JP3110760B2 - 一体式の反応体流路を有する軽量な燃料電池膜電極アセンブリー - Google Patents
一体式の反応体流路を有する軽量な燃料電池膜電極アセンブリーInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、固体ポリマーのイオン交換膜を使用する電
気化学的燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、
反応体の流路が電極材料に一体式である電気化学的燃料
電池の膜電極アセンブリーに関する。本発明は、適切な
出力特性を有し、軽量で体積の小さい燃料電池の構造を
可能にする。
気化学的燃料電池に関する。より詳しくは、本発明は、
反応体の流路が電極材料に一体式である電気化学的燃料
電池の膜電極アセンブリーに関する。本発明は、適切な
出力特性を有し、軽量で体積の小さい燃料電池の構造を
可能にする。
発明の背景 電気化学的燃料電池は、燃料電池の中での燃料の酸化
により、燃料から直接電気エネルギーに化学的エネルギ
ーを転化させることによって電気エネルギーを発生す
る。典型的な燃料電池は、陽極、陰極、電解質を含む。
燃料と酸化剤は陽極と陰極にそれぞれ供給される。陽極
において、燃料は電極材料に浸透し、触媒層において反
応してカチオンを生成し、カチオンは電解質を通って陰
極まで移動する。陰極において、酸素含有ガス供給は触
媒層にて反応し、アニオンを生成する。陰極で生成した
アニオンはカチオンと反応し、反応生成物を生成する。
燃料電池は有用な電流を発生し、反応生成物は燃料電池
から排出される。
により、燃料から直接電気エネルギーに化学的エネルギ
ーを転化させることによって電気エネルギーを発生す
る。典型的な燃料電池は、陽極、陰極、電解質を含む。
燃料と酸化剤は陽極と陰極にそれぞれ供給される。陽極
において、燃料は電極材料に浸透し、触媒層において反
応してカチオンを生成し、カチオンは電解質を通って陰
極まで移動する。陰極において、酸素含有ガス供給は触
媒層にて反応し、アニオンを生成する。陰極で生成した
アニオンはカチオンと反応し、反応生成物を生成する。
燃料電池は有用な電流を発生し、反応生成物は燃料電池
から排出される。
燃料として水素を、酸化剤として酸素を含む空気（又
は実質的に純粋な酸素）を使用する電気化学的燃料電池
において、陽極における触媒された反応は、燃料の供給
から水素カチオンを生成する。イオン交換膜は、水素イ
オン（プロトン）の陽極から陰極までの移動を容易にす
る。水素カチオンの伝導に加え、イオン交換膜は、一般
に酸素含有空気である酸化剤の流れから水素燃料の流れ
を隔てる。陰極において、酸素は触媒層において反応
し、アニオンを生成する。陰極で生成したアニオンは、
膜を横切った水素イオンと反応し、反応生成物として液
体水を生成する。
は実質的に純粋な酸素）を使用する電気化学的燃料電池
において、陽極における触媒された反応は、燃料の供給
から水素カチオンを生成する。イオン交換膜は、水素イ
オン（プロトン）の陽極から陰極までの移動を容易にす
る。水素カチオンの伝導に加え、イオン交換膜は、一般
に酸素含有空気である酸化剤の流れから水素燃料の流れ
を隔てる。陰極において、酸素は触媒層において反応
し、アニオンを生成する。陰極で生成したアニオンは、
膜を横切った水素イオンと反応し、反応生成物として液
体水を生成する。
このような燃料電池の中での陽極と陰極の反応は、次
の式（１）と（２）の如くである。
の式（１）と（２）の如くである。
陽極反応 H2 −−→ 2H+＋2e- （１） 陰極反応 1/2O2＋2H+＋2e-−→ H2O （２） 固体ポリマー燃料電池は、一般に、多孔質の導電性シ
ート材料で形成された２つの電極の間に配置した固体ポ
リマー電解質又はイオン交換膜からなる膜電極アセンブ
リーを含む。電極は典型的に炭素繊維ペーパーで形成さ
れ、通常はポリテトラフルオロエチレンのような疎水性
ポリマーを含浸又は被覆する。膜電極アセンブリーは、
所望の電気化学的反応を起こさせるように各々の膜／電
極の界面に触媒層を含む。微細に分割された白金触媒が
典型的に使用される。
ート材料で形成された２つの電極の間に配置した固体ポ
リマー電解質又はイオン交換膜からなる膜電極アセンブ
リーを含む。電極は典型的に炭素繊維ペーパーで形成さ
れ、通常はポリテトラフルオロエチレンのような疎水性
ポリマーを含浸又は被覆する。膜電極アセンブリーは、
所望の電気化学的反応を起こさせるように各々の膜／電
極の界面に触媒層を含む。微細に分割された白金触媒が
典型的に使用される。
通常の燃料電池においては、膜電極アセンブリーに向
いた表面に、少なくとも１つの流路、又は彫り加工した
又はフライス加工した又は注型した溝を有する各々の２
つの硬質の導電性セパレータープレートの間に膜電極ア
センブリーが配置される。これらのセパレータプレート
は、場合により流路プレート（flow field plate）と称
されることがあり、典型的にグラファイトで作成され
る。セパレータープレートの流路は、燃料と酸化剤をそ
れぞれの電極、即ち燃料側の陽極と酸化剤側の陰極に導
く。セパレータープレートは電気的に直列に接続され、
電極間に電子を伝導する経路を提供する。
いた表面に、少なくとも１つの流路、又は彫り加工した
又はフライス加工した又は注型した溝を有する各々の２
つの硬質の導電性セパレータープレートの間に膜電極ア
センブリーが配置される。これらのセパレータプレート
は、場合により流路プレート（flow field plate）と称
されることがあり、典型的にグラファイトで作成され
る。セパレータープレートの流路は、燃料と酸化剤をそ
れぞれの電極、即ち燃料側の陽極と酸化剤側の陰極に導
く。セパレータープレートは電気的に直列に接続され、
電極間に電子を伝導する経路を提供する。
従来の単一セルの配置において、セパレータープレー
トは各々の燃料電池の陽極側と陰極側の両方に配置され
る。セパレータープレートはそれぞれの電極と密接し、
陽極で生じた電子を電気化学的反応を完結させるために
陰極に運ぶ導電路を提供する。このように、セパレータ
ープレートは次のようないくつかの役割を果たす：
（１）集電装置として作用する、（２）電極の機械的支
持を提供する、（３）それぞれの陽極と陰極の表面に燃
料と酸化剤が接近するチャンネルを提供する、（４）燃
料電池の運転の間に発生した水の除去のためのチャンネ
ルを提供する。
トは各々の燃料電池の陽極側と陰極側の両方に配置され
る。セパレータープレートはそれぞれの電極と密接し、
陽極で生じた電子を電気化学的反応を完結させるために
陰極に運ぶ導電路を提供する。このように、セパレータ
ープレートは次のようないくつかの役割を果たす：
（１）集電装置として作用する、（２）電極の機械的支
持を提供する、（３）それぞれの陽極と陰極の表面に燃
料と酸化剤が接近するチャンネルを提供する、（４）燃
料電池の運転の間に発生した水の除去のためのチャンネ
ルを提供する。
２以上の独立した燃料電池を直列又は並列に接続し、
アセンブリーの全体の出力を増加することができる。そ
のような配列において、燃料電池は一般に直列に接続
し、所与のセパレータープレートの１つの側は１つの燃
料電池の陽極に接続し、セパレータープレートの他の側
は隣接した燃料電池の陰極に接続する。このようなシリ
ーズで接続した多数の燃料電池の配列は燃料電池スタッ
クと称され、通常は引棒とエンドプレートによって一緒
に支持される。スタックは典型的に、燃料（実質的な純
粋水素、メタノールリホーメート、又は天然ガスリホー
メート）を、各々の燃料電池の陽極側のセパレータープ
レートの流路に導き、酸化剤（実質的な純粋酸素又は酸
素含有空気）を各々の燃料電池の陰極側のセパレーター
プレートの流路に導くための供給マニホールド又は入口
を含む。また、スタックは、一般に水である冷却流体を
スタックの中の内側チャンネルに導き、燃料電池の中の
水素と酸素の発熱反応によって発生した熱を吸収するた
めの供給マニホールド又は入口を含む。また、スタック
は一般に、連行水を同伴する未反応燃料を排出するため
の排出マニホールド又は出口、及び冷却水がスタックを
出ていくための出口マニホールドを含む。
アセンブリーの全体の出力を増加することができる。そ
のような配列において、燃料電池は一般に直列に接続
し、所与のセパレータープレートの１つの側は１つの燃
料電池の陽極に接続し、セパレータープレートの他の側
は隣接した燃料電池の陰極に接続する。このようなシリ
ーズで接続した多数の燃料電池の配列は燃料電池スタッ
クと称され、通常は引棒とエンドプレートによって一緒
に支持される。スタックは典型的に、燃料（実質的な純
粋水素、メタノールリホーメート、又は天然ガスリホー
メート）を、各々の燃料電池の陽極側のセパレータープ
レートの流路に導き、酸化剤（実質的な純粋酸素又は酸
素含有空気）を各々の燃料電池の陰極側のセパレーター
プレートの流路に導くための供給マニホールド又は入口
を含む。また、スタックは、一般に水である冷却流体を
スタックの中の内側チャンネルに導き、燃料電池の中の
水素と酸素の発熱反応によって発生した熱を吸収するた
めの供給マニホールド又は入口を含む。また、スタック
は一般に、連行水を同伴する未反応燃料を排出するため
の排出マニホールド又は出口、及び冷却水がスタックを
出ていくための出口マニホールドを含む。
パーフルオロスルホンイオン交換膜（例、デュポン社
が商標ナフィオン（Nafion）として販売）が、電気化学
的燃料電池の使用に有用であることが見いだされてい
る。ナフィオン膜は、イオン輸送が生じるために水分子
で水和される必要がある。このような水和は、流れを燃
料電池に導入する前に燃料と酸化剤の流れを給湿するこ
とにより典型的に生じる。
が商標ナフィオン（Nafion）として販売）が、電気化学
的燃料電池の使用に有用であることが見いだされてい
る。ナフィオン膜は、イオン輸送が生じるために水分子
で水和される必要がある。このような水和は、流れを燃
料電池に導入する前に燃料と酸化剤の流れを給湿するこ
とにより典型的に生じる。
ダウ社が商品名XUS 13204.10として販売の新しいタイ
プの実験室的パーフルオロスルホンイオン交換膜が、電
気化学的燃料電池への使用に有用であることが見いださ
れている。ナフィオン膜と同様に、ダウ社の実験室的膜
も、水素イオン輸送を行うために若干の水和が必要なよ
うに思われる。
プの実験室的パーフルオロスルホンイオン交換膜が、電
気化学的燃料電池への使用に有用であることが見いださ
れている。ナフィオン膜と同様に、ダウ社の実験室的膜
も、水素イオン輸送を行うために若干の水和が必要なよ
うに思われる。
燃料として水素、酸化剤として酸素を使用する燃料電
池において、燃料は、実質的に純粋な水素の形態で、又
は例えばメタノールと水の改質や天然ガスの改質の生成
物のような水素含有リホーメートの形態で供給すること
ができる。同様に、酸化剤は、実質的に純粋な酸素又は
酸素含有空気の形態で供給することができる。燃料電池
は典型的に一定圧力の燃料と酸化剤が流入する。圧力は
一般に燃料と酸化剤の反応体の流れの供給源で圧力調節
器によって制御される。電極をブリッジする回路に電気
負荷が配置されると、負荷によって抜き取られる電流に
比例して燃料と酸化剤が消費される。
池において、燃料は、実質的に純粋な水素の形態で、又
は例えばメタノールと水の改質や天然ガスの改質の生成
物のような水素含有リホーメートの形態で供給すること
ができる。同様に、酸化剤は、実質的に純粋な酸素又は
酸素含有空気の形態で供給することができる。燃料電池
は典型的に一定圧力の燃料と酸化剤が流入する。圧力は
一般に燃料と酸化剤の反応体の流れの供給源で圧力調節
器によって制御される。電極をブリッジする回路に電気
負荷が配置されると、負荷によって抜き取られる電流に
比例して燃料と酸化剤が消費される。
前記のように、燃料電池スタックは、一般に水である
冷却流体をスタックの中の内部チャンネルに導くための
供給マニホールド又は入口を通常含み、燃料電池の中で
水素と酸素発熱反応によって発生した熱を吸収する。従
来の設計において、内部冷却チャンネルは、２つのセパ
レータープレートの表面を利用し、１方はその表面を彫
り加工した又はフライス加工した又は注型した溝を含
み、他方は平面である組み合わせの表面によって形成さ
れる。冷却チャンネルはスタックにそって周期的な間隔
で配置される。本発明において、その表面に冷媒の溝を
形成するには薄過ぎる。このため、本発明の燃料電池ス
タックは、その中に作成した溝を有する別な冷却ジャケ
ット又は層を使用し、隣接したセパレータープレートの
平面と協同して冷却チャンネルを提供する。或いは、膜
電極アセンブリーそのものを冷却チャンネル又は細管を
備えて作成することができ、例えば、アセンブリーを通
して冷媒を運ぶ電極シート材料の中を管が走り、それに
よって分離した冷却ジャケットの必要を無くす。また、
冷却は、セパレータープレートから突起したフィンのよ
うな熱交換面の上を空気のような冷却流体を通過させる
ことによって達成することができる。
冷却流体をスタックの中の内部チャンネルに導くための
供給マニホールド又は入口を通常含み、燃料電池の中で
水素と酸素発熱反応によって発生した熱を吸収する。従
来の設計において、内部冷却チャンネルは、２つのセパ
レータープレートの表面を利用し、１方はその表面を彫
り加工した又はフライス加工した又は注型した溝を含
み、他方は平面である組み合わせの表面によって形成さ
れる。冷却チャンネルはスタックにそって周期的な間隔
で配置される。本発明において、その表面に冷媒の溝を
形成するには薄過ぎる。このため、本発明の燃料電池ス
タックは、その中に作成した溝を有する別な冷却ジャケ
ット又は層を使用し、隣接したセパレータープレートの
平面と協同して冷却チャンネルを提供する。或いは、膜
電極アセンブリーそのものを冷却チャンネル又は細管を
備えて作成することができ、例えば、アセンブリーを通
して冷媒を運ぶ電極シート材料の中を管が走り、それに
よって分離した冷却ジャケットの必要を無くす。また、
冷却は、セパレータープレートから突起したフィンのよ
うな熱交換面の上を空気のような冷却流体を通過させる
ことによって達成することができる。
燃料電池スタックの「繰り返し単位」は、少なくとも
１つの膜電極アセンブリー、セパレータープレート、膜
電極アセンブリーに付帯した冷却ジャケット（複数でも
よい）を含むスタックの最小の繰り返し部分である。各
々の膜電極アセンブリーに１つの冷却ジャケットが存在
しないことがあるため（即ち、場合により１つの冷却ジ
ャケットが多数の膜電極アセンブリーを冷却する）、繰
り返し単位は１以上の膜電極アセンブリーを含むことが
ある。
１つの膜電極アセンブリー、セパレータープレート、膜
電極アセンブリーに付帯した冷却ジャケット（複数でも
よい）を含むスタックの最小の繰り返し部分である。各
々の膜電極アセンブリーに１つの冷却ジャケットが存在
しないことがあるため（即ち、場合により１つの冷却ジ
ャケットが多数の膜電極アセンブリーを冷却する）、繰
り返し単位は１以上の膜電極アセンブリーを含むことが
ある。
一般にグラファイトで作成した２つの硬質のセパレー
タープレートの間に挿入された膜電極アセンブリーを含
む従来の繰り返し単位は、いくつかの面で不利である。
第１に、セパレータープレートは、彫り加工した、フラ
イス加工した、又は注型した流路を収容するに充分厚く
なければならない。セパレータープレートの厚さは燃料
電池の重さと体積を大きくする。本発明における反応体
の流路は電極そのものの中にあるため、セパレータープ
レートが流路を収容する必要がなく、セパレータープレ
ートは通常のアセンブリーよりも薄い材料で作成するこ
とができる。本発明において、セパレータープレートは
導電性材料の薄いシートで作成する。１つの態様におい
て、電極が、隣接したセパレータープレートに向いた面
に彫り加工した、フライス加工した、又は注型した流路
を有する。電極表面がセパレータープレートの表面と協
同し、反応体の流路を完成する。グラファイトホイル、
又は例えばニオブ、タンタルのような適当な金属の薄い
軽量の導電性シート材料をセパレータープレートとして
使用することができる。本発明のセパレータープレート
の重さと体積の減少は、より軽くてコンパクトな燃料電
池スタックの作成を可能にし、従来の燃料電池より、高
い燃料電池出力／重量の比、高い出力／体積の比を提供
する。また、セパレータープレートが薄い材料で作成で
きるため、本発明のセパレータープレートは、従来のセ
パレータープレートよりも作成費用が安価である。
タープレートの間に挿入された膜電極アセンブリーを含
む従来の繰り返し単位は、いくつかの面で不利である。
第１に、セパレータープレートは、彫り加工した、フラ
イス加工した、又は注型した流路を収容するに充分厚く
なければならない。セパレータープレートの厚さは燃料
電池の重さと体積を大きくする。本発明における反応体
の流路は電極そのものの中にあるため、セパレータープ
レートが流路を収容する必要がなく、セパレータープレ
ートは通常のアセンブリーよりも薄い材料で作成するこ
とができる。本発明において、セパレータープレートは
導電性材料の薄いシートで作成する。１つの態様におい
て、電極が、隣接したセパレータープレートに向いた面
に彫り加工した、フライス加工した、又は注型した流路
を有する。電極表面がセパレータープレートの表面と協
同し、反応体の流路を完成する。グラファイトホイル、
又は例えばニオブ、タンタルのような適当な金属の薄い
軽量の導電性シート材料をセパレータープレートとして
使用することができる。本発明のセパレータープレート
の重さと体積の減少は、より軽くてコンパクトな燃料電
池スタックの作成を可能にし、従来の燃料電池より、高
い燃料電池出力／重量の比、高い出力／体積の比を提供
する。また、セパレータープレートが薄い材料で作成で
きるため、本発明のセパレータープレートは、従来のセ
パレータープレートよりも作成費用が安価である。
本発明の設計の付加的な利益は、反応体（燃料と酸化
剤）の流れの触媒座への接近である。反応体は、電極に
隣接したセパレータープレートの中のチャンネルではな
く、電極材料そのものの中の通路を流れるため、反応体
は、触媒層に達するために電極材料の厚さ全体を移行す
る必要がない。反応体が触媒層に達するまでに移動しな
ければならない距離の減少は、反応体の触媒層への接近
を向上し、燃料電池の潜在的な性能を改良する。
剤）の流れの触媒座への接近である。反応体は、電極に
隣接したセパレータープレートの中のチャンネルではな
く、電極材料そのものの中の通路を流れるため、反応体
は、触媒層に達するために電極材料の厚さ全体を移行す
る必要がない。反応体が触媒層に達するまでに移動しな
ければならない距離の減少は、反応体の触媒層への接近
を向上し、燃料電池の潜在的な性能を改良する。
従来の燃料電池設計に対する本発明のもう１つの長所
は、硬質なセパレータープレートに彫り加工、フライス
加工、又は注型するよりも、電極材料に流路を作成する
ことが比較的容易なことである。電極は一般に、炭素繊
維ペーパーのような多孔質導電性シート材料からなる
が、一方硬質のセパレータープレートは一般にグラファ
イト又は適当な金属から作成される。本発明において、
硬質なセパレータープレートを彫り加工、フライス加
工、又は注型する必要がなく、多孔質導電性材料の薄い
軽量シートで置き換えることができ、グラファイトや金
