(57)【要約】  プロトン交換膜燃料電池スタックが、共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを包含する。それぞれのプレートアセンブリは、第一のプレートと第二のプレートとの間に配置された、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を包含する。第一及び第二のプレートの一方はアノードプレートであり、他方はカソードプレートである。第一及び第二のプレートのそれぞれは、ＭＥＡに面する第一の側とＭＥＡから見て外方の第二の側とを包含する。プレート（複数）は、第一の側上の流れ場と燃料電池スタックのガス分配通路に接続されたガスマニホルド穴とを包含する。第一のプレートのそれぞれは更に、ガスマニホルド穴の少なくとも１つから第一のプレートの流れ場までガスを運ぶ、流路を包含する。流路は、少なくとも部分的に、プレートアセンブリが共に積み重ねられるときに、隣接する第二のプレートの第二の側上のチャネルによって形成される。
2010512617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを含む、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックであって、
それぞれのプレートアセンブリが、
第一のプレートと第二のプレートとの間に配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）であって、前記第一及び第二のプレートの一方がアノードプレートであり、前記第一及び第二のプレートの他方がカソードプレートである、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含むものであり、
前記第一及び第二のプレートのそれぞれが、
前記ＭＥＡに面する第一の側及び前記ＭＥＡから見て外方の第二の側、
前記第一の側上の流れ場、
前記燃料電池スタックのガス分配通路に接続されたガスマニホルド穴を含み、
前記第一のプレートのそれぞれが、前記ガスマニホルド穴の少なくとも１つから前記第一のプレートの前記流れ場までガスを運ぶ流路を更に含み、前記流路は、前記プレートアセンブリが共に積み重ねられるときに、隣接する第二のプレートの前記第二の側上のチャネルによって、少なくとも部分的に形成されるものである、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第一及び第二のプレートのそれぞれが、
前記第一及び第二の側から通り、前記流れ場と前記ガスマニホルド穴との間に配置された、空隙を含み、前記空隙が、前記第一の側上の前記流れ場に接触する、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第二のプレートのそれぞれが、前記ガスマニホルド穴の少なくとも１つから前記第二のプレートの前記流れ場までガスを運ぶ流路を更に含み、前記流れ場が、少なくとも部分的に、前記第二のプレートの前記第二の側上の第二のチャネルによって形成され、前記第二のチャネルが、前記空隙を前記少なくとも１つのガスマニホルド穴に接続する、請求項２のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第一のプレートの前記流路のそれぞれが、前記空隙と前記少なくとも１つのガスマニホルド穴との間に、前記隣接する第二のプレートの前記第二の側上の前記チャネルに接触する、前記第一のプレートの前記第二の側の平滑部分を含む、請求項２のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第一及び第二のプレートのそれぞれが、前記第一及び第二の両側上の前記ガスマニホルド穴のそれぞれを包囲する実質的に平滑な周辺区域を更に含む、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第一のプレートの前記流れ場が、第一の一定深さであり、及び前記第二のプレートの前記流れ場が、第二の一定深さである、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第二のプレートが、前記第一のプレートより厚い、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第二のプレートのそれぞれが、前記２つ以上のプレートアセンブリの隣接プレートアセンブリの間に冷媒を運ぶ、第二の流れ場を前記第二の側上に更に含む、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第一及び第二のプレートは、前記プレートアセンブリが共に積み重ねられるときに冷媒マニホルド通路を形成する、冷媒マニホルド穴を含む、請求項８のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第二のプレートが、前記第二の流れ場を前記冷媒マニホルド穴に接続する、冷媒接続チャネルを前記プレートの前記第二の側上に含む、請求項９のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項１１】
第一及び第二の圧縮部材であって、前記共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリが、前記第一及び第二の圧縮部材の間に配置される、第一及び第二の圧縮部材を更に含み、前記第二の圧縮部材が、
冷媒を前記冷媒マニホルド通路の第一の組に送達することを容易にする冷媒入口マニホルドと、
前記冷媒を前記冷媒マニホルド通路の第二の組から取り出すことを容易にする冷媒出口マニホルドと、を含む、請求項９のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記第一のプレートが前記アノードプレートを含み、及び前記第二のプレートが前記カソードプレートを含む、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記プレートアセンブリが共に積み重ねられるときに、前記ガス分配通路が、前記ガスマニホルド穴によって形成される、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項１４】
第一及び第二の圧縮部材であって、前記共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリが、前記第一と第二の圧縮部材の間に配置される、第一及び第二の圧縮部材と、
前記ガスマニホルド穴を通して配置され、前記第一及び第二の圧縮部材を連結する、圧縮金物と、を更に含む、請求項１のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項１５】
第一及び第二の圧縮部材であって、前記共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリが、前記第一及び第二の圧縮部材の間に配置される、第一及び第二の圧縮部材を更に含み、前記第一の圧縮部材が、
アノードガス及びカソードガスを前記ガス分配通路の第一の組に送達することを容易にするガス入口マニホルドと、
前記アノードガス及び前記カソードガスを前記ガス分配通路の第二の組から取り出すことを容易にするガス出口マニホルドと、を含む、請求項１の燃料電池アセンブリ。
【請求項１６】
第一及び第二の側を有する、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池のバイポーラープレートであって、
燃料電池アセンブリのガス分配マニホルドに接続されるように構成されたガスマニホルド穴、
前記プレートの前記第一の側上の複数の流れ場チャネルを含み、
前記プレートが、前記プレートの第一及び第二の両側上で、前記ガスマニホルド穴と流れ場チャネルとの間の流体接続チャネルを欠く、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池バイポーラープレート。
【請求項１７】
前記プレートの前記第一及び第二の両側上で前記ガスマニホルド穴を包囲する、実質的に平滑な周辺部を更に含む、請求項１６のＰＥＭ燃料電池バイポーラープレート。
【請求項１８】
前記第一の側から前記第二の側まで通る空隙を更に含み、前記空隙が、前記流れ場チャネルに接触しており、前記ガスマニホルド穴と流れ場チャネルとの間の流体路の一部を形成する、請求項１６のＰＥＭ燃料電池バイポーラープレート。
【請求項１９】
前記第二の側が平滑であり、前記ガスマニホルド穴と前記空隙が、隣接するＰＥＭ燃料電池のバイポーラープレートの機構を経由して接続される、請求項１８のＰＥＭ燃料電池バイポーラープレート。
【請求項２０】
共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを含む、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックであって、
それぞれのプレートアセンブリが、
膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）、
前記ＭＥＡのそれぞれの側上に配置された第一及び第二のプレートであって、前記第一及び第二のプレートの一方がアノードプレートであり、前記第一及び第二のプレートの他方がカソードプレートである、第一及び第二のプレートを含むものであり、前記第一及び第二のプレートのそれぞれが、
前記ＭＥＡに面する第一の側及び前記ＭＥＡから見て外方の第二の側、
前記第一の側上の流れ場、
前記共に積み重ねられたプレートアセンブリ中のガス分配通路の一部を形成するガスマニホルド穴を含み、
前記第一のプレートが、前記流れ場と、前記第一のプレートの前記ガスマニホルド穴の少なくとも１つとを接続する、流路を包含し、前記流路が、前記流れ場に接触する前記第一の側上の第一のチャネルと、前記少なくとも１つのガスマニホルド穴に接触する前記第二の側上の第二のチャネルと、第一と第二のチャネルを接続する空隙とを包含する、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタック。
【請求項２１】
ガスを燃料電池の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）に分配する方法であって、
