JP2023519848A

JP2023519848A - 燃料電池

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Publication number: JP2023519848A
Application number: JP2022557927A
Authority: JP
Inventors: マルディト・マティアン; アレクサンドル・シャイーニョ
Original assignee: エーホー・グループ・エンジニアリング・アーゲー
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2023-05-15
Also published as: US20230134415A1; EP4128398A1; KR20220158742A; CN115066770A; CA3164105A1; AU2020437485A1; WO2021190757A1

Abstract

少なくとも１つの膜、少なくとも１つのアノード電極層、少なくとも１つのカソード電極層、少なくとも２つのガス拡散層、及び、少なくとも２つのフローフィールド構造を含む燃料電池（１）であって、前記少なくとも１つの膜（２）が、１つのアノード電極層（３）と１つのカソード電極層（４）との間に配置され、膜電極アセンブリを形成し、活性領域（Ａｉｊ）を規定し、１つのガス拡散層（５）が、各電極層（３；４）に隣接して配置され、１つのフローフィールド構造（６；７）が、各ガス拡散層（５）に隣接して配置され、各フローフィールド構造（６；７）が、少なくとも３つの燃料マニホールド（９０）、少なくとも３つの酸化剤マニホールド（９１）及び少なくとも３つの冷却剤マニホールド（９２）を含み、前記燃料電池（１）が、少なくとも２つの活性領域（Ａ１１；Ａ１２）を含み、少なくとも１つの燃料マニホールド（９０）、少なくとも１つの酸化剤マニホールド（９１）及び少なくとも１つの冷却剤マニホールド（９２）が、前記少なくとも２つの活性領域（Ａ１１、Ａ１２）の間に配置される、燃料電池（１）。

Description

本発明は、燃料電池、特に燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は、水素のエネルギーを電気に変換する電気化学デバイスであり、化石燃料に替わるクリーンなエネルギー源として近年非常に注目されている。開発中の燃料電池にはいくつかのタイプがあり、主に材料と動作温度に基づいて分類される。高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、その高い出力密度とコンパクト性から、モバイルや自動車だけでなく、定置用途にも最適な候補の１つである。

ＰＥＭＦＣの単一セルは、薄い電解質と、アノード側の触媒層及びカソード側の触媒層で構成されており、アセンブリは、いわゆる膜電極アセンブリ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ（ＭＥＡ））である。燃料（通常は水素）は、膜の一方の面を通過し、もう一方の面では酸化剤（通常は空気）を通過し、そこで電気化学反応が発生して副生成物として電気と水が生成される。現在の技術では、最大で２から３［Ａ／ｃｍ^２］の電流密度及び４から５［Ｗ／ｍ^３］の体積電力密度を達成することができる。これらの値を高め、燃料電池の性能を向上させるためには、寸法のコンパクト化に取り組む必要がある。燃料電池スタックの動作で重要な役割を果たす主なパラメータは、燃料電池スタック全体の圧力低下、酸素利用（酸素の枯渇）、相変化及び水の管理、並びに膜の脱水である。これらのパラメータの影響は、スタックが動的及び負荷変調条件下で動作する場合、より些細なものになる。例えば、そのような燃料電池は、国際公開第２０１９／２０７８１１号、米国特許出願公開第２０１９／０２２１８６８号明細書及び米国特許出願公開第２０１９／０２１４６５４号明細書から知られている。

本発明において、解決すべき課題は、電流及び体積電力密度の増加である。本発明では、６から７［ｋＷ／Ｌ］以上の値が可能である。さらに、本発明による燃料電池の製造方法は単純化され、大幅に改善される。

