(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質燃料電池スタック用の燃料電池組立体であって、
固体高分子電解質膜電解質、前記膜電解質の一方の面にあるカソード、及び前記膜電解質のもう一方の面にあるアノードを備える、膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の周辺に取り付けられたフレームと、
前記カソードに隣接するカソードガス拡散層と、
前記アノードに隣接するアノードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤流れ場プレートであって、
前記カソードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記カソードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、酸化剤流れ場と、
酸化剤ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記酸化剤流れ場と前記酸化剤ポートとの間の移行領域と、を備える、前記酸化剤流れ場プレートと、
前記アノードガス拡散層に隣接する燃料流れ場プレートであって、
前記アノードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記アノードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、燃料流れ場と、
燃料ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記燃料流れ場と前記燃料ポートとの間の移行領域と、を備える、前記燃料流れ場プレートと、
前記フレームを縁部封止位置にて前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートに封止するための、前記縁部封止位置における前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのそれぞれの凹所に設けられる密封材と、を備え、
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのうちの少なくとも１つの前記移行領域における前記複数の支持機構が、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記ランディングより高いことを特徴とする、前記燃料電池組立体。
【請求項２】
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域の深さが、前記燃料電池組立体の外側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記チャネルの深さより大きい、請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項３】
前記少なくとも１つの流れ場プレートが金属から作製される、請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項４】
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域が接着剤を含まない、請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項５】
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域が接着剤を含まない、請求項３に記載の燃料電池組立体。
【請求項６】
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記移行領域における前記複数の支持機構が、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記流れ場における前記ランディングより高い、請求項１に記載の燃料電池組立体。
【請求項７】
請求項１に記載の複数の燃料電池組立体の直列スタックを備える、固体高分子電解質燃料電池スタック。
【請求項８】
固体高分子電解質燃料電池スタック用の燃料電池組立体における流れ場内の流れ分担を改善する方法であって、前記燃料電池組立体が、
固体高分子電解質膜電解質、前記膜電解質の一方の面にあるカソード、及び前記膜電解質のもう一方の面にあるアノードを備える、膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の周辺に取り付けられたフレームと、
前記カソードに隣接するカソードガス拡散層と、
前記アノードに隣接するアノードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤流れ場プレートであって、
前記カソードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記カソードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、酸化剤流れ場と、
