JP2006510167A - 単極燃料電池スタック用のフレーム要素 - Google Patents

Abstract

本発明は、単極燃料電池スタックのフレーム要素に関するものであり、配線の簡略化および／または単極燃料電池スタックの組立の簡略化および改善を可能とする。それによって、単極構成を大幅に小型化することができる。

Description

本発明は、単極燃料電池スタックに用いられるフレーム要素に関し、特定の板要素と共に用いることで、配線の簡略化および／または単極燃料電池スタックの組立の簡略化および改善を可能にする。

双極板の出現に伴い、単極燃料電池スタックのアセンブリは大きく後れを取ることになったが、これは、双極アセンブリに比べて配線が複雑であることによる。この点について、以下、図１を参照しながら、双極構成と単極構成との相違に基づいて説明する。
図１が示すのは、複数の電圧セル（voltage-cell）を２通りの形でつないだ等価な直列接続の等価な概略回路図であり、図の上側部分は双極構成を、図の下側部分は単極構成を表す。双極構成では、電圧セルの向きはそれぞれ、正極と負極とが向き合う形となっており、これによって、電圧セルの配線は簡単なものにすることができる。それに対して、単極構成におけるセルの向きは、それぞれ、正極同士または負極同士が対になって向き合う形となっている。個々の電圧セルを直列に接続するには、比較的面倒な配線が必要となり、これが、双極構成の方がはるかに好まれる理由の一部となっている。

ただし、これにも関わらず、単極構成には双極構成に勝る効果が確実に存在する。それについて、以下に説明する。
双極スタックでは、個々の電池のカソード領域は、直接隣接する電池のアノード領域から分離板（双極板）によって隔てられている。スタックにおいては、前記分離板がスタック全体のサイズに大きな割合を占め、これは、スタックのサイズに基づいて性能などの主要な特性を低下させてしまう。この問題は単極構成では発生しないが、それは、この構成の場合、隣接する２つの電池のそれぞれが、接続用のアノード部またはカソード部を有するからである。こうした接続アノード／カソード部の２つのアノードまたはカソードは、互いから電気的に絶縁されていなければならないが、流体部自体は、カソードおよびアノードの流体の電気伝導率が無視できるレベルに留まる限り、絶縁する必要はない。そして、これは通常のことである（ある程度の伝導率を（特にアノード流体が）有する場合でも）。

単極スタックの配線は、従来技術では、はんだ付け（「直接隣接はんだ付け」“direct adjoining soldering”）による電流放電手段の直接接触を介して、あるいは、接触端子の設置によって実施される。スタックは、両端の板のところで、ネジや締付けバンドなどを用いてクランプされる。その結果、従来技術のスタックで必要となる電流放電手段は、様々な幾何学形状や複雑な配線を有することになる。このことは、組立作業の点からは非常に不都合で、組立ミスにつながりやすく、さらに、コストもかさむ（複数の異なる電流放電手段に対しては、スタンピング用ツールもいくつか必要になるため）。さらに、今までのタイプのものは、大きな構造スペースが必要になることから、小型化燃料電池システムには適していない。ネジを用いてスタックを通常の形でクランプする場合、ネジ穴にはそれなりの深さが必要なので、両端の板について最低限必要となる厚みは大きくなってしまう。他の技術（例えば、締付けバンドによるクランプ）の場合も、両端の板は大きな力を吸収しなければならず、そのため、安定性の理由からある程度の厚みが必要となる。まとめて言えば、今までのクランプ技術は難度が高いうえに、サイズが大きくなる原因となる。そのため、小型化燃料電池システムに適しているとは言いがたい。

本発明は、それを用いることで、燃料電池スタックの単極構成に関する上述の問題（特に、スタックの製造中に生じる問題）を回避することができる、というフレーム要素提供することを目的とする。
さらに、本発明は、燃料電池スタックの締め付けやクランプを簡略化および改良することを目的とする。

これらの目的は、別紙の特許請求の範囲における請求項１記載の特徴を有するフレーム要素、および、請求項７に記載のステップを有する方法によって達成される。
また、それらに従属する請求項では効果的な発展形を示す。また、添付図面を参照しながら、好ましい実施の形態として具体的なものを説明する。

本発明によるフレーム要素は、配列されてスタックを形成するプレート要素（特に本発明によるプレート要素）のリブを収容する複数のリセス、および／または、配列されてスタックを形成するプレート要素のリブを中に通す複数の穿孔、を有する。
フレーム要素も実質的にプレート形状となっている。「プレート」という語を省いたのは、積み重ねる形に配列されてスタックを形成する「プレート要素」との混同を避けることが目的である。

