特表 2024-500868 燃料電池アセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-10

(54)【発明の名称】燃料電池アセンブリ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20231227BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20231227BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/0276

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023537909

(86)(22)【出願日】2021-11-16

(85)【翻訳文提出日】2023-08-10

(86)【国際出願番号】 SE2021051146

(87)【国際公開番号】W WO2022131990

(87)【国際公開日】2022-06-23

(31)【優先権主張番号】2051498-0

(32)【優先日】2020-12-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】511002250

【氏名又は名称】パワーセル スウェーデン アーベー

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100206911

【弁理士】

【氏名又は名称】大久保 岳彦

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(72)【発明者】

【氏名】ホルムバリ，マティアス

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA08

5H126AA13

5H126DD02

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126EE22

(57)【要約】

多層膜電極アセンブリ（１０）を挟む少なくとも第１のフローフィールドプレート（２）および第２のフローフィールドプレート（４）を含む燃料電池アセンブリ（８）および該燃料電池アセンブリのためのフローフィールドプレートを開示する。前記多層膜電極アセンブリ（１０）は、前記第１のフローフィールドプレート（２）に面する第１の電極（１２）、前記第２のフローフィールドプレート（４）に面する第２の電極（１４）および前記電極（１２、１４）を分離する膜（１３）からなる少なくとも３層膜電極アセンブリ（１１）を含み、各フローフィールドプレート（２、４）が、前記それぞれの電極（１２、１４）上に反応物を分配するためのフローフィールドプレート（２、４）のベースレベル（２４、４４）から突出するフローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）を有し、かつさらに１以上のシーリング要素（５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９）が、前記第１および第２のフローフィールドプレート（１２、１４）の間に配置され、環境への前記反応物の漏れを防止するようになっており、前記フローフィールドプレート（１２、１４）のうち１つ以上のフローフィールドプレートの前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）と前記シーリング要素（５８、５９）との間の境界領域（２６，４６）において、１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）が、前記反応物が前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）をバイパスするのを回避するために配置されており、前記バイパス阻止要素（６０、７０）が、前記フローフィールドプレート（１２、１４）の前記それぞれのベースレベル（２４、４４）から突出し、前記１以上のバイパス阻止要素が、前記多層膜電極アセンブリ（１０）を圧縮するようなっている尖った部分（６６）を有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多層膜電極アセンブリ（１０）を挟む少なくとも第１のフローフィールドプレート（２）および第２のフローフィールドプレート（４）を含む燃料電池アセンブリ（８）であって、
前記多層膜電極アセンブリ（１０）が、前記第１のフローフィールドプレート（２）に面する第１の電極（１２）、前記第２のフローフィールドプレート（４）に面する第２の電極（１４）および前記電極（１２、１４）を分離する膜（１３）からなる少なくとも３層膜電極アセンブリ（１１）を含み、
各フローフィールドプレート（２、４）が、前記それぞれの電極（１２、１４）上に反応物を分配するためのフローフィールドプレート（２、４）のベースレベル（２４、４４）から突出するフローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）を有し、かつ
さらに１以上のシーリング要素（５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９）が、前記第１および第２のフローフィールドプレート（１２、１４）の間に配置され、環境への前記反応物の漏れを防止するようになっており、
前記フローフィールドプレート（１２、１４）のうち１つ以上のフローフィールドプレートの前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）と前記シーリング要素（５８、５９）との間の境界領域（２６，４６）において、１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）が、前記反応物が前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）をバイパスするのを回避するために配置されており、前記バイパス阻止要素（６０、７０）が、前記フローフィールドプレート（１２、１４）の前記それぞれのベースレベル（２４、４４）から突出し、
前記１以上のバイパス阻止要素が、前記多層膜電極アセンブリ（１０）を圧縮するようなっている、尖った部分（６６）を有することを特徴とする、燃料電池アセンブリ。

