(57)【要約】【課題】活性供給領域において入れ子式二極式プレートを用いた燃料電池及び燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御する方法を提供する。【解決手段】  活性供給領域において入れ子にされた二極式プレートと、不活性供給領域において非入れ子式の二極式プレートとを利用して、燃料電池及び燃料電池スタック内で反応物流れ均一性及び圧力を提供するため、非結合式で、非入れ子式の二極式プレートによって、燃料電池スタック内の不活性供給領域内のクリアランスギャップが制御される。【選択図】    図１
2007109652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
二極式プレートアッセンブリと、
燃料電池のスタックを備える活性供給領域であって、該燃料電池の各々は、カソード側部とアノード側部とを有する膜電極アッセンブリと、該膜電極アッセンブリの前記カソード側部のカソード側拡散媒体層と、該膜電極アッセンブリの前記アノード側部のアノード側拡散媒体層と、隣接する燃料電池において対向する拡散媒体層の間に配置された二極式プレートアッセンブリの活性供給領域と、を備え、前記二極式プレートアッセンブリの前記活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する入れ子式二極式プレートを備える、前記活性供給領域と、
膜のスタックを備える不活性供給領域であって、該膜は前記燃料電池スタックにおける各膜電極アッセンブリの一部及び前記二極式プレートの不活性供給領域を形成し、該二極式プレートの該不活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する非入れ子式の二極式プレートを備える、前記不活性供給領域と、
を備え、
前記不活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、実質的に同じサイズであり、
前記不活性供給領域の前記アノード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記アノードカソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、実質的に同じサイズであり、
前記燃料電池は、前記不活性供給領域において拡散媒体層が存在せず、
前記二極式プレートアッセンブリの前記不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートは、互いに非結合である、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式二極式プレートの間にクリアランスギャップが選択的に存在している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記膜を支持するため前記不活性供給領域の膜に隣接して各々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４】
前記不活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートは、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの活性供給領域の前記入れ子式の二極式プレートも、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記不活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルの実質的に２倍のサイズである、請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記膜を支持するため前記不活性供給領域において前記膜に隣接して配置されたシムを更に備える、請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記不活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートは、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの活性供給領域の前記入れ子式の二極式プレートも、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通している、請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記不活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルの実質的に２倍のサイズである、請求項７に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
燃料電池スタックであって、
二極式プレートアッセンブリと、
燃料電池のスタックを備える活性供給領域であって、該燃料電池の各々は、カソード側部とアノード側部とを有する膜電極アッセンブリと、該膜電極アッセンブリの前記カソード側部のカソード側拡散媒体層と、該膜電極アッセンブリの前記アノード側部のアノード側拡散媒体層と、隣接する燃料電池において対向する拡散媒体層の間に配置された二極式プレートアッセンブリの活性供給領域と、を備え、前記二極式プレートアッセンブリの前記活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する入れ子式二極式プレートを備える、前記活性供給領域と、
膜のスタックを備える不活性供給領域であって、該膜は前記燃料電池スタックにおける各膜電極アッセンブリの一部及び前記二極式プレートの不活性供給領域を形成し、該二極式プレートの該不活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する非入れ子式の二極式プレートを備える、前記不活性供給領域と、
