(57)【要約】  流れ場極板を比較的厚くしなければならない反応物および冷却剤流れ場構造の従来の配列は、多数の問題を生ずる。しかしながら、流れ場極板をより厚くすることによって、縮小困難な電気化学セル・スタックに、サイズおよび重量が加わる。しかも、従来の設計の薄い極板では、亀裂および破断、もしくはいずれか一方が生じやすい。これとは対照的に、本発明のいくつかの実施形態によれば、個々の流れ場極板への応力を減らすことができる、反応物流れ場流路およびリブと冷却剤流れ場流路およびリブとの共同的な配列が与えられており、それにより、より薄い流れ場極板が可能的に許される。より詳しくは、本発明のいくつかの実施形態によれば、同じ流れ場極板上のそれぞれの反応物および冷却剤流れ場構造に含まれているリブの大部分は、互いに他と整列している。
2008536258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面および裏面と、
対応する複数のリブによって規定される各複数の主要オープンフェイス反応物流路を有する、前記表面上の、反応物流れ場と、
対応する複数のリブによって規定される各複数の主要オープンフェイス冷却剤流路を有する、前記裏面上の、冷却剤流れ場であって、前記主要オープンフェイス冷却剤流路の少なくとも部分は、それぞれの主要オープンフェイス反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている冷却剤流れ場と、
を備えている、電気化学流れ場極板。
【請求項２】
複数のマニフォールド開口部をさらに備え、前記反応物流れ場は、２つの反応物マニフォールド開口部を前記表面に亘って流体的に接続し、かつ、前記冷却剤流れ場は、２つの冷却剤マニフォールド開口部を前記裏面に亘って流体的に接続している、請求項１記載の電気化学流れ場極板。
【請求項３】
前記反応物流れ場は、前記表面上に、前記反応物流れ場に前記２つの反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の入口反応物流路を含み、かつ、前記冷却剤流れ場は、前記裏面上に、前記冷却剤流れ場に前記２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の入口冷却剤流路を含み、かつ、前記入口冷却剤流路の少なくとも部分は、前記複数の入口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている、請求項２記載の電気化学流れ場極板。
【請求項４】
前記反応物流れ場は、前記表面上に、前記反応物流れ場に前記２つの反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の出口反応物流路を含み、かつ、前記冷却剤流れ場は、前記裏面上に、前記冷却剤流れ場に前記２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の出口冷却剤流路を含み、かつ、前記出口冷却剤流路の少なくとも部分は、前記複数の出口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている、請求項２記載の電気化学流れ場極板。
【請求項５】
前記反応物および冷却剤流路の前記鏡像化された部分は、互いに他と反対の位置に与えられた反応物および冷却剤流路部分を含む、請求項４記載の電気化学流れ場極板。
【請求項６】
前記反応物および冷却剤流路の前記鏡像化された部分は、前記裏面上の前記リブの部分と反対の位置に与えられている前記表面上の前記リブの部分によって規定されている、請求項４記載の電気化学流れ場極板。
【請求項７】
鏡像化されていない前記反応物および冷却剤流れ場流路の部分の少なくとも一部は、互いに他に対して略垂直に配置されている、請求項４記載の電気化学流れ場極板。
【請求項８】
前記反応物および冷却剤流路のうちの少なくとも一つは、実質的に一定の流路横断面を維持するため前記流路の角部において隅肉を与えられ、かつ、前記リブの端部は、乱流を減らすため丸みを付けられている、請求項４記載の電気化学流れ場極板。
【請求項９】
それぞれの表面および裏面を有する第１の電気化学流れ場極板であって、前記表面は、各複数の第１の主要オープンフェイス反応物流路を含む第１の反応物流れ場を有し、かつ、前記裏面は、各複数の主要オープンフェイス冷却剤流路を含む冷却剤流れ場を有しており、それらの少なくとも一部分は、前記第１の主要オープンフェイス反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている、第１の電気化学流れ場極板と、
第２の電気化学流れ場極板であって、各複数の第２の主要オープンフェイス反応物流路を含む第２の反応物流れ場を有するそれぞれの表面を有し、それらの少なくとも一部分は、前記複数の第１の主要オープンフェイス反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている、第２の電気化学流れ場極板と、
を含む、電気化学セル。
【請求項１０】
前記第１および第２の電気化学流れ場極板は、それぞれさらに、対応する複数のマニフォールド開口部を含み、かつ、前記第１の反応物流れ場は、前記第１の電気化学流れ場極板上の２つの第１の反応物マニフォールド開口部を流体的に接続し、前記冷却剤流れ場は、前記第１の極板上の２つの冷却剤マニフォールド開口部を流体的に接続し、かつ、前記第２の反応物流れ場は、前記第２の電気化学流れ場極板上の２つの第２の反応物マニフォールド開口部を流体的に接続する、請求項９記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記第１の反応物流れ場は、前記表面上に、前記第１の反応物流れ場に前記２つの第１の反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の第１の入口反応物流路を含み、かつ、前記冷却剤流れ場は、前記裏面上に、前記冷却剤流れ場に前記２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の入口冷却剤流路を含み、かつ、前記入口冷却剤流路の少なくとも部分は、前記複数の第１の入口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている、請求項１０記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記第２の反応物流れ場は、前記第２の電気化学流れ場極板上に、前記２つの第２の反応物マニフォールド開口部のうちの一つに前記第２の反応物流れ場を流体的に接続する複数の第２の入口反応物流路をさらに含み、前記第２の入口反応物流路の少なくとも一部分は、前記第１の入口反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている、請求項１１記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記第１の反応物流れ場は、前記表面上に、前記第１の反応物流れ場に前記２つの第１の反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の第１の出口反応物流路を含み、かつ、前記冷却剤流れ場は、前記裏面上に、前記冷却剤流れ場に前記２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の出口冷却剤流路を含み、かつ、前記出口冷却剤流路の少なくとも部分は、前記複数の第１の出口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている、請求項１２記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記第２の電気化学流れ場極板上に、前記２つの第２の反応物マニフォールド開口部のうちの一つに前記第２の反応物流れ場を流体的に接続する複数の第２の出口反応物流路をさらに含み、前記第２の出口反応物流路の少なくとも一部分は、前記第１の出口反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている、請求項１３記載の電気化学セル。
【請求項１５】
請求項９記載の複数の電気化学セルを備えている、電気化学セル・スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学セルに関し、特にその中で使用するのに適した流れ場極板の各種の配列に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルは、ここで定義するように、燃料電池セルまたは電解層セルのいずれかとして構成できる電気化学反応器である。一般に、両種の電気化学セルは、陽極電極、陰極電極、および陽極電極と陰極電極との間に配置されている電解質層（例えば、プロトン交換膜）を含んでいる。陽極電極および陰極電極は、一般に、流れ場極板の形態で設けられている。以後、流れ場極板の「表面」および「裏面」の名称は、電解質層に対する特定の流れ場極板の向きを示している、と理解されたい。「表面」は、電解質層の方向に向いている能動的な面を指し、一方、「裏面」は、電解質層と反対の方向に向いている非能動的な面を指す。
【０００３】
処理ガス／流体（反応物および生成物）は、電解質層の近傍から、特定の流れ場極板の表面上に配置されている流れ場構造物を介して供給され、かつ、排気される。流れ場構造物は、一般に、電解質層に亘って処理ガス／流体を展開させるため配置されている「流れ場流路」と呼ぶ多数のオープンフェイス流路（リブによって規定されている）を含んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池セル反応および電気分解反応は一般に発熱反応であり、したがって、温度調整は重要な課題である。適切な温度調整は、所望の電気化学反応の調整に制御点を与えるものである。ＭＥＡの非能動的な周辺領域の一部分に、構成要素である流れ場極板のうちのいくつかの裏面上に配置されている冷却剤流れ場流路を貫流する別個の冷却剤流を与えて、動作中に発生した熱を放散させることが必要となる場合が多い。
【０００５】
慣例によれば、対応する陽極および陰極極板上のそれぞれの流れ場流路は、一般に、異なる構成を有している。各極板上に異なる流れ場構造を有することにより、陽極流れ場極板上の流れ場構造を規定しているリブが、対応する陰極流れ場極板上のそれらと位置がずれていることが多い。適切な封止を保証するため、組み立てられた電気化学セル・スタックの端部に加えられた圧力の結果として、それぞれの陽極および陰極極板間の電解質層は、各極板上の流路間の位置ずれによって引き起こされるせん断力を受ける。これは、電解質膜を損傷して劣化を早める、もしくはいずれか一方の場合がある。流れ場極板上の流路間の位置ずれは、いくつかの具体例では、電気化学セル内の処理ガス／流体の分配を妨げ、それにより、効率が低下する場合もある。さらに、この差異により、流れ場極板の製造および組立てが複雑および高価になる。
【０００６】
