(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＥＭ燃料電池用二極プレート組立体であって、
二極プレートの第１の面の曲がりくねった流れフィールドと前記二極プレートの第２の面の互いに組み合った流れフィールドとを画定するために前記二極プレートに形成された複数のランド部と、二極プレートを貫通した第１のヘッダー開口を有するプレート縁と、前記第１のヘッダー開口と前記曲がりくねった流れフィールドとの間で二極プレートを貫通した第１のポートと、二極プレートを貫通した第２のヘッダー開口と、前記第２のヘッダー開口と前記互いに組み合った流れフィールドとの間で二極プレートを貫通した第２のポートとを有する前記二極プレートと、
前記第１のヘッダー開口と前記第１のポートとの間に第１の流体連通路を画定するために第１のシールに形成された第１の通路と、前記第２のポートと前記曲がりくねった流れフィールドとの間に第２の流体連通路を画定するために第１のシールに形成された第２の通路とを有すると共に、前記二極プレートの前記第１の面に配置された第１のシールと、
前記第２のヘッダー開口から前記第２のポートまでの第３の流体連通路を画定するために第２のシールに形成された第３の通路と、前記第１のポートから前記互いに組み合った流れフィールドまでの第４の流体連通路を画定するために第２のシールに形成された第４の通路とを有すると共に、前記二極プレートの前記第２の面に配置された第２のシールとを備えていることを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項２】
請求項１に記載の二極プレート組立体において、
前記第１のシールの前記第１の通路は、前記第１のヘッダー開口と前記第１のポートとを制限し、前記第２のシールの前記第３の通路は、前記第２のヘッダー開口と前記第２のポートとを制限することを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項３】
請求項２に記載の二極プレート組立体において、
前記第１のシールは、前記第１の通路と前記曲がりくねった流れフィールドとの間で流体密封を提供し、前記第２のシールは、前記第２のヘッダー開口と前記第２の通路との間で流体密封を提供することを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項４】
請求項１に記載の二極プレート組立体において、
前記二極プレートは、前記二極プレートの前記第１の面に形成された複数の全体が平行な曲がりくねった流れ溝と、前記二極プレートの前記第２の面に形成された複数の全体が平行な互いに組み合った流れ溝とを備えていることを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項５】
請求項４に記載の二極プレート組立体において、
前記二極プレートは、前記第２の通路と一組の隣接した曲がりくねった流れ溝との間に流体連通を提供するために二極プレートに形成された曲がりくねった入口通路を有していることを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項６】
請求項１に記載の二極プレート組立体において、
前記曲がりくねった流れフィールドは、第１の曲がりくねった流路を画定する複数の第１の中央区間と、第２の曲がりくねった流路を画定する複数の第２の中央区間とを備え、
前記第１の曲がりくねった流路と前記第２の曲がりくねった流路は、流れ方向に関し端と端とをつなぐ形状で配置され、かつ、第１のクロスオーバー区間を通して流体が流れるように連結されていることを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項７】
請求項６に記載の二極プレート組立体において、
前記曲がりくねった流れフィールドは、前記第１の曲がりくねった流路に隣接した第３の曲がりくねった流路を画定する複数の第３の中央区間と、前記第２の曲がりくねった流路に隣接した第４の曲がりくねった流路を画定する複数の第４の中央区間とを備え、
前記第３の曲がりくねった流路と前記第４の曲がりくねった流路は、前記流れ方向に関し端と端とをつなぐ形状で配置され、かつ、第２のクロスオーバー区間を通して流動的に連結されていることを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項８】
請求項７に記載の二極プレート組立体において、
前記二極プレートは、前記第２の通路と前記第１の曲がりくねった流路との間、及び前記第２の通路と前記第３の曲がりくねった流路との間に流体連通を提供するために二極プレートに形成された曲がりくねった入口区間通路を有していることを特徴とする二極プレート組立体。
【請求項９】
ＰＥＭ燃料電池であって、
二極プレートの第１の面の曲がりくねった流れフィールドと前記二極プレートの第２の面の互いに組み合った流れフィールドとを画定するために前記二極プレートに形成された複数のランド部と、二極プレートを貫通した第１のヘッダー開口を有するプレート縁と、前記第１のヘッダー開口と前記曲がりくねった流れフィールドとの間で二極プレートを貫通した第１のポートと、二極プレートを貫通した第２のヘッダー開口と、前記第２のヘッダー開口と前記互いに組み合った流れフィールドとの間で二極プレートを貫通した第２のポートとを有する前記二極プレートと、
