(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合された２つの電流コレクタと、
前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合された２つの密封部材と、
前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に結合される流れ場プレートアッセンブリと、を有する燃料電池モジュールであって、
前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち対応する少なくとも１つを有し、
前記流れ場プレートアッセンブリは、流入流体を受け入れる流体入口を有する第１マニホールドと、前記流入流体のうち一部からなる排出流体を排出するための流体出口を有する第２マニホールドと、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドとの間に結合された第１流路とを有し、
前記第１マニホールドは、第１方向に沿って伸びることにより、前記第１方向に沿って、流入流体を移送するための流路を提供し、かつ、前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、放出流体として放出するための分配出口を少なくとも１つ有し、
前記第２マニホールドは、第２方向に沿って伸びることにより、前記第２方向に沿って、排出流体を移送するための流路を提供し、かつ、前記第２マニホールドは、前記第２マニホールド上に形成された少なくとも１つの排出流体入口を通って、排出流体を受け入れるようになっており、
前記第１流路は、前記放出流体の少なくとも一部を分配するための少なくとも１つの分配出口と、少なくとも１つの排出流体入口とを結合しており、前記第１流路は、少なくとも２つの方向に、前記膜電極接合体に対して流体を分配する流体分配面に実質的に沿うように蛇行して延びた、互いに接続されて構成された複数の流路セクションを有しており、前記放出流体の少なくとも一部は、前記第１流路を通って、前記排出流体の少なくとも一部として、前記排出流体入口の少なくとも１つに流れるようになっており、かつ、前記第１流路は、前記膜のうち少なくとも１つの膜と結合する露出側面を有しており、
前記第１方向は、前記流体分配面と実質的に平行であり、かつ、前記第２方向は、前記流体分配面と実質的に平行であり、
前記第１流路の露出側面と向かい合う反対側の面には、
前記第１流路から隔離され、前記第１流路に対して平行な平行流路と、
膜を少なくとも１つ有する平行膜電極接合体と、
前記平行膜電極接合体と結合される平行ガス拡散層と、
前記平行ガス拡散層と結合される平行電極コレクタと、
前記平行電極コレクタに結合される密封部材と、をさらに備え、
前記平行流路は、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドとの間に結合され、前記平行流路は、少なくとも２つの方向に、前記平行膜電極接合体に対して流体を分配する流体分配面に実質的に沿うように蛇行して延びた、互いに接続されて構成された複数の流路セクションを有しており、かつ、前記平行流路は、露出側面を有し、
前記平行膜電極接合体を構成する膜のうち、少なくとも１つの膜は、前記平行流路の露出側面に結合されており、
前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドのうち少なくとも１方は、２つのマニホールドセクションの間をつなぐためのチューブ状伸張部を備えていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記複数の密封部材が、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記電流コレクタにそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記複数のガス拡散層は、ホットプレスによって、前記膜電極接合体の２つの面にそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記複数の密封部材は、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記流れ場プレートアッセンブリに結合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記複数の密封部材は、対応する前記電流コレクタおよび前記第１流路との間に開口を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記第１マニホールドは、その側壁部の一部に、分配出口を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記流れ場プレートアッセンブリは、複数の前記第１流路を有し、前記複数の前記第１流路は、それぞれ、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間に結合されており、前記複数の前記第１流路は、前記膜のうち少なくとも１つの膜と結合している露出側面を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記第２マニホールドは、前記第２マニホールドの側壁領域の一部に形成された少なくとも１つの排出流体出口を通して、前記排出流体の少なくとも一部を受け入れることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合された２つのガス拡散層と、