この問題は、請求項１の特徴を有する燃料電池によって解決される。燃料電池のさらなる実施形態は、さらなる請求項の特徴によって規定される。

本発明による燃料電池は、少なくとも１つの膜、少なくとも１つのアノード電極層、少なくとも１つのカソード電極層、少なくとも２つのガス拡散層、及び、少なくとも２つのフローフィールド構造を含む。少なくとも１つの膜は、１つのアノード電極層と１つのカソード電極層との間に配置され、膜電極アセンブリを形成し、活性領域を規定する。１つのガス拡散層が各電極層に隣接して配置され、１つのフローフィールド構造が各ガス拡散層に隣接して配置される。各フローフィールド構造は、少なくとも３つの燃料マニホールド、少なくとも３つの酸化剤マニホールド、及び、少なくとも３つの冷却剤マニホールドを含む。燃料電池は少なくとも２つの活性領域を含み、少なくとも１つの燃料マニホールド、少なくとも１つの酸化剤マニホールド、及び、少なくとも１つの冷却剤マニホールドは、少なくとも２つの活性領域の間に配置される。

このような設計により、媒体の供給は、他のセクションから独立した「セグメント」と呼ばれる活性領域の小さなセクションに出入りする多数のブランチに分割される。言い換えれば、単一セルの活性領域は、セル上の特定の場所で流体が出入りするいくつかの小さな活性領域に分割されている。流体は、加湿されているかどうかに関係なく、空気、水素などの気体（一般に気体）、又は、液体（脱イオン水、不凍液など）の場合がある。

燃料電池理論を参照すると、水素燃料電池の「可逆開回路電圧」は「ネルンスト」式によって規定され、この式では、セルの電圧は、酸素分圧と直接相関している。これは、セル内の酸素の利用及び減少がセル電圧の低下につながることを意味する。ガス流路では、入口から出口に向かって酸素を消費することにより、セルの電圧が低下し、平均セル電圧を低下させる。しかしながら、現在のアプローチは、セグメント化された活性領域間に新しい流体を導入することにより、この問題を克服するのに役立つ。そのため、各エントリーポイントでセルの電圧が増加し、従って、平均セル電圧が増加する。

本発明の別の利点は、セルの活性領域のセグメント化により、ガス流路が短くなり、従って各セグメントにわたる圧力降下が従来のアプローチと比較して大幅に減少することである。従って、本発明による燃料電池では、圧縮機の代わりに送風機を使用してスタックを運転することが可能である。すなわち、寄生負荷の少ない燃料電池システムを提供することができる。

セルのセグメント化のもう１つの利点は、セルの熱管理が容易になることであり、これは、セグメントが小さいため、温度変化がより均一になり、活性領域内で再現されるためである。これにより、性能に影響を与えることなく、セルの外形寸法をより柔軟に決定することができる。

このコンセプトは、最先端の設計と比較することで、より詳細に説明することができる。活性領域が３００［ｃｍ^２］（一般的なサイズ）、縦３０［ｃｍ］、横１０［ｃｍ］、ガス流路長３０［ｃｍ］である自動車用スタックを考える。公称動作条件では、約２０～５０［ＫＰａ］の圧力降下と、５～８℃の温度変化が流路の入口と出口との間、つまりセルの入口と出口との間で予想される。さらに、酸化剤及び燃料の利用と水の管理は、流路の形状及び長さに制限される。

セルをセグメント化することにより、ガス流路を５［ｃｍ］のような短い流路長でいくつかのセクションに分割することができ、その結果、圧力損失が小さくなり（線形関係、つまり５分の１）、入口と出口との間の温度差が小さくなり、つまり、より良い耐久性、容易な水の管理及び酸化剤の利用結果が得られる。さらに、セルは、性能に影響を与えることなく、３０×１０［ｃｍ^２］又は２０×１５［ｃｍ^２］などの様々な寸法、又は、その他の構成を有することができる。

一実施形態では、３つのマニホールドのそれぞれの少なくとも１つは入口マニホールドであり、それらのうちの少なくとも２つは出口マニホールドである。あるいは、３つのマニホールドのうち少なくとも２つは入口マニホールドであり、それらのうちの少なくとも１つが出口マニホールドである。

