(57)【要約】  本発明は、燃料電池のプレート上のヘッダと流れ場との間に流れ経路を画定する打出しブリッジ部材を開示する。ブリッジ部材は支持表面を提供し、支持表面の上にシールを位置付けてプレートを隣接するプレートまたはＭＥＡに対して密封することができる。燃料電池のプレートを、各々がその上に流れ場を備えた２つの表面を有する打出し加工されたプレートにすることができる。流れ場は、プレートの単一表面の上の供給へッダと戻りヘッダとの間を流れる流体を維持する。流れ場の端部を、流れ場を通る所望の流れ分配を提供するために、供給開口および戻り開口に対して先細にすることができる。
2008510272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池において使用するためのセパレータプレート組立体であって、
縁部と流れ場とを有するプレートであって、開口が前記縁部を貫通して形成され、前記流れ場が前記プレートの表面に形成されたプレートと、
前記縁部と密封接触し、前記開口を取り囲んで前記開口の周りに隆起表面を提供するブリッジ部材であって、中に形成された一組のポートを有し、前記開口から前記縁部と前記隆起表面との間の前記流れ場への流体連絡を提供するブリッジ部材と
を含むセパレータプレート組立体。
【請求項２】
前記ブリッジ部材が、前記縁部と前記隆起表面との間に延在する周囲壁を含み、前記一組のポートは前記周囲壁の中に形成された請求項１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３】
前記ブリッジ部材が、前記周囲壁から延在して前記表面と密封接触する密封表面をさらに含む請求項２に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項４】
前記ブリッジ部材が、前記隆起表面に形成されて前記縁部と接触する局部的に低下した領域を提供する回旋部をさらに含み、これによって前記ブリッジ部材のための支持を提供し、これらの間の流体連絡を可能にする請求項１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項５】
前記縁部が、これを貫通して形成されて前記プレートを通る流体連絡を提供する第２開口を含み、前記ブリッジ部材の一部分が前記第２開口を取り囲んで、前記流れ場を前記第２開口から密封する請求項１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項６】
前記縁部が、その中に形成されて前記ブリッジ部材に隣接する密封表面を含み、前記密封表面と前記隆起表面は、前記プレートの前記表面と全体的に平行な一平面内にあって、前記プレートの前記表面から離隔している請求項１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項７】
前記密封表面が、その中に形成されて前記プレートを通る流体連絡を提供する第２開口を有する請求項６に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項８】
前記流れ場と対向する前記プレートの一表面上に配置されたシールをさらに含み、前記シールは前記第２開口を取り囲み、前記プレートと密封接触する請求項７に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項９】
前記シールが、前記プレートと密封接触する第２ブリッジ部材を含む請求項８に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１０】
請求項１に記載の少なくとも１つのセパレータプレート組立体を含む燃料電池。
【請求項１１】
燃料電池において使用するためのセパレータプレート組立体であって、
入口開口が貫通形成された入口縁部と、戻り開口が貫通形成された戻り縁部と、流れ場とを有するプレートであって、前記流れ場は前記プレートの表面に形成されたプレートと、
前記入口縁部と密封接触し、前記入口開口を取り囲んで前記入口開口の周りに第１隆起表面を提供する入口ブリッジ部材であって、この中に形成されて前記入口開口から前記入口縁部と前記第１隆起表面との間の前記流れ場への流体連絡を提供する一組の入口ポートを有する入口ブリッジ部材と、
前記戻り縁部と密封接触し、前記戻り開口を取り囲んで前記戻り開口の周りに第２隆起表面を提供する戻りブリッジ部材であって、この中に形成されて前記流れ場から前記戻り縁部と前記第２隆起表面との間の前記戻り開口への流体連絡を提供する一組の戻りポートを有する戻りブリッジ部材と
を含むセパレータプレート組立体。
【請求項１２】
前記入口ブリッジ部材と前記戻りブリッジ部材の各々が、前記縁部と前記隆起表面との間に延在する周囲壁を含み、前記一組のポートは前記周囲壁の中に形成された請求項１１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１３】
前記入口ブリッジ部材と前記戻りブリッジ部材の各々が、前記周囲壁から延在して前記表面と密封接触する密封表面をさらに含む請求項１２に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１４】
前記入口ブリッジ部材と前記戻りブリッジ部材の各々が、前記隆起表面に形成されて前記縁部と接触する局部的に低下した領域を提供する回旋部をさらに含み、これによって前記入口ブリッジ部材と前記戻りブリッジ部材の前記各々のための支持を提供し、これらの間の流体連絡を可能にする請求項１１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１５】
前記入口縁部が、これを貫通して形成されて前記プレートを通る流体連絡を提供する第２入口開口を含み、前記入口ブリッジ部材の一部分が前記第２入口開口を取り囲んで、前記流れ場を前記第２入口開口から密封する請求項１１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１６】
前記戻り縁部が、これを貫通して形成されて前記プレートを通る流体連絡を提供する第２戻り開口を含み、前記戻りブリッジ部材の一部分が前記第２戻り開口を取り囲んで、前記流れ場を前記第２戻り開口から密封する請求項１５に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１７】
前記入口縁部が、この中に形成されて前記入口ブリッジ部材に隣接する密封表面を含み、前記密封表面と前記第１隆起表面は、前記プレートの前記表面と全体的に平行な一平面内にあって、前記プレートの前記表面から離隔している請求項１１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１８】
前記密封表面が、その中に形成されて前記プレートを通る流体連絡を提供する第２入口開口を有する請求項１７に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項１９】
前記流れ場と対向する前記プレートの一表面上に配置されたシールをさらに含み、前記シールは前記第２入口開口を取り囲み、前記プレートと密封接触する請求項１８に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２０】
前記シールが、前記プレートと密封接触する第２入口ブリッジを含む請求項１９に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２１】
前記戻り縁部が、この中に形成されて前記戻りブリッジ部材に隣接する密封表面を含み、前記密封表面と前記第２隆起表面は、前記プレートの前記表面と全体的に平行な一平面内にあって、前記プレートの前記表面から離隔している請求項１１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２２】