属セパレータープレートのフライス加工よりも少ない時
間と費用で加工することができる。
は、硬質なセパレータープレートに彫り加工、フライス
加工、又は注型するよりも、電極材料に流路を作成する
ことが比較的容易なことである。電極は一般に、炭素繊
維ペーパーのような多孔質導電性シート材料からなる
が、一方硬質のセパレータープレートは一般にグラファ
イト又は適当な金属から作成される。本発明において、
硬質なセパレータープレートを彫り加工、フライス加
工、又は注型する必要がなく、多孔質導電性材料の薄い
軽量シートで置き換えることができ、グラファイトや金
属セパレータープレートのフライス加工よりも少ない時
間と費用で加工することができる。
発明の要旨 前述の長所は、燃料反応体の流れと酸化剤反応体の流
れを反応生成物の流れと電気エネルギーに転化する電気
化学的燃料電池によって達成される。この燃料電池は、
第１と第２のセパレーター層を含む。セパレーター層
は、燃料と酸化剤の反応体の流れを実質的に透過しない
導電性シート材料で作成される。膜電極アセンブリー
を、第１と第２のセパレーター層の間に挿入する。アセ
ンブリーは、多孔質導電性シート材料で作成した第１と
第２の電極層を含む。電極層は付帯の触媒を有し、イオ
ン交換膜が第１と第２の電極層の間に挿入される。第１
電極層は、燃料の流れの入口、燃料の流れの出口、及び
燃料の流れの入口と燃料の流れの出口の間の第１電極層
の中に燃料の流れを通す手段を含む。第２電極層は、酸
化剤の流れの入口、酸化剤の流れの出口、及び酸化剤の
流れの入口と酸化剤の流れの出口の間の第２電極層の中
に酸化剤の流れを通す手段を含む。
れを反応生成物の流れと電気エネルギーに転化する電気
化学的燃料電池によって達成される。この燃料電池は、
第１と第２のセパレーター層を含む。セパレーター層
は、燃料と酸化剤の反応体の流れを実質的に透過しない
導電性シート材料で作成される。膜電極アセンブリー
を、第１と第２のセパレーター層の間に挿入する。アセ
ンブリーは、多孔質導電性シート材料で作成した第１と
第２の電極層を含む。電極層は付帯の触媒を有し、イオ
ン交換膜が第１と第２の電極層の間に挿入される。第１
電極層は、燃料の流れの入口、燃料の流れの出口、及び
燃料の流れの入口と燃料の流れの出口の間の第１電極層
の中に燃料の流れを通す手段を含む。第２電極層は、酸
化剤の流れの入口、酸化剤の流れの出口、及び酸化剤の
流れの入口と酸化剤の流れの出口の間の第２電極層の中
に酸化剤の流れを通す手段を含む。
もう１つの態様において、流動手段は、第１と第２の
電極層の少なくとも１つの中に隙間を含む。電極層は、
電極層の中の反応体の流れをそらせるダム部材をさらに
含むことができる。また、電極層は、電極層の中の反応
体の流れを入口と出口の間の距離の少なくとも一部にそ
って導く細管を含むことができる。このような細管は連
続又は不連続でよく、電極の中と触媒層の方への反応体
の流れを可能にする周期的な間隔で開口部を有する。
電極層の少なくとも１つの中に隙間を含む。電極層は、
電極層の中の反応体の流れをそらせるダム部材をさらに
含むことができる。また、電極層は、電極層の中の反応
体の流れを入口と出口の間の距離の少なくとも一部にそ
って導く細管を含むことができる。このような細管は連
続又は不連続でよく、電極の中と触媒層の方への反応体
の流れを可能にする周期的な間隔で開口部を有する。
電気化学的燃料電池のもう１つの態様において、電極
層は、膜の反対に向いている表面に形成した少なくとも
１本の溝を有する。電極層に向いた隣接のセパレーター
層の表面は実質的に平面である。電極層の溝入り表面と
隣接のセパレーター層の平らな表面は、協同して電極層
の中の反応体流れの流路を画定する。各々の電極におい
て、溝は連続であることができ、反応体の入口と反応体
の出口を内部で接続する。また、溝は、反応体入口から
伸びる第１の溝、反応体出口から伸びる第２の溝を含む
ことができ、第２の溝は第１の溝と不連続である。反応
体流体は、第１の溝から、第１電極層の隙間（intersti
tial space）を通って第２の溝に流れる。好ましい態様
において、第１の溝と第２の溝は枝分かれしており、第
１の溝の枝は第２の溝の枝とかみ合っている。溝の２つ
の側壁は反応体に実質的に不透過にするためにコーティ
ングすることができ、隣接した溝又は枝の間に反応体の
流れが短絡することを防ぐため、溝の底部を通って触媒
層の方に反応体の流れが導かれるようにする。
層は、膜の反対に向いている表面に形成した少なくとも
１本の溝を有する。電極層に向いた隣接のセパレーター
層の表面は実質的に平面である。電極層の溝入り表面と
隣接のセパレーター層の平らな表面は、協同して電極層
の中の反応体流れの流路を画定する。各々の電極におい
て、溝は連続であることができ、反応体の入口と反応体
の出口を内部で接続する。また、溝は、反応体入口から
伸びる第１の溝、反応体出口から伸びる第２の溝を含む
ことができ、第２の溝は第１の溝と不連続である。反応
体流体は、第１の溝から、第１電極層の隙間（intersti
tial space）を通って第２の溝に流れる。好ましい態様
において、第１の溝と第２の溝は枝分かれしており、第
１の溝の枝は第２の溝の枝とかみ合っている。溝の２つ
の側壁は反応体に実質的に不透過にするためにコーティ
ングすることができ、隣接した溝又は枝の間に反応体の
流れが短絡することを防ぐため、溝の底部を通って触媒
層の方に反応体の流れが導かれるようにする。
本発明の電気化学的燃料電池は、好ましくは、膜電極
アセンブリーの反対側のセパレーター層の少なくとも１
つに隣接した冷却層をさらに含む。冷却は、好ましくは
繰り返し単位の間の一連の電気接続を維持するため、導
電性シート材料で作成する。冷却層は、冷媒流体を冷却
層の中に流し、それによって膜電極アセンブリーによっ
て発生した熱を冷媒によって吸収するための中空の通路
のような手段を含む。好ましい冷却用流体は空気であ
る。
アセンブリーの反対側のセパレーター層の少なくとも１
つに隣接した冷却層をさらに含む。冷却は、好ましくは
繰り返し単位の間の一連の電気接続を維持するため、導
電性シート材料で作成する。冷却層は、冷媒流体を冷却
層の中に流し、それによって膜電極アセンブリーによっ
て発生した熱を冷媒によって吸収するための中空の通路
のような手段を含む。好ましい冷却用流体は空気であ
る。
また、冷却層は、冷却層に向いた隣接したセパレータ
ー層の表面が実質的に平面である場合、膜電極アセンブ
リーに向いたその表面に形成した少なくとも１本の溝を
備えて作成することができる。そのような構成におい
て、冷却層の溝入り表面と隣のセパレーター層の平らな
表面は協同し、冷却層の中の冷媒の流路を画定する。こ
の構成における好ましい冷却用流体は水であるが、エチ
レングリコールや空気のような他の適当な冷却用流体も
使用可能である。
ー層の表面が実質的に平面である場合、膜電極アセンブ
リーに向いたその表面に形成した少なくとも１本の溝を
備えて作成することができる。そのような構成におい
て、冷却層の溝入り表面と隣のセパレーター層の平らな
表面は協同し、冷却層の中の冷媒の流路を画定する。こ
の構成における好ましい冷却用流体は水であるが、エチ
レングリコールや空気のような他の適当な冷却用流体も
使用可能である。
また、膜電極アセンブリーの冷却は、膜電極アセンブ
リーによって発生した熱が冷却用流体に吸収されるよう
にして電極層の少なくとも１つの中に冷却用流体を流す
ための手段を組み込むことにより行うこともできる。好
ましい流れ手段は、膜電極アセンブリーの中に冷却用流
体を収めるためのチューブ又は細管を含む。この構成に
おける好ましい冷却用流体は水とエチレングリコールで
ある。
リーによって発生した熱が冷却用流体に吸収されるよう
にして電極層の少なくとも１つの中に冷却用流体を流す
ための手段を組み込むことにより行うこともできる。好
ましい流れ手段は、膜電極アセンブリーの中に冷却用流
体を収めるためのチューブ又は細管を含む。この構成に
おける好ましい冷却用流体は水とエチレングリコールで
ある。
或いは、膜電極アセンブリーの冷却は、膜電極アセン
ブリーの反対に向いたセパレーター層の表面からフィン
又は熱交換面を延ばし、熱交換表面に冷却用流体を流す
ことによって行うこともできる。膜電極アセンブリーに
よって発生した熱は、熱交換表面を通して導き、冷却用
流体に吸収させる。好ましい冷却用流体は空気であり、
熱交換表面に冷媒を流すための好ましい手段はファンで
ある。
ブリーの反対に向いたセパレーター層の表面からフィン
又は熱交換面を延ばし、熱交換表面に冷却用流体を流す
ことによって行うこともできる。膜電極アセンブリーに
よって発生した熱は、熱交換表面を通して導き、冷却用
流体に吸収させる。好ましい冷却用流体は空気であり、
熱交換表面に冷媒を流すための好ましい手段はファンで
ある。
本発明の電極層は炭素繊維ペーパーで作成することが
好ましい。セパレーター層は、グラファイトホイルのよ
うなグラファイト組成、又はニオブ組成やチタン組成の
ような適当な金属で作成することが好ましい。好ましい
燃料は水素であり、好ましい酸化剤は酸素である。好ま
しい触媒は白金、又は白金含有化合物である。
好ましい。セパレーター層は、グラファイトホイルのよ
うなグラファイト組成、又はニオブ組成やチタン組成の
ような適当な金属で作成することが好ましい。好ましい
燃料は水素であり、好ましい酸化剤は酸素である。好ま
しい触媒は白金、又は白金含有化合物である。
図面の簡単な説明 図１は、電気化学的に活性な給湿区画を示す燃料電池
スタックの側面図である。
スタックの側面図である。
図２は、電極に向いた表面に形成した反応体流路用の
溝を有する２つの硬質なセパレータープレートの間に挿
入した通常（従来技術）の膜電極アセンブリーの分解組
立て側面図である。
溝を有する２つの硬質なセパレータープレートの間に挿
入した通常（従来技術）の膜電極アセンブリーの分解組
立て側面図である。
図３は、２つのセパレーター層の間に挿入した本発明
の一体式の反応体流路を有する、軽量の燃料電池膜電極
アセンブリーの分解組立て側面図である。
の一体式の反応体流路を有する、軽量の燃料電池膜電極
アセンブリーの分解組立て側面図である。
図3Aは、図３の電極の円で囲んだ部分の拡大断面図で
あり、被覆した側壁を備えた反応体流路の溝を有する。
あり、被覆した側壁を備えた反応体流路の溝を有する。
図3Bは、図３の電極を円で囲んだ部分の拡大断面図で
あり、溝を通って伸びる細管を備えた反応体流路の溝を
有する。
あり、溝を通って伸びる細管を備えた反応体流路の溝を
有する。
図４は、硬質セパレータープレートの間に挿入され、
その１つが冷却液の通路を有する２つの膜電極アセンブ
リーを含む通常（従来技術）の燃料電池繰り返し単位の
側面図である。
その１つが冷却液の通路を有する２つの膜電極アセンブ
リーを含む通常（従来技術）の燃料電池繰り返し単位の
側面図である。
図５は、２つの薄い軽量のセパレーター層の間に挿入
された本発明による一体式の反応体流路を有する２つの
膜電極アセンブリー、片側冷却ジャケットを含む燃料電
池の繰り返し単位の１つの態様の側面図である。
された本発明による一体式の反応体流路を有する２つの
膜電極アセンブリー、片側冷却ジャケットを含む燃料電
池の繰り返し単位の１つの態様の側面図である。
図６は、３つの薄い軽量のセパレーター層の間に挿入
された本発明による一体式の反応体流路を有する２つの
膜電極アセンブリー、両側冷却ジャケットを含む燃料電
池の繰り返し単位のもう１つの態様の側面図である。
された本発明による一体式の反応体流路を有する２つの
膜電極アセンブリー、両側冷却ジャケットを含む燃料電
池の繰り返し単位のもう１つの態様の側面図である。
図７は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの燃料の入口と出口のマニホールドに関係した入口と
出口を有する本発明の陽極の１つの態様の平面図であ
る。
れの燃料の入口と出口のマニホールドに関係した入口と
出口を有する本発明の陽極の１つの態様の平面図であ
る。
図7Aは、入口と出口の間に燃料の流れを分配するため
の、多孔質導電性シート材料の中にダム部材を有する図
７の態様の陽極の平面図である。
の、多孔質導電性シート材料の中にダム部材を有する図
７の態様の陽極の平面図である。
図８は、図７の陽極に対応する陰極の１つの態様の平
面図であり、多孔質導電性シート材料で作成され、それ
ぞれの酸化剤の入口と出口のマニホールドに関係した入
口と出口を有する。
面図であり、多孔質導電性シート材料で作成され、それ
ぞれの酸化剤の入口と出口のマニホールドに関係した入
口と出口を有する。
図8Aは、入口と出口の間に燃料の流れを分配するため
の、多孔質導電性シート材料の中にダム部材を有する図
８の態様の陰極の平面図である。
の、多孔質導電性シート材料の中にダム部材を有する図
８の態様の陰極の平面図である。
図９は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの入口と出口のマニホールドに関係した入口と出口か
ら延長したヘッダー溝を有する本発明の陽極の２番目の
態様の平面図である。
れの入口と出口のマニホールドに関係した入口と出口か
ら延長したヘッダー溝を有する本発明の陽極の２番目の
態様の平面図である。
図10は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの入口と出口のマニホールドに関係した入口と出口か
ら延長したヘッダー溝を有する図９の陽極に対応する陰
極の２番目の態様の平面図である。
れの入口と出口のマニホールドに関係した入口と出口か
ら延長したヘッダー溝を有する図９の陽極に対応する陰
極の２番目の態様の平面図である。
図11は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの燃料の入口と出口のマニホールドに関係した入口と
出口から延長した枝分かれの内部切り込みの溝を有する
本発明の陽極の３番目の態様の平面図である。
れの燃料の入口と出口のマニホールドに関係した入口と
出口から延長した枝分かれの内部切り込みの溝を有する
本発明の陽極の３番目の態様の平面図である。
図12は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの酸化剤の入口と出口のマニホールドに関係した入口
と出口から延長した枝分かれの内部切り込みの溝を有す
る図11の陽極に対応した陰極の３番目の態様の平面図で
ある。
れの酸化剤の入口と出口のマニホールドに関係した入口
と出口から延長した枝分かれの内部切り込みの溝を有す
る図11の陽極に対応した陰極の３番目の態様の平面図で
ある。
図13は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの燃料の入口と出口のマニホールドに関係した入口と
出口を相互に接続する１本の曲がりくねった溝を有する
本発明の陽極の４番目の態様の平面図である。
れの燃料の入口と出口のマニホールドに関係した入口と
出口を相互に接続する１本の曲がりくねった溝を有する
本発明の陽極の４番目の態様の平面図である。
図14は、多孔質導電性シート材料で作成され、それぞ
れの酸化剤の入口と出口のマニホールドに関係した入口
と出口を相互に接続する１本の曲がりくねった溝を有す
る図13の陽極に対応する陰極の４番目の態様の平面図で
ある。
れの酸化剤の入口と出口のマニホールドに関係した入口
と出口を相互に接続する１本の曲がりくねった溝を有す
る図13の陽極に対応する陰極の４番目の態様の平面図で
ある。
図15は、（１）図９と10に示す一体式の反応体流路を
有する電極（プロットＡ）、（２）図11と12に示す一体
式の反応体流路を有する電極（プロットＢ）、（３）図
13と14に示すと同様な連続した流路チャンネルの１本の
路を有する通常（溝なし）の電極とグラファイトの流路
プレート（プロットＸ）、を使用したユニットセルにお
ける電流密度の関数としてのセル電圧の３つの分極プロ
ットである。
有する電極（プロットＡ）、（２）図11と12に示す一体
式の反応体流路を有する電極（プロットＢ）、（３）図
13と14に示すと同様な連続した流路チャンネルの１本の
路を有する通常（溝なし）の電極とグラファイトの流路
プレート（プロットＸ）、を使用したユニットセルにお
ける電流密度の関数としてのセル電圧の３つの分極プロ
ットである。
図16は、（１）図７と８に示す一体式の反応体流路を
有する電極（プロットＣ）、（２）図９と10に示す一体
式の反応体流路を有する電極（プロットＥ）、（３）図
13と14に示す一体式の反応体流路を有する電極（プロッ
トＤ）、（４）図13と14に示すと同様な連続したフロー
チャンネルの１本の路を有する通常（溝なし）の電極と
グラファイトの流路プレート（プロットＹ）、を使用し
たユニットセルにおける電流密度の関数としてのセル電
圧の４つの分極プロットである。
有する電極（プロットＣ）、（２）図９と10に示す一体
式の反応体流路を有する電極（プロットＥ）、（３）図
13と14に示す一体式の反応体流路を有する電極（プロッ
トＤ）、（４）図13と14に示すと同様な連続したフロー
チャンネルの１本の路を有する通常（溝なし）の電極と
グラファイトの流路プレート（プロットＹ）、を使用し
たユニットセルにおける電流密度の関数としてのセル電
圧の４つの分極プロットである。
図17は、図13と14に示す一体式の反応体流路を有する
電極、厚さ0.100インチのグラファイトで作成したセパ
レーター層を有し、（１）酸化剤流れとして酸素含有空
気（プロットＦ）、（２）酸化剤流れとして実質的に純
粋な酸素（プロットＧ）、を使用した電極を用いた燃料
電池繰り返し単位の電流密度の関数としてのセル電圧の
２つの分極プロットである。
電極、厚さ0.100インチのグラファイトで作成したセパ
レーター層を有し、（１）酸化剤流れとして酸素含有空
気（プロットＦ）、（２）酸化剤流れとして実質的に純
粋な酸素（プロットＧ）、を使用した電極を用いた燃料
電池繰り返し単位の電流密度の関数としてのセル電圧の
２つの分極プロットである。
図面の詳細な説明 先ず図面の図１に関して、燃料電池のスタックアセン
ブリー10は電気化学的活性区画26と給湿区画28を含む。
スタックアセンブリー10はモジュールプレートとフレー
ムの設計であり、圧縮エンドプレート16と流体エンドプ
レート18を含む。圧縮エンドプレート16の中に配置した
随意の空気圧ピストン17は、気密を良好にする均一な圧
力をアセンブリーに与える。活性区画26の向かい合った
端部に位置するブスプレート22と24は、それぞれ負と正
の接触を提供し、アセンブリーによって発生した電流を
負荷（図示せず）に抜き出す。引棒20はプレート16と18
の間を渡り、固定ナット21でスタックアセンブリー10を
その組立て状態に維持・固定する。
ブリー10は電気化学的活性区画26と給湿区画28を含む。
スタックアセンブリー10はモジュールプレートとフレー
ムの設計であり、圧縮エンドプレート16と流体エンドプ
レート18を含む。圧縮エンドプレート16の中に配置した
随意の空気圧ピストン17は、気密を良好にする均一な圧
力をアセンブリーに与える。活性区画26の向かい合った
端部に位置するブスプレート22と24は、それぞれ負と正
の接触を提供し、アセンブリーによって発生した電流を
負荷（図示せず）に抜き出す。引棒20はプレート16と18
