JP2018137219A - シール部にわたって接触圧を均等に分布させるためのヘッダフランジの構成 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックのシール部にわたって均等に接触圧を分布させることのできるプレートを提供する。
【解決手段】シール部にわたって接触圧を均等に分布させるためのヘッダフランジ４０ａを含むシステムは、ビード４２及びフランジ縁１０４を含むプレート３６を備える。前記ビードは、ビード辺部１０６及びビード角部１０８を含む。前記フランジ縁には、前記プレートを貫通する開口部４４が設けられる。前記フランジ縁は、前記ビード辺部に近接する第１縁部１１０と、前記ビード角部に近接する第２縁部１１２と、を含む。前記ビード辺部及び前記第１縁部は、その間に第１縁部距離Ｄ_１を規定する。前記ビード角部及び前記第２縁部は、その間に第２縁部距離Ｄ_２を規定する。前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きい。
【選択図】図５Ａ

Description

本発明は、燃料電池の分野に関し、詳細には、シール部にわたって接触圧を均等に分布させるためのシステムに関する。

燃料電池システムは、電気エネルギを供給する多種多様な用途で電源として用いられることが可能である。生成された電気エネルギは、電気モータのような装置を作動させるために直ちに用いられることが可能である。追加的又は代替的に、生成された電気エネルギは、例えばバッテリを利用することにより後の使用のために保存することが可能である。

ある用途において、燃料電池は、定置構造体に組み込まれ、建築物、住宅等に電力を供給する。また、他の用途において、燃料電池は、スマートフォン、ビデオカメラ、コンピュータ等に組み込まれる。さらに、他の用途において、燃料電池は、車両に組み込まれ、動力を供給又は補助する。

燃料電池システムは、一般的に、燃料電池スタック内に配置される燃料電池を含む。１００枚を超えるプレートを含むことが可能な燃料電池スタックは、燃料電池スタックの近接する構成部品間のシール部に接触圧を付与するために圧縮され、そこを通過する流体の漏れを防止する。例えば、冷媒と反応物の混合又は燃料電池のアクティブ領域から離れた場所での反応物の混合は、燃料電池スタックの効率を低下させる。構成部品が多数あることから、シール部に沿った接触圧分布にわずかな差があってもスタックにわたって増幅され、流体漏水のないシール部の形成を妨げてしまう。

従って、燃料電池スタックのシール部にわたって均等に接触圧を分布させることは有益である。

ある態様において、プレートはビード及びフランジ縁を含む。前記ビードは、ビード辺部及びビード角部を含む。前記フランジ縁には、前記プレートを貫通する開口部が設けられる。前記フランジ縁は、前記ビード辺部に近接する第１縁部と、前記ビード角部に近接する第２縁部と、を含む。第１縁部距離は、前記ビード辺部と前記第１縁部との間によって規定される。第２縁部距離は、前記ビード角部と前記第２縁部との間によって規定され、前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きい。

ある態様において、各ビードは、シール面を備える。前記シール面は、接触圧を受けた際に撓む。

さらなる態様において、第３縁部距離は、第２ビード角部と第３縁部との間に規定され、前記第３縁部は前記第２ビード角部に近接し、前記ビード角部は第１半径を有し、前記第２ビード角部は第２半径を有し、前記第２半径は、前記第１半径より大きく、前記第２縁部距離は、前記第３縁部距離よりも大きい。

ある態様において、前記ビード辺部は、蛇行経路に沿い、前記第１縁部距離が前記蛇行経路に沿って略一定となるように、前記第１縁部は前記蛇行経路に沿う。

ある態様において、前記第１縁部距離及び前記第２縁部距離は、前記ビードに沿って約５０％より低いばらつきを有する接触圧となるように設けられる。

ある態様において、前記第１縁部距離及び前記第２縁部距離は、前記ビードに沿って約３０％より低いばらつきを有する接触圧となるように設けられる。

ある態様において、前記ビードは一般的に第１多角形を設け、前記フランジ縁は一般的に第２多角形を設け、前記第２多角形は前記第１多角形より多くの角部を含む。

ある態様において、前記ビード辺部は略直線状であり、前記ビード角部は略円弧状である。

ある態様において、前記第１縁部は略円弧状であり、前記第２縁部は略直線状である。

ある態様において、システムは、第１プレート、第２プレート、及び圧縮部材を備える。前記第１プレートは、ビード及びフランジ縁を含む。前記ビードは、ビード辺部及びビード角部を有する。前記フランジ縁には、前記第１プレートを貫通する第１開口部が設けられる。前記フランジ縁は、前記ビード辺部に近接する第１縁部と、前記ビード角部に近接する第２縁部と、を含む。前記ビード辺部及び前記第１縁部は、その間に第１縁部距離を規定する。前記ビード角部及び前記第２縁部は、その間に第２縁部距離を規定する。前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きい。前記第２プレートが前記第１プレートに当接する。前記第２プレートは、前記第２プレートを貫通する第２開口部を備える。前記第２開口部は、前記第１開口部と一列に並ぶ。前記圧縮部材は、前記第１プレートと前記第２プレートとに圧縮力を加えるようになっている。前記圧縮力は、前記ビードに沿って、前記第１プレートと前記第２プレートとをシールするようになっている。