前記二極式プレートアッセンブリの前記不活性供給領域の前記二極式プレートの間に設けられた複数の互いに間隔を隔てた溶接部と、
を備え、
前記不活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、実質的に同じサイズであり、
前記不活性供給領域の前記アノード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記アノードカソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、実質的に同じサイズであり、
前記燃料電池は、前記不活性供給領域において拡散媒体層が存在せず、
前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式二極式プレートの間にクリアランスギャップが選択的に存在し、
前記不活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートは、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの活性供給領域の前記入れ子式の二極式プレートも、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通し、前記溶接部のサイズは、前記二極式プレートアッセンブリの前記不活性供給領域の前記二極式プレートの間のクリアランスギャップを制限する、燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記膜を支持するため前記不活性供給領域において前記膜に隣接して各々配置されたシムを更に備える、請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記不活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルの実質的に２倍のサイズである、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
燃料電池スタックの不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御するための方法であって、
前記燃料電池スタックの活性供給領域を組み立てる工程であって、前記活性供給領域は、燃料電池のスタックを備え、該燃料電池の各々は、カソード側部とアノード側部とを有する膜電極アッセンブリと、該膜電極アッセンブリの前記カソード側部のカソード側拡散媒体層と、該膜電極アッセンブリの前記アノード側部のアノード側拡散媒体層と、隣接する燃料電池において対向する拡散媒体層の間に配置された二極式プレートアッセンブリの活性供給領域と、を備え、前記二極式プレートアッセンブリの前記活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する入れ子式二極式プレートを備える、前記工程と、
前記燃料電池スタックの不活性供給領域を組み立てる工程であって、該不活性供給領域は膜のスタックを備え、該膜は前記燃料電池スタックにおける各膜電極アッセンブリの一部及び前記二極式プレートの不活性供給領域を形成し、該二極式プレートの該不活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する非入れ子式の二極式プレートを備え、前記不活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、実質的に同じサイズであり、前記不活性供給領域の前記アノード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記アノードカソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、実質的に同じサイズであり、前記燃料電池は、前記不活性供給領域において拡散媒体層が存在せず、前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式二極式プレートの間にクリアランスギャップが選択的に存在し、前記非入れ子式の二極式プレートは、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記入れ子式の二極式プレートも、冷却剤流れチャンネルを形成し、前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通する、前記工程と、
アノード反応物を前記アノード流れチャンネル内で第１の圧力に加圧する工程と、
カソード反応物を前記カソード流れチャンネル内で第２の圧力に加圧する工程と、
前記冷却剤流れチャンネル内の冷却剤を前記第１及び第のアノードを超える第３の圧力に加圧する工程であって、前記加圧工程に応答して不活性供給領域の前記二極式プレートの間にクリアランスギャップが設けられる、前記工程と、
を備える方法。
【請求項１３】