フレーム要素の構造によっては、スタックを作り上げるのに用いるフレーム要素として、２種類の異なるものを用意することにしてもよく、その場合、一方の種類の（主要な、または唯一の）機能はスタックの機械的クランプとなり、もう一方のものの（主要な、または唯一の）機能はスタックの電気配線となる。
ただし、実際に必要なフレーム要素は１種類だけである。これは、電気配線に有用であると共にスタックの組立を簡略化し、さらに、その機械的特性（強度、機密性など）に関わってくる場合もある。

フレーム要素にリセスと穿孔とが両方とも設けられている場合、フレーム要素のリセスはスタックを機械的にクランプする働きをし、一方、フレーム要素の穿孔はスタックの電気配線の働きをする、という形が好ましい。リブは、フレーム要素の一方の側から穿孔を通過し、フレーム要素の反対側に突き出る形となる。ここで、単極配線の条件に応じ、それらの間を電気的導電様態で接続することも可能である。

本発明のフレーム要素は、スタックの個々のセルに（必須ではないが、それに垂直な方向、すなわちスタック方向に）流体を誘導する働きをするように特別に構成されたプレート要素と一緒に用いられる。本発明のフレーム要素は、スタックを形成するように配列された複数のプレート要素の組立および／または電気配線のために働く。一般に、プレート要素およびフレーム要素は両方とも、空間の１方向における寸法が、同空間において当該方向に直交する他の２方向における寸法よりも、はるかに小さくなっている。これらは、構造化されていないプレート状の基礎素材から始めて、簡単かつ低コストな方法で製造することが可能であるが、それは、スタンピング、エンボス、ミリング、フォトリソグラフィなどの、容易に自動化可能なプロセスによって構造化することができるからである。

さらに、単極スタックにおける電気配線の簡略化に関して、当該プレート要素の構成に見出される効果は、２つのプレート要素の平面図が合致する形でオーバーラップさせると、２つの重なったプレート要素のリブが互いからずれた位置にくる、という配列が可能になる点である。その結果、プレート要素のスタック様態を、１つおいて隣りにある要素との電気配線をより簡単な方法で実現できる、というものにできる。

単極スタックの操作性にとって決定的な点として、組立後のスタックでは、アノード部の２つのアノードやカソード部のカソードは、電気的導電様態で相互接続されてはいない。
こうした部の形成には、対の形で方向決めされ、対応する形で構造化された電気的絶縁層によって互いから絶縁された電気導電プレート要素を用いればよく、それは、例えば、一方の側を絶縁コートした金属プレート（あるいは、一方の側を金属コートした絶縁プレート）を用いてプレート要素を製造する、という簡単なやり方で実現される。

後で説明するように、好ましい形として、使用されるプレート要素は、２つの電気導電面層が中間層によって互いから絶縁されている、という構成を有する。そうして、隣接する２つのセルを有するアノード（またはカソード）を有する個々のアノード部（またはカソード部）を、絶縁性のコア部分を有し両側を電気導電様態でコートされた単一のプレート要素から形成することができる（前記電気導電層は互いから絶縁されている）。

そのため、前記プレート要素は、「導電−絶縁」型または「導電−絶縁−導電」型の多層化開始プレートから作ることができる。ただし、導電性（金属製）の開始プレートを構造化した後に絶縁コーティング（例えばラッカー塗）の処理のみ施す形で作ってもよいし、絶縁性の開始プレートを構造化後に電気導電様態でコーティング処理のみ（例えば蒸着によって）施す形で作ってもよい。

ＭＥＡプレート要素のコンビネーション（膜電解ユニット（ＭＥＡ）がプレート要素の導電サイドに接続されたもの）を有する構造型スタックユニットを設けた場合、単極スタックの製造をよりいっそう単純化することが可能である。また、別の形として、「ＭＥＡ−プレート要素−ＭＥＡ」の組合せの構造型スタックユニットを用いてもよい。そうして、これと単純なプレート要素とを互い違いの順番で一緒に用いる、という形でスタックを作り上げることができる。スタックの組立前に確立されるプレート要素とＭＥＡとの接続には、個別の要素を用いた場合に比べ、機密性の向上、より正確な配列、より低い内部抵抗、そして最後に、重要なものとして、より高い機械的安定性がもたらされる。