前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合された２つの電流コレクタと、
前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合された２つの密封部材と、
前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合される流れ場プレートアッセンブリと、を有する燃料電池モジュールであって、
前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つを有し、
前記流れ場プレートアッセンブリは、流入流体を受け入れる流体入口を有する第１マニホールドと、前記流入流体のうち一部を含む排出流体を排出するための流体出口を有する第２マニホールドと、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドとの間に結合された第１流路を有し、
前記第１マニホールドは、第１方向に沿って、流入流体を移送するための流路を有し、かつ、前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、放出流体として放出するための分配出口を少なくとも１つ有し、
前記第２マニホールドは、第２方向に沿って、排出流体を移送するための流路を有し、かつ、前記第２マニホールドは、前記第２マニホールド上に形成された少なくとも１つの排出流体入口を通って、排出流体を受け入れるようになっており、
前記第１流路は、前記放出流体の少なくとも一部を分配するための少なくとも１つの分配出口と、少なくとも１つの排出流体入り口とを結合しており、前記第１流路は、少なくとも２つの方向に蛇行して延びた、互いに接続されて構成された複数の流路セクションを有しており、前記放出流体の少なくとも一部は、前記第１流路を通って、前記排出流体の少なくとも一部として、前記排出流体入口の少なくとも１つに流れるようになっており、かつ、前記第１流路は、前記膜のうち少なくとも１つの膜と結合する露出側面を有しており、
前記第１流路の露出側面に対向する反対側の側面に、
前記第１流路から隔離され、前記第１流路に対して平行な平行流路と、
膜を少なくとも１つ有する平行膜電極接合体と、
前記平行膜電極接合体と結合される平行ガス拡散層と、
前記平行ガス拡散層と結合される平行電極コレクタと、
前記平行電極コレクタに結合される密封部材と、を備え、
前記平行流路は、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドとの間に結合され、かつ、前記平行流路は、露出側面を有し、
前記平行膜電極接合体を構成する膜のうち、少なくとも１つの膜は、前記平行流路の露出側面に結合されており、
前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドのうち少なくとも１方は、２つのマニホールドセクションの間をつなぐためのチューブ状伸張部を備えていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記複数の密封部材が、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記電流コレクタにそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記複数のガス拡散層は、ホットプレスによって、前記膜電極接合体の２つの面にそれぞれ結合されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記複数の密封部材は、射出成形、ホットプレス、および接着のいずれか一つにより、前記流れ場プレートアッセンブリに結合されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記複数の密封部材は、対応する前記電流コレクタおよび前記第１流路との間に開口を備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記第１マニホールドは、その側壁部の一部に、分配出口を少なくとも１つ有することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記流れ場プレートアッセンブリは、複数の前記第１流路を有し、前記複数の前記第１流路は、それぞれ、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間に結合されており、前記複数の前記第１流路は、前記膜のうち少なくとも１つの膜と結合している露出側面を備えていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記第２マニホールドは、前記第２マニホールドの側壁領域の一部に形成された少なくとも１つの排出流体出口を通して、前記排出流体の少なくとも一部を受け入れることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