前記第１のヘッダー開口と前記第１のポートとの間に第１の流体連通路を画定するために第１のシールに形成された第１の通路と、前記第２のポートと前記曲がりくねった流れフィールドとの間に第２の流体連通路を画定するために第１のシールに形成された第２の通路とを有すると共に、前記二極プレートの前記第１の面に配置された第１のシールと、
前記第２のヘッダー開口から前記第２のポートまでの第３の流体連通路を画定するために第２のシールに形成された第３の通路と、前記第１のポートから前記互いに組み合った流れフィールドまでの第４の流体連通路を画定するために第２のシールに形成された第４の通路とを有すると共に、前記二極プレートの前記第２の面に配置された第２のシールと、
第１の面と前記第１の面と対向する第２の面とを有する第１の陽子変換膜と、前記第１の面と結合している第１の電流コレクターとを有し、前記第１の電流コレクターが前記曲がりくねった流れフィールドと接触するように前記第１のシールに支持されている第１の電極膜組立体と、
第２の面を有する第２の陽子変換膜と、前記第２の面と結合している第２の電流コレクターとを有し、前記第２の電流コレクターが前記互いに組み合った流れフィールドと接触するように前記第２のシールに支持されている第２の電極膜組立体とを備えていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記第１のシールの前記第１の通路は、前記第１のヘッダー開口と前記第１のポートとを制限し、前記第２のシールの前記第３の通路は、前記第２のヘッダー開口と前記第２のポートとを制限することを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記第１のシールは、前記第１の通路と前記曲がりくねった流れフィールドとの間で流体密封を提供し、前記第２のシールは、前記第２のヘッダー開口と前記第２の通路との間で流体密封を提供することを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１２】
請求項９に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記二極プレートは、前記二極プレートの前記第１の面に形成された複数の全体が平行な曲がりくねった流れ溝と、前記二極プレートの前記第２の面に形成された複数の全体が平行な互いに組み合った流れ溝とを備えていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記二極プレートは、前記第２の通路と一組の隣接した曲がりくねった流れ溝との間に流体連通を提供するために二極プレートに形成された曲がりくねった入口区間を有していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１４】
請求項９に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記曲がりくねった流れフィールドは、第１の曲がりくねった流路を画定する複数の第１の中央区間と、第２の曲がりくねった流路を画定する複数の第２の中央区間とを備え、
前記第１の曲がりくねった流路と前記第２の曲がりくねった流路は、流れ方向に関し端と端とをつなぐ形状で配置され、かつ、第１のクロスオーバー区間を通して流体が流れるように連結されていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１５】
請求項１４に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記曲がりくねった流れフィールドは、前記第１の曲がりくねった流路に隣接した第３の曲がりくねった流路を画定する複数の第３の中央区間と、前記第２の曲がりくねった流路に隣接した第４の曲がりくねった流路を画定する複数の第４の中央区間とを備え、
前記第３の曲がりくねった流路と前記第４の曲がりくねった流路は、前記流れ方向に関し端と端とをつなぐ形状で配置され、かつ、第２のクロスオーバー区間を通して流体が流れるように連結されていることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記二極プレートは、前記第２の通路と前記第１の曲がりくねった流路との間、及び前記第２の通路と前記第３の曲がりくねった流路との間に流体連通を提供するために二極プレートに形成された曲がりくねった入口区間を有していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１７】
請求項９に記載のＰＥＭ燃料電池において、
前記第１の電極膜組立体の前記第１の面はアノード面であり、前記第２の電極膜組立体の前記第２の面はカソード面であることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１８】
ＰＥＭ燃料電池であって、
第１の二極プレート組立体と、第２の二極プレート組立体とを備え、
前記第１の二極プレート組立体は、