追加的にかつ慣習的に、流れ場極板（例えば、陽極または陰極）の裏面上の冷却剤流れ場流路は、表面上の流れ場流路（すなわち反応物流れ場）から独立に設計されている。詳しくは、冷却剤流れ場における流路およびリブは、反応物流れ場におけるそれらと異なる寸法を有している場合があり、また、異なるレイアウトを有している場合がある。これにより、単一極板上の反応物流れ場のリブおよび流路と冷却剤流れ場のそれらとの間の位置ずれが生ずる。反応物流れ場流路と冷却剤流れ場流路との間の位置ずれは、不十分な冷却およびホットスポットの発生となる場合があり、これは今度は、温度調整不良および燃料電池スタックの寿命を短縮させる場合がある。さらに、電気化学セル・スタックを組み立てて、スタックを一体に保持するため圧力を加えると、圧力は、反応物および冷却剤流れ場内のリブに移動する。圧力は、個々の極板上で、それぞれの反応物および冷却剤流れ場における位置ずれリブから直接生じる内部応力のアレイを発生させる。この応力を補償し、それによって亀裂および破断、もしくはいずれか一方の危険を減らすために、流れ場極板は比較的厚く作られる。より厚い極板は、容易には取り外せない燃料電池スタックのサイズおよび重量を増大させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態の一態様によれば、表面および裏面と、対応する複数のリブによって規定される各複数の主要オープンフェイス反応物流路を有する、表面上の、反応物流れ場と、対応する複数のリブによって規定される各複数の主要オープンフェイス冷却剤流路を有する、裏面上の、冷却剤流れ場であって、主要オープンフェイス冷却剤流路の少なくとも部分は、それぞれの主要オープンフェイス反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている冷却剤流れ場と、を備えている電気化学流れ場極板が提供される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、電気化学流れ場極板はまた、複数のマニフォールド開口部も含み、反応物流れ場は、２つの反応物マニフォールド開口部を表面に亘って流体的に接続し、かつ、冷却剤流れ場は、２つの冷却剤マニフォールド開口部を裏面に亘って流体的に接続している。より具体的な実施形態では、反応物流れ場は、表面上に、反応物流れ場に２つの反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の入口反応物流路を含み、かつ、冷却剤流れ場は、裏面上に、冷却剤流れ場に２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の入口冷却剤流路を含み、かつ、入口冷却剤流路の少なくとも部分は、複数の入口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている。他の具体的な実施形態では、反応物流れ場は、表面上に、反応物流れ場に２つの反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の出口反応物流路を含み、かつ、冷却剤流れ場は、裏面上に、冷却剤流れ場に２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の出口冷却剤流路を含み、かつ、出口冷却剤流路の少なくとも部分は、複数の出口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている。
【０００９】
いくつかの非常に具体的な実施形態では、反応物および冷却剤流路の鏡像化された部分は、互いに他と反対の位置に与えられた反応物および冷却剤流路部分を含んでいる。他の非常に具体的な実施形態では、反応物および冷却剤流路の鏡像化された部分は、裏面上のリブの部分と反対の位置に与えられている表面上のリブの部分によって規定されている。さらに他の具体的な実施形態では、鏡像化されていない反応物および冷却剤流れ場流路の部分の少なくとも一部は、互いに他に対して略垂直に配置されている。
【００１０】
いくつかの実施形態では、反応物および冷却剤流路のうちの少なくとも一つは、実質的に一定の流路横断面を維持するため流路の角部において隅肉を与えられ、かつ、リブの端部は、乱流を減らすため丸みを付けられている。
【００１１】
本発明の一実施形態の一態様によれば、それぞれの表面および裏面を有する第１の電気化学流れ場極板であって、表面は、各複数の第１の主要オープンフェイス反応物流路を含む第１の反応物流れ場を有し、かつ、裏面は、各複数の主要オープンフェイス冷却剤流路を含む冷却剤流れ場を有しており、それらの少なくとも一部分は、第１の主要オープンフェイス反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている第１の電気化学流れ場極板と、第２の電気化学流れ場極板であって、各複数の第２の主要オープンフェイス反応物流路を含む第２の反応物流れ場を有するそれぞれの表面を有し、それらの少なくとも一部分は、複数の第１の主要オープンフェイス反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている第２の電気化学流れ場極板と、を含む電気化学セルが提供される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、第１および第２の電気化学流れ場極板は、それぞれさらに、対応する複数のマニフォールド開口部を含み、かつ、第１の反応物流れ場は、第１の電気化学流れ場極板上の２つの第１の反応物マニフォールド開口部を流体的に接続し、冷却剤流れ場は、第１の極板上の２つの冷却剤マニフォールド開口部を流体的に接続し、かつ、第２の反応物流れ場は、第２の電気化学流れ場極板上の２つの第２の反応物マニフォールド開口部を流体的に接続している。
【００１３】
より具体的な実施形態では、第１の反応物流れ場は、表面上に、第１の反応物流れ場に２つの第１の反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の第１の入口反応物流路を含み、かつ、冷却剤流れ場は、裏面上に、冷却剤流れ場に２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の入口冷却剤流路を含み、かつ、入口冷却剤流路の少なくとも部分は、複数の第１の入口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている。さらにより具体的な実施形態では、第２の反応物流れ場は、第２の電気化学流れ場極板上に、２つの第２の反応物マニフォールド開口部のうちの一つに第２の反応物流れ場を流体的に接続する複数の第２の入口反応物流路をさらに含み、第２の入口反応物流路の少なくとも一部分は、第１の入口反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている。
【００１４】
いくつかの実施形態では、第１の反応物流れ場は、表面上に、第１の反応物流れ場に２つの第１の反応物マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の第１の出口反応物流路を含み、かつ、冷却剤流れ場は、裏面上に、冷却剤流れ場に２つの冷却剤マニフォールド開口部のうちの一つへの流体接続を与える複数の出口冷却剤流路を含み、かつ、出口冷却剤流路の少なくとも部分は、複数の第１の出口反応物流路の少なくとも部分の鏡像となっている。
【００１５】
いくつかの実施形態では、複数の第２の出口反応物流路が、第２の電気化学流れ場極板上に与えられており、２つの第２の反応物マニフォールド開口部のうちの一つに第２の反応物流れ場を流体的に接続し、第２の出口反応物流路の少なくとも一部分は、第１の出口反応物流路の少なくとも一部分の鏡像となっている。
【００１６】
本発明の他の態様および特徴は、下記の、具体的な本発明の実施形態の説明を検討すれば、この技術における普通の技術を有する者なら、明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明をよりよく理解するために、また、それをどのようにして実行することができるかをより明瞭に示すために、ここで例として、本発明の実施形態の態様を図解し、かつ、下記に説明する添付の各図面を参照する。
【００１８】
反応物および冷却剤流れ場構造は、電気化学セルに含まれている流れ場極板のそれぞれの表面および裏面を横切って、処理ガス／流体および冷却剤を分配するのに有用である。流れ場極板を比較的厚くしなければならない反応物および冷却剤流れ場構造の従来の配列は、多数の問題を生じさせる。しかしながら、流れ場極板をより厚くすることによって、縮小困難な電気化学セル・スタックにサイズおよび重量が加わる。しかも、従来設計の薄い極板では、反応物および冷却剤流れ場構造におけるリブへの圧力の移動から生ずる内部応力の結果として、亀裂および破断、もしくはいずれか一方が生じやすい。
【００１９】
これとは対照的に、本発明のいくつかの実施形態によれば、個々の流れ場極板への応力を減らすことができる、反応物流れ場流路およびリブと冷却剤流れ場流路およびリブとの共同的な配列が与えられている。それにより、より薄い流れ場極板が可能になる。詳しくは、本発明のいくつかの実施形態によれば、同じ流れ場極板上のそれぞれの反応物および冷却剤流れ場構造に含まれているリブの大部分は、互いに整列しており、したがって、対応するリブによって規定される流路の大部分は、互いに整列している。反応物および冷却剤流れ場構造の相対的な整列化は、反応物流路と冷却剤流路との間の熱伝達を増大させることができ、それによって、温度調整が向上できる。また、反応物および冷却剤流れ場構造の相対的な整列化により、各極板の構造的な一体性を増大させることができるが、これは、極板の両側で整列したリブは、比較的厚い極板の必要とせずに、極板の領域に亘って支持力を増大させるからである。すなわち、同じ極板の両側でリブを整合させることによって、極板はより頑丈になり、したがってより薄くすることができる。
【００２０】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／１０９，００２号（２００２年３月２９日出願）に記述されている例による流れ場構造および極板配列の態様は、膜に対するせん断力を減らし、かつ、流れ場極板同士の間の封止を簡易化するのに使用できる。本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／１０９，００２号の内容全体は、これによって参照により組み込まれている。
【００２１】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／１０９，００２号（２００２年３月２９日出願）に開示されているように、組立て後は陽極流れ場流路および陰極流れ場流路の相当な部分が、互いに他と正反対の位置に配設されており、２つの電極同士の間に膜が配置されている。したがって、陽極流れ場極板のリブの相当な部分が、陰極流れ場極板上のリブの対応する相当な部分と整合している。
