(57)【要約】本開示は、スタック構成に配置された複数のフロープレートアセンブリから形成された燃料電池ユニットを提供し、スタック構成の隣接するフロープレートアセンブリは、互いに対してオフセット角度で配置される。燃料電池スタックは、オフセットなしで互いに整列したスタックに配置された複数の燃料電池ユニットから形成することができる。本開示は、また、燃料電池ユニット、燃料電池スタック、および前者を含む燃料電池システムを形成する方法を提供する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック構造で配置された複数のフロープレートアセンブリを有する燃料電池ユニットにおいて、
各フロープレートアセンブリは同一のフロープレート（３００）および膜電極アセンブリ（４００／４０１／４０２）を有し、
各フロープレート（３００）は波形プレートを有し、上記波形プレートは当該波形プレートの第１の表面にカソード流体フローチャネル（３３０）を具備し、当該波形プレートの第２の表面を横切ってアノード流体フローチャネル（３１５）を具備し、
上記カソード流体フローチャネル（３３０）およびアノード流体フローチャネル（３１５）はフロープレート入口領域（３１０）からフロープレート出口領域（３２０）へと流体フローを提供するように配列され、上記フロープレートはさらに１対または複数対の側部シール領域（３０５）を有し、
各膜電極アセンブリ（４００／４０１／４０２）は上記波形プレートの上記第１の表面に配置され、
各フロープレートアセンブリは、さらに、流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）を有し、当該流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は、上記フロープレート入口領域（３１０）に係合するように構成された入り口マニホールド部分（２０５）、上記フロープレート出口領域（３２０）に係合するように構成された出口マニホールド部分（２１０）、および、上記１対または複数対の側部シール領域に係合するように構成された１対または複数対のパススルーマニホールドを具備し、
隣接するフロープレートアセンブリはオフセット角度で配置されることを特徴とする燃料電池ユニット。
【請求項２】
各フロープレートアセンブリはさらに上記流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）の第１の表面に配置される電池間シール要素（８０１）を有する請求項１記載の燃料電池ユニット。
【請求項３】
各フロープレートアセンブリの上記電池間シール要素（８０１）は、上記流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）のシール保持機構（８０２）内に保持される請求項２記載の燃料電池ユニット。
【請求項４】
各フロープレートは四角形フローフィールドを有し、かつ１対の側部シール領域（３０５）を具備し、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は１対のパススルーマニホールド部分（２１５）を具備し、
上記オフセット角度は９０°であり、
上記燃料電池ユニットはスタック構造で配置される２つのフロープレートアセンブリを具備する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
【請求項５】
各フロープレートは六角形フローフィールドを有し、かつ２対の側部シール領域（３０５）を具備し、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は２対のパススルーマニホールド部分（２１５）を具備し、
上記オフセット角度は６０°であり、
上記燃料電池ユニットはスタック構造で配置される３つのフロープレートアセンブリを具備する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
【請求項６】
各フロープレート八角形フローフィールドを有し、かつ３対の側部シール領域（３０５）を具備し、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は３対のパススルーマニホールド部分（２１５）を具備し、
上記オフセット角度は４５°であり、
上記燃料電池ユニットはスタック構造で配置される４つのフロープレートアセンブリを具備する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
【請求項７】
各フロープレートは十角形フローフィールドを有し、かつ４対の側部シール領域（３０５）を具備し、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は４対のパススルーマニホールド部分（２１５）を具備し、
上記オフセット角度は３６°であり、
上記燃料電池ユニットはスタック構造で配置される５つのフロープレートアセンブリを具備する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
【請求項８】
各フロー流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）の上記入口マニホールド部分（２０５）は、複数のアノード入口（８１０）、複数のカソード入口（８２０）、および１つの冷却剤入口（８３０）を有し、
各フロー流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）の上記出口マニホールド部分（２１０）は、複数のアノード出口（８１１）および複数のカソード出口（８２１）を有し、
上記複数のアノード入口（８１０）、上記１つの冷却剤入口（８３０）、および上記複数のアノード出口（８１１）は関連するフロープレート（３００）の上記アノード流体チャネル（３１５）の流体的に結合され、
上記複数のカソード入口（８２０）および上記複数のカソード出口（８２１）は関連するスロープレート（３００）の上記カソードフローチャネル（３３０）に流体的に結合される請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
【請求項９】
先行する請求項のいずれかに記載の複数の同一の燃料電池ユニットを有する燃料電池スタックにおいて、上記同一の燃料電池ユニットの各々は隣接する燃料電池ユニットにオフセット角度なしに整合されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項９の燃料電池スタックを有する燃料電池システム。
【請求項１１】
アノード流体を含有し、上記燃料電池スタックの上記アノード入口（８１０）に流体的に結合されるアノード流体サプライと、
カソード流体を含有し、上記燃料電池スタックの上記カソード入口（８２０）に流体的に結合されるカソード流体サプライと、
冷却剤流体を含有し、上記燃料電池スタックの上記冷却剤入口（８３０）に流体的に結合される冷却剤流体サプライとをさらに有する請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
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１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
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１２記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
上記酸化剤は空気を有する請求項１１〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
