JP2021119570A - モジュール式のベース活性領域を有する燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力を変更可能なモジュール型燃料電池スタックおよびモジュール式燃料電池を提供する。【解決手段】ｚ軸に沿って伸長するスタック構造中に配置された複数の燃料電池１００を包含し、各燃料電池１００は、バイポーラプレート対１５０、１６０の間に挿入された膜電極接合体１４０を包含し、各膜電極接合体１４０は、全体的にｚ軸に垂直なｘ−ｙ面で測定される全活性領域を有する。各バイポーラプレートは、全体的にｚ軸に平行に伸長する複数の共通通路を包含する。各膜電極接合体１４０の全活性領域は、ｘ−ｙ面中の同一平面上にｘ軸に沿って配置された複数のベース活性領域を包含する。【選択図】図４

Description

[001]本出願は、参照により本明細書に組み入れられる２０１３年２月１日付けで出願された米国仮出願第６１／７５９，７３８号の利益を主張する。

[002]本発明の開示は、燃料電池を対象とし、より特定には、モジュール式のベース活性領域を有する燃料電池を対象とする。

[003]燃料電池は、化学反応から電流を発生させるのに使用されるデバイスである。燃料電池は、燃料（例えば、水素、メタノールなど）の化学エネルギーを酸素または他の酸化剤との化学反応を介して電気に変換する。この化学反応は、典型的には電気、熱、および水を生産する。

[004]基礎的な燃料電池は、負電荷を有するアノード、正電荷を有するカソード、および電解質と呼ばれるイオン伝導性材料を含む。様々な燃料電池技術において様々な電解質材料が利用されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、例えば、電解質として高分子イオン伝導膜を利用する。

[005]燃料電池技術は、例えば運搬用車両、携帯用の電力供給、および定置式の電力生産などの様々な技術にとって、従来の電源の有望な代替物を提供する。燃料電池を従来の電源に代わるより実用的で普及した代替物にするためには、燃料電池の製造元は、現行の代替技術に対抗できるコストおよび性能を有する、廉価で、効率的で、信頼できる燃料電池を設計および構築しなければならない。この１０年、燃料電池の性能を向上させながらコストも下げ続けてきたが、性能をさらに向上させて、且つ燃料電池と従来の電源との差が埋まるようにコストを下げることが引き続き必要である。

[006]燃料電池にとって様々な好適な用途は、各用途で指定される規格を満たすために燃料電池性能の能力を変化させることを必要とする。燃料電池から生産された電力は、全電流と全電圧両方の関数である。個々の燃料電池は、一般的に、電流に応じて約０．２〜１ボルトの比較的小さい電位を生産する。それゆえに、全電圧を増加させ、特定の用途に関する要求を満たすために、個々の燃料電池を連続的に組み合わせて、燃料電池スタックを形成する。全電流は、スタック内の個々の燃料電池の表面積を増加させることによって増加させることができる。

[007]ＰＥＭ燃料電池スタックにおいて、ＰＥＭ燃料電池は、連続して一緒にスタックされており、ここで各電池は、カソード触媒層、電解質膜、およびアノード触媒層を包含する。各カソード触媒層／膜／アノード触媒層接合体は、「膜電極接合体」（ＭＥＡ）を構成し、これは通常、バイポーラプレートによって両面で支持される。バイポーラプレート中に形成されたチャネルまたは溝を介してＭＥＡの電極にガス（水素および空気）が供給される。

[008]製造中、燃料電池スタック中の燃料電池の数は、用途の特定の電力の要求に基づき調整できる。燃料電池スタックに燃料電池を簡単に追加したり除いたりすることができることは、燃料電池の製造元にある程度の製造上の柔軟性をもたらしてきたが、これは、全ての様々な用途の必要性を効果的に満たすほど十分に柔軟ではない。

[009]全ての用途に共通するそれぞれ個々の燃料電池の活性領域を維持しながらスタック中の燃料電池の数だけを変化させることは、用途ごとにスタックの全電圧および全電流の要求が一致しないことに基づき実現不可能である。例えば、スタック中の燃料電池の数だけを変化させることは、燃料電池スタックが有する燃料電池の数が最小になる（すなわち、電圧が低くなる）状況をもたらす可能性がある。しかしながら、スタック内の各燃料電池の活性領域は大きい（すなわち、電流は大きい）。

[010]スタックの全電圧および電流の要求に加えて、ある用途は、厳しい重量および体積の要求を課す場合もある。例えば自動車用途では（すなわち、１４０ＫＷ）、一般的に、より高い電圧およびより低い電流を有することが好ましく、それゆえに燃料電池当たりの活性領域はより小さくなる。自動車用途において、燃料電池スタックおよび補助的な構成要素の体積は、設計時に考察する重要な要素であり得る。対照的に、定置用途のケースでは（すなわち、１ＭＷ）、より高い電流が容易に許容でき、重量および体積の重要性は低くなる可能性がある。

[011]燃料電池の市場の必要性を満たすために、燃料電池の製造元は、スタックに使用される個々の燃料電池の活性領域が異なる燃料電池スタックを提供している。個々の燃料電池の活性領域と燃料電池スタック内の電池の数の両方を変化させることにより多数の組み合わせが生じる。それにより、製造元は特定の用途に最適化された燃料電池を設計し供給することが可能になる。

[012]残念ながら、単に燃料電池の数ではなく各燃料電池の活性領域を変化させることによってもたらされる柔軟性は、不利益を有する。燃料電池の活性領域を変化させることは、燃料電池にとって新しい活性領域の流体力学、機械的および電気的な性能を検証するためにより多くの設計、モデリング、および試験を必要とする。これは、カスタマイズされた製品の供給に伴う追加の成形用具および製造コストに加えて設計コストも増加させる。燃料電池の活性領域を変化させることは、バイポーラプレートのガスフィードおよび吐出通路、冷却剤チャネル、タイロッド、ガスケットのシーリングシステムなどのサイジングおよび設計に影響を与える可能性がある。それゆえに、設計および製造コストを低減して、性能の柔軟性を犠牲にすることなく費用効率が高い大量生産をもたらす、燃料電池および燃料電池スタック設計における追加の柔軟性およびモジュール性が必要な場合がある。

[013]上述した事情を考慮して、本発明の開示は、全活性領域のスケールアップまたはダウンを可能にする、モジュール式のベース活性領域を有する燃料電池および燃料電池スタック設計を対象とする。

[014]本発明の開示の一形態は、燃料電池スタックであって、ｚ軸に沿って伸長するスタック構造中に配置された複数の燃料電池を含み、ここで各燃料電池は、バイポーラプレート対の間に挿入された膜電極接合体を含み、各膜電極接合体は、全体的にｚ軸に垂直なｘ−ｙ面で伸長する全活性領域を有し；各バイポーラプレートは、全体的にｚ軸に平行に伸長する複数の共通通路を含み；ここで各膜電極接合体の全活性領域は、ｘ−ｙ面中の同一平面上にｘ軸に沿って配置された複数のベース活性領域で構成される、上記燃料電池スタックを対象とする。

