(57)【要約】燃料電池用フローフィールド・プレートは、その前面において反応ガス用のフローチャネル、及び該前面から裏面に延出する少なくとも２つのスロットを有する。裏面には、少なくとも２つのアパーチャが反応ガス用に設けられ、アパーチャ延長部が存在し、各アパーチャから個々のスロットまでの流路を付与する。これにより、両面上のシール表面が十分に支持されるようにオフセットすることが可能になる。この配置により、フローチャネルをクロスオーバーするシール材又はガスケット部を付与する必要がなくなり、各ガスケットのすべての部分が適切に支持されることが確実になる。
2004522277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極アセンブリ用の相補形フローフィールド・プレートでチャンバを画定するための前面、及び裏面を有する燃料電池用フローフィールド・プレートであって、該フローフィールド・プレートは、
前記チャンバに供給するための反応ガス用の少なくとも２つのアパーチャと、
前記前面上に設けられる反応ガス用フローフィールド・チャネルと、
フローフィールド・プレートの裏面上で延出し、各アパーチャごとに設けられるアパーチャ延長部と、
対応するアパーチャ延長部と反応ガス用フローチャネルとを連通させるために、フローフィールドプレートの裏面から前面まで延出し、各アパーチャごとに設けられる少なくとも１つのスロットと、
を含む、フローフィールド・プレート。
【請求項２】
燃料電池の隣接した要素でシールを形成するための、前面及び裏面に設けられるシール表面を含み、前記フローフィールド・プレートの前面上のシール表面が各アパーチャごとに、対応するアパーチャを囲み、少なくとも１つのスロットを該対応するアパーチャから分離する第１のシール表面部を含み、裏面上に、前記少なくとも１つのスロットとアパーチャとを共に囲む第２のシール表面部が設けられる、請求項１に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項３】
各アパーチャごとに複数のスロットを含む、請求項２に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項４】
各アパーチャ延長部には、複数の突起部が設けられ、アパーチャからスロットに延出するフローチャネルを画定する、請求項３に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項５】
第２の反応ガス用の第２のアパーチャが少なくとも２つ設けられ、
第２の反応ガス用の第２のフローフィールド・プレートの相補形突起部と当接するために、前面において、第２のアパーチャ延長部と、該第２のアパーチャ延長部に設けられる複数の第２の突起部と、が第２のアパーチャの各々に対し設けられる、請求項３に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項６】
裏面において、対応する第２のアパーチャを囲む裏面シール部が第２のアパーチャの各々に対し設けられ、前面において、対応する第２のアパーチャと関連した第２のアパーチャ延長部とを囲む第２の前面シール部が設けられ、前記第２の前面シール部及び前記裏面シール部が、互いにオフセットしたシール表面セグメントを含む、請求項５に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項７】
各シール表面部がシールを収容するための溝を含む、請求項６に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項８】
少なくとも２つのクーラント用第３のアパーチャと、裏面上の、前記クーラント用第３のアパーチャの間に流路を提供するフローチャネルと、前面上の、該第３のアパーチャを囲むシール部と、を含む、請求項６又は請求項７に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項９】
少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池アセンブリであって、各燃料電池は、
前面及び裏面を含む第１及び第２の相補形フローフィールド・プレートであって、前面どうしが対向し、燃料電池チャンバを画定する、第１及び第２の相補形フローフィールド・プレートと、
燃料電池チャンバ内に設けられる膜電極アセンブリ及びガス拡散媒体と、
第１の反応ガス用のフローフィールド・プレート各々における少なくとも２つの第１のアパーチャと、第２の反応ガス用のフローフィールド・プレート各々における少なくとも２つの第２のアパーチャと、
を含み、
前記第１のフローフィールド・プレートは、前面上の第１の反応ガス用フローチャネルと、第１の反応ガス用フローチャネルからその裏面まで延出する第１のスロットと、裏面上で第１のアパーチャのそれぞれに対し設けられる第１のアパーチャ延長部と、を含み、該第１のアパーチャと前記第１のスロットとの連通を可能にし、
前記第２のフローフィールド・プレートは、前面上の第２の反応ガス用フローチャネルと、第２の反応ガス用フローチャネルからその裏面まで延出する第２のスロットと、裏面上で第２のアパーチャのそれぞれに対し設けられる第２のアパーチャ延長部と、を含み、該第２のアパーチャと前記第２のスロットとの連通を可能にする、
燃料電池アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池用フローフィールド・プレート、及び該フローフィールド・プレートを組み込んだ燃料電池アセンブリに関する。本発明は詳細には、ガスの漏出や、個別のガスの動作に必要な液体の漏出を防止し、燃料電池のスタックの活性領域に反応物質を供給するために、従来の燃料電池又は燃料スタックアセンブリの種々のフローフィールド・プレートとその他の要素との間でスタックを封止（シール）する装置及び方法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
種々の燃料電池が知られている。現在多数の用途で使用するのに実用的であると確信されている燃料電池の一形式は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）を用いた燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、単純且つ小型燃料電池の設計を可能にする。この燃料電池は頑丈であり、周囲温度とそれほど差がない温度で動作可能であり、さらに燃料、オキシダント、及び供給冷却剤に対し複雑な要件がない。
【０００３】
従来の燃料電池は相対的に低い電圧を生成する。使用可能な出力量を提供するために、燃料電池は普通、燃料電池スタックに構成され、一般には１つのスタックにおいて１０個、２０個、３０個、又は１００個代の数の燃料電池を有する。これは、使用可能な電圧で有効な出力量を生成する能力がある単一ユニットを提供するが、そのデザインは非常に複雑であり、慎重な組み立てが必要とされる多数の要素を含む可能性がある。
【０００４】
例えば、従来のＰＥＭ燃料電池は２枚のフローフィールド・プレート、即ち、陽極フローフィールド・プレートと陰極フローフィールド・プレートを必要とする。実際のプロトン交換膜を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）はこれら２枚のプレート間に設けられる。さらに、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）が各フローフィールド・プレートとプロトン交換膜との間に挟まれるように設けられる。ガス拡散媒体は、適切なガス、即ち、燃料やオキシダントをプロトン交換膜の表面に拡散させることを可能にすると同時に、対応するフローフィールド・プレートとＰＥＭとの間に電気伝導性をもたらす。
【０００５】
この基本的なセル構造そのものは２つのシールを必要とし、各シールはフローフィールド・プレートの一方とＰＥＭとの間に設けられる。さらに、これらシールは比較的複雑な構成でなければならない。特に、以下に詳述するように、燃料電池スタックに使用するためのフローフィールド・プレートは多くの機能を付与しなければならず、複雑な封止装置が要求される。
【０００６】
燃料電池スタックに対し、フローフィールド・プレートは一般に、両端にアパーチャ又は開口部を設けているので、フローフィールド・プレートのスタックはフローフィールド・プレートに対し垂直に延出する細長いチャネルを画定する。燃料電池が燃料、オキシダント、及び冷却剤（クーラント）の流れを必要とする時、これには概して３対のポート、即ち、全体で６個のポートが必要とされる。これは、燃料及びオキシダントが各燃料電池を流れる必要があるからである。連続した流れは、燃料又はオキシダントのほとんどが場合に応じて消耗される一方で、汚染物のすべてが連続的に燃料電池内で洗い流されることを確実にする。
【０００７】
上記より、燃料電池がクーラントとして水等を備えた小型構成となることが想定される。自然対流又は強制対流の一方を基にした、クーラントとして空気を使用する周知のスタック構造が存在する。このような電池スタックは概して、クーラント用スタック内に開放チャネルを設けており、封止要件が軽減される。普通は、オキシダント及び燃料のための封止された供給チャネルを設けることが必要であるだけである。
