(57)【要約】  燃料電池組立体は、ＣＣＭ層と、ガスマニホールド及び封止を提供するためのＣＣＭ層の周りのサブガスケットフレームを備える。流路体（２０）が、流入口マニホールドと流出口マニホールドの近傍でサブガスケットに統合され、活性領域に向かう／活性領域からのガス用の通路を与える。流路体は通路を変形させたり詰まらせたりしない硬質通路を与える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用の流路体（２０）であって、前記燃料電池が、底部プレート（１０）と、頂部プレート（１１）と、前記底部プレートと前記頂部プレートとの間に膜電極接合体（１２）によって形成された活性領域と、前記膜電極接合体（１２）の両側のガスケット（１３、１４）と、を少なくとも備え、前記燃料電池が、前記燃料電池内でガスを通過させるためのマニホールド（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を更に備え、該流路体が前記マニホールドと前記活性領域との間に位置し、該流路体（２０）が、最小の圧力損失でガスを通過させるための手段を備える、流路体（２０）。
【請求項２】
前記手段が複数の第一ワイヤ（２１、２４）を少なくとも備える、請求項１に記載の流路体（２０）。
【請求項３】
前記第一ワイヤ（２１、２４）が直線状であるか又は湾曲していて、直線状のチャネル又は傾斜したチャネル（２８）又は湾曲したチャネル（２８）を形成している、請求項２に記載の流路体（２０）。
【請求項４】
前記流路体が平坦部（２２）を備え、該平坦部上に前記第一ワイヤ（２１）が取り付けられている、請求項２又は３に記載の流路体（２０）。
【請求項５】
前記流路体が複数の第二ワイヤ（２３、２５）を更に備え、該第二ワイヤに前記第一ワイヤ（２１、２４）が取り付けられている、請求項２又は３に記載の流路体（２０）。
【請求項６】
前記第二ワイヤ（２３）が前記第一ワイヤ（２１）に垂直である、請求項５に記載の流路体（２０）。
【請求項７】
前記第二ワイヤ（２５）が前記第一ワイヤ（２１）に編み込まれている、請求項５に記載の流路体（２０）。
【請求項８】
前記第一ワイヤと第二ワイヤが同じ物質製又は異なる物質製である、請求項２から７のいずれか一項に記載の流路体（２０）。
【請求項９】
ワイヤが金属及び／又は合成材製である、請求項２から８のいずれか一項に記載の流路体（２０）。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載の流路体（２０）を備えるフレーム（１７）。
【請求項１１】
底部プレート（１０）と、頂部プレート（１１）と、前記底部プレートと前記頂部プレートとの間に膜電極接合体（１２）によって形成された活性領域と、前記膜電極接合体（１２）の両側のガスケット（１３、１４）と、を少なくとも備える燃料電池であって、該燃料電池内でガスを通過させるためのマニホールド（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を更に備え、前記膜電極接合体と前記マニホールドとの間に請求項１から９のいずれか一項に記載の流路体（２０）又は請求項１０に記載のフレームを備える燃料電池。
【請求項１２】
前記マニホールドが前記燃料電池の流入口と流出口を形成し、前記流入口の流路体（２０）が前記流出口の流路体（２０）と同じである、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記マニホールドが前記燃料電池の流入口と流出口を形成し、前記流入口の流路体（２０）が前記流出口の流路体（２０）と同じではない、請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池と冷却プレート（３０）とを少なくとも備える組立体。
【請求項１５】
複数の積み重なった燃料電池と冷却プレートとを備え、前記冷却プレートが燃料電池同士の間に介在している、請求項１４に記載の組立体。
【請求項１６】
前記フレームが燃料電池同士の間のスペーサ及び前記流路体の支持体として機能する、請求項１４又は１５に記載の組立体。
【請求項１７】
請求項１から９のいずれか一項に記載の流路体又は請求項１０に記載のフレームを製造するための方法であって、前記流路体又は前記フレームを圧縮成形又は射出成形するステップを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［対応出願］
本願は、エーホー・グループ・エンジニアリング・アーゲー名義の２０１８年７月５日出願のスイス出願第００８３８／１８号の優先権を主張するものであり、その全内容は参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
