JP7016719B2 - 略定形形状を用いたヘッダ構成 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の分野に関し、詳細には、略定形形状を用いたヘッダ部に関する。

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

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

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

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

本発明の態様によれば、プレートは、作動面及びヘッダ部を含む。前記作動面上には、複数の反応物通路が設けられる。前記ヘッダ部は、前記プレートの周縁領域に配置され、複数のフランジ及び複数のビードを備える。前記複数のフランジは、前記ヘッダ部上に配置される。前記複数のフランジは、前記プレートを貫通する複数の開口部を備える。前記複数のフランジの各々には、前記複数の開口部が１つずつ設けられる。前記複数の開口部の少なくとも１つは、前記複数の反応物通路に流体接続される。前記複数のビードは、前記作動面上に配置される。前記複数のビードの各々は、前記複数の開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数のフランジを各々設ける。前記複数のビードの各々は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有する。前記複数のビードの各々は、シール面を備える。前記シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供する。

本発明の更なる態様において、前記ビード角部は、それぞれ約５０°～約７０°の角度を有する。

本発明の更なる態様において、前記ビード角部は、それぞれ約６０°の角度を有する。

本発明の更なる態様において、前記ビード角部は、それぞれ角度を有し、前記角度は、各々他の前記角度の約１０°以内の角度となる。

本発明の更なる態様において、前記ビード角部は、前記シール面に沿った接触圧のばらつきが約５０％より低い。

本発明の更なる態様において、前記ビード角部は、前記シール面に沿った接触圧のばらつきが約３０％より低い。

本発明の更なる態様において、前記ビード角部の各々は、略円弧状である。

本発明の更なる態様において、前記ビード辺部の各々は、蛇行経路に沿う。

本発明の態様において、システムは、プレートと、構成部品と、圧縮部材と、を備える。前記プレートは、作動面及びヘッダ部を含む。前記作動面上には、複数の反応物通路が設けられる。前記ヘッダ部は、前記プレートの周縁領域に配置される。前記ヘッダ部は、複数のフランジ及び複数のビードを備える。前記複数のフランジは、前記作動面上に配置される。前記複数のフランジは、前記プレートを貫通する複数の第１開口部を備える。前記複数のフランジの各々は、前記複数の第１開口部が１つずつ設けられる。前記複数の第１開口部の少なくとも１つは、前記複数の反応物通路に流体接続される。前記複数のビードは、前記作動面上に配置される。前記複数のビードの各々は、前記複数の第１開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数のフランジを各々設ける。前記複数のビードの各々は、ある形状を有する。その形状は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有する。前記複数のビードの各々は、シール面を備える。前記シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供する。前記構成部品が前記プレートに当接する。前記構成部品は、前記構成部品を貫通する複数の第２開口部を備える。前記複数の第２開口部の各々は、前記複数の第１開口部の各々と一列に並ぶ。前記圧縮部材は、前記プレートに圧縮力を加えることにより前記接触圧を生じさせる。

本発明の更なる態様によれば、前記構成部品は、さらに第２作動面を備える。前記第２作動面上には、複数の第２ビードが配置される。前記複数の第２ビードの各々は、前記複数の第２開口部の１つずつの周りに配置される。前記複数の第２ビードの各々は、前記形状を有する。

本発明の更なる態様によれば、前記第２作動面は、前記作動面に近接して配置され、前記複数の第２ビードの各々は、第２シール面を含み、前記構成部品は、前記第２シール面が前記シール面と接触した際に前記プレートに当接し、前記第２シール面と前記シール面との間に前記接触圧を生じさせる。

本発明の更なる態様によれば、前記プレートは、さらに、前記作動面の反対側に第１背面を有し、前記構成部品は、さらに、第２背面を有する。前記第２背面は、前記第１背面に結合される。前記第１背面及び前記第２背面は、前記プレートと前記構成部品との間に複数の冷媒通路を設ける。前記複数の冷媒通路は、前記複数の第１開口部のうち少なくとも別の１つに流体接続される。

