(57)【要約】  本発明は、２つの端部のうちの第１の端部にアノードプレートおよびカソードプレートを含む、燃料電池の複数のセルを積層して構成されるセルスタックであって、スタックは、スタックの最後のセル（３０）のそれぞれカソードまたはアノードプレート（１０、２０）に配置されたそれぞれ第１のアノードまたはカソードエンドプレート（２１）において終端し、前記第１のエンドプレート（２１）は、最後のセル（３０）の冷却流体用の回路を画成し、および前記第１のエンドプレート（２１）は、セル（３０）のそれぞれアノードおよびカソードプレート（１０、２０）と同一のそれぞれアノードまたはカソードプレートであるが、試薬を分配するための開口部がない、セルスタックに関する。それゆえ、プロトン交換膜を備える燃料電池のセルスタックの開発および組み立てを単純化する一方で、スタックの端部において良好なシールおよび満足のいく冷却を確実に行うことが可能である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン交換膜を備える燃料電池の複数のセルを積層して構成されるセルスタックであって、前記セル（３０）は、それぞれ、アノードプレート（１０）およびカソードプレート（２０）を含み、膜電極接合体（１６）を挟んで保持し、各プレート（１０、２０）は、それぞれ反応面および冷却面である２つの対向する面を有し、各プレート（１０、２０）の前記反応面は、前記膜電極接合体（１６）に対面するようにされており、および、リリーフ点と、試薬を循環させるための少なくとも１つのチャネル（２）を形成する中空部とを備え、前記冷却面は、前記セル（３０）の冷却流体の経路を画成し、試薬を循環させるための前記少なくとも１つのチャネル（２）は、前記プレート（１０、２０）を貫通して形成された、試薬を分配するためのオリフィス（１２）と連通する入口を有し、前記プレート（１０、２０）は、さらに、前記試薬分配オリフィス（１２）とは異なる試薬入口収集オリフィス（３）を含み、前記試薬入口収集オリフィス（３）は、前記冷却面にある通路（７）を経由して前記チャネル（２）の前記入口に試薬を供給するために設けられて、および前記入口収集オリフィス（３）と前記試薬分配オリフィス（１２）との間に流体接続を作り出し、各プレート（１０、２０）は、前記反応面に配置されかつ前記入口収集オリフィス（３）の周りにループを形成する部分を含む周辺シール（４）を有する、セルスタックにおいて、その２つの端部のうちの第１の端部において、前記スタックは、前記スタックの最後のセル（３０）の前記カソードまたはそれぞれアノードエンドプレート（１０、２０）に配置された第１のアノードまたはそれぞれカソードエンドプレート（２１）によって終端し、前記第１のエンドプレート（２１）は、前記最後のセル（３０）の前記冷却流体用の回路の境界を定め、およびこの第１のエンドプレート（２１）は、分配オリフィスを有しないことを除いて、前記セル（３０）の前記アノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートであることを特徴とする、セルスタック。
【請求項２】
その第２の端部において、前記スタックは、前記スタックの前記最後のセル（３０）の前記カソードまたはそれぞれアノードプレート（２０）に配置された第２のカソードまたはそれぞれアノードエンドプレート（１１）によって終端し、前記第２のエンドプレート（１１）は、前記スタックの端セル（３０）の前記冷却流体用の回路の境界を定め、およびこの第２のエンドプレート（１１）は、前記セル（３０）の前記カソードまたはそれぞれアノードプレート（２０、１０）と同様のカソードまたはそれぞれアノードプレートであるが、分配オリフィスが欠如していることを特徴とする、請求項１に記載のスタック。
【請求項３】
前記第２のエンドプレート（１１）は、分配オリフィスを有しないことを除いて、前記セル（３０）の前記カソードまたはそれぞれアノードプレートと同一のプレートであることを特徴とする、請求項２に記載のスタック。
【請求項４】
前記セル（３０）の前記プレートは、成形および／または機械加工および／またはハイドロフォーミングおよび／またはスタンピングによって、および／または３次元印刷によって、製作されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスタック。
【請求項５】
前記セル（３０）の前記プレートは成形され、および前記第１のエンドプレート（２１）は、前記セル（３０）の前記アノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートであり、および成形により、前記成形の最中に、前記分配オリフィス（１２）の領域にプラグを作り付けることによって、得られることを特徴とする、請求項４に記載のスタック。
