(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための双極板であって、
アノード表面を画定するアノードシートと、
カソード表面を画定するカソードシートと、
前記アノードシートと前記カソードシートとの間の空洞とを備え、
前記カソードシートは、冷却液／酸化体を分配するための少なくとも１つのプロファイル化された部分と、前記空洞と前記カソード表面との間の入口開口を画定する第１の穿孔されたセクションと、前記カソード表面と前記空洞との間に延在する前記カソードシートにおいて出口開口を画定する第２の穿孔されたセクションとを備える、冷却液／酸化体分配構造とを備え、
前記空洞は、前記アノードシートおよび前記カソードシートを冷却するための前記冷却液／酸化体を受容するように、かつ前記入口開口および前記出口開口を通って前記カソードシートの外部に前記冷却液／酸化体の少なくとも一部分を提供するように構成され、
前記空洞は、前記冷却液／酸化体を受容するために、前記双極板の第１の周辺縁に少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートを有し、前記空洞は、前記冷却液／酸化体の少なくとも一部分を排出するために、第２の周辺縁に少なくとも１つの冷却液／酸化体出口ポートを有し、
前記冷却液／酸化体分配構造は、複数の流体流動チャネルを備え、
第１の流体流動チャネルは、前記第１の流体流動チャネルの一方の端部に前記入口開口を備え、前記第１の流体流動チャネルの反対の端部で閉鎖され、前記入口開口は、前記冷却液／酸化体を受容する前記双極板の側部に最も近い前記第１の流体流動チャネル内の開口であり、
第２の流体流動チャネルは、前記第２の流体流動チャネルの一方の端部に前記出口開口を備え、前記第２の流体流動チャネルの反対の端部で閉鎖され、前記出口開口は、前記冷却液／酸化体を受容する前記双極板の側部から最も遠い前記第２の流体流動チャネル内の開口であり、
前記双極板は、前記少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートと前記冷却液／酸化体出口ポートとの間に２つの流路を備え、
第１の流路は、前記アノードシートおよび前記カソードシートの両方によって、完全に囲い込まれ、
第２の流路は、前記冷却液／酸化体を前記カソードシートの前記カソード表面に曝露するように、前記カソードシート内の前記第１の流体流動チャネル内の空気入口開口、および前記カソードシート内の前記第２の流体流動チャネル内の空気出口開口を通過する、双極板。
【請求項２】
前記冷却液／酸化体分配構造は、前記入口開口と前記出口開口との間に延在する流体流動チャネルを備える、請求項１に記載の双極板。
【請求項３】
前記入口開口における前記冷却液／酸化体の圧力を増加させるために、前記アノードシートと前記カソードシートとの間の前記空洞内の空気流に対する１つ以上の制限を備える、請求項１に記載の双極板。
【請求項４】
空気流に対する前記１つ以上の制限は、バッフルを備える、請求項３に記載の双極板。
【請求項５】
前記流体流動チャネルの寸法は、前記双極板の長さにそって、および／または前記双極板の幅にわたって変動する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の双極板。
【請求項６】
前記プロファイル化された部分は、前記アノードシートと当接し、それによって
、前記アノードシートと前記カソードシートとの間の前記空洞のための支持を提供する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の双極板。
【請求項７】
前記少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートは、前記アノードシートと前記カソードシートとの間の前記空洞の開放周辺縁を備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の双極板。
【請求項８】
前記少なくとも１つの冷却液／酸化体出口ポートは、前記アノードシートと前記カソードシートとの間の前記空洞の開放周辺縁を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の双極板。
【請求項９】
前記カソードシートは、その縦方向の縁に沿って走るカソードシート波形を備え、前記アノードシートは、その縦方向の縁に沿って走るアノードシート波形を備え、前記カソードシート波形は、前記アノードシート波形と当接し、それによって、前記空洞への複数の冷却液／酸化体入口ポート、および前記空洞からの複数の冷却液／酸化体出口ポートを画定する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の双極板。
【請求項１０】
前記カソードシート内の前記開口のサイズは、前記双極板の長さにそって変動する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の双極板。
【請求項１１】
燃料電池板アセンブリであって、
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の双極板と、
アノード流体拡散層と、
カソード流体拡散層、および電極を備える膜 電極アセンブリを備える、ラミネート層と、を備える、燃料電池板アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池板アセンブリを複数備える、燃料電池スタック。