前記クリアランスギャップは、更に前記活性供給領域の前記入れ子式二極式プレートの前記組み立て工程に応答している、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記不活性供給領域を組み立てる前記工程は、前記非入れ子式二極式プレートを互いに非結合にする工程を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記クリアランスギャップは、更に前記活性供給領域の前記入れ子式二極式プレートの前記組み立て工程に応答している、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記不活性供給領域を組み立てる前記工程は、前記非入れ子式二極式プレートを所定の互いに間隔を隔てた位置でスポット溶接する工程を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記クリアランスギャップは、更に前記活性供給領域の前記入れ子式二極式プレートの前記組み立て工程に応答している、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、陽子交換膜（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非結合二極式プレート内の加圧冷却剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃エンジンに取って代わるため電気自動車のパワープラントで使用することが提案された。陽子交換膜（ＰＥＭ）式燃料電池では、水素（又は水素含有ガス）が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに酸化剤として供給される。酸素は、純粋な形態（Ｏ２）及び空気（Ｏ２及びＮ２の混合物）のいずれであってもよい。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性の非導電性固体ポリマー電解質膜を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、該電解質膜は、一方の面にアノード触媒を、反対側の面にカソード触媒を有する。
【０００３】
「燃料電池」という用語は、典型的には、文脈に応じて単一の電池又は複数の電池（スタック）を参照するため使用される。複数の個々の電池は、典型的には、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられており、一般に、電気的に直列に配列されている。スタック内の各電池は、上述された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、そのようなＭＥＡの各々は、電圧のその増分を提供する。スタック内の一群の電池は、クラスターと称される。例を用いると、スタック内の多数の電池のための典型的な配列が米国特許番号５，７６３，１１３号に示され、記載されている。
【０００４】
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供給された空気の流れを受け取る。酸素のうち必ずしも全てがスタックにより消費されるとは限らず、空気の一部は、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。燃料電池スタックは、スタックのアノード側へと流れるアノード水素入力ガスを受け取る。
【０００５】
燃料電池スタックは、スタック内で幾つかのＭＥＡの間に配置された一連の流れ場プレート又は二極式プレートを備えている。二極式プレートは、スタック内で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、該二極式プレートはアノードガスが各々のＭＥＡのアノード側部へと流れることを可能にしている。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に設けられ、該二極式プレートはカソードガスが各々のＭＥＡのカソード側部へと流れることを可能にしている。二極式プレートは、例えばステンレス鋼等の伝導性材料から作られ、それにより、燃料電池により発電された電気は一つの電池から次の電池へと流れ、スタックから出るように伝達される。
【０００６】
２００５年３月１７日に公開された「燃料電池のための入れ子式二極式プレート及び方法」と題された米国特許出願２００５／００５８８６４号Ａ１の発明者らによって、燃料電池スタックの厚さ又は繰り返し距離を、燃料電池の活性供給領域で流れチャンネルを入れ子にすることにより減少することができることが以前に提案された。該特許出願の内容は参照により本願に組み込まれる。この設計では、燃料電池スタックは、スタック内の隣接する燃料電池のため２つのＭＥＡを備える（二極式プレート当たり一つのＭＥＡが存在する）。各々のＭＥＡは、上記に参照された種類の膜、アノード側触媒層及びカソード側触媒層を備えている。アノードガス拡散媒体層がＭＥＡに隣接して配置され、カソード側ガス拡散媒体層がＭＥＡに隣接して配置される。二極式プレートアッセンブリは、拡散媒体層の間に配置される。二極式プレートアッセンブリは、入れ子式の構成で一緒に組みつけられた２つの打ち抜き金属二極式プレートを備える。入れ子式プレートは平行アノードガス流れチャンネルと平行カソードガス流れチャンネルを形成し、該アノード流れチャンネルは水素流れをＭＥＡのアノード側部に提供し、カソード流れチャンネルは空気の流れをＭＥＡのカソード側部に提供する。加えて、プレートは、冷却剤流れチャンネルを形成し、該チャンネルを通って冷却流体が流れて燃料電池スタックを冷却する。
【０００７】
