(57)【要約】      （修正有）【課題】スタック中の燃料電池のシール領域を通して直線的なカソード及びアノードの流れチャンネルを備え、流れチャンネル内の水蓄積を減少させるようにした、燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０は、スタック内の二極式プレートの間のシール領域を通して、直線的なカソード流れチャンネルと、直線的なアノード流れチャンネルとを備える。燃料電池スタックは、スタックヘッダーと活性領域１２との間でスタックの活性領域の周りを延在するシール部を備える。カソード流れチャンネルがシール領域を通してカソード入口ヘッダー１４及びカソード出口ヘッダー１６まで延在する位置及びアノード流れチャンネルがシール領域を通してアノード入口ヘッダー１８及びアノード出口ヘッダー２０まで延在する位置において、膜の一方の側の拡散媒体層は、シール部の荷重を提供するため延在する。【選択図】図１
2007329125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の積み重ねられた燃料電池を備える燃料電池スタックであって、該燃料電池の各々は活性領域を備え、前記燃料電池スタックは、
複数の膜であって、前記スタック内の前記燃料電池の各々が膜を備える、前記複数の膜と、
複数の拡散媒体層であって、前記燃料電池の各々が、該燃料電池のアノード側部のアノード側拡散媒体層と、該燃料電池のカソード側部のカソード側拡散媒体層と、を備える、前記複数の拡散媒体層と、
前記拡散媒体層に隣接して前記スタック内の燃料電池の間に配置された複数の二極式プレートであって、該二極式プレートは前記燃料電池内で前記アノード側拡散媒体層に面したアノード流れチャンネルと、前記燃料電池内で前記カソード側拡散媒体層に面したカソード流れチャンネルと、冷却流体流れチャンネルとを備える、前記複数の二極式プレートと、
アノード反応ガスの流れを前記アノード流れチャンネルに差し向けるアノード入口ヘッダーと、
前記アノード流れチャンネルからの前記アノード反応ガスの流れを受け入れるアノード出口ヘッダーと、
カソード反応ガスの流れを前記カソード流れチャンネルに差し向けるカソード入口ヘッダーと、
前記カソード流れチャンネルからの前記カソード反応ガスの流れを受け入れるカソード出口ヘッダーと、
冷却流体を前記冷却流体流れチャンネルに差し向ける冷却流体入口ヘッダーと、
前記冷却流体流れチャンネルからの前記冷却流体を受け入れる冷却流体出口ヘッダーと、
前記スタック内で前記反応ガスの流れ及び前記冷却流体の流れを取り囲むためのシール構成部であって、該シール構成部は、前記カソード出口ヘッダーと各燃料電池の前記活性領域との間に設けられたカソードヘッダーシール部を備え、前記カソード流れチャンネルは、前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、前記シール構成部は、前記アノード出口ヘッダーと各燃料電池の前記活性領域との間に設けられたアノードヘッダーシール部を更に備え、前記アノード流れチャンネルは、前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルである、前記シール構成部と、
を備える、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々において、前記冷却流体入口ヘッダーと前記活性領域との間で２つの別個のシール部を備え、前記冷却流体流れチャンネルは、前記冷却流体入口ヘッダーと前記活性領域との間でシール領域を通して直線的な流れチャンネルである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々の周りに延在する周囲シール部を有する単一部品のシール部と、前記アノード入口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記アノード出口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記カソード入口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記カソード出口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントとを備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々の周りに延在する周囲シール部と、各燃料電池において前記アノード入口ヘッダーの周りを延在する第１のシールループと、各燃料電池において前記アノード出口ヘッダーの周りを延在する第２のシールループと、各燃料電池において前記カソード入口ヘッダーの周りを延在する第３のシールループと、各燃料電池において前記カソード出口ヘッダーの周りを延在する第４のシールループと、を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記シール構成部は、各燃料電池において前記冷却流体入口ヘッダーの周りを延在する第５のシールループと、各燃料電池において前記冷却流体出口ヘッダーの周りを延在する第６のシールループとを更に備える、請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記複数の二極式プレートは、複合二極式プレートである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記複数の二極式プレートは、打ち抜き二極式プレートである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記打ち抜き二極式プレートの区分は、前記シール構成部を提供する、請求項７に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記燃料電池の各々における前記カソード側拡散媒体層は、前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記燃料電池の各々における前記アノード側拡散媒体層は、前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
シール部の支持を提供するように、前記燃料電池のシール位置で前記シール部と前記膜との間に配置されたシムを更に備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記シムは、燃料電池サブガスケットの一部である、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記燃料電池の各々における前記シムは、単一部品のシムであるように結合される、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記燃料電池の各々における前記膜は、前記シール構成部によって提供されたシール領域を通して直線的に延在する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記スタックは、車両に搭載された燃料電池システムの一部である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
複数の積み重ねられた燃料電池を備える燃料電池スタックであって、該燃料電池の各々は活性領域を備え、前記燃料電池スタックは、シール構成部を備え、該シール構成部は、カソード入口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたカソード入口ヘッダーシール部を備え、カソード流れチャンネルは前記カソード入口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池におけるカソード側拡散媒体層は、前記カソード入口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、カソード出口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたカソード出口ヘッダーシール部を更に備え、カソード流れチャンネルは前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池におけるカソード側拡散媒体層は、前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、アノード入口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたアノード入口ヘッダーシール部を更に備え、アノード流れチャンネルは前記アノード入口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池におけるアノード側拡散媒体層は、前記アノード入口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、アノード出口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたアノード出口ヘッダーシール部を更に備え、アノード流れチャンネルは前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池におけるアノード側拡散媒体層は、前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在している、燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々の周りに延在する周囲シール部を有する単一部品のシール部と、前記アノード入口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記アノード出口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記カソード入口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記カソード出口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントとを備える、請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々の周りに延在する周囲シール部と、各燃料電池において前記アノード入口ヘッダーの周りを延在する第１のシールループと、各燃料電池において前記アノード出口ヘッダーの周りを延在する第２のシールループと、各燃料電池において前記カソード入口ヘッダーの周りを延在する第３のシールループと、各燃料電池において前記カソード出口ヘッダーの周りを延在する第４のシールループと、を備える、請求項１５に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
複数の積み重ねられた燃料電池を備える燃料電池スタックであって、該燃料電池の各々は活性領域を備え、前記燃料電池スタックは、
複数の膜であって、前記スタック内の前記燃料電池の各々が膜を備える、前記複数の膜と、
複数の拡散媒体層であって、前記燃料電池の各々が、該燃料電池のアノード側部のアノード側拡散媒体層と、該燃料電池のカソード側部のカソード側拡散媒体層と、を備える、前記複数の拡散媒体層と、
前記拡散媒体層に隣接して前記スタック内の燃料電池の間に配置された複数の二極式プレートであって、該二極式プレートは前記燃料電池内で前記アノード側拡散媒体層に面したアノード流れチャンネルと、前記燃料電池内で前記カソード側拡散媒体層に面したカソード流れチャンネルと、冷却流体流れチャンネルとを備える、前記複数の二極式プレートと、
アノード反応ガスの流れを前記アノード流れチャンネルに差し向けるアノード入口ヘッダーと、
前記アノード流れチャンネルからの前記アノード反応ガスの流れを受け入れるアノード出口ヘッダーと、
カソード反応ガスの流れを前記カソード流れチャンネルに差し向けるカソード入口ヘッダーと、
前記カソード流れチャンネルからの前記カソード反応ガスの流れを受け入れるカソード出口ヘッダーと、
冷却流体を前記冷却流体流れチャンネルに差し向ける冷却流体入口ヘッダーと、
前記冷却流体流れチャンネルからの前記冷却流体を受け入れる冷却流体出口ヘッダーと、
前記スタック内で前記反応ガスの流れ及び前記冷却流体の流れを取り囲むためのシール構成部であって、該シール構成部は、前記カソード入口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたカソード入口ヘッダーシール部を備え、前記カソード流れチャンネルは前記カソード入口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池における前記カソード側拡散媒体層は、前記カソード入口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、前記カソード出口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたカソード出口ヘッダーシール部を更に備え、前記カソード流れチャンネルは前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池におけるカソード側拡散媒体層は、前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、前記アノード入口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたアノード入口ヘッダーシール部を更に備え、前記アノード流れチャンネルは前記アノード入口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池における前記アノード側拡散媒体層は、前記アノード入口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、前記アノード出口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたアノード出口ヘッダーシール部を更に備え、前記アノード流れチャンネルは前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、各燃料電池における前記アノード側拡散媒体層は、前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在する、前記シール構成部と、
を備える燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々において、前記冷却流体入口ヘッダーと前記活性領域との間で２つの別個のシール部を更に備え、前記冷却流体流れチャンネルは、前記冷却流体入口ヘッダーと前記活性領域との間でシール領域を通して直線的な流れチャンネルであり、前記シール構成部は、前記燃料電池の各々において、前記冷却流体出口ヘッダーと前記活性領域との間で２つの別個のシール部を更に備え、前記冷却流体流れチャンネルは、前記冷却流体出口ヘッダーと前記活性領域との間でシール領域を通して直線的な流れチャンネルである、請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々の周りに延在する周囲シール部を有する単一部品のシール部と、前記アノード入口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記アノード出口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記カソード入口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントと、前記カソード出口ヘッダー及び前記活性領域の間のシールセグメントとを備える、請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記シール構成部は、前記燃料電池の各々の周りに延在する周囲シール部と、各燃料電池において前記アノード入口ヘッダーの周りを延在する第１のシールループと、各燃料電池において前記アノード出口ヘッダーの周りを延在する第２のシールループと、各燃料電池において前記カソード入口ヘッダーの周りを延在する第３のシールループと、各燃料電池において前記カソード出口ヘッダーの周りを延在する第４のシールループと、各燃料電池において前記冷却流体入口ヘッダーの周りを延在する第５のシールループと、各燃料電池において前記冷却流体出口ヘッダーの周りを延在する第６のシールループと、を備える、請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記複数の二極式プレートは、複合二極式プレートである、請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記複数の二極式プレートは、打ち抜き二極式プレートである、請求項１８に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
前記打ち抜き二極式プレートの区分は、前記シール構成部を提供する、請求項２３に記載の燃料電池スタック。
【請求項２５】
複数の積み重ねられた燃料電池を備える燃料電池スタックであって、該燃料電池の各々は活性領域を備え、前記燃料電池スタックは、シール構成部を備え、該シール構成部は、カソード入口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたカソード入口ヘッダーシール部を備え、カソード流れチャンネルは前記カソード入口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、シムが前記カソード入口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域においてシール部の支持を提供し、前記シール構成部は、カソード出口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたカソード出口ヘッダーシール部を更に備え、カソード流れチャンネルは前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、シムが前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域においてシール部の支持を提供し、各燃料電池におけるカソード側拡散媒体層は、前記カソード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域を通って延在し、前記シール構成部は、アノード入口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたアノード入口ヘッダーシール部を更に備え、アノード流れチャンネルは前記アノード入口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、シムが前記アノード入口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域においてシール部の支持を提供し、前記シール構成部は、アノード出口ヘッダーと各燃料電池の活性領域との間に設けられたアノード出口ヘッダーシール部を更に備え、アノード流れチャンネルは前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間の直線的な流れチャンネルであり、シムが前記アノード出口ヘッダーと前記活性領域との間のシール領域においてシール部の支持を提供する、燃料電池スタック。