【請求項2】

前記多層膜電極アセンブリ（１０）が、前記第１の電極（１２）と前記第１のフローフィールドプレート（２）との間に配置される１以上のガス拡散層（１５）と、好ましくは前記第２の電極（１４）と前記第２のフローフィールドプレート（４）との間に配置される第２のガス拡散層（１６）とをさらに含み、前記１以上のガス拡散層（１５、１６）は、少なくとも部分的に前記１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）の上に延びるようになっており、それにより、前記バイパス阻止要素（６０、７０）の前記尖った部分（６６）が、前記１以上のガス拡散層（１５、１６）を圧縮する、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項3】

前記多層膜電極アセンブリ（１０）が、１以上のサブガスケット（１７、１８）をさらに含み、前記１以上のサブガスケット（１７、１８）により、前記多層膜電極アセンブリ（１０）に枠をはめるようになっており、前記１以上のサブガスケット（１７、１８）が、少なくとも部分的に前記１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）の上に延びるようになっており、それにより前記バイパス阻止要素（６０、７０）の前記尖った部分（６６）が前記１以上のサブガスケット（１７、１８）を圧縮する、請求項１または２に記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項4】

前記シーリング要素（５８、５９）が、前記フローフィールドプレート（２、４）、ひいては前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）を囲むビードシールであり、前記ビードシール（５８、５９）が前記ベースレベル（２４、４４）から突出し、かつ前記反応物の環境への漏れを防止するために、前記それぞれの他のフローフィールドプレート（１２、１４）の前記ビードシール（５８、５９）と直接的または間接的に接触するようになっている、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項5】

前記第１のフローフィールドプレート（１２）が１以上の第１のバイパス阻止要素（６０）を有し、前記第２のフローフィールドプレート（１４）が１以上の第２のバイパス阻止要素（７０）を有し、前記第１のバイパス阻止要素（６０）および前記第２のバイパス阻止要素（７０）が互いに反対側に配置され、それにより前記第１および第２のバイパス阻止要素（６０、７０）が、１以上のバイパス阻止要素アセンブリを形成し、前記第１のバイパス阻止要素（６０）が尖った部分（６６）を有し、前記第２のバイパス阻止要素（７０）が尖っていない部分（７７）を有し、前記第２のバイパス阻止要素（７０）の前記尖っていない部分（７７）が、前記第１のバイパス阻止要素（６０）の前記尖った部分（６６）によりへこまされる、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項6】

断面において、前記第２のバイパス阻止要素（７０）の前記尖っていない部分（７７）が、前記第１のバイパス阻止要素（６０）の前記尖った部分（６６）より幅が広い、請求項５に記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項7】

前記バイパス阻止要素（６０、７０）が、少なくとも前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）の長さに沿って延在する連続的な要素（６１、７１、６２、７２）であり、前記反応物の流れ（１００）の方向における前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）の少なくとも上流で、前記バイパス阻止要素（６３、７３、６４、７４）が前記シーリング要素に接続される、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項8】

複数の別々のバイパス阻止要素（６０、７０）、好ましくは複数のバイパス阻止要素アセンブリが、前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）と前記フローフィールドプレート（１２、１４）のうち１以上のフローフィールドプレートのビードシール（５８、５９）との間の領域（２６、４６）に配置される、請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項9】

前記尖った部分（６６）を有する前記第１のバイパス阻止要素（６０）が別々の要素であり、かつ前記尖っていない部分（７７）を有する前記第２のバイパス阻止要素（７０）が、少なくとも前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）の長さに沿って延在する連続的な要素であり、または、前記尖った部分（６６）を有する前記第１のバイパス阻止要素（６０）が少なくとも前記フローフィールド構造（２２、４２、２３、４３）の長さに沿って延在する連続的な要素であり、かつ前記尖っていない部分（７７）を有する前記第２のバイパス阻止要素（７０）が別々の要素である、請求項５乃至８のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項10】

１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）が、フローフィールドプレート（１２、１４）の一体的な部分である、請求項１乃至９のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項11】