[015]本発明の開示の他の形態は、モジュール式燃料電池であって、アノード触媒層、カソード触媒層、およびアノード触媒層とカソード触媒層との間に位置するプロトン交換膜を含む膜電極接合体であって、ここでアノード触媒層、カソード触媒層、およびプロトン交換膜は、ｚ軸に沿って置かれ、全体的にｘ−ｙ面に平行である、膜電極接合体と；全体的にｚ軸に平行に伸長する共通して整列させた通路を含むバイポーラプレート対とを含み、ここで膜電極接合体は、ｘ軸に沿ってｘ−ｙ面中の同一平面上に配置されるように設計されたベース活性領域のうち少なくとも１つを含む全活性領域を有する、上記モジュール式燃料電池を対象とする。

[016]本発明の開示の他の形態は、燃料電池の製造方法であって、本方法は、用途の規格に基づき燃料電池の全活性領域を計算するステップであって、ここで該規格は、燃料電池の電圧、燃料電池の電流、燃料電池の重量、および燃料電池の体積のうち少なくとも１つを包含する、ステップ；ベース活性領域を選択するステップであって、ここでベース活性領域は、単一の軸に沿って同一平面上に配置されるように設計される、ステップ；全活性領域を有する膜電極接合体を提供するステップであって、ここで全活性領域は、少なくとも単一の軸に沿って同一平面上に配置された並列のベース活性領域を含む、ステップ；および膜電極接合体の両側に隣接してバイポーラプレート対を設置するステップであって、ここで各バイポーラプレートはセクションで構成され、各セクションは共通通路を包含し、セクションの数は、膜電極接合体の全活性領域を形成するベース活性領域の数に等しい、ステップを含む、上記製造方法を対象とする。

[017]本発明の開示の他の形態は、燃料電池スタックの製造方法であって、本方法は、用途の規格に基づき燃料電池の数および各燃料電池の全活性領域を計算するステップであって、ここで該規格は、燃料電池スタックの電圧、燃料電池スタックの電流、燃料電池スタックの重量、および燃料電池スタックの体積のうち少なくとも１つを包含する、ステップ；ベース活性領域を選択するステップであって、ここでベース活性領域は、単一の軸に沿って同一平面上に配置されるように設計される、ステップ；計算された全活性領域に等しい面積を有する複数の膜電極接合体のスタックを組み立てるステップであって、ここで全活性領域は、少なくとも単一の軸に沿って同一平面上に配置された並列のベース活性領域で構成される、ステップ；および隣接する膜電極接合体間に複数のバイポーラプレートを挿入するステップであって、ここで各バイポーラプレートはセクションで構成され、各セクションは共通通路を包含し、セクションの数は、各膜電極接合体の全活性領域を形成するベース活性領域の数に等しい、ステップを含む、上記製造方法を対象とする。

[018]前述の一般的な説明と以下の詳細な説明はいずれも単に典型的で説明的なものにすぎず、特許請求された開示を限定しないと理解されるものとする。

[019]添付の図面は、本明細書に取り入れられ本明細書の一部を構成しており、これらは本発明の開示の実施態様を例示し、説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。

図１は、プロトン交換膜燃料電池の様々な構成要素を示す、燃料電池の側面図である。 図２は、例示の実施態様に係る膜電極接合体を例示する。 図３は、例示の実施態様に係る燃料電池の一部の概略図である。 図４は、例示の実施態様に係る燃料電池スタックの一部の分解組み立て図である。 図５Ａは、例示の実施態様に係る様々なクーラントの構造を例示する。 図５Ｂは、例示の実施態様に係る様々なクーラントの構造を例示する。 図５Ｃは、例示の実施態様に係る様々なクーラントの構造を例示する。 図６Ａは、例示の実施態様に係る様々な構造を例示する。 図６Ｂは、例示の実施態様に係る様々な構造を例示する。 図６Ｂは、例示の実施態様に係る様々な構造を例示する。 図７は、例示の実施態様に係る燃料電池の製造方法を例示する流れ図である。 図８は、例示の実施態様に係る燃料電池スタックの製造方法を例示する流れ図である。 図９は、例示の実施態様に係る外部の圧縮システムを有する燃料電池スタックの一部の分解組み立て図である。

[029]ここで本発明の開示の本発明の例示の実施態様を詳細に述べ、その実施例を添付の図面で例示する。可能な限り、同じまたは類似の部品を指す場合は、図面全体にわたり同じ参照番号を使用するものとする。本発明の開示のデバイスおよび方法は、水素、酸素、および水を採用した燃料電池に関して説明されるが、電解セル、水素精製装置、水素エキスパンダー（hydrogen expander）、および水素圧縮機などを含むがこれらに限定されない様々な種類の燃料電池および電気化学セルで採用が可能であることが理解される。

[030]明細書全体にわたり、用語「全体的に平行」および「全体的に垂直」は、軸、面、または他の構成要素に対する１つまたはそれより多くの構成要素の配置を説明するのに使用できる。配置を「全体的に平行」または「全体的に垂直」と述べるときに許容できる平行および垂直面からのオフセットの程度は様々であり得る。許容できるオフセットは、例えば、約２０度未満のオフセットであってもよく、例えば約１０度未満のオフセット、約５度未満のオフセット、および約３度未満のオフセット、約２度未満のオフセット、および約１度未満のオフセットである。

[031]図１は、燃料電池１００の分解側面図を示す。燃料電池１００は、カソード触媒層１１０、アノード触媒層１２０、およびプロトン交換膜（ＰＥＭ）１３０を含んでいてもよく、これらが組み合わされて、膜電極接合体（ＭＥＡ）１４０を構成していてもよい。ＰＥＭ１３０は、純粋な高分子膜または複合材料膜を含んでいてもよく、これらにおいて、他の材料、例えば、シリカ、ヘテロポリ酸、層状の金属リン酸塩、リン酸塩、およびリン酸ジルコニウムが高分子マトリックス中に埋め込まれていてもよい。ＰＥＭ１３０は、電子伝導性ではないがプロトン透過性であってもよい。カソード触媒層１１０およびアノード触媒層１２０は、触媒を含有する多孔質炭素電極を含んでいてもよい。触媒材料、例えば白金は、酸素と燃料との反応を増加させるものであってもよい。ＭＥＡ１４０の厚さは、ＰＥＭ１３０の厚さ、加えてカソード触媒層１１０およびアノード触媒層１２０の厚さに基づいていてもよい。

[032]燃料電池１００は、２つのバイポーラプレート１５０、１６０を含んでいてもよい。ＭＥＡ１４０は、バイポーラプレート１５０、１６０の間に挿入されていてもよい。バイポーラプレート１５０、１６０は、集電装置として作用し、それぞれの電極表面に燃料および酸化剤のためのアクセスチャネルを提供し、さらに燃料電池１００の作動中に形成された水を除去するためのチャネルを提供できる。さらにバイポーラプレート１５０、１６０は、冷却流体（すなわち、水、グリコール、または水とグリコールとの混合物）のためのアクセスチャネルも提供できる。バイポーラプレートは、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ｎｉ−Ｃｒ合金、グラファイトまたは他のあらゆる導電性材料から作製できる。バイポーラプレート１５０、１６０は、燃料電池スタック中で隣接する燃料電池からＰＥＭ燃料電池１００を隔てることができる（示さず）。いくつかの実施態様において、燃料電池スタック中の２つの隣接する燃料電池は、バイポーラプレートを共有できる（図１では示さず）。燃料電池１００は、ｘ−ｙ面で互いに垂直なｘ軸（Ｘ）およびｙ軸（Ｙ）、ならびに燃料電池１００のスタックされた方向に直線的に沿う全体的にｘ−ｙ面と垂直なｚ軸（Ｚ）を有していてもよい。

