(57)【要約】【解決手段】ＰＥＭ燃料電池のための二極式プレートアッセンブリは、単一のプレート部材が、アノード電流コレクター及び隣接する燃料電池のカソード電流コレクターとして利用可能であるように、一方の側に形成された蛇行流れ場と、反対側に形成された交互入り込み流れ場（２０ｉ）と、を有する。二極式プレートアッセンブリは、隣接する燃料電池の間の繰り返し距離を最小とする一方で、シール部の厚さを最大にするように、燃料電池を通ってガス状反応物を差し向けるため互い違いのシール部配列を更に備えている。【選択図】図６
2004522262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＥＭ燃料電池のための二極式プレートアッセンブリであって、
二極式プレートであって、該二極式プレートの第１の側に蛇行流れ場を画成し、該二極式プレートの第２の側に交互入り込み流れ場を画成するため内部に形成された複数のランドと、第１のヘッダーアパーチャが貫通して形成されたプレートマージン領域と、該第１のヘッダーアパーチャ及び前記蛇行流れ場の間を貫通して形成された第１のポートと、貫通して形成された第２のヘッダーアパーチャと、該第２のヘッダーアパーチャ及び前記交互入り込み流れ場の間を貫通して形成された第２のポートと、を有する、二極式プレートと、
前記二極式プレートの前記第１の側に配置されると共に、前記第１のヘッダー及び前記第１のポートの間に第１の流体連通経路を画成するため内部に形成された第１の通路と、前記第２のポート及び前記蛇行流れ場の間に第２の流体連通経路を画成するため内部に形成された第２の通路と、を有する、第１のシール部と、
前記二極式プレートの前記第２の側に配置されると共に、前記第２のヘッダーから前記第２のポートへの第３の流体連通経路を画成するため内部に形成された第３の通路と、前記第１のポートから前記交互入り込み流れ場への第４の流体連通経路を画成するため内部に形成された第４の通路と、を有する、第２のシール部と、
を備える、二極式プレートアッセンブリ。
【請求項２】
前記第１のシール部の前記第１の通路は、前記第１のヘッダーアパーチャ及び前記第１のポートを取り囲み、前記第２のシール部の前記第３の通路は、前記第２のヘッダーアパーチャ及び前記第２のポートを取り囲む、請求項１に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項３】
前記第１のシール部は、前記第１の通路及び前記蛇行流れ場の間に流体気密シール部を提供し、前記第２のシール部は、前記第２のヘッダー及び前記第２の通路の間に流体気密シール部を提供する、請求項２に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項４】
前記二極式プレートは、該二極式プレートの前記第１の側に形成された、複数の略平行蛇行流れチャンネルと、前記二極式プレートの前記第２の側に形成された、複数の略平行交互入り込み流れチャンネルと、を更に備えている、請求項１に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項５】
前記二極式プレートは、前記第２の通路と、一対の隣接する蛇行流れチャンネルと、の間に流体連通を提供するため、内部に形成された蛇行入口通路を有する、請求項４に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項６】
前記蛇行流れ場は、第１の蛇行流れ経路を画成する複数の第１の中間脚部と、第２の蛇行流れ経路を画成する複数の第２の中間脚部と、を更に備え、前記第１及び第２の蛇行流れ経路は、流れ方向に関して端部と端部とをつないで配列され、且つ、第１の交差脚部を通して流体連結されている、請求項１に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項７】
前記蛇行流れ場は、前記第１の蛇行流れ経路に隣接して第３の蛇行流れ経路を画成する複数の第３の中間脚部と、前記第２の蛇行流れ経路に隣接して第４の蛇行流れ経路を画成する複数の第４の中間脚部と、を更に備え、該第３及び第４の蛇行流れ経路は、前記流れ方向に関して第２の交差脚部を通して流体連通されている構成で端部間に配列されている、請求項６に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項８】
前記二極式プレートは、前記第２の通路と、前記第１及び第３の蛇行流れ経路との間に流体連通を提供するため内部に形成された蛇行入口脚部通路を有する、請求項７に記載の二極式プレートアッセンブリ。
【請求項９】
ＰＥＭ燃料電池であって、
二極式プレートであって、該二極式プレートの第１の側に蛇行流れ場を画成し、該二極式プレートの第２の側に交互入り込み流れ場を画成するため内部に形成された複数のランドと、第１のヘッダーアパーチャが貫通して形成されたプレートマージン領域と、該第１のヘッダーアパーチャ及び前記蛇行流れ場の間を貫通して形成された第１のポートと、貫通して形成された第２のヘッダーアパーチャと、該第２のヘッダーアパーチャ及び前記交互入り込み流れ場の間を貫通して形成された第２のポートと、を有する、二極式プレートと、