本発明の更なる態様によれば、前記ビード角部は、それぞれ約５０°～約７０°の角度を有する。

本発明の更なる態様によれば、前記ビード角部は、前記シール面に沿った接触圧のばらつきが約３０％より低い。

本発明の更なる態様によれば、前記構成部品は、一体型電極構造体である。

本発明の更なる態様によれば、燃料電池スタックは、第１プレートと、第２プレートと、一体型電極構造体と、圧縮部材とを備える。前記第１プレートは、第１作動面及び第１ヘッダ部を含む。前記第１作動面上には、複数の第１反応物通路が設けられる。前記第１ヘッダ部は、前記第１プレートの周縁領域に配置される。前記第１ヘッダ部は、複数の第１フランジ及び複数の第１ビードを備える。前記複数の第１フランジは、前記ヘッダ部上に配置される。前記複数の第１フランジは、前記第１プレートを貫通する複数の第１開口部を備える。前記複数の第１フランジの各々は、前記複数の第１開口部を１つずつ設ける。前記複数の第１開口部の少なくとも１つは、前記複数の第１反応物通路に流体接続される。前記複数の第１ビードは、前記第１作動面上に配置される。前記複数の第１ビードの各々は、前記複数の第１開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数の第１フランジを各々設ける。前記複数の第１ビードの各々は、ある形状を有する。その形状は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有する。前記複数の第１ビードの各々は、第１シール面を備える。前記第１シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供する。前記第２プレートは、第２作動面及び第２ヘッダ部を含む。前記第２作動面上には、複数の第２反応物通路が設けられる。前記第２ヘッダ部は、前記第２プレートの周縁領域に配置される。前記第２ヘッダ部は、複数の第２フランジ及び複数の第２ビードを備える。前記複数の第２フランジは、前記第２ヘッダ部上に配置される。前記複数の第２フランジは、前記第２プレートを貫通する複数の第２開口部を備える。前記複数の第２フランジの各々は、前記複数の第２開口部を１つずつ設ける。前記複数の第２開口部の少なくとも１つは、前記複数の第２反応物通路に流体接続される。前記複数の第２ビードは、前記第２作動面上に配置される。前記複数の第２ビードの各々は、前記複数の第２開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数の第２フランジを各々設ける。前記複数の第２ビードの各々は、前記形状を有する。その形状は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有する。前記複数の第２ビードの各々は、第２シール面を有する。前記第２シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供する。前記一体型電極構造体は、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置される。前記一体型電極構造体は、前記複数の第１反応物通路と接触する第１側面と、前記複数の第２反応物通路と接触する第２側面と、を備える。前記圧縮部材は、前記第１プレートと、前記第２プレートと、前記一体型電極構造体と、に圧縮力を加えるようになっている。前記圧縮力は、前記複数の第１ビードと、前記複数の第２ビードと、に前記接触圧を与えるようになっている。

本発明の更なる態様によれば、前記ビード角部は、それぞれ約５０°～約７０°の角度を有する。

本発明の更なる態様によれば、前記ビード角部は、それぞれ約６０°の角度を有する。

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

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

図１は、本発明の態様に係る燃料電池スタックの模式的分解図である。 図２は、本発明の態様に係る図１の燃料電池スタックのモノポーラプレートを示す模式的上面図である。 図３は、図２のプレートを示す模式的断面図である。 図４は、本発明の態様に係るバイポーラプレートの一部断面を示す模式的部分立体図である。 図５は、本発明の態様に係る略定形形状を用いたヘッダ部の例を示す模式的上面図である。 図６は、本発明の態様に係る略定形形状を用いたヘッダ部の他の例を示す模式的上面図である。 図７は、略定形形状を用いたヘッダ部と不定形形状を用いたヘッダ部とにおける接触圧の確率分布を比較するグラフである。

図１は、燃料電池スタック１０の分解図である。燃料電池スタック１０は、複数のプレート１２と、少なくとも１つの一体型電極構造体１４と、圧縮部材１６と、を含む。複数のプレート１２は、プレート１２を好適に組み合わせてよい。例えば、複数のプレート１２は、エンドプレート１８、モノポーラプレート２０（図２に、より詳細に示す）、及び／又はバイポーラプレート２２（図４に、より詳細に示す）を含んでもよい。本発明のある態様によれば、複数のプレート１２、少なくとも１つの一体型電極構造体１４、及び圧縮部材１６の間の何れか又は全てのシール部は、本明細書に記載される定形形状のヘッダ部４０によって、該シール部にわたって接触圧を均等に分布させることが可能となる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

