JP5615948B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、本発明は、燃料電池のガス及び冷却剤供給回路に関する。

燃料電池には水素及び空気又は純粋酸素を供給しなければならないということが知られている。一般に、求めようとする電力密度が所与の場合、燃料電池を冷却する必要があり、この目的のため、好ましくは、燃料電池には、冷却剤、例えば水が通される。さらに、或る特定の重要なガス管理パラメータ、例えば、ガス圧力、ガス温度、ガス湿度、ガス再循環流量を制御しなければならない。これには、かなり複雑で嵩張ったガス管理システムが必要であり、かかるガス管理システムは、一般に、燃料電池それ自体とほぼ同様に嵩張っている。

燃料電池は、リブ付きセパレータとイオン交換樹脂を交互に配置して形成したスタックを備える。スタックは、２枚の端板相互間に締め付けられる。流体送りダクト及び流体戻りダクトが、一般に、積み重ね方向に平行に配置され、これらダクトは、端板のところ又は端板のうちの一方のところで終端し、ここで、かかる送り及び戻りダクトは、スタックをガス管理システムに連結するダクトに繋がる。

また、燃料電池によって用いられる流体を管理するシステムの種々の要素をいわゆる端板のうちの一方の中に組み込むことが、米国特許出願公開第２００４／０２４７９８４号明細書から知られている。

米国特許出願公開第２００４／０２４７９８４号

しかしながら、この特許文献において説明された技術によれば、燃料電池によって用いられる流体を管理するための要素は、積み重ね方向に配置された多数のセパレータ相互間に分割され、それにより、積み重ね方向における燃料電池の嵩が実質的に増大する。

本発明の目的は、例えば車両内への流体管理システムの設置を容易にするために流体管理システムの嵩を減少させることにある。

本発明の別の目的は、利点のうちとりわけ、工業生産コストを減少させるために、工業生産が自動化に良く向いている単純な流体管理システムを案出することにある。

燃料電池を完全に漏れ止めの状態にすると共に一様に分布された導通手段を燃料電池に提供するために、スタックは、積み重ね方向に平行に設けられ且つ端板の各側に固定されたタイロッドによって圧縮される。したがって、端板は、頑丈であり、しかも、十分且つ好ましくは一様な圧力をリブ付きセパレータ及びイオン交換膜の断面全体にわたって及ぼさなければならない。端板は又、システム中に存在するガスの圧力に耐えなければならない。

本発明は、燃料電池用の端板であって、端板が、個々のセルのスタックに当接するよう設計された内側フェースを有すると共に内側フェースと反対側の外側フェース及び１つ又は２つ以上の周辺フェースを有する構造ブロックを備え、内側フェースが、燃料電池の内部に設けられたガス回路にガスを供給するよう設計された少なくとも２つのオリフィスを有し、構造ブロックが、第１のチャンバを備えると共にチャンバの壁のところで終端する供給ダクトを備えている、端板において、
・第１のチャンバは、内側フェースと外側フェースとの間に設けられていて、内側フェース及び外側フェースの側が構造ブロックの壁によって画定され、チャンバは、内側フェースにほぼ平行に細長くなっており、チャンバは、周辺フェース上に開口し、チャンバは、周辺フェースに取り付けられた少なくとも１つのプラグによって画定され、
・再循環本体が、供給ダクトの終端箇所のところに位置決めされた状態でチャンバ内に納められ、再循環本体は、チャンバをオリフィスのうちの一方のところで終端するガス再循環部分及び他方のオリフィスのところで終端する供給部分に分離するようチャンバの壁に気密的に取り付けられ、再循環本体は、供給ダクトから来る新たなガスと再循環部分から来るガスを混合し、この混合物を他方のオリフィスに差し向けることができるようにする混合要素を備えていることを特徴とする端板を提案する。

本発明により、流体管理に必要な要素のうちの幾つか、好ましくは、全ての流体の管理に積極的に関与する要素を全て収容することにより、端板の中、好ましくは２つの端板のうちの一方の中に流体管理機能を組み込むことが可能である。これは、かかる端板の厚さを増大させる（これは、１枚又は２枚の端板の機械的機能にとって不利な場合がある）一方で、端板の簡単な機械加工及び端板内での種々の要素の簡単且つ頑丈な組み立てを可能にすることにより行われる。

この解決策は、嵩、軽量化、信頼性、更には製造費の面で実質的に利点をもたらす。さらに、この解決策により、インターフェイスを燃料電池と車両との間に容易に形成することができ、燃料電池は、流体のためのセルフシール形継手及び差込み形電気コネクタを用いて車両内に設置される。有利には、電気コネクタ及び継手は、流体管理システムが組み込まれている燃料電池を燃料電池の点検整備、補修又は交換が容易であるようにするために車両内に容易に設置できたりこれから容易に取り外したりすることができるように構成されるのが良い。

特に細長いチャンバの形成及びチャンバの壁に気密的に当接した状態でのチャンバ内への再循環本体の取り付けにより、チャンバをオリフィスのうちの一方のところで終端するガス供給部分及び他方のオリフィスのところで終端するガス再循環部分に分離できる。かくして、多くの要素、例えば或る特定の動作パラメータを制御するために用いられる要素を端板に組み付けることができる。これら要素は、例えば、ガスの圧力を調節するためのポンプ又はソレノイド弁であるのが良い。また、これら要素を連続生産ラインに取り付けることができ、外部管の本数は、最小限に抑えられる。

