(57)【要約】内部に冷媒容積（３００）を画定するように相互に接合された１対の型押し板（１００、２００）を有する、燃料電池（２）のための双極板組立体（８）。これらの１対の型押し板（１００、２００）のそれぞれが、板（１００、２００）の間の接触領域を最大化し、他方では冷媒が冷媒容積（３００）内部に容易に分散かつ流通できるように配置された流れ場（１０２、２０２）を有する。この双極板組立体（８）は、燃料電池（２）を貫通して気体反応物質の流れを誘導するために封止体配置（２６、２８、３０、３２）および内蔵多岐管をさらに含む。
2006523916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のヘッダが内部に形成された第１の縁部と第２のヘッダが内部に形成された第２の縁部とを有する１対の板を含む、燃料電池のための双極板組立体であって、
前記１対の板の第１の板であって、その第１の外面上に形成された複数の経路によって画定された第１の流れ場とその第１の内面上の第１の接触表面とを有する第１の板と、
前記１対の板の第２の板であって、その第２の外面上に形成された複数の経路によって画定された第２の流れ場とその第２の内面上の第２の接触表面とを有し、前記第２の内面は前記第１の内面に対して対面関係に配置されている、第２の板と、
前記第１の接触表面と前記第２の接触表面との間の直接接触によって画定された第３の流れ場であって、前記第３の流れ場は、前記第１のヘッダに隣接する個別の流れ攪乱体の配列と、前記流れ撹拌体の配列と前記第２のヘッダとの間に配置された複数の平行経路とを有する、第３の流れ場とを備え、
前記第１のヘッダから前記第３の流れ場を介して前記第２のヘッダまで流体連通される、双極板組立体。
【請求項２】
前記個別の流れ撹拌体の配列は、前記第１のヘッダに隣接する第１の組の流れ撹拌体と、前記複数の平行経路の中に斜めに延在する第２の組の流れ撹拌体とを備える、請求項１に記載の双極板組立体。
【請求項３】
前記個別の流れ撹拌体の配列は、前記第２の組の流れ撹拌体と反対の方向に前記複数の平行経路の中に斜めに延在する第３の組の流れ撹拌体をさらに備える、請求項２に記載の双極板組立体。
【請求項４】
前記第３の流れ場は、前記複数の平行経路と前記第２のヘッダとの間に配置された個別の流れ撹拌体の第２の配列をさらに備える、請求項１に記載の双極板組立体。
【請求項５】
前記第１および第２の配列のそれぞれが、前記第１および第２のヘッダにそれぞれ隣接する第１の組の流れ撹拌体と、前記複数の平行経路の中に斜めに延在する第２の組の流れ撹拌体とを備える、請求項４に記載の双極板組立体。
【請求項６】
前記第１および第２の配列のそれぞれが、前記第２の組の流れ撹拌体と反対の方向に前記複数の平行経路の中に斜めに延在する第３の組の流れ撹拌体をさらに備える、請求項５に記載の双極板組立体。
【請求項７】
前記双極板組立体は、前記第１の板の前記外面上に配置された第１の封止体をさらに備え、それと協働して前記第１の縁部の内部に形成された第３のヘッダと前記第１の流れ場との間に第１の流体連通路を設け、かつ前記第１の流れ場と前記第２の縁部の内部に形成された第４のヘッダとの間に第２の流体連通路を設ける、請求項１に記載の双極板組立体。
【請求項８】
前記双極板組立体は、前記第２の板の前記外面上に配置された第２の封止体をさらに備え、それと協働して前記第１の縁部の内部に形成された第５のヘッダと前記第２の流れ場との間に第３の流体連通路を設け、かつ前記第２の流れ場と前記第２の縁部の内部に形成された第６のヘッダとの間に第４の流体連通路を設ける、請求項７に記載の双極板組立体。
【請求項９】
