JP4634359B2

JP4634359B2 - 燃料電池スタック及び当該燃料電池スタックの不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御する方法

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Publication number: JP4634359B2
Application number: JP2006276371A
Authority: JP
Inventors: スティーヴン・ジー・ゴーベル; ジェフリー・エイ・ロック; ディルク・レンシンク; スティーヴン・ジェイ・スペンサー; ウィリアム・エイチ・ペティット
Original assignee: ジーエム・グローバル・テクノロジー・オペレーションズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2011-02-16
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Description

本発明は、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池に係り、より詳しくは、燃料電池スタック内で隣接する燃料電池を分離する非結合二極式プレート内の加圧冷却剤に関する。

燃料電池は、多数の用途で電源として使用されてきた。例えば、燃料電池は内燃エンジンに取って代わるため電気自動車のパワープラントで使用することが提案された。陽子交換膜（ＰＥＭ）式燃料電池では、水素（又は水素含有ガス）が燃料電池のアノードに供給され、酸素がカソードに酸化剤として供給される。酸素は、純粋な形態（Ｏ_２）及び空気（Ｏ_２及びＮ_２の混合物）のいずれであってもよい。ＰＥＭ燃料電池は、薄い陽子伝達性の非導電性固体ポリマー電解質膜を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、該電解質膜は、一方の面にアノード触媒を、反対側の面にカソード触媒を有する。

「燃料電池」という用語は、典型的には、文脈に応じて単一の電池又は複数の電池（スタック）を参照するため使用される。複数の個々の電池は、典型的には、燃料電池スタックを形成するため一緒に束ねられており、一般に、電気的に直列に配列されている。スタック内の各電池は、上述された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を備え、そのようなＭＥＡの各々は、電圧のその増分を提供する。スタック内の一群の電池は、クラスターと称される。例を用いると、スタック内の多数の電池のための典型的な配列が米国特許番号５，７６３，１１３号に示され、記載されている。

燃料電池スタックは、カソード注入ガス、典型的にはコンプレッサによりスタックを通して強制的に供給された空気の流れを受け取る。酸素のうち必ずしも全てがスタックにより消費されるとは限らず、空気の一部は、スタック副産物として水を含み得るカソード排ガスとして放出される。燃料電池スタックは、スタックのアノード側へと流れるアノード水素注入ガスも受け取る。

燃料電池スタックは、スタック内で幾つかのＭＥＡの間に配置された一連の流れ場プレート又は二極式プレートを備えている。二極式プレートは、スタック内で隣接する燃料電池に対するアノード側及びカソード側を備える。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側に設けられ、該二極式プレートはアノードガスを各々のＭＥＡのアノード側へと流す。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側に設けられ、該二極式プレートはカソードガスを各々のＭＥＡのカソード側へと流す。二極式プレートは、例えばステンレス鋼等の導電性材料から作られているので、燃料電池により発生した電気を一つの電池から次の電池へと流し、並びにスタック外部へと流す。

２００５年３月１７日に公開された「燃料電池のための入れ子式二極式プレート及び方法」と題された米国特許出願２００５／００５８８６４号Ａ１の発明者らによって、燃料電池スタックの厚さ又は繰り返し距離を、燃料電池の活性供給領域内で流れチャンネルを入れ子にすることにより減少することができることが以前に提案された。該特許出願の内容は参照により本願に組み込まれる。この設計では、燃料電池スタックは、スタック内の隣接する燃料電池のため２つのＭＥＡを備える（二極式プレート当たり一つのＭＥＡが存在する）。各々のＭＥＡは、上記に参照された種類の膜、アノード側触媒層及びカソード側触媒層を備えている。アノード側ガス拡散媒体層がＭＥＡに隣接して配置され、カソード側ガス拡散媒体層がＭＥＡに隣接して配置される。二極式プレートアッセンブリは、拡散媒体層の間に配置される。二極式プレートアッセンブリは、入れ子式の構成で一緒に組みつけられた２つの打ち抜き金属二極式プレートを備える。入れ子式プレートは平行なアノードガス流れチャンネルと平行なカソードガス流れチャンネルを形成し、該アノード流れチャンネルはＭＥＡのアノード側に水素を流し、カソード流れチャンネルはＭＥＡのカソード側に空気を流す。加えて、該プレートは、冷却剤流れチャンネルを形成し、該冷却剤流れチャンネルを通って冷却流体が流れて燃料電池スタックを冷却する。