前記密封表面が、その中に形成されて前記薄プレートを通る流体連絡を提供する第２戻り開口を有する請求項２１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２３】
前記流れ場と対向する前記プレートの一表面上に配置されたシールをさらに含み、前記シールは前記第２戻り開口を取り囲み、前記プレートと密封接触する請求項２２に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２４】
前記シールが、前記プレートと密封接触する第２戻りブリッジ部材を含む請求項２３に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２５】
請求項１１に記載の少なくとも１つのセパレータプレート組立体を含む燃料電池。
【請求項２６】
燃料電池において使用するためのバイポーラプレート組立体であって、
第１縁部と、第１流れ場と、第２流れ場とを有するプレートであって、前記第１縁部はこれを貫通して形成された第１開口と第２開口とを備え、前記第１流れ場は前記プレートの第１表面に形成され、前記第２流れ場は前記プレートの第２表面に形成されたプレートと、
前記第１表面上の前記第１縁部と密封接触し、前記第１開口を取り囲んで前記第１開口の周りに第１隆起表面を提供する第１ブリッジ部材であって、中に形成されて前記第１開口から前記第１縁部と前記第１隆起表面との間の前記第１流れ場への流体連絡を提供する第１組のポートを有する第１ブリッジ部材と、
前記第２表面上の前記第１縁部と密封接触し、前記第２開口を取り囲んで前記第２開口の周りに第２隆起表面を提供する第２ブリッジ部材であって、中に形成されて前記第２開口から前記第１縁部と前記第２隆起表面との間の前記第２流れ場への流体連絡を提供する第２組のポートを有する第２ブリッジ部材と
を含むバイポーラプレート組立体。
【請求項２７】
前記第１および第２ブリッジ部材の各々が、前記第１縁部と前記隆起表面との間に延在する周囲壁を含み、前記一組のポートは前記周囲壁の中に形成された請求項２６に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２８】
前記ブリッジ部材が、前記周囲壁から延在して前記表面と密封接触する密封表面をさらに含む請求項２７に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項２９】
前記第１ブリッジ部材が、前記周囲壁の間の前記第１隆起表面に形成されて前記第１縁部と接触する局部的に低下した領域を提供する回旋部をさらに含み、これによって前記第１ブリッジ部材のための支持を提供し、これらの間の流体連絡を可能にする請求項２７に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３０】
前記プレートが第２縁部を有し、前記第２縁部はこの中を貫通して形成された第３開口と第４開口とを備えた請求項２６に記載のセパレータプレート組立体であって、
前記第１表面上の前記第２縁部と密封接触し、前記第３開口を取り囲んで前記第３開口の周りに第３隆起表面を提供する第３ブリッジ部材であって、中に形成されて前記第１流れ場から前記第２縁部と前記第３隆起表面との間の前記第３開口への流体連絡を提供する第３組のポートを有する第３ブリッジ部材と、
前記第２表面上の前記第２縁部と密封接触し、前記第４開口を取り囲んで前記第４開口の周りに第４隆起表面を提供する第４ブリッジ部材であって、中に形成されて前記第２流れ場から前記第２縁部と前記第４隆起表面との間の前記第４開口への流体連絡を提供する第４組のポートを有する第４ブリッジ部材と
を含むセパレータプレート組立体。
【請求項３１】
前記第３および第４ブリッジ部材の各々が、前記第２縁部と前記隆起表面との間に延在する周囲壁を含み、前記一組のポートは前記周囲壁の中に形成された請求項３０に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３２】
前記ブリッジ部材が、前記周囲壁から延在して前記表面と密封接触する密封表面をさらに含む請求項３１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３３】
前記第３ブリッジ部材が、前記周囲壁の間の前記第３隆起表面に形成されて前記第２縁部と接触する局部的に低下した領域を提供する回旋部をさらに含み、これによって前記第３ブリッジ部材のための支持を提供し、これらの間の流体連絡を可能にする請求項３１に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３４】
前記プレートが、前記第１表面の中に形成されて前記第１流れ場を画定する第１組のランドおよびチャネルと、前記第２表面の中に形成されて前記第２流れ場を画定する第２組のランドおよびチャネルとを含む請求項３０に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３５】
前記プレートが、前記第１表面の中の第１組のランドが前記第２表面の中の前記第２組のチャネルに対応し、前記第１表面の中の前記第１組のチャネルが前記第２表面の中の前記第２組のランドに対応するように、薄い打出しプレートを含む請求項３４に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３６】
前記第１流れ場が、前記第１開口と前記第３開口との間に単一パス蛇行流れ経路を提供し、前記第２流れ場が、前記第２開口と前記第４開口との間に単一パス蛇行流れ経路を提供する請求項３５に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３７】
前記プレートが、前記第１表面の中に形成されて前記第１流れ場を画定する第１組のランドおよびチャネルと、前記第２表面の中に形成されて前記第２流れ場を画定する第２組のランドおよびチャネルとを含む請求項２６に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３８】
前記プレートが、前記第１表面の中の第１組のランドが前記第２表面の中の前記第２組のチャネルに対応し、前記第１表面の中の前記第１組のチャネルが前記第２表面の中の前記第２組のランドに対応するように、薄い打出しプレートを含む請求項３７に記載のセパレータプレート組立体。
【請求項３９】
請求項２６に記載の少なくとも１つのセパレータプレート組立体を含む燃料電池。
【請求項４０】
燃料電池において使用するためのバイポーラプレート組立体であって、
第１縁部と第１流れ場とを有する第１プレートであって、前記第１縁部はそれを貫通して形成された第１開口と第２開口とを備え、前記第１流れ場は前記第１プレートの第１表面に形成された第１プレートと、
第２縁部と第２流れ場とを有する第２プレートであって、前記第２縁部はそれを貫通して形成された第３開口と第４開口とを備え、前記第２流れ場は前記第２プレートの第２表面に形成され、前記第２プレートが、前記第１流れ場と前記第２流れ場が外向きに面するように、前記第１プレートに対して対向する関係で位置付けられている第２プレートと、
前記第１表面上の前記第１縁部と密封接触し、前記第１開口を取り囲んで前記第１開口の周りに第１隆起表面を提供する第１ブリッジ部材であって、中に形成されて前記第１開口から前記第１縁部と前記第１隆起表面との間の前記第１流れ場への流体連絡を提供する第１組のポートを有する第１ブリッジ部材と、