燃料電池によって消費されなかったガスを再循環させるための要素を端板のうちの一方に組み込み又はこれに組み付けることは、特に有利である。これらは、例えば、新たなガスの流れによって、燃料電池から出たガスを吸い上げてこれを新たなガス流中に再循環させることができるベンチュリ効果装置である。好ましくは、燃料電池によって生成された水を除去するための要素が、端板のうちの一方に取り付けられ又はこの中に組み込まれる。

上述の要素は、ガスのうちの一方を管理するシステムの一部をなす。ガスのうちの一方を管理する要素を端板のうちの一方に関連させ、他方のガスを管理する要素を他方の端板に関連させることが可能であり、或いは、これら要素を全て本発明を示すと共に以下に詳細に説明される実施形態の場合のように一方の端板にのみ関連させても良い。さらに、ガス管理要素だけでなく非常に有利には冷却剤を管理する要素を同じ端板に関連させることが可能である。当然のことながら、流体関連要素を２つの端板相互間に分けても良い。ガス管理要素及び冷却剤管理要素も又、２つの端板相互間に分けても良い。

以下の実施形態で示されるように、流体の全て、即ち、ガスと冷却剤の両方のための管理システムの要素を全て、端板に取り付け又はこの中に組み込むことができ、或いは実際には、端板のうちの一方にのみ組み込むことができる。当然のことながら、流体管理システムの要素の幾つかだけ、好ましくは大部分を一方の端板又は両方の端板に組み込み又はこれに取り付けることがこれ又非常に有利である。

かかる端板は、「システムプレート」と呼ばれる場合がある。かくして、かかる端板は、ガス回路向きに構成されている。当然のことながら、本発明は又、両方のガス（例えば、水素及び酸素）のための管理要素を含むよう構成された端板、即ち、上述した構成とほぼ同じ構成を２つ備えたプレートに及ぶ。

本発明の別の特徴によれば、本発明は、燃料電池を冷却するために用いられる冷却剤を管理するよう構成された端板にまで及ぶ。個々のセルのスタックに当接するよう設計された内側フェースを有する構造ブロックを備え、内側フェースが、燃料電池の内部に設けられた冷却剤回路に結合されるよう設計された少なくとも２つのオリフィスを有する燃料電池用のかかる端板は、構造ブロックは、冷却剤の供給装置を形成するチャンバを備え、チャンバは、次のような構成が可能であり、即ち、
・供給装置形成チャンバは、構造ブロックの１つ又は２つ以上の壁によって画定され、
・供給装置形成チャンバは、２つのオリフィス相互間に延び、
・インサートが、チャンバの壁に気密的に当接した状態で供給装置形成チャンバ内に位置決めされると共に嵌め込まれている。

最後に、本発明は又、リブ付きセパレータとイオン交換膜を交互に配置して形成されたスタックを備えた燃料電池に及び、スタックは、２枚の端板相互間に締め付けられ、端板のうちの一方は、システムプレートである。

燃料電池及び関連のガス管理システムを備えたシステムの略図である。 本発明の燃料電池の概略側面図である。 図２の方向Ｘから見た燃料電池の図である。 図２の燃料電池の平面図である。 車両と関連しているが、車両には連結されていない受け入れ支持体の近くに位置する本発明の燃料電池を示す斜視図である。 図５の端板の別の斜視図であり、個々のセルのスタックと接触状態にあるよう設計された側を示す図である。 図６の端板を製作することができる構造ブロックを示す図である。 図６の端板を製作することができる構造ブロックを示す図である。 図６の端板を製作することができる構造ブロックを示す図である。 図６の端板を製作することができる構造ブロックを示す図である。 図５の端板の平面図である。 図８のＩ−Ｉ線矢視断面図である。 図５の端板の正面図である。 図１０のＩＩＩ−ＩＩＩ線視断面図である。 図１０のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 図８のＩＶ−ＩＶ線矢視断面図である。 端板内に組み込まれた冷却剤再循環ポンプ及びサーモスタットを備えた変形例を概略的に示す図であり、ガス管理手段が、他方の端板内に組み込まれている状態を示す図である。 端板内に組み込まれた冷却剤再循環ポンプ及びサーモスタットを備えた変形例を概略的に示す図であり、ガス管理手段が、他方の端板内に組み込まれている状態を示す図である。 端板内に組み込まれた冷却剤再循環ポンプ及びサーモスタットを備えた変形例を概略的に示す図であり、ガス管理手段が、他方の端板内に組み込まれている状態を示す図である。