の間を渡り、固定ナット21でスタックアセンブリー10を
その組立て状態に維持・固定する。
活性区画26は、ブスプレート22と24の他に、各々のユ
ニット12を繰り返す複数の燃料電池繰り返し単位12を含
む。各々の繰り返し単位12は、一体式の反応体流路、及
びセパレーター層と冷却ジャケットを有する少なくとも
１つの膜電極アセンブリーを含み、これらは以降で詳し
く説明する。繰り返し単位12は、セパレーター層と冷却
ジャケットを形成する導電性シートの間の接触によって
直列に電気接続される。
ニット12を繰り返す複数の燃料電池繰り返し単位12を含
む。各々の繰り返し単位12は、一体式の反応体流路、及
びセパレーター層と冷却ジャケットを有する少なくとも
１つの膜電極アセンブリーを含み、これらは以降で詳し
く説明する。繰り返し単位12は、セパレーター層と冷却
ジャケットを形成する導電性シートの間の接触によって
直列に電気接続される。
給湿区画28は複数の給湿アセンブリー14を含み、各々
のアセンブリー14は、燃料又は酸化剤の反応体の流路プ
レート、水の流路プレート、反応体の流路プレートと水
の流路プレートの間に挿入した水蒸気輸送膜を含む。給
湿区画28は、活性区画26に供給される燃料と酸化剤の流
れに水蒸気を与え、それによって活性区画の膜が乾燥す
ることを防ぐ。
のアセンブリー14は、燃料又は酸化剤の反応体の流路プ
レート、水の流路プレート、反応体の流路プレートと水
の流路プレートの間に挿入した水蒸気輸送膜を含む。給
湿区画28は、活性区画26に供給される燃料と酸化剤の流
れに水蒸気を与え、それによって活性区画の膜が乾燥す
ることを防ぐ。
図２は、従来技術の燃料電池30を示す。燃料電池30
は、硬質のセパレータープレート34と36の間に挿入した
膜電極アセンブリー32を含む。膜電極アセンブリー32
は、２つの電極、即ち陽極44と陰極46の間に挿入された
イオン交換膜42からなる。従来の燃料電池において、陽
極44と陰極46は多孔質導電性シート材料、好ましくは炭
素繊維ペーパーで作成され、平らな表面を有する。電極
44と46は、それらを電気化学的に活性にするため、膜42
との間のそれらの表面上に配置した触媒物質の薄い層を
有する。
は、硬質のセパレータープレート34と36の間に挿入した
膜電極アセンブリー32を含む。膜電極アセンブリー32
は、２つの電極、即ち陽極44と陰極46の間に挿入された
イオン交換膜42からなる。従来の燃料電池において、陽
極44と陰極46は多孔質導電性シート材料、好ましくは炭
素繊維ペーパーで作成され、平らな表面を有する。電極
44と46は、それらを電気化学的に活性にするため、膜42
との間のそれらの表面上に配置した触媒物質の薄い層を
有する。
図２に示すように、セパレータープレート34は、膜電
極アセンブリー32に向いたその表面上に彫り加工した、
フライス加工した、又は注型した少なくとも１本の溝34
aを有する。同様に、セパレータープレート36は、膜電
極アセンブリー32に向いたその表面上に彫り加工した、
フライス加工した、又は注型した少なくとも１本の溝36
aを有する。電極44と46の協同する表面に接触して組み
立てたとき、溝34aと36aは、それぞれ燃料と酸化剤の反
応体の流路を画定する。溝34aと36aは、米国特許第4988
583号に開示のように、燃料電池30に供給される燃料と
酸化剤の入口と出口マニホールド（図示せず）に相互に
接続するそれぞれ１本の連続した溝であることが好まし
く、この特許は本願でも参考にして含まれる。また溝34
aと36aは、それぞれの燃料又は酸化剤の入口と出口のマ
ニホールドを相互に接続する複数の別な溝として彫り加
工、フライス加工、又は注型することができる。
極アセンブリー32に向いたその表面上に彫り加工した、
フライス加工した、又は注型した少なくとも１本の溝34
aを有する。同様に、セパレータープレート36は、膜電
極アセンブリー32に向いたその表面上に彫り加工した、
フライス加工した、又は注型した少なくとも１本の溝36
aを有する。電極44と46の協同する表面に接触して組み
立てたとき、溝34aと36aは、それぞれ燃料と酸化剤の反
応体の流路を画定する。溝34aと36aは、米国特許第4988
583号に開示のように、燃料電池30に供給される燃料と
酸化剤の入口と出口マニホールド（図示せず）に相互に
接続するそれぞれ１本の連続した溝であることが好まし
く、この特許は本願でも参考にして含まれる。また溝34
aと36aは、それぞれの燃料又は酸化剤の入口と出口のマ
ニホールドを相互に接続する複数の別な溝として彫り加
工、フライス加工、又は注型することができる。
次に図３に関して、燃料電池50は、一体式の反応体流
路を有する膜電極アセンブリー52を採用する。膜電極ア
センブリー52は、軽量のセパレーター層54と56の間に挿
入されている。膜電極アセンブリー52は、２つの電極、
即ち陽極64と陰極66に間に挿入されたイオン交換膜68か
らなる。陽極64と陰極66は、多孔質の導電性シート材
料、好ましくは炭素繊維ペーパーで作成する。電極64と
66は、それらを電気化学的に活性にするために膜68との
間の界面に配置した触媒材料の薄い層を有する。
路を有する膜電極アセンブリー52を採用する。膜電極ア
センブリー52は、軽量のセパレーター層54と56の間に挿
入されている。膜電極アセンブリー52は、２つの電極、
即ち陽極64と陰極66に間に挿入されたイオン交換膜68か
らなる。陽極64と陰極66は、多孔質の導電性シート材
料、好ましくは炭素繊維ペーパーで作成する。電極64と
66は、それらを電気化学的に活性にするために膜68との
間の界面に配置した触媒材料の薄い層を有する。
図３に示すように、陽極64は、膜62の逆向きの表面に
形成した少なくとも１本の所望による溝64aを有する。
同様に、陰極66は、膜62の逆向きの表面に形成した少な
くとも１本の所望による溝66aを有する。セパレーター
層54と56の協同する表面に接触して組み立てたとき、溝
64aと66aは、それぞれ燃料と酸化剤の反応体の流路を画
定する。溝64aと66aは、１本の連続した溝として構成し
てよく、又は従来の燃料電池のセパレータープレートに
形成した溝について前述したように、入口と出口のマニ
ホールドを内部で接続する複数の別な溝でもよい。或い
は、溝64aと66aを電極64と66から完全に省略することが
でき、燃料と酸化剤の流れの反応体流路及び反応生成物
の除去に役立つ気孔又は隙間を電極64と66の内部に設け
てもよい。
形成した少なくとも１本の所望による溝64aを有する。
同様に、陰極66は、膜62の逆向きの表面に形成した少な
くとも１本の所望による溝66aを有する。セパレーター
層54と56の協同する表面に接触して組み立てたとき、溝
64aと66aは、それぞれ燃料と酸化剤の反応体の流路を画
定する。溝64aと66aは、１本の連続した溝として構成し
てよく、又は従来の燃料電池のセパレータープレートに
形成した溝について前述したように、入口と出口のマニ
ホールドを内部で接続する複数の別な溝でもよい。或い
は、溝64aと66aを電極64と66から完全に省略することが
でき、燃料と酸化剤の流れの反応体流路及び反応生成物
の除去に役立つ気孔又は隙間を電極64と66の内部に設け
てもよい。
図3Aは、図３の電極64の円で囲んだ部分の拡大断面図
であり、反応体が流れる溝の２つの側壁を、溝64aを通
る反応体が実質的に浸透しないシーラント層65でコーテ
ィングしている。シーラント層65の存在は、反応体の流
れを溝64aの底壁63を通して触媒層（図3Aに示さず）の
方に反応体の流れを導き、隣の溝との反応体の流れの短
絡を防ぐ。
であり、反応体が流れる溝の２つの側壁を、溝64aを通
る反応体が実質的に浸透しないシーラント層65でコーテ
ィングしている。シーラント層65の存在は、反応体の流
れを溝64aの底壁63を通して触媒層（図3Aに示さず）の
方に反応体の流れを導き、隣の溝との反応体の流れの短
絡を防ぐ。
図3Bは、図３の電極64の円で囲んだ部分の拡大断面図
であり、反応体を運ぶための細管67が溝64aの中を伸び
る。細管67は長さにそって周期的な間隔で形成した開口
部（図示せず）を含み、電気化学的反応が生じる触媒層
（図示せず）の方に電極64の中に反応体が流れることを
可能にする。細管67は連続的（即ち、入口から出口の間
の溝の長さ全体に伸びる）又は不連続的（即ち、溝の一
部のみにそって伸びる）でよく、電極を通る反応体の流
れの効率に依存する。
であり、反応体を運ぶための細管67が溝64aの中を伸び
る。細管67は長さにそって周期的な間隔で形成した開口
部（図示せず）を含み、電気化学的反応が生じる触媒層
（図示せず）の方に電極64の中に反応体が流れることを
可能にする。細管67は連続的（即ち、入口から出口の間
の溝の長さ全体に伸びる）又は不連続的（即ち、溝の一
部のみにそって伸びる）でよく、電極を通る反応体の流
れの効率に依存する。
図４は、２つの膜電極アセンブリー80、90からなる従
来の燃料電池繰り返し単位70を示す。膜電極アセンブリ
ー80は、図２の膜電極アセンブリー32の構造と実質的に
同じであり、陽極84と陰極86の間に挿入されたイオン交
換膜82を含む。同様に、膜電極アセンブリー90は、図２
の膜電極アセンブリー32の構造と実質的に同じであり、
陽極94と陰極96の間に挿入されたイオン交換膜92を含
む。陽極84と94、陰極86と96は多孔質導電性シート材料
から作成する。従来の燃料電池繰り返し単位において、
膜電極アセンブリー80は硬質のセパレータープレート10
2と104の間に挿入され、一方、膜電極アセンブリー90は
セパレータープレート104と106の間に挿入される。セパ
レータープレート102は、図４に示すように、その元の
表面に彫り加工した、フライス加工した、又は注型した
溝102aと102bを有する。プレート104はその元の表面に
彫り加工した、フライス加工した、又は注型した溝104a
と104bを有する。プレート106は、その元の１つの表面
に彫り加工した、フライス加工した、又は注型した１組
の溝を有し、他の元の表面106aはブランクである。
来の燃料電池繰り返し単位70を示す。膜電極アセンブリ
ー80は、図２の膜電極アセンブリー32の構造と実質的に
同じであり、陽極84と陰極86の間に挿入されたイオン交
換膜82を含む。同様に、膜電極アセンブリー90は、図２
の膜電極アセンブリー32の構造と実質的に同じであり、
陽極94と陰極96の間に挿入されたイオン交換膜92を含
む。陽極84と94、陰極86と96は多孔質導電性シート材料
から作成する。従来の燃料電池繰り返し単位において、
膜電極アセンブリー80は硬質のセパレータープレート10
2と104の間に挿入され、一方、膜電極アセンブリー90は
セパレータープレート104と106の間に挿入される。セパ
レータープレート102は、図４に示すように、その元の
表面に彫り加工した、フライス加工した、又は注型した
溝102aと102bを有する。プレート104はその元の表面に
彫り加工した、フライス加工した、又は注型した溝104a
と104bを有する。プレート106は、その元の１つの表面
に彫り加工した、フライス加工した、又は注型した１組
の溝を有し、他の元の表面106aはブランクである。
燃料電池70を図４のように組み立てると、膜電極アセ
ンブリー80の表面は溝102aと協同し、陰極86の主面にそ
って酸化剤流体を運び、陰極86で生成した反応生成物の
除去のための反応体流路を画定する。膜電極アセンブリ
ー80の他の表面は溝104bと協同し、陽極84の主面にそっ
て燃料流体を運ぶ反応体流路を画定する。同様に、膜電
極アセンブリー90の表面は溝104aと協同し、陽極96の主
面にそって酸化剤流体を運び、陰極96で生成した反応生
成物の除去のための反応体流路を画定する。膜電極アセ
ンブリー90の他の表面は溝106bと協同し、陽極94の主面
にそって燃料流体を運ぶ反応体流路を画定する。プレー
ト106のブランク表面106aは、隣の燃料電池繰り返し単
位（図示せず）の溝102bと協同し、冷却流体を運ぶ流路
を形成する。ここで、プレート102は冷却ジャケットと
称されることもある。
ンブリー80の表面は溝102aと協同し、陰極86の主面にそ
って酸化剤流体を運び、陰極86で生成した反応生成物の
除去のための反応体流路を画定する。膜電極アセンブリ
ー80の他の表面は溝104bと協同し、陽極84の主面にそっ
て燃料流体を運ぶ反応体流路を画定する。同様に、膜電
極アセンブリー90の表面は溝104aと協同し、陽極96の主
面にそって酸化剤流体を運び、陰極96で生成した反応生
成物の除去のための反応体流路を画定する。膜電極アセ
ンブリー90の他の表面は溝106bと協同し、陽極94の主面
にそって燃料流体を運ぶ反応体流路を画定する。プレー
ト106のブランク表面106aは、隣の燃料電池繰り返し単
位（図示せず）の溝102bと協同し、冷却流体を運ぶ流路
を形成する。ここで、プレート102は冷却ジャケットと
称されることもある。
図５は、２つの薄い軽量のセパレーター層142と144の
間に挿入された本発明による一体式の反応体流路を有す
る２つの膜電極アセンブリー120と130、及び片側冷却ジ
ャケット146を含む燃料電池の繰り返し単位110の第１の
態様を示す。膜電極アセンブリー120は、図３の膜電極
アセンブリー52の構造と実質的に同じであり、陽極124
と陰極126の間に挿入されたイオン交換膜122を含む。同
様に、膜電極アセンブリー130は、図３の膜電極アセン
ブリー52の構造と実質的に同じであり、陽極134と陰極1
36の間に挿入されたイオン交換膜132を含む。陽極124と
134、陰極126と136は多孔質導電性シート材料から作成
される。繰り返し単位110において、膜電極アセンブリ
ー120は、薄い軽量のセパレーター層142と、隣の繰り返
し単位（図示せず）の冷却ジャケットのブランク表面の
間に挿入されている。膜電極アセンブリー130は薄い軽
量のセパレーター層142と144の間に挿入されている。陰
極124は、図５に示すように、膜122の反対に向いた主面
にフライス加工した（milled）溝124aを有し、一方、陰
極126は、膜122の反対に向いた主面にフライス加工した
溝126aを有する。同様に、陽極134は、膜122の反対に向
いた主面にフライス加工した溝134aを有し、陰極136
は、膜132の反対に向いた主面にフライス加工した溝136
aを有する。冷却ジャケット146は、図示するように１つ
の主面に彫り加工した、フライス加工した、又は注型し
た１組の溝を有し、他の主面146bはブランクである。
間に挿入された本発明による一体式の反応体流路を有す
る２つの膜電極アセンブリー120と130、及び片側冷却ジ
ャケット146を含む燃料電池の繰り返し単位110の第１の
態様を示す。膜電極アセンブリー120は、図３の膜電極
アセンブリー52の構造と実質的に同じであり、陽極124
と陰極126の間に挿入されたイオン交換膜122を含む。同
様に、膜電極アセンブリー130は、図３の膜電極アセン
ブリー52の構造と実質的に同じであり、陽極134と陰極1
36の間に挿入されたイオン交換膜132を含む。陽極124と
134、陰極126と136は多孔質導電性シート材料から作成
される。繰り返し単位110において、膜電極アセンブリ
ー120は、薄い軽量のセパレーター層142と、隣の繰り返
し単位（図示せず）の冷却ジャケットのブランク表面の
間に挿入されている。膜電極アセンブリー130は薄い軽
量のセパレーター層142と144の間に挿入されている。陰
極124は、図５に示すように、膜122の反対に向いた主面
にフライス加工した（milled）溝124aを有し、一方、陰
極126は、膜122の反対に向いた主面にフライス加工した
溝126aを有する。同様に、陽極134は、膜122の反対に向
いた主面にフライス加工した溝134aを有し、陰極136
は、膜132の反対に向いた主面にフライス加工した溝136
aを有する。冷却ジャケット146は、図示するように１つ
の主面に彫り加工した、フライス加工した、又は注型し
た１組の溝を有し、他の主面146bはブランクである。
繰り返し単位110を図５のように組み立てたとき、薄
い軽量のセパレーター層142は溝124aと協同し、燃料流
体を陽極124の中に運ぶ反応体流路を画定する。その反
対の面で、セパレーター層142は溝136aと協同し、酸化
剤流体を陰極136の中に運び、陰極136で生成した反応生
成物を除去するための反応体流路を画定する。薄い軽量
のセパレーター層144の表面は溝134aと協同し、燃料流
体を陽極134の中に運ぶための反応体流路を画定する。
その反対の側で、セパレーター層144は溝146aと協同
し、冷却流体を片側冷却ジャケット146の中に運ぶため
の流路を形成する。冷却ジャケット146の反対の面146b
はブランク（溝なし）であり、隣の燃料電池繰り返し単
位（図示せず）の陰極126の溝126aと協同し、酸化剤流
体を陰極126の中に運ぶ反応体流路を画定する。
い軽量のセパレーター層142は溝124aと協同し、燃料流
体を陽極124の中に運ぶ反応体流路を画定する。その反
対の面で、セパレーター層142は溝136aと協同し、酸化
剤流体を陰極136の中に運び、陰極136で生成した反応生
成物を除去するための反応体流路を画定する。薄い軽量
のセパレーター層144の表面は溝134aと協同し、燃料流
体を陽極134の中に運ぶための反応体流路を画定する。
その反対の側で、セパレーター層144は溝146aと協同
し、冷却流体を片側冷却ジャケット146の中に運ぶため
の流路を形成する。冷却ジャケット146の反対の面146b
はブランク（溝なし）であり、隣の燃料電池繰り返し単
位（図示せず）の陰極126の溝126aと協同し、酸化剤流
体を陰極126の中に運ぶ反応体流路を画定する。
図６は、３つの薄い軽量のセパレーター層240、242、
244の間に挿入された本発明による一体式の反応体流路
を有する２つの膜電極アセンブリー220と230と、両面冷
却ジャケットを含む燃料電池の繰り返し単位210の第２
の態様を示す。膜電極アセンブリー220は図５の膜電極
アセンブリー120と実質的に同じであり、その中に形成
された一体式の溝224aを有する陽極224と、その中に形
成された一体式の溝226aを有する陽極226の間に挿入さ
れたイオン交換膜222を含む。同様に、膜電極アセンブ
リー230は図５の膜電極アセンブリー130と実質的に同じ
であり、その中に形成された一体式の溝234aを有する陽
極234と、その中に形成された一体式の溝236aを有する
陽極236の間に挿入されたイオン交換膜232を含む。膜電
極アセンブリー220はセパレーター層240と242の間に挿
入され、一方、膜電極アセンブリー230はセパレーター
層242と244の間に挿入されている。セパレーター層240
は溝226aと協同し、陰極226の中に酸化剤流体を運ぶた
め、及び陰極226で生成した反応生成物を除去するため
の反応体流路を画定する。図６に示すように、セパレー
ター層242の１つの表面は溝224aと協同し、燃料流体を
陽極224の中に運ぶための反応体流路を画定する。セパ
レーター層242の他の表面は溝236aと協同し、陰極236の
中に酸化剤流体を運ぶため、及び陰極236で生成した反
応生成物を除去するための反応体流路を画定する。セパ
レーター層244は溝234aと協同し、燃料流体を陽極234の