本願は、燃料電池モジュールとその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１及び特許文献２では、主ガスマニホールドを電池活性領域に接続するために、膜電極接合体（ＭＥＡ，ｍｅｍｂｒａｎｅ‐ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ‐ａｓｓｅｍｂｌｙ）の周りに樹脂フレームを使用するという新規概念のガス流入／流出マニホールドが開発されている。ＭＥＡは、二つのプレート又はセパレータの間に適切な封止材を用いて挟まれる。この構造の欠点は、特許文献３で述べられているように、圧縮と疲労の後にガス流路が変形して、ガス流路が詰まる確率が高い点である。
【０００４】
そこで、特許文献３では、その状況を多少改善する別の設計を提案している。特許文献３でも、主ガスマニホールドと電池活性領域との間の接続を設けるために、複数種の樹脂系物質を使用していて、その設計を改善している。しかしながら、この手法には以下のいくつかの制限がある：（ａ）膜の両側と頂部において二種類の樹脂が交差するので、ガス流路の詰まりが不可避であり、長期の動作、熱サイクル、疲労の後に、流路の変形と閉塞の確率が高い；（ｂ）流路の詰まりが組立体内の圧力低下を大きくする；（ｃ）膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ，ｍｅｍｂｒａｎｅ‐ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ‐ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ‐ａｓｓｅｍｂｌｙ）が多様な物質を用いて複数ステップで接合され、多様なステップと箇所において１４０℃以上の温度で接合され、膜の変形、信頼性、製造性に関する追加の複雑性をもたらし、製造速度を制限する。
【０００５】
他にも特許文献４、特許文献５、特許文献６等で多様な設計が提案されているが、これらはいずれも、プレートのスタンプ加工／エンボス加工、機械加工が組立体内の大きな圧力低下を生じさせ、製造を複雑にしている。特許文献７や特許文献８では、別個の部品をサブ組立体に導入しているが、その部品を組み込むために、プレートに対する機械加工やエンボス加工が必要とされる。その設計に起因して長時間動作後に流路の変形が予測され、また、大量生産が制限される。特許文献９では、プレートを三つに分割しているため、設計が複雑であり、同様の詰まりと漏れの問題が生じ得る。特許文献１０の設計は主にグラファイトプレートの電池で使用されるものであり、金属プレートよりも厚く、大きな圧力低下が不可避である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１３３２６９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１８／００２６２９１号明細書
【特許文献３】特開２０１８−０１８５８２号公報
【特許文献４】米国特許第６１７４６１６号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１６３０８９２号明細書
【特許文献６】特開２０１２−２４８４７２号公報
【特許文献７】特開平９−３５７２６号公報
【特許文献８】米国特許第６０１７６４８号明細書
【特許文献９】米国特許第５５１４４８７号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００８／０１３１７５５号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２０１１／００３３７８２号明細書
【特許文献１２】米国特許出願公開第２００９／０１６２７３３号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２０１０／０２９７５１６号明細書
【特許文献１４】米国特許第４５９０１３５号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００４／０１１５５１２号明細書
【特許文献１６】国際公開第２０１７／０７７６３４号
【特許文献１７】米国特許出願公開第２００３／０２１５６９２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、流路にわたる圧力低下を最小にして、流路の詰まりを排除することができる新規解決策を提案することである。提案される設計は、特に大型の場合に、既存の製品よりも単純で、信頼性があり、製造が簡単であって、プレートの機械加工やエンボス加工無しでＭＥＡに組み込むこと又は直接電池に組み込むことができるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態において、本発明は、ＣＣＭ（触媒コーティング膜）層と、ガスマニホールド及び封止を提供するためのその層の周りのサブガスケットフレームを備える燃料電池組立体を提案する。流路体（ＦＰ）が流入口マニホールド及び流出口マニホールドの近傍でサブガスケットに統合され、活性領域に向かう／活性領域からのガスの通路を提供する。ＦＰは、通路を変形させたり詰まらせたりしない硬質な経路を与える。
【０００９】