【０００８】
その結果、各フローフィールド・プレートは概して、各端部に３つのアパーチャを有し、各アパーチャは、燃料、オキシダント、及びクーラントの１つに対する入口又は出口を表す。完成した燃料電池スタックにおいて、これらアパーチャは位置合わせされ、燃料電池スタック全体にわたって延出する分配チャネルを構成する。このように、封止要件が複雑であり、これを満たすのが困難であることは理解されるだろう。しかしながら、スタック／電池設計に応じて各流体ごとの燃料電池に対し複数の入口と出口を有することは可能である。例えば、一部の燃料電池は、陽極、陰極、及びクーラントのそれぞれに対し２個の入口ポートと、クーラントに対して２個の出口ポートと、陰極と陽極のそれぞれに対し１個のみの出口ポートを有する。しかしながら、どのような組み合わせも想定できる。
【０００９】
クーラントに関して、隣接した個々の燃料電池間を流れるように、各燃料電池の裏面にわたって流れる。これは必ずしも絶対的ではないが、結果として、多くの燃料電池スタックの設計上、２番目、３番目、４番目などの各プレートごとにのみ冷却チャネルが設けられる。これにより、更に小型のスタック（さらに薄い板）が許容されるが、十分な冷却をもたらすものではない。これにより、別のシール、即ち、隣接した各対の個々の燃料電池間のシールに対する要件が付与される。このように、完成した燃料電池スタックにおいて、それぞれ個々の燃料電池は、２つのシールが単に膜交換アセンブリを２枚のフローフィールド・プレートに対し封止するように要求することになる。３０個の個別の燃料電池を備えた燃料電池スタックは、まさにこのために、６０個のシールを必要とする。さらに、上述したように、シールは、隣接した各対の燃料電池と集電器（カレント・コレクタ）に対するエンド・シールとの間に必要とされる。３０個のセルから成るスタックでは、これにより更なる３１個のシールが必要とされ、このため、３０個のセルから成るスタックは、全部で（バス・バー、カレント・コレクタ、及び端板それぞれに対するシールを除く）９１個のシールを要求することになり、これらはそれぞれ、複雑且つ精巧な構造になる。バス・バー、絶縁板、及び端板に必要な更なるガスケットにより、その数は、３０個のセルから成る単一のスタックにおいて、種々の構成による１００個のシールに達する。
【００１０】
一般に、これらシールは、フローフィールド・プレートにチャネル又は溝を設け、これらチャネル又は溝にプレハブ式ガスケットを付与して封止を行なうことによって形成される。既知の方法で、ガスケット（及び／又はシール材料）は詳細には、燃料電池における種々の構成材料、水溶性でもある種々のガス及びクーラント、さらには熱変換に使用される有機及び無機の流体にそれぞれ接触することによる劣化に耐えるように重合且つ調製される。弾性シールへの言及は、エラストマーの注入、転移、又は圧縮成形等の周知の方法によって燃料電池の個々の要素とは別々に成形されるフロッピー（登録商標）・ガスケットシールを一般的に参照する。インサート注入成形等の既知の方法により、弾性シールをプレート上に組み立てることができ、明らかに、ユニットのアセンブリは更に簡単である可能性があるが、このようなシールを形成することは、成形磨耗、組み立てプレートにおける許容差、及び材質変更等の固有の作業変数のために困難であるとともに、高額な費用がかかる可能性がある。さらに、シール及びプレートのそれぞれのデザインに対して特注の工具類が必要とされる。
【００１１】
組み立て後の燃料電池スタックは、要素を固着し、適度な圧縮がシール及び燃料電池スタックの活性領域に付加されることを確実にするために、通常は締め付けられている。この方法は、接触抵抗が最小限に抑えられ、セルの電気抵抗が最低値にあることを確実にする。このために、燃料電池スタックは一般には、２枚の実質的な端板を有し、これらは圧力を受けた際の撓みが許容差範囲にあるように十分な剛性があるように構成される。燃料電池はまた、燃料電池から小さなピックアップ地点までの電流を集電し集中させるために電流バス・バーを一般的に有し、電流は導体を介して負荷に伝送される。絶縁板は、電流バス・バー及び端板を熱的且つ電気的に相互に絶縁させるためにまた使用される。複数の長尺ロッド、ボルト等が対を成したプレート間に設けられるため、プレート間の燃料電池スタックとテンションロッドは、共に締め付けることができる。リベット、ストラップ、ピアノ線、金属板、及びその他の機構もまた、スタックをともに締め付けるために使用できる。スタックを組み立てるために、ロッドは一方のプレートの内部を延出するように設けられ、絶縁板、及び（シールを含む）バス・バーは端板の上部に配置され、燃料電池の個々の要素は、ロッド又は他の何か位置決め工具によって画定される空間内に積層される。これは、各燃料電池に対し以下のステップ（ａ）乃至（ｈ）を一般には必要とする。
（ａ）燃料電池をその前の燃料電池から区別するためにシールを配置する。
（ｂ）フローフィールド・プレートをシール上に位置付ける。
（ｃ）第１のフローフィールド・プレート上にシールを位置付ける。
（ｄ）上記フローフィールド・プレート上のシールの内部にＧＤＭを配置する。
（ｅ）前記シール上に、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を位置付ける。
（ｆ）ＭＥＡの上部に更なるＧＤＭを配置する。
（ｇ）第２のプレートのシールが第２のＧＤＭの周囲に移動することを確実にしながら、シールを備えた更なるフローフィールド・プレートを作成し、これを膜交換アセンブリの上部に配置する。
（ｈ）この第２の、即ち、上側のフローフィールド・プレートが、ステップ（ａ）にあるように、シールを収容するための溝を示す。
【００１２】
このプロセスは、最後の電池が形成され、バス・バー、絶縁板、及び最後の端板によって仕上げがされるまでに終了しなければならない。
【００１３】
多くの燃料電池デザインにおける問題は、各フローフィールド・プレートが適切な流体用の分配チャネルを画定する供給アパーチャと連通するフローフィールド・チャネルの回路網（ネットワーク）を必然的に備えていなければならないことである。ほとんどの場合、燃料電池は不純物の蓄積を防止するために反応ガスの流れをもたらすように設計されている。このように、反応ガス及びクーラントに対し、フローフィールド・チャネルの各回路網は少なくとも２つのアパーチャ又はポートに接続されている。しかしながら、これと同時に、多くのデザインでは、各フローフィールド・プレートとＭＥＡとの間にシールを設け、ＭＥＡを封入することを必要とし、最も重要なことは、ＭＥＡの活性領域と、アパーチャ又はポートとの間にシールを設けることである。これは、シール又はガスケットがフローフィールド・チャネル又は接続部の上方を流れることを必要とし、供給アパーチャと、フローフィールド・チャネルの主要中心部、又は、活性部分との接続を証明する。
【００１４】
いずれか１つの反応ガスに対し、フローフィールド・チャネルと、対応する第１のフローフィールド・プレート上の供給アパーチャのすべてを封入することを終えたガスケットを設けることが考えられ得る。これにより、そのフローフィールド・プレートとＭＥＡとの間に良好なシールが形成可能となる。しかしながら、ＭＥＡの反対側では、第１のフローフィールド・プレートに供給される反応ガスに対し、第２のフローフィールド・プレートにおけるアパーチャを完全に封入するガスケットを提供することが必要である。この構造において、膜の一部は第１のフローフィールド・プレート上の開放チャネルの上方に位置するので、適切に支持されず、これにより、不適切な封止があるという危険を冒すことになり、その結果、ガスが混合され、周知のように極めて好ましくない。
【００１５】
他の代替方法は、溝又はチャネルをクロスオーバーする第１のフローフィールド・プレート上にガスケットを設けることである。これはＭＥＡをある程度支持することになりし、ＭＥＡは同様に構成された２つのガスケット間に挟まれる。しかしながら、ガスケットが第１のフローフィールド・プレート上の開放チャネルをクロスオーバーする場合、ガスケットは適切に支持されず、２つの問題を引き起こす可能性がある。まず、ガスケットの支持が不充分であることによって、ＭＥＡに対する封止が不適切になることである。次に、ガスケットが流路内に突き出ることによりガスの流れを妨げる傾向がある。
【００１６】
旧デザインの多くはこのような問題に対応せずに、ガスケットのフローフィールド・チャネルへの望ましくない偏位が著しい問題を引き起こすものではないと思い込んでいたにすぎなかった。その結果、いったん圧縮されたガスケットは、チャネルの接続部分につぶれて入り込み、少なくとも部分的にチャネルを閉塞し、上述のように、同時にＭＥＡに適切な圧力が付加される可能性があり、ＭＥＡの一面又は他方の面上にシール破損を引き起こす。
【００１７】