１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）が前記フローフィールドプレート（１２、１４）とは別の要素であり、特に、前記バイパス阻止要素（６０、７０）が、フレーム状の要素である、請求項１乃至１０のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項12】

１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）が、サブガスケット（１７、１８）またはガス拡散層（１５、１６）の一体的な部分である、請求項１１に記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項13】

前記尖った部分（６６）を有する前記バイパス阻止要素（６０）が前記アノード側に配置される、請求項１乃至１２のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）。

【請求項14】

請求項１乃至１３のいずれかに記載の燃料電池アセンブリ（８）のためのフローフィールドプレート（１２、１４）であって、前記フローフィールドプレート（１２、１４）が、尖った部分（６６）を有する１以上のバイパス阻止要素（６０、７０）を含み、多層膜電極アセンブリ（１０）を圧縮するようになっている、フローフィールドプレート。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１の前文に記載の、少なくとも第１のフローフィールドプレート、第２のフローフィールドプレートおよび多層膜電極アセンブリを含む、燃料電池アセンブリに関する。このような燃料電池アセンブリは、単位燃料電池と称されることが多い。

【背景技術】

【0002】

通常、燃料電池スタックは、いわゆるバイポーラプレート（ＢＰＰ）に挟まれた複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。バイポーラプレートは、上記の第１のフローフィールドプレートと第２のフローフィールドプレートとの組み合わせであり、通常、金属やグラファイトなどの導電性材料から製作される。通常、フローフィールドプレートは、一方側に反応物のためのフローフィールドを有し、他方側に冷却流体のためのフローフィールドを有する。これにより、冷却流体のフローフィールドは互いに向き合い、一方、反応流体のフローフィールドは膜電極アセンブリに向き合う。しかしながら、他の設計、特に冷却フローフィールドを提供する第３の中間層を有する設計も知られる。燃料電池スタックの動作中に膜電極アセンブリにより生成される電流は、バイポーラプレートアセンブリ間の電位差をもたらし、電極の表面上の反応物の均一な分布に強く依存する。その結果、最大の電流出力を達成するために、電極の表面全体に反応物を分布させることが望まれる。

【0003】

フローフィールドプレートのフローフィールドは、反応物のための流れ抵抗も構成するので、反応物はフローフィールドプレートの縁（境界領域）でフローフィールドをバイパス（迂回）する傾向がある点が不利である。

【0004】

したがって、現在の技術水準では、フローフィールドと、いわゆるビードシールとの間の境界領域にバイパス阻止要素を設けることが提案されており、これは、環境に対する単位燃料電池の密封を提供するようになっている。

【0005】

しかしながら、積層の不良により、バイパス阻止要素と隣接する多層膜電極アセンブリまたは隣接する他のフローフィールドプレートとの間の密封接触がそれぞれ不十分となる場合があることが判明している。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、本発明の目的は、フローフィールドの反応流体のバイパスを確実に回避する、改良されたバイパス阻止要素を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的は、請求項１に記載の燃料電池アセンブリおよび請求項１４に記載のフローフィールドプレートにより達成される。

【0008】

以下では、多層膜電極アセンブリを挟む少なくとも第１のフローフィールドプレートおよび第２のフローフィールドプレートを含む燃料電池アセンブリが提供される。この燃料電池アセンブリは、単位燃料電池とも呼ばれる。フローフィールドプレート自体は、通常背中合わせに配置され、それにより所謂バイポーラプレートを提供する。さらに、前記多層膜電極アセンブリが、少なくとも、前記第１のフローフィールドプレートに面する第１の電極、前記第２のフローフィールドプレートに面する第２の電極および前記電極を分離する膜を含む。各フローフィールドプレートが、前記それぞれの電極により規定される活性領域上に反応物を分配するためのフローフィールドプレートのベースレベルから突出するフローフィールド構造を有する。さらに、前側に面する電極に、１以上のシーリング要素が、前記第１および第２のフローフィールドプレートの間に配置され、環境への前記反応物の漏れを防止するようになっており、前記フローフィールドプレートのうち１つ以上のフローフィールドプレートの前記フローフィールド構造と前記シーリング要素との間の境界領域において、１以上のバイパス阻止要素が、前記反応物が前記フローフィールド構造をバイパスするのを回避するために配置されており、前記バイパス阻止要素が、前記フローフィールドプレートの前記それぞれのベースレベルから突出する。