さらなる態様において、前記第２プレートは第２ビード及び第２フランジ縁を含む。前記第２ビードは、第２ビード辺部及び第２ビード角部を有する。前記第２フランジ縁には、第２開口部が設けられる。前記第２フランジ縁は、前記第２ビード辺部に近接する第３縁部と、前記第２ビード角部に近接する第４縁部と、を含む。前記第２ビード辺部及び前記第３縁部は、その間に第３縁部距離を規定する。前記第２ビード角部及び前記第４縁部は、その間に第４縁部距離を規定する。前記第４縁部距離は、前記第３縁部距離よりも大きい。

さらなる態様において、前記第１プレートは、第１作動面及び第１背面をさらに含む。前記第１作動面上には、ビードが設けられる。前記第１背面は、前記第１作動面の反対側にある。前記第２プレートは、第２作動面及び第２背面をさらに含む。前記第２作動面上には、第２ビードが設けられる。前記第２背面は、前記第２作動面の反対側にある。前記第１背面は、前記第２背面近傍に配置される。前記第１プレートが前記第２プレートに結合される。前記ビードは、比較的高い接触圧を有する部分を備える第１接触圧分布を生成する。前記第２ビードは、比較的低い接触圧を有する部分を備える第２接触圧分布を生成する。前記比較的高い接触圧を有する前記部分が前記比較的低い接触圧を有する前記部分の比較的近傍に配置されるように、前記ビード及び前記第２ビードが共働するよう構成される。

ある態様において、前記ビードは、比較的高い接触圧を有する部分を備える第１接触圧分布を生成し、前記第２ビードは、比較的低い接触圧を有する部分を備える第２接触圧分布を生成し、前記比較的高い接触圧を有する前記部分が前記比較的低い接触圧を有する前記部分に当接するように、前記ビードの第１シール面が前記第２ビードの第２シール面に当接する。

ある態様において、前記第１縁部は略円弧状であり、前記第２縁部は略直線状である。

ある態様において、前記ビード辺部は、蛇行経路に沿い、前記第１縁部距離が前記蛇行経路に沿って略一定となるように、前記第１縁部は前記蛇行経路に沿う。

ある態様において、前記第１縁部は略円弧状であり、前記第２縁部は略直線状である。

ある態様において、燃料電池スタックは、第１プレートと、第２プレートと、一体型電極構造体と、圧縮部材と、を備える。前記第１プレートは、第１作動面と、第１背面と、ビードと、第１フランジ縁と、を備える。前記第１作動面上には、複数の第１反応物通路が設けられる。前記第１背面は、前記第１作動面の反対側にある。前記ビードは、前記第１作動面上に配置される。前記ビードは、ビード辺部及びビード角部を有する。前記第１フランジ縁には、前記第１プレートを貫通する第１開口部が設けられる。前記１フランジ縁は、前記ビード辺部直近の第１縁部と、前記ビード角部直近の第２縁部と、を含む。前記第１縁部及び前記ビード辺部は、その間に第１縁部距離を規定する。前記第２縁部及び前記ビード角部は、その間に第２縁部距離を規定する。前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きい。前記第２プレートは、第２作動面と、第２背面と、第２フランジ縁と、を備える。前記第２作動面上には、複数の第２反応物通路が設けられる。前記第２背面は、前記第２作動面の反対側にある。前記第２フランジ縁には、前記第２プレートを貫通する第２開口部が設けられる。前記第２開口部は、前記第１開口部と一列に並ぶ。前記一体型電極構造体は、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置される。前記一体型電極構造体は、前記複数の第１反応物通路と接触する第１側面と、前記複数の第２反応物通路と接触する第２側面と、を備える。前記圧縮部材は、前記第１プレートと前記第２プレートと前記一体型電極構造体とのそれぞれに圧縮力を加えるようになっている。前記圧縮力は、前記ビードに接触圧を付与し、前記ビードと近傍の構成部品との間に実質的に漏れのないシールを提供する。

さらなる態様において、前記ビードと前記第２プレートとの間に実質的に漏れのないシールを提供する。

さらなる態様において、前記ビード辺部は略直線状であり、前記ビード角部は略円弧状である。

さらなる態様において、前記第１縁部距離及び前記第２縁部距離は、前記ビードに沿って約５０％より低いばらつきを有する接触圧となるように設けられる。

本発明に係る上記の特徴及び効果並びに別の特徴及び効果は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を考慮することにより容易に明らかとなるであろう。

図面は、説明のために添付されるが、請求項によって規定される発明の主題を限定することを意図しない。例示的な態様が以下の詳細な説明で論じられ、添付の図面に示される。

図１は、本発明の態様に係る燃料電池スタックの模式的分解図である。 図２は、本発明の態様に係る図１の燃料電池スタックのモノポーラプレートを示す模式的上面図である。 図３は、図２のプレートを示す模式的断面図である。 図４は、バイポーラプレートの一部断面を示す模式的部分立体図である。 図５Ａは、本発明の態様に係るヘッダ部の例を示す上面図である。 図５Ｂは、本発明の態様に係るヘッダ部の他の例を示す上面図である。 図５Ｃは、本発明の態様に係るヘッダ部のさらに他の例を示す上面図である。 図５Ｄは、本発明の態様に係るヘッダ部のまたさらに他の例を示す上面図である。 図６は、本発明の態様に係るヘッダ部の例を示す上面図である。 図６Ａは、図６に示されるヘッダ部の一部拡大図である。 図６Ｂは、図６に示されるヘッダ部の一部拡大図である。 図７Ａは、ビードに沿った接触圧を示すヒートマップである。 図７Ｂは、本発明の態様に係る変化する縁部距離を有するビードに沿った接触圧を示すヒートマップである。 図８は、本発明の態様に係るフランジを構成する方法を示す図である。