スタックの電気配線を単純化するために、好ましい構成として、フレーム要素の一方の側には、部分的に電気導電性で、スタックを形成するよう配列されたプレート要素の単極配線を支持している、という構造体を設ける。最も単純な場合では、挿入または貫通させたプレート要素のリブを、電気導電構造体のそれぞれの隣接部とハンダ付けするだけで、単極配線を実現することができる。

部分的に電気導電性を有する構造体については、導電部分と絶縁部分とで規則的な２次元パターンを形成することにより得られるが、そのため、プリント回路基板やリソグラフ技術を効果的に利用することができる。そして、この場合、導電の働きをするフレーム要素のリブと導電領域との間の電気接続は、簡単に自動化することができる。また、必須ではないが、単極スタックの組立および配線の全部を自動化することも同様に可能である。

また、好ましい構成として、フレーム要素は、スタックの２枚の端プレート（プレート要素のスタックを両端において完成させるもの）を設置する手段を有する。そうすると、例えば、スタックの両端に設けられるスタック端部プレートによって、プレート要素（そして、シール、ＭＥＡ）のスタックされた配列をプレテンションすることで、液密性の単極構成（フレーム要素の設置手段を端プレート側の対応する手段に接続することで、機械的に安定したスタック最終形状とすることのできるもの）を作ることができる。これは、最も簡単な場合、本発明のフレーム要素を（特に好ましい実施の形態を参照しながら以下に説明するような形で）リブ上に設置するだけで実現することができる。

また効果的な発展形では、本発明のフレーム要素は、単極スタックのスタック軸に沿って流体を誘導するためのチャネルを少なくとも１つ有している。この発展形が効果的であるのは、フレーム要素のプレート厚みが流体を誘導するのに適当な大きさであり、そのため、エンボスまたはミル加工（開グルーブ）またはドリル加工（孔）でフレーム要素にチャネルを形成することができる、という場合である。孔に作るには、フレーム要素を２つの半要素から成る形とし、各半要素に適切に向きを決めたグルーブを設ける、という形も可能である。

また、本発明による燃料電池スタックの製造方法は、プレート要素を配列してスタック配列にするステップと、プレート要素をプレテンションするステップと、本発明のフレーム要素をスタックに側面から装着し、フレーム要素のリセスおよび／または穿孔にプレート要素のリブが収容される状態にするステップと、そして、プレテンションをオフセットするステップと、を有する
リセスおよび／またはリブは、プレテンションが除かれる際、プレテンションの力を少なくとも部分的には吸収する。この効果と全体的な機械的安定性とは、プレテンションを除くのに先だってプレート要素のリブをフレーム要素とハンダ付けした場合、さらに向上させることができる。

ここから、例として示す本発明の要素の特に好適な実施の形態を用い、添付図面を参照しながら、本発明について説明する。

図１は、双極構成（上側）と単極配置（下側）とにおける各セル間の配線（直列接続）の基本的な相違を示す。この点については、先に述べた部分ですでに詳細に説明しているので、繰り返す必要はないであろう。
図２は従来技術による単極スタックからのカットアウトを示す図であり、こうしたものは、例えば、特許文書：ＤＥ１００ ４０ ６５４ Ａ１号において類似の形式で記述されている。当該文書では、スタックの設置および電気配線のための手段に関しても述べているが、これについては、図２では説明を簡略化するために示していない。

電気絶縁フレーム１が２つの集電体２の間にはさまれた形となっている。一方、集電体の方は図外の電解質手段（ＭＥＡ）に隣接している。集電体２は、「ＭＥＡ−集電体」の境界で電流放電する形で働くが、同時に、それらのためにＭＥＡとアノード流体との接触面が大幅に小さくなる事態は防がなければならない。そこで、集電体２の内部領域には細い横断ウェッビング３を架けてあり、当該ウェッビングは電流放電を行うのに適当な数で存在し、さらに放電に充分な幅を有する。しかし、当該ウェッビングは非常に小さいので、ＭＥＡと流体との活性接触面積（穿孔４によって規定されるもの）が大きく減少することはない。