一実施形態では、出口マニホールドの数は、入口マニホールドの数の２倍である。あるいは、入口マニホールドの数は、出口マニホールドの数の２倍である。

一実施形態では、全てのマニホールドの断面サイズは、同一である。あるいは、マニホールドのうちの少なくとも１つの断面サイズは、他のマニホールドのサイズとは異なる。

一実施形態では、全てのマニホールドの断面形状は、同一である。あるいは、マニホールドのうちの少なくとも１つの断面形状は、他のマニホールドの形状とは異なる。

一実施形態では、マニホールドの形状は、角のある、長方形、正方形、楕円形及び円形を含む群の１つである。しかしながら、任意の形状が可能である。

一実施形態では、３つのマニホールドのそれぞれについて、全ての入口マニホールドの総断面積は、全ての出口マニホールドの総断面積に等しい。

一実施形態では、３つのマニホールドのそれぞれについて、全ての入口マニホールドの総断面積は、全ての出口マニホールドの総断面積よりも大きい。あるいは、３つのマニホールドのそれぞれについて、全ての入口マニホールドの総断面積は、全ての出口マニホールドの総断面積よりも小さい。

一実施形態では、燃料マニホールドの総断面積は、酸化剤マニホールドの総断面積及び／又は冷却剤マニホールドの総断面積に等しい。

一実施形態では、燃料マニホールドの総断面積は、酸化剤マニホールドの総断面積及び／又は冷却剤マニホールドの総断面積よりも大きい。あるいは、燃料マニホールドの総断面積は、酸化剤マニホールドの総断面積及び／又は冷却剤マニホールドの総断面積よりも小さい。

一実施形態では、燃料電池は、それ自体が少なくとも第１の方向に繰り返されるマニホールドのパターンを含む。あるいは、パターンはそれ自体、第１の方向と、第１の方向に垂直な第２の方向に繰り返される。

一実施形態では、２つの繰り返しパターン間の距離は、パターン内の隣接する２つのマニホールド間の距離と同一である。あるいは、２つの繰り返しパターン間の距離は、パターン内の隣接する２つのマニホールド間の距離よりも大きい。

一実施形態では、燃料電池は、少なくとも２つのガスケットを含み、１つのガスケットは、各フローフィールド構造に隣接して配置され、各ガスケットは、フローフィールド構造と同じ数のマニホールドを同じ位置に含む。

一実施形態では、燃料電池は、少なくとも１つのサブガスケットを含み、サブガスケットは、膜の少なくとも両側の境界領域を覆う。あるいは、サブガスケットは、両側の膜及び電極層の少なくとも境界領域を覆う。

一実施形態では、サブガスケットは、膜と電極層の境界領域にわたって横方向に延在する。

一実施形態では、燃料電池は、互いに整列し、スタックを形成している、いくつかの膜電極アセンブリ、いくつかのガス拡散層及びいくつかのフローフィールド構造を備える。

一実施形態では、燃料電池は、２つの集電板及び２つのバッキングプレートを備え、１つの集電板は、各フローフィールド構造に隣接して配置され、１つのバッキングプレートは、各集電板に隣接して配置される。

一実施形態では、クランプ要素は、２つのバッキングプレートを支持している。

前述の燃料電池の実施形態の特徴は、互いに矛盾しない限り、任意の組み合わせで使用することができる。

本発明の実施形態は、図面を参照して以下により詳細に説明される。これらは、説明のみを目的としており、限定するものではない。

従来技術による燃料電池を示す図である。図１の燃料電池の挙動を示す図である。線Ｘ－Ｘに沿った図１の燃料電池の断面図である。本発明による燃料電池の第１の実施形態の概略上面図である。図４の燃料電池の挙動を示す図である。線Ｙ－Ｙに沿った図４の燃料電池の断面図である。本発明による燃料電池の第２の実施形態の概略上面図である。本発明による燃料電池の第３の実施形態の概略上面図である。本発明による燃料電池の第４の実施形態の部分概略上面図である。本発明による燃料電池の第５の実施形態の部分概略上面図である。本発明による燃料電池の第６の実施形態の部分概略上面図である。サブガスケットの第１の実施形態の概略断面図である。サブガスケットの第２の実施形態の概略断面図である。