【００２２】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号（２００１年５月１５日出願）に記述されている例による流れ場極板配列の態様もまた、流れ場極板間の有効な封止と２つの電極同士の間に配置された膜とを与えるよう使用することができる。本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号の内容全体が、これによって参照により組み込まれている。
【００２３】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に記述されているように、それぞれのマニフォールド開口部からの特定の処理ガス／流体の入口流は、流れ場極板の表面（能動的な面）に亘って直接生ずることはなく、より正確に言えば、処理ガス／流体は、まずそれぞれのマニフォールド開口部から流れ場極板の裏面（受動的な面）の一部を越え、次いで、裏面から表面に伸長している「バックサイド・フィード」開口部を介して案内される。表面の一部は、電気化学セル・スタックを組み立てた時、それぞれのマニフォールド開口部から封止的に分離される能動的な領域をその表面に亘って規定する。処理ガス／流体の入口流が生ずる裏面の部分は、それぞれのマニフォールド開口部と流体連通しているオープンフェイス・ガス／流体流れ場流路を有している。バックサイド・フィード開口部は、裏面から表面に伸長して、能動的な領域とそれぞれのマニフォールド開口部と流体連通しているオープンフェイス・ガス／流体流れ場流路との間に流体連通を与える。したがって、膜と流れ場極板との間のシールは、本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に与えられている例で記述されているように、膜の周囲の周りの連続的なパス内に作ることができる。
【００２４】
従来技術の例では、一般に膜の周囲に在る、膜と流れ場極板の表面上の能動的な領域との間のシールは、流れ場極板の表面上の能動的な領域からそれぞれのマニフォールド開口部に至るオープンフェイス流れ場流路によって途切れている。これとは対照的に、本出願人の上記同時係属出願によれば、処理ガス／流体は、各流れ場極板の裏面からバックサイド・フィード開口部を介して表面上の能動的な領域に送られ、そこでは、バックサイド・フィード開口部およびそれぞれのマニフォールド開口部（複数可）の周りにシールが作られている。裏面（受動的な、もしくは非能動的な面）から表面（能動的な面）まで流体を流すこの方法は、本説明では、「バックサイド・フィード」と呼ぶ。当業者には、ガス／流体は、表面上の能動的な領域から裏面に、次いで、別のそれぞれのマニフォールド開口部へと、同様のやり方で排気することができることが理解されよう。
【００２５】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／８４５，２６３号（２００４年５月１４日出願）に記述されている例による流れ場極板配列の態様もまた、流れ場極板と２つの電極同士の間に配置されている膜との間に有効な封止を与えるのに使用できる。本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／８４５，２６３号の内容全体は、これによって参照により組み込まれている。
【００２６】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／８４５，２６３号でも開示されているように、それぞれのマニフォールド開口部からの特定の処理ガス／流体の入口流は、流れ場極板の表面（能動的な面）に亘って直接生じることはなく、より正確に言えば、処理ガス／流体は、まずそれぞれのマニフォールド開口部から、隣接する電気化学セルに属する正反対の向きの相補的な能動面の一部を越え、次いで貫通伸長している「相補的な能動側フィード」開口部を介して、流れ場極板の表面に案内される。本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／８４５，２６３号で記述されている例によれば、膜と流れ場極板との間のシールは、本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号で記述されている例におけるように、流れ場極板が受動的な面を有する必要なしに、膜の周囲の周りの連続的なパス内に作ることができる。
【００２７】
本出願人の同時係属出願の米国特許出願第１０／８４５，２６３号で記述されている例による流れ場極板配列の態様は、電気化学セル・スタック内で使用される陽極および陰極流れ場極板の両方に対して、単一の流れ場極板設計の使用を可能にする対称的な流れ場極板配列を与えるものである。すなわち、いくつかの実施形態では、電気化学セル・スタック内で使用される陽極および陰極流れ場極板は、実質的に同一である。
【００２８】
また、本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５４，３６２号で教示されている「シール・イン・プレイス」法は、本発明の実施形態の態様と組み合わせて有利に使用できよう。米国特許出願第０９／８５４，３６２号の全体の内容は、これによって参照により組み込まれている。
【００２９】
一般に、処理ガス／流体フィード、ドレン、電気接続および調整装置などの一般的な特徴を有するスタック内に、事実上、全て１種類の多数の電気化学セルを配置できることが理解される。すなわち、電気化学セル・モジュールは、一般に、電気化学セル・スタックを形成するため直列に接続された多数の単一の電気化学セルで構成されている。電気化学セル・モジュールはまた、電気化学セル・モジュールの機能および動作を支援するために使用される関連する構造的な要素、機械的なシステム、ハードウェア、ファームウェアおよびソフトウェアの適当な組合せも含んでいる。このような項目には、配管、センサ、レギュレータ、集電体、シール、絶縁体および電気機械的な制御器が含まれているが、これらに限定されない。
【００３０】
上記のように、流れ場極板は、一般に、特定の処理ガス／流体用の対応する細長く延びた分配流路の一部としてそれぞれ役立つ多数のマニフォールド開口部を含んでいる。いくつかの実施形態では、電解層セルの陰極には、入力処理ガス／流体を供給しなくてもよく、水素ガスおよび水をそれから排出すればよい。このような電解層セルでは、流れ場極板は、陰極用の入力マニフォールド開口部を必要としないが、出力マニフォールド開口部は必要である。これとは対照的に、燃料電池セルの代表的な実施形態は、陽極および陰極の両方に入口および出口マニフォールド開口部を利用することである。しかしながら、燃料電池セルはまた、処理反応物を燃料電池セルに供給するが、燃料電池セルから先には循環させないデッド・エンド・モードで使用することもできる。このような実施形態では、入口マニフォールド開口部のみを設ける。
【００３１】
電気化学セルには、多数の異なる技術が有り、一般に、本発明はあらゆる種類の電気化学セルに適用できることが予想される。本発明の非常に具体的な例である実施形態は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池セルに使うよう開発されたものである。他の種類の燃料電池セルには、アルカリ燃料電池セル（ＡＦＣ）、直接メタノール燃料電池セル（ＤＭＦＣ）、溶融カーボネート燃料電池セル（ＭＣＦＣ）、リン酸燃料電池セル（ＰＡＦＣ）、固体オキサイド燃料電池セル（ＳＯＦＣ）、およびリジェネレイティブ燃料電池セル（ＲＦＣ）が含まれているが、これらに限定されない。同様に、他の種類の電解層セルには、固体ポリマー水電解層（ＳＰＷＥ）が含まれているが、これに限定されない。
【００３２】
図１を参照すると、以後単に燃料電池セル・モジュール１００とするプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池セル・モジュールの簡易化された概略図が示されており、ここでこれを説明して、電気化学セル・モジュールの動作に係るいくつかの一般的な問題を明らかにする。本発明は、それぞれ一つまたはそれ以上の電気化学セルを含む各種の構成の電気化学セル・モジュールに適用可能であることを理解されたい。当業者には、ＰＥＭ電解層モジュールが、図１に示したＰＥＭ燃料電池セル・モジュール１００と同様の構成を有していることが分かるであろう。
【００３３】
燃料電池セル・モジュール１００は、陽極電極２１および陰極電極４１を含んでいる。陽極電極２１は、ガス入力ポート２２およびガス出力ポート２４を含んでいる。同様に、陰極電極４１は、ガス入力ポート４２およびガス出力ポート４４を含んでいる。電解質膜３０は、陽極電極２１と陰極電極４１との間に配置されている。
【００３４】
燃料電池セル・モジュール１００はまた、陽極電極２１と電解質膜３０との間に第１の触媒層２３を、また、陰極電極４１と電解質膜３０との間に第２の触媒層４３を含んでいる。いくつかの実施形態では、第１および第２の触媒層２３、４３は、それぞれ、陽極および陰極電極２１、４１上に直接蒸着されている。
【００３５】
負荷１１５は、陽極電極２１と陰極電極４１との間で接続可能である。
【００３６】
動作の際、水素燃料は、いくつかの予め決められた条件の下で、ガス入力ポート２２を介して陽極電極２１へと導入される。予め決められた条件としては、例えば、流量、温度、圧力、相対湿度および水素と他のガスとの混合比などのファクタがあるが、これらに限定されない。水素は、電解質膜３０および第１の触媒層２３の存在下で、以下に示す反応式（１）により、電気化学的に反応する。
【００３７】
（１）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
反応式（１）の化学生成物は、水素イオン（すなわち陽イオン）および電子である。水素イオンは、電解質膜３０を通過して陰極電極４１に至り、一方、電子は、負荷１１５を介して取り出される。過剰の水素（他のガスおよび流体との組合せ、もしくはいずれか一方の場合がある）は、ガス出力ポート２４を介して取り出される。
【００３８】
同時に、空気中の酸素などの酸化体は、いくつかの予め決められた条件下で、ガス入力ポート４２を介して、陰極電極４１に導入される。予め決められた条件としては、例えば、流量、温度、圧力、相対湿度および酸化体と他のガスとの混合比などのファクタがあるが、これらに限定されない。過剰のガスは、未反応の酸化体を含み、かつ生成した水は、ガス出力ポート４４を介して陰極電極４１から取り出される。
【００３９】
酸化体は、電解質膜３０および第２の触媒層４３の存在下で、下記の反応式（２）により、電気化学的に反応する。
【００４０】
（２）  １／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
反応式（２）の化学生成物は、水である。電子およびイオン化された水素原子は、陽極電極２１における反応式（１）で生成され、陰極電極４１における反応式（２）で電気化学的に消費される。電気化学反応式（１）および（２）は、互いに他に対して補足的であり、電気化学的に消費される各酸素分子（Ｏ2）に対して、２つの水素分子（Ｈ2）が、電気化学的に消費されることを示している。