スタック軸に沿って流体を誘導するために、４つの孔５が電流放電手段のフレーム領域（ここでは四隅の位置）に設けられており、径方向に対向する位置にある２つの孔の組がそれぞれ、アノード流体、カソード流体を誘導する働きをする。また、フレーム１には、これらに対応する形で孔６、７が設けられている。孔７は貫通開口部を介してフレーム１の内部領域８に通じている。アノード流体は、２つの孔７のうち一方を通って内部領域８に供給され、さらに、もう一方の孔（径方向に対抗する位置の孔７）を通って排出される。フレーム１の厚みは集電体２のそれよりもはるかに大きいので、内部空間８が、図に示すセルのアノードチャンバの容積の主要部分を形作ることになる。

アノードチャンバに関する記述は、カソードチャンバにも類似した形で当てはまる。カソードチャンバの場合、中央のフレームは、アノードの場合とは別の２つの径方向流体通路に穿孔を有する形である。これを実現するには、図示した型のフレーム１を回転させた上で交互にスタックしていくだけでよい。そのため、スタックを作り上げるために必要とされるフレームは１種類だけとなる。

すでに述べたように、図２には、スタックの電気配線および組立のための手段を示していない。電気配線の目的では、各絶縁フレームに、ＤＥ１００ ４０ ６５４号による貫通開口部が設けられており、さらに、各集電体には、貫通開口部と面から引き出すことのできる導電性突起とが設けられている。前記貫通開口部と突起とは、スタックの内部において、スタックの単極配線（図１の下側部分に対応するもの）が保証されるような形で協働する。

ここからは、本発明の説明のために、発明に不可欠な特徴についてのみ概説する。具体的に言えば、説明の簡略化のために、ＭＥＡユニットは図示していない。本技術分野に精通した専門家にとっては自明のことであるが、個々のセルの形成にあたって、これらユニットはアノードとカソードとの間に常に設けておかなければならない。これは、スタックを組み立てる際に実現することができるが、それには、単純な板要素ではなく、板要素とＭＥＡユニットとからなる構造的ユニットが、組立前にすでに設けられている、という前提がある。

次いで、図３および図４の２つの図について述べる。
図３は、板要素と本発明のフレーム要素とから成る単極スタックを示す分解図である。
目線の方向がスタック方向と一致するため、図では１つの板要素１０だけが上面図の形で見えている。図４は、図３の構成において使用される、本発明の２つの異なるフレーム要素２０、３０を示し、上面図（下側）とこれに関連付けた断面図（上側）とで示している。

板要素は、板要素によって規定される面に流体誘導構造を有し、さらに、板要素の側面部分から外部へ、板要素によって規定される面を延びるリブを少なくとも１つ有する。
流体誘導構造は例えば、並んで（例えば平行に）延びる複数のチャネルまたは１つの蛇行チャネルを有する、一貫した（coherent）穿孔構造によって形成することができる。リブは単極スタックの組立、または単極スタックの電気配線のために役立つ。しかし、これら両方の目的に同時に役立つ場合もあるだろう。

板要素の側面部分（すなわち、リブを除いて）によって規定される板要素については、組立を簡単にするという観点で、平面図における見た目が矩形となるのが望ましい。また、六角形または八角形の形状としても効果的かもしれない。重要な点は、板要素について、少なくとも２つの異なる向き（アノード対応の向き、そして、カソード対応の向き）において平面図での形が合致するようになっている、ということである。

リブが１つだけである場合、前記リブは本発明によるフレーム要素と協働して、主に単極スタックの電気配線のために働く。しかしながら、それはさらに、組立の単純化や、おそらくは組立後のスタックの安定性向上にも貢献するかもしれない。一方、リブが複数あれば、作業もまた分担させることができ、その場合は、１つのリブ（または複数のリブ）を機械的安定性の向上のために、もう１つのリブ（または別の複数のリブ）を電気配線のために使用する。板要素が２つ以上のリブを有し、それらリブが、板要素によって規定される面において、板要素の異なる側面部分（望ましくは、対向する位置にある側面部分）から外部に向かって延びている場合には、そうすることが２つの側面（すなわち、電流伝導および機械的強度）の両方にとって効果的である。

板要素１２は、蛇行チャネル１４によって半分に分割されて２枚の板に分かれている。これら半分の板を空間において固定するために、リブ１２が異なる側面に設けられ、これらリブは、対応する形でフレーム要素２０、３０に存在するリセス２１、３１内に収容される。
本実施の形態では、図４の右下側にある上面図で示すフレーム要素２０は、主に単極スタックの電気配線のために働く。本例でのスタックは、スタックの端にある２つの別個の板要素１０と中間にある６組の板要素１０とによって形成されている。図３において側面に設けられているリブ１２は、電気配線のために働くものであり、側面に配置されたフレーム要素２０の穿孔（リセス）２１を通り抜ける形となる（すなわち、個々に、端側において対の形で間に設けられた２つの穿孔２１の中にある）。それらは導体部分２５とハンダ付けされ（導体部分２５のそれぞれはお互いとの接触を持たない）、それによって、図１（下側）に示すものと同等の電気配線が出来上がる。また、このハンダ付工程に伴う結果として、スタック構造の機械的強度も向上する。

