JP2007502523A - 電気化学電池スタック用端板 - Google Patents

Abstract

電気化学電池スタック用端板がここに説明される。該端板は外面と内面を含み、該内面上に複数の空洞が設けられている。該内面は中心領域と該中心を取り囲む周辺領域を備え、第1の複数の空洞が該中心領域に設けられ、空洞のアレイを形成している。該端板は、該周辺領域内に第２の複数の空洞をさらに備える。

Description

本発明は、電気化学電池スタック用端板に関する。

電気化学電池スタックは、燃料電池スタックと電解槽を含む。燃料電池は、燃料（通常は水素ガス）と酸化剤（通常は空気または酸素ガス）を２つの適切な電極と1つの電解液に接触させることによって起電力を生じさせる電気化学デバイスである。該燃料は、それが該電解液の存在下で電気化学的に反応し、エレクトロンとカチオンを生じさせる第1の電極で導入される。該エレクトロンは電気回路を介して該第1の電極から第２の電極に循環する。カチオンは該第２の電極まで該電解液を通過する。

同時に、酸化剤は該第２の電極に導入され、そこで酸化剤は電解液と触媒の存在下で電気化学的に反応し、アニオンを生成し、電気回路を循環するエレクトロンを消費する。カチオンは第２の電極で消費される。アニオンは第２の電極で形成されるか、陰極がカチオンと反応し、反応生成物を形成する。第1の電極またはアノードは代わりに燃料電極または酸化電極と呼ばれてよく、第２の電極は代わりに酸化剤または還元電極と呼ばれてよい。

２つの電極での半電池反応はそれぞれ以下のとおりである。

外部電気回路は電流を引き下げ、このようにして燃料電池から電力を受け取る。燃料電池全体の反応は前述の別々の半電池反応の合計として示されるとおりに電気エネルギーを生じさせる。水と熱は該反応の典型的な副産物である。

概念上、電解槽は逆に並べられた燃料電池であり、燃料スタックと同じ構成要素の多くを共用している。特に、電流は水の水素ガスと酸素ガスへの電気分解のために電解槽に供給される。燃料電池内では、水素と酸素が結合され水を作り出し、熱を発する。電解槽では、水を水素と酸素に分解するためにエネルギーが必要となる。

実際には、燃料電池は単独の装置として操作されない。むしろ、燃料電池は直列で接続され、互いの上に積み重ねられ、あるいは並べて置かれて、通常燃料電池スタックと呼ばれるものを形成する。電池スタックを形成するためには、通常複数の燃料電池がともにスタックされるが、ここに使用されているように用語「電池スタック」は１つの燃料電池だけが存在する特殊なケースを含む。燃料と酸化剤は、冷却が反応物質によって提供されるか、あるいは冷却媒体によって提供されるが、マニホルドを通って電極に導かれる。やはりスタックの中にあるのがカレントコレクタ、セル間シール、及び絶縁材であり、必要とされる配管と計装は燃料電池スタックの外部で行われる。

燃料電池スタックは、燃料電池スタックの構成要素を挟む２つの端板を含む。終板は、該終板間にある電池スタックの多様な構成部品をともに圧縮するために使用されるロッドまたはボルト用のアンカーとして働くことによって燃料電池スタックに完全性を与える。さらに、端板は、燃料、酸化剤、及びクーラントダクトとホースが取り付けられる接続ポートを含むことがある。これらのプロセス流体は燃料電池スタックの中に、及び燃料電池スタックから外へ接続ポートを通って流れる。

端板は、燃料電池スタックの構成要素を圧縮し、燃料、酸化剤及びクーラントのダクトまたはホースを端板のそれぞれのポートに固定するために必要となる力に耐えるのに十分に強固でなければならない。この理由から、端板は燃料電池スタックの他の構成部品の大部分より重い材料から構成される。したがって、従来の端板は金属製であり、その使用目的のために十分に強力となるよう厚く、重たい。

燃料電池スタックは通常、重なり合って積み重ねられる多くの燃料セルを含んでいるため、たとえ端板がなくても、燃料電池スタックの重量とサイズはかなりとなる。端板の重量を計算に入れると、数百枚のプレートを備える燃料電池のスタックはかなりの重さとなる場合がある。燃料電池スタックのサイズと重量を減らすのに役立つであろう工夫は性能を高め、このようなスタックの応用例の範囲を拡大し、したがって電気化学電池スタックの分野でもっとも歓迎されるであろう。

ここに説明しているのは、電気化学電池スタック用の端板である。該端板は内面、外面、２つの端面、上面及び底面を含む。該端板は、端板の重量を削減するために少なくとも1つの空洞を有し、該少なくとも1つの空洞は該内面、２つの端面、上面と底面に少なくとも１つある。例えば、該少なくとも1つの空洞は端面の体積の少なくとも１５パーセントを備えることがある。該少なくとも１つの空洞は、深さが端板の少なくとも４０％、あるいは厚さが端板の６０％である止まり穴である場合がある。該少なくとも１つの空洞のそれぞれは、端板の側面長さのサイズの少なくとも６分の１の幅を有することがある。このような空洞の存在は端板の重量を大幅に削減し、それは端板がより軽量な電気化学スタックを形成するために使用されるときに有利である。