入れ子式プレートにより提供された減少したスタック厚さを損なうこと無く、流れチャンネルのサイズを変更すること無く、スタックの活性供給領域における入れ子式二極式プレートから、スタックの不活性供給領域における非入れ子式二極式プレートまでの遷移を提供する燃料電池スタック内の燃料電池は、２００４年１２月１０日に出願された、「小型燃料電池のための入れ子式打ち抜きプレートのための反応物供給方法」と題された、米国特許出願シリアル番号１１／００９，３７８号の発明者らにより提案された。該特許出願の内容は参照により本願に組み込まれる。特に、スタックの燃料電池内の拡散媒体層は、不活性供給領域で除去される。該領域では、流れチャンネルのサイズを維持するため必要となる体積は、隣接するＭＥＡの間の距離を増大させる必要無しに提供されるように非入れ子式となっている。更に加えて、ＭＥＡの膜は、不活性供給領域で触媒が形成されていない。拡散媒体が除去された膜が流れチャンネル内に入り込み、活性流れを遮断することを防止するため膜を支持するように不活性供給領域内で膜とプレートとの間に薄いシムを提供することができる。しかし、電気接触抵抗を減少させるため活性供給領域内で拡散媒体と二極式プレートとの適切な接触を確保するように不活性供給領域においてクリアランスギャップが必要とされる。これらのクリアランスギャップは、部品厚さの許容誤差におけるばらつきに起因して、電池内及びスタック内の電池から電池にかけて、反応物流れ及び圧力の均一性のばらつきを生じさせる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、当該技術分野で必要とされているものは、活性供給領域において入れ子式二極式プレートを用いた燃料電池及び燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御する方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池及び不活性供給領域内の二極式プレートが入れ子にされている燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため、非結合式で、非入れ子式の二極式プレートを利用して不活性供給領域においてクリアランスギャップを制御する方法に関する。
【００１０】
燃料電池及び燃料電池スタックでは、拡散媒体と二極式プレートとの間の電気接触抵抗を減少させるため、組み立て時に、活性供給領域の拡散媒体に亘って圧縮負荷を実質的に担持することが必要となる。これがその場合であることを確実にするため、二極式プレートと膜若しくは不活性供給領域におけるシムとの間にクリアランスギャップが要求される。部分的な厚さの許容誤差におけるばらつきに起因して、不活性供給領域におけるクリアランスギャップは、燃料電池スタック内の燃料電池の間でばらつき、これにより、反応物流れに影響を及ぼす反応物チャンネルの高さのばらつきを生じさせる。活性供給領域と比較して、不活性供給領域において、全反応物のより大きい部分の圧力降下が発生するので、反応物流れは、クリアランスギャップにおけるばらつきにより敏感である。冷却剤流れに対しては、しかし、冷却剤圧力降下のほとんどは、活性供給領域において発生し、それにより、不活性供給領域における冷却剤アノードのばらつきは、プレート当たりの全体に亘る流れに対するほどには重要ではない。
【００１１】
本発明によれば、燃料電池及び活性供給領域の二極式プレートが入れ子にされている燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため非入れ子式二極式プレートを利用して不活性供給領域内のクリアランスギャップを制御するため、不活性供給領域内の非入れ子式二極式プレートが非結合にされ、冷却剤流れが反応物圧力よりも加圧され、二極式プレートは、不活性供給領域における非結合式の二極式プレートの二極式プレート高さが、燃料電池スタック内で各燃料電池の不活性供給領域でクリアランスギャップが形成されることを確実にするように打ち抜き加工されている。
【００１２】
冷却剤流れを反応物圧力を超えて加圧することに関連して不活性供給領域において非結合式二極式プレートを利用することは、不活性供給領域における冷却剤チャンネルにおいてのみクリアランスギャップを提供し、これにより、反応物チャンネルの高さのばらつきを無くしている。かくして、入れ子にされた活性供給領域を有する燃料電池スタック内の各燃料電池の不活性供給領域における冷却剤チャンネルのクリアランスギャップは、燃料電池及び燃料電池スタック内で反応物流れの均一性及び圧力を提供する。前述したように、冷却剤圧力降下は、不活性供給領域における反応物流れ圧力降下よりも不活性供給領域におけるクリアランスギャップの高さのばらつきに、より鈍感であるからである。
【実施例】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明を説明する。図面では、図面を通して同様の参照番号は同様の構成要素を指し示す。
図１は、本発明に係る燃料電池スタック１０の不活性領域の一部分の断面図である（前記した米国特許出願番号２００５／００５８８６４Ａ１に記載されている）。アノード側ガス拡散媒体層１６が膜電極アッセンブリ１２に隣接して配置され、カソード側ガス拡散媒体層１６が膜電極アッセンブリ１４に隣接して配置されている。拡散媒体層１６及び１８は、膜電極アッセンブリ１２及び１４への入力ガス輸送及び該膜電極アッセンブリからの水輸送を提供する多孔性層である。様々な技術が、膜電極アッセンブリ１２及び１４内の膜又は拡散媒体層１６及び１８上に触媒層を沈着させるため関連分野において知られている。
【００１４】
二極式プレート２０は、拡散媒体層１６及び１８の間に配置されている。二極式プレートアッセンブリ２０は、図示の入れ子式構成において一緒に組み立てられた２つの打ち抜き金属二極式プレート２２及び２４を備えている。入れ子式のプレート２２及び２４は、平行アノードガス流れチャンネル２８と、平行カソードガス流れチャンネル３０とを形成し、アノード流れチャンネル２８は膜電極アッセンブリ１２のアノード側部に水素の流れを提供し、カソード流れチャンネル３０は膜電極アッセンブリ１４のカソード側部に水素の流れを提供する。更に加えて、関連分野で十分に理解されているように、プレート２２及び２４は、冷却剤流れチャンネル１２を形成し、該チャンネルを通して、冷却流体が燃料電池スタック１０を冷却するため流れる。この設計では、冷却剤流れチャンネル３２のサイズは、従来技術の非入れ子式打ち抜きプレートに設けられ、該プレートは燃料電池スタック１０の繰り返し距離の減少を提供する。既知の冷却剤チャンネルに亘る冷却剤流れのサイズを減少することは、冷却剤チャンネルの冷却能力には実質的な影響を及ぼさない。より大きなチャンネルが必要な冷却を提供するのに適切な大きさよりも大きいからである。冷却剤体積の減少は、システム始動の間に加熱されなければならない熱質量を減少させる。