一番上および一番下に設けられるフレーム要素３０は、スタック軸に沿った流体輸送および機械的安定のために、そして、アノード領域およびカソード領域のそれぞれが有するチャネル１４への流体の供給および同チャネル１４からの流体の放出のために働く。製造を容易にすると共に機械的安定性を高める目的で、フレーム要素３０にはリセス３１が設けられており、当該リセスには、板要素１０の上側と下側とに設けられたリブ１２を挿入することができる。アノード流体とカソード流体とをそれぞれ誘導するために、２つの溝３２ａがアノード用に、２つの溝３２ｂがカソード用に設けられており、それらは、チャネル１４の末端に位置合わせされている。したがって、図３に図示した板要素１０については、ここに示す向きでアノード領域が見られる。カソードで用いる場合には、横または縦の中心軸を中心に１８０°回転させた向きにして使用される。

図４に示すフレーム要素２０、３０は、以下に述べるように板要素１０を構成するために使用される。その構成とは、板要素が対の形で用いられ、２つのアノードを備えたアノード領域（または、２つのカソードを備えたカソード領域）を形成する、というものである。
フレーム要素が、図３の構造化に従って用いられる場合（ただし、両方の側に導電面を備える場合）、アノードの各々の組およびカソードの各々の組に対して必要なフレーム要素１０は１つだけとなる。この場合、図４のフレーム要素２０、３０の開口部２１、３１は全て同じサイズで構成し、さらに等しい距離で設けなければならない。このことは、必要な板要素の数が減ること以外にも、スタック構造のさらなる簡略化を意味するであろう。よって、こうした発展形は一般的に、図に示した構成にもまして好ましいものである。

図５および図６は、更に別の板要素とこれに対応する形で構成された本発明のフレーム要素の好ましい実施の形態とを示す。
図５に図示した板要素１１０は、その作りにおいては、図３に図示した板要素１０に類似であるが、図３のものとは対照的に、１つの部分として構成されている。
前記板要素１１０のスタックの電気配線に対しては、図３および図４に図示したのと同じ板要素２０が使用される。さらに、図３の板要素と異なる点として、板要素１０では上側と下側とに設けられていた単独のリブ１２の代わりに、流体を誘導する働きもするリブが対の形で設けられている。この流体誘導のために、前記リブは孔１１５〜１１８をそれぞれ有する。これらの孔はそれぞれ、スタック軸に沿って流体を誘導する働きをするが、孔１１６、１１８はさらに、流れチャネル１１４への流体の供給または同チャネルからの流体の放出のために働く。

使用されるフレーム要素１３０は図６に図示してあるが、ここでは上面図および２つの横断面図の形で示している。そして当該要素１３０は以下のように構成されている。すなわち、２つの連続的な孔１３２ａ、１３２ｂを縦方向（スタックを積み重ねる方向）に有し、これらの孔にはリセス１３１が一定間隔で飛び飛びに設けられている。板要素１１０のリブが前記リセス１３１に挿入されると、スタック軸に沿って４つの連続的な流体チャネルが形成されることになる。

図３〜６に示すスタック構成では、２種類の異なるフレーム要素が使用され、２枚のスタック端部板（図示せず）と共に、スタック全体を囲むハウジングを形成している。
単極燃料電池スタックの構造については、絶縁層と当該絶縁層をはさむ２つの導電層とから成る積層体の形で板要素を構成すれば、さらに単純化することができる。ここでは、板要素を対にした構成とする必要はなく、それは、単一の板要素が、２つの隣接する別個のセルのアノードまたはカソード領域の２つの電極（アノードまたはカソード）を有する形とすることができるからである。スタックの構築については、電解質ユニットと板要素とを交互に積み重ねていくだけでよい。こうした板要素は、図７〜１１に述べる例に対して使用される。ただし、図３、５における本発明の板要素１０、１１０についても、このように構成することができる。フレーム要素のリセス３１、１３１と組み合わされる穿孔２１それぞれとは、適宜形を変えなければならない。