薄い板であって、１対の反応物質ガス注入口ヘッダと冷媒注入口ヘッダとが貫通して形成されている注入口縁部と、１対の反応物質ガス排出ヘッダと冷媒排出ヘッダとが貫通して形成されている排出縁部と、前記薄い板の主要面上に形成された流れ場とを有する薄い板を備える、燃料電池用の双極板組立体のための分離板であって、前記流れ場は第１の組の流通経路を含み、前記第１の組の流通経路のそれぞれが、前記１対の反応物質ガス注入口ヘッダの一方と流体連通する第１の長手部分と第１の横断部分とを備える注入口脚と、前記第１の横断部分と流体連通する第１の端部と第２の端部とを有する蛇行脚と、前記蛇行脚の前記第２の端部と流体連通する第２の横断部分と前記１対の反応物質ガス排出ヘッダの一方と流体連通する第２の長手部分とを有する排出脚とを有し、前記冷媒注入口ヘッダに隣接する前記注入口脚の前記第１の横断部分および前記冷媒排出ヘッダに隣接する前記排出脚の前記第２の横断部分の少なくとも一方が起伏流通経路を画定する、分離板。
【請求項１０】
前記第１の組の流通経路の中の前記起伏流通経路は、前記注入口脚の前記第１の横断部分の中に形成される、請求項９に記載の分離体板。
【請求項１１】
前記第１の組の流通経路の中の前記起伏流通経路は、前記排出脚の前記第２の横断部分の中に形成される、請求項９に記載の分離体板。
【請求項１２】
前記起伏流通経路は少なくとも２つの起伏を備える、請求項９に記載の分離板。
【請求項１３】
前記１対の反応物質ガス注入口ヘッダは前記冷媒注入口ヘッダの両側に横方向に配置され、前記１対の反応物質ガス排出ヘッダは前記冷媒排出ヘッダの両側に横方向に配置される、請求項９に記載の分離板。
【請求項１４】
前記流れ場は第２の組の流通経路をさらに備え、前記第２の組の流通経路のそれぞれが、前記１対の反応物質ガス注入口ヘッダの前記一方と流体連通する第１の長手部分と第１の横断部分とを備える注入口脚と、前記第１の横断部分と流体連通する第１の端部と第２の端部とを有する蛇行脚と、前記蛇行脚の前記第２の端部と流体連通する第２の横断部分と前記１対の反応物質ガス排出ヘッダの前記一方と流体連通する第２の長手部分とを有する排出脚とを有し、前記冷媒注入口ヘッダに隣接する前記注入口脚の前記第１の横断部分および前記冷媒排出ヘッダに隣接する前記排出脚の前記第２の横断部分の少なくとも一方が起伏流通経路を画定する、請求項９に記載の分離板。
【請求項１５】
前記第２の組の流通経路の中の前記起伏流通経路は、前記注入口脚の前記第１の横断部分の中に形成される、請求項１４に記載の分離板。
【請求項１６】
前記第２の組の流通経路の中の前記起伏流通経路は、前記排出脚の前記第２の横断部分の中に形成される、請求項１４に記載の分離板。
【請求項１７】
前記起伏流通経路は少なくとも２つの起伏を備える、請求項１４に記載の分離板。
【請求項１８】
前記１対の反応物質ガス注入口ヘッダは前記冷媒注入口ヘッダの両側に横方向に配置され、前記１対の反応物質ガス排出ヘッダは前記冷媒排出ヘッダの両側に横方向に配置される、請求項１４に記載の分離板。
【請求項１９】
前記第１の組の流通経路のそれぞれが、前記第１の長手部分と流体連通する第１の端部を有する第３の横断部分と、前記第３の横断部分と連通する第１の端部と第２の端部とを有する第２の蛇行脚と、前記第２の蛇行脚の前記第２端部および前記第２の長手部分と流体連通する第４の横断部分とをさらに備え、前記冷媒注入口ヘッダに隣接する前記注入口脚の前記第３の横断部分および前記冷媒排出ヘッダに隣接する前記排出脚の前記第４の横断部分の少なくとも一方が起伏流通経路を画定する、請求項９に記載の分離板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタック組立体に関し、さらに詳細には、相互に接合された１対の型押し金属板を有し、その間に冷媒容積を設ける双極板組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池が数多くの応用例のための電源として提案されてきた。このような燃料電池の１つが、プロトン交換部材燃料電池、すなわち、ＰＥＭ燃料電池である。このＰＥＭ燃料電池は当業ではよく知られており、その各セル、すなわち、プロトン伝導性の薄い高分子膜の電解質を有し、その主要面上にアノード電極薄膜が形成されかつその対向側の主要面上にカソード電極薄膜が形成されている、いわゆる膜電極組立体またはＭＥＡを含む。様々な膜電解質が当業ではよく知られており、特に、米国特許第５２７２０１７号および第３１３４６９７号ならびにＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ、第２９巻（１９９０年）３６７〜３８７ページに説明されている。