[033]図２は、全活性領域２００を有するＭＥＡ１４０のｘ−ｙ面に平行な正面図を示し、ここで全活性領域２００は、ｘ−ｙ面で伸長でき、ｙ軸に沿って測定された全高（Ｈ）を掛けた、ｘ軸に沿って測定された全長（Ｌ）に等しくてもよい。全活性領域２００は、全活性領域２００を得るためにモジュール式に複数回繰り返すことができる１つまたはそれより多くのベース活性領域２１０で構成されていてもよい。ベース活性領域２１０は、１つまたはそれより多くのベース活性領域２１０がｘ軸に沿って同一平面上に設置されるように設計できる。図２で例示される特定の実施態様では、全活性領域２００は、３つのベース活性領域２１０で構成される。３つのベース活性領域２１０は、ｘ−ｙ面の同一平面上でｘ軸に沿って伸長しながら互いに隣接して設計される。他の同一平面上の配置も考えられる。

[034]図２に示される実施態様において、ベース活性領域２１０は、全高（Ｈ）に実質的に等しくてもよいベースの高さ（ｈ）と、全長（Ｌ）の３分の１に実質的に等しくてもよいベースの長さ（ｌ）とを有していてもよい。様々な他の実施態様において、多数の全活性領域の設計の構築が可能な寸法の範囲を有するベース活性領域の設計を作り出すことができる。例えば、ベース活性領域２１０の寸法は、７５ｃｍ^２〜１２５ｃｍ^２の範囲であってもよい。

[035]燃料電池１００の適切な性能を達成するには、ガス状反応物、反応物の生成物、および水／湿度の適切な管理が重要となる可能性がある。一貫した性能を達成するために、数種のパラメーターを最適化してもよい。例えば、効率的な電力生産を達成するために、共通のフィード通路を介したＭＥＡへのガス状反応物（すなわち、水素および酸素）の流速および圧力を最適化してもよい。加えて、効率的な電力生産を達成するために、共通の吐出通路を介したＭＥＡからの反応物の生成物（すなわち、使われた水素および使われた酸素）および液体（水／湿度）の除去を最適化してもよい。したがって、これらのパラメーターを、単一のベース活性領域２１０ごとに最適化してもよい。用途に関する要求を満たすためには、電池を介した圧力低下の最適化に特に注意を払うとよい。

[036]続いて、全活性領域２００の設計の際に並列のベース活性領域２１０を追加して合わせることによって、全活性領域２００の性能を計画できる。これを分析することは、ベース活性領域２１０の最適化された性能がわかっていることに基づきより簡単でより正確であるといえる。典型的な燃料電池の設計に基づいて、垂直寸法を変化させることにより、流体力学の変更が可能になり、したがって性能および電力効率の変更が可能になる。しかしながら、水平のｘ軸に沿ってベース活性領域２１０を繰り返すことによって、全活性領域２００を形成するベース活性領域２１０の数に関わらず、全活性領域２００の垂直寸法は不変のままである。それにより、流体力学および機械特性を実質的に不変のままにできる。全活性領域２００においてベース活性領域２１０と同じ流体力学および機械特性を実質的に維持するためには、ガス状反応物および反応物の生成物を供給および吐出する共通通路を、ベース活性領域２１０の繰り返しに伴いモジュール式に繰り返すことができる。

[037]全活性領域２００を有するＭＥＡ１４０は、並列のベース活性領域２１０で構成されているにもかかわらず、全活性領域２００に等しい面積を有する単一の連続ＭＥＡを形成できることが理解される。燃料電池１００のプレート、電極、ガスケットおよび他の構成要素は、全活性領域２００をカバーするかまたは取り囲む単一のピースから同様に形成できる。

[038]バイポーラプレート１５０、１６０も、同様にモジュール式のようなベース活性領域２１０になるように設計できる。図３は、典型的な実施態様に係る図１のＭＥＡ１４０およびバイポーラプレート１５０のｘ−ｙ面に平行な正面図を示す。ＭＥＡ１４０の一部は、バイポーラプレート１５０で区切ることができる。ＭＥＡ１４０の残りの部分は、バイポーラプレート１６０で区切ることができる（図２では示さず）。バイポーラプレート１６０は、バイポーラプレート１５０の鏡面反射（mirror reflection）になるように設計できる。バイポーラプレート１５０の特性、形態、および特徴はいずれも、バイポーラプレート１６０に関するそれらと同じであってもよいことが理解される。

[039]典型的な実施態様によれば、図３に示されるバイポーラプレート１５０は、ＭＥＡ１４０の全活性領域２００の寸法より大きい寸法を有する導電性筐体から形成してもよい。バイポーラプレート１５０は、全活性領域２００を構成するベース活性領域２１０の寸法および数に応じて、全体的に長方形または正方形の形状であってもよい。

[040]様々な実施態様において、バイポーラプレート１５０は、ｘ軸に沿って伸長する１つまたはそれより多くのセクションに隣接して設置されるように設計された、同一平面上のモジュール式セクションに分割できる。この特定の典型的な実施態様において、バイポーラプレート１５０は、３つのセクション、すなわち内部セクション２８０と２つのサイドセクション２６０、２７０とに分割できる。サイドセクション２７０は、サイドセクション２６０の鏡面反射になるように設計できる。それにより、サイドセクション２６０、２７０の設計および構築を実質的に同じにすることが可能になる。差は、バイポーラプレート１５０を形成するときの方向であり得る。例えば、サイドセクション２６０を１８０度回転させることにより、サイドセクション２６０がサイドセクション２７０になるようにサイドセクション２６０を方向付ける。さらにサイドセクション２７０がサイドセクション２６０になるように、サイドセクション２７０を１８０度回転させることができる。サイドセクション２６０の特性、形態、および特徴ははいずれも、サイドセクション２７０に関するそれらと同じであってもよいことが理解される。

[041]内部セクション２８０は、サイドセクション２６０、２７０の間に挿入されるように設計できる。内部セクション２８０およびサイドセクション２６０、２７０も、モジュール式のベース活性領域２１０と同様であり、各セクションを、ベース活性領域２１０のうち１つに対応させることができる。したがって、燃料電池１００は、全活性領域２００を構成する各モジュール式のベース活性領域２１０ごとに、対応するモジュールの内部セクション２８０またはサイドセクション２６０、２７０を有していてもよい。

[042]様々な実施態様において、燃料電池１００は、あらゆる数のベース活性領域および対応するバイポーラプレートセクションで構成されていてもよい。例えば、図６Ａは、共通の面６３０で合体した互いの鏡面反射であり得る２つのサイドセクション６１０、６２０で構成されるバイポーラプレート６００を例示する。この特定の実施態様において、ＭＥＡの全活性領域は、２つのベース活性領域６５０で構成されていてもよいし、バイポーラプレート６００は、内部セクションなしで構成されていてもよい。