酸化剤ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記酸化剤流れ場と前記酸化剤ポートとの間の移行領域と、を備える、前記酸化剤流れ場プレートと、
前記アノードガス拡散層に隣接する燃料流れ場プレートであって、
前記アノードガス拡散層に隣接する面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備え、前記アノードガス拡散層の本質的に全てが隣接する、燃料流れ場と、
燃料ポートと、
深さを有し、前記フレームを支持する複数の支持機構を備える、前記燃料流れ場と前記燃料ポートとの間の移行領域と、を備える、前記燃料流れ場プレートと、
前記フレームを縁部封止位置にて前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートに封止するための、前記縁部封止位置における前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのそれぞれの凹所に設けられる密封材と、を備え、
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートのうちの少なくとも１つの前記移行領域における前記複数の支持機構の高さを増加させることで、前記増加した複数の支持機構を、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記ランディングより高くすることを含む、前記方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域の深さを増加させることで、前記増加した移行領域の深さを、前記燃料電池組立体の外側方向に、前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記流れ場における前記チャネルの深さより大きくすることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの流れ場プレートが金属から作製される、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域において接着剤が用いられない、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの流れ場プレートの前記移行領域において接着剤が用いられない、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記移行領域における前記複数の支持機構の高さを増加させることで、前記増加した複数の支持機構を、前記燃料電池組立体の内側方向に、前記酸化剤流れ場プレート及び前記燃料流れ場プレートの各々の前記流れ場における前記ランディングより高くすることを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の支持機構の前記高さを増加させること及び前記移行領域の前記深さを増加させることが、前記高さを増加させる前の前記複数の支持機構に比べより高い前記複数の支持機構と前記深さを増加させる前の前記移行領域に比べより深い前記移行領域との間の総距離を２５〜７０％の範囲の量だけ増加させる、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の支持機構の前記高さを増加させること及び前記移行領域の前記深さを増加させることが、前記高さを増加させる前の前記複数の支持機構に比べより高い前記複数の支持機構と前記深さを増加させる前の前記移行領域に比べより深い前記移行領域との間の総距離を１００〜４００マイクロメートルの範囲の量だけ増加させる、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質燃料電池スタック用の燃料電池組立体における反応物の流れに関する。具体的には、かかる燃料電池用の流れ場プレートの移行領域における反応物の流れを改善するための設計及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料及び酸化剤反応物（例えば、それぞれ、水素及び酸素または空気）を電気化学的に変換して、電力を生成する。１つの種類の燃料電池は固体高分子電解質燃料電池であり、これは、カソード電極とアノード電極との間でプロトン伝導性高分子膜電解質を概して用いる。これらの電極は、適切な触媒を含有し、典型的には、伝導性粒子、結合剤、及び湿潤性を改変するための材料を含む。２つの電極間に挟まれたプロトン伝導性高分子膜を備える構造は、膜電極接合体（ＭＥＡ）として知られている。かかる接合体は、触媒混合物を高分子膜上に適切にコーティングする故に触媒被覆膜（ＣＣＭ）として一般に知られている効率的な様式で調製することができる。
【０００３】