前記第２表面上の前記第２縁部と密封接触し、前記第２開口を取り囲んで前記第２開口の周りに第２隆起表面を提供する第２ブリッジ部材であって、中に形成されて前記第２開口から前記第２縁部と前記第２隆起表面との間の前記第２流れ場への流体連絡を提供する第２組のポートを有する第２ブリッジ部材と
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に挟まれて、これらと密封接触する第３ブリッジ部材であって、前記第１開口と前記第３開口とを取り囲む第３ブリッジ部材と、
前記第１プレートと前記第２プレートとの間に挟まれて、これらと密封接触する第４ブリッジ部材であって、前記第２開口と前記第４開口とを取り囲む第４ブリッジ部材と
を含むバイポーラプレート組立体。
【請求項４１】
前記第１プレートと前記第２プレートが共に固着されて、これらの間に囲まれた容積を形成する請求項４０に記載のバイポーラプレート。
【請求項４２】
前記第１プレートは、前記第１縁部の中に形成されてこれを通って流体連絡を提供する第５開口を有し、前記第２プレートは、前記第２縁部の中に形成されてこれを通って流体連絡を提供する第６開口を有し、前記第３および第４ブリッジ部材の１つは前記第５開口および前記第６開口を取り囲む請求項４１に記載のバイポーラプレート。
【請求項４３】
前記第３および第４ブリッジ部材の前記１つが、その中に形成されて前記第５および第６開口と前記囲まれた容積との間の流体連絡を提供する一組のポートを有する請求項４２に記載のバイポーラプレート。
【請求項４４】
請求項４０に記載の少なくとも１つのバイポーラプレートを含む燃料電池。
【請求項４５】
燃料電池のセパレータプレートにおける流れ場の外形であって、
複数のチャネルを有する流れ場と、
前記流れ場と第１ヘッダとの間に流体連絡を提供する第１フィードと、
前記流れ場と第２ヘッダとの間に流体連絡を提供する第２フィードと
を含み、
前記第１および第２フィードの１つは、それぞれのヘッダから前記表面に沿って先細となった端部分を有し、前記端部分と前記それぞれのヘッダとの間の距離は前記表面に沿って変化する、流れ場の外形。
【請求項４６】
前記第１および第２フィードの各々が、それぞれのヘッダから前記表面に沿って先細となった端部分を有し、前記端部分と前記それぞれのヘッダとの間の距離は前記表面に沿って変化する、請求項４５に記載の流れ場の外形。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、具体的には、流れ場を上に有する打出しプレートと、密封支持表面および燃料電池のプレート上のヘッダと流れ場との間に反応物の配送用の流れ経路を提供する打出しブリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途において電源として使用されている。例えば、燃料電池は、内燃機関に代る電動車両用発電設備における使用のために提案されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。ＰＥＭ燃料電池は膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、ＭＥＡは、薄いプロトン伝導性の非導電性固体ポリマー電解質膜を含み、この電解質膜は、一方の面にアノード触媒を有し、反対側の面にはカソード触媒を有する。ＭＥＡは、一対の非多孔質導電性エレメントすなわちプレートの間に挟まれ、これらのエレメントは、（１）アノードおよびカソードのための集電板として働き、（２）それぞれのアノード触媒とカソード触媒の表面にわたって燃料電池のガス状反応物を分配するための、中に形成された適切なチャネルおよび／または開口部を含む。
【０００３】
用語「燃料電池」は一般的に、文脈に応じて単一のセルまたは複数のセル（スタック）のいずれかを示すために使用される。複数の個別セルが一般的に共に束にされて燃料電池スタックを形成し、通常は電気的に直列に配置される。スタック内の各セルは、前述の膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含み、このようなＭＥＡは各々その電圧増分を提供する。スタック内の隣接電池の群はクラスタと呼ばれる。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）はアノード反応物（すなわち燃料）であり、酸素はカソード反応物（すなわち酸化剤）である。酸素を、純粋な形（Ｏ２）または空気（Ｏ２とＮ２の混合物）のいずれかにすることができる。固体ポリマー電解質は一般的に、ペルフルオロ化スルフォン酸などのイオン交換樹脂から作られる。アノード／カソードは一般的に、微粉砕した触媒粒子を含み、触媒粒子はしばしば炭素粒子で支持され、プロトン伝導性樹脂と混合される。触媒粒子は、通常、高価な貴金属粒子である。したがって、これらのＭＥＡは製造するには比較的高価であり効果的な動作のために、適正な水管理と湿度、および一酸化炭素（ＣＯ）などの触媒汚損構成物質の制御を含む、ある一定の条件を必要とする。
【０００５】
ＭＥＡを挟む導電性プレートは、その面に溝のアレイを含んでもよく、溝のアレイは、それぞれのカソードおよびアノードの表面にわたって燃料電池のガス状反応物（すなわち水素と酸素）または冷媒を分配させるための流れ場を画定する。これらの反応物流れ場は一般に、複数の流れチャネルを間に画定する複数のランドを含み、これらの流れチャネルを通ってガス状反応物が、流れチャネルの一端部にある供給ヘッダから、流れチャネルの反対端部にある排出ヘッダへ流れる。流れ場へ流れる流体は、流体がプレートの両面の一部分に沿って流れるように、プレートの上の開口部を通過する。しかし、開口部を通る流体の流れは、結果的に望ましくない損失エネルギーを表す圧力低下となる。
【０００６】
一般的に、非導電性ガスケットまたはシールが、燃料スタックのいくつかのプレートの間の密封および電気的絶縁を提供する。さらに、シールは、供給ヘッダからそれぞれのアノード流れ場とカソード流れ場の面へのガス状反応物のための流れ経路を提供する。慣習的に、シールはゴムなどの成形された従順な材料を含む。しかし、成形されたゴムシールは、数分間の硬化時間を必要とすることや、フロッピシールをプレートの上に急速かつ正確に置くことが困難であるため、大量製造には適さない。その上、成形されたゴムシールは、流れ場とヘッダの間の単一片プレート部分の上の密封支持特性が欠けているため、単一片導電性プレートと共に使用するように導電性がない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、燃料電池プレート上のヘッダと流れ場との間に流れ経路を画定する打出しブリッジ部材を対象とする。本発明の原理によるブリッジ部材はまた、プレートを隣接プレートまたはＭＥＡに対して密封するためにシールを上に位置付けることができる支持表面も提供する。本発明はまた、プレートの単一表面上の供給ヘッダと戻りヘッダとの間を流れる流体を維持する２つの表面の上に流れ場を有する、打出しプレートにも向けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原理による燃料電池は、流れ場部分を有する少なくとも１つのプレートを含み、流れ場部分の上に流れ場がある。流れ場は、プレートの一表面に沿って流体を向ける。少なくとも１つの開口を有する少なくとも１つのヘッダ部分もあり、この開口を通じて流体が流れる。開口を囲み、プレートの表面に密封された少なくとも１つのブリッジ部材がある。ブリッジ部材はその中に複数の通路を有し、これらの通路を通って流体が開口と流れ場との間を流れる。
【０００９】