【０００３】
ＭＥＡは、拡散層として知られる多孔の気体透過性の導電性物質の薄板の間に挟持されており、この拡散層はＭＥＡのアノード面およびカソード面に圧着し、アノードおよびカソードのための主集電体の役割を果たすばかりでなく、ＭＥＡのための機械的な支持体ともなる。この拡散層組立体およびＭＥＡは１対の電導板の間に圧締されているが、これらの電導板は、主集電体から電流を回収しかつスタック内部（双極板の場合には）およびスタック外部（単極板の場合にはスタックの端部）の隣接セル間に電流を伝導するための副集電体の役割を果たす。これらの副集電体板はそれぞれに、アノードおよびカソードの主要面全体に気体反応物質を分散させる少なくとも１つの活性領域を含む。これらの活性領域は典型的には複数のランド（land）を含む流れ場としても知られ、これらの複数のランドは主集電体に係合しかつその間に複数の溝または経路を画定し、これらの経路を介して気体反応物質が、経路の一端にある副集電体板の供給ヘッダおよびヘッダ領域と、経路の他端にある副集電体板のヘッダ領域内の排出ヘッダとの間を流れる。双極板の場合には、アノード流れ場が双極板の第１の主要面上に形成され、かつカソード流れ場が第１の主要面と対向する第２の主要面上に形成される。このような様態で、アノード気体反応物質（例えば、Ｈ２）がアノード電気薄膜の表面全体に分散され、かつカソード気体反応物質（例えば、Ｏ２／空気）がカソード電極薄膜の表面全体に分散される。
【０００４】
対向する主要面上に形成された流れ場を有する双極板を製造するために様々な構想が用いられてきた。例えば、米国特許第６０９９９８４号が、１対の薄い金属板を有し、その中に全く同じ流れ場が型押しされている双極板組立体を開示する。これらの型押し金属板は対面関係に位置決めされ、それらの間には導電性スペーサが挿置されている。このような金属板とスペーサの組立体は、鑞付け、溶接、拡散接合、または接着結合などの従来の接合技術を使用して互いに接合される。このような双極板技術は、その気体分散機能に問題はないが、相対的に重厚な双極板組立体になることが判明しており、したがって燃料電池スタック組立体の質量および容積効率に影響を及ぼす。
【０００５】
別の実施例では、米国特許第６５０３６５３号が単一の型押し双極板を開示するが、その対向する主要面内に流れ場を形成して非冷却型双極板を提供する。このような技術を使用する冷却型双極板も同様に１対の型押し板の間にスペーサ要素が挿置される必要があり、そのために冷却型双極板組立体の厚さおよび重量を増大させる。米国特許第６５０３６５３号は、ヘッダ領域から双極板中の口を介して双極板の対向面上に形成された流れ場まで反応ガスを送出するために、独特な反応物質ガスの移送（porting）および千鳥形封止の配置を利用する。このような構想は費用面では大いに望ましいが、流れ場に対するその設計上の制約が一部の応用を除外する。しかも、このような設計構想は内部冷却流を容易に設けるには不適切である。
【０００６】
高出力密度要件によってほぼ１個おきに燃料電池を冷却する必要がある。したがって、高質量出力密度、高容積出力密度、低費用、およびより高い信頼性を提供する燃料電池スタックで効率的に使用されるように双極板組立体の設計を改良しようとする欲求が常在する。本発明は、流れ場の大幅な設計上の柔軟性を提供し、他方ではその重量および厚さを最小化する型押し燃料電池双極板に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来の型押し製法によって形成され、次いで互いに接合された２枚の薄い金属板を有する双極板組立体に関する。別の態様では、流れ場の中心線が、どの箇所であっても拡散媒体を均一にさらに圧縮し得るように、ＭＥＡの対向面上の板のための経路を位置合わせするように配置されねばならない。別の態様では、２枚の型押し金属板のそれぞれの中に形成された流れ場の構成が、それらの間の接触領域を最大化し、双極板組立体が燃料電池スタック中に存在する圧縮負荷に耐え得るようになっている。したがって、双極組立体の２枚の薄い金属板の中に形成された流れ場の中心線は、圧縮負荷に耐えるように数多くの箇所で一致する必要がある。しかし、これらの板とそれらの接触領域との間に画定された内部容積が冷媒流のための内部空洞を形成するので、適切な冷媒流を可能にするために中心線が一致しない十分な事例を有する必要がある。本発明は、注入口および排出縁部に隣接する流通経路の結合領域が望ましい流れ場と接触領域の要件を与えるような幾何学的構成を提供する独特の流れ場設計によって、これらの一見対立する２つの目的を達成する。