【0009】

反応物のバイパスを回避するために、積層欠陥がバイパス阻止要素と挟まれた膜電極アセンブリとの間の密封に影響を与える場合でも、１以上のバイパス阻止要素に、多層膜電極アセンブリを圧縮するようになっている尖った部分を設けることが提案される。本願に係る尖った部分とは、バイパス阻止要素の領域であって、少なくとも膜電極アセンブリと相互作用する表面の一部が可能な限り小さくされたものである。それにより、バイパス阻止要素と膜電極アセンブリとの間の距離が、積層許容範囲によりわずかに増大しても、バイパス阻止要素の密封機能を確保することができる。それにより、尖った部分は、小さく限られた領域で圧力を増大させ、それにより優れた密封特性を提供する。

【0010】

好ましい実施形態によれば、前記多層膜電極アセンブリが、１以上のサブガスケットをさらに含み、前記１以上のサブガスケットにより、前記多層膜電極アセンブリに枠をはめるようになっており、前記１以上のサブガスケットが、少なくとも部分的に前記１以上のバイパス阻止要素の上に延びるようになっており、それにより前記バイパス阻止要素の前記尖った部分が前記１以上のサブガスケットを圧縮する。このため、尖った部分またはバイパス要素により加えられる圧力一般による、多層膜電極アセンブリの電極または膜の損傷が確実に避けられる。

【0011】

さらなる好ましい実施形態によれば、前記多層膜電極アセンブリが、前記第１の電極と前記第１のフローフィールドプレートとの間に配置される１以上のガス拡散層と、好ましくは前記第２の電極と前記第２のフローフィールドプレートとの間に配置される第２のガス拡散層とをさらに含み、前記１以上のガス拡散層は、少なくとも部分的に前記１以上のバイパス阻止要素の上に延びるようになっており、それにより、前記バイパス阻止要素の前記尖った部分が、前記１以上のガス拡散層を圧縮する。

【0012】

通常、ガス拡散層は、膜電極アセンブリを取り囲み担持するサブガスケット上に一定の厚さを与える。したがって、圧縮することでガス拡散層は、尖った部分により加えられる力を増大させ、それによりバイパス阻止要素の密封特性を増大させる。

【0013】

前記シーリング要素が、前記フローフィールドプレート、ひいては前記フローフィールド構造を囲むビードシールであり、前記ビードシールが前記ベースレベルから突出し、かつ前記反応物の環境への漏れを防止するために、前記それぞれの他のフローフィールドプレートの前記ビードシールと直接的または間接的に接触するようになっていることが、さらに好ましい。ビードシールは、環境に対して優れた密閉性を提供することが証明されており、製造が容易である。

【0014】

さらなる好ましい実施形態によれば、前記第１のフローフィールドプレートが１以上の第１のバイパス阻止要素を有し、前記第２のフローフィールドプレートが１以上の第２のバイパス阻止要素を有し、前記第１のバイパス阻止要素および前記第２のバイパス阻止要素が互いに反対側に配置され、それにより前記第１および第２のバイパス阻止要素が、１以上のバイパス阻止要素アセンブリを形成し、前記第１のバイパス阻止要素が尖った部分を有し、前記第２のバイパス阻止要素が尖っていない部分を有し、前記第２のバイパス阻止要素の前記尖っていない部分が、前記第１のバイパス阻止要素の前記尖った部分によりへこまされるようになっている。両バイパス阻止要素の相乗効果により、シーリング機能はさらに向上する。