燃料電池スタック１０が組み立てられると、各プレート１２のヘッダ部４０の開口部４４は、隣接するプレート１２又は一体型電極構造体１４の開口部４４とそれぞれ一列に並び、複数の入口マニホールド（図示せず）と複数の出口マニホールド（図示せず）を形成する。各構成部品のビード４２は、近接する構成部品のビード４２に対して押圧され、複数の流体流路２４、２６、２８を設けるための流体シールが形成される。燃料流路２４は、燃料入口２４ａ、燃料入口マニホールド（図示せず）、各プレート１２の燃料通路２４ｂ、燃料出口マニホールド（図示せず）、及び燃料出口２４ｃによって設けられる。同様に、酸化剤流路２６は、酸化剤入口２６ａ、酸化剤入口マニホールド（図示せず）、酸化剤通路２６ｂ、酸化剤出口マニホールド（図示せず）、及び酸化剤出口２６ｃによって設けられる。冷媒流路２８は、冷媒入口２８ａ、冷媒入口マニホールド（図示せず）、冷媒通路２８ｂ、冷媒出口マニホールド（図示せず）、及び冷媒出口２８ｃによって設けられる。

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

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

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

有益なことに、ビード４２のシール面４６に沿った接触圧の分布は、ヘッダ部４０に略定形形状を使用することにより均等に分布させることが可能となる。ヘッダ部４０にわたって略一様な幾何学的特徴（例えば、角部の角度）を設けることにより、そのような定形形状の使用がシール面４６に沿った均等な接触圧の分布を生成すると考えられる。

図５は、略定形形状を用いたヘッダ部４０ａを有するプレート１２の模式的上面図である。プレート１２は、作動面３６と、複数の反応物通路２４ｂ、２６ｂと、ヘッダ部４０ａと、プレート１２の略周縁部に配置されるビード４２と、を含む。

ヘッダ部４０ａは、プレート１２の端部に配置される。ヘッダ部４０ａは、複数のビード４２及びプレート１２を貫通する複数の開口部４４を設ける複数のビード４２及び複数のフランジ５０を含む。各フランジ５０は、ビード４２と各開口部４４との間に設けられ、プレート１２を貫通する開口部４４を設けるフランジ縁１０４を備える。各開口部４４は流体を流通させ、各ヘッダ部４０ａ内の少なくとも１つの開口部４４が反応物通路２４ｂ、２６ｂに流体接続される。使用の際には、プレート１２の一端部における１つ又は複数の接続された開口部４４を流通した反応物が反応物通路２４ｂ、２６ｂに入り、反応物通路２４ｂ、２６ｂによって設けられた流路を横切り、プレート１２の他端部における１つ又は複数の接続された開口部４４を通ってプレート１２から出るように、各開口部４４を流通する。プレート１２の略周縁部に配置されたビード４２は、外側ビード４２と称してもよく、フランジ５０の周りに配置されるビード４２は内側ビード４２と称してもよい。

ビード４２は、燃料電池スタック１０のプレート１２と近接する構成部品との間に実質的に漏れのないシールを提供する。内側ビード４２の各々は、開口部４４の１つずつの周りに配置され、フランジ５０を各々設ける。

各ビード４２は、ある形状を有する。例えば、その形状は、ビード辺部１０６及びビード角部１０８からなる多角形であってもよい。その多角形は、例えば、図５の正六角形によって図示される略六角形のような、如何なる数のビード辺部１０６及びビード角部１０８を有してもよい。ビード角部１０８は、それぞれの角度αを設ける。角度αは、１つのビード辺部１０６に垂直に延在する第１線と、他のビード辺部１０６に垂直に延在する第２線によって規定される。第１線は、ビード角部１０８と１つのビード辺部１０６との間の移行部から始まり、第２線は、ビード角部１０８と他のビード辺部１０６との間の移行部から始まる。ある態様において、各ビード角部は、約５０°～約７０°の角度αを有する。ある態様において、各ビード角部は、約６０°の角度αを有する。図示された多角形は、略六角形であるが、他の多角形形状が用いられてもよいことが諒解される。ある態様において、その形状は６つを超えるビード角部１０８を含み、各ビード角部１０８は、他の角度αと比べて約１０°以内となる角度αを有する。