本発明の内容は、添付の図面に記載された実施形態及び数例の変形例についての詳細な説明から良く理解されよう。

詳細な説明を始める前に、図面に記載された符号について表示の取り決めについて読者の注意を引いておくこととする。文字“Ｐ”で始まる符号は、端板に設けられた孔、ダクト、円筒形ボア、穴又はオリフィスを意味している。流体が燃料電池に流入するようにするオリフィスの例を考える。これは、包括的な仕方で、即ち、関連の流体とは無関係に、“Ｐ７”で示されている。符号は、特にガス、酸素又は空気を示すために文字“ｏ”で終わり、特に水素ガスを意味するために文字“ｈ”で終わり、特に冷却剤を意味するために文字“ｗ”で終わっている。文字“Ａ”で始まる符号は、燃料電池を形成する個々のセルのスタック（一般に「スタック」と呼ばれる）を意味している。文字“Ｃ”で始まる符号は、電気的であるにせよガス又は冷却剤のためであるにせよいずれにせよ、コネクタを意味している。文字“Ｅ”で始まる符号は、流体のうちの一方のための管理システムに属する要素を有している。“Ｅ”で始まる符号が文字“ｈ”、“ｏ”又は“ｗ”のうちの１つで終わっていない場合、このことは、当該要素が独特であること、即ち、これが用いられる流体のうちの一方だけに関するものではないことを意味している。

図１の略図では、燃料電池ＦＣが示されており、この燃料電池は、個々のセルのスタックＡを備え、かかるスタックでは、水素回路の入口オリフィスＡ７ｈ及び出口オリフィスＡ５ｈ、冷却剤として用いられる水の回路の入口オリフィスＡ７ｗ及び出口オリフィスＡ５ｗ、酸素回路の入口オリフィスＡ７ｏ及び出口オリフィスＡ５ｏが見える。図の底部のところには、概略的に点線周りに示された全てのガス及び水連結部が見える。

燃料電池の動作原理については説明しない。というのは、これは、読者には知られていることを前提としているからである。この説明では、“燃料電池”という表現は、個々の電気化学セルと関連の流体管理要素のスタックを備えたシステムを意味している。また、本明細書において説明する実施形態は、純粋酸素が供給される燃料電池に関していることが指摘されるべきである。圧縮周囲空気が供給される燃料電池の場合、空気管理回路は、酸素管理回路と比較して、本発明によって提案される組込み形設計に完全に適合可能な何らかの改造が施される。例えば、空気圧縮機は、空気の湿度を制御する手段の場合と同様に、一体化されても良く又はそうでなくても良い。

以下の説明は、燃料電池によって使用される流体のための管理要素を端板内に組み込むことができるようにするトポロジーを示すことを目的としている。水素回路管理システムの機能要素は、次の通りであり（図１参照）、即ち、コンデンサＧｈ、ベンチュリ装置Ｖｈ、一方弁Ｅ５ｈ、電気的圧力調整器Ｅ２ｈ、ポンプＥ８ｈ、圧力センサＥ３ｈ、供給圧力逃がし弁Ｅ１ｈ、燃料電池内に設けられた圧力逃がし弁Ｅ９ｈ及びパージソレノイド弁Ｅ１０ｈである。水回路管理システムの要素は、次の通りであり、即ち、脱イオン装置又は純水装置Ｄ及び自動パージ弁Ｅ１６である。酸素回路管理システムの要素は、次の通りであり、即ち、コンデンサＧｏ、ベンチュリ装置Ｖｏ、一方弁Ｅ５ｏ、電気的圧力調整器Ｅ２ｏ、ポンプＥ８ｏ、圧力センサＥ３ｏ、供給圧力逃がし弁Ｅ１ｏ、燃料電池内に設けられた圧力逃がし弁Ｅ９ｏ、パージソレノイド弁Ｅ１０ｏ及び燃料電池の作動により生成される水のレベル（水位）を調節するフロート（浮き）Ｅ１７である。

図２は、燃料電池を形成する個々のセルのスタックＡを示している。スタックＡの個々のセルは各々、イオン交換膜によって分離されたアノードとカソードを備え、全体が、略語“ＭＥＡ”（Membrane Electrode Assembly：膜電極組立体）によって知られている電極と膜の組立体を構成していることを単に思い起こされたい。このスタックは、２枚の端板Ｂ，ｂ相互間で締め付けられる。締め付けにより、システムの封止締り嵌めが保証されると共に要素相互間の良好な電気的接触が保証される。図３は、端板Ｂがまさに燃料電池の内部に設けられたガス及び水回路の供給オリフィスＰ７ｈ，Ｐ７ｗ，Ｐ７ｏ及び再循環オリフィスＰ５ｈ，Ｐ５ｗ，Ｐ５ｏを備えていることを示している。水素回路の供給オリフィスＰ７ｈは、入口オリフィスＡ７ｈ（図１参照）に取り付けられ、水素は、この入口オリフィスＡ７ｈを通ってセルスタックＡに流入し、水素回路の再循環オリフィスＰ５ｈは、個々のセルのスタックＡから出た未消費の水素のための出口オリフィスＡ５ｈに取り付けられ、冷却用水回路の供給オリフィスＰ７ｗは、入口オリフィスＡ７ｗに取り付けられ、水は、この入口オリフィスＡ７ｗを通って個々のセルのスタックＡに流入し、水回路の再循環オリフィスＰ５ｗは、出口オリフィスＡ５ｗに取り付けられ、水は、この出口オリフィスＡ５ｗを通って個々のセルのスタックＡから流出し、最後に、酸素回路の供給オリフィスＰ７ｏは、入口オリフィスＡ７ｏに取り付けられ、酸素は、この入口オリフィスＡ７ｏを通って個々のセルのスタックＡに流入し、酸素回路の再循環オリフィスＰ５ｏは、出口オリフィスＡ５ｏに取り付けられ、未消費の酸素は、この出口オリフィスＡ５ｏを通ってセルスタックＡから流出する。