【請求項２６】
前記シムは、燃料電池サブガスケットの一部である、請求項２５に記載の燃料電池スタック。
【請求項２７】
前記燃料電池の各々における前記シムは、単一部品のシムであるように結合される、請求項２５に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、燃料電池スタックに係り、より詳しくは、スタック中の燃料電池のシール領域を通して直線的なカソード及びアノードの流れチャンネルを備え、流れチャンネル内の水蓄積を減少させるようにした、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができるため、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な水素陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。水素陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、負荷を通るように差し向けられ、カソードに送られる前に仕事を実施する。
【０００３】
陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、通常ではプラチナ（Ｐｔ）等の細かく分割された触媒粒子を含んでおり、これらの粒子は、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合されている。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため幾つかの条件を必要としている。
【０００４】
幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。例えば、車両のための典型的な燃料電池スタックは、２百個以上も積み重ねられた燃料電池を持ち得る。燃料電池スタックは、カソード入力ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素入力ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。
【０００５】
燃料電池スタックは、スタック中の幾つかのＭＥＡの間に配置された、一連の二極式プレートを備える。二極式プレート及び膜電極アッセンブリは２つの端部プレートの間に配置される。二極式プレートは、スタック内の隣接する燃料電池のためアノード側部及びカソード側部を備える。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側部に設けられ、アノードガスが各々の膜電極アッセンブリへと流れることを可能にする。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側部上に設けられ、カソードガスが各々の膜電極アッセンブリへと流れることを可能にする。一方の端部プレートはアノードガス流れチャンネルを備え、他方の端部プレートはカソードガス流れチャンネルを備えている。二極式プレート及び端部プレートは、例えばステンレス鋼又は導電性複合物等、導電性材料から作られている。端部プレートは、燃料電池により発生された電気をスタックから伝達する。二極式プレートは、流れチャンネルを更に備え、該流れチャンネルを通って、冷却流体が流れる。
【０００６】
二極式プレートを製造するための様々な技術が、当該技術分野で知られている。一つの設計では、二極式プレートは、例えばグラファイト等の複合材料から作られ、該二極式プレートでは、２つのプレートの半部分は、アノード流れチャンネルがプレート半部分の一方の一面側に設けられ、カソード流れチャンネルが他方のプレート半部分の反対側に設けられ、冷却流体流れチャンネルがプレートの半部分の間に設けられるように、別々に鋳造され、次に一緒に接着される。別の設計では、２つのプレートの半部分は、アノード流れチャンネルがプレート半部分の一方の一面側に設けられ、カソード流れチャンネルが他方のプレート半部分の反対側に設けられ、冷却流体流れチャンネルがプレートの半部分の間に設けられるように、打ち抜き加工され、次に一緒に溶接される。
【０００７】
当該技術分野で良く理解されているように、燃料電池内の膜は、膜に亘るイオン抵抗が陽子を効率的に伝導させるのに十分に低くなるように一定の相対湿度を有する必要がある。燃料電池の作動中には、膜電極アッセンブリからの湿気及び外部の湿気は、アノード及びカソードの流れチャンネルに入ることができる。低い電池パワー要求、典型的には０．２Ａ／ｃｍ２では、水は流れチャンネル内に蓄積し得る。反応ガスの流速は、非常に低く、水をチャンネルから流れ出させることができないからである。水が蓄積するにつれて、該水は、プレート材料の相対的な疎水性特性の故に、膨張し続ける液滴を形成する。液滴は反応ガスの流れに実質的に垂直に流れチャンネル内に形成する。液滴のサイズが増大するにつれて、流れチャンネルは、閉塞され、反応ガスは他の流れチャンネルへと逸らされる。チャンネルは、共通の入口及び出口マニホルドの間で平行になっているからである。反応ガスが、水でせき止められたチャンネルを通って流れることができないので、反応ガスは、水をチャンネルの外部に押し出すことはできない。チャンネルがせき止められた結果として反応ガスを受け取らない膜のこれらの領域は、電気を発生せず、よって、非均等な電流分布を形成し、燃料電池全体の効率を減少させる。水によりせき止められる流れチャンネルが多くなればなるほど、燃料電池により生成される電気は減少し、２００ｍＶより低い電池電位は電池の故障とみなされる。燃料電池は一般に電気的に直列に連結されているので、燃料電池の一つが実行停止されるならば、燃料電池スタック全体が実行停止し得る。
【０００８】
燃料電池スタックは、スタックからのガス漏れを防止するため、典型的には、スタックの活性領域の周りに、スタックヘッダーと各燃料電池のための活性領域との間に延在するシール部を備えている。従って、カソード流れを得るため、アノード流れ及び冷却流れは、各々の入口ヘッダーから燃料電池の活性領域へと流れており、流れチャンネルがシール部の完全性に影響を及ぼすことなくシール部の領域を通過することが必要となる。典型的には、シール部の周りで二極式プレートを貫通して孔が形成される。このことは、活性領域内の流れチャンネルと整列するように流れチャンネル内で曲がり部を必要とする。カソード及びアノードの流れチャンネル内でのこの曲がり部は、水を蓄積して捕捉され得る領域を形成していた。該領域は、流れチャンネルを閉じ、該流れチャンネルへの反応ガスの流れを減少させる傾向を持っていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記に鑑みて、燃料電池スタックのシール領域を横断するためのより良好な技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の教えによれば、スタック内の二極式プレートの間のシール領域を通して、直線的に形成されたカソード流れチャンネル及びアノード流れチャンネルを備える燃料電池スタックが開示される。燃料電池スタックは、スタック内の燃料電池の活性領域の周りに、スタックヘッダー及び活性領域の間で延在するシール部を備える。カソード流れチャンネルがシール領域を介してカソード入口ヘッダー及びカソード出口ヘッダーへと延在し、アノード流れチャンネルがシール領域を介してアノード入口ヘッダー及びアノード出口ヘッダーへと延在する位置において、膜の一方の側の拡散媒体層は、シール荷重を提供するように延在されている。
【００１１】
本発明の追加の特徴は、添付図面と関連付けて、次の詳細な説明及び添付した請求の範囲から明らかとなろう。
【実施例】
【００１２】
シール領域を通して直線的な反応ガス流れチャンネルを備える燃料電池スタックに関する本発明の実施例の次の説明は、その本質上単なる例示であり、本発明、その用途又は使用法を限定することを意図したものではない。
【００１３】