図１は、燃料電池スタック１０の分解図である。燃料電池スタック１０は、複数のプレート１２と、少なくとも１つの一体型電極構造体１４と、圧縮部材１６と、を含む。複数のプレート１２は、プレート１２を好適に組み合わせてよい。例えば、複数のプレート１２は、エンドプレート１８、モノポーラプレート２０（図２に、より詳細に示す）、及び／又はバイポーラプレート２２（図４に、より詳細に示す）を含んでもよい。本発明のある態様によれば、複数のプレート１２、少なくとも１つの一体型電極構造体１４、及び圧縮部材１６の間の何れか又は全てのシール部は、本明細書に記載されるように、フランジ構成を制御することによって、該シール部にわたって接触圧を均等に分布させることが可能となる。

エンドプレート１８は、燃料電池スタック１０の上面及び底面に配置される。エンドプレート１８には、燃料入口２４ａと、燃料出口２４ｃと、酸化剤入口２６ａと、酸化剤出口２６ｃと、冷媒入口２８ａと、冷媒出口２８ｃと、が配置される。本明細書で用いられる「流体」は、文脈に応じて燃料、酸化剤、冷媒、又はその組み合わせを指してもよく、「反応物」は、文脈に応じて燃料、酸化剤、又はその両方を指してもよい。例えば、「流体入口２４ａ、２６ａ、２８ａ」は、文脈に応じて燃料入口２４ａ、酸化剤入口２６ａ、又は冷媒入口２８ａの何れか又はその全てを指してもよく、「反応物通路２４ｂ、２６ｂ」は、文脈に応じて燃料通路２４ｂ、酸化剤通路２６ｂの何れか又はその両方を指してもよい。流体入口２４ａ、２６ａ、２８ａ及び流体出口２４ｃ、２６ｃ、２８ｃの何れかは、１つのエンドプレート１８上に配置され、残余の流体入口２４ａ、２６ａ、２８ａ及び流体出口２４ｃ、２６ｃ、２８ｃは、反対側のエンドプレート１８に配置されることが考えられる。

一体型電極構造体１４は、拡散媒体３２間に配置される燃料電池３０を含む。燃料電池３０は、例えば、カソードとアノードとの間に配置される膜を含む電解質膜・電極構造体であってもよい。例えば、膜は、プロトン交換膜であってもよい。例えば、カソード及びアノードは、カーボン粒子上に担持されイオノマーと混合された微細化触媒を含んでもよい。ある態様において、触媒は白金である。

拡散媒体３２は、反応物が燃料電池３０へ供給されることを促進する多孔質層である。反応物は、燃料及び酸化剤の好適な組み合わせであってもよい。例えば、燃料は水素であってもよく、酸化剤は酸素であってもよい。水素燃料電池３０において、水素と酸素が反応して発電が行われ、副産物として熱と水が生成される。例えば、他の燃料として天然ガス、メタノール、ガソリン、及び石炭系合成燃料等が用いられてもよい。ある態様において、拡散媒体３２は、積層、接着、又は他の好適な方法を用いて燃料電池３０の表面に取り付けてもよい。ある態様において、拡散媒体３２は、燃料電池の表面に当接するが、接着しない。例えば、拡散媒体３２は、燃料電池３０の表面に対して配置され、保持部材３４によって保持されてもよい。例えば、保持部材３４は、ガスケットであってもよい。

圧縮部材１６は、積層方向に沿って燃料電池スタック１０へ圧縮力を与える。圧縮力は、近接する構成部品間の接触圧を通じてプレート１２及び燃料電池３０を位置決めし、締め付ける。ある態様において、圧縮部材１６は、エンドプレート１８上の構造に係合する複数のねじ付きロッドを含む。ねじ付きロッドを締めることにより、積層方向に沿った圧縮力が所望のレベルまで増加し、近接する構成部品間のシールに沿って接触圧が分布することになる。ある態様において圧縮部材１６は、燃料電池スタック１０全体より少ない枚数で係合する。例えば、圧縮部材１６は、２つの近接するプレート１２と係合し当該２つのプレート１２に圧縮力を付与してもよく、又は、ある枚数の近接するプレート１２と係合しその数の近接するプレート１２に圧縮力を付与してもよい。

図２は、燃料電池スタック１０の例示されたモノポーラプレート２０を示す上面図である。モノポーラプレート２０は、作動面３６、作動面３６と反対側の背面３８、ヘッダ部４０、及びビード４２を有する略平面状シートである。図示されるモノポーラプレート２０は、ある構造を備える金属シートである。該構造は、金属シートに型押し加工（プレス成形）で形成される。モノポーラプレート２０を形成するために、カーボンファイバ等の他の材質並びに成型及び付加製造（additive manufacturing）等の他の形成方法が考えられる。

反応物通路２４ｂ、２６ｂは、モノポーラプレート２０の作動面３６上に設けられる。特にモノポーラプレート２０の反応物通路２４ｂ、２６ｂは、燃料通路２４ｂ又は酸化剤通路２６ｂである。反応物通路２４ｂ、２６ｂは、近接する一体型電極構造体１４又は燃料電池３０の面にわたって流体を流通させる。例えば、燃料通路２４ｂは、燃料電池３０のアノードに水素を供給し、酸化剤通路２６ｂは、燃料電池３０のカソードに酸素を供給する。