別の態様では、本発明の原理による燃料電池は、流れ場部分を有するプレートを含み、流れ場部分の上に流れ場がある。流れ場は、プレートの一表面に沿って流体を向ける。少なくとも１つの開口を有する少なくとも１つのヘッダ部分があり、この開口を通じて流体が流れる。開口から表面に沿って先細になった流れ場の端部の部分もある。流れ場の端部の部分と開口との間の距離は表面に沿って変化する。
【００１０】
本発明の原理による他の態様では、燃料電池は、対向する第１表面と第２表面を有する少なくとも１つのプレートを含む。プレートは、供給ヘッダ部分と戻りヘッダ部分とを有する。表面の各々は流れ場部分を有する。流体をプレートに供給するために、供給ヘッダ部分の中に複数の供給開口がある。供給開口によってプレートに供給される流体を受け入れるために、戻りヘッダ部分の中に複数の戻り開口もある。第１流れ場が、第１表面の流れ場部分の上に位置する。第１流れ場は、第１表面を横切って第１流体を向ける。第１流れ場は、ランドによって分離された複数のチャネルを有し、第１流体はこれらのチャネルを流れる。第２流れ場が、第２表面の流れ場部分の上に位置し、第２流れ場は、第２表面を横切って第２流体を向ける。第２流れ場は、ランドによって分離された複数のチャネルを有し、第２流体はこれらのチャネルを流れる。第１流れ場のチャネルとランドはそれぞれ、第２流れ場のランドとチャネルを形成し、この結果、第２流れ場は第１流れ場の逆となる。第１流体および第２流体は、供給開口と戻り開口と間を流れるとき、それぞれ第１表面および第２表面の上に残る。
【００１１】
本発明のさらなる適用可能分野は、後で提供される詳細な説明から明らかになろう。詳細な説明と特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すものであるが、例示的な目的を意図するだけであり、本発明の範囲を限定しようとするものではないことを理解されたい。
【００１２】
本発明は、以下の詳細な説明と添付の図面からさらに完全に理解されることになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施形態の下記の説明は、本質的に単に例示的なもので、決して本発明、その適用、または使用を限定しようとするものではない。
図１は、本発明の原理による燃料電池スタック２０の分解図を示す。スタック２０は、反復して配置された２つの異なるプレートで構成されている。具体的には、燃料電池２０は、複数のＡプレート２２と複数のＢプレート２４とを有し、これらのプレートは反復順序で配置され、互いに上下に積み重ねられた燃料電池を形成する。プレート２２、２４は非多孔質で導電性のプレートである。ユニット化されたＭＥＡ２６が隣接するプレート２２、２４の間に位置している。ユニット化された各ＭＥＡ２６は、図２に示すように、ＭＥＡ２８、一対のガスケット３０、および一対の拡散媒体シート３２を含む。ＭＥＡ２８は非導電性ガスケットであるガスケット３０の間に位置し、ガスケットは燃料電池スタックのいくつかのプレートの間の密封と電気的絶縁を提供する。拡散媒体シート３２は、ＭＥＡ２８の活性表面を覆うように、ＭＥＡ２０の主表面の上に位置する。拡散媒体シート３２は多孔質でガスを透過する導電性シートであり、ＭＥＡ２８の電極面に対して押圧され、電極のための一次集電板として働く。拡散媒体シート３２はまた、特にＭＥＡ２８が、そうでなければ流れ場の中に支えられない個所において、ＭＥＡ２８のための機械的支持を行う。適切な拡散媒体シート３２は、カーボン／グラファイト、紙／布、細かいメッシュの貴金属製スクリーン、連続気泡貴金属発泡体などを含み、電極からの電流を伝達し、一方でそこを通してガスを通す。ＭＥＡ２８、ガスケット３０、および拡散媒体シート３２は共に予め組み立てられ、ユニット化されたＭＥＡ２６を形成し、ユニット化されたＭＥＡ２６は隣接プレート２２、２４の間で使用され、燃料電池のスタック２０を形成する。
【００１４】
プレート２２、２４は、Ａプレート２２の第１表面３４が常にユニット化されたＭＥＡ２６に面し、カソード反応ガスが第１表面３４とユニット化されたＭＥＡ２６との間を流れるように、特定の順序で配置される。Ａプレート２２の第２表面３６は、ユニット化されたＭＥＡ２６に面するか、Ｂプレート２４の第１表面３８に面するかのいずれかであり、ユニット化されたＭＥＡ２６に面する場合には、アノード反応ガスが第２表面３６とユニット化されたＭＥＡ２６との間を流れ、Ｂプレート２４の第１表面３８に面する場合には、冷媒がＡプレート２２の第２表面３６とＢプレート２４の第１表面３６との間を流れる。Ａプレート２２の第２表面３６がＢプレート２４の第１表面３８に面すると、２枚のプレートは両極性冷媒プレート３９を形成し、このプレート３９は、冷媒プレートの外表面の上に位置するユニット化されたＭＥＡ２６からの熱を除去する。Ｂプレート２４は、第１表面３８が常にＡプレート２２の第２表面３６に面し、Ｂプレート２４の第１表面３８とＡプレート２２の第２表面３６との間を流れる冷媒を有するように、配置される。Ｂプレート２４の第２表面４０は常に、ユニット化されたＭＥＡ２６に面し、第２表面４０とユニット化されたＭＥＡ２６との間を流れるアノード反応ガスを有する。
【００１５】
複数のブリッジ部材があり、これらのブリッジ部材は、プレート２２、２４のヘッダ部分に置かれ、ヘッダ部分における１つまたは複数の開口を取り囲む。詳しくは、カソードブリッジ部材４２、冷媒ブリッジ部材４４、アノードブリッジ部材４６、およびノーフローアノードブリッジ部材４８がある。ブリッジ部材４２、４４、４６、４８はプレート２２、２４のヘッダ部分に置かれて、ユニット化されたＭＥＡ２６のガスケット部材の支持表面を提供し、後で論述するように、プレート２２、２４のヘッダ部分における開口の間の所望の流れ経路と、プレート２２、２４上の流れ場とを提供する。
【００１６】
図３Ａおよび３Ｂ、４Ａおよび４Ｂ、５Ａ〜Ｄ、および７Ａでは、高さの変化があり、高いまたは隆起した表面を表す暗い線は、より低い表面を表す明るいまたは細い線より高いところにある。言い換えれば、暗い線と明るい線との間には高さの差があり、暗い線は図示した図ではより高い高度を表す。
【００１７】
次に図３Ａおよび３Ｂを参照すると、Ａプレート２２の第１および第２表面３４、３６が詳細に示されている。Ａプレート２２は、全体的にＡプレート２２の中央に位置する流れ場部分５０と、Ａプレート２２の一端の縁部近くに位置する供給へッダ部分５２と、Ａプレート２２の他端の縁部近くに位置する戻りヘッダ部分５４とを有する。供給へッダ部分５２は複数の供給開口５６、５８、６０を含み、これらの供給開口を通じて、カソード反応ガス（酸素または空気）、冷媒、およびアノード反応ガス（水素）がそれぞれ流れる。同様に、戻りヘッダ部分５４は、戻り開口６２、６４、６６を含み、これらの戻り開口を通じて、カソード反応ガス、冷媒、およびアノード反応ガスがそれぞれ流れる。供給ヘッダ部分５２における開口５６、５８、６０は、所望の流体をＡプレート２２の表面に供給する働きをするが、開口６２、６４、６６は、後で論述するようにＡプレート２２にわたって流れる流体を受け入れる働きをする。第１流れ場６８が、Ａプレート２２の第１表面３４の流れ場部分５０に位置している。第１流れ場６８は、ユニット化されたＭＥＡ２６を支持する働きをする複数のランド７０と、これらの間にあって第１流れ場６８を通って流れる流体のための流れ経路を提供する複数のチャネル７２とを含む。上記のように、Ａプレート２２の第１表面３４は常にユニット化されたＭＥＡ２６に面し、第１流れ場６８におけるチャネル７２を通って流れるカソード反応物を常に受け入れることになる。
【００１８】