入れ子式プレートにより提供された減少したスタック厚さを損なうこと無く、又は流れチャンネルの容積を変更すること無く、スタックの活性供給領域における入れ子式二極式プレートから、スタックの不活性供給領域における非入れ子式二極式プレートまでの遷移を提供する燃料電池スタック内の燃料電池は、２００４年１２月１０日に出願された、「小型燃料電池のための入れ子式打ち抜きプレートのための反応物供給方法」と題された、米国特許出願シリアル番号１１／００９，３７８号の発明者らにより提案された。該特許出願の内容は参照により本願に組み込まれる。特に、スタックの燃料電池内の拡散媒体層は、不活性供給領域で除去される。該不活性供給領域では、二極式プレートは非入れ子式であり、隣接するＭＥＡの間の距離を増大させる必要無しに流れチャンネルの容積を維持するため必要となる容積が提供される。更に加えて、不活性供給領域ではＭＥＡの膜に触媒作用が及ばない。膜が流れチャンネル内に入り込み、反応物流れを遮断することを防止すべく拡散媒体層が除去されている膜を支持するように、不活性供給領域内で膜とプレートとの間に薄いシムを設けることができる。しかし、電気接触抵抗を減少させるため、活性供給領域内で拡散媒体と二極式プレートとの適切な接触を確保するように不活性供給領域においてクリアランスギャップが必要とされる。これらのクリアランスギャップは、部品厚さの許容誤差におけるばらつきに起因して、電池内で及びスタック内の電池から電池へと至る反応物流れの均一性及び圧力の変動を生じさせる。

従って、当該技術分野で必要とされているものは、活性供給領域において入れ子式二極式プレートを用いた燃料電池及び燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため、不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御する方法である。

本発明は、活性供給領域内の二極式プレートが入れ子にされている燃料電池及び燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため、非結合式で、非入れ子式の二極式プレートを利用して不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御する方法に関する。本明細書において「非結合式」とは、非入れ子式の二極式プレートが不活性供給領域において互いに浮動可能に設けられていることを意味する。

燃料電池及び燃料電池スタックでは、拡散媒体と二極式プレートとの間の電気接触抵抗を減少させるため、組み立て時に、活性供給領域の拡散媒体に亘って圧縮負荷を担持することが必要となる。このことを確実にするため、二極式プレートと膜若しくは不活性供給領域におけるシムとの間にクリアランスギャップが要求される。部分的な厚さの許容誤差におけるばらつきに起因して、不活性供給領域におけるクリアランスギャップは、燃料電池間で変動し、これにより、反応物流れに影響を及ぼす反応物チャンネルの高さのばらつきを生じさせる。活性供給領域と比較して、不活性供給領域において、全反応物のより大きい部分の圧力降下が発生するので、反応物流れは、クリアランスギャップにおけるばらつきに対してより敏感である。冷却剤流れに対しては、しかし、冷却剤圧力降下のほとんどは、活性供給領域において発生するので、不活性供給領域における冷却剤の圧力のばらつきは、あまり重要ではない。

本発明によれば、活性供給領域の二極式プレートが入れ子にされている燃料電池及び燃料電池スタック内の反応物流れの均一性及び圧力を提供するため、非入れ子式二極式プレートを利用して不活性供給領域内のクリアランスギャップを制御するには、不活性供給領域内の非入れ子式二極式プレートが非結合にされ、冷却剤流れが反応物圧力よりも加圧され、二極式プレートは、不活性供給領域における非結合式の二極式プレートの二極式プレート高さが、燃料電池スタック内で各燃料電池の不活性供給領域でクリアランスギャップが確実に形成されるように打ち抜き加工されている。

冷却剤流れを反応物圧力よりも加圧することに関連して不活性供給領域において非結合式二極式プレートを利用することは、不活性供給領域における冷却剤チャンネルにおいてのみクリアランスギャップを提供し、これにより、反応物チャンネルの高さのばらつきを排除する。かくして、入れ子にされた活性供給領域を有する燃料電池スタック内の各燃料電池の不活性供給領域における冷却剤チャンネルのクリアランスギャップは、燃料電池及び燃料電池スタック内で反応物流れの均一性及び圧力を提供する。前述したように、冷却剤圧力降下は、不活性供給領域における反応物流れ圧力降下よりも不活性供給領域におけるクリアランスギャップの高さのばらつきに、より鈍感であるからである。

以下、添付図面を参照して本発明を説明する。図面では、図面を通して同様の参照番号は同様の構成要素を指し示す。
図１は、本発明に係る燃料電池スタック１０の不活性領域の一部分の断面図である（前記した米国特許出願番号２００５／００５８８６４Ａ１に記載されている）。アノード側ガス拡散媒体層１６が膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１２に隣接して配置され、カソード側ガス拡散媒体層１８が膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４に隣接して配置されている。拡散媒体層１６及び１８は、膜電極アッセンブリ１２及び１４への注入ガス輸送及び該膜電極アッセンブリ１２及び１４からの水輸送を提供する多孔性層である。様々な技術が、膜電極アッセンブリ１２及び１４内の膜上に又は拡散媒体層１６及び１８上に触媒層を堆積させるため関連分野において知られている。