【００４１】
同様に構成された水供給電解層では、反応式（２）および（１）は、それぞれ陽極および陰極において逆になる。これは、負荷１１５を電源と交換し、かつ２つの電極のうちの少なくとも一つに水を供給することによって成し遂げられる。電源は、それぞれ、図１の陽極および陰極電極２１および４１に示した極性と反対極性の電位を加えるのに使用する。このような電解層の生成物は、水素（Ｈ2）および酸素（Ｏ2）を含んでいる。
【００４２】
ここで図２を参照すると、燃料電池セル・モジュール１００’の分解斜視図が示されている。簡潔および簡単にするため、図２には、電気化学セル１個の要素しか示していない。すなわち、燃料電池セル・モジュール１００’は、燃料電池セル１個しか含んでいない。しかしながら、燃料電池スタックは、一般に、共に積み重ね、かつ直列に電気接続した多数の燃料電池セルを含んでいる。燃料電池セル・モジュール１００’の燃料電池セルは、陽極流れ場極板１２０、陰極流れ場極板１３０、および陽極流れ場極板１２０と陰極流れ場極板１３０との間に配置されている膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１２４を含んでいる。再び、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０に対する「表面」および「裏面」の名称は、ＭＥＡ１２４に対するそれぞれの向きを示している。流れ場極板の「表面」は、ＭＥＡ１２４の方向に向いている側であり、「裏面」は、ＭＥＡ１２４と反対の方向に向いている側である。
【００４３】
簡単に言えば、流れ場極板１２０、１３０は、それぞれ入口領域および出口領域を有している。この特定の実施形態では、明瞭にするため、入口および出口領域は、それぞれ各流れ場極板の反対側の端に配置してある。しかしながら、各種の他の配列も可能である。各流れ場極板１２０、１３０はまた、入口領域を出口領域に流体的に接続し、かつ、処理ガス／流体をＭＥＡ１２４に分配する構造を与える多数のオープンフェイス流路も含んでいる。
【００４４】
ＭＥＡ１２４は、陽極触媒層（図示せず）と陰極触媒層（図示せず）との間に配置されている固体電解質（例えば、プロトン交換膜）１２５を含んでいる。
【００４５】
燃料電池セル・モジュール１００’の燃料電池セルは、陽極触媒層と陽極流れ場極板１２０との間に配置されている第１のガス拡散媒体（ＧＤＭ）１２２、および陰極触媒層と陰極流れ場極板１３０との間に配置されている第２のＧＤＭ１２６を含んでいる。ＧＤＭ１２２、１２６は、処理ガス（例えば、燃料、酸化体など）の、ＭＥＡ１２４の触媒面への拡散を促進するものである。ＧＤＭ１２２、１２６はまた、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０のそれぞれと固体電解質１２５（例えば、プロトン交換膜）との間の電気伝導率を高めるものである。
【００４６】
燃料電池セルの要素は、燃料電池セル・モジュール１００’の支持要素で囲まれている。詳しくは、燃料電池セル・モジュール１００’は、陽極エンドプレート１０２および陰極エンドプレート１０４を含んでおり、それらの間に、燃料電池セルおよび他の要素が適切に配置されている。本実施形態では、陰極エンドプレート１０４には、処理ガス／流体の供給および除去のための接続ポートが設けられている。接続ポートは、以下でより詳細に説明する。
【００４７】
陽極エンドプレート１０２と陰極エンドプレート１０４との間に配置されている他の要素は、陽極絶縁体極板１１２、陽極集電体極板１１６、陰極集電体極板１１８および陰極絶縁体極板１１４をそれぞれ含んでいる。異なる実施形態では、集電体極板１１６と１１８との間に、異なる数の電気化学セルが配置されている。このような実施形態では、各電気化学セルを構成する要素は、次々と適切に繰返されて、所望の出力を生ずる電気化学セル・スタックを成している。多くの実施形態では、必要に応じて極板間に封止手段を設け、処理ガス／流体が互いに他から確実に分離されるようにしている。
【００４８】
燃料電池セル・モジュール１００’を一体に保持するため、タイ・ロッド１３１が設けられており、これは陽極エンドプレート１０２のねじ穴にねじ込み（または別様に締結し）、陰極エンドプレート１０４の対応するバカ穴を通過させる。アセンブリ全体を締め、かつ、個々の電気化学セルの各種の要素が、確実に一体的に保持されるよう、ナットおよび座金（または他の締結手段）が設けてある。タイ・ロッド１３１およびそれぞれの締結手段は、エンドプレート１０２および１０４に圧力を加え、電気化学セル１００’の上記極板の全てを、封止配列内で一体的に保持するために使用される。
【００４９】
上記のように、電気化学セル・スタックへの各種の接続ポートは、処理ガス、流体、冷却剤などを供給し、かつ、排出するための手段を設けるために含まれている。いくつかの実施形態では、電気化学セル・スタックへの各種の接続ポートは、対で設けられている。接続ポートの各対のうちの一方は、陰極エンドプレート（例えば、陰極エンドプレート１０４）に配置されており、他方は、陽極エンドプレート（例えば、陽極エンドプレート１０２）に、適切に配置されている。他の実施形態では、各種の接続ポートは、陽極または陰極エンドプレートのどちらかにのみ配置されている。当業者には、本発明の異なる実施形態では、接続ポートの各種の配列を設けることができることが理解されよう。
【００５０】
引き続き図２を参照すると、陰極エンドプレート１０４は、第１および第２の空気接続ポート１０６、１０７、第１および第２の冷却剤接続ポート１０８、１０９、および第１および第２の水素接続ポート１１０、１１１を有している。ポート１０６〜１１１は、それらが、ＭＥＡ１２４、第１および第２のガス拡散媒体１２２、１２６、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０、第１および第２の集電体極板１１６、１１８、および第１および第２の絶縁体極板１１２、１１４に含まれているマニフォールド開口部と流体連通するよう配置されている。上記極板の全てのマニフォールド開口部は、酸化体流、冷却剤流、および燃料流のための、それぞれ細長く延びた入口および出口流路を形成するように整列させる。
【００５１】
燃料電池セル・モジュール１００’は、ひとたび適切な条件下で適切な処理ガス／流体を供給されると、触媒された反応を促進するよう操作可能である。このような触媒された反応では、水素などの燃料は、ＭＥＡ１２４の陽極触媒層で酸化されて、プロトンおよび電子を形成する。固体電解質（例えば、プロトン交換膜）１２５は、プロトンの、陽極触媒層から陰極触媒層への移動を促進する。自由電子の大部分は、固体電解質１２５を通過せず、代わりに集電体極板１１６、１１８を介して、外部回路（例えば、図１の負荷１１５）を流れ、電流を生ずる。ＭＥＡ１２４の陰極触媒層では、酸素は電気回路から戻る電子と反応して陰イオンを形成する。ＭＥＡ１２４の陰極触媒層で形成された陰イオンは、固体電解質１２５を横切ったプロトンと反応して、反応生成物としての液水を形成する。
【００５２】
同時に、燃料電池セル・モジュール１００’を通る冷却剤流が、接続ポート１０８、１０９および上記の極板冷却剤マニフォールド開口部を介して、燃料電池セル（複数可）に与えられる。燃料電池セル反応は、発熱反応であり、かつ、反応速度は、温度に敏感なので、冷却剤の流れは、燃料電池セル反応で発生する熱を取り去り、燃料電池スタックの温度が上昇するのを妨げ、それにより燃料電池セル反応を安定したレベルに調整する。冷却剤は、スタックの冷却を可能とする十分な熱交換を与えることができるガスまたは流体である。既知の冷却剤には、例えば、水、脱イオン化水、油、エチレングリコール、およびプロピレングリコールなどがあるが、これらに限定されない。
【００５３】
図３Ａは、陽極流れ場極板１２０の表面を示す。陽極流れ場極板１２０は、その一端の近くに、３つの入口、すなわち陽極空気入口マニフォールド開口部１３６、陽極冷却剤入口マニフォールド開口部１３８、および陽極水素入口マニフォールド開口部１４０を有しており、これらは、燃料電池セル・モジュールが、組み立てられた時、それぞれ、それらの上で、第１の空気接続ポート１０６、第１の冷却剤接続ポート１０８、および第１の水素接続ポート１１０と流体連通するよう配置されている。陽極流れ場極板１２０はまた、反対側の端の近くに、３つの出口、すなわち陽極空気出口マニフォールド開口部１３７、陽極冷却剤出口マニフォールド開口部１３９および陽極水素出口マニフォールド開口部１４１を有しており、これらは、燃料電池セル・モジュールが、組み立てられた時、それぞれ、それらの上で、第２の空気接続ポート１０７、第２の冷却剤接続ポート１０９、および第２の水素接続ポート１１１と流体連通するよう配置されている。
【００５４】
図３Ｃおよび３Ｄを参照し、さらに図３Ａを参照すると、陽極流れ場極板１２０の表面には、多数のオープンフェイス流路を含む水素流れ場１３２が設けられている。流れ場１３２は、陽極水素入口マニフォールド開口部１４０を、陽極水素出口マニフォールド開口部１４１に流体的に接続している。しかしながら、水素は、入口マニフォールド開口部１４０から直接、陽極流れ場極板１２０の表面の流れ場１３２に流れない。本発明の本実施形態は、上記の参照により組み込まれた本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に記述されている「バックサイド・フィード」を有利に使用している。以下、流れ場１３２と入口マニフォールド開口部１４０および出口マニフォールド開口部１４１との間の水素の流れを、それぞれ、より詳細に説明する。
【００５５】
流れ場１３２および各種の入口および出口マニフォールド開口部の周りには、処理ガス／流体の漏れおよび互いに他との、また冷却剤との混合を防ぐのに使用するシールを収容するため、封止面２００が設けられている。封止面２００は、流れ場１３２および入口および出口マニフォールド開口部１３６〜１４１を完全に囲んで形成されている。この特定の実施形態では、封止面２００は、入口および出口マニフォールド開口部１３６〜１４１を互いに他から、また陽極流れ場極板１２０の表面上の流れ場１３２を完全に分離するよう、意図されている。いくつかの実施形態では、封止面２００は、陽極流れ場極板１２０の周りの異なる位置で、多様な深さ（図３Ａの平面に垂直な方向における）および幅（図３Ａの平面における）、もしくはいずれか一方を有することができる。
【００５６】
水素入口マニフォールド開口部１４０および水素出口マニフォールド開口部１４１のそれぞれに隣接して、スロット１８０、１８０’が設けられている。スロット１８０、１８０’は、陽極流れ場極板１２０の厚さを貫通しており、それにより、陽極流れ場極板１２０の表面と裏面との間に流体連通を与えている。本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に対して上記されているように、スロット１８０、１８０’は、「バックサイド・フィード」開口部と考えられる。他の実施形態では、ただ１個のスロット１８０または１８０’を設ける代わりに、複数のスロットを、水素入口マニフォールド開口部１４０または水素出口マニフォールド開口部１４１に、それぞれ隣接して設けることができる。