ヘッダ部４０は、モノポーラプレート２０の周縁領域に配置され、モノポーラプレート２０を貫通する複数の開口部４４を備える。開口部４４は、モノポーラプレート２０の一方の側面から他方の側面へ流体を流通させる。

ビード４２は、モノポーラプレート２０の作動面３６から延在する。少なくとも１つのビード４２が、モノポーラプレート２０の作動面３６の周縁部に沿って配置され、例えば、反応物通路２４ｂ、２６ｂからモノポーラプレート２０の外部への流体の漏れ（例えば、周囲又は燃料電池スタック１０への漏れ）を防ぐ。さらなるビード４２が各開口部４４に近接して囲む様に配置される。各開口部４４を囲むビード４２は、その開口部４４からモノポーラプレート２０の流体通路２４ｂ、２６ｂ、２８ｂへ流体が漏れることを防止する。例えば、冷媒が流通する開口部４４を囲むビード４２は、その冷媒がモノポーラプレート２０の反応物通路２４ｂ、２６ｂ内に漏れて、流通する反応物と混合してしまうことを防止する。ビード４２は、複数の開口部４４を囲んでもよいことが諒解される。

選択的に、冷媒通路２８ｂがモノポーラプレート２０の背面３８上に設けられてもよい。冷媒通路２８ｂは、モノポーラプレート２０の背面３８にわたって冷媒を流通させ、化学反応の際に生じた熱を除去する。さらに、冷媒通路２８ｂは、例えば、低温運転状況において、燃料電池３０に熱を伝達し、化学反応を促進するために用いることが可能である。ビード４２及び他の特徴は、モノポーラプレート２０の背面３８から延在してもよいことが諒解される。

図３は、モノポーラプレート２０のビード４２の、３−３線に沿った断面図である。ビード４２は、略弧状である。ビード４２は、作動面３６上にシール面４６を備える。シール面４６は、モノポーラプレート２０の作動面３６に近接する構成部品に接触するように設けられる。シール面４６は、ビード４２上の全ての地点における接触圧がある閾値を超えた場合に、近接する構成部品に対し流体を密封するシール（流体シール）を形成する。

ビード４２は、圧力が加えられた際に撓む（変形する、deflect）弾性構造を形成する。撓むことにより、近接する構成部品と接触するシール面４６の部分が増加する。図示されたビード４２は、断面略弧状であるが、他の形状も使用可能であることが諒解される。ある限定されない実施例において、ビード４２の断面形状は、略長方形、略台形、略直線状の側壁とその間の弧状部、又はそれらの組み合わせ等となる。さらに、図示されたビード４２は略対称であるが、非対称のビード４２も使用可能であることが諒解される。

図４は、バイポーラプレート２２の部分的断面を示す立体図である。バイポーラプレート２２は、様々な方法で形成することが可能である。例えば、２つのモノポーラプレート２０の背面３８を合わせて配置して接合し、接合されたモノポーラプレート２０でバイポーラプレート２２を形成することが可能である。例えば、接合の方法は、溶接又は接着剤を用いてもよい。

バイポーラプレート２２は、第１作動面３６ａと、第１作動面３６ａと反対側の第２作動面３６ｂと、を含む。各作動面３６は、反応物通路２４ｂ、２６ｂを備える。例えば、第１作動面３６ａは、燃料通路２４ｂを備え、第２作動面３６ｂは、酸化剤通路２６ｂを備える。２つのモノポーラプレート２０の背面３８を合わせて配置すると、図４に示される通り、冷媒通路２８ｂが２つのモノポーラプレート２０間の空間に設けられる。

バイポーラプレート２２は、３Ｄプリンティングのような様々な方法でも形成されることが可能である。ある態様において、バイポーラプレート２２は、その間に冷媒通路２８ｂを設けずに、反応物通路２４ｂ、２６ｂを単一のシートの両面に型押し加工することにより形成される。

燃料電池スタック１０が組み立てられると、各プレート１２のヘッダ部４０の開口部４４は、隣接するプレート１２又は一体型電極構造体１４の開口部４４とそれぞれ実質的に一列に並び、複数の入口マニホールド（図示せず）と複数の出口マニホールド（図示せず）を形成する。各構成部品のビード４２は、近接する構成部品のビード４２に対して押圧され、複数の流体流路２４、２６、２８を設けるための流体シールが形成される。燃料流路２４は、燃料入口２４ａ、燃料入口マニホールド（図示せず）、各プレート１２の燃料通路２４ｂ、燃料出口マニホールド（図示せず）、及び燃料出口２４ｃによって設けられる。同様に、酸化剤流路２６は、酸化剤入口２６ａ、酸化剤入口マニホールド（図示せず）、酸化剤通路２６ｂ、酸化剤出口マニホールド（図示せず）、及び酸化剤出口２６ｃによって設けられる。冷媒流路２８は、冷媒入口２８ａ、冷媒入口マニホールド（図示せず）、冷媒通路２８ｂ、冷媒出口マニホールド（図示せず）、及び冷媒出口２８ｃによって設けられる。

稼動時には、少なくとも２種類の流体が、別々の流体流路２４、２６、２８中を流通して燃料電池スタック１０を通過する。ある例示的な燃料電池スタック１０において、流体は、流体入口２４ａ、２６ａ、２８ａに入り、燃料電池スタック１０の周縁側に沿って各マニホールドを流通し、流体通路２４ｂ、２６ｂ、２８ｂを介して横方向に構成部品を通過し、燃料電池スタック１０の反対の周縁側に沿って各マニホールドを流通し、流体出口２４ｃ、２６ｃ、２８ｃを介して燃料電池スタック１０から出る。ある実施例において、少なくとも２種類の流体が対向流で流通する。