二極式プレート２０は、拡散媒体層１６及び１８の間に配置されている。二極式プレートアッセンブリ２０は、図示の入れ子式構成において一緒に組み立てられた２つの打ち抜き金属二極式プレートとしてアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４を備えている。入れ子式のアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４は、平行なアノードガス流れチャンネル２８と、平行なカソードガス流れチャンネル３０とを形成し、アノード流れチャンネル２８はアノード側膜電極アッセンブリ１２へ水素を流し、カソード流れチャンネル３０はカソード側膜電極アッセンブリ１４へ空気を流す。更に加えて、関連分野で十分に理解されているように、アノード側プレート２２及びカソード側プレート２４との間に、冷却剤流れチャンネル３２を形成し、該冷却剤流れチャンネル３２を通して、冷却流体が流れて燃料電池スタック１０を冷却する。この設計では、冷却剤流れチャンネル３２の容積は、従来技術の非入れ子式打ち抜きプレートに設けられている冷却剤チャンネルの容積よりも小さく、燃料電池スタック１０の繰り返し距離を減少させる。既知の冷却剤チャンネルよりも冷却剤流れチャンネル３２の容積を減少することは、冷却剤チャンネルの冷却能力には実質的な影響を及ぼさない。既知のより大きなチャンネルは、必要な冷却を提供するのに適切な大きさよりも大きかったからである。冷却剤容積の減少は、システム始動の間に加熱されなければならない熱質量を減少させる。

アノード流れチャンネル２８は、燃料電池スタック１０の各端部でアノード流れチャンネルと流体連通しており、一つのヘッダーがアノードガス流れを受け取ってアノード流れチャンネル２８に該アノードガス流れを分配し、他のアノードヘッダーがアノード流れチャンネルからアノード排ガスを受け取る。同様に、カソード流れチャンネル３０は、スタック１０の各端部でカソード流れチャンネルヘッダーと流体連通している。冷却剤流れチャンネル３２は、スタック１０の各端部で冷却剤流れチャンネルヘッダーと流体連通している。しかし、アノード流れチャンネル２８をアノードチャンネルヘッダーに連結させ、カソード流れチャンネル３０をカソードチャンネルヘッダーに連結させ、並びに、冷却剤流れチャンネル３２を冷却剤チャンネルヘッダーに連結させるため、スタックの不活性供給領域においてアノード側プレート２２及びカソード側プレート２４を分離し、入れ子にしないことが必要となる。

流れチャンネル２８、３０及び３２の非入れ子式構成が、チャンネル２８、３０及び３２の入れ子式構成よりもより多くの空間を必要としているので、入れ子式構成により提供されたスタック１０の厚みの減少は、不活性供給領域において既知の非入れ子式構成を使用することによって排除される。非入れ子式不活性領域における流れチャンネル２８、３０及び３２の容積を減少させることが可能であるから、流れチャンネル２８、３０及び３２は入れ子式構成で使用するよりも多くの空間を使用しない。しかし、そのような流れチャンネル２８、３０及び３２の容積の減少は、チャンネルを横断する圧力降下を引き起こし、スタック１０の流量及び性能に悪影響を与えるであろう。

図２は、燃料電池スタック４０の不活性供給領域の部分断面図である。スタック４０は、スタック４０における２つの隣接する膜電極アッセンブリの一部である隣接する膜４２及び４４を備えている。燃料電池スタック４０は、２つの打ち抜き加工された非入れ子式の二極式プレートであるアノード側プレート４８及びカソード側プレート５０を有する二極式プレートアッセンブリ４６を更に備える。アノード側プレート４８及びカソード側プレート５０は抜き打ち加工されており、アノード流れチャンネル５２、カソード流れチャンネル５４及び冷却剤流れチャンネル５６を形成する。

注入ガス及び冷却剤流れを分離することができ、適切なマニホルドヘッダーに連結することができるように、アノード側プレート４８及びカソード側プレート５０はスタック４０の不活性供給領域において非入れ子式であることが必要である。燃料電池スタック４０は、燃料電池スタック４０の活性供給領域と不活性供給領域との間に、後述される遷移領域を備え、該遷移領域では、アノード流れチャンネル５２がアノード流れチャンネル２８と流体連通し、カソード流れチャンネル５４がカソード流れチャンネル３０と流体連通し、冷却剤流れチャンネル５６は冷却剤流れチャンネル５２と流体連通している。

本発明によれば、燃料電池スタック４０の不活性供給領域において拡散媒体層１６及び１８を排除することによって、非入れ子式チャンネル５２及び５４の容積はそれぞれ非入れ子式チャンネル２８及び３０の容積と同じであるか又はほとんど同じである。不活性供給領域では、膜電極アッセンブリ１２及び１４（図１）の触媒層は、サブガスケット又はサブガスケット化された膜４２及び４４を残して排除される。なお、アノード側膜電極アッセンブリ１２及びカソード側膜電極アッセンブリ１４は、典型的には、活性供給領域の外側にサブガスケット（図示せず）を備えている。サブガスケットは、アノード側プレート４８及びカソード側プレート５０又はシール部へのイオノマー膜の直接的接触を防止する。サブガスケットは、典型的には、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）又は他の適切なプラスチックの２５マイクロメートル厚の膜であってもよい。従って、燃料電池スタック４０の活性供給領域における拡散媒体層１６及び１８（図１）により使用された容積を、不活性供給領域における非入れ子式二極式プレート４８及び５０と適合するため使用することができ、それにより、流れチャンネルの容積をスタック４０の繰り返し距離を増大させること無く維持することができる。拡散媒体層１６及び１８は、一般に約０．２ｍｍ厚であり、これは必要となる空間を提供するには十分である。