アノード及びカソードガス拡散層は、通常触媒被覆膜の両側にあるそれらのそれぞれの電極に隣接して用いられる。ガス拡散層は、反応物を触媒電極に均一に分配し、副産物を触媒電極から除去する働きをする。燃料及び酸化剤流れ場プレートは、その後、典型的には、それらのそれぞれのガス拡散層に隣接して提供され、これら全ての構成要素の組み合わせが、典型的な個々の燃料電池組立体となる。この流れ場プレートは、通常は多数の流体分配チャネルを含む流れ場を備える。流れ場プレートは複数の機能を果たし、これらの機能としては、反応物のガス拡散層への分配、それからの副産物の除去、構造的支持及び格納、ならびに電流収集が挙げられる。多くの場合、燃料及び酸化剤流れ場プレートは、それらの間に冷却材流れ場を組み込むために及び／または他の組み立て目的で、一体型バイポーラプレートに組み立てられる。単一の電池の出力電圧は約１Ｖであるため、商業用途には、通常、複数のかかる燃料電池組立体を直列で共に積み重ねる。燃料電池スタックは、自動車用途などにおける使用に対しては、直列及び／または並列で相互接続したスタックのアレイの形で更に接続され得る。
【０００４】
水と共に、熱は、燃料電池内で起こる電気化学的反応からの顕著な副産物である。故に、燃料電池スタックを冷却する手段が概して必要となる。高い電力密度（例えば、自動車用スタック）を獲得するように設計されたスタックは、熱を迅速かつ効率的に除去するために、典型的には、冷却液をスタック全体に循環させる。これを達成するために、多数の冷却剤チャネルを備える冷却剤流れ場も、典型的には、スタック中の電池の流れ場プレート内に組み込まれる。冷却材流れ場は、典型的には、アノード側流れ場プレート及びカソード側流れ場プレート両方の電気化学的に不活性である表面上に形成され、適切な設計により、アノード側プレート及びカソード側プレート両方が共に嵌合してバイポーラプレート組立体となるときに、封止された冷却剤流れ場が創出される。
【０００５】
典型的な燃料電池スタック構造では多数の封止が必要とされ、商業用の大量製造に好適な様式で十分かつ信頼性のある封止を獲得することは困難である。ＭＥＡの周辺の周りでは、加圧された燃料ガス及び酸化剤ガスは、互いに分離している必要があり（即ち、膜の縁部の周りを短絡しているガスが防止される必要があり）、かつ外部環境への漏出を防止する必要がある。フレームを使用して、ＭＥＡの縁部にて作動流体を封止するのが一般的である。
【０００６】
ＭＥＡ用の従来のフレームは、典型的には、縁部にて膜または触媒被覆膜に結合し、それを挟む、２つの高分子フィルムを備える。こうすることでフレームは、封止目的でガスケットとして使用される。多くの場合、かかる設計と共に用いられるガス拡散層は、他の周辺封止を機械的に支援するために、電極の有効面積を超えて延在する。これらの設計においては、燃料電池組立体を外部封止するためのエラストマー性密封材が、バイポーラプレート上に成形されるか、あるいは別々に成形された後にバイポーラプレートに事前組み立てられてもよい。用いられる高分子フィルムは、熱可塑剤（例えば、ポリエチレン）、または好適な接着剤（例えば、熱活性化接着剤）でコーティングされた高分子であり得る。
【０００７】
反応物及び冷却剤の両方をスタック中の個々の電池を往復して提供するために、一連のポートを個々の電池の反対の端部に概して提供することで、電池が共に積み重なるときに、これら電池が流体用のマニホルドを形成するようにする。こうして更に必要となる設計機構は、これらの形成されたマニホルド中でプレートにおける反応物流れ場及び冷却剤流れ場の中の様々なチャネルを往復してバルク流体を分配するための、プレートにおける通路である。本明細書では、これらの通路領域を移行領域と称する。移行領域は、それら自体が多数の流体分配チャネル、例えば、酸化剤及び／または燃料移行チャネルを備えることができる。特許文献１は、先行技術におけるある特定の例示的なポート及び移行領域構造を開示している。
【０００８】
流れ場プレートにおける別の望ましい機構は、当該技術分野ではバックフィードポートとして知られているものの使用を含み得る。かかるポートは、バルク流体を、まず形成されたマニホルドから流れ場プレートの「バック」または非活性面に分配した後、続いて、バックフィードポートを通してプレートの活性面に供給することを可能にする。反応物バックフィードポートは、こうして、プレートの冷却剤表面に形成された何らかの好適な通路を介して、その反応物用のマニホルドポートに流体接続する。そして、反応物バックフィードポートも、関連する移行領域の通路を介して、プレートの反応物表面にある反応物流れ場に流体接続する。例えば特許文献２が、バックフィード機構を組み込む例示的な流れ場プレート構造を開示している。
【０００９】
反応物流及び冷却剤流を、可能な限り均一または均等に、それらのそれぞれの流れ場を往復して供給及び除去することが概して好ましい。これは、電極中の有効面積の均一な使用を獲得し、プレートの均等な冷却を提供することで、熱を持った場所、不均一な水分配、及び管理問題などを回避するためである。しかしながら、大量の流体を、単一の流入マニホルドから多数の流れ場チャネルへと均一に、また多数の流れ場チャネルから単一の流出マニホルドへと均一に分配することは困難である。これは、設計者が燃料電池スタックからの電力密度を改善しようと努める際に、燃料電池及びスタックの寸法を減少させると、更にいっそう困難となる。これらの寸法が縮小すると、移行領域が利用できる水力サイズも縮小する。こうして、流体を、チャネル流入口及び流出口が著しい圧力の差異を受けることなく、多数のチャネルを往復して分配することが増々困難となり、よって、様々な流体の分配における所望の均一性を獲得することが増々困難となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＵＳ２０１３００８９８０２