第一のバイポーラープレートを形成することであって、前記第一のバイポーラープレートが、マニホルド穴及び前記第一のバイポーラープレートの第一の側上の流れ場を有するものである、第一のバイポーラープレートを形成することと、
前記第一のバイポーラープレートの前記第一の側を前記ＭＥＡに連結することと、
第二のバイポーラープレートを前記第一のバイポーラープレートの第二の側に連結することであって、前記第二のバイポーラープレートが、前記第一のバイポーラープレートの前記マニホルド穴を前記第一のバイポーラープレートの前記流れ場に接続するチャネルを包含するものである、第二のバイポーラープレートを前記第一のバイポーラープレートの第二の側に連結することと、
前記マニホルドガスを、前記マニホルド穴から、前記第二のバイポーラープレートの前記チャネルを経由して、前記第一のバイポーラープレートの前記流れ場チャネルに流すことと、を含む、方法。
【請求項２２】
前記第一のバイポーラープレートが、前記第一の側から前記第二の側まで通る空隙を包含し、前記マニホルドガスを前記マニホルド穴から前記第一のバイポーラープレートの前記流れ場チャネルに流すことが、前記空隙を通して前記マニホルドガスを流すことを含む、請求項２１の方法。
【請求項２３】
共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを含む、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックであって、
それぞれのプレートアセンブリが、
第一のプレートと第二のプレートとの間に配置された膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）であって、前記第一及び第二のプレートの一方がアノードプレートであり、前記第一及び第二のプレートの他方がカソードプレートである、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含むものであり、
前記第一のプレートは、前記ＭＥＡに面する第一の側上の第一の流れ場と前記ＭＥＡから見て外方の第二の側上の第二の流れ場とを有し、
前記第二のプレートは、前記ＭＥＡに面する第一の側上に流れ場を有し、前記ＭＥＡから見て外方の第二の側が、実質的に平滑であって、隣接プレートアセンブリの前記第一のプレートの前記第二の流れ場との界面をなす、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記第一のプレートの前記第一及び第二の流れ場と前記第二のプレートの前記流れ場とが、同一深さである、請求項２３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項２５】
前記第一のプレートが前記第二のプレートより厚い、請求項２３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記第一のプレートが前記カソードプレートを含み、前記第二のプレートが前記アノードプレートを含む、請求項２３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項２７】
前記第一及び第二のプレートは、前記プレートアセンブリが共に積み重ねられるときにガスマニホルド通路を形成する、ガスマニホルド穴を含むものである、請求項２３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項２８】
前記第一のプレートのそれぞれが、
前記第一の流れ場の縁部に接触する空隙と、
前記空隙と前記第一のプレート上の前記ガスマニホルド穴の少なくとも１つとを接続する、前記第一のプレートの前記第二の側上の接続チャネルと、を更に含む、請求項２７のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項２９】
前記第二のプレートが、前記流れ場の縁部に接触する空隙を更に含み、前記第一のプレートが、前記第一のプレートの前記第二の側上に接続チャネルを含み、前記接続チャネルは、前記プレートアセンブリが共に積み重ねられるときに、前記接続チャネルが前記第二のプレート上の前記空隙と前記第二のプレートの前記ガスマニホルド穴の少なくとも１つとを接続するように、配置されたものである、請求項２７のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３０】
前記共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリのそれぞれの側上に配置された、第一及び第二の圧縮部材と、
前記ガスマニホルド穴を通して配置され、前記第一及び第二の圧縮部材を連結する、圧縮金物と、を更に含む、請求項２７のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３１】
前記第一の圧縮部材が、
アノードガス及びカソードガスを前記ガスマニホルド通路の第一の組に送達することを容易にする、ガス入口通路と、
前記アノードガス及び前記カソードガスを前記ガスマニホルド通路の第二の組から取り出すことを容易にする、ガス出口通路と、を含む、請求項３０のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３２】
前記第一のプレートの前記第二の流れ場が、前記２つ以上のプレートアセンブリの隣接プレートアセンブリの間に冷媒を運ぶ、請求項２３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３３】
前記第一及び第二のプレートは、前記プレートアセンブリが共に積み重ねられるときに冷媒マニホルド通路を形成する、冷媒マニホルド穴を含むものである、請求項３２のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３４】
前記第一のプレートが、前記第二の流れ場を前記冷媒マニホルド穴に接続する、冷媒接続チャネルを前記プレートの前記第二の側上に含む、請求項３３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【請求項３５】
前記共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリのそれぞれの側上に配置された第一及び第二の圧縮部材を更に含み、前記第二の圧縮部材が、冷媒を前記冷媒マニホルド通路の第一の組に送達することを容易にする冷媒入口通路と、前記冷媒を前記冷媒マニホルド通路の第二の組から取り出すことを容易にする冷媒出口通路とを含む、請求項３３のＰＥＭ燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して燃料電池に関するものであり、具体的には膜電極アセンブリのスタックを用いる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な燃料電池システムは電力区分を包含し、そこでは、１つ以上の燃料電池が電力を発生させる。燃料電池とは、水素及び酸素を水に変換して、そのプロセス内で電気及び熱を作り出す、エネルギー変換装置である。各燃料電池ユニットは、中央にイオン交換部材（protonexchange member）（ＰＥＭ）を、イオン交換部材（protonexchange member）のそれぞれの側上にガス拡散層を包含してもよい。ガス拡散層の内側には、アノード及びカソード触媒層がそれぞれ配置される。このユニットが、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と呼ばれる。膜電極アセンブリのガス拡散層の外側には、セパレータプレート（本明細書において、流れ場プレート又はバイポーラープレートとも呼ばれる）が、それぞれ配置される。このタイプの燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池と呼ばれることが多い。
【０００３】
単一のＭＥＡ中の反応は、通常は１ボルト未満を発生させる。したがって、大部分の用途において有用な作動電圧を得るために、複数のＭＥＡが積み重ねられて、及び直列に電気接続されて、所望の電圧を達成してもよい。電流が、燃料電池スタックから集められて、負荷の駆動に用いられる。燃料電池は、自動車からラップトップコンピュータまで、多種多様な用途に対して使用されて、電力を供給してもよい。
【０００４】
自動車の駆動に使用されるスタックなどのある種の用途について、既存のＰＥＭ燃料電池では、過剰な重量、体積、及びコストに起因して、限界があると認識されている。その１つの理由は、流れ場セパレータの厚さ及び重量に起因する。機械加工されたグラファイト、カーボン複合材、及び金属が、流れ場セパレータに対して通例では使用される材料である。これらの材料を選択すると、過剰な体積又は重量のいずれかを被る可能性がある。通常は、多数のセパレータがそれぞれのスタック中に存在するので、この限界が、重い又は嵩高い燃料電池スタックにつながる。その上、これらのセパレータを薄くて頑健なものにすることは困難である。破損及び割れが、グラファイト及びカーボン複合材に基づくセパレータに関連する問題となっている。小さな欠陥が、破損及び破滅的な損壊に至る場合もある。薄くて軽量の金属板セパレータは、容易に曲がり、変形したままとなる場合もある。流れ場セパレータの性能を改善するために数多くの試みがなされてきたが、コスト、厚さ、重量、及び頑健性の良好なバランスを見つけ出すことは困難であった。
【０００５】
流れ場セパレータの厚さを減少できる場合でさえも、幾つかの用途においては、燃料電池を実際的な設計に適合させることを困難にする、空間的な制限が依然として存在する。例えば、自動車用途に使用される幾つかの電気駆動モータは、１００ボルト以上もの高い電位を必要とすることがある。費用のかかる電力変換無しで燃料電池システムにこの電位を提供させるために、燃料電池スタックが、共に積み重ねられた多数のＭＥＡを必要として、燃料電池スタックを所望より大きいものにすることもある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