第１のプレート部材の上面の第１の曲がりくねった流れフィールドと前記第１のプレート部材の底面の第２の互いに組み合った流れフィールドとを画定するために第１のプレート部材に形成された複数のランド部と、第１のプレート部材を貫通した第１のヘッダー開口を有するプレート縁と、前記第１のヘッダー開口と前記曲がりくねった流れフィールドとの間で第１のプレート部材を貫通した第１のポートと、第１のプレート部材を貫通した第２のヘッダー開口と、前記第２のヘッダー開口と前記互いに組み合った流れフィールドとの間で第１のプレート部材を貫通した第２のポートとを有する第１のプレート部材と、
前記第１のヘッダー開口と前記第１のポートとの間に第１の流体連通路を画定するために第１のシールに形成された第１の通路と、前記第２のポートと前記第１の曲がりくねった流れフィールドとの間に第２の流体連通路を画定するために第１のシールに形成された第２の通路とを有すると共に、前記第１のプレート部材の前記上面に配置された第１のシールと、
前記第２のヘッダー開口から前記第２のポートまでの第３の流体連通路を画定するために第２のシールに形成された第３の通路と、前記第１のポートから前記第１の互いに組み合った流れフィールドまでの第４の流体連通路を画定するために第２のシールに形成された第４の通路とを有すると共に、前記第１のプレート部材の前記底面に配置された第２のシールとを有し、
前記第２の二極プレート組立体は、
第２のプレート部材の上面の第２の曲がりくねった流れフィールドと前記第２のプレート部材の底面の第２の互いに組み合った流れフィールドとを画定するために第２のプレート部材に形成された複数のランド部と、第２のプレート部材を貫通した第３のヘッダー開口を有する第２のプレート縁と、前記第３のヘッダー開口と前記第２の曲がりくねった流れフィールドとの間で第２のプレート部材を貫通した第３のポートと、第２のプレート部材を貫通した第４のヘッダー開口と、前記第４のヘッダー開口と前記第２の互いに組み合った流れフィールドとの間で第２のプレート部材を貫通した第４のポートとを有する第２のプレート部材と、
前記第３のヘッダー開口と前記第３のポートとの間に第５の流体連通路を画定するために第３のシールに形成された第５の通路と、前記第４のポートと前記第２の曲がりくねった流れフィールドとの間に第６の流体連通路を画定するために第３のシールに形成された第６の通路とを有すると共に、前記第２のプレート部材の前記上面に配置された第３のシールと、
前記第４のヘッダー開口から前記第４のポートまでの第７の流体連通路を画定するために第４のシールに形成された第７の通路と、前記第３のポートから前記第２の互いに組み合った流れフィールドまでの第８の流体連通路を画定するために第４のシールに形成された第８の通路とを有すると共に、前記第２のプレート部材の前記底面に配置された第４のシールと、
第１の面と前記第１の面と対向する第２の面とを有する陽子変換膜と、前記第１の面と結合している第１の電流コレクターと、前記第２の面と結合している第２の電流コレクターとを有し、前記第１の電流コレクターが前記第１の互いに組み合った流れフィールドと接触し、前記第２の電流コレクターが前記第２の曲がりくねった流れフィールドと接触するように前記第２のシールと前記第３のシールとの間に支持されている電極膜組立体とを有していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項１９】
請求項１８に記載のＰＥＭ燃料電池において、
陽子変換部材等の前記第１の面はカソード面であり、前記陽子変換部材の第２の面等はアノード面であることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【請求項２０】
請求項１８に記載のＰＥＭ燃料電池において、
第３のプレート部材と、
冷却剤の通路を画定するために前記第２のプレート部材の前記底面と前記第３のプレート部材の前記上面との間に配置されたスペーサとを備え、
前記第３のプレート部材は、第３のプレート縁を貫通した冷却剤ヘッダーを有する第３のプレート縁を有し、前記冷却剤の通路と流体連通していることを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池に関するものであり、特に、燃料電池スタックの隣接した燃料電池を分離するための二極プレートに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、多くの用途に対して電力源として提案されている。そのような燃料電池の一つとして、陽子変換膜すなわちＰＥＭ燃料電池がある。ＰＥＭ燃料電池は、当業者に周知であり、ＰＥＭ燃料電池の各電池の中に、いわゆる電極膜組立体、すなわち、一方の面に形成されたアノード電極膜と他方の面に形成されたカソード電極膜とを有する薄くて陽子伝導性のある高分子電極膜を有するＭＥＡを有している。そのような電極膜は、当業者に周知であり、米国特許第５，２７２，０１７号や米国特許第３，１３４，６９７号などに記載されており、同じく、電力源の雑誌の２９巻（１９９０年）の３６７頁から３８７頁に特に記載されている。
【０００３】