図１は、燃料スタック１０の燃料電池５０を通した断面図であり、スタック１０は活性領域１２と複合二極式プレートとを備える。スタック１０は、カソード反応ガスの流れを受け入れるカソード入口ヘッダー１４と、カソード出口ガスの流れを受け入れるカソード出口ヘッダー１６とを備え、カソードガスは、活性領域１２の流れチャンネルを通って流れる。スタック１０は、更に、アノード反応ガスの流れを受け入れるアノード入口ヘッダー１８と、アノード排気ガスの流れを受け入れるアノード出口ヘッダー２０とを備え、アノード流れチャンネルは活性領域１２を通って流れる。スタック１０は、冷却流体を受け入れる冷却流体入口ヘッダー２２と、スタック１０から冷却流体を出力する冷却流体出口ヘッダー２４と、を更に備え、当該技術分野で良く理解されているように、冷却流体は、活性領域１２を通した冷却流体チャンネルを通って流れる。
【００１４】
反応ガス流れ及び冷却流体流れを備え、これらを分離するために、様々なシール部がスタック１０内の二極式プレートの間で提供されている。特に、シール部３０が燃料電池５０の周辺部の周りで提供され、シール部３２がカソード入口ヘッダー１４と活性領域１２との間で提供され、シール部３４がカソード出口ヘッダー１６と活性領域１２との間で提供され、シール部３６がアノード入口ヘッダー１８と活性領域１２との間で提供され、シール部３８がアノード出口ヘッダー２０と活性領域１２との間で提供され、シールループ４０が冷却流体入口ヘッダー２２の周りに提供され、シールループ４２が冷却流体出口ヘッダー２４の周りに提供されている。これらのシール部は、任意の適切なエラストマー材料又は弾性材料から作られていてもよい。
【００１５】
図２は、燃料電池５０のライン２−２を通した断面図である。燃料電池５０は、アノード側複合二極式プレート５２と、カソード側複合二極式プレート５４と、を備える。図面に示された二極式プレートは、隣接する燃料電池のための二極式プレートの半部分が示されていないという点で二極式プレートの半部分である。燃料電池５０は、アノード側拡散媒体層５６と、カソード側拡散媒体層５８と、それらの間の膜６０とを更に備えている。アノード側二極式プレート５２はアノード流れチャンネル６２を備え、カソード側二極式プレート５４はカソード流れチャンネル６４の一部を備え、冷却流体流れチャンネルの他方の半部分は、他のプレートの半部分によって提供される。
【００１６】
シール部３２は、アノード側二極式プレート５２内のチャンネル６６内に配置されている。複合二極式プレートを備える既知の燃料電池スタックでは、シール部は、より厚くなり、膜６０は、シール部の周りの湾曲経路に従っている。本発明によれば、膜６０は、シール領域を通して直線的に延在し、カソード側拡散媒体層５８はカソード側二極式プレート５４の外側エッジへと延在されている。延長された拡散媒体層５８は、シール領域のカソード側でシールの完全さを提供する。この構成の結果として、カソード入口ヘッダー１４から活性領域１２へと延在するカソード流れチャンネル６８は、直線的となる。カソード出口ヘッダー１６と活性領域１２との間のシール領域も、同様なものとなる。
【００１７】
図３は、アノード入口ヘッダー１８と燃料電池５０の活性領域１２との間のシール領域を示す燃料電池スタック１０のライン３−３を通した断面図である。本発明によれば、シール部３６は、幅が狭く、アノード側拡散媒体層５６はアノード側二極式プレート５２の外側エッジへと延在されている。延長された拡散媒体層５６は、シール領域のアノード側部でシールの完全さを提供する。更には、ヘッダー１８から活性領域１２へと延在するアノード流れチャンネル６２は、直線的となる。アノード出口ヘッダー２０と活性領域１２との間のシール領域も同様なものとなる。
【００１８】
図４は、冷却流体入口ヘッダー２２と活性領域１２との間のシール領域を示す燃料電池スタック１０のライン４−４を通した断面図である。この位置では、シール部３６は、カソードシール半部分７２及びアノードシール半部分７４を備え、シール部４０は、カソードシール半部分７６及びアノードシール半部分７８を備えている。直線流れ冷却流体チャンネル６４は、冷却流体入口ヘッダー２２からシール領域を通して活性領域１２にまで設けられている。この位置における燃料電池５０の断面図は、当該技術分野で知られているものの幾つかとほとんど同じである。冷却流体入口ヘッダー２４と活性領域１２との間のシール領域も同様なものとなる。
【００１９】
図５は、カソード出口ヘッダー１６と活性領域１２との間の連結密封領域を示すライン５−５を通した断面図である。連結領域では、ギャップ７０が拡散媒体層５８とシール部３０との間に形成されてもよく、拡散媒体層５８は膜６０の反対側でシール部を支持している。ギャップ７０それ自身は、いずれにしても流れがこの領域を通過するときに密封上の問題とはならない。密封するため膜６０の反対側でシール部のための連続表面を提供することが必要となり得る。かくして、充填材料を、シール部の支持を提供するためギャップ７０内に設けてもよい。充填材料は、シール部３０及び拡散媒体層５８が配置された後に適所で硬化するエラストマーであってもよい。サブガスケット支持体を備えた膜が十分に硬い場合、該膜は密封機能を損なうことなくギャップ７０を橋渡しすることができ、充填材料を必要としなくて済む。ギャップ７０を取り扱うための代替の解答は、別個の連続的な周辺部のループ内の完全なループとしてヘッダーシール部を入れ子状にすることである。この位置では、拡散媒体層５８が、上述されたように、延在された。
【００２０】
図６は、活性領域１２のエッジにおいて燃料電池スタック１０のライン６−６を通した断面図である。この位置では、シール部３０は、２つのシールの半部分７２及び７４を備えている。この位置における燃料電池５０の断面図も、当該技術分野の燃料電池の断面の幾つかとほぼ同じとなる。
【００２１】
図７は、カソード出口ヘッダー１６の外側エッジにおいて燃料電池スタック１０のライン７−７を通した断面図である。この位置では、シール部３０は、２つのシールの半部分７２及び７４を備えている。この位置における燃料電池５０の断面図も、当該技術分野の燃料電池の断面の幾つかとほぼ同じとなる。
【００２２】
上記したように、拡散媒体層は、それらの反応ガスの入口領域及び出口領域内のチャンネルを横断してシール部の荷重を支持する。必要とあらば、シール支持領域内の拡散媒体層を、追加の剛性を提供するため充填することができる。これは、トンネルもポートも無い状態で活性領域１２内への直接的なチャンネルを可能にし、プレート内への孔を製造することも追加のブリッジ挿入体も提供される必要はない。プレート内のポート及びトンネルを無くすことによって、水がこれらのプレート内で蓄積されるとき水管理が改善される。更には、プレート内で孔を無くすことによって、プレートの製造が簡単になる。トンネルが無い場合には、プレートの一方側にのみ、親水性コーティングを塗布することが必要となる。
【００２３】
アノードシール部及びカソードシール部の両方が重なり合うこれらの位置では、反応ガスの両方が密封される。カソード反応ガスは、カソードシール部が存在しない場合に、アノードシール部を通って流れることができ、その結果、カソード入口ヘッダー１４からカソード出口ヘッダー１６への流れ経路が提供される。同様に、アノード反応ガス流れは、アノードシール部が存在しない場合、カソードシール部を通って流れることができ、その結果、アノード入口ヘッダー１８からアノード出口ヘッダー２０への流れ経路が提供される。固体複合プレート設計のために、冷却流体チャンネル６４が反応ガス側の密封表面に影響を及ぼすこと無くシール部の間を通過することができるように、冷却流体流れ経路が、反応物の流れパターンから独立に画定されている。２つのプレートの半部分は、プレートの半部分の間から冷却流体が漏れることを防止するため一緒に連結される。固体プレートのために、２つの二極式プレートの半部分の間で低い電気接触抵抗を確実にするためプレートの半部分が典型的には全プレート間のインターフェース表面に亘って結合されるので、この結合は、示されていない。
【００２４】
幾つかの燃料電池設計では、アノードヘッダー及びカソードヘッダーは、シール部の完全さを増大させるためヘッダーの周りを完全に延在するシールループを備えている。図８は、燃料電池８２を通した燃料電池スタック８０の断面図であり、燃料電池スタック１０と同様の要素は、同じ参照番号によって同定されている。この燃料電池スタック設計では、カソード入口ヘッダー１４におけるシール部３２はシールループ８４に置き換えられ、カソード出口ヘッダー１６におけるシール部３４はシールループ８６に置き換えられ、アノード入口ヘッダー１８におけるシール部３６はシールループ８８に置き換えられ、アノード出口ヘッダー２０におけるシール部３８はシールループ９０に置き換えられる。
【００２５】
拡散媒体層５６及び５８がシールの完全さを提供するため延在する燃料電池スタック８０のための、カソードヘッダー１４及び１６と活性領域１２との間の密封領域、アノードヘッダー１８及び２０と活性領域１２との間の密封領域、並びに、冷却流体ヘッダーと活性領域１２との間の密封領域は、燃料電池スタック１０の対応する密封領域と同じである。しかし、余剰のシール部が存在するヘッダー１４、１６、１８及び２０の外側エッジにおけるシール領域が異なっている。これを示すため、図９は、本発明の実施例に係る、燃料電池スタック８０のライン９−９を通した断面図である。燃料電池８２は、アノード側二極式プレート９２と、カソード側二極式プレート９４と、それらの間の膜９６とを備えている。カソード側拡散媒体層９８は、ヘッダー１６のエッジまで延在しているので、連続的なシール部の完全さを提供するためシールループ８６によって提供されるシール領域を通して延在する拡散媒体層９８が示されている。