前記二極式プレートの前記第１の側に配置されると共に、前記第１のヘッダー及び前記第１のポートの間に第１の流体連通経路を画成するため内部に形成された第１の通路と、前記第２のポート及び前記蛇行流れ場の間に第２の流体連通経路を画成するため内部に形成された第２の通路と、を有する、第１のシール部と、
前記二極式プレートの前記第２の側に配置されると共に、前記第２のヘッダーから前記第２のポートへの第３の流体連通経路を画成するため内部に形成された第３の通路と、前記第１のポートから前記交互入り込み流れ場への第４の流体連通経路を画成するため内部に形成された第４の通路と、を有する、第２のシール部と、
第１の面及び該第１の面の反対側にある第２の面を有する第１の陽子交換膜と、該第１の面と係合する第１の電流コレクターと、を備える、第１の膜電極アッセンブリであって、該第１の膜電極アッセンブリは、前記第１の電流コレクターが前記蛇行流れ場と接触するように前記第１のシール部上に支持されている、前記第１の膜電極アッセンブリと、
を備える、ＰＥＭ燃料電池。
【請求項１０】
前記第１のシール部の前記第１の通路は、前記第１のヘッダーアパーチャ及び前記第１のポートを取り囲み、前記第２のシール部の前記第３の通路は、前記第２のヘッダーアパーチャ及び前記第２のポートを取り囲んでいる、請求項９に記載のPEM燃料電池。
【請求項１１】
前記第１のシール部は、前記第１の通路及び前記蛇行流れ場の間に流体気密シール部を提供し、前記第２のシール部は、前記第２のヘッダー及び前記第２の通路の間に流体気密シール部を提供する、請求項１０に記載のPEM燃料電池。
【請求項１２】
前記二極式プレートは、該二極式プレートの前記第１の側に形成された複数の略平行蛇行流れチャンネルと、該二極式プレートの前記第２の側に形成された複数の略平行交互入り込み流れチャンネルと、を更に備える、請求項９に記載のPEM燃料電池。
【請求項１３】
前記二極式プレートは、前記第２の通路と、一対の隣接する蛇行流れチャンネルと、の間に流体連通を提供するため、内部に形成された蛇行入口脚部を有する、請求項１２に記載のPEM燃料電池。
【請求項１４】
前記蛇行流れ場は、第１の蛇行流れ経路を画成する複数の第１の中間脚部と、第２の蛇行流れ経路を画成する複数の第２の中間脚部と、を更に備え、該第１及び第２の蛇行流れ経路は、流れ方向に関して端部間構成で配列され、且つ、第１の交差脚部を通して流体連結されている、請求項９に記載のPEM燃料電池。
【請求項１５】
前記蛇行流れ場は、前記第１の蛇行流れ経路に隣接して第３の蛇行流れ経路を画成する複数の第３の中間脚部と、前記第２の蛇行流れ経路に隣接して第４の蛇行流れ経路を画成する複数の第４の中間脚部と、を更に備え、該第３及び第４の蛇行流れ経路は、流れ方向に関して端部間構成で配列され、且つ、第２の交差脚部を通して流体連結されている、請求項１４に記載のPEM燃料電池。
【請求項１６】
前記二極式プレートは、前記第２の通路と、前記第１及び第３の蛇行流れ経路との間に流体連通を提供するため、内部に形成された蛇行入口脚部を有する、請求項１５に記載のPEM燃料電池。
【請求項１７】
前記第１の膜電極アッセンブリの前記第１の面は、アノード面であり、前記第２の膜電極アッセンブリの前記第２の面は、カソード面である、請求項９に記載のPEM燃料電池。
【請求項１８】
第１の二極式プレートアッセンブリ及び第２の二極式プレートアッセンブリを備える、ＰＥＭ燃料電池であって、
前記第１の二極式プレートは、
第１のプレート部材であって、該第１のプレート部材の頂部側に第１の蛇行流れ場を画成し、該第１のプレート部材の底部側に第２の交互入り込み流れ場を画成するため内部に形成された複数のランドと、第１のヘッダーアパーチャが貫通して形成されたプレートマージン領域と、該第１のヘッダーアパーチャ及び前記蛇行流れ場の間を貫通して形成された第１のポートと、貫通して形成された第２のヘッダーアパーチャと、該第２のヘッダーアパーチャ及び前記交互入り込み流れ場の間を貫通して形成された第２のポートと、を有する、前記第１のプレート部材と、
前記第１のプレート部材の前記頂部側に配置されると共に、前記第１のヘッダーアパーチャ及び前記第１のポートの間に第１の流体連通経路を画成するため内部に形成された第１の通路と、前記第２のポート及び前記蛇行流れ場の間に第２の流体連通経路を画成するため内部に形成された第２の通路と、を有する、第１のシール部と、
前記第１のプレート部材の前記底部側に配置されると共に、前記第２のヘッダーから前記第２のポートへの第３の流体連通経路を画成するため内部に形成された第３の通路と、前記第１のポートから前記第１の交互入り込み流れ場への第４の流体連通経路を画成するため内部に形成された第４の通路と、を有する、第２のシール部と、
を備えており、
前記第２の二極式プレートは、
第２のプレート部材であって、該第２のプレート部材の頂部側に第２の蛇行流れ場を画成し、該第２のプレート部材の底部側に第２の交互入り込み流れ場を画成するため内部に形成された複数のランドと、第３のヘッダーアパーチャが貫通して形成された第２のプレートマージン領域と、該第３のヘッダーアパーチャ及び前記第２の蛇行流れ場の間を貫通して形成された第３のポートと、貫通して形成された第４のヘッダーアパーチャと、該第４のヘッダーアパーチャ及び前記第２の交互入り込み流れ場の間を貫通して形成された第４のポートと、を有する、前記第２のプレート部材と、