実質的に漏れのないシールが燃料電池スタック１０の構成部品間に形成され、燃料電池スタック１０を流通する流体の不要な混合を防ぐ。これら実質的に漏れのないシールがシール面４６に接触圧を加えることにより形成される。ビード４２のシール面４６に沿った接触圧の違いが漏れにつながると考えられる。また、ビード４２のシール面４６に沿って接触圧を均等に分布させることが燃料電池スタック１０の特性に有益な影響を与えると思われる。例えば、本発明によるシステム及び構成部品は、プレート１２のヘッダ部４０にわたる接触圧を均等に分布させることによりシール効果を増加することが可能である。さらに、本発明によるシステム及び構成部品は、スタック中に適切な接触圧を維持するために必要な圧縮力を低減することにより、製造部品のコスト削減が可能である。またさらに、本発明によるシステム及び構成部品は、構成部品に加えられる最大接触圧を低下させることにより、燃料電池スタックの寿命によい影響を与えることが可能である。

シール面４６に加えられる接触圧は、燃料電池スタック１０に加えられる圧縮力によるものであり、実質的に漏れのないシールを維持するための閾値レベルを超えるように維持されることが必要である。燃料電池スタック１０が相当数の構成部品を含むことが可能なため、燃料電池スタック１０の構成部品が組み立てられた際に、ビード４２に沿った接触圧の分布における僅かなばらつきが大幅に増幅されることがある。

有益なこととして、開口部４４を囲むビード４２のシール面４６に沿った接触圧の分布は、開口部４４とビード４２との間のフランジ５０の周囲の縁部距離Ｄを変化させることにより、均等に分布させることが可能である。

図５Ａ〜図５Ｄは、本発明に係る、ビード４２に沿ってシール面４６上に接触圧を均等に分布させるための例示的なヘッダ部４０ａ〜４０ｄの上面図を示す。図５Ａは、ビード４２に沿って接触圧を均等に分布させるための例示的なヘッダ部４０ａの上面図である。前記ヘッダ部４０ａは、プレート１２の作動面３６を備え、作動面３６上にビード４２が設けられる。フランジ１０２は、ビード４２と開口部４４との間に設けられ、開口部４４を設けるフランジ縁１０４を備える。見て分かるように、ビード４２は略六角形の第１多角形であり、開口部４４は略円形である。

ビード４２は、複数のビード辺部１０６と、近接する該ビード辺部１０６の交差部にビード角部１０８と、を含む。フランジ縁１０４は、ビード辺部１０６に近接する第１縁部１１０と、ビード角部１０８に近接する第２縁部１１２と、を含む。図で見て分かるように、フランジ縁１０４の各部位に対応するビード４２の部位は、フランジ縁１０４に略垂直に延在する領域に配置される。

縁部距離Ｄは、ビード４２とフランジ縁１０４との間の間隔によって規定される。第１縁部距離Ｄ₁は、ビード辺部１０６と第１縁部１１０との間の間隔によって規定され、第２縁部距離Ｄ₂は、ビード角部１０８と第２縁部１１２との間の間隔によって規定される。図５Ａを見て分かる通り、第２縁部距離Ｄ₂は、第１縁部距離Ｄ₁よりも大きい。ある態様において、第２縁部距離Ｄ₂は、第１縁部距離Ｄ₁よりも３０％大きい。ある態様において、第２縁部距離Ｄ₂は、第１縁部距離Ｄ₁よりも６０％大きい。ある態様において、第２縁部距離Ｄ₂は、第１縁部距離Ｄ₁よりも１００％大きい。

図５Ｂは、ビード４２に沿って接触圧を均等に分布させるための例示的な別のヘッダ部４０ｂの上面図である。図示例において、ビード４２は略六角形の第１多角形であり、フランジ縁１０４も略六角形の第２多角形である。第１多角形は、第２多角形の各辺の中点略近傍に第１多角形の各角部が存在するように、第２多角形から約３０°回転している。第１多角形が第２多角形から相対的に回転すると、第２縁部距離Ｄ₂を第１縁部距離Ｄ₁よりも大きくする。図示された多角形が略六角形であるのに対し、他の多角形形状を用いてもよいことが考えられる。さらに、図示された第１多角形は、第２多角形から約３０°回転しているのに対し、第２縁部距離Ｄ₂を第１縁部距離Ｄ₁より大きくする結果となる他の回転を用いることが可能である。

図５Ｃは、ビード４２に沿って接触圧を均等に分布させるための例示的なさらに別のヘッダ部４０ｃの上面図である。ビード４２は、略六角形の第１多角形であり、フランジ縁１０４は第１多角形より多くの角部を含む第２多角形である。例えば、図示された第２多角形は略十二角形である。第２多角形は、ビード角部１０８が該第２多角形の各辺の直近に配置されるように、第１多角形に対してある方向を向く、不規則（irregular）な多角形である。図５Ｃを見て分かるように、ビード４２が略対称な形状を有していても、各ビード角部１０８の縁部距離Ｄは、異なる距離とすることが可能である。例えば、明らかに対称的な領域において異なっている縁部距離Ｄが、ビード４２又は開口部４４の明らかな対称性に関わらずシール面４６に沿った接触圧の分布を改善するように、ビード４２以外の構造が、プレート１２の撓みに影響を与える可能性がある。