【請求項１３】
燃料電池において双極板を用いる方法であって、
前記双極板は、
アノード表面を画定するアノードシートと、
カソード表面を画定するカソードシートと、
前記アノードシートと前記カソードシートとの間の空洞とを備え、
前記カソードシートは、冷却液／酸化体を分配するための少なくとも１つのプロファイル化された部分と、前記空洞と前記カソード表面との間の入口開口を画定する第１の穿孔されたセクションと、前記カソード表面と前記空洞との間に延在する前記カソードシートにおいて出口開口を画定する第２の穿孔されたセクションとを備える、冷却液／酸化体分配構造とを備え、
前記空洞は、前記アノードシートおよび前記カソードシートを冷却するための前記冷却液／酸化体を受容するように、かつ前記入口開口および前記出口開口を通って前記カソードシートの外部に前記冷却液／酸化体の少なくとも一部分を提供するように構成され、
前記空洞は、前記冷却液／酸化体を受容するために、前記双極板の第１の周辺縁に少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートを有し、前記空洞は、前記冷却液／酸化体の少なくとも一部分を排出するために、第２の周辺縁に少なくとも１つの冷却液／酸化体出口ポートを有し、
前記双極板は、さらに、
前記カソードシート内に前記入口開口を備え、前記出口開口なしに閉鎖された反対の端部を備えた第１の流体流動チャネルと、
前記カソードシート内に前記出口開口を備え、前記入口開口なしに閉鎖された反対の端部を備えた第２の流体流動チャネルとを備え、
前記方法は、前記少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートと前記冷却液／酸化体出口ポートとの間の２つの流路を通って前記冷却液／酸化体を与えることを備え、
第１の流路は、前記アノードシートおよび前記カソードシートの両方によって、完全に囲い込まれ、
第２の流路は、前記冷却液／酸化体を前記カソードシートの前記カソード表面に曝露するように、前記カソードシート内の、空気入口開口、前記第１の流体流動チャネル、前記第２の流体流動チャネル、および空気出口開口を通過する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池のための双極板の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、燃料および酸化体を、一般にこれら両方ともにガス流の形態で、電気エネルギーおよび反応生成物に変換する。水素と酸素を反応させるための一般的な種類の電気化学燃料電池は、高分子イオン（陽子）移動膜を備え、燃料および空気がその膜の各側面上を通過する。陽子（すなわち、水素イオン）は、その膜を通って伝導され、燃料電池のアノードおよびカソードに接続する回路を通って伝導される電子によってバランスが保たれている。利用可能な電圧を増加させるために、別個のアノードおよびカソード流体流路とともに配置されたいくつかのその様な膜を備えるスタックが形成され得る。そのようなスタックは、典型的には、スタックのいずれかの端部で終板によって一緒に保持された多数の個別の燃料電池板を備えるブロックの形態である。
【０００３】
燃料および酸化体の反応は、熱ならびに電力を発生させるので、燃料電池スタックは、動作温度に到達した時点で冷却する必要がある。冷却は、空気をカソード流体流路に強制的に通すことによって達成され得る。開いたカソードスタックでは、酸化体流路および冷却液路が同じであり、すなわち、空気をスタックに強制的に通すことは、カソードへの酸化体の供給およびスタックの冷却の双方を行う。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様に従って、燃料電池のための双極板が提供され、この双極板は、
アノード表面を画定するアノードシートと、
カソード表面を画定するカソードシートと、
アノードシートとカソードシートとの間の空洞と、
カソード表面と空洞との間に延在するカソードシート内の１つ以上の開口と、を備え、
空洞は、アノードおよびカソードシートを冷却するための冷却液／酸化体を受容するように、かつまた１つ以上の開口を通って、カソードシートの外部に冷却液／酸化体の少なくとも一部分を提供するように構成される。
【０００５】
このようにして、いかなる複雑な通路または導管も必要とすることなく、板を冷却し、かつ電極のカソード側に酸化体を提供するために、共通の冷却液／酸化体を使用することができる。
【０００６】
空洞は、冷却液／酸化体を受容するために、双極板の第１の周辺縁に少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートを有してもよい。空洞は、冷却液／酸化体の少なくとも一部分を排出するために、第２の周辺縁に少なくとも１つの冷却液／酸化体出口ポートを有してもよい。周辺縁上の共通の入口ポートおよび／または共通の出口ポートの使用は、双極板へ、および／またはそこからの冷却液／酸化体に対する容易なアクセスを提供することができる。
【０００７】
双極板は、少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートと冷却液／酸化体出口ポートとの間に２つの流路を備え得、
第１の流路は、アノードシートおよびカソードシートの両方によって、完全に囲い込まれ、