前記第２のプレート部材の前記頂部側に配置されると共に、前記第３のヘッダーアパーチャ及び前記第３のポートの間に第５の流体連通経路を画成するため内部に形成された第５の通路と、前記第４のポート及び前記第２の蛇行流れ場の間に第６の流体連通経路を画成するため内部に形成された第６の通路と、を有する、第３のシール部と、
前記第２のプレート部材の前記底部側に配置されると共に、前記第４のヘッダーから前記第４のポートへの第７の流体連通経路を画成するため内部に形成された第７の通路と、前記第３のポートから前記第２の交互入り込み流れ場への第８の流体連通経路を画成するため内部に形成された第８の通路と、を有する、第４のシール部と、
第１の面及び該第１の面の反対側にある第２の面を有する陽子交換膜と、該第１の面と係合する第１の電流コレクターと、該第２の面と係合する第１の電流コレクターと、を備える、膜電極アッセンブリであって、前記第１の電流コレクターが前記第１の交互入り込み流れ場と接触し、前記第２の電流コレクターが前記第２の蛇行流れ場と接触するように、該膜電極アッセンブリは、前記第２のシール部及び前記第３のシール部の間で支持されている、前記膜電極アッセンブリと、
を備える、ＰＥＭ燃料電池。
【請求項１９】
前記陽子交換膜の前記第１の面は、カソード面であり、該陽子交換膜の第２の面は、アノード面である、請求項１８に記載のＰＥＭ燃料電池。
【請求項２０】
第３のプレート部材と、冷却剤通路を画成するため前記第２のプレート部材の前記底部側及び前記第３のプレート部材の前記頂部側の間に内部配置されたスペーサーと、を更に備え、該第３のプレート部材は、貫通して形成され且つ前記冷却剤通路と流体連通している冷却剤ヘッダーを有する第３のプレートマージン領域を備えている、請求項１８に記載のＰＥＭ燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、PEM燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池スタック内で隣接する燃料電池を分離するための二極式プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多数の用途のための電源として提案されてきた。そのような燃料電池の一つが、陽子交換膜即ちPEM燃料電池である。PEM燃料電池は、当該技術分野で周知されており、その各々の電池に、所謂「膜電極アッセンブリ(MEA)」を備えている。該膜電極アッセンブリは、薄い陽子伝達性のポリマー膜電解質を備え、その一方の面に形成されたアノード電極フィルムと、その反対側の面に形成されたカソード電極フィルムと、を有する。そのような膜電解質は、当該技術分野で周知されており、例えば米国特許番号５，２７２，０１７号及び３，１３４，６９７号、並びに、とりわけ、電源誌、第２９巻（１９９０）の３６７〜３８７頁に記載されている。
【０００３】
一般に、そのような膜電解質は、イオン交換膜樹脂から作られており、典型的には、E.l.．デュポン・ダ・ネメアウアス（DuPont de Nemeours）＆Coから市販されている、例えばNAFION３等のフッ素置換スルホン酸ポリマーを含んでいる。他方では、アノード及びカソードのフィルムは、典型的には、（１）細かく分割された炭素粒子と、該炭素粒子の内側表面及び外側表面上に支持された非常に細かく分割された触媒粒子と、触媒粒子及び炭素粒子と混合されたＮＡＦＩＯＮ３等の陽子伝達材料と、を含み、或いは、（２）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の結合剤に亘って分散された、触媒粒子、サンズカーボン（sans carbon）を含んでいる。そのような膜電極アッセンブリ及び燃料電池の一つが、１９９３年１２月２１日に発行された米国特許番号５，２７２，０１７号に記載されており、本発明の譲渡人に譲り受けられている。
【０００４】
膜電極アッセンブリは、該膜電極アッセンブリのアノード面及びカソード面に対して押圧する、多孔性のガス透過性導電材料のシートの間に挟まれている。これらのシートは、（１）  アノード及びカソードのための電流コレクター、及び、（２）  膜電極アッセンブリのための機械的支持として機能する。そのような適切な主要電流コレクターシートは、当該技術分野で周知されているように、カーボン若しくはグラファイトのペーパー又は布、細かいメッシュの貴金属スクリーン等である。このアッセンブリは、本文中では、膜電極アッセンブリ／主要電流コレクターアッセンブリと称される。
【０００５】