図７は、板要素２１０の更に別の例を示す。当該要素２１０を、対応した形に構成された本発明のフレーム要素（図８参照）と共に使用することで、本発明の原理に一致した単極スタック（図９、１０参照）を形成することができる。
板要素２１０では、両方の面が導電性であり、これらの面は、間にはさまれた非導電性の中間層によって互いから電気的に絶縁されている。板要素２１０は、周囲フレーム部分２１１、および、当該フレーム部分２１１の対向する２つの側面から外向きに延びるリブ２１２と内向きに延びるウェッビング２１３と、を有する。ウェッビング２１３は、フレームの反対側の側面までは延びておらず、また、ウェッビング２１３の間の穿孔によって蛇行チャネル２１４形作られるように、互い違いの形で配置されている。フレーム部分２１１には、やはり４つの孔２１５、２１６、２１７、２１８が設けられており、そのうち、径方向に対向する位置にある２つの孔２１６、２１８は、貫通開口部２１６ａ、２１８ａを介して蛇行チャネル２１４につながっている。

設置されてスタックの形となると、フレーム部分２１１の一部とウェッビング２１３とはＭＥＡに電気的に接触し、電流を伝える働きをする。同時に、ウェッビング２１３はまた、活性面への流体の均一配分および前記の面への流体の誘導、という役割も果たす。流体は、２つの孔２１６、２１８の一方を介して供給されるが、これらは貫通開口部を介して蛇行チャネル２１４に接続しているので、流体は前記チャネル２１４の中を流れた後、２つの孔のもう一方を通って再び排出される。流れがガイドされるので、流体交換が低下する蓄積領域は存在せず、これは効率の向上に結びつく。さらに、流体を誘導することによって、スタックの使用中に相対位置からの影響を受けないことが保証される（すなわち、横倒しになった状態やオーバーヘッド操作の間も、信頼性機能が保証される）。

単極配置にとって好ましい実施の形態において、外部に延びるリブについては、一方の側面にあるリブが反対側にあるリブに対して位置がずれている、という配置としてある。そのため、図示した板要素２１０をもう１枚の板要素２１０と並べて置く際に、当該もう１枚の板要素を図におけるｘ軸またはｙ軸に関して１８０°回転させた上で、２つの板要素の孔の位置が一致するように置くと、２つの板要素にあるリブは、お互い接触することはない。シート面においては、孔２１７が孔２１５に（および、その逆）通じ、孔２１８が孔２１６に（および、その逆）通じるが、そのシート面において板要素２１０を１８０°回転させると、外部に延びるリブについて、一方の側面にあるリブは、反対側にあるリブ本来の位置と合致する状態にはならず、反対側リブの間の位置にくる。こうした構造であるため、単極スタック全体の電流放電手段に対して使用する板要素を１種類だけにすることができる。

図８は、本発明に関するフレーム要素２２０の実施の形態を示す上面図であり、当該要素２２０は、図７で採用された板要素２１０と組み合わせて使用することができる。
フレーム要素２２０は規則的なパターンを成す複数の穿孔２２１を有し、これらは、図７の板要素２１０のリブ２１２を収容する働きをする。フレーム要素２２０の片側には導体部分２２５が設けられており、それらは各々が２つ以上の穿孔２２１の間を延び、それによって、穿孔に収容される板要素２１０のリブの単極配線を作り上げる。穿孔２２１に通されるリブ２１２の正面側および裏面側は、それぞれのアノード端子接触（またはカソード端子接触）を形成する。前記の接触のペアは、お互いから電気的に絶縁されていなければならないので、対応する導体部分２２５同士が導電的に接続された状態にならないよう、あらゆる手段を用いて配慮しなければならない。さらに、フレーム要素２２０は開口部２２９を有し、ここにエンドプレート２５０のリブ２５９を挿入することができる。図９および図１０に示すように、前記エンドプレート２５０は、スタックの両端にあってこれを完成させる。さらに、通常、流体の供給および放出のための貫通開口部がエンドプレートに設けられる（図示せず）。