中に運ぶための流路を画定する。その反対側において、
セパレーター層244は溝246aと協同し、両側冷却ジャケ
ット246の中に冷却流体を運ぶための流路を形成する。
隣の繰り返し単位（図示せず）のセパレーター層240は
冷却ジャケット246の溝246bと協同し、付加的な冷却流
体を冷却ジャケット246の中に運ぶための流路を形成す
る。
244の間に挿入された本発明による一体式の反応体流路
を有する２つの膜電極アセンブリー220と230と、両面冷
却ジャケットを含む燃料電池の繰り返し単位210の第２
の態様を示す。膜電極アセンブリー220は図５の膜電極
アセンブリー120と実質的に同じであり、その中に形成
された一体式の溝224aを有する陽極224と、その中に形
成された一体式の溝226aを有する陽極226の間に挿入さ
れたイオン交換膜222を含む。同様に、膜電極アセンブ
リー230は図５の膜電極アセンブリー130と実質的に同じ
であり、その中に形成された一体式の溝234aを有する陽
極234と、その中に形成された一体式の溝236aを有する
陽極236の間に挿入されたイオン交換膜232を含む。膜電
極アセンブリー220はセパレーター層240と242の間に挿
入され、一方、膜電極アセンブリー230はセパレーター
層242と244の間に挿入されている。セパレーター層240
は溝226aと協同し、陰極226の中に酸化剤流体を運ぶた
め、及び陰極226で生成した反応生成物を除去するため
の反応体流路を画定する。図６に示すように、セパレー
ター層242の１つの表面は溝224aと協同し、燃料流体を
陽極224の中に運ぶための反応体流路を画定する。セパ
レーター層242の他の表面は溝236aと協同し、陰極236の
中に酸化剤流体を運ぶため、及び陰極236で生成した反
応生成物を除去するための反応体流路を画定する。セパ
レーター層244は溝234aと協同し、燃料流体を陽極234の
中に運ぶための流路を画定する。その反対側において、
セパレーター層244は溝246aと協同し、両側冷却ジャケ
ット246の中に冷却流体を運ぶための流路を形成する。
隣の繰り返し単位（図示せず）のセパレーター層240は
冷却ジャケット246の溝246bと協同し、付加的な冷却流
体を冷却ジャケット246の中に運ぶための流路を形成す
る。
図７は、燃料（水素）流体の一体式の反応体流路を有
する陽極260の第１の態様を示す。陽極260は、その中に
形成した複数の開口部を有する多孔質導電性シート材料
262で作成される。その開口部は隣接した電極とセパレ
ーター層の対応する開口部と整列し、水素、酸化剤（酸
素含有空気）、冷却流体（水）を燃料電池スタックの中
に運ぶマニホールドを形成する。陽極260の開口部は、
ドライ（未給湿）水素入口マニホールド268、給湿水素
入口マニホールド274、給湿水素出口マニホールド272、
ドライ（未給湿）空気入口マニホールド274、給湿空気
入口マニホールド276、給湿空気出口マニホールド278、
水入口マニホールド280、水から給湿器へのマニホール
ド282、及び水出口マニホールド284を含む。図７に示す
ように、ローケーター又は位置合わせピンもまた陽極26
0に形成されている。給湿水素の入口マニホールド270
は、水素燃料流体をマニホールド270から陽極シート材
料262の隙間の中に導くための入口ランナー264を有す
る。同様に、給湿水素の出口マニホールド272は、燃料
流体を陽極シート材料262の隙間の中から給湿水素の出
口マニホールド272の中に導くための出口ランナー266を
有する。水素燃料流体は、入口ランナー264と出口ラン
ナー266の間の多孔質シート材料262の間隙の中を流れ
る。
する陽極260の第１の態様を示す。陽極260は、その中に
形成した複数の開口部を有する多孔質導電性シート材料
262で作成される。その開口部は隣接した電極とセパレ
ーター層の対応する開口部と整列し、水素、酸化剤（酸
素含有空気）、冷却流体（水）を燃料電池スタックの中
に運ぶマニホールドを形成する。陽極260の開口部は、
ドライ（未給湿）水素入口マニホールド268、給湿水素
入口マニホールド274、給湿水素出口マニホールド272、
ドライ（未給湿）空気入口マニホールド274、給湿空気
入口マニホールド276、給湿空気出口マニホールド278、
水入口マニホールド280、水から給湿器へのマニホール
ド282、及び水出口マニホールド284を含む。図７に示す
ように、ローケーター又は位置合わせピンもまた陽極26
0に形成されている。給湿水素の入口マニホールド270
は、水素燃料流体をマニホールド270から陽極シート材
料262の隙間の中に導くための入口ランナー264を有す
る。同様に、給湿水素の出口マニホールド272は、燃料
流体を陽極シート材料262の隙間の中から給湿水素の出
口マニホールド272の中に導くための出口ランナー266を
有する。水素燃料流体は、入口ランナー264と出口ラン
ナー266の間の多孔質シート材料262の間隙の中を流れ
る。
図7Aは、多孔質導電性シート材料263の間に配置した
ダム部材265を有する図７の陽極を示す。ダム部材265
は、燃料の流れを入口ランナー264と出口ランナー266の
間に分配し、その結果、入口264と出口266を結ぶ線の付
近の優勢な流れのチャンネルに限定されずに、燃料は均
等に侵入してシート材料263の外側領域に達する。
ダム部材265を有する図７の陽極を示す。ダム部材265
は、燃料の流れを入口ランナー264と出口ランナー266の
間に分配し、その結果、入口264と出口266を結ぶ線の付
近の優勢な流れのチャンネルに限定されずに、燃料は均
等に侵入してシート材料263の外側領域に達する。
図８は、図７の陽極260に対応する陰極290の態様を示
す。陰極290は、上記の陽極260の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料292で形成さ
れる。給湿空気の入口マニホールド276は、給湿した酸
素含有空気流体をマニホールド276から陰極シート材料2
92の隙間の中に運ぶための入口ランナー294を有する。
同様に、給湿空気の出口マニホールド278は、給湿した
空気流体を陰極シート材料292の隙間の中から空気出口
マニホールド278の中に運ぶための出口ランナー296を有
する。給湿した酸素含有空気の流体は、入口ランナー29
4と出口ランナー296の間の多孔質シート材料292の隙間
の中を流れる。
す。陰極290は、上記の陽極260の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料292で形成さ
れる。給湿空気の入口マニホールド276は、給湿した酸
素含有空気流体をマニホールド276から陰極シート材料2
92の隙間の中に運ぶための入口ランナー294を有する。
同様に、給湿空気の出口マニホールド278は、給湿した
空気流体を陰極シート材料292の隙間の中から空気出口
マニホールド278の中に運ぶための出口ランナー296を有
する。給湿した酸素含有空気の流体は、入口ランナー29
4と出口ランナー296の間の多孔質シート材料292の隙間
の中を流れる。
図8Aは、多孔質導電性シート材料293の中に配置した
ダム部材295を備えた図８の陰極を示す。ダム部材295
は、酸化剤の流れを入口ランナー294と出口ランナー296
の間に分配し、その結果、入口294と出口296を結ぶ線の
付近の優勢な流れのチャンネルに限定されずに、酸化剤
は均等に侵入してシート材料293の外側領域に達する。
ダム部材295を備えた図８の陰極を示す。ダム部材295
は、酸化剤の流れを入口ランナー294と出口ランナー296
の間に分配し、その結果、入口294と出口296を結ぶ線の
付近の優勢な流れのチャンネルに限定されずに、酸化剤
は均等に侵入してシート材料293の外側領域に達する。
図９は、燃料（水素）流体の一体式の反応体流路を有
する陽極310の第２の態様を示す。陽極260と同様に、陽
極310は、図７の陽極260の前記の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料312で作成さ
れる。給湿水素の入口マニホールド270は、水素燃料流
体をマニホールド270から陽極シート材料312の隙間の中
に導くための入口ランナー314と、入口ランナー314から
伸びるヘッダー溝318を有する。給湿水素の出口マニホ
ールド272は、燃料流体を陽極シート材料312の隙間の中
から給湿水素の出口マニホールド272の中に導くための
出口ランナー316と、出口ランナー316から伸びるヘッダ
ー溝320を有する。水素燃料流体は、多孔質シート材料2
62の隙間の中のヘッダー溝318と320の間を流れる。
する陽極310の第２の態様を示す。陽極260と同様に、陽
極310は、図７の陽極260の前記の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料312で作成さ
れる。給湿水素の入口マニホールド270は、水素燃料流
体をマニホールド270から陽極シート材料312の隙間の中
に導くための入口ランナー314と、入口ランナー314から
伸びるヘッダー溝318を有する。給湿水素の出口マニホ
ールド272は、燃料流体を陽極シート材料312の隙間の中
から給湿水素の出口マニホールド272の中に導くための
出口ランナー316と、出口ランナー316から伸びるヘッダ
ー溝320を有する。水素燃料流体は、多孔質シート材料2
62の隙間の中のヘッダー溝318と320の間を流れる。
図10は、図９の陽極310に対応する陰極330の１つの態
様を示す。陰極330は、前記の陽極260の開口部に対応す
る複数の開口部を有する多孔質導電性シート材料で作成
される。給湿空気の入口マニホールド276は、給湿した
酸素含有空気流体をマニホールド276から陰極シート材
料312の隙間の中に導くための入口ランナー334と、入口
ランナー334から伸びるヘッダー溝338を有する。同様
に、給湿空気の出口マニホールド278は、給湿した空気
流体を陰極シート材料332の隙間の中から空気出口マニ
ホールド278の中に導くための出口ランナー336と、ヘッ
ダー溝340を有する。給湿した酸素含有空気流体は、多
孔質シート材料332の隙間の中のヘッダー溝338と340の
間を流れる。
様を示す。陰極330は、前記の陽極260の開口部に対応す
る複数の開口部を有する多孔質導電性シート材料で作成
される。給湿空気の入口マニホールド276は、給湿した
酸素含有空気流体をマニホールド276から陰極シート材
料312の隙間の中に導くための入口ランナー334と、入口
ランナー334から伸びるヘッダー溝338を有する。同様
に、給湿空気の出口マニホールド278は、給湿した空気
流体を陰極シート材料332の隙間の中から空気出口マニ
ホールド278の中に導くための出口ランナー336と、ヘッ
ダー溝340を有する。給湿した酸素含有空気流体は、多
孔質シート材料332の隙間の中のヘッダー溝338と340の
間を流れる。
図11は、燃料（水素）流体の一体式の反応体流路を有
する陽極350の第３の態様を示す。陽極350は、図７の陽
極260の前記の開口部に対応する複数の開口部を有する
多孔質導電性シート材料352で作成される。給湿水素の
入口マニホールド270は、水素燃料流体をマニホールド2
70から陽極シート材料352の隙間の中に導くための入口
ランナー354、入口ランナー354から伸びるヘッダー溝35
8、及びヘッダー溝358から伸びて枝分かれした溝364を
有する。給湿水素の出口マニホールド272は、燃料流体
を陽極シート材料352の隙間の中から給湿水素の出口マ
ニホールド272の中に導くための出口ランナー356、ヘッ
ダー溝360、及びヘッダー溝360から伸びる枝分かれ溝36
2を有する。枝分かれ溝362は、図11に示すように枝分か
れ溝364とかみ合っている。水素燃料流体は、多孔質シ
ート材料352の隙間の中の個々の枝分かれ溝362と364の
間、及びヘッダー溝と隣の枝分かれ溝の間を流れる。
する陽極350の第３の態様を示す。陽極350は、図７の陽
極260の前記の開口部に対応する複数の開口部を有する
多孔質導電性シート材料352で作成される。給湿水素の
入口マニホールド270は、水素燃料流体をマニホールド2
70から陽極シート材料352の隙間の中に導くための入口
ランナー354、入口ランナー354から伸びるヘッダー溝35
8、及びヘッダー溝358から伸びて枝分かれした溝364を
有する。給湿水素の出口マニホールド272は、燃料流体
を陽極シート材料352の隙間の中から給湿水素の出口マ
ニホールド272の中に導くための出口ランナー356、ヘッ
ダー溝360、及びヘッダー溝360から伸びる枝分かれ溝36
2を有する。枝分かれ溝362は、図11に示すように枝分か
れ溝364とかみ合っている。水素燃料流体は、多孔質シ
ート材料352の隙間の中の個々の枝分かれ溝362と364の
間、及びヘッダー溝と隣の枝分かれ溝の間を流れる。
図12は、図11の陽極350に対応する陰極370の態様を示
す。陰極370は、前記の陽極260の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料で作成され
る。給湿空気の入口マニホールド276は、給湿した酸素
含有空気流体をマニホールド276から陰極シート材料372
の隙間の中に導くための入口ランナー374、ヘッダー溝3
78、及びヘッダー溝378から伸びる枝分かれ溝384を有す
る。給湿空気の出口マニホールド278は、給湿した空気
流体を陰極シート材料332の隙間の中から空気出口マニ
ホールド278の中に導くための出口ランナー336、ヘッダ
ー溝380、及びヘッダー溝380から伸びる枝分かれ溝382
を有する。枝分かれ溝382は、図12に示すように枝分か
れ溝384とかみ合っている。給湿した酸素含有空気流体
は、多孔質シート材料372の隙間の中の個々の枝分かれ
溝382と384の間、及びヘッダー溝と隣の枝分かれ溝の間
を流れる。
す。陰極370は、前記の陽極260の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料で作成され
る。給湿空気の入口マニホールド276は、給湿した酸素
含有空気流体をマニホールド276から陰極シート材料372
の隙間の中に導くための入口ランナー374、ヘッダー溝3
78、及びヘッダー溝378から伸びる枝分かれ溝384を有す
る。給湿空気の出口マニホールド278は、給湿した空気
流体を陰極シート材料332の隙間の中から空気出口マニ
ホールド278の中に導くための出口ランナー336、ヘッダ
ー溝380、及びヘッダー溝380から伸びる枝分かれ溝382
を有する。枝分かれ溝382は、図12に示すように枝分か
れ溝384とかみ合っている。給湿した酸素含有空気流体
は、多孔質シート材料372の隙間の中の個々の枝分かれ
溝382と384の間、及びヘッダー溝と隣の枝分かれ溝の間
を流れる。
図13は、燃料（水素）流体の一体式の反応体流路を有
する陽極390の第４の態様を示す。陽極390は、図７の陽
極260の前記の開口部に対応する複数の開口部を有する
多孔質導電性シート材料392で作成される。給湿水素の
入口マニホールド270は、図13に示すように、そこから
伸びる入口ランナー394を有する。給湿水素の出口マニ
ホールド272は、図示するように、そこから伸びる出口
ランナー396を有する。１本の連続した曲がりくねった
溝398が入口ランナー394と出口ランナー396を相互に接
続し、水素燃料流体を入口ランナー394から出口ランナ
ー396に導く。
する陽極390の第４の態様を示す。陽極390は、図７の陽
極260の前記の開口部に対応する複数の開口部を有する
多孔質導電性シート材料392で作成される。給湿水素の
入口マニホールド270は、図13に示すように、そこから
伸びる入口ランナー394を有する。給湿水素の出口マニ
ホールド272は、図示するように、そこから伸びる出口
ランナー396を有する。１本の連続した曲がりくねった
溝398が入口ランナー394と出口ランナー396を相互に接
続し、水素燃料流体を入口ランナー394から出口ランナ
ー396に導く。
図14は、図13の陽極390に対応する陰極410の態様を示
す。陰極410は、前記の陽極260の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料で作成され
る。給湿空気の入口マニホールド276は、図14に示すよ
うに、そこから伸びる入口ランナー414を有する。給湿
水素の出口マニホールド278は、図示するように、そこ
から伸びる出口ランナー416を有する。１本の連続した
曲がりくねった溝418が入口ランナー414と出口ランナー
416を相互に接続し、酸素含有空気流体を入口ランナー4
14から出口ランナー416に導く。
す。陰極410は、前記の陽極260の開口部に対応する複数
の開口部を有する多孔質導電性シート材料で作成され
る。給湿空気の入口マニホールド276は、図14に示すよ
うに、そこから伸びる入口ランナー414を有する。給湿
水素の出口マニホールド278は、図示するように、そこ
から伸びる出口ランナー416を有する。１本の連続した
曲がりくねった溝418が入口ランナー414と出口ランナー
416を相互に接続し、酸素含有空気流体を入口ランナー4
14から出口ランナー416に導く。
図15は、異なる一体式の反応体流路構成を有する膜電
極アセンブリーを使用した２種類のそれぞれの燃料電池
の性能と、通常（溝なし）の電極及び図13と14に示した
と同様な１本の連続した流路を有する膜電極アセンブリ
ーを使用した燃料電池の性能とを比較する。図15の燃料
電池はナフィオン117（厚さ0.007インチ）イオン交換膜
を使用し、30/30psigの空気／水素の圧力、70℃の温
度、2.0/2.0の空気／水素の化学量論で運転した。ま
た、図15の燃料電池は厚さ0.20インチのグラファイトセ
パレーター層を使用した。電極は厚さ0.27インチの炭素
繊維ペーパーから作成した。各々の燃料電池は、２つの
グラファイト片側冷却ジャケットの間に挿入した。
極アセンブリーを使用した２種類のそれぞれの燃料電池
の性能と、通常（溝なし）の電極及び図13と14に示した
と同様な１本の連続した流路を有する膜電極アセンブリ
ーを使用した燃料電池の性能とを比較する。図15の燃料
電池はナフィオン117（厚さ0.007インチ）イオン交換膜
を使用し、30/30psigの空気／水素の圧力、70℃の温
度、2.0/2.0の空気／水素の化学量論で運転した。ま
た、図15の燃料電池は厚さ0.20インチのグラファイトセ
パレーター層を使用した。電極は厚さ0.27インチの炭素
繊維ペーパーから作成した。各々の燃料電池は、２つの
グラファイト片側冷却ジャケットの間に挿入した。
図15のプロットＡは、図９と10の構成の電極、即ち、
陽極と陰極の両者が膜の反対に向いたそれらの表面に形
成したガス入口とヘッダー溝を有する電極について、電
流密度の関数としての電圧を示す。図15のプロットＢ
は、図11と12の構成の電極、膜の反対に向いたそれらの
表面に形成した枝分かれとかみ合った溝の電極につい
て、電流密度（平方フィートあたりのアンペア）の関数
としての電圧を示す。プロットＡとＢにおいて、電流密
度が増加すると、燃料電池電圧は約1.0ボルトから約0.9
ボルトに若干減少する。プロットＡにおいて、電流密度