膜電極アッセンブリ／主要電流コレクターアッセンブリは、一対の非多孔性の導電プレート又は金属シートの間に押されており、これらは、主要電流コレクターからの電流を収集し、スタックの内部で隣接する電池の間（即ち二極式プレートの場合）、及び、スタックの外部の電池の端部（即ち単極式プレートの場合）の間で電流を伝達するための２次電流コレクターとして機能する。２次電流収集プレートは、アノード及びカソードの表面に亘ってガス状反応物（例えば、Ｈ2及びＯ2／空気）を分配する流れ場を備えている。これらの流れ場は、一般に、主要電流コレクターと係合し、それらの間で複数の流れチャンネルを画成する。これらのチャンネルを通って、ガス状反応物が、チャンネルの一端部における供給ヘッダーと、チャンネルの他端部における排出ヘッダーとの間を流れる。
【０００６】
従来では、これらの金属プレートは、流れチャンネルの特定の形状を画成する単一機能の流れ場を有する。一つの一般に知られている流れ場は、幾つかのヘアピンカーブの曲がり及びスイッチバッグを形成した後に供給ヘッダー及び排出ヘッダーを接続する蛇行流れチャンネルを画成している。蛇行流れチャンネルは、このように曲がりくねってはいるが、連続的な流れ経路を画成する。別の一般的に知られている流れ場は、交互入り込み流れチャンネルを画成している。該交互入り込み流れチャンネルでは、供給ヘッダーから排出ヘッダーに向かって延在しているが死点で終わっている複数の流れチャンネルが、排出ヘッダーから供給ヘッダーに向かって延在するが死点で終わっている複数の流れチャンネルの間を交互に入り込んでいる。蛇行流れチャンネルと対比すると、これらの交互入り込み流れチャンネルは、ガス状反応物が多孔性の主要電流コレクタを介して隣接する流れチャンネルの間のランドを横切るとき供給ヘッダー及び排出ヘッダーの間の流れが達成されるように、不連続経路を画成する。
【０００７】
従来では、二極式プレートは、機能的流れ場が、二極式プレートの各々の側で形成されるように、一対の金属シートを組み立てることによって形成される。しばしば、スペーサーは、冷却剤が二極式プレートアッセンブリを通って流れることを可能にするため、内部体積を画成するため金属プレートの間に交互に入り込まれる。そのような一つの二極式プレートアッセンブリは、１９９８年７月７日に発行され、本発明の譲渡人に譲り受けられた米国特許番号５，７７６，６２４号に説明されている、
【特許文献１】米国特許番号５，２７２，０１７号  米国特許番号３，１３４，６９７号  米国特許番号５，７７６，６２４号
【非特許文献１】電源誌（The Journal of Power Sources）、第２９巻（１９９０）の３６７〜３８７頁
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、その両側に機能的な流れ場を画成する単一金属シートを有する、型押しされた二極式プレートに関する。金属シートは、互い違いのシール部構成と組み合わされたとき、プレートの一方側にガス状燃料の流れを差し向け、該プレートの他方の側にガス状酸化剤の流れを差し向けるポーティング機構を組み込んでいる。
【０００９】
本発明は、プレートの一方側に蛇行流れ場を有し、該プレートの反対側に交互入り込み流れ場を有する、単一の金属シートから形成された二極式プレートを備えている。形成された金属シートは、単一シートから未冷却式の二極式プレートを形成するため略均一の壁の厚さを維持している。一対の二極式プレートは、内部冷却式チャンネルを備えた二極式プレートを形成するため、それらの間にスペーサーを備えて一緒に層状に積み重ねられていてもよい。
【００１０】
本発明の流れ場の形状は、プレートが多孔性主要電流コレクターに接触するところのほとんどの領域に亘って圧力差を生じさせ、その結果、従来の二極式プレートアッセンブリよりも高い性能をもたらすように決定される。
【００１１】
本発明は、シール部に負荷を印加するため追加の部分又は部品を必要とすること無しに、特定のポート形状と連係して、各電池にガス状反応物を連通させる、互い違いのシール部構成を更に組み込んでいる。
【００１２】
本発明は、幾つかの図面と関連して後述されるその特定の実施例の次の詳細な説明を考慮して考察されるとき、より良く理解されるであろう。
【実施例】
【００１３】
図１は、非多孔性の導電二極式プレート１２によって互いから隔てられた一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）８及び１０を有する、部分的な燃料電池スタックを概略的に表している。膜電極アッセンブリ８及び１０の各々は、カソード面８ｃ、１０ｃと、アノード面８ａ、１０ａと、を持っている。膜電極アッセンブリ８及び１０と、二極式プレート１２とは、非多孔性の導電性液冷式二極式プレート１４及び１６の間に一緒に積み重ねられている。二極式プレート１２、１４及び１６は、燃料及び酸化ガス（即ち、Ｈ2及びＯ2）を膜電極アッセンブリ８及び１０の反応面に分配するためのプレート面に複数の流れチャンネルを形成させた、流れ場１８、２０及び２２を各々備えている。非導電ガスケット又はシール部２６、２８、３０及び３２は、燃料電池スタックの幾つかのプレートの間に、シール部及び電気的絶縁を提供する。多孔性のガス透過性導電シート３４、３６，３８及び４０は、膜電極アッセンブリ８及び１０の電極面に対して押圧し、電極のための主要電流コレクターとして機能している。主要電流コレクター３４、３６、３８及び４０は、膜電極アッセンブリが、その手段によらなければ流れ場で支持されていないところの位置で膜電極アッセンブリ８及び１０のための機械的支持も提供する。適切な主要電流コレクターは、カーボン／グラファイトペーパー／布、細かいメッシュ貴金属スクリーン、開セル貴金属発泡体等々、を備えており、これらは、これらを通ってガスを通過させることを可能とする一方で、電極からの電流を伝達させる。