実施形態において、本発明は燃料電池用の流路体に関し、電池は、底部プレートと、頂部プレートと、プレート同士の間で膜電極接合体によって形成された活性領域と、膜電極接合体の両側のガスケットと、を備え、燃料電池が電池内でガスを通過させるためのマニホールドを備え、流路体がマニホールドと活性領域との間に配置され、流路体が、最小の圧力損失でガスを通過させるための手段を備える。
【００１０】
実施形態において、ガスを通過させるための手段は複数の第一ワイヤを少なくとも備える。
【００１１】
実施形態において、ワイヤは直線状又は湾曲していて、直線状のチャネル又は傾斜したチャネル又は湾曲したチャネルを形成している。
【００１２】
実施形態において、流路体は平坦部を備え得て、その平坦部上にワイヤが取り付けられる。
【００１３】
実施形態において、流路体は複数の第二ワイヤを備え得て、それら第二ワイヤに複数の第一ワイヤが取り付けられ得る。
【００１４】
実施形態において、複数の第二ワイヤは複数の第一ワイヤと垂直になり得る。代わりに、他の相対的な角度も使用可能である。また、一部実施形態では、角度がワイヤ同士の間で異なり得る。
【００１５】
実施形態において、複数の第二ワイヤは複数の第一ワイヤに編み込まれ得る。本発明の範囲内において他の同等な配置構成も可能である。
【００１６】
実施形態において、第一ワイヤと第二ワイヤは同じ物質又は異なる物質製となり得る。一部実施形態では、一方の組（第一又は第二）の中でワイヤ同士の物質が同じ物質又は異なる物質となり得る。
【００１７】
実施形態において、ワイヤは金属及び／又は合成材製となり得る。
【００１８】
実施形態において、本発明は、本開示の流路体を備えるフレームに関する。
【００１９】
実施形態において、本発明は、底部プレートと、頂部プレートと、プレート同士の間で膜電極接合体によって形成された活性領域と、膜電極接合体の両側のガスケットと、を備える燃料電池に関し、燃料電池は電池内でガスを通過させるためのマニホールドを更に備え、燃料電池は、膜電極接合体とマニホールドとの間に本開示の流路体又は本開示のフレームを備える。
【００２０】
実施形態において、マニホールドは電池の流入口と流出口を形成し得て、電池の流入口の流路体は流出口の流路体と同じになり得る。
【００２１】
実施形態において、マニホールドは電池の流入口と流出口を形成し得て、電池の流入口の流路体は流出口の流路体と同じではなくなり得る。
【００２２】
実施形態において、本発明は、本開示の燃料電池と冷却プレートとを少なくとも備える組立体に関する。
【００２３】
実施形態において、組立体は、複数の積み重なった燃料電池と冷却プレートを備え得て、冷却プレートが燃料電池同士の間に介在する。冷却プレートは燃料電池毎に存在するもの又は存在しないものとなり得る。
【００２４】
組立体の実施形態において、フレームは、電池同士の間のスペーサ及び流路体用の支持体として機能し得る。
【００２５】
実施形態において、本発明は、本開示の流路体又は本開示のフレームを製造するための方法と、その方法によって製造された製品に関する。本方法は、好ましくは、流路体又はフレームを圧縮成形又は射出成形するステップを備える。勿論、他の同等な方法とステップが本発明の範囲内において想定可能である。
【００２６】
図１から図１４は本発明の実施形態を例示するものであって、具体的には以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る単一の電池組立体を示す。
【図２】本発明に係る流路体（「ＦＰ」）の実施形態と構造を示す。
【図３】本発明の一実施形態に係る流路体の上面図と側面図を寸法と共に示す。
【図４】本発明の一実施形態に係る流路体の上面図と側面図を寸法と共に示す。
【図５】本発明の一実施形態に係る流路体の上面図と側面図を寸法と共に示す。
【図６】本発明の一実施形態に係るワイヤを混合した流路体の上面図を示す。
【図７】本発明の実施形態に係る電池組立体への流路体の統合を示す。
【図８】流路構造体を有する本発明の他の実施形態を示す。
【図９】流路体をＭＥＡ及びサブガスケットに結合している本発明の他の実施形態の上面図及び側面図を示す。
【図１０】本発明の一実施形態に係る単一電池の断面図を示す。
【図１１】本発明の実施形態に係る電池の流入口と流出口における流路体の実施形態を示す。
【図１２】傾斜したチャネルを有する流路体の実施形態の代替設計を示す。
【図１３】湾曲したチャネルを有する流路体の実施形態の代替設計を示す。
【図１４】本発明に係る流路体と共に冷却プレートの一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
［単一の電池組立体］
図１は、一実施形態に係る単一の電池（セル）組立体の分解図を示し、両端のプレート１０、１１（底部プレート１０と頂部プレート１１）、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２と、ＭＥＡの両側の中間部にあるガス拡散層（ＧＤＬ）１２’と、プレートとガスマニホールドを有するＭＥＡ１２の延長部との間でＭＥＡ１２の両側に広がるガスケット１３、１４とを備える。
【００２９】