同様にここで説明されているのは、電気化学電池スタックのための端部組立品である。該端部組立品は、ａ）流体を伝達するために少なくとも１つの接続部をそれに取り付けるための１つの端板と、ｂ）電流を引き出すために導線をそれに接続するための終板と、ｃ）絶縁のための絶縁体板との内の少なくとも２つを含み、該少なくとも２つが固定剤でともに固定される。

加えて、１つまたは複数の方向で先細り、それにより該端板の重量を削減する電気化学電池スタック用の端板はここに説明される。特に、端板はそれぞれ中心領域と周辺領域を有する内面と外面を含み、積み重ね方向に沿って測定される厚さは該中心領域、左端面、及び右端面に垂直であり、高さは該積み重ね方向に垂直であり、該左端面と右端面に平行である側面方向に沿って測定される。端板は以下の２つの条件の内の少なくとも１つが当てはまるように重量を削減するために先細る。つまり、ｉ）端板の厚さが、中心領域の近くでよりも端面に近接する周囲領域の近くで小さくなり、ｉｉ）端板の高さが中心領域近くでより端面に近接する周辺領域近くで小さくなる。

また電気化学電池スタック用端板が、内面、該内面に実質的に垂直な端面、該端面上の端面開口部、及び該内面上の内面開口部を有してここに説明される。端面開口部と内面開口部は燃料、酸化剤またはクーラントで流体連通している。

さらに、外面、流体がそこを通過できるようにするための外面上の外部接続ポート、内面、及び該外部接続ポートと一致する内面上の内部接続ポートを有する端板がここに説明される。該外部接続ポートは直径が拡大された座ぐりと、流体用の外部線を確保するために直径が削減された内部穴であって、内部接続ポートと流体連通する該内部穴を有する。

図１は、従来の燃料電池装置１００の分解斜視図を示す。燃料電池装置１００は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を挟み込むアノードフローフィールドプレート１２０とカソードフローフィールドプレート１３０を含む。該プレート１２０と１３０には多様なサイズが考えられる。一実施形態では、該フローフィールドプレート１２０、１３０の短い端部は約１２ｃｍである。各プレート１２０と１３０は入口領域と、出口領域と、オープンフェイスのチャネル（不図示）を有する。該チャネルは該入口領域を該出口領域に流体接続し、ＭＥＡ１２４の外面に反応ガスを分散する方法を提供する。

ＭＥＡ１２４はアノード触媒層（不図示）とカソード触媒層（不図示）の間に配置される固体電解質（つまり固体高分子膜、つまりＰＥＭ）１２５を備える。第１のガス拡散層（ＧＤＬ）１２２は、アノード触媒層とアノードフローフィールドプレート１２０の間に配置され、第２のＧＤＬ１２６がカソード触媒層とカソードフローフィールドプレート１３０の間に配置される。ＧＤＬ１２２、１２６は、燃料または酸化剤のどちらかの反応ガスのＭＥＡ１２４の触媒面への拡散を容易にする。さらに、ＧＤＬはアノードとカソードフローフィールドプレート１２０、１３０及び該膜１２５のそれぞれの間の導電率を高める。

第１のカレントコレクタプレート１１６はアノードフローフィールドプレート１２０の背面に当接し、用語「背面」はＭＥＡ１２４から見て外方を向く側面を示す。同様に、用語「正面」はＭＥＡに対面する側面を示す。第２のカレントコレクタプレート１１８はカソードフローフィールドプレート１３０の背面に当接する。第１と第２のカレントコレクタプレート１１６、１１８はそれぞれ燃料電池スタックの側面から突出するタブ１４６と１４８を有する。第１と第２の絶縁体プレート１１２，１１４はそれぞれ第１と第２のカレントコレクタプレート１１６、１１８に直に隣接して位置する。第１と第２の端板１０２、１０４は、それぞれ第１と第２の絶縁体プレート１１２、１１４に直に隣接して位置する。装置１００をともに押すために端板１０２、１０４の上に圧力がかけられてよい。さらに、密閉手段が通常隣接するプレートの各組の間に設けられる。好ましくは複数のタイロッド１３１も設けられてよい。タイロッド１３１はアノード端面１０２のねじ穴の中にねじ込まれ、カソード端板１０４の対応するプレインボアを通過する。ナット、ボルト、座金等の締め付け手段は燃料電池装置１００をともに固定するために設けられる。

端板１０４は、多様な流体の供給のための複数の接続ポートを備えている。具体的には、第２の端面１０４は第１と第２の空気接続部分１０６、１０７、第１と第２のクーラント接続ポート１０８、１０９及び第１と第２の水素接続ポート１１０、１１１とを有する。ＭＥＡ１２４、アノードとカソードフローフィールドプレート１２０、１３０、第１と第２のカレントコレクタプレート１１６，１１８、第１と第２の絶縁体プレート１１２、１１４、及び第１及び／または第２の端板１０２、１０４が一方の端部に近い３つの入口と、反対側の端部に近い３つの出口を有し、それらは酸化剤、クーラントとしての空気用、燃料としての水素用の流体ダクトを形成するために位置合わせされている。また、すべての出口が一方の端部に位置する必要はなく、つまりフローの組が同じ方向を流れるのとは対照的に向流となる場合があるであろう。各プレートの入口領域と出口領域はマニホルド領域とも呼ばれる。図示されていないが、多様なポート１０６から１１１が燃料電池ユニット１００の長さに沿って伸張するダクトに流体接続していることが理解されるであろう。