【0015】

これにより、断面において、前記第２のバイパス阻止要素の前記尖っていない部分が、前記第１のバイパス阻止要素の前記尖った部分より幅が広いことが有利である。これにより、バイパス阻止要素の機能を劣化させることなく、一定の積み重ねおよび位置合わせの許容範囲を確保することができる。

【0016】

さらなる有利な実施形態では、前記バイパス阻止要素が、少なくとも前記フローフィールド構造の長さに沿って延在する連続的な要素であり、前記反応物の流れの方向における前記フローフィールド構造の少なくとも上流で、前記バイパス阻止要素が前記シーリング要素に接続される。この設計により、製造が簡略化される。公知のバイパス阻止要素は、別に製造されなければならない別々の要素であり、その結果、製造プロセスのための労力が増大する。

【0017】

しかしながら、バイパス阻止要素を、複数の別々のバイパス阻止要素、好ましくは前記フローフィールドプレートのうち１以上のフローフィールドプレートの前記フローフィールド構造と前記ビードシールとの間の境界領域に配置される複数のバイパス阻止要素アセンブリとして設計することも可能である。これにより、わずかに変更するだけで済む、フローフィールドプレートのための既存の製造ツールおよびプロセスを使用することができる。

【0018】

さらなる好ましい実施形態によれば、前記尖った部分を有する前記第１のバイパス阻止要素は別々の要素であり、かつ前記尖っていない部分を有する前記第２のバイパス阻止要素が、少なくとも前記フローフィールド構造の長さに沿って延在する連続的な要素であり、または、前記尖った部分を有する前記第１のバイパス阻止要素が少なくとも前記フローフィールド構造の長さに沿って延在する連続的な要素であり、かつ前記尖っていない部分を有する前記第２のバイパス阻止要素が別々の要素である。バイパス阻止要素の一方を別々の要素、他方を連続的要素として設計することにより、バイパス阻止要素のシーリング機能を劣化させることなく、積層および位置合わせの許容範囲を大きくすることができる。

【0019】

前記１以上のバイパス阻止要素は、フローフィールドプレートの一体的な部分であってもよいが、バイパス阻止要素がフローフィールドプレートとは別の要素であることも可能であり、特にバイパス阻止要素は、フレーム状の要素である。バイパス阻止要素がフローフィールドプレートの一部である場合、バイパス阻止要素はフローフィールドプレートと同時に製造することができ、製造工程を加速することができる。一方、別の要素であることで、非常に柔軟な配置構成が可能となる。

【0020】

それにより、前記１以上のバイパス阻止要素が、サブガスケットまたはガス拡散層の一体的な部分であることが特に好ましい。これにより、積層が必要な部分の全体数が減少し、それにより、位置ずれのリスクが減少し、バイパス阻止要素のシーリング機能が向上する。

【0021】

アノードに供給される反応物である水素は非常に小さな分子であるため、アノード側の適切な封止は特に困難である。したがって、前記尖った部分を有する前記バイパス阻止要素が、少なくとも前記アノード側に配置されることが好ましい。尖った部分の局所的な圧縮圧力が増大することにより、バイパス阻止要素のシーリング機能が増大する。

【0022】

本発明のさらなる態様は、上記のような燃料電池アセンブリのためのフローフィールドプレート、特にアノードフローフィールドプレートに関し、前記フローフィールドプレートは、前記多層膜電極アセンブリを圧縮するようになっている尖った部分を有する１以上のバイパス阻止要素を有する。

【0023】

さらなる好ましい実施形態は、従属項ならびに明細書および図面において規定される。それにより、他の要素と組み合わせて記載また図示した要素は、保護範囲から逸脱することなく、単独でまたは他の要素と組み合わせて存在することができる。

【0024】

以下では、本発明の好ましい実施形態を図面に関連して説明するが、図面は例示的なものであり、保護範囲を限定することを意図するものではない。保護範囲は、添付の請求項によってのみ規定される。

【0025】

図面は、以下のものを示す。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】第１の好ましい実施形態によるフローフィールドプレート、特にアノードフローフィールドプレートの模式図であり、ａは平面図、ｂは断面図である。