【特許文献２】ＵＳ２００８０１１３２５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そのため、特にかかる燃料電池中の移行エリアにおいて、反応物の流れを改善し、それらをより均一にするための新たな設計及び方法が引き続き必要とされている。本発明は、これらの必要を満たし、かつ更に関連する利点を提供する。
【００１２】
本発明は、固体高分子電解質燃料電池及びかかる電池の直列スタック用の流れ場プレートの移行領域における反応物の改善された流量分配を提供する。反応物の流れは、燃料電池の有効面積中の流れ場における複数のチャネルの間で、より均等に分担される。これは、移行領域における支持機構の高さを増加させること、及び任意選択で移行領域の深さを増加させることで、支持機構の高さ及び移行領域の深さが増加し、反応物流れ場におけるランディング（landings）に対して面外となることによって達成される。本発明は、金属流れ場プレート、または遷移領域中で接着剤が用いられないプレートを用いる燃料電池に特に好適である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる燃料電池スタック用の関連燃料電池組立体は、膜電極接合体、フレーム、カソード及びアノードガス拡散層、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレート、ならびにその接合体用の縁部密封材を備える。更に、本膜電極接合体は、固体高分子電解質膜電解質、膜電解質の片面にあるカソード、及び膜電解質のもう一方の面にあるアノードを備える。フレームは、膜電極接合体の周辺に取り付けられ、プラスチック、例えば、ポリエチレンナフタレートから作製され得る。カソードガス拡散層はカソードに隣接し、同様に、アノードガス拡散層はアノードに隣接する。酸化剤流れ場プレートは、カソードガス拡散層に隣接し、カソードガス拡散層に隣接する側面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備える酸化剤流れ場、酸化剤ポート（及び典型的には同様に他のポート）、及び酸化剤流れ場と酸化剤ポートとの間の移行領域を備え、この移行領域は、深さを有し、支持機構を備える。これらの関連燃料電池組立体においては、カソードガス拡散層の本質的に全てが酸化剤流れ場に隣接する（即ち、カソードガス拡散層が移行領域に存在しない）。また同様に、燃料流れ場プレートは、アノードガス拡散層に隣接し、アノードガス拡散層に隣接する側面にあるランディングによって分離される複数のチャネルを備える燃料流れ場、燃料ポート（及び典型的には同様に他のポート）、及び燃料流れ場と燃料ポートとの間の移行領域を備え、この移行領域は、深さを有し、支持機構を備える。そしてまた、これらの関連する燃料電池組立体においては、アノードガス拡散層の本質的に全てが燃料流れ場に隣接する（即ち、アノードガス拡散層が移行領域に存在しない）。密封材は、フレームを縁部封止位置にて酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートに封止するためのものであり、エラストマー、例えば、シリコーンから作製され得る。本発明では、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートのうちの少なくとも一方の移行領域における支持機構は、少なくとも１つの流れ場プレートの流れ場におけるランディングより高い。加えて、少なくとも１つの流れ場プレートの移行領域の深さも、少なくとも１つの流れ場プレートの流れ場におけるチャネルの深さより大きくてもよい。
【００１４】
本発明は、少なくとも１つの流れ場プレートが金属から作製される実施形態、及び／または少なくとも１つの流れ場プレートの移行領域が接着剤を含まない実施形態に特に好適である。酸化剤と燃料電池組立体中の燃料流れ場プレートとの両方に改善が成されることが好ましい。したがって、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートの各々の移行領域における支持機構は、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートの各々のそれぞれの流れ場におけるランディングより高いことが好ましい。
【００１５】