【００１４】
二極式プレート１４及び１６は、膜電極アッセンブリ８のカソード面８ｃ上の主要電流コレクター３４及び膜電極アッセンブリ１０のアノード面１０ａ上の主要電流コレクター４０に対して押圧する。その一方で、二極式プレート１２は、膜電極アッセンブリ８のアノード面８ａ上の主要電流コレクター３６及び膜電極アッセンブリ１０のカソード面１０ｃ上の主要電流コレクター３８に対して押圧する。例えば酸素又は空気等の酸化ガスは、適切な供給配管４２を介して貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側に供給されている。同様に、例えば水素等の燃料は、適切な供給配管４４を介して貯蔵タンク４８から燃料電池のアノード側に供給される。好ましい実施例では、酸素タンク４６を無くすことができ、この場合、空気が周囲からカソード側に供給される。同様に、水素タンク４８を無くすことができ、この場合、水素は、メタノール又は液体炭化水素（例えば、ガソリン）から水素を触媒的に発生する改質器からアノード側に供給される。膜電極アッセンブリのＨ2側及びＯ2／空気側に対する排出配管（図示せず）も、アノード流れ場から、Ｈ2が抜き取られたアノードガスを除去し、カソード流れ場から、Ｏ2が抜き取られたカソードガスを除去するために設けられる。冷却剤の配管５０及び５２が、必要時に、二極式プレート１４及び１６に液体冷却剤を供給及び排出するために設けられている。
【００１５】
図２は、燃料電池内に積み重ねられた関係で配置された、二極式プレート１２、主要電流コレクター３８、膜電極アッセンブリ１０及び主要電流コレクター４０の分解図を表している。二極式プレート１６は、燃料電池を形成するため、（図１に示されているように）第２の主要コレクター４０の下方に位置するであろう。別の組の主要電流コレクター３４及び３６、膜電極アッセンブリ８、並びに、二極式プレート１４は、別の燃料電池を形成するため、（図１に示されているように）二極式プレート１２の上方に位置するであろう。
【００１６】
二極式プレート１２は、内部に流れ場２０を形成させている単一のプレート部材であり、可能な限り薄く作られている（例えば、約０．００５１ｃｍ（約０．００２インチ）〜約０．０５１ｃｍ（約０．０２インチ）厚）。現在のところ好ましくあるように、二極式プレート１２、１４及び１６は、型押しにより、フォトエッチングにより（即ち、フォトリソグラフィーマスクを通して）、又は、シート金属を形成するための他の任意の従来プロセスによって、形成されることのできる好ましくはステンレス鋼製の金属シートである。当業者は、他の適切な材料及び製造プロセスを二極式プレートから利用することができることを認めるであろう。
【００１７】
図２乃至図７を参照すると、二極式プレート１２は、流れ場２０の幾何学的形状が、その第１の側の機能的蛇行流れ場２０ｓと、その反対側の機能的交互入り込み流れ場２０ｉと、を形成するように構成されている。より詳しくは、二極式プレート１２は、複数の流れチャンネル５６ｓ、５６ｉを画成する、複数のランド５４ｓ、５４ｉにより特徴付けられた反応性ガス流れ場を提供するように形成されている。該流れチャンネルを通って、反応性ガスが、二極式プレート１２の入口プレートマージン領域５８からその排出プレートマージン領域６０まで流れる。二極式プレート１２を横切る流れの方向は、概して、入口プレートマージン領域５８から流れ場２０を通って出口プレートマージン領域６０に沿っている。複数の供給ヘッダーアパーチャ６２は、入口プレートマージン領域５８の外側エッジの近傍に形成されている。複数の入口ポート６４は、供給ヘッダーアパーチャ６２と、流れ場２０との間の入口プレートマージン領域５８内に形成されている。同様に、複数の排出ヘッダーアパーチャ６６は、出口プレートマージン領域６０の外側エッジの近傍に形成され、複数の排出ポート６８は、排出ヘッダーアパーチャ６６及び流れ場２０の間の出口プレートマージン領域６０に形成されている。ヘッダーアパーチャ６２及び６６、並びに、ポート６４及び６８が概略的に説明されたが、当業者は、そのようなアパーチャ及びポートの各々が、燃料電池スタックを通って、例えば、燃料、酸化剤又は冷却剤等の特定の燃料を連通させることに専用になることを容易に認めるであろう。燃料電池が完全に組み立てられたとき、ランド５４ｓ、５４ｉは、主要電流コレクター３８及び４０に対して押圧し、該コレクターは次いで膜電極アッセンブリ１０を押圧する。作動中には、膜電極アッセンブリにより発生された電流は、ランド５４ｓ、５４ｉを通って主要電流コレクター３８及び４０から流れ、よって、燃料電池スタックを通って流れる。反応ガスは、チャンネル５６を通り、入口ポート６４を介して供給ヘッダーアパーチャ６２から流れチャンネル５６ｓ、５６ｉへと供給され、排出ポート６８を介して排出ヘッダーアパーチャ６６から出ていく。
【００１８】