が60アンペア／平方フィート以上に増えると、電圧は約
０まで急激に減少する。プロットＢのかみ合った溝の構
成は、プロットＡの構成よりも広い電流密度範囲で高い
電圧レベルを維持し、電流密度が120アンペア／平方フ
ィートを超えると、約０まで鋭い電圧の低下を示す。グ
ラファイトプレートで作成した反応体の流れチャンネル
を備えた従来の構成のプロットＸは、プロットＡ又はプ
ロットＢの構成のいずれよりも広い電流密度範囲で高い
電圧レベルを維持した。
陽極と陰極の両者が膜の反対に向いたそれらの表面に形
成したガス入口とヘッダー溝を有する電極について、電
流密度の関数としての電圧を示す。図15のプロットＢ
は、図11と12の構成の電極、膜の反対に向いたそれらの
表面に形成した枝分かれとかみ合った溝の電極につい
て、電流密度（平方フィートあたりのアンペア）の関数
としての電圧を示す。プロットＡとＢにおいて、電流密
度が増加すると、燃料電池電圧は約1.0ボルトから約0.9
ボルトに若干減少する。プロットＡにおいて、電流密度
が60アンペア／平方フィート以上に増えると、電圧は約
０まで急激に減少する。プロットＢのかみ合った溝の構
成は、プロットＡの構成よりも広い電流密度範囲で高い
電圧レベルを維持し、電流密度が120アンペア／平方フ
ィートを超えると、約０まで鋭い電圧の低下を示す。グ
ラファイトプレートで作成した反応体の流れチャンネル
を備えた従来の構成のプロットＸは、プロットＡ又はプ
ロットＢの構成のいずれよりも広い電流密度範囲で高い
電圧レベルを維持した。
図16は、異なる一体式の反応体流路構成を有する膜電
極アセンブリーを使用した３種類のそれぞれの燃料電池
の性能と、通常（溝なし）の電極及び図13と14に示した
と同様なワンパスの連続した流路チャンネルを有する膜
電極アセンブリーを使用した燃料電池の性能とを比較す
る。燃料電池はナフィオン117（厚さ0.007インチ）イオ
ン交換膜を使用し、30/30psigの空気／水素の圧力、72
℃の温度、2.0/2.0の空気／水素の化学量論で運転し
た。また、図16の燃料電池は厚さ0.20インチのグラファ
イトセパレーター層を使用した。電極は厚さ1.5mmの炭
素繊維ペーパーから作成した。各々の燃料電池は、２つ
のグラファイト片側冷却ジャケットの間に挿入した。
極アセンブリーを使用した３種類のそれぞれの燃料電池
の性能と、通常（溝なし）の電極及び図13と14に示した
と同様なワンパスの連続した流路チャンネルを有する膜
電極アセンブリーを使用した燃料電池の性能とを比較す
る。燃料電池はナフィオン117（厚さ0.007インチ）イオ
ン交換膜を使用し、30/30psigの空気／水素の圧力、72
℃の温度、2.0/2.0の空気／水素の化学量論で運転し
た。また、図16の燃料電池は厚さ0.20インチのグラファ
イトセパレーター層を使用した。電極は厚さ1.5mmの炭
素繊維ペーパーから作成した。各々の燃料電池は、２つ
のグラファイト片側冷却ジャケットの間に挿入した。
図16のプロットＣは、図７と８の電極、即ち、それぞ
れのマニホールドから電極材料の隙間に伸びるガスの入
口と出口を有する陽極と陰極を備えた構成についての電
流密度（アンペア／平方フィート）の関数としての電圧
を示す。図16のプロットＤは、図13と14の構成、即ち、
入口と出口を内部接続する１本の連続の蛇行した溝を有
する陽極と陰極の構成についての電流密度（アンペア／
平方フィート）の関数としての電圧を示す。図16のプロ
ットＥは、図９と10の構成、即ち、陽極と陰極の両者が
膜の反対に向いたそれらの表面に形成したガス入口とヘ
ッダー溝を有する電極についての電流密度（アンペア／
平方フィート）の関数としての電圧を示す。プロット
Ｃ、Ｄ、Ｅにおいて、燃料電池電圧は、電流密度が約30
0アンペア／平方フィートまで増加するにつれて、約1.0
ボルトから約0.6ボルトまでほぼ直線的に減少する。プ
ロットＣ、Ｄにおいて、電流密度が300アンペア／平方
フィート以上になると電圧が約0.2ボルトまで急激に低
下する。プロットＥにおいて、電流密度が400アンペア
／平方フィート以上になると電圧が約0.2ボルトまで急
激に低下する。このように、プロットＥのガス入口と構
成は、ガス入口のみと１本の溝の構造のプロットＣとＤ
よりも広い電流密度範囲で高い電圧レベルを維持する。
プロットＣ、Ｄ、Ｅのそれぞれの構造は、従来のグラフ
ァイトプレートに形成した反応体の流路チャンネルを備
えたプロットＹの構成よりも、広い電流密度範囲にわた
って高い電圧レベルを維持した。
れのマニホールドから電極材料の隙間に伸びるガスの入
口と出口を有する陽極と陰極を備えた構成についての電
流密度（アンペア／平方フィート）の関数としての電圧
を示す。図16のプロットＤは、図13と14の構成、即ち、
入口と出口を内部接続する１本の連続の蛇行した溝を有
する陽極と陰極の構成についての電流密度（アンペア／
平方フィート）の関数としての電圧を示す。図16のプロ
ットＥは、図９と10の構成、即ち、陽極と陰極の両者が
膜の反対に向いたそれらの表面に形成したガス入口とヘ
ッダー溝を有する電極についての電流密度（アンペア／
平方フィート）の関数としての電圧を示す。プロット
Ｃ、Ｄ、Ｅにおいて、燃料電池電圧は、電流密度が約30
0アンペア／平方フィートまで増加するにつれて、約1.0
ボルトから約0.6ボルトまでほぼ直線的に減少する。プ
ロットＣ、Ｄにおいて、電流密度が300アンペア／平方
フィート以上になると電圧が約0.2ボルトまで急激に低
下する。プロットＥにおいて、電流密度が400アンペア
／平方フィート以上になると電圧が約0.2ボルトまで急
激に低下する。このように、プロットＥのガス入口と構
成は、ガス入口のみと１本の溝の構造のプロットＣとＤ
よりも広い電流密度範囲で高い電圧レベルを維持する。
プロットＣ、Ｄ、Ｅのそれぞれの構造は、従来のグラフ
ァイトプレートに形成した反応体の流路チャンネルを備
えたプロットＹの構成よりも、広い電流密度範囲にわた
って高い電圧レベルを維持した。
図17は、一体式の反応体流路を有し、異なる酸化剤流
体を使用した膜電極アセンブリーを用いた２種類の燃料
電池の性能を示す。図17の燃料電池の各々の電極は、図
13と14に示すように、膜の反対に向いたそれらの表面に
フライス加工した連続の蛇行した溝を有した。燃料電池
はナフィオン117（厚さ0.007インチ）イオン交換膜を使
用し、30/30psigの酸化剤／水素の圧力、72℃の温度、
2.0/2.0の空気／水素の化学量論で運転した。電極の厚
さ1.5mmの炭素繊維ペーパーから作成した。膜電極アセ
ンブリーは、厚さ0.100インチのグラファイトで作成し
た素材板の平面（溝なし）セパレータープレートの間に
挿入した。各々の燃料電池を、グラファイト製の２つの
片側冷却ジャケットの間に挿入した。
体を使用した膜電極アセンブリーを用いた２種類の燃料
電池の性能を示す。図17の燃料電池の各々の電極は、図
13と14に示すように、膜の反対に向いたそれらの表面に
フライス加工した連続の蛇行した溝を有した。燃料電池
はナフィオン117（厚さ0.007インチ）イオン交換膜を使
用し、30/30psigの酸化剤／水素の圧力、72℃の温度、
2.0/2.0の空気／水素の化学量論で運転した。電極の厚
さ1.5mmの炭素繊維ペーパーから作成した。膜電極アセ
ンブリーは、厚さ0.100インチのグラファイトで作成し
た素材板の平面（溝なし）セパレータープレートの間に
挿入した。各々の燃料電池を、グラファイト製の２つの
片側冷却ジャケットの間に挿入した。
図17のプロットＥは、酸化剤として酸素含有空気（約
21％の酸素）を使用する構成についての電流密度（アン
ペア／平方フィート）の関数としての電圧を示す。図17
のプロットＧは、酸化剤として実質的に純粋な酸素を使
用する構成についての電流密度の関数としての電圧を示
す。酸化剤として実質的に純粋な酸素を使用する燃料電
池、即ち、プロットＧは、酸素含有空気を使用する燃料
電池よりも広い電流密度範囲で高い電圧を示す。
21％の酸素）を使用する構成についての電流密度（アン
ペア／平方フィート）の関数としての電圧を示す。図17
のプロットＧは、酸化剤として実質的に純粋な酸素を使
用する構成についての電流密度の関数としての電圧を示
す。酸化剤として実質的に純粋な酸素を使用する燃料電
池、即ち、プロットＧは、酸素含有空気を使用する燃料
電池よりも広い電流密度範囲で高い電圧を示す。
まとめると、一体式の反応体流路を有する膜電極アセ
ンブリーを使用する薄くて軽量の燃料電池が提供され
る。電極材料の中の反応体流路の位置は、薄くて軽量な
ガス不透過層に適し、厚いセパレータープレートの除去
を可能にする。他の繰り返し単位との組み合わせにおい
て、本発明は、セパレータープレートに彫り加工した、
フライス加工した、又は注型した流路を有する従来の繰
り返し単位をよりも高い電力／体積と電力／重量の比を
与える燃料電池スタックを提供する。また、電極材料に
存在する流路の位置は、反応体が触媒座に達するために
移行しなければならない距離を減らし、それによって燃
料電池の潜在的な性能を改良する。最後に、一体式の反
応体流路を有する膜電極アセンブリーは、硬質なセパレ
ータープレートにフライス加工した流路を有する従来の
繰り返し単位よりも製造費用が安価である。
ンブリーを使用する薄くて軽量の燃料電池が提供され
る。電極材料の中の反応体流路の位置は、薄くて軽量な
ガス不透過層に適し、厚いセパレータープレートの除去
を可能にする。他の繰り返し単位との組み合わせにおい
て、本発明は、セパレータープレートに彫り加工した、
フライス加工した、又は注型した流路を有する従来の繰
り返し単位をよりも高い電力／体積と電力／重量の比を
与える燃料電池スタックを提供する。また、電極材料に
存在する流路の位置は、反応体が触媒座に達するために
移行しなければならない距離を減らし、それによって燃
料電池の潜在的な性能を改良する。最後に、一体式の反
応体流路を有する膜電極アセンブリーは、硬質なセパレ
ータープレートにフライス加工した流路を有する従来の
繰り返し単位よりも製造費用が安価である。
本発明の特定の部材と応用について説明してきたが、
当然ながら本発明はそれらに限定されるものではなく、
当業者は特にこれまでの技術に照合して改良を行うこと
ができるためである。したがって、本願の請求の範囲
は、そのような改良を含み、本発明の思想と範囲の中に
ある特徴を包含すると解釈すべきである。
当然ながら本発明はそれらに限定されるものではなく、
当業者は特にこれまでの技術に照合して改良を行うこと
ができるためである。したがって、本願の請求の範囲
は、そのような改良を含み、本発明の思想と範囲の中に
ある特徴を包含すると解釈すべきである。
フロントページの続き (73)特許権者 999999999 ボス，ヘンリー エイチ カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ７エヌ ２ジェイ５，ノース バ ンクーバー，ウエスト トゥエンティエ イス ストリート 524 (73)特許権者 999999999 プラター，キース カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ６エヌ １エヌ２，バンクーバ ー，プレスコット ストリート 7049 (72)発明者 ウィルキンソン，デビッド ピー. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ７ケー １ダブリュ４，ノース バンクーバー，コールマン ストリート 1391 (72)発明者 ボス，ヘンリー エイチ. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ７エヌ ２ジェイ５，ノース バ ンクーバー，ウエスト トゥエンティエ イス ストリート 524 (72)発明者 プラター，キース カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ６エヌ １エヌ２，バンクーバ ー，プレスコット ストリート 7049 (56)参考文献 特開 昭63−269458（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−189868（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−126078（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−102774（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−150667（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−267062（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−47671（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−242894（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開80129（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (10)
- 【請求項１】燃料の反応性流体と酸化剤の反応性流体を
反応生成物の流体と電気エネルギーに転化する電気化学
的燃料電池であり、 導電性シート材料で作成された第１セパレーター層と第
２セパレーター層であって、前記シート材料が前記燃料
の反応性流体と酸化剤の反応性流体に対して実質的に不
透過性である第１セパレーター層と第２セパレーター
層、及び 前記第１セパレーター層と第２セパレーター層の間に介
在する膜電極アセンブリーであって、多孔質の導電性シ
ート材料で作成されて付帯の触媒を有するペアの第１と
第２の電極層、及び前記第１電極層と第２電極層の間に
介在するイオン交換膜を備えた膜電極アセンブリー、 を具備し、 前記電極層の各々が、反応性流体の入口、反応性流体の
出口、及び前記入口と前記出口の間の前記電極層の中に
前記反応性流体の一方を流入する手段を備え、 前記流入する手段が、本質的に、前記電極層の少なくと
も一方に内在する間隙からなる、 電気化学的燃料電池。 - 【請求項２】燃料の反応性流体と酸化剤の反応性流体を
反応生成物の流体と電気エネルギーに転化する電気化学
的燃料電池であり、 導電性シート材料で作成された第１セパレーター層と第
２セパレーター層であって、前記シート材料が前記燃料
の反応性流体と酸化剤の反応性流体に対して実質的に不
透過性である第１セパレーター層と第２セパレーター
層、及び 前記第１セパレーター層と第２セパレーター層の間に介
在する膜電極アセンブリーであって、多孔質の導電性シ
ート材料で作成されて付帯の触媒を有するペアの第１と
第２の電極層、及び前記第１電極層と第２電極層の間に
介在するイオン交換膜を備えた膜電極アセンブリー、 を具備し、 前記電極層の各々が、反応性流体の入口、反応性流体の
出口、及び前記入口と前記出口の間の前記電極層の中に
前記反応性流体の一方を流入する手段を備え、 前記電極層の少なくとも一方が、前記少なくとも一方の
電極層の中の反応性流体の流れを分配するためのダム部
材をさらに備えた、 電気化学的燃料電池。 - 【請求項３】燃料の反応性流体と酸化剤の反応性流体を
反応生成物の流体と電気エネルギーに転化する電気化学
的燃料電池であり、 導電性シート材料で作成された第１セパレーター層と第
２セパレーター層であって、前記シート材料が前記燃料
の反応性流体と酸化剤の反応性流体に対して実質的に不
透過性である第１セパレーター層と第２セパレーター
層、及び 前記第１セパレーター層と第２セパレーター層の間に介
在する膜電極アセンブリーであって、多孔質の導電性シ
ート材料で作成されて付帯の触媒を有するペアの第１と
第２の電極層、及び前記第１電極層と第２電極層の間に
介在するイオン交換膜を備えた膜電極アセンブリー、 を具備し、 前記電極層の各々が、反応性流体の入口、反応性流体の
出口、及び前記入口と前記出口の間の前記電極層の中に
前記反応性流体の一方を流入する手段を備え、 前記電極層の少なくとも一方が、前記入口と出口の間の
距離の少なくとも一部にそった前記少なくとも一方の電
極層の中に、反応性流体が流れる細管をさらに備えた、 電気化学的燃料電池。 - 【請求項４】燃料の反応性流体と酸化剤の反応性流体を
反応生成物の流体と電気エネルギーに転化する電気化学
的燃料電池であり、 導電性シート材料で作成された第１セパレーター層と第
２セパレーター層であって、前記シート材料が前記燃料
の反応性流体と酸化剤の反応性流体に対して不透過性で
ある第１セパレーター層と第２セパレーター層、及び 前記第１セパレーター層と第２セパレーター層の間に介
在する膜電極アセンブリーであって、多孔質の導電性シ
ート材料で作成されて付帯の触媒を有するペアの第１と
第２の電極層、及び前記第１電極層と第２電極層の間に
介在するイオン交換膜を備えた膜電極アセンブリー、 を具備し、 前記電極層の各々が、反応性流体の入口、反応性流体の
出口、及び前記入口と前記出口の間の前記電極層の中に
前記反応性流体の一方を流入する手段を備え、 前記電極層の少なくとも一方が、前記膜の反対に向いた
その表面に形成した少なくとも１本の溝を有し、前記電
極層を向いた隣のセパレーター層の表面は実質的に平坦
であり、それによって、前記電極層の表面と前記隣のセ
パレーター層の表面は協同して前記電極層の中に反応性
流体が流れる流路を画定し、 前記少なくとも１本の溝が、前記入口から延長した第１
の溝と前記出口から延長した第２の溝を含み、前記第２
の溝は前記第１の溝と不連続であり、それによって、前
記反応性流体は、前記第１の溝の中から前記電極層の隙
間を通って前記第２の溝に流れる、 電気化学的燃料電池。 - 【請求項５】前記第１の溝と前記第２の溝は枝分かれし
ており、前記第１の溝の枝が前記第２の溝の枝とかみ合
っている請求の範囲第４項に記載の電気化学的燃料電
池。 - 【請求項６】燃料の反応性流体と酸化剤の反応性流体を
反応生成物の流体と電気エネルギーに転化する電気化学
的燃料電池であり、 導電性シート材料で作成された第１セパレーター層と第
２セパレーター層であって、前記シート材料が前記燃料
の反応性流体と酸化剤の反応性流体に対して実質的に不
透過性である第１セパレーター層と第２セパレーター
層、及び 前記第１セパレーター層と第２セパレーター層の間に介
在する膜電極アセンブリーであって、多孔質の導電性シ
ート材料で作成されて付帯の触媒を有するペアの第１と
第２の電極層、及び前記第１電極層と第２電極層の間に
介在するイオン交換膜を備えた膜電極アセンブリー、 を具備し、 前記電極層の各々が、反応性流体の入口、反応性流体の
出口、及び前記入口と前記出口の間の前記電極層の中に
前記反応性流体の一方を流入する手段を備え、 前記電極層の少なくとも一方が、前記膜電極アセンブリ
ーの中に冷却用流体を流すための手段を有し、それによ
って、前記膜電極アセンブリーで発生した熱を前記冷却
用流体に吸収させる、 電気化学的燃料電池。 - 【請求項７】前記流入する手段が、前記冷却用流体を運
ぶ細管を備えた請求の範囲第６項に記載の電気化学的燃
料電池。 - 【請求項８】前記冷却用流体が水である請求の範囲第６
項に記載の電気化学的燃料電池。 - 【請求項９】前記冷却用流体がエチレングリコールであ
