(57)【要約】本開示は、アノードフレーム部材、フロープレート、およびカソードフレーム部材を含むフロープレート・フレーム・アセンブリを形成する方法を提供し、フロープレートは、アノードフレーム部材とカソードフレーム部材との間に保持される。本開示は、また、フロープレート・フレーム・アセンブリ、当該フロープレート・フレーム・アセンブリを複数含む燃料電池スタック、および当該燃料電池スタックを含む燃料電池システムを提供する。流体的に接続されたアノード流体経路は、アノード流体入口から、アノードフレーム部材の導管を通って、フロープレートのアノード表面上に、そしてアノードフローチャネル内に提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側表面（１０１）、内側表面（１０２）、およびアノードフレーム開口（１０３）を有するアノードフレーム部材（１００）と、
外側表面（２０２）、内側表面（２０１）、およびカソードフレーム開口（２０３）を有するカソードフレーム部材（１００）と、
アノード表面（３０１）およびカソード表面（３０２）を有するフロープレート（３００）とを有し、
上記カソードフレーム部材（２００）および上記アノードフレーム部材（３００）は、それらの内側表面（１０２／２０１）に沿って相互に係合し、上記アノード表面（３０１）の一部が上記アノードフレーム部材の上記内側表面（１０２）と接触し、かつ、上記カソードフレーム部材（３０２）の一部が上記カソードフレーム部材の上記内側表面（１０１）と接触する状態で、上記内側表面（１０２／２０１）の間に上記フロープレート（３００）を保持して包囲することを特徴とするフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項２】
上記フロープレート（３００）は複数のアノードフローチャネル（３０４）を具備するアノード表面（３０１）および複数のカソードフローチャネル（３０５）を具備するカソード表面（３０２）を有する請求項１記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項３】
上記アノードフレーム部材（１００）が、１または複数のアノード流体入口（１６０）、１または複数の冷却剤流体入口（１７０）、１または複数のカソード流体入口（１５０）、１または複数のアノード排気出口（１８０）、および１または複数のカソード排気出口（１９０）を有し、
上記カソードフレーム部材（２００）が、１または複数のアノード流体入口（２６０）、１または複数の冷却剤流体入口（２７０）、１または複数のカソード流体入口（２５０）、１または複数のアノード排気出口（２８０）、および１または複数のカソード排気出口（２９０）を有し、
上記アノードフレーム部材における、上記アノード流体入口、上記冷却剤流体入口、上記カソード流体入口、上記アノード排気出口、および上記カソード排気出口の各々は、上記カソードフレーム部材における、上記アノード流体入口、上記冷却剤流体入口、上記カソード流体入口、上記アノード排気出口、および上記カソード排気出口のそれぞれに整合される請求項１または２のいずれかに記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項４】
上記フレームプレート（３００）は、上記フロープレート（３００）の一部（３０３）が上記フロープレート（３０２）の上記カソード表面（３０２）の上に折り畳まれた、上記フロープレートの折り返し縁部によって形成される一体型冷却剤流路容積を有し、
上記フロープレートは、上記一体型冷却剤流路容積から出て上記カソード表面（３０２）へ流れる冷却剤流体の流れを提供するように構成された開放冷却剤流体搬送端（３０９）をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項５】
上記アノードフレーム部材（１００）、上記カソードフレーム部材（２００）、および上記フロープレート（３００）は、流体的に接続されたアノード流体経路を提供するように構成され、
上記アノード流体経路は、１または複数のアノード流体入口（１６０）、アノード流体フロー領域（８００）によって形成される外側表面（１０１）の一部、上記アノードフレーム部材（１００）を通り抜けて上記外側表面（１０１）を上記内側表面（１０２）に連結する１または複数のアノード流体導管（１６１）、上記アノードフレーム部材（１００）の上記内側表面（１０２）および上記フロープレート（３００）の上記アノード表面（３０１）の間の容積、および１または複数のアノードフローチャネル（３０４）を有し、
上記アノード流体フロー領域は、ステップダウン端部８０５と流体分配突起８１０によって規形成される請求項１〜４のいずれか１項に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項６】
上記アノードフレーム部材（１００）、上記カソードフレーム部材（２００）、および上記フロープレート（３００）は、流体的に接続されたカソード流体経路を提供するように構成され、
上記カソード流体経路は、１または複数のカソード流体入口（２５０）、上記カソードフレーム部材（２００）の上記内側表面（２０１）の第１の部分、上記フロープレート（３００）の上記内側表面（２０１）および上記カソード表面（３０２）の間の容積、および１または複数のカソードフローチャネル（３０５）を有し、
上記第１の部分は、上記カソード流体入口（２５０）および上記カソードフレーム部材開口（２０３）の間に配置される請求項１〜５のいずれか１項に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項７】
上記アノードフレーム部材（１００）、上記カソードフレーム部材（２００）、および上記フロープレート（３００）は、流体接続された冷却剤流体経路を提供するように構成され、
