(57)【要約】燃料電池スタックアセンブリは、スタック内の複数の燃料電池を含む。スタックは、2つの対向する平行な端面を規定する。スタックの各対向する端面において、エンドプレートアセンブリが設けられる。エンドプレートアセンブリを相互に接続することにより、スタック中の燃料電池を圧縮下に維持する。エンドプレートアセンブリのうち少なくとも1つは、第1の部分および第2の部分を有するマスター圧縮面を規定するマスタープレートと、第1のスレーブ圧縮面を規定する第1のスレーブプレートと、第2のスレーブ圧縮面を規定する第2のスレーブプレートとを含む。第1のスレーブ圧縮面は、マスター圧縮面の第1の部分に対向し、組立状態においては、相互に圧縮関係を確立し、第2のスレーブ圧縮面は、マスター圧縮面の第2の部分に対向し、組立状態においては、同様に相互に圧縮関係を確立する。【選択図】  図1
2015516106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックアセンブリであって、
スタック内の複数の燃料電池であって、前記スタックは、2つの対向する平行な端面を規定する、複数の燃料電池と、
前記スタックの各対向する端面におけるエンドプレートアセンブリであって、前記エンドプレートアセンブリは、共に接続されて、前記スタック中の前記燃料電池を圧縮下において維持する、エンドプレートアセンブリと
を含み、
前記エンドプレートアセンブリのうち少なくとも1つは、
第1の部分および第2の部分を有するマスター圧縮面を規定するマスタープレートと、
第1のスレーブ圧縮面を規定する第1のスレーブプレートと、
第2のスレーブ圧縮面を規定する第2のスレーブプレートと、
を含み、
前記第1のスレーブ圧縮面は、前記マスター圧縮面の前記第1の部分に対向し、組立状態においては、相互に圧縮関係となり、
前記第2のスレーブ圧縮面は、前記マスター圧縮面の前記第2の部分に対向し、組立状態においては、相互に圧縮関係となる、
燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項２】
前記スレーブプレートのうち少なくとも1つは、横伸長部分を規定する少なくとも1つの側部上の前記マスタープレートから横方向に延び、前記横伸長部分は、少なくとも1つの流体分布ポートを含み、前記少なくとも1つの流体分布ポートは、前記スタック中の前記複数の燃料電池内を通るかまたは前記スタック中の前記複数の燃料電池に沿って延びる流体分布ギャラリーと連通する、請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項３】
前記第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレート双方は、少なくとも1つの側部上の前記マスタープレートから横方向に延び、これにより、前記第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ横伸長部分を規定し、各横伸長部分は、少なくとも1つの流体分布ポートを含み、前記少なくとも1つの流体分布ポートは、前記スタック中の前記複数の燃料電池内を通るかまたは前記スタック中の前記複数の燃料電池に沿って延びる流体分布ギャラリーと連通する、請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項４】
前記少なくとも1つの流体分布ポートは、燃料分布ポート、水分布ポート、酸化剤分布ポートおよび冷却剤流体分布ポートのうち少なくとも1つを含む、請求項2または請求項3に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項５】
前記第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ、異なる構成の流体分布ポートを含む、請求項3に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項６】
前記第1のスレーブプレートは、燃料分布ポートおよび水分布ポートのうち少なくとも1つを前記少なくとも1つの流体分布ポートとして規定し、
前記第2のスレーブプレートは、酸化剤分布ポートおよび冷却剤流体分布ポートのうち少なくとも1つを前記少なくとも1つの流体分布ポートとして規定する、
請求項3に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項７】
前記マスター圧縮面の前記第1の部分および第2の部分は、相互に第1の角度で設けられ、
前記第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面は、相互に第2の角度で設けられる、
請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項８】
前記第1の角度は優角でありかつ前記第2の角度は鈍角であり、あるいは、前記第1の角度は鈍角でありかつ前記第2の角度は優角である、請求項7に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項９】
前記第1の角度および前記第2の角度は、前記エンドプレートアセンブリへの負荷の付加前において前記マスター圧縮面の前記第1の部分および第2の部分と、前記第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面それぞれとが非平行となるように選択され、前記燃料電池を圧縮下に維持するための前記負荷が付加されると、前記マスタープレート中の曲げモーメントに起因して、前記マスター圧縮面の前記第1の部分および前記第1のスレーブ圧縮面が前記マスタープレートの変形によって相互に平行な関係となり、前記マスター圧縮面の前記第2の部分および前記第2のスレーブ圧縮面が前記マスタープレートの変形によって相互に平行な関係となる、請求項7に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１０】
前記第1の角度が180度を超えると、マスター圧縮面が凸表面を規定し、前記凸表面は、前記燃料電池を圧縮下に維持するための前記負荷が付加されると、前記マスタープレート中の前記曲げモーメントに起因して前記マスター圧縮面の前記第1の部分および前記第1のスレーブ圧縮面が前記マスタープレートの変形によって相互に平行な関係となり、また、前記マスター圧縮面の前記第2の部分および前記第2のスレーブ圧縮面が前記マスタープレートの変形によって相互に平行な関係となるように、構成される、請求項8に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１１】