この問題は、従来技術において認識され対処されてきた（特許文献１を参照）。これは、フローフィールド・プレートの製造を非常に複雑化する旧来の技術が、供給アパーチャからフローフィールド・チャネルの主要部まで個々の孔（ボア）を掘削することを必要とし、接続チャネル部分が封入されることを事実上確実にすることを意味する。この従来技術では、代替方法、即ち、フローフィールド・チャネルが全体に開放されるが、ブリッジ・ピースが接続チャネル部分を封入するように設けられ、これによりガスケットに対する支持を付与することを提案している。この方法はそれでも複雑であり、部品点数を増加させるので、燃料電池スタックアセンブリをより一層複雑にし、すべてのブリッジ・ピースが組み立て時に適切に位置付けられ、組み立て後もその位置が変わらないことを確保するという問題がある。さらに、不適切な許容差が種々の構成要素において保持されている場合、ブリッジ・ピースが全体としてフローフィールド・プレートの上部と同一平面上にないこともあり、さらにガスケットの封止が不適切になったり、あるいは超過局部圧力によりフローフィールド・プレートが破損することになる。さらに、本発明の譲受者はこれまで同様の装置を開発し、ガスケットがつぶれて流路に入り込まないように「ブリッジ」ピースを設けている。
【特許文献１】
米国特許番号第６，０１７，６４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
このように、従来の燃料電池スタックの組み立てが困難で、時間のかかる作業であり、シール破損をもたらす可能性が多いことは理解されるだろう。上記従来技術で教示された方法は大体において、ある問題を別のものに置き換えているにすぎない。
【００１９】
こうしたすべての理由により、従来の燃料電池の製造及び組み立ては時間も費用もかかる。詳細には、現在の組み立て技術は生産ラインベースでは燃料電池の大規模生産に対し全体に不適当である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明によれば、膜電極アセンブリ用の相補形フローフィールド・プレートでチャンバを画定するための前面と、裏面を有する燃料電池用フローフィールド・プレートが提供される。このフローフィールド・プレートは、上記チャンバに供給するための反応ガス用の少なくとも２つのアパーチャと、上記前面上に設けられた反応ガス用フローフィールド・チャネルと、フローフィールド・プレートの裏面上で延出し、各アパーチャごとに設けられるアパーチャ延長部と、対応するアパーチャ延長部と反応ガス用フローチャネルとを連通させるために、フローフィールド・プレートの裏面から前面まで延出し、各アパーチャごとに設けらける少なくとも１つのスロット、を含む。
【００２１】
本発明の別の態様によると、少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池アセンブリが提供される。各燃料電池は、
前面及び裏面を含む第１及び第２の相補形フローフィールド・プレートであって、前面どうしが対向し、燃料電池チャンバを画定する第１及び第２の相補形フローフィールド・プレートと、
燃料電池チャンバ内に設けられる膜電極アセンブリ及びガス拡散媒体と、
第１の反応ガス用各フローフィールド・プレートにおける少なくとも２つの第１のアパーチャと、第２の反応ガス用各フローフィールド・プレートにおける少なくとも２つの第２のアパーチャと、
を含む。ここで、上記第１のフローフィールド・プレートは、前面上の第１の反応ガス用フローチャネルと、第１の反応ガス用フローチャネルからその裏面まで延出する第１のスロットと、裏面上で第１のアパーチャのそれぞれに対し設けられる第１のアパーチャ延長部と、を含み、該第１のアパーチャと上記第１のスロットとの連通を可能にする。さらに、上記第２のフローフィールド・プレートは、前面上の第２の反応ガス用フローチャネルと、第２の反応ガス用フローチャネルからその裏面まで延出する第２のスロットと、裏面上で第２のアパーチャのそれぞれに対し設けらける第２のアパーチャ延長部と、を含み、該第２のアパーチャと上記第２のスロットとの連通を可能にする。
【００２２】
本発明の更なる理解のために、本発明をどのように実行するかをより明確に示すために、一例として、本発明の好ましい実施の形態を示す添付図面が参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
従来、燃料電池における２枚の対向プレートの各対の溝に対し、ある形状の前成形（プレフォーム）ガスケットが設けられる。米国出願に開示された発明によると、連続的な溝又はチャネルを形成するために、種々の溝が適切な導管（コンジット）によって共に接続されることがある。次に、シール材料は、溝を完全に充てんするように、これら種々の溝に注入される。シーラントは、完全なシールを形成するために、例えば、適切な高温処理によって硬化される。これらシーリング方法はいずれも、あるいはその他の好適なシーリング方法は、本発明の燃料スタックに使用可能である。
【００２４】
まず図１及び図２を参照すると、スタック１００の基本的要素が示される。スタック１００は、陽極端板１０２及び陰極端板１０４を含む。既知の方法において、両端板１０２、１０４には、必要な流体を供給するための接続口が設けられている。空気接続口は番号１０６、１０７によって示され、クーラント接続口は番号１０８、１０９によって示され、水素接続口は番号１１０、１１１によって示される。図示されてはいないが、接続口１０９、１１１に対応するクーラントポート及び水素ポートが燃料電池スタックの陽極側に設けられることは理解されるだろう。種々のポート１０６乃至１１１は、先述の実施の形態に関して、燃料電池スタック内を延出する分配チャネル又は分配ダクトに接続されている。これらポートは、燃料電池スタックを種々の必要な機器に接続可能にするために、対で設けられ、燃料電池スタック全体にわたって延出する。これにより、多数の燃料電池スタックを既知の方法で接続することも可能である。
【００２５】
陽極及び陰極の両端板１０２、１０４のそれぞれすぐ隣には絶縁体１１２、１１４が存在する。これら絶縁体のすぐ隣には、既知の方法で、陽極集電器（カレント・コレクタ）１１６及び陰極集電器（カレント・コレクタ）１１８が存在する。
【００２６】
これらカレント・コレクタ１１６、１１８の間には、複数の燃料電池が存在する。この特定の実施の形態では、１０個の燃料電池が存在する。図５は、簡単にするために、１つの燃料電池の要素を示している。このように、図５には、陽極フローフィールド・プレート１２０、第１の又は陽極ガス拡散層又は媒体１２２、ＭＥＡ１２４、第２の又は陰極ガス拡散層１２６、及び陰極フローフィールド・プレート１３０が示されている。
【００２７】
アセンブリを一体に保持するために、タイ・ロッド１３１が設けられ、これらは陽極端板１０２のねじ込み孔にねじ込まれ、陰極端板１０４の対応するプレーン・ボアを通過する。既知の方法では、アセンブリ全体を固定し、個々の燃料電池の種々の要素の締付け固定を確実にするために、ナット及びワッシャが設けられる。
【００２８】
さらに、本発明は、シール及びシールの形成方法に関係がある。したがって、燃料スタックアセンブリのその他の要素が主として従来式である可能性があることが理解されるので、これらについては詳述されない。特に、フローフィールド・プレート、ＭＥＡ、及びガス拡散層に対して選択される材料は従来の燃料電池技術の対象であり、それらだけで本発明の一部を形成することはない。
【００２９】
以下の説明において、陽極及び陰極の両フローフィールド・プレート１２０、１３０に対する表示の「前面」及び「裏面」は、ＭＥＡに対するそれぞれの指向方向を示していることもまた理解すべきである。このように、「前面」はＭＥＡに向けた面を示し、「裏面」はＭＥＡから離れた面を示している。その結果、図９及び図１０において、各ポートの配置は、図７及び図８と比較すると、反転されている。
【００３０】
図３乃至図６を参照して、陽極バイポーラプレート１２０の詳細を示す。図のように、このプレート１２０は概して長方形であるが、どのような形状でもよく、図７に示される前面又は内面１３２、及び図８に示される裏面又は外面１３４を含む。前面１３２は水素用のチャネルを付与し、一方、裏面１３４は冷却を容易にするためのチャネル配置を付与する。
【００３１】
スタックアセンブリ全体のポート１０６乃至１１１に対応するように、フローフィールド・プレート１２０は、エア・フローのための長方形のアパーチャ１３６、１３７、クーラントの流れのためのほぼ正方形のアパーチャ１３８、１３９、及び水素用のほぼ正方形のアパーチャ１４０、１４１を有する。これらアパーチャ１３６乃至１４１はポート１０６乃至１１１に位置合わせされる。対応するアパーチャは、既知の方法で燃料電池スタック内を延出するダクト又は分配チャネルを画定するように、すべてのフローフィールド・プレートに設けられる。
【００３２】
燃料電池スタック１００の種々の要素を共に封止するために、フローフィールド・プレートには、溝回路網（グルーブ・ネットワーク）を形成するように溝が設けられ、該溝回路網は後述されるように、燃料電池スタックの中でシールを形成するシーラントの流れを受け取り且つ画定するように構成される。陽極フローフィールド・プレート１２０のいずれの側面上のかかる溝回路網の要素をさらに説明する。
【００３３】