第２の流路は、冷却液／酸化体をカソード板のカソード表面に曝露するように、カソードシート内の２つの開口を通過する。
【０００８】
カソードシートは、冷却液／酸化体分配構造を備え得、これは、冷却液／酸化体を分配するための少なくとも１つのプロファイル化された部分と、空洞とカソード表面との間の開口を画定する少なくとも１つの穿孔されたセクションとを備え得る。このようにして、空洞内の冷却液／酸化体は、カソード表面にわたって分配するために、分配構造へ好都合に提供することができる。
【０００９】
冷却液／酸化体分配構造は、空洞からの入口開口を画定する第１の穿孔されたセクションと、空洞からの出口開口を画定する第２の穿孔されたセクションとを備え得る。冷却液／酸化体分配構造は、１つ以上の流体流動チャネルを備え得る。流体流動チャネルは、それぞれの入口開口と出口開口との間に延在し得る。いくつかの実施形態において、流体流動チャネルのサブセットのみが、穿孔されたセクション／開口を備え得る。例えば、交互流体流動チャネルは、入口開口または出口開口のいずれかを備え得る。
【００１０】
双極板は、複数の流体流動チャネルを備え得る。交互（第１を含む）流体流動チャネルは、一方の端部に入口開口を備え、反対の端部で閉鎖され得る。他方の（第２を含む）流体流動チャネルは、一方の端部に出口開口を備え、反対の端部で閉鎖され得る。入口開口は、冷却液／酸化体出口ポートよりも冷却液／酸化体入口ポートに近くてもよい。出口開口は、冷却液／酸化体入口ポートよりも冷却液／酸化体出口ポートに近くてもよい。このようにして、冷却液／酸化体は、入口開口から出口開口に通過させるために、ガス拡散層を通過することができ、それによって、双極板のカソード表面における冷却液／酸化体の曝露を改善させる。
【００１１】
空気流に対する１つ以上の制限は、入口開口における冷却液／酸化体の圧力を増加させるために、アノードシートとカソードシートとの間の空洞内に提供され得る。空気流に対する１つ以上の制限は、バッフルを備え得る。空気流に対する１つ以上の制限は、交互流体流動チャネルの単一側上の空洞内に提供され得る。このようにして、入口ポートと出口ポートとの間の比較的妨げられていない流体流動を提供する貫流チャネルを、双極板を通る交互流体流路として提供することができる。
【００１２】
流体流動チャネルの寸法は、双極板の長さに沿って、および／または双極板の幅にわたって変動し得る。流体流動チャネルの寸法の変動は、電極効率を改善するように、電極の表面にわたる電極活性の同調を可能にすることができる。
【００１３】
プロファイル化されたセクションは、アノードシートと当接し、それによって、アノードシートとカソードシートとの間の空洞のための支持を提供し得る。
【００１４】
少なくとも１つの冷却液／酸化体入口ポートは、アノードシートとカソードシートとの間の空洞の開放周辺縁を備え得る。少なくとも１つの冷却液／酸化体出口ポートは、アノードシートとカソードシートとの間の空洞の開放周辺縁を備え得る。
【００１５】
カソードシートは、その縦方向の縁に沿って走るカソードシート波形を備え得る。アノードシートは、その縦方向の縁に沿って走るアノードシート波形を備え得る。カソードシート波形は、アノードシート波形と当接し、それによって、空洞への複数の冷却液／酸化体入口ポート、および空洞からの複数の冷却液／酸化体出口ポートを画定し得る。このようにして、アノードシートとカソードシートとの間の空洞のために、支持を提供することができる。
【００１６】
カソードシート内の開口のサイズは、双極板の長さに沿って、および／または双極板の幅にわたって変動し得る。開口の寸法の変動は、電極効率を改善するように、電極の表面にわたる電極活性の同調を可能にすることができる。開口のうちの１つ以上の断面積は、対応する流体流動チャネルによって提供されるギャラリーの断面積よりも小さくてもよく、これは、特定の流体／空気要件に依存し得る。
【００１７】
燃料電池板アセンブリが提供され得、この燃料電池板アセンブリは、
本明細書で開示されるいずれかの双極板と、
アノード流体拡散層と、
カソード流体拡散層、および電極を備える膜 電極アセンブリを備える、ラミネート層と、を備える。
【００１８】
本明細書で開示される複数のいずれかの燃料電池板アセンブリを備える燃料電池スタックが提供され得る。
【００１９】
本明細書で説明されるような複数の燃料電池板アセンブリを備える燃料電池スタックが提供され得る。
【００２０】
ここで、添付の図面を参照して、ほんの一例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に従う、双極板を示す。
【図２】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図３】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図４】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図５】図４の燃料電池板アセンブリの頂部に位置付けられる第２の双極板の断面図を示す。