他の設計要件が、燃料電池システムをいかにコンパクトにできるかということを制限する。例えば、電池にエネルギー供給して電池温度を調節するために、ガス及び流体が、スタックを貫流する必要がある。これらのガス及び流体を収容するのに必要な内部流路及び外部配管が、自動車などの空間制限のある環境中への組み込みが容易な、燃料電池アセンブリを作り出すことを困難にする可能性がある。しかしながら、実用的な燃料電池で駆動される自動車から得られる潜在的な効果が非常に大きいので、これらの制限に対する費用効果的及び頑強な解決法が所望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池スタックを形成するための方法、システム、及び装置を対象とする。本発明の一実施形態において、ＰＥＭ燃料電池スタックは、共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを包含する。それぞれのプレートアセンブリは、第一のプレートと第二のプレートとの間に配置された、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を包含する。第一及び第二のプレートの一方は、アノードプレートであり、他方は、カソードプレートである。第一及び第二のプレートのそれぞれは、ＭＥＡに面する第一の側と、ＭＥＡから見て外方の第二の側とを包含する。プレート（複数）は、第一の側上の流れ場と、燃料電池スタックのガス分配通路に接続されたガスマニホルド穴とを包含する。第一のプレートのそれぞれは、ガスマニホルド穴の少なくとも１つから第一のプレートの流れ場までガスを運ぶ、流路を更に包含する。その流路は、プレートアセンブリが共に積み重ねられる時に、隣接する第二のプレートの第二の側上のチャネルによって、少なくとも部分的に形成される。
【０００８】
より特定の実施形態では、第一及び第二のプレートのそれぞれは、第一の側及び第二の側から通り、流れ場とガスマニホルド穴との間に配置された、空隙を包含する。その空隙は、第一の側上の流れ場に接触する。第二のプレートのそれぞれは、ガスマニホルド穴の少なくとも１つから第二のプレートの流れ場までガスを運ぶ、流路を更に包含してもよい。そのような場合には、流れ場は、少なくとも部分的に、第二のプレートの第二の側上の第二のチャネルにより形成される。特に、第二のチャネルは、空隙を少なくとも１つのガスマニホルド穴に接続する。１つの構成において、第一のプレートの流路のそれぞれは、空隙と少なくとも１つのガスマニホルド穴との間に、隣接する第二のプレートの第二の側上のチャネルに接触する、第一のプレートの第二の側の平滑部分を包含する。
【０００９】
別のより特定の実施形態では、第一及び第二のプレートのそれぞれは、第一及び第二の両側上の各ガスマニホルド穴を包囲する、実質的に平滑な周辺区域を更に包含する。１つの配置では、第一のプレートの流れ場は、第一の一定深さであり、第二のプレートの流れ場は、第二の一定深さである。別の配置では、第二のプレートは、第一のプレートより厚い。
【００１０】
別のより特定の実施形態では、第二のプレートのそれぞれは、２つ以上のプレートアセンブリの隣接プレートアセンブリの間に冷媒を運ぶ、第二の流れ場を第二の側上を更に包含する。そのような配置では、第一及び第二のプレートは、プレートアセンブリが共に積み重ねられる時に冷媒マニホルド通路を形成する、冷媒マニホルド穴を包含してもよい。追加的に、第二のプレートは、第二の流れ場を冷媒マニホルド穴に接続する、冷媒接続チャネルをプレートの第二の側上に含んでもよい。１つの変形では、燃料電池スタックは、第一及び第二の圧縮部材を更に包含し、共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリが、第一と第二の圧縮部材の間に配置されるようになっている。この構成の第二の圧縮部材は、冷媒を冷媒マニホルド通路の第一の組に送達することを容易にする冷媒入口マニホルドと、冷媒を冷媒マニホルド通路の第二の組から取り出すことを容易にする冷媒出口マニホルドとを包含する。
【００１１】
別のより特定の実施形態では、第一のプレートは、アノードプレートであり、第二のプレートは、カソードプレートである。１つの配置では、プレートアセンブリが共に積み重ねられる時に、ガス分配通路が、ガスマニホルド穴によって形成される。別の配置では、燃料電池スタックは、共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリが、第一及び第二の圧縮部材の間に配置されるように、置かれた第一及び第二の圧縮部材を更に含む。そのような場合、圧縮金物が、ガスマニホルド穴を通して配置され、第一及び第二の圧縮部材を連結する。別の構成では、第一の圧縮部材は、アノードガス及びカソードガスをガス分配通路の第一の組に送達することを容易にするガス入口マニホルドと、アノードガス及びカソードガスをガス分配通路の第二の組から取り出すことを容易にするガス出口マニホルドとを更に包含する。
【００１２】
本発明の別の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池のバイポーラープレートが、第一及び第二の側を有し、並びにプレートは、燃料電池アセンブリのガス分配マニホルドに接続されるように構成された、ガスマニホルド穴を包含する。複数の流れ場チャネルが、プレートの第一の側上に配置されている。プレートは、プレートの第一及び第二の両側上で、ガスマニホルド穴と流れ場チャネルとの間の流体接続チャネルもまた欠いている。１つの構成では、プレートは、プレートの第一及び第二の両側上でガスマニホルド穴を包囲する実質的に平滑な周辺部を包含する。
【００１３】
別のより特定の実施形態では、プレートは、第一の側から第二の側まで通る空隙を更に包含する。その空隙は、流れ場チャネルに接触して、ガスマニホルド穴と流れ場チャネルとの間の流体路の一部を形成する。１つの構成では、第二の側が平滑であって、ガスマニホルド穴と空隙は、隣接するＰＥＭ燃料電池バイポーラープレートの機構を経由して接続される。
【００１４】
本発明の別の実施形態では、ＰＥＭ燃料電池スタックに、共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを包含する。それぞれのプレートアセンブリは、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、ＭＥＡのそれぞれの側上に配置された第一及び第二のプレートとを包含する。第一及び第二のプレートの一方は、アノードプレートであり、第一及び第二のプレートの他方は、カソードプレートである。第一及び第二のプレートのそれぞれは、ＭＥＡに面する第一の側、ＭＥＡから見て外方の第二の側、及び第一の側上の流れ場を包含する。それぞれのプレートはまた、共に積み重ねられたプレートアセンブリ中のガス分配通路の一部を形成する、ガスマニホルド穴も包含する。第一のプレートは、流れ場と第一のプレートのガスマニホルド穴の少なくとも１つとを接続する、流路を包含する。流路は、流れ場に接触する第一の側上の第一のチャネルと、少なくとも１つのガスマニホルド穴に接触する第二の側上の第二のチャネルと、第一と第二のチャネルを接続する空隙とを包含する。
【００１５】
本発明の別の実施形態において、燃料電池の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）にガスを分配する方法は、マニホルド穴と第一のバイポーラープレートの第一の側上の流れ場とを有する、第一のバイポーラープレートを形成することを伴う。第一のバイポーラープレートの第一の側が、ＭＥＡに連結される。第二のバイポーラープレートが、第一のバイポーラープレートの第二の側に連結される。第二のバイポーラープレートは、第一のバイポーラープレートのマニホルド穴を第一のバイポーラープレートの流れ場に接続する、チャネルを包含する。マニホルドガスが、第二のバイポーラープレートのチャネルを経由して、マニホルド穴から第一のバイポーラープレートの流れ場チャネルへ流される。
【００１６】
より特定の実施形態では、第一のバイポーラープレートに、第一の側から第二の側まで通る空隙を包含し、マニホルドガスをマニホルド穴から第一のバイポーラープレートの流れ場チャネルへ流すことが、空隙を通してマニホルドガスを流すことを伴う。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、ＰＥＭ燃料電池スタックは、共に積み重ねられた２つ以上のプレートアセンブリを包含する。それぞれのプレートアセンブリは、第一のプレートと第二のプレートとの間に配置された、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を包含する。第一及び第二のプレートの一方は、アノードプレートであり、第一及び第二のプレートの他方は、カソードプレートである。第一のプレートは、ＭＥＡに面する第一の側上の第一の流れ場と、ＭＥＡから見て外方の第二の側上の第二の流れ場とを有する。第二のプレートは、ＭＥＡに面する第一の側上に流れ場を有する。第二のプレートのＭＥＡから見て外方の第二の側は、実質的に平滑であって、隣接プレートアセンブリの第一のプレートの第二の流れ場との界面をなす。
【００１８】
本発明を特徴付けている新規性のこれら及び他の様々な利点及び特徴は、本明細書に添付されまたその一部を形成する請求項中にて特定して指摘されている。しかしながら、本発明、その利点、及びその使用で得られる目的をよりよく理解するために、本明細書の更なる部分を形成する図面と付随する説明文書とを参照すべきであり、これらには、本発明に従うシステム、装置、及び方法の代表的な例が、例示及び説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明は、次の図面に示される実施形態に関連して説明される。
【図１Ａ】本発明の実施形態による燃料電池システムの前側分解斜視図。
【図１Ｂ】図１Ａの燃料システムの後ろ側斜視図。
【図２Ａ】本発明の実施形態による電流を示す、燃料電池スタックアセンブリの平面図。
【図２Ｂ】本発明の実施形態によるスタックアセンブリを貫く冷媒流れの経路を示す、スタックアセンブリの側面図。
【図２Ｃ】本発明の実施形態によるスタックアセンブリを貫くカソード空気流れの経路を示す、スタックアセンブリの側面図。
【図２Ｄ】本発明の実施形態によるスタックアセンブリを貫くアノードガス流れの経路を示す、スタックアセンブリの側面図。
【図２Ｅ】本発明の実施形態による３スタック配置を示す、スタックアセンブリの平面図。
【図２Ｆ】本発明の実施形態による４スタックの接続を示す、スタックアセンブリの端面図。
【図３】本発明の実施形態によるカソード空気マニホルドの後ろ側斜視図。