前面１３２上に、前面溝回路網又は回路網部分が１４２で示される。溝回路網１４２は、深さ０．０２４インチで、幅は以下に示すように変動する。
【００３４】
溝回路網１４２は側面溝１４３を含む。これら側面溝１４３は幅０．１５３インチである。
【００３５】
一端側の、アパーチャ１３６、１３８、及び１４０の周囲に、溝回路網１４２は対応する長方形の溝部をそれぞれ付与する。
【００３６】
エア・フロー用アパーチャ１３６の長方形溝部１４４は、外側溝セグメント１４８を含み、これらセグメントは溝セグメント１４９へと続き、これらすべての幅は０．２００インチである。内側溝セグメント１５０の幅は、０．１２０インチである。流体を冷却するためのアパーチャ１３８に対し、長方形の溝１４５は、その三側面の周囲に設けられる溝セグメント１５２を有し、それらの幅もまた、それぞれ０．２００インチである。アパーチャ１４０に対する長方形の溝１４６は、溝セグメント１５２に基本的に一致する溝セグメント１５４を有し、それぞれ幅もまた、０．２００インチである。溝セグメント１５２、１５４に対し、内側溝セグメント１５３、１５５が存在し、これらは溝セグメント１５０と同様、それぞれ幅が０．１２０インチである。
【００３７】
隣接した対のアパーチャ１３６、１３８、及び１３８、１４０の間にはそれぞれ、全体幅が０．５インチの溝接合部１５８、１５９が存在し、隣接した溝セグメント間でスムーズな移動を行なうようにする。溝接合部１５８の構成、及び外側溝セグメントと比較して溝セグメント１５０、１５３、１５５の厚さを低減することは、シーラント用の材料がすべての溝セグメントを通過し、それらを均一に充てんすることを確実にすることを目的としている。
【００３８】
種々のフローフィールド・プレート等を介して接続を行なうために、接続アパーチャ１６０が設けられ、この幅は０．２５インチ、丸端が半径０．１２５インチ、全長が０．３５インチである。図のように、図３では、接続アパーチャ１６０は、溝セグメント１５２、１５４間を明確に遮断するような大きさがある。このような構成は、接続アパーチャ１６０が端板に連続し、これら端板が対応する溝形状を有するように、端板、絶縁体、さらには集電プレートにも見出される。これは図１２及び図１５に更に詳細に示され、以下に説明される。
【００３９】
陽極フローフィールド・プレートの裏側シール形状が図８に示される。該プレートは、前面上の側面溝と比較して、より大きい幅、即ち、０．２００インチを有する側面溝１６２を含む。空気アパーチャ１３６の周囲には、これもまた０．２００インチの均一幅を有する溝セグメント１６４が設けられる。これらは第１の溝接合部１６６に接続する。
【００４０】
クーラントアパーチャ１３８に対し、幅が０．２００インチの溝セグメント１６８が三側面の周囲に延出する。図に示したように、アパーチャ１３８は内側面が開放されて、冷却流体が図示のチャネル回路網を通過することを可能にする。図のように、チャネル回路網は、フローフィールド・プレートの裏面にわたり冷却フローの均一な分配を促進するようなものである。
【００４１】
燃料、即ち、水素用のアパーチャ１４０に対し、その三方の側面上に溝セグメント１７０が設けられる。溝接合部１７２は、アパーチャ１３８、１４０の周囲で溝セグメントと接合する。
【００４２】
アパーチャ１４０に対し最も内側の溝セグメント１７４は、溝セグメント１５５よりも、さらに離れて設置される。これにより、フローチャネル１７６を溝セグメント１５５の下に延出するように設けることができる。転送スロット１７８は、フローフィールド・プレートの一方の側面から他方にガスの流れを可能にするように設けられる。図３に示されるように、これらのスロットはフローフィールド・プレートの前面に設けられ、チャネル回路網はこのプレートの前面にわたってガス・フローを均等に分配するように設けられる。図８におけるアパーチャ１３６、１３８、及び１４０の周囲にある完成した矩形溝はそれぞれ、番号１８２、１８４、及び１８６によって示される。
【００４３】
図５及び図６は、アパーチャ１４０の周囲のフローチャネルの詳細を示し、図６はさらに、陽極及び陰極の両フローフィールド・プレート１２０、１３０の相補的効果を示している。図７乃至図１０に関連して以下に詳述されるように、陰極フローフィールド・プレートは、その裏面にフローチャネル２４０を分離する突起部２４２を設けている。これらの突起部２４２は突起部２１２を補完し、それらの間にＭＥＡを挟む。同様にチャネル２４０もチャネル１７６を補完する。突起部２１２、２４２がアパーチャ１４０のエッジに到達しないと、図６では、フローチャネル１７６、２４２を介して燃料ガスをスロット１７８へ方向付けるためにプレート１２０、１３０間にスロットが示される。
【００４４】
図３及び図４に示されるように、陽極フローフィールド・プレート１２０の他端にあるアパーチャ１３７、１３９、及び１４１の配置が該当する。簡単にするために、これらチャネルの説明は繰り返して行なわない。同一参照番号を用いて種々の溝セグメント、接合部等を示すが、例えば、図３における溝部１４４ａ、１４５ａ、１４６ａに対しては、これらを区別するために末尾に「ａ」を添えている。
【００４５】
図７乃至図１０を参照して、陰極フローフィールド・プレート１３０の構成を示す。まず、シーリング溝の配置が、陽極フローフィールド・プレート１２０のそれと基本的に対応することを留意すべきである。これが必要であるのは、設計上ＭＥＡ１２４が２枚のフローフィールド・プレート間に挟まれるように要求され、シールが厳密に互いに反対側に形成されるからである。通常、シールが互いに反対側にあるようにスタックアセンブリを設計することが好ましいとされるが、これは必ずしも不可欠なものではない。陽極及び陰極の両フローフィールド・プレート１２０、１３０の前面シール経路（溝）がそれらの裏面と同様に互いに鏡像であることもまた理解すべきである。したがって、さらに簡単にするために、図７乃至図１０において同一参照番号を用いて封止チャネルアセンブリの異なる溝セグメントを示すが、陰極フローフィールド・プレート上での使用を示すために、番号の末尾にアポストロフィを付けている。
【００４６】
必然的に、陰極フローフィールド・プレート１３０では、前面上の溝パターンがオキシダント用アパーチャ１３６、１３７からのオキシダント・フローを均一に分配するように設けられる。陰極フローフィールド・プレートの裏面には、転送スロット１８０が設けられ、オキシダント用のアパーチャ１３６、１３７と、プレート前面上の回路網チャネルとを接続できるようにする。ここでは、陽極フローフィールド・プレートにおける４個のスロットと比較して、５個のスロットが各アパーチャごとに設けられている。この場合、燃料電池では普通のことであるが、オキシダントには空気が用いられ、空気の約８０％が窒素を含むので、オキシダントの適切な供給を確実にするために、より多いガスの流れを提供しなければならない。
【００４７】
陰極フローフィールド・プレート１３０の裏面には、水流を冷却するためのチャネルが設けられていないので、裏面は完全に平面である。フローチャネルの異なる長さ、及びその中の異なる流体をそれぞれ補正し補給するために異なった深さのものを使用する。しかしながら、シールの深さと幅は各スタック設計に対し最適化する必要がある。
【００４８】
図９及び図１０は図５及び図６と同様に、アパーチャ１３６をスロット１８０に接続するフローチャネルの詳細を示している。突起部２２２（図４）及び２３２はまた、アパーチャ１３６のエッジまでは至らず、従って図１０では目に見えない。突起部２２２及び２３２は、シールの溝回路網の各溝を支持するように互いに当接する。フローチャネル２２０、２３２は相互に補完し合い、アパーチャ１３６とスロット１８０との間に流路を設けるが、同時にＭＥＡによって分離されたままである。図１１乃至図１５を参照して、陽極及び陰極の両端板を示す。これらの端板は、フローフィールド・プレートの溝回路網に対応する溝回路網を有する。
【００４９】
このように、陽極端板１０２には、陽極フローフィールド・プレート１２０の前面上の溝回路網に対応する溝ネットワーク１９０が存在する。したがって、同一参照番号を用いて図１１乃至図１３、図１４、ならびに図１５に詳細に示される陽極及び陽極の両端板１０２、１０４の異なる溝セグメントを示すが、番号の末尾に「ｅ」を付けることによって識別される。ネジ孔１９２が、タイ・ロッド１３２を収容するために設けられている。
【００５０】
さらに、本発明によれば、図１３に最良に示されるように、接続口（ポート）１９４が設けられている。接続口１９４は、既知の方法で穴あけ加工且つタッピングが施されたネジ付き外側部分１９６を含む。これは、小径の短小部１９８へと続き、接続口１６０ｅと接続する。しかしながら、いずれの流体コネクタも使用できる。
【００５１】
フローフィールド・プレートに対応して、陽極端板１０２には、２つの接続口１９４があり、図１２及び図１３に最良に示されるように、接続アパーチャ１６０ｅ、１６０ａｅに接続する。
【００５２】
これに対して、陰極端板が図１４及び図１５に詳細に示される。図１５では、図１２のように、溝セグメントへの接続を示している。陰極端板の内側面の溝形状は、陽極フローフィールド・プレートの溝形状に対応する。以下に詳述されるように、使用時に、この配置により、シール材料が種々のシール溝及びチャネルを充てんするように供給することができる。シールがいったん形成されると、シール材料の供給導管が除去され、閉塞プラグ２００（図５）が挿入される。