【００５７】
図３Ａおよび３Ｄをさらに参照すると、陽極流れ場極板１２０の表面上の水素流れ場１３２に対して使用できるパターンの一例が示されている。水素流れ場１３２は、スロット１８０と流体連通している多数の燃料入口分配流路１７０を含んでいる。燃料入口分配流路１７０は、対応するリブ２７０によって規定されている。入口分配流路１７０の全てをオフセットにし、かつ、収容するため、入口分配流路１７０のそれぞれは、異なる長手方向および横方向の長さを有している。詳しくは、入口分配流路１７０のうちのいくつかは、図３Ａおよび３Ｄに示すように、スロット１８０に直ちに隣接する、より短い長手方向伸長部分１７０ａを有しており、かつ、対応するより長い横方向伸長部分１７０ｂを有している。より短い長手方向伸長部分１７０ａおよびより長い横方向伸長部分１７０ｂは、それぞれ、対応するリブ２７０ａおよび２７０ｂによって規定されている。入口分配流路１７０のそれぞれは、多数のリブ１７３によって規定される多数の主要流路１７２に分かれている。主要流路１７２は、真っ直ぐであり、かつ、流れ場１３２の長さに沿って平行に伸長している。
【００５８】
流れ場１３２の出口端部には、スロット１８０’と流体連通している多数の燃料出口集合流路１７１が設けられている。燃料出口分配流路１７１は、対応するリブ２７１によって規定されている。入口分配流路１７０と同様、燃料出口集合流路１７１の全てをオフセットにし、かつ、収容するため、燃料出口集合流路１７１のうちのいくつかは、図３Ａおよび３Ｄに示すように、スロット１８０’に直ちに隣接する、より短い長手方向伸長部分１７１ａ、および対応するより長い横方向伸長部分１７１ｂを有している。より短い長手方向伸長部分１７１ａおよびより長い横方向伸長部分１７１ｂは、それぞれ、対応するリブ２７１ａおよび２７１ｂによって規定されている。出口集合流路１７１は、入口分配流路１７０と相補的な対応位置にある。入口分配流路１７０のそれぞれから分かれる多数の主要流路１７２は、出口集合流路１７１へと収束する。分配および集合流路１７０、１７１のそれぞれと対応付けられる多数の主要流路１７２は、同一であってもなくてもよい。入口分配流路１７０のうちの一つから分かれる主要流路１７２の全てが、出口集合流路１７１のうちの対応する一つに接続されていること、およびその逆は、重要ではない。
【００５９】
好適な実施形態では、入口分配および出口集合流路１７０、１７１の長手方向伸長部分１７０ａ、１７１ａは、主要流路１７２の長さに比べて、相当により短い。さらに、リブ１７３および流路１７２、もしくはいずれか一方の幅は、異なる流路対リブ比を得るため調整することができる。望ましくは、リブおよび流路の幅は、ほぼ同じであるが、これは、そのような構成は、比較的短い電流経路（したがってより少ない寄生的な抵抗性負荷）、および処理反応物の電極へのより大きなアクセス（したがってより少ない拡散抵抗）の両方を与え、そのため性能が向上する場合がある。これは、以下に説明する陰極流れ場極板の場合も同様であろう。いくつかの実施形態では、主要流路の長さをほぼ同じにして、流れ場極板を横切る処理ガス／流体が、極板の面の両端の間で、同じ熱交換履歴を経験するようにする。これは今度は、流れ場極板の領域に亘って比較的一様な熱分配となる場合がある。
【００６０】
図３Ｂは、陽極流れ場極板１２０の裏面を示す。この特定の実施形態では、陽極流れ場極板１２０の裏面は、実質的に平坦かつ滑らかである。詳しくは、この特定の実施形態では、陽極流れ場極板１２０の裏面には、シールガスケット溝が設けられていない。対応する陰極極板による封止は、図４Ｂの例で示すように、対応する陰極極板の裏面における封止面で成し遂げられる。他の実施形態では、陽極流れ場極板１２０の裏面は、平坦かつ滑らかではない。このような実施形態では、陽極流れ場極板１２０の裏面は、以下に、図４Ｂを参照して説明する陰極流れ場極板１３０の裏面のように、相補的な設計を有することができる。
【００６１】
図３Ｄを参照すると、主要流路１７２と、燃料入口分配流路１７０ｂとの間に間隔がある。この間隔は、望ましくは、主要流路１７２の幅の１．５〜２倍である。さらにまた、主要流路１７２の反対側の端も、燃料出口集合流路１７１ｂとの間に間隔が有り、この間隔は、望ましくは、主要流路１７２の幅の１〜２倍である。
【００６２】
動作の際、水素は、スロット１８０から入口分配流路１７０に流入する。入口分配流路１７０を貫流したのち、水素流は、さらに主要流路１７２へと分割される。水素は、主要流路１７２を貫流し、次いで、陽極流れ場極板１２０の反対側の端で出口集合流路１７１に収束する。水素は、出口集合流路１７１を貫流し、スロット１８０’を介して、陽極流れ場極板１２０の裏面に至る。
【００６３】
さらに図２を参照すると、水素は、流れ場１３２の流路を貫流するので、水素の少なくとも一部は、第１のＧＤＭ１２２を横切って拡散し、かつ、ＭＥＡ１２４の陽極触媒層で反応して、プロトンおよび電子を形成する。プロトンは次いで、固体電解質膜１２５を横切って移動し、陰極触媒層に向かう。未使用の水素は、流れ場１３２の流路を貫流し続け、最後には、上記のように、陽極水素マニフォールド開口部１４１を介して陽極流れ場極板１２０から出る。
【００６４】
図４Ａは、陰極流れ場極板１３０の表面を示す。陰極流れ場極板１３０は、その一端の近くに３つの入口、すなわち陰極空気入口マニフォールド開口部１５６、陰極冷却剤入口マニフォールド開口部１５８、および陰極水素入口マニフォールド開口部１６０を有しており、これらは、燃料電池セル・モジュールが、組み立てられた時、それぞれ、第１の空気接続ポート１０６、第１の冷却剤接続ポート１０８、および第１の水素接続ポート１１０と流体連通するよう配置されている。陰極流れ場極板１３０は、反対側の端の近くに、３つの出口、すなわち陰極空気出口マニフォールド開口部１５７、陰極冷却剤出口マニフォールド開口部１５９、および陰極水素出口マニフォールド開口部１６１を有しており、これらは、燃料電池セル・モジュールが、組み立てられた時、それぞれ、第２の空気接続ポート１０７、第２の冷却剤接続ポート１０９、および第２の水素接続ポート１１１と流体連通するよう配置されている。入口および出口は全て、陰極流れ場極板１３０の対向端に配置されているが、当業者には、各種の他の配列が可能であることが理解されよう。
【００６５】
陰極流れ場極板１３０の表面には、陽極流れ場極板１２０の表面と同様、多数のオープンフェイス流路を含む酸化体流れ場１４２が設けられている。流れ場１４２は、陰極空気入口マニフォールド開口部１５６を陰極空気出口マニフォールド開口部１５７に流体的に接続している。しかしながら、陽極流れ場極板１２０の設計と同様、空気は、入口マニフォールド開口部１５６から直接、陰極流れ場極板１３０の表面の流れ場１４２に流れない。もっと正確に言えば、空気は、入口マニフォールド開口部１５７から陰極流れ場極板１３０の裏面の一部を越え、かつ、陰極流れ場極板を介して表面に出るが、これは、上記の参照により組み込まれた本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号に開示されている「バックサイド・フィード」のコンセプトによるものである。陰極流れ場極板１３０の裏面に係る詳細は、以下に、図４Ｄを参照して詳細に説明する。
【００６６】
空気入口マニフォールド開口部１５６および空気出口マニフォールド開口部１５７にそれぞれ隣接して設けられたスロット２８０および２８０’も、含まれている。スロット２８０、２８０’は、陰極流れ場極板１３０の厚さを貫通し、それにより、陰極流れ場極板１３０の表面および裏面に流体的に接続している。スロット２８０、２８０’のそれぞれは、単一の開口部として示してある。しかしながら、他の実施形態では、スロット２８０、２８０’のそれぞれは、陰極流れ場極板１３０を貫通して伸長する一組の多重開口部として設けることができる。本出願人の同時係属出願の米国特許出願第０９／８５５，０１８号を参照すると、スロット２８０、２８０’は、「バックサイド・フィード」開口部と、別様に呼ばれている。
【００６７】
陰極流れ場極板１３０にはまた、処理ガス／流体の漏れ、および、互いに他との、また、冷却剤との混合を防ぐのに使用するシールを収容するため、流れ場１４２および各種の入口および出口マニフォールド開口部の周りに配置されている封止面３００も設けられている。陽極流れ場極板１２０の設計と同様、封止面３００は、必要に応じて、陰極流れ場極板１３０の周りの異なる位置で、多様な深さおよび幅、もしくはいずれか一方を有することができる。
【００６８】
図４Ａおよび４Ｂは、陰極流れ場極板１３０の表面上の酸化体流れ場１４２のパターンを示す。さらに図３Ａおよび３Ｄを参照すると、酸化体流れ場１４２は、一般に、水素流れ場１３２と同様である。図４Ａに示すように、酸化体流れ場１４２は、スロット２８０と流体連通している多数の酸化体入口分配流路１８６を含んでいる。酸化体入口分配流路１８６は、対応するリブ２８６によって規定されている。入口分配流路１８６の全てをオフセットにし、かつ、収容するため、入口分配流路１８６のそれぞれは、異なる長手方向および横方向の長さを有している。詳しくは、入口分配流路１８６のうちのいくつかは、スロット２８０に直ちに隣接する、より短い長手方向伸長部分１８６ａおよびより長い横方向伸長部分１８６ｂを有している。より短い長手方向伸長部分１８６ａおよびより長い横方向伸長部分１８６ｂは、それぞれ、対応するリブ２８６ａおよび２８６ｂによって規定されている。入口分配流路１８６のそれぞれは、対応する多数のリブ１８９によって規定される多数の主要流路１８８に分かれている。主要流路１８８は、真っ直ぐであり、かつ、流れ場１４２の長さに沿って平行に伸長している。
【００６９】
引き続き図４Ａおよび４Ｂを参照し、さらに図４Ｃを参照すると、陰極流れ場極板１３０の出口端部で、酸化体流れ場１４２は、スロット２８０’と流体連通している多数の酸化体出口集合流路１８７を含んでいる。酸化体出口分配流路１８７は、対応するリブ２８７によって規定されている。出口集合流路１８７の全てをオフセットにし、かつ、収容するため、出口集合流路のそれぞれは、異なる長手方向および横方向の長さを有している。詳しくは、出口集合流路１８７のうちのいくつかは、スロット２８０’に直ちに隣接する、より短い長手方向伸長部分１８７ａおよびより長い横方向伸長部分１８７ｂを有している。より短い長手方向伸長部分１８７ａおよびより長い横方向伸長部分１８７ｂは、それぞれ、対応するリブ２８７ａおよび２８７ｂによって規定されている。出口集合流路１８７は、入口分配流路１８６と相補的な対応位置にある。したがって、入口分配流路１８６のそれぞれから分かれる主要流路１８８は、次いで、出口集合流路１８７に収束する。
【００７０】