上記冷却流体経路は、１または複数の冷却剤流体入口（２７０）、冷却剤フロー領域（８３０）、上記カソードプレート（２００）の上記内側表面（２０１）の一部）、冷却剤マニホールド穴（２７２）、部分（３０３）に形成された冷却剤流路容積入力口導管（３１２）上記一体型冷却剤流路体積、開放冷却剤流体搬送縁部（３０９）、および１または複数のカソードフローチャネル（３０５）を有し、かつ
冷却剤フロー領域は、ステップダウンされたエッジ８０５によって形成される請求項４に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項８】
上記アノードフレーム部材、上記カソードフレーム部材、またはそれらの双方は、２つの異なる材料を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項９】
上記２つの異なる材料は、硬質プラスチック材料から作られた剛性フレーム要素（８００）と、圧縮性シーリング材料の選択領域（８０１／８０２）とを有する請求項８に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項１０】
上記アノードフレーム、上記カソードフレーム部材、またはそれらの双方は、２Ｋ成形プロセスで形成される請求項８〜９のいずれか１項に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項１１】
膜電極アセンブリをさらに有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリ。
【請求項１２】
先行する請求項のいずれか１項に記載の複数の同一のフロープレート・フレーム・アセンブリを有し、上記同一のフロープレート・フレーム・アセンブリの各々は、一緒に係合する隣接するフロープレート・フレーム・アセンブリの外側表面（１０１／２０２）と整合させられる燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１３】
１または複数のアノード流体入力口導管（１６５）が、上記フレーム部材の上記表面（１０１／１０２／２０１／２０２）に垂直な列を形成する隣接するアノード流体入口（１６０／２６０）の配列から、形成され、
１または複数のカソード流体入力口導管（２５５）が、上記フレーム部材の上記表面（１０１／１０２／２０１／２０２）に垂直な列を形成する隣接するカソード流体入口（１５０／２５０）の配列から、形成され、
１または複数の冷却剤入力口導管（２７５）が、上記フレーム部材の上記表面（１０１／１０２／２０１／２０２）に垂直な列を形成する隣接する冷却剤入口（１７０／２７０）の配列から、形成され、
１または複数のアノード流体出力口導管（１６６）が、上記フレーム部材の上記表面（１０１／１０２／２０１／２０２）に垂直な列を形成する隣接するアノード排気出口（１８０／２８０）の配列から、形成され、
１または複数のカソード流体出力口導管（２５６）が、上記フレーム部材の上記表面（１０１／１０２／２０１／２０２）に垂直な列を形成する隣接するカソード排気出口１９０／２９０の配列から形成される請求項１２に記載の燃料電池スタックアセンブリ。
【請求項１４】
請求項１２または１３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックを有する燃料電池システム。
【請求項１５】
アノード流体を含み、上記燃料電池スタックの上記アノード流体入力口導管（１６５）に流体接続されたアノード流体供給部と、
カソード流体を含み、上記燃料電池スタックの上記カソード流体入力口導管（２５５）に流体接続されたカソード流体供給部と、
冷却剤流体を含み、上記燃料電池スタックの上記冷却剤流体入力口導管（２７５）に流体接続された冷却剤流体供給部とをさらに有する請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
上記アノード流体は燃料を有し、
上記カソード流体は酸化剤を有し、
上記冷却剤は水を有する請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
上記燃料は水素ガスを有し、
上記酸化剤は酸素ガスを有する請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
上記酸化剤は空気を有する請求項１５〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
上記アノード流体供給部、上記カソード流体供給部、および上記冷却剤流体供給部のうちの１または複数が、燃料電池スタックへの、関連するアノード流体搬送、カソード流体搬送および冷却剤流体搬送の速度を制御するように構成されたポンプを有する請求項１５〜１８のいずれかに１項に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
外側表面（１０１）、内側表面（１０２）、およびアノードフレーム開口（１０３）を有するアノードフレーム部材（１００）を形成するステップと、
外側表面（２０２）、内側表面（２０１）、およびカソードフレーム開口（２０３）を有するカソードフレーム部材（２００）を形成するステップと、
アノード表面（３０１）およびカソード表面（３０２）を有するフロープレート（３００）を形成するステップと、
上記カソード表面（３０２）が上記内側表面（２０１）と接触した状態で、上記フロープレート（３００）を上記カソードフレーム部材（２００）上に配置するステップと、
上記内側表面（１０２）が上記内側表面（２０１）および上記アノード表面（３０１）に接触した状態で、上記アノードフレーム部材（１００）を上記フロープレート（３００）およびカソードフレーム部材（２００）上に配置するステップとを有することを特徴とするフロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法。
【請求項２１】
上記カソードフレーム部材、上記アノードフレーム部材、またはそれらの双方の形成は、２Ｋ成形プロセスを介して実行される請求項２０に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法。