【００２６】
シール領域においてシール部と膜との間にシムを提供することが当該技術分野で知られている。しかし、トンネルを形成しシール部の荷重を支持するためチャンネルを横切ってシムを使用することは知られていなかった。本発明の別の実施例によれば、シール支持部のために拡散媒体を延在させる代わりに、この領域で別個のシムを使用することができる。適切なシール支持部を確実にするため、シール結合部を調整するためより大きい厚さ変化となるより厚いシム（約０．１ｍｍ）が要求されてもよい。これに取り組むため、シムは、シール部の周辺部の周りで連続的となり得る。シム及びシール部は、膜に結合されるのが好ましい。このアプローチは、両方の側部又は一つだけの側部でシムを使用することができる。より薄いサブガスケットを、所望の活性領域のエッジアーキテクチャーを提供するため必要に応じて１つ又は両方の側部で使用することができる。一つだけのシムが使用された場合、材料の要求によって膜及びシール部が直接接触することが可能とならないならば、サブガスケットは膜の反対側にあるのが望ましい。エラストマーシール部を備えたシムで支持される構成のために、スパン領域が提供されてもよい。このことは、シムはチャンネルスパンに亘って支持するため適切な剛性を提供しなければならないので、ガスケット押さえにより形成されたスパンが、典型的なチャンネルのスパン（０．５〜１．５ｍｍ）より小さくあるべきであることを単に意味している。シール部がシム及び膜に結合されている場合、シール部それ自体は、密封表面がプレートに対抗しているので、この構成では膜ではなく当該密封表面に追加の剛性を提供する。これらは、拡散媒体に支持されるシール部ではなく、シムで支持されたシール部であるので、この領域におけるチャンネルは、シムにおいてより深くなり得る。シムは、拡散媒体層ほど厚くないからである。チャンネルの底部は、チャンネルサイズを維持するためこの領域において上昇し得る。
【００２７】
ほとんどの膜は、機械的強度のため周辺部の周りで両側に配置された薄い（２５μｍ）サブガスケット（プラスチックフィルム）を有し、酸性イオノマー膜とプレート若しくはシール部との間の直接的な接触を回避している。本発明のためのシムの使用工程は、チャンネルに亘りシール部の荷重を支持するため、適切な剛性を提供するように、より厚いサブガスケットを使用する工程を備えていてもよい。
【００２８】
図１０乃至図１５は、燃料電池スタック１０に類似の燃料電池スタックの燃料電池１１０を通した断面図を示しており、様々なヘッダーが燃料電池スタックの同じ位置で提供され、同じ参照番号で同定されている。図１０は、燃料電池１１０の位置２０２における断面図を表し、図１１は、燃料電池１１０の位置３−３における断面図を表し、図１２は、燃料電池１１０の位置４−４における断面図を表し、図１３は、燃料電池１１０の位置５−５における断面図を表し、図１４は、燃料電池１１０の位置６−６における断面図を表し、図１５は、燃料電池１１０の位置７−７における断面図を表している。
【００２９】
図１０は、燃料電池１１０の活性領域１２とカソード入口ヘッダー１４との間のシール領域を示している。燃料電池１１０は、アノード側二極式プレート１１２と、カソード側二極式プレート１１４と、それらの間の膜１１６と、を備えている。アノード側拡散媒体層１１８は、二極式プレート１１２とアノード側の膜１１６との間に設けられ、カソード側拡散媒体層１２０は、膜１１６とカソード側の二極式プレート１１４との間に設けられている。アノード流れチャンネル１３２は、アノード側二極式プレート１１２に設けられ、冷却流体流れチャンネル１３４はカソード側二極式プレート１１４に設けられている。
【００３０】
本実施例では、シム１２２は、密封領域において、膜１１６とアノードシール部１２４との間に設けられ、シム１２６は、膜１１６と、カソード側二極式プレート１１４の隆起部分１２８との間に設けられている。カソード流れチャンネル１３０は、隆起部分１２８を介して延在し、シール領域を通して燃料電池１１０の活性領域１２に直線的な流れを提供する。シム１２６と隆起部分１２８との組み合わせは、この位置において、燃料電池１１０のカソード側のシール部の完全さを維持する。
【００３１】
図１１は、燃料電池１１０の活性領域１２とアノード入口ヘッダー１８との間のシール領域を示しており、アノード側二極式プレート１１２は隆起部分１４０を備えている。隆起部分１４０とシム１２２との組み合わせは、アノード流れチャンネル１３２がアノードヘッダー１８のシール領域を介して燃料電池１１０の活性領域へと直線的な流れを有するように、この領域においてシール部の完全さを維持するための構造を提供する。カソード側二極式プレート１１４は、チャンネル１１４を備え、該チャンネル１４４では、シール部１４６が配置される。
【００３２】
図１２は、冷却流体入口ヘッダー２２における、シール半部分１４８及び１５０と膜１１６との間のシム１５２及び１５４を示している。冷却流体流れチャンネル１３４はこの断面で示されている。
【００３３】
図１３は、冷却流体出口ヘッダー２４とカソード出口ヘッダー１４との間の連結領域における、膜１１６とシール部１６４及び１６６との間のシム１６０及び１６２を示している。
【００３４】
図１４は、燃料電池１１０の活性領域の外側エッジにおける、膜１１６とシール半部分１７４及び１７６との間のシム１７０及び１７２を示している。
図１５は、カソード出口ヘッダー１６における、シール半部分１８４及び１８６と膜１１６との間のシム１８０及び１８２を示している。
【００３５】
図１６は、スタック２００の燃料電池２０２を通した燃料電池スタック２００の断面図である。本実施例では、燃料電池スタック２００は、打ち抜き二極式プレートを備える。燃料電池スタック２００は、活性領域２０４と、カソード入口ヘッダー２０６と、カソード出口ヘッダー２０８と、アノード入口ヘッダー２１０と、アノード出口ヘッダー２１２と、冷却流体入口ヘッダー２１４と、冷却流体出口ヘッダー２１６と、を備えている。代替の実施例では、燃料電池スタック２００は、当業者に良く理解されているように、シール部と交差する結合部を備えることができる。シール部２２０は、燃料電池２２の外側周辺部の周りを延在している。更に、シール部２２２は、カソード入口ヘッダー２０６と活性領域２０４との間に設けられ、シール部２２４は、カソード出口ヘッダー２０８と活性領域２０４との間に設けられ、シール部２２６は、アノード入口ヘッダー２１０と活性領域２０４との間に設けられ、シール部２２８は、アノード出口ヘッダー２１２と活性領域２０４との間に設けられ、シール部２３０は、冷却流体入口ヘッダー２１４と活性領域２０４との間に設けられ、シール部２３２は、冷却流体出口ヘッダー２１６と活性領域２０４との間に設けられている。
【００３６】
図１７は、燃料電池２００のライン１７−１７を通した断面図である。燃料電池２００は、アノード側打ち抜き二極式プレート２４０と、カソード側打ち抜き二極式プレート２４２と、を備えている。図示の二極式プレートは、二極式プレートの半部分であり、隣接する燃料電池のための打ち抜き二極式プレートは示されていない。燃料電池２００は、アノード側拡散媒体層２４４と、カソード側拡散媒体層２４６と、それらの間の膜２４８と、を備えている。アノード側二極式プレート２４０は、アノード流れチャンネル２５０と、冷却流体流れチャンネル２５２の一部とを備え、冷却流体流れチャンネルの他の半部分は、他のプレート半部分によって提供されている。プレートの結合部２３８は、二極式プレートを一緒に結合するために提供される。
【００３７】
シール部２２２は、二極式プレート２４０のアノード側部の外側エッジに設けられている。本発明によれば、シール部２２２は、膜２４８がシール領域を通して直線的となるように、この位置に通常存在しているシール部よりも薄くなっている。更には、シール領域のカソード側部でシール部の完全さを提供するため、カソード側拡散媒体層２４６はカソード側二極式プレート２４２の外側エッジへと延在している。拡散媒体２４６をこの態様で延長することによって、カソード流れチャンネル２５４は、水が流れチャンネル２５４内で蓄積し得る領域を減少させるため、シール領域を通して活性領域２０４へと直線的となることができる。カソード出口ヘッダー２０８と活性領域２０４との間のシール領域も同様である。
【００３８】
図１８は、燃料電池スタック２００のライン１８−１８を通した断面図であり、アノード入口ヘッダー２１０と燃料電池２０２の活性領域２０４との間のシール領域を示している。本発明によれば、シール部２２６は、膜２４８が活性領域２０４からシール領域を通して直線的に延在するように、この位置で通常提供されるシール部よりも厚さが減少されている。更には、上述された目的のため、アノード流れチャンネル２５０がシール領域を通して直線的に延在するようにアノード側拡散媒体層２４４がシール領域を通して延在されている。アノード出口ヘッダー２１２と活性領域２０４との間のシール領域も同様である。
【００３９】
図１９は、燃料電池スタック２００のライン１９−１９を通した断面図であり、アノード入口ヘッダー２１０と燃料電池２０２の活性領域２０４との間のシール領域を示している。本発明によれば、膜２４８が冷却流体入口ヘッダー２１４から活性領域２０４へとシール領域を通して直線的に延在するように、シール部２３０及び２２の厚さが減少されている。冷却流体出口ヘッダー２１６と活性領域２０４との間のシール領域も同様である。