【００１５】
アノード流れチャンネル２８は、燃料電池スタック１０の各端部でアノード流れチャンネルと流体連通しており、一つのヘッダーがアノードガス流れを受け取ってアノード流れチャンネル２８に該アノードガス流れを分配し、他のアノードヘッダーがアノード流れチャンネルからアノード排気ガスを受け取る。同様に、カソード流れチャンネル３０は、スタック１０の各端部でカソード流れチャンネルヘッダーと流体連通している。冷却剤流れチャンネル３２は、スタック１０の各端部で冷却剤流れチャンネルヘッダーと流体連通している。しかし、アノード流れチャンネル２８をアノードチャンネルヘッダーに、カソード流れチャンネル３０をカソードチャンネルヘッダーに、並びに、冷却剤流れチャンネル３２を冷却剤チャンネルヘッダーに連結するため、スタックの不活性供給領域においてプレート２２及び２４を分離し、入れ子にしないことが必要となる。
【００１６】
流れチャンネル２８、３０及び３２の非入れ子式構成が、チャンネル２８、３０及び３２より多くの空間を必要としているので、入れ子式構成により提供されたスタック１０の厚さの減少は、不活性供給領域において既知の非入れ子式構成を使用することによって無くされる。流れチャンネル２８、３０及び３２が入れ子式構成で使用するよりも多くの空間を使用しないように、不活性供給領域における非入れ子式不活性供給領域における流れチャンネル２８、３０及び３２のサイズを減少させることが可能となる。しかし、そのような流れチャンネル２８、３０及び３２のサイズの減少は、チャンネルに亘って圧力降下を引き起こし、スタック１０の流量及び性能に悪影響を与える。
【００１７】
図２は、燃料電池スタック４０の不活性供給領域を通した部分断面図である。スタック４０は、スタック４０における２つの隣接する膜電極アッセンブリの一部である隣接する部材４２及び４４を備えている。燃料電池スタック４０は、２つの打ち抜き加工された非入れ子式の二極式プレート４８及び５０を有する二極式プレートアッセンブリ４６を更に備える。プレート４８及び５０は、該プレートがアノード流れチャンネル５２、カソード流れチャンネル５４及び冷却剤流れチャンネル５６を形成するように打ち抜き加工されている。
【００１８】
プレート４８及び５０は、冷却剤流れを分離することができ、適切なマニホルドヘッダーに連結することができるように、スタック４０の不活性供給領域において非入れ子式である必要がある。燃料電池スタック４０は、燃料電池スタック４０の活性供給領域と不活性供給領域との間に、後述される遷移領域を備え、該遷移領域では、アノード流れチャンネル５２がアノード流れチャンネル２８と流体連通し、カソード流れチャンネル５４がカソード流れチャンネル３０と流体連通し、冷却剤流れチャンネル５６は冷却剤流れチャンネル５２と流体連通している。
【００１９】
本発明によれば、燃料電池スタック４０の不活性供給領域において拡散媒体層１６及び１８を無くすことによって、非入れ子式チャンネル５２及び５４のサイズは非入れ子式チャンネル２８及び３０のサイズと同じであるか又はほとんど同じである。不活性供給領域では、膜電極アッセンブリ１２及び１４（図１）の触媒層は、サブガスケット又はサブガスケットに形成された膜４２及び４４を残して無くされる。なお、膜電極アッセンブリ１２及び１４は、典型的には、活性供給領域の外側にサブガスケット（図示せず）を備えている。サブガスケットは、プレート４８及び５０又はシール部へのイオノマーの直接的接触を防止する。サブガスケットは、典型的には、カプトン又は他の適切なプラスチックの２５マイクロメートル厚の膜であってもよい。従って、燃料電池スタック４０の活性供給領域における拡散媒体層１６及び１８（図１）により使用された体積を、不活性供給領域における非入れ子式二極式プレート４８及び５０と適合するため使用することができ、それにより、流れチャンネルのサイズをスタック４０の繰り返し距離を増大させること無く維持することができる。拡散媒体層１６及び１８は、一般に約０．２ｍｍ厚であり、これは必要となる空間を提供するには十分である。
【００２０】
冷却剤流れチャンネル５６のサイズは、入れ子式構成から非入れ子式構成までのサイズの約２倍まで増大するが、冷却剤チャンネル遷移により提供された圧力降下はスタック４０の性能に悪影響を及ぼさない。更には、非入れ子式プレートを備えた不活性供給領域は、活性供給領域のためのプレート予定領域を増大させ得るが、入れ子式プレートにより提供されたスタック高さの減少のためにスタックの全体積は減少される。
【００２１】
膜４２及び４４がスタック４０の不活性供給領域における拡散媒体層１６及び１８により支持されていないので、それらは流れチャンネル５２及び５４へと入り込む傾向を持ち得る。膜電極アッセンブリは、活性供給領域を超えて、十分な厚さのサブガスケットを備えているので、サブガスケットは、不活性供給領域において適切な膜支持を提供することができる。図３は、燃料電池スタック４０に類似した燃料電池スタック６０の断面図であり、該図では、同様の構成要素は同じ参照番号により同定される。燃料電池スタック６０は、膜４２とプレート４８との間に配置された薄いシム６２と、膜４４及びプレート５０との間に配置された薄いシム６４と、を備えている。シム６２及び６４は、膜４２及び４４が各々流れチャンネル５２及び５４へと入り込むことを各々防止する。シム６２及び６４は、適所に配置することができるか、又は、各々膜４２及び４４に若しくは各々プレート４８及び５０に連結することができる。シム６２及び６４は、ガスケットキャリアとして機能することもできる。シム６２及び６４は、例えば金属若しくはプラスチック等の任意の適切な材料から作ることができ、所望の支持を提供するため例えば１００マイクロメートル等の適切な厚さを持つことができる。適切な支持部は、隣接する膜４２又は４４に連結される単一のシム６２又は６４を使用することにより達成することもできる。