前記第2の角度が180度を超えると、前記第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面は共に凸表面を規定し、前記凸表面は、前記燃料電池を圧縮下に維持するための前記負荷が付加されると、前記マスタープレート中の前記曲げモーメントに起因して前記マスター圧縮面の前記第1の部分および前記第1のスレーブ圧縮面と前記マスター圧縮面の前記第2の部分および前記第2のスレーブ圧縮面とが前記マスタープレートの変形によって相互に平行な関係となるように、構成される、請求項8に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１２】
前記マスター圧縮面の前記第1の部分および第2の部分双方は、連続する凸表面の一部を形成し、前記第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面は、前記第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートを一縁に沿って相互に隣接させることにより、連続して凹表面を形成する、請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１３】
前記マスタープレートは金属材料から形成され、前記スレーブプレートは非金属材料から形成される、請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１４】
前記エンドプレートアセンブリ双方は、請求項1に記載のマスタープレートならびに第1のおよび第2のスレーブプレートを含む、請求項1に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１５】
複数のタイバーが、前記第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートの前記横伸長部分を前記燃料電池スタックの対向する端部において通過するように配置され、前記タイバーは、前記エンドプレートアセンブリを相互に接続させることにより、前記スタック中の前記燃料電池を圧縮下に維持するように構成される、請求項3に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１６】
前記複数のタイバーは、前記燃料電池スタックを圧縮下において維持するために、前記複数の燃料電池に近接する前記少なくとも1つの流体分布ポートの内方に配置される、請求項15に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１７】
燃料電池スタックアセンブリを形成する方法であって、
スタック内の複数の燃料電池を提供することであって、前記スタックは、2つの対向する平行な端面を規定することと、
エンドプレートアセンブリの第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートを前記スタックの一端面に位置決めすることであって、前記第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ、前記スタックから外方を向く第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面それぞれを有することと、
前記マスター圧縮面が前記第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面に近接するように、マスター圧縮面を規定するマスタープレートを前記スタックの前記端面に位置決めすることと、
第2のエンドプレートアセンブリを前記スタックの前記対向する端面に位置決めすることと、
前記エンドプレートアセンブリを相互接続して、前記第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面を前記マスター圧縮面と圧縮関係にさせかつ前記スタックを圧縮下において維持することと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学燃料電池スタックの組立てに適した方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックに含まれる一連の個々の燃料電池は、スタック配置構成として層状に構築される。各セルそのものは、流体密封性の維持および膜活性面への流体燃料および酸化剤分布の提供のために、多様な層状コンポーネント（例えば、ポリマー電解質膜、ガス拡散層、流量プレートおよび多様な密封ガスケット）を含み得る。スタックの各端部においては、スタックの相互保持と、スタック中のセル上への圧縮維持とのために、タイバーによって相互接続された一対の圧力エンドプレートが従来から用いられてきた。
【０００３】
エンドプレートから燃料電池スタックの端部へ付加される圧力をスタックの表面上において十分に均等にすることにより、スタック個々のコンポーネント全てをおいて適切な相互圧縮関係で維持できるようにすることが最重要である。特に、密封ガスケットは、燃料および／または酸化剤が各セルの活性面へ正確に搬送されかつ漏洩することの無いように流量回路を適切に規定するために、各燃料電池の面積全体にわたって適切な圧縮状態で維持する必要がある。
【０００４】
従来、スタックの端部の表面全体にわたって十分な過剰圧力を維持することが可能な実質的かつロバストなエンドプレートを提供することにより、均等な圧力が維持される。その結果得られた大型かつ高重量のエンドプレートは十分にロバストであるため、必要圧力下において顕著に変形することがなく、エンドプレートから付加される圧縮力は不均等でもない。大型かつ高重量のエンドプレートを使用した場合、燃料電池スタックも、所望のレベルよりも大型かつ高重量となる。代替的アプローチとして、より軽量のエンドプレートを用いる方法があるものの、このアプローチの場合、圧縮力付加によるエンドプレート構造の変形による影響を軽減するための機構がさらに必要が出てくる。このような機構は、エンドプレートと第1の内側スタックコンポーネントとの間に中央配置されたシムであり得る。
【０００５】