【００４０】
図２０は、燃料電池スタック２００のライン２０−２０を通した断面図であり、カソード出口ヘッダー２０８と活性領域２０４との間の連結密封領域を示している。本実施例では、アノード側拡散媒体層２４６は、図示のように、シール部２２０まで延長された。ギャップ２６４が拡散媒体層２４６とシール部２２０との間に形成されており、該ギャップを適切な充填材料で充填することができる。この構成では、膜２４８は、シール領域を通して直線的に延在する。
【００４１】
図２１は、燃料電池スタック２０２のエッジ区分における燃料電池スタック２００のライン２１−２１を通した断面図である。本実施例では、シール部２２０は、２つのシール半部分２７０及び２７２を備え、膜２４８がシール領域を通って活性領域２０４へと直線的に延在することを可能にしている。
【００４２】
図２２は、カソード出口ヘッダー２０８の外側エッジ区分における燃料電池スタック２００のライン２２−２２を通した断面図である。本実施例では、シール部２２０は、シール領域を通して直線的な膜２４８を提供するため、２つのシール半部分２７０及び２７２から作られている。
【００４３】
打ち抜きプレートに関して、冷却流体の漏れを防止するためプレートの半部分が一緒に密封される必要がある結合部が示されている。これは、溶接結合又は接着結合を使用してなすことができる。エラストマーシール部を備える打ち抜きプレートに関しては、オプションは、結合ラインがシール部パッキン押さえを横断することである。打ち抜きプレートのため適切なシール部の支持を確実にするため、プレートの半部分は、シール部のいずれかの側で互いに接触する。冷却流体入口ヘッダー２１４では、冷却流体流れ経路は、破線によって示されたプレート半部分がこれを示すように提供されている。冷却流体は、当該経路がプレートによって塞がれていないので、当該経路を通って流れることができる。エラストマーシール部を備えた打ち抜きプレート構成に関しては、カソードシール部は、両方の端部でより中央寄りにあるように示されているが、流れ方向に関するシール部の順序は重要ではなく、他の要求事項に基づいて画定されてもよい。
【００４４】
別の燃料電池設計では、アノードヘッダー、カソードヘッダー及び冷却流体ヘッダーは、シールループを備えていてもよく、該シールループは、シール部の完全さを増大させるため、ヘッダーの周りを完全に延在している。図２３は、燃料電池２８２を通した燃料電池スタック２８０の断面図であり、燃料電池スタック２００と同様の構成要素は、本発明の別の実施例に従って、同じ参照番号によって同定される。この燃料電池スタック設計では、カソード入口ヘッダー２０６におけるシール部２２２は、シールループ２８６に置き換えられ、カソード出口ヘッダー２０８におけるシール部２２４は、シールループ２８８に置き換えられ、アノード入口ヘッダー２１０におけるシール部２２６は、シールループ２９０に置き換えられ、アノード出口ヘッダー２１２におけるシール部２２８は、シールループ２９２に置き換えられ、冷却流体入口ヘッダー２１４におけるシール部２３０は、シールループ２９４及び２９６に置き換えられ、冷却流体出口ヘッダー２１６におけるシール部２３２は、シールループ２９８及び３００に置き換えられる。ヘッダーループを形成した動機は、例えば、図２０により示されるように、活性領域に隣接する反応物ヘッダーのコーナーのみで出現する連結を回避するためであるので、冷却剤ヘッダーは、図１６に示されるように、ループ無しで維持することができる。
【００４５】
拡散媒体層２４４及び２４６がシール部の完全さを提供するため延長されるところの、燃料電池スタック２８０のヘッダー及び活性領域の間のシール領域は、燃料電池スタック２００における当該領域と同じである。しかし、余剰のシールが存在するところのヘッダーの外側エッジにおけるシール領域は異なっている。これを示すため、図２４は、燃料電池スタック２８０のライン２４−２４を通した断面図である。燃料電池２８２は、アノード側二極式プレート３０２と、カソード側二極式プレート３０４と、それらの間の膜３０６とを備えている。アノード側拡散媒体層３０８がヘッダー２０８のエッジまで延在するので、連続的なシール部の完全さを提供するようにシールループ２８８によって提供されたシール領域を通して延在したカソード側拡散媒体層３０８が示されている。本実施例では、外側シールループ２２０は、この位置において２つのシール半部分３１０及び３１２から構成されている。
【００４６】
上述されたように、シール部とシール領域の膜との間でシムを提供することが当該技術分野で知られているが、トンネルを形成しシール部の荷重を支持するためチャンネルを横断してシムを使用することは知られていない。図２５乃至図３０は、様々なヘッダーが燃料電池スタックの同じ位置で提供されているところの燃料電池スタック２００と類似した燃料電池スタックの燃料電池３２０を通した断面図を示している。かくして、図２５は、燃料電池３２０の位置１７−１７における断面図を表し、図２６は、燃料電池３２０の位置１８−１８における断面図を表し、図２７は、燃料電池３２０の位置１９−１９における断面図を表し、図２８は、燃料電池３２０の位置２０−２０における断面図を表し、図２９は、燃料電池３２０の位置２１−２１における断面図を表し、図３０は、燃料電池３２０の位置２２−２２における断面図を表している。
【００４７】
燃料電池３２０は、アノード側打ち抜き二極式プレート３２２と、カソード側打ち抜き二極式プレート３２４と、それらの間に配置された膜３２６と、を備えている。アノード側拡散媒体層３２６は、二極式プレート３２２と膜３２６との間で提供され、カソード側拡散媒体層３３０は、膜３２６と二極式プレート３２４との間で提供される。アノード側二極式プレート３２２は、アノード側流れチャンネル３４０と、冷却流体チャンネル３４２とを画定する。本実施例では、シム３３２は、シール領域において、膜３２６とシール部３３４との間に設けられ、シム３３６は、シール領域において、膜３２６とカソード側二極式プレート３２４の隆起部分３３８との間に設けられている。カソード流れチャンネル３４４は、隆起部分３３８の周囲に延在し、シール領域を通って燃料電池３２０の活性領域へと直線的な流れを提供する。シム３３６及び隆起部分３３８の組み合わせは、この位置で燃料電池３２０のカソード側部のシールの完全さを維持する。
【００４８】
図２６は、燃料電池３２０の活性領域とアノード入口ヘッダーとの間のシール領域を示し、アノード側二極式プレート３２２は隆起部分３４６を備えている。シム３４８は、隆起部分３４６と膜３２６との間に設けられ、シム３５０は、膜３２６とシール部３５２との間に設けられている。隆起部分３４６とシム３４８との組み合わせは、アノード流れチャンネル３４０が、アノード入口ヘッダーから燃料電池３２０の活性領域へとシール領域を通って直線の流れを有するように、この領域でシール部の完全さを維持するための構造を提供する。
【００４９】
図２７は、シール部２２０とアノード側二極式プレート３２２との間のシム３５４と、膜３２６とアノード側二極式プレート３２２との間のシム３５６と、膜３２６とシールｂ２３０との間のシム３５８とを示している。
【００５０】
図２８は、シール部２２４と膜３２６との間のシム３６０と、シール部２２０と膜３２６との間のシム３６２とを示している。
図２９は、シール部２７０と膜３２６との間のシム３６４と、膜３２６とシール部２７２との間のシム３６６とを示している。
【００５１】
図３０は、シール半部分２７０と膜３２６との間のシム３６８と、膜３２６とシール半部分２７２との間のシム３７０とを示している。
図３１は、燃料電池３８２を通した燃料電池スタック３８０の断面図である。本実施例では、燃料電池スタック３８０は、打ち抜き二極式プレートを備え、該プレートそれ自体がシール部を提供している。燃料電池スタック３８０は、活性領域３８４と、カソード入口ヘッダー３８６と、カソード出口ヘッダー３８８と、アノード入口ヘッダー３９０と、アノード出口ヘッダー３９２と、冷却流体入口ヘッダー３９４と、冷却流体出口ヘッダー３９６と、を備えている。シール部３９８は、燃料電池３８２の周囲回りに延在している。シール部４００は、カソード入口ヘッダー３８６と活性領域３８４との間に設けられ、シール部４０２は、カソード出口ヘッダー３８８と活性領域３８４との間に設けられ、シール部４０４は、アノード入口ヘッダー３９０と活性領域３８４との間に設けられ、シール部４０６は、アノード出口ヘッダー３９２と活性領域３８４との間に設けられ、シール部４０８は、冷却流体入口ヘッダー３９４と活性領域３８４との間に設けられ、シール部４１０は、冷却流体出口ヘッダー３９６と活性領域３８４との間に設けられている。上述したように、この設計におけるシール部の全ては、二極式プレートの構成によって提供されている。
【００５２】
図３２は、燃料電池３８２のライン３２−３２を通した断面図である。燃料電池３８２は、アノード側打ち抜き二極式プレート４２０と、カソード側打ち抜き二極式プレート４２２と、を備えている。燃料電池３８２は、アノード側拡散媒体層４２４と、カソード側拡散媒体層４２６とを更に備え、膜４２８がそれらの間に配置されている。アノード側二極式プレート４２０は、アノード流れチャンネル４３０と、冷却流体流れチャンネル４３２の半部分とを備え、冷却流体流れチャンネルの他方の半部分は、他の打ち抜きプレートの半部分によって提供される。