図１に示される燃料電池スタックでは、燃料電池スタックは「クローズドエンド」モードで実行する。つまりプロセス流体とクーラントは燃料電池スタックの同じ端部に供給され、同じ端部から排出される。他のバージョンでは、燃料電池がプロセス流体とクーラントが一方の端部から燃料電池スタックに入り、その反対側端部からスタックを出る「フロースルー」モードで実行してよいことが理解されなければならない。これは、プロセス流体用に第１の端板１０２に対応する接続ポートが備えられることを必要とする。実際には、燃料電池スタックを形成し、より大きな電流出力を生じさせるには複数のプレート１３０、１２０とＭＥＡ１２４を積み重ねることが有効であることも理解されなければならない。電池スタックは１００より多いＭＥＡ１２４を有する場合がある。

１つのスタックに多くの電池を積み重ね、電圧出力を高めることは多くの場合有益であるが、多くの電池を積み重ねるときに、電池スタックの全体的なサイズと重量において代価がある。おびただしい積み重ねから生じる欠点を悪化させるのは、端板がさらに厚く、燃料電池スタックの構成要素を圧縮し、燃料、酸化剤、及びクーラントのダクトまたはホースを端板のそれぞれのポートに固定するために必要となる力を支えるほど十分に強固となるよう燃料電池スタックの他の構成要素の大部分より重い材料から構成されるという事実である。したがって、従来の端板は金属製であり、その使用目的のために十分に強力となるよう厚く、重たい。これらの欠点に対処するために、電池スタックの総重量を大幅に削減する端板の新しい設計がここに説明される。

図２から図１０は、本発明による端板２００の第１の実施形態を示す。端板２００は、外面２２０と内面２４０を有し、端板に関して「外面」と「内面」は、それぞれスタックの中に位置する燃料電池から見て外方を向く側面と、スタックの中に位置する燃料電池の方を向く側面を示す。端板２００は２つの対向する端面２６０と２８０を有する。端板２００は底面１９５に対向する上面１９４も有する。３つの接続ポート２０１、２０３、２０５が端面２６０に設けられ、別の３つ接続ポート２０２、２０４及び２０６が対向する端面２８０に設けられる。端板２００が、矩形の代わりに正方形となることがあり、接続ポートが２つの対向端面上に設けられてよいことが理解されなければならない。

端板２００の内面２４０は、中心領域２５０と該中心領域２５０を取り囲む周辺領域２５５を有する。接続ポート２０１から２０６は、特定の範囲までその内部に向かって端板２００の長手方向（つまり、端面２６０、２８０に垂直な方向）に沿ってその関連する端面２６０，２８０から、特定の範囲までその内部に向かって伸び、次に内面２４０と外面２２０に実質的に垂直な方向で、内面２４０に向かって伸び、その上に開口部を形成する。言い換えると、接続ポート２０１から２０６のそれぞれは、例えば該ポート２０１が端面２６０の上に開口部を、内面２４０の上に開口部を有するようにL字形であり、該開口部は流体連通している。端面２６０上の開口部、内面２４０上の開口部、及び全体としてのポートはすべて同じ参照番号で示されている。

開口部２０１から２０６は、周辺領域２５５に位置する。複数の空洞２９０は中心領域２５０に設けられる。複数の空洞２９０は好ましくは、それらが長手方向と側面方向（側面方向は先に定義された長手方向に垂直であり、外面と内面２２０、２４０に平行である）の両方で位置合わせし、したがってｍ行とｎ列の空洞のアレイが中心領域２５０に形成されるように配置される。

ここに使用されるように、用語「空洞」は任意の中空、つまり穴、任意の形状のスルーホールまたは止まり穴のどちらかを指す。図２から図１０の実施形態に示される特定の空洞２９０は、内面２４０に設けられる円形の止まり穴であり、好ましくは実質的に同じ寸法を有する。それらは端板２００の厚さ方向に沿って特定の範囲まで伸びる。空洞２９０の深度は、端板２００の厚さの４０％から８０％の範囲内にあり、好ましくは６０％から８０％の範囲内にある。空洞２９０が存在することにより、材料は削減され、したがって端板２００の重量も削減される。他の実施形態では、空洞は内面２４０の代わりに外面２２０に設けることができる。代わりに、空洞は両方の面２２０と２４０に設けることができる。さらに一般的には、空洞は、すでに言及された外面２２０と内面２４０、端面２４０、２６０及び上面と底面１９４、１９５等のその面のどれかを含む端板２００上または端板２００内のどこかに設けることができる。おそらく空気で満たされていることに加えて、空洞はそれ以外の場合電池スタックの動作中、空である。空洞はそれぞれ多様なサイズと形状となることがある。円形に加えて、三角形等の、面をさらによく「タイルする」他の形状がさらに重量を削減するために利用されてよい。

