張部材を含む。前記圧縮システムはさらに、前記第２の板ばねへと動作可能に連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された少なくとも１つの他の引張部材を含む。前記少なくとも１つの引張部材および前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第１の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える。実施の形態は、以下の特徴のうち１つまたはそれ以上を含むものとできる。
【００１９】
前記第１の板ばねはさらに、第１および第２の連結位置を含み、前記第２の板ばねは、第１および第２の連結位置を含む。
【００２０】
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結され、前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１および第２の連結位置で連結されている。
【００２１】
第１の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含み、前記第２の非対称な板ばねは、前記第１および第２の連結位置を有する第２のスロットを含む。
【００２２】
前記少なくとも１つの引張部材は、前記第１の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第１の引張部材と、前記第１の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第２の引張部材とを含む。
【００２３】
前記少なくとも１つの他の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１の連結位置で連結された第３の引張部材と、前記第２の板ばねの前記第２の連結位置で連結された第４の引張部材とを含む。
【００２４】
前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第３のスロットを含む第３の非対称な板ばねと、前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結され、第１および第２の連結位置を有する第４のスロットを含む第４の非対称な板ばねとをさらに含み、前記第１および第２の引張部材は、前記第１の板ばねを前記第３の板ばねへと連結し、前記第３および第４の引張部材は、前記第２の板ばねを前記第４の板ばねへと連結する。
【００２５】
前記第１および第２の非対称な板ばねのそれぞれが、前記第２の連結位置と前記板ばねの第１の端部との間に第１の長さを、前記第２の連結位置と前記板ばねの反対側の第２の端部との間に第２の長さを有し、前記第１の長さは前記第２の長さよりも大きい。
【００２６】
前記第１および第２のスロットのそれぞれが、縦穴と、第１および第２の横穴とを有し、前記第１および第２の引張部材のそれぞれが、ばね付勢と、前記縦穴に挿入された脚部とを有し、前記脚部が前記第１および第２の連結位置の１つに移動するように付勢され、摩擦結合をなす。
【００２７】
前記燃料電池システムはさらに、前記第１および第２の端部をなす第１および第２の非導電性のエンドプレートを含み、前記圧縮システムは、前記第１および第２の非導電性のエンドプレートと接触する。
【００２８】
本発明のさらなる特徴によると、第１および第２の端部を有する燃料電池スタックへと圧縮力を与える圧縮システムが提供される。前記圧縮システムは、前記燃料電池スタックの前記第１の端部へと動作可能に連結された第１の板ばねを含む。前記第１の板ばねは、第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含む。前記圧縮システムはまた、前記第１の板ばねの前記第１の連結位置で連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された第１の引張部材を含む。前記圧縮システムはさらに、前記第１の板ばねの前記第２の連結位置で連結され、前記燃料電池スタックの前記第２の端部で支持された第２の引張部材を含む。前記第１および第２の引張部材は、前記第１の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える。実施の形態においては、前記圧縮システムはさらに、前記燃料電池スタックの前記第２の端部へと動作可能に連結された第２の板ばねを含むことができ、前記第２の板ばねは、第１および第２の連結位置を有するスロットを含み、前記第１の引張部材は、前記第２の板ばねの前記第１の連結位置で連結され、前記第２の引張部材は、前記第２のばねの前記第２の連結位置で連結され、前記第１および第２の引張部材は、前記第１および第２の板ばねを圧縮し、前記燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える。