【図６】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図７】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図８】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図９】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図１０】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図１１】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図１２】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【図１３】本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池スタックを組み立てることができるのかを概略的に示す。
【図１４】本発明の代替の実施形態に従って、どのように燃料電池スタックを組み立てることができるのかを概略的に示す。
【図１５】本発明の一実施形態に従う、燃料電池スタックを示す。
【図１６】本発明の別の実施形態に従う、双極板を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本明細書で開示される１つ以上の実施形態は、燃料電池のための双極板に関し、該双極板は、外側アノード表面を画定するアノードシートと、外側カソード表面を画定するカソードシートとを有する。アノードおよびカソードシートを冷却するための冷却液／酸化体を受容するように、かつまたカソードシート内の１つ以上の開口を通って、カソードシートの外部に冷却液／酸化体の少なくとも一部分を提供するように構成される、アノードシートとカソードシートとの間の空洞。このようにして、いかなる複雑な通路または導管も必要とすることなく、板を冷却し、かつ電極のカソード側に酸化体を提供するために、共通の冷却液／酸化体を使用することができる。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態に従う、双極板１０２の一方の端部を示す。
図１で示される双極板１０２の端部は、ポート１０４を有する。図６で示されるように、双極板１０２のもう一方の端部もポートを有することができることが認識されるであろう。ポート１０４は、電極の活性領域に提供される水素等の流体を受容するためのものである。電極自体は示されていないが、電極の活性領域のフットプリントは、図１において参照番号１０５で示される。電極は、図４を参照して下でさらに詳細に説明される。
【００２４】
当技術分野で知られているように、活性領域１０５は、膜を通した陽子の交換を促進するために必要な反応ガスが電極に提供されるように電極表面と接触している、ガス拡散層（ＧＤＬ）の領域である。
【００２５】
ポート１０４は、双極板１０２の厚さを通る方向で、流体を受容する。流体を電極に提供することに加えて、ポート１０４はまた、スタックが構築されたときに双極板のポートが整列されると、燃料電池スタックの中の隣接する燃料電池アセンブリに流体を通す。
【００２６】
この実施例において、双極板１０２は複数の流体流動チャネル１０６を有し、該流体流動チャネルは、不連続であり、双極板１０２の横幅全体にわたって延在する。このようにして、流体が流体流動チャネル１０６に進入すると、流体は、活性領域１０５の幅を横断して横方向に分散することができる。
【００２７】
下でさらに詳細に論じるように、流体は、ガス拡散層を通して双極板１０２の縦方向の長さに沿って通る。しかしながら、１つ以上の任意のポートチャネル１０８は、ポート１０４と活性領域１０５との間の流体接続を提供することができる。ポートチャネル１０８は、双極板１０２の溝として提供することができる。ポートチャネル１０８と流体拡散層との関係は、図２を参照して下でさらに詳細に説明される。
【００２８】
加えて、１つ以上の随意の接続チャネル１０７も、双極板１０２の長さに沿って、連続する流体流動チャネル１０６の間で流体を輸送することができる。そのような接続チャネル１０７はまた、双極板１０２の溝としても提供することができる。接続チャネル１０７は、双極板１０２の縦方向の長さに沿って、屈曲したまたは相互嵌合した経路を提供するように、流体流動チャネル１０６の異なる端部の間で交互に接続し得る。これは、流体が電極に均一に提供されるように、流体拡散層の大部分に浸透するのを助長することができる。
【００２９】
双極板は、アノードシート１８０と、カソードシート１８２とを備える。アノードシート１８０の外側表面は、アノード表面と称され、カソードシート１８２の外側表面は、カソード表面と称される。
【００３０】
アノードシート１８０とカソードシート１８２との間には空洞１８４がある。いくつかの実施例において、アノードシート１８０およびカソードシート１８２は、図１の双極板１０２を提供するようにともにスポット溶接される前に、個々にプレス成形およびスタンプすることができ、それによって、２つのシート１８０、１８２間の空洞１８４を画定する。
【００３１】
カソードシート１８４内の流体流動チャネル１０６は、カソード表面と空洞１８２との間に延在する、少なくとも１つの開口１８６を含む。開口は、空洞１８２をカソード表面と流体連通させる。この実施例において、カソードシート１８２内の各流体流動チャネル１０６は、空洞１８４からカソード表面への入口開口、およびカソード表面から空洞１８４への出口開口を提供するように、各端部において穿孔される。流体流動チャネル１０６は、入口開口と出口開口との間に延在する。入口開口は、冷却液／酸化体を受容する双極板の側部に最も近い流体流動チャネル１０６内の開口である。同様に、出口開口は、冷却液／酸化体を受容する双極板の側部から最も遠い流体流動チャネル１０６内の開口である。