同様に、図３Ｂに示すように、第２流れ場７４が、Ａプレート２２の第２表面３６の流れ場部分５０に位置している。第２流れ場７４は、後で説明するように、ユニット化されたＭＥＡ２６を支持するかまたはＢプレート２４の第１表面３８の対向するランドに接触する複数のランド７６を有する。第２流れ場７４はまた、後で説明するように、ランド７６の間に複数のチャネル７８を有し、これらのチャネルを通じてアノード反応ガスまたは冷媒のいずれかが流れる。
【００１９】
Ａプレート２２は、ステンレス鋼などの丈夫な金属シートから打出し加工されることが好ましく、低い電気的接触抵抗を与えるために導電性材料によって被覆される。Ａプレート２２は打出し加工されるので、第１表面３４のランドとチャネル７０、７２は、第２表面３６のそれぞれのチャネルとランド７８、７６を形成する。言い換えれば、第１表面３４の各チャネル７２は第２表面３６のランド７６に対応する一方で、第１表面３４の各チャネル７２は第２表面３６のランド７６に対応する。この結果、第２流れ場７４は第１流れ場６８の逆となる。流れ場６８、７４は、供給へッダ部分５２と戻りヘッダ部分５４との間を流れる流体のための単一パス蛇行流れ経路を提供する。
【００２０】
Ａプレート２２の各表面３４、３６はそれぞれの周辺密封表面８０、８２を有し、第２表面３６上の密封表面８２は第１表面３４上の密封表面８０よりも広い。密封表面８０、８２は、隣接するユニット化されたＭＥＡ２６に対して、またはＢプレート２２の対向する表面に対して密封するために使用される。
【００２１】
流れ場６８、７２の端部分はそれぞれの第１および第２表面３４、３６に沿ってそれぞれの冷媒開口６０、６４に向って延在するにつれて、ヘッダ部分５２、５４に隣接する第１および第２流れ場６８、７４の端部分の大部分はそれぞれのカソード開口５６、６２から先細になっている。流れ場６８、７４の端部分の先細は、最大数のチャネルに供給する流れ場の端部分に沿ってより大きな流れ体積を提供するが、少数のチャネルに供給する流れ場の端部分に沿って流れ体積を減少させる。言い換えれば、流れ場の端部分の先細は、冷媒開口５８から流れ場のチャネルの中への冷媒の流れを容易にし、適切な流量の冷媒がすべてのチャネルを通って流れる。同様に、戻りヘッダ部分５４に隣接する流れ場の端部の先細は、チャネルを通って冷媒戻り開口６４の中へ流れる冷媒の収集を容易にする。こうして、流れ場の端部分の先細は、流れ場を含むさまざまなチャネルを通る冷媒のさらに均一な分配と流れを容易にする。
【００２２】
次に図４Ａおよび４Ｂを参照すると、Ｂプレート２４のそれぞれの第１および第２表面３８、４０が示されている。Ｂプレート２４は、Ｂプレート２４の表面を横切って流体を向けるための流れ場部分９０と、流体をＢプレート２４に供給するための供給へッダ部分９２と、Ｂプレート２４を横切って流れる流体を受け入れるための戻りヘッダ部分９４とを含む。供給へッダ部分９２は複数の開口９６、９８、１００を有し、これらの開口を通じて、カソード反応ガスと、冷媒流体と、アノード反応ガスがそれぞれ流れる。同様に、戻りへッダ部分９４は複数の戻り開口１０２、１０４、１０６を有し、これらの開口はそれぞれ、Ｂプレート２４の表面を横切って流れたカソード反応ガスと、冷媒流体と、アノード反応ガスを受け入れる。
【００２３】
Ｂプレート２４の第１表面３８の上の流れ場部分９０に第１流れ場１０８がある。第１流れ場１０８は複数のランド１１０を含み、これらのランドは、Ａプレート２２の第２表面３６上のランド７６および各ランド１１０間の複数のチャネル１１２と係合し、これらを通って冷媒流体が流れる。隣接するＡプレート２２の第２表面３６上のランド７６と係合するように設計されたＢプレート２４の第１表面３８上のランド１１０によって、Ｂプレート２４上の第１流れ場１０８は、実質的にＡプレート２２上の第２流れ場７４の鏡像となる。言い換えれば、第１流れ場１０８の大部分はＡプレート２２上の第２流れ場７４の大部分の鏡像であり、したがって、Ａプレート２２の第２表面３６がＢプレート２４の第１表面３８に隣接して置かれると、Ａプレート２２上のランド７６は全体的に、Ｂプレート２４上のランド１１０と整合して係合し、それぞれのチャネル７８、１１２もまた全体的に整合し、したがって冷媒流体は組み合わせられたチャネル７８、１１２を通って流れることができ、これらの組合せチャネルは組合せランド７６、１１０によって分離される。第２流れ場１１４が、Ｂプレート２４の第２表面４０の流れ場部分９０の上に位置する。第２流れ場１１４は、ユニット化されたＭＥＡ２６を支持する複数のランド１１６と、各ランド１１６の間の複数のチャネル１１８とを含み、これらのチャネルを通じてアノード反応ガスが、アノード供給開口１００とアノード戻り開口１０６との間を流れる。
【００２４】
Ｂプレート２４の第１および第２表面３８、４０は各々、それぞれの周辺密封表面１２０、１２２を有する。第１表面３８上の密封表面１２０は第２表面４０上の密封表面１２２よりも広い。Ｂプレート２４の第１表面３８上の密封表面１２０は、後で説明するように、隣接するＡプレート２２の第２表面３６上の密封表面８２と係合する。Ｂプレート２４の第２表面４０上の密封表面１２２は、ユニット化されたＭＥＡ２６に対して密封する。
【００２５】
Ｂプレート２４もまた、ステンレス鋼などの丈夫な金属シートから打出し加工されることが好ましく、低い電気的接触抵抗を与えるために導電性材料によって被覆される。Ｂプレート２４は打出し加工されるので、第１流れ場１０８の第１表面３８のランド１１０とチャネル１１２は、第２流れ場１１４のそれぞれのチャネル１１８とランド１１６を形成する。言い換えれば、第１表面３８上のランド１１０は第２表面４０上のチャネル１１８に対応する一方で、第１表面３８上のチャネル１１２は第２表面４０上のランド１１６に対応する。この配置によって、第２流れ場１１４は第１流れ場１０８の逆となる。流れ場１０８、１１４は、供給へッダ部分９２と戻りヘッダ部分９４との間を流れる流体のための単一パス蛇行流れ経路を提供する。
【００２６】
次に図５Ａ〜Ｄを参照すると、ブリッジ部材４２、４４、４６、４８の平面図が示されている。ブリッジ部材は、Ａプレート２２とＢプレート２４において１つまたは複数の開口の周りにシールを提供し、また後で説明するように、隣接するプレートまたはユニット化されたＭＥＡ２６の間を密封するために密封部材を上に置くことができる、支持表面を提供するために、プレートの隆起部分と同じ高さになるように設計されている。各ブリッジ部材４２、４４、４６、４８はプレート２２、２４の表面の１つに取り付けられる。各ブリッジ部材４２、４４、４６、４８を、接着剤によって、ろう付けによって、またはその他の手段によってプレート２２、２４の表面に取り付けることができる。その上、ブリッジ部材４２、４４、４６、４８は、ブリッジ部材とプレートとの間に流体密シールを提供する接着性被覆を有することができる。ブリッジ部材４２、４４、および４６は、ヘッダ部分における開口の１つと流れ場との間に流体通路を提供して、流体が開口と流れ場との間を流れることを可能にする。しかし、ノーフローアノードブリッジ部材４８は流体通路を提供しないが、ノーフローアノードブリッジ部材４８が回りに位置付けられたアノード開口の先までアノード反応ガスが流れることを防止する。
【００２７】
ブリッジ部材４２、４４、４６、４８は、ステンレス鋼などの丈夫な金属から打出し加工されることが好ましい。ブリッジ部材４２、４４、４６、４８の打出し加工は、高さが異なる２つのレベルを提供し、一方の側の低いスポットは他方の側の高いスポットに対応し、その逆もまた同じである。ブリッジ部材４２、４４、４６、４８を製造するための打出し金属の使用は、燃料電池と燃料電池スタック組立てに使用するためのブリッジ部材の低コストで効率的な大量生産方法を提供する。
【００２８】