【図2】図１に示す実施形態によるフローフィールドプレートを含むバイポーラプレートアセンブリのためのフローフィールドプレート、特にカソードフローフィールドプレートを示す模式図であり、ｃは平面図、ｄは断面図である。

【図3】図１および図２に示す実施形態によるフローフィールドプレートを含む燃料電池アセンブリの模式断面図である。

【図4】第２の実施形態による燃料電池アセンブリの模式断面図である。

【図5】第３の好ましい実施形態によるフローフィールドプレート、特にアノードフローフィールドプレートの模式図であり、ａは平面図、ｂは断面図である。

【図6】第４の好ましい実施形態によるフローフィールドプレート、特にアノードフローフィールドプレートを示す模式図であり、ａは平面図、ｂおよびｃは断面図である。

【0027】

以下、同一または類似の機能を持つ構成要素は、同一の参照番号で示す。図面は、あくまでも模式図である。したがって、距離、大きさ、角度は、あくまでも模式的なものであり、実際の寸法を示すものではない。

【0028】

図１、図２および図３は、燃料電池アセンブリ１の第１の実施形態を模式的に示す。それにより、図１のａは、第１のフローフィールドプレート２、特にアノードフローフィールドプレートの模式平面図であり、図２のａは、第２のフローフィールドプレート４、特にカソードフローフィールドプレートの模式平面図である。燃料電池技術では、アノードフローフィールドプレートとカソードフローフィールドプレートを組み合せて、いわゆるバイポーラプレート６を形成する。したがって、図１のｂおよび図２のｂは、第１および第２のフローフィールドプレート２および４を含むバイポーラプレート６の断面を示し、図１のｂは、第１の（アノード）フローフィールドプレート２をさらに詳細に示し、図２のｂは、第２の（カソード）フローフィールドプレート４をさらに詳細に示す。図３は、多層膜電極アセンブリ１０を挟む２枚のバイポーラプレート６－１および６－２を含む燃料電池アセンブリ８の断面を示す。

【0029】

図示の実施形態では、フローフィールドプレート２および４は、それぞれ前側２０および４０と裏側２１および４１を有する。前側と裏側の両方が、フローフィールドプレートにおける活性領域を規定するフローフィールド２２，２３，４２，４３を備える。前側２０および４０のフローフィールド２２および４２は、フローフィールドプレート２および４のベースレベル２４および４４から突出するチャネル状構造であり、それぞれの多層膜電極アセンブリ１０に反応物を分配するようになっている（図３参照）。裏側のフローフィールド２３および４３は、冷却流体を案内するようになっている。図１のｂ、図２のｂおよび図３に見られるように、フローフィールドプレート２および４の背中合わせの配置により、裏側のフローフィールド２３および４３のチャネル状構造は、フローフィールド領域上に冷却流体を均一に分配するようになっている閉じたチューブ状チャネルが形成されるように配置される。

【0030】

多層膜電極アセンブリ１０は、通常、アノード１２、膜１３およびカソード１４を有する３層基本膜電極アセンブリ１１を含む。電極への反応物の均一な分配を行うために、多層膜電極アセンブリ１０は、それぞれのフローフィールドプレート２および４に面する電極に配置されるガス拡散層１５および１６をさらに含む。図示のように、ガス拡散層１５および１６は、それぞれの電極１２および１４のサイズおよび延長部分により規定される全活性領域にわたって、反応物のフローフィールドへの均一な配分を確実にするフローフィールド２２および４２よりわずかに大きい。さらに、ガス拡散層１５および１６ならびに３層膜電極アセンブリ１１が、いわゆるサブガスケット（単数または複数）１７および１８により枠がはめられており、サブガスケット１７および１８のサイズおよび形状は、フローフィールドプレート２および４のサイズおよび形状に合うようになっている。