本発明によれば、ガス及び冷却用水管理システムは、端板Ｂ内に設けられている。端板Ｂは、特に図４及び図７Ｃで理解できる３つの主要チャンバＰ１ｗ，Ｐ１ｈ，Ｐ１ｏを収容するのに十分厚い構造ブロックＢ１を備えている。有利には、チャンバＰ１が、本質的に内側フェース（内側面）Ｂ１０に平行に配置されている。好ましくは、このチャンバは、実質的に真っ直ぐであり、しかも、好ましくは、依然として円筒形のものである。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、本発明の非限定的な実施形態の明確な理解を提供している。実質的に平行六面体の形をした材料ブロックから始まり、機械加工により次の段階に進むことが可能である。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、所要の孔が作られたときであって流体管理システムを形成するのに必要な要素を取り付ける前の端板Ｂの外観を示している。組み込み設計は、同一シーケンスにおいて同一の形式の作業を全て組み合わせた連続シーケンスによる製造に良く向いていることが明確に理解できる。

不必要に細部に言及して説明の残りを混乱するのを回避するために、機能的システムプレートを生産する際に関与する機械加工及び組み立て作業の全てについては説明しない。その目的は、１つ又は２つ以上の管理システムを端板内に組み込む設計上の原理を説明するためであり、いずれの場合においても、１つ又は複数の流体管理システムの正確なレイアウトに応じた正確な細部は、当然のことながらばらつきがあって良い。構成材料、例えばアルミニウムが引き抜かれる方向に平行に位置する全ての孔を既に備えた引き抜きブロックから始まることが可能である。ブロックは、鋳造によっても製作できる。 かくして、送りダクトＰ２及び戻りダクトＰ３は全て、内側フェースＢ１０と外側フェース（外側面）Ｂ１１との間に設けられ、内側フェースＢ１０にほぼ平行に細長く、１つ又は複数のチャンバＰ１と同一の周辺フェース（周辺面）Ｂ１２で終端している。

方法がどのようなものであれ、有利には、その目的は、少なくとも一方の側部、即ち、周辺フェース上に開口し、更には、両方の側部上に開口した互いに平行なキャビティ（特に図３を参照されたい）を形成する３つの主要チャンバＰ１ｗ，Ｐ１ｈ，Ｐ１ｏを製作することにあり、このことは、流体管理要素の容易な組み立てにとって好都合である。平行なキャビティの内部には、種々の要素が取り付けられ、ダクト及び要素は、水素回路、冷却剤用の回路及び酸素回路のためのそれぞれの３つの管理システムを構成するよう連結されることになる。

図６は、上述のスタックに当接するよう設計された本発明の端板Ｂの内側フェースＢ１０を示している。この内側フェースは、個々の電気化学セルのスタックＡを通る水素回路に水素を供給するよう設計された２つのオリフィスＰ７ｈ，Ｐ５ｈ、酸素回路に酸素を供給するよう設計された２つのオリフィスＰ７ｏ，Ｐ５ｏ及び冷却剤回路に冷却剤を供給するよう設計された２つのオリフィスＰ７ｗ，Ｐ５ｗを有している。外側フェースＢ１１及び１つ又は複数の周辺フェースＢ１２の全体には、個々の電気化学セルのスタックＡとは接触部が無い。これにより、この図６及び特に図５で理解できるように、流体管理システムを構成するのに必要な多くの要素をこれらフェースに取り付けることが可能である。

図７Ｃは、第１のチャンバＰ１が、構造ブロックＢ１の厚みの中で内側フェースＢ１０と外側フェースＢ１１との間に設けられている状態を示している。第１のチャンバは、内側フェースＢ１０に平行な方向に細長く、側部がこの場合円筒形の壁Ｐ１０によって画定されている。チャンバが円筒形の形をしていることは、当然のことながら、機械的製造上、好都合であるに過ぎず、チャンバは、平行六面体の外観のものであっても良く、この場合、依然として、内側フェースＢ１０に実質的に平行に細長い。

好ましくは、組み立てを容易にするために、チャンバＰ１は、構造ブロックＢ１全体を貫通して反対側の周辺フェースＢ１２上に開口しており、チャンバＰ１は、各々が周辺フェースＢ１２の各々にそれぞれ取り付けられた２つのクロージャ（囲い）形成装置、例えば、クロージャＥ１２ｈ及び受け器Ｅ７ｈ（図１１参照）によって画定されている。

図５は、本発明の燃料電池ＦＣ及びこの燃料電池が相対的接近運動（両方向を指し示す矢印Ｆ１を参照されたい）によって取り付けられた支持体Ｓを示しており、それにより、種々の流体連結部（電気的接続部、ガス連結部及び冷却剤連結部）を実現することができると共に燃料電池をそれと同時に機械的に位置決めすることができる。

端板Ｂ内に組み込まれた種々の流体回路の細部又は詳細は、次の通りである。

冷却用水回路（特に図９参照）
チャンバＰ１ｗは、その頂部が、周辺フェースＢ１２に取り付けられたクロージャＥ１２ｗによって画定されている。パージ弁（除去弁）Ｅ１６が、水中に存在するガスを流出させるようクロージャＥ１２ｗに取り付けられている。インサートＥ１１ｗが、チャンバＰ１ｗの底端部のところに取り付けられている。このインサートＥ１１ｗは、２つのセルフシール継手Ｃ１ｗ，Ｃ２ｗを受け入れ、このインサートは、チャンバＰ１ｗをその端のうちの一方のところで閉鎖するカバーを形成している。