【０００８】
本発明は１対の板を含む双極板組立体を提供するが、その１対の板は、これらの板の外面に形成した複数の経路によって画定された反応物質ガス流れ場を有する。これらの板は、それらの間に内部容積を画定するように対面関係に配置される。冷媒流れ場が、これらの１対の板の間における、これらの間の接触境界面に画定された内部容積の中に形成される。冷媒流れ場は、冷媒ヘッダ注入口に隣接する個別の流れ攪乱体の配列と、この配列と冷媒排出ヘッダとの間に配置された複数の平行な経路とを有する。冷媒注入口ヘッダから冷媒流れ場を介して冷媒排出ヘッダまで流体連通される。
【０００９】
本発明は薄い板を含む分離板も提供し、この薄板は、１対の横方向の注入口ヘッダと中間注入口ヘッダとが貫通して形成されている注入口縁部と、１対の横方向の排出ヘッダと中間排出ヘッダとが貫通して形成されている排出縁部と、この薄板の主要面上に形成された反応物質ガス流れ場とを有する。反応物質ガス流れ場は第１の組の流通経路を含み、それぞれが、１対の横方向の注入口ヘッダの一方と流体連通する第１の長手部分と第１の横断部分とを備える注入口脚と、この第１の横断部分と流体連通する第１の端部と第２の端部とを有する蛇行脚と、この蛇行脚の第２の端部と連通する第２の横断部分と１対の横方向の排出ヘッダの一方と流体連通する第２の長手部分とを有する排出脚とを有する。中間注入口ヘッダに隣接する注入口脚の横断部分および中間排出ヘッダに隣接する排出脚の横断部分のいずれかまたは両方が起伏流通経路によって画定され得る。
【００１０】
本発明のこれらおよび他の態様が、流れ場を随意選択する点において設計上の柔軟性を高め、他方では冷却要件を実現するばかりでなく双極板組立体を組み込む燃料電池スタックから相対的に高い質量出力密度および高い容積出力密度を供給する双極板組立体を提供する。
【００１１】
本発明は、幾つかの図と共に以降に供される本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明に照らして検討されるときに適切に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
好ましい実施形態の以下の説明は、本質的に単なる典型にすぎず、本発明、その応用、および使用を限定しようとするものではない。図１を参照すると、２セルスタック（すなわち、１枚の双極板）が例示されかつ以降に説明されるが、典型的なスタックはこのようなセルおよび双極板をさらに多く有することが理解される。図１は、導電性の液冷型双極板８によって相互に分離された１対の膜電極組立体（ＭＥＡ）４、６を有する２セル双極ＰＥＭ燃料電池スタック２を示す。ＭＥＡ４、６および双極板８は、締付け板１０および単極端板１４と締付け板１２および単極端板１６との間に積み重ね合わされる。締付け板１０、１２は端板１４、１６から電気絶縁される。それぞれの単極端板１４、１６の作用面は、双極板８の両作用面と同様に、燃料および酸化剤ガス（すなわち、Ｈ２およびＯ２）をＭＥＡ４、６の面全体に分散させるための、いわゆる「流れ場」を画定する複数の溝または経路１８、２０、２２、２４を含む。非導電性のガスケット２６、２８、３０、および３２が、燃料電池スタックの幾つかの構成要素間の封止体および電気絶縁体となる。気体透過性の拡散媒体３４、３６、３８、４０がＭＥＡ４、６の電極面に圧着する。端板１４、１６は拡散媒体３４、４０にそれぞれ圧着し、他方では双極板８が、ＭＥＡ４のアノード面上で拡散媒体３６に圧着し、かつＭＥＡ６のカソード面上で拡散媒体３８に圧着する。