【００３２】
冷却液／酸化体は、双極板１０２の第１の周辺縁１８８内の１つ以上の冷却液／酸化体入口ポートを通って、空洞１８４の中へ通過することができる。次いで、冷却液／酸化体入口ポートに進入する冷却液／酸化体のうちの一部は、空洞１８４を通って、双極板１０２の第２の周辺縁１９０内の１つ以上の冷却液／酸化体出口ポートから出る。加えて、空洞１８４に進入する冷却液／酸化体のうちの一部は、流体流動チャネル１０６内の入口開口を通過し、双極板１０２のカソード表面に曝露される。空洞１８４を真っ直ぐに通過する冷却液／酸化体は、アノードおよびカソードシート１８０、１８２を冷却することができる。双極板の第２の周辺縁１９０は、この実施形態において、双極板の第１の周辺縁１８８の反対である。
【００３３】
本発明のこの実施形態に従う双極板は、冷却液／酸化体入口ポートと冷却液／酸化体出口ポートとの間の２つの流路：アノードシート１８０およびカソードシート１８２の両方によって、完全に囲い込まれる、第１の流路、ならびに冷却液／酸化体をカソード板１８２のカソード表面に曝露するように、カソードシート１８２内の２つの開口１８６を通過する、第２の流路を画定する。
【００３４】
以下の説明から理解されるように、カソード表面に曝露される冷却液／酸化体は、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）のカソードに酸化体を提供するために、カソードガス拡散層（ＧＤＬ）を通って拡散することができる。カソードＧＤＬに進入しないいずれの冷却液／酸化体も、双極板１０２の第２の周辺縁１９０を通って双極板１０２を出る前に、流体流動チャネル１０６内の出口開口を通って、空洞１８４の中に戻ることができる。
【００３５】
このようにして、第１の周辺縁１８８は、冷却液／酸化体のための共通の入口を提供することができ、これは、双極板１０２を通る第２の周辺縁１９０へのその経路に依存して、アノードおよびカソードシート１８０、１８２を冷却することも、近傍のＭＥＡのカソードＧＤＬに酸化体を提供することもできる。
【００３６】
カソードシート１８２内の流体流動チャネル１０６は、少なくとも１つのプロファイル化された部分（カソードシート１８２の平面から離れて延在する、流体流動チャネルの側部）、および少なくとも１つの穿孔されたセクション（流体流動チャネル１０６の端部内の開口１８６）を有する、冷却液／酸化体分配構造と称され得る。この実施例における冷却液／酸化体分配構造のプロファイル化されたセクションは、アノードシート１０８内の対応する流体流動チャネル１０６と当接し、それによって、カソードシート１８２とアノードシート１８０との間の空洞１８４のための支持を提供する。
【００３７】
この実施例において、双極板１０２は、単一の冷却液／酸化体入口ポート、および双極板１０２の長さのほとんどに延在する単一の冷却液／酸化体出口ポートを有する。これは、アノードおよびカソードシートの側部に沿った波形によって画定される、複数の冷却液／酸化体入口ポート、および冷却液／酸化体出口ポートを有する、図６に示される双極板とは対照的である。
【００３８】
いくつかの実施例において、冷却液／酸化体を電極で消費することができるため、カソードシート１８２を通る開口１８６は、提供される必要はないということが理解されよう。したがって、カソード表面から冷却液／酸化体出口ポートへの流路は、必要とされなくてもよく、カソード表面への流路を行詰まりとして提供することができる。
【００３９】
カソードシート１８２内の開口１８６の代替の配設の別の実施例を、図１６を参照して下で説明する。
【００４０】
アノードシート１８０内の流体流動チャネル１０６は、冷却液／酸化体がＭＥＡのアノード側で必要とされないため、開口を有しない。
【００４１】
図２〜４は、本発明の一実施形態に従って、どのように図１の双極板１０２を燃料電池板アセンブリに構築することができるかを示す。図２は、双極板１０２上に配置される、第１の流体拡散層２１０を示す。図３は、双極板１０２および第１の流体拡散層２１０の上に分注される接着剤３１４、３１６を示す。図４は、ラミネート層４１８を示し、該ラミネート層は、第１の流体拡散層および接着剤３１６の上に配置される、膜電極アセンブリおよび第２の流体拡散層を含む。さらなる詳細は、下で提供される。
【００４２】
図２は、図１の双極板１０２上に位置される、流体拡散層２１０を示す。流体拡散層は、典型的に、ガス拡散層（ＧＤＬ）として知られており、この実施例では、電極のアノード側の活性領域にガスを提供するので、アノードＧＤＬ２１０と称される。
【００４３】
アノードＧＤＬ２１０は、双極板１０２のポート１０４と活性領域１０５との間に延在する、延在領域２１２を有する。タブ２１２は、活性領域１０５のフットプリントの外側にある。延在領域は、タブ２１２と称される。タブ２１２は、アノードＧＤＬ２１０の本体から延在し、この実施例では、全般的に、活性領域１０５と並置される。アノードＧＤＬのタブ２１２は、ポート１０４で受容される水素を活性領域１０５に連通することができる。上で識別されるように、図１で示されるポートチャネル１０８はまた、ポート１０４から活性領域１０５に水素を連通することもできる。しかしながら、水素の輸送は、単にアノードＧＤＬ２１０だけを通して行うことができるので、これらのポートチャネル１０８は、随意であることが認識されるであろう。同様に、アノードＧＤＬ２１０は、流体流動チャネル１０６間で水素を連通するための唯一の手段とすることができるので、図１の接続チャネル１０７も随意である。