US2006／0194094号に記載される1つのアプローチにおいては、圧力シールドおよび敷金を有するエンドプレートが用いられる。圧力シールドは、スタックに向かって凸状に曲線状にされる。敷金は、圧縮力を燃料電池スタックの平面要素へ送る遷移要素として機能する。同文書は、均一な圧力分布の維持の重要性を認識したものといえる。
【０００６】
燃料電池スタック中の燃料電池の流体分布を可能にしつつ、燃料電池スタック中において均一な圧縮関係を維持する様態において、問題が存在する。さらに、上記したように、特定用途のためのより小型の燃料電池スタックの採用のために、エンドプレートのサイズおよび重要の最小化が所望されている。
【０００７】
本発明の目的は、燃料電池への必要な流体供給における柔軟性を可能にしつつ、燃料電池スタックの端面上において良好な圧力分布を確保するための向上した方法を提供することである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一局面によれば、本発明によって提供される燃料電池スタックアセンブリは、以下を含む：スタック内の複数の燃料電池であって、スタックは、2つの対向する平行な端面を規定する、複数の燃料電池と、スタックの各対向する端面におけるエンドプレートアセンブリであって、エンドプレートアセンブリを共に接続することにより、スタック中の燃料電池を圧縮下において維持する、エンドプレートアセンブリ。エンドプレートアセンブリのうち少なくとも1つは、
第1の部分および第2の部分を有するマスター圧縮面を規定するマスタープレートと、
第1のスレーブ圧縮面を規定する第1のスレーブプレートと、
第2のスレーブ圧縮面を規定する第2のスレーブプレートと、
を含む。
【０００９】
第1のスレーブ圧縮面は、マスター圧縮面の第1の部分に対向し、組立状態においては、相互に圧縮関係となり、
第2のスレーブ圧縮面は、マスター圧縮面の第2の部分に対向し、組立状態においては、相互に圧縮関係となる。
【００１０】
スレーブプレートのうち少なくとも1つは、マスタープレートから横伸長部分を規定する少なくとも1つの側部上に延び得、横伸長部分は、少なくとも1つの流体分布ポートを含み、少なくとも1つの流体分布ポートは、スタック中の複数の燃料電池内を通るかまたはスタック中の複数の燃料電池に沿って延びる流体分布ギャラリーと連通する。
【００１１】
第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはどちらとも、少なくとも1つの側部上のマスタープレートから横方向に延び得、これにより、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ横伸長部分を規定し、各横伸長部分は、スタック中の複数の燃料電池内を通るかまたはスタック中の複数の燃料電池に沿って延びる流体分布ギャラリーと連通する少なくとも1つの流体分布ポートを含む。
【００１２】
少なくとも1つの流体分布ポートは、燃料分布ポート、水分布ポート、酸化剤分布ポートおよび冷却剤流体分布ポートのうち少なくとも1つを含み得る。第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ、異なる構成の流体分布ポートを含み得る。第1のスレーブプレートは、燃料分布ポートおよび水分布ポートのうち少なくとも1つを規定し得る。なぜならば、少なくとも1つの流体分布ポートおよび第2のスレーブプレートは、酸化剤分布ポートおよび冷却剤流体分布ポートのうち少なくとも1つを少なくとも1つの流体分布ポートとして規定し得る。
【００１３】
マスター圧縮面の第1の部分および第2の部分は、相互に第1の角度をとり得、第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面は、相互に第2の角度をとり得る。第1の角度は優角であり得、第2の角度は鈍角であり得、あるいは、第1の角度は鈍角であり得、第2の角度は優角であり得る。
【００１４】
第1の角度および第2の角度は、マスター圧縮面の第1の部分および第2の部分それぞれならびに第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面を非平行にした後、負荷をエンドプレートアセンブリへ付加し、燃料電池を圧縮下に維持するための負荷が付加されると、マスタープレート中の曲げモーメントに起因して、マスター圧縮面の第1の部分および第1のスレーブ圧縮面がマスタープレートの変形によって相互に平行な関係となり、また、マスター圧縮面の第2の部分および第2のスレーブ圧縮面がマスタープレートの変形により相互に平行な関係となるように、選択され得る。
【００１５】
第1の角度は、マスター圧縮面が凸表面を規定するよう、180度よりも高くなり得る。凸表面の構成は、燃料電池を圧縮下に維持するための負荷が付加されると、マスタープレート中の曲げモーメントに起因して、マスター圧縮面の第1の部分および第1のスレーブ圧縮面がマスタープレートの変形により相互に平行な関係となり、マスター圧縮面の第2の部分および第2のスレーブ圧縮面は、マスタープレートの変形により相互に平行な関係となるような構成である。
【００１６】
第2の角度は、第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面が共に凸表面を規定するよう、180度を超え得る。凸表面の構成は、燃料電池を圧縮下に維持するための負荷が付加されると、マスタープレート中の曲げモーメントに起因して、マスター圧縮面の第1の部分および第1のスレーブ圧縮面ならびにマスター圧縮面の第2の部分および第2のスレーブ圧縮面がマスタープレートの変形により相互に平行な関係となるような構成であり得る。
【００１７】
マスター圧縮面の第1の部分および第2の部分双方は、連続する凸表面の一部を形成し得、第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面を連続させて、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートを一縁部に沿って相互に隣接させることにより、凹表面を形成することができる。
【００１８】
マスタープレートは、金属材料から形成され得る。スレーブプレートは、非金属材料から形成され得る。
【００１９】
エンドプレートアセンブリ双方は、マスタープレートと、第1および第2のスレーブプレートとを含み得る。
【００２０】