【請求項２２】
上記アノードフレーム部材、上記カソードフレーム部材、またはそれらお双方が、２つの別個の材料を有する請求項２０または請求項２１に記載のフロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法。
【請求項２３】
上記２つの別個の材料は、硬質プラスチック材料（８００）から作られた剛性フレーム要素と、圧縮性シール材料（８０１／８０２）の選択領域とを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
上記アノードフレーム部材（１００）および上記カソードフレーム部材（２００）の上記流体入口および出口を位置合わせするステップをさらに有する請求項２０〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
上記アノードフレーム部材（１００）および上記カソードフレーム部材（２００）を一緒に保持するステップをさらに有する請求項２０〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
上記カソード表面が複数のアノードフローチャネル（３０４）を有し、上記カソード表面（３０２）が複数のカソードフローチャネル（３０５）を有する請求項２０〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、電気化学燃料電池の分野にある。特に、この開示は、複数の流体流路およびその配置を可能にする流体流プレート用のフレーミングシステムを含む、電気化学燃料電池アセンブリで使用するためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックアセンブリは、膜電極アセンブリ層と交互に配置された一連の流体フロープレートから形成することができる。蒸発冷却（ＥＣ）プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池において、アノード流体流路またはカソード流体流路を介して水を燃料電池スタックに導入して、膜を水和し、セルを冷却できる。ＥＣセルは、介在型密閉型液体冷却通路を備えた液体冷却燃料電池と比較した場合、単純な単一プレート配置とセルピッチの縮小により、良好な質量および容積出力密度を提供できる。典型的なＥＣ燃料電池の配置において、冷却水は、燃料電池スタックの側面に沿って伸びる１つ以上の共通のマニホールドからアノードまたはカソードの流体流路に注入される。ＥＣ燃料電池スタックは、カソードとアノードの流体の圧力降下をアクティブ領域を通過する場合と同様のレベルに付与し、これにより、セル間性能の一貫性が、セル周辺マニホールドおよびその結果としての電圧降下の一貫性に依存する。流体フロープレートの周囲にゴムなどのガスケット材料で作られた連続シールを使用して位置合わせと流体フロー分岐（マニホールド）を提供すると、複数の流体フロープレートが高い圧縮力の負荷の下で燃料電池スタックアセンブリ全体のさまざまなポイントで位置ずれが発生する可能性がある。このような連続的なシーリングは、流体フロープレートの形成後の二次製造ステップとしても適用する必要がある。これにより、サプライチェーンの問題が発生し、製造コストやリードタイムが増加する可能性がある。
【０００３】
燃料電池アセンブリで対処すべきいくつかの問題には、以下が含まれる。すなわち、燃料、酸化剤、および冷却剤ラインの流体分布のために均一なフローフィールドを確保すること。入口マニホールド全体の圧力降下を最小限に抑えること。気密動作を保証するために必要なシール圧力を最小限に抑えること。燃料電池アセンブリの製造で多数のユニットを正確に組み立てる必要がある場合、機械化された組み立てプロセスと互換性のある流体フロープレートの構造を作成すること。スタックを構成する燃料電池のピッチを減らしながら、所望のパラメータ内で動作を維持すること。コンポーネントの数を減らこと。全体の重量を減らすこと。材料の使用量と無駄を減らすこと。設計、製造、およびアセンブリを簡素化すること。一般に、燃料電池アセンブリの全体的なコストを削減することである。
【０００４】
したがって、単純化された製造および組み立てを可能にする一方で、流体流マニホールドおよび分配経路の正確な整列を提供するコンポーネントが必要である。この開示は、これらおよびその他の重要なニーズに向けられている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、いくつかの側面のフロープレート・フレーム・アセンブリを提供し、当該フロープレート・フレーム・アセンブリは、外側表面、内側表面、およびアノードフレーム開口を有するアノードフレーム部材と、外側表面、内側表面、およびカソードフレーム開口を有するカソードフレーム部材と、アノード表面およびカソード表面を有するフロープレートとを有する。いくつかの実装形態において、上記カソードフレーム部材および上記アノードフレーム部材は、それらの内側表面に沿って相互に係合し、上記アノード表面の一部が上記アノードフレーム部材の上記内側表面と接触し、かつ、上記カソードフレーム部材の一部が上記カソードフレーム部材の上記内側表面と接触する状態で、上記内側表面の間に上記フロープレートを保持して包囲して良い。他の実装形態において、上記アノードフレーム部材、上記カソードフレーム部材、またはそれらの双方は、２つの異なる材料を有する。さらに他の実装形態において、上記２つの異なる材料は、硬質プラスチック材料から作られた剛性フレーム要素と、圧縮性シーリング材料の選択領域とを有する。所定の実装形態において、上記アノードフレーム、上記カソードフレーム部材、またはそれらの双方は、２Ｋ成形プロセスで形成される。いくつかの実装形態において、上記アノード表面は複数のアノードフローチャネルを具備して良く、上記カソード表面は複数のカソードフローチャネルを具備して良い。
【０００６】