[043]別の実施態様において、図６Ｂで示されるように、バイポーラプレート６６０は、複数のセクションで構成されていてもよい。バイポーラプレート６６０は、複数の内部セクション６７０と、各端部における２つのサイドセクション６１０、６２０とで構成されていてもよい。この特定の実施態様において、ＭＥＡの全活性領域は、複数のベース活性領域６５０で構成されていてもよい。さらにその他の実施態様において、図６Ｃで示されるように、バイポーラプレート６８０は、個々のベース活性領域６５０ごとに設計できる単一のセクション６９０で構成されていてもよい。これらの実施態様によって例示されるように、ベース活性領域６５０、サイドセクション６１０、６２０、内部セクション６７０、および単一のセクション６９０を利用することによって、ベース活性領域６５０を任意に並列化した全活性領域を有する燃料電池を組み立てることができる。

[044]代替の実施態様において、１つまたはそれより多くのセクションの代わりに、単一の構造からバイポーラプレートを形成してもよい。異なるサイズの全活性領域を収容するために、異なるサイズの単一の構造のバイポーラプレートを構築してもよい。例えば、単一のベース活性領域、２つのベース活性領域、３つのベース活性領域、４つのベース活性領域などに合わせたサイズのバイポーラプレートがあってもよい。単一の構造で構成されたとしても、なおバイポーラプレートの設計は、モジュール式に繰り返された共通通路を有するモジュール式セクションを、設計段階の一環として利用することができる。

[045]互いに隣接して同一平面上に設置されるように設計できるベース活性領域２１０およびバイポーラプレート１５０のセクション（内部セクション２８０およびサイドセクション２６０、２７０）は、燃料電池１００の設計、製造または組み立て段階中に生じる配置を指し得ることが理解される。

[046]典型的な実施態様によれば、図４は、燃料電池スタック４００の一部を例示しており、ここで燃料電池スタック４００は、ｚ軸に沿って伸長するスタック構造中に配置された複数の燃料電池１００で構成されていてもよい。図１に関して前述したように、各燃料電池１００は、バイポーラプレート１５０、１６０の間に挿入されたＭＥＡ１４０を包含していてもよい。図４で例示される特定の実施態様において、燃料電池スタック４００中の２つの隣接する燃料電池１００は、バイポーラプレート１５０、１６０を共有していてもよい。

[047]バイポーラプレート１５０、１６０は、ガス状反応物をＭＥＡ１４０にフィードしてＭＥＡ１４０から反応物の生成物を吐出するための複数の共通通路４３０で構成されていてもよい。複数の共通通路４３０は、ｚ軸に沿って燃料電池スタック４００の長さの少なくとも一部に全体的に平行に伸長できる。燃料電池スタック４００の各端部に、複数の共通通路が分配および統合されるように設計されたエンドプレート４４０があってもよい。例えば、エンドプレートは、水素の入力フローと酸素ガスの入力フローとを受け取ることができ、水素と酸素ガスとが各燃料電池に分配されるように設計された１つまたはそれより多くの共通通路にフローが分配されるように設計できる。加えて、エンドプレートはまた、１つまたはそれより多くの反応物の生成物のフローが、使われた燃料の吐出フローと使われた酸素の吐出フローとに統合されるようにも設計できる。

[048]共通通路に加えて、各バイポーラプレート１５０、１６０は、１つまたはそれより多くのスタックのタイロッド４１０が受け入れられるように設計された、１つまたはそれより多くのタイロッド用通路２４３を含んでいてもよい。タイロッド用通路２４３は、スタックのタイロッド４１０が、燃料電池スタック４００のバイポーラプレート１５０、１６０内の対応するタイロッド用通路を通過するように設計できる。スタックのタイロッド４１０は、燃料電池スタック４００の各端部で少なくとも１対のファスナー４２０を締めることによって燃料電池スタック４００全体を圧縮するのに使用できる。

[049]典型的な実施態様によれば、図３および４で示されるように、バイポーラプレート１５０は、複数のスタックのタイロッド４１０が受け入れられるように設計された複数のタイロッド用通路２４３で構成されていてもよい。様々な実施態様において、スタックの均等且つ十分な圧縮を達成するために、追加のタイロッドおよび対応するタイロッド用通路を使用してもよい。

[050]図９に示される代替の実施態様において、燃料電池スタック９００は、外部の圧縮システム９１０を使用して圧縮できる。例えば、タイロッドおよびタイロッド用通路は、外部の圧縮システム９１０で置き換えてもよい。外部の圧縮システム９１０は、少なくとも２つのエンドプレート９２０、９３０と、少なくとも２つの圧縮連結棒９４０、９５０とを含んでいてもよい。エンドプレート９２０、９３０は、燃料電池スタック９００の各端部に隣接して設置され、圧縮連結棒９４０、９５０で連結されていてもよい。圧縮連結棒９４０、９５０は、エンドプレート９２０、９３０間の距離を引き締めて、結果的にエンドプレート９２０、９３０の間に位置する燃料電池スタック９００を圧縮するように設計できる。外部の圧縮システム９１０を使用することによって、複数のタイロッド用通路を用いずに、燃料電池スタック９００内のバイポーラプレートを設計できる。バイポーラプレートから複数のタイロッド用通路を除去することは、バイポーラプレート設計を簡易化する可能性がある。

[051]図３で示されるようにＭＥＡ１４０がバイポーラプレート１５０上に位置する場合、ＭＥＡ１４０を超えて伸長するバイポーラプレート１５０の境界領域は、４つの外部壁、すなわち上壁２２０、下壁２３０、左壁２４０、および右壁２５０として出現する可能性がある。上壁２２０は、バイポーラプレート１５０の各セクション内において、少なくとも１つの第一のフィード通路２６１と、少なくとも１つの第二のフィード通路２６２とで構成されていてもよい。第一のフィード通路２６１および第二のフィード通路２６２は、ガス状反応物がＭＥＡ１４０にフィードされるように設計できる。バイポーラプレート１５０の各セクション内の第一のフィード通路２６１および第二のフィード通路２６２は、上壁２２０内で、互いに隣接して、ｘ軸に沿って全体的に均等に分布していてもよい。ＭＥＡ１４０に供給されたガス状反応物は、燃料および空気／酸素であってもよい。燃料としては、水素、メタノールまたはあらゆる好適な組み合わせが挙げられる。例えば、第一のフィード通路２６１は水素ガスを供給でき、第二のフィード通路２６２は酸素ガスを供給できる。バイポーラプレート１５０の各セクション内の各第一のフィード通路２６１および第二のフィード通路２６２は、対応するセクションによって取り囲まれたＭＥＡ１４０のベース活性領域２１０に好適な量のガス状反応物が供給されるようなサイズであってもよい。例えば、左セクション２６０内のバイポーラプレートのチャネル（示さず）と共にある第一のフィード通路２６１および第二のフィード通路２６２は、サイドセクション２６０によって取り囲まれたベース活性領域２１０に最適な量のガス状反応物が供給されるようなサイズであってもよい。