図５Ｄは、ビード４２に沿って接触圧を均等に分布させるための例示的なまたさらに別のヘッダ部４０ｄの上面図である。ビード４２は、不規則な略六角形の第１多角形である。フランジ縁１０４は、不規則な略十二角形の第２多角形である。第２多角形は、ビード角部１０８が第２多角形の各辺の直近に配置されるように、第１多角形に対してある方向を向く。

図６は、ビード４２に沿って接触圧を均等に分布させるための例示的なヘッダ部４０ｅの上面図である。ヘッダ部４０ｅは、複数のビード辺部１０６及びビード角部１０８を含む。

図６Ａ及び図６Ｂによりよく示される通り、ビード辺部１０６は、略蛇行経路に沿って延在する補強構造１１４すなわち「波状部（wiggles）」を含む。これらの補強構造１１４は、燃料電池スタック１０内でプレート１２が圧縮された際、ビード４２の過度の変形を防ぐことで、ビード４２の直線部分に沿って強度の弱い箇所が生じることを防ぐようになっている。線１２０によって示される通り、補強構造１１４の蛇行経路に沿いつつ、ビード辺部１０６は、略直線状である。特に、蛇行経路に沿った「波状部」は、内側に半径を有する円弧状となる第１部分と、該第１部分間に介在し外側に半径を有する円弧状となる第２部分とで特定の半径を共有する。例えば、図６Ａで蛇行する部位は、開口部４４側に半径を有する円弧状となる中央部と、開口部４４から離れる側に半径を有する円弧状となる外側部と、を含む。中央部の半径と、外側部の半径は、略同じである。

ビード角部１０８は、開口部４４側に半径を有する略円弧状となっている。各ビード角部１０８は、そのビード角部１０８に沿って略同一の半径を有する。線１２２で図示される角張った角部は、図６Ａ及び図６Ｂのビード４２に沿って示されている。円弧状のビード角部１０８は、線１２２の角部と頂点を共有している。ビード角部１０８の半径は、蛇行部の半径より略大きい。ビード角部１０８は、一般的に、頂点に近づくにつれて接触圧が増加し、ビード辺部１０６に近づくにつれ低い接触圧を有する。

図６、図６Ａ及び図６Ｂのビード４２が図５Ａ〜図５Ｄに示されるビード４２の角張った特徴よりもずっと略湾曲している一方、当業者は、蛇行の特徴を有するビード辺部１０６と略連続する曲率半径を有するビード角部１０８との違いを直ぐに諒解するであろう。例えば、ビード角部１０８は、ビード４２に沿って接触圧が増加する領域を判定することにより特定してもよい。この例において、ビード角部１０８は、頂点に近づくにつれ一般的に高い接触圧を有し、ビード辺部１０６に近づくにつれ一般的に低い接触圧を有するであろう。

図６Ａ及び図６Ｂによりよく示される通り、フランジ縁１０４は、複数の特徴を備える。例えば、フランジ縁１０４は、ビード辺部１０６の近傍に配置される第１縁部１１６と、ビード角部１０８の近傍に配置される第２縁部１１８と、を含む。第２縁部１１８に沿った縁部距離は、第１縁部１１６に沿った縁部距離よりも一般的に大きい。

ある態様において、図６Ａに示される通り、ビード辺部１０６は、略直線状となる一方、該ビード辺部１０６に直近の第１縁部１１６が略円弧状となる。ある態様において、ビード角部１０８は、第１半径を有する略円弧状となる一方、第２縁部１１８はより大きな半径を有する略円弧状となる。ある態様において、図６Ａでさらに見て分かるように、ビード角部１０８は、略円弧状であり、第２縁部１１８は、略直線状である。

ある態様において、図６Ｂに示される通り、ビード辺部１０６及びビード辺部１０６直近の第１縁部１１６の両方は、ビード辺部１０６と第１縁部１１６との間の縁部距離Ｄが略一定であるような蛇行経路に沿う。

有益なことに、ビード辺部１０６に近い縁部距離Ｄよりもビード角部１０８に近い縁部距離Ｄが大きいフランジ５０を形成することにより、ビード４２に沿った接触圧を均等に分布させる。ある例において、開口部４４付近の縁部距離Ｄは、ビード４２に沿って約５０％より低いばらつきを有する接触圧分布となるように設けられる。ある例において、開口部４４付近の縁部距離Ｄは、ビード４２に沿って約３０％より低いばらつきを有する接触圧分布となるように設けられる。

特定の構成から生じる接触圧の判定が、測定又はモデル化されてもよい。例えば、プレート１２、ヘッダ部４０、又はフランジ５０のモデルは、有限要素解析を行って、例示的な構造のビード４２に沿った接触圧分布を推定することが可能である。

図７Ａ及び図７Ｂは、有限要素解析を行って判定した、ビード４２に沿った接触圧のヒートマップである。図７Ａは、ビード４２とフランジ縁１０４の各部分との間の距離が略一定であるヘッダを示す。視認可能なように、示されたビード角部１０８におけるシール面４６に沿った接触圧は、該ビード角部１０８近傍のビード辺部１０６におけるシール面４６に沿った接触圧よりも高い。特に、全てのビード角部１０８が、接触圧の大きく増加した領域を含むわけではない。例えば、図７Ａの左上に示されるビード角部１０８は、図７Ａの右下に示されるビード角部１０８よりも、著しく高い接触圧を有する。従って、あるビード角部１０８の縁部距離Ｄは、均等に分布した接触圧を得るために、増加させる必要がない。