ヘッダ部４０ａには、如何なる数のフランジ５０を含んでもよいことが諒解される。例えば、２種類の反応物及び冷媒によって稼動するプレート１２は、冷媒用の１つのフランジ５０と、第１反応物用の１つのフランジ５０と、第２反応物用の１つのフランジ５０と、を含んでもよい。さもなくば、２種類の反応物及び冷媒によって稼動する他のプレート１２は、冷媒用の１つのフランジ５０と、第１反応物用の２つのフランジ５０と、第２反応物用の１つのフランジ５０と、を含んでもよい。

ある態様においてビード辺部１０６は略直線状で、ビード角部１０８は、略円弧状（radiused）である。ビード角部１０８が略円弧状であっても、その略円弧状のビード角部１０８が依然としてある角度を規定することを、当業者は容易に理解されよう。ある態様において、ビード辺部１０６は、略蛇行経路に沿って延在する補強構造すなわち「波状部（wiggles）」を含む。これらの補強構造は、燃料電池スタック１０内でプレート１２が圧縮された際、ビード４２の過度の変形を防ぐことで、ビード４２の直線部分に沿って強度の弱い箇所が生じることを防ぐようになっている。蛇行経路に沿いつつ、ビード辺部１０６は、略直線状である。特に、蛇行経路に沿った「波状部」は、フランジ５０側（内側）に半径を有する円弧状となる第１部分と、該第１部分間に介在しフランジ５０の外側に半径を有する円弧状となる第２部分とで特定の半径を共有する。

図６は、略定形形状を用いたヘッダ部４０ｂを有するプレート１２の模式的上面図である。図５と同様に、プレート１２は、作動面３６と、複数の反応物通路２４ｂ、２６ｂと、ヘッダ部４０ｂと、プレート１２の略周縁部に配置されるビード４２と、を含む。

図５と同様に、図６に示されるヘッダ部４０ｂは、プレート１２の端部に配置され、各ビード４２は、ビード辺部１０６及びビード角部１０８からなる多角形のようなある形状を有する。図６に示される多角形は、不規則（irregular）六角形である。これら不規則多角形によって、図５に示された３つのフランジ５０と略同じ領域を占める、図６に示される５つのフランジ５０のようなフランジ５０のさらに近接したグループを設けることが可能である。さらに、フランジ５０は、フランジ５０のより近接したグループを設けるために互い違いに配置されてもよい。

驚くべきことに、定形形状を用いたヘッダ部４０は、フランジ５０周囲の内側ビード４２及び当該内側ビード４２に近接する外側ビード４２を含む、ヘッダ部４０の全てのビード４２に付与される接触圧を平均化する。ある態様において、定形形状は、約６０°の角度となる角部を有し、様々な半径を有する角部に付与される接触圧を平均化する。

様々なヘッダ部４０の構成を比較するために、様々なビード構成がモデル化可能である。例えば、ビード４２と開口部４４との間における色々なビード角部の角度、色々なビード角部の半径（コーナ半径）、及び色々な特徴、を有するヘッダ部４０を比較し、その様々な構成のばね定数（spring constants）を比較し最適化する。該ばね定数は、ビード角部の角度が減少するにつれて、一般的に小さくなると考えられる。例えば、ビード角部の角度が６０°であるビード４２のばね定数は、ビード角部の角度が１２０°であるビード４２のばね定数よりも一般的に小さいであろう。さらに、ばね定数は、ビード角部の半径が増加するにつれ、一般的に小さくなると考えられる。例えば、ビード角部の半径が１５ｍｍのビード４２のばね定数は、ビード角部の半径が６ｍｍのビード４２のばね定数より一般的に小さいであろう。さらに、ビード４２と開口部４４との間に、ある特徴（例えばさらなるビード４２）を有するビード４２のばね定数は、ビード４２と開口部４４との間にそのような特徴が無いビード４２のばね定数より一般的に小さいと考えられる。例えば、二重ビード４２の外側のビード４２（すなわち、モデル化されたフランジ５０に近接する２つのビード４２のうちの外側のビード４２）のばね定数は、同様なビード角部の半径及びビード角部の角度を有する単一ビードのばね定数よりも一般的に小さいであろう。