[052]下壁２３０は、バイポーラプレート１５０の各セクション内において、少なくとも１つの第一の吐出通路２６３と、少なくとも１つの第二の吐出通路２６４とで構成されていてもよい。第一の吐出通路２６３および第二の吐出通路２６４は、ＭＥＡ１４０から反応物の生成物が吐出されるように設計できる。バイポーラプレート１５０の各セクション内の第一の吐出通路２６３および第二の吐出通路２６４は、下壁２３０内で、互いに隣接して、ｘ軸に沿って全体的に均等に分布していてもよい。ＭＥＡ１４０からの反応物の生成物としては、使われた酸素、水、使われた燃料または生成物の組み合わせが挙げられる。例えば、第一の吐出通路２６３は、使われた酸素と水を吐出でき、第二の吐出通路２６４は、使われた燃料を吐出できる。バイポーラプレート１５０の各セクション内の各第一の吐出通路２６３および第二の吐出通路２６４は、対応するセクションによって取り囲まれたベース活性領域２１０から好適な量の反応物の生成物が吐出されるようなサイズであってもよい。例えば、左セクション２６０内のバイポーラプレートのチャネル（示さず）と共にある第一の吐出通路２６３および第二の吐出通路２６４は、サイドセクション２６０によって取り囲まれたベース活性領域２１０から最適な量の反応物の生成物が吐出されるようなサイズであってもよい。

[053]第一のフィード通路２６１、第二のフィード通路２６２、第一の吐出通路２６３、および第二の吐出通路２６４それぞれの形状は、長方形、正方形、四辺形、卵形、円形、または他の様々な形状であってもよい。第一のフィード通路２６１、第二のフィード通路２６２、第一の吐出通路２６３、および第二の吐出通路２６４それぞれの寸法は、対応するセクション内に包含される各ベース活性領域２１０の最適なガスおよび水の管理が可能になるようなサイズであってもよい。

[054]ＭＥＡ１４０に供給されるガスが少なすぎると、燃料電池１００の作動が最大効率未満になる可能性があり、一方でガスの供給が多すぎると、ＭＥＡ１４０の乾燥を引き起こす可能性がある。

[055]この特定の典型的な実施態様において、上壁２２０中にフィード通路が形成され、一方で下壁２３０に吐出通路が形成される。しかしながら、代替の実施態様において、フィード通路および吐出通路の構造は、上壁２２０に少なくとも１つのフィード通路および少なくとも１つの吐出通路が形成され、下壁２３０に少なくとも１つのフィード通路および少なくとも１つの吐出通路が形成されるによう変更できる。さらに別の可能性のある構造は、下壁２３０に形成された全てのフィード通路および上壁２２０に形成された全ての吐出通路を包含していてもよい。

[056]第一のフィード通路２６１、第二のフィード通路２６２、第一の吐出通路２６３、および第二の吐出通路２６４はそれぞれ、フィード通路からＭＥＡ１４０内の電極に運搬しようとするガス状反応物用の通路を規定し、さらにＭＥＡ１４０内の電極から吐出通路に運搬しようとする反応物の生成物用の通路を規定するバイポーラプレート１５０、１６０の面上でチャネル（示さず）と連結するように設計できる。フィードおよび吐出通路と同様に、全活性領域２００を構成するベース活性領域２１０の数に基づいて、チャネルをモジュール式に繰り返すことができる。

[057]典型的な実施態様によれば、左壁２４０および右壁２５０はそれぞれ、少なくとも１つの第一のクーラント用通路２４１と、少なくとも１つの第二のクーラント用通路２４２とを含んでいてもよい。第一のクーラント用通路２４１および第二のクーラント用通路２４２は、燃料電池１００作動中にＭＥＡ１４０で生成した熱を除去するために、クーラントの流体を通路を介してポンプ注送させるように設計できる。第一のクーラント用通路２４１および第二のクーラント用通路２４２は、ｙ軸に沿って平行に伸長する左壁２４０および右壁２５０中で均等に分布させることができる。

[058]第一のクーラント用通路２４１および第二のクーラント用通路２４２の形状は、長方形、正方形、四辺形、卵形、円形、または他の様々な形状であってもよい。選択された形状は、熱伝達を強化するためにＭＥＡ１４０との表面相互作用が最大になるように設計できる。第一のクーラント用通路２４１および第二のクーラント用通路２４２の寸法は、過熱の可能性を抑制しつつ燃料電池１００の適切な温度制御を維持できる程度のクーラントの流体の十分なフローが可能になるようなサイズであってもよい。

[059]図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、ＭＥＡ１４０で生成した熱が除去されるように設計された、燃料電池スタック４００を通るクーラントのフローの様々な実施態様および構造を例示する。クーラントの流体は、閉ループ系中で、燃料電池スタック４００を通ってポンプ注送でき、ここで閉ループ系は、クーラント用のポンプおよび熱交換器（示さず）を含んでいてもよい。燃料電池スタック４００を通るクーラントの連続的なフローは、熱を除去して熱を熱交換器に運ぶことができ、そこで熱を周囲環境に移すことができる。図５Ａは、クーラントの流体が、平行して、または図５Ｂで例示されるように連続的に燃料電池スタックを通ってどのようにポンプ注送できるかを例示する。図５Ａおよび５Ｂで示されるように、クーラントは、燃料電池スタック４００の各側に入るとき、複数のクーラント用通路、例えば第一のクーラント用通路２４１および第二のクーラント用通路２４２に分割できる。

[060]図５Ｃで例示される追加の実施態様において、クーラントの流体を、燃料電池スタック４００の一方の側で１つの通路を介してポンプで回収し、次いで燃料電池スタック４００の同じ側で折り返して第二の通路に循環させて戻してもよい。図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃで説明されるような構造により、スタック内の燃料電池間の別個の冷却チャネル／プレートをなくすことができ、これは、電池の構成を簡単にし、燃料電池スタックの冷却要素をデザイン変更したりまたは再構成したりする必要なく、燃料電池の全活性領域をモジュール式にスケールアップまたはダウンさせることを可能にする。

[061]代替の実施態様において、燃料電池１００は、バイポーラプレート１５０、１６０の第一のクーラント用通路２４１および第二のクーラント用通路２４２を介して流動させるクーラントを必要としない、伝導冷却、対流冷却または他の手段によって冷却されてもよい。それゆえに、これらの代替の実施態様において、バイポーラプレート１５０、１６０からクーラント用通路を除去できる。

[062]図３および４で示されるように、バイポーラプレートセクションは、サイドセクション２６０、サイドセクション２７０、および内部セクション２８０を包含していてもよい。これらのセクションはそれぞれ、対応する各セクション内のベース活性領域２１０の要求を満たすサイズの、実質的に同一なガス状反応物のためのフィード通路および反応物の生成物のための吐出通路を有していてもよい。しかしながら、１つのセクションから供給されたガス状反応物を、別のセクションに流動させて消費することも可能である。様々な実施態様において、ガス状反応物がＭＥＡ１４０に供給されたら、それがＭＥＡ１４０を通って流動し、同様に反応物の生成物が生産されたら、それがＭＥＡ１４０を通って流動していずれかの吐出通路を介して吐出されるように、燃料電池１００を設計してもよい。

[063]一般的に、バイポーラプレート１５０、１６０の全セクションにおけるフィード通路および吐出通路の複合的な能力を、ＭＥＡ１４０の全活性領域２００にとって十分なものにすることができる。これは、上記で説明したように、追加のベース活性領域それぞれに合ったサイズの追加のフィード通路および吐出通路をモジュール式に繰り返すことによって達成できる。