【請求項６】
前記セル（３０）の前記プレートは成形され、および前記第２のエンドプレート（１１）は、前記セル（３０）の前記アノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートであり、および成形により、前記成形の最中に、前記分配オリフィス（１２）の領域にプラグを作り付けることによって、得られることを特徴とする、請求項２または３と組み合わせられた、請求項４または５に記載のスタック。
【請求項７】
各プレート（１０、２０）の循環のための前記少なくとも１つのチャネル（２）は、前記プレート（１０、２０）を貫通して形成された試薬排出オリフィス（５）を備える出口を含み、前記プレート（１）は、さらに、前記排出オリフィス（５）とは異なる試薬出口収集オリフィス（６）を含み、前記出口収集オリフィス（６）は、前記出口において、前記出口収集オリフィス（６）と前記排出オリフィス（５）との間に流体接続を作り出す通路（１７）を経由する前記少なくとも１つのチャネル（２）から、前記試薬を取り戻すために設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のスタック。
【請求項８】
前記スタックの前記端部にある前記プレート（１１、２１）には、排出オリフィス（５）が欠如していることを特徴とする、請求項７に記載のスタック。
【請求項９】
前記第１のエンドプレート（２１）が集電板であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセルスタック（３０）を含む燃料電池。
【請求項１０】
前記第２のエンドプレート（１１）が集電板であることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
使用位置において、前記スタックの前記プレート（１０、２０、１１、２１）は、平行の垂直平面に配置されることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセルスタック、およびそのようなスタックを含む燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
より詳細には、本発明は、プロトン交換膜を備える燃料電池の複数のセルを積層して構成されるセルスタックに関し、ここでは、セルはそれぞれ、アノードプレートおよびカソードプレートを含み、膜電極接合体を挟んで保持しており、各プレートは、それぞれ反応面および冷却面である２つの対向する面を有し、各プレートの反応面は、膜電極接合体に対面するようにされ、かつリリーフ点と、試薬を循環させるための少なくとも１つのチャネルを形成する中空部とを備えており、冷却面は、セルの冷却流体用の経路を画成し、試薬を循環させるための少なくとも１つのチャネルは、プレートを貫通して形成された、試薬を分配するためのオリフィスと連通する入口を有し、プレートは、さらに、試薬分配オリフィスとは異なる試薬入口収集オリフィスを含み、試薬入口収集オリフィスは、冷却面に配置された通路を介してチャネルの入口に試薬を供給するように設けられて、かつ入口収集オリフィスと試薬分配オリフィスとの間に流体接続を作り出し、各プレートは、反応面に配置されかつ入口収集オリフィスの周りにループを形成する部分を含む周辺シールを有する。
【０００３】
燃料電池のセル（アノード側面およびカソード側面）は熱を生成するため（セル内の化学反応は発熱性である）、冷却回路によって冷却される必要がある。
【０００４】
膜電極接合体を挟んで保持する２枚のプレートで構成されたセルの場合、各プレート（アノードまたはカソード）は、反応性ガス（膜電極接合体に対面する空気または水素）の循環に専念する側面と、冷却流体（液体）の循環に専念する側面（セルの外側の方に向けられた）とを含む。
【０００５】
それゆえ、スタックの各端部において、冷却流体の回路を閉成する必要がある。実際、セルスタックは、冷却回路の半分で終端するため、これらの最後の半セルのためにこの冷却半回路を閉成する手段を見つける必要がある。
【０００６】