る請求の範囲第６項に記載の電気化学的燃料電池。 - 【請求項１０】燃料の反応性流体と酸化剤の反応性流体
を反応生成物の流体と電気エネルギーに転化する電気化
学的燃料電池であり、 導電性シート材料で作成された第１セパレーター層と第
２セパレーター層であって、前記シート材料が前記燃料
の反応性流体と酸化剤の反応性流体に対して実質的に不
透過性である第１セパレーター層と第２セパレーター
層、及び 前記第１セパレーター層と第２セパレーター層の間に介
在する膜電極アセンブリーであって、多孔質の導電性シ
ート材料で作成されて付帯の触媒を有するペアの第１と
第２の電極層、及び前記第１電極層と第２電極層の間に
介在するイオン交換膜を備えた膜電極アセンブリー、 を具備し、 前記電極層の各々が、反応性流体の入口、反応性流体の
出口、及び前記入口と前記出口の間の前記電極層の中に
前記反応性流体の一方を流入する手段を備え、 前記電極層の少なくとも一方が、前記膜の反対に向いた
その表面に形成した少なくとも１本の溝を有し、前記電
極層を向いた隣のセパレーター層の表面は実質的に平坦
であり、それによって、前記電極層の表面と前記隣のセ
パレーター層の表面は協同して前記電極層の中に反応性
流体が流れる流路を画定し、 前記少なくとも１本の溝の側壁がシーラントでコーティ
ングされ、前記シーラントは前記少なくとも１本の溝を
流れる反応体に実質的に不透過性であり、それによっ
て、前記反応体の流れが前記触媒の方に導かれる、 電気化学的燃料電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/759,463 US5252410A (en) | 1991-09-13 | 1991-09-13 | Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages |
| PCT/US1992/007755 WO1994009519A1 (en) | 1991-09-13 | 1992-10-20 | Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08507402A JPH08507402A (ja) | 1996-08-06 |
| JP3110760B2 true JP3110760B2 (ja) | 2000-11-20 |
Family
ID=26785017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06509923A Expired - Fee Related JP3110760B2 (ja) | 1991-09-13 | 1992-10-20 | 一体式の反応体流路を有する軽量な燃料電池膜電極アセンブリー |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5252410A (ja) |
| EP (1) | EP0664928B1 (ja) |
| JP (1) | JP3110760B2 (ja) |
| AU (1) | AU672958B2 (ja) |
| DE (1) | DE69232293T2 (ja) |
| WO (1) | WO1994009519A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7425383B2 (en) | 2001-10-31 | 2008-09-16 | Hitachi, Ltd. | Electrode for polymer electrolyte fuel cell, separator therefore, and polymer electrolyte fuel cell, and generating system using them |
Families Citing this family (151)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5252410A (en) * | 1991-09-13 | 1993-10-12 | Ballard Power Systems Inc. | Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages |
| US5432021A (en) * | 1992-10-09 | 1995-07-11 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for oxidizing carbon monoxide in the reactant stream of an electrochemical fuel cell |
| US5482680A (en) * | 1992-10-09 | 1996-01-09 | Ballard Power Systems, Inc. | Electrochemical fuel cell assembly with integral selective oxidizer |
| EP1146584A3 (en) * | 1992-10-20 | 2004-02-04 | Ballard Power Systems Inc. | Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages |
| US5773162A (en) * | 1993-10-12 | 1998-06-30 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| US5599638A (en) | 1993-10-12 | 1997-02-04 | California Institute Of Technology | Aqueous liquid feed organic fuel cell using solid polymer electrolyte membrane |
| US6703150B2 (en) | 1993-10-12 | 2004-03-09 | California Institute Of Technology | Direct methanol feed fuel cell and system |
| US5413878A (en) * | 1993-10-28 | 1995-05-09 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | System and method for networking electrochemical devices |
| US5527363A (en) * | 1993-12-10 | 1996-06-18 | Ballard Power Systems Inc. | Method of fabricating an embossed fluid flow field plate |
| US5686200A (en) * | 1993-12-22 | 1997-11-11 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell assembly with compliant compression mechanism |
| US5846669A (en) * | 1994-05-12 | 1998-12-08 | Illinois Institute Of Technology | Hybrid electrolyte system |
| US5484666A (en) * | 1994-09-20 | 1996-01-16 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell stack with compression mechanism extending through interior manifold headers |
| CN1059836C (zh) * | 1994-09-21 | 2000-12-27 | 卫生部长春生物制品研究所 | 应用金黄地鼠肾原代细胞生产流行性出血热灭活疫苗 |
| US5863671A (en) * | 1994-10-12 | 1999-01-26 | H Power Corporation | Plastic platelet fuel cells employing integrated fluid management |
| RU2174728C2 (ru) * | 1994-10-12 | 2001-10-10 | Х Пауэр Корпорейшн | Топливный элемент, использующий интегральную технологию пластин для распределения жидкости |
| EP0832504A4 (en) * | 1995-05-17 | 2003-05-28 | H Power Corp | FUEL CELLS WITH PLASTIC BLADES INVOLVING INTEGRATED FLUID MANAGEMENT |
| US5840438A (en) * | 1995-08-25 | 1998-11-24 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell with an electrode substrate having an in-plane nonuniform structure for control of reactant and product transport |
| US20020127452A1 (en) * | 1995-08-25 | 2002-09-12 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell with an electrode having an in-plane nonuniform structure |
| US5620807A (en) * | 1995-08-31 | 1997-04-15 | The Dow Chemical Company | Flow field assembly for electrochemical fuel cells |
| US5631099A (en) * | 1995-09-21 | 1997-05-20 | Hockaday; Robert G. | Surface replica fuel cell |
| US5702755A (en) * | 1995-11-06 | 1997-12-30 | The Dow Chemical Company | Process for preparing a membrane/electrode assembly |
| US6312845B1 (en) | 1995-10-06 | 2001-11-06 | The Dow Chemical Company | Macroporous flow field assembly |
| US5641586A (en) * | 1995-12-06 | 1997-06-24 | The Regents Of The University Of California Office Of Technology Transfer | Fuel cell with interdigitated porous flow-field |
| EP0788172B1 (en) * | 1996-02-05 | 2001-12-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fuel cell for mounting on equipment |
| JP3540491B2 (ja) * | 1996-03-07 | 2004-07-07 | 政廣 渡辺 | 燃料電池及び電解セル並びにその冷却・除湿方法 |
| US5686199A (en) * | 1996-05-07 | 1997-11-11 | Alliedsignal Inc. | Flow field plate for use in a proton exchange membrane fuel cell |
| US5804326A (en) * | 1996-12-20 | 1998-09-08 | Ballard Power Systems Inc. | Integrated reactant and coolant fluid flow field layer for an electrochemical fuel cell |
| US5776624A (en) * | 1996-12-23 | 1998-07-07 | General Motors Corporation | Brazed bipolar plates for PEM fuel cells |
| US5759712A (en) * | 1997-01-06 | 1998-06-02 | Hockaday; Robert G. | Surface replica fuel cell for micro fuel cell electrical power pack |
| US5976726A (en) * | 1997-05-01 | 1999-11-02 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical cell with fluid distribution layer having integral sealing capability |
| US5776625A (en) * | 1997-06-18 | 1998-07-07 | H Power Corporation | Hydrogen-air fuel cell |
| CA2296384C (en) * | 1997-07-16 | 2004-09-28 | Ballard Power Systems Inc. | Resilient seal for membrane electrode assembly (mea) in an electrochemical fuel cell and method of making same |
| US6232008B1 (en) | 1997-07-16 | 2001-05-15 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell stack with improved reactant manifolding and sealing |
| US6096449A (en) | 1997-11-20 | 2000-08-01 | Avista Labs | Fuel cell and method for controlling same |
| US6030718A (en) | 1997-11-20 | 2000-02-29 | Avista Corporation | Proton exchange membrane fuel cell power system |
| WO1999041796A1 (de) * | 1998-02-10 | 1999-08-19 | H2-Interpower Gmbh | Brennstoffzelle |
| DE19808331C2 (de) | 1998-02-27 | 2002-04-18 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Gasverteiler für eine Brennstoffzelle |
| DE19821976C2 (de) * | 1998-05-18 | 2003-01-16 | Freudenberg Carl Kg | Brennstoffzelle |
| JPH11354142A (ja) * | 1998-06-11 | 1999-12-24 | Toshiba Corp | 固体高分子電解質型燃料電池 |
| GB9814123D0 (en) | 1998-07-01 | 1998-08-26 | British Gas Plc | Electrochemical fuel cell |
| US6015633A (en) * | 1998-10-07 | 2000-01-18 | Plug Power, L.L.C. | Fluid flow plate for water management, method for fabricating same, and fuel cell employing same |
| EP1145351A2 (en) | 1998-10-29 | 2001-10-17 | 3M Innovative Properties Company | Microstructured flow fields |
| US6124051A (en) * | 1998-11-13 | 2000-09-26 | Phoenix Analysis And Design Technologies | Fuel cell stack with novel cooling and gas distribution systems |
| CA2290089A1 (en) * | 1998-11-24 | 2000-05-24 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell with an electrode having an in-plane nonuniform structure |
| US6326097B1 (en) | 1998-12-10 | 2001-12-04 | Manhattan Scientifics, Inc. | Micro-fuel cell power devices |
| US6194095B1 (en) | 1998-12-15 | 2001-02-27 | Robert G. Hockaday | Non-bipolar fuel cell stack configuration |
| CN1224126C (zh) | 1998-12-25 | 2005-10-19 | 亚乐克株式会社 | 燃料电池 |
| US20020192531A1 (en) * | 1998-12-30 | 2002-12-19 | Joerg Zimmerman | Liquid reactant flow field plates for liquid feed fuel cells |
| US6602631B1 (en) * | 1999-01-26 | 2003-08-05 | Lynntech Power Systems, Ltd. | Bonding electrochemical cell components |
| US6638654B2 (en) * | 1999-02-01 | 2003-10-28 | The Regents Of The University Of California | MEMS-based thin-film fuel cells |
| DE19916239C2 (de) * | 1999-04-10 | 2001-07-05 | Piller Gmbh | Brennstoffzelle |