入口分配および出口集合流路１８６、１８７の長手方向伸長部分は、主要流路１８８の長さに比べて、相当により短いことに注目されたい。入口分配および出口集合流路１８６、１８７のそれぞれと対応付けられる多数の主要流路１８８は、同一であってもなくてもよい。リブ１８９および流路１８８、もしくはいずれか一方の幅は、異なる流路対リブ比を得るため調整することができる。望ましくは、リブおよび流路の幅は、ほぼ同じであるが、これは、そのような構成は、比較的短い電流経路（したがってより少ない寄生的な抵抗性負荷）、および処理反応物の電極へのより大きなアクセス（したがってより少ない拡散抵抗）の両方を与え、そのため性能が向上する場合がある。これは、上記の陽極流れ場極板の場合も同様であろう。
【００７１】
さらに、水素流れ場１３２と同様、入口分配流路１８６のうちの一つから分かれる主要流路１８８の全てが、出口集合流路１８７のうちの特定の一つに接続されていること、およびその逆は、重要ではない。いくつかの実施形態では、主要流路の長さをほぼ同じにして、流れ場極板を横切る処理ガス／流体が、極板の面の両端の間で、同じ熱交換履歴を経験するようにする。これは今度は、流れ場極板の領域に亘って比較的一様な熱分配となる場合がある。
【００７２】
図４Ｂおよび４Ｃは、陰極流れ場極板１３０の表面上の酸化体出口集合流路１８７ａおよび１８７ｂの拡大図を示す。この特定の例では、出口集合流路１８７ｂのそれぞれは、３つの対応するリブ１８９によって規定される４つの主要流路１８８に分かれている。主要流路１８８の長手方向に沿って、主要流路１８８のそれぞれの端部と出口集合流路１８７ｂのうちの一つとの間には間隔がある。この特定の実施形態では、全ての主要流路１８８の端部部分とそれらの対応する出口集合流路１８７ｂとの間隔は、実質的に同じ距離である。この特定の配列は、必ずしも必要ではなく、したがって、主要流路のそれぞれは、それらの対応する出口集合流路１８７ｂに対して、異なる位置で終わることができる。この特定の実施形態では、出口集合流路１８６ｂと主要流路１８８の端部部分との間の距離は、望ましくは、主要流路１８８の幅の１．５〜２倍であり、これは、よりよい流量分配および陰極流れ場極板１３０両端の間の圧力降下の減少となる場合がある。同様に、出口集合流路１８７ａ、１８７ｂの幅は、望ましくは、主要流路１８８の幅の１〜２．０倍である。
【００７３】
引き続き図４Ｃを参照すると、出口集合流路１８７ａおよび１８７ｂのそれぞれの間の各継手において、隅肉１８７ｃが設けられている。同様に、主要流路１８８および出口集合流路１８７ｂのそれぞれの間の各継手において、隅肉１８７ｄが設けられている。隅肉１８７ｃおよび１８７ｄは、乱流のより少ないパターンを作り出し、したがって、流れ場１４２両端の間の圧力降下を減らすのに役立つ。特に、隅肉１８７ｃは、角部によって、それぞれのリブ間に、サイズが一様な流路を与えるようパターン化されている。すなわち、この非常に具体的な実施形態では、流路１８７ａのそれぞれの幅は、それぞれの流路１８７ｂに合わせて遷移するので、角部によって変化することはない。図３Ａをさらに参照すると、同様の隅肉は、陰極流れ場極板１３０の表面上の空気入口分配流路１８６においてと同様、陽極流れ場極板１２０の表面上の燃料入口分配流路１７０および燃料出口集合流路１７１においても与えることができる。
【００７４】
上記において、燃料ガス、酸化体および冷却剤の流路は、「主要」と呼んだが、これは、このような流路は、一般に、流れ場極板の中央に在り、かつ、一般に、与えられた流路の大部分を構成することになる、と言う意味で、そう呼んだのである。主要流路は、面の両端間で一様な燃料分配となるよう選択される。
【００７５】
流れ場極板上に含まれている入口分配および出口集合流路構成は、ガス流が、まず、一つの流路（入口分配流路）に沿って通過し、次いで、多数のより細い流路（主要流路）に分岐する分岐構造を与えるものである。この構造は、さらなるレベルの再分化を含むことができるであろう。例えば、入口分配流路は、入口分配流路と主要流路との間に配置されている多数の補助分配流路に接続できよう。同様に、主要流路と出口集合流路との間に、集合流路の補助セットを配置させることができる。
【００７６】
ここで図４Ｄを参照すると、陰極流れ場極板１３０の裏面が示されている。この特定の実施形態では、陰極流れ場極板１３０の裏面には、多数のオープンフェイス流路を含む冷却剤流れ場１４４が設けられている。陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０の表面と同様、冷却剤流れ場１４４および各種の入口および出口マニフォールド開口部１５６〜１６１の周りには、封止面４００が配置されている。同様に、封止面４００は、必要に応じて、陰極流れ場極板１３０の周りの異なる位置で、多様な深さおよび幅、もしくはいずれか一方を有することができる。しかしながら、封止面２００、３００は、それぞれ、入口および出口マニフォールド開口部１３６〜１４１、１５６〜１６１を、対応する陽極および陰極流れ場１３２、１４２から完全に分離する一方、封止面４００は、入口および出口マニフォールド開口部１５６、１５７、１６０および１６１（空気および水素用）を、冷却剤流れ場１４４から完全に封止するのみで、冷却剤が、流れ場１４４と冷却剤入口および出口マニフォールド開口部１５８、１５９との間に流れることを可能にする。
【００７７】
すなわち、流れ場１４４は、陰極冷却剤入口マニフォールド開口部１５８を、陰極冷却剤出口マニフォールド開口部１５９に流体的に接続している。簡単に言えば、動作の際、冷却剤は、陰極冷却剤入口マニフォールド開口部１５８に入り、流れ場１４４における流路に沿って流れ、かつ、最終的には、陰極冷却剤出口マニフォールド開口部１５９を介して、冷却剤流れ場１４４を出る。
【００７８】
ここで図４Ｄおよび４Ｅを参照すると、空気入口および出口マニフォールド開口部１５６、１５７は、陰極流れ場極板１３０の裏面に配置されているそれぞれの開口部延長部２８１、２８１’を有している。開口部延長部２８１、２８１’には、対応するスロット２８０、２８０’間に伸長するそれぞれの数の突出部２８２、２８２’が設けられている。突出部２８２、２８２’は、それぞれ、空気入口マニフォールド開口部１５６および空気出口マニフォールド開口部１５７の対応する縁部の手前で止まるそれぞれの数の流路２８４、２８４’を規定し、それにより、それぞれのスロット２８０、２８０’と、対応する空気入口マニフォールド開口部１５６および空気出口開口部１５７との間に、それぞれ、空気流を促進する。封止面４００は、開口部延長部２８１、２８１’、したがって、対応するスロット２８０、２８０’を、冷却剤流れ場１４４および他の入口および出口マニフォールド開口部１５８〜１６１から完全に分離する。
【００７９】
引き続き図４Ｄおよび４Ｅを参照し、さらに図４Ｆを参照すると、陰極水素入口マニフォールド開口部１６０および出口マニフォールド開口部１６１はまた、それぞれの開口部延長部１８１、１８１’を有している。同様に、開口部延長部１８１、１８１’には、それぞれの数の突出部１８２、１８２’が設けられている。突出部１８２、１８２’は、陰極流れ場極板１３０の裏面および陽極流れ場極板１２０の裏面が、（ひとたび組み立てられて）互いに他と当接する場合、突出部１８２、１８２’が陽極流れ場極板１２０の対応するスロット１８０、１８０’にまで伸長するよう、陰極流れ場極板１３０上に、配置されている。突出部１８２、１８２’は、封止面４００が、極板１３０の最上面以下であるため、実質的に同じ深さを有しているそれぞれの数の流路１８４、１８４’を規定している。突出部１８２、１８２’は、それぞれ、水素入口マニフォールド開口部１６０および水素出口マニフォールド開口部１６１の対応する縁部から伸長しており、それにより、スロット１８０、１８０’と水素入口マニフォールド開口部１６０および水素出口マニフォールド開口部１６１との間の水素流を、それぞれ、促進する。封止面４００は、開口部延長部１８１、１８１’、したがって、それぞれのスロット１８０、１８０’を、冷却剤流れ場１４４および他の入口および出口マニフォールド開口部１５６〜１５９から完全に分離する。突出部１８２、１８２’のそれぞれのグループの端部に隣接する対応するすきま１８３、１８３’は、上記の陽極流れ場極板１２０上のそれぞれのスロット１８０、１８０’の場所に対して大きさが決められている。すきま１８３、１８３’は、重要ではないが、流路１８４、１８４’とそれぞれのスロット１８０、１８０’との間の流れを良くする場合がある。
【００８０】
図４Ｄ、４Ｅおよび４Ｆは、陰極流れ場極板１３０の裏面上の冷却剤流れ場１４４のパターンを示す。冷却剤流れ場は、冷却剤入口マニフォールド開口部１５８と流体連通している多数の冷却剤入口分配流路１９０を含んでいる。冷却剤入口分配流路１９０は、対応するリブ（具体的には示していない）によって規定されている。入口分配流路１９０は、冷却剤入口マニフォールド開口部１５８と流体連通している長手方向伸長部分１９０ａ、および冷却剤流れ場１４４の中央部分へと、異なる長さに伸長している横方向伸長部分１９０ｂを有している。入口分配流路１９０は、流れ場１４４および互いに他の長さに適合するため、それらの長手方向伸長部分１９０ａの長さが多様である。入口分配流路１９０のそれぞれは、多数のリブ１９３により規定されて、多数の主要流路１９２に分かれている。主要流路１９２は、真っ直ぐであり、かつ、流れ場１４４の長さに沿って平行に伸長している。いくつかの実施形態では、主要流路の長さをほぼ同じにして、流れ場極板を横切る処理ガス／流体が、極板の面の両端の間で、同じ熱交換履歴を経験するようにすることができる。これは今度は、流れ場極板の領域に亘って比較的一様な熱分配となる場合がある。
【００８１】
冷却剤流れ場１４４はまた、冷却剤出口マニフォールド開口部１５９と流体連通している多数の冷却剤出口集合流路１９１を含んでいる。出口集合流路１９１は、冷却剤出口マニフォールド開口部１５９と流体連通している長手方向伸長部分１９１ａ、および冷却剤流れ場１４４の中央部分へと、異なる長さに伸長している横方向伸長部分１９１ｂを有している。冷却剤出口集合流路１９１は、流れ場１４４および互いに他の長さに適合するため、それらの長手方向伸長部分１９１ａの長さが多様である。主要流路１９２は、出口集合流路１９１に収束する。さらに、冷却剤出口集合流路１９１は、入口分配流路１９０と相補的な対応位置にある。
【００８２】
この特定の実施形態では、分配および集合流路１９０、１９１の長手方向伸長部分１９０ａ、１９１ａは、主要流路１９２の長さに比べて、相当により短い。入口分配流路１９０のそれぞれから分かれる主要流路１９２の数は、同じであってもなくてもよい。再び、入口分配流路１９０のそれぞれから分かれる主要流路１９２の全てが、出口集合流路１９１のうちの対応する一つに接続されていること、およびその逆は、重要ではない。さらに、必要なら、リブ１９３および流路１９２、もしくはいずれか一方の幅は、異なる流路対リブ比を得るため調整することができる。
【００８３】