従来の燃料電池と比較して、本発明の方法は、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートのうちの少なくとも一方、好ましくは両方の移行領域における支持機構の高さを増加させることで、この増加した支持機構を少なくとも１つの流れ場プレートの流れ場におけるランディングより高くすることを含む。加えて、本方法は、少なくとも１つの流れ場プレート、好ましくは両方のプレートの移行領域の深さを増加させることで、より深い移行領域の深さを、少なくとも１つの流れ場プレートの流れ場におけるチャネルの深さより大きくすることを含み得る。ある特定の実施形態では、支持機構の高さ及び移行領域の深さを増加させることで、より高い支持機構とより深い移行領域との間の総距離を約２５〜７０％の範囲の量だけ増加させる。また、ある特定の実施では、支持機構の高さ及び移行領域の深さを増加させることで、より高い支持機構とより深い移行領域との間の総距離を約１００〜４００マイクロメートルの範囲の量だけ増加させる。
本発明のこれら及び他の態様は、添付の図面及び以下の詳細な説明を参照すると明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】酸化剤流入端の近傍にある固体高分子電解質燃料電池用の例示的な酸化剤流れ場プレートの酸化剤流れ場面の上面図を示す。
【図２】図１の酸化剤流れ場プレートを備えるバイポーラプレートの断面図を示す。本図は、酸化剤流れ場プレートの移行領域における拡大等角図である。
【図３】燃料電池スタック中で見られるような、図１に示したものと同様の酸化剤流れ場プレートを備える燃料電池組立体の端部の概略断面図を示す。本図は酸化剤流入ポート付近である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書では以下の定義を使用した。定量的文脈では、「約」という用語は、プラス１０％からマイナス１０％までの範囲内であると解釈されたい。
【００１８】
「移行領域」という用語は、本明細書では、反応物流れ場におけるチャネルと、燃料電池流れ場プレートにおける反応物ポートとの間にある領域に関して使用する。この領域では、流量は、単一の大規模な流れから多数の小さいチャネルの細流へと移行する。移行領域は、反応物の流れ及び副産物を、流れ場で必要とされる分配された流れと、ポートで生じるバルクフローとの間で適切に移行させるための機構を概して備える。移行領域は、概して、燃料電池の電気化学的に活性な部分としては見なされない。
【００１９】
「カソードガス拡散層の本質的に全てが酸化剤流れ場に隣接する」などの語句は、本明細書ではガス拡散層についての文脈において使用し、これらの層の流れ場に対する、故にまた移行領域に対する、整列を指す。具体的には、ガス拡散層は、それらのそれぞれの流れ場と完全に対向するように意図されるため、これらは移行領域空間中に意図的に延在しない。しかしながら、製造及び組み立てにおける公差に起因して、実際には完全な整列は必ずしも存在しない。このように、かかる語句は、本発明の機能及び利益が得られる限り、これらの構成要素の多少の不整列を含むことを意図している。
【００２０】
移行領域における典型的な流れを図示するため、固体高分子電解質燃料電池用の例示的な酸化剤流れ場プレートの上面図を図１に示す。具体的には、図１は、酸化剤流入端の近傍にある本プレートの酸化剤流れ場面の上面図を示す。酸化剤流れ場２が酸化剤流れ場プレート１の可視面にあり、この酸化剤流れ場２は、ランディングによって分離された複数の酸化剤チャネルを備える（これらの機構は図１においては極めて小さく、参照番号によって特定していない）。酸化剤流れ場プレート１の反対面には冷却剤流れ場がある（図１においては見えない）。
【００２１】
酸化剤流れ場プレート１は、酸化剤流入ポート３、燃料流入ポート４、冷却剤流入ポート５、及びバックフィードポート６を備える。密封材７は、縁部封止位置にて様々なポート及びプレートの周辺を取り囲み、フレームミングされたＭＥＡのフレーム（図１において提示せず）をプレート１に封止することを含む、いくつかの封止機能を果たす。移行領域８は、バックフィードポート６と酸化剤流れ場２との間の空間を占める。図１に描写する実施形態では、移行領域８は多数の円錐形支持機構９を備え、これらはフレーミングされたＭＥＡのフレームを支持する働きをする。
【００２２】
燃料電池スタックに組み立てられると、積み重なった燃料電池における多数の酸化剤ポート３は、酸化剤流入マニホルドを形成する。酸化剤はこの流入マニホルドへと供給され、こうして、燃料電池スタックにおける各酸化剤ポート３に分配される。酸化剤は、酸化剤ポート３からバックフィードポート６を通って移行領域８へと流れ、ここで、広がって酸化剤流れ場２におけるチャネル流入口に分配される。酸化剤の流れは、図１において矢印によって定性的に示される。ここに示す設計から明らかなように、流入する酸化剤は、酸化剤流れ場２における最上チャネルに到達するためには、酸化剤流れ場２における最下チャネルに到達するための移動よりも、移行領域８を通して更に移動する必要がある。これは、酸化剤の様々なチャネルへの不均等な流れにつながる。しかしながら、流れの不均等度は、移行領域によってそれを通る酸化剤の流れに与えられる抵抗性に依存する。移行領域についての水力直径が大きいほど、流れるための抵抗性は小さくなる。
【００２３】