上記アノード流体サプライ、上記カソード流体サプライ、および上記冷却剤流体の上記１つまたは複数は、上記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１１〜１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
燃料電池ユニットを製造する方法において、上記方法は、
複数の同一のフロープレート（３００）であって当該フロープレート（３００）の各々は波形プレートを有し、上記波形プレートは当該波形プレートの第１の表面にカソード流体フローチャネル（３３０）を具備し、当該波形プレートの第２の表面を横切ってアノード流体フローチャネル（３１５）を具備し、上記カソード流体フローチャネル（３３０）およびアノード流体フローチャネル（３１５）はフロープレート入口領域（３１０）からフロープレート出口領域（３２０）へと流体フローを提供するように配列され、上記フロープレートはさらに１対または複数対の側部シール領域（３０５）を有する、上記複数の同一のフロープレート（３００）を形成するステップと、
複数の流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）であって当該流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）の各々は、上記フロープレート入口領域（３１０）に係合するように構成された入り口マニホールド部分（２０５）、上記フロープレート出口領域（３２０）に係合するように構成された出口マニホールド部分（２１０）、および、上記１対または複数対の側部シール領域に係合するように構成された１対または複数対のパススルーマニホールドを有する上記複数の流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）を形成するステップと、
複数のフロープレートアセンブリであって、当該フロープレートアセンブリの各々は、上記流体マニホールド周辺プレートのうちの１つの上に配置された上記同一のフロープレートのうちの１つ、および上記波形プレートの上記第１の表面に配置された膜電極アセンブリ（４００／４０１／４０２）を有する上記複数のフロープレートアセンブリを形成する複数フロープレートアセンブリ形成ステップであって、各フロープレートアセンブリを形成するステップは、上記入口マニホールド部分（２０５）を上記フロープレート入口領域（３１０）に係合させるステップと、上記出口マニホールド部分を上記フロープレート出口領域（３２０）に係合させるステップと、上記１対または複数対のパススルーマニホールド（２１５）を上記１対または複数対の側部シール領域（３０５）に係合させるステップとを有する、上記複数フロープレートアセンブリ形成ステップと、
複数の形成された上記フロープレートアセンブリを、隣接するフロープレートアセンブリをオフセット角度で配置させて、組み立てることにより上記燃料電池ユニットを形成するステップとを有することを特徴とする燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項１７】
各フロープレートアセンブリを形成する上記ステップは、さらに、電池間シール要素（８０１）を上記流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）の第１の表面に配置するステップを有する請求項１６記載の燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項１８】
各フロープレートアセンブリを形成する上記ステップは、さらに、各フロープレートアセンブリの上記電池間シール要素（８０１）を、上記流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）のシール保持機構（８０２）内に保持するステップを有する請求項１７記載の燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項１９】
各フロープレートは１対の側部シール領域（３０５）を具備する四角形フローフィールドとして形成され、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は１対のパススルーマニホールド部分（２１５）とともに形成され、
上記オフセット角度は９０°であり、
上記燃料電池ユニットは２つのフロープレートアセンブリをスタック構成で組み立てることにより形成される請求項１６〜１８のいずれかに記載の燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項２０】
各フロープレートは２対の側部シール領域（３０５）を具備する六角形フローフィールドとして形成され、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は２対のパススルーマニホールド部分（２１５）とともに形成され、
上記オフセット角度は６０°であり、
上記燃料電池ユニットは３つのフロープレートアセンブリをスタック構成で組み立てることにより形成される請求項１６〜１８のいずれかに記載の燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項２１】
各フロープレートは３対の側部シール領域（３０５）を具備する八角形フローフィールドとして形成され、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は３対のパススルーマニホールド部分（２１５）とともに形成され、
上記オフセット角度は４５°であり、
上記燃料電池ユニットは４つのフロープレートアセンブリをスタック構成で組み立てることにより形成される請求項１６〜１８のいずれかに記載の燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項２２】
各フロープレートは４対の側部シール領域（３０５）を具備する十角形フローフィールドとして形成され、
各流体マニホールド周辺プレート（２００／８００）は４対のパススルーマニホールド部分（２１５）とともに形成され、
上記オフセット角度は３６°であり、
上記燃料電池ユニットは５つのフロープレートアセンブリをスタック構成で組み立てることにより形成される請求項１６〜１８のいずれかに記載の燃料電池ユニットを製造する方法。
【請求項２３】
燃料電池スタックを製造する方法において、
請求項１６〜２２にいずれかに記載の方法に従って製造された複数同一の燃料電池ユニットを整合させるステップを有し、上記同一の燃料電池ユニットの各々は隣接する燃料電池ユニットにオフセット角度なしに整合されることを特徴する、燃料電池スタックを製造する方法。
【請求項２４】
燃料電池システムを製造する方法において、
請求項２３の方法に従って製造された燃料電池スタックを製造するステップと、
アノード流体を含有するアノード流体サプライを、上記燃料電池スタックの上記アノード入口（８１０）に流体的に結合するステップと、
カソード流体を含有するカソード流体サプライを、上記燃料電池スタックの上記カソード入口（８２０）に流体的に結合させるステップと、