本開示は燃料電池スタックアセンブリを提供し、当該燃料電池アセンブリは、ここに開示される、複数の同一のフロープレート・フレーム・アセンブリを有し、上記同一のフロープレート・フレーム・アセンブリの各々は、一緒に係合する隣接するフロープレート・フレーム・アセンブリの外側表面と整合させられる。
【０００７】
本開示は、ここに開示される燃料電池スタックを有する燃料電池システムを提供する。いくつかの実装形態において、当該燃料電池システムは、アノード流体を含み、上記燃料電池スタックの上記アノード流体入力口導管に流体接続されたアノード流体供給部と、カソード流体を含み、上記燃料電池スタックの上記カソード流体入力口導管に流体接続されたカソード流体供給部と、冷却剤流体を含み、上記燃料電池スタックの上記冷却剤流体入力口導管に流体接続された冷却剤流体供給部とを有して良い。
【０００８】
本開示は、フロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法を提供し、当該方法は、外側表面、内側表面、およびアノードフレーム開口を有するアノードフレーム部材を形成するステップと、外側表面、内側表面、およびカソードフレーム開口を有するカソードフレーム部材を形成するステップと、アノード表面およびカソード表面を有するフロープレートを形成するステップと、上記カソード表面が上記内側表面と接触した状態で、上記フロープレートを上記カソードフレーム部材上に配置するステップと、上記内側表面が上記内側表面および上記アノード表面に接触した状態で、上記アノードフレーム部材を上記フロープレートおよびカソードフレーム部材上に配置するステップとを有する。いくつかの実装形態において、上記アノードフレーム部材、上記カソードフレーム部材、またはそれらお双方が、２つの別個の材料を有して良い。さらなる実装形態において、上記２つの別個の材料は、硬質プラスチック材料から作られた剛性フレーム要素と、圧縮性シール材料の選択領域とであって良い。所定の実装形態において、上記カソードフレーム部材、上記アノードフレーム部材、またはそれらの双方の形成は、２Ｋ成形プロセスを介して実行されて良い。さらなる実装形態において、当該フロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法は、アノードフレーム部材およびカソードフレーム部材の流体入口および出口を位置合わせするステップを含んで良い。
【０００９】
本開示は、整合された燃料電池スタックアセンブリを組み立てる方法を提供し、当該方法は、複数の同一のフロープレート・フレーム・アセンブリを得るステップと、複数の同一のフロープレート・フレーム・アセンブリを、隣接するフロープレート・フレーム・アセンブリの外側表面が一緒に係合してシールを形成する態様で、１つのスタックに積み上げるステップとを有する。
【００１０】
一般的な説明および以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的なものにすぎず、添付の特許請求の範囲で定義されるように、本開示を制限するものではない。本開示の他の態様は、本明細書で提供される本開示の詳細な説明を考慮すると、当業者には明らかであろう。
【００１１】
本概要および以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むとさらに理解される。本開示を例示する目的で、図面において本開示の例示的な実装が示されている。しかしながら、本開示は、開示された特定の方法、組成物、およびデバイスに限定されない。さらに、図面は必ずしも縮尺どおりに描かれているわけではない。図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】分解組立斜視図で示される例示的なフロープレートおよびフレーム組立体の側面を示す。
【図２】図１に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を分解組立斜視図において示す。
【図３】図１に示される例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を示し、アセンブリを通るアノード流体流路を模式的に示す。
【図４】図１に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を示し、アセンブリを通るカソード流体流路を模式的に示す。
【図５】図１に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を示し、アセンブリを通る冷却剤流体の流路を模式的に示す。
【図６】図１に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を示し、アセンブリを通る冷却剤流体の流路を模式的に示す。
【図７】図６に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を斜視図において示す。
【図８】図７に示される例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を斜視図において示し、説明のために構成要素間のいくらかの分離が分離される。
【図９】図７に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を斜視図において示し、説明のために、アノードフレーム部材が取り外され、流体フロープレートが移動されている。
【図１０】図７に示される例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの側面を示すために、アノードフレーム部材の外側表面の図を示す。
【図１１】組み立てられた位置に流体フロープレートが追加された図１０の図を示す。
【図１２】図１０に示されるアノードフレーム部材の内側表面の図を示す。
【図１３】組み立てられた位置に流体フロープレートが追加された図１２の図を示す。