【００４４】
図３は、図２の双極板１０２およびアノードＧＤＬ２１０上に堆積される、２つの接着剤のトラック３１４、３１６を示す。第１の接着剤のトラック３１４は、ポート１０４の周囲に連続ループを提供し、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２の上を通る。第２の接着剤のトラック３１６は、アノードＧＤＬ２１０の外側周囲で双極板１０２上に堆積され、同じくこれは、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２上を通る。このようにして、第２の接着剤のトラック３１６は、膜電極アセンブリが部分燃料電池板アセンブリ上に位置するときに、アノードＧＤＬ２１０の周囲に密封を提供するように位置付けられる。
【００４５】
接着剤は、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２の中への接着剤の浸透が最小であるように選択され、それによって、アノードＧＤＬ２１０通した流体の輸送を著しく妨げない。
【００４６】
他の実施形態において、接着剤の代わりに、成形されたサブガスケットを使用することができる。例えば、成形されたサブガスケットは、図４を参照して下で論じられるラミネート層４１８が提供され得る。
【００４７】
図４は、ラミネート層４１８が図３の部分的な燃料電池板アセンブリに加えられた、燃料電池板アセンブリ４００を示す。ラミネート層は、４層膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）であり、また、カソード流体拡散層と、第１の触媒層と、電極膜と、第２の触媒層とを備える。２つの触媒層および電極膜は、ともに、電極を備える膜電極アセンブリと称することができる。
【００４８】
４層ＭＥＡ４１８は、第２の接着剤のトラック３１６の上に位置付けられる。図４から、第２の接着剤のトラック３１６が、第１の接着剤のトラック３１４と当接し、それによって、ポート１０４の外側にあるアノード ＧＤＬ２１０のタブ２１２の周囲に密封を提供するように、移動され、広げられたことが分かる。また、２つの移動された接着剤トラック３１４、３１６は、タブ２１２の表面で接触し、それによって、アノードの囲い込みを完成し、電池のための全体的なアノードの密封を提供する。
【００４９】
活性領域は、４層ＭＥＡ４１８の外側帯が接着剤３１６の上に位置付けられるので、４層ＭＥＡ４１８の外周の内側に定義され、これはアノードガス（水素）の電極への輸送を防止する。接着剤の配置は、意図する活性領域１０５の中への接着剤の移動を最小にするように制御できることが認識されるであろう。
【００５０】
図５は、図４の燃料電池板アセンブリ４００の頂部に位置付けられる、第２の双極板５０２の断面図を示す。当技術分野で知られているように、複数の燃料電池板アセンブリ４００を構築して、燃料電池スタックを形成することができる。
【００５１】
図５で示されるように、第２の双極板５０２が燃料電池アセンブリ４００の頂部に位置付けられると、該双極板は、第１の双極板１０２のポート１０４の周囲の第１の接着剤のトラック３１４に接触する。したがって、この第１の接着剤のトラック３１４は、２つの双極板のポートの周囲に密封を生じさせ、その下をアノードＧＤＬ２１０のタブ２１２が通る。双極板１０２がポートチャネル（参照番号１０８で図１に示される）を含む場合、アノードＧＤＬ２１０のタブ２１２は、ポートチャネルの溝に落ち込むのを防止するのに十分な剛性とすることができる。これは、電極と関連するサブガスケットが溝より上に位置され、溝の中へ垂下する可能性がある、従来技術の燃料電池とは対照的であり得る。
【００５２】
図５で分かるように、第１の双極シート１０２のアノードシート１８０のアノード表面は、アノードＧＤＬ２１０の底部表面に接触し、アノードＧＤＬ２１０の頂部表面は、４層ＭＥＡ４１８の底部表面に接触し、４層ＭＥＡ４１８の頂部表面は、第２の双極板５０２のカソードシート５８２のカソード表面に接触する。
【００５３】
アノードシート５８０とカソードシート５８２との間の空洞５８４の断面図を、図５に示す。第２の双極板５０２に進入する冷却液／酸化体は、図５には示されていない開口を通って、カソードシート５８２内の流体流動チャネル５０６にアクセスすることができるということが、図１の説明から理解されよう。このようにして、必要な酸化体が、４層ＭＥＡ４１８のカソードＧＤＬ層に提供される。
【００５４】
いくつかの実施例において、双極板１０２の形状は、ＧＤＬ２１０、４１８と接触するように、様々な表面領域を提供する特性を含み得る。例えば、流体流動チャネル１０６の寸法は、双極板１０２の長さに沿って、および／または双極板１０２の幅にわたって変動し得る。このようにして、流体流動チャネル間のそれぞれのＧＤＬ２１０、４１８と接触する、カソード表面および／またはアノードの表面領域もまた、双極板１０２に沿って、またはそれにわたって変動する。代替的に、または加えて、カソードシート１８２内の開口１８６のサイズは、双極板１０２の長さに沿って、および／または双極板１０２の幅にわたって変動し得る。このような双極板１０２の特性の寸法の変動は、電極効率を改善するように、電極の表面にわたる電極活性の同調を可能にすることができる。
【００５５】
図６〜１２は、本発明の一実施形態に従って、どのように燃料電池板アセンブリを構築することができるのかを概略的に示す。
【００５６】