複数のタイバーは、燃料電池スタックの対向する端部において第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートの横伸長部分を通過するように、配置され得る。これらのタイバーの構成は、エンドプレートアセンブリを相互に接続させることにより、スタック中の燃料電池を圧縮下において維持するような構成である。これら複数のタイバーは、燃料電池スタックを圧縮下に維持するように、複数の燃料電池に隣接する少なくとも1つの流体分布ポートの内側に配置することができる。
【００２１】
別の局面によれば、本発明によって提供される燃料電池スタックアセンブリを形成する方法は、以下を含む：スタック内の複数の燃料電池を提供することであって、スタックは、2つの対向する平行な端面を規定する、ことと、エンドプレートアセンブリの第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートをスタックの一端面に位置決めすることであって、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ、スタックから外方を向く第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面それぞれを有する、ことと、マスター圧縮面が第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面に近接するように、マスター圧縮面を規定するマスタープレートをスタックの端面に位置決めすることと、第2のエンドプレートアセンブリをスタックの対向する端面に位置決めすることと、エンドプレートアセンブリを相互接続して、第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面とマスター圧縮面との圧縮関係を成立させ、スタックを圧縮下において維持すること。
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について例示的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】マスタープレートと、例示的な5対の第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートとの斜視分解図であり、各対は、異なる流体分布ポートを有する。
【図２】マスタープレートならびに第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートの斜視断面図であり、組み立てられた燃料電池スタック中のこれら3つの要素の相対位置を示す。
【図３ａ】例示的な燃料電池スタックアセンブリの斜視正面図である。
【図３ｂ】図3aの燃料電池スタックアセンブリの斜視後面図である。
【図３ｃ】図3aおよび図3bの燃料電池スタックアセンブリの後面図である。
【図４ａ】凸マスター圧縮面および優角第1の角度ΘMを用いたマスタープレートの模式的断面図であり、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートは、第1のスレーブ圧縮面と第2のスレーブ圧縮面との間において鈍角角度ΘSで設けられる。
【図４ｂ】凹マスター圧縮面および鈍角第1の角度ΘMを用いたマスタープレートの模式的断面図であり、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートは、第1のスレーブ圧縮面と第2のスレーブ圧縮面との間において優角角度ΘSで設けられる。
【図５】燃料電池スタックアセンブリの形成に適した方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
燃料電池スタックアセンブリの基本として、単極電池プレート／双極燃料電池プレートの相互に平行な関係がある。均一な接触力を電極上において維持すると、最適な電極性能への貢献が得られる。（エンドプレートアセンブリであり得る）エンドプレートは、スタックアセンブリ中の平行な関係を支配する重要なコンポーネントであるものの、燃料電池スタックを圧縮下に維持しかつ燃料電池を圧縮関係にするためにエンドプレートに負荷が付加されると、エンドプレートそのものに物理的変形が発生する可能性が高い。好適には、エンドプレートの任意の変形を、燃料電池の電極プレートに伝達すべきではない。
【００２５】
エンドプレートの別の機能として、スタックの電極プレートへの流体伝送を可能にすることがあある。好適には、例えば影響を受けるコンポーネントの交換の原因となり得る金属成分の腐食または反応を回避するために、これらの流体を金属表面から分離する必要がある。
【００２６】
燃料電池スタックアセンブリの要求と、燃料電池スタックアセンブリおよび特定のシステムの一体化の様態とに応じて、エンドプレートコンポーネントについての特注の要求および／または特定の要求が存在する場合が多い。そのような要求を挙げると、特定の流体分布ポート配置構成、（例えばスタックを圧縮下に維持するためのタイバー、クリップまたはバンドを介した）エンドプレートの燃料電池スタックへの接続、燃料電池スタックアセンブリの好適な適切な接続（例えば、スタックをできるだけ軽量または小型に作製すること）がある。
【００２７】
図1は、例示的なマスタープレート1と、例示的な5対の第1のスレーブプレート5およびa第2のスレーブプレート7とを示す。第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7は、別個の（すなわち、物理的に別個の）要素である。マスタープレート1と、一対の第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7とは共に、エンドプレートアセンブリ30を含む。マスタープレート1は、マスター圧縮表面2を規定する。マスター圧縮表面2は、本実施形態において、第1の部分3および第2の部分4を含む。第1のスレーブプレート5は、第1のスレーブ圧縮面6を含む。第2のスレーブプレート7は、第2のスレーブ圧縮面8を含む。マスタープレート1ならびに第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を含むエンドプレートアセンブリは、特定の用途に応じて、燃料電池スタックの一端または両端に配置することができる。
【００２８】