以下、図３、４及び７を参照して蛇行流れ場２０ｓを詳細に説明する。蛇行流れ場２０ｓは、流れチャンネル５６ｓへの流体連通を提供する入口フィード７０を備えており、該チャンネルは、二極式プレート１２の幅を横切り、排出フィード７２で終わっている。流れチャンネル５６ｓは、二極式プレート１２上で交差して延在する複数の中間脚部７６を有する第１の蛇行経路７４と、二極式プレート１２上で交差して延在する複数の中間脚部８０を有する第２の蛇行経路７８と、によって画成される。第１及び第２の蛇行経路７４、８０は、二極式プレート１２の幅の約半分を各々横切り、交差脚部８２により流体連結されている。図４で最も良く示されているように、隣接する内部蛇行流れチャンネル５６ｓは、共通の入口フィード７０により供給され、共通の排出フィード７２を分け合っている。よって、隣接する流れチャンネルの入口客部は、入口フィード７０で互いに連続しており、隣接する流れチャンネルの出口客部は、排出フィード７２で互いに連続している。効果的に、各々の流れチャンネルは、次の隣接する流れチャンネルの鏡像である。蛇行流れチャンネル５６ｓ内で流れている反応ガスは、図７に示されるように、主要電流コレクター３６を通って隣接する流れチャンネル５６ｄ内に流れることもできる。
【００１９】
以下、図５乃至図７を参照して、交互入り込み流れ場２０ｉを説明する。二極式プレート１２の蛇行側２０ｄ上に形成された流れチャンネル５６ｓは、反対側にランド５４ｉを画成し、二極式プレート１２の蛇行側２０ｄ上の同様のランド５４ｓは、その反対側に流れチャンネル５６ｉを画成する。図６に最も良く示されているように、交互入り込み流れ場２０ｉは、二極式プレート１２の幅に亘って横切り且つ排出フィード８６で終わっている、流れチャンネルの流れ５６ｉへの流体連通を提供する、入口フィード８４を備えている。蛇行流れチャンネル５６ｓに関して、交互入り込み流れチャンネル５６ｉは、入口フィード８４と流体連通している複数の中間脚部９０及び二極式プレートの第１の半部分を横切る排出フィード８６と流体連通している複数の中間脚部９２を有する、第１の交互入り込み流れ経路８８と、入口フィード８４と流体連通している複数の中間脚部９８及び二極式プレート１２の第２の半部分を横切る排出フィード８６と流体連通している複数の中間脚部９８と、に分割される。入口フィード８４から交互入り込み流れ経路８８、９４内を流れる反応ガスは、図７に最も良く示されているように、排出フィード８６を介して吐出されるべき主要電流コレクター４０を通ってランド５４ｉと交差しなければならない。
【００２０】
ここで、図８を参照すると、未冷却式の燃料電池１０２ｕと、冷却式の燃料電池１０２ｃとを有するＰＥＭ燃料電池スタック１００の部分等角分解図が示されている。未冷却式の燃料電池１０２ｕは、積み重ねられた関係で配列された、膜電極アッセンブリ／主要電流コレクターアッセンブリ１０６、シール部１０８、二極式プレート１１０、及び、シール部１１２を備えている。冷却式の燃料電池１０２は、膜電極アッセンブリ／電流コンダクターアッセンブリ１１４、シール部１１６、二極式プレート１１８、スペーサー１２０、二極式プレート１２２及びシール部１２４を備えている。当業者は、ＰＥＭ燃料電池スタック１００が、一つの未冷却式の燃料電池１０２ｕと、一つの冷却式の燃料電池１０２ｃとを有するように示されているが、スタック中で、冷却されない燃料電池に対する冷却される燃料電池の比率は、スタックの作動特性に応じて変えることができることを容易に認めるであろう。このように、任意の比率（例えば、１、１／２、α、１／４、．．．．）が、本発明より想定されている。加えて、冷却用に反応空気を使用する空気冷却式スタック（即ち、φの比率を有する）も、本発明により想定されている。
【００２１】
二極式プレート１１０、１１８及び１２２は、その上側表面上に形成されている蛇行流れチャンネルと、前述したようにその下側表面上に形成された交互入り込み流れチャンネルとを画成する流れ場１２６を有する。一連の矩形供給ヘッダーアパーチャ１２８（酸化剤）、１３０（燃料）、及び、１３２（冷却剤）は、燃料電池スタックを通って、配管４２（酸化剤）、配管４４（燃料）及び配管５０（冷却剤）から、夫々、ガス反応物（即ち、酸化剤及び燃料）と、冷却剤と、を連通させるために二極式プレート１１０、１１８及び１２０を貫通して形成されている。この点において、二極式プレート１１０、１１８及び１２２は、アパーチャ１２８、１３０及び１３２は、燃料電池スタックを通って軸方向に流体供給トンネルを形成するため整列するように、積み重ねられた関係で配列されている。二極式プレート１１０、１１８及び１１２は、ガス状反応物及び冷却材を、供給ヘッダーアパーチャ１２８、１３０及び１３２から適切な流れ場１２６に各々差し向けるため、内部に形成された、ポート１３４、１３６及び１３８も有する。
【００２２】
本発明は、ヘッダーアパーチャからポートを通って流れ場へと至る流体連通経路を形成する、互い違いに配置されたシール部構成を利用している。詳しくは、シール部１０８、１１２、１１６及び１２４、並びに、スペーサー１２０の構成は、貫通して流れる流体に依存するような流体連通経路を画成している。
【００２３】