【００２９】
本発明のこれらの、および他の利点は、以下に述べる明細、請求項、および添付の図面を参照することで、当業者によってより一層理解され、認められるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一実施例による、燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの斜視図である。
【図２】一実施例による、圧縮システムを用いた燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】燃料電池スタックを取り除いた圧縮システムの斜視図である。
【図４】図２に示す燃料電池スタックの上面図である。
【図５】図２に示す燃料電池スタックの側面図である。
【図６】図２に示す燃料電池スタックの底面図である。
【図７】圧縮システムをさらに説明する、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】圧縮システムで用いられる非対称な板ばねの斜視図である。
【図９】図８に示す非対称な板ばねの上面図である。
【図１０】実線で非圧縮状態が、想像線で圧縮状態が示される、板ばねの側面図である。
【図１１】屈曲ワイヤとして示される、圧縮システムで用いられる一対の引張部材の斜視図である。
【図１２】図１１に示す屈曲ワイヤの１つの側面図である。
【図１３】図１２に示す屈曲ワイヤの上面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
第１および第２の端部を有する燃料電池スタックへと圧縮力を与える圧縮システム、およびその圧縮システムを用いた燃料電池システムが開示されている。燃料電池スタックは、通常、直列に積み重ねられてスタックを形成する複数のセルを含む。スタックに用いられる単セルの数は、意図する用途に必要な所望の量の電力を発生するのに十分な任意の数とできる。セルは、典型的には、正極（カソード）および負極（アノード）を含む。
【００３２】
一実施例によれば、燃料電池は、水素を負極活物質、酸素を正極活物質として用いる水素燃料電池である。燃料電池の放電の際には、負極で酸素が酸化され、水素イオンと電子を発生する。水素イオンは非導電性でイオン透過性のセパレータを通過し、電子は外部回路を通過して陽極へと至り、そこで酸素が還元される。当然のことながら、圧縮システムの使用が望ましい他のタイプの燃料電池スタックも利用可能である。燃料電池システムは、１つまたはそれ以上の燃料電池スタックを含むことができる。燃料電池システムはまた、制御システム、水素源、ファン、フィルタなどの他のコンポーネントも含むことができる。
【００３３】
燃料電池システムは、燃料電池スタック全体で密着を保つために単セルのスタックを圧縮する圧縮システムを用いるが、これはセルが水和したり水分が抜けたりして、使用中に伸び縮みするためである。圧縮システムは、基本的には、燃料電池スタックの使用中に実質的に均一な圧縮をもたらすために、スタックの両端のエンドプレートを互いに向けて押し付ける。燃料電池スタックに加えられる圧縮力は、４０〜１００ポンドあたりとできる。圧縮システムは、製造および組み立てがシンプルかつ容易であり、長期耐久性および安価な製造性を有する。
【００３４】
圧縮システムは、第１および第２の端部を有する燃料電池スタックへと圧縮力を与える。圧縮システムは、燃料電池スタックの第１の端部へと動作可能に連結された第１の非対称な板ばねを含む。圧縮システムは、燃料電池スタックの第１の端部へと動作可能に連結された第２の非対称な板ばねを含む。圧縮システムはまた、第１の板ばねへと動作可能に連結され、燃料電池スタックの第２の端部で支持された少なくとも１つの引張部材を含む。圧縮システムはさらに、第２の板ばねへと動作可能に連結され、燃料電池スタックの第２の端部で支持された少なくとも１つの他の引張部材を含む。少なくとも１つの引張部材および少なくとも１つの他の引張部材は、第１および第２の板ばねを圧縮し、燃料電池スタックへと圧縮荷重を与える。