この出願は、２００９年１２月７日に出願された米国仮出願第６１/２６７，３８７号の優先権の利益を主張するものであり、この仮出願の全てが、ここに参照として全体として取り込まれる。また、この出願は、上記米国仮出願第６１/２６７，３８７号の優先権を主張した３つの係属中の出願に関連する。すなわち、第１に、発明の名称を「流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月９日に出願された米国出願第１２／８５３，０９６号、第２に、発明の名称を「平行な複数の流路を有する流れ場プレートアッセンブリ」とする２０１０年８月２０日に出願された米国出願第１２／８６０，４２１号、第３に、発明の名称を「燃料電池装置」とする２０１０年８月２０日に出願された米国出願第１２／８６０，３５５号である。また、この出願は、２０１０年３月１２日に出願された台湾特許出願第０９９１０７２１８号の優先権の利益を主張するものであり、この出願の全てが、ここに参照として全体として取り込まれる。
【０００２】
［技術分野］
本出願は、燃料電池装置および流れ場プレートアッセンブリに関し、特に、モジュール化された平板型燃料電池装置および流れ場プレートアッセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
流れ場プレートは、流体に関連する用途のために設計された構造を有するものであり、たとえば、１または２種以上の流体を運んだり、届けたり、分割したり、および／または、分配したりするための構造を有するものである。ここで、「流体」という用語は、広義な意味で用いられ、ある地点から他の地点まで流れることができるものであれば何でもよい。たとえば、流体としては、空気、気体、液体、粘性流体など、ある地点から他の地点間まで、それ自身が流れて移動することができるものや、流体の一部として、流れて移動することができるものが含まれる。
【０００４】
具体例として、流れ場プレートの数多くの適用例の一つとして、燃料電池用途があり、燃料電池用途においては、流れ場プレートは、電力を発生させるための液体または気体状の、１または２種以上の「燃料」を、移送、案内、および／または分配するために用いられる。図１は、従来の燃料電池装置の一例を示す断面図である。図１を参照すると、たとえば、プロトン交換膜燃料電池（「ＰＥＭＦＣ」として知られている。）などの、単一の燃料電池４００は、主に、膜電極接合体４１０、二つのガス拡散層４０５，４０６、及び二つの流れ場プレート４０１，４０２を含む。図に示すように、二つのガス拡散層４０５，４０６は、膜電極接合体４１０を、その間に挟んでおり、二つの流れ場プレート４０１，４０２は、膜電極接合体４１０および二つのガス拡散層４０５，４０６を、その間に挟んでいる。各流れ場プレート４０１，４０２は、流路４０３，４０４のような１または２以上の流路が形成されており、各流路を反応流体が流れるようになっている。膜電極接合体４１０は、たとえば、プロトン交換膜４０９、陽極触媒層４０７、及び陰極触媒層４０８を備えている。通常、陽極および陰極触媒層４０７，４０８は、白金、または白金合金の成分を有しており、これらは触媒として作用し、燃料電池の電気化学反応を促進する。
【０００５】
燃料電池装置、流れ場プレートアッセンブリ、またはこれらの両方の製造、用途展開、設計の柔軟性を促進するために、燃料電池装置、流れ場プレートアッセンブリ、またはこれらの両方のために、モジュール化設計が望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
一実施例において、燃料電池モジュールは、膜電極接合体と、２つのガス拡散層と、２つの電流コレクタと、２つの密封部材と、流れ場プレートアッセンブリと、を有する。前記流れ場プレートアッセンブリは、第１マニホールドと、第２マニホールドと、流路とを有する。前記膜電極接合体は、燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する。前記２つのガス拡散層は、前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合される。前記２つの電流コレクタは、前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合され、前記２つの密封部材は、前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合される。
【０００７】
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に結合される。前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち対応する少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち対応する少なくとも１つを有する。前記第１マニホールドは、流入流体を受け入れる流体入口を有し、第１方向に沿って伸びることにより、前記第１方向に沿って、流入流体を移送するための流路を提供する。前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、放出流体として放出するための分配出口を少なくとも１つ有する。前記第２マニホールドは、前記流入流体のうち一部からなる排出流体を排出するための流体出口を有する。前記第２マニホールドは、第２方向に沿って伸びることにより、前記第２方向に沿って、排出流体を移送するための流路を提供する。前記第２マニホールドは、前記第２マニホールド上に形成された少なくとも１つの排出流体入口を通って、排出流体を受け入れるようになっている。前記流路は、放出流体の少なくとも一部を分配するための前記分配出口と前記排出流体入口とにおいて、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドとの間に結合される。