次に図５Ａを参照すると、カソードブリッジ部材４２が示されている。カソードブリッジ部材４２は、Ａプレート２２の第１表面３４とユニット化されたＭＥＡ２６との間に挿入されている。カソードブリッジ部材４２は、Ａプレート２２の第１表面３４上のヘッダ部分５２、５４の中に嵌合する一方で、その中でカソード開口と冷媒開口の両方を取り囲むように、構成されている。カソードブリッジ部材４２は、カソード開口部１３０と冷媒開口部１３２とを含み、これらの開口部は、カソードブリッジ部材４２が上に位置付けられたヘッダ部分におけるそれぞれのカソード開口と冷媒開口を取り囲み、カソード反応ガスと冷媒流体が隣接プレートのヘッダ部分全体にわたって流れることを可能にする。カソードブリッジ部材４２は、カソードブリッジ部材４２の周囲に沿って延在する下部周辺密封表面１３４と、冷媒開口の周辺を取り囲む下部冷媒密封表面１３６と、カソード開口の周辺を取り囲む下部カソード密封表面１３８とを含む。上述のように、カソードブリッジ部材４２は、接着剤やろう付けなどによってプレートに密封式に固定される。カソードブリッジ部材４２のプレートに対する密封は、結果的に、下部密封表面１３４、１３６、１３８がプレートの表面に対する流体密シールを形成することになり、これによって、ヘッダ部分からその上の流れ場への流れを防止する。同様に、カソードブリッジ部材４２は上部密封表面１４０を有し、上部密封表面１４０はカソードブリッジ部材４２の周辺に沿って延在し、冷媒開口部１３２の周辺とカソード開口部１３０の周囲とを取り囲む。上部密封表面１４０は高くなった支持表面を提供し、この支持表面は、アノード開口を取り囲むヘッダ部分の隆起区域と実質的に同じ高さにあり、これによって、Ａプレート２２に位置付けたときに、ユニット化されたＭＥＡ２６に対して密封されることができる実質的に平坦な表面を提供する。したがって、図６Ｂに示すように、カソードブリッジ部材４２は、上部密封表面と下部密封表面とを有し、これらの表面を使用して、Ａプレート２２の第１表面３４の各ヘッダ部分５２、５４の区分とユニット化されたＭＥＡ２６との間に、それぞれの流体密シールを提供する。
【００２９】
上部および下部密封表面を提供することに加えて、カソードブリッジ部材４２はまた、カソード供給開口５６から第１流れ場６８へ、およびカソード戻り開口６２の中へのカソード反応ガスの流れも可能にする。この流れを容易にするために、カソードブリッジ部材４２は、図５Ａおよび６Ａに示すように、カソード開口部１３０に隣接する内部周囲壁１４０ｉの中に形成された第１組のポート１４６と、第１流れ場６８に隣接する外部周囲壁１４０ｏの中に形成された第２組のポート１４８とを有する。通路１４６、１４８は、カソードブリッジ部材４２において、上部密封表面１４０と下部密封表面１３８、１３４との間に開口部を示す。これらの開口部によって、カソード反応ガスは、供給ヘッダ部分５２の上に位置すると、カソード開口から第１組の通路１４６を通って、次にカソードブリッジ部材４２とＡプレート２２の第１表面３４との間を、次に第２組の通路１４８を通って、それから第１流れ場６８のチャネル７２の中へ流れることができ、戻りヘッダ部分５４の上に位置するとこの逆である。図５Ａおよび６Ｃに示すように、第１および第２通路１４６、１４８の間に上部密封表面の大きなスパン部分のための追加支持を備えるために、カソードブリッジ部材は複数の回旋部１５２を含み、これらの回旋部１５２は上部高位と下部高位との間に延在して、Ａプレート２２の第１表面とカソードブリッジ部材４２の上部密封表面１４０との間の支持を提供する。言い換えれば、回旋部１５２は、Ａプレート２２の第１表面３４と接触している下部分１５４と、カソードブリッジ部材４２の上部密封表面１４０に一部分を形成する上部分１５６とを含む。図６Ｃに示すように、回旋部１５２の端部は開いて、これによりカソード反応ガスがこれを通って流れることができる。回旋部１５２は全般的に、カソード開口と流れ場との間のカソード反応物の流れの方向に向いており、カソード反応ガスの流れの妨害を最小にする。したがって、カソードブリッジ部材４２は、上部密封表面を提供するブリッジを形成し、上部密封表面は、Ａプレート２２の第１表面３４上の隆起した高さ機構（ｆｅａｔｕｒｅ）と同一平面にあり、Ａプレート２２の第１表面３４とカソードブリッジ部材４２の上部表面との間のカソード反応ガスの流れを可能にし、冷媒流体が第１流れ場６８に入ることを防止する。
【００３０】
次に図５Ｂを参照すると、冷媒ブリッジ部材４４が示されている。冷媒ブリッジ部材４４は、カソードブリッジ部材４２と同じ周囲輪郭を有している。冷媒ブリッジ部材４４は、冷媒プレート３９を形成すると、Ｂプレート２４の第１表面３８とＡプレート２２の第２表面３６との間に挿入される。冷媒ブリッジ部材４４は、冷媒開口とカソード開口とを中に取り囲むＢプレート２４の第１表面３８の上のヘッダ部分の中に嵌合するように構成されている。冷媒ブリッジ部材４４は、Ｂプレート２４の第１表面３８におけるカソード開口を取り囲むように構成されたカソード開口部１６０と、Ｂプレート２４の第１表面３８における冷媒開口を取り囲むように構成された冷媒開口部１６２とを含む。冷媒ブリッジ部材４４は、冷媒ブリッジ部材４４の周囲に沿って延在する下部周辺密封表面１６４と、冷媒開口部１６２の周囲の周りに延在する下部冷媒密封表面１６６と、カソード開口部１６０の周りに延在する下部カソード密封表面１６８とを含む。下部密封表面１６４、１６６、１６８は、接着剤、ろう付け、またはその他の類似の方法によってＢプレート２４の第１表面３８に対して密封され、上述のように流体密シールを提供する。冷媒ブリッジ部材４４は上部密封表面１７０を有し、上部密封表面１７０は、冷媒ブリッジ部材４４の周囲に沿って延在し、冷媒開口部１６２の周囲とカソード開口部１６０の周囲とを取り囲む。上部密封表面１７０は高くなった支持表面を提供し、高くなった支持表面は、アノード開口を取り囲むヘッダ部分の隆起区域と実質的に同一平面にあり、これによって、冷媒プレート３９を形成するとＡプレート２２の第２表面３６上のヘッダ部分の隆起区域に対して密封することができる、実質的に平坦な表面を提供する。上部密封表面１７０は、これに付着されたエラストマ材料または密封接着剤を有し、上部密封表面１７０とＡプレート２２の第２表面３６上のヘッダ部分の隆起区域との間の密封を容易にする。したがって、冷媒ブリッジ部材４４は上部および下部密封表面を有し、これらの密封表面は、Ｂプレート２４の第１表面３８の各ヘッダ部分９２、９４の区分とＡプレート２２の第２表面３６のヘッダ部分５２、５４の隆起区分との間に、それぞれの流体密シールを提供するために使用される。
【００３１】
冷媒ブリッジ部材４４は、冷媒開口部１６２の周囲に隣接して置かれた第１組のポート１７６と、冷媒ブリッジ部材４４の周囲の一部分に沿って置かれた第２組のポート１７８とを含み、冷媒ブリッジ部材４４は、Ｂプレート２４の上に置かれると第１流れ場１０８に隣接する。第１組および第２組のポート１７６、１７８によって、冷媒流体は冷媒開口９８、１０４とＢプレート２４の第１流れ場１０８との間を流れることができる。冷媒流体が第１ポート１７６と第２ポート１７８との間を流れると、冷媒流体はＢプレート２４の第１表面３８と冷媒ブリッジ部材４４の上部密封表面１７０の下側との間を流れる。冷媒ブリッジ部材４４はまた複数の回旋部１８２を含み、回旋部１８２は上部分１８４と下部分１８６とを有し、これらの部分は上部密封表面１７０にカソード開口部１６０と第２組のポート１７８との間で追加の支持を提供する。回旋部１８２は全体的に、全カソード開口部１６０に平行に延在するように配置され、これによって概ね冷媒流体の流れ方向と平行になり、第１組のポート１７６と第２組のポート１７８との間を流れる冷媒流体に対する障害を最小にする。したがって、冷媒ブリッジ部材４４は、Ｂプレート２４の第１表面３８上の凹所ヘッダ部分とＡプレート２２上の第２表面３６の隆起ヘッダ部分との間の流体密シールを提供し、カソード反応物がＢプレート２４の第１流れ場１０８に入ることを防止し、冷媒流体が冷媒供給開口９８から第１流れ場１０８を通って冷媒流体戻り開口１０４の中に流れることを可能にする。