【図１４】アノードおよびカソードフレーム部材の側面を模式的な側面図において示す。
【図１５】流体フロープレートの側面を模式的な斜視図において示す。
【図１６】燃料電池スタックアセンブリとフロープレート・フレーム・アセンブリを分解斜視図において示す。
【００１３】
図において、同様の参照番号は、異なる図を通して対応する部分を示している。図中のすべての説明および引出し文は、本明細書に完全に記載されているかのように、この参照により本明細書に組み込まれる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示は、当該開示の一部を形成する添付の図面および実施例に関連してなされる以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解され得る。本開示は、本明細書で説明および／または示される特定のデバイス、方法、用途、条件、またはパラメータに限定されず、本明細書で使用される用語は、例のみとして特定の例示を説明することを目的とし、請求対象の開示を限定することを意図していないことを理解されたいまた、添付の特許請求の範囲を含む明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数を含み、特定の数値への言及は、文脈が明らかにそうでないと示さない限り、少なくともその特定の値を含む。本明細書で使用される「複数」という用語は、複数を意味する。値の範囲が表現される場合、別の例は、ある特定の値から、および／または他の特定の値まで含む。同様に、値が先行詞「約」を使用して近似値として表現される場合、特定の値が別の見本を形成することが理解されよう。すべての範囲は包括的で組み合わせ可能である。
【００１５】
明確にするために、別個の例の文脈で本明細書で説明される本開示の特定の特徴は、単一の例示的な実装形態で組み合わせて提供されてもよいことを理解されたい。逆に、簡潔にするために、単一の例示的な実装の文脈で説明される本開示の様々な特徴は、個別にまたは任意のサブコンビネーションで提供されてもよい。さらに、範囲に記載されている値への参照には、その範囲内のすべての値が含まれる。
【００１６】
１つの側面において、本開示は、電気化学燃料電池で使用されるバイポーラ流体フロープレートの位置合わせ、保持、および流体流送達に利用できるアノードフレーム部材およびカソードフレーム部材を提供する。図１〜２に模式的に示されるように、フロープレート・フレーム・アセンブリは、アノードフレーム部材１００、カソードフレーム部材２００、およびフロープレート３００から形成することができる。複数のフロープレート・フレーム・アセンブリを一緒に積み重ねて燃料電池スタックアセンブリを形成することができる。アノードフレーム部材１００は、外側表面１０１および内側表面１０２を有する。カソードフレーム部材は、外側表面２０２および内側表面２０１を有する。カソード部材およびアノードフレーム部材は、それぞれの内側表面１０２／２０１に沿って互いに係合し、２つの内側表面の間にフロープレート３００を保持して囲む。フロープレート３００のフローフィールド部分は、それぞれアノードおよびカソードフレーム部材のフレーム部材開口１０３および２０３を通して露出される。フロープレート３００のフローフィールド部分は、フロープレート３００のアノード表面３０１上のアノードフローフィールドと、フロープレート３００のカソード表面３０２上のカソードフローフィールドとによって規定される。
【００１７】
フロープレートのいくつかの実装形態において、フロープレート３００のアノードおよびカソードフローフィールドは、アノード表面３０１およびカソード表面３０２の１つまたは複数に表面特徴を含むことができる。いくつかの実装形態において、フロープレート３００のアノード表面３０１上のアノードフローチャネル３０４およびフロープレート３００のカソード表面３０２上のカソードフローチャネル３０５を用いて、フローフィールド領域全体に流体を均一に分配して良い。アノードフローチャネル３０４およびカソードフローチャネル３０５は、フロープレート３００の材料の複数の波形によって形成することができ、これは、シートストック材料からフロープレート３００をスタンピングまたはプレスすることによって追加することができる。他の実装において、アノードチャネル、カソードチャネル、またはその両方内の流体の分布は、フローチャネルを使用せずに実現できる。これらの他の実装の様々な態様は、本出願人の出願に係る特許出願ＷＯ２００５／０９９００８に記載されており、その全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれている。
【００１８】
電極膜４００（図示せず）は、隣接するフロープレート３００の間に配置することができる。膜４００には、１つ以上のアノードガス拡散層４０１、１つ以上のカソードガス拡散層４０２、または両方（図１および図２において図示しない）を設けて良い。図１６は、アノードフレーム部材１００、フロープレート３００、カソードフレーム部材２００、カソードガス拡散層４０２、膜電極アセンブリ４００、およびアノードガス拡散層４０１から形成されるフロープレート・フレーム・アセンブリの分解組立図を示す。また、燃料電池スタックアセンブリの斜視図が図１６の右側に示され、燃料電池スタックアセンブリは、圧縮スタックに一緒に配置され分解組立図で示される４つのフロープレート・フレーム・アセンブリからなる。
【００１９】