さらに図４Ｇを参照すると、裏面上の冷却剤流れ場１４４の主要流路１９２は、表面上の陰極流れ場１４２の主要流路１８８の鏡像となるよう整列化されていることは明らかである。全流路を完全に整列させることは、非常に困難であり、かつ、一般に、非実際的である。なぜなら、各流れ場は、他のマニフォールド開口から分離した位置にある各対のマニフォールド開口に接続されているからである。したがって、それぞれのマニフォールド開口部への（からの）処理ガス／流体および冷却剤に必要なそれぞれの流路を与えるためには、冷却剤流れ場および反応物流れ場に含まれている入口および出口分配流路は、必ず、幾分不同に配置されていなければならない。しかしながら、極板の端部近くの部分的な整列化は、可能である。すなわち、図５Ａ〜５Ｄをさらに参照して以下にさらに詳細に説明するリブのうちの少なくともいくつかの部分的な整列化は、可能である。
【００８４】
図４Ａを参照すると、動作の際、空気は、スロット２８０から入口分配流路１８６へと移動する。次いで、空気入口分配流路１８６のそれぞれに移動する空気は、主要流路１８８へと分割される。空気は、主要流路１８８を貫流したのち、出口集合流路１８７へと収束する。空気は、次いで、出口集合流路１８７を貫流し、スロット２８０’を介して、陰極流れ場極板１３０の裏面に至る。空気流入口分配流路１８６への分割、次いで、主要流路１８８への分割、そして、陰極流れ場極板１３０の出口端部における対応する集合は、空気の分配を良くし、かつ、ＧＤＭ１２６を横切る、より一様な空気分配を成し遂げ、それにより、陰極流れ場極板１３０両端の間の圧力差を減らし、かつ、燃料電池セルの効率を向上させる。
【００８５】
空気は、流れ場１４２内の流路を貫流するので、その中の酸素の少なくとも一部は、第２のＧＤＭ１２６を横切って拡散し、かつ、外部回路から戻った電子と陰極触媒層で反応して、陰イオンを形成する。陰イオンは、次いで、ＭＥＡ１２４を横切って移動したプロトンと反応して、液水および熱を形成する。未使用の空気は、流れ場１４２に沿って流れ続け、最終的には、上記のように、陰極空気出口１５７を介して、陰極流れ場極板１２０を出る。
【００８６】
図４Ｄを参照すると、冷却剤は、同時に、冷却剤入口開口部１５８から冷却剤入口分配流路１９０へと別個に流れる。冷却剤は、入口分配流路１９０のそれぞれへと流入し、さらに主要流路１９２へと分かれる。ひとたび、冷却剤が、主要流路１９２を貫流すると、冷却剤は、冷却剤流れ場１４４の反対側の端で、出口集合流路１９１に集合する。冷却剤は、次いで、出口集合流路１９１を貫流し、冷却剤出口開口部１５９に至る。冷却剤流の、入口分配流路１９０から主要流路１９２への分割は、冷却剤の分配を良くし、かつ、より一様で効率的な流れ場１４４を横切る熱伝達を成し遂げる。
【００８７】
一般に、燃料電池スタックを組み立てる際、燃料電池セル１個の陽極流れ場極板の裏面は、隣接する燃料電池セルの陰極流れ場極板の裏面に当接する。各種の入口および出口マニフォールド開口部は、互いに他と整列するよう配置されて、それらの端部において、一つまたはそれ以上の端部極板上に含まれるそれぞれのポートに流体的に接続可能な、燃料電池スタックを貫いて伸長するダクトまたは細長く延びた流路を形成している。
【００８８】
図３Ｂおよび４Ｄを参照すると、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０は、互いに他に当接するよう設計された裏面を有している。さらに、陽極流れ場極板１２０および陰極流れ場極板１３０上には、各種のマニフォールド開口部１３６〜１４１および１５６〜１６１が、それぞれ、互いに他と整列して、それらの端部において、対応するポート１０６〜１１１に流体的に接続可能な、燃料電池スタックを貫いて伸長する６個のダクトまたは細長く延びた流路を形成している。
【００８９】
陰極流れ場極板１３０の裏面上の封止面４００と陽極流れ場極板１２０の滑らかな裏面との間には、シールが配置されて、２つの極板同士の間の封止を成し遂げている。続いて、水素入口マニフォールド開口部１６０、出口マニフォールド開口部１６１、および陰極流れ場極板１３０のそれぞれの開口部延長部１８１、１８１’は、それぞれ、２つの対応するチャンバーを、陽極流れ場極板１２０の裏面の明確な部分で規定している。別法として、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０の裏面は、導電性の接着剤を用いて一体に接着することができる。
【００９０】
同様の配列では、陰極流れ場極板１３０の空気入口マニフォールド開口部１５６、出口マニフォールド開口部１５７およびそれぞれの開口部延長部２８１、２８１’は、それぞれ、２つの他のチャンバーを、陽極流れ場極板１２０の裏面の他の明確な部分で規定している。
【００９１】
図２、３Ａおよび４Ａを参照すると、動作の際、水素は、第１の水素接続ポート１１０を介して入り、陽極および陰極水素入口マニフォールド開口部１４０および１６０により形成されているダクトを貫流し、かつ、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０の裏面により規定されている上記のチャンバーに流れる。各燃料電池セルでは、水素は、上記のように、陽極流れ場極板１２０の表面上へと流れる。未使用の水素は、ひとたび燃料電池セルを出ると、陽極および陰極水素出口マニフォールド開口部１４１および１６１によって形成されているダクトを貫流し、かつ、第２の水素接続ポート１１１を介して、燃料電池スタックを離れる。
【００９２】
同様に、空気は、第１の空気接続ポート１０６を介して入り、陽極および陰極空気入口マニフォールド開口部１３６および１５６によって形成されているダクトを貫流し、かつ、陽極および陰極流れ場極板１２０、１３０の裏面により規定されている上記のチャンバーに流れる。次いで、各燃料電池セルでは、空気は、上記のように、それぞれの陰極流れ場極板１３０の表面へと流れる。空気は、ひとたび燃料電池セルを出ると、陽極および陰極空気入口マニフォールド開口部１３７および１５７によって形成されているダクトを貫流し、かつ、第２の空気接続ポート１０７を介して、燃料電池スタックを離れる。
【００９３】
一別の実施形態では、例えば、開口部延長部１８１、１８１’およびそれぞれの突出部１８２、１８２’は、陰極流れ場極板１３０の裏面上の代わりに、陽極流れ場極板１２０の裏面上に配置されている。このような実施形態では、陰極流れ場極板１３０の裏面上の封止面４００は、陽極水素入口マニフォールド開口部１４０、出口マニフォールド開口部１４１、および関連する開口部延長部１８１、１８１’、それぞれの突出部１８２、１８２’、並びに対応するスロット１８０、１８０’を囲むよに構成されている。
【００９４】
他の実施形態では、陽極および陰極流れ場極板は、同一である。このような実施形態では、陰極流れ場極板１３０の裏面のみに、冷却剤流れ場を設ける場合、陽極および陰極流れ場極板のそれぞれの上に、冷却剤流路の深さの半分の冷却剤流路を設けるのが望ましい場合がある。２つの極板上の流路およびリブは、互いに他と整列するであろう。これにより、冷却剤流に対して、同じ量のスペースを維持し、しかも、各流れ場極板をより薄くすることができよう。
【００９５】
もう一つの別法としては、動作中、表面上で特定のガスを必要とする流れ場極板の裏面に、特定のガスに対する開口部延長部を設ける。例として、図３Ａおよび３Ｂを参照すると水素入口および出口マニフォールド開口部１４０、１４１には、陽極流れ場極板１２０の裏面上に、それぞれの開口部延長部１８１、１８１’（図４Ｄから）を設けることができる。同様に、陰極流れ場極板１３０では、既に図４Ｄで示したように、酸化体入口および出口マニフォールド開口部１５６、１５７には、その裏面上に、それぞれの開口部延長部２８１、２８１’を設けることができる。両方の場合において、流れ場極板の表面を流れ場極板の裏面に流体的に接続する各極板に、適当なスロットを設けることができる。
【００９６】
もう一つの別の実施形態では、陽極および陰極流れ場極板のそれぞれには、燃料ガス流および酸化体ガス流の両方に対して、開口部延長部が設けられている。実際には、流れ場極板の表面まで貫いて伸長しているスロットに向かって、それぞれのマニフォールド開口部から伸長している延長部チャンバーが、極板の一方において部分的に、かつ、極板の他方において部分的に、設けられることになろう。この構成は、流れ場極板のそれぞれの厚さを減らす場合に望ましいことがある。
【００９７】
さらに、このような構成では、陽極流れ場極板および陰極流れ場極板を同一にすることができる。なぜなら、本発明のいくつかの実施形態によれば、燃料および酸化体入口および出口開口部は、同じ寸法、したがって、同じ領域を有しているからである。詳しくは、陽極流れ場極板の裏面にも、陰極流れ場極板の裏面上の冷却剤流れ場と同じパターンで、冷却剤流れ場を設ける。
【００９８】
封止面もまた、両方の流れ場極板上で、同じパターンで設けることができる。陽極および陰極流れ場極板が、いくつかの実施形態でそうであるように、同一であるなら、ただ一つの流れ場極板設計を用いて、燃料電池スタックの全ての燃料電池セルを構成することができる。この簡易化は、今度は、生産工程の簡易化につながる場合があり、したがって、製造コストがより低くおよび組み立て時間がより短くなる場合がある。
【００９９】
また上記により、封止配列も簡易化する。なぜなら、各極板上のシールは、同じだからである。したがって、いくつかの実施形態では、燃料電池スタックを組み立てた時、流れ場極板上のマニフォールド開口部が確実に整列するようにするため、燃料マニフォールド開口部および酸化体マニフォールド開口部は、同じ寸法にするばかりでなく、対称的に配置して、２つの同一極板の表面がＭＥＡをその間に配置して、互いに他と反対の位置に配設された時、一つの極板の表面上の流れ場と流体連通しているマニフォールド開口部が、他の極板の表面上の流れ場からシールオフされたマニフォールド開口部と整列するようにする。冷却剤開口部はまた、スタックが組み立てられた時、整列しなければならないことは理解できる。これはまた、冷却剤開口部は、同じ仮想軸に対しても対称的であることを意味する。
【０１００】
上記の配列のさらなる利点は、処理ガス／流体に対するマニフォールド開口部は、また流体それ自体ですらも、フリップもしくは反転させることができることである。相当な膜劣化が、流れ場構造への入口でより急速に生ずるといういくつかの証拠がある。極板、または単に処理ガス／流体の流れを、反転もしくは「フリップ」させて、入口マニフォールド開口部が、出口マニフォールド開口部となる、およびその逆になるようにすることができれば、膜（およびスタック）の寿命を延ばすことができる。
【０１０１】
ここで図５Ａおよび５Ｂを参照すると、従来の設計の燃料電池セルおよび本発明の一実施形態による２つの燃料電池セルのそれぞれの断面図が示されている。詳しくは、図５Ａは、燃料電池セル用の流れ場極板の従来技術の配列の横断面を示す概略図であり、また、図５Ｂは、本発明の一実施形態によって設計された流れ場極板を用いる一対の燃料電池セルの横断面を示す概略図である。
【０１０２】