空洞が内面２４０上にあると、それらは積層板状の構造を形成することにより、終板、絶縁体板、及び端板の組立品の硬度を高めることができる。

燃料電池スタックが組み立てられるとき、内面全体２４０がさらに詳細に後述されるように絶縁体プレートと係合する。したがって、圧力がスタックの端部からかけられ、空洞が内面２４０または外面２２０に設けられている状態で、あるいは２つの面２２０、２４０をリンクするスルーホールとして、端板２００は空洞にも関わらずローバスト性を維持する。絶縁体プレートは端板２００と終板（カレントコレクタプレートまたはバスバーとしても知られている）の間に挟まれる。３枚すべてのプレートは後述されるようにボルト、または他の固定剤でともに接合される。ボルトで留められた組立品は、３枚のプレートが単に並列されている、あるいはともに積み重ねられている従来のスタックにおいてよりはるかに強い。その積層板構造を備えた本組立品は、３枚のばらけた部品よりはるかに硬いが、軽量のままである。構成要素が組み立て中にともに保持されること、電気的な短絡が構成要素を通して発生しないことを保証し、それでもより硬いスタックを作りだすために、従来の結合方法を使用して３枚のプレートをともに結合することも可能である。オプションの外部取り付け点１９７も外面２２０に設けられている。

端板２００の周辺領域２５５には複数のスルーホール２２８が備えられる。スルーホール２２８はねじ穴または止まり穴である場合もある。スルーホールは、タイロッドを受け入れるために適応される。

この実施形態では、４つの止まり穴２２６が、ボルトを挿入できる周囲領域２５５に設けられている。本実施形態には図示されていないが、ボルトが絶縁体プレートとカレントコレクタプレートの対応するスルーホールを通過し、該３枚のプレートをボルトでともに留めることを理解するのは容易である。

端面２６０、２８０では、複数のねじ穴２３０が流体ダクトまたはホースを、プロセス流体を供給し、接続ポート２０１から２０６を通して燃料電池スタックの外部に向けることができる端面に固定するための接続ポート２０１から２０６のそれぞれの回りに設けられる。端板２００の側面上には、燃料電池スタックの組み立ての間に、端板２００及びおそらく燃料電池フローフィールドプレート（不図示）の位置合わせを容易にするために複数の位置決め切欠き２２４が設けられる。

端板２００の内面２４０は、絶縁体プレート、したがってスタック内部の燃料電池に圧力を一様にかけられるように実質的に平面的である。端板２００の各端部は、端板２００の厚さと高さが徐々に削減され、さらに端板２００の寸法、したがって重量を削減する外面２２０上の傾斜部分または先細部分２２２を有する。

さらに具体的には、重量を削減するために、積み重ね方向（つまり、先に定義された長手方向及び側面方向に垂直な方向）の端板の厚さが中心領域近くより端面に近接する周辺領域近くでより小さくなり、端板の側面方向の高さは中心領域近くより端板に近接した周辺領域近くでより小さくなる。

空洞２９０のある端板２００は、機械加工、ダイカスト、成形、絶縁保護コーティング及びポリマーを使ったオーバーモールド等の多くの方法で製造できる。

図１１から図１８は、本発明による端板３００の第２の実施形態を示す。以下の実施形態では、第１の実施形態の機能に類似する機能を実行する構成要素は１００の桁は異なるが下２桁が同じ参照番号で示される。第２の実施形態では、構成要素は「３」で始まる参照番号で示される。第２の実施形態では、端板３００は外面３２０と内面３４０を有する。端板３００は、２つの対向する端面３６０と３８０を有する。端板３００が、矩形の代わりに正方形とすることができ、接続ポートが２つの対向する端面３６０、３８０に設けられてよいことが理解されなければならない。

第１のマニホルド領域３７０は、端面３６０近くに設けられ、第２のマニホルド領域３７２は対向する端面３８０近くに設けられる。内面３４０上には、３つの接続ポート３０１、３０３、３０５が第１のマニホルド領域３７０に設けられ、３つの接続ポート３０２、３０４及び３０８は第２のマニホルド領域３７２に設けられる。外面３２０では、３つの接続部分３１１、３１３及び３１５が第１のマニホルド領域３７０に設けられ、３つの接続ポート３１２、３１４、及び３１６が第２のマニホルド領域３７２に設けられる。接続部分３０１から３０６は、それぞれのプロセス流体が外面３２０から内面３４０に、及び燃料電池スタック内の燃料電池の中に流れ込むことができるように、それぞれに接続ポート３１１から３１６と流体連通する。

接続ポート３０１から３０６及び３１１から３１６は多様な形状または型とすることができる。この実施形態では、内面３４０では、接続ポート３０１から３０６はプロセス流体の漏れを最小限に抑えるために燃料電池スタック内の隣接するプレートの入口開口と出口開口の形状と一致するように成形されている。外面３２０では、接続ポート３１１から３１６のそれぞれ、例えば接続ポート３１１は、直径が拡大された座ぐり３１１ａ、直径が縮小された内側穴３１１ｂを有する。内側穴３１１ｂは、端板３００の内面３４０に設けられる対応する接続ポート３０１と連絡する。座ぐり３１１ａの底面３１１ｃでは、複数のねじ穴３８２が設けられる。また、ねじ穴３８２は外部ダクトまたはホースへの接続のために各接続ポート３１２から３１６の座ぐりの底面にも設けられる。