一般に、このような電極膜は、イオン交換樹脂で作られており、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｅｏｕｒｓ  &  Ｃｏ．から入手することができるＮＡＦＩＯＮ3等のパーフルオロネイトスルホン酸ポリマー（ａ  ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｎａｔｅｄ  ｓｕｌｆｏｎｉｃ  ａｃｉｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ）を典型的に備えている。これに対して、アノード膜及びカソード膜は、（１）微細に分配された炭素粒子と、炭素粒子の内面及び外面に支持された非常に微細に分配された触媒粒子と、触媒粒子及び炭素粒子と混合されたＮＡＦＩＯＮ3等の陽子伝導性物質とを備えているか、あるいは、（２）炭素をなくして、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）バインダーによって分散された触媒粒子を備えている。このようなＭＥＡ及び燃料電池は、１９９３年１２月２１日に発行された米国特許第５，２７２，０１７号に記載されており、本発明の譲受人に譲渡されている。
【０００４】
ＭＥＡのアノード面及びカソード面に対して押圧し、（１）アノード面及びカソード面に対する一次電流コレクターとして機能し、及び（２）ＭＥＡに対する機械的支持として機能する、電導性金属のガス透過性のある多孔質のシートの間にＭＥＡは挟まれている。当業者に周知なように、適当な一次電流コレクターシートは、カーボン紙あるいはカーボン布あるいはグラファイト紙あるいはグラファイト布と、微格子貴金属スクリーンなどを備えている。この組立体は、本明細書中において、ＭＥＡ／一次電流コレクター組立体として参照される。
【０００５】
ＭＥＡ／一次電流コレクター組立体は、一組の非多孔質導電性プレートあるいは金属シートの間で押圧されている。この一組の非多孔質導電性プレートあるいは金属シートは、一次電流コレクターから電流を集めると共に、隣接する燃料電池間の電流をスタックの内部（すなわち、二極プレートのケース内）に導き、燃料電池の端部の電流をスタックの外部（すなわち、単極プレートの外部）に導くための二次電流コレクターとして機能する。二次電流集電プレートは、ガス反応物（例えば、水素及び酸素／空気）をアノード面及びカソード面上に分配する流れフィールドを有している。これらの流れフィールドは、概ね、一次電流コレクターと結合すると共に、複数のランド部間で複数の流れ溝を画定する複数のランド部を有している。複数の流れ溝を通って、流れ溝の一端にある供給ヘッダーと流れ溝の他端にある排気ヘッダーとの間にガス反応物が流れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来では、これらの金属プレートは、流れ溝の特別な幾何学形状を画定する単一の機能的な流れフィールドを有している。一般的に知られている流れフィールドは、曲がりくねった流れ溝を画定している。この流れ溝は、ヘアピンカーブとスイッチバックを作った後、供給ヘッダー及び排気ヘッダーを接続する。従って、曲がりくねった流れ溝は、曲がりくねった流路であるが隣接した流路を画定する。他の一般的に知られている流れフィールドは、互いに組み合った流れ溝を画定している。この流れ溝の中には、供給ヘッダーから排気ヘッダーの方へ伸びているが終端部で閉じている複数の流れ溝が、排気ヘッダーから供給ヘッダーの方へ伸びているが終端部で閉じている複数の流れ溝の間で互いに組み合わされている。曲がりくねった流れ溝と比較すると、これらの互いに組み合った流れ溝は、ガス反応物が多孔質一次電流コレクターを通して隣接する流れ溝間のランド部を通ると供給ヘッダーと排気ヘッダーとの間の流路が通るように、非接触路を画定する。
【０００７】
従来では、機能的な流れフィールドが二極プレート組立体の各面に形成されるように、二極プレートは、一組の金属シートを組み立てることによって形成されている。多くの場合、スペーサが複数の金属シート間に配置され、冷却剤が二極プレート組立体を通って流れるのを許容する内部容積を画定している。このような二極プレート組立体は、１９９８年７月７日に発行された米国特許第５，７７６，６２４号に記載されており、本発明の譲受人に譲渡されている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、相対する面に機能的な流れフィールドを画定する単一の金属プレートを有する打ち抜きされた二極プレートに関するものである。金属シートは、ガスの燃料の流れをプレートの一面に導き、ガスの酸化剤の流れをプレートの他面に導く波形シール形状と結合されるポート構成を含む。
【０００９】
本発明は、プレートの一面に曲がりくねった流れフィールドを有し、プレートの対向面に互いに組み合った流れフィールドを有する単一の金属シートから形成された二極プレートを有している。形成された金属シートは、単一のシートから非冷却二極プレートを生産するために概ね均等な壁の厚さを保有している。一組の二極プレートは、それらの間のスペーサと共に積層されていて、内部冷却溝を有する二極プレートをつくる。
【００１０】
本発明の流れフィールドの幾何学的な形状は、プレートが多孔質一次電流コレクターと接する最大領域の全域で圧力差が発生し、従来の二極プレート組立体よりも高性能を生み出すものである。
【００１１】
本発明は、シールの荷重を支えるための付加的な部品あるいは構成要素を必要としないで、特別なポートが各電池にガスの反応物を幾何学的に連通することに関連する波形シール形状を含む。
【００１２】