いくつかの例示的な実装形態において、アノードフレーム部材には、アノード流体入口、カソード流体入口、冷却液入口、カソード排気出口、およびアノード排気出口を提供する流体マニホールド領域を設けることができる。図１〜図１３に示される実装において、フレーム部材は、アノード流体入口１６０／２６０、冷却剤流体入口１７０／２７０、およびカソード流体入口１５０／２５０、アノード排気出口１８０／２８０、およびカソード排気出口１９０／２９０を有する。複数のフロープレートとフレームアセンブリを組み合わせて、燃料電池スタックアセンブリに、膜電極アセンブリを介在させると、隣接する入口と出口の配列から流体の入力口（ｅｎｔｒｙ）と出力口（ｅｘｉｔ）の導管が形成される。アノード流体入力口導管１６５は、フレーム部材の表面１０１／１０２／２０１／２０２に垂直な列を形成する隣接するアノード流体入口１６０／２６０のアレイから形成される。カソード流体入力口導管２５５は、フレーム部材の表面１０１／１０２／２０１／２０２に垂直な列を形成する隣接するカソード流体入口１５０／２５０の配列から形成される。冷却剤入力口導管２７５は、フレーム部材の表面１０１／１０２／２０１／２０２に垂直な列を形成する隣接する冷却剤流体入口１７０／２７０の配列から形成される。アノード流体出力口導管１６６は、フレーム部材の表面１０１／１０２／２０１／２０２に垂直な列を形成する隣接するアノード排気出口１８０／２８０のアレイから形成される。カソード流体出力口導管２５６は、フレーム部材の表面１０１／１０２／２０１／２０２に垂直な列を形成する隣接するカソード排気出口１９０／２９０のアレイから形成される。
【００２０】
例示的な実装形態において、フロープレート３００には、折り畳まれたバイポーラプレートの縁部によって形成された一体型の冷却液流路容積が設けられている。図２、図１３、および図１５はフロープレート３００の要素を模式的に示し、コラらの図から理解されるように、フロープレート３００の部分３０３は、フロープレート３００のカソード表面３０２上に折り畳むことができる。２つの開放した周囲端３０８が形成され、ガスケット、溶接、オーバーモールディング、接着剤、圧着、折り畳み、または機械的ラビリンスシールの使用によりシールされる。そのようなシール技術、フロープレート３００に適した構造、および一体型冷却剤流路容積の折り重ねプレート端部形成は、国際公開番号ＷＯ２００７／１２９０３０Ａ１として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００１５７３、国際公開第ＷＯ２０１３／１４０１３５Ａ２として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０５０６３４、国際公開第ＷＯ２０１６／０９７７１６Ａ１として公開された国際特許出願ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０５４０２０、および本出願人によるこの出願と同時に出願された「統合された水流路容積を有する加圧バイポーラプレート」という名称の同時係属出願においてより詳細に記載されており、それらの全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。カソードフローチャネル３０５への冷却剤流体の流れを提供できる開放冷却剤流体搬送端３０９が残っている。いくつかの実装形態において、冷却剤流路導管３１０は、開放冷却剤流体に沿った別個の冷却剤流路を提供するための部分３０３の機構として提供できる。カソードプレート２００の内側表面２０１に形成された冷却剤マニホールド孔２７２と流体接続するように構成された部分３０３に、冷却剤流路容積入力口導管３１２を設けることができる。冷却剤流路容積入力口導管３１２は、折り畳み内に形成された冷却剤流路容積と流体接続し、冷却液は、その内部においてフローフィールドの幅全体に分配されて、カソードフローチャネル３０５全体に均等に冷却材流体を分配する。
【００２１】
例示的な実装形態において、アノードフレーム部材１００およびカソードフレーム部材２００は、フロープレート３００の表面３０１／３０２上の所望の位置にアノード流体、カソード流体、および冷却剤流体を送達する流体マニホールドを提供する。事例的なアノード流体搬送路は、模式的に、図３、８、および１０〜１２に示されている。アノード流体は、１つ以上のそれぞれのアノード流体入口１６０と流体接続する１つ以上のアノード流体入力口導管１６５を介してアノードフレーム部材１００に提供される。図に示される例示的な実施例は、２つのアノード流体入口を示すが、いくつかの実装形態において、１つのアノード流体入口または３つ以上のアノード流体入口を使用して良い。アノード流体は、ステップダウンエッジ８０５および流体分配突起８１０によって画定されるアノード流体フロー領域８００によって案内される、アノードフレーム部材の外側表面１０１の一部を横切って流れる。アノード流体フロー領域８００は、外部から入ってくるアノード流体を外側表面１０１を横切ってアノード流体導管１６１へと導き、これは、アノード流体をアノードフレーム部材１００を通じて内側表面１０２へと通過させる。図１１に示すように、アノード流体導管１６１を通過すると、アノード流体は、フロープレート３００のアノード表面３０１に接触し、フローフィールド領域を横切って、フロープレート３００の対向縁部へとアノードフローチャネル３０４に流れるように導かれる。フローフィールド領域の反対側の縁部、すなわちアノードフローチャネル３０４の端部に到達すると、アノード流体は、アノード流体排出導管１６２を通過して、内側表面１０２から外側表面１０１にアノードフレーム部材１００を通過する。外側表面１０１において、アノード排気流体フロー領域８２０（図示せず）は、アノード流体をアノード排気出口１８０に向け、アノード流体は、アノード流体出力口導管１６６に入り、スタックアセンブリから流出する。
【００２２】