ここで、図８乃至図１４を参照して、本発明の互い違いに配置されたシール部構成を更に詳しく説明する。燃料が冷却式電池１０２ｃを通って流れる場合には、反応燃料ガスは、二極式プレート１１８の下方の供給ヘッダーアパーチャ１３０から、二極式プレート１１８の上方のアノードポート１３６を通って、段形成されたシール部構成を通って膜電極アッセンブリ１１４のアノード側へと連通している。より詳しくは、スペーサー１２０は、アパーチャ１４０を内部に形成させており、該アパーチャは、二極式プレート１１８内に形成されたアノードポート１３６の周囲を取り囲む流体連通経路１４２を備えている。スペーサー１２０から入力１１８の反対側に配置されているシール部１１６は、二極式プレート１１８内に形成されたアノードポート１３６を取り囲み、入口脚部１４６で終わっている、流体連通経路１４４を備えている。類似の流体連通経路は、シール部１１２に形成されたアパーチャ１４８が、シール部１１２が二極式プレート１１０内に形成されたアノードポート１３６を取り囲むように、そこから延在する流体連通経路１５０を有するという仕方で、未冷却式燃料電池１０２ｕに対して確立されている。二極式プレート１１０の反対側に配置されたシール部１０８は、二極式プレート１１０内に形成されたアノードポート１３６を取り囲むように、その内周部から延在する流体連通経路１５２を持ち、入口脚部１５４で終わっている。
【００２４】
ここで、特に図１０を参照すると、膜電極アッセンブリ１１４へのアノード流体流れ経路が示されている。燃料は、供給ヘッダーアパーチャ１３０を通って二極式プレート１１８、スペーサー１２０及び二極式プレート１２２により画成された流体連通経路１４２に沿って流れ、並びに、アノードポート１３６を通って、膜電極アッセンブリ１１４、シール部１１６及び二極式プレート１１８により画成された流体連通経路１４４に沿って流れる。同様に、図１１を参照すると、膜電極アッセンブリ１０６へのアノード流体流れ経路が示されている。燃料は、供給ヘッダーアパーチャ１３０を通って、二極式プレート１１０、シール部１１２、１１６及び二極式プレート１１８により画成される流体連通経路１５０に沿って二極式プレート１１０に形成されたアノードポート１３６を通って流れ、次に、膜電極アッセンブリ１０６、シール部１０８及び二極式プレート１１０により画成された流体連通経路１５２に沿って流れる。これらの例の各々において、アノード流体流れ経路は、燃料を、燃料供給部から膜電極アッセンブリ１０６及び１１４のアノード面にまで差し向ける。
【００２５】
酸化剤が冷却式電池１０２ｃを通って流れる場合には、反応酸化剤ガスが、二極式プレート１１０の上方の供給ヘッダーアパーチャ１２８から、二極式プレート１１０の下方のカソードポート１３４を通って、膜電極アッセンブリ１１４のカソード側に段形成シール部構成を通して連通される。より詳しくは、シール部１０５、１０８は、二極式プレート１１０内に形成されたカソードポート１３４を取り囲んだ流体連通経路１５８を備える、内部に形成されたアパーチャ１５６を有する。シール部１０８から二極式プレート１１０の反対側に配置されたシール部１１２は、二極式プレート１１０内に形成されたカソードポーチ１３４も取り囲み且つ入口脚部１５４で終わっている流体連通経路１６０を備えている。同様の流体連通経路が、冷却式燃料電池１０２ｃに対して確立され、段形成されたシール部構成により画成される。
【００２６】
ここで、特に図１２を参照すると、膜電極アッセンブリ１１４へのカソード流体流れ経路が示されている。酸化剤は、供給ヘッダーアパーチャ１２８を通って二極式プレート１０４、シール部１０５、１０８、及び二極式プレート１１０により画成された流体連通経路１５８に沿ってカソードポート１３４を通って流れ、次に、二極式プレート１１０、シール部１１２、及び、膜電極アッセンブリ１１４により画成された流体連通経路１６０に沿って流れる。同様に、図１３を参照すると、酸化剤が、二極式プレート１０４の上方の供給ヘッダーアパーチャ１２８を通って流れ、次に、カソードポート１３４を通って、二極式プレート１０４、シール部１０５及び膜電極アッセンブリ１０６により画成された流体連通経路１６２に沿って流れる。
【００２７】
冷却剤が冷却式電池１０２ｃを通って流れる場合には、冷却剤は、二極式プレート１１０及び１１８の間の供給ヘッダーアパーチャ１３２から、二極式プレート１１８の下方の冷却剤ポート１３８を通り、段形成されたシール部構成を通って連通される。より詳しくは、シール部１１２、１１６は、二極式プレート１１８内に形成された冷却剤ポート１３８を取り囲んだ流体連通経路１６０を備えるアパーチャ１６４を内部に形成されている。二極式プレート１１８の反対側に配置されたスペーサー１２０は、二極式プレート１１８内に形成された冷却剤ポート１３８も取り囲み、且つ、内側冷却材体積部１７０で終わっている、流体連通経路１６８を備えている。
【００２８】
ここで、図１４を参照すると、冷却式燃料電池１０２ｃへの冷却剤流体流れ経路が示されている。冷却剤は、冷却剤ポート１３８を通り、二極式プレート１１０、シール部１１２、１１６及び二極式プレート１１８により画成された流体連通経路１６６に沿って、供給ヘッダーアパーチャ１２８を通って流れ、次に、二極式プレート１１８、スペーサー１２０及び二極式プレート１２２により画成された流体連通経路１６８に沿って、二極式プレート１１８及び二極式プレート１２２上に形成された流れ場の間に画成された内部冷却剤体積部１７０へと流れる。