本発明は、各々の図面に関して与えられた実施態様の以下の詳細な説明を正しく熟考することによってより理解されるであろう。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１には、ＰＥＭ燃料電池スタックの一部分を示しており、このＰＥＭ燃料電池スタックは、非多孔質導電性二極プレート１２によって互いに分離した一組の電極膜組立体（ＭＥＡ）８，１０を有している。電極膜組立体８は、カソード面８ｃとアノード面８ａとを有しており、電極膜組立体１０は、カソード面１０ｃとアノード面１０ａとを有している。電極膜組立体８，１０及び非多孔質導電性二極プレート１２は、非多孔質導電性液体冷却二極プレート１４と非多孔質導電性液体冷却二極プレート１６との間で互いに積み重ねられている。非多孔質導電性二極プレート１２は流れフィールド２０を有し、非多孔質導電性液体冷却二極プレート１４は流れフィールド１８を有し、非多孔質導電性液体冷却二極プレート１６は流れフィールド２２を有している。流れフィールド１８，２０，２２は、燃料及び酸化ガス（すなわち、水素及び酸素）を電極膜組立体８，１０の反応面に配送するための、各プレートの面に形成された複数の流れ溝を有している。非電導性ガスケットすなわちシール部材２６，２８，３０，３２は、ＰＥＭ燃料電池スタックのそれぞれのプレートの間にシール及び電気絶縁を提供する。多孔質ガス透過導電性シート３４，３６，３８，４０は、電極膜組立体８，１０の電極面に対して押圧しており、電極面用一次電流コレクターとして機能する。また、一次電流コレクター３４，３６，３８，４０は、特に、電極膜組立体が流れフィールドに支持されていない位置で、電極膜組立体８，１０に機械的支持を提供する。適当な一次電流コレクターは、カーボン／グラファイト紙／布と、微格子貴金属スクリーンと、開放蓄電池貴金属フォームと、ガスを通過させる間、電極から電流を導くようなものとを有している。
【００１４】
二極プレート１４は、電極膜組立体８のカソード面８ｃ上の一次電流コレクター３４に対して押圧し、二極プレート１６は、電極膜組立体１０のアノード面１０ａ上の一次電流コレクター４０に対して押圧している。一方、二極プレート１２は、電極膜組立体８のアノード面８ａ上の一次電流コレクター３６に対して押圧していると共に、電極膜組立体１０のカソード面１０ｃ上の一次電流コレクター３８に対して押圧している。酸素あるいは空気などの酸化ガスが、貯蔵タンク４６から適当な供給配管４２を介してＰＥＭ燃料電池スタックのカソード面に供給されている。同様に、水素等の燃料が、貯蔵タンク４８から適当な供給配管４４を介してＰＥＭ燃料電池スタックのアノード側に供給されている。好適実施態様では、酸素タンク４６を設けずに空気を周囲からカソード面に供給するようにしてもよい。同様に、水素タンク４８を設けずにメタノールあるいは液化炭化水素（例えば、ガソリン）から水素を接触反応で発生させる改質装置からアノード側に供給するようにしてもよい。また、電極膜組立体の水素側及び酸素／空気側の両方に対して排気配管（図示せず）が、アノード流れフィールドからの消耗したアノードガスである水素と、カソード流れフィールドからの消耗したカソードガスである酸素とを排出するために設けられている。冷却配管５０，５２は、必要とされる場合に液体冷却剤を非多孔質導電性液体冷却二極プレート１４と非多孔質導電性液体冷却二極プレート１６とに供給及び排出するために設けられている。
【００１５】
図２には、燃料電池において積層関係に配置された、非多孔質導電性二極プレート１２と、一次電流コレクター３８と、電極膜組立体１０と、一次電流コレクター４０の分解図を示している。二極プレート１６は、（図１に示すように）第２の一次電流コレクター４０の下に位置して燃料電池を形成する。一次電流コレクター３４，３６と、電極膜組立体８と、二極プレート１４とからなる他の一組は、（図１に示すように）二極プレート１２の上に位置して他の燃料電池を形成する。
【００１６】
二極プレート１２は、できるだけ薄く（例えば、略０．００２−０．０２インチ（略０．０５１ｍｍ−０．５１ｍｍ）の厚さ）作られた流れフィールド２０を有している単一のプレート部材である。本実施態様として好ましくは、二極プレート１２，１４，１６は、打ち抜きによってあるいは写真エッチング（すなわち、写真平板面を通して）によって、あるいは、シート金属を成型するための慣習的な他のプロセスによって形成された金属シートであり、ステンレス鋼が好ましい。他の適当な物質や製造プロセスを二極プレートに用いることができるということを当業者は理解できるであろう。
【００１７】
図２乃至図７を参照すると、流れフィールド２０の幾何学的な形状が、流れフィールド２０の第１の面に機能的に曲がりくねった流れフィールド２０ｓを形成すると共に、流れフィールド２０の反対の面に機能的に流れフィールド２０ｓの形状と互いに組み合った流れフィールド２０ｉを形成するように、二極プレート１２が形成されている。より具体的に述べると、複数の流れ溝５６ｓ、５６ｉを画定する複数のランド部５４ｓ、５４ｉによって特徴づけられた反応ガス流れフィールドを提供するように、二極プレート１２は形成されている。複数のランド部５４ｓ、５４ｉを通って、反応ガスが、二極プレート１２の吸気口プレート縁５８から二極プレート１２の排気プレート縁６０に流れる。二極プレート１２を横切る流れ方向は、概ね、流れフィールド２０を通って吸気口プレート縁５８から排気口プレート縁６０までである。