冷却剤流体を含有する冷却剤流体サプライを、上記燃料電池スタックの上記冷却剤入口（８３０）に流体的に結合させるステップとを有することを特徴とする燃料電池システムを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気化学燃料電池の分野にあり、とくに、本開示は、複数の流体フローチャネルおよびその配置を可能にする流体フロープレートを含む、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なっ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）燃料電池では、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、膜を水和して電池を冷却できる。ＥＣ電池は、単一のプレート配置が単純であり、介在する密閉された液体冷却通路を備えた液冷燃料電池と比較して、電池（セル）ピッチが小さいため、優れた質量および体積出力密度を提供できる。典型的なＥＣ燃料電池構成では、冷却水は、燃料電池スタックの側面に沿って延びる１つまたは複数の共通マニホールドからアノードまたはカソード流体フローチャネルに注入される。そのようなマニホールド内の水、カソード流体、およびアノード流体の流量から潜在的な問題が発生する。水は、マニホールドの一端にある入口に供給され、そこからスタック内の個々の電池に供給される。とくに脱イオン水を使用する場合の腐食リスクの増加、およびバクテリアの蓄積リスクの増加により、水流が停滞または停滞に近い領域で問題が発生する可能性がある。ＥＣ燃料電池スタックは、アクティブ領域を介してのレベルと同じレベルに、カソードとアノードの流体に圧力降下を与える。これにより、電池周辺のマニホールドの一貫性に依存し、電池間のパフォーマンスの一貫性のために結果として生じる圧力低下が生じる。
【０００３】
燃料電池アセンブリで対処する必要があるいくつかの問題には、以下が含まれる。すなわち、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；気密操作を確保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正確に組み立てる必要のある多数のユニットが与えられた場合、流体フロープレートの構成を機械化された組み立てプロセスに適合させること；所望のパラメータ内で動作を維持しながら、スタックを構成する燃料電池のピッチを減少させること；コンポーネントの数を減らすこと；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、組み立てを簡素化すること；そして一般に、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】
本発明の目的は、上記の問題の１つまたは複数に対処することである。
【発明の概要】
【０００５】
典型的な燃料電池スタックアセンブリでは、個々のフロープレートは、スタックアセンブリに出入りする流体の流れに共有の入口と出口のマニホールドを提供するために、同じ方向に配置される。典型的な配置は、プレートの面を横切るチャネルとして、またはプレートの面を横切る方向を交互にする蛇行経路として、フロープレートに形成された実質的に平行なトラックまたはチャネルを有する。このような配置では、実質的に平行なトラックまたはチャネルの同一のセットを使用すると、燃料電池スタックの性能が低下する可能性があることが観察されている。膜電極アセンブリの全表面にわたる圧縮は、機械的圧縮下にあるスタック全体の剛性の欠如により一貫性がなくなり、スタック内のフロープレートの横方向の不安定性、座屈、または湾曲につながる。これらの配置では、膜電極アセンブリは、チャネル構造の間で変形し、フローフィールドに適合し、それらの間を入れ子にすることができる。この変形により、膜電極アセンブリの平均および最大応力が低下する可能性があり、これは、膜電極アセンブリが、通常、現実の世界の操作で発生するスウェル／シュリンクサイクルの結果として生じる、ピンホールを回避するために、また、電気接触を実現するため、しきい値量の接触圧力を必要とするので望ましくない。膜電極アセンブリの表面全体にわたって、より高く、より一貫した接触圧力を提供することにより、電気的性能を向上させることができる。さらに、膜電極アセンブリの寿命の要因は、応力集中または局所的な応力の生成である。これらの応力集中は、ガス拡散層の任意の粗い表面またはフロープレートのチャネル設計からの膜内の圧縮がより大きい領域による、膜電極アセンブリのスポットの薄化を含むいくつかの原因から生じる可能性がある。スタック内の隣接するフロープレートの冷却剤流体分配機能が近接しているため、電池ピッチが最小化されるため、流体フローのアクセスが制限される可能性があるため、さらにパフォーマンスの問題が発生する。いくつかの従来のシステムでは、電池の必要な流体の流れを提供するために、効果的な電池の高さを可能にする「ギャップフィラー」として追加のガス拡散層が必要である。この追加のガス拡散層を使用すると、コンポーネントの総数が増加し、自動化された組み立ておよび製造アプローチが問題になる。
【０００６】
本開示のいくつかの実装形態において、隣接するフロープレートアセンブリがオフセット角度で配向されるスタックアセンブリを提供することによって、電流密度および電池間の一貫性の増加を提供することができる。隣接するプレートアセンブリ間にオフセット角度が設定されているため、隣接するプレートの実質的に平行なチャネルまたはトラックは、直接噛み合って互いに重なり合うことはなく、代わりに、隣接するプレートの実質的に平行なチャネルの波形がピークになる複数の交差点と交差する。プレートアセンブリは互いに交差する。したがって、オフセット角度の配置により、プレートアセンブリ間のＭＥＡの入れ子を減らし、ＭＥＡの最大垂直応力と接触圧力を高めることができる。オフセット角度を使用すると、隣接するプレートアセンブリで同じプレートを使用できるため、２つ以上の異なるプレート設計を利用する必要がなくなり、この結果、複数の別々の工具装置を必要としたり、製造プロセスを複雑になるということがなくなる。オフセット角度を使用すると、流体通路高さを高くすることもでき、積み重ねおよび圧縮時の電池間の機械的安定性を向上させることができる。これにより、機械的負荷が改善され、電池の姿勢とスタック全体のピッチがより一定になりる。流体通路の高さの増加により「ギャップフィラー」コンポーネントを排除できるため、コンポーネントの数を減らすことができる。電池の周辺を流れる流体の圧力降下を減らすことで、電池間のパフォーマンスの一貫性を高め、より多くの電流を引き出すことができる。
【０００７】
本開示は、スタック構成で配置された複数のフロープレートアセンブリを有する燃料電池ユニットの側面を提供し、ここでは、各フロープレートアセンブリは、同一のフロープレートと膜電極アセンブリとを有する。各フロープレートは、波形プレートの第１の表面にカソード流体フローチャネルを有する波形プレートと、波形プレートの第２の表面を横切るアノード流体フローチャネルとを有することができる。カソード流体フローチャネルおよびアノード流体フローチャネルは、フロープレート入口領域からフロープレート出口領域への流体フローを提供するように配置することができ、フロープレートは、一対以上の側部シール領域をさらに有することができる。各膜電極アセンブリは、波形プレートの第１の表面に配置することができる。各フロープレートアセンブリは、さらに、流体マニホールド周辺プレートを有することができ、この流体マニホールド周辺プレートは、フロープレート入口領域と係合するように構成された入口マニホールド部分、フロープレート出口領域と係合するように構成された出口マニホールド部分、および１対または複数対の側部シール領域と係合するように構成された１対または複数対のパススルーマニホールド部分を具備する。燃料電池ユニット内の隣接するフロープレートアセンブリは、オフセット角度で配置することができる。
【０００８】
本開示は、本開示の複数の燃料電池ユニットを有する燃料電池スタックを提供する。燃料電池ユニットは、オフセット角度なしで互いに隣接する燃料電池スタックに配置することができる。燃料電池スタック内の燃料電池ユニットは同一にできる。
【０００９】
本開示は、本開示の燃料電池スタックを含む燃料電池システムの態様を提供する。燃料電池システムは、燃料電池スタックのアノード入口に流体的に結合された、アノード流体を含有する含むアノード流体サプライ、燃料電池スタックのカソード入口に流体的に結合された、カソード流体を含有するソード流体サプライ、および、燃料電池スタックの冷却剤入口に流体的に結合された、冷却剤流体を含有する冷却剤流体サプライをさらに有することができる。アノード流体は燃料を有することができ、カソード流体は酸化剤を有することができ、冷却剤流体は水を有することができる。