図６は、構築ポイントに提供される、帯状の双極板１０２を例示する。この実施例では、双極板１０２が２つのポート１０４、６２２を有することが分かる。上で詳細に論じられるように、第１のポート１０４は、入口である。第２のポート６２２は、出口または入口とすることができる。いくつかの実施形態において、燃料電池における水素との反応の化学量論的効率は、１よりも大きく、したがって、第２のポート６２２は、製品の水分管理のための貫流を提供するために、出口として使用すべきである。他の実施形態において、第２のポート６２２はまた、化学量論的効率および／または水分管理技術が許容するのであれば、入口とすることもできる。
【００５７】
双極板は、双極板１０２が構築ポイントに進入する直前に、単にともに結合される、例えば抵抗、レーザー、または接着剤でともに接合される、別個のアノードシート６０２ａおよびカソードシート６０２ｂを備え得る。これは、図６において、アノードシート６０２ａおよびカソードシート６０２ｂが最初に別個に供給されているように示される。
【００５８】
図６で分かるように、アノードシートおよびカソードシートの縦方向の縁は、双極板のための追加の支持を提供するように、波形を付けることができる。例えば、アノードシート内の波形は、双極板の厚さを通じて追加の支持を提供するように、カソードシート内の波形と整合および当接することができる。アノードシート内の波形は、アノードシート波形６９２と称され得、カソードシート内の波形は、カソードシート波形６９４と称され得る。アノードシート波形およびカソードシート波形によって画定される開口部は、複数の冷却液／酸化体入口ポートおよび複数の冷却液／酸化体出口ポートを通る、アノードシートとカソードシートとの間の空洞へのアクセスを提供する。
【００５９】
これらの波形の使用は、燃料電池アセンブリ内のガスケットによって印加される力を通じた偏向に抵抗するように、剛性のプラトーを形成することができるが、依然としてカソード酸化体および冷却用空気のための不断の空気通路を可能にする。
【００６０】
構築ポイントの両側には、アノードＧＤＬ２１０のスタックおよび４層ＭＥＡ４１８のスタックが位置する。
【００６１】
図７は、第１のアノードＧＤＬ２１０が、スタックから取り出されて、図２に示されるものと同じように、双極板上に位置付ける準備のできた状態にあることを示す。この動作、およびそれに続く動作は、自動化できることが認識されるであろう。図８は、双極板１０２上に適所に位置される、アノードＧＤＬ２１０を示す。
【００６２】
図９は、アノードＧＤＬ２１０および双極板１０２の上側の適所にある接着剤分注器９３０を示す。
【００６３】
図１０は、接着剤分注器９３０によって分注された、３つの接着剤のトラック３１４、３１６、１０４０を示す。第１のトラック３１４および第２のトラック３１６は、図３を参照して説明されるものと同じである。図１０にはまた、第２のポート６２２の周囲に連続ループを提供する、第３の接着剤のトラック１０４０も示される。これは、第１の接着剤のトラック３１４が第１のポート１０４の周囲に連続ループを提供するのと同じ方法である。
【００６４】
図１１は、４層ＭＥＡが、、図４で示されるものと同じように、双極板１０２およびアノードＧＤＬ２１０の上に位置付ける準備のできた状態にあるスタックから取り出されたことを示す。図１２は、双極板１０２およびアノードＧＤＬ２１０上の適所に位置される、４層ＭＥＡ４１８を示す。
【００６５】
図６〜１２によって例示される構築ステップのそれぞれは、同じ構築ポイントで行うことができることが認識されるであろう。
【００６６】
図１３は、燃料電池スタックを組み立てることができるように、図６〜１２によって例示される構築方法を発展させている。図１３は、図６〜図１２で例示されるものと同じである、帯状の双極板１０２、アノードＧＤＬ２１０のスタック、および４層ＭＥＡ４１８のスタックを例示する。加えて、図１３は、燃料電池スタックの頂部終板のための２つのコンポーネントのスタック１３５０、１３５２、および燃料電池スタックの底部終板のための２つのコンポーネントのスタック１３５４、１３５６を示す。底部終板のためのスタック１３５４、１３５６からの板は、燃料電池板アセンブリの構築が開始される前に、構築ポイントに位置し、頂部終板のためのスタック１３５０、１３５２からの板は、燃料電池スタックが所望のサイズに構築されたときに、構築ポイントで、燃料電池アセンブリの頂部に位置する。次いで、燃料電池スタックは、図１３において参照番号１３６２で示される構築ポイントから移動させることができる。
【００６７】
最後に、クリップ１３５８、１３６０は、完成した燃料電池スタック１３６１を提供するために、燃料電池板アセンブリをともに意図する作業寸法に保つように、燃料電池スタック１３６２の各側に取り付けることができる。
【００６８】
燃料電池スタック１３６１の一方の側面は、冷却液／酸化体入口面１３６３と称され得、これは、双極板の第１の周辺縁内に入口ポートを備える。反対の側面は、冷却液／酸化体出口面１３６５と称され得、これは、双極板の第２の周辺縁内に出口ポートを備える。上の説明に従い、酸化体は、冷却液／酸化体入口面１３６３を通って燃料電池スタックに進入し、いかなる消費されていない冷却液／酸化体も冷却液／酸化体出口面１３６５を通って燃料電池スタックを出る前に、アノードおよびカソードシートを冷却するように空洞を通過するか、またはカソードシート内の開口を通ってカソードＧＤＬに曝露されるかのいずれかであるということが理解されよう。
【００６９】