【０００８】
前記流路は、少なくとも２つの方向に、流体分配面に実質的に沿うように延びた、複数の流路セクションを有している。前記放出流体の少なくとも一部は、前記流路を通って、前記排出流体の少なくとも一部として、前記排出流体入口の少なくとも１つに流れるようになっている。前記流路は、前記膜のうち少なくとも１つの膜と結合する露出側面を有している。前記第１方向および前記第２方向は、ともに、前記流体分配面と実質的に平行である。
【０００９】
他の実施例において、燃料電池モジュールは、膜電極接合体と、２つのガス拡散層と、２つの電流コレクタと、２つの密封部材と、流れ場プレートアッセンブリと、を有する。前記流れ場プレートアッセンブリは、第１マニホールドと、第２マニホールドと、流路とを有する。前記膜電極接合体は、燃料電池反応のための膜を少なくとも１つ有する。前記２つのガス拡散層は、前記膜電極接合体の両側に、それぞれ結合される。前記２つの電流コレクタは、前記２つのガス拡散層に、それぞれ結合され、前記２つの密封部材は、前記２つの電流コレクタに、それぞれ結合される。
【００１０】
前記流れ場プレートアッセンブリは、前記膜電極接合体の両側面のうち第１側面において、前記膜電極接合体に、結合される。前記膜電極接合体は、前記流れ場プレートアッセンブリと前記膜電極接合体の前記第１側面との間に、前記２つのガス拡散層のうち対応する少なくとも１つ、前記２つの電流コレクタのうち少なくとも１つ、および、前記２つの密封部材のうち少なくとも１つを有する。前記第１マニホールドは、流入流体を受け入れる流体入口を有し、第１方向に沿って、流入流体を移送するための流路を有する。前記第１マニホールドは、前記流入流体のうち少なくとも一部を、放出流体として放出するための分配出口を少なくとも１つ有する。前記第２マニホールドは、前記流入流体のうち一部を含む排出流体を排出するための流体出口を有する。前記第２マニホールドは、第２方向に沿って、排出流体を移送するための流路を有する。前記第２マニホールドは、前記第２マニホールド上に形成された少なくとも１つの排出流体入口を通って、排出流体を受け入れるようになっている。前記流路は、放出流体の少なくとも一部を分配するための前記分配出口と前記排出流体入口とにおいて、前記第１マニホールドおよび前記第２マニホールドとの間に結合される。
【００１１】
前記流路は、少なくとも２つの方向に、流体分配面に実質的に沿うように延びた、複数の流路セクションを有している。前記放出流体の少なくとも一部は、前記流路を通って、前記排出流体の少なくとも一部として、前記排出流体入口の少なくとも１つに流れるようになっている。前記流路は、前記膜のうち少なくとも１つの膜と結合する露出側面を有している。前記第１方向および前記第２方向は、ともに、前記流体分配面と実質的に平行である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、従来の燃料電池を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の実施例に係る燃料電池モジュールの分解概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの一部を示す分解概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの一部を示す分解概略図であり、一部の成分が組み立てられた状態を示している。
【図３】図３は、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールを組み合わせた状態を示す概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す分解概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す概略図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す分解概略図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
【００１４】
以下の実施例においては、１または２以上の流路を有する流れ場プレートアッセンブリを備える燃料電池モジュールを示す。複数の燃料電池モジュールは、複数積層されることにより、燃料電池システムあるいは燃料電池バッテリを形成する。燃料電池モジュールの複数の電極は、直列、並列、またはこれらの組み合わせによって、互いに結合されることにより、所望の電圧、電流、または容量を供給する。複数の流路が、１または２以上の方向に沿って配置されることにより、一次元、二次元、または三次元状に広がった流れ場プレートアッセンブリを提供することができる。たとえば、２つの流路は、隔壁により、互いに反対側の面に形成することができる。いくつかの実施例においては、複数の流路は、流体取り入れおよび／または流体排出マニホールドとして、１または２以上の共通のマニホールドを供用することができる。
【００１５】