【００１０】
本開示は、燃料電池ユニットを形成する方法を提供し、この方法は、複数の同一のフロープレートを形成すること、複数の流体マニホールド周辺プレートを形成すること、複数のフロープレートアセンブリであって、当該フロープレートアセンブリの各々は流体マニホールド周辺プレートの１つの上に配置された同一のフロープレートの１つを有し、フロープレート上に配置された膜電極アセンブリを有する上記複数のフロープレートアセンブリを形成すること、および、および形成された複数のフロープレートアセンブリをスタック構成に組み立てて隣接するフロープレートアセンブリをオフセット角度に配置して燃料電池ユニットを形成することを有する。
【００１１】
本開示は、燃料電池スタックを形成する方法を提供し、この方法は、本開示の方法に従って形成された複数の同一の燃料電池ユニットを、オフセット角度なしで隣接する燃料電池ユニットと位置合わせされた状態でそれぞれ整列させることを含む。
【００１２】
本開示は、燃料電池ユニットを形成する方法を提供し、この方法は、本開示の方法に従って燃料電池スタックを形成すること、アノード流体を含むアノード流体サプライを燃料電池スタックのアノード入口に流体的に結合すること、カソード流体を含む流体サプライを燃料電池スタックのカソード入口に流体的に結合すること、および冷却剤流体を含む冷却剤流体サプライを燃料電池スタックの冷却剤入口へ流体的に結合することを有する。
【００１３】
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、本開示を限定するものではない。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して、当業者には明らかであろう。
【００１４】
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、本開示の例示的な実装を図面に示す。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、図面は必ずしも一定の縮尺で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】
【００１５】
【図１】燃料電池ユニットの実装の態様を切り欠き斜視図で示す。
【図２】図１のビューＡ１の拡大図として図１の燃料電池ユニットの態様を示す。
【図３】図１のビューＢ１の拡大図として図１の燃料電池ユニットの態様を示す。
【図４】図１の燃料電池ユニットの有限要素分析モデリングの結果を示す。
【図５】燃料電池ユニットの実装の態様を切り欠き斜視図で示す。
【図６】図５の燃料電池ユニットの態様を、図１のビューＡ２の拡大図として示す。
【図７】図１のビューＢ２の拡大図として図５の燃料電池ユニットの態様を示す。
【図８】図５の燃料電池ユニットの有限要素分析モデリングの結果を示す。
【図９】３つの例示的な燃料電池フロープレートアセンブリの略図を示す。
【図１０】図９に示される複数のフロープレートアセンブリから形成される３つの例示的な燃料電池スタックの透視断面図の略図を示す。
【図１１】本開示の燃料電池スタックの一部の態様を示す。
【図１２】図１１の燃料電池スタックの態様の分解切欠図を示す。
【図１３】カソード流体流路の態様を示すために、カソード入口に沿った切り取り斜視図で図１１の燃料電池スタックの態様を示す。
【図１４】アノード流体流路の態様を示すために、アノード入口に沿った断面透視図で図１１の燃料電池スタックの態様を示す。
【図１５】冷却剤流体流路の態様を示すために、冷却剤入口に沿った切り取り斜視図で図１１の燃料電池スタックの態様を示す。
【図１６】流体マニホールド周辺プレートなしで示されるフロープレートの上面図で図１１の燃料電池スタックの態様を示す。
【図１７】図１６のビューＡ３の分解組立斜視図で図１６の燃料電池スタックフロープレートの態様を示す。
【図１８】図１６に示される線Ｄ１およびＤ２に沿った切断を伴う、図１６に示される上面図の部分図を示す。
【図１９】図１８のビューＣ２の分解組立側面図における図１８の燃料電池スタックフロープレートの態様を示す。
【図２０】図１８のＣＩ図の分解組立側面図で図１８の燃料電池スタックフロープレートの態様を示す。
【図２１Ａ】例示的なフロープレートアセンブリの概略図を示す。
【図２１Ｂ】例示的なフロープレートアセンブリの概略図を示す。
【図２２Ａ】例示的なフロープレートアセンブリの概略図を示す。
【図２２Ｂ】例示的なフロープレートアセンブリの概略図を示す。
【図２２Ｃ】例示的なフロープレートアセンブリの概略図を示す。
【００１６】
図面において、同様の参照番号は、異なる図を通して対応する部分を示す。図中のすべての説明および吹き出しは、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】
【００１７】
本開示は、本開示の一部を形成する添付の図および実施例に関連して行わ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。この開示は、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、アプリケーション、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、例としてのみ特定の例を説明することを目的とすることを理解されたい。請求される開示を限定することは意図されていない。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、そうでないと文脈上明確に指摘されない限り、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、別の例には、１つの特定の値から、および／または他の特定の値までが含まれる。同様に、先行詞「約」を使用することにより、値が近似値として表される場合、特定の値が別の例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結合可能である。
【００１８】
明確にするために、別個の例示の文脈で本明細書に記載されている本開示の特定の特徴は、単一の例示的な実装で組み合わせて提供することもできる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状況で説明されている本開示の様々な特徴は、別個にまたは任意のサブコンビネーションで提供することもできる。さらに、範囲で述べられた値への言及は、その範囲内のありとあらゆる値を含む。
【００１９】
図１〜３は、燃料電池スタックの側面を示す。同一のフロープレート３００ａ、３００ｂ、および３００ｃは、同じ向きで互いに隣接して積み重ねられ、この際、フロープレート入口領域３１０、フロープレート側部シール領域３０５、およびフロープレート出口領域３２０（図示せず）がフロープレート３００ａ、３００ｂ、および３００ｃを横切って整列するようになっている。フロープレート３００は、波形プレートとして提供され、この波形プレートはその第１の表面上にカソード流体フローチャネル３３０を具備し、その第２の表面にわたってアノード流体フローチャネル３１５を有する。電極膜４００（図１には図示せず）は、隣接するフロープレート３００の間に配置される。図２に示されるように、カソード流体フローおよびアノード流体フローは、膜４００のいずれかの側の流体フローチャネル３１５／３３０において実現される。流体フローチャネル３１５／３３０は、フロープレートに形成される実質的に平行なトラックまたはチャネルとして、または、プレートの表面を横切って走るチャネル、またはフロープレート入口領域３１０とフロープレート出口領域３２０との間でプレートの表面を横切って方向を交互にする蛇行経路として実現されて良い。膜４００は、１つまたは複数のアノードガス拡散層４０１、１つまたは複数のカソードガス拡散層４０２、またはその両方（図１〜３には示されていない）が形成されて良い。図３に示されるように、フロープレート３００の第１および第２の表面に垂直な圧縮下にあるとき、膜４００は変形し、隣接するフロープレート３００ａ、３００ｂ、および３００ｃの交互配置相互作用に座屈してしまう。図４は、図１〜図３に示されるように整列された平行トラックを有する２つのフロープレート間の静的圧縮下の膜電極アセンブリの有限要素分析（ＦＥＡ）モデリングを示す。平行なトラックは図４の左から右に走る。図４から理解されるように、より低い垂直応力の領域４５１は、より高い垂直応力の領域４５０の両側に生じる。