図７Ｂは、本発明の態様に係る可変縁部距離Ｄを有するフランジ５０の、ビード４２に沿った接触圧のヒートマップである。特に、図７Ｂは、比較的高い接触圧を有するビード角部１０８（例えば、左上側のビード角部１０８）に対し縁部距離Ｄが略大きく、比較的低い接触圧を有するビード角部１０８（例えば、右下側のビード角部１０８）に対し縁部距離Ｄが略同等なことにより、図７Ａと異なる。図７Ｂは、図７Ａ右側及び図７Ｂ右側のビード辺部１０６に沿った縁部距離Ｄが、ビード４２の蛇行部に沿って略一定であることによって、図７Ａとさらに異なる。

図８は、本発明の態様に係るフランジ５０を構成する方法８００を示す図である。方法８００は、初期構成を選択する選択ステップ８０２と、ビード４２にわたる接触圧を測定する測定ステップ８０４と、接触圧分布を分析する分析ステップ８０６と、接触圧分布のばらつきを低減する低減ステップ８０８と、を備える。初期のフランジ構成は、少なくともその一部に、貫通する開口部４４を有するプレート１２と、その開口部４４を囲むビード４２と、を含む。ビード４２にわたる接触圧を測定する測定ステップ８０４は、ビード４２に沿った接触圧分布を生成する。接触圧を測定する測定ステップ８０４は、例えば、フランジ５０の数学的モデル、フランジ５０のプロトタイプの直接検査、現場測定（in-situ measurements）、それらの組み合わせ、等を利用して行うことが可能である。数学的モデルによる測定は、例えば、有限要素解析、他の計算手法、それらの組み合わせ、等を利用して行うことが可能である。接触圧分布を分析する分析ステップ８０６は、比較的接触圧が増加した領域と、比較的接触圧が減少した領域と、を特定することを含む。接触圧分布のばらつきを低減する低減ステップ８０８は、比較的接触圧が増加した単数又は複数の領域に近い端部距離を大きくすること、及び／又は比較的接触圧が減少した単数又は複数の領域に近い端部距離を小さくすること、を含む。

有益なことに、ビード４２を含む近接する構成部品は、ビード４２に沿って接触圧を均等に分布させるように、共働するよう構成可能である。例えば、第１プレート１２のフランジ５０は第１構成を含み、第２プレート１２の対応するフランジ５０は第２構成を含むようにしてもよい。第１プレート１２のビード４２に沿った比較的大きな接触圧を有する領域を、第２プレート１２のビード４２に沿った比較的小さな接触圧を有する領域に対応するようにして、シール面４６に沿った接触圧が均一に分布するように、第１構成及び第２構成を共働させてもよい。

上記の接触圧が増加した領域はビード角部に関して説明されたが、接触圧が増加した領域近傍のプレートの材料を増加させ、及び／又は接触圧が低い領域近傍のプレートの材料を減少させることにより、応力が増加した如何なる領域も、均等に分布させることが可能である、ということが考えられる。

本発明の開示内容を実施するために最良の態様が詳細に説明されたが、本発明の当業者は、添付の請求項の範囲内において本発明を実施するための様々な代替的構成及び実施形態が存在することを理解するであろう。

Claims (19)