図１は、１つの活性領域Ａ及びガス入口／出口マニホールド９０、９１、９２を有する従来の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を有する先行技術による燃料電池１を示す。セルの活性領域Ａは、その中央に位置し、ガス入口／出口マニホールド９０、９１、９２がその外縁の周りにある。活性領域Ａと入口マニホールド９０、９１、９２との間にガスを均一に分配するための分配流路６１があり、活性領域Ａと出口マニホールド９０、９１、９２との間にガスを収集するための収集流路があり、それらは、主にバイポーラプレートに統合される。示されているＭＥＡとバイポーラプレートは、長方形の形状を有している。活性領域Ａは、セルの入口側から出口側まで延びるフローフィールド流路６２を含む。

図２は、図１の燃料電池の動作を示す図である。燃料電池の性能に影響を与える重要なパラメータは、圧力降下、湿度、温度及び燃料／酸化剤の利用である。空気は、通常、酸素２１％と窒素７９％で構成されており、セルに入る前に加湿される。この図では、Ｙ軸は、酸素の分圧の百分率を表し、Ｘ軸は、ガス流路の長さを表し、Ｘ（Ｏ_２）は入口で２１％、Ｘ（Ｏ_２）は出口で約１５％である。出口でのＸ（Ｏ_２）は、セルの性能、セルから引き出される電流、及び、セルに入る空気の化学量論に基づいて変化する。例えば、高電流密度（＋２．０［Ａ／ｃｍ^２］）では酸素の枯渇が増加し、化学量論比が低いと、セルの性能は流路の端に向かって低下する。第２の曲線は、流路全体の圧力低下及び温度上昇を表す。流路が長く又は狭くなるほど、圧力損失が大きくなる。従って、システムレベルでの圧縮機又は送風機の寄生負荷が増加する。公称動作条件では、約２０～５０［ＫＰａ］の圧力降下と、流路の入口と出口との間で、従ってセルの温度が５～８℃の間で上昇すると予想される。モバイル用途では、幅１０［ｃｍ］及び流路長３０［ｃｍ］の３００［ｃｍ^２］が活性領域の一般的なサイズである。プレス技術による流路の断面寸法は、０．２～０．３［ｃｍ］程度が限界である。セルの全体的な性能は、大きい圧力降下、高いガス速度、水の管理、及び、酸化剤／燃料の利用により低下する。

図３は、線Ｘ－Ｘに沿った図１の燃料電池の断面を示す。燃料電池１は、アノード電極層３とカソード電極層４との間に挟まれた膜２を備える。ガス拡散層５は、電極層３、４の各々に隣接して配置される。フローフィールド構造６、７は、ガス拡散層５のそれぞれに隣接して配置される。各フローフィールド構造６、７は、接続流路６１、７１、フローフィールド流路６２、７２、冷却流路６３、７３、及び、マニホールド９０、９１を備える。ガスケット８は、燃料電池を横方向にシールするためにフローフィールド構造６、７の間に配置される。マニホールド９０、９１は、フローフィールド構造６、７及びガスケット８を通って延びる。