【００５３】
シール部４００は、アノード側二極式プレート４２０の区分によって画定される。本発明によれば、カソード側拡散媒体層４２６は、膜４２８のこの側部においてシール部の完全さを提供するためシール部４００と反対側のシール領域を通って延在する。かくして、カソード流れチャンネル４３４は、プレートの構成部品周りでくねって水を集めるべく作用しないようにカソード入口ヘッダー３８６から活性領域３８４へとシール領域を通って直線的に延在することができる。カソード出口ヘッダー３８８と活性領域３８４との間のシール領域も同様である。
【００５４】
図３３は、燃料電池３８２のライン３３−３３を通した断面図であり、アノード入口ヘッダー３９０と燃料電池スタック３８０の活性領域３８４との間のシール領域を示している。本発明によれば、アノード側拡散媒体層４２４は、二極式プレート４２２の構造的構成によって提供されるシール部４０４とは反対側の燃料電池３８２のアノード側部でシール部の完全さを提供するため、この位置で延長されている。アノード出口ヘッダー３９２と活性領域３８４との間のシール領域も同様である。
【００５５】
図３４は、燃料電池３８０のライン３４−３４を通した断面図であり、冷却流体入口ヘッダー３９４と活性領域３８４との間のシール領域を示している。燃料電池３８２のこの位置では、アノード側二極式プレート４２０とカソード側二極式プレート４２２は、シール部４０８及び３９８を提供する。冷却流体流れチャンネル４３２は、シール領域を通した活性領域３８４への直線的流れでプレートを通って延在する。本実施例ではプレート４２０及び４２２がシール部を提供するので、これは、燃料電池３８２における幾つかの位置で隣接する二極式プレートを電気的接触状態へともたらし、電気的短絡状態を形成することとなる。従って、電気的短絡を防止するため非伝導性セパレータ４３８がシール位置４０８に設けられている。冷却流体出口ヘッダー３９６と活性領域３８４との間のシール領域も同様である。
【００５６】
図３５は、カソード出口ヘッダー３８８と活性領域３８４との間の連結密封領域におけるライン３５−３５を通した断面図である。カソード側拡散媒体層４２６は、シール部４０２及び３９８を各々画定するアノード側二極式プレート４２０及びカソード側二極式プレート４２２のため、この位置で延在されている。拡散媒体層４２６とプレート４２２のシール部との間のギャップ４４０は、適切な材料で充填される必要があり得る。
【００５７】
図３６は、燃料電池３８２のエッジ区分における断面図であり、打ち抜きシール部を有する打ち抜き二極式プレートを備える既知の燃料電池スタックのエッジ区分と類似である。
【００５８】
図３７は、カソード出口ヘッダー３８８の外側エッジで燃料電池スタック３８０のライン３７−３７を通した断面図である。この位置では、シール部３９８は、アノード側二極式プレート４２０とカソード側二極式プレート４２２とによって提供されている。
【００５９】
幾つかの燃料電池設計のために、上述されたように、アノードヘッダー、カソードヘッダー及び冷却流体ヘッダーは、シール部の完全さを増大させるためヘッダーの周りで完全に延在するシールループを備えている。図３８は、燃料電池４５２を通した燃料電池スタック４５０の断面図であり、燃料電池スタック３８０と同様の構成要素は同じ参照番号によって同定されている。この燃料電池スタック設計では、カソード入口ヘッダー３８５におけるシール部４００はシールループ４５４で置き換えられ、カソード出口ヘッダー３８８におけるシール部４０２はシールループ４５６で置き換えられ、アノード入口ヘッダー３９０におけるシール部４０４はシールループ４５８で置き換えられ、アノード出口ヘッダー３９２におけるシール部４０６はシールループ４６０で置き換えられ、冷却流体入口ヘッダー３９４におけるシール部４０８はシールループ４６２で置き換えられ、冷却流体出口ヘッダー３９６におけるシール部４１０はシールループ４６４で置き換えられる。ヘッダーループを構成する動機は、活性領域に隣接する反応物ヘッダーのコーナーにおいてのみ発生する例えば図３５により示されたような連結を防止することであるので、冷却剤ヘッダーを、図３１に示されるように、ループ無しで維持することができる。
【００６０】
カソードヘッダー３８６及び３８８と活性領域３８４との間、アノードヘッダー３９０及び３９２と活性領域３８４との間、並びに、冷却流体ヘッダー３９４及び３９６と活性領域３８４との間のシール領域は、燃料電池スタック３８０内の対応するシール領域と同じである。しかし、余剰のシール部が存在する、ヘッダー３８６、３８８、３９０、３９２、３９４及び３９６の外側エッジにおけるシール領域は異なっている。これを示すため、図３９は、図３９は、本発明の別の実施例に係る燃料電池スタック４５０のライン３９−３９を通した断面図である。燃料電池４５２は、アノード側二極式プレート４７０と、カソード側二極式プレート４７２と、それらの間に配置された膜４７４とを備える。カソード側拡散媒体４６はヘッダー３８８のエッジまで延びているので、拡散媒体層４７６は、連続的なシール部の完全さを提供するためシールループ４５６によって提供されたシール領域を通って延在するものとして示されている。
【００６１】
上記したように、シール部と膜シール領域との間にシムを提供することが当該技術分野で知られている。図４０乃至図４５は、燃料電池３８２に類似する燃料電池５００を通した断面図を示しており、様々なヘッダーが燃料電池スタック３８０の同じ位置に提供されている。図４０は燃料電池５００の位置３２−３２における断面図を表し、図４１は燃料電池５００の位置３３−３３における断面図を表し、図４２は燃料電池５００の位置３４−３４における断面図を表し、図４３は燃料電池５００の位置３５−３５における断面図を表し、図４４は燃料電池５００の位置３６−３６における断面図を表し、図４５は燃料電池５００の位置３７−３７における断面図を表している。
【００６２】
図４０は、燃料電池５００の活性領域３８４とカソード入口ヘッダー３８６との間のシール領域を示している。燃料電池５００は、アノード側二極式プレート５０２と、カソード側二極式プレート５０４０と、それらの間に配置された膜５０６０とを備えている。アノード側拡散媒体層５０８は、二極式プレート５０２と膜５０６との間に設けられ、カソード側拡散媒体層５１０は、膜５０６と二極式プレート５０４との間に設けられている。アノード側二極式プレート５０２は、アノード流れチャンネル５２２及び冷却流体流れチャンネル５２４を形成する。本実施例では、シム５１２は、膜５０６とプレート５０２のシール区分５１４との間に設けられ、シム５１６は、膜５０６とシール区分５１８との間に設けられている。カソード流れチャンネル５２０は、シール領域を通って延在し、燃料電池５００の活性領域への直線的流れを提供する。
【００６３】
図４１は、燃料電池５００の活性領域３８４とアノード入口ヘッダー３９０との間のシール領域を示している。シム５３０は、プレート５０２のシール区分５３２と膜５０６との間に設けられ、シム５３４は、プレート５０４のシール区分５３６と膜５０６との間に設けられている。
【００６４】
図４２は、燃料電池５００の活性領域３８４と冷却流体入口ヘッダー３９４との間のシール領域を示している。シム５４０は、二極式プレート５０２のシール区分５４２とセパレータ５３８との間に設けられ、シム５４４は、カソード側二極式プレート５０４のシール区分５４６とセパレータ５３８との間に設けられている。同様に、シム５５０は、プレート５０２のシール区分５５２と膜５０６との間に設けられ、シム５５４は、シール区分５５６と膜５０６との間に設けられている。冷却流体流れチャンネル５２４は、シール領域を通した活性領域への直線的流れの形態でプレート５０２及び５０４を通って延在する。
【００６５】
図４３は、アノード側二極式プレート５０２のシール区分５６２と膜５０６との間のシム５６０と、カソード側二極式プレート５０４のシール区分５６６と膜５０６との間のシム５６４とを示している。
【００６６】
図４４は、アノード側二極式プレート５０２のシール区分５７２と膜５０６との間のシム５７０と、カソード側二極式プレート５０４のシール区分５７６と膜５０６との間のシム５７４とを示している。
【００６７】
図４５は、アノード側二極式プレート５０２のシール区分５８２と膜５０６との間のシム５８０と、カソード側二極式プレート５０４のシール区分５８６と膜５０６との間のシム５８４とを示している。
【００６８】
前記した説明は、本発明の単なる一実施例のみを開示し、記載したに過ぎない。当業者は、請求の範囲に定義されたような本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く様々な変更、改良及び変形をなすことができることを、上記のような説明並びに添付図面や請求の範囲から容易に理解するであろう。  
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は、本発明の一実施例に係る、複合二極式プレートを備える燃料電池スタックの断面図である。
【図２】図２は、図１に示された燃料電池スタックのライン２−２を通した断面図である。
【図３】図３は、図１に示された燃料電池スタックのライン３−３を通した断面図である。
【図４】図４は、図１に示された燃料電池スタックのライン４−４を通した断面図である。