【００１３】
図２を参照すると、双極板組立体８は２枚の別体の金属板１００、２００を含み、これらの金属板は、その間に冷媒容積を画定するように相互に接合される。金属板１００、２００は、可能な限り薄く（例えば、約０．００５〜０．０５１ｃｍ（約０．００２〜０．０２インチ）の厚さ）作製され、好ましくは当業で知られている適切な作製技法によって作製される。接合は、例えば、当業でよく知られている鑞付け、溶接、拡散接合、または導電性接着剤による接着によって実現可能である。ＭＥＡ３６、３８（図１に示す）に対面する中心活性領域を有しかつ非活性領域または縁部と境を接して、双極板組立体８のアノード板１００およびカソード板２００が示されている。
【００１４】
アノード板１００は、それが対面するＭＥＡのアノード面全体に水素を分散するための複数の蛇行流通経路を含むアノード流れ場１０２を備える作用面を有する。同様に、カソード板２００は、それが対面するＭＥＡのカソード面全体に酸素（しばしば空気の形態にある）を分散するための複数の蛇行流通経路を含むカソード流れ場２０２を備える作用面を有する。双極板８の活性領域には、２つの非活性境界部分または縁部１０４、１０６、２０４、２０６が両側に配置され、それらを貫通して開口４６〜５６が形成されている。アノードおよびカソード板１００、２００が積み重ね合わせられるとき、これらの板１００、２００中の開口４６〜５６は隣接する双極板組立体中の同様の開口と位置合わせされる。ガスケット２６〜３２、ＭＥＡ４および６の膜、ならびに端板１４、１６などの燃料電池スタック２の他の構成部品も、このスタック中の双極板組立体中の開口と位置が揃う対応する開口を有し、このスタックに対して気体反応物質および液体冷媒の供給／排出を行うためのヘッダを共に構成する。
【００１５】
図示された実施形態では、一連の積み重ねられた板の中の開口４６が空気注入口ヘッダを形成し、一連の積み重ねられた板の中の開口４８が空気排出口ヘッダを形成し、一連の積み重ねられた板の中の開口５０が水素注入口ヘッダを形成し、一連の積み重ねられた板の中の開口５２が水素排出口ヘッダを形成し、一連の積み重ねられた板の中の開口５４が冷媒注入口ヘッダを形成し、かつ一連の積み重ねられた板の中の開口５６が冷媒排出口ヘッダを形成する。図１に示したように、酸素／空気および水素用の注入口配管５８、６０が注入口ヘッダ４６、５０とそれぞれに流体連通する。同様に、水素および酸素／空気用の排出配管６２、６４が排出ヘッダ４８、５２とそれぞれに流体連通する。追加的な配管６６、６８が、冷媒ヘッダ５４、５６に対する液体冷媒の供給および排出をそれぞれ行うように設けられる。
【００１６】
図２は、燃料電池の中に積み重ね合わされるときの双極板組立体８および封止体２８、３０を例示する。１組の拡散媒体、ＭＥＡ、および別の双極板（図示せず）がカソード板２００および封止体３０の下に位置して１つの完全なセルを形成することが理解されるべきである。同様に、別の組の拡散媒体およびＭＥＡ（図示せず）がアノード板１００および封止体２８の上に位置して燃料電池スタック内部に一連の反復ユニットまたはセルを形成する。内部容積または冷媒空洞３００が、追加的なスペーサを挿置する必要もなく、アノード板１００とカソード板２００との間に直接形成されることも理解されるべきである。
【００１７】
ここで図３に注目すると、アノード板１００の平面図が示されており、それはアノード板１００の作用面内に形成されたアノード流れ場１０２をより明確に示す。図３で同様に明確に理解できるように、アノード板１００の注入口縁部１０４は、燃料電池スタックを貫通してカソードガスおよびアノードガスをそれぞれ輸送するための１対の横方向の注入口ヘッダ４６および５０と、このスタックを貫通して冷媒を輸送する中間注入口ヘッダ５４とを有する。同様に、排出縁部１０６は、燃料電池スタックを貫通してアノード流体およびカソード流体をそれぞれ輸送するための１対の横方向の排出ヘッダ４８、５２と、燃料電池スタックを貫通して冷媒を輸送するための中間排出ヘッダ５６とを有する。
【００１８】