図４は、本発明による燃料電池１の第１の実施形態の概略上面図を示す。これは、２つのセグメントを含み、それぞれが、活性領域Ａ１１、Ａ１２を備えている。マニホールド９０、９１、９２は、セルの側面上で、隣接する２つの活性領域Ａ１１、Ａ１２の間に配置される。燃料は、２つの活性領域Ａ１１、Ａ１２の間の燃料マニホールド９０から、２つの活性領域のそれぞれを通って、２つの活性領域の両側の燃料マニホールド９０に流れる。酸化剤は、２つの活性領域の間の１つの酸化剤マニホールド９１から、２つの活性領域の両側にある２つの酸化剤マニホールド９１に流れる。冷却剤は、２つの横方向冷却剤マニホールド９２から中間冷却剤マニホールド９２に流れる。図示の実施形態では、全ての冷却剤マニホールド９２は、互いに整列され、中央燃料マニホールド９０は、２つの横方向酸化剤マニホールド９１と整列し、中央酸化剤マニホールド９１は、２つの横方向燃料マニホールド９０と整列している。別の実施形態では、同じ種類のマニホールドの全てを互いに整列させることができるか、又はまったく整列させることができない。

図５は、図４の燃料電池の挙動、すなわち酸化剤／燃料利用に対する本発明による燃料電池の設計の効果の図を示す。二重線の曲線は、従来の燃料電池の単一の直線ガス流路内のカソード入口／出口及び酸素利用を表す。実線は、本発明による燃料電池のガス流路内のカソード入口／出口及び酸素利用を表す。主なガスの入口と出口とは別に、入口と出口の追加ポイントが１つあり、これにより、圧力損失が減少し、酸素濃度が増加し、従って燃料電池の性能が向上する。さらに、温度変化が減少し、ガス分布が強化される。この例では、新しいガスが２つの活性領域間に供給される。従来の燃料電池と比較して、活性領域の長さは、半分に分割される。従来の長さ３０［ｃｍ］では、示された長さは、約１５［ｃｍ］に相当する。セグメントの数と長さは、幾何学形状、寸法及びその他の要件によって異なる。例えば、入口と出口が１つずつある長さ３０［ｃｍ］のガス流路は、それぞれ５［ｃｍ］などのいくつかの小さな流路に分割することができる。

図６は、線Ｙ－Ｙに沿った図４の燃料電池の断面を示す。燃料電池１は、図３のものと本質的に同じ設計を有する。さらに、スペーサー６０、７０は、膜２と対応するフローフィールド構造６、７との間のセルの中央に配置される。この断面において、酸化剤マニホールド９１は、膜２、スペーサー６、７及びフローフィールド構造６、７を通って延在する。同様に、燃料マニホールド及び冷却マニホールドは、これらの構成要素を通って延びる。

図７は、本発明による燃料電池の第２の実施形態の概略上面図を示す。セルは、いくつかのセグメントに分割される。セグメントの識別は、次のように行われる：Ｓ（ｉｊ）は、参照に使用され、ここで、（ｉ）は、各セグメントの（Ｘ）方向の水平位置を表し、（ｊ）は、（Ｙ）方向の垂直位置を表す。例えば、Ｓ（１２）は、最初の行の２番目のセグメントになる。セル内のセグメントのサイズ及び数は、図に示されているもの（つまり、１２セグメント）に限定されない。水平方向及び垂直方向のセグメント数は、他のセグメントの動作及び性能に影響を与えることなく、互いに独立して変更することができる。これにより、セルの形状を正方形から長方形、又は水平と垂直の辺の比率が非常に大きい実質的な長方形に簡単に変更することができる。Ｙ方向のセグメント数に対するＸ方向のセグメント数の比率は、０．００１から１０００の間、より正確には０．１から１０の間で変化し得る。各セグメントＳ（ｉｊ）は、対応する活性領域Ａ（ｉｊ）を含む。セルの異なる領域における混合フロー構成を有する図示の実施形態は、説明のためのものである。セル全体にわたって一貫した性能を維持するために、全てのセグメントでフロー構成を類似又は同一に保つことが好ましい。セグメントＳ（１１）からＳ（４１）は、向流構成を有し、すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、反対方向に流れる。酸化剤、この場合、空気は、２つの別個の酸化剤マニホールド９１からこれらのセグメントに入り、２つの別個の酸化剤マニホールド９１を通ってこれらのセグメントを出る。燃料、この場合、水素は、１つの単一燃料マニホールド９０からこれらのセグメントに入り、２つの別個の燃料マニホールド９０を通って出る。同様に、冷却剤は、１つの単一の冷却剤マニホールド９２からこれらのセグメントに入り、２つの別個の冷却剤マニホールド９２を通って出る。図示の実施形態では、セグメントＳ（１３）からＳ（４３）は、並流構成、すなわち燃料ガスと酸化剤ガスが同じ方向に流れる構成を有する。２つの隣接するセグメント間のマニホールド９０、９１、９２は、これらのセグメントの両方にガスを供給する。