【００５３】
さらに、本発明のシールは、従来のガスケット、又は米国特許に開示され、請求項が記載されているように、燃料スタックの異なる要素間の種々の溝に液体シリコーンゴム材料を注入することによって形成されるシールでもよい。
【００５４】
使用時、燃料電池スタック１００は、適切な数の燃料電池で組み立てられ、タイ・ロッド１３１を用いて１つに締付け固定される。このスタックは図５に関して述べられた要素を含み、従来の燃料電池スタックと比較すると、この段階では各要素間にシールは存在しない。しかしながら、（短絡を防止するために）ＭＥＡに接触する陽極及び陰極の各プレートをシールドするために絶縁材料が存在し、ＭＥＡの一部として設けられる。この材料はロノマーそのものの一部、又はある好適な材料（フルオロポリマー、マイラー等）のいずれかであればよい。代替品は、バイポーラプレートがこれら領域において非導電性である。
【００５５】
漏れが検出されると、燃料電池はほとんどの場合、修理しなければならない。燃料電池スタックでは、スタック内の燃料電池の数は広範囲にわたる可能性がある。セルの数は、１個から１００個、あるいはそれ以上になる可能性がある。この場合、個々のセルが丈夫にシールされたり、さらに／あるいはシールを容易に交換することができ、これは有利なことである。燃料電池は、同時継続米国特許出願に示されるシール・インプレース方法を用いて封止することができる。
【００５６】
さらに、１個の燃料電池又はほんの少数の燃料電池を備えた燃料電池スタックを形成することができ、これらは更なるスタック間接続を必要とするが、これは個々の燃料電池スタックの信頼性の固有ロバスト性によって十二分に補われるであろうことが意図される。その概念は、（膜電極ユニット、即ち、ＭＥＵとして識別される）１つのセルユニットにまで適用することができ、どの長さのスタックの製造も可能にすることが考えられる。
【００５７】
このＭＥＵは、容易に且つ簡単に締め付け固定される多数のこうしたＭＥＵが所望の容量の完成した燃料電池スタックを形成するように構成されるのが好ましい。このように、ＭＥＵは単にフローフィールド・プレートを有するものであるとされ、これらの外側面又は裏面は、必要な機能性を付与するために、その他のＭＥＵの対応する面と結合するように適合される。一般に、ＭＥＵの各側面は、冷却燃料電池のクーラント・チャンバを形成するように適合される。ＭＥＵの１つの外側面は、共に前成形されるシール又はガスケットを有する可能性がある。その他の側面は平面であったり、又は、他のＭＥＵ上に前成形されたシールを収容するように溝形成されることがある。この外側シール又はガスケットは、前記米国特許出願に従って所定位置に注入される内側シールの形成と同時に形成することができる。このために、型の半分がＭＥＵの外側面に対して持ち上げられ、シール材料を該型の半分とＭＥＵの外側面との間に画定されるシール・プロフィールに注入することができ、同時にシール材料がＭＥＵそれ自体の内部の溝回路網に注入される。完成した燃料電池アセンブリを形成することは、所望の数のＭＥＵを選択し、絶縁体や集電器等の更なる従来型の端末要素によってこれらＭＥＵを端板間に締め付け固定することにすぎない。ＭＥＵの外側面及び前成形されたシールは、更なる必要なチャンバ、特にクーラント用のチャンバを形成することになり、該チャンバは完全なアセンブリ内で適切なクーラント用ポート及びチャネルに接続される。これにより、ＭＥＵとして識別される単一の基本ユニットから広範囲の燃料電池スタックの構成が可能になる。ＭＥＵが単に１個のセルを有するものであったり、あるいはごく少数の（例えば、５個の）燃料電池の可能性があることを留意する。完成した燃料電池スタックにおいて、破損したＭＥＵを交換することは簡単である。再組み立ては、適切なシールが隣接したＭＥＵ間に形成され、各ＭＥＵ内のシールがこの手順によって分断されないことを確実にするよう要求するだけである。
【００５８】
図３乃至図６を参照して、陽極フローフィールド・プレートに対する、本発明によるガス・フロー配置の詳細を示す。まず、概して１３２で示される陽極フローフィールド・プレートの前面で、アパーチャ１３６乃至１４１のすべてがフローチャネルから閉鎖されていることを留意すべきである。水素、燃料ガスの流れを可能にするために、陽極フローフィールド・プレート１２０の裏面に到達するように延出する転送スロット１７８が設けられる。図３、図４、図５、及び図６に示すように、アパーチャ１４０、１４１はそれぞれ、内溝セグメント１５５、１５５ａの下に延出するアパーチャ延長部２１０を含む。前面上の溝回路網１４２は、シーリング表面部上の溝部を含み、これらはアパーチャ１４０、１４１を囲み、スロット１７８を含む主要活性領域からこれらを分離する。裏面において、溝部又はシーリング表面部は、アパーチャ１４０、１４１、及びスロット１７８を囲む。これらアパーチャ延長部はそれぞれ、突起部２１２を含み、フローチャネル２１４を画定し、個々のアパーチャ１４０、１４１と転送スロット１７８とを連通させる。
【００５９】
図６に最良に示されるように、シール又はガスケット用の多数の溝セグメント１７４はオフセットに配置される。即ち、これらは溝セグメント１５５、１５５ａの正反対側に配置されてはいない。この結果、裏面では、スロット１７８がフローチャネル１７６によってアパーチャ１４０、１４１に接続され、前面では、転送スロット１７８が前面にわたって延出する活性領域のフローチャネル２１６の方へ直接通じている。
【００６０】
図のように、フローチャネル２１８は裏面上でクーラント用に設けられ、アパーチャ１３８、１３９間に延出する。
【００６１】
突起部２１２は、溝セグメント１５５、１５５ａを構成するプレート１２０の一部を適切に支持することを確実に行なうように設けられる。以下に詳述されるように、対応する突起部２４２は陰極フローフィールド・プレート１３０の裏面に設けられ、これら突起部のすべては、個々のフローフィールド・プレートの表面と同一平面上にあるので、突起部２１２、２１４は個々の溝セグメントを支持するために、互いに当接する。
【００６２】
空気又は他のオキシダントの流れのためのアパーチャ１３６、１３７に対し、さらにアパーチャ延長部２２０が設けられる。アパーチャ１４０、１４１に対応して、これら延長部２２０は溝セグメント１５０、１５０ａの下に延出して、これらセグメントを支持する。プレート１２０の裏面上の裏溝セグメント１６４、１６４ａは内側にオフセットしている。突起部２１２に対応して、突起部２２２が設けられ、以下に詳述されるように陰極フローフィールド・プレート上の突起部を補完する。
【００６３】
陰極フローフィールド・プレート１３０を参照すると、詳細な構造は陽極フローフィールド・プレート１２０のそれとほぼ一致する。
【００６４】
したがって、アパーチャ延長部２３０は、陰極板１３０のアパーチャ１３６、１３７に対し設けられる。陰極フローフィールド・プレートの前面で、すべてのアパーチャ１３６乃至１４１が閉鎖され、アパーチャ１３６、１３７に対して内溝セグメント２３１が設けられる。転送スロット１８０は、前面の流体フローチャネル２３６を裏面に接続するように設けられる。この裏面において、アパーチャ延長部２３０は突起部２３２を含み、フローチャネル２３３を画定し、アパーチャ１３６、１３７と転送スロット１８０とを連通可能にし、さらに溝セグメント２３１を支持する。
【００６５】
陽極プレートに関して、溝セグメント２３４、２３４ａが溝セグメント２３１、２３１ａに対してオフセットしている。
【００６６】
突起部２３２、２３２ａは、膜を支持するために、陽極フローフィールド・プレートの突起部２２２、２２２ａを補完する。これは２つの機能を提供する。まず、各溝セグメント２３１を支持することである。
【００６７】
フローチャネル２３８は、さらに冷却するためにポート１３８、１３９と連通した状態で裏面に設けられる。このフローチャネルは、クーラントが効果的に流れるために陽極フローフィールド・プレートのフローチャネルを補完したり、又はチャネルが画定されずに開放されているだけのこともある。
【００６８】
図８に示すように、さらに陽極フローフィールド・プレート１２０を補完するために、陰極フローフィールド・プレート１３０のアパーチャ１４０、１４１には、突起部２４２、２４２ａを含むアパーチャ延長部２４０、２４０ａが設けられている。これら突起部は突起部２１２、２１２ａを補完する。同様に、この配置により、陽極フローフィールド・プレートが支持される。
【００６９】
図１１及び図１４には、陽極及び陰極の各端板１０２、１０４の背面図がそれぞれ示される。図のように、これら端板にはシール構造が設けられ、図１１では溝回路網１９０によって、また図１４では溝回路網１９０’によって示される。
【００７０】