1. ビード辺部及びビード角部を含むビードと、
   プレートを貫通する開口部を設けるフランジ縁と、
   を備えるプレートであって、
   前記フランジ縁は、前記ビード辺部に近接する第１縁部と、前記ビード角部に近接する第２縁部と、を含み、
   前記ビード辺部及び前記第１縁部は、その間に第１縁部距離を設け、
   前記ビード角部及び前記第２縁部は、その間に第２縁部距離を設け、前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きい、
   ことを特徴とするプレート。
2. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビードは前記ビード上にシール面を備え、接触圧を受けた際に、前記シール面は撓むようになっている、
   ことを特徴とするプレート。
3. 請求項１記載のプレートにおいて、
   第２ビード角部及び第３縁部はその間に第３縁部距離を規定し、前記第３縁部は前記第２ビード角部の近傍に位置し、
   前記ビード角部は第１半径を有し、前記第２ビード角部は第２半径を有し、前記第２半径は前記第１半径より大きく、
   前記第２縁部距離は、前記第３縁部距離よりも大きい、
   ことを特徴とするプレート。
4. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード辺部は、蛇行経路に沿い、
   前記第１縁部距離が前記蛇行経路に沿って略一定となるように、前記第１縁部は前記蛇行経路に沿う、
   ことを特徴とするプレート。
5. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記第１縁部距離及び前記第２縁部距離は、前記ビードに沿って約５０％より低いばらつきを有する接触圧となるように設けられる、
   ことを特徴とするプレート。
6. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記第１縁部距離及び前記第２縁部距離は、前記ビードに沿って約３０％より低いばらつきを有する接触圧となるように設けられる、
   ことを特徴とするプレート。
7. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビードは一般的に第１多角形を設け、前記フランジ縁は一般的に第２多角形を設け、
   前記第２多角形は、前記第１多角形より多くの角部を含む、
   ことを特徴とするプレート。
8. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード辺部は略直線状であり、前記ビード角部は略円弧状である、
   ことを特徴とするプレート。
9. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記第１縁部は略円弧状であり、前記第２縁部は略直線状である、
   ことを特徴とするプレート。
10. 第１プレートと、
    前記第１プレートに当接する第２プレートと、
    前記第１プレートと前記第２プレートとに圧縮力を加える圧縮部材と、
    を備えるシステムであって、
    前記第１プレートは、
    ビード辺部及びビード角部を有するビードと、
    前記第１プレートを貫通する第１開口部を設けるフランジ縁と、
    を備え、
    前記フランジ縁は、前記ビード辺部に近接する第１縁部と、前記ビード角部に近接する第２縁部と、を含み、
    前記ビード辺部及び前記第１縁部は、その間に第１縁部距離を規定し、
    前記ビード角部及び前記第２縁部は、その間に第２縁部距離を規定し、前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きく、
    前記第２プレートは、前記第２プレートを貫通する第２開口部を含み、前記第２開口部は、前記第１開口部と一列に並び、
    前記圧縮力は、前記ビードに沿って前記第１プレート及び前記第２プレートをシールするようになっている、
    ことを特徴とするシステム。
11. 請求項１０記載のシステムにおいて、
    前記第２プレートは、さらに、
    第２ビード辺部及び第２ビード角部を有する第２ビードと、
    前記第２開口部を設ける第２フランジ縁と、
    を備え、
    前記第２フランジ縁は、前記第２ビード辺部に近接する第３縁部と、前記第２ビード角部に近接する第４縁部と、
    を含み、
    前記第２ビード辺部及び前記第３縁部は、その間に第３縁部距離を有し、
    前記第２ビード角部及び前記第４縁部は、その間に第４縁部距離を有し、
    前記第４縁部距離は、前記第３縁部距離よりも大きい、
    ことを特徴とするシステム。
12. 請求項１１記載のシステムにおいて、
    前記第１プレートは、さらに、前記ビードが配置される第１作動面と、前記第１作動面の反対側の第１背面と、を有し、
    前記第２プレートは、さらに、前記第２ビードが配置される第２作動面と、前記第２作動面の反対側の第２背面と、を有し、
    前記第１背面は、前記第２背面近傍に配置され、
    前記第１プレートは、前記第２プレートに取り付けられ、
    前記ビードは、比較的高い接触圧を有する部分を備える第１接触圧分布を生成し、
    前記第２ビードは、比較的低い接触圧を有する部分を備える第２接触圧分布を生成し、
    前記比較的高い接触圧を有する前記部分が前記比較的低い接触圧を有する前記部分の比較的近傍に配置されるように、前記ビード及び前記第２ビードが共働するよう構成される、
    ことを特徴とするシステム。
13. 請求項１１記載のシステムにおいて、
    前記ビードは、比較的高い接触圧を有する部分を備える第１接触圧分布を生成し、
    前記第２ビードは、比較的低い接触圧を有する部分を備える第２接触圧分布を生成し、
    前記比較的高い接触圧を有する前記部分が前記比較的低い接触圧を有する前記部分に当接するように、前記ビードの第１シール面が前記第２ビードの第２シール面に当接する、
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項１０記載のシステムにおいて、
    前記第１縁部は略円弧状であり、前記第２縁部は略直線状である、
    ことを特徴とするシステム。
15. 請求項１０記載のシステムにおいて、
    前記ビード辺部は、蛇行経路に沿い、
    前記第１縁部距離が前記蛇行経路に沿って略一定となるように、前記第１縁部は前記蛇行経路に沿う、
    ことを特徴とするシステム。
16. 第１プレートと、
    第２プレートと、
    前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置される一体型電極構造体と、
    前記第１プレートと前記第２プレートと前記一体型電極構造体とに圧縮力を加える圧縮部材と、
    を備える燃料電池スタックであって、
    前記第１プレートは、
    複数の第１反応物通路が設けられる第１作動面と、
    前記第１作動面上に配置され、ビード辺部及びビード角部を有するビードと、
    前記第１プレートを貫通する第１開口部を設ける第１フランジ縁と、
    を備え、
    前記第１フランジ縁は、前記ビード辺部に近接する第１縁部と、前記ビード角部に近接する第２縁部と、を含み、
    前記第１縁部及び前記ビード辺部は、その間に第１縁部距離を規定し、
    前記第２縁部及び前記ビード角部は、その間に第２縁部距離を規定し、前記第２縁部距離は、前記第１縁部距離よりも大きく、
    前記第２プレートは、
    複数の第２反応物通路が設けられる第２作動面と、
    前記第２プレートを貫通する第２開口部を設ける第２フランジ縁と、
    を備え、
    前記第２開口部は、前記第１開口部と一列に並び、
    前記一体型電極構造体は、前記複数の第１反応物通路と接触する第１側面と、前記複数の第２反応物通路と接触する第２側面と、を含み、
    前記圧縮力は、前記ビードに接触圧を付与し、前記ビードと前記第２プレート又は前記一体型電極構造体との間に実質的に漏れのないシールを設ける、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
17. 請求項１６記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記ビードと前記第２プレートとの間に実質的に漏れのないシールを設ける、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
18. 請求項１６記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記ビード辺部は略直線状であり、前記ビード角部は略円弧状である、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
19. 請求項１６記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記第１縁部距離及び前記第２縁部距離は、前記ビードに沿って約５０％より低いばらつきを有する接触圧となるように設けられる、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。

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