図８は、本発明による燃料電池の第３の実施形態の概略上面図を示す。これは、セグメントの２つの列の間の空間を含む。ガスマニホールド又は集電体の通路など、そのような空間を設ける理由は様々である。生産の観点から、中間の空間は、サブガスケット、特殊樹脂、又は、そのままにしておくことができる触媒被覆膜（ＣＣＭ）で作ることができる。

図９は、本発明による燃料電池の第４の実施形態の部分概略上面図を示す。マニホールド９０、９１、９２は、ガスを特定の方向に導き、シーラントを使用してセルの縁でガス流を制限する。しかしながら、各ＣＣＭは、バイポーラプレート構造又は特殊な樹脂でできているか、サブガスケットに組み込まれている追加のブロック流路を使用して、いくつかの小さなセクションに分割することができる。

図１０は、本発明による燃料電池の第５の実施形態の部分概略上面図を示す。ガスマニホールド９０、９１、９２は、円形、楕円形、正方形又は長方形などの任意の形状を有することができ、図１０に示すような長方形のマニホールドの場合、比Ｍ／Ｎ（マニホールドの長さ／マニホールドの幅）は、０．０１から１０の間で変化するが、制限はない。さらに、ガスマニホールドの幅は、必ずしも同じではなく、デザインに基づいて調整することができる。しかしながら、全てのセグメントで一定のパターンを維持することを勧める。もう１つの可能な選択肢は、入口用のマニホールドを大きくし、出口用のマニホールドを小さくすること、又は、その逆である。この場合、それぞれの入口マニホールド９０、９１、９２が２つの隣接するセグメントの間にあり、出口が入口よりも小さい、又は、その逆であると仮定される。マニホールドの寸法は、セルのサイズ及びセルを分割するセグメントの数に依存し、当業者は、予想に基づいてマニホールドの寸法を適切に決定するために必要な計算及び設計を行うことができる。

図１１は、本発明による燃料電池の第６の実施形態の部分概略上面図を示す。この実施形態では、燃料マニホールド９０及び冷却剤マニホールド９２は、各セグメントの側面に向かって移動し、セル全体にわたって繰り返される。図示の設計は、クロスフロー構成であり、すなわち、燃料の流れ方向は、酸化剤の流れ方向に対して本質的に垂直である。フローフィールド流路のそれぞれの設計により、クロスフロー構成を並流構成又は向流構成に変換することができる。カソードの入口及び出口のマニホールドは、各セグメントの上部と下部がより長方形になるように拡張される。以前の構成と同様に、入口又は出口マニホールドは、セグメント間で共有することも、共有しないこともできる。さらに、１つのストリームのみからのマニホールドを横に移動することができる。例えば、冷却マニホールドを各セグメントの左側と右側に配置し、カソード及び燃料用のマニホールドを各セグメントの上部と下部に並べて配置することができる。活性領域の寸法、従ってＣＣＭの寸法も、どの実施形態についても限定されない。活性領域は、好ましくは、正方形、長方形又は任意の他の形状を有することができるが、推奨されるのは、正方形又は長方形である。長方形のレイアウトの場合、比ＣＬ／ＣＷ（ＣＣＭの長さ／ＣＣＭの幅）は、０．０１から１００の間で変化するが、制限はない。