特に、内部収集部を経由する冷却液の通路は、スタックの最後のアクティブな半セルを確実に効果的に冷却する間、最後の半セルと燃料電池の端部との間の境界面の適切なシーリングを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の１つの目的は、この問題を、従来技術の欠点のいくつかまたは全てを軽減することによって、単純かつ経済的な方法で解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このために、本発明による、およびさらに上述のその前段において与えられた包括的定義による燃料電池のセルスタックは、基本的に、その２つの端部のうちの第１の端部において、スタックは、スタックの最後のセルのカソードまたはそれぞれアノードエンドプレートに配置された第１のアノードまたはそれぞれカソードエンドプレートによって終端し、前記第１のエンドプレートは、最後のセルの冷却流体用の回路の境界を定め、この第１のエンドプレートは、セルのアノードまたはそれぞれカソードプレートと同様のアノードまたはそれぞれカソードプレートであるが、試薬分配オリフィスが欠如していることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明の実施形態は、以下の特徴の１つ以上を含み得る：
−  その第２の端部において、スタックは、スタックの最後のセルのカソードまたはそれぞれアノードプレートに配置された第２のカソードまたはそれぞれアノードエンドプレートによって終端し、前記第２のエンドプレートは、スタックの端セルの冷却流体用の回路の境界を定め、およびこの第２のエンドプレートは、セルのカソードまたはそれぞれアノードプレートと同様のカソードまたはそれぞれアノードプレートであるが、分配オリフィスが欠如している、
−  第２のエンドプレートは、分配オリフィスを有しないことを除いて、セルのカソードまたはそれぞれアノードプレートと同一のプレートである、
−  第１のエンドプレートは、分配オリフィスを有しないことを除いて、セルのアノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートである、
−  セルのプレートは、成形および／または機械加工および／またはハイドロフォーミングおよび／またはスタンピングによって、および／または３次元印刷によって、製作される、
−  セルのプレートは成形され、および第１のエンドプレートは、セルのアノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートであり、および成形により、成形の最中に、分配オリフィスの領域にプラグを作り付けることによって、得られる、
−  セルのプレートは成形され、および第２のエンドプレートは、セルのアノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートであり、および成形し、成形の最中に、分配オリフィスの領域にプラグを作り付けることによって、得られる、
−  各プレートの循環用の少なくとも１つのチャネルは、プレートを貫通して形成された試薬排出オリフィスを備える出口を含み、プレートは、さらに、排出オリフィスとは異なる試薬出口収集オリフィスを含み、出口収集オリフィスは、出口において、出口収集オリフィスと排出オリフィスとの間に流体接続を作り出す通路を経由する少なくとも１つのチャネルから、試薬を取り戻すために設けられている、
−  スタックの端部に配置されるプレートには、排出オリフィスが欠如している、
−  第１のエンドプレートは、冷却流体用の経路を画成する冷却面を有する、
−  第２のエンドプレートは、冷却流体用の経路を画成する冷却面を有する。
【００１０】
本発明はまた、第１のエンドプレートが集電板である、そのようなスタックを含む燃料電池に関する。
【００１１】
他の考えられる特徴によれば：
−  第２のエンドプレートは集電板である、
−  使用位置において、スタックのプレートは、平行な垂直平面に配置される。
【００１２】
本発明は、同様に、上述のまたは下記の特徴のいずれかの組み合わせを含む、任意の代替的な装置または方法に関し得る。
【００１３】
他の特徴および利点は、図面を参照することを前提として、以下の説明を精査することによって明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つの考えられるサンプル実施形態の第１の詳細を説明するための、燃料電池のプレートの反応面の概略的および部分的な正面図を示す。
【図２】本発明の１つの考えられるサンプル実施形態の第２の詳細を説明するための、燃料電池のプレートの反応面の概略的および部分的な正面図を示す。
【図３】燃料電池のセルのプレートのスタックの例を説明するための、概略的および部分的な斜視図を示す。
【図４】本発明による燃料電池のセルスタックの一方の端部のサンプル実施形態を説明するための、概略的および部分的な断面図を示す。