【００３５】
圧縮システムはさらに、第１の板ばねが、第１および第２の連結位置を含み、第２の板ばねが、第１および第２の連結位置を含むように構成可能である。少なくとも１つの引張部材は、第１の板ばねの第１および第２の連結位置で連結されている。少なくとも１つの他の引張部材は、第２の板ばねの第１および第２の連結位置で連結されている。
【００３６】
引張部材は、留め具を用いたり、溶接するなど、任意の好適な方法で板ばねに連結可能であるが、好ましい実施例では、圧縮システムは、第１の非対称な板ばねが、第１および第２の連結位置を有する第１のスロットを含み、第２の非対称な板ばねが、第１および第２の連結位置を有する第２のスロットを含むように構成される。少なくとも１つの引張部材は、第１の板ばねの第１の連結位置で連結された第１の端部と、第１の板ばねの第２の連結位置で連結された第２の端部とを有する単一の引張部材からなるものとできる。
【００３７】
あるいは、少なくとも１つの引張部材は、２つの引張部材――第１の板ばねの第１の連結位置で連結された第１の引張部材と、第１の板ばねの第２の連結位置で連結された第２の引張部材とからなるものとできる。同様に、少なくとも１つの他の引張部材は、第２の板ばねの第１の連結位置で連結された第１の端部と、第２の板ばねの第２の連結位置で連結された第２の端部とを有する単一の引張部材からなるものとできるし、あるいは、少なくとも１つの他の引張部材は、第２の板ばねの第１の連結位置で連結された第３の引張部材と、第２の板ばねの第２の連結位置で連結された第４の引張部材とからなるものとできる。
【００３８】
燃料電池スタックの第１の端部で第１および第２の板ばねのいずれかまたは両方に動作可能に連結された引張部材は、第１または第２の板ばねから、燃料電池スタックの第２の端部をまわって、第１または第２の板ばねに戻るように延びることで、燃料電池スタックの第２の端部で支持可能であり、あるいは、引張部材は、燃料電池スタックの第２の端部で板ばねに動作可能に連結可能である。例えば、第１の板ばねへと両端で動作可能に連結された単一の引張部材は、第３の板ばねを横切ることで、第３の板ばねへと動作可能に連結可能であり、これにより第３の板ばねを圧縮できる。同様に、第２の板ばねへと両端で動作可能に連結された単一の引張部材は、第４の板ばねを横切ることで、第４の板ばねへと動作可能に連結可能であり、これにより第４の板ばねを圧縮できる。あるいは、圧縮システムは、燃料電池スタックの第２の端部に動作可能に連結された第３の非対称な板ばねを含むことができる。第３の板ばねは、第１および第２の連結位置を有する第３のスロットを含むものとできる。圧縮システムはまた、燃料電池スタックの第２の端部に動作可能に連結された第４の非対称な板ばねを含むことができ、第４の板ばねは、第１および第２の連結位置を有する第４のスロットを含むものとできる。第１および第２の引張部材は、第１の板ばねを第３の板ばねへと連結可能であり、第３および第４の引張部材は、第２の板ばねを第４の板ばねへと連結可能である。
【００３９】
第１および第２の非対称な板ばねは、非対称であり、一方の側で、反対側の長さよりも大きな長さを有する。例えば、第１の板ばねは、第２の連結位置と板ばねの第１の端部との間に第１の長さを、第２の連結位置と板ばねの反対側の第２の端部との間に第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さよりも大きい。非対称な板ばねは、燃料電池の使用中に実質的に均一な圧縮を与え、より長い（より平坦な）ばね定数をもたらす。第３および第４の板ばねもまた非対称とできる。
【００４０】
各板ばねは、縦穴と、第１および第２の横穴とを有する変形Ｚ形状のスロットを含むものとできる。ここで用いられる「縦」および「横」の用語は、図９の向きの板ばねのスロット穴の相対的な向きを指すものであり、縦穴は、板ばねの第１および第２の長さに沿って延びる仮想軸に平行で、横穴は、その仮想軸に垂直である。板ばねに動作可能に連結された引張部材または部材群は、ばね付勢と、スロットの縦穴に挿入され、燃料電池スタックの両側で板ばねのそれぞれの連結位置に移動するように付勢され、摩擦結合をなす脚部とを有するものとできる。引張部材は、屈曲ワイヤからなるものとできる。屈曲ワイヤは、摩擦係合によってスロット内にとらわれる端部に脚部を有する。各板ばねは、引張ワイヤが燃料電池スタックの高さに沿って延び、かつそこから離間しているように、燃料電池スタックの幅を超えて延びる第１および第２の肩部を有するものとできる。