インサートＥ１１ｗは、オリフィスＰ５ｗと連通すると共に継手Ｃ２ｗと連通した内部チャンバＰ６０ｗを備えている。このインサートは、更に管Ｅ６１ｗを受け入れ、この管の壁は、内部チャンバＰ６０ｗの高さ全体にわたって中実であり、この壁は、チャンバＰ１ｗの長さに沿ってほぼ全体にわたって延びる一部分について複数個のオリフィスＰ６２ｗを有している。管Ｅ６１ｗの外部のチャンバＰ１ｗの容積部は、脱イオン装置Ｄを形成する適当な化学成分の結晶を保持するのが良い。チャンバＰ１ｗは、一方の側がオリフィスＰ７ｗと連通し、他方の側が継手Ｃ１ｗと連通する供給装置を形成している。

水は、図９のコネクタＣ１ｗを通って端板Ｂに流入し、脱イオン装置Ｄを通り、そしてオリフィスＰ７ｗを通って燃料電池に流入する。管Ｅ６１ｗの頂端部は閉鎖されてはいないので、流れの全てが結晶を通るわけではない。これにより、損失水頭を制限することができる。実験観察の示すところによれば、脱イオン化は、十分である。変形例として、フィルタに似た装置を採用しても良く、これは、流れ全体が脱イオン化装置を通るようにする。水は、リブ付きセパレータに流入した後、オリフィスＰ５ｗを通って端板Ｂに戻り，そして図９のコネクタＣ２ｗを介して流体管理システムから出る。コネクタＣ２ｗは、開かれた状態で示され、他方、コネクタＣ１ｗは、閉じられた状態で示されていることに注目されたい。その目的は、これらの動作を明確に示すことにあるが、実際には、これらのコネクタは、燃料電池が例えば車両内で作動するよう設置された場合には両方共開かれ、或いは、これらコネクタは、燃料電池を取り外した場合には両方共閉じられる。

また、注目されるように、上記の構成は、水がそのシステムの通過中、システムプレートＢの全体を正確な温度に維持するという本発明の利点となる。

好ましくは、本発明の端板は、冷却剤供給装置を形成するチャンバＰ１ｗに加えて、以下に説明する水素及び酸素管理システム（例えば図４参照）の構成を実現可能にする第１のチャンバ（Ｐ１ｈ）及び第２のチャンバ（Ｐ１ｏ）を備えている。

水素ガス回路（主として図１１参照）
チャンバＰ１ｈは、構造ブロックＢ１の内側フェースＢ１０のオリフィスＰ５ｈ，Ｐ７ｈ相互間に延びている。チャンバＰ１ｈは、頂部が、外側フェースＢ１２に取り付けられたクロージャＥ１２ｈによって画定されている。圧力センサＥ３ｈが、クロージャＥ１２ｈに取り付けられている。チャンバＰ１ｈは、その底部が、構造ブロックＢ１の周辺フェースＢ１２の底部に取り付けられた集水受け器Ｅ７ｈによって画定されている。

コネクタＣ１ｈが、周辺フェースＢ１２（図５）の底部に取り付けられている。このコネクタＣ１ｈは、セルに水素ガスを供給する上述の供給送りダクト（Ｐ２ｈ）を形成する穴を覆って取り付けられている（これについては、送りダクトＰ２ｈを含む種々の孔を確認するため構造ブロックＢ１の平面図である図７Ｃも参照のこと）。送りダクトＰ２ｈは、補助ダクトＰ３ｈを形成する別の孔に連結されており、この補助ダクトは、パージオリフィスに開口しており、この補助ダクトは、本質的に、送りダクトに平行であり、少なくとも圧力逃がし弁Ｅ１ｈ（図５）によってこの送りダクトに連結されている。この場合、補助ダクトＰ３ｈは、コネクタＣ２ｈ（図５、図６）を介して車両の外部に連結される。パージ浸漬管Ｅ２７（図１１）が、集水受け器（Ｅ７ｈ）内に設けられ、このパージ浸漬管は、パージソレノイド弁Ｅ１０ｈ（図５及び図６）に連結され、このパージソレノイド弁Ｅ１０ｈは、補助ダクトＰ３ｈに垂直なパージ孔Ｐ８ｈを介して補助ダクトＰ３ｈと連通している。

送りダクトＰ２ｈは、送りダクトＰ２ｈに垂直に形成された通路Ｐ４ｈ（図７Ｃ参照）を介してチャンバＰ１ｈ（図１３）の壁Ｐ１０ｈで終端している。再循環本体Ｅ６ｈ（図１１）が、壁Ｐ１０ｈに気密的に当接すると共に通路Ｐ４ｈの高さ位置のところに位置した状態でチャンバＰ１ｈ内に位置決めされている。本体Ｅ６ｈは、チャンバＰ１ｈを、オリフィスＰ７ｈのところで終端するガス送り部分Ｐ１２ｈ及びオリフィスＰ５ｈのところで終端するガス再循環部分Ｐ１１ｈに分けている。