複数の供給ヘッダー開口６２が吸気口プレート縁５８の外縁の近傍に形成されている。複数の吸気ポート６４が、供給ヘッダー開口６２と流れフィールド２０との間で吸気口プレート縁５８に形成されている。同様に、複数の排気ヘッダー開口６６が、排気口プレート縁６０の外縁の近傍に形成され、複数の排気ポート６８が、排気ヘッダー開口６６と流れフィールド２０との間で排気口プレート縁６０に形成されている。供給ヘッダー開口６２と排気ヘッダー開口６６と吸気ポート６４と排気ポート６８とは、概ね説明されているが、当業者は、そのような開口及びポートの各々が、燃料や酸化剤や冷却剤などの特定の流体を、燃料スタックを通して通ずることが難しいということをすでに理解できるであろう。燃料電池が完全に組み立てられると、ランド部５４ｓは一次電流コレクター３８に対して押圧し、ランド部５４ｉは一次電流コレクター４０に対して押圧し、次ぎに、一次電流コレクター３８，４０は、電極膜組立体１０に対して押圧する。動作中では、電極膜組立体によって発生した電流は、ランド部５４ｓ、５４ｉを通って一次電流コレクター３８，４０から流れ、そして、そこから燃料電池スタックを通って流れる。反応ガスは、供給ヘッダー開口６２から吸気ポート６４を介して流れ溝５６ｓ、５６ｉに供給され、この溝５６を通り、排気ポート６８を介して排気ヘッダー開口６６に排気する。
【００１８】
次に、図３、図４、及び図７を参照して、曲がりくねった流れフィールド２０ｓについてさらに詳細に説明する。この曲がりくねった流れフィールド２０ｓは、流れ溝５６ｓへの流体の伝達を提供する入口供給部７０を有している。流れ溝５６ｓは、排気供給部７２まで二極プレート１２の幅を蛇行している。流れ溝５６ｓは、第１の曲がりくねった通路７４と第２の曲がりくねった通路７８とによって画定されている。第１の曲がりくねった通路７４は、二極プレート１２上で横切って伸びている複数の中央区間７６を有している。第２の曲がりくねった通路７８は、二極プレート１２上で横切って伸びている複数の中央区間８０を有している。第１の曲がりくねった通路７４と第２の曲がりくねった通路７８は、それぞれ二極プレート１２の略半分の幅を横切っており、クロスオーバー区間８２によって流動的に連結されている。図４に最もよく示すように、内側近傍にある流れ溝５６ｓは、共通の入口供給部７０とによって供給され、共通の排気供給部７２にも分岐している。従って、内側近傍にある流れ溝の入口区間は、入口供給部７０で互いに接触し、内側近傍にある流れ溝の排気区間は、排気供給部７２で互いに接触している。各流れ溝は、隣の内側近傍にある流れ溝の鏡像である方が有効である。また、曲がりくねった流れ溝５６ｓに流れる反応ガスは、図７に示されているように、一次電流コレクター３６を通って内側近傍にある流れ溝５６ｓまで流れてもよい。
【００１９】
次に、図５乃至図７を参照して、互いに組み合った流れフィールド２０ｉを説明する。二極プレート１２の曲がりくねったフィールド面２０ｓ上に形成された流れ溝５６ｓは、反対の面のランド部５４ｉを画定し、同様に、二極プレート１２の曲がりくねったフィールド面２０ｓのランド部５４ｓは、その反対側の流れ溝５６ｉを画定する。図６に最もよく示しているように、互いに組み合った流れフィールド２０ｉは、流れ溝５６ｉへの流体の伝達を提供する入口供給部８４を有している。流れ溝５６ｉは、排気供給部８６まで二極プレート１２の幅を蛇行している。曲がりくねった流れ溝５６ｓと同様に、互いに組み合った流れ溝５６ｉは、第１の曲がりくねった流路８８と第２の曲がりくねった流路９４とに区分されている。第１の曲がりくねった流路８８は、入口供給部８４と流体連通している複数の中央区間９０と、排気供給部８６と流体連通している複数の中央区間９２とを有しており、二極プレート１２の前半部分を横切っている。第２の曲がりくねった流路９４は、入口供給部８４と流体連通している複数の中央区間９６と、排気供給部８６と流体連通している複数の中央区間９８とを有しており、二極プレート１２の後半部分を横切っている。図７に最も良く示すように、入口供給部８４から曲がりくねった流路８８，９４に流れる反応ガスは、排気供給部８６を通って排気されるように、一次電流コレクター４０を通ってランド部５４ｉを横切らなければならない。
【００２０】
図８を参照すると、非冷却燃料電池１０２ｕと冷却燃料電池１０２ｃとを有しているＰＥＭ燃料電池スタック１００の部分分解投影図が示されている。非冷却燃料電池１０２ｕは、積層関係に配置された、ＭＥＡ／一次電流コレクター組立体１０６と、シール１０８と、二極プレート１１０と、シール１１２とを有している。冷却燃料電池１０２ｃは、ＭＥＡ／電流コンダクター組立体１１４と、シール１１６と、二極プレート１１８と、スペーサ１２０と、二極プレート１２２と、シール１２４とを有している。ＰＥＭ燃料電池スタック１００は、一つの非冷却燃料電池１０２ｕと一つの冷却燃料電池１０２ｃとを有しているように示されているが、ＰＥＭ燃料電池スタック１００内で冷却せずに電池を冷却する電池比率は、特有のスタックの作動によって変化することができるということを当業者はすでに理解できるであろう。このように、あらゆる比率（例えば、１，１／２，α，１／４，…）は、本発明によって熟考される。さらに、冷却するために反応空気を用いる空気冷却スタック（すなわち、φ比率を有している）も、本発明によって熟考される。
【００２１】