【００２２】
図４は、燃料電池スタック７０の一部分の断面図であり、燃料電池スタック７０の活性供給領域７８並びに燃料電池スタック７０の不活性領域８４における非入れ子式二極式プレート８０及び８２の間の遷移領域７２の一例を示している。燃料電池スタック７０は、活性供給領域７８及び不活性供給領域８４に亘って延在する膜８６及び８８を備えている。ガス拡散媒体層９０及び９２は、不活性供給領域８４において、各々、膜８６及び８８に隣接して提供されている。不活性供給領域８４及び活性供給領域７８におけるアノード流れチャンネル９８及びカソード流れチャンネル１００の相対的サイズは実質的に同じである。活性供給領域７８における流れチャンネル１０２は、アノード流れチャンネル、カソード流れチャンネル又は冷却剤流れチャンネルのうち任意のものを表すことができる。
【００２３】
図５は、燃料電池スタック１１２における二極式プレートアッセンブリ１１０の頂面図である。燃料電池スタック１１２は、入れ子になっている打ち抜き二極式プレートを有する活性供給領域１１４と、活性供給領域１１４の反対側端部における不活性供給領域１１６及び１１８と、を備え、打ち抜き二極式プレートは、上記説明と合致して、非入れ子式となっている。打ち抜き二極式プレートは、上述された様々な流れチャンネルを備えている。燃料電池スタック１１２の一端部におけるカソード入口ヘッダーは、カソード空気を不活性供給領域１１６におけるカソード流れチャンネルへと差し向ける。カソード空気は、不活性供給領域１１６におけるカソード流れチャンネルを通って、活性供給領域１１４におけるカソード流れチャンネルを通って、不活性供給領域１１８におけるカソード流れチャンネルを通って流れる。カソード排気ガスは、カソード出口ヘッダー１２２により収集される。
【００２４】
燃料電池スタック１１２の一端部におけるアノード入口ヘッダー１２６は、不活性供給領域１１８におけるアノード流れチャンネルへと水素ガスを差し向ける。水素ガスは、不活性供給領域１１８におけるアノード流れチャンネルを通って、活性供給領域１１４におけるアノード流れチャンネルを通って、不活性供給領域１１８におけるアノード流れチャンネルを通って流れる。アノード排気ガスは、アノード出口ヘッダー１２８により収集される。これに限定されない実施例では、アノードガス及びカソードガスは、反対方向の流れである。
【００２５】
燃料電池スタック１１２の一端部における冷却剤入口ヘッダー１３２は、冷却流体を不活性供給領域１１６における冷却剤流れチャンネルへと差し向ける。冷却流体は、不活性領域１１６における冷却剤流れチャンネルを通って、活性供給領域１１４における冷却剤流れチャンネルを通って、不活性供給領域１１８における冷却剤流れチャンネルを通って流れる。冷却流体は、冷却剤出口ヘッダー部１３４により収集される。
【００２６】
図６は、入れ子式二極式プレートを有する活性供給領域１４２と二極式プレートが入れ子になっていない不活性領域１４４とを備える燃料電池１４０の冷却剤用体積の中実モデルの斜視図である。活性供給領域１４２と不活性供給領域１４４との間の遷移領域１４６は、入れ子式形態から非入れ子式形態へのチャンネルの遷移を提供する。冷却剤ヘッダー（図６には示されていない）からの冷却流体は、不活性供給領域１４４における流れチャンネル１４８へと差し向けられ、アノードヘッダー（図６には示されていない）からの水素ガスは不活性供給領域１４４における流れチャンネル１５０へと差し向けられ、カソードヘッダー（図６には示されていない）からのカソードガスは不活性供給領域１４４における流れチャンネル１５２へと差し向けられる。本実施例では、アノードガス及びカソードガスは同じ方向の流れである。
【００２７】
以下の表１は、不活性供給領域に拡散媒体を有さない本発明に係る入れ子式プレート設計、非入れ子式プレート設計、並びに、不活性供給領域に拡散媒体を有する入れ子式プレート設計に対する、上述された様々なパラメータの比較を提供している。このデータは、３６０ｃｍ２の活性領域、２００個の電池、６６ｋＷの出力パワー、１．５Ａ／ｃｍ２の電流密度及び低圧を備える燃料電池スタックからのものである。入れ子式設計は、非入れ子式設計よりも小さく、より高いパワー密度（より高いｋＷ／リットル）を持ち、減少した冷却剤体積に起因して、２７から１９〜２０ｋＪ／ｋｇのより大きな熱容量の減少分を有している。不活性供給領域に拡散媒体を有する入れ子式プレート設計は、不活性供給領域において非常に浅い供給チャンネルを生成し、受容できないほど高い圧力降下（カソード側部で８５ｋＰａ対３０ｋＰａ）をもたらす。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
(1) 活性供給領域で入れ子式、不活性供給領域で非入れ子式、及び、不活性供給領域に拡散媒体を有さない設計
(2)  非入れ子式、及び、不活性供給領域が存在しない設計
(3)  活性供給領域で入れ子式、不活性供給領域で非入れ子式、及び、不活性供給領域に拡散媒体を有する設計