冷却剤流れチャンネル５６の容積は、入れ子式構成から非入れ子式構成までの容積の約２倍まで増大するが、冷却剤チャンネル遷移により提供された圧力降下はスタック４０の性能に悪影響を及ぼさない。更には、非入れ子式プレートを備えた不活性供給領域は、活性供給領域のためのプレート予定領域を増大させ得るが、入れ子式プレートにより提供されたスタック高さの減少のためにスタックの全容積は減少される。

膜４２及び４４がスタック４０の不活性供給領域における拡散媒体層１６及び１８により支持されていないので、それらは流れチャンネル５２及び５４へと入り込む傾向を持ち得る。膜電極アッセンブリは、活性供給領域を超える十分な厚さのサブガスケットを備えているので、サブガスケットは、不活性供給領域において適切な膜支持を提供することができる。図３は、燃料電池スタック４０に類似した燃料電池スタック６０の断面図であり、該図では、同様の構成要素は同じ参照番号により同定される。燃料電池スタック６０は、膜４２とアノード側プレート４８との間に配置された薄いシム６２と、膜４４及びカソード側プレート５０との間に配置された薄いシム６４と、を備えている。シム６２及び６４は、膜４２及び４４が各々流れチャンネル５２及び５４へと入り込むことを各々防止する。シム６２及び６４は、適所に配置することができるか、又は、各々膜４２及び４４に若しくは各々プレート４８及び５０に連結することができる。シム６２及び６４は、ガスケットキャリアとして機能することもできる。シム６２及び６４は、例えば金属若しくはプラスチック等の任意の適切な材料から作ることができ、所望の支持を提供するため例えば１００マイクロメートル等の適切な厚さを持つことができる。適切な支持は、隣接する膜４２又は４４に結合される単一のシム６２又は６４を使用することにより達成され得る。

図４は、燃料電池スタック７０の一部分の断面図であり、燃料電池スタック７０の活性供給領域７８における入れ子式二極式プレートであるアノード側プレート７４及びカソード側プレート７６と燃料電池スタック７０の不活性領域８４における非入れ子式二極式プレートであるアノード側プレート８０及びカソード側プレート８２との間の遷移領域７２の一例を示している。燃料電池スタック７０は、活性供給領域７８及び不活性供給領域８４を横断して延在する膜８６及び８８を備えている。ガス拡散媒体層９０及び９２は、活性領域７８においてそれぞれ膜８６及び８８と隣接して設けられている。シム９４及び９６は、不活性供給領域８４において、各々、非入れ子式プレートであるアノード側プレート８０と膜８６との間及び非入れ子式プレートであるカソード側プレート８２と膜８８との間に配置されている。不活性供給領域８４及び活性供給領域７８におけるアノード流れチャンネル９８及びカソード流れチャンネル１００の相対的サイズは同じである。活性供給領域７８における流れチャンネル１０２は、アノード流れチャンネル、カソード流れチャンネル又は冷却剤流れチャンネルのうち任意のものを表すことができる。

図５は、燃料電池スタック１１２における二極式プレートアッセンブリ１１０の頂面図である。燃料電池スタック１１２は、入れ子になっている打ち抜き二極式プレートを有する活性供給領域１１４と、活性供給領域１１４の反対側端部における不活性供給領域１１６及び１１８と、を備え、打ち抜き二極式プレートは、上記説明と合致して、非入れ子式となっている。打ち抜き二極式プレートは、上述された様々な流れチャンネルを備えている。燃料電池スタック１１２の一端部におけるカソード入口ヘッダーは、カソード空気を不活性供給領域１１６におけるカソード流れチャンネルへと差し向ける。カソード空気は、不活性供給領域１１６におけるカソード流れチャンネルを通って、活性供給領域１１４におけるカソード流れチャンネルを通って、不活性供給領域１１８におけるカソード流れチャンネルを通って、流れる。カソード排ガスは、カソード出口ヘッダー１２２により収集される。

燃料電池スタック１１２の一端部におけるアノード入口ヘッダー１２６は、不活性供給領域１１８におけるアノード流れチャンネルへと水素ガスを差し向ける。水素ガスは、不活性供給領域１１８におけるアノード流れチャンネルを通って、活性供給領域１１４におけるアノード流れチャンネルを通って、不活性供給領域１１８におけるアノード流れチャンネルを通って流れる。アノード排ガスは、アノード出口ヘッダー１２８により収集される。この非限定的実施態様において、アノードガス及びカソードガスは、向流である。

燃料電池スタック１１２の一端部における冷却剤入口ヘッダー１３２は、冷却流体を不活性供給領域１１６における冷却剤流れチャンネルへと差し向ける。冷却流体は、不活性領域１１６における冷却剤流れチャンネルを通って、活性供給領域１１４における冷却剤流れチャンネルを通って、不活性供給領域１１８における冷却剤流れチャンネルを通って、流れる。冷却流体は、冷却剤出口ヘッダー部１３４により収集される。