例えば、ＭＥＡのカソード（頂部）側において、ガスは、マニホールドＡから電池に入り、マニホールドＢから電池を出て行く。同様に、ＭＥＡ１２のアノード（底部）側において、ガスは、マニホールドＣから電池に入り、マニホールドＤから電池を出て行く。他の二つのマニホールドＥとＦは、流路体が図示されていない冷却ループ用のものである。
【００３０】
活性領域の周りの延長部は、「サブガスケット」１５と呼ばれることが多く、これは、ガスマニホールドの切断部がまとめられる箇所であり、サブガスケットの物質は、市販のプラスチック、樹脂、ゴム系の物質である。
【００３１】
本発明の一実施形態によると、流路体（ＦＰ，ｆｌｏｗ  ｐａｔｈ）２０と称される部品が活性領域及びサブガスケット１５の近傍に統合されていて、図１及び図２に示されるように活性領域に向かうガスの通過と活性領域からのガスの通過を促進している。流路体２０は、ガスが最小の圧力損失でそこを通過することができ、また、その強力な機械的構造に起因して変形の可能性を完全に排除するように生成される。
【００３２】
特許文献３と異なる本発明の利点は、流路体が完全に平坦であり、これが、圧縮後の部品、サブガスケット１５及びプレート１０、１１の変形を最小にすること、また、マニホールドＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ周囲のどこにおいても印加圧力を一様にすることを顕著に促進する。後者の利点は電池からの漏れを最小にすることを促進する。
【００３３】
全ての層を互いに積み重ねた後において（図１に示されるように）、流路体２０の一方の側がプレート１０、１１に直接接触し、流路体２０の他方の側がＭＥＡの延長部１５に直接接触して、その部品に特許文献３のような不均一であったり「交差」したりするような箇所は存在しない。結果として、流路体２０に不均一に圧力が印加されないことが保証されるので、ＧＤＬ及びガスチャネル内の一様なガス分布が保証され、また、通路の閉塞や詰まりの可能性が排除される。
【００３４】
他の利点は、二種類の異なる樹脂と、複数のサブガスケットと、残りの部分が存在する特許文献３とは異なり、組立体中の部品２０の数が減ることである。本発明の実施形態では、流路体２０は、追加の部品や労力を必要とせずにサブガスケットに直接取り付けられる。
【００３５】
他の利点は、流路体２０のリブ同士の間のギャップを増やして、その部品の硬質構造に起因して部品を変形させずに電池の幾何学的形状に適合させ且つ圧力低下を減らすようにすることができる点である。本発明の他の利点は、多様なコンセプトのガスケットが流路体２０と統合可能であり、例えば、平坦なガスケットをＦＰ流路体２０と隣同士で取り付けたり、分配型ガスケットをその部品の周りで使用したりことができる。更に、自動化という観点からは、本発明は速さをもたらし、設計が単純になり、最終的な組立中の品質管理ステップを最小にすることができる。
【００３６】
［流路体「ＦＰ」２０の構造の実施形態］
流路体２０は多様な方法を用いて多様な形状に生成可能である。いくつかの例を本願で示すが、本発明は以下で説明したり図示されたりする構造に限定されるものではない。
【００３７】
［構造２Ａ（図２及び図３）］
図２は、ガスケット組立体と、流路部２０の構造として提案される例の詳細図を示す。この構造は、Ｘ方向に沿った平行なワイヤ２１と、頂部の平坦部２２で構成されている。複数のワイヤ２１が、ガス流の方向に平行なＸ方向に沿っている。
【００３８】
構造２Ａのワイヤ２１はユニット２０の流れガイドとして機能し、図３にＭ１で示されるように互いに実質的に同じ距離に配置され得て、又は、ワイヤ２１同士の間の距離は、幾何学的形状や設計の要求に基づいて異なり得る。しかしながら、強力な機械的支持を与え、下方のチャネルの詰まりと機械的変形を防止するため、好ましくはワイヤは互いに等距離に配置される。勿論、ワイヤ同士の間の距離が変化してもよい。ワイヤ２１同士の間の距離（Ｍ１）は好ましくは１０〜７００μｍであり、より好ましくは５０〜３００μｍであり、特に好ましくは１００〜２５０μｍである。しかしながら、距離Ｍ１は、例示的及び／又は好適な値である上記の値に限定されない。構造２Ａのワイヤ２１上の平坦部２２は、好ましくはワイヤと同じ物質製であり、その厚さは、積層組立体の構成に基づいて調節可能である。ワイヤ２１同士の間の距離が必要とされるものよりも大きいと、組立の圧縮力が平坦部２２を変形させ得るので、ワイヤ２１同士の間の距離と設計は注意深く定められることが望ましい。構造２Ａの全高Ｈは、ワイヤ２１の直径と頂部プレート２２の厚さの和、つまり、Ｈ＝Ｄ１＋Ｔである（図３参照）。
【００３９】
特定の設計において流路体２０の長さ（Ｌ）が非常に長くて、大きな圧力低下が生じる場合には、ワイヤ２１の直径（Ｄ１）を増加させ、ワイヤ２１同士の間の距離（Ｍ１）を増加し、また、ワイヤ２１同士の間の距離（Ｍ１）を増加することによって、圧力低下を減らすことができる。
【００４０】