図１４は、本発明の実施形態に従って燃料電池スタックを構築するための代替の方法を例示する。この実施例において、アノードＧＤＬ、４層ＭＥＡ、および終板のためのコンポーネントは、ピックアンドプレース（ｐｉｃｋ  ａｎｄ  ｐｌａｃｅ）過程の直前にストリップ供給され、分割される帯状部である。
【００７０】
図１５は、本発明の実施形態に従う、燃料電池スタック１５００を例示する。燃料電池スタックの頂部終板１５７０は、燃料電池板アセンブリの各端部でそれぞれがポート（図１５には示さず）と流体接続している、２つの開口部１５７２、１５７４を含む。必要に応じて、類似する開口部が、底部終板１５７６に提供され得ることが認識されるであろう。
【００７１】
図１６は、本発明の別の実施形態に従う、双極板１６００を示す。図１６において、カソードシート１６８２は、頂部に示され、これは、カソードシートが底部に示される図１の双極板１０２とは対照的である。図１６の双極板のカソードシート内の開口の配設は、図１に示されるものとは異なり、カソードシート１６８２のカソード表面における空気の曝露を改善することができる。また、図１６の双極板１６００には、空気入口ポートと空気出口ポートとの間の直接的な空気流を妨げるために、任意のバッフル１６５３が含まれ、それによって、カソード板１６８２のカソード表面にわたる空気流をさらに改善する。さらなる詳細は、下で提供される。
【００７２】
この実施例において、第１の流体流動チャネル１６０６ａは、カソードシート１６８２内の入口開口１６５８と、反対の閉鎖端部１６５９とを有する。閉鎖端部は、出口開口を有しない。第２の流体流動チャネル１６０６ｂは、カソードシート１６８２内の出口開口１６５４と、反対の閉鎖端部とを有し、それは入口開口を伴わない。開口１１６５８、１６５４のこの配設では、空気は、第１の流体チャネル１６０６ａから、隣接するガス拡散層（ＧＤＬ）（図１６には図示せず）を通って、第２の流体流動チャネル１６０６ｂに通過する。この空気流の方向は、図１６の矢印１６６０によって示される。このように、流体流動チャネル１６０６ａ、１６０６ｂ間に空気を流動させることは、空気が、関連付けられた膜電極アセンブリ（図１６には図示せず）のカソード側に提供される均一性を改善することができる。
【００７３】
任意に、空気入口開口１６５８における空気圧を増加させるために、双極板の第１の周辺縁上の空気入口ポートと、双極板の第２の周辺縁上の空気出口ポートとの間の空気流を方向付けるための障害１６５３を提供することができ、それによって、空気が、ＧＤＬを通って、第１の流体流動チャネル１６０６ａから第２の流体流動チャネル１６０６ｂへ流動するのを促す。この実施例における障害は、アノードシートとカソードシートとの間の空洞１６５７から空気出口ポートへの空気流に対する制限を提供する、バッフル１６５３である。
【００７４】
図１６の双極板１６００は、カソードＧＤＬを通る強制拡散を提供するとして見なすことができる。少なくとも一部分において、これは、空気入口ポートと空気出口ポートとの間の直接的な流路を提供する冷却チャネル１６５７を部分的に遮るように、バッフル板１６５３の追加によって達成することができる。この流路は、カソードシート１６８２内のいずれの開口１１６５８、１６５４も通過しないため、直接的である。
【００７５】
双極板１６００は、空気入口ポートと空気出口ポートとの間に３つの流路を有するとして見なすことができる：
アノードシート１８０およびカソードシート１８２の両方によって完全に囲い込まれる第１の流路１６５５、１６５１であって、上で論じられるようなバッフル板１６５３に直面する、第１の流路。
【００７６】
アノードシート１８０およびカソードシート１８２の両方によって完全に囲い込まれる第２の流路１６５６であって、バッフル板１６５３に直面せず、貫流冷却チャネルと称され得る、第２の流路。
【００７７】
カソード板１６８２のカソード表面に空気を曝露させるように、カソードシート１６８２の第１の流体流動チャネル１６０６ａ内の空気入口開口１６５８、および第２の流体流動チャネル１６０６ｂ内の空気出口開口１６５４を通過する、第３の流路１６５５、１６６０、１６５２。
【００７８】
第１の流路１６５５、１６５１および第３の流路１６５５は、第２の（貫流冷却）チャネル１６５６と比較して、わずかに上昇した圧力で走る。開口／開口部１６５８、１６５４は、カソード流動場内のギャラリーのための入口および出口開口部になるために、双極板１６００にわたって直径方向に特性化することができる。交互流体流動チャネル１６０６ａには、空気入口開口１６５８が提供されてもよい。他方の／インタリーブされた流体流動チャネル１６０６ｂには、空気出口開口１６５４が提供されてもよい。
【００７９】
空気入口および出口開口１６５８および１６５４間のその後の圧力差は、双極板１６０６のカソード表面にわたる空気流を促進することができる。同様に、バッフル板１６５３は、双極板１６００に沿って交互冷却チャネル１６５６内に位置付けることができる。
【００８０】
図１６の実施形態は、３つの変数の比例同調を可能にすることができる：
１．第２の流路１６５６に沿った貫流冷却空気の量、
２．第３の流路１６６０に沿った拡散空気の量、および
３．第１の流路１６５１に沿った冷却／反応空気の、第３の流路１６６０に沿った拡散空気に対する比。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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