図２Ａは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの分解概略図である。図２Ａを参照すると、燃料電池モジュールＦは主に、本体（main body）２３と流れ場プレートアッセンブリ（fluid flow plate assembly）１０を含む。流れ場プレートアッセンブリ１０は本体２３の片面に向かって少なくとも一つの流路Ｃを有している。流れ場プレートアッセンブリ１０は、一実施例において、長方形または実質的に長方形の構造とすることができる。一実施例において、流れ場プレートアッセンブリ１０は、流路Ｃ同士を接続するための第１マニホールド１１および第２マニホールド１２を有している。反応／流入流体は、流れ場プレートアッセンブリ１０の流体入口１１ａを通って、第１マニホールド１１に入る。流入流体の一部は、たとえば、本体２３の膜に対して露出した反応領域など、流路中に放出された流体（放出流体）のための露出した反応領域を有する流路（fluid flow channel）Ｃを流れ、これにより、燃料電池の電気化学反応が促進される。言い換えれば、流路Ｃは、本体２３の膜と結合された露出側面を有しており、流体は、部分的にあるいは完全に反応し、第２マニホールド１２に排出され、そして、排出された流体は、流れ場プレートアッセンブリ１０の流体出口１２ａを通って、流れ場プレートアッセンブリ１０から出て行くこととなる。
【００１６】
いくつかの実施例においては、流れ場プレートアッセンブリ１０は、第１マニホールド１１および第２マニホールド１２との間に結合された流路以外の流路を有していてもよい。第１マニホールド１１は、流入流体を受け入れるための流体入口１１ａを有し、第１方向（たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の上端に略平行な方向）に延びており、流入流体の一部を第１方向に移送するためのチャンネルを形成する。第２マニホールド１２は、排出流体、および、上述した流入流体（あるいは、反応した流入流体の全て）を一部含有する排出流体を、排出するための流体出口１２ａを有する。第２マニホールド１２は、第２方向（たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の下端に略平行な方向）に延びており、排出流体の一部を第２方向に移送するためのチャンネルを形成する。
【００１７】
第１マニホールド１１は、第１マニホールド１１に形成された１または２以上の流体分配出口（第１マニホールド１１と流路との間に形成された開口）を介して、流入流体を放出する。第２マニホールド１２は、第２マニホールド１２に形成された１または２以上の排出流体入口（第２マニホールド１２と流路との間に形成された開口）を介して、排出流体を受け入れる。流路Ｃは、図２Ａに示すように、第１マニホールドから放出された流体の少なくとも一部を分配するために、第１マニホールド１１の一つの分配出口と、第２マニホールド１２の一つの排出流体入口と、を結んでいる。一実施例において、流路Ｃは、少なくとも二つの方向に、本体Ｆの表面に対応する面に平行に形成された流体分配面に、実質的に沿うように延びた、複数の流路セクションを有していてもよい。その結果として、放出された流体の一部が、分配出口を通って、流路Ｃを流れて、排出流体として、第２マニホールド１２まで流れていく。図２Ａに示すように、第１方向および第２方向は、流体分配面と実質的に平行である。
【００１８】
また、いくつかの実施例においては、第１マニホールド１１は、円形状（あるいは、ほぼ円形状）の切断面を有し、かつ、第１マニホールド１１の側壁領域の一部に、分配出口としての開口を有する。各開口は、第１マニホールド１１の切断面の中心部に対し、第１マニホールド１１の切断面の約０°〜約１８０°の範囲の角度で形成される。同様に、第２マニホールド１２は、円形状（あるいは、ほぼ円形状）の切断面有し、かつ、第２マニホールド１２の側壁領域の一部に、排出流体入口としての開口を有する。各開口は、マニホールドの切断面の中心部に対し、マニホールド部分の約０°〜約１８０°の範囲の角度で形成される。
【００１９】
図２Ｂは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの一部を示す分解概略図である。図２Ｂを参照すると、前記本体２３は、本体２３の２つの側面において露出された２つの流路間に、燃料電池反応を促進するための成分を含有している。一実施例において、本体２３は、３つの密封部材（sealing member）２０とコア３０とを含有することができ、そのコア３０は膜電極接合体（membrane electrode assembly）３０１、２つのガス拡散層（gas diffusion layer）３０２、および２つの電流コレクタ（current collector）３０３を含む。一実施例において、膜電極接合体３０１は、燃料電池反応を行うためのプロトン交換膜などの膜を１または２以上含む。２つのガス拡散層３０２は、それぞれ、膜電極接合体３０１の両側の面に結合して設置され、かつ、２つの電流コレクタ３０３は、それぞれ、２つのガス拡散層３０２に結合して設置される。２つの密封部材２０は、それぞれ、２つの電流コレクタ３０３に結合して設置される。一実施例において、ガス拡散層３０２および電流コレクタ３０３は、膜電極接合体３０１の両側（陽極側と陰極側）に、対称的に設置され、かつ、前記電流コレクタ３０３は密封部材２０の開口２０１をそれぞれ通して、本体２３の表面に露出される。
【００２０】