二極プレート１１０，１１８，１２２は、それらの上面に形成された曲がりくねった流れ溝と、それらの下面に形成された、上面に形成された該流れ溝の形状と互いに組み合った流れ溝とを画定している流れフィールド１２６を有している。配管４２（酸化剤）、配管４４（燃料）、配管５０（冷却剤）のそれぞれから燃料スタックを通してガス反応物（すなわち、酸化剤及び燃料）及び冷却剤を連通するために、一連の矩形供給ヘッダー開口１２８（酸化剤）、矩形供給ヘッダー開口１３０（燃料）、矩形供給ヘッダー開口１３２（冷却剤）が、二極プレート１１０，１１８，１２２にそれぞれ形成されている。これに関し、二極プレート１１０，１１８，１２２は、矩形供給ヘッダー開口１２８，１３０，１３２が燃料スタックを軸線上に通って流体供給路を形成するように整合された積層関係に配置されている。また、二極プレート１１０，１１８，１２２は、それらに形成されたポート１３４，１３６，１３８を有している。このポート１３４，１３６，１３８は、ガス反応物及び冷却剤を、供給ヘッダー開口１２８，１３０，１３２から適当な流れフィールド１２６まで導くためのものである。
【００２２】
本発明は、ヘッダー開口からポートを通して流れフィールドまでの流体連通路を形成する波形シール配列を用いている。特に、シール１０８，１１２，１１６，１２４の形状は、スペーサ１２０と同様に、そのような流体流れによる流体連通路を画定する。
【００２３】
次に、図８乃至図１４を参照すると、本発明の波形シール形状がさらに詳細に説明されている。燃料が冷却燃料電池１０２ｃを通って流れる場合には、反応ガスは、二極プレート１１８の下方にある供給ヘッダー開口１３０から二極プレート１１８の上方にあるアノードポート１３６を通り、段階状のシール形状を通ってＭＥＡ１１４のアノード面に連通される。より具体的に述べると、スペーサ１２０は、スペーサ１２０に形成された開口１４０を有しており、この開口１４０は二極プレート１１８に形成されたアノードポート１３６を制限している流体連通路１４２を有している。スペーサ１２０から見て二極プレート１１８の反対の面に配置されているシール１１６は、流体連通路１４４を有している。この流体連通路１４４も二極プレート１１８に形成されたアノードポート１３６を制限しており、この流体連通路１４４は、入口区間１４６まで伸びている。シール１１２が二極プレート１１０に形成されたアノードポート１３６を制限するように、シール１１２に形成された開口１４８が開口１４８から伸びている流体連通路１５０を有する状態で、同様の流体連通路が非冷却燃料電池１０２ｕに設けられている。二極プレート１１０の反対の面に配置されたシール１０８は、流体連通路１５２を有している。この流体連通路１５２は、シール１０８の内部外縁から入口区間１５４まで伸びていて、二極プレート１１０に形成されたアノードポート１３６を制限している。
【００２４】
次に、図１０を参照すると、ＭＥＡ１１４へのアノード流体流路が示されている。燃料は、供給ヘッダー開口１３０を通って、二極プレート１１８とスペーサ１２０と二極プレート１２２とによって画定された流体連通路１４２に沿って流れ、アノードポート１３６を通って、ＭＥＡ１１４とシール１１６と二極プレート１１８とによって画定された流体連通路１４４に沿って流れる。同様に、図１１を参照すると、ＭＥＡ１０６へのアノード流体流路が示されている。燃料は、供給ヘッダー開口１３６を通って、二極プレート１１０とシール１１２，１１６と二極プレート１１８とによって画定された流体連通路１５０に沿って流れ、二極プレート１１０に形成されたアノードポート１３６を通って、それから、ＭＥＡ１０６とシール１０８と二極プレート１１０とによって画定された流体連通路１５２に沿って流れる。これらの場合では、アノード流体流路は、燃料供給部からＭＥＡ１０６のアノード面及びＭＥＡ１１４のアノード面に燃料を導く。
【００２５】
酸化剤が冷却燃料電池１０２ｃを通って流れる場合には、反応ガスは、二極プレート１１０の上方にある供給ヘッダー開口１２８から二極プレート１１０の下方にあるカソードポート１３４を通り、段階状のシール形状を通ってＭＥＡ１１４のカソード面に連通される。より具体的に述べると、シール１０５，１０８は、これらに形成された開口１５６を有しており、この開口１５６は、二極プレート１１０に形成されたカソードポート１３４を制限している流体連通路１５８を有している。シール１０８から見て二極プレート１１０の反対の面に配置されているシール１１２は、流体連通路１６０を有している。この流体連通路１６０も二極プレート１１０に形成されたカソードポート１３４を制限しており、この流体連通路１６０は、入口区間１５４まで伸びている。同様の流体連通路が、冷却燃料電池１０２ｃに設けられていて、波形シール形状によって画定されている。
【００２６】
次に、図１２を参照すると、ＭＥＡ１１４へのカソード流体流路が示されている。酸化剤は、供給ヘッダー開口１２８を通って、二極プレート１０４とシール１０５，１０８と二極プレート１１０とによって画定された流体連通路１５８に沿って流れ、カソードポート１３４を通って、それから、二極プレート１１０とシール１１２とＭＥＡ１１４とによって画定された流体連通路１６０に沿って流れる。同様に図１３を参照すると、酸化剤は、二極プレート１０４の上方にある供給ヘッダー開口１２８を通り、カソードポート１３４を通って、二極プレート１０４とシール１０５とＭＥＡ１０６とによって画定された流体連通路１６２に沿って流れる。