更に、電池の流入口と流出口において二種類の異なる流路構造体２０を有することが適宜可能である。例えば、カソード側で生成される水の総量に基づいて、流出口におけるワイヤ２１同士の間の距離が流入口側におけるその距離よりも大きい流路構造体２０とすることができる。製造可能性の観点からは、電池の両側において同じ厚さを有することが推奨され得るが、本発明の実施形態はこの条件に限定されるものではない。
【００４１】
構造２Ａの流路体２０に用いられる物質は特に限定されない。その構造体は電池の活性領域の外に配置されるので、伝導性物質製とする必要は無い。いくつかの例としては、ステンレス鋼、チタン、硬質プラスチック、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、炭素繊維等が挙げられる。その構造体が鋼系の物質製であり、その部品の腐食が問題となる場合には、腐食防止処理を表面に施し得る。その部品の電気伝導性が問題とならないので、複数の低伝導性コーティング処理が想定可能であり、幾つかの例として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが挙げられる。何らかの理由で、流路体２０が電池の活性領域下に配置され、電気伝導性が必要とされる場合には、ＣＶＤ（化学気相堆積）やＰＶＤ（物理気相堆積）コーティング等の他のコーティング処理が非限定的な例として検討可能である。
【００４２】
このような流路構造体２０を生成するための方法はいくつか存在し、例えば、ステンレス鋼の場合には、小型ワイヤ２１が平坦部２２に溶接可能であり、プラスチック材の場合には、特殊接着剤やホットメルト機を用いて互いに結合可能であり、また、圧縮成形や射出成形によって同時に形成可能であり、レーザ溶接、切断、エッチング、他の適切な方法によっても生成可能である。
【００４３】
［構造２Ｂ（図２及び図４）］
構造２Ｂは、互いに垂直に向けて重ねたＸ方向に沿った平行なワイヤ２１とＹ方向に沿って平行なワイヤ２３で構成される。複数のワイヤ２１は、ガス流の方向に平行であるＸ方向に沿っていて、頂部に位置する複数のワイヤ２３は、底部のワイヤ２１の機械的及び構造的な支持体として機能する。
【００４４】
ワイヤ２３同士の間の距離Ｍ１（図４参照）は実質的に同じになり得るが、幾何学的形状と設計の要求に基づいて異なってもよい。しかしながら、頂部での強力な機械的支持を有し、下方のチャネルの詰まりと機械的変形を防止するため、ワイヤ２３同士を互いに等距離で密接に配置することが推奨される。勿論、ワイヤ同士の間の距離が変化してもよい。ワイヤ２３同士の間の距離（Ｍ１）は、好ましくは１０〜５００μｍであり、より好ましくは２５〜２５０μｍであり、特に好ましくは１００〜２００μｍであるが、距離Ｍ１は、例示的及び／又は好適な値である上記値には限定されない。
【００４５】
ワイヤ２１同士の間の距離（Ｍ２）は実質的に同じになり得るが、幾何学的形状と設計の要求に基づいて異なってもよい。ＦＰの流出口における均一な流れ分布とするためには、ワイヤ同士の間の均一な距離が推奨される。しかしながら、流れ分布を制御するためにワイヤ同士の間の不均一な距離を有することも適宜可能である。例えば、電池の縁近くのワイヤ同士が互いに近くなり得て、電池の中央に向かうワイヤ同士がそれらの間により大きな距離を有し得て、これは、電池の中央に向かう流れを逸らすのに役立つ。ワイヤ２１同士の間の距離（Ｍ２）は、好ましくは２５〜１０００μｍであり、より好ましくは５０〜５００μｍであり、特に好ましくは１００〜２００μｍであるが、距離Ｍ２は、例示的及び／又は好適な値である上記値に限定されない。頂部のワイヤ２３同士の間のピッチであるＭ１は、下方のワイヤ２１のピッチであるＭ２未満であることが推奨される。これは、主に、ユニットの適切な機械的支持を保証するためであり、それを達成するための好ましい（Ｍ１／Ｍ２）の比は０．２〜０．８であり、より好ましくは０．３〜０．６であるが、例示的及び／又は好適な値である上記値には限定されない。
【００４６】
構造２Ｂは構造２Ａと同様の方法で生成可能であるが、それらの方法に実施形態は限定されない。
【００４７】
［構造２Ｃ（図２、図５及び図６）］
構造２Ｃは、Ｘ方向に沿った平行なワイヤ２４と、ワイヤ２４に垂直な向きでＹ方向に沿って編み込まれたより細いワイヤ２５で構成される。複数のワイヤ２４は、ガス流の方向に平行であるＸ方向に沿っていて、ワイヤ２４に編み込まれた複数のワイヤ２５は、ワイヤ２４用の機械的及び構造的な支持体として機能する。
【００４８】
ユニット２０用の機械的支持体として機能する構造２Ｃのワイヤ２５は、図５にＭ４で示されるように互いに実質的に同じ距離で配置され得て、又は、ワイヤ２５同士の間の距離は幾何学的形状と電池設計に基づいて異なってもよい。ワイヤ２５のピッチを小さくすることがその構造にわたる圧力低下を大きくする一方で、大きなピッチは構造に不安定性をもたらす。従って、圧力低下を最小にするのと同時に強力な機械的構造となるようにワイヤ２５同士の間の距離を調節することが好ましく、また簡単に可能である。ワイヤ２５の対同士の間の距離（Ｍ４）は、好ましくは１０〜１０００μｍであり、より好ましくは５０〜８００μｍであり、特に好ましくは２００〜５００μｍであるが、例示的及び／又は好適な値である上記値には限定されない。