図６は、入れ子式二極式プレートを有する活性供給領域１４２と、二極式プレートが入れ子になっていない不活性領域１４４と、を備える燃料電池１４０の冷却剤用容積の中実モデルの斜視図である。活性供給領域１４２と不活性供給領域１４４との間の遷移領域１４６は、入れ子式形態から非入れ子式形態へのチャンネルの遷移を提供する。冷却剤ヘッダー（図６には示されていない）からの冷却流体は、不活性供給領域１４４における流れチャンネル１４８へと差し向けられ、アノードヘッダー（図６には示されていない）からの水素ガスは不活性供給領域１４４における流れチャンネル１５０へと差し向けられ、カソードヘッダー（図６には示されていない）からのカソードガスは不活性供給領域１４４における流れチャンネル１５２へと差し向けられる。本実施態様では、アノードガス及びカソードガスは同じ方向の流れである。

以下の表１は、不活性供給領域に拡散媒体を有さない本発明に係る入れ子式プレート設計、非入れ子式プレート設計、並びに、不活性供給領域に拡散媒体を有する入れ子式プレート設計に対する、上述された様々なパラメータの比較を提供している。このデータは、３６０ｃｍ^２の活性領域、２００個の電池、６６ｋＷの出力パワー、１．５Ａ／ｃｍ^２の電流密度及び低圧を備える燃料電池スタックからのものである。入れ子式設計は、非入れ子式設計よりも小さく、より高いパワー密度（より高いｋＷ／リットル）を持ち、冷却剤容積の減少に起因して、２７ｋＪ／ｋｇから１９〜２０ｋＪ／ｋｇへとより大きく減少した熱質量を有している。不活性供給領域に拡散媒体を有する入れ子式プレート設計は、不活性供給領域において非常に浅い供給チャンネルを生成し、受容できないほど高い圧力降下（カソード側で８５ｋＰａ対３０ｋＰａ）をもたらす。

（１）活性供給領域で入れ子式、不活性供給領域で非入れ子式、及び、不活性供給領域に拡散媒体を有さない設計
（２）非入れ子式、及び、不活性供給領域が存在しない設計
（３）活性供給領域で入れ子式、不活性供給領域で非入れ子式、及び、不活性供給領域に拡散媒体を有する設計
前述したように、燃料電池及び燃料電池スタックでは、拡散媒体と二極式プレートとの間の電気接触抵抗を減少させるため、組み立て時に、活性供給領域の拡散媒体全体に亘って圧縮負荷を付与することが必要となる。このことを確実にするため、二極式プレートと膜若しくは不活性供給領域におけるシムとの間にクリアランスギャップが要求される。これは図７により例示される。図７は、燃料電池スタック４０に類似した燃料電池スタック４０’の断面図の例であり、同様の構成要素は同じ参照番号により同定される。燃料電池スタック４０’は、図２の燃料電池スタック４０へと導入されたクリアランスギャップ５８を備え、活性供給領域の拡散媒体全体に亘って圧縮負荷がかかり、拡散媒体と二極式プレートとの間の電気接触抵抗を減少させ、これによってアノード側流れチャンネル５２の高さ５２’とカソード側流れチャンネル５４の高さ５４’との間に変形を生じさせる。類似のクリアランスギャップが、図３の燃料電池スタック６０及び図４の燃料電池スタック７０に導入される。なお、部分的な厚さの許容誤差におけるばらつきに起因して、不活性供給領域におけるクリアランスギャップ、例えば５８等は、燃料電池スタック内の燃料電池の間で変動し、これにより、反応物流れに影響を及ぼす反応物チャンネルの高さに変形を生じさせる。

活性供給領域と比較して、不活性供給領域において、全反応物のより大きい部分の圧力降下が発生するので、反応物流れは、クリアランスギャップ、例えば５８等における変形に対してより敏感である。冷却剤流れに対しては、しかし、冷却剤圧力降下のほとんどは、活性供給領域において発生し、それにより、不活性供給領域における冷却剤圧力の変動は、プレート当たりの全体に亘る流れに対するほどには重要ではない。

図８は、本発明に係る燃料電池スタック８００の不活性供給領域の部分断面図である。スタック８００は、本発明に係るクリアランスギャップ８１８、８２０を有する非結合式二極式プレート８１０〜８１６からなる非入れ子式二極式プレートアッセンブリ８０６、８０８を用いる隣接する電池８０２、８０４を備えている。アノード側プレート８１０とカソード側プレート８１２との間にクリアランスギャップ８１８が存在し、アノード側プレート８１４とカソード側プレート８１６との間にクリアランスギャップ８２０が存在し、クリアランスギャップ８１８と８２０とは部分的な厚さの変動に起因して異なる高さを持ち得る。電池８０２、８０４は、アノード側流れチャンネル８２２、８２４と、カソード側流れチャンネル８２６、８２８と、冷却剤流れチャンネル８３０、８３２とを形成する。電池８０２、８０４は、膜８３４〜８３８を備えている。膜８３４〜８３８がシム無しに表されているが、図９に例示されるように、スタック８００内にシムを備えるのが好ましい。