| DE10029468A1 (de) * | 1999-06-23 | 2001-04-12 | Daihatsu Motor Co Ltd | Brennstoffzellensystem |
| GB9915925D0 (en) * | 1999-07-08 | 1999-09-08 | Univ Loughborough | Flow field plates |
| US6280870B1 (en) | 1999-08-26 | 2001-08-28 | Plug Power Inc. | Combined fuel cell flow plate and gas diffusion layer |
| US6291089B1 (en) | 1999-10-26 | 2001-09-18 | Alliedsignal Inc. | Radial planar fuel cell stack construction for solid electrolytes |
| US6780533B2 (en) * | 1999-12-17 | 2004-08-24 | Utc Fuel Cells, Llc | Fuel cell having interdigitated flow channels and water transport plates |
| BR0016442A (pt) * | 1999-12-17 | 2002-10-01 | Int Fuel Cells Llc | Central de força de célula de combustìvel, e, processo de operação da mesma. |
| US6413664B1 (en) | 1999-12-23 | 2002-07-02 | Ballard Power Systems Inc. | Fuel cell separator plate with discrete fluid distribution features |
| AU2516901A (en) * | 2000-01-19 | 2001-07-31 | Manhattan Scientifics, Inc. | Fuel cell stack with cooling fins and use of expanded graphite in fuel cells |
| DE10007763B4 (de) * | 2000-02-20 | 2017-04-06 | General Motors Corp. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) | Brennstoffzellenanordnung |
| EP1265303B1 (en) * | 2000-03-07 | 2009-07-01 | Panasonic Corporation | Polymer electrolyte fuel cell and method of manufacturing the same |
| US6835488B2 (en) * | 2000-05-08 | 2004-12-28 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell with patterned electrolyte/electrode interface |
| US6468682B1 (en) | 2000-05-17 | 2002-10-22 | Avista Laboratories, Inc. | Ion exchange membrane fuel cell |
| EP1290068B1 (en) | 2000-06-02 | 2010-08-25 | SRI International | Polymer membrane composition |
| GB0020051D0 (en) * | 2000-08-16 | 2000-10-04 | Mat & Separations Tech Int Ltd | Improved fuel cell structure |
| US7592089B2 (en) | 2000-08-31 | 2009-09-22 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Fuel cell with variable porosity gas distribution layers |
| US6566004B1 (en) | 2000-08-31 | 2003-05-20 | General Motors Corporation | Fuel cell with variable porosity gas distribution layers |
| CA2391587C (en) * | 2000-09-18 | 2008-08-05 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| JP2002100372A (ja) * | 2000-09-22 | 2002-04-05 | Japan Storage Battery Co Ltd | 燃料電池用ガス拡散電極およびその製造方法 |
| US6682835B2 (en) * | 2000-12-22 | 2004-01-27 | Utc Fuel Cells, Llc | Method and apparatus for increasing the operational efficiency of a fuel cell power plant |
| US6689503B2 (en) * | 2001-02-15 | 2004-02-10 | Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. | Fuel cell with uniform compression device |
| US6503653B2 (en) | 2001-02-23 | 2003-01-07 | General Motors Corporation | Stamped bipolar plate for PEM fuel cell stack |
| US6689500B2 (en) * | 2001-03-29 | 2004-02-10 | Power Plug, Inc. | Cooling a fuel cell stack |
| TW488111B (en) | 2001-04-16 | 2002-05-21 | Asia Pacific Fuel Cell Tech | Anode stream recirculation system for a fuel cell |
| US6878477B2 (en) * | 2001-05-15 | 2005-04-12 | Hydrogenics Corporation | Fuel cell flow field plate |
| US20050095492A1 (en) * | 2001-05-15 | 2005-05-05 | Hydrogenics Corporation | Fuel cell stack |
| US6852439B2 (en) * | 2001-05-15 | 2005-02-08 | Hydrogenics Corporation | Apparatus for and method of forming seals in fuel cells and fuel cell stacks |
| JP3530834B2 (ja) * | 2001-05-25 | 2004-05-24 | 新光電気工業株式会社 | 燃料電池及び多層燃料電池用セル |
| US7316855B2 (en) | 2001-06-01 | 2008-01-08 | Polyfuel, Inc. | Fuel cell assembly for portable electronic device and interface, control, and regulator circuit for fuel cell powered electronic device |
| US7005206B2 (en) | 2001-06-01 | 2006-02-28 | Polyfuel, Inc. | Fuel cell assembly for portable electronic device and interface, control, and regulator circuit for fuel cell powered electronic device |
| US6720101B1 (en) | 2001-06-08 | 2004-04-13 | Palcan Fuel Cell Co. Ltd | Solid cage fuel cell stack |
| TW533620B (en) | 2001-07-24 | 2003-05-21 | Asia Pacific Fuel Cell Tech | Metal hydride hydrogen storage canister design and its manufacture |
| US6913847B2 (en) | 2001-07-25 | 2005-07-05 | Ballard Power Systems Inc. | Fuel cell system having a hydrogen sensor |
| TW511316B (en) | 2001-08-15 | 2002-11-21 | Asia Pacific Fuel Cell Tech | Diaphragm pump and anode stream recirculation system using such pump for a fuel cell |
| CN1295806C (zh) * | 2001-08-16 | 2007-01-17 | 亚太燃料电池科技股份有限公司 | 具有均布压力装置的燃料电池 |
| US6780536B2 (en) * | 2001-09-17 | 2004-08-24 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
| DE10158848B4 (de) * | 2001-10-15 | 2004-02-26 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Elektrochemische Elektrode, Elektroden-Membran-Einheit und Verfahren zur Herstellung einer elektrochemischen Elektrode sowie deren Verwendung |
| US7150933B1 (en) | 2002-02-06 | 2006-12-19 | Angstrom Power, Inc. | Method of manufacturing high power density fuel cell layers with micro structured components |
| CN100358177C (zh) * | 2002-02-06 | 2007-12-26 | 昂斯特罗姆动力公司 | 具有微型结构元件的高功率密度燃料电池层设备 |
| US6989215B1 (en) | 2002-02-06 | 2006-01-24 | Angstrom Power | Apparatus of high power density fuel cell layer with micro structured components |
| ATE414753T1 (de) * | 2002-02-19 | 2008-12-15 | Honeywell Int Inc | Wärmeträger mit hohem elektrischem widerstand für brennstoffzellaggregate |
| US6969563B1 (en) | 2002-03-01 | 2005-11-29 | Angstrom Power | High power density fuel cell stack using micro structured components |
| EP1517929B1 (en) | 2002-05-13 | 2010-07-14 | University Of North Florida Board of Trustees | Sulfonated copolymer |
| US7354679B2 (en) | 2002-05-13 | 2008-04-08 | Polyfuel, Inc. | Ion conductive random copolymers |
| US7094490B2 (en) | 2002-05-13 | 2006-08-22 | Polyfuel, Inc. | Ion conductive block copolymers |
| US6858341B2 (en) * | 2002-05-21 | 2005-02-22 | Idatech, Llc | Bipolar plate assembly, fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same |
| EP1514322A2 (en) * | 2002-05-31 | 2005-03-16 | Lynntech, Inc. | Electrochemical cell and bipolar assembly for an electrochemical cell |
| US6833709B2 (en) * | 2002-07-26 | 2004-12-21 | Motorola, Inc. | Low loss fuel cell configuration |
| CN100347896C (zh) * | 2002-11-20 | 2007-11-07 | 许纲 | 一种燃料电池膜电极及其制造方法 |
| US7282291B2 (en) | 2002-11-25 | 2007-10-16 | California Institute Of Technology | Water free proton conducting membranes based on poly-4-vinylpyridinebisulfate for fuel cells |
| US7736783B2 (en) * | 2002-12-04 | 2010-06-15 | Lynntech, Inc. | Very thin, light bipolar plates |
| US20040140166A1 (en) * | 2003-01-21 | 2004-07-22 | Delphi Technologies Inc. | Integral rotor and tone wheel |
| US7482088B2 (en) * | 2003-01-31 | 2009-01-27 | 3M Innovative Properties Company | Flow field |
| US20090280392A2 (en) * | 2003-03-25 | 2009-11-12 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Electrochemical cell component |
| WO2004102708A2 (en) * | 2003-05-15 | 2004-11-25 | Nissan Motor Co., Ltd. | Prevention of flooding of fuel cell stack |
| EP1625633A1 (en) * | 2003-05-16 | 2006-02-15 | Hydrogenics Corporation | Symmetrical flow field plates |
| US20040259001A1 (en) * | 2003-06-19 | 2004-12-23 | Mclean Gerard Francis | Method of making an electrochemical cell |
| AU2003304303A1 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-21 | Li, Sanyou | Integrative membrane electrode for an electrochemical device and production method of the same |
| US20050069749A1 (en) * | 2003-08-15 | 2005-03-31 | David Frank | Flow field plate arrangement |
| US6974648B2 (en) * | 2003-09-12 | 2005-12-13 | General Motors Corporation | Nested bipolar plate for fuel cell and method |
| US20050058867A1 (en) * | 2003-09-15 | 2005-03-17 | Intel Corporation | Integrated platform and fuel cell cooling |
| US20050058866A1 (en) * | 2003-09-15 | 2005-03-17 | Intel Corporation | Integrated platform and fuel cell cooling |
| WO2005028712A1 (en) * | 2003-09-22 | 2005-03-31 | Hydrogenics Corporation | Electrolyzer cell stack system |
| WO2005028714A1 (en) * | 2003-09-22 | 2005-03-31 | Hydrogenics Corporation | Apparatus and method for reducing instances of pump de-priming |
| CA2538738A1 (en) * | 2003-09-22 | 2005-03-31 | Hydrogenics Corporation | Electrolyzer cell arrangement |
| US20050100774A1 (en) * | 2003-11-07 | 2005-05-12 | Abd Elhamid Mahmoud H. | Novel electrical contact element for a fuel cell |
| US8486575B2 (en) * | 2004-02-05 | 2013-07-16 | GM Global Technology Operations LLC | Passive hydrogen vent for a fuel cell |
| US7241525B2 (en) * | 2004-04-06 | 2007-07-10 | Angstrom Power Inc. | Fuel cell layer with reactor frame |