端板３００の内面３４０は、中心領域３５０と、該中心領域３５０を取り囲む周辺領域３５５を有する。複数の空洞３９０が中心領域３５０に設けられる。複数の空洞３９０は、好ましくは、それらが長手方向と側面方向の両方で位置合わせし、中心領域３５０に空洞のアレイを生じさせる。他の配列も可能である。図１１から図１８の実施形態では、空洞３９０は、内面３４０に設けられる円形の止まり穴であり、好ましくは実質的に同じ寸法を有している。それらは特定の範囲まで端板３００の厚さ方向に沿って伸びる。空洞３９０の深度は端板３００の厚さの４０％から８０％の範囲にあり、好ましくは６０％から８０％の範囲にある。空洞３９０が存在することにより、そのローバスト性を保ちながら、材料、したがって端板３００の重量は削減する。

端板３００の周辺領域３５５には、ねじ切られている可能性がある複数のスルーホール３２８が備えられる。スルーホール３２８の代わりに、止まり穴が提供されてよい。スルーホールは、タイロッドを収容するように適応される。この実施形態では、上記と同様に、４つの止まり穴３２６が、端板、絶縁体プレート、及びカレントコレクタプレート（不図示）をともに固定するために挿入できる周辺領域３５５に設けられる。端板３００の側面では、燃料電池スタックの組み立て中に、複数の位置決め切欠き３２４が端板３００、及びおそらく燃料電池フローフィールドプレート（不図示）の位置合わせを容易にするために設けられる。端板３００の内面３４０は、絶縁体プレートに、したがってスタックの内部の燃料電池に圧力を一様にかけることができるように平らである。外面３２０上の端板３００の各マニホルド領域３７０と３７２の厚さと高さは徐々に削減される。これは、端板３００の寸法、したがって重量をさらに削減する。

図１９から２７は、本発明による端板４００の第３の実施形態を示す。端板４００の第３の実施形態は第２の実施形態に類似しているため、ここでは詳細に説明されず、やはり先の実施形態の構成要素に類似する構成要素は、参照番号の同じ下２桁を使用して識別される。端板４００の第３の実施形態の内面４４０も中心領域４５０と、該中心領域４５０を取り囲む周辺領域４５５を有する。複数の中心空洞４９０は中心領域４５０に設けられる。複数の中心空洞４９０は、好ましくは、それらが長手方向と側面方向の両方で位置合わせし、したがって空洞のアレイが中心領域４５０に形成される。図１９から図２７に示される中心空洞４９０は、内面４４０に設けられる円形の止まり穴であり、好ましくは実質的に同じ寸法を有する。それらは、特定の範囲まで端板４００の厚さ方向に沿って伸びる。中心空洞４９０の深度は端板４００の厚さの４０％から８０％の範囲内になり、好ましくは６０％から８０％の範囲内になる。４０％未満及び８０％を超える深度もいくつかの応用例では有益である場合がある。例えば、端板４００が、８０％より深い穴の存在を可能にするほど十分に強度な材料から作られる場合は、このような量の材料を除去し、重量を減らすことが有利となる場合がある。

端板４００にはさらに周辺領域４５５に複数の周辺空洞４９５が備えられる。各周辺空洞の寸法は同じでない可能性がある。図で分かるように、それぞれの角に近い空洞は実質的に三角形であってよいが、端板４００の各側面近くの周辺空洞４９５は矩形であってよい。周辺空洞４９５は内面４４０に設けられる止まり穴でもある。周辺空洞４９５の深度は端板４００の厚さの４０％から８０％の範囲内となり、好ましくは６０％から８０％の範囲内になる。周囲空洞４９５が存在することにより、そのローバスト性を保ちながら、材料、従って端板４００の重量は削減される。この実施形態では、４つの止まり穴４２６が、後述されるように、端板、及び絶縁体プレートとカレントコレクタプレート（不図示）を留めるボルトを収容するために端板４００の内面４４０の中心領域４５０に設けられる。

図２８から図３５は、本発明による端板５００の第４の実施形態を示す。端板５００の第４の実施形態は、端板４００の第３の実施形態に類似しているため、詳細に説明されない。端板５００は、第３の実施形態と同様に、その内面５４０で、中心領域５５０に中心空洞５９０を、該中心領域５５０を取り囲む周辺領域５５５に周辺空洞５９５を有する。第３の実施形態との違いは、端板５００にプロセス流体を接続するための接続ポートが備えられていない点である。この端板５００は図１に示されるクローズドエンドモードで使用できる。

この実施形態では、接続ポートが不在であるために中間空洞５９０または周辺空洞４９５のどちらかがさらに多くの領域を使用できるようになっている。これは、さらに端板５００の重量を削減する。中心空洞５９０と周辺空洞は図示されている実施形態においてすべて止まり穴である。中心空洞５９０は端板４００の厚さの４０％から８０％の範囲、好ましくは６０％から８０％の範囲の深度を有してよい。周辺空洞５９５は端板４００の厚さの４０％から８０％の範囲の、好ましくは６０％から８０％の範囲の深度を有してよい。この実施形態では、４つの止まり穴５２６が後述されるように、端板、絶縁体プレート、及びカレントコレクタプレート（不図示）を留めるボルトを収容するために端板５００の内面５４０上の中心領域５５０に設けられている。