再循環本体Ｅ６の構成を一層良く理解するために、読者は、図１３を参照されたく、図１３は、図１１の平面に垂直な平面の断面において、酸素回路のチャンバＰ１ｏ内に用いられる再循環本体Ｅ６ｏを示している。本体Ｅ６ｈ，Ｅ６ｏ及び上記装置及びこれらが収容する手段は、互いに同一である。各再循環本体Ｅ６は、第１のキャビティＥ６１、第２のキャビティＥ６２及び第３のキャビティＥ６３を備えている。第２のキャビティＥ６２は、一方において通路Ｐ４（図１３のＰ４ｏを参照されたく、水素のための通路Ｐ４ｈは、図１１では見えない）と連通すると共に穴Ｐ６４（図１３のＥ６４ｏを参照されたく、水素回路に関して同等なものは、図１１では見えない）と連通し、この穴Ｅ６４は、圧力調整ソレノイド弁Ｅ２ｈ（図５、図１０及び図１１）と連通している。図７Ｃは、通路Ｐ４ｈ，Ｐ４ｏを示しているが、図面を複雑にするのを避けるために同一形式の他の構造的細部は示されていない。

一方弁Ｅ５が、チャンバＰ１の部分Ｐ１１（再循環）と第１のキャビティＥ６１との間で再循環本体Ｅ６に取り付けられている。孔Ｐ６が、第１のキャビティＥ６１と第３のキャビティＥ６３との間の連通を可能にする。加うるに、再循環ポンプＥ８ｈ（図５及び図１０）が、構造ブロックＢ１に取り付けられており、このポンプの吸込み側は、チャンバＰ１ｈの部分Ｐ１１と連通し、その吐出し側は、第１のキャビティＥ６１と連通している。純粋に説明上の目的で、酸素側と水素側の両方に膜ポンプを用いるのが良い。有利には、２つの膜ポンプ（Ｅ８ｈ，Ｅ８ｏは、単一の電気モータＥ１４によって同時に駆動される。

ソレノイド弁Ｅ２は、ベンチュリ装置Ｖを形成する先細末広がり（鼓形）区分で終端するボイドと連通している（図１１及び図１３の頂部に向かって、即ち、ガス循環に関して下流側に）。キャビティＥ６３は、先細部分の外部に位置する領域と連通している。

水素ガスは、コネクタＣ１ｈを介して流入し、水素ガスセルの送りダクトＰ２ｈを通り、この送りダクト内において、燃料電池の動作温度に保たれている端板と接触することによって加熱される。このガスは、送りダクトＰ２ｈによって再循環本体Ｅ６ｈに引き回される。ガスは、チャンバＰ１２ｈ内に達する（弁Ｅ２ｈによって調製された圧力状態で）。圧力設定点が、チャンバＰ１ｈの頂部Ｐ１２ｈについて固定されている。これは、事実、個々のセルのスタックＡの入口のところにおいて望ましい圧力である。

再循環ガスは、オリフィスＰ５ｈ（図１１）を通ってセルから出た未消費ガスの過剰分から成る。ガス中に存在する液体としての水は、チャンバＰ１ｈの部分Ｐ１１ｈ内に達すると、重力により受け器Ｅ７ｈ内に落下する。残り水は、ソレノイド弁Ｅ１０ｈを例えば一定間隔で作動させることによってシステムから排出される。再循環ガスは、一方弁Ｅ５ｈを通ってキャビティＥ６１に接近し、ここから、自由にキャビティＥ６３内に流入することができる。ベンチュリ装置Ｖは、キャビティＥ６２内に存在する新たなガスとキャビティＥ６３内に存在する再循環ガスを混合させる手段となり、この混合物は、次に、チャンバＰ１ｈの部分Ｐ１２ｈに流入し、次にオリフィスＰ７ｈに至る。

低電力時には、ベンチュリ効果によるガス再循環は、もはや十分ではなく、再循環ポンプＥ８ｈを作動させる。このポンプは、チャンバＰ１ｈの部分Ｐ１１ｈ内のガスを吸い込み、そしてこれをチャンバＰ１ｈのキャビティＥ６１内に吐き出す。これらの条件下においては、一方弁Ｅ５ｈは、閉じられる。

かくして、チャンバＰ１ｈ内において下から上に働く数個の段階を識別することができ、即ち、これらの段階は、オリフィスＰ５ｈの下の第１の段階、オリフィスＰ５ｈと再循環本体との間の第２の段階、第２のキャビティＥ６２に相当する第３の段階、第３のキャビティＥ６３に相当する第４の段階、再循環本体とオリフィスＰ７ｈとの間の第５の段階である。圧力センサＥ３ｈ（図５）が、この第５の段階で生じる圧力を記録するために構造ブロックに取り付けられている。

燃料電池に水素を供給するための水素の管理システムをどのように端板内に組み込んで良いかについて説明を丁度したところである。好ましくは、端板Ｂは、第１のチャンバＰ１ｈの構成と類似した構成が可能である第２のチャンバＰ１を備え、チャンバのうちの１つ（Ｐ１ｈ）と関連したガス回路は、水素回路であり、チャンバのもう１つ（Ｐ１ｏ）と関連したガス回路は、酸素回路（この場合、純粋酸素である）。