【００２７】
冷却剤が冷却燃料電池１０２ｃを通って流れる場合には、冷却剤は、二極プレート１１０と二極プレート１１８との間の供給ヘッダー開口１３２から二極プレート１１８の下方にある冷却ポート１３８を通り、段階状のシール形状を通って連通されている。より具体的に述べると、シール１１２，１１６は、これらに形成された開口１６４を有しており、この開口１６４は、二極プレート１１８に形成された冷却ポート１３８を制限している流体連通路１６０を有している。二極プレート１１８の反対の面に配置されているスペーサ１２０は、流体連通路１６８を有している。この流体連通路１６８も二極プレート１１８に形成された冷却ポート１３８を制限しており、この流体連通路１６８は、冷却ボリューム１７０まで伸びている。
【００２８】
次に、図１４を参照すると、冷却燃料電池１０２ｃへの冷却燃料流路が示されている。冷却剤は、供給ヘッダー開口１２８を通って、二極プレート１１０とシール１１２，１１６と二極プレート１１８とによって画定された流体連通路１６６に沿って流れ、冷却ポート１３８を通って、それから、二極プレート１１８とスペーサ１２０と二極プレート１２２とによって画定された流体連通路１６８に沿って流れ、二極プレート１１８に形成された流れフィールドと二極プレート１２２に形成された流れフィールドとの間に画定された内部冷却ボリューム１７０内へ流れる。
【００２９】
燃料スタック１００内への流体の供給すなわち吸気流れは、詳細な説明で上述されている。本発明の波形シール形状が、燃料スタック１００の排気側に、燃料スタック１００からガス反応物や冷却材を排気するための同様の波形シール形状を有しているということを当業者はすでに理解できるであろう。従って、上述した段階状シール配置を用いることによって、本発明は、ガス反応物や冷却物を燃料スタック１００の供給から排気まで有効に運送することができる。
【００３０】
本発明は、ＭＥＡの両面に配置されたシール（すなわち、一組のシール）の利用を通じて開示されているが、本発明の精神及び範囲から外れないで単一のシールをこの装置に代用することができるということを当業者はすでに理解できるであろう。さらに、本発明は、燃料電池のアノード面のための曲がりくねった流れフィールドと、燃料電池のカソード面のための互いに組み合った流れフィールドとを使用するとして説明されているが、特別な応用によって画定されたように、互いに組み合った流れフィールドは燃料電池のアノード面での使用に有用であり、同様に、曲がりくねった流れフィールドは燃料電池のカソード面での使用に有用であるということを当業者はすでに理解することができるであろう。従って、本発明は、種々の好適実施態様によって開示されているが、本発明は、特許請求の範囲の記載範囲にだけ限定され、該実施態様によっては限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、等間隔に分解されたＰＥＭ燃料電池の概略図である。
【図２】図２は、ＭＥＡと燃料電池スタックの二極プレートの等分解図である。
【図３】図３は、曲がりくねった流れフィールドを有する図２に示された二極プレートの上面の一部分を示す等大図である。
【図４】図４は、図２に示された二極プレートの上面図である。
【図５】図５は、図２に示された互いに組み合った流れフィールドを有する図２に示された二極プレートの底面の一部分を示す等大図である。
【図６】図６は、図２に示された二極プレートの底面図である。
【図７】図７は、反応ガスの流れの方向が示された燃料電池スタックの二極プレートと多孔質一次電流コレクターの横断面図である。
【図８】図８は、燃料スタックの非冷却電池と冷却電池とを有する一組の燃料電池の等分解図である。
【図９】図９は、図８に示された燃料電池スタックの図である。
【図１０】図１０は、アノードポートを示す図９の線Ｘ−Ｘで切った断面図である。
【図１１】図１１は、アノードポートを示す図９の線ＸＩ−ＸＩで切った断面図である。
【図１２】図１２は、カソードポートを示す図９の線ＸII−ＸIIで切った断面図である。
【図１３】図１３は、カソードポートを示す図９の線ＸIII−ＸIIIで切った断面図である。
【図１４】図１４は、冷却剤ポートを示す図９の線ＸIV−ＸIVで切った断面図である。
【符号の説明】
８    電極膜組立体（ＭＥＡ）
８ａ  アノード面
８ｃ  カソード面
１０    電極膜組立体（ＭＥＡ）
１０ａ  アノード面
１０ｃ  カソード面
１２    二極プレート
１４    二極プレート
１６    二極プレート
１８    流れフィールド
２０    流れフィールド
２２    流れフィールド
２６    シール部材
２８    シール部材
３０    シール部材
３２    シール部材
３４    一次電流コレクター
３６    一次電流コレクター
３８    一次電流コレクター
４０    一次電流コレクター
４２    供給配管
４４    供給配管
４６    酸素タンク
４８    水素タンク
５０    冷却配管
５２    冷却配管
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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