図のように、端板１０２、１０４のそれぞれに、ポート１０６、１０７、１１０及び１１１がチャンバに通じ、延長部２４０が設けられている。これら延長部２４０は、陰極及び陽極の各フローフィールド・プレート１２０、１３０上のアパーチャ延長部２１０、２２０、２３０、２４０に対応する。ポート１０８、１０９は、クーラント用のフローチャネルが設けられ、さらに陽極及び陰極の各フローフィールド・プレート１２０、１３０の裏面のフローパターンに対応するパターンが設けられた主チャンバに通じている。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明をプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に関して説明してきたが、いずれのタイプの燃料電池にも一般に適用可能性があることは理解されるべきである。したがって、本発明は、アルカリ電解液を備えた燃料電池、リン酸電解液を備えた燃料電池、約２００℃で作動することに適した、プロトン交換膜と同様の膜を備えた燃料電池等の高温燃料電池、電解装置、再生型燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明による燃料電池スタックの等角図である。
【図２】個々の構成要素を示すための、図１の燃料電池スタックの等角拡大図である。
【図３】図５及び図６の燃料電池スタックの陽極バイポーラフローフィールド・プレートの前面図である。
【図４】図５及び図６の燃料電池スタックの陽極バイポーラフローフィールド・プレートの背面図である。
【図５】１つの供給アパーチャを詳細に示す、図４の部分５を倍尺表示した平面図である。
【図６ａ】燃料電池スタックの隣接した要素を示す、図５の供給アパーチャの部分断面による斜視図である。
【図６ｂ】図６ａと類似した、倍尺表示による斜視図である。
【図７】図１及び図２の燃料電池スタックの陰極バイポーラフローフィールド・プレートの前面図である。
【図８】図１及び図２の燃料電池スタックの陰極バイポーラフローフィールド・プレートの背面図である。
【図９】１つの供給アパーチャを詳細に示す、図８の部分を倍尺表示した平面図である。
【図１０ａ】燃料電池スタックの隣接した要素を示す、図９の供給アパーチャの部分断面による斜視図である。
【図１０ｂ】図１０ａと類似した、倍尺表示による斜視図である。
【図１１】陽極端板の背面図である。
【図１２】図１１の細部１２の拡大図である。
【図１３】図１２の線１３に沿った断面図である。
【図１４】陰極端板の背面図である。
【図１５】図１４の細部１５の拡大図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年1月15日(2004.1.15)
【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】
膜電極アセンブリ（１２４）用の相補形フローフィールド・プレート（１３０又は１２０）でチャンバを画定するための前面、及び裏面を有する燃料電池用フローフィールド・プレート（１２０又は１３０）であって、該フローフィールド・プレートは、
上記チャンバに供給するための反応ガス用の少なくとも２つのアパーチャ（１４０、１４１又は１３６、１３７）と、
上記前面上に設けられる反応ガス用フローチャネル（２１６又は２３６）と、
フローフィールド・プレートの裏面上で延出し、各アパーチャごとに設けらけるアパーチャ延長部（２１０、２１０ａ又は２３０、２３０ａ）と、
対応するアパーチャ延長部と反応ガス用フローチャネルとを連通させるために、フローフィールド・プレートの裏面から前面まで延出し、各アパーチャごとに設けらける少なくとも１つのスロット（１７８、１７８ａ又は１８０、１８０ａ）と、を含み、前記フローフィールド・プレートはその前面及び裏面のそれぞれに、燃料電池の隣接した要素でシールを形成するためのシール表面を含み、該フローフィールド・プレートの前面上のシール表面は、対応するアパーチャを囲み、該対応するアパーチャから少なくとも１つのスロットを分離する第１のシール表面部を各アパーチャごとに含み、裏面には、前記少なくとも１つのスロットとアパーチャとを共に囲む第２のシール表面部を形成し、各アパーチャ延長部には複数の突起部が設けられ、アパーチャからスロットまで延出するフローチャネルを画定し、前記突起部がそれぞれの第１のシール表面部を支持する、
フローフィールド・プレート。
【請求項２】
各アパーチャごとに複数のスロットを含む、請求項１に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項３】
第２の反応ガス用の第２のアパーチャが少なくとも２つ設けられ、
第２の反応ガス用の第２のフローフィールド・プレートの相補形突起部と当接するために、裏面において、第２のアパーチャ延長部と、該第２のアパーチャ延長部に設けられる複数の第２の突起部と、が第２のアパーチャの各々に対し設けられる、請求項２に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項４】
前面において、対応する第２のアパーチャを囲む前面シール部が第２のアパーチャの各々に対し設けられ、裏面において、対応する第２のアパーチャと関連した第２のアパーチャ延長部とを囲む第２の裏面シール部が設けられ、前記第２の前面シール部及び前記裏面シール部が、互いにオフセットしたシール表面セグメントを含む、請求項３に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項５】
各シール表面部がシールを収容するための溝を含む、請求項４に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項６】
少なくとも２つのクーラント用第３のアパーチャと、裏面上の、前記クーラント用第３のアパーチャの間に流路を提供するフローチャネルと、前面上の、該第３のアパーチャを囲むシール部と、を含む、請求項４又は請求項５に記載のフローフィールド・プレート。
【請求項７】
少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池アセンブリであって、各燃料電池は、
前面及び裏面を含む第１及び第２の相補形フローフィールド・プレートであって、前面どうしが対向し、燃料電池チャンバを画定する、第１及び第２の相補形フローフィールド・プレートと、
燃料電池チャンバ内に設けられる膜電極アセンブリ及びガス拡散媒体と、
第１の反応ガス用のフローフィールド・プレート各々における少なくとも２つの第１のアパーチャ（１４０、１４１）と、第２の反応ガス用のフローフィールド・プレート各々における少なくとも２つの第２のアパーチャ（１３６、１３７）と、
を含み、
前記第１のフローフィールド・プレート（１２０）は、前面上の第１の反応ガス用フローチャネル（２１６）と、第１の反応ガス用フローチャネルからその裏面まで延出する第１のスロット（１７８、１７８ａ）と、裏面上で第１のアパーチャのそれぞれに対し設けらける第１のアパーチャ延長部（２１０、２１０ａ）と、を含み、該第１のアパーチャと前記第１のスロットとの連通を可能にし、
前記第２のフローフィールド・プレート（１３０）は、前面上の第２の反応ガス用フローチャネル（２３６）と、第２の反応ガス用フローチャネルからその裏面まで延出する第２のスロット（１８０、１８０ａ）と、裏面上で第２のアパーチャのそれぞれに対し設けらける第２のアパーチャ延長部（２３０、２３０ａ）と、を含み、該第２のアパーチャと前記第２のスロットとの連通を可能にし、
前記第１のフローフィールド・プレートはその前面及び裏面のそれぞれに、燃料電池の隣接した要素でシールを形成するための、シール表面を含み、該第１のフローフィールド・プレートの前面上のシール表面が、対応する第１のアパーチャを囲み、該対応する第１のアパーチャから少なくとも１つの第１のスロットを分離する第１のシール表面部を、それぞれの第１のアパーチャごとに含み、裏面上で、前記少なくとも１つの第１のスロットと対応する第１のアパーチャとを共に囲む第２のシール表面部を形成し、
前記第２のフローフィールド・プレートはその前面及び裏面のそれぞれに、燃料電池の隣接した要素でシールを形成するための、シール表面を含み、該第２のフローフィールド・プレートの前面上のシール表面が、対応する第２のアパーチャを囲み、該対応する第２のアパーチャから少なくとも１つの第２のスロットを分離する第１のシール表面部を、それぞれの第２のアパーチャごとに含み、裏面上で、前記少なくとも１つの第２のスロットと対応する第２のアパーチャとを共に囲む第２のシール表面部を形成し、
前記第１及び第２のアパーチャ延長部には、複数の突起部（２１２、２１２ａ、２２２、２２２ａ、２３２、２３２ａ、２４２、２４２ａ）が設けられ、アパーチャからそれぞれの第１及び第２のスロットに延出するフローチャネルを画定する、
燃料電池アセンブリ。
【請求項８】
複数の燃料電池を含み、
隣接した燃料電池では、前記第１及び第２のフローフィールド・プレートの裏面どうしが当接し、前記第２のフローフィールド・プレートはその裏面に、第１のプレートの突起部に対応且つ当接し、第１のアパーチャ延長部に対応するフローチャネルを画定する、複数の突起部を含み、これにより第１のアパーチャと第１のスロット間のフロー断面積を増大させ、前記第１のフローフィールド・プレートはその裏面に、第２のプレートの突起部に対応且つ当接し、第２のアパーチャ延長部に対応するフローチャネルを画定する、複数の突起部を含み、これにより第２のアパーチャと第２のスロット間のフロー断面積を増大させる、請求項７に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項９】