図３６と図３７は、端板６００上の重量削減空洞が止まり穴の代わりにスルーホールである、本発明のさらに別の実施形態を示す。端板６００は中心領域６５０のある内面６４０と、該中心領域６５０を取り囲む周辺領域６５５を有する。複数の中心空洞６９０が中心領域６５０に設けられる。複数の中心空洞６９０は好ましくはそれらが長手方向と側面方向の両方で位置合わせし、したがって空洞のアレイが中心領域６５０に形成されるように配置される。図３６と図３７に示される中心空洞６９０は、内面６４０から外面６２０までの円筒形のスルーホールであり、好ましくは実質的に同じサイズを有する。

端板６００にはさらに周辺領域６５５に複数の周辺空洞６９５が設けられる。各周辺空洞の寸法は同じでない可能性がある。各角近くの空洞は実質的には三角形であってよいが、端板６００の各側面近くの周辺空洞６９５は矩形であってよい。周辺空洞６９５もスルーホールであるが、他の実施形態では周辺空洞６９５は内面６４０に設けられる止まり穴である場合がある。

端板６００の周辺領域６５５は、複数のスルーホール６２８を備える。スルーホール６２８はねじ穴または止まり穴である場合もある。スルーホールは、アノードプレートとカソードプレートを含む、電池スタックの構成要素のすべてを固定するためのタイロッドを収容するように適応される。

この実施形態では、後述されるように、４つの止まり穴６２６が、端板６００、絶縁体プレート（不図示）及び終板（不図示）をともに留めるボルトを収容するための端板６００の内面６４０上の中心領域６５０に設けられる。

図３８、図３９Ａ、図３９Ｂ及び図４０は、端板５００、絶縁体プレート６０２及び終板（カレントコレクタプレート）６０４からなる端部組立品６９６及び個々の構成部品を示す。図示されている実施形態では、端部組立品６９６は、「クローズドエンド」モードで動作中の燃料電池スタックで使用されてよく、プロセス流体とクーラントが燃料電池スタックの同じ端部に供給され、同じ端部から排出されることを意味するが、本発明の基本の設計は他の端板構成にも当てはまる。このモードでは、絶縁体プレート６０２とカレントコレクタプレート６０４には燃料電池反応剤用の入口と出口は備えられていない。他のバージョンでは、燃料電池が、プロセス流体とクーラントが一方の端部から燃料電池スタックに入り、その反対の端部からスタックを出る「フロースルー」モードで実行してよいことが理解されなければならない。これは、終板がプロセス流体用の対応する接続ポートを備えることを必要とする。

終板６０４と絶縁体プレート６０２の周囲領域６１２と６１４には、端板５００のスルーホール５２８に相当する複数のスルーホール６１６と６１８が備えられる。スルーホール６１６と６１８はアノードプレートとカソードプレートを含む、電池スタックの構成要素のすべてを固定するためのタイロッドを備えるように適応される。切欠き６１７と６１９は端板５００上の切欠き５２４に相当し、燃料電池スタックの組み立て中に端板５００、終板６０４、絶縁体プレート６０２及び燃料電池フローフィールドプレート（不図示）の位置合わせを容易にするために提供される。

終板６０４の中心領域に示される４つの穴６０６は、絶縁体プレート６０２の中心領域に示される４つの穴６０８に相当し、止まり穴５２６にも相当する。しかしながら、穴５２６、６０６、及び６０８の数と位置は変更できる。穴６０６、６０８及び５２６は組み立て中に位置合わせする。ナットまたはねじ切りは止まり穴５２６内に設けることができる。ねじまたはボルトは穴６０６と６０８を通って挿入され、端板５００の止まり穴５２６内のナットまたはねじ切りにねじで留めることができる。

ボルトで留められた組立品は、３枚のプレートが単に並列されるか、ともに重ねあわされている従来のスタックより強い。本組立品は、その積層板構造により、３枚のばらけた部品よりはるかに硬いが、空洞が存在するために軽量のままである。

ねじやボルトを使用する代わりに、端部組立品６９６に３枚のプレートを固定するために他の固定剤が使用されてよい。考えられる固定剤はねじ、スナップ、糊、加熱はんだ及び溶接を含む。

図３８に示される端部組立品６９６の実施形態では、端板５００、絶縁体プレート６０２、及び終板６０４はすべてともに固定されている。より一般的には、端部組立品はａ）端板、ｂ）終板、及びｃ）絶縁体板の内の少なくとも２つを含み、該少なくとも２つは任意の順序で固定剤を用いてともに固定される。例えば、絶縁体プレート６０２と端板５００だけがともに固定されてよい。

本発明は図示されるまたは前述された実施形態に限定されない。例えば、端板は、円形、楕円形、及び他の形状である場合がある。さらに、接続ポートの形状は変化することがある。本発明は電解槽等の他の電気化学電池セルの端板にも適応できることが理解されなければならない。加えて、図１のＰＥＭ燃料電池スタックが参照されたが、本発明の原理は他の燃料電池タイプにも適用できる。燃料電池に加えて、電解槽等の他の電気化学電池スタックが本発明の教示に従って製造できる。

当業者が本発明の教示を学習した後にここに開示される実施形態に多様な変型を加えることができると予想される。例えば、システムの構成要素の数と配列は異なる可能性があり、同じ特定の機能を達成するためにさまざまな要素が使用される可能性がある。しかしながら、これらの変型は、以下の請求項に定められるような本発明の保護範囲に該当するとみなされるべきである。