【００３２】
次に図５Ｃを参照すると、アノードブリッジ部材４６が示されている。アノードブリッジ部材４６は、Ａプレート２２の第２表面３６とユニット化されたＭＥＡ２６との間、またはＢプレート２４の第２表面４０とユニット化されたＭＥＡ２６との間のいずれかに挿入されている。アノードブリッジ部材４６は、プレート２２、２４上の第２表面３６、４０の凹所ヘッダ部分の中に嵌合するように構成され、その中にアノード開口を取り囲む。アノードブリッジ部材４６はアノード開口部１９０を有し、アノード開口部１９０は、プレート２２、２４の上に置かれると、プレート２２、２４のアード開口を取り囲む。アノードブリッジ部材４６は、アノードブリッジ部材４６の周囲に沿って延在する下部周辺密封表面１９２と、アノード開口部１９０の周囲の周りに延在する下部アノード密封表面１９４とを含む。下部密封表面１９２、１９４は、接着剤またはろう付けなどによってプレート２２、２４の第２表面３６、４０に対して密封され、これらの間に流体密シールを提供する。アノードブリッジ部材４６はまた上部密封表面１９６も有し、上部密封表面１９６は、ユニット化されたＭＥＡ２６と係合し、これらの間に流体密シールを提供する。上部密封表面１９６は高くなった密封表面を提供し、この高くなった密封表面は、それぞれのＡプレート２２またはＢプレート２４の１つの上の第２表面３６、４０上のカソード開口および冷媒開口を取り囲むヘッダ部分の隆起区域と実質的に同一平面にあり、ユニット化されたＭＥＡ２６に対して密封することができる高くなった密封表面を提供する。上部密封表面１９６を通って延在する一組のポート１９８があり、これによってアノード反応ガスはアノード開口とプレート上の流れ場との間を流れることができる。こうして、アノードブリッジ部材４６は上部および下部密封表面を提供し、これらの表面はプレート２２、２４の表面とユニット化されたＭＥＡ２６の間に流体密シールを形成する一方で、アノード反応物開口とその上の流れ場との間をアノード反応ガスが流れることを可能にし、同時に冷媒が流れ場の中に流入することを防止する。
【００３３】
次に図５Ｄを参照すると、ノーフローアノードブリッジ部材４８が示されている。ノーフローアノードブリッジ部材４８は、冷媒プレート３９を形成するとき、Ａプレート２２の第２表面３６とＢプレート２４の第１表面３８との間に挿入される。ノーフローアノードブリッジ部材４８は、Ａプレート２２の第２表面３６の上の凹所ヘッダ部分の中に置かれて、その上のアノード開口を取り囲むように構成されている。ノーフローアノードブリッジ部材４８は、これが固着されているプレートの上の流れ場を通るアノード反応物の流れを防止する。ノーフローアノードブリッジ部材４８はアノード開口部２０を含み、アノード開口部２００は、ノーフローアノードブリッジ部材４８が上に置かれているプレートの上のアノード開口を取り囲む。ノーフローアノードブリッジ部材４８はまた、ノーフローアノードブリッジ部材４８の周囲を取り囲む下部周辺密封表面２０２と、アノード開口部２００の周囲を取り囲む下部アノード密封表面２０４と、これらの間にあってアノード開口部２００を取り囲む上部密封表面２０６とを有する。下部密封表面２０２、２０４は、上に論述したように、接着剤によって、またはろう付けによってＡプレート２２の第２表面３６に対して密封されている。上部密封表面２０６は、Ａプレート２２上の第２表面３６上のヘッダ部分における高くなった区分と同一平面にある密封表面を提供する。上部密封表面２０６は、接着性またはエラストマ材料を備え、上部表面２０６と、Ｂプレート２４の第１表面３８上のアノード開口を取り囲む高くなったヘッダ部分との間の、流体密係合を提供する。しかし、ノーフローアノードブリッジ部材４８はポートを全く含まず、これが取り囲むアノード開口と隣接流れ場との間を流体が流れないようにする。したがって、ノーフローアノードブリッジ部材４８は、ヘッダ部分を通るアノード反応ガスの流れを可能にするが、アノード反応ガスが隣接流れ場を通って流れることは可能にしないための、ガスケットまたは封止部材として作用する。
【００３４】
次に図１を参照して、燃料電池スタック２０の構造を論述する。Ａプレート２２およびプレート２４は、繰返しパターンで配置され、互いに隣接して燃料電池スタック２０を形成する複数の燃料電池を形成する。詳しくは、プレート２２、２４がＢＡＡＢＡの反復パターンで配置され、このパターンは燃料電池スタックを形成し、後で論述するように各ユニット化されたＭＥＡ２６はその片側で冷却される。所望の数の燃料電池のスタックを提供するために、このパターンを繰り返すか、または減らすこともできる。
【００３５】
本発明の原理による燃料電池の形成に関する下記の論述を、Ｂプレート２４の使用から始める。しかし、この論述は単に例示的なものであって、本発明を説明するためにその他の出発点を使用することもできることを理解されたい。第１燃料電池は、ユニット化されたＭＥＡ２６を対向するＢプレート２４とＡプレート２２との間に位置付けることによって形成される。具体的には、一対のアノードブリッジ部材４６が、Ｂプレート２４の第２表面４０上のヘッダ部分９２、９４の上の凹所区域に固着され、これによって、カソード開口９６、１０２と冷媒開口１００、１０４とを取り囲むヘッダ部分９２、９４の隆起区域を含むＢプレート２４の第２表面４０上の実質的に平らな密封表面と、アノードブリッジ部材４６の上部密封表面１９６と、Ｂプレート２４の第２表面４０上の周辺密封表面１２２とを提供する。これらの同一平面上にある密封表面はユニット化されたＭＥＡ２６に対して位置付けられ、燃料電池スタックが圧縮されると流体密シールを提供する。一対のカソードブリッジ部材４２が、Ａプレート２２の第１表面３４上のヘッダ部分５２、５４の凹所区域に固着され、これによって、カソードブリッジ部材４２の上部密封表面１４０を含む全体的に平坦または同一平面の密封表面と、Ａプレート２２の第１表面３４上のヘッダ部分５２、５４の高くなった区域と、ユニット化されたＭＥＡ２６に対して圧縮されると流体密シールを形成するＡプレート２２の第１表面３４上の周辺密封表面８０とを提供する。アノードブリッジ部材４６は、アノード反応ガスがＢプレート２４上の第２流れ場１１４に沿って流れることを可能にする一方で、カソードブリッジ部材４２は、カソード反応ガスがＡプレート２２上の第１流れ場６８を通って流れることを可能にし、こうして第１セルを形成する。
【００３６】
第１燃料電池のＡプレート２２の第２表面３６と異なるＡプレート２２’の第１表面３４との間に、別のユニット化されたＭＥＡ２６を位置付けることによって、別の燃料電池が形成される。しかし、この場合には、異なるＡプレート２２’が異なるＢプレート２４’に接合されて、冷媒プレート３９を形成する。すなわち、冷媒プレート３９は、異なるＡプレート２２’の第２表面３６を異なるＢプレート２４’の第１表面３８に面して位置付けることによって形成される。一対のノーフローアノードブリッジ部材４８が、異なるＡプレート２２’の第２表面３６上のヘッダ部分５２、５４の凹所区域に取り付けられる一方で、一対の冷媒ブリッジ部材４４が、異なるＢプレート２４’の第１表面３８上のヘッダ部分９２、９４の凹所区域に取り付けられる。隣接するＡプレート２２’とＢプレート２４’は、レーザ溶接またはろう付けまたは接着剤などによって共に取り付けられ、冷媒プレート３９を形成する。Ｂプレート２４’の第１流れ場１０８は実質的にＡプレート２２’の第２流れ場７４の鏡像であり、流れ場１０８、７４の上のランド１１０、７６とチャネル１１２、７８は全体的に整合している。冷媒ブリッジ部材４４によって、冷媒流体は冷媒供給開口９８、５８から、対向する流れ場１０８、７４を通じて冷媒戻り開口１０４、６４の中へ流れることができる。こうして、冷媒プレート３９は冷却セルを形成し、この冷却セルは、これと接触しているユニット化されたＭＥＡ２６から熱を除去する。