【００４９】
同様に、より太いワイヤ２４は、図５のＸ方向である流れの方向に平行に配置され、ワイヤ２４同士の間の距離（Ｍ３）は好ましくは同じである。勿論、ワイヤ同士の間の距離が変化してもよい。ワイヤ２４同士の間の距離（Ｍ３）は、好ましくは２５〜１０００μｍであり、より好ましくは５０〜５００μｍであり、特に好ましくは１００〜２００μｍであるが、距離Ｍ３は例示的及び／又は好適な値である上記値には限定されない。ワイヤ２４とワイヤ２５の断面形状は特に限定されず、円形、矩形、オーバル形等の多様な形状を有し得るが、好ましい断面形状は円形又は矩形である。
【００５０】
図５では、ワイヤ２４とワイヤ２５が円形断面を有し、ワイヤ２４の直径がＤ３であり、ワイヤ２５の直径がＤ４である。構造２Ｃの全高は二つの直径の和、つまり、Ｄ３＋Ｄ４である。ワイヤ２５の直径（Ｄ４）をワイヤ２４の直径（Ｄ３）よりも小さくすることが好ましくは、その主な理由の一つは、ガスがワイヤ２４と平行に流れるからであり、また、通路の圧力低下を最小にするために、ワイヤの直径を小さくすることが推奨される。
【００５１】
この構造の他の利点は、ワイヤ２４とワイヤ２５が異なる物質製となり得ることである。例えば、実施形態において、ワイヤ２４がステンレス鋼製となり得て、ワイヤ２５が薄いプラスチック系物質製、例えば、ＰＥＴ、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＥＥＫ、ナイロン、カーボン製等となり得る。図６に示される一例では、暗色で示されるワイヤ２５の半分がプラスチック材製であり、残りが金属材製である。この構造体２０はサブガスケット１５上に取り付けられ、単純なホットプレス法を用いて、ＭＥＡの周りでサブガスケットに結合され得る。
【００５２】
［統合可能性及び多様な実施形態］
このような流路構造体２０を積層組立体に組み込むのにはいくつかの設計の選択肢と可能性がある。その例の一部が図７に示されている。
【００５３】
図７Ａの一実施形態では、流路体２０とガスケット１３が同じ厚さを有し、プレート上に隣同士で取り付けられている。封止材１６と、平坦なガスケット１３又は分配型のガスケット等が、流路体２０の高さに応じて調節され、組立後にＭＥＡからサブガスケット１５までが封止材１６と流路体２０の両方の上に存在する。
【００５４】
図７Ｂの他の実施形態では、封止材１６が流路体２０よりも厚く、流路体２０を側部と頂部から封止し、ＭＥＡが封止材１６上に直接取り付けられる。
【００５５】
図７Ｃの他の実施形態では、流路体２０がプレート（頂部プレート又は底部プレート）に直接統合される。流路体が位置する箇所においてプレート上にエンボス加工部（凸部）又は刻印部（凹部）が存在する。これは、グラファイトプレート製の電池の場合となり得る。
【００５６】
本発明の要旨と範囲内において他の変形例や実施形態も可能である。
【００５７】
図７Ａの実施形態の場合、流路体２０がサブガスケット１５に結合され、一体として扱われる。流路体２０をサブガスケット１５に結合する方法はいくつかある。例えば、ホットプレス法や多様な接着剤がこの目的のために使用可能であるが、これらに限定されない。この場合は図９に示されている。
【００５８】
他の実施形態では、図８に示されるように、流路体２０は、その周りのフレーム１７を備えて設けられ得る。フレーム１７はスペーサとして機能し、封止材がフレームの頂部と底部に存在する。フレーム１７の厚さを変更することによって、頂部と底部の封止材の厚さを最適にすることもできる。前述の場合と同様に、流路体２０とその周りのフレームが異なる物質製、例えば、金属、ＰＴＦＥ、ＰＥ、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ、エポキシ製等となり得るが、これらの物質に限定されるものではない。小型組立体を生成するための多様な方法が存在し、例えば、射出成形、スタンピング成形、圧縮成形等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００５９】
他の実施形態では、流路体２０を形成する部品が互いに取り外し可能であって、電池に別々に接合され得て、又は、流路体２０が電池の周囲においてガスケット１５に取り付け又は溶接され、次いで、その上に置かれたＭＥＡを圧縮し得る。図１０は、組立体中で特定されている多様な構成要素を備える単一の電池の断面図を示す。頂部チャネル（プレート１１）は電池のアノード側を表し、底部チャネル（プレート１０）がカソード側を表し、この場合、対向流の構成が想定されるが、並行流や交差流も可能である。二つのサブガスケット１５が互いに重ねて結合され、二つの流路体２０が流入口マニホールドと流出口マニホールドに位置し、電池の残りの部分は従来の組立体と同じである。重要なのは、本発明がこの配置構成に限定されず、多様な構成が想定可能である点である。
【００６０】
上述のように、特許文献３と比較しての本発明の主な利点の一つは、流路体２０に交差部が存在しないので、部品の変形が排除され、組立後に全ての構成要素が平坦な状態で圧縮されることである。この場合は図１０に示されている。