【００２０】
図５〜８は、本開示の例示的な燃料電池ユニットの態様を示す。フロープレート３００ａ、３００ｂ、および３００ｃは、図１〜４に示されるものと同一であり、改良された性能を実現するように代替的な配列で提供される。図１〜４と同様に、膜４００は、隣接するフロープレート３００の間に配置され、図１〜４を参照して上述したように、ガス拡散層４０１／４０２を備えて良い。対照的には、特定の膜４００を横切るカソード流体流およびアノード流体流がオフセット角で提供されるように、隣接するプレートはオフセット角で提供される。図２に見られるように。図７に示されるように、隣接するプレートのカソード流体フローチャネル３３０およびアノード流体フローチャネル３１５は、オフセット角度で走る。図５〜８に示される実装では、隣接するフロープレート３００ａ／３００ｂまたは３００ｂ／３００ｃ間のオフセット角度は９０°であり、フロープレート３００ａおよび３００ｃなどの一つ置きのフロープレートは、同一の向きで、すなわち相対オフセット角度なしで提供される。図３において概略的に見られるように、膜４００は、図１〜４の配置で生じるような隣接するフロープレート３００ａ、３００ｂ、および３００ｃのインターリーブ相互作用内には配置されない。その代わり、膜４００は、隣接するプレートの波形の頂点がフロープレートの平面で交差する複数の交差点で接触される。図８は、図４と同様のＦＥＡ分析モデリングを示すけれども、フロープレートのオフセット角度は静的な圧縮を提供する。複数のより高い垂直応力領域４６０が生じ、膜により高い最大垂直応力（接触圧力）を提供する。上述のように、より高い最大垂直応力によって、図５〜８に示される配置を有する燃料電池スタックが、図１〜４の配列のスタックと較べて改善された電気的性能を提供することができる。
【００２１】
いくつかの例示的な実装によれば、本開示は、スタック構成で配置された複数のフロープレートアセンブリを有する燃料電池ユニットを提供する。各フロープレートアセンブリは、フロープレート３００、膜電極アセンブリ４００／４０１／４０２、および入口マニホールド部分２０５、出口マニホールド部分２１０、および１つ以上の対の通過マニホールドを有する流体マニホールド周辺プレート２００を有する。各入口マニホールド部分は、フロープレート入口領域３１０と係合して、カソード、アノード、および冷却流体の流れをフロープレートの適切な面に提供するように構成される。各出口マニホールド部分２１０は、フロープレート出口領域３２０と係合して、フロープレートからのカソードおよびアノードの排気を可能にするように構成される。パススルーマニホールド部分２１５は、フロープレート側部シール領域３０５と係合するように構成されている。図９および１０に示されるように、異なる形状のフローフィールド領域が提供されて良い。フローフィールド領域は、任意の数（２ｎ個）の辺を持つことができる。燃料電池ユニットは、スタック構成で配置された（ｎ個）フロープレートアセンブリから形成され、各隣接するフロープレートアセンブリは、３６０度／２ｎのオフセット角度で配向される。
【００２２】
図９において、３つの異なるフロープレートアセンブリの実装の上面図が示されている。各上面図は、フロープレート３００と、流体マニホールド周辺プレート２００と、膜電極アセンブリ（図示のコンポーネントの下側では見えない）とを備えたフロープレートアセンブリを示す。図１の左側部分に模式的に示される四角形（正方形）のフローフィールド領域の実装は、一対のパススルーマニホールド領域２１５と係合するように構成された一対のフロープレート側部シール領域３０５を有するフロープレートを利用する。したがって、四辺フロープレートが提供され（ｎ＝２）、燃料電池ユニットは、図示されている（ｎ＝２個）のフロープレートアセンブリから形成でき、２番目のフロープレートアセンブリは（３６０°／２ｎ＝９０°）のオフセット角度に向けられているため、２番目のフロープレートアセンブリの軸ＡＡは最初のフロープレートアセンブリの軸ＡＡから９０°オフセットされる。六角形のフローフィールド領域の実装が、図９の中央部分に模式的に示され、２対のパススルーマニホールド領域２１５と係合するように構成された２対のフロープレート側部シール領域３０５を具備するフロープレートを有する。したがって、６面フロープレートが提供され（ｎ＝３）、燃料電池ユニットは、図示の（ｎ＝３）個のフロープレートアセンブリから形成され、２番目と３番目のフロープレートアセンブリが（３６０°／２ｎ＝６０°）のオフセット角度に向けられ、２番目のフロープレートアセンブリの軸ＢＢが最初のプレートアセンブリの軸ＢＢから６０°でオフセットされ、３番目のプレートの軸ＢＢは２番目のプレートアセンブリの軸ＢＢからさらに６０°オフセットされる（最初のフロープレートアセンブリのＢＢ軸から１２０°オフセットされる）。同様に、図９の右側部分に示される十角形のフローフィールド領域の実装は、４対のパススルーマニホールド領域２１５と係合するように構成された４対のフロープレート側部シール領域３０５を具備するフロープレートを有する。十角形フローフィールド領域のフロープレートを使用する燃料電池ユニットは、（ｎ＝５）個の図示のフロープレートアセンブリから形成され、２番目、３番目、４番目、および５番目のフロープレートアセンブリがそれぞれオフセット角度（３６０°／２ｎ＝３６°）でオフセットしているため、隣接するフロープレートアセンブリの各ペアの軸ＣＣは、３６°でオフセットされる。スタック構成の（ｎ）個のフロープレートアセンブリから形成された各燃料電池ユニットでは、スタック内の（ｎ）個のフロープレートアセンブリの入口マニホールド部分２０５が、（ｎ）個の連続した回転位置を通過して１８０°部分内に収まり、他方、出口マニホールド部分２１０は、スタックの外周の対向する１８０°の部分で（ｎ）個の連続する回転位置を通り抜ける。したがって、燃料電池ユニットの流体マニホールド周辺プレートの１８０°部分は、入口流体流に利用でき、反対の１８０°部分は、出口流体流に利用できる。
【００２３】
重要なことに、燃料電池ユニット内の各フロープレートアセンブリは、同一または実質的に同一のコンポーネントを利用できるため、製造において並列に組み立てることができ、各コンポーネントタイプに対して同じ工具または成形の利用が可能になる。さらに、各燃料電池ユニットを並列に組み立てることができ、次に、同じ燃料電池ユニットを整列した向きで積み重ねることによって燃料電池スタックを組み立てることができ、ここで、入口流体フローに利用される、各燃料電池ユニットの流体マニホールド周辺プレートの１８０°部分が相互に整合させられ、出口の流体フローに使用される、反対側の１８０°部分が相互に整合させられる。したがって、複数のオフセットフロープレートを備えた燃料電池スタックは、同じ工具または金型で作られた同一のフロープレートを使用して組み立てることができるけれども、非オフセット構成と比較して膜圧縮プロファイルが改善され、積み重ね時および圧縮時の電池間の機構の安定性が改善され、また、フロープレートの座屈または曲げが低減される（先に詳しく説明した）。
【００２４】