アノード側流れチャンネル８２２、８２４及びカソード側流れチャンネル８２６、８２８の圧力を超えて冷却剤チャンネル８３０、８３２の冷却剤を加圧することは、非結合式二極式プレート８１０〜８１６を、膜８３４〜８３８に対して押し付け、これによって、クリアランスギャップ８１８、８２０を制御して該クリアランスギャップを冷却剤チャンネル内にのみ存在することを確実にする。膜８３４〜８３８が拡散媒体層により支持されていないので（図１の例１６及び１８参照）、それらの膜は、流れチャンネル８２２〜８２８へ入り込む傾向を持ち得る。膜電極アッセンブリが、典型的には、十分な厚さで、活性供給領域を超えたサブガスケットを備えているので、サブガスケットは、不活性供給領域において適切な膜の支持を提供することができる。

図９（非常に好ましい）は、図８の燃料電池スタック８００に類似した燃料電池スタック８００’の不活性供給領域の部分断面図である。図９では、同様の構成要素は、同じ参照番号により同定される。燃料電池スタック８００’は、膜８３４及びアノード側プレート８１０の間に配置された薄いシム８４０と、膜８３８及びカソード側プレート８１６の間に配置された薄いシム８４２と、膜８３６及びカソード側プレート８１２の間に配置された薄いシム８４４と、膜８３６及びアノード側プレート８１４の間に配置された薄いシム８４６とを備えている。シム８４０〜８４６は、膜８３４〜８３８がそれぞれ流れチャンネル８２２〜８２８へと入り込むことを各々防止している。これらのシムを、適所に配置することができ、又は、膜又はプレートに各々結合することができる。シムはガスケットのキャリアとしても機能する。シムは、例えば金属若しくはプラスチック等の任意の適切な材料から作ることができ、所望の支持を提供するため例えば１００マイクロメートル等の適切な厚さを持つことができる。適切な支持は、膜８３６において、該膜に結合することができる単一のシム（８４４又は８４６）を使用することによっても達成することができる。

電池８０２は、例えば、図７の電池４０’を例示することができ、二極式プレートアッセンブリ４６は非結合式であり、冷却剤チャンネル５６内の冷却剤圧力は、アノード側流れチャンネル５２及びカソード側流れチャンネル５４の圧力を超えており、これにより、クリアランスギャップ５８をアノード側流れチャンネルから冷却剤流れチャンネルへと転移させる。冷却剤チャンネル８３０、８３２における冷却剤流れは、不活性供給領域のアノード側流れチャンネル８２２、８２４及びカソード側流れチャンネル８２６、８２８における反応物流れよりも、不活性供給領域における圧力降下に対してより鈍感であるので、不活性供給領域における冷却剤チャンネルにおけるクリアランスギャップ８１８、８２０が、活性供給領域における電池間の流れ及び圧力の均一性を確実にする。

以下の表２は、本発明に係る不活性供給領域における、クリアランスギャップ、例えば８１８、８２０の高さに対する、冷却剤流れチャンネル、例えば８３０、８３２における様々な計算された冷却剤圧力降下の比較を提供する。

表２において、ギャップ無しから０．１ｍｍギャップのまでの０．１ｍｍ範囲のクリアランスギャップは、約±１５％の冷却剤圧力降下を有し、０．１ｍｍギャップから０．２ｍｍギャップのまでの０．１ｍｍ範囲のクリアランスギャップは、約±７％の冷却剤圧力降下を有する。本発明によれば、二極式プレートは抜き打ち加工されており、不活性供給領域における非結合式の二極式プレートの二極式プレート高さが、燃料電池スタック内で各燃料電池の不活性供給領域でクリアランスギャップが形成されることを確実にする。そうすることによって、冷却剤圧力降下が、表２に表されているようにクリアランスギャップの高さにおける変形に対してより鈍感であることが確実となる。数値流体力学計算によれば、本発明に係る不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルのクリアランスギャップは、燃料電池内の冷却剤流れ分布に影響を及ぼさず、むしろ該流れ分布を改善したことが見出された。

部品の長さに沿ってプレート間の小さな寸法差が存在している。全てのプレート入口及び出口が同じ入口及び出口ヘッダーに接続されたとしても、寸法のばらつきは、プレートの長さに沿った圧力分布に差異を引き起こす。図８では、上側プレートの中央領域を通る流れが、プレート内部のより制限的な寸法に起因して平均値よりも小さい場合を想定する。この制限は、全体的な流れを平均値よりも小さくし、共通の総圧力降下のより小さい部分を、当該プレートの入口及び出口の両方の供給領域（つまり、アノード側供給チャネル及びカソード側供給チャネル）に発生させる。これは、上側プレートの冷却剤流れチャンネル８３０内の平均的な圧力を、入口圧力と同じ圧力により接近させ、その結果、隣接する下側プレートの冷却剤流れチャンネル８３２の内部圧力よりも高くする。これは、ギャップ８２０がつぶれそうである間にギャップ８１８を拡大させようとする傾向を提供する。非常に小さな圧力差が、プレート間の平均ギャップの数倍の距離だけフルスケールのプレートを迅速に偏向させることが試験により示された。ギャップ８１８の拡大は、冷却剤流れチャンネル８３０の内部の圧力降下を更に減少させ、内部圧力を更にいっそう増大させ、第１の隣接するプレートのみならず、上方向及び下方向の両方における幾つかのより多くの隣接プレートからのギャップをつぶすことができる条件を生じさせる。