【００６１】
電池内の水管理に有用な他の実施形態は、電池の流入口と流出口に統合された二つの異なる流路体２０を有するものである。例えば、図１１に示されるように、流出口の流路体２０（図１１Ａ）は、リブ同士の間の大きな間隔（ギャップ２６）を有する異なる設計となり得て、流入口の流路体２０（図１１Ｂ）は小さなギャップ２７を有し得る。チャネル同士の間の大きなギャップ２６は、特に流出口領域において、電池からの水の除去を促進し電池が濡れる確率を最小にする。
【００６２】
他の実施形態では、図１２及び図１３に示されるように、流路体２０上に例えばワイヤ２１、２４によって形成されるリブ２８の向きを傾斜させ得る。ガスは、流路体２０の右側から入り、左側と下側から出て行く。この配置構成は、電池内でガスを逸らしてより均一に分布させることを促進し、電池の流入口又は流出口で使用可能である。電池内でガスを均一に分布させるための従来の手法は、ガスマニホールドと活性領域との間の追加の流れリブ／チャネルを有するようにするというものであり、これは、特許文献１１、特許文献１２、特許文献１３、特許文献１４、特許文献１、特許文献１２、特許文献１５、特許文献１６、特許文献４、特許文献１７等で説明されているとおりである。本発明で提案されているようなＦＰの統合は、設計をかなり単純にするのと同時に、電池内の圧力低下を顕著に減らす。本設計は、特定の図面に限定されるものではなく、リブ／チャネル２８は、流路体２０のワイヤの形状によって定められるものとして図１３に示されるように異なる曲率半径の曲線等の多様な形状を有することができる。
【００６３】
流路体２０は、ガスマニホールドだけではなくて、冷却ループ用にも使用可能である。そのコンセプトと構造は、冷却ループにおいては、流路体２０がガスケットに取り囲まれて、頂部と底部の二つのプレート３０と接触するという点を除いては同じである。燃料電池積層組立体では、通常、各電池（例えば、図１や図１０に示されるような電池）の後に冷却プレート３０が統合され、電池からの必要以上の熱を散逸させる。構造の観点からは、その流れチャネルは、組立体の冷却側にＭＥＡが存在しないという点を除いてはガスチャネルと同じである。図１４は冷却プレート３０の一例であり、中央の水チャネルを液体が左から右に流れ、二つの流路体２０が流入口側と流出口側に統合され、圧縮され、頂部プレート３１と底部プレート３２に直接接触している。前述の構成と同様に、チャネル同士の間の距離は、電池内の圧力低下を最小にするように調節可能である。図１４は断面図であり、封止材は見て取れない。
【００６４】
このような流路体２０の使用はＰＥＭ（高分子電解質膜）燃料電池のみに限定されず、高温ＰＥＭ（ＨＴ‐ＴＥＭ）、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、電解槽等の他の種類のデバイスにおいても若干の修正で簡単に使用可能である。更に、プレートを構成する物質は特に限定されず、金属、グラファイト、他の複合材となり得る。
【００６５】
本明細書は、本発明の完全な範囲を表すものではない。本発明はその詳細が多様なレベルで本願において与えられ、添付図面と発明の詳細な説明において与えられているが、要素や部品等が含まれるか含まれないかによって本発明の範囲が限定されるものではない。本発明の更なる態様が、特に添付図面と共に参照することで詳細な説明から自ずと明らかになるものである。
【００６６】
また、例示的な実施形態は、本開示の構造、機能、製造、システムの使用、方法の原理を全体的に理解するために記載されているものである。これらの実施形態の一つ以上は添付図面に例示されている。本願に具体的に記載され添付図面に示されているシステムと方法が非限定的な例示的実施形態であり、本発明の範囲が特許請求の範囲のみによって定められることを当業者は理解するものである。一つの例示的な実施形態に関して図示又は記載されている特徴は他の実施形態の特徴と組み合わせ可能である。このような修正や変更は本発明の範囲内にあるものである。従来の方法とシステムの複数の問題が本願で述べられており、本開示の方法とシステムがそれらの問題の一つ以上に対処し得る。これらの問題を記載することは、当該分野の従来の知識として認めるものではない。特定の方法とシステムが本願に記載されているが、本発明の範囲はそれらに限定されるものではないことを当業者は理解するものである。更に、本発明が複数の実施形態に関して説明されているが、多数の代替、修正、変更が当業者に明らかであることは自明である。従って、そのような代替、修正、均等物、変更が本発明の要旨と範囲内に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１０  底部プレート
１１  頂部プレート
１２  膜電極接合体
１３、１４  ガスケット
１５  サブガスケット
１６  封止材
１７  フレーム
２０  流路体
２１、２３、２４、２５  ワイヤ
２２  平坦部
３０  冷却プレート
【図１】
2021530095.tif 000003
【図２】