図２は、図１の酸化剤流れ場プレート１を備えるバイポーラプレートの断面図を示す。本図は、酸化剤流れ場プレート１の移行領域における拡大等角図である。図２では、燃料流れ場プレート１０は下に見られ、酸化剤流れ場プレート１に溶接される。燃料流れ場プレート１０の可視の部分も、移行領域、即ち、燃料用の移行領域１１である。図２では、移行領域１１は、移行領域８における円錐形支持機構９とは異なる形状の複数の支持機構１２を備える。（他の実施形態では、支持機構９及び１２は同様の形状であってもよい。）従来の燃料電池においては、円錐形支持機構９は、流れ場２におけるランディングとプレート１において同じ高さであり（即ち、支持機構９の上部は流れ場ランディングと同じ平面にある）。また従来の燃料電池においては、移行領域８の深さは、流れ場２におけるチャネルと同じ高さであり得る（即ち、移行領域８の基部は流れ場チャネルの底部と同じ平面にある）。
【００２４】
本発明において、移行８の効果的な水力直径は、支持機構９の高さを流れ場２におけるランディングの平面の上に増加させることによって増加する。加えて、移行領域８の深さも、任意選択で増加させることができる（即ち、移行領域８の基部は流れ場２におけるチャネルの平面の下に下がる）。こうすることで、酸化剤は、移行領域８全体により良好に分配され、流れ場２におけるチャネル間の流れの分担が改善される。図３は、これが燃料電池スタックにおける使用のための実施形態においていかに達成され得るかを図示する。
【００２５】
図３は、組み立てられた燃料電池スタック中で見られるような、図１に示したものと同様の酸化剤流れ場プレートを備える燃料電池組立体の端部の概略断面図を示す。本図は、酸化剤流入ポート付近であり、セクションは図１に示すセクションＡ−Ａに沿う。隣接する燃料電池組立体の一部も図３に見られることにも留意されたい。
【００２６】
燃料電池組立体２０は、固体高分子膜電解質２２から構成されるＭＥＡ２１を含み、この固体高分子膜電解質２２は、反対面をカソード及びアノード触媒でコーティングして、それぞれアノード２３及びカソード２４が創出されている。カソードガス拡散層２５及びアノードガス拡散層２６は、それぞれカソード２３及びアノード２４に隣接して位置する。図３に示すように、カソードガス拡散層２５は、カソード２３と同じ地点で終結するため、カソード２３と本質的に同延である。カソードガス拡散層２５が酸化剤移行領域４０中に延在しないことが重要である。同様に、アノードガス拡散層２６は、アノード２４と同じ地点で終結するため、アノード２４と本質的に同延である。アノード拡散層２６が燃料移行領域４１中に延在しないことがここでも重要である。
【００２７】
ＭＥＡ２１は、２部品フレームでフレーミングされ、この２部品フレームは、ＭＥＡ２１の中から、移行領域４０、４１を通過し、封止領域を越えて延在し、酸化剤流れ場プレート３０用の密封材３２及びアノード流れ場プレート３１用の密封材３３を含む。フレーム部品２７及びフレーム部品２８は、ＭＥＡ２１の縁部２９付近で膜電解質２１を挟み、概してそれらに結合する。ＭＥＡ２１の外では、フレーム部品２７及び２８は直接的に共に結合する。
【００２８】
燃料電池組立体２０はまた、酸化剤流れ場プレート３０及び燃料流れ場プレート３１を含み、これらは、それぞれ、カソードガス拡散層２５及びアノードガス拡散層２６に隣接して位置する。図３の断面図は、酸化剤バックフィードポート３４、酸化剤ポート５１、ならびに酸化剤ビア５２ａ及び５２ｂ（これらは、燃料電池組立体２０の両面に見られ、酸化剤ポート５１を上記の隣接する燃料電池組立体においてバックフィードポート３４及びバックフィードポート３４ａに流体接続させる）を横断する。本発明の燃料電池組立体の関連構造に集中するために、図３は燃料電池スタックの端部の部分的なセクションのみを示すことに留意されたい。酸化剤ポート５１の外側にある構造（図３中にある場合には更に右に見られる）は省略した。
【００２９】
本発明の図示を助けるために、燃料電池組立体２０に隣接するプレート及び密封材も図３に示す。これらのプレート及び密封材は、燃料電池組立体２０におけるものと同様の構造であり、燃料電池スタックにおける隣接する燃料電池組立体に属する。このように、酸化剤流れ場プレート３０ａは酸化剤流れ場プレート３０と同様であり、燃料流れ場プレート３１ｂは燃料流れ場プレート３１と同様であり、密封材３２ａは密封材３２と同様であり、密封材３３ｂは密封材３３と同様である。共に嵌合することで、酸化剤流れ場プレート３０ａ及び燃料流れ場プレート３１は、それらの間に冷却剤流れ場５０ａを創出する。同様に、酸化剤流れ場プレート３０及び燃料流れ場プレート３１ｂから構成される嵌合した対は、それらの間に冷却剤流れ場５０ｂを創出する。
【００３０】
酸化剤流れ場プレート３０は、その中に酸化剤流れ場が形成されており、この酸化剤流れ場は、酸化剤ランディング３５によって分離される多数の平行な線形の酸化剤チャネルから成る。ランディング３５間の酸化剤チャネルの基部は、図３において可視ではない。しかしながら、酸化剤チャネルの入口３７付近の酸化剤流れ場プレート３０の高さは、酸化剤チャネル自体の基部と同じ高さである。同様に、燃料流れ場プレート３１は、その中に燃料流れ場が形成されており、この燃料流れ場は、燃料ランディング３６によって分離される多数の平行な線形の燃料チャネルから成る。ここでも、ランディング３６間の燃料チャネルの基部は図３において可視ではない。しかしながら、ここでも、燃料チャネルの入口３８付近の燃料流れ場プレート３１の高さは、燃料チャネル自体の基部と同じ高さである。酸化剤ランディング３５ａ、及び隣接する酸化剤流れ場プレート３０ａ中に形成された酸化剤チャネルへの入口３７ａ、ならびに燃料ランディング３６ｂ、及び隣接する燃料流れ場プレート３１ｂ中に形成された燃料チャネルへの入口３８ｂも、図３における隣接する燃料電池組立体中に示す。