【図４】本発明の実施形態によるアノードガスマニホルドの前側斜視図。
【図５】本発明の実施形態によるアノードガスマニホルドの後ろ側斜視図。
【図６】本発明の実施形態によるスタックアセンブリ及び圧縮プレートの前側斜視図。
【図７】本発明の実施形態によるＭＥＡスタック中で使用されるプレートアセンブリの機構を示す断面図。
【図８】本発明の実施形態によるアノードプレートを示す斜視図。
【図９】本発明の実施形態によるアノードプレートを示す斜視図。
【図１０】本発明の実施形態によるカソードプレートを示す斜視図。
【図１１】本発明の実施形態によるカソードプレートを示す斜視図。
【図１２】図１１の断面１２−１２に対応するプレートアセンブリの断面図。
【図１３】図１１の断面１３−１３に対応するプレートアセンブリの断面図。
【図１４】図１１の断面１４−１４に対応するプレートアセンブリの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
様々な代表的実施形態の次の説明において、本明細書の一部を形成する添付図面が参照されており、添付図面では、本発明が実施されてもよい様々な実施形態が実例として示される。本発明の範囲から逸脱することなく構造的及び操作的な変更がなされてもよいので、他の実施形態が利用されることもあると理解すべきである。
【００２１】
本発明は、燃料電池アセンブリに関するものであり、特定の実施形態が、高電力密度及びコンパクトで軽量のパッケージを必要とする用途に対して好適である、イオン交換部材（ＰＥＭ）燃料電池システムの文脈で説明される。そのような用途としては、電気自動車駆動力、可搬式発電機、車両電力発電機、又は燃料電池スタックが小さくて軽いことを要する可能性のあるいずれか他の状況が挙げられるが、これらに限定されない。特に、移動式用途は、燃料電池システムのコンパクト性及び軽量性を必要とすることが多く、並びに伝統的な燃料電池スタック設計を用いるのでは満たされ得ない形状要素をシステムに課すことがある。
【００２２】
本発明の実施形態に関係して説明されている幾つかの機構は、燃料電池膜の平面に垂直な方向の寸法を減少することによって燃料電池の形状要素を最適化するように意図されている。この寸法の大きさは、部分的には、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）のスタックの厚さと、燃料電池スタックを形成するＭＥＡの間に配置されるセパレータプレートとによって影響（drive）される。このスタックは、単一ＭＥＡの公称電圧、必要なスタック電圧、バイポーラープレートの厚さ、及びＭＥＡの厚さによって規定される、厚さを有する。他の構成要素が、最終製品の寸法に追加されることもある。これらの構成要素には、スタックの端部に電気接続された集電器、スタックを共に保持する圧縮部材、並びに燃料、空気、及び冷媒をスタックに送達するマニホルド又は他の流体移送構造が挙げられる。
【００２３】
スタック構成要素の寸法及び電圧が最終スタックシステムの寸法にいかに影響する（drive）かの例として、公称０．７ボルトをそれぞれが供給するＭＥＡを使用して約１００ボルトを供給しなければならない、仮定のスタックを考えてみるべきである。これは、１００／０．７＝１４３のＭＥＡを必要とする。それぞれのプレートアセンブリは、カソードプレートとアノードプレートとの間に挟まれた、ＭＥＡを有する。スタック端部におけるプレートアセンブリを除いて、各プレートアセンブリのカソードプレートは、一方側の隣接プレートアセンブリのアノードプレートに接触し、及びプレートアセンブリのアノードプレートは、他方側のプレートアセンブリのカソードプレートに接触する。冷媒が、隣接するプレートアセンブリの接触しているカソードとアノードプレートの間に導入される。スタックに圧縮される時、プレートアセンブリの厚さが、０．２５４ｃｍ（０．１００インチ）である場合には、スタック全体の厚さは、３６．３ｃｍ（１４３×０．１０＝１４．３インチ）になる。
【００２４】
スタックの寸法を縮める１つの方法は、バイポーラープレートの厚さを減少することである。上記例中の各プレートの厚さを０．００２５４ｃｍ（０．００１インチ）減少させただけでも、スタック全体が０．７２６ｃｍ（（０．００１＋０．００１）×１４３＝０．２８６インチ）縮まるという結果になる。しかしながら、プレートをいかに薄くできるかには実際的な限界がある。プレートは、流体をＭＥＡのガス拡散層（ＧＤＬ）に分配する小さい密な間隔のチャネルを収容しなければならず、かつこれらのチャネルを収容するのに十分な厚さでなければならない。プレートはまた、組立中の損傷及び使用中の破損を防ぐのに十分な強度も有さなければならない。本開示の幾つかの態様は、バイポーラープレートの厚さの減少、並びにプレートのより容易な及びより安価な製造とを対象にしている。
【００２５】
プレートの厚さを減少したときでさえ、依然として、設計パラメーターが、燃料電池スタックの厚さを所望よりも大きくすることがある。このことは、スタック電圧は比較的高いが、スタックの高さ（例えば、スタックの正端部から負端部まで測定される）を包含するシステムの寸法が比較的小さくなければならない場合にあてはまる。したがって、そのような設計に適応するために、本開示は、単一の圧力プレートの内側に２つ以上のスタックを包含する燃料電池を記述している。それらのスタックは、隣接スタックが反対極性を有するように配置されてもよい。１つの集電器が、あるスタックの一端部に接続され、他の集電器が、もう１つのスタックの一端部に接続される。それらのスタックは、隣接スタックが反対極性を有するように配置されてもよい。これによって、隣接スタックの端部（又は少なくとも集電器に接続されていないそれらの端部）が、接続プレート又はバーなどの使用により、電気的に共にシャント可能になる。この仕組にて、電流は、集電器で流出する点を除く全ての点で、スタックアセンブリ内に留まる。集電器は、使用されるスタックの数に依存して、両方とも燃料電池アセンブリの同一端部上に存在してもよく、又は１つの集電器が第一の端部上にあって、他の集電器が第二の端部上にあってもよい。
【００２６】
ここで図１Ａ及び１Ｂに転じると、本発明の実施形態による燃料電池システム１００の分解斜視図が示されている。燃料電池システム１００は、これらの図において、重力場に関して重力ベクトル１０１に示されるように展開された向きに示されている。図示された設計の幾つかの態様は、重力１０１に関するシステム１００の向きに依存する可能性があるが（例えば、流体の排出）、多数の態様は、代わりの向きに適用できる可能性がある。
【００２７】
図１Ａに見られるように、燃料電池システムは、冷媒マニホルド１０２、第一の圧縮プレート１０４、燃料電池スタックアセンブリ１０６、第二の圧縮プレート１０８、アノードガス（例えば水素）マニホルド１１０、及びカソードガス（例えば空気）マニホルド１１２を包含する。カソードガスマニホルド１１２は、組み立てられたシステム１００において、アノードガスマニホルド１１０の上に積み重ねられている。アノードガスに対する供給及び回収ポート１３６、１３８は、カソードガスに対する供給及び回収ポート１４２、１４０のように、カソードガスマニホルド１１２の外表面上に配置されている。アノードガスポート１３６、１３８が、マニホルド１１２の中央に配置されている一方で、カソードガスポート１４０、１４２が、その側部に配置されていることに留意されたい。アノードガスポート１３６、１３８の対称配置によって、このスタックアセンブリ１０６におけるアノードガスのより均等な分配が可能になる。幾つかの構成において、カソードは、不均等流れ分配に対してより不感性である可能性があるので、カソードガスポート１４０、１４２は、その側部に配置される。ポート１４０、１４２のこの非対称性に対して補償するための機構が、カソードガス流路にも包含されてもよい。しかしながら、他の構成においては、燃料の化学量論及び希釈が、カソードを不均等流れに対してより敏感にすることがある。そのような構成においては、カソードガスポート１４０、１４２は、アノードガスポート１３６、１３８についてここに示されている対称配置を受けることがあり、逆のこともある。
【００２８】
アノードガスポート１３６、１３８は、カソードガスマニホルド１１２経由でアノードガスマニホルド１１０に接続されており、したがって、アノードガスが外側のカソードガスマニホルド１１２を通って内側のアノードガスマニホルド１１０へ流入することを可能にする機構が、マニホルド１１０、１１２に設けられている。これらの機構は、図３及び４に関連してより詳細に説明される。アノードガス供給ポート１３６からアノードガスマニホルド１１０に到達する入口ガスは、圧縮部材１０８内の通路１４７を通り、次に燃料電池スタックアセンブリ１０６内の通路１５８へ入って、分配される。通路１５８は、スタックアセンブリ１０６中のセパレータプレートにより形成される流れ場に流体接触している。アノードガスは、スタックアセンブリ１０６内の下側通路（図示せず）経由で流れ場を離れ、圧縮プレート１０８内の通路１６１（図６参照）を通って運ばれて、アノードガスマニホルド１１０のプレナムに入り、ついには、カソードガスマニホルド１１２を貫く封止通路を経由して、アノードガス出口ポート１３８へ出る。
【００２９】
カソードガスも、カソード入口ポート１４２から、カソードガスマニホルド１１２に入り、アノードガスマニホルド１１０、圧縮プレート１０８、及び最後にスタックアセンブリ１０６を通る、類似経路をとる。１つの相違点は、入ってくるカソードガスが最初に、アノードガスマニホルド１１０を通る複数の通路１４９に分配されることである。これらの通路１４９は、圧縮部材１０８内の通路１５１に接続されている。スタックアセンブリ１０６は、カソードガスを通路１５１から受け取り、そのガスをセパレータプレート内のカソードガス流れ場に分配する、通路１５３を収容している。カソードガスは、通路１５２にて流れ場を出て、圧縮部材１０８内の通路１５０を通って運ばれて、ついには、アノードガスマニホルド１１０内の通路１４８経由でカソードガスマニホルド１１２に入る。カソードガスは、出口ポート１４０にてカソードガスマニホルド１１２を出る。
【００３０】