限定しない実施例において、６ｍｍの半径を有する単一内側ビード４２のばね定数のモデルは、ビード角度が約１２０°のとき約２００Ｎ／ｍｍ²のばね定数となり、ビード角度が約６０°のとき約１３５Ｎ／ｍｍ²のばね定数となる。限定しない実施例において、６ｍｍの半径を有する二重ビード４２の外側のビード４２のばね定数のモデルは、ビード角度が約１２０°のとき約１８０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となり、ビード角度が約６０°のとき約９５Ｎ／ｍｍ²のばね定数となる。限定しない実施例において、１０ｍｍの半径を有する単一内側ビード４２のばね定数のモデルは、ビード角度が約１２０°のとき約１２０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となり、ビード角度が約６０°のとき約９０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となる。限定しない実施例において、１０ｍｍの半径を有する二重ビード４２の外側のビード４２のばね定数のモデルは、ビード角度が約１２０°のとき約１６０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となり、ビード角度が約６０°のとき約９０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となる。限定しない実施例において、１５ｍｍの半径を有する単一内側ビード４２のばね定数のモデルは、ビード角度が約１２０°のとき約９０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となり、ビード角度が約６０°のとき約８０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となる。限定しない実施例において、１５ｍｍの半径を有する二重ビード４２の外側のビード４２のばね定数のモデルは、ビード角度が約１２０°のとき約１３０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となり、ビード角度が約６０°のとき約９０Ｎ／ｍｍ²のばね定数となる。

モデル例から、様々な半径及びビードの種類を有するビード４２のばね定数が、より大きなビード角部の角度から６０°に近づくにつれて収束し始めることが諒解可能である。特に、様々な半径及び構成を有する６０°のビード４２のばね定数のばらつきは、１２０°のビード４２のばね定数のばらつきよりもずっと小さい。例えば、モデル化され上述されたビード４２のばね定数は、１２０°において約２００Ｎ／ｍｍ²から約９０Ｎ／ｍｍ²まで変化するが、６０°においては、約１３５Ｎ／ｍｍ²から約８０Ｎ／ｍｍ²まで変化する。特に、モデル化され上述されたビード４２の一部、すなわち、半径６ｍｍの単一ビード、半径６ｍｍの二重ビード、半径１０ｍｍの二重ビード、半径１５ｍｍの二重ビード、のばね定数の各範囲は、約１０Ｎ／ｍｍ²以内である。ばね定数の範囲がこのように一般的に狭いことで、ビード４２のシール面４６に沿った接触圧分布によい影響を及ぼす。有益なのは、５０°～７０°のビード角部であるビード４２を備えるフランジ５０は、略湾曲する境界を有するビードを備えるフランジよりも、フランジ５０を反応物通路２４ｂ、２６ｂへ接続するトンネルをより多く形成することを可能にする。

近似線（trend lines）が異なる傾きを有し、その近似線が互いに離間し始めるので、ばね定数の差は、０でないある最小値より小さくすることが不可能である、ということが諒解されよう。さらに、ビード角部の角度が狭くなると、例えば反応物通路２４ｂ、２６ｂに各フランジ５０から反応物を移送するトンネルの周囲長及びフランジ５０の配置といった設計上の制約が、例えば５０°～７０°という大きなビード角部の角度の場合に比べてより厳しいものとなる。

図７は、線８０２によって示される不定形形状を用いたヘッダ部における接触圧の確率分布と、線８０４によって示される略定形形状を用いたヘッダ部における接触圧の確率分布と、を比較するグラフである。接触圧のビン（横軸の値）はＭＰａで与えられ、各ビンを占めるビードのパーセントは、各線の高さで示されている。線８０６は、不定形形状を用いたヘッダ部の接触圧分布を示し、線８０８は、定形形状を用いたヘッダ部の接触圧分布を示す。定形形状を用いたヘッダ部の接触圧分布８０８は、不定形形状を用いたヘッダ部の接触圧分布８０６よりもかなり狭いことが視認可能である。さらに、シール面４６に沿って中央値から離れた値の接触圧（例えば、２．８ＭＰａを下回り、５．２ＭＰａを上回る）を受ける地点の確率は、かなり低いことが諒解されよう。この狭い分布及び低い確率値により、燃料電池スタック１０に対する所定の圧縮力でのシール面４６に沿った漏れが減少する。なぜなら、シール閾値を下回る接触圧を受けるビード４２の箇所がより少ないからである。