[064]フィードおよび吐出通路の構造と同様に、タイロッド用通路は、ベース活性領域２１０の数に基づきモジュール式にスケール変更されるようにも設計できる。典型的な実施態様によれば、図３および４で示されるように、左壁２４０および右壁２５０はそれぞれ、スタックのタイロッド４１０ごとに少なくとも１つのタイロッド用通路２４３を有していてもよい。加えて、上壁２２０および下壁２３０はいずれも、セクション間に位置する各継目２４５に沿って位置し得る少なくとも１つのタイロッド用通路２４３を包含していてもよい。継目２４５は、論理上、ＭＥＡ１４０の全活性領域２００をベース活性領域２１０のセクションに分割する。したがって、上壁２２０中のタイロッド用通路２４３の数は、全活性領域２００を構成するベース活性領域２１０の数より１つ少なくてもよい。同様に、下壁２３０中のタイロッド用通路の数は、全活性領域２００を構成するベース活性領域２１０の数より１つ少なくてもよい。

[065]代替の実施態様において、フィード通路および吐出通路の断面積は、燃料電池スタック内のベース活性領域のサイズと燃料電池の数の両方に基づくサイズであってもよい。スタック中の全ての燃料電池を供給するのに共通のフィード通路および吐出通路を使用できることから、電池の数は、共通通路全体の流速に対する受容力に影響を与える可能性がある。例えば、１００個の燃料電池で構成される燃料電池スタックは、同じ燃料電池１０個を含む燃料電池スタックの流速より速い流速を可能にするより大きい断面積を有する通路を有していてもよい。電池の数に基づき共通通路の断面積をさらに最適化することによって、燃料電池全体の体積を最適化できる。燃料電池の数に基づきフィード通路および吐出通路の寸法を最適化することは、垂直寸法のみを改変して水平寸法を固定したままにすることを包含し得る。

[066]代替の実施態様において、サイドセクション２６０、２７０内のクーラント用通
路２４１、２４２は、ベース活性領域の数およびサイドセクションを分離する対応する内
部セクションに応じたサイズにすることができる。例えば、ベース活性領域および対応す
る内部セクションの数が大きくなればなるほど、より多くの熱が移動してサイドセクションに到達し、そこで熱を吐出できる。それゆえに、クーラント用通路は、内部セクションの数に基づきサイズおよび冷却能力を大きくすることができる。さらにその他の実施態様において、クーラント用通路のサイズを変化させる代わりに、ベース活性領域の数および対応する内部セクションを補うためにクーラントの温度および流速を調整してもよい。

[067]図７は、上述した様々な実施態様に係るモジュール式燃料電池の製造方法のフローチャート７００を示す。フローチャート７００は、工程Ｓ７１０を包含していてもよく、ここで工程Ｓ７１０は、用途の規格に基づき燃料電池の全活性領域を計算するステップを含んでいてもよい。用途の規格は、燃料電池の電圧、燃料電池の電流、燃料電池の重量、および燃料電池の体積を含む。

[068]工程Ｓ７１０の後、工程Ｓ７２０は、ベース活性領域を選択するステップを含んでいてもよい。ベース活性領域は、少なくとも単一の軸に沿って同一平面上に配置されるように設計できる。例えば、上記で説明した実施態様において、ベース活性領域は、図２で例示されるようにｘ軸に沿って配置されていてもよい。工程Ｓ７２０の後、工程Ｓ７３０は、活性領域を有するＭＥＡを提供するステップを含んでいてもよい。活性領域は、計算された全活性領域に等しくてもよいし、選択された並列のベース活性領域を含んでいてもよい。様々な実施態様において、提供された活性領域は、同一平面上の配置で組み合わされたあらゆる数のベース活性領域を含んでいてもよい。

[069]工程Ｓ７３０の後、工程Ｓ７４０は、ＭＥＡの両側に隣接して設置されるようにバイポーラプレート対を設置するステップを含んでいてもよい。バイポーラプレート対は、ＭＥＡのサイズに対応するサイズにしてもよい。バイポーラプレート対は、典型的な実施態様に従って上記で説明したようなセクションで構成されていてもよい。各セクションは、共通通路を包含していてもよい。セクションの数は、ＭＥＡの全活性領域を形成するのに使用されるベース活性領域の数に基づいていてもよい。例えば、全活性領域が２つのベース活性領域で構成されている場合、バイポーラプレート対のそれぞれは、各セクションが共通通路を包含する２つのセクションを使用して組み立てることができる。同様に、全活性領域が３つのベース活性領域を包含する場合、各バイポーラプレート対は、３つのセクション（すなわち、１つの内部セクションおよび２つのサイドセクション）を使用して組み立てることができる。

[070]図８は、様々な実施態様に係るモジュール式燃料電池スタックの製造方法に関するフローチャート８００を示す。フローチャート８００は、工程Ｓ８１０を包含していてもよく、ここで工程Ｓ８１０は、用途の規格に基づき燃料電池の数および各燃料電池の全活性領域を計算するステップを含んでいてもよい。用途の規格は、燃料電池スタックの電圧、燃料電池スタックの電流、燃料電池スタックの重量、および燃料電池スタックの体積を含んでいてもよい。

[071]工程Ｓ８１０の後、工程Ｓ８２０は、ベース活性領域を選択するステップを含んでいてもよい。ベース活性領域は、少なくとも単一の軸に沿って同一平面上に配置されるように設計できる。例えば、上記で説明した実施態様において、ベース活性領域は、図２で例示されるようにｘ軸に沿って配置されていてもよい。工程Ｓ８２０の後、工程Ｓ８３０は、計算された燃料電池の数に等しいＭＥＡのスタックを組み立てるステップを含んでいてもよい。活性領域は各ＭＥＡを有する。各ＭＥＡの活性領域は、計算された全活性領域に等しくてもよいし、選択された並列のベース活性領域を含んでいてもよい。様々な実施態様において、全活性領域は、同一平面上の配置で組み合わされたあらゆる数のベース活性領域を含んでいてもよい。

[072]工程Ｓ８３０の後、工程Ｓ８４０は、隣接するＭＥＡ間に複数のバイポーラプレートを挿入するステップを含んでいてもよい。各バイポーラプレートは、ＭＥＡのサイズに対応するサイズにしてもよい。バイポーラプレート対は、典型的な実施態様に従って上記で説明したようなセクションを含んでいてもよい。各セクションは、共通通路を包含していてもよい。セクションの数は、ＭＥＡの全活性領域を形成するのに使用されるベース活性領域の数に基づいていてもよい。

[073]本発明の開示の他の実施態様は、ここに記載された本明細書の考察および本発明の開示の実施から当業者には明らかであると予想される。本明細書および実施例は単なる例示みなされ、本発明の開示の真の範囲および本質は特許請求の範囲によって提示されることが意図される。