前記第１及び第２のフローフィールド・プレートは略長方形であり、各フローフィールド・プレートでは、少なくとも２つの第１のアパーチャが対角線上に対向する角にそれぞれ設けられ、第２のアパーチャが他方の対角線上に対向する角にそれぞれ設けられる、請求項８に記載の燃料電池アセンブリ。
【請求項１０】
膜電極アセンブリ（１２４）用の相補形フローフィールド・プレート（１３０又は１２０）でチャンバを画定するための前面、及び裏面を有する燃料電池用フローフィールド・プレート（１２０又は１３０）であって、該フローフィールド・プレートは、
前記チャンバに供給するための反応ガス用の少なくとも２つのアパーチャ（１４０、１４１又は１３６、１３７）と、
前記前面上に設けらける反応ガス用フローチャネル（２１６又は２３６）と、
フローフィールド・プレートの裏面上に延出し、各アパーチャごとに設けられるアパーチャ延長部（２１０、２１０ａ又は２３０、２３０ａ）と、
前記フローフィールド・プレートの裏面から前面に延出し、各アパーチャごとに設けられる複数のスロット（１７８、１７８ａ又は１８０、１８０ａ）であって、各々が対応するアパーチャ延長部と反応ガス用フローチャネルとを連通可能にする複数のスロットと、
を含む、フローフィールド・プレート。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
このプロセスは、最後の電池が形成され、バス・バー、絶縁板、及び最後の端板によって仕上げがされるまで繰り返す必要がある。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
多くの燃料電池デザインにおける問題は、各フローフィールド・プレートが適切な流体用の分配チャネルを画定する供給アパーチャと連通するフローフィールド・チャネルの回路網（ネットワーク）を必然的に備えていなければならないことである。ほとんどの場合、燃料電池は不純物の蓄積を防止するために反応ガスの流れをもたらすように設計されている。このように、反応ガス及びクーラントに対し、フローフィールド・チャネルの各回路網は少なくとも２つのアパーチャ又はポートに接続されている。しかしながら、これと同時に、多くのデザインでは、各フローフィールド・プレートとＭＥＡとの間にシールを設け、ＭＥＡを封入することを必要とし、最も重要なことは、ＭＥＡの活性領域と、アパーチャ又はポートとの間にシールを設けることである。これは、シール又はガスケットがフローフィールド・チャネル、又は供給アパーチャと、フローフィールド・チャネルの主要中心部、又は、活性部分との接続を行なう接続部の上方を流れることを必要とする。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
このように、従来の燃料電池スタックの組み立てが困難で、時間のかかる作業であり、シール破損をもたらす可能性が多いことは理解されるだろう。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明によれば、膜電極アセンブリ用の相補形フローフィールド・プレートでチャンバを画定するための前面と、裏面を有する燃料電池用フローフィールド・プレートが提供される。このフローフィールド・プレートは、上記チャンバに供給するための反応ガス用の少なくとも２つのアパーチャと、上記前面上に設けられた反応ガス用フローフィールド・チャネルと、フローフィールド・プレートの裏面上で延出し、各アパーチャごとに設けられるアパーチャ延長部と、対応するアパーチャ延長部と反応作用ガス用フローチャネルとを連通させるために、フローフィールド・プレートの裏面から前面まで延出し、各アパーチャごとに設けらける少なくとも１つのスロット、を含む。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
従来、燃料電池における２枚の対向プレートの各対の溝に対し、ある形状の前成形（プレフォーム）ガスケットが設けられる。米国特許出願第１０／１０９，００２号によると、連続的な溝又はチャネルを形成するために、種々の溝が適切な導管（コンジット）によって共に接続されることがある。次に、シール材料は、溝を完全に充てんするように、これら種々の溝に注入される。シーラントは、完全なシールを形成するために、例えば、適切な高温処理によって硬化される。これらシーリング方法はいずれも、あるいはその他の好適なシーリング方法は、本発明の燃料スタックに使用可能である。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
これらカレント・コレクタ１１６、１１８の間には、複数の燃料電池が存在する。この特定の実施の形態では、１０個の燃料電池が存在する。図２は、簡単にするために、１つの燃料電池の要素を示している。このように、図２には、陽極フローフィールド・プレート１２０、第１の又は陽極ガス拡散層又は媒体１２２、ＭＥＡ１２４、第２の又は陰極ガス拡散層１２６、及び陰極フローフィールド・プレート１３０が示されている。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
以下の説明において、陽極及び陰極の両フローフィールド・プレート１２０、１３０に対する表示の「前面」及び「裏面」は、ＭＥＡに対するそれぞれの指向方向を示していることもまた理解すべきである。このように、「前面」はＭＥＡに向けた面を示し、「裏面」はＭＥＡから離れた面を示している。その結果、図７及び図８において、各ポートの配置は、図３及び図４と比較すると、反転されている。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図３乃至図６を参照して、陽極バイポーラプレート１２０の詳細を示す。図のように、このプレート１２０は概して長方形であるが、どのような形状でもよく、図３に示される前面又は内面１３２、及び図４に示される裏面又は外面１３４を含む。前面１３２は水素用のチャネルを付与し、一方、裏面１３４は冷却を容易にするためのチャネル配置を付与する。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
前面１３２上に、前面溝回路網又は回路網部分が１４２で示される。溝回路網１４２は、深さ０．６１０ｍｍで、幅は以下に示すように変動する。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
溝回路網１４２は側面溝１４３を含む。これら側面溝１４３は幅３．８９ｍｍである。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
エア・フロー用アパーチャ１３６の長方形溝部１４４は、外側溝セグメント１４８を含み、これらセグメントは溝セグメント１４９へと続き、これらすべての幅は５．０８ｍｍである。内側溝セグメント１５０の幅は、３．０５ｍｍである。流体を冷却するためのアパーチャ１３８に対し、長方形の溝１４５は、その三側面の周囲に設けられる溝セグメント１５２を有し、それらの幅もまた、それぞれ５．０８ｍｍである。アパーチャ１４０に対する長方形の溝１４６は、溝セグメント１５２に基本的に一致する溝セグメント１５４を有し、それぞれ幅もまた、５．０８ｍｍである。溝セグメント１５２、１５４に対し、内側溝セグメント１５３、１５５が存在し、これらは溝セグメント１５０と同様、それぞれ幅が３．０５ｍｍである。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
隣接した対のアパーチャ１３６、１３８、及び１３８、１４０の間にはそれぞれ、全体幅が１２．７ｍｍの溝接合部１５８、１５９が存在し、隣接した溝セグメント間でスムーズな移動を行なうようにする。溝接合部１５８の構成、及び外側溝セグメントと比較して溝セグメント１５０、１５３、１５５の厚さを低減することは、シーラント用の材料がすべての溝セグメントを通過し、それらを均一に充てんすることを確実にすることを目的としている。


【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
種々のフローフィールド・プレート等を介して接続を行なうために、接続アパーチャ１６０が設けられ、この幅は３．１７ｍｍ、丸端が半径３．１７ｍｍ、全長が８．８９ｍｍである。図のように、図３では、接続アパーチャ１６０は、溝セグメント１５２、１５４間を明確に遮断するような大きさがある。このような構成は、接続アパーチャ１６０が端板に連続し、これら端板が対応する溝形状を有するように、端板、絶縁体、さらには集電プレートにも見出される。これは図１２及び図１５に更に詳細に示され、以下に説明される。


【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