例示的なカソード流体送達経路が図１に模式的に示されている。カソード流体は、１つ以上のそれぞれのカソード流体入口２５０と流体接続する１つ以上のカソード流体入力口導管２５５を介してカソードフレーム部材２００に供給される。図に示される例示的な実施例において、４つのカソード流体入口２５０を示すが、いくつかの実装において、より少ないまたはより多くのカソード流体入口が使用されて良い。カソード流体は、カソード流体入口２５０とカソードフレーム部材開口２０３との間に配置された部分を横切って、カソードフレーム部材２００の内側表面２０１を横切って流れることができる。カソード流体は、フロープレート３００の内側表面２０１およびカソード表面３０２の間を流れカソードフローチャネル３０５へ至る。カソード流体は、つぎに、カソードフローチャネル３０５を通ってフロープレート３００の反対側の端部に流れ、そこで、カソード流体は、カソードフレーム部材２００の内側表面２０１を横切って、カソードフレーム部材開口２０３およびカソード排気出口２９０の間に配置された部分を横切って流れることができる。カソード流体が流れる内側表面２０１の部分には、カソード流体をカソード排気出口に導く突起、城壁状のチャネル、または壁などの流体分配機能を設けることができる。次いで、カソード排気流体は、１つ以上のカソード排気出口２９０を通って、１つ以上のカソード流体出力口導管２５６に流入する。
【００２３】
例示的な冷却液送達経路は、図５および図６に模式的に示されている。冷却剤流体は、１つ以上のそれぞれの冷却剤入口２７０と流体接続する１つ以上の冷却剤入力口導管２７５を介して冷却剤フレーム部材２００に供給される。冷却剤入口２７０は、ステップダウンエッジ８０５（図示せず）によって形成される冷却剤流体フロー領域８３０（図示せず）に流体連結される。冷却剤流体フロー領域８３０は、流入する冷却剤流体をカソードプレート２００の内側表面２０１を横切って冷却剤マニホールド孔２７２に導き、これは、冷却剤流路容積入力口導管３１２と流体的に結合し、これは、フロープレート３００の折り畳み部内に形成された冷却剤流路容積と流体的に結合し、この内部において、冷却剤は、カソードフローチャネル３０５全体に均等に分配されるように、フローフィールドの幅全体に分配される。冷却剤は、解放された冷却剤流体搬送端３０９に分配され、カソードフローチャネル３０５に流入する。いくつかの実施において、冷却剤流路導管３１０は、開放冷却剤流体搬送端３０９に沿った別個の冷却剤流路を提供するために、部分３０３の機構として提供されてよい。冷却剤流体は、カソードフローチャネル３０５内のカソード流体と混合され、上述のカソード排気流体の流れに加わり、これは、カソードフレーム部材２００の内側表面２０１を横切って１つ以上のカソード排気出口２９０へと流れ、１つ以上のカソード流体出力口導管２５６へと流れる。
【００２４】
図７〜１５は、アノードフレーム部材１００、カソードフレーム部材２００、およびフロープレート３００から形成される例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの態様を示す。図７は、アセンブリを示し、アノードフレーム部材１００の外側表面１０１を示す。アノード表面３０１の外周縁は、アノードフレーム部材開口１０３の周縁の周りでアノードフレーム部材の内側表面１０２によって保持される。図８は、図７と同じアセンブリを示している。しかし、フレーム部材１００、２００は分離されており、それらの係合を示している。図９は、カソードフレーム部材２００上に配置される過程にあるフロープレート３００を備えたカソードフレーム部材２００の内側表面２０１を示す。図１０は、アノードフレーム部材１００の外側表面１０１の一部の図を示し、図９に示す例示的なフロープレート・フレーム・アセンブリの態様を示す。アノード流体フロー領域８００は、ステップダウンエッジ８０５および流体分配突起８１０によって画定されることが分かる。突起８１０は、アノード流体の自由な流れを可能にする一方で、流体分配を提供し、圧縮力による潜在的な変形に対する支持を提供する。燃料電池スタックアセンブリが形成されるとき、アノード外側表面１０１に垂直に適用される。ステップダウンエッジ８０５は、アノード流体が複数のアノード流体導管１６１全体に均一に流れるように、フローフィールドの幅を横切る流体分布を案内するように成形することができる。図１１は、図１０と同じ部分図を示し、ここでは、組み立てられた位置に流体フロープレートが追加され、アノード表面３０１がアノード流体導管１６１に当接している。図１２は、図１１に示されるアノードフレーム部材の内側表面１０２の図を示し、アノード流体導管１６１の反対側を示す。図１３は、図１２と同じ図を示すけれども、フロープレート３００がアノードフレーム部材１００の内側表面１０２の一部の上に組み立てられた位置に配置されている。フロープレート３００のカソード表面３０２は、冷却液経路の機構とともに示されている。
【００２５】
いくつかの実装形態において、各アノードフレーム部材およびカソードフレーム部材は、２つの異なる材料から形成される。材料８００から作られた剛性フレーム要素には、内側表面および外側表面１０１／１０２／２０１／２０２にシーリング材料８０１／８０２の選択領域が設けられている。シール材８０１／８０２は、圧縮されてコンポーネントが一緒に配置されたときに、フロープレートとフレームアセンブリ内の特定の機能の周りにシールを提供するために圧縮できる柔らかい材料である。シール材料８０１／８０２は、好ましくは、ＴＰＥ−Ｓ、ＴＰＥ−Ｕ、ＴＰＥ−Ｅ、ＴＥＰ−Ａ、ＴＰＥ−Ｏ、ＥＰＤＭ、ＦＫＭ、ポリオレフィン、ネオプレン、ニトリルゴム、またはシリコーンなどのエラストマー材料である。剛性フレーム要素材料８００は、ガラス繊維、ケブラー繊維または炭素繊維などの補強フィラーを含むまたは含まない、ＰＡ／ナイロン、ＰＢＴ、ＰＥＬＩ、ＰＣ、ＰＣ／ＡＢＳまたはＰＰを含むがこれらに限定されないプラスチック材料とすることができる。シーリング材は、カソードフレーム要素の内側表面および外側表面の領域１０５／１０６にそれぞれ提供することができ、フレーム部材の縁部の周囲のシーリング、フロープレート３００のカソードおよびアノード表面３０１／３０２の端部の部分の周囲のシーリング、およびアノード、カソード、および冷却剤の流路を形成するためのアセンブリを通り抜ける冷却剤フロー経路を形成するためのシーリングを実現できる。材料８００／８０１／８０２に選択する材料は、アセンブリ全体の動作温度との適合性、および動作中に材料が接触する流体との化学的適合性を考慮して選択する必要がある。いくつかの例において、水素ガスであり得るアノード流体は、許容可能な最小流量で材料８００を透過または漏出する可能性がある。いくつかの好ましい実装形態において、アノードフレーム部材１００、カソードフレーム部材２００、または両方は、２ショット成形（２Ｋ成形）プロセスによって形成することができ、硬質プラスチック材料８００の複数の表面に軟質材料８０１／８０２の両方を提供できる。他の実装形態において、材料８００は、射出成形または積層造形技術などの初期プロセスを介して形成することができ、軟質材料８０１／８０２は、オーバーモールドの別個のステップで追加することができる。さらに他の実装において、要素８０１／８０２は、所望の形状に切断または成形された個別のガスケットとして提供され、その後、剛性フレーム要素材料８００上の所定の位置に物理的に配向される。２Ｋ成形プロセスは、総部品の数を減少させ、製造ステップを削除し、組付けの整合を排除するので有利であろう。