図２１Ａ〜Ｂおよび２２Ａ〜Ｃは、いくつかの実装で利用することができるフロープレートアセンブリを概略的に示す。図２１Ａおよび２１Ｂは、四角形のフローフィールド領域の実装で利用できる２つのフロープレートアセンブリのセットを示している。フロープレートアセンブリ５００ａおよび５００ｂは、それぞれ、図９に示され、説明されるように、フロープレート３００、流体マニホールド周辺プレート２００、および膜電極アセンブリ（図示されたコンポーネントの下側では見えない）の実装から形成される。各燃料電池ユニットの流体マニホールド周辺プレートの１８０°部分５１０は、入口流体フローのために利用され、反対の１８０°部分５１０は、出口流体フローのために利用される。フロープレートアセンブリ５００ａおよび５００ｂは、燃料電池ユニットを形成するために、整列して１８０°入口および出口部分５１０／５１２と共に積み重ねられ得る。図９のパススルーマニホールド領域２１５の対は、入口パススルーマニホールド領域５０１ａおよび出口パススルーマニホールド領域５０２ａとして実装される。２つのフロープレートアセンブリ５００ａ／５００ｂの入口マニホールド部分２０５ａが２つの連続する回転位置をステップスルーして１８０°入口部分５１０内に収まり、出口マニホールド部分２１０ａが２つの連続する回転位置をステップスルーして反対側の１８０°出口部分内に収まり、入口パススルーマニホールド領域５０１ａおよび出口パススルーマニホールド領域５０２ａは、１８０°入口および出口部分５１０／５１２の残りのセクションに配置される。フロープレートアセンブリ５００ａおよび５００ｂ内の流体マニホールド周辺プレートは、同一でなくてよく、これは、領域の連続した順序が、フロープレートアセンブリ５００ａにおいて２０５ａ、５０１ａ、２１０ａ、および５０２ａであり、フロープレートアセンブリ５００ｂにおいて、５０１ａ、２０５ａ、５０２ａ、および２１０ａであるからである。フロープレートアセンブリ５００ａおよび５００ｂから形成された複数の燃料電池ユニットから形成された燃料電池スタックにおいて、入口領域は領域２０５ａおよび５０１ａの交互の層を有し、出口領域は２１０ａおよび５０２ａの交互の層を有する。フロープレートアセンブリ５００ａおよび５００ｂのための流体マニホールド周辺プレートの製造では、流体マニホールド周辺プレートを全体的に同一の工具で形成できるけれども、（印刷機の植字に類似した）異なる挿入位置を使用して２つの異なる部品を作成できる。いくつかの実装形態では、パススルーマニホールド領域５０１ａおよび５０２ａは、同一の設計を有することができ、その場合、パススルーマニホールド周辺プレートは同一であり、製造するために製造工具の１つのセットのみを必要とする。図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃは、六角形のフローフィールド領域の実装で利用できる３つのフロープレートアセンブリのセットを示している。フロープレートアセンブリ５２０ａ、５２０ｂ、および５２０ｃはそれぞれ、図９に示され、説明されるように、フロープレート３００、流体マニホールド周辺プレート２００、および膜電極アセンブリ（図示されたコンポーネントの下側では見えない）の実装から形成される。各燃料電池ユニットの流体マニホールド周辺プレートの１８０°部分５１０は、入口流体フローのために利用され、反対の１８０°部分５１０は、出口流体フローのために利用される。フロープレートアセンブリ５２０ａ、５２０ｂ、および５２０ｃは、燃料電池ユニットを形成するために、１８０°の入口および出口部分５１０／５１２を整列させて、共に積み重ねられて良い。図９のパススルーマニホールド領域２１５の対は、入口パススルーマニホールド領域５０１ａおよび５０１ｂならびに出口パススルーマニホールド領域５０２ａおよび５０２ｂとして実装され、５０１ａおよび５０２ａは互いに向かい合って対になり、５０１ｂおよび５０２ｂは互いに向かい合って対になる。３つのフロープレートアセンブリ５２０ａ／５２０ｂ／５２０ｃの入口マニホールド部分２０５ａが３つの連続する回転位置をステップスルーして１８０°入口部分５１０内に着座し、出口マニホールド部分２１０ａが３つの連続する回転位置をステップスルーして反対側の１８０°出口部分に位置し、入口パススルーマニホールド領域５０１ａ／５０１ｂおよび出口パススルーマニホールド領域５０２ａ／５０２ｂは、１８０°入口および出口部分５１０／５１２の残りのセクションに配置される。フロープレートアセンブリ５２０ａ、５２０ｂ、および５２０ｃ内の流体マニホールド周辺プレートは、同一でなくても良いけれども、これは、フロープレートアセンブリ５２０ａにおいて、領域の連続した順序が２０５ａ、５０１ａ、５０１ｂ、２１０ａ、５０２ａ、５０２ｂであり、フロープレートアセンブリ５２０ｂにおいて、領域の連続的な順序が２０５ａ、５０１ａ、５０２ｂ、２１０ａ、および５０２ａであり、フロープレートアセンブリ５２０ｃにおいて、領域の連続的な順序が５０１ａ、５０１ｂ、２０５ａ、５０２ａ、５０２ｂ、および２１０ａであるからである。フロープレートアセンブリ５２０ａ、５２０ｂ、および５２０ｃから形成された複数の燃料電池ユニットから形成された燃料電池スタックでは、入口領域は、連続して繰り返される領域２０５ａ、５０１ｂ、および５０１ａの連続層を具備し、他方、出口領域は、連続して繰り返される領域２１０ａ、５０２ｂ、および５０２ａの連続層を具備するであろう。フロープレートアセンブリ５２０ａ、５２０ｂ、および５２０ｃの流体マニホールド周辺プレートを製造する場合、流体マニホールド周辺プレートは、全体的に同じツールを使用して形成できるけれども、（印刷機の植字に似た）異なる挿入位置を使用して２つの異なる部品を形成できる。いくつかの実装形態では、パススルーマニホールド領域５０１ａ、５０２ａ、５０１ｂ、および５０２ｂは、同一の設計を有することができ、その場合、流体マニホールド周辺プレートは同一であり、製造するために１セットの製造工具しか必要としない。
【００２５】
図１０は、図９に示される実装のいくつかのさらなる利点を概略的に示す。流体マニホールド深さ６１０は、フロープレートアセンブリのオフセット配置を使用することによって増加させることができる。数（ｎ）の場合、フロープレート深さは、燃料電池ユニットの電池ピッチ深さのｎ倍に増加し、たとえば、（ｎ＝２）の四角形のフローフィールド領域（図１０の左側に概略的に示されている）については、フロープレート深さ６１０ａは、電池ピッチの深さの２倍であり、（ｎ＝３）六角形のフローフィールド領域（図１０の中央部分に概略的に示されている）については、フロープレート深さ６１０ｂは、電池ピッチの深さの３倍の深さであり、（ｎ＝５）の十角形のフローフィールド領域（図１０の右側の部分に概略的に示されている）については、フロープレート深さ６１０ｃは、の電池ピッチの深さの５倍の深さである。さきにより詳細に説明したように、カソード流体、アノード流体、および冷却剤流体の流体入口マニホールド経路からの流体フローの深さを増加させると、電池の周囲を通る流体フローの圧力降下を減らし、より一貫した電池間性能を可能にし、より高い電流の供給を可能にする。燃料電池システムの最大化された体積出力密度を提供するために電池ピッチの深さが最小化されるため、これらのより深い流体流路の利点が増加する。マニホールドの幅は、フローフィールドの側面の数（２ｎ）が増えると減少するけれども、スタックアセンブリを通る流体の総流量は、流体マニホールド周辺プレートの１８０°部分の周り（ｎ）の入口マニホールド部分２０５に分割される。
【００２６】