図２Ｃは、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの一部を示す分解概略図であり、一部の成分が組み立てられた状態を示している。図２Ｃを参照すると、密封部材２０は、各種取り付け技術を用いて、それぞれ、電流コレクタ３０３の周囲を包囲するように、取り付けられる。このような取り付け技術としては、射出、ホットプレス、または接着などが挙げられる。同様に、ガス拡散層３０２は、ホットプレスなどの各種取り付け技術を用いて、それぞれ、膜電極接合体３０１に取り付けられる。そして、本体２３を組立てるために、密封部材２０と膜電極接合体３０１は、ホットプレス、または接着などの各種取り付け技術を用いて、互いに結合できるようになっている。
【００２１】
図３は、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールの概略図である。図３に示すように、本体２３は流れ場プレートアッセンブリ１０と結合して燃料電池モジュールＦを形成する。燃料電池モジュールＦと同じ、あるいは同種の複数の燃料電池モジュールを複数積層することにより、燃料電池システムあるいは燃料電池バッテリとすることができる。一実施例において、複数の燃料電池モジュールの電流コレクタ（または電極）は、直列、並列、またはこれらの組み合わせによって、互いに結合されることにより、所望の電圧、電流、または容量を供給する。一例として、反応／流入流体は、たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の右端から、第１マニホールド１１を通り、燃料電池モジュールＦに入り、流れ場プレートアッセンブリ１０内の流路内を流れる。流路は、流入流体が、本体２３に接触し、燃料電池の電気化学的反応を促進できるようにしている。流入流体は、一部または全部が反応した後、たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０の左端から、第２マニホールド１２を通って排出される。
【００２２】
図４は、本発明の一実施例に係る燃料電池モジュールを組み合わせた状態を示す概略図である。図４を参照すると、複数の燃料電池モジュールＦは互いに結合され、一実施例において、平面構造を有する燃料電池システムを構成する。上述したように、２以上の燃料電池が互いに積層される以外に、燃料電池モジュールＦは、第１マニホールド１１方向に沿って、たとえば、隣り合う燃料電池Ｆの複数の流路Ｃが、隣同士となるように配置され、第１マニホールド１１および第２マニホールド１２のような流体取り入れおよび流体排出マニホールドを共有させることで、繰り返して、結合することができる。いくつかの実施例において、１または２以上のフレキシブルチューブＴによって、隣り合う燃料電池モジュールＦを互いに結合させることができ、この場合には、反応流体／反応済み流体を、異なる燃料電池モジュールＦ間で移送することができる。換言すれば、第１マニホールド１１および第２マニホールド１２のうち一方あるいは両方は、１または２以上のチューブ状伸張部を含むことができ、これにより、２つのマニホールド間を結合することができる。一実施例において、燃料電池モジュールＦ上の導電接点Ｐは、並列、直列または、これらの組み合わせにより、結合されることで、平面状燃料電池装置の電気的出力が組み合わされる。
【００２３】
特に、図４に示す実施例においては、流れ場プレートアッセンブリ１０は、第１マニホールド１１、第２マニホールド１２、および第１マニホールド１１と第２マニホールド１２とを結合する複数の流路を有している（図中では、３つ示している。）。第１マニホールド１１は、第１マニホールド１１の右端に流入流体を受け入れるための流体入口を有しており、第１マニホールド１１は、図４に示す右側の矢印に示す方向である第１方向に延びており、これにより、第１方向に沿って流入流体を移送するための流路を供給している。第２マニホールド１２は、第２マニホールド１２の左端に、部分的あるいは完全に反応した流入流体を含む、排出流体を排出するための流体出口を有している。第２マニホールド１２は、図４に示す左側の矢印に示す方向である第２方向に延びており、これにより、第２方向に沿って排出流体を移送するための流路を供給している。図４に示すように、第１および第２方向は、流体分配平面に対して実質的に平行である。流路の例としては、図２Ａに示すような、流体分配平面に沿って少なくとも２つの方向（垂直および水平）に分配して延びている流路Ｃなどを例示することができる。
【００２４】
図５Ａは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す分解概略図である。図５Ａを参照すると、燃料電池モジュールＦは、本体２３と流れ場プレートアッセンブリ１０から構成され、それぞれ、複数の小区分に分かれている。たとえば、流れ場プレートアッセンブリ１０は、図４に示す第１マニホールド１１および第２マニホールド１２のような、共通の取り入れおよび排出マニホールドを共有する複数の流路Ｃを有している。本体２３は２つの密封部材２０と、２つの密封部材２０の間に配置されたコア３０と、を有する。コア３０は、両面に位置する複数の電流コレクタ３０３を有する。一実施例において、電流コレクタ３０３の各対は、流れ場プレート１０の流路Ｃに対応して、同じ場所に位置している。各密封部材２０は、開口２０１を有しており、これらは、開口２０１は、１つの電流コレクタ３０３、または電流コレクタ３０３の有効部分に対応しており、１つの電流コレクタ３０３、または電流コレクタ３０３の有効部分を、露出させている。上述した各種取り付け技術により、燃料電池モジュールＦの各成分は結合させることができる。
【００２５】