本発明をさらによく理解するために、及びそれがどのようにして実行に移せるのかをさらに明確に示すために、本例証として発明の好適実施形態を示す添付図面が参照される。
燃料電池スタック内に位置する燃料電池ユニットの分解斜視図を示す。 本発明による端板の第1の実施形態の第1の斜視図を示す。 本発明による端板の第1の実施形態の第２の斜視図を示す。 本発明による端板の第1の実施形態の正面図を示す。 本発明による端板の第1の実施形態の側面図を示す。 本発明による端板の第1の実施形態の上面図を示す。 本発明による端板の第1の実施形態の背面図を示す。 図７の線Ｅ−Ｅに沿った、本発明による端板の第1の実施形態の断面図を示す。 図４の線Ａ−Ａに沿った、本発明による端板の第1の実施形態の断面図を示す。 図７の線Ｂ−Ｂに沿った、本発明による端板の第1の実施形態の断面図を示す。 本発明による端板の第２の実施形態の第1の斜視図を示す。 本発明による端板の第２の実施形態の第２の斜視図を示す。 本発明による端板の第２の実施形態の正面図を示す。 本発明による端板の第２の実施形態の背面図を示す。 本発明による端板の第２の実施形態の側面図を示す。 本発明による端板の第２の実施形態の上面図を示す。 図１４の線Ｃ−Ｃに沿った本発明による端板の第２の実施形態の断面図を示す。 図１４の線Ｄ−Ｄに沿った本発明による端板の第２の実施形態の断面図を示す。 本発明による端板の第３の実施形態の第１の斜視図を示す。 本発明による端板の第３の実施形態の第２の斜視図を示す。 本発明による端板の第３の実施形態の正面図を示す。 本発明による端板の第３の実施形態の背面図を示す。 本発明による端板の第３の実施形態の側面図を示す。 本発明による端板の第３の実施形態の上面図を示す。 図２１の線Ｆ−Ｆに沿った、本発明による端板の第３の実施形態の断面図を示す。 図２２の線Ｇ−Ｇに沿った、本発明による端板の第３の実施形態の断面図を示す。 図２２の線Ｈ−Ｈに沿った、本発明による端板の第３の実施形態の断面図を示す。 本発明による端板の第４の実施形態の第１の斜視図を示す。 本発明による端板の第４の実施形態の第２の斜視図を示す。 本発明による端板の第４の実施形態の正面図を示す。 本発明による端板の第４の実施形態の背面図を示す。 本発明による端面の第４の実施形態の側面図を示す。 本発明による端面の第４の実施形態の上面図を示す。 図３１の線Ｉ−Ｉに沿った、本発明による端板の第４の実施形態の断面図を示す。 図３１の線Ｊ−Ｊに沿った、本発明による端板の第４の実施形態の断面図を示す。 本発明による端板の内面を示す。 本発明による端板の外面を示す。 本発明による端板、絶縁体板、及び終板の組立品を示す。 図３８の絶縁体板を示す。 図３８の絶縁体板を示す。 図３８の終板を示す。

Claims (35)