各スレーブプレート5および7は、平面後面14を含む。平面後面14は、燃料電池スタックの端面と係合するように構成される。平面後面14は、均一に平坦であってもよいし、あるいは一連の圧力要素を含んでもよい。これら一連の圧力要素は共に、平面後面14を集合的に規定するプレートの領域上において分散された、一連の同一平面内の圧力表面を規定する。
【００２９】
例えば共に組み立てられて図3aのようにエンドプレートアセンブリ30を形成した場合、第1のスレーブ圧縮面6は、マスター圧縮面2の第1の部分3に対向し、第2のスレーブ圧縮面8は、マスター圧縮面2の第2の部分4に対向する。燃料電池スタックが組み立てられると、第1のスレーブ圧縮面6およびマスター圧縮面2の第1の部分3は圧縮関係となる。同様に、第2のスレーブ圧縮面8およびマスター圧縮面2の第2の部分4も圧縮関係となる。図2に示すマスタープレート1および第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレート5は、組み立てられてエンドプレートアセンブリ30を形成する。
【００３０】
図3a中に最良に示すように、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7は、図1中のマスタープレート1の両側部上のマスタープレート1の縁部22からまたはマスタープレート1の縁部22を超えて横方向に延び、図示のスレーブプレート5および7は全て、横伸長部分9を有する。横伸長部分9は、マスタープレート1の境界縁部22を超えて第1のスレーブプレート5の上部から第2のスレーブプレート7の下部へと延びる。他の例において、スレーブプレートの選択されたアセンブリに応じて、1つのスレーブプレートのみが横方向に少なくとも1つの側部上のマスタープレート1の縁部22を超えて延び得る。
【００３１】
図1から分かるように、横伸長部分9は、少なくとも1つの流体分布ポート10、11、12、13および17を含み得る。このような流体分布ポート10、11、12、13および17はそれぞれ、スタック中の複数の燃料電池の側部を通過するかまたは下方に延びる流体分布ギャラリーと連通し得る。流体分布ギャラリーは、スタック中のセルへの燃料および／または酸化剤および／または水の公知の様態での送達において必要である。横伸長部分9は、例えば空気箱25を燃料電池アセンブリ20へ取り付けるためのさらなる特徴も含み得る（例えば、ポート、凹部、溝またはチャンネル）。
【００３２】
マスタープレート1は、任意の強度に合わせたより軽量の構造を得るために、空洞16および接続突出部18を備えた開口セル構造として形成され得る。任意の流体分布ポートアパチャ10、11、12、13および17をマスタープレート1中に設ける必要は無い。このようなアパチャ10、11、12、13および17は、スレーブプレート5および7の横伸長部分9内に設けることができる。
【００３３】
流体分布ポートに加えて、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7は、スタックの組み立ておよびスタックの圧縮状態の維持のために、タイバー35の通過のための複数のアパチャを含む（タイバー35の端部は、図3a〜図3cに示すようになっている）。
【００３４】
流体分布ポート10、11、12、13および17は、燃料分布ポート、水分布ポート、酸化剤分布ポートおよび冷却剤流体分布ポートのうちいずれかまたは全てのうち1つ以上のを含み得る。例えば、図1、図2および図3a〜図3cに示すように、空気10および13の流入および流出のためのポートをスレーブプレート5および7に設けることにより、燃料電池への酸化剤（例えば、空気）の冷却および／または供給が可能になる。燃料（例えば、水素）の供給および分配のための流体分布ポート11および12がさらに図示されている。流体分布ポート11および12は、同一の分布ギャラリーへの管継ぎ手の接続のための（例えば、例えばスタック中のアノードプレートへの燃料供給のための）異なる位置的選択肢を提供するための穿孔であり得る。また、スタック中の燃料電池への水の供給および分布のための水分布ポート17も図示される。水分布ポート17は、燃料電池のアノードまたはカソード中への注入による直接冷却のためまたは燃料電池アノード／カソードプレート間の別個の冷却回路のために、設けられ得る。横伸長部分中の異なるポートの他の可能な配置構成も想定され得る。いくつかの流体分布ポート（例えば、参照符号12によって示すもの）を、横伸長部分9内に全体を配置するのではなく、マスタープレートによって規定された専有面積内に配置された各スレーブプレートの一部内に全体的または部分的に設けることができる。
【００３５】
第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を使用した場合に得られる利点として、エンドプレートアセンブリを作製するための可能な配置構成の柔軟性が得られる点がある。図1に示すように、共に用いられる第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7は、異なる流体分布ポートを持ち得る。そのため、個々の第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を異なるポーティング配置構成と共に選択することにより、必要なポーティング配置構成を燃料電池スタックの各側部に合わせて選択することが可能になる。
【００３６】
例えば、燃料電池アセンブリの斜め方向に対向する縁部の内外においてガス／酸化剤を流動させることが必要になり得る。そのため、これら2つの対向する縁部において、特定の冷却剤流体（空気流れ）ポート要求が必要になる。別の例として、燃料分布ポートおよび／または水分布ポートを規定するために、第1のスレーブプレート対（すなわち、燃料電池スタックの一端上のもの）が必要になり得、酸化剤分布ポートおよび／または冷却剤流体分布ポートを規定するために、（燃料電池スタックの他端上の）第2のスレーブプレート対が必要になり得る。
【００３７】
2つのスレーブプレート5および7を備えることによってエンドプレートアセンブリのモジュール適合可能性が達成されることにより、燃料電池スタックアセンブリのポーティング配置構成の選択における柔軟性が広がる。異なる流体分布ポート配置構成を持つことが可能な2つのスレーブプレートを用いて異なる構成の燃料電池スタックを配置する選択肢により、燃料電池スタックをより高い適合可能性で（例えば、特定のシステムレイアウトに適合するように）組み立てることが可能になり、カスタムコンポーネントを設ける必要がなくなる。