2021530095.tif 000004
【図３】
2021530095.tif 000005
【図４】
2021530095.tif 000006
【図５】
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【図６】
2021530095.tif 000008
【図７】
2021530095.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2021530095.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2021530095.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月8日(2021.3.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部プレート（１０）と、頂部プレート（１１）と、前記底部プレートと前記頂部プレートとの間に膜電極接合体（１２）によって形成された活性領域と、前記膜電極接合体（１２）の両側のガスケット（１３、１４）と、を少なくとも備える燃料電池であって、該燃料電池内でガスを通過させるためのマニホールド（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を更に備え、流路体が前記マニホールドと前記活性領域との間に位置し、前記流路体（２０）が、前記流路体（２０）の全高にわたる機械的構造体を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記機械的構造体が複数の第一ワイヤ（２１、２４）を少なくとも備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第一ワイヤ（２１、２４）が直線状であるか又は湾曲していて、直線状のチャネル又は傾斜したチャネル（２８）又は湾曲したチャネル（２８）を形成している、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記機械的構造体が平坦部（２２）を備え、該平坦部上に前記第一ワイヤ（２１）が取り付けられている、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記流路体が複数の第二ワイヤ（２３、２５）を更に備え、該第二ワイヤに前記第一ワイヤ（２１、２４）が取り付けられている、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第二ワイヤ（２３）が前記第一ワイヤ（２１）に垂直である、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第二ワイヤ（２５）が前記第一ワイヤ（２１）に編み込まれている、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第一ワイヤと第二ワイヤが同じ物質製又は異なる物質製である、請求項２から７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
ワイヤが金属及び／又は合成材製である、請求項２から８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ガスケット（１３、１４）が前記流路体（２０）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記底部プレート（１０）及び前記頂部プレート（１１）が前記流路体（２０）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記マニホールドが前記燃料電池の流入口と流出口を形成し、前記流入口の流路体（２０）が前記流出口の流路体（２０）と同じである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記マニホールドが前記燃料電池の流入口と流出口を形成し、前記流入口の流路体（２０）が前記流出口の流路体（２０）と同じではない、請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料電池を少なくとも一つと冷却プレート（３０）とを備える組立体。
【請求項１５】
複数の積み重なった燃料電池と冷却プレートとを備え、前記冷却プレートが燃料電池同士の間に介在している、請求項１４に記載の組立体。
【請求項１６】
前記流路体（２０）を備えるフレーム（１７）を備え、前記フレームが燃料電池同士の間のスペーサ及び前記流路体の支持体として機能する、請求項１４又は１５に記載の組立体。
【請求項１７】
請求項１から９のいずれか一項に記載の流路体（２０）又は請求項１６に記載のフレーム（１７）を製造するための方法であって、前記流路体（２０）又は前記フレーム（１７）を圧縮成形又は射出成形するステップを備える方法。
【国際調査報告】
2021530095.tif 000017
2021530095.tif 000018