図１２Ａは、サブガスケットの第１の実施形態の概略断面図を示し、図１２Ｂは、サブガスケットの第２の実施形態の概略断面図を示す。ＰＥＭ燃料電池用の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を製造するための標準的な技術がいくつかあるが、ここでは説明しない。しかしながら、現在の技術革新に基づくセルの生産では、任意の設計を実装することができる。触媒被覆膜（ＣＣＭ）、ガス拡散層（ＧＤＬ）、及びＣＣＭの周囲のフレーム／サブガスケットに使用される厚さと材料に制限はない。例えば、サブガスケットは、ＰＴＦＥ、ＰＥＴ、ＰＥＮ又は樹脂などの様々な熱可塑性物質で作ることができ、両側にシーリング材料を含むこともできる。図１２Ａの実施形態では、膜はさらに伸ばされ、触媒ではなく膜とサブガスケットとの間でのみ重なりがある。図１２Ｂのサブガスケットの実施形態は、フレーム／サブガスケットとＣＣＭとの間の重なりを示し、これは、膜及び触媒層がサブガスケットによって挟まれていることを意味する。サブガスケットは、積層、接着、融合などの様々な方法を使用して膜又はＣＣＭに取り付けることができるが、これらに限定されない。これらは、デモンストレーション用であり、他の構成又はアプローチを使用することができる。別の可能性は、ＣＣＭ又は膜に直接シーリングを施すことである。

１燃料電池
２膜
３アノード電極層
４カソード電極層
５ガス拡散層
６第１のフローフィールド構造
６０スペーサー
６１接続流路
６２フローフィールド流路
６３冷却流路
７第２のフローフィールド構造
７０スペーサー
７１接続流路
７２フローフィールド流路
７３冷却流路
８ガスケット
８０サブガスケット
８１サブガスケット
９０燃料マニホールド
９１酸化剤マニホールド
９２冷却剤マニホールド
Ａ（ｉｊ）活性領域
Ｓ（ｉｊ）セグメント