図１１〜２０は、それぞれが９０°のオフセット角度で配向された２つの四角形のフローフィールド領域のフロープレートアセンブリを有する燃料電池ユニットを利用する燃料電池スタックアセンブリの態様を示す。図９および１０に関して先に検討した命名法では、図示の例示的な実装は（ｎ＝２）を有し、各フロープレートは、１対のパススルーマニホールド領域２１５と係合するように構成される１対のフロープレート側部シール領域３０５を有する。当業者は、図示の例示的な実装は、フロープレート側部シール領域３０５のより多くの対を具備する実装を提供するように修正できることを理解することができ、例えば、これは、図９および１０に概略的に示される六角形または十角形のフローフィールドエリア実装であり、この実装は、入口マニホールド部分２０５、出口マニホールド部分２１０、およびパススルーマニホールド部分２１５およびその中の機構の形状を変更して、もって流体マニホールド周辺プレートの利用可能な角度部分に適合させることによって実現できる。フローフィールドの全幅にわたってチャネルに複数の異なる流体フローを提供するための部品機構と方法は、「燃料電池用の流体フロープレート」という題名の米国特許出願公開第２０１５／０３３３３４４Ａ１号に記載のものを含んで良く、これは参照してここに全体として組み込まれる
【００２７】
図１〜２０は、本開示の燃料電池スタックの例示的な実装の一部の態様を示し、２つの燃料電池ユニットの組み合わせの態様を示し、各燃料電池ユニットは、２つの四角形のフローフィールド領域フロープレートアセンブリから形成され、９０°オフセット角度で配向されている。図１１は、積み重ねられた配置における最上部のフロープレートアセンブリの斜視図を示す。流体マニホールド周辺プレート８００が示され、これは、図９〜１０に概略的に描かれた流体マニホールド周辺プレート２００に対応する。流体マニホールド周辺プレート８００では、入口マニホールド部分２０５は、アノード入口８１０、カソード入口８２０、および冷却剤入口８３０から形成される。流体マニホールド周辺プレート８００では、出口マニホールド部分２１０は、アノード出口８１１およびカソード出口８２１から形成される。流体マニホールド周辺プレート８００は、電池間シーリング要素８０１を保持するシーリング保持機構８０２で形成される。流体マニホールド周辺プレート８００では、１つのパススルーマニホールド部分２１５も、アノード入口８１０、カソード入口８２０、および冷却剤入口８３０で形成され、これは、直接隣接する流体マニホールド周辺プレート８００の入口８１０、８２０、および８３０に対応する。流体マニホールド周辺プレート８００において、他のパススルーマニホールド部分２１５には、それに直接隣接する流体マニホールド周辺プレート８００の出口８１０および８２１に対応するアノード出口８１１およびカソード出口８２１が形成される。図１２から理解されるように、最上部の燃料電池ユニットには、流体マニホールド周辺プレート８００ａおよび８００ｂが形成され、下にある隣接する燃料電池ユニットには、流体マニホールド周辺プレート８００ｃおよび８００ｄが形成される。流体マニホールド周辺プレート８００ａ／ｂ／ｃ／ｄのそれぞれは、その上に配置された膜電極アセンブリ４００／４０１／４０２およびそれぞれのフロープレート３００ａ／ｂ／ｃ／ｄを有する。
【００２８】
図１２は、カソード入口に沿って切り欠きが設けられた、図１１の例示的な実装の燃料電池スタックの態様の分解切り欠き図を示す。膜４００は、１または複数のアノードガス拡散層４０１および１または複数のカソードガス拡散層４０２を備える。アノード支持フレーム要素８０３は、スタックが下にあるときに構成要素を支持するために、フロープレート入口領域３１０またはフロープレート３００の下に提供され、スタックが圧縮されているときにコンポーネントを保持し、流体流路を形成するコンポーネントの適切な位置合わせを行う。カソードマニホールドエントリ８２２の一部が見えており、これは、突起または凸部８５０によって実現でき、当該突起または凸部８５０は、スタックへの圧縮力に対するサポートを実現し、同時に、カソード流体フローがカソードマニホールドエントリ８２２に沿ったカソード流体流路を通って流れ、カソード流体フローチャネル３３０に通じるカソードマニホールドパススルー８２７に至る。図１３は、図１１の燃料電池スタックの態様を示す、カソード流体流路の態様を示すためのカソード入口に沿った切り取り斜視図であり、カソード流体流路は、図１３の矢印で概略的に示されている。カソード流体流路は、燃料電池ユニット内の隣接する流体マニホールド周辺プレート８００の接触面によって形成され、例えば、プレート８００ａの下側およびプレート８００ｂの上側は、突起８５０と係合し、電池ピッチ深さの約２倍の通路を形成し、これは、カソード入口８２０からカソード流体フローを受け取り、フロープレート３００ｃのカソードマニホールドパススルー８２７およびカソード流体フローチャネル３３０につながる。
【００２９】
図１４は、アノード流体流路の態様を示すために、アノード入口に沿った断面透視図で図１１の燃料電池スタックの態様を示し、アノード流体流路は、図１４の矢印で概略的に示される。アノードマニホールドエントリ８２６の一部を見ることができ、これは、アノードマニホールドエントリ８２６に沿ったアノード流体流路を通るアノード流体フローを可能にし、さらに、先のフロープレート３００のアノード流体フローチャネル３１５へのフローを可能にしつつ、スタックへの圧縮力に対する支持を提供する突起または凸部８５０により実現できる。アノード流体流路は、燃料電池ユニット内の隣接する流体マニホールド周辺プレート８００の接触面によって形成され、たとえば、プレート８００ａの下側とプレート８００ｂの上側は突起８５０とかみ合い、電池ピッチの約２倍の経路を形成し、これは、アノード入口８１０からアノード流体フローを受け取り、フロープレート３００ａのアノード流体フローチャネル３１５につながる。
【００３０】
図１５は、冷却剤入口に沿った切り取り斜視図で図１１の燃料電池スタックの態様を示し、ここで、図１５の矢印で冷却剤流路が概略的に示される。冷却剤マニホールドエントリ８２３および冷却剤マニホールド穴８２４の一部を見ることができる。冷却剤マニホールドエントリ８２３は、冷却剤入口８３０を冷却剤マニホールド穴８２４に接続する導管として形成され、プレート冷却剤フローエントリ穴３２５と整列する。冷却剤流体流路は、隣接する流体マニホールド周辺プレート８００の接触面によって形成される。燃料電池ユニット、例えば、プレート８００ａの下側およびプレート８００ｂの上側（冷却剤マニホールドエントリ８２３が設けられている）は、係合して、冷却剤入口８３０から冷却液流体の流れを受けてリードする、電池ピッチ深さの約２倍の経路を形成し、これは、冷却剤入口８３０から冷却剤フローを受け取ってフロープレート３００ｃのプレート冷却剤フローエントリ穴３２５ｃ、すなわち、燃料電池スタック全体の次の同一の燃料電池ユニットの最上部のフロープレートの冷却剤フローエントリ穴に案内する。図示の実施形態では、冷却剤フローは、プレート冷却剤フロー出力口（イグレス）３２７につながる内部冷却剤分配チャネル（図示せず）を含むフロープレート入口領域３１０内の折り返されたプレート縁部によって形成される冷却剤エントリ容積に流れ込む。プレート冷却剤の流れが出ると、冷却剤フローは、カソード流体フローチャネル３３０内のカソード流体フローと混合されて、蒸発冷却を実現し、膜を水和させる。代替構成では、冷却剤流体を、カソード流体フローに加えて、またはその代わりに、アノード流体フローに供給することができる。
【００３１】