【００３８】
スレーブプレート5および7のこのようなモジュール性により、構築反応および送達リードタイムを向上させつつ、特定のポーティング配置構成の達成と、コンポーネントコスト、在庫コストおよび調達コストの低減とのために製造業者／組立業者が保持する必要があるエンドプレートストックを低減することも可能になる。
【００３９】
流体ポート10、11、12、13および17を異なる位置および／または異なる比率で含む多様な構成の第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を、特定のスタックに合わせて設けることができる。しかし、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7は、マスター圧縮面2と整合するように設計された同じ第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8を持ってもよい。スレーブプレートは、成形によって製造することができる。
【００４０】
図3a〜図3cは、マスタープレート1と、複数の燃料電池15の両端における第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7とを含む例示的な燃料電池スタックアセンブリ20の3つの図を示す。（図中において端部を視認することが可能な）タイバー35が燃料電池スタックアセンブリ中に設けられ、各スタック内に2つの空気箱25が設けられる。図3a〜図3c中の例示的な燃料電池スタックアセンブリ20は、退出のための非対称なカソード送達を有する。例えば、ここで、カソード空気が図3aに示すような右上部のポート10に進入し、図3aの左下部の対応するポートから退出する。
【００４１】
図3a〜図3cに示すように、燃料電池スタックアセンブリ30は、複数の燃料電池15をスタック中に有する。スタックは、2つの対向する平行な端面を規定する。これら個々の燃料電池は、別個に図示されていない。スタックは、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7の平面後面14に対して平行な各セルを有する。スレーブプレート5および7の平面後面14は、スレーブ圧縮面6および8に対する、スレーブプレート5および7の対向する側部上の表面である。そのため、セルのスタックにより規定される2つの対向する平行な端面はそれぞれ、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7の各対と係合する。
【００４２】
例えば上記したようなエンドプレートアセンブリ30は、燃料電池スタックのスタックの各対向する端面において図示のように配置することができる。図3a〜図3cに示す例において、スリーピースエンドプレートアセンブリ30を燃料電池スタックの両端において用いる。しかし、このようなスリーピースエンドプレートアセンブリ30を燃料電池スタックの一端のみにおいて用い、他端に従来のエンドプレートを設けてもよいことが理解される。エンドプレートアセンブリを相互に接続することにより、スタック中の燃料電池を圧縮下において維持することができる。このような接続は、任意の適切な方法を用いて達成することができる（例えば、クリップ、バンドまたはタイバー／タイロッドの使用）。燃料電池スタックの対向する端部においてマスタープレート1ならびに第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を通過するように、複数のタイバーを図3a〜図3cに示すように配置することができる。タイバー35は、エンドプレートアセンブリ30を共に接続することにより、スタック中の燃料電池を圧縮下に維持することができるように、構成される。
【００４３】
スタック固定点（例えば、燃料電池スタックアセンブリ20内にタイバー35を配置するためのポート）が、gマスタープレートの上縁部および下縁部に沿って（図3a〜図3cに示すように）配置されており、これにより、マスタープレート1に対して平行な軸周囲における圧縮下のマスタープレート1の変形を実質的に抑制することができる。
【００４４】
燃料電池スタックを圧縮下に維持するために、図3a〜図3cに示すような複数のタイバー35を、複数の燃料電池15に近接する流体分布ポート10、11、12、13および17の内方に設けると好適である。このようにタイバーをスタック中の燃料電池に近接して配置することにより、横伸長部分9を介して空気箱25上ではなく、（圧縮が最も必要とされる）スレーブプレート5および7の燃料電池スタックの本体上において、圧縮が強くなる。
【００４５】
燃料電池スタックの圧縮に起因してプレート／電極アセンブリ20へ付加される力のうち約95％が（より中央の）電極領域に必要であり得、この中央領域の外部においては、合計付加力のうち5％しか必要ではない（典型的には、マニホルド領域において、流体分布ポート10、11、12および13が配置され得る）。このような圧力分布は、スタック中の燃料電池上において所望の均一な圧力負荷発生を行うための最適な分布であり得る。
【００４６】
図3a〜図3cに示すようにマスタープレート1が燃料電池プレート15の専有面積を超えて顕著に延びるのを回避することにより、マスタープレート1へ付加される曲げモーメントの低減が可能になる。なぜならば、エンドプレート1の高さ全体が低減または最小化されるからである。これに対応して、マスタープレートの高さが低減または最小化されると、マスタープレートの厚さも低減または最小化が可能になる。スレーブプレート5および7の横伸長部分9は、外側マニホルド領域に必要な圧縮力のうち約5％を伝達するように、構成される。
【００４７】
上記の例において、エンドプレートアセンブリは、金属から形成されたマスタープレートを（例えば、強度、耐久性および／または製造容易性のために）持ち得、スレーブプレートは、不動態のために非金属材料から形成することができる（例えば、プラスチックまたは強化ガラス）。
【００４８】
図4aおよび図4bは、マスタープレート1ならびに第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7の2つの可能なプロファイルの模式的断面図である。マスター圧縮面2の第1の部分3および第2の部分4は、相互に第1の角度θMで設けられ、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8は、相互に第2の角度θSで設けられる。