酸素ガス回路（主として図１２及び図１３参照）
酸素システムは、以下の点を除き、水素システムと同一である。
ａ．パージは、ソレノイド弁Ｅ１０ｏ（図１５）を介して大気中に直接送り出される。このために、孔Ｐ３ｏの頂部は、酸素が自由に逃げ出ることができるようにするフィルタＥ２０を備えている。クロージャＥ１５が、孔Ｐ３ｏの頂部と底部を分離している。孔Ｐ３ｏの底部は、水を受け器Ｅ７ｏから排出するために用いられる。
ｂ．カソード（酸素）側には、液体の形をした水が相当な量生成する。燃料電池から出たこの水は、重力により受け器Ｅ７ｏの底部に落下する。フロートＥ１７が、浸漬管Ｅ１９の入口の開口度Ｅ１８を制御する。この浸漬管Ｅ１９は、孔Ｐ９ｏに連結され、そして孔Ｐ３ｏに連結されている。水は、ここから、コネクタＣ２ｏを介してシステムから送り出される。

電気的区分（主として図５参照）
システムの機能は、電気的に制御される。このために、有利には、燃料電池を管理する電子モジュール又は制御ユニットＥ２５を本発明の端板の近くに設置し又はこの端板に取り付けることが可能である。好ましくは、本発明の端板は又、電子管理モジュールＥ２５を外部に接続する多ピン形コネクタＣ４を支持している。制御ユニットＥ２５は、構造ブロックＢ１の頂部のところに配置されている。この制御ユニットは、種々のセンサ（全てではなく幾つかの例として、圧力センサＥ３ｈ，Ｅ３ｏ、電流測定センサＥ２１、水素流量検出器Ｅ２６等が挙げられる）からの情報を受け取る。制御ユニットは、この情報を集めて、種々のユニット（圧力調整コイルＥ２ｈ，Ｅ２ｏ、パージソレノイド弁Ｅ１０ｈ，Ｅ１０ｏ、ポンプモータＥ１４、安全接触器Ｅ２２）に作用する。好ましくは、本発明の端板は、燃料電池によって送り出される電流用に設計された２つの電力用電気コネクタＣ３を更に備えている。最後に、好ましい実施形態によれば、電気コネクタ及びガス又は冷却剤供給継手は全て、これらを上述のプレートとこれを受け入れるよう設計された支持体Ｓ（図５参照）との間の単一の相対的接近直線運動によって互いに結合できるよう構成されている。

図１４は、端板Ｂ′と端板ｂ′の両方が、燃料電池によって用いられる流体のための管理要素を備えている本発明の変形実施形態を示している。例えば、冷却剤の管理は、端板のうちの一方の中に組み込まれ、ガスの管理は、他方の端板内に組み込まれている。これは、図１５及び図１６に示されているように、サーモスタットＥ２９ｗ及び冷却剤のための循環ポンプＥ３０ｗの設置を容易にすることができる。図１５は、燃料電池を冷却しなければならないときのサーモスタットＥ２９ｗの形態を概略的に示している。スタックＡを通過した冷却剤は、放熱器の外部に戻される。図１６は、燃料電池が冷却されているときのサーモスタット２９ｗの形態を示している。スタックを通過した冷却剤は、ポンプによって直接集められてスタック内の閉鎖回路のみを通って循環する。その目的は、冷却剤の漸次加熱を一様にすることにある。

結論として、本発明者は、本発明の利点が、特に、多くの継手、連結部、シール又は溶接部を無くしたことにあることを力説するものであり、これらの要素は全て、これらに付随する工業生産コストはさておき、信頼性を損なう原因である。１種類又は複数種類の流体のための１つ又は複数の管理システムのレイアウトは、本発明の内容とはならない。本出願人によれば、本明細書において説明したコンパクトなシステムプレートを製造する原理は、要素の中にはかかる端板に組み込まれず又は取り付けられないものがあるということを意味しているとしても、全てでは無いにせよ多くの流体管理システム方式との適合性があるように思われる。本発明は又、電気化学セルのスタックの交換を容易にする一方で、十分な接触圧力を生じさせることができる迅速取り付けシステム、例えば、エルボ−レバーシステムによるスタックと端板との間の連結を可能にすることによって１枚又は複数枚の端板の回収を容易にする。本発明のシステムプレートは又、個々のセルの２つのスタックを互いに連結すると共にこれらの間に挿入されるよう構成されても良い。

Claims (13)