アノード流れ場１０２は、アノード注入口ヘッダ５０からアノード排出ヘッダ５２まで蛇行路に沿って流体連通するように形成された複数の経路によって画定される。一般に、これらの流通経路は、第１の端部がアノード注入口ヘッダ５０と流体連通し、かつ第２の端部が横断部分１１２と流体連通する長手部分１１０を有する注入口脚１０８を特徴とする。本実施例で推奨されるように、注入口脚１０８の横断部分１１２は枝分かれし、それぞれの長手部分１１０に繋がる１対の横断注入口脚となる。さらには、これらの横断注入口部分１１２の通路はアノード板１００の平面内で起伏し、１１４と参照符号を附した領域内に示された、冷媒注入口ヘッダ５４に隣接する起伏流通経路となる。注入口脚１０８の横断部分１１２は蛇行脚１１６と流体連通している。流通経路１０８は、蛇行脚１１６からアノード排出ヘッダ５２まで流体連通させるために横断部分１２０および長手部分１２２を有する排出脚１１８をさらに含む。この排出脚部分１１８は、それぞれの長手部分１２２が１対の横断部分１２０と繋がっている点で注入口脚部分１０８と同様に構成されている。横断排出部分１２０の通路はアノード板１００の平面内で起伏し、１２４と参照符号を附した領域内で示された、冷媒排出ヘッダ５６に隣接する起伏流通経路となる。
【００１９】
ここで図４に注目すると、カソード板２００の平面図が示されており、それはカソード板２００の作用面内に形成されたカソード流れ場２０２をより明確に示す。図４で同様に明確に理解できるように、カソード板２００の注入口縁部２０４は、燃料電池スタックを貫通してカソードガスおよびアノードガスをそれぞれ輸送するための１対の横方向の注入口ヘッダ４６および５０と、このスタックを貫通して冷媒を輸送する中間注入口ヘッダ５４とを有する。同様に、排出縁部２０６は、燃料電池スタックを貫通してアノード流体およびカソード流体をそれぞれ輸送するための１対の横方向の排出ヘッダ４８、５２と、燃料電池スタックを貫通して冷媒を輸送するための中間排出ヘッダ５６とを有する。
【００２０】
カソード流れ場２０２は、カソード注入口ヘッダ４６からカソード排出ヘッダ４８まで蛇行路に沿って流体連通するように形成された複数の経路によって画定される。一般に、これらの流通経路は、第１の端部がカソード注入口ヘッダ４６と流体連通し、かつ第２の端部が横断部分２１２と流体連通する長手部分２１０を有する注入口脚２０８を特徴とする。単一の横断部分２１２がそれぞれの長手部分２１０に繋がっている。したがって、注入口脚２０８の横断部分２１２は、アノード注入口脚１０８の横断部分１１２のような１対の横断注入口部分を設けるように枝分かれしない。横断注入口部分２１２の通路はカソード板の平面内で起伏し、２１４と参照符号を附した領域内に示された、冷媒注入口ヘッダ５４に隣接する起伏流通経路となる。この流通経路は、横断注入口部分２１２の端部と流体連通している蛇行脚２１６をさらに含む。この流通経路は、横断部分２２０および長手部分２２２を有する排出脚２１８をさらに含む。排出脚部分２１８は、蛇行脚２１６からカソード排出ヘッダ４８まで流体連通させるように注入口脚部分２０８と同様に構成される。横断排出部分２２０の通路はカソード板の平面内で起伏し、２２４と参照符号を附した領域内で示された、冷媒排出ヘッダ５６に隣接する起伏流通経路となる。
【００２１】
ここで図２および図６を参照すると、アノード板１００およびカソード板２００が、様々な注入口および排出ヘッダが位置合わせされるように対面関係に位置決めされている。次いで、アノード板１００およびカソード板２００は従来の技法を使用して互いに接合される。アノード流れ場１０２およびカソード流れ場２０２の中心線は、対向する板上の（例えば、図６に示したＭＥＡの対向面上の）流通経路を位置合わせするように配置され、どの箇所であっても拡散媒体およびＭＥＡを均等に圧縮することが可能である。同様に、隣接の接合されたアノード板１００とカソード板２００（図２に示したように）との間の接触領域も、燃料電池スタックに対して加えられた圧縮負荷に耐えるように数多くの箇所で一致する。特に、アノード板１００の作用面内に形成されたアノード流れ場１０２の流通経路は、この作用面に対向する内部面上に相補的な接触表面を設ける。同様に、カソード板２００の作用面内に形成されたカソード流れ場２０２の流通経路は、カソード板２００の内部面上に接触表面を画定する。したがって、アノード板１００およびカソード板２００が相互に接合されるとき、抵触または接触領域がそれらの間に画定される。