ある態様において、ビード角部は、シール面に沿って約５０％より低い接触圧のばらつきとなる。ある態様において、ビード角部は、シール面に沿って約３０％より低い接触圧のばらつきとなる。ある態様において、ビード角部は、シール面に沿って約１５％より低い接触圧のばらつきとなる。

一般的にプレート１２の略周縁部に配置されるビード４２（外側ビード４２ともいう）は、ヘッダ部４０内の複数のフランジ５０のビード４２間に介在する経路を設けてもよいと考えられる。例えば、第１フランジ５０とプレート１２の外縁との間の空間、第１フランジ５０と第２フランジ５０との間の空間、第２フランジ５０と反応物通路２４ｂ、２６ｂとの間の空間、第２フランジ５０と第３フランジ５０との間の空間、第３フランジ５０とプレート１２の外縁との間の空間に、フランジ５０の一部を蛇行して囲むように外側ビード４２が配置されてもよい。この蛇行する経路も、ビード４２のシール面４６に沿って接触圧を均等に分布することによい影響を及ぼすと考えられる。

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

Claims (18)

1. プレートであって、
   複数の反応物通路が設けられる作動面と、
   前記プレートの周縁領域に配置されるヘッダ部と、
   を備え、
   前記ヘッダ部は、
   前記ヘッダ部上に配置される複数のフランジと、
   前記作動面上に配置される複数のビードと、
   を備え、
   前記複数のフランジは、前記プレートを貫通する複数の開口部を備え、
   前記複数のフランジの各々は、前記複数の開口部を１つずつ設け、
   前記複数の開口部の少なくとも１つは、前記複数の反応物通路に流体接続され、
   前記複数のビードの各々は、前記複数の開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数のフランジを各々設け、
   前記複数のビードの各々は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有し、
   前記複数のビードの各々は、シール面を備え、前記シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供する、
   ことを特徴とするプレート。
2. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード角部は、それぞれ約５０°～約７０°の角度を有する、
   ことを特徴とするプレート。
3. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード角部は、それぞれ約６０°の角度を有する、
   ことを特徴とするプレート。
4. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード角部は、それぞれ角度を有し、前記角度は、各々他の前記角度の約１０°以内の角度となる、
   ことを特徴とするプレート。
5. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード角部は、前記シール面に沿った接触圧のばらつきが約５０％より低い、
   ことを特徴とするプレート。
6. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード角部は、前記シール面に沿った接触圧のばらつきが約３０％より低い、
   ことを特徴とするプレート。
7. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード角部の各々は、略円弧状である、
   ことを特徴とするプレート。
8. 請求項１記載のプレートにおいて、
   前記ビード辺部の各々は、蛇行経路に沿う、
   ことを特徴とするプレート。
9. プレートと、
   前記プレートに当接する構成部品と、
   圧縮部材と、
   を備えるシステムであって、
   前記プレートは、
   複数の反応物通路が設けられる作動面と、
   前記プレートの周縁領域に配置されるヘッダ部と、
   を備え、
   前記ヘッダ部は、
   前記ヘッダ部上に配置される複数のフランジと、
   前記作動面上に配置される複数のビードと、
   を備え、
   前記複数のフランジは、前記プレートを貫通する複数の第１開口部を備え、前記複数のフランジの各々は、前記複数の第１開口部を１つずつ設け、前記複数の第１開口部の少なくとも１つは、前記複数の反応物通路に流体接続され、
   前記複数のビードの各々は、前記複数の第１開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数のフランジを各々設け、前記複数のビードの各々は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有し、前記複数のビードの各々は、シール面を有し、前記シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供し、
   前記構成部品は、前記構成部品を貫通する複数の第２開口部を含み、前記複数の第２開口部の各々は、前記複数の第１開口部の各々と一列に並び、
   前記圧縮部材は、前記プレートに圧縮力を加えることにより前記接触圧を生じさせる、ことを特徴とするシステム。