上記説明を考慮すれば明らかなように、ガスポート１３６、１３８、１４０、１４２は、燃料電池システム１００の片側上に配置されている。このことは、幾つかの据付において、特にシステム１００につながるガスラインの長さ及び複雑さを最小限にすることが望ましい場合に、有利なことがある。システムの冷媒側も同様に配置にされており、全ての入口及び出口がアセンブリの片側上に配置される。一般に、冷媒マニホルド１０２は、冷媒回収及び供給のそれぞれのラインをマニホルドに接続するのに使用される、ポート１２０及び１２２（図１Ｂ参照）を包含する。水及びグリコール／水混合物を含む、熱を移送可能ないかなる種類のガス及び／又は液体物質が冷媒として挙げられてもよい。入って来る及び出て行く冷媒は、マニホルド１０２のチャンバ又はプレナム１２４、１２６で分配される。プレナム１２４、１２６の縁部は、圧縮部材１０４の隣接表面に対して封止面を形成する、封止１２５、１２７を包含する。
【００３１】
圧縮部材１０４は、入って来る及び出て行くそれぞれの冷媒をスタックアセンブリ１０６へ運ぶのに使用される、流体通路１２８、１３０を収容している。これらの通路１２８、１３０は、流体をプレナム１２６、１２４へ分配／これらから収集するので、マニホルド１０２自体の中には形成されていないにもかかわらず、本明細書においてマニホルド通路と呼ばれることがある。スタックアセンブリ１０６は、スタックアセンブリ１０６のバイポーラープレート内に形成された、冷媒入口通路１３２（図１Ｂ参照）を収容している。これらの通路１３２は、圧縮部材１０４のマニホルド通路１２８に流体連通している。流れ場チャネルが、隣接するアノードプレートとカソードプレートとの間に形成されて、冷媒をプレート間に分配するために、スタック通路１３２に流体連通している。下側冷媒ポート（図示せず）が、流れ場チャネルから冷媒を収集して、マニホルド通路１３０及びプレナム１２６を通る回収経路から送り返す。
【００３２】
図示されたシステム１００においては、冷媒は、スタックアセンブリ１０６、圧縮プレート１０４、及び冷媒マニホルド１０２を貫く経路を通される。これによる１つの利点は、冷媒の供給及び回収ラインがシステム１００の単一側上に、冷媒マニホルド１０２の外側部分に、接続されることである。冷媒をこれらの構成要素に限定することには追加効果の可能性があり、これは部分的に、スタックアセンブリ１０６の設計的理由からである。
【００３３】
上で説明したように、スタックアセンブリ１０６は、１つより多くのスタックを、この特定の実施形態では２つのスタックを収容している。ここで図２Ａを参照すると、スタックアセンブリ１０６の平面図が、必ずしも縮尺通りにではなく示されている。アセンブリ１０６は、複数のプレートアセンブリからそれぞれがなる２つのスタック２０２、２０４を包含し、そのそれぞれは、アノードとカソードのセパレータプレートの間に挟まれたＭＥＡを包含する。結果として得られるスタック２０２、２０４は、スタックの端部間の電位差により規定される結果的な極性を有する。例えば、スタック２０２は、スタック２０２のカソードプレートで終了する一端部において、正集電器２０６に電気接続されている。同様に、負集電器２０８が、負であるアノードプレートで終了する、スタック２０４の端部に電気接続されている。スタック２０２の端部のアノードプレート及びスタック２０４の端部のカソードプレートは共に、接続プレート２１０に接続されている。
【００３４】
スタックアセンブリ１０６内のスタック２０２、２０４の配置は、矢印２１２により示されるような、Ｕ形状経路の電流という結果になる。スタック２０２、２０４は、接続プレート２１０を除く全ての場所で実質的に異なる電位を有することが理解されるであろう。したがって、幾つかの状況においては、スタック２０２、２０４の間、及び／又はそれらのそれぞれの集電プレート２０６、２０８の間に、絶縁体２１４を配置するのが好ましいことがある。理想的な状況では、非導電性圧縮プレート（例えば、図１Ａ及び１Ｂの場合は、プレート１０４及び１０８）により離れて保持されるスタック２０２、２０４の配置によって、物理的な分離がもたらされる。しかしながら、場合によっては、異常状態下（例えば、機械的ショック及び振動）の又はスタック領域へ流体が漏れるときのプレートの偶発的な短絡を防ぐために、絶縁体２１４がそれでもなお望ましいことがある。特に、集電プレート２０６、２０８の間の注目領域２１６は、スタック２０２、２０４の間で電位差が最も高い点であり、したがって、絶縁体が、特にこの区域２１６において望ましい。同様に、領域２１３は、接続プレート２１０のために、スタック２０２、２０４の間で電位差が最も低い領域である。
【００３５】
先述のように、冷媒は、スタックアセンブリ１０６の両方の端部を通って流れることはないが、同一の端部を通って入り、出る。このことが、図２Ａのアセンブリの側面図を示す、図２Ｂに示されている。この図に見られるとおり、冷媒は、矢印２１７により示されるように、接続プレート２１０の下部を通ってスタックアセンブリ１０６に入る。冷媒は、スタックのバイポーラープレート（複数）内の冷媒流れ場を通って上昇し、矢印２１５により示されるように、接続プレート２１０の上部を通って出る。冷媒に接続プレート２１０だけを貫流させて集電器２０６、２０８を貫流させないことによって、流体が、集電プレート２０６、２０８の隣接縁部の間を直接接続することは全く無い（図２Ａの隣接領域２１６を参照）。これにより、高い電位差を有して密に近接する２つの導電体の間を流れる液体によって、この場合は集電器２０６、２０８の間を流れる液体によって引き起こされることがある、いずれかのシャント効果が最小限になる。冷媒が下部から上部へ流れるのが示されているが、上部から下部への流れも可能なことがある。ある場合には、図示された下部から上部への流れにより、冷媒から同伴ガスを逃すことが可能となるので、マニホルド１０２を経由してより容易に取り去られる可能性がある。
【００３６】
アノード及びカソードの流れは共に本来はガス状であるので、これらの流体移送通路が集電器２０６、２０８の間で流体性短絡路となる危険性は最小限である。カソードガス（例えば、空気）流体路が、図２Ｃにて矢印２１８、２２０により示され、アノードガスの流体流れが、図２Ｄにて矢印２２２、２２４により示されている。図示される実施形態においては、カソードガス２１８、２２０が下部から上部へ流れる一方で、アノードガス２２２、２２４が上部から下部へ流れていることに留意されたい。本明細書の以降において更に詳細に説明されるように、ガス流れのこの配置が、凝縮流体をスタックアセンブリ１０６から排出するのに関して幾つかの利点を提供する。しかしながら、カソード及び／又はアノードガスの代替の流れも、本発明の実施形態に適用可能なこともある。
【００３７】
図２Ａにて見られるように、燃料電池スタックアセンブリ１０６は、２つのスタック２０２、２０４を包含し、これらは各スタック２０２、２０４で電流が反対方向に流れるように配置されている。スタック２０２、２０４の接続は、接続プレート２１０によりもたらされ、その結果、電流は、集電プレート２０６、２０８経由でのみスタックアセンブリ１０６へ流入及びこれから流出しており、スタック２０２、２０４を接続してアセンブリ１０６の所望の電圧を提供するための外部配線又は他の従来型電気接続手段は、スタックアセンブリの外側には不必要である。
【００３８】
しかしながら、本明細書で説明されるような複数のスタックのこの使用は、２つのスタックに限定される必要は無い。例えば、図２Ｅは、３つのスタック２３２、２３４、２３６を利用して交互するスタックアセンブリ２３０を示しており、各スタック２３２、２３４、２３６は、隣接スタックに反対の（スタック２３２、２３４、２３６の一端から他端への電流の方向により規定される）極性を有する。隣接スタック２３２と２３４は、接続プレート２４４により接続され、隣接スタック２３４と２３６は、接続プレート２４２により接続されている。集電器２３８が、スタック２３２から出る又はこれへ入る電流を伝達し、集電器２４０が、スタック２３６から出る又はこれへ入る電流を伝達する。
【００３９】
スタックアセンブリ２３０は、２つの絶縁体２４６及び２４８を包含してもよく、並びに区域２５０及び２５２により表される高電位差の２点を有する。電位領域２５０、２５２内の導電体が密集した区域がスタック２３０の両側上にあるので、冷媒流れをスタックの片側だけに有する（例えば、図２Ｂ参照）という利点が、やや低減されることに留意されたい。しかしながら、電位差値は、全スタック電圧ではなくスタック合計電圧の概ね２／３であるので、冷媒流れに起因するシャントの危険がやや低減する。集電プレート／接続プレートの接合部に近接する区域の電位差は、アセンブリ内のスタック数が増すにつれて更に減少するが、なぜならば、そのような点における電位差は、（少なくとも図示されるような同一スタックの線状配置において）２Ｖ／ｎとなり、Ｖがスタック合計電圧及びｎが個々のスタックの数であって、ｎは３以上と仮定されるからである。
【００４０】
図２Ｅのスタックアセンブリ２３０に取り入れられたコンセプトは、スタック及び接続プレートを適切に追加することによって、４つ以上のスタックに拡大されてもよい。しかしながら、３つ以上のスタックを使用するスタックアセンブリは、線状に配置される必要はない。これを示す例としてのスタックアセンブリ２６０が、アセンブリ２６０の端面図である、図２Ｆに示されている。アセンブリ２６０は、４つの燃料電池スタック２６２ａ〜ｄを包含しており、これらは電流が紙面に垂直となるような向きにある。ライン２６４、２６６が、集電プレートによりもたらされる電流路を表し、ライン２６８、２７０、２７２が、接続プレートによりもたらされる電流路を表す。ライン２６８、２７２の破線部分は、これらがスタック２６２ａ〜ｄの遠方側に配置されているのを表すことに留意されたい。そのようなアセンブリ２６０においては、システムレイアウト要求に依存して、集電器及び接続プレートの他の配置も可能性があることが分かるであろう。例えば、接続路２７０は、スタック２６２ａと２６２ｄを対角線で渡ることも可能であり、これにより、集電器２６４がスタック２６２ｂ上に置かれる。
【００４１】
図１Ａに関連して上で説明されたように、アノードガスポート１３６、１３８は、カソードガスマニホルド１１２経由でアノードガスマニホルド１１０に接続されており、したがって、アノードガスが外側のマニホルド１１２を貫流可能となる機構が、マニホルド１１０、１１２に設けられる。同様に、カソードガスがカソードガスマニホルド１１２からこのマニホルド１１０を貫流可能となる機構は、アノードガスマニホルド１１０を包含する。これら及び他の機構の追加詳細が、図３〜５に関連して説明される。図３は、本発明の実施形態によるカソードガスマニホルド１１２の内側部分の斜視図である。マニホルド１１２は、アノードガス供給及び回収ポート１３６、１３８（図１Ａ参照）に流体接続されている、貫通導管３０２及び３０４を包含する導管３０２、３０４の壁が、分離したアノード及びカソードガスを保持し、それらのポートに反対側の導管３０２、３０４の端部が、アノードガスマニホルドの機構と組み合わされており、これについては以下で更に詳細に説明される。