Claims

少なくとも１つの膜（２）、少なくとも１つのアノード電極層（３）、少なくとも１つのカソード電極層（４）、少なくとも２つのガス拡散層（５）、及び、少なくとも２つのフローフィールド構造（６；７）を備える燃料電池（１）であって、前記少なくとも１つの膜（２）が、１つのアノード電極層（３）と１つのカソード電極層（４）との間に配置され、膜電極アセンブリを形成し、活性領域（Ａｉｊ）を画定し、１つのガス拡散層（５）が、各電極層（３；４）に隣接して配置され、１つのフローフィールド構造（６；７）が、各ガス拡散層（５）に隣接して配置され、各フローフィールド構造（６；７）が、少なくとも３つの燃料マニホールド（９０）、少なくとも３つの酸化剤マニホールド（９１）及び少なくとも３つの冷却剤マニホールド（９２）を含み、前記燃料電池（１）が、少なくとも２つの活性領域（Ａ１１；Ａ１２）を含み、少なくとも１つの燃料マニホールド（９０）、少なくとも１つの酸化剤マニホールド（９１）及び少なくとも１つの冷却剤マニホールド（９２）が、前記少なくとも２つの活性領域（Ａ１１、Ａ１２）の間に配置されることを特徴とする、燃料電池（１）。
前記３つのマニホールド（９０；９１；９２）のそれぞれの少なくとも１つが入口マニホールドであり、少なくとも２つが出口マニホールドであり、又は、前記３つのマニホールド（９０；９１；９２）のうちの少なくとも２つが入口マニホールドであり、少なくとも１つが出口マニホールドである、請求項１に記載の燃料電池（１）。
前記出口マニホールドの数が前記入口マニホールドの数の２倍であり、又は、前記入口マニホールドの数が前記出口マニホールドの数の２倍である、請求項２に記載の燃料電池（１）。
全てのマニホールド（９０；９１；９２）の断面サイズが同一であり、又は、前記マニホールド（９０；９１；９２）のうちの少なくとも１つの断面サイズが他のマニホールドのサイズと異なる、請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
全てのマニホールド（９０；９１；９２）の断面形状が同一であり、又は、前記マニホールドのうちの少なくとも１つの断面形状が他のマニホールドの形状と異なる、請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
前記マニホールド（９０；９１；９２）の形状が、角のある、長方形、正方形、楕円形及び円形を含む群の１つである、請求項５に記載の燃料電池（１）。
前記３つのマニホールド（９０；９１；９２）のそれぞれについて、全ての入口マニホールドの総断面積が、全ての出口マニホールドの総断面積に等しい、請求項２から６の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
前記３つのマニホールド（９０；９１；９２）のそれぞれについて、全ての入口マニホールドの総断面積が、全ての出口マニホールドの総断面積よりも大きい、又は、前記３つのマニホールド（９０；９１；９２）のそれぞれについて、全ての入口マニホールドの総断面積が、全ての出口マニホールドの総断面積よりも小さい、請求項２から６の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
前記燃料マニホールド（９０）の総断面積が、前記酸化剤マニホールド（９１）の総断面積及び／又は前記冷却剤マニホールド（９２）の総断面積に等しい、請求項２から８の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
前記燃料マニホールド（９０）の総断面積が、前記酸化剤マニホールド（９１）の総断面積及び／又は前記冷却剤マニホールド（９２）の総断面積より大きい、又は、前記燃料マニホールド（９０）の総断面積が、前記酸化剤マニホールド（９１）の総断面積及び／又は前記冷却剤マニホールド（９２）の総断面積よりも小さい、請求項２から８の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
それ自体が少なくとも第１の方向（Ｘ）に反復する、又は、前記第１の方向（Ｘ）、及び、前記第１の方向（Ｘ）に垂直な第２の方向（Ｙ）に反復するマニホールド（９０；９１；９２）のパターンを含む、請求項１から１０の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
２つの繰り返しパターン間の距離が、前記パターン内の隣接する２つのマニホールド（９０；９１、９２）間の距離と同一であり、又は、２つの繰り返しパターン間の距離が、前記パターン内の隣接する２つのマニホールド（９０；９１；９２）間の距離より大きい、請求項１に記載の燃料電池（１）。
少なくとも２つのガスケット（８）を含み、１つのガスケット（８）が、各フローフィールド構造（６；７）に隣接して配置され、各ガスケット（８）が、同じ位置にあるフローフィールド構造（６；７）と同じ数のマニホールド（９０；９１；９２）を含む、請求項１から１２の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
少なくとも１つのサブガスケット（８０；８１）を含み、前記サブガスケット（８０；８１）が、両側で前記膜（２）の少なくとも境界領域を覆い、又は、前記サブガスケット（８０；８１）が、両側で前記膜（２）及び前記電極層（３；４）の領域における少なくとも境界領域を覆う、請求項１から１３の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
前記サブガスケット（８１）が、前記膜（２）と前記電極層（３；４）との境界領域にわたって横方向に延在する、請求項１４に記載の燃料電池（１）。
互いに整列し、スタックを形成する、いくつかの膜電極アセンブリ、いくつかのガス拡散層（５）及びいくつかのフローフィールド構造（６；７）を含む、請求項１から１５の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
２つの集電板及び２つのバッキングプレートを備え、１つの集電板が、各フローフィールド構造（６；７）に隣接して配置され、１つのバッキングプレートが、各集電板に隣接して配置される、請求項１から１６の何れか一項に記載の燃料電池（１）。
前記２つのバッキングプレートを支持するクランプ要素を備える、請求項１７に記載の燃料電池（１）。