【００２９】
燃料電池スタック１００内への流体の供給又は入口流れが特に詳細に上述された。当業者は、容易に認めるであろう。本発明の段形成されたシール部構成は、燃料電池スタックからガス状反応物及び冷却剤を排出するための燃料電池スタック１００の排出側に類似の段形成されたシール部構成も含んでいる。かくして、上述された、段形成されたシール部構成を使用することにより、本発明は、ガス状反応物及び冷却剤を、燃料電池スタック１００内へと輸送し、該スタックを通して、該スタックから出るように効率的に輸送することができる。
【００３０】
本発明は、膜電極アッセンブリの両側に配置されたシール部（即ち、一対のシール部）の使用を通して説明されたが、当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、単一のシール部をこの構成の代わりに置き換えることができることを容易に認めるであろう。さらには、本発明は、燃料電池のアノード側のために蛇行流れ場を、燃料電池のカソード側のために交互入り込み流れ場を使用するものとして説明されたが、当業者は、交互入り込み流れ場が、燃料電池のアノード側で使用することに関して一定の有用性を持ち、同様に、蛇行流れ場が、燃料電池のカソード側で使用することに関して一定の有用性を持ち得ることを容易に認めるであろう。かくして、本発明は、様々な好ましい実施例の点で開示されたが、本発明は、それらに限定されず、請求項に記載された範囲にのみ限定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、ＰＥＭ燃料電池スタックの概略等角分解図である。
【図２】図２は、燃料電池スタック中の膜電極アッセンブリ及び二極式プレートの等角分解図である。
【図３】図３は、蛇行流れ場をその上に形成させた、図２に示す二極式プレートの頂部表面の一部分の等角図である。
【図４】図４は、図２に示す、二極式プレートの両部の平面図である。
【図５】図５は、交互入り込み流れ場をその上に形成させた、図２に示す二極式プレートの底部表面の一部分の等角図である。
【図６】図６は、図２に示す、二極式プレートの底部の平面図である。
【図７】図７は、反応ガス流れの方向を示す、燃料電池スタック中の、二極式プレート及び多孔性主要電流コレクターの断面図である。
【図８】図８は、燃料スタック中における、非冷却電池及び冷却電池を含む、一対の燃料電池の等角分解図である。
【図９】図９は、図８に示された燃料電池スタックの平面図である。
【図１０】図１０は、アノードのポーティングを示す、図９のラインＸ−Ｘに沿って取られた断面図である。
【図１１】図１１は、アノードのポーティングを示す、図９のラインXI−XIに沿って取られた断面図である。
【図１２】図１２は、カソードのポーティングを示す、図９のラインXII−XIIに沿って取られた断面図である。
【図１３】図１３は、カソードのポーティングを示す、図９のラインXIII−XIIIに沿って取られた断面図である。
【図１４】図１4は、冷却剤のポーティングを示す、ラインXIV−XIVに沿って取られた断面図である。
【図９】
2004522262.tif 000003
【図１０】
2004522262.tif 000004
【図１１】
2004522262.tif 000005
【図１２】
2004522262.tif 000006
【図１３】
2004522262.tif 000007
【図１４】
2004522262.tif 000008
【国際公開パンフレット】
2004522262.tif 000009
2004522262.tif 000010
2004522262.tif 000011
2004522262.tif 000012
2004522262.tif 000013
2004522262.tif 000014
2004522262.tif 000015
2004522262.tif 000016
2004522262.tif 000017
2004522262.tif 000018
2004522262.tif 000019
2004522262.tif 000020
2004522262.tif 000021
2004522262.tif 000022
2004522262.tif 000023
2004522262.tif 000024
2004522262.tif 000025
2004522262.tif 000026
2004522262.tif 000027
2004522262.tif 000028
2004522262.tif 000029
2004522262.tif 000030
2004522262.tif 000031
2004522262.tif 000032
2004522262.tif 000033
2004522262.tif 000034
【国際調査報告】
2004522262.tif 000035
2004522262.tif 000036