【0031】

各フローフィールドプレート２および４は、燃料入口３２、酸化剤入口３４および冷却流体入口３６をさらに含み、これらは、燃料、特に水素リッチガス、酸化剤、特に空気、および冷却流体、特に水を、バイポーラプレートの活性領域に供給および分配するためにそれぞれのフローフィールド２２、４２、２３、４３と流体接続（不図示）される。

【0032】

同様に、各フローフィールドプレート２および４は、燃料出口３３、酸化剤出口３５および冷却流体出口３７をさらに含み、これらは、燃料、酸化剤、および冷却流体を、活性領域から、またバイポーラプレートから排出するために、それぞれのフローフィールド２２、４２、２３、４３と流体接続（不図示）される。

【0033】

流体の意図しない混合を避けるために、各入口３２、３４、３６および各出口３３、３５、３７は、ビードシール５２、５３、５４、５５、５６、５７により枠がはめられる。さらに、このようなフローフィールドプレート、特にフローフィールド２２および４２は、プレート全体を取り囲むビードシール５８および５９により密封されている。断面図に示すように、ビードシールは、ベースレベル２４および４４から突出し、その高さはフローフィールド２２および４２、２３および４３のチャネル状構造の高さよりも高い。他のシーリング手段も適用可能である。

【0034】

上述のとおり、フローフィールドプレート２および４のフローフィールド２２および４２は、反応物に対して一定の流れ抵抗を構成する。したがって、反応物は、フローフィールド２２および４２とビードシール５８および５９との間の境界領域２６および４６においてフローフィールドをバイパスする傾向がある。この傾向は、ガス拡散層１５および１６が境界領域内に延び、反応物がこの領域内へ導かれると、フローフィールド２２および４２に重なるガス拡散層により維持される。

【0035】

このようなバイパスを回避するために、フローフィールドプレート２および４は、フローフィールドプレート２および４のベースレベル２４および４４を越えて突出するバイパス阻止要素６０および７０をそれぞれ備える。このため、バイパス阻止要素６０および７０の高さは、ビードシール５８の高さと同じかあるか、あるいは高くなり得る。

【0036】

図１～図３に示す第１の実施形態では、アノードフローフィールドプレート（図１参照）のバイパス阻止要素は、フローフィールド２２に沿って延びる２つの細長い突出部６１および６２を含む。細長い突出部６１および６２は、流れ遮断突出部６３－１、６３－２、６４－１および６４－２によりビードシール５８に接続される。流れ遮断突出部は、入口３２からフローフィールド２２に導かれる反応物が、確実に、境界領域２６に入ることができないようにする。バイパス阻止要素６０および７０ならびに細長い突出部６１および６２は特に、連続的な要素であってもよいが、別々の要素として設計することも可能である。

【0037】

図１のｂの断面に示すように、バイパス阻止要素６０は、尖った部分６６と尖っていない部分６７とを有する。両方の部分がガス拡散層１５を圧縮するが、尖っていない部分は尖った部分６６より圧縮する程度がはるかに低い。このため、この実施形態では、尖っていない部分６７は、フローフィールド２２と同様の範囲でガス拡散層を圧縮し、したがって、フローフィールド２２の縁で最終着陸地点として作用する。尖った部分は、実際、ガス拡散層１５を「過度に」圧縮するので、尖った部分６６を超える反応物のあらゆるバイパスは確実に回避される。なお、尖った部分が鋭いエッジとして図示されていても、製造上の制約により、実際には、尖った部分は、その表面が可能な限り小さくされかつ可能な限りエッジ状にされた表面領域となる。現状の技術水準では、既知のバイパス阻止要素は、平坦な部分のみを示し、これは、あらゆるバイパスを確実に遮断するために十分な力を与えることができない。水素リッチガスの小分子は通常のバリアーを容易にバイパスするため、これは特にアノード側で必要である。