【００４２】
カソードガスマニホルド１１２のこの図はまた、入口及び出口プレナム１４６、１４４（図１Ｂも参照）の形状も示す。空隙３０６、３０８が、プレナム１４４、１４６とポート１４０、１４２（図１Ａ参照）との間のそれぞれに流体接続をもたらす。入口プレナム１４６は、空隙３０８に最も近いプレナムの側への流れを減少させる制限部３１０を包含しており、これにより、マニホルド１１２の左側と右側の間で流れを平衡する。この図にやはり見られるのは取り付け穴３２０であり、これらがカソードガスマニホルド１１２及びアノードガスマニホルド１１０と圧力プレート１０８とを連結する金物を受け入れる。スタック中間部の追加圧力のために及び／又は集電器から電流を引き出すために、集電器を押すねじを任意に受け入れる穴３２２が、設けられている。
【００４３】
マニホルドプレナム１４４、１４６を通って移動するガスは、水蒸気を包含することがある。そのようであるので、水分の幾分かが凝縮してガス流路中に収集される状況であってもよい。プレナム１４４、１４６は、そのそれぞれの回収及び供給路中に低位点を有してもよいので、排水機構はマニホルド１１２を包含してもよい。破線により示されるように、位置３１２及び３１４を用いて、供給プレナム１４６中のドレインポートを配置してもよく、位置３１６を用いて、回収プレナム１４４用のドレインサポートを配置してもよい。
【００４４】
上述のように、導管３０２、３０４が、アノードガスを外部ポート１３６、１３８からアノードガスマニホルド１１０まで接続する通路を提供する。ここで図４を参照すると、アノードガスマニホルド１１０の斜視図が、本発明の実施形態による接続機構及び封止機構の幾つかを示している。アノードガスマニホルド１１０の前側表面は、（図３に見られるような）カソードガスマニホルド１１２の表面との界面をなす。特に、封止４０２、４０４が、カソードガスマニホルド１１２の導管３０２、３０４との界面をなして、導管４０３及び４０５が、導管３０２、３０４との間に及びマニホルド１１０の内側との、流体接続を提供する。
【００４５】
マニホルド１１０はまた、カソードガスがカソードマニホルド１１２と圧縮部材１０８のマニホルド通路１５０、１５１との間を流動することを可能にする通路１４８、１４９も包含しており、これらは最終的には、スタックアセンブリ１０６の分配通路１５２、１５３（図１Ａ参照）に接続される。通路１５２、１５３は、スタックアセンブリ１０６のセパレータプレートのカソードガス流れ場に流体接続している。これらの通路１４８、１４９を包囲するのは、封止４０６、４０８であり、これらがカソードマニホルド１１２のプレナム１４４、１４６を封止する。この図にやはり示されるのは、図３に見られるカソードガスマニホルド１１２の穴３２０、３２２と整列する、穴４２０、４２２である。
【００４６】
アノードガスマニホルド１１０の他方側が、図５の斜視図に示される。この図は、導管４０３、４０５と流体連通している、アノードガス供給及び回収プレナム５０２、５０４を示す。プレナム５０２、５０４は、圧縮部材１０８中のマニホルド通路１４７、１６１にアノードガスを分配し、次にそのアノードガスを、アノード流れ場への分配のために、スタックアセンブリ１０６中の通路１５５、１５８へ送る（通路１６１については、図１Ａ及び６参照）。
【００４７】
ここで図６に転じると、本発明の実施形態による圧縮プレート１０４、１０８及び燃料電池スタックアセンブリの様々な機構が示されている。図６の斜視図は、圧縮部材１０４、１０８とスタックアセンブリ１０６との間の境界面を示す。圧縮部材１０４、１０８は通常、平らなプレートであり、これが組み立ての後でスタックアセンブリ１０６上に締め付け力をもたらす。圧縮プレート１０４、１０８はまた、例えば、圧縮プレート１０４上の冷却通路１２８、１３０、アノードガス通路１５１、及びカソードガス通路１５０などの、流体のスタックアセンブリへの流れを容易にする機構も包含する。
【００４８】
圧縮プレート１０４、１０８は通常、スタックアセンブリ１０６から電気絶縁されるように設計されるので、導電性ではない材料で形成されてもよい。例えば、プレート１０４、１０８は、ポリマー樹脂又は類似材料から機械加工も可能であり、これにより、重量及び加工コストも低減される。別の実施形態では、圧縮部材１０４、１０８は、金属及び／又は他の導電性材料と、プレート１０４、１０８とスタックアセンブリ１０６の間に配置される絶縁体とからも形成可能である。圧縮プレート１０４、１０８は、スタック１０６周りで締め付けられ、そのようにして、ガス流れ通路を封止して漏れを防ぐ。多くのスタック／圧縮プレートのシステムにおいて、これらの締め付け力は、スタック及び圧縮プレートの両方を貫通するボルト又はタイロッドなどの金物によりもたらされる。この金物を収容するために、スタック及び圧縮プレートは、圧縮金物を通すための専用の穴／空隙を包含してもよい。しかしながら、これに対する１つの不利点は、圧縮金物のために設けられるこれらの空隙のそれぞれに、それら自体の封止を包含しなければならないことである。これらの封止は、ガスマニホルド及び冷却マニホルドから金物空隙中への漏れを防ぐために必要とされるものであり、これが生じると、これらのガス及び／又は流体が燃料電池スタックアセンブリから漏れるという結果になる場合もある。これらの封止はまた、マニホルド相互の漏れを、特にアノードガス区分とカソードガス区分間の漏れを確実に無くす助けとなる可能性もある。
【００４９】
圧縮金物を貫通させる専用空隙を有するシステムは、圧縮金物、製造公差が原因である追加空間、及び封止を配置するために必要な面積を収容するために、燃料電池スタックアセンブリの寸法を増大しなければならない。例えば、それぞれが０．７１０平方センチメートル（０．１１０平方インチ）の断面空間をとる、０．９５３センチメートル（０．３７５インチ）直径の圧縮金物部材（例えば、タイロッド）を使用する、スタック設計を想定してみるべきである。金物を収容するために使用される穴が、１．０３センチメートル（０．４０６インチ）直径を有し、封止表面に追加の０．６４センチメートル（０．２５インチ）を必要とし、したがって、２．３０センチメートル（０．９０６インチ）直径の、又は４．１６平方センチメートル（０．６４５平方インチ）の空間が消費される。スタックを貫通する圧縮金物を使用するいかなる設計においても、圧縮金物により消費される０．７１０平方センチメートル（０．１１０平方インチ）の空間を提供しなければならず、その結果、金物専用空隙のための封止を収容するのに必要な追加空間は、３．５２平方センチメートル（０．６４５−０．１１０＝０．５４５平方インチ）である。その設計が１０個の圧縮金物部材を使用する場合には、スタックのために増加する総断面積は、３５．２平方センチメートル（５．４５平方インチ）である。
【００５０】
圧縮金物専用空隙を用いると、システムの総体積寸法にも同様に影響を与える。例えば、圧縮プレート及び燃料電池スタックアセンブリが３８センチメートル（１５インチ）厚さ／高さであると仮定される場合には、そのような設計を収容するために必要とされる総体積は、１３１６立方センチメートル（５．４５平方インチ×１５インチ＝８０．３立方インチ）である。この増加した体積を有すると、ガスケットの重量及び金物空隙に必要とされる周辺封止区域の増加に関連する重量の両方のために、重量増加になることも理解されるであろう。
【００５１】
体積及び重量は共に、自動車環境用に設計される燃料電池において重要である。したがって、圧縮金物専用空隙により消費されるこの空間を節約するために、図６に示される圧縮プレート１０４、１０８、及びスタックアセンブリ１０６は、マニホルド通路を貫いて、例えば、アノードガス通路１４７、１５８、１６１及び／又はカソードガス通路１５０、１５１、１５２、１５５を貫いて、圧縮金物（例えば、タイロッド６００）を配する。流体通路の寸法は金物６００により占められる空間が原因で増加されなければならないが、アセンブリの総体積は、金物専用空隙のための封止を必要としないことにより最小限になる。
【００５２】
図６に示されるように、タイロッド６００は、インサート６０２を手段として圧縮プレート１０４に機械的に連結され、並びにナット６０４及びワッシャ６０５を手段として圧縮プレート１０８に連結される。インサート６０２は、遠方端部が閉じられたねじ付き穴６１２を包含し、これにより、ねじ付き穴６１２を冷媒マニホルドから封止する。タイロッド６００は、アノードガス通路１４７、１５８及びカソードガス通路１５０、１５２の一方又は両方を貫いて走ることができる。幾つかの配置では、図示されたアノード及びカソードガス通路１４７、１５８、１５０、１５２の代わりに又はこれらに加えて、他の封止された流体又はガス通路（例えば、図１Ｂに見られる冷媒通路１２８、１３２）が使用されてもよい。
【００５３】
圧縮金物６００、６０２、６０４を流体又はガス通路の内側に配するとき、特別な設計的考慮を必要とすることがある。例えば、圧縮プレートは、圧縮プレート１０８のガス通路１４７、１５０内に設けられてもよい取付け表面６０６、６０８を必要とすることがあるが、これらは圧縮力をナット６０４及びタイロッド６００から圧縮プレート６０８の残部に伝達するためのものである。これらの取付け表面６０６、６０８を包含すると、失われた流体流れ断面積を補償するために、それぞれの通路１４７、１５０の拡大を必要とすることがある。
【００５４】
ガス通路を金物通路として用いるときに考慮すべき他の要因は、圧縮金物６００、６０２、６０４が流体すなわちガスを逃がしてはならないことである。これは、例えば、ガスをそれぞれの流動路の外側に漏らす可能性のある金物取付け点において、流体封止を使用することを伴ってもよい。例えば、図示されたインサート６０２は、圧縮プレート１０４の後ろ側で空気又は流体に暴露されることがあるので、圧縮プレート１０４に接触する表面６１０上にＯリング又は他の順応性封止を包含してもよい。しかしながら、図示された例において、ナット６０４が封止を必要としていないのは、タイロッド６００のこの端部が、空隙１４７、１５８、及びアノードガスプレナム５０２（図５参照）を包含するアノードガス流動域に包囲されているからである。
【００５５】