【図５】図４のスタックの端部を説明するための、概略的および部分的な斜視断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図４に示すように、積層セル３０を構成する、燃料電池のプレート１０、２０は、２つの対向する面、それぞれ反応面および冷却面を有する。
【００１６】
図１は、リリーフ点と、試薬を循環させるための少なくとも１つのチャネル２を形成する中空部とを有するカソードプレート１０の反応面を概略的および部分的に示す。
【００１７】
試薬を循環させるためのチャネル２は、プレート１を貫通して形成された試薬分配オリフィス１２と連通する入口を有する。プレート１は、さらに、試薬分配オリフィス１２とは異なる試薬入口収集オリフィス３を含む。試薬入口収集オリフィス３は、プレート１の冷却面に形成されかつ入口収集オリフィス３と試薬分配オリフィス１２との間に流体接続を作り出す通路７を経由して、少なくとも１つのチャネル２の入口に試薬を供給するために設けられている（図４および図５も参照）。
【００１８】
この通路７は、図に点線で示してあり、および２つのオリフィス３、１２の間の分離領域において、プレート１０の厚さ部分に形成された１つ以上の中空部またはチャネルによって形成され得る。
【００１９】
すなわち、反応性ガスは、収集オリフィス３によって届けられてから、プレートの冷却面に沿った通路を経由して分配オリフィス１２まで通過する。その後、ガスは、分配オリフィス１２を経由してプレート１０の厚さ部分を通過して、反応面にある循環チャネル２に到達する。
【００２０】
入口収集オリフィス３は、第１の下方端部３１と第２の上方端部１３０との間を第１の長手方向１３に沿ってプレート１の平面内で縦方向に延在し得る。分配オリフィス１２は、第１の下方端部１２１と第２の上方端部１２０との間を第２の長手方向１３に沿ってプレート１０の平面内で縦方向に延在し得る。第１の長手方向１３および第２の長手方向２２は、例えば互いに平行であり、およびプレート１０が垂直の使用位置にあるときには、垂直である（図３参照）。
【００２１】
図２は、チャネル２からの出口で反応性ガスを受け取る、排出オリフィスに対する出口収集部６の考えられる配置構成を示す。
【００２２】
排出オリフィス５に対する出口収集部６の配置構成は、例えば、プレート１の中心点に対して、前述のものと対称的に同一である（収集オリフィス６の下方端部６１は、特に、排出オリフィス５の下方端部よりも下側に位置し得る）。同様に、出口収集部６および排出オリフィス５は、それぞれの平行な方向６６、５５に延在する長方形を有してもよい。
【００２３】
すなわち、排出オリフィス５および出口収集部６の配置構成は、分配オリフィス１２および入口収集部３のそれぞれの配置構成と対称的に同一であってもよい。すなわち、収集部３、６は、同一であり、かつプレート１の中心点に対して対称的に配置され得る。同様に、オリフィス１２、５は、同一であり、かつプレート１の中心点に対して対称的に配置され得る。それゆえ、プレートは、その入口および出口の領域において対称的とし得る。すなわち、プレートは上面および底面を有するのではなく、および上面に入口、および底面に出口をまたは逆もまた同様に配置するためのポカよけの必要性なく、取り付けられ得る。これは、燃料電池の組み立てを容易にする。
【００２４】
排出オリフィス５は、例えば、通常、出口収集部６の上側に位置決めされる。これは、同様に、ガスチャネル内に水が溜まるのを防止し、および出口収集部６から排出オリフィス５への「水の詰り（ｗａｔｅｒ  ｂａｃｋｕｐ）」を防止する。
【００２５】
それゆえ、これらの構造は、特に低温での、流体入口および出口（収集部３、６、オリフィス１２、５）の領域における水の管理をより良好にすることができる。
【００２６】
これは、対応するセル、セルスタック、および燃料電池のより良好な性能および耐用寿命を可能にする。
【００２７】
従来、プレートの反応面は、様々な入口および出口の境界を定める周辺シール４を含み、および特に、シールは、循環チャネル２の境界を定める（それを取り囲む）。シール４は、入口収集オリフィス３の周りにループを形成する部分を含む（出口収集部６に対しても同じである）。シール４は、膜電極接合体に当てられて、異なる流体回路を分離するようにされる。
【００２８】
１つの好都合な特徴によれば、その２つの端部のうちの第１の端部（プレートのスタックの方向にある端部）において、スタックは、スタックの最後のセル３０のカソード（またはそれぞれアノード）エンドプレート１０に配置された第１のアノード（またはそれぞれカソード）エンドプレート２１によって終端する（図３〜５参照）。