10. 請求項９記載のシステムにおいて、
    前記構成部品は、さらに、
    複数の第２ビードが配置される第２作動面を含み、前記複数の第２ビードの各々は、前記複数の第２開口部の１つずつの周りに配置され、前記複数の第２ビードの各々は、前記形状を有する、
    ことを特徴とするシステム。
11. 請求項１０記載のシステムにおいて、
    前記第２作動面は、前記作動面に近接して配置され、
    前記複数の第２ビードの各々は、第２シール面を含み、
    前記構成部品は、前記第２シール面が前記シール面と接触した際に前記プレートに当接し、前記第２シール面と前記シール面との間に前記接触圧を生じさせる、
    ことを特徴とするシステム。
12. 請求項９記載のシステムにおいて、
    前記プレートは、さらに、前記作動面の反対側に第１背面を有し、
    前記構成部品は、さらに、前記第１背面に結合される第２背面を有し、
    前記第１背面及び前記第２背面は、前記プレートと前記構成部品との間に複数の冷媒通路を設け、前記複数の冷媒通路は、前記複数の第１開口部のうち少なくとも別の１つに流体接続される、
    ことを特徴とするシステム。
13. 請求項９記載のシステムにおいて、
    前記ビード角部は、それぞれ約５０°～約７０°の角度を有する、
    ことを特徴とするシステム。
14. 請求項９記載のシステムにおいて、
    前記ビード角部は、前記シール面に沿った接触圧のばらつきが約３０％より低い、
    ことを特徴とするシステム。
15. 請求項９記載のシステムにおいて、
    前記構成部品は、一体型電極構造体である、
    ことを特徴とするシステム。
16. 第１プレートと、
    第２プレートと、
    前記第１プレートと前記第２プレートとの間に配置される一体型電極構造体と、
    圧縮部材と、
    を備える燃料電池スタックであって、
    前記第１プレートは、
    複数の第１反応物通路が設けられる第１作動面と、
    前記第１プレートの周縁領域に配置される第１ヘッダ部と、
    を備え、
    前記第１ヘッダ部は、
    前記第１ヘッダ部上に配置される複数の第１フランジと、
    前記第１作動面上に配置される複数の第１ビードと、
    を備え、
    前記複数の第１フランジは、前記第１プレートを貫通する複数の第１開口部を備え、前記複数の第１フランジの各々は、前記複数の第１開口部を１つずつ設け、前記複数の第１開口部の少なくとも１つは、前記複数の第１反応物通路に流体接続され、
    前記複数の第１ビードの各々は、前記複数の第１開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数の第１フランジを各々設け、前記複数の第１ビードの各々は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の形状を有し、前記複数の第１ビードの各々は、第１シール面を有し、前記第１シール面は、接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供し、
    前記第２プレートは、
    複数の第２反応物通路が設けられる第２作動面と、
    前記第２プレートの周縁領域に配置される第２ヘッダ部と、
    を備え、
    前記第２ヘッダ部は、
    前記第２ヘッダ部上に配置される複数の第２フランジと、
    前記第２作動面上に配置される複数の第２ビードと、
    を備え、
    前記複数の第２フランジは、前記第２プレートを貫通する複数の第２開口部を備え、前記複数の第２フランジの各々は、前記複数の第２開口部を１つずつ設け、前記複数の第２開口部の少なくとも１つは、前記複数の第２反応物通路に流体接続され、
    前記複数の第２ビードの各々は、前記複数の第２開口部の１つずつの周りに配置され、それにより前記複数の第２フランジを各々設け、前記複数の第２ビードの各々は、ビード角部及びビード辺部からなる略六角形の前記形状を有し、前記複数の第２ビードの各々は、第２シール面を有し、前記第２シール面は、前記接触圧を受けた際に撓み、それにより実質的に漏れのないシールを提供し、
    前記一体型電極構造体は、前記複数の第１反応物通路と接触する第１側面と、前記複数の第２反応物通路と接触する第２側面と、を備え、
    前記圧縮部材は、前記第１プレートと、前記第２プレートと、前記一体型電極構造体と、に圧縮力を加え、前記圧縮力は、前記複数の第１ビードと、前記複数の第２ビードと、に前記接触圧を与える、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
17. 請求項１６記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記ビード角部は、それぞれ約５０°～約７０°の角度を有する、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。
18. 請求項１６記載の燃料電池スタックにおいて、
    前記ビード角部は、それぞれ約６０°の角度を有する、
    ことを特徴とする燃料電池スタック。

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