【００４１】
圧縮システムは、燃料電池スタックの第１および第２の端部のいずれかまたは両方に追加のばねを含むこともできる。例えば、より幅広の燃料電池スタックの場合、燃料電池スタックの第１の端部の第１および第２のばねの間に１つまたはそれ以上のばねを追加し、均一な圧縮をもたらすことが望ましいかもしれない。追加のばねは、対称でも非対称でもよい。追加のばねは任意の好適なデザインとできるが、板ばねに限られるものではなく、第１および第２の板ばねと同様のやり方で、あるいは別のやり方で、スタックの第１の端部へと動作可能に連結可能である。同様に、１つまたはそれ以上の追加のばねを燃料電池スタックの第２の端部に追加し、均一な圧縮をもたらすことができる。
【００４２】
図１を参照すると、燃料電池システム１０は概して、燃料電池システムハウジング１２内に配置された状態で示されている。燃料電池システムハウジング１２は、コンピュータなどの電動装置に設けられた燃料電池コンパートメントを含むものとできる。燃料電池システム１０は、単セルのスタックを有する燃料電池スタック２０を含む。燃料電池スタック２０は水素ガス入力を有し、水素ガスを受け取り、消費して電気を生じるものであり、これは次に電動装置へと供給可能である。燃料電池スタック２０は概して、燃料電池分野で公知であるように、それぞれが正極および負極を有するセルのスタックを含む。
【００４３】
水素ガスは負極の活物質として利用可能であり、酸素は正極の活物質として利用可能である。
【００４４】
燃料電池システム１０はまた、水素供給源または発生器１４を含む。水素供給源または発生器１４は、ハウジング１２内に配置された状態で示されている。当然のことながら、一実施例によれば、燃料電池システム１０は、水素を供給するカートリッジを用いることができる。他の実施例によれば、燃料電池システム１０は、必要に応じて水素を発生する水素発生器を用いることができる。そして水素ガスは、酸素と共に、電力を生じる燃料電池スタック２０へと供給される。
【００４５】
燃料電池システム１０はまた、酸素を含んだ空気に燃料電池スタック２０を吹き抜けさせ、かつ、燃料電池スタック２０を冷却するためのファン１６を含む。さらに、制御装置１８が、燃料電池システム１０に接続された状態、あるいは含まれた状態で描かれている。制御装置１８は、ファンと水素発生器１４、およびその水素の発生を望み通りに制御し、燃料電池スタック２０の要求に応え、十分な電力を供給することができる。当然のことながら、制御装置１８は、燃料電池ハウジング１２内に、あるいは燃料電池システム１０または燃料電池システム１０を用いる電気装置内のどこか他のところに配置されるものとできる。さらに当然のことながら、制御装置１８は、他の実施例によれば、水素発生器１４あるいは燃料電池スタック２０内に配置可能である。制御システムは、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ、デジタル、アナログおよび／または水素化物回路、固体および／または電気機械スイッチ装置、キャパシタ、検知器具類、などを含むことができる。
【００４６】
図２〜図６を参照すると、燃料電池システム１０およびその燃料電池スタック２０と燃料電池スタック２０を圧縮するための圧縮システム４０とが描かれている。燃料電池システム１０は、積み重ねられた複数の単セル２４からなる燃料電池スタック２０を含む。各セル２４は、薄くて概ね四角形のハウジングを有し、水素ガスと酸素を反応させて電力を生じる。典型的には、セルのハウジングは導電性の材料からなる。すべてのセル２４によって発生させられた電力は、一つにされ、より大きな電気出力をもたらす。第１の非導電性エンドプレート２６は、一方の端部で、スタック２０の上端へと連結され、第２の非導電性エンドプレート２８は、反対側の端部で、スタック２０の下端へと連結されている。エンドプレート２６および２８は、充填ポリフェノール成形材料などの熱硬化性成形材料からなるものとでき、これは非導電性である。正および負の極性の電気接続をそれぞれもたらし、燃料電池システム１０によって発生させられた電力を出力するため、正極接触端子３６は、スタックの上端近くに設けられ、負極接触端子３８は、スタックの下端近くに設けられている。
【００４７】