前述したように、燃料電池及び燃料電池スタックでは、拡散媒体と二極式プレートとの間の電気接触抵抗を減少させるため、組み立て時に、活性供給領域の拡散媒体に亘って圧縮負荷を実質的に担持することが必要となる。これがその場合であることを確実にするため、二極式プレートと膜若しくは不活性供給領域におけるシムとの間にクリアランスギャップが要求される。これは図７により例示される。図７は、燃料電池スタック４０に類似した燃料電池スタック４０’の断面図の例であり、同様の構成要素は同じ参照番号により同定される。燃料電池スタック４０’は、拡散媒体と二極式プレートとの間の電気接触抵抗を減少させるため活性供給領域の拡散媒体に亘って圧縮負荷を実質的に担持させることを確実にするように、図２の燃料電池スタック４０へと導入されたクリアランスギャップ５８を備え、これによってアノード流れチャンネル５２の高さ５２’とカソード流れチャンネル５４の高さ５４’との間のばらつきが生成される。類似のクリアランスギャップが、図３の燃料電池スタック６０及び図４の燃料電池スタック７０とに導入される。なお、部分的な厚さの許容誤差におけるばらつきに起因して、不活性供給領域におけるクリアランスギャップ、例えば５８等は、燃料電池スタック内の燃料電池の間でばらつき、これにより、反応物流れに影響を及ぼす反応物チャンネルの高さのばらつきを生じさせる。
【００３０】
活性供給領域と比較して、不活性供給領域において、全反応物のより大きい部分の圧力降下が発生するので、反応物流れは、クリアランスギャップ、例えば５８等におけるばらつきにより敏感である。冷却剤流れに対しては、しかし、冷却剤圧力降下のほとんどは、活性供給領域において発生し、それにより、不活性供給領域における冷却剤アノードのばらつきは、プレート当たりの全体に亘る流れに対するほどには重要ではない。
【００３１】
図８は、本発明に係る燃料電池スタック８００の不活性供給領域の部分断面図である。スタック８００は、本発明に係るクリアランスギャップ８１８、８２０を有する非結合式に８１０〜８１６からなる非入れ子式二極式プレートアッセンブリ８０６、８０８を用いる隣接する電池８０２、８０４を備えている。クリアランスギャップ８１８、８２０は、部分的な厚さのばらつきに起因して異なる高さを持ち得る。電池８０２、８０４は、アノード流れチャンネル８３０、８２４と、カソード流れチャンネル８２６、８２８と、冷却剤流れチャンネル８３０、８３２とを形成する。電池８０２、８０４は、膜８３４〜８３８を備えている。膜８３４〜８３８がシム無しに表されているが、図９に例示されるように、スタック８００内にシムを備えるのが好ましい。
【００３２】
アノード流れチャンネル８２２、８２４及びカソード流れチャンネル８２６、８２８の圧力を超えて冷却剤チャンネル８３０、８３２の冷却剤を加圧することは、非結合式二極式プレート８１０〜８１６を、膜８３４〜８３８に対して押し付け、これによって、クリアランスギャップ８１８、８２０を制御して該クリアランスギャップを冷却剤チャンネル内にのみ存在することを確実にする。膜８３４〜８３８が拡散媒体層により支持されていないので（図１の例１６及び１８参照）、それらの膜は、流れチャンネル８２２〜８２８へ入り込む傾向を持ち得る。膜電極アッセンブリが、典型的には、十分な厚さで、活性供給領域を超えたサブガスケットを備えているので、サブガスケットは、不活性供給領域において適切な膜の支持を提供することができる。
【００３３】
図９（非常に好ましい）は、図８の燃料電池スタック８００に類似した燃料電池スタック８００’の不活性供給領域の部分断面図である。図９では、同様の構成要素は、同じ参照番号により同定される。燃料電池スタック８００’は、膜８３４及びプレート８１０の間に配置された薄いシム８４０と、膜８３８及びプレート８１６の間に配置された薄いシム８４２と、膜８３６及びプレート８１２の間に配置された薄いシム８４４と、膜８３６及びプレート８１４の間に配置された薄いシム８４６とを備えている。シム８４０〜８４６は、膜８３４〜８３８が流れチャンネル８２２〜８２８へと入り込むことを各々防止している。これらのシムを、適所に配置することができ、又は、膜又はプレートに各々結合することができる。シムはガスケットのキャリアとしても機能する。シムは、例えば金属若しくはプラスチック等の任意の適切な材料から作ることができ、所望の支持を提供するため例えば１００マイクロメートル等の適切な厚さを持つことができる。適切な支持は、膜８３６において、該膜に結合することができる単一のシム（８４４又は８４６）を使用することによっても達成することができる。
【００３４】
電池８０２は、例えば、図７の電池４０’を例示することができ、二極式プレートアッセンブリ４６は非結合式であり、冷却剤チャンネル５６内の冷却剤圧力は、アノード流れチャンネル５２及びカソード流れチャンネル５４の圧力を超えており、これにより、クリアランスギャップ５８をアノード流れチャンネルから冷却剤流れチャンネルへと転移させる。冷却剤チャンネル８３０、８３２における冷却剤流れは、不活性供給領域のアノード流れチャンネル８２２、８２４及びカソード流れチャンネル８２６、８２８における反応物流れよりも、不活性供給領域における圧力降下により鈍感であるので、不活性供給領域における冷却剤チャンネルにおけるクリアランスギャップ８１８、８２０が、活性供給領域における電池間の流れ及び圧力の均一性を確実にする。
【００３５】
以下の表２は、本発明に係る不活性供給領域における、クリアランスギャップ、例えば８１８、８２０の高さに対する、冷却剤流れチャンネル、例えば８３０、８３２における様々な計算された冷却剤圧力降下の比較を提供する。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
表２において、ギャップ無しから０．１ｍｍギャップのまでの０．１ｍｍ範囲のクリアランスギャップは、約±１５％の冷却剤圧力降下を有し、０．１ｍｍギャップから０．２ｍｍギャップのまでの０．１ｍｍ範囲のクリアランスギャップは、約±７％の冷却剤圧力降下を有する。本発明によれば、二極式プレートは、不活性供給領域における非結合式の二極式プレートの二極式プレート高さが、燃料電池スタック内で各燃料電池の不活性供給領域でクリアランスギャップが形成されることを確実にするように打ち抜き加工されている。そうすることによって、冷却剤圧力降下が、表２に表されているようにクリアランスギャップの高さにおけるばらつきにより鈍感であることが確実となる。数値流体力学計算によれば、本発明に係る不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルのクリアランスギャップは、燃料電池内の冷却剤流れ分布に影響を及ぼさず、むしろ該流れ分布を改善したことが発見された。