本願の原出願の出願時の特許請求の範囲の記載は、以下の通りである。
（１）燃料電池スタックであって、
ｚ軸に沿って伸長するスタック構造中に配置された複数の燃料電池を含み：ここで各燃料電池は、バイポーラプレート対の間に挿入された膜電極接合体を含み、各膜電極接合体は、全体的にｚ軸に垂直なｘ−ｙ面で伸長する全活性領域を有し；
各バイポーラプレートは、全体的にｚ軸に平行に伸長する複数の共通通路を含み；
ここで各膜電極接合体の全活性領域は、ｘ−ｙ面中の同一平面上にｘ軸に沿って配置された複数のベース活性領域で構成される、上記燃料電池スタック。
（２）全活性領域のｙ軸に沿って測定された高さが、複数のベース活性領域のｙ軸に沿って測定された高さに等しく；
全活性領域のｘ軸に沿って測定された長さが、ｘ軸に沿って測定された複数のベース活性領域の長さの倍数に等しい、（１）に記載の燃料電池スタック。
（３）複数の共通通路が、
少なくとも１つの第一のフィード通路および少なくとも１つの第二のフィード通路；
少なくとも１つの第一の吐出通路および少なくとも１つの第二の吐出通路；ならびに
少なくとも１つの第一のクーラント用通路および少なくとも第二のクーラント用通路
を含む、（１）に記載の燃料電池スタック。
（４）少なくとも１つのタイロッド用通路をさらに含み、ここでフィード通路、吐出通路、およびタイロッド用通路の数は、全活性領域を形成する複数のベース活性領域の総数の倍数である、（３）に記載の燃料電池スタック。
（５）フィード通路および吐出通路が、各バイポーラプレートのｘ軸に沿って伸長する上および下の境界領域に沿って分布しており、クーラント用通路が、各バイポーラプレートのｙ軸に沿って伸長する左および右の境界領域に沿って分布している、（３）に記載の燃料電池スタック。
（６）効率的な燃料電池性能を得るために、フィード通路が、十分な量のガス状反応物が供給されるようなサイズであり、吐出通路が、少なくとも１つの膜電極接合体のベース活性領域へ、および該領域から十分な量の反応物の生成物を吐出させるようなサイズである、（３）に記載の燃料電池スタック。
（７）各バイポーラプレートが、
２つのサイドセクションおよび少なくとも１つの内部セクション
をさらに含み、
ここでサイドセクションおよび少なくとも１つの内部セクションのそれぞれが、複数のベース活性領域のうちの１つに実質的に等しい全活性領域の部分の境界を区切っている、
（１）に記載の燃料電池スタック。
（８）各サイドセクションが、少なくとも１つのフィード通路、少なくとも１つの吐出通路、および少なくとも１つのタイロッド用通路を含む、（７）に記載の燃料電池スタック。
（９）各内部セクションが、少なくとも１つのフィード通路、少なくとも１つの吐出通路、およびタイロッド用通路の一部を含む、（８）に記載の燃料電池スタック。
（１０）タイロッド用通路の一部を、隣接するセクションの一部であるタイロッド用通路の別の一部と並べることにより、完全なタイロッド用通路が形成される、（９）に記載の燃料電池スタック。
（１１）バイポーラプレートのそれぞれを形成するサイドセクションおよび内部セクションの総数が、全活性領域を形成するのに組み合わされたベース活性領域の数に等しい、（７）に記載の燃料電池スタック。
（１２）サイドセクションおよび少なくとも１つの内部セクションが、ｘ−ｙ面に平行であり、ｘ軸に沿って伸長する同一平面上で連結されるように設計される、（７）に記載の燃料電池スタック。
（１３）燃料電池スタックの端部に位置する少なくとも１つのエンドプレートをさらに含み、ここで少なくとも１つのエンドプレートは、ガス状反応物のフローを対応する共通通路に分配して、対応する共通通路からの反応物の生成物のフローを統合するように設計される、（３）に記載の燃料電池スタック。
（１４）燃料電池スタックが、外部の圧縮システムによって圧縮されるように設計される、（１）に記載の燃料電池スタック。
（１５）モジュール式燃料電池であって、
アノード触媒層、カソード触媒層、およびアノード触媒層とカソード触媒層との間に位置するプロトン交換膜を含む膜電極接合体であって、ここでアノード触媒層、カソード触媒層、およびプロトン交換膜は、ｚ軸に沿って置かれ、全体的にｘ−ｙ面に平行である、膜電極接合体と；
全体的にｚ軸に平行に伸長する共通して整列させた通路を含むバイポーラプレート対と
を含み、
ここで膜電極接合体は、ｘ軸に沿ってｘ−ｙ面中の同一平面上に配置されるように設計された少なくとも１つのベース活性領域を含む全活性領域を有する、上記モジュール式燃料電池。
（１６）全活性領域のｙ軸に沿って測定された高さが、少なくとも１つのベース活性領域のｙ軸に沿って測定された高さに等しく；
全活性領域のｘ軸に沿って測定された長さが、少なくとも１つのベース活性領域のｘ軸に沿って測定された長さの少なくとも１倍に等しい、（１５）に記載の燃料電池。
（１７）複数の共通して整列させた通路が、
少なくとも１つの第一のフィード通路、および少なくとも１つの第一のフィード通路に全体的に平行に整列させた少なくとも１つの第二のフィード通路；
少なくとも１つの第一の吐出通路、および少なくとも１つの第一の吐出通路に全体的に平行に整列させた少なくとも１つの第二の吐出通路；ならびに
少なくとも１つの第一のクーラント用通路、および少なくとも１つの第一のクーラント用通路に全体的に平行に整列させた少なくとも第二のクーラント用通路
を含む、（１５）に記載の燃料電池。
（１８）少なくとも１つのタイロッド用通路をさらに含み、ここでフィード通路、吐出通路、およびタイロッド用通路の数は、全活性領域を形成するベース活性領域の総数の倍数である、（１７）に記載の燃料電池。
（１９）フィード通路および吐出通路が、各バイポーラプレートのｘ軸に沿って伸長する上および下の境界領域に沿って分布しており、クーラント用通路が、各バイポーラプレートのｙ軸に沿って伸長する左および右の境界領域に沿って均等に分布している、（１７）に記載の燃料電池。
（２０）燃料電池の製造方法であって、該方法は、
燃料電池の電圧、燃料電池の電流、燃料電池の重量、および燃料電池の体積のうち少なくとも１つを包含する用途の規格に基づき燃料電池の全活性領域を計算すること；
単一の軸に沿って同一平面上に配置されるように設計されるベース活性領域を選択すること；
少なくとも単一の軸に沿って同一平面上に配置された複数のベース活性領域を含む全活性領域を有する膜電極接合体を提供すること；および
膜電極接合体の両側に隣接してバイポーラプレート対を設置すること、ここで各バイポーラプレートはセクションで構成され、各セクションは共通通路を包含し、セクションの数は、膜電極接合体の全活性領域を形成するベース活性領域の数に等しい
を含む、上記製造方法。

Claims (14)