【００２９】
例えば、および図３〜５に示すように、スタックの上部にある最後のセル３０は、カソードプレート１０によって終端し、および第１のアノード上方エンドプレート２１は、このカソードプレートに配置されて、冷却回路を閉成する。
【００３０】
反対に、スタックの他方の端部では、最後のセル３０の最後のプレート２１は、第２のカソードエンドプレート１１によって覆われたアノードプレートである。
【００３１】
エンドプレート１１、２１は、スタックの端部において冷却流体用の回路の境界を定める（それを閉成する）。
【００３２】
１つの好都合な特徴によれば、これらのエンドプレート１１、２１は、アノードまたはそれぞれのカソードプレート１０、２０と同様であるが、それらには、ガス分配オリフィスが欠如している。
【００３３】
それゆえ、第１のエンドプレート２１および第２のエンドプレート１１は、反応性ガスをそれらの厚さ部分に通過させることなく、冷却流体の通路のみを可能にする。
【００３４】
これにより、反応性流体の漏出のリスク（水素または空気、例えば、これら後者が燃料電池によって使用される試薬であるとき）、ならびに、ガスの過剰消費を防止することが可能となる。反応性ガスの分配オリフィスの領域にプラグが作り付けられた（ｐｌｕｇｇｅｄ）これらのエンドプレート１１、２１の使用は、冷却回路に関しては最後の半セルを閉成することを可能にする。これは、さらに、この最後の半セルと燃料電池の隣接する端部要素との間のタイトネスを確実に良好にする。
【００３５】
これらのエンドプレート１１、２１の後に、燃料電池は、従来：集電板、スタックの断熱システム、スタック締結システムなどのうちの少なくとも１つのような他の要素を有し得る。
【００３６】
好ましくは、エンドプレート１１、２１（アノードまたはカソード）は、分配オリフィスを有しないことを除いて、セルのアノードまたはそれぞれカソードプレートと同一のプレートである。
【００３７】
このオリフィス１２または５の排除は、プレート（プラスチックおよび／または複合体）を成形する最中に、例えばインサートを成形中に追加するまたは修正するまたは除去することによって、あるいはこの位置にプラグが作り付けられるプレートを得るために分配オリフィスを穿孔するステップを排除することによって、達成され得る。
【００３８】
プレートが機械加工によって作製される場合には、特定のプレートにこのオリフィスを作らないように、工作機械をプログラムするので十分であろう。プレートがスタンピングまたはハイドロフォーミングによって作製される場合には、製作プロセスは、特定のプレートにこのオリフィスを生成しないように設計される。プレートはまた、３次元印刷（「３Ｄ印刷」）として公知の方法によって製作され得る。
【００３９】
これにより、エンドプレートの製作コストを削減することが可能になる（セル用の標準的なプレートの若干の修正）。
【００４０】
この解決法は、多くの利点を提示する。それゆえ、セルのスタックの端部に特定の部品を開発する必要がない。成形に関しては、例えば、セルの他のプレートを製作するために使用される型に、インサートを位置決めするので十分である、または十分ではない。上述の製作の他の態様に関し、１つまたは複数のオリフィスを備えるプレートと比較して、わずかに適応させる必要があるにすぎない。
【００４１】
エンドプレートは、スタックの最後の半セル（冷却回路）を単に閉成することを可能にする一方で、この最後の半セルと、燃料電池の端部要素との間のタイトネスを確実に良好にする。
【００４２】
この構造はまた、試薬の漏出のリスクを回避することを可能にする。スタックの端部要素に関連するこのまたはこれらのエンドプレートの寸法および集積によって、化学的なリスクを回避できる（異なる試薬の化学的分離）。
【００４３】
さらに、プラグが作り付けられたエンドプレートは、必要な場合には、集電板としての機能を果たし、それゆえ、スタックの嵩を低減し、かつそれが含む要素の数を削減し得る。
【００４４】
スタックを組み立てる時間も短縮される。
【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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【国際調査報告】
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2018504739.tif 000011
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