【００２２】
ここで図５を参照すると、アノード板１００とカソード板２００との間の接触領域は、冷媒空洞３００内部において注入口縁部３０４と排出縁部３０６との間に冷媒流れ場３０２を画定する。この冷媒流れ場３０２は、アノード注入口脚１０８とカソード注入口脚２０８との境界面に形成された冷媒注入口多岐管５４に隣接する個別の流れ攪乱体３０８の配列を含む。同様に、１組の攪乱体３１０が、アノード排出脚１１８とカソード排出脚２１８との境界面において冷媒排出ヘッダ５６に隣接して形成される。冷媒流れ場３０２は、注入口縁部３０４と排出縁部３０６との間に配置され、蛇行脚１１６と蛇行脚２１６との境界面に画定される複数の流通経路３１２をさらに含む。アノード流れ場１０２およびカソード流れ場２０２の構成によれば、個別の流れ攪乱体３０８の配列は、方向矢印３１４によって示されているように、冷媒注入口ヘッダ５４に隣接する冷媒流れ場３０２の領域から平行な流路３１２の中に斜めに延在する。同様に、個別の流れ攪乱体３１０の配列は、方向矢印３１６によって示されているように、平行な流路３１２から冷媒排出ヘッダ５６に向かって斜めに延在する。
【００２３】
ここで図６〜９に注目すると、本発明は、流体連通をヘッダから適切な流れ場まで誘導するための千鳥型封止体と内蔵型多岐管の構成を組み込む。例えば、注入口縁部１０４、２０４と流れ場構造１０２、２０２との間の封止ビードの位置がそれぞれの連続層ごとに左右に段が付く（図７〜９で分かるように）。したがって、封止体位置はそれらの間を流体連通させるように変化する。穴または溝穴の形態の口が、アノード板１００またはカソード板２００を垂直に貫通し、ヘッダから流れ場まで流体連通する手段となる。このような様態で、本発明は米国特許第６５０３６５３号に開示されたものと同様の千鳥型封止体構想を用いるが、この特許は本発明の譲受人によって同じく所有されており、その開示は参照によって本明細書に明示的に組み込まれる。このような方策によって、封止体の合計厚さが反復距離からアノード板とカソード板の厚さを減じたものに等しくなり得る。このような方策は、封止体に使用可能な厚さがヘッダ領域から活性面積領域まで流体が通過するのに必要な高さだけ減少する従来の燃料電池スタック設計に優る利点も与える。千鳥型封止体の構想を利用することによって、本発明は公差のばらつきの影響を受けにくい厚目の封止体を使用することができる。
【００２４】
本発明は、それぞれの双極板組立体中に別体のアノード板１００およびカソード板２００を使用することによって、米国特許第６５０３６５３号に開示された千鳥型封止体構想をさらに改良する。特に、第２の板が、これら別体の板の間の空間によって内蔵型多岐管の使用を可能にする。反応物質ガスまたは冷媒流体は、今や上部板の頂部側から進入し、このような内蔵型多岐管を介して上部板と下部板との間を移動し、次いで上部板の下部側に進入してＭＥＡの底部側を補給する。その結果として、反応物質ガスが流れ場に進入する領域の幅が、米国特許第６５０３６５３号に開示された幅の２倍であり、それによって所与の流れ場両端の全体的な圧力降下を小さくする。このような本発明の態様が図７〜９に最も適切に例示されている。具体的には、図７に例示するように、冷媒の流通路が、アノード板１００とカソード板２００との間の冷媒ヘッダ（図示せず）から、それらの間に画定された冷媒流れ場３０２に流入する流れを表す矢印Ａによって示されている。同様に、図８では、アノードガスの流通路が、カソード板２００とアノード板１００との間のアノードヘッダ（図示せず）からアノード流れ場１０２に流入する流れを表す矢印Ｂによって示されている。同様に、図９では、カソードガス流通路が、アノード板１００とカソード板２００との間のカソードヘッダ（図示せず）からカソード流れ場２０２に流入する流れを表す矢印Ｃによって示されている。このような様態で、それぞれの流体が燃料電池スタックを貫流するように、より幅の広い多岐管領域がヘッダ領域と流れ場領域との間に設けられる。