1. 電気化学電池スタック用端板であって、
   内面と、２つの端板と、上面と、底面と、
   前記端板の重量を削減するための少なくとも１つの空洞であって、前記少なくとも１つの空洞が、前記内面、前記２つの端面、前記上面、及び前記底面の内の少なくとも１つにあり、前記少なくとも１つの空洞が前記端板の容積の少なくとも１５パーセントを構成する、
   端板。
2. 前記少なくとも１つの空洞が少なくとも１０個の穴である請求項１に記載の端板。
3. 前記内面が前記少なくとも１つの空洞のいくつかまたはすべてを含む請求項１に記載の端板。
4. 前記内面が中心領域と、前記中心領域を取り囲む周辺領域を含み、前記少なくとも１つの空洞が前記中間領域に設けられる請求項３に記載の端板。
5. 前記少なくとも１つの空洞が、ｍ行とｎ列の止まり穴のアレイを形成する複数の止まり穴を含み、ｍとｎが１より大きい整数である請求項３に記載の端板。
6. ｍが５より大きく、ｎが１０より大きい請求項５に記載の端板。
7. 前記内面が中心領域と、前記中心領域を取り囲む周辺領域を含み、前記少なくとも１つの空洞が複数の止まり穴を含み、前記複数の止まり穴の第１の部分が前記周辺領域に設けられる請求項３に記載の端板。
8. 前記複数の止まり穴の第２の部分が前記中心領域に設けられる請求項７に記載の端板。
9. 前記第１の部分の前記止まり穴の前記形状が、前記第２の部分の前記止まり穴の前記形状と本質的に異なる請求項８に記載の端板。
10. 前記少なくとも空洞のそれぞれが前記端板の前記厚さの少なくとも４０％という深度の止まり穴である請求項１に記載の端板。
11. 前記少なくとも１つの止まり穴のそれぞれが前記端板の前記厚さの少なくとも６０％の深度を有する請求項１０に記載の端板。
12. 前記少なくとも１つの空洞が、実質的に前記同じ深度を有する止まり穴である、請求項１に記載の端板。
13. 前記少なくとも１つの空洞のそれぞれが円形である請求項１に記載の端板。
14. 前記少なくとも１つの空洞のそれぞれが前記端板の前記側面方向長さのサイズの少なくとも６分の１の幅を有する請求項１に記載の端板。
15. 電気化学スタック用端板であって、
    内面と、２つの端面と、上面と、底面と、
    前記端板の重量を削減するための少なくとも１つの空洞であって、前記少なくとも１つの空洞が前記内面、前記２つの端面、前記上面及び前記底面の内の少なくとも１つの上にあり、前記少なくとも１つの空洞が空気で満たされるが、それ以外の場合、電気化学スタックが動作中には空である少なくとも１つの空洞と、
    を備える端板。
16. 前記少なくとも１つの空洞がスルーホールを含む請求項１５に記載の端板。
17. 前記内面が中心領域と、前記中心領域を取り囲む周辺域を有し、前記スルーホールが前記中心領域に設けられる、請求項１６に記載の端板。
18. 前記少なくとも１つの空洞が、ｍ行とｎ列のスルーホールのアレイを形成する複数のスルーホールを含み、ｍとｎが１より大きい整数である請求項１５に記載の端板。
19. ｍが５より大きく、ｎが１０より大きい、請求項１８に記載の端板。
20. 前記端板が中心領域と、前記中心領域を取り囲む周辺領域とを有する内面を含み、前記少なくとも１つの空洞が複数のスルーホールを含み、前記複数のスルーホールの第１の部分が前記周辺領域に設けられる請求項１５に記載の端板。
21. 前記複数のスルーホールの第２の部分が前記中心領域に設けられる請求項２０に記載の端板。
22. 前記少なくとも１つの空洞が円筒形のスルーホールである請求項１５に記載の端板。
23. 電気化学電池スタック用端部組立品であり、
    流体を伝達するために少なくとも１つの接続ポートをそれに取り付けるための端板と、
    電流を引くために導線をそれに接続するための終板と、
    絶縁のための絶縁体プレートと、
    の内の少なくとも２つを備え、
    前記少なくとも２つが固定剤を用いてともに固定される、端部組立品。
24. 前記端部組立品が、前記終板と、前記絶縁体プレートと、前記端板とを含み、前記端板が少なくとも１つの穴のある内面を有し、前記絶縁体プレートが対応する少なくとも１つのスルーホールを有し、前記終板が対応する少なくとも１つの穴を備える外面を有し、前記穴が前記終板、前記絶縁体プレート、及び前記端板をともに固定するために使用される、請求項２３に記載の端部組立品。
25. 前記固定剤が、前記少なくとも１つのスルーホールを通り、前記端板の前記少なくとも１つの穴と前記終板を係合する少なくとも１つのボルトを含む請求項２４に記載のシステム。
26. 前記端板の前記少なくとも１つの穴が、ねじ止まり穴、それと係合する前記少なくとも１つのボルトである請求項２５に記載のシステム。
27. 前記終板の前記少なくとも１つの穴がねじ止まり穴、それと係合する前記少なくとも１つのボルトである請求項２５に記載のシステム。
28. 前記端板の前記少なくとも１つの穴がスルーホールであり、前記少なくとも１本のボルトがそこを通り、少なくとも１個のナットにねじで取り付けられる請求項２５に記載のシステム。
29. 前記終板の前記少なくとも１つの穴がスルーホールであり、前記少なくとも１本のボルトがそこを通過し、少なくとも１つのナットにねじで留められる請求項２５に記載のシステム。
30. 前記固定剤が、ボルト、ねじ、スナップ、糊、ヒートソルダ、及び溶接の内の１つである請求項２３に記載のシステム。
31. 電気化学電池スタック用の端板であって、
    それぞれが中心領域と周辺領域とを有する内面と外面と、
    前記中心領域に垂直な積み重ね方向に沿って測定される厚さと、
    左端面と右端面と、
    前記積み重ね方向に垂直であり、前記左端面と前記右端面に平行な側面方向に沿って測定される高さと、
    を備え、
    前記端板が先細り、以下の２つの条件の少なくとも一方が当てはまるように重量を削減し、
    ｉ）前記端板の前記厚さは、前記中心領域の近くより前記端面に近接する前記周辺領域近くでより小さく、
    ｉｉ）前記端板の前記高さが、前記中心領域近くより、前記端面に近接する前記周辺領域近くでさらに小さい、
    端板。
32. 前記内面が平面的であり、前記外面が平面的ではない請求項３１に記載の端板。
33. 電気化学電池スタック用の端板であって、
    内面と、
    前記内面に実質的に垂直な端面と、
    前記端面上の端面開口部と、
    前記内面上の内面開口部と、
    を備え、
    前記端面開口部と前記内面開口部が流体のフローと流体連通している、
    端板。
34. 電気化学電池スタック用端板であって、
    外面と、
    流体がそこを通過できるようにするための前記外面上の外部接続ポートと、
    内面と、
    前記外部接続ポートに対応する前記内面上の内部接続ポートと、
    を備え、
    前記外部接続ポートが直径が拡大した座ぐりと、前記流体用の外部線を固定するための直径が縮小した内部穴とを有し、前記内部穴が前記内部接続ポートと流体接続している、
    端板。
35. 前記座ぐりの面が前記流体のための前記外部線を固定するための少なくとも１つのねじ穴を含む請求項３４に記載の端板。

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