この応答を緩和するため、図８に類似し、同様の番号が同様の部品を指し示す図１０に示されるように、所定パターンの予備のスポット溶接９００を供給領域に備えることができる。このパターンは、隣接するプレートの溶接が整列しないようにオフセットされるべきである。パターンの間隔調整は、プレートの総体的な歪みを回避し、それでもなおプレートを、周期的な溶接制約が存在しようともプレートが浮き上がることができるという点で、云わば「非結合式」にするのに十分な剛性を形成するように調整することができる。

なお、これらのプレートは、不活性供給領域においてのみ非結合式でなければならない。活性供給領域は、プレート間の低い電気的接触を確実にするため結合されてもよく、或いは、結合されずに、プレートの半部分の間の圧縮圧力に頼るようにしてもよい。

本発明が、現在のところ、より実用的で好ましい実施例と関連して説明されたが、本発明は、開示された実施例に限定されるものではなく、添付した請求の範囲の精神及び範囲内に含まれる様々な変形及び均等構成物を網羅することが意図されている。本発明の範囲は、そのような変形及び法律の下で許される均等構成の全てを網羅するように最も広い解釈で提供されるべきである。

図１は、入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの活性供給領域の部分断面図であり、アノード反応物チャンネル底部とカソード反応物ランドの後側との間のクリアランス並びにこれらの入れ子式チャンネルの側部同士の間のクリアランス（簡単にするため図示せず）が、アッセンブリの厚さをアノードの形成された深さのばらつきに鈍感にさせていることを示している。図２は、非入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図であり、ガス拡散媒体層が除去された状態を示している。図３は、非入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図であり、ガス拡散媒体層が除去され、シムが追加された状態を示している。図４は、燃料電池の不活性供給領域と活性供給領域との間の遷移の部分断面図である。図５は、燃料電池のプレートの頂面図である。図６は、入れ子式打ち抜き二極式プレートを有する活性供給領域と、打ち抜き二極式プレートが入れ子式でない不活性供給領域とを備える燃料電池の冷却剤用容積の中実モデルを示す。図７は、ガス拡散媒体層が除去され、クリアランスギャップが導入された非入れ子式打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。図８は、本発明に従って、ガス拡散媒体層が除去され、クリアランスギャップが導入された非入れ子式で非結合式の打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。図９は、シムを備える、図８に示されるような非入れ子式で非結合式の打ち抜き二極式プレートを用いる燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。図１０は、二極式プレートの周期的な間隔を隔てた溶接部を特徴とする、代替実施例を示す、図８に示されるような燃料電池スタックの不活性供給領域の部分断面図である。