特に金属金物をアノードガス通路１４７、１５８内に配するときに考慮すべき１つの要因は、アノードガス通路１４７、１５８内で水素ガスに曝される金属に生じる可能性のある、水素脆化又は腐食影響に対して保護することである。これらの影響を克服する１つの方法は、ＰＥＭ型燃料電池で見られる温度、圧力、及びファスナー引張応力における水素の腐食影響に対して抵抗性のある、チタン又は耐食鋼などの金属を使用することである。他の構成では、金物６００、６０２、６０４、６０５は、水素ガス暴露の影響に対して保護するために、コーティング又は（例えば、熱収縮性材料を用いて）封止されてもよい。加えて、アノードガス通路１４７、１５８に代わる他の流体通路の、例えばカソード通路１５２、１５３、又は冷媒通路１３２の使用が可能なことがある。
【００５６】
図示された仕組において、圧縮金物６００を保持するナット及びインサート６０４、６０２には、燃料電池システム１００の外部からアクセス可能でないことが理解される。冷却マニホルド１０２及びアノードガスマニホルド１０８が、この金物への直接的なアクセスを妨げるからである。この仕組には何らかの利点がある。これによって、誰かが知らずに圧縮金物を燃料電池１００の外部から緩めて、ガス又は流体が漏れてしまうことにより引き起こされる可能性のある、不慮のガス漏れが阻止されるからである。
【００５７】
圧縮部材１０８は、アノード及びカソードガスマニホルド１１０、１１２を固定する金物を受け入れる、取付け機構６２０、６２２（例えば、インサート）を包含する。機構６２０は、マニホルド１１０、１１２の穴３２０、４２０を貫通した金物を受け入れる。同様に、圧縮部材１０４は、冷媒マニホルド１０２を圧縮部材１０４に固定するための機構６３０（例えば、部材１０４の反対側上のねじ付き穴又はインサート）を包含する。
【００５８】
図２に関して先に説明したように、２つのスタック２０２、２０４はそれぞれ、複数個のプレートアセンブリからなる。各プレートアセンブリは、バイポーラープレートとも呼ばれるアノードとカソードのセパレータプレートの間に挟まれた、ＭＥＡを包含する。ここで図７を参照すると、断面図により、ＭＥＡスタック中で使用されるプレートアセンブリ７００の機構が示されている。プレートアセンブリ７００の機構は、寸法通りに描かれていないことに留意されたい。図７の表示は、一般に、プレートアセンブリの中央のどこかに位置しており、流れ場（複数）が、アノード及びカソードガスをＭＥＡ７０２のアノード及びカソード側のそれぞれに送達するためにＭＥＡ７０２に接触している。
【００５９】
ＭＥＡ７０２は、アノードガス拡散層（ＧＤＬ）７０６とカソードＧＤＬ７０８との間に挟まれたＰＥＭタイプ膜７０４を包含し、ＧＤＬが、膜７０４のアノード及びカソード側それぞれに位置する。アノードプレート７１０は、アノードＧＤＬ７０６に水素を均一に分配するための、本図でチャネル７１２として見られる、流れ場機構を包含する。アノードプレート７１０は、水素分配に加えて、導電性であって、電子をＭＥＡ７０２から集電器、隣接プレートアセンブリ７００、又は何か他の送電要素（例えば、接続プレート又は電流シャント）のいずれかへ取り去る。ＭＥＡ７０２から見て外方のアノードプレート７１０の側７１４は、平ら／滑らかである。これによりプレート７１０の製造コストが低減可能となるが、プレート７１０が、ＭＥＡ７０２に面するプレート７１０の側上に形成される流れ場機構７１２だけを必要とするからである。
【００６０】
カソードＧＤＬ７０８に隣接しているのは、カソードプレート７１６であって、これにも空気をカソードＧＤＬ７０６に分配するための流れ場機構７１８を包含する。カソードプレート７１６は、導電性であって、電子をＭＥＡ７０２へ送達する。カソードプレート７１６の反対側７２２は、冷媒を隣接するプレートアセンブリ７００の間に運ぶための冷媒流れ場機構７２０を包含する。カソードプレート７１６の遠方側７２２は、隣接プレートアセンブリ７００のアノードプレート７１０と物理的及び電気的に接触している。これに対する例外は、プレートアセンブリ７００がスタックの端部にあるときであり、その場合、集電器又は何か他の送電要素に接続されてもよい。
【００６１】
冷媒流れ場７２０は、流れ場７２０がエッチング／機械加工されたカソードプレート７１６に加えて隣接プレートアセンブリ７００のアノードプレート７１０の両方を冷却する、冷媒を送達する。カソードプレート７１６は両側上に機構を包含するので、カソードプレート７１６は通常、アノードプレート７１４より厚い。冷却流れ場７２０がカソードプレート７１６上だけに包含されることの１つの利点は、カソードプレートの両側上の機構を同一深さに作製可能なことである。したがって、流れ場がエッチングにより形成される状況では、プレート７１６全体上の機構を形成するために、単一の精密エッチング操作だけが必要とされる。マニホルド穴及び空隙などの他の機構が（例えば、穴を機械加工又は打抜きする代わりに）エッチングされる場合、追加のエッチング工程が必要とされることがある。しかしながら、エッチングによる穴の作製は、流れ場７１８、７２０をエッチングするよりもはるかに低い精度が要求されるので、依然として、費用の節約を実現することができる。本明細書の別の個所でより詳細に説明されるように、アノードプレート７１０も、単一深さの流れ場７１２を有して形成可能であり、並びに、強度及び熱伝達についての設計的考察が与えられている場合、その理論的最小限近辺に留まるアノードプレート７１０の厚さを可能にする、ガス分配機構を包含する。
【００６２】
アノード及びカソードプレート７１０、７１６の機構についてのよりよい理解を得るために、プレート７１０、７１６の形状例の斜視図を、図８〜１１に示す。図８には、本発明の実施形態によるアノードプレート７１０のＭＥＡに面する側の斜視図が示されている。アノードプレート７１０は、最大強度及び耐食性を得るために、チタン合金で形成されてもよい。他のプレート材料としては、耐食性を改善するためにＣｒＮ又はＴｉＮの薄い中実層をコーティングされた、ニッケルクロム合金が挙げられてもよい。流れ場７１２は、プレート７１０の表面上に微細に形成された溝であり、これが水素をアノードＧＤＬの表面全体に均一に分配する。一連の冷媒マニホルド穴８００及びカソードガスマニホルド穴８０２が、プレート７１０に設けられて、プレート７１０に垂直な方向の冷媒及びカソードガスそれぞれの流れを容易にする。カソードプレート７１６及びＭＥＡ中の同様の機構が、積み重ねられるときに整列して、冷媒及びカソードガス通路を形成し、これらが、スタックを貫いてそれぞれの流体を運ぶマニホルドに接続される（図１Ａ及び１Ｂ参照）。
【００６３】
アノードプレート７１０はまた、スタックの全プレートを通す水素の分配を容易にする、アノードガスマニホルド穴８０４も包含する。それに加えて、プレート７１０は、プレート７１０とＭＥＡとの間の封止を依然として可能にしながら、水素をマニホルド穴８０４から流れ場７１２に分配可能にする機構を包含する。これは、一般に、プレート７１０の両側にガスを接触させる経路を経由して、マニホルド穴８０４を流れ場７１２に接続することを伴う。その流路は、流れ場７１２とマニホルド穴８０４との間に配置された分配空隙８０６を包含する。空隙８０６は、チャネル８０８経由で流れ場７１２に接続されており、水素のそれらの間の通過を可能にする。流れ場チャネル８０８は、マニホルド穴８０４へ直接通るものではないことに留意されたい。更に、以下でより詳細に説明されるように、分配空隙８０６をマニホルド穴８０４に接続するチャネルは、プレート７１０のどちら側上にも無い。
【００６４】
チャネル８０８を分配空隙８０６にて終了させることによって、アノードガスマニホルド穴８０４の周辺を直接包囲する区域は、流れチャネル無しのままとすることができ、よりしっかりした周辺封止を容易にする。これにより、本明細書の以降で更に見られるように、アノードガスマニホルド穴８０４が、不変の封止表面を他方側上にも保持可能になる。別の方法としては、ガスマニホルド穴８０４（及びプレート中の他のマニホルド穴）を包囲する区域に、プレート７１０、７１６の冷媒側がアセンブリ中で相互に接触し、プレート７１０、７１６の他方側はＭＥＡに接触するままで、穴８０４をＭＥＡから封止するガスケットを収容するための機構（例えば、０．２５ｍｍ（１０ミル）のチャネル）を包含してもよい。
【００６５】
また図８において見られるのは、プレート７１０の整列間違い及び方向違いを防ぐ助けをする、整列穴８０１及び隅部面取り８０３である。これらの機構が、組み立てられたスタックにおいて、カソードプレートの関連機構（特に、図１０のカソードプレート７１６中の穴１００１及び面取り１００３）と整列する。一般に、整列穴８０１、１００１は、スタックの第一の端部から第二の端部まで走る整列ピン（図示せず）に嵌合する。（例えば、穴８０１、１００１が対称に配置された構成において）プレートを鏡像の向きに置くことがたとえ可能な場合でも、機構８０３、１００３により形成された面取り隅部を有するスタックの隅部を見ることによって、方向違いのプレート７１０、７１６は明らかになる。
【００６６】
ここで図９を参照すると、プレート７１０の後ろ側７１４の斜視図が示されている。この側７１４は、ＭＥＡから見て外方であり、一般に、隣のプレートアセンブリのカソードプレート７１６との界面をなす。先述のように、この側７１４は、実質的に平滑である。分配空隙８０６は、プレート７１０のこの側７１４上にエッチングされたチャネルに接続されていないことに留意されたい。プレートの残部の場合と同様に、分配空隙８０６とマニホルド穴８０４との間の区域は、実質的に流れチャネルが無く、プレート７１０のこの側７１４上のマニホルド穴８０４の封止を可能にしている。代わりに、隣接するカソードプレート７１６の機構が、分配空隙８０６とアノードガスマニホルド穴８０４との間の流れを容易にする。
【００６７】
ここで図１０に転じると、本発明の実施形態によるカソードプレート７１６の斜視図が示されている。カソードプレート７１６は、最大強度及び耐食性を得るために、チタン合金で形成されてもよい。カソードプレート７１６はまた、耐食性を改善するためにＣｒＮ又はＴｉＮの薄い中実層をコーティングされた、ニッケルクロム合金で形成されてもよい。プレート７１６のこの図に見える側は、プレート７１６の表面上に形成されたカソードガス流れ場７１８を包含する。カソードガス流れ場７１８は、空気をカソードＧＤＬの表面全体に均一に分配する。アノードプレート７１０の場合と同様に、カソードプレートは、冷媒及びガスのプレート７１６に垂直な方向の流れを容易にする、一連の冷媒マニホルド穴１０００と、アノードガスマニホルド穴１００２と、カソードガスマニホルド穴１００４とを包含する。同様に、図１１にて見られるように、分配空隙１００６が、チャネル１００８経由で流れ場７１８に接続されて、場７１８と空気マニホルド穴１００４との間で空気を通過可能にする流路の一部を形成している。