1. 燃料電池スタックであって、
   ｚ軸に沿って伸長するスタック構造中に配置された複数の燃料電池を含み、ここで各燃料電池は、バイポーラプレート対の間に挿入された膜電極接合体を含み、各膜電極接合体は、全体的にｚ軸に垂直なｘ−ｙ面で伸長する全活性領域を有し、
   各バイポーラプレートは、全体的にｚ軸に平行に伸長する複数の共通通路を含み、
   ここで各膜電極接合体の全活性領域は、連続した全活性領域を形成するようにｘ−ｙ面中の同一平面上にｘ軸に沿って配置された複数のモジュール式のベース活性領域で構成され、
   複数の共通通路が、
   各ベース活性領域あたり少なくとも１つの第一のフィード通路および少なくとも１つの第二のフィード通路、
   各ベース活性領域あたり少なくとも１つの第一の吐出通路および少なくとも１つの第二の吐出通路、ならびに
   少なくとも１つの第一のクーラント用通路および少なくとも１つの第二のクーラント用通路を含み、
   各バイポーラプレートが、
   各バイポーラプレートのｙ軸に平行な両端に配置される２つのモジュール式のサイドセクション、および前記２つのサイドセクションの間に配置される少なくとも１つのモジュール式の内部セクション
   をさらに含み、
   ここで２つのモジュール式のサイドセクションおよび少なくとも１つのモジュール式の内部セクションのそれぞれは、複数のベース活性領域のうちの１つにそれぞれ接しており、
   複数のモジュール式のベース活性領域、２つのモジュール式のサイドセクション、及び少なくとも１つのモジュール式の内部セクションを組み立てることにより各燃料電池が形成されている、上記燃料電池スタック。
2. 全活性領域のｙ軸に沿って測定された高さが、複数のモジュール式のベース活性領域のｙ軸に沿って測定された高さに等しく、
   全活性領域のｘ軸に沿って測定された長さが、ｘ軸に沿って測定された複数のモジュール式のベース活性領域の長さの倍数に等しい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 少なくとも１つのタイロッド用通路をさらに含み、ここでフィード通路、吐出通路、およびタイロッド用通路の数は、全活性領域を形成する複数のモジュール式のベース活性領域の総数の倍数である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. フィード通路および吐出通路が、各バイポーラプレートのｘ軸に平行な両端に分布しており、クーラント用通路が、各バイポーラプレートのｙ軸に平行な両端に分布している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 効率的な燃料電池性能を得るために、フィード通路が、十分な量のガス状反応物が供給されるようなサイズであり、吐出通路が、少なくとも１つの膜電極接合体のベース活性領域へ、および該領域から十分な量の反応物の生成物を吐出させるようなサイズである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
6. 各モジュール式のサイドセクションが、少なくとも１つのフィード通路、少なくとも１つの吐出通路、および少なくとも１つのタイロッド用通路を含む、請求項１に記載の燃料電池スタック。
7. 各モジュール式の内部セクションが、少なくとも１つのフィード通路、少なくとも１つの吐出通路、およびタイロッド用通路の一部を含む、請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. タイロッド用通路の一部を、隣接するセクションの一部であるタイロッド用通路の別の一部と並べることにより、完全なタイロッド用通路が形成される、請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. バイポーラプレートのそれぞれを形成するモジュール式のサイドセクションおよびモジュール式の内部セクションの総数が、全活性領域を形成するのに組み合わされたモジュール式のベース活性領域の数に等しい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
10. ２つのモジュール式のサイドセクションおよび少なくとも１つのモジュール式の内部セクションが、ｘ−ｙ面に平行であり、ｘ軸に沿って伸長する同一平面上で連結されるように設計される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
11. 燃料電池スタックの端部に位置する少なくとも１つのエンドプレートをさらに含み、ここで少なくとも１つのエンドプレートは、ガス状反応物のフローを対応する共通通路に分配して、対応する共通通路からの反応物の生成物のフローを統合するように設計される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
12. 燃料電池スタックが、外部の圧縮システムによって圧縮されるように設計される、請求項１に記載の燃料電池スタック。
13. モジュール式燃料電池であって、
    アノード触媒層、カソード触媒層、およびアノード触媒層とカソード触媒層との間に位置するプロトン交換膜を含む膜電極接合体であって、ここでアノード触媒層、カソード触媒層、およびプロトン交換膜は、ｚ軸に沿って置かれ、全体的にｘ−ｙ面に平行である、膜電極接合体と、
    全体的にｚ軸に平行に伸長する共通して整列させた通路を含むバイポーラプレート対とを含み、
    ここで膜電極接合体は、連続した全活性領域を形成するようにｘ−ｙ面中の同一平面上にｘ軸に沿って配置されるように設計された複数のモジュール式のベース活性領域を含む全活性領域を有し、
    共通して整列させた通路が、
    各ベース活性領域あたり少なくとも１つの第一のフィード通路および少なくとも１つの第二のフィード通路、
    各ベース活性領域あたり少なくとも１つの第一の吐出通路および少なくとも１つの第二の吐出通路、ならびに
    少なくとも１つの第一のクーラント用通路および少なくとも１つの第二のクーラント用通路を含み、
    各バイポーラプレートが、
    各バイポーラプレートのｙ軸に平行な両端に配置される２つのモジュール式のサイドセクション、および前記２つのモジュール式のサイドセクションの間に配置される少なくとも１つのモジュール式の内部セクション
    をさらに含み、
    ここで２つのモジュール式のサイドセクションおよび少なくとも１つのモジュール式の内部セクションのそれぞれは、複数のモジュール式のベース活性領域のうちの１つにそれぞれ接しており、
    複数のモジュール式のベース活性領域、２つのモジュール式のサイドセクション、及び少なくとも１つのモジュール式の内部セクションを組み立てることにより燃料電池が形成されている、上記モジュール式燃料電池。
14. 燃料電池の製造方法であって、該方法は、
    燃料電池の電圧、燃料電池の電流、燃料電池の重量、および燃料電池の体積のうち少なくとも１つを包含する用途の規格に基づき燃料電池の全活性領域を計算すること、
    ベース活性領域を選択すること、ここで、ベース活性領域は、連続した全活性領域を形成するように単一の軸に沿って同一平面上に配置されるように設計されている、
    全活性領域を有する膜電極接合体を提供すること、ここで全活性領域は、少なくとも単一の軸に沿って同一平面上に配置された複数のモジュール式のベース活性領域を含む、および
    膜電極接合体の両側に隣接してバイポーラプレート対を設置すること、ここで各バイポーラプレートはセクションで構成され、各セクションは共通通路を包含し、セクションの数は、膜電極接合体の全活性領域を形成するモジュール式のベース活性領域の数に等しいを含み、
    共通通路が、
    各ベース活性領域あたり少なくとも１つの第一のフィード通路および少なくとも１つの第二のフィード通路、
    各ベース活性領域あたり少なくとも１つの第一の吐出通路および少なくとも１つの第二の吐出通路、ならびに
    少なくとも１つの第一のクーラント用通路および少なくとも１つの第二のクーラント用通路
    を含み、
    各バイポーラプレートが、
    各バイポーラプレートのｙ軸に平行な両端に配置される２つのモジュール式のサイドセクション、および前記２つのモジュール式のサイドセクションの間に配置される少なくとも１つのモジュール式の内部セクションをさらに含み、
    ここで２つのモジュール式のサイドセクションおよび少なくとも１つのモジュール式の内部セクションのそれぞれは、複数のモジュール式のベース活性領域のうちの１つにそれぞれ接しており、
    複数のモジュール式のベース活性領域、２つのモジュール式のサイドセクション、及び少なくとも１つのモジュール式の内部セクションを組み立てることにより燃料電池が形成されている、上記製造方法。

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