【００４９】
マスタープレート1を優角角度θMで設けることにより、重要領域内の（マスタープレート1の中心角度付き領域に沿った）マスタープレート1が強化される。図4aに示すようなこのような配置構成により、例えば、エンドプレートアセンブリ30の外側縁部においてより高質量のスレーブプレート5および7を設けることも可能になる。
【００５０】
第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7の横伸長部分9を図4aおよび図4bに示すようにすることにより、より高質量の非金属またはプラスチック材料をスレーブプレート5および7中の流体分布ポートの提供のために専用に用いることが可能になる。非金属流体分布ポートをスレーブプレート5および7内に設けることにより、燃料電池アセンブリへ供給される流体をエンドプレートアセンブリ30内の金属表面から分離することが可能になる。その結果、流量へ露出される腐食性金属から構成されたエンドプレートアセンブリ部分中において通常発生し得る腐食を低減することができる。また、高価な耐腐食性金属（例えば、ステンレススチール）のエンドプレートアセンブリ内における使用も制限または回避することができる。
【００５１】
マスタープレート1上の第1の角度θMと、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7によって形成される第2の角度θSとは、マスタープレートが圧縮下において変形した場合において第2の角度θSおよび第1の角度θMの合計（この合計は、スタックへ付加される圧縮力に起因して変動し得る）が360度の値に向かって変動する傾向となるように、選択されると好適である。また、この圧縮力およびその結果発生するマスタープレートの変形に起因して、燃料電池プレート／電極アセンブリに隣接する第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7の平面後面14は平面状態のままであり、スタック中の燃料電池と平行である状態のまま、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8と、マスター圧縮面の対応する部分3および4とは平行な関係となる傾向となる。
【００５２】
図4aに示すように、マスター圧縮面2の2つの部分3および4の間の第1の角度θMは好適には、優角（180度を超える角度）であり、第1のスレーブ圧縮面6と第2のスレーブ圧縮面8との間の第2の角度θSは好適には、鈍角（90度〜180度の角度）である。図4bにおいて、マスター圧縮面2の2つの部分3および4の間の第1の角度θMは鈍角（90度〜180度の角度）であり、第1のスレーブ圧縮面6と第2のスレーブ圧縮面8との間の第2の角度θSは優角（180度を超える角度）である。
【００５３】
第1の角度θMおよび第2の角度θSは好適には、エンドプレートアセンブリへの負荷の付加前においてマスター圧縮面2の第1の部分3および第1のスレーブ圧縮面6が非平行であり、同様に、エンドプレートアセンブリへの負荷の付加前においてマスター圧縮面2の第2の部分4および第2のスレーブ圧縮面8も非平行なであるように、選択される。すなわち、燃料電池スタックを圧縮するためのエンドプレートアセンブリへの負荷の付加前に、マスター圧縮面2の部分3および4ならびに第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面6および8それぞれが、（マスター圧縮面2の2つの部分3および4が出会う場所である）マスター圧縮面2の中心の角度付き部分において相互に集中する。しかし、燃料電池を圧縮下に維持するための負荷が付加されると、マスタープレート1中の曲げモーメントに起因して、マスター圧縮面2の第1の部分3および第1のスレーブ圧縮面6と、マスター圧縮面2の第2の部分4および第2のスレーブ圧縮面8とがマスタープレート1の変形1によって相互に平行な関係となる。
【００５４】
図4aは、第1の角度θMが180度よりも大きいためマスター圧縮面2が凸表面を規定する場合を示し、凸表面の構成は、燃料電池を圧縮下に維持するための負荷が付加されると、マスタープレート1中1の曲げモーメントに起因して、マスター圧縮面の第1の部分3および第1のスレーブ圧縮面6がマスタープレート1の変形によって相互に平行な関係となり、また、マスター圧縮面の第2の部分4および第2のスレーブ圧縮面8がマスタープレート1の変形によって相互に平行な関係となるような、構成である。
【００５５】
図4bは、第2の角度θSが180度よりも大きいため、第1のスレーブ圧縮面と、第2のスレーブ圧縮面6および8とが共に凸表面を規定する場合を示し、凸表面の構成は、燃料電池を圧縮下に維持するための負荷が付加されると、マスタープレート1中の曲げモーメントに起因して、マスター圧縮面の第1の部分3と、第1のスレーブ圧縮面6とがマスタープレート1の変形によって相互に平行な関係となり、マスター圧縮面の第2の部分4と、第2のスレーブ圧縮面8とがマスタープレート1の変形によって相互に平行な関係となるような構成である。
【００５６】
角度θMおよびθSは、多数の異なる要素（例えば、マスタープレートの剛性レベル、必要な流体ポーティングおよび流体送達導管のためのスレーブプレートにおいて必要な材料の量、所望の質量および／またはエンドプレートアセンブリの体積および使用する材料の種類）を考慮に入れて、マスタープレートおよびスレーブプレートの任意の特定の設計に適合するように選択され得る。
【００５７】
図4aおよび図4bに示すと別の例示的な構成において、マスター圧縮面2の第1の部分3および第2の部分4はそれぞれ、平面でなくてもよいが、曲線状の表面であり得る。例えば、第1の部分3および第2の部分4はそれぞれ、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8に向かって凸表面を形成し得る。表面3および4は、凸状ではなく凹状であり得る。他の例において、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8は、追加的にまたは代替的にマスター圧縮面2の各部分に向かって凹（または凸）表面を示し得る。さらなる例において、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を共に一縁に沿って隣接させることにより、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8を連続させることができる。マスター圧縮面2は、いくつかの例において平面表面でもあり得る。