【００３１】
酸化剤移行領域４０は基部４４を有し、この基部４４の上には、部品２７、２８を備える２部品フレームを支持する目的で多数の支持機構４２が提供されている。同様に、燃料移行領域４１は基部４５を有し、この基部４５の上には、支持機構４２の反対側に、部品２７、２８を備える２部品フレームを支持する目的で多数の支持機構４３が提供されている。同様の支持機構４２ａ、４３ｂ、及び移行領域基部４４ａ、４５ｂを、図３における隣接する燃料電池組立体中に示す。
【００３２】
本発明では、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートのうちの少なくとも一方における支持機構は、そのプレートの流れ場におけるランディングより高い。図３は、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートの両方における支持機構がそれらのそれぞれのランディングより高い実施形態における、これらの様々な寸法を図示する。示すように、酸化剤流れ場プレート３０ａにおける支持機構４２ａは、そのプレートの流れ場におけるランディング３５ａよりも量ｘだけ高い。また示すように、酸化剤流れ場プレート３１ｂにおける支持機構４３ｂは、そのプレートの流れ場におけるランディング３６ｂよりも量ｙだけ高い。本図において明らかなように、移行領域においてより高い支持機構を形成できることは、ガス拡散層２５、２６が、移行領域の中へと、かつそれを通過して延在せず、代わりにそれらのそれぞれの流れ場に本質的に隣接する場合にのみ可能である。かつ、ガス拡散層がそれらのそれぞれの電極と本質的に同延であるような設計が好ましい。
【００３３】
図３はまた、移行領域の深さが、関連する流れ場におけるチャネルの深さより大きい実施形態を例示する。例えば、酸化剤流れ場プレート３０ａにおける酸化剤移行領域の基部４４ａは、関連する酸化剤流れ場チャネルの基部３７ａのものよりも量ｍだけ深い。また、燃料流れ場プレート３１ｂにおける燃料移行領域の基部４５ｂは、関連する燃料流れ場チャネルの基部３８ｂのものよりも量ｎだけ深い。
【００３４】
支持機構の高さを増加させ、移行領域の深さを増加させることで、移行領域における流体流動に対して利用可能な総距離が増加する。これがその中での反応物の流れを改善することで、反応物流れ場中のチャネルにおける流れの分担を改善する。図３において、より高い支持機構４２ａとより深い移行領域における基部４４ａとの間の総距離を量ｚで表す。より高い支持機構４３とより深い移行領域における基部４５との間の総距離は、量ｗで表す。特に自動車用途のための実施形態において、より高い支持機構とより深い移行領域との間のこれらの総距離は、ｘ＝ｙ＝ｍ＝ｎ＝０である従来の実施形態と比較して著しく増加し得ることが期待される。例えば、これらの総距離は、約２５〜７０％の範囲の量、及び／または約１００〜４００マイクロメートルの範囲の量だけ増加し得ることが期待される。
【００３５】
図３の静止描写では明らかではないが、対向する支持機構４２及び４３が、それらが組立体上でいくらか実際に干渉するのに十分に高くなるように、酸化剤流れ場プレート及び燃料流れ場プレートを設計することが有利であり得る。こうすることで、組立体が、部品２７、２８を備えるフレームを摘み、定位置に保持した後に、ばね荷重張力が提供される。加えて、この手法は、製造及び厚みにおける変動を不能にすることができ、フレームへの接触が常にあることを確実にし得ることにより、フレームが動き回ることを防止する。
【００３６】
本発明は、したがって、反応物の流れにおける改善、及び流れ場チャネル間の流れの分担における改善だけでなく、他の可能性のある利点を提供する。
【００３７】
本明細書で参照した上記の米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、及び非特許刊行物は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３８】
本発明の特定の要素、実施形態、及び適用を示し説明してきたが、本発明は、特に前述の教示を踏まえて、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって改変が成され得ることから、これらに限定されないことが当然ながら理解される。かかる改変は、本明細書に添付の特許請求の範囲の権限及び範囲内であると見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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