【図５】図５は、図１に示された燃料電池スタックのライン５−５を通した断面図である。
【図６】図６は、図１に示された燃料電池スタックのライン６−６を通した断面図である。
【図７】図７は、図１に示された燃料電池スタックのライン７−７を通した断面図である。
【図８】図８は、本発明の別の実施例に係る、複合二極式プレート及びヘッダーシールループを備える燃料電池スタックの断面図である。
【図９】図９は、図８に示された燃料電池スタックのライン９−９を通した断面図である。
【図１０】図１０は、燃料電池スタックが複合二極式プレートとシムとを備えている場合の図１に示された燃料電池スタックのライン２−２を通した断面図である。
【図１１】図１１は、複合二極式プレートとシムとを備えている図１に示された燃料電池スタックのライン３−３を通した断面図である。
【図１２】図１２は、複合二極式プレートとシムとを備えている図１に示された燃料電池スタックのライン４−４を通した断面図である。
【図１３】図１３は、複合二極式プレートとシムとを備えている図１に示された燃料電池スタックのライン５−５を通した断面図である。
【図１４】図１４は、複合二極式プレートとシムとを備えている図１に示された燃料電池スタックのライン６−６を通した断面図である。
【図１５】図１５は、複合二極式プレートとシムとを備えている図１に示された燃料電池スタックのライン７−７を通した断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の別の実施例に係る、打ち抜き二極式プレートを備える燃料電池スタックの断面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示された燃料電池スタックのライン１７−１７を通した断面図である。
【図１８】図１８は、図１６に示された燃料電池スタックのライン１８−１８を通した断面図である。
【図１９】図１９は、図１６に示された燃料電池スタックのライン１９−１９を通した断面図である。
【図２０】図２０は、図１６に示された燃料電池スタックのライン２０−２０を通した断面図である。
【図２１】図２１は、図１６に示された燃料電池スタックのライン２１−２１を通した断面図である。
【図２２】図２２は、図１６に示された燃料電池スタックのライン２２−２２を通した断面図である。
【図２３】図２３は、本発明の別の実施例に係る、打ち抜き二極式プレート及びヘッダーシールループを備える燃料電池スタックの断面図である。
【図２４】図２４は、図２３に示された燃料電池スタックのライン２４−２４を通した断面図である。
【図２５】図２５は、スタックが打ち抜き二極式プレートとシムとを備えている場合の図１６に示された燃料電池スタックのライン１７−１７を通した断面図である。
【図２６】図２６は、スタックが打ち抜き二極式プレートとシムとを備えている場合の図１６に示された燃料電池スタックのライン１７−１７を通した断面図である。
【図２７】図２７は、スタックが打ち抜き二極式プレートとシムとを備えている場合の図１６に示された燃料電池スタックのライン１８−１８を通した断面図である。
【図２８】図２８は、スタックが打ち抜き二極式プレートとシムとを備えている場合の図１６に示された燃料電池スタックのライン２０−２０を通した断面図である。
【図２９】図２９は、スタックが打ち抜き二極式プレートとシムとを備えている場合の図１６に示された燃料電池スタックのライン２１−２１を通した断面図である。
【図３０】図３０は、スタックが打ち抜き二極式プレートとシムとを備えている場合の図１６に示された燃料電池スタックのライン２２−２２を通した断面図である。
【図３１】図３１は、本発明の別の実施例に係る、打ち抜き二極式プレートを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する燃料電池スタックの断面図である。
【図３２】図３２は、図３１に示された燃料電池スタックのライン３２−３２を通した断面図である。
【図３３】図３３は、図３１に示された燃料電池スタックのライン３３−３３を通した断面図である。
【図３４】図３４は、図３１に示された燃料電池スタックのライン３４−３４を通した断面図である。
【図３５】図３５は、図３１に示された燃料電池スタックのライン３５−３５を通した断面図である。
【図３６】図３６は、図３１に示された燃料電池スタックのライン３６−３６を通した断面図である。
【図３７】図３７は、図３１に示された燃料電池スタックのライン３７−３７を通した断面図である。
【図３８】図３８は、本発明の別の実施例に係る、打ち抜き二極式プレート及びヘッダーシールループを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する燃料電池スタックの断面図である。
【図３９】図３９は、図３８に示された燃料電池スタックのライン３９−３９を通した断面図である。
【図４０】図４０は、スタックが打ち抜き二極式プレート及びシムを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する、図３１に示された燃料電池スタックのライン３２−３２を通した断面図である。
【図４１】図４１は、スタックが打ち抜き二極式プレート及びシムを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する、図３１に示された燃料電池スタックのライン３３−３３を通した断面図である。
【図４２】図４２は、スタックが打ち抜き二極式プレート及びシムを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する、図３１に示された燃料電池スタックのライン３４−３４を通した断面図である。
【図４３】図４３は、スタックが打ち抜き二極式プレート及びシムを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する、図３１に示された燃料電池スタックのライン３５−３５を通した断面図である。
【図４４】図４４は、スタックが打ち抜き二極式プレート及びシムを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する、図３１に示された燃料電池スタックのライン３６−３６を通した断面図である。
【図４５】図４５は、スタックが打ち抜き二極式プレート及びシムを備え、該二極式プレートがスタックのためのシール部を提供する、図３１に示された燃料電池スタックのライン３７−３７を通した断面図である。
【図１】
2007329125.tif 000003
【図２】
2007329125.tif 000004
【図３】
2007329125.tif 000005
【図４】
2007329125.tif 000006
【図５】
2007329125.tif 000007
【図６】
2007329125.tif 000008
【図７】
2007329125.tif 000009
【図８】
2007329125.tif 000010
【図９】
2007329125.tif 000011
【図１０】
2007329125.tif 000012
【図１１】
2007329125.tif 000013
【図１２】
2007329125.tif 000014
【図１３】
2007329125.tif 000015
【図１４】
2007329125.tif 000016
【図１５】
2007329125.tif 000017
【図１６】
2007329125.tif 000018
【図１７】
2007329125.tif 000019
【図１８】
2007329125.tif 000020
【図１９】
2007329125.tif 000021
【図２０】
2007329125.tif 000022
【図２１】
2007329125.tif 000023
【図２２】
2007329125.tif 000024
【図２３】
2007329125.tif 000025
【図２４】
2007329125.tif 000026
【図２５】
2007329125.tif 000027
【図２６】
2007329125.tif 000028
【図２７】
2007329125.tif 000029
【図２８】
2007329125.tif 000030
【図２９】
2007329125.tif 000031
【図３０】
2007329125.tif 000032
【図３１】
2007329125.tif 000033
【図３２】
2007329125.tif 000034
【図３３】
2007329125.tif 000035
【図３４】
2007329125.tif 000036
【図３５】
2007329125.tif 000037
【図３６】
2007329125.tif 000038
【図３７】
2007329125.tif 000039
【図３８】
2007329125.tif 000040
【図３９】
2007329125.tif 000041
【図４０】
2007329125.tif 000042
【図４１】
2007329125.tif 000043
【図４２】
2007329125.tif 000044
【図４３】
2007329125.tif 000045
【図４４】
2007329125.tif 000046
【図４５】
2007329125.tif 000047
【外国語明細書】
2007329125000001.pdf