【００３８】
部品の長さに沿ってプレート間の小さな寸法差が存在している。全てのプレート入口及び出口が同じ入口及び出口ヘッダーに接続されたとしても、寸法のばらつきは、プレートの長さに沿った圧力分布に差異を引き起こす。図８では、上側プレートの中央領域を通した流れが、プレート内部のより制限的な寸法に起因して中間値よりも小さい場合を想定する。この制限は、全体的な流れを中間値よりも小さくし、共通の総圧力降下のより小さい部分を、当該プレートの入口及び出口の両方の供給領域に発生させる。これは、上側プレートの冷却剤流れチャンネル８３０内の平均的な圧力を、入口圧力と同じ圧力により接近させ、その結果、隣接する下側プレートの冷却剤流れチャンネル８３２の内部圧力よりも高くする。これは、ギャップ８２０がつぶれそうである間にギャップ８１８を拡大させようとする傾向を提供する。非常に小さな圧力差が、プレート間の平均ギャップの数倍の距離だけフルスケールのプレートを迅速に偏向させることが試験により示された。ギャップ８１８の拡大は、冷却剤流れチャンネル８３０の内部の圧力降下を更に減少させ、内部圧力を更にいっそう増大させ、第１の隣接するプレートのみならず、上方向及び下方向の両方において、幾つかのより多くの隣接プレートからのギャップをつぶすことができる条件を生成する。
【００３９】
この応答を緩和するため、図８に類似し、同様の番号が同様の部品を指し示す図１０に示されるように、所定パターンの予備のスポット溶接９００を供給領域に備えることができる。このパターンは、隣接するプレートの溶接が整列しないようにオフセットされるべきである。パターンの間隔調整は、プレートの総体的な歪みを回避し、それでもなおプレートを、周期的な溶接制限が存在しようともプレートが浮き上がることができるという点で、云わば「非結合式」にするのに十分な剛性を形成するように調整することができる。
【００４０】
なお、これらのプレートは、不活性供給領域においてのみ非結合式でなければならない。活性供給領域は、プレート間の低い電気的接触を確実にするため結合されてもよく、或いは、結合されずに、プレートの半部分の間の圧縮圧力に頼るようにしてもよい。
【００４１】
本発明が、現在のところ、より実用的で好ましい実施例と関連して説明されたが、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、添付した請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる様々な変形及び均等構成物を網羅することが意図されている。本発明の範囲は、そのような変形及び法律の下で許される均等構成の全てを網羅するように最も広い解釈で提供されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの活性供給領域の部分断面図であり、アノード反応物チャンネル底部とカソード反応物ランドの後側との間のクリアランス並びにこれらの入れ子式チャンネルの側部同士の間のクリアランス（簡単にするため図示せず）が、アッセンブリの厚さをアノードの形成された深さのばらつきに鈍感にさせていることを示している。
【図２】図２は、非入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図であり、ガス拡散媒体層が除去された状態を示している。
【図３】図３は、非入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図であり、ガス拡散媒体層が除去され、シムが追加された状態を示している。
【図４】図４は、燃料電池の不活性供給領域と活性供給領域との間の遷移の部分断面図である。
【図５】図５は、燃料電池のプレートの頂面図である。
【図６】図６は、入れ子式打ち抜き二極式プレートを有する活性供給領域と、打ち抜き二極式プレートが入れ子式でない不活性供給領域とを備える燃料電池の冷却剤用体積の中実モデルを示す。
【図７】図７は、ガス拡散媒体層が除去され、クリアランスギャップが導入された非入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。
【図８】図８は、本発明に従って、ガス拡散媒体層が除去され、クリアランスギャップが導入された非入れ子式で非結合式の打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。
【図９】図９は、シムを備える、図８に示されるような非入れ子式で非結合式の打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。
【図１０】図１０は、二極式プレートの周期的な間隔を隔てた溶接部を特徴とする、代替実施例を示す、図８に示されるような燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。
【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】
2007109652.tif 000011
【図８】
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【図９】
2007109652.tif 000013
【図１０】
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【外国語明細書】
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