【００２５】
本発明で推奨されているように、双極板組立体の設計は、ヘッダと活性流れ場との間の注入口多岐管領域の幅を広げる効果があれば、封止体負荷を支持するように追加的な構造をさらに含む。具体的には、図４および６で最も適切に理解されるように、原位置支持突縁２２６が、カソード注入口ヘッダ４６、冷媒注入口ヘッダ５４、およびアノードヘッダ５０を貫通して注入口縁部を横断するように延在する。この支持突縁２２６には、注入口の流体がヘッダ領域から多岐管領域を介して流れ場領域に自由に流入するのを可能にし、他方では同時に双極板組立体のための貫通面支持体となるように波状または波形構成が形成される。例えば、図６で最も適切に理解されるように、双極板８のカソード板２００のための支持突縁２２６は、隣接セルのアノード板１００のための支持突縁１２６の直上に存在する。このような様態で、圧縮負荷が容易に燃料電池スタック全体に伝達される。別法として、この支持機能は、横断支持突縁によって設けられた原位置構成と置き換えるために、封止体中に形成可能な非導電性物質の溝付きブロックまたは同様の構造によって設けることも可能である。
【００２６】
このような構成を使用するとき、これらの隣接領域は、それらが異なる電位にあるので絶縁されねばならない。本発明の譲受人によって同じく所有されており、その開示が参照によって明示的に組み込まれる、２００２年４月２５日に出願された「Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｏｏｌａｎｔ  Ｍａｎｉｆｏｌｄ」と題する米国特許仮出願第１０／１３２０５８号（整理番号ＧＰ３０１５９８）に開示されたような非導電性被覆を使用するものなど、様々な適切な手段が利用可能である。別法として、それらの間に電気絶縁体を設けるために非導電性プラスチックテープの薄膜が挿置可能である。
【００２７】
本発明は、冷媒流れ場が挿置された２部分双極板組立体を提供する。様々な流れ場の構成は、双極板組立体が相対的に薄い材料から形成され、しかも燃料電池スタックの必要な圧縮負荷に依然として耐え得るようになっている。さらに本発明は、流れ場を随意選択する点において遙かに大きな設計上の柔軟性を提供する。この点に関して、本発明は所与の燃料電池スタックの質量および容積出力密度におけるばかりでなく、大幅な材料および費用の節約においても向上をもたらす。
【００２８】
以上に記載された本発明の説明は本質的に単なる典型にすぎず、よって本発明の要旨から逸脱しない変形は本発明の範囲内であることが意図されている。このような変形は、本発明の趣旨および範囲からの逸脱とは見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池スタックを模式的に示す等角分解組立図である。
【図２】本発明に係る双極板組立体と封止体の配置を示す等角分解組立図である。
【図３】図２に示した双極板組立体中のアノード板の主要面内に形成された流れ場を示す平面図である。
【図４】図２に示した双極板組立体中のカソード板の主要面内に形成された流れ場を示す平面図である。
【図５】アノード板とカソード板との間の境界面における接触領域を示す平面図である。
【図６】燃料電池スタック内部の多セルを示し、カソードヘッダを通過して取った断面をさらに示す等角図である。
【図７】冷媒ヘッダを通過して取った断面図であり、冷媒の流通路を示す。
【図８】アノードヘッダを通過して取った断面図であり、アノードガスの流通路を示す。
【図９】カソードヘッダを通過して取った断面図であり、カソードの流通路を示す。
【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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【国際調査報告】
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