さらに図５Ｃを参照すると、本発明のいくつかの実施形態によれば、流れ場極板の流路は、（流れ場極板に対して）縦に走り、かつ、望ましくは、陽極、陰極および冷却剤主要流れ場構造は、実質的に同一の構成を有している。詳しくは、図５は、それぞれ、陽極、陰極および冷却剤流れ場１３２、１４２および１４４における、それぞれの主要陽極、陰極、および冷却剤流路１７２、１８８、１９２を通る横断面である。この結果として、対応する流れ場１３２、１４２および１４４における、それぞれのリブ１７３、１８９および１９３のうちのほとんどのものが、整列している。すなわち、陽極流れ場１３２におけるリブ１７３は、陰極流れ場１４２におけるリブ１８９並びに冷却剤流れ場１４４におけるリブ１９３と正反対の位置にある。
【０１０３】
図５Ｄは、それぞれ、出口陽極、陰極および冷却剤流路１７１、１８７および１９１を通る横断面である。図５Ｄで分かるように、図５Ｃとは対照的に、入口分配流路１７１、１８７および１９１の一部を互いに他と部分的に整合させることだけが可能である。同様に、出口分配流路１７１、１８７および１９１の一部を互いに他と部分的に整合させることが可能である（図示せず）。冷却剤入口および出口流路と処理ガス／流体用流路との間の完全な整合は、可能ではない。なぜなら、それぞれの入口および出口流路が接続するマニフォールド開口部は、極板の端部部分を横切って分配されており、それにより、幾分異なる流路を、極板の端部近くで必要とするからである。陽極および陰極流れ場１３２および１４２が同一な実施形態では、入口分配流路および出口集合流路の横方向伸長部分は、燃料電池セルを一体に組み立てた時、簡単に整合し、完全な整合は可能であるが、これは、図面中に示していない。なぜなら、陽極処理ガス／流体用に使用されるマニフォールド開口部は、陰極処理ガス／流体用に使用されるものとは、寸法が異なるからである。
【０１０４】
陽極、陰極流れ場１３２、１４２および１４４のリブを整合させることは、従来の非整合設計（図５Ａに図示）に比べて多数の利点をもたらすことができる。従来の設計では、ＧＤＭ１２２および１２６およびＭＥＡ１２４は、極板５２および５０上にそれぞれ含まれている非整合反応物流路リブ６４および６６によって誘起されるせん断効果により、過大に圧縮され、かつ、過大に引っ張られる。さらに、極板５２は、幾分より厚くして、冷却剤リブ６２と反応物リブ６４との間の位置ずれを吸収しなければならず、さもないと、（燃料電池セルがひとたび組み立てられると）極板５２に転化される圧力で、極板５２に亀裂または破断が発生する場合がある。他方、図５Ｂに示すように、「リブ対リブ」パターン整合を使用した燃料電池セルでは、ＧＤＭ１２２および１２６およびＭＥＡ１２４への応力は、より少ないことが予想される。さらにまた、燃料電池セル性能および効率も向上することが予想される。
【０１０５】
本発明では、陽極および陰極流れ場極板１２０および１３０は、同じパターンおよび同じ流路対リブ比を有している。望ましくは、流路対リブ比は、１．５：１である。しかしながら、問題は、陽極および陰極流れ場極板１２０および１３０が同一の時生ずる場合があることに注目されたい。燃料電池セル反応の式（１）および（２）から、水素対酸素の化学量論比は、２：１であることを理解されたい。実際の動作では、燃料および酸化体ガスの両方が、反応物消費速度に対して過大な流量で、燃料電池スタックに供給され、したがって、燃料電池スタックは、燃料電池スタックの電力出力を保証するのに十分な反応物を有している。これは、陽極流れ場１３２を横切って流れる燃料ガスの量よりも、より多くの酸化体ガスが、陰極流れ場１４２を横切って流れることを必要とする。従来は、これは、陰極酸化体入口および出口開口部１５６、１５７を拡大することによって、また、陰極流路の幅を拡大してより能動的な領域を得ることによって、一般に、成し遂げられている。本発明のいくつかの実施形態では、流れ場のパターンおよび流路対リブ比が同じであり、かつ、燃料および酸化体用の入口および出口開口部が、実質的に同一であるため、流れ場極板は、化学量論的に最適化されていない。しかしながら、上記のように、本発明のいくつかの実施形態によって与えられる流れ場極板の設計は、燃料電池スタックの製造および組立てを相当に簡易化することができ、かつ、コストを抜本的に下げることもできる。したがって、この折衷を行なうことが正当化される。さらに、供給される反応物の化学量論比および反応物、もしくはいずれか一方が供給される条件を調整して、いかなる性能問題でも軽減することが可能である場合がある。
【０１０６】
図６Ａおよび６Ｂは、突出部およびリブ端部のそれぞれの拡大斜視図を示す。詳しくは、図６Ａは、図４Ｆに示した個々の突出部１８２の端部部分１８２ａを示し、図６Ｂは、本発明の別の実施形態によるそれぞれのリブ１８９のリブ端部１８９ａを示す。突出部およびリブの両方は、角度の付いた側面および平坦な頂部を有している。角度の付いた側面は、製造の際、極板の成形と印刷に役立つことが知られている。それぞれの突出部１８２およびリブ１８９の端部２８２ａおよび１８９ａは、処理ガス／流体に与えられた乱流を減らすため、隅肉を付け、かつ、滑らかにしてある。一般に、当業者は、乱流を減らす突出部およびリブ端部の各種の設計が可能であることを理解されよう。
【０１０７】
上記の説明は、実施形態の例を示すものであるが、本発明は、添付の請求項の主旨および範囲を逸脱することなしに、修正および変更が可能であることが理解されよう。したがって、既に述べたことは、本発明の実施形態の態様の適用を説明するにすぎない。上記の教示により、本発明の多数の修正および変形が可能である。したがって、添付の請求項の範囲内で、本発明は、ここで具体的に述べたのとは別様に実施できることを理解されたい。
【０１０８】
異なる流れ場のリブ同士の整合を行なう効果は、燃料電池セルのスタックを貫いて伸長する連続的な支持を流れ場極板に垂直に与え、それにより、負荷がいかなるせん断作用もなしに、直接ＭＥＡを介して伝達されることを保証することである。冷却剤および反応物流れ場の流路を整合する場合、温度調整を向上させることができ、個々のセルの全抵抗を減らすことができ、したがって、燃料電池スタック全体の全抵抗を減らすことができる。
【０１０９】
請求項では、流路同士は、互いに他に対して「鏡像化されている」として説明、かつ定義してある。この用語は、各流れ場のリブおよび対応する流路の一方または両方のいずれかが、別の流れ場の対応するリブおよび流路と反対の位置にあることを意味する。このような鏡像化は、流路に対して異なる寸法が存在する場合、少なくともある程度までは、起こり得ることも理解されよう。例えば、対応する介在リブを有する、一つの流れ場における比較的広い流路は、それら自体の介在リブを有するより狭い流路と反対の位置に在ることができ、より狭い流路の間のリブのうち、より広い流路を隔てるリブと反対の位置に在るリブは、一つおきにしかない。
【０１１０】
さらに、請求項を含む明細書では、流路の少なくとも部分が他の流路の少なくとも部分の鏡像となっている場合を引用している。これは、一方または両方の流れ場の全ての流路が鏡像化されているとは限らない実施形態を含み、また、鏡像化されている流路についても、多くの場合、各流路の一部しか鏡像化されていない実施形態も含んでいる。これは、各流れ場の流路が、各対のマニフォールド開口部に接続しなければならず、かつ、これらのマニフォールド開口部は、各流れ場について異なるという事実により、必然的に生ずることである。そのようなものとして、入口および出口流路は、少なくとも異なる方向に向いており、また、鏡像化において正確で完全な対応を得ることは一般に可能ではない。
【０１１１】
したがって、本発明のさらなる態様は、完全な鏡像化は一般に可能ではないことを認識する。したがって、鏡像化されていない流路の部分については、それらが略垂直に、または垂直に伸長するように配置するのが望ましい。したがって、本発明は、同じ方向に走る流路に対して、それらを最大限度まで鏡像化し、かつ、さもなければ垂直に伸長する流路を配置して、膜のせん断および望ましくない負荷の分配となり得る、平行ではあるが位置ずれしているリブおよび流路の発生を防ぐべきことを規定する。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】燃料電池セル・モジュールの簡易化された概略図。
【図２】燃料電池セル・モジュールの分解斜視図。
【図３Ａ】図２に示した燃料電池セル・モジュールでの使用に適した本発明の一実施形態の態様による陽極流れ場極板の表面の概略図。
【図３Ｂ】図３Ａに示した陽極流れ場極板の裏面の概略図。
【図３Ｃ】図３Ａの線Ａ−Ａに沿った陽極流れ場極板の拡大部分断面図。
【図３Ｄ】図３Ａに示した陽極流れ場極板の表面の端部のみの拡大切り欠き図の概略図。
【図４Ａ】図２に示した燃料電池セル・モジュールでの使用に適した本発明の一実施形態の態様による陰極流れ場極板の表面の概略図。
【図４Ｂ】図４Ａに示した陰極流れ場極板の表面の端部のみの拡大切り欠き図の概略図。
【図４Ｃ】図４Ａおよび４Ｂに示した陰極流れ場極板の表面の一部の拡大斜視図。
【図４Ｄ】図４Ａに示した陰極流れ場極板の裏面の概略図。
【図４Ｅ】図４Ｂに示した陰極流れ場極板の裏面の端部のみの拡大切り欠き図の概略図。
【図４Ｆ】図４Ｂに示した陰極流れ場極板の裏面の一部の拡大斜視図。
【図４Ｇ】図４Ａの線Ｂ−Ｂに沿った陰極流れ場極板の拡大部分断面図。
【図５Ａ】単一の燃料電池セルにおける従来技術の流れ場極板の横断面を示す概略図。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態によって与えられた流れ場極板を用いる一対の燃料電池セルの横断面を示す概略図。
【図５Ｃ】本発明の一実施形態による陽極および陰極流れ場極板の接合時に含まれる主要陽極、陰極および冷却剤流路を通る横断面斜視図。
【図５Ｄ】本発明の一実施形態による陽極および陰極流れ場極板の接合時に含まれる出口陽極、陰極および冷却剤流路を通る横断面斜視図。
【図６Ａ】図４Ｆに示した個々の突出部の端部部分の拡大斜視図。
【図６Ｂ】本発明の別の実施形態によるそれぞれの流路リブのリブ端部を示す図。
【図１】
2008536258.tif 000003
【図２】
2008536258.tif 000004
【図３Ａ】
2008536258.tif 000005
【図３Ｂ】
2008536258.tif 000006
【図３Ｃ】
2008536258.tif 000007
【図３Ｄ】
2008536258.tif 000008
【図４Ａ】
2008536258.tif 000009
【図４Ｂ】
2008536258.tif 000010
【図４Ｃ】
2008536258.tif 000011
【図４Ｄ】
2008536258.tif 000012
【図４Ｅ】
2008536258.tif 000013
【図４Ｆ】
2008536258.tif 000014
【図４Ｇ】
2008536258.tif 000015
【図５Ａ】
2008536258.tif 000016
【図５Ｂ】
2008536258.tif 000017
【図５Ｃ】
2008536258.tif 000018
【図５Ｄ】
2008536258.tif 000019
【図６Ａ】
2008536258.tif 000020
【図６Ｂ】
2008536258.tif 000021
【国際調査報告】
2008536258.tif 000022
2008536258.tif 000023