1. 燃料電池用の端板（Ｂ）であって、前記端板が、個々のセルのスタックに当接するよう設計された内側フェース（Ｂ１０）を有すると共に前記内側フェースと反対側の外側フェース（Ｂ１１）及び１つ又は２つ以上の周辺フェース（Ｂ１２）を有する構造ブロック（Ｂ１）を備え、前記内側フェースが、前記燃料電池の内部に設けられたガス回路にガスを供給するよう設計された少なくとも２つのオリフィス（Ｐ５，Ｐ７）を有し、前記構造ブロック（Ｂ１）が、第１のチャンバ（Ｐ１）を備えると共に前記チャンバ（Ｐ１）の壁のところで終端する供給ダクト（Ｐ２）を備えている、端板において、
   ・前記第１のチャンバ（Ｐ１）は、前記内側フェース（Ｂ１０）と前記外側フェース（Ｂ１１）との間に設けられていて、前記内側フェース（Ｂ１０）及び前記外側フェース（Ｂ１１）の側が前記構造ブロック（Ｂ１）の壁（Ｐ１０）によって画定され、前記チャンバ（Ｐ１）は、前記内側フェース（Ｂ１０）に平行に細長くなっており、前記チャンバ（Ｐ１）は、周辺フェース（Ｂ１２）上に開口し、前記チャンバ（Ｐ１）は、前記周辺フェース（Ｂ１２）に取り付けられた少なくとも１つのプラグ（Ｅ１２）によって画定され、
   ・再循環本体（Ｅ６）が、前記供給ダクト（Ｐ２）の終端箇所のところに位置決めされた状態で前記チャンバ（Ｐ１）内に納められ、前記再循環本体（Ｅ６）は、前記チャンバ（Ｐ１）を前記オリフィスのうちの一方（Ｐ５）のところで終端するガス再循環部分（Ｐ１１）及び他方のオリフィス（Ｐ７）のところで終端する供給部分（Ｐ１２）に分離するよう前記チャンバの前記壁に気密的に取り付けられ、前記再循環本体（Ｅ６）は、前記供給ダクト（Ｐ２）から来る新たなガスと前記再循環部分（Ｐ１１）から来るガスを混合し、この混合物を他方のオリフィス（Ｐ７）に差し向けることができるようにする混合要素を備え、
   ・前記チャンバ（Ｐ１）は、前記構造ブロック（Ｂ１）全体を貫通して反対側の周辺フェース（Ｂ１２）上に開口し、前記チャンバ（Ｐ１）は、各々が前記周辺フェース（Ｂ１２）の各々にそれぞれ取り付けられた２つのクロージャ（Ｅ１２）によって画定されている、端板。
2. 前記供給ダクト（Ｐ２）及び排出ダクト（Ｐ３）は全て、前記内側フェース（Ｂ１０）と前記外側フェース（Ｐ１１）との間に設けられ、前記内側フェース（Ｂ１０）に平行に細長く、前記チャンバ（Ｐ１）と同一の前記周辺フェース（Ｂ１２）上に開口している、請求項１に記載の端板。
3. 前記チャンバ（Ｐ１ｈ）は、前記再循環本体（Ｅ６ｈ）と反対側のその端が、集水受け器（Ｅ７ｈ）によって画定され、前記チャンバ（Ｐ１ｈ）は、前記集水受け器（Ｅ７ｈ）の内部に納められていると共にパージソレノイド弁（Ｅ１０ｈ）に連結されたパージ浸漬管（Ｅ２７）を備えている、請求項１又は請求項２に記載の端板。
4. 前記チャンバ（Ｐ１ｏ）は、前記再循環本体と反対側のその端が、集水受け器（Ｅ７ｏ）によって画定され、前記チャンバ（Ｐ１ｏ）は、生成した水を排出する浸漬管（Ｅ１９）を備え、前記浸漬管の開口は、フロート（Ｅ１７）によって制御される、請求項１又は請求項２に記載の端板。
5. パージオリフィス上に開口した補助ダクト（Ｐ３）を備え、前記補助ダクトは、前記供給ダクト（Ｐ２）に実質的に平行に配置されると共に少なくとも圧力逃がし弁（Ｅ１）を介して前記供給ダクトに連結されている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の端板。
6. 前記第１のチャンバの構成と類似した構成が実現可能な第２のチャンバを備え、前記チャンバのうちの一方（Ｐ１ｈ）と関連した前記ガス回路は、水素ガス回路であり、前記チャンバのうちの他方（Ｐ１ｏ）と関連した前記ガス回路は、空気又は酸素回路である、請求項１乃至５の何れか１項に記載の端板。
7. 前記燃料電池によって送り出される電流用に設計された２つの電力用電気コネクタ（Ｃ３）を更に備えている、請求項１乃至６の何れか１項に記載の端板。
8. 前記電気コネクタ及び前記ガス又は冷却剤供給継手は全て、これらが前記端板と前記端板を受け入れるよう設計された支持体との間の相対的な接近直線運動だけで互いに結合できるよう構成されている、請求項１乃至７の何れか１項に記載の端板。
9. リブ付きセパレータとイオン交換膜を交互に配置して形成されたスタック（Ａ）を備える燃料電池（ＦＣ）であって、前記スタック（Ａ）は、２枚の端板（Ｂ，Ｃ）相互間に締め付けられ、前記端板のうちの一方は、請求項１乃至８の何れか１項に記載の端板に一致する、燃料電池。
10. 或る特定の動作パラメータを制御する要素が、前記端板のうちの一方に取り付けられ又はこの中に組み込まれている、請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記燃料電池によって消費されなかったガスを再循環させる要素が、前記端板のうちの一方に取り付けられ又はこの中に組み込まれている、請求項１０に記載の燃料電池。
12. 前記燃料電池によって生成された水を除去する要素が、前記端板のうちの一方に取り付けられ又はこの中に組み込まれている、請求項１１に記載の燃料電池。
13. 冷却剤を配分する要素が、前記端板のうちの一方に取り付けられ又はこの中に組み込まれている、請求項９に記載の燃料電池。

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