【００２６】
いくつかの実装側面において、本開示は、フロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法を提供する。一度組み立てると、複数の同一のフロープレートとフレームのアセンブリを整列させて燃料電池スタックアセンブリを整列させ、圧縮下に置くことができる。例示的な実装形態において、フロープレート・フレーム・アセンブリを組み立てる方法は、アノードフレーム部材１００を形成するステップ、カソードフレーム部材２００を形成するステップ、フロープレート３００を形成するステップ、カソード表面３０２を内側表面２０１に接触させた状態でフロープレート３００をカソードフレーム部材２００上に配置するステップ、内側表面１０２が内側表面２０１およびアノード表面３０１と接触させた状態でアノードフレーム部材１００をフロープレート３００およびカソードフレーム部材２００上に配置するステップを含むことができる。いくつかの実装態様において、カソードフレーム部材２００およびアノードフレーム部材１００の形成は、２Ｋ成形プロセスを介して行うことができる。当該方法は、アノードフレーム部材１００およびカソードフレーム部材２００の流体入口および出口を位置合わせするステップをさらに含むことができる。当該方法は、アノードフレーム部材１００およびカソードフレーム部材２００を一緒に保持するさらなるステップを含むことができる。スタックアセンブリの最終的な圧縮荷重は隣接フレーム部材の間のスタック全体のシールの完全性を確保するのに十分なので、フレーム部材１００／２００を一緒に保持することは、位置合わせされた燃料電池スタックアセンブリの組み立て中に取り外す一時的なクリップまたは保持要素で行うことができる。整列燃料スタックアセンブリを組み立てる方法には、複数の同一のフロープレート・フレーム・アセンブリを取得するステップ、隣接するフロープレート・フレーム・アセンブリの外側表面１０１／２０２を係合させてシールを形成させながら、複数の同一のフロープレート・フレーム・アセンブリを一緒に組み上げてスタックを形成するステップを含むことができる。
【００２７】
いくつかの実装形態において、本明細書で説明される燃料スタックアセンブリは、蒸発冷却（ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｏｌｅｄ）燃料電池運転で使用されて良い。ＥＣ燃料電池を作動させる方法は、「燃料電池スタックへの冷却液供給」という名称の米国特許出願公開第ＵＳ２０１５／０２３６３６１Ａ１号、および「燃料電池システム」という名称の国際特許公開第ＷＯ２０１６／０３４８５３Ａ１号、および「燃料電池スタック」という名称の国際特許公開第ＷＯ２０１５／１４０５２９Ａ１号に説明されており、その全体があらゆる目的のために本明細書に組み込まれる。燃料電池スタックアセンブリは、所望を提供する流量制御アセンブリを介してカソード流体、アノード流体、および冷却剤流体入力を備えることができる。排出流体の流れは、アノード流体出力口導管１６６およびカソード流体出力口導管２５６を介して出口マニホールドから収集することができ、排気流中の水分を捕捉し、スタックの冷却または水和のためのさらなる操作で再利用することがでる。
【００２８】
当業者は、本明細書に開示されるデバイスおよびシステムの構成要素の製造において、さまざまな材料を使用できることを理解するであろう。任意の適切な構造および／または材料を本明細書に記載の様々な特徴に使用することができ、当業者は、本明細書に開示されたシステムの使用目的、使用が意図される分野、および、それらが使用されることを意図されている機器および／または付属品を含む様々な考慮事項、その他の考慮事項に基づいて、適切な構造および材料を選択することができるだろう。従来のポリマー、金属ポリマー複合材料、セラミック、および金属材料は、さまざまなコンポーネントでの使用に適している。本明細書で説明される特徴および要素での使用に適していると判断される、以下で発見および／または開発された材料も許容可能とみなされる。
【００２９】
分子量などの物理的性質、または化学式などの化学的性質について範囲が本明細書で使用される場合、その中の特定の例の範囲のすべての組み合わせおよびサブコンビネーションが含まれることに留意されたい。
【００３０】
本文書で引用または説明されている各特許、特許出願、および出版物の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３１】
当業者は、本開示の例示に対して多数の変更および修正を行うことができ、本開示の精神から逸脱することなくそのような変更および修正を行うことができることを理解するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神および範囲内にあるこのような均等な変形形態をすべて網羅するものであることに留意されたい。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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