【００６８】
図１１には、本発明の実施形態によるカソードプレート７１６のＭＥＡから見て外方の側７２２の斜視図が示されている。この側７２２は、隣接プレートアセンブリのアノードプレートの平滑側７１４（図９参照）との界面をなす。プレートのこの側７２２は、分配空隙８０６及び１００６をアノードガスマニホルド穴１００２及びカソードガスマニホルド穴１００４のそれぞれに接続する、チャネル１１００及び１１０２を包含する。これらのチャネル１１００、１１０２が、図８及び１０に見られるマニホルド穴１００２、１００４から流れ場７１２、７１８までの経路を完成する。
【００６９】
この図にまた見られるのは、冷媒流れ場７２０と、流れ場７２０を冷媒マニホルド穴１０００に直接接続するチャネル１１０４とである。カソードプレート７１６のこの側７２２上の冷媒マニホルド穴１０００は、ガスマニホルド穴１００２、１００４周りの、及び冷媒マニホルド穴１０００及び流れ場７２０周りの、１つ以上のガスケット封止によって封止されている。チャネル１１００、１１０２は、段１１０６及び１１０８によって表されるように、ややより厚い材料上に形成されていることに留意されたい。この方法にて、冷媒流れ／マニホルド封止及びガスマニホルド封止用の空間をこの側７２２上に可能にしながら、チャネル１１００、１１０２が、隣接アノードプレートに対してしっかりした界面をなすことができる。
【００７０】
ガス及び冷媒のプレート間での並びにこれらの中への流れをよりよく示すために、図１２によって、図１１のカソードプレート７１６の断面１２−１２に対応するプレートアセンブリ７００の断面を示す（図１２〜１４に示される断面は寸法通りに描かれていないことに留意されたい）。カソードプレート７１６、ＭＥＡ７０２、及びアノードプレート７１０が共に連結されて、プレートアセンブリ７００を形成する。カソードプレート７１６ａは、隣接プレートアセンブリ７００ａからのものであり、こちらは部分的にのみ示されている。プレート７１６、７１０、７１６ａ、及びＭＥＡ７０２が共に積み重ねられるとき、マニホルド穴１００２、１００２ａ、８０４が、アノードガス通路１２００を形成する。この通路１２００は、アノードプレート７１０のアノード流れ場７１２へ水素を供給してこれから取り去るためのマニホルドを包含する、アノードガス分配の一部である。プレート７１６、７１０、７１６ａの間の隙間は例示としてのみであり、使用されるガスケット及び取り込むプレートの配置に依存して、プレート７１６、７１０、７１６ａが、直接接触してもよいことに留意されたい。例えば、アノード及びカソードプレート７１０、７１６は、ＭＥＡに面する側では相互に接触しないが、冷媒側では、電位接触領域において導電する場合に、相互に接触する。
【００７１】
アノード流れ場７１２は、分配空隙８０６に接触しており、これが、プレート７１０の第一の側（例えば、ＭＥＡ７０２に面する側）及びプレート７１０の第二の側７１４（例えば、ＭＥＡ７０２から見て外方の及び隣接プレートアセンブリ７００ａのカソードプレート７１６ａに面する側）からの流れ接続を創り出す。図９を思い出すと、アノードプレート７１０の第二の側７１４は平滑であり、したがって、隣接カソードプレート７１６ａのチャネル１１００が、空隙８０６とアノードガス通路１２００との間の流体路を提供する。この方法にて、アノードプレート７１０は、一方側上に均一深さの機構（例えば、流れ場７１２、チャネル８０８）を有して製造可能になり、他方側７１４を機構無しで残す。これはまた、カソードプレート７１６、７１６ａが既に必要としているのは、アノードプレート７１０の平滑側７１４に面するプレート７１６、７１６ａの側上に冷媒流れ場７２０も形成されることであり、したがって、チャネル１１００を代わりにカソードプレート７１６上に配置することに追加費用が殆ど無いということを利用している。
【００７２】
図示された仕組を用いることの別の利点は、プレート７１０、７１６及びＭＥＡ７０２との間の封止に関係する。アノードガス流れに関しては、空隙８０６及びチャネル１１００、８０８の使用によって、スタックの隣接部材間にしっかりした封止が可能になっており、これが、カソードプレート７１６とＭＥＡ７０２との間に創り出された封止を象徴するブロック１２０６、１２０８により表されている。これらの封止区域１２０６、１２０８は、しっかりと作られており、アノードガスがカソード流れ場７１８へ漏れ込むのを防止する。これらのブロック１２０６、１２０８は、順応性封止部材を表してもよく、又は通路１２００周りの平滑な表面対表面の（例えば、機械加工された流れチャネルが無い）界面を可能にする区域を表示するだけでもよい。同様の封止機構１２０２、１２０４が、アノードプレート７１０とＭＥＡ７０２との間に示されているが、ここの漏れ防止は、それほど重要ではないことがある。アノードプレート７１０と隣接カソードプレート７１６ａとの間の封止を表す機構１２１０、１２１２も示されており、これらがアノードガス流れと冷媒流れとの間の漏れを防止する。
【００７３】
図１３に示されるように、カソードプレート７１６中の類似機構が、マニホルド穴１００４、８０２により形成される、カソードガス通路１３００周りの封止をもたらす。図１３は、図１１の断面１３−１３に対応する、共に積み重ねられたプレートアセンブリ７００の断面を示す。図１３の例中のカソードプレート７１６は両側上に流れ機構を有することを支えるのに十分に厚いので、カソードガスが、ＭＥＡ７０２から見て外方のカソードプレート７１６の側上のチャネル１１０２へ通路１３００から流れることができる。空隙１００６が、遠い側のチャネル１１０２をＭＥＡ７０２に面するチャネル１１０８へ接続し、次に、ガスが流れ場７１８へ／から運ばれる。
【００７４】
空隙１００６及びチャネル１１０２、１１０８を用いることにより、しっかりとした封止がアノードプレート７１０とＭＥＡ７０２との間に創出可能になっており、これがブロック１３０６、１３０８により表される。これらの封止区域１３０６、１３０８は、カソードガスがアノード流れ場７１２へ漏れ込むのを防止するために、しっかりとしている必要がある。ブロック１３０６、１３０８は、順応性封止部材を表してもよく、又は通路１３００周りの平滑な表面対表面の（例えば、機械加工された流れチャネルが無い）界面を可能にする区域を表示するだけでもよい。他のカソード通路封止機構１３０２、１３０４が、カソードプレート７１６とＭＥＡ７０２との間に示されており、加えて、機構１３１０、１３１２が、カソードプレート７１６と隣接プレートアセンブリ７００ｂの一部である隣接アノードプレート７１０ｂとの間に示されている。
【００７５】
ここで図１４を参照すると、図１１の断面１４−１４に対応する断面図が、冷媒通路１４００と冷媒流れ場７２０との間の接続を示す。冷媒通路１４００は、プレートアセンブリ７００、７００ｂの冷媒穴１０００、８００、８００ｂにより形成される。冷媒チャネル１１０４が、流れ場７２０へ冷媒を運び、ここで、冷媒が隣接プレートアセンブリ７００ｂ、７００のアノードプレート７１０ｂとカソードプレート７１６との間に分配される。冷媒チャネル１１０４、７２０は両方とも、ＭＥＡ７０２から見て外方のカソードプレート７１６の側上にあることに留意されたい。そのようなものであるので、チャネル１４００に隣接する１つの封止点１４０２だけがある。しかしながら、図１１に見られるようなカソードプレート７１６の設計機構によって、単一の封止が、マニホルド穴１００及び流れチャネル７２０、１１０４の両方を覆うことができる。他の封止部分１４０４、１４０６、１４０８、１４１０が、ＭＥＡとカソード及びアノードのそれぞれのプレート７１６、７１０との間への冷媒の流入を封止する。
【００７６】
図１２〜１４に示されるガス／流体の流れ機構は、入って来る及び出て行くガス／流体の両方に対して等しく適用可能であると理解される。更に、図示された構成の多数の変形が、本発明の実施形態中で可能である。例えば、アノードプレート７１０は、両側上にチャネルを含有することも可能であり、カソードプレート７１６は、片側上だけに機構を有してより薄く作ることも可能である。別の例では、冷媒流れ場７２０を冷媒通路１３００に接続する冷媒チャネル１１０４は、アノード及びカソードガス流路上の機構と同様に、空隙により接続された両側のチャネルを用いて形成されてもよい。更に別の変形では、アノードプレート７１０及びカソードプレート７１６の形状が逆にされ、その結果、アノードプレート７１０がより厚くなり、両側上に流れ場を包含してもよい。
【００７７】
本発明の代表的実施形態のこれまでの記述は、例証及び説明の目的で提示されたものである。これまでの記述は、包括的であることも、開示されたそのままの形態に本発明を限定することも意図されていない。上記教示を考慮すれば、多数の修正及び変形が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるのではなく、むしろ添付の特許請求の範囲によって決定されることとする。
【図１Ａ】
2010512617.tif 000003
【図１Ｂ】
2010512617.tif 000004
【図２Ａ】
2010512617.tif 000005
【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2010512617.tif 000007
【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
2010512617.tif 000009
【図２Ｆ】
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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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【国際調査報告】
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2010512617.tif 000024
2010512617.tif 000025
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