【００５８】
マスター圧縮面2の第1の部分3と第2の部分4との間の遷移は、必ずしも図4aおよび図4bに示すような鋭角でなくてもよい。このような遷移は、これら2つの部分3および4間の平滑な丸い遷移部分であり得る。例えば、マスター圧縮面2中の丸い遷移部分は、円筒遷移部分の半径に対する接線において、平坦な第1の部分3および第2の部分4と共に円筒プロファイルに追随し得る。マスター圧縮面2の第1の部分3および第2の部分4はどちらとも、連続する凸表面（または他の例においては凹）表面の一部を形成し得る。
【００５９】
同様に、第1のスレーブ圧縮面6と第2のスレーブ圧縮面8との間の遷移も、必ずしも図4aおよび図4bに示すような鋭角でなくてもよい。このような遷移は、2つの面6および8間の平滑な丸い遷移部分であり得る。そのため、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8は共に、第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7を一縁に沿って相互に隣接させることにより、連続する凹表面（または他の例において凸）表面を提供することができる。
【００６０】
マスタープレート1がより複雑な形状のマスター圧縮面2を有する場合、マスター圧縮面2における精度が増し得、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8は、平面マスターおよびスレーブ圧縮面のみを有するのではなく、スタック圧縮下において相互に平行な関係となる。2つのマスター圧縮面部分3および4間の丸い遷移を有するこのような形態のマスター圧縮面2は、スタック圧縮時におけるマスタープレート1の変形により高精度に対応することができ、その結果、動作時において平坦な圧縮面3および4が対応するスレーブプレート圧縮面6および8へ提供される。
【００６１】
さらに、例えば第1のスレーブ圧縮面6と第2のスレーブ圧縮面8との間の丸い遷移（例えば、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレート双方の掃引外形プロファイル）を有する連続表面を形成する第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8を用いて、圧縮下におけるマスタープレート1の変形面に対してより良好に整合することができる。
【００６２】
（第1のスレーブプレート5および第2のスレーブプレート7が一縁に沿って隣接した場合に第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8によって形成された）マスター圧縮面およびスレーブ圧縮面の他の可能なプロファイルを挙げると、単一の曲線状のプロファイル（ここで、曲線は、例えば、球状、放物線状または（スタックの圧縮時において燃料電池スタックへの均一な圧力分布を達成するのに適した）別の形状であり得る）があり、あるいは、マスター圧縮面2は、実質的に平坦であり、第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8から形成された曲線状スレーブ圧縮面に対向する。
【００６３】
マスター圧縮面2および／または第1のスレーブ圧縮面6および第2のスレーブ圧縮面8中における丸いかまたは曲線状の部分の掃引形状／含有は、例えばコスト要求に応じて屈曲、鋳造または突出を行うことにより、達成することができる。
【００６４】
他の特徴をマスターおよびスレーブプレート中に設けることができる（例えば、スレーブプレートをマスタープレートと共に登録することが可能な機構または構造）。図1〜図3cに示す例示的な配置構成において、ほぞ23または突起あるいは一連の突起をマスタープレート1上に形成する。ほぞ23または突起あるいは一連の突起は、スレーブプレート5および7の表面中のほぞ穴24または対応する凹部または溝と係合する。これらのほぞ穴構造およびほぞ構造は、マスタープレートとスレーブプレートとの間で逆転可能であることが理解される。
【００６５】
図5は、燃料電池スタックアセンブリの形成に適した方法のフロー図である。この方法は、スタック内の複数の燃料電池を提供するステップであって、スタックは、2つの対向する平行な端面を規定する、ステップ（ステップ51）と、エンドプレートアセンブリの第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートをスタックの一端面に位置決めするステップであって、第1のスレーブプレートおよび第2のスレーブプレートはそれぞれ、スタックから外方を向く第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面それぞれを有する、ステップ（ステップ52）と、マスター圧縮面が第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面に近接するように、マスター圧縮面を規定するマスタープレートをスタックの端面に位置決めするステップ（ステップ53）と、第2のエンドプレートアセンブリをスタックの対向する端面に位置決めするステップ（ステップ54）と、エンドプレートアセンブリを相互接続して、第1のスレーブ圧縮面および第2のスレーブ圧縮面をマスター圧縮面と圧縮関係にさせかつスタックを圧縮下において維持するステップ（ステップ55）とを含む。この方法は、自明である。
【００６６】
他の実施形態は、添付図面の範囲内に意図的に収まる。
【図１】
2015516106.tif 000003
【図２】
2015516106.tif 000004
【図３ａ】
2015516106.tif 000005
【図３ｂ】
2015516106.tif 000006
【図３ｃ】
2015516106.tif 000007
【図４ａ】
2015516106.tif 000008
【図４ｂ】
2015516106.tif 000009
【図５】
2015516106.tif 000010
【国際調査報告】
2015516106.tif 000011
2015516106.tif 000012
2015516106.tif 000013