陽極フローフィールド・プレートの裏側シール形状が図８に示される。該プレートは、前面上の側面溝と比較して、より大きい幅、即ち、５．０８ｍｍを有する側面溝１６２を含む。空気アパーチャ１３６の周囲には、これもまた５．０８ｍｍの均一幅を有する溝セグメント１６４が設けられる。これらは第１の溝接合部１６６に接続する。


【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
アパーチャ１４０に対し最も内側の溝セグメント１７４は、溝セグメント１５５よりも、さらに離れて設置される。これにより、フローチャネル１７６を溝セグメント１５５の下に延出するように設けることができる。転送スロット１７８は、フローフィールド・プレートの一方の側面から他方にガスの流れを可能にするように設けられる。図３に示されるように、これらのスロットはフローフィールド・プレートの前面に設けられ、チャネル回路網はこのプレートの前面にわたってガス・フローを均等に分配するように設けられる。図４におけるアパーチャ１３６、１３８、及び１４０の周囲にある完成した矩形溝はそれぞれ、番号１８２、１８４、及び１８６によって示される。


【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
図５及び図６は、アパーチャ１４０の周囲のフローチャネルの詳細を示し、図６はさらに、陽極及び陰極の両フローフィールド・プレート１２０、１３０の相補的効果を示している。図７乃至図１０に関連して以下に詳述されるように、陰極フローフィールド・プレートは、その裏面にフローチャネル２４０を分離する突起部２４２を設けている。これらの突起部２４２は突起部２１２を補完し、同様にチャネル２４０もチャネル１７６を補完する。突起部２１２、２４２がアパーチャ１４０のエッジに到達しないと、図６では、フローチャネル１７６、２４２を介して燃料ガスをスロット１７８へ方向付けるためにプレート１２０、１３０間にスロットが示される。


【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
さらに、本発明のシールは、従来のガスケット、又は米国特許に開示され、請求項が記載されているように、燃料スタックの異なる要素間の種々の溝に液体シリコーンゴム材料を注入することによって形成されるシールでもよく、これらは米国特許出願第１０／１０９，００２号において開示され、請求の範囲に記載されている。


【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
使用時、燃料電池スタック１００は、適切な数の燃料電池で組み立てられ、タイ・ロッド１３１を用いて１つに締付け固定される。このスタックは図２に関して述べられた要素を含み、従来の燃料電池スタックと比較すると、この段階では各要素間にシールは存在しない。しかしながら、（短絡を防止するために）ＭＥＡに接触する陽極及び陰極の各プレートをシールドするために絶縁材料が存在し、ＭＥＡの一部として設けられる。この材料はロノマーそのものの一部、又はある好適な材料（フルオロポリマー、マイラー等）のいずれかであればよい。代替品は、バイポーラプレートがこれら領域において非導電性である。


【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
漏れが検出されると、燃料電池はほとんどの場合、修理しなければならない。燃料電池スタックでは、スタック内の燃料電池の数は広範囲にわたる可能性がある。セルの数は、１個から１００個、あるいはそれ以上になる可能性がある。この場合、個々のセルが丈夫にシールされたり、さらに／あるいはシールを容易に交換することができ、これは有利なことである。燃料電池は、同時継続米国特許出願第１０／１０９，００２号に示されるシール・インプレース方法を用いて封止することができる。


【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
さらに、１個の燃料電池又はほんの少数の燃料電池を備えた燃料電池スタックを形成することができ、これらは更なるスタック間接続を必要とするが、これは個々の燃料電池スタックの固有ロバスト性及び信頼性によって十二分に補われるであろうことが意図される。その概念は、（膜電極ユニット、即ち、ＭＥＵとして識別される）１つのセルユニットにまで適用することができ、どの長さのスタックの製造も可能にすることが考えられる。


【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
図３乃至図６を参照して、陽極フローフィールド・プレートに対する、本発明によるガス・フロー配置の詳細を示す。まず、概して１３２で示される陽極フローフィールド・プレートの前面で、アパーチャ１３６乃至１４１のすべてがフローチャネルから閉鎖されていることを留意すべきである。水素、燃料ガスの流れを可能にするために、陽極フローフィールド・プレート１２０の裏面に到達するように延出する転送スロット１７８が設けられる。図３、図４、図５、及び図６に示すように、アパーチャ１４０、１４１はそれぞれ、内溝セグメント１５５、１５５ａの下に延出するアパーチャ延長部２１０を含む。前面上の溝回路網１４２は、シーリング表面部上の溝部を含み、これらはアパーチャ１４０、１４１を囲み、スロット１７８を含む主要活性領域からこれらを分離する。裏面において、溝部又はシーリング表面部は、アパーチャ１４０、１４１、及びスロット１７８を囲む。これらアパーチャ延長部はそれぞれ、突起部２１２を含み、フローチャネル１７６を画定し、個々のアパーチャ１４０、１４１と転送スロット１７８とを連通させる。


【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
空気又は他のオキシダントの流れのためのアパーチャ１３６、１３７に対し、さらにアパーチャ延長部２２０及び２２０ａが設けられる。アパーチャ１３６、１３７に対応して、これら延長部２２０及び２２０ａは溝セグメント１５０、１５０ａの下に延出して、これらセグメントを支持する。プレート１２０の裏面上の裏溝セグメント１６４、１６４ａは内側にオフセットしている。突起部２１２に対応して、突起部２２２が設けられ、以下に詳述されるように陰極フローフィールド・プレート上の突起部を補完する。


【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
図のように、端板１０２、１０４のそれぞれに、ポート１０６、１０７、１１０及び１１１がチャンバに通じ、延長部が設けられている。これら延長部は、陰極及び陽極の各フローフィールド・プレート１２０、１３０上のアパーチャ延長部２１０、２２０、２３０、２４０に対応する。ポート１０８、１０９は、クーラント用のフローチャネルが設けられ、さらに陽極及び陰極の各フローフィールド・プレート１２０、１３０の裏面のフローパターンに対応するパターンが設けられた主チャンバに通じている。


【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７２】
【図１】本発明による燃料電池スタックの等角図である。
【図２】個々の構成要素を示すための、図１の燃料電池スタックの等角拡大図である。
【図３】図５及び図６の燃料電池スタックの陽極バイポーラフローフィールド・プレートの前面図である。
【図４】図５及び図６の燃料電池スタックの陽極バイポーラフローフィールド・プレートの背面図である。
【図５】１つの供給アパーチャを詳細に示す、図４の一部を倍尺表示した平面図である。
【図６ａ】燃料電池スタックの隣接した要素を示す、図５の供給アパーチャの部分断面による斜視図である。
【図６ｂ】図６ａと類似した、倍尺表示による斜視図である。
【図７】図１及び図２の燃料電池スタックの陰極バイポーラフローフィールド・プレートの前面図である。
【図８】図１及び図２の燃料電池スタックの陰極バイポーラフローフィールド・プレートの背面図である。
【図９】１つの供給アパーチャを詳細に示す、図８の一部を倍尺表示した平面図である。
【図１０ａ】燃料電池スタックの隣接した要素を示す、図９の供給アパーチャの部分断面による斜視図である。
【図１０ｂ】図１０ａと類似した、倍尺表示による斜視図である。
【図１１】陽極端板の背面図である。
【図１２】図１１の細部１２の拡大図である。
【図１３】図１２の線１３に沿った断面図である。
【図１４】陰極端板の背面図である。
【図１５】図１４の細部１５の拡大図である。


【手続補正２６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004522277.tif 000045
【手続補正２７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
2004522277.tif 000046
【手続補正２８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2004522277.tif 000047
【国際調査報告】
2004522277.tif 000048
2004522277.tif 000049
2004522277.tif 000050