図１０は図９のスタックを分解図で示している。スタックを作り上げる際、図７に示す板要素２１０を互い違いに向きを変えて用いることにより、図１の下側に示したセル構成に基づく形で、アノード領域Ａ（各々２つのアノードを備える）およびカソード領域Ｋ（各々２つのカソードを備える）が形成される。
図８〜１０に示す導体パターン（導体部分２２５によって形成されるもの）は、単なる一例としてのみ理解すべきである。これを、あらためて図１１に図示する。図の上側部分は、図８〜１０で実現されているような導体構造に対応している。ここでは、導体部分２２５は対の形で設けられ、２つの穿孔２２１を接続する。より分かりやすくするために、導体部分２２５は黒くしておいた。また、図１１の下側部分に示すように、個々の導電部分２２５が横方向（スタック軸に対して垂直な方向）全体にわたって延びる、という形も可能であり、そうする場合、２つの波状の導体部分２２５によって、切れ目のない波状絶縁領域２２６、または、一定間隔で穿孔２２１によって中断される波状絶縁領域が囲まれている、という形になる。こうした構造体は、従来からのプリント回路基板や通常のリソグラフィ法を用いて簡単なやり方で生産することができ、これまでは複雑だった単極スタックの配線が相当に単純化される。

板要素およびフレーム要素は、一方の側が導電性でもう一方の側が絶縁性である、という未構造化（unstructured）積層板から製造することができる。こうした積層体を板要素に用いる場合は、もはや別個の複数の絶縁ユニットを使用する必要がないため、燃料電池スタックの構造は単純化することができる。導電層の厚みと絶縁層の厚みとは同じオーダーとしてもよい。ただし、積層体については、金属でコーティングした絶縁体や絶縁コーティングした金属としてもよく、その場合、コーティングの厚みは全体の厚みよりもかなり小さい。プリント回路基板はフレーム要素用の積層体に特に適しており、その上には、リソグラフィ技術を用いて、必要な配線パターンを非常に簡単かつ最高の精度で形成することができる。

板要素を、絶縁層と当該絶縁層をはさむ２つの導電層から成る積層体として構成すれば、単極燃料電池スタックの構造はさらに単純化することができる。こうした板要素1つにつき、隣接する２つの別々のセルのアノード部（またはカソード部）が見られ、一方の導電サイドが一方のセルのアノード（またはカソード）を形成し、もう一方の導電サイドはもう一方のセルのアノード（またはカソード）を形成する。

この発展形を用いる場合は、電解質ユニットと板要素とを単純に交互に積み重ねることでスタックを作り上げる。
本発明は、広く言えば、組立しやすい構造の単極燃料電池スタック（同時にスペースを取らず重量も軽くできるもの）を可能にする要素を提供するものである。当該要素は、特に電気配線を単純化すると同時に、気密や機械的強度などの特性を向上させる。

本発明が開示するフレーム要素は、主に絶縁素材から成り、その中には、電流放電手段として働く板要素のリブ（接触ラグ）のための収容手段（例：スロット）が設けられている。導体などの電気導電接続がフレーム要素に設置され、その様態は、電流放電手段のリブとハンダ付けされた後に、これらが単極スタックを電気的に配線し、さらにそれを側面から機械的に固定する、というものである（ただし、機械的固定機能は必須ではない）。スタックは、事前圧縮した状態でハンダ付けするのが好ましい。リセスおよび／または穿孔が、おそらく複数のハンダ付けポイントによって支持されながら力を吸収することによって、信頼できる形での密閉に必要な前記圧縮状態を保持する。

この発明の効果は、以下に示す３つの点に包含させることができる。
１．単極スタックの複雑な電気配線は、本発明によって大きく簡略化される。フレーム要素に設置される導体が、すでに電流配線をあらかじめ決めており、それによって、電流放電ラグとして働く板要素リブが誤って接触する危険を排除する。
２．電流放出手段として働く板要素の接触が、適正に設置された導体を介して実現され、そのため、接触ラグとして作用する電流放電手段のリブを異なる形で配置する必要がなくなる。

従って、必要な板要素は全て同じ形状としてよい。すなわち、必要な板要素は１種類だけであり、スタックを作り上げる際には、この１種類の要素を向きを変えて用いる。これによれば、電気配線における接触に関連して生じ得るいかなる問題も起こらない形で、「電気的導電面−絶縁中間層−電気的導電面」という構造を有する複合素材から「電流放電手段−絶縁部−電流放電手段」で成るユニットを製造することが可能となる。適当な複合素材からこうした電流放電ユニット（２つの電流放電手段の間に絶縁部があるもの）を製造する場合、部品の数は３つから１つに減ることになる。これにより、設置や製造に要する手間は最小限に減り、低コストの大量生産方式（スタンピングなど）で部品を生産するための前提条件が成立する。