Claims

燃料電池スタックであって、
アノード側プレートとカソード側プレートとを備える二極式プレートアッセンブリと、
燃料電池のスタックを備える活性供給領域であって、該燃料電池の各々は、カソード側膜電極アッセンブリとアノード側膜電極アッセンブリとを有する膜電極アッセンブリと、該カソード側膜電極アッセンブリのカソード側拡散媒体層と、該アノード側膜電極アッセンブリのアノード側拡散媒体層と、隣接する燃料電池において対向する拡散媒体層の間に配置された二極式プレートアッセンブリの活性供給領域と、を備え、前記二極式プレートアッセンブリの前記活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する入れ子式二極式プレートを備える、前記活性供給領域と、
膜のスタックを備える不活性供給領域であって、該膜は前記燃料電池スタックにおける各膜電極アッセンブリの一部及び前記二極式プレートの不活性供給領域を形成し、該二極式プレートの該不活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する非入れ子式の二極式プレートを備える、前記不活性供給領域と、
を備え、
前記不活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、同じ容積であり、
前記不活性供給領域の前記アノード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記アノードカソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、同じ容積であり、
前記燃料電池は、前記不活性供給領域において拡散媒体層が存在せず、
前記二極式プレートアッセンブリの前記不活性供給領域の前記非入れ子式のアノード側プレートとカソード側プレートとは、互いに浮動可能に設けられている、燃料電池スタック。
前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式二極式プレートの間にクリアランスギャップが存在している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記膜を支持するため前記不活性供給領域の膜に隣接して各々配置されたシムを更に備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記不活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、
前記活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの活性供給領域の前記入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、
前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通している、請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記不活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルの２倍の容積である、請求項４に記載の燃料電池スタック。
前記膜を支持するため前記不活性供給領域において前記膜に隣接して配置されたシムを更に備える、請求項２に記載の燃料電池スタック。
前記不活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、
前記活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの活性供給領域の前記入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、
前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通している、請求項６に記載の燃料電池スタック。
前記不活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルの２倍の容積である、請求項７に記載の燃料電池スタック。
燃料電池スタックであって、
アノード側プレートとカソード側プレートとを備える二極式プレートアッセンブリと、
燃料電池のスタックを備える活性供給領域であって、該燃料電池の各々は、カソード側膜電極アッセンブリとアノード側膜電極アッセンブリとを有する膜電極アッセンブリと、該カソード側膜電極アッセンブリのカソード側拡散媒体層と、該アノード側膜電極アッセンブリのアノード側拡散媒体層と、隣接する燃料電池において対向する拡散媒体層の間に配置された二極式プレートアッセンブリの活性供給領域と、を備え、前記二極式プレートアッセンブリの前記活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する入れ子式二極式プレートを備える、前記活性供給領域と、
膜のスタックを備える不活性供給領域であって、該膜は前記燃料電池スタックにおける各膜電極アッセンブリの一部及び前記二極式プレートの不活性供給領域を形成し、該二極式プレートの該不活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定する非入れ子式の二極式プレートを備える、前記不活性供給領域と、
前記二極式プレートアッセンブリの前記不活性供給領域の前記二極式プレートの間に設けられた複数の互いに間隔を隔てた溶接部と、
を備え、
前記不活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、同じ容積であり、
前記不活性供給領域の前記アノード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記アノードカソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、同じ容積であり、
前記燃料電池は、前記不活性供給領域において拡散媒体層が存在せず、
前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式二極式プレートの間にクリアランスギャップが存在し、
前記不活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の前記非入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、前記活性供給領域の前記二極式プレートアッセンブリの活性供給領域の前記入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通し、前記溶接部の容積は、前記二極式プレートアッセンブリの前記不活性供給領域の前記二極式プレートの間のクリアランスギャップを制限する、燃料電池スタック。
前記膜を支持するため前記不活性供給領域において前記膜に隣接して各々配置されたシムを更に備える、請求項９に記載の燃料電池スタック。
前記不活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における前記冷却剤流れチャンネルの２倍の容積である、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
燃料電池スタックの不活性供給領域におけるクリアランスギャップを制御する方法であって、
前記燃料電池スタックの活性供給領域を組み立てる工程であって、前記活性供給領域は、燃料電池のスタックを備え、該燃料電池の各々は、カソード側膜電極アッセンブリとアノード側膜電極アッセンブリとを有する膜電極アッセンブリと、該カソード側膜電極アッセンブリのカソード側拡散媒体層と、該アノード側膜電極アッセンブリのアノード側拡散媒体層と、隣接する燃料電池において対向する拡散媒体層の間に配置された二極式プレートアッセンブリの活性供給領域と、を備え、前記二極式プレートアッセンブリの前記活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定するアノード側プレートとカソード側プレートとが入れ子式になっている二極式プレートを備える、前記工程と、
前記燃料電池スタックの不活性供給領域を組み立てる工程であって、該不活性供給領域は膜のスタックを備え、該膜は前記燃料電池スタックにおける各膜電極アッセンブリの一部及び前記二極式プレートの不活性供給領域を形成し、該二極式プレートの該不活性供給領域は、カソード側流れチャンネル及びアノード側流れチャンネルを画定するアノード側プレートとカソード側プレートとが入れ子式になっていない二極式プレートを備え、前記不活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記カソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、同じ容積であり、前記不活性供給領域の前記アノード側流れチャンネルは、前記活性供給領域の前記アノードカソード側流れチャンネルと流体連通し、且つ、同じ容積であり、前記燃料電池は、前記不活性供給領域において拡散媒体層が存在せず、前記二極式プレートアッセンブリの不活性供給領域の非入れ子式二極式プレートの間にクリアランスギャップが存在し、前記非入れ子式の二極式プレートのアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、前記入れ子式の二極式プレートアノード側プレートとカソード側プレートとの間に冷却剤流れチャンネルを形成し、前記不活性供給領域における冷却剤流れチャンネルは、前記活性供給領域における冷却剤流れチャンネルと流体連通する、前記工程と、
アノード反応物を前記アノード流れチャンネル内で第１の圧力に加圧する工程と、
カソード反応物を前記カソード流れチャンネル内で第２の圧力に加圧する工程と、
前記冷却剤流れチャンネル内の冷却剤を前記第１及び第２の圧力を超える第３の圧力に加圧する工程であって、前記加圧に応答して不活性供給領域の前記二極式プレートの間にクリアランスギャップが設けられる、前記工程と、
を備える方法。
前記クリアランスギャップは、更に前記活性供給領域の前記入れ子式二極式プレートの前記組み立て工程時に設けられる、請求項１２に記載の方法。
前記不活性供給領域を組み立てる前記工程は、前記非入れ子式二極式プレートを互いに浮動可能に設ける工程を備える、請求項１２に記載の方法。
前記クリアランスギャップは、更に前記活性供給領域の前記入れ子式二極式プレートの前記組み立て工程時に設けられる、請求項１４に記載の方法。
前記不活性供給領域を組み立てる前記工程は、前記非入れ子式二極式プレートを所定の互いに間隔を隔てた位置でスポット溶接する工程を備える、請求項１２に記載の方法。
前記クリアランスギャップは、更に前記活性供給領域の前記入れ子式二極式プレートの前記組み立て工程時に設けられる、請求項１６に記載の方法。