【００３７】
冷媒プレート３９が形成されると、次に、ユニット化されたＭＥＡ２６’を第１燃料電池において使用されるＡプレート２２の第２表面３６と冷媒プレート３９を形成するＡプレート２２’の第１表面３４との間に挟むことによって、第２燃料電池を構成することができる。詳しくは、一対のアノードブリッジ部材４６が、Ａプレート２２の第２表面３６上のヘッダ部分５２、５４の凹所区域に取り付けられ、これによって、アノードブリッジ部材４６の上部密封表面１９６を含む実質的に平坦な密封表面と、Ａプレート２２の第２表面３６上のヘッダ部分５２、５４の隆起区域と、ユニット化されたＭＥＡ２６’に対して圧縮されると流体密シールを形成するＡプレート２２の第２表面３６上の周辺密封表面８２とを提供する。一対のカソードブリッジ部材４２が、冷媒プレート３９の一部であるＡプレート２２’の第１表面３４上のヘッダ部分５２、５４の凹所区域に取り付けられ、これによって、カソードブリッジ部材４２の上部密封表面１４０を含む全体的に平坦な表面と、Ａプレート２２’の第１表面３４上のヘッダ部分５２、５４の隆起区域と、これらの間に流体密シールを形成するためにユニット化されたＭＥＡ２６’に対して圧縮されるＡプレート２２の第１表面３４上の周辺密封表面８０とを提供する。アノードブリッジ部材４６によって、アノード反応ガスは、アノード開口６０、６６の間を流れ、Ａプレート２２の上の第２流れ場７４を通り、ユニット化されたＭＥＡ２６の一表面に沿って流れることができる一方で、カソードブリッジ部材４２によって、カソード反応ガスは、カソード開口５６、６２の間を流れ、冷媒プレート３９のＡプレート２２’の上の第１流れ場６８を通り、ユニット化されたＭＥＡ２６’の別の側に沿って流れることができ、これによって第２燃料電池を形成する。第２燃料電池は、冷媒プレート３９を通って流れる冷媒流体によって冷却される。
【００３８】
冷媒プレート３９の他の側と第３Ａプレート２２”との間で別のユニット化されたＭＥＡ２６”を圧縮することによって、第３燃料電池が形成される。詳しくは、一対のアノードブリッジ部材４６が、Ｂプレート２４’の第２表面４０上のヘッダ部分９２、９４の凹所区域に取り付けられ、この第２表面４０は冷媒プレート３９の一部であり、ユニット化されたＭＥＡ２６の片側に対して圧縮され、これらの間に流体密シールを形成する。一対のカソードブリッジ部材４２が、第３Ａプレート２２”の第１表面３４上のヘッダ部分５２、５４の凹所区域に取り付けられ、ユニット化されたＭＥＡ２６の反対側に対して圧縮される。アノードインサート４６によって、アノード反応ガスはアノード開口１００、１０６の間を、Ｂプレート２４’上の第２流れ場１１４を通って、ユニット化されたＭＥＡ２６の一表面に沿って流れることができる一方で、カソードブリッジ部材４２によって、カソード反応ガスはカソード開口５６、６２の間を、Ａプレート２４”上の第１流れ場６８を通って、ユニット化されたＭＥＡ２６”の別の表面に沿って流れることができ、こうして第３燃料電池を形成する。本発明の原理による追加の燃料電池を、ＢＡＡＢＡパターンに従うことによって完成することができる。
【００３９】
次に図７Ａを参照すると、本発明の原理による燃料電池スタック２０の平面図が、Ａプレート２２の第１表面３４を見せて示されている。図７Ｂには、結果として得られるカソード供給へッダの一部分と、燃料電池スタック２０を含むさまざまな燃料電池に流れるカソード反応ガスが示されている。すなわち、図７Ｂは、線７Ｂ−７Ｂに沿った図７Ａの燃料電池スタック２０を通る断面図であり、断面図はページの中へ延びている。理解できるように、図７Ｂの右側に沿ったカソードヘッダは、カソード反応ガスを燃料電池へ提供する。上にカソードブリッジ部材４２を有するプレートによって、カソード反応ガスは、カソードヘッダから関連するプレートの上の流れ場へ、第１組のポート１４６を通って流れることによって流れ、次いで上部密封表面１４０とプレートとの間を、次いで第２組のポート１４８を、そして関連する流れ場へ流れることができる。対照的に、カソード反応ガスが冷媒ブリッジ部材４４に遭遇すると、カソードヘッダからこのプレート上の流れ場への流れは阻止される。カソード反応ガスの流れを防止しながら冷媒の流れを可能にするための冷媒ブリッジ部材４４とカソードブリッジ部材４２との動作は、上記と実質的に同じであり、したがって図示しない。同様に、アノードブリッジ部材４６とノーフローアノードブリッジ部材４８との動作は、カソードブリッジ部材４２と冷媒ブリッジ部材４４とに関して示したものと実質的に同じであり、したがってこれも図示しない。
【００４０】
次に図７Ｃを参照すると、ページの中へ入る線７Ｃ−７Ｃに沿った図７Ａの燃料電池スタックの断面図が示されている。したがって、結果として得られる燃料電池の構成および流れ場を通過するさまざまな流体流が示されている。理解できるように、各ユニット化されたＭＥＡ２６の一表面は、冷媒流を含むチャネルと接触しているが、各ＭＥＡの反対側はカソード反応ガスおよびアノード反応ガスと接触している。したがって、本発明は、各ＭＥＡの一表面が冷却されるスタック構成で配置された燃料電池を提供する。
【００４１】
本発明を特定の実施例によって論述したが、本発明の要点から逸脱しない変形も本発明の範囲内にあるものとすることを理解されたい。例えば、ＡプレートとＢプレートとの間で利用される特定の繰返しパターンを変えることができる。これに加えて、その上の流れ場の構成も、プレートの表面に沿って所望の数の流体経路を提供するために調整することができる。さらにまた、ヘッダ部分の凹所区域および高くなった区域の配置を、所望の構成を提供するために変えることができる。その上、ヘッダ部分におけるさまざまな開口の構成および配向を変えることもできる。したがって、本発明の説明は本質的に単に例示的なもので、本発明の原理の範囲から逸脱しない変形は、本発明の精神と範囲から逸脱したものであるとは見做されない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の原理による燃料電池スタックの分解図である。
【図２】ユニット化されたＭＥＡの分解図である。
【図３Ａ】本発明の原理によるＡプレートの表面の平面図である。
【図３Ｂ】本発明の原理によるＡプレートの別の表面の平面図である。
【図４Ａ】本発明の原理によるＢプレートの表面の平面図である。
【図４Ｂ】本発明の原理によるＢプレートの別の表面の平面図である。
【図５Ａ】カソードブリッジ部材の平面図である。
【図５Ｂ】冷媒ブリッジ部材の平面図である。
【図５Ｃ】アノードブリッジ部材の平面図である。
【図５Ｄ】ノーフロー アノードブリッジ部材の平面図である。
【図６Ａ】図５Ａのカソードブリッジ部材の６Ａ−６Ａに沿った断面図である。
【図６Ｂ】図５Ａのカソードブリッジ部材の６Ｂ−６Ｂに沿った断面図である。
【図６Ｃ】図５Ａのカソードブリッジ部材の６Ｃ−６Ｃに沿った断面図である。
【図７Ａ】本発明の原理による燃料電池スタックの平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの燃料電池のスタックの一部分の線７Ｂ−７Ｂに沿った断面図である。
【図７Ｃ】図７Ａの燃料電池スタックの線７Ｃ−７Ｃに沿った断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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