３．フレーム要素に使用されるプリント回路基板をスタックのクランピング要素として用いることができる。さらに、導体を接触ラグおよび両端のプレートとハンダ付けすることで、接着による接続が確立される。スタックは適当な装置で圧縮される。２枚のプリント回路基板が、この圧縮状態でスタックの一番上と一番下とに設置され、さらにハンダ付けされる。クランピングが解放された後は、個々のハンダ接合部が力を吸収し、それによって圧縮状態は維持される。発生する張力は、多くあるハンダ接合部によって吸収され、そのため、エンドプレートが受ける圧力は、ネジ留めスタックの場合に比べてかなり小さくなる。よって、両端のプレートの素材の厚みも相当小さくすることができる。そのため、同じ性能を維持しながら、スタック総容積を最小限に抑えることが可能となる。

以上、本発明およびその効果について、好適な実施の形態を参照しながら説明した。しかしながら、本発明の保護範囲は別紙の特許請求の範囲によってのみ規定される。

双極構成と単極構成との間にある配線の質的相違を示す図である。 従来技術による単極構成の場合の流体チャンバを示す図である。 本発明によるフレーム要素とプレート要素とから成る単極スタックの分解図であり、スタック方向で見た図である。 図３で用いた本発明の２つのフレーム要素の上面図（下側）、および、それに関する断面図（上側）である。 本発明のフレーム要素と一緒に使用することのできる、さらに別のプレート要素を示す図である。 図３に示したものと一緒に使用することのできる、本発明のフレーム要素の上面図（上側）を示す図であり、そのフレーム要素について２つの異なる位置での長手方向に沿った断面図（下側）を併せて示す。 単極スタックを作り上げるにあたって本発明のフレーム要素と共に使用することのできる、さらに別のプレート要素を示す図である。 単極スタックを作り上げるにあたって図７に図示したプレート要素と共に使用することのできる、本発明のフレーム要素を示す図である。 図７および図８に図示したプレート要素およびフレーム要素を用いた単極スタックを未完成状態で示す図である。 図９の単極スタックの分解図である。 図８における本発明のフレーム要素とは別の形の導電構造を示す図である。

Claims (8)

1. 単極スタック用のフレーム要素（２０，３０；１３０，２２０）であって、
   スタックを形成するように配列された板要素（１０；１１０；２０１）のリブ（１２；２１２）を収容する複数のリセス（３１；１３１）と、
   スタックを形成するように配列された板要素（１０；１１０；２１０）のリブ（１２；２１２）を通す複数の穿孔（２１；２２１）と、を有すること、
   を特徴とする前記フレーム要素。
2. スタックを形成するように配列された板要素（１０；２１０）のリブ（１２；２１２）を通す穿孔（２１；２２１）を有し、
   フレーム要素（２０；２２０）の一方の側面には、部分的に電気導電性を有すると共に、スタックを形成するように配列された板要素（１０；２１０）の単極配線を支持する、という構造体（２３；２２５）が設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載のフレーム要素（２０；２２０）。
3. 部分的に電気導電性を有する構造体（２５；２２５）が規則的なパターンを有すること、
   を特徴とする請求項２に記載のフレーム要素（２０；２２０）。
4. 部分的に電気導電性を有する構造体（２５；２２５）が形成されたプリント回線基板を有すること、
   を特徴とする請求項２または３に記載のフレーム要素（２０；２２０）。
5. 板要素（２１０）のスタックをその両端にあって完成させる２枚の端プレート（２５０）用に設置手段（２２９）を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフレーム要素（２２０）。
6. 単極スタックのスタック軸に沿って流体を誘導するために少なくとも１つのチャネル（３２ａ，３２ｂ；１３２ａ，１３２ｂ）を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のフレーム要素（３０；１３０）。
7. 燃料電池スタックの製造方法であって、
   板要素（２１０）をスタック配列の形に配列するステップと、
   板要素（２１０）をプレテンションするステップと、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のフレーム要素（２２０）をスタックに側面から装着し、フレーム要素（２２０）のリセスおよび／または穿孔（２２１）に板要素（２１０）のリブ（２１２）が収容される状態にするステップと、そして、
   プレテンションをオフセットするステップと、を有すること、
   を特徴とする方法。
8. プレテンションをオフセットするステップに先立って、板要素（２１０）のリブ（２１２）がフレーム要素（２２０）とハンダ付けされること、
   を特徴とする請求項７に記載の方法。

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