| US7195652B2 (en) * | 2004-04-06 | 2007-03-27 | Angstrom Power | Method for forming compact chemical reactors with reactor frames |
| US7063910B2 (en) * | 2004-04-06 | 2006-06-20 | Angstrom Power | Compact chemical reactor with reactor frame |
| US7052795B2 (en) * | 2004-04-06 | 2006-05-30 | Angstrom Power | Compact chemical reactor |
| US7458997B2 (en) * | 2004-04-06 | 2008-12-02 | Angstrom Power Incorporated | Method for making compact chemical reactors |
| US7067217B2 (en) * | 2004-04-06 | 2006-06-27 | Angstrom Power | Compact fuel cell layer |
| GB2413002B (en) * | 2004-04-08 | 2006-12-06 | Intelligent Energy Ltd | Fuel cell gas distribution |
| US8101319B2 (en) * | 2004-05-20 | 2012-01-24 | GM Global Technology Operations LLC | Approach to make a high performance membrane electrode assembly (MEA) for a PEM fuel cell |
| US7687183B2 (en) * | 2004-08-25 | 2010-03-30 | Gm Global Technology Operations, Inc. | Electrochemical fuel cell elements having improved compression over channels |
| KR100637490B1 (ko) * | 2004-09-17 | 2006-10-20 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 스택과 이를 갖는 연료 전지 시스템 |
| JP4652015B2 (ja) * | 2004-10-21 | 2011-03-16 | 電源開発株式会社 | 燃料電池 |
| US20060093890A1 (en) * | 2004-10-29 | 2006-05-04 | Steinbroner Matthew P | Fuel cell stack compression systems, and fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same |
| US20060210855A1 (en) * | 2005-03-15 | 2006-09-21 | David Frank | Flow field plate arrangement |
| US20060210857A1 (en) * | 2005-03-15 | 2006-09-21 | David Frank | Electrochemical cell arrangement with improved mea-coolant manifold isolation |
| DE502005004821D1 (de) * | 2005-09-06 | 2008-09-04 | Sgl Carbon Ag | Elektroden für Brennstoffzellen |
| US7833645B2 (en) | 2005-11-21 | 2010-11-16 | Relion, Inc. | Proton exchange membrane fuel cell and method of forming a fuel cell |
| US20080032174A1 (en) * | 2005-11-21 | 2008-02-07 | Relion, Inc. | Proton exchange membrane fuel cells and electrodes |
| US8053138B2 (en) * | 2005-12-29 | 2011-11-08 | Utc Power Corporation | Stabilized fuel cell flow field |
| JP5076360B2 (ja) * | 2006-05-16 | 2012-11-21 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池スタック並びにその製造方法 |
| JP5162937B2 (ja) * | 2007-03-29 | 2013-03-13 | ソニー株式会社 | 燃料電池 |
| US8026020B2 (en) * | 2007-05-08 | 2011-09-27 | Relion, Inc. | Proton exchange membrane fuel cell stack and fuel cell stack module |
| US9293778B2 (en) | 2007-06-11 | 2016-03-22 | Emergent Power Inc. | Proton exchange membrane fuel cell |
| KR101056721B1 (ko) * | 2007-06-26 | 2011-08-16 | 기아자동차주식회사 | 연료전지 분리판의 접착부 기밀구조 |
| US8003274B2 (en) | 2007-10-25 | 2011-08-23 | Relion, Inc. | Direct liquid fuel cell |
| US8916313B2 (en) * | 2009-07-16 | 2014-12-23 | Ford Motor Company | Fuel cell |
| US20110014537A1 (en) * | 2009-07-16 | 2011-01-20 | Ford Motor Company | Fuel cell |
| US9793555B2 (en) * | 2009-09-01 | 2017-10-17 | Panasonic Corporation | Membrane electrode assembly with gas diffusion layers having a rib porosity and method of manufacturing the same, as well as fuel cell |
| CN102484263B (zh) * | 2009-09-03 | 2015-06-03 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池用气体扩散层及其制造方法、膜电极组件以及燃料电池 |
| US8846269B2 (en) * | 2010-03-17 | 2014-09-30 | Panasonic Corporation | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same |
| JP5730708B2 (ja) * | 2011-08-08 | 2015-06-10 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | 燃料電池 |
| CA2818176C (en) * | 2013-02-08 | 2015-11-24 | Veolia Water Solutions & Technologies North America, Inc. | Method of recovering oil and producing produced water that is concentrated and dried by a double drum dryer |
| KR102371046B1 (ko) * | 2016-07-15 | 2022-03-07 | 현대자동차주식회사 | 연료전지용 엔드셀 히터 |
| US20190088974A1 (en) * | 2017-09-19 | 2019-03-21 | Phillips 66 Company | Method for compressing a solid oxide fuel cell stack |
| CN109768298B (zh) * | 2018-12-13 | 2021-07-30 | 中南大学 | 质子交换膜燃料电池 |
Family Cites Families (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| BE617375A (ja) * | 1961-05-08 | 1900-01-01 | ||
| US3589942A (en) * | 1966-12-22 | 1971-06-29 | Cons Natural Gas Svc | Bipolar collector plates |
| US3554809A (en) * | 1967-12-18 | 1971-01-12 | Gen Electric | Process and apparatus for distributing fluid inerts with respect to the electrodes of a fuel battery |
| US4175165A (en) * | 1977-07-20 | 1979-11-20 | Engelhard Minerals & Chemicals Corporation | Fuel cell system utilizing ion exchange membranes and bipolar plates |
| US4129685A (en) * | 1977-08-15 | 1978-12-12 | United Technologies Corp. | Fuel cell structure |
| US4233369A (en) * | 1979-10-29 | 1980-11-11 | United Technologies Corporation | Fuel cell cooler assembly and edge seal means therefor |
| JPS5693268A (en) * | 1979-12-27 | 1981-07-28 | Hitachi Ltd | Fuel cell |
| US4279970A (en) * | 1980-02-20 | 1981-07-21 | Electric Power Research Institute, Inc. | Electrochemical cell including ribbed electrode substrates |
| DE3013043C2 (de) * | 1980-04-03 | 1983-03-10 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Brennstoffzellenbatterie |
| US4345008A (en) * | 1980-12-24 | 1982-08-17 | United Technologies Corporation | Apparatus for reducing electrolyte loss from an electrochemical cell |
| CA1181391A (en) * | 1981-11-13 | 1985-01-22 | Energy Research Corporation | Fuel cell cooling assembly |
| JPS60227361A (ja) * | 1984-04-25 | 1985-11-12 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | 燃料電池の反応ガス給排内部構造 |
| JPS6132361A (ja) * | 1984-07-23 | 1986-02-15 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| DE3576248D1 (de) * | 1984-10-17 | 1990-04-05 | Hitachi Ltd | Verfahren zur herstellung einer flexiblen brennstoffzellenelektrode, ausgehend von kohlepapier. |
| US4855193A (en) * | 1986-06-20 | 1989-08-08 | United Technologies Corporation | Bipolar fuel cell |
| AT389020B (de) * | 1986-08-08 | 1989-10-10 | Peter Dipl Ing Dr Schuetz | Brennstoffzelle |
| JPS63269458A (ja) * | 1987-04-28 | 1988-11-07 | Shin Kobe Electric Mach Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2569550B2 (ja) * | 1987-05-08 | 1997-01-08 | 石川島播磨重工業株式会社 | 燃料電池の温度分布改善方法 |
| US4826741A (en) * | 1987-06-02 | 1989-05-02 | Ergenics Power Systems, Inc. | Ion exchange fuel cell assembly with improved water and thermal management |
| US4826742A (en) * | 1988-01-21 | 1989-05-02 | International Fuel Cells Corporation | Water and heat management in solid polymer fuel cell stack |
| US4929517A (en) * | 1988-09-19 | 1990-05-29 | International Fuel Cells Corp. | Electrochemical cell assembly |
| US4988583A (en) * | 1989-08-30 | 1991-01-29 | Her Majesty The Queen As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government | Novel fuel cell fluid flow field plate |
| US5260143A (en) * | 1991-01-15 | 1993-11-09 | Ballard Power Systems Inc. | Method and apparatus for removing water from electrochemical fuel cells |
| US5252410A (en) * | 1991-09-13 | 1993-10-12 | Ballard Power Systems Inc. | Lightweight fuel cell membrane electrode assembly with integral reactant flow passages |
| US5292600A (en) * | 1992-08-13 | 1994-03-08 | H-Power Corp. | Hydrogen power cell |
-
1991
- 1991-09-13 US US07/759,463 patent/US5252410A/en not_active Expired - Lifetime
-
1992
- 1992-10-20 EP EP92924099A patent/EP0664928B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-10-20 WO PCT/US1992/007755 patent/WO1994009519A1/en active IP Right Grant
- 1992-10-20 DE DE69232293T patent/DE69232293T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1992-10-20 JP JP06509923A patent/JP3110760B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1992-10-20 AU AU30540/92A patent/AU672958B2/en not_active Ceased
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7425383B2 (en) | 2001-10-31 | 2008-09-16 | Hitachi, Ltd. | Electrode for polymer electrolyte fuel cell, separator therefore, and polymer electrolyte fuel cell, and generating system using them |
| US7659028B2 (en) | 2001-10-31 | 2010-02-09 | Hitachi, Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08507402A (ja) | 1996-08-06 |
| EP0664928A4 (en) | 1995-11-29 |
| AU3054092A (en) | 1994-05-09 |
| EP0664928B1 (en) | 2001-12-12 |
| EP0664928A1 (en) | 1995-08-02 |
| DE69232293T2 (de) | 2002-08-08 |
| DE69232293D1 (de) | 2002-01-24 |
| WO1994009519A1 (en) | 1994-04-28 |
| AU672958B2 (en) | 1996-10-24 |
| US5252410A (en) | 1993-10-12 |
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| US5382478A (en) | Electrochemical fuel cell stack with humidification section located upstream from the electrochemically active section | |
| US5879826A (en) | Proton exchange membrane fuel cell | |
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