図５Ｂは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す概略図である。図５Ｂは、図５Ａに示す燃料電池モジュールＦを構成する各成分を組み立てた後における例を示している。図５Ｂ中において矢印で示すように、反応流体は、流れ場プレートアッセンブリ１０の一端から入り、第１マニホールド１１を通り、流路Ｃを流れることができる。反応流体は、第２マニホールド１２を通って、流れ場プレートアッセンブリ１０の他端から連続的に排出される。
【００２６】
いくつかの実施例においては、複数の燃料電池モジュールが互いに積層された際に、反対側に位置する流路間に隔壁が形成されることで、流路Ｃを、流れ場プレートアッセンブリ１０の両端に配置することもできる。このような別の設計例においては、反対側に位置する流路は、流れ場プレートアッセンブリ１０の２つの外側側面のそれぞれに対して、露出する外側表面を有するものとすることができる。用途や、設計要求、システムサイズ、その他の考慮すべき事情に応じて、流れ場プレートアッセンブリは、一次元、二次元、または三次元状に配置された（あるいは、広がった）２以上の流路を有していてもよい。
【００２７】
図６Ａは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す分解概略図である。図６Ｂは、本発明の一実施例に係る複数の流路を有する燃料電池モジュールを示す概略図である。図６Ａ、図６Ｂを参照すると、本発明のもう一つの実施例においては、流れ場プレートアッセンブリ１０は、二つの本体２３が結合し、多層式構造を有する燃料電池モジュールＦを形成する。流路の形成位置に関し、少なくとも２つの流路Ｃが、それぞれ、流れ場プレートアッセンブリ１０の第１サイドＳ１および第２サイドＳ２上に、反対側に位置する２つの流路間に設けられた隔離壁とともに形成される。一実施例においては、第１サイドＳ１および第２サイドＳ２上に形成された流路Ｃのそれぞれが、対応する本体２３の電流コレクタ３０３対して露出され、あるいは向き合うように、流れ場プレートアッセンブリ１０は、２つの本体２３の間に挟まれている。一実施例においては、流れ場プレートアッセンブリ１０の反対側の側面上に位置する２つの本体２３は、電気伝導性を有するビンディングクランプである部材Ｒにより、電気的に、物理的に、または電気的かつ物理的に結合される。電気的な結合をする一実施例においては、２つの本体２３を、直列に接続することにより、燃料電池装置の出力電圧を増加させることができる。
【００２８】
２つの流路が、流れ場プレートアッセンブリ１０の反対側に位置する２つの側面と結合する実施例においては、もう一つの本体構造は、第２の流路と結合する。一実施例においては、燃料電池モジュールまたは燃料電池装置は、上述した本体２３および流路Ｃに加えて、流路Ｃから隔離され、流路Ｃと実質的に平行な平行流路（parallel fluid flow channel）を有していてもよい。平行流路は、同様に、上述した第１マニホールド１１および第２マニホールド１２間に結合され、２以上の方向に、流体分配面に対して実質的に平行に延びた複数の流路セクションを有する。また、平行流路は、露出側面を有していてもよい。さらに、１または２以上の膜を備える、平行膜電極接合体（parallel membrane electrode assembly）が含まれていてもよい。複数の膜のうちの一つは、平行流路の露出側面に結合することができる。同様に、平行ガス拡散層（parallel gas diffusion layer）は、平行膜電極接合体に結合することができ、平行電極コレクタ（parallel current collector）は、平行ガス拡散層に結合することができ、密封部材は、平行電極コレクタに結合することができる。
【００２９】
以上のように、各実施例は、平板型燃料電池装置およびその燃料電池モジュールを提供する。一実施例の燃料電池モジュールは、本体と流れ場プレートとが互いに結合されてなる。また、いくつかの実施例においては、２つの本体と１つの流れ場プレートが結合することにより、多層式構造を有する燃料電池モジュールを形成することができる。密封部材は高分子材料、またはその他の絶縁材料を含み、電流コレクタは金属、導電複合材料、または１または２以上の他の導電材料を含む。加えて、密封部材、電流コレクタ、膜電極接合体は、ホットプレス、または導電接着剤によって、接合することができる。本実施例の燃料電池モジュールは単に、体積が小さいとの長所を有するだけでなく、直列接続または並列接続のいずれにも適しており、各異なる電力の要求に応えることができ、これにより、電子製品、車、軍用設備、または航空宇宙産業などの各異なる分野に広く応用される。
【００３０】
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とし、さらには、その均等の範囲も含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  流れ場プレートアッセンブリ
１１  流体入口
１２  流体出口
２０  密封部材
２０１  開口
２３  本体
３０  コアユニット
３０１  膜電極接合体
３０２  ガス拡散層
３０３  電流コレクタ
Ｃ  流路
Ｆ  燃料電池モジュール
Ｐ  導電接点
Ｒ  部材
Ｓ１  第１サイド
Ｓ２  第２サイド
Ｔ  フレキシブルチューブ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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