図１６〜２０は、図１１〜１５の燃料電池スタックの一部の態様を示し、これは、２つの燃料電池ユニットの組み合わせであり、各燃料電池ユニットは、９０°のオフセット角度で配向された２つの四角形のフローフィールド領域フロープレートアセンブリから形成される。図１６〜２０は、フロープレート３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、および３００ｄの分解組立図の態様を示し、フロープレートは、例示の目的で、最終的な組立および圧縮よりもさらに離れて分離されている。図１６は、フロープレート３００ａおよび３００ｂを見ることができる上面図を示す。図１７は、図１６に示されるビューＡ３からの斜視図を示す。図１８は、図１６の上面図を示すけれども、図１６に示されている線Ｄ１およびＤ２に沿って切欠けられている。図１９は、図１８に示されるビューＣ２に沿って見られるようなフロープレート３００ａ／ｂ／ｃ／ｄの一部の側面図を示す。図２０は、図１８に示す図Ｃ１に沿って見たときのフロープレート３００ａ／ｂ／ｃ／ｄの一部の側面図を示す。フロープレート３００ａ／ｂ／ｃ／ｄの波形は、概して切頭正弦波形状として示され、カソードおよびアノードフローチャネル３１５／３３０にほぼ等しい体積を提供する。切り詰められた正弦波形状は、隣接するフロープレート内の隣接するクロスフローチャネル間に大きな平坦−平坦間の接触面干渉領域を提供することによって利点を提供すると考えられる。この配置は、膜電極アセンブリ層４００／４０１／４０２の通常の圧縮のためにより大きな接触面積を提供して、膜の変形／変化を防止する。カソードとアノードのフローチャネル３１５／３３０を提供する波形の別の形状のプロファイルを他の実装で利用して、たとえば、異なる流量での異なるカソード流体（空気または酸素）などのさまざまな動作条件下での電気的性能を最適化できる。成形されたプロファイルは、シート素材からのプレート形成の限界を制限することができる。
【００３２】
フロープレート３００は、スタンピング／プレス製造プロセスを介して金属プレートから形成され得る。図示の実施態様では、冷却剤エントリ容積は、フロープレート入口領域３１０内の折り返されたプレートエッジによって形成され、プレート冷却剤フロー出力口３２７につながる内部冷却剤流体分配チャネル（図示せず）を提供することができる。フロープレート３００および冷却剤エントリ容積の折り畳まれたプレートエッジの形成は、国際公開番号ＷＯ２００７／１２９０３０Ａ１として公開された、国際特許出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００１５７３２、国際公開番号ＷＯ２０１３／１４０１３５Ａ２として公開された、国際特許出願ＧＢ２０１３／０５０６３４、国際公開番号ＷＯ２０１６／０９７７１６Ａ１として公開された、国際特許出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０５４０２０、および、「プラスチックフレームアセンブリおよびスルーフロー燃料フィードのバイポーラプレート」という題名の本出願人の出願に係る特許出願にさらに十分に説明されており、これらは参照してここに組み込まれる。適切な金属は、波形を形成するためのスタンピング／プレス中に必要に応じて伸長するために必要な展性を提供するステンレス鋼を含む。あるいは、フロープレート３００は、他の製造方法によって、および流体反応物として使用される燃料電池スタックおよび化学物質の機械的圧縮および動作温度に適合する他の材料から形成され得る。
【００３３】
流体マニホールド周辺プレート８００は、剛性材料から形成することができる。適切な剛性材料には、支持および電気絶縁を提供できるポリマーが含まれる。材料は、射出成形または積層造形を含む、当技術分野で既知の任意の方法によって形成することができる。電池間シーリング要素８０１は、周囲の周りの連続的なシーリング特徴を提供するために圧縮性材料から形成される。いくつかの実装形態では、電池間シーリング要素８０１は、流体マニホールド周辺プレート８００とは別に形成され、その後、シーリング保持機能８０２に配置される。他の実装形態では、電池間シーリング要素８０１は、オーバーモールディングプロセス、積層造形プロセス、または流体ディスペンシングプロセスを介して、流体マニホールド周辺に適所に形成されて良い。さらなる実装では、流体マニホールド周辺プレート８００および電池間シーリング要素８０１は、２ショット成形（２Ｋ成形）プロセスで一緒に形成されて良い。
【００３４】
いくつかの実装形態では、本明細書で説明される燃料スタックアセンブリは、蒸発冷却された燃料電池動作で使用されて良い。ＥＣ燃料電池の操作方法は、「燃料電池スタックへの冷却剤供給」と題する米国特許出願公開ＵＳ２０１５／０２３６３６１Ａ１と、「燃料電池システム」と題する国際特許公開ＷＯ２０１６／０３４８５３Ａ１、および、「燃料電池スタック」と題する国際特許公開ＷＯ２０１５／１４０５２９Ａ１に詳しく説明されており、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には、フロー制御アセンブリを介して、カソード流体、アノード流体、および冷却液の入力を供給することができ、これは、最適な操作のために各流体に望ましい流量を提供する。排気フローは、アノード出口８１１とカソード出口８２１を介して出口マニホールドから収集でき、排気フロー中の水分を取得して、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できる。
【００３５】
いくつかの態様では、本開示は、燃料電池スタックアセンブリの改善された製造プロセスを提供する。複数のフロープレート３００を平行に形成し、複数の流体マニホールド周辺プレート２００／８００および膜アセンブリコンポーネント４００／４０１／４０２を使用してフロープレートアセンブリに組み立てることができる。このアセンブリ操作は並行して実行できる。次に、燃料電池ユニットは、上でより十分に説明されているように、互いにオフセット角度で設けられたスタックに配置された複数（ｎ）のフロープレートアセンブリを使用して組み立てることができる。剛性流体マニホールド周辺プレート２００／８００は、アノード入口８１０、カソード入口８２０、冷却剤入口８３０、アノード出口８１１、およびカソード出口８２１を介してスタック高さを通る入口および出口フローの適切な位置合わせを提供する。燃料電池ユニット製造プロセスで並列に組み立てて、燃料電池スタックに組み合わせることができる。コンポーネント、サブアセンブリ、およびアセンブリのこのような並行製造処理は、運用において商業的利益をもたらす。
【００３６】
当業者は、本明細書に開示されているデバイスおよびシステムの構成要素の製造に様々な材料を使用できることを理解するであろう。本明細書に記載された様々な特徴に任意の適切な構造および／または材料を使用でき、当業者は、本明細書に開示されたシステムの意図された使用、意図された領域を含む様々な考慮事項に基づいて適切な構造および材料を選択できる。それらが使用される機器、および／またはそれらが使用されることが意図されている機器および／または付属品、その他の考慮事項。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ます。本明細書に記載の特徴および要素での使用に適していると決定された、以降に発見および／または開発された材料も、許容できると見なされる。
【００３７】
分子量などの物理的特性、または化学式などの化学的特性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と理解されたい。
【００３８】
この文書で引用または説明されている各特許、特許出願、および刊行物の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３９】
当業者は、本開示の例に対して多数の変更および修正を行うことができ、そのような変更および修正は、本開示の趣旨から逸脱することなく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、本開示の真の趣旨および範囲に含まれるすべてのそのような同等の変形を網羅することが意図されている。
【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】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【国際調査報告】
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