上端エンドプレート２６は、第１のポート３０を有するものとして示されており、下端エンドプレート２８は、第２のポート３２を有する。ポート３０および３２の一方が、水素入力ポートとして働き、ポート３０および３２の他方が、水素副産物出力ポートとして働く。水素ガスは、入力ポートに入り、水素セル２４のスタックを通過するものとでき、そこで図２に示すようなラジエータ状の開口を通って与えられた酸素と反応する。水素は負極で酸化され、水素イオンと電子を発生する。水素イオンは非導電性でイオン透過性のセパレータを通過し、電子は外部回路を通過して陽極へと至り、そこで酸素が還元される。セル２４およびスタック２０は、さまざまな形状、サイズ、配置で構成可能である。
【００４８】
圧縮システム４０は図２に示されており、圧縮荷重を燃料電池スタック２０へと加える。圧縮システム４０は、エンドプレート２６および２８の凹部３４内に４つの非対称な板ばね４２が配置された状態で示されている。凹部３４は、板ばねを受け入れる形状およびサイズの切り抜きとできる。ここには４つの非対称な板ばね４２が示され、説明されているが、当然のことながら、燃料電池スタック２０へと圧縮力を与えるために、１つまたはそれ以上の板ばねを設けることができる。圧縮システム４０はさらに、燃料電池スタック２０を取り除いた状態で図３に示されている。上端エンドプレート２６の上端に含まれるのが、第１および第２の非対称な板ばね４２である。下端エンドプレート２８の下端に含まれるのが、第３および第４の非対称な板ばね４２である。第１および第３の非対称な板ばね４２は垂直方向に整列され、第１および第２の引張部材６０として示される少なくとも１つの引張部材を介して連結されており、これらはここでは、屈曲ワイヤとして示され、説明されている。第２および第４の非対称な板ばね４２も同様に垂直方向に整列され、第３および第４の引張部材６０として示される少なくとも１つの他の引張部材を介して連結されており、これらも同様に、屈曲引張ワイヤとして示され、説明されている。引張部材６０は、第１および第２の連結位置で、対応する非対称な板ばね４２とつながるもので、燃料電池スタック２０へと圧縮荷重を与えるように板ばね４２を圧縮する引張部材６０に張力を及ぼすように板ばね４２が圧縮されたときに、そこへと連結される。
【００４９】
図２〜図１０に示すように非対称な板ばねのそれぞれが、引張部材６０への連結のための第１および第２の連結位置をもたらすスロット５６を有する。図９に示すようにスロット５６は、縦穴と、対向する上下端で反対方向に延びる第１および第２の横穴を有する変形Ｚ形状として示されている。スロット５６は、引張部材６０の脚部が、縦穴内に配置され、ばね付勢により一方の横部分の内部の摩擦係合ロック位置へとスライドすることを可能としている。スロット５２はこれにより、引張部材６０への結合のために、各横穴の端部に、あるいはその近くに、第１および第２の連結位置をもたらす。それぞれの非対称な板ばね４２は、板ばねがそこで対応するエンドプレートと接触または係合し、圧縮される第１の端部４４と第２の端部４６とを有する。非対称な板ばね４２は、連結位置の一方と第１の端部４４との間に第１の長さを、第２の連結位置の他方と反対側の端部４６との間に第２の長さを有し、第１の長さは第２の長さよりも大きい。このように板ばね４２は、スロット５６の一方の側で、他方の側よりも長くなっている。その結果、板ばね４２は非対称である。第１および第２の板ばねの長さが大きい側は、互いに隣接し、エンドプレート２６の中心に向かって延びる状態で示されている。同様に、第３および第４の板ばね４２の長さが大きい側も同じく、互いに隣接して設けられ、エンドプレート２８の中心に向かって延びている。非対称な板ばね４２を設けることで、板ばねに与えられた荷重は、対応するエンドプレートの長さ全体にわたって、より均一に分散可能となる。
【００５０】
圧縮システム４０は、有利なことに、製造時の許容誤差や水分膨張により長さ範囲が変化する燃料電池スタック２０に、実質的に一定の圧縮荷重を与える。実施例によっては、燃料電池スタックは、直列に積み重ねられた１０〜１００のセルを含み、厚さが変わり得るものとなる。非対称な板ばねを用いることで、エンドプレートに加わる荷重はより均一になり、より薄いエンドプレートが利用可能となり、これにより、よりコンパクトで軽量、かつ安価な組立体が得られる。当然のことながら、エンドプレート２６および２８は、過剰な屈曲を防ぐために十分な厚さを持つ。板ばね４２の長さは、所望のばね定数、均一なスタックエンドプレート荷重、および組立体全体において薄いエンドプレートをもたらす長さとできる。
【００５１】
板ばね４２は、炭素鋼あるいは他のばね鋼からなるものとできる。板ばねは、第１および第２の端部４４および４６間で縮むように可撓性を持つ。一実施例によれば、各板ばね４２は、最大１／４インチ縮む。ただし当然のことながら、板ばね４２の縮む距離は、スタックにおけるセルの数、温度、湿度、および他の変数次第で変わり得る。非対称な板ばね４２は、実質的に均一な圧縮をもたらし、より長い（より平坦な）ばね定数を可能とする。
【００５２】
非対称な板ばね４２は、燃料電池スタック２０の両側で、横方向に突出する肩部４８および５０を含む。肩部４８および５０は、引張部材６０が燃料電池スタック２０の高さに沿って延び、かつスタック２０からの電気的に絶縁されるためにそこから離間しているように、燃料電池スタック２０の幅を超えて延びる。肩部４８は、引張部材６０を受け入れるために設けられた半円形状のくぼみを有する。同様に、肩部５０も、他の引張部材６０を受け入れるために設けられた半円形状のくぼみ５４を有する。このように一対の引張部材６０は、肩部４８および５０のスロット５０および５４内にそれぞれ係合され、その終端はスロット５６内に係合されている。くぼみ５２および５４は、丸形ワイヤを受け入れるため半円形として示されているが、当然のことながら、他の形状およびサイズであってもよい。
【００５３】
引張部材６０は、図１１および図１２に描かれ、屈曲引張ワイヤとして示されている。各引張ワイヤ６０は、引張部材６０が対向する板ばね４２のスロット５６内に挿入され、対応する板ばねのスロット５６の第１および第２の連結位置へと外向きに移動することを許容するばね付勢をもたらすように、捩じれ状態で形成してある。
【００５４】
屈曲引張ワイヤは、ピアノ線などの炭素鋼ばねワイヤからなるものとできる。当然のことながら、他の実施例によれば、他の引張部材も使用可能である。各引張部材６０は、垂直部分６２を有し、折り曲げられた上下部分は、垂直部分６２に対して実質的に垂直である。上部分は、第１の水平部分６４を含み、これは６６の部分で下向きに折れ曲がり、末端脚部６８で実質的に水平に外向きに延びている。下部分も同様に、水平部分７０を含み、これは７２の部分で上向きに折れ曲がり、末端脚部７４で外向きに延びている。末端脚部６８および７４は、スタック２０の上下側で板ばね４２のスロット５６内にフィットするサイズとされ、かつ適合され、またスロット５６の横スロット部分内でスライドし摩擦係合するために、上下の板ばね４２に対して外向きに付勢されている。ワイヤ６０における捩じれの量は、角度θとして図３に示されている。引張部材６０は、上下の板ばね４２の整列された縦穴スロット５６内に脚部６８および７４が係合可能で、その後解放され、スロット５６の第１および第２の連結部分の所定位置へと広がるように、上下の脚部６８および７４間で、θがより小さく（例えば０°近く）なるように捩じり、圧縮することができる。
【００５５】
圧縮システム４０を燃料電池スタック２０上で組み立てるためには、燃料電池スタック２０、エンドプレート２６および２８、および板ばね４２は、板ばね４２を圧縮するために用いられるプレスへと組み込まれるものとできる。板ばね４２の圧縮は、図１０において、実線で示される第１の非圧縮姿勢と、想像線で示される第２の圧縮姿勢との間で描かれている。板ばね４２が圧縮された状態で、圧縮システム４０の両端で板ばね４２のスロット５６の縦穴内に脚部６８および７４を挿入し、脚部６８および７４が斜めに弾けて第１または第２の連結位置へと外向きに移動することを許容することで、引張部材６０は組み立て可能である。引張部材６０の前向きのばね付勢は、スロット５６内に固定されるように脚部を反対方向へと押しやる。屈曲引張部材６０の組み立てに際しては、燃料電池スタック２０および組み込まれた圧縮システム４０がプレスから外され、これにより圧縮荷重が引張部材に与えられ、板ばね４２が末端脚部６８および７４と板ばね４２との間に強い摩擦係合をもたらすものとできる。
【００５６】
圧縮システム４０は、有利なことに、燃料電池スタックの使用中に燃料電池スタック２０の実質的に均一な圧縮をもたらす。圧縮システム４０は、基本的には、２つの異なる製造コンポーネント、すなわち、非対称な板ばね４２と屈曲引張部材６０とからなる。図示の実施例では、圧縮システム４０を形成するのに、４つの非対称な板ばね４２と４つの引張部材６０が用いられている。しかし当然のことながら、他の実施例によれば、１つまたはそれ以上の板ばねおよび１つまたはそれ以上の引張部材を用いてもよい。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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