【0038】

たとえカソードプレートにバイパス阻止部材がなしにすることが可能でも、さらなるバイパス阻止部材により酸化剤のバイパスを遮断することも好ましい。その結果、図２および図３に示すように、カソードフローフィールドプレート４もバイパス阻止要素７０を備え、このバイパス阻止要素は、原理的にアノードプレート２のバイパス阻止要素６０に類似した設計であり、細長い突出部７１および７２ならびに流れ遮断突出部７３－１、７３－２、７４－１および７４－２を含む。このようなバイパス阻止要素７０、特に細長い突出部７１および７２は、連続的な要素であってもよいが、別々の要素として設計することも可能である。

【0039】

好ましくは、アノードプレート２のバイパス阻止要素６０とカソードプレート４のバイパス阻止要素７０は、同じ領域に配置される（図３も参照）。これにより、アノードプレート２のバイパス阻止要素６０とカソードプレート４のバイパス阻止要素７０とを組み合わせることで、バイパス阻止要素６０および７０の領域におけるガス拡散層１５および１６への圧縮力を増大させる。これにより、今度は、あらゆるバイパス流の遮断を改善することができる。

【0040】

アノードフローフィールドプレート２のバイパス阻止要素６０とは対照的に、カソードプレート４のバイパス阻止要素７０は、尖った部分がなく、延長された尖っていない部分７７（図２のｂおよび図３参照）を有する。したがって、図３に示すように、カソードプレート４のバイパス阻止要素７０は、アノードプレート２のバイパス阻止要素６０よりも幅が広い。これは、バイポーラプレート６－１および６－２（図３参照）の位置がずれたとしても、バイパス阻止要素６０の尖った部分６６がバイパス阻止要素７０の尖っていない部分７７と相互作用して確実に増加した圧縮力を提供できるように、広い位置合わせ許容範囲を可能にする。もちろん、第２の（カソード）フローフィールドプレート４のバイパス要素も尖った部分を有してもよい。しかしながら、その場合、位置ずれの許容範囲はかなり狭くなる。

【0041】

さらに、図４に示す第２の実施形態に示すように、バイパス阻止要素６０の尖った部分６６が、カソードバイパス阻止要素７０の尖っていない部分７７を変形させ、特にへこませることさえ考えられる。このような設計は、ビードシール５８の高さを超えて延びる高さを有するバイパス阻止要素を設けることにより、より高い圧縮力を可能にする。過剰な高さは、ガス拡散層の非常に高い圧縮をもたらすくぼみにより平準化され、それにより改善されたバイパス流阻止構成が得られる。このため、バイパス阻止要素６０は剛性材料から製作されることが好ましく、バイパス阻止要素は、弾力性のある材料から製作されるか、またはくぼみを可能にするために十分に柔軟な、例えば中空形状にされるかのいずれかである。

【0042】

図５は、フローフィールドプレート２および４のさらに好ましい実施形態を示し、図１～図４の実施形態のフローフィールドプレートとは対照的に、バイパス阻止要素６０および７０は、単一のバイパス遮断突出部６３、７３、６４、７４のみを有し、これは、反応物の主流方向（矢印１００で図示）のフローフィールドの上流に配置される。フローフィールドプレートがスタック内で常に同じ向きに配置される場合、反応物の主な流れ方向を特定することができる。これはひいては、反応物のバイパスを遮断するのに十分な上流に配置された単一のバイパス遮断突出部６３，７３，６４，７４のみを備えた、簡略化された設計を可能にする。図１～図４に示されるような第２のバイパス遮断突出部６３－２，６４－３，７３－２および７４－２は、今度は、例えば、製造上の不正確さにより生じる可能性のあるスタックの高さのばらつきを補償するために、バイポーラプレート６－１および６－２の回転を可能にする。

【0043】

しかしながら、燃料電池スタックの寸法を均一にし、かつカソードおよびアノード側用のフローフィールドプレートのデザインが異ならないようにするため、例えば、単にプレートを反転させることにより、アノードプレートおよびカソードプレートとして使用できるフローフィールドプレートを提供することが好ましい。この場合、図６に模式的に示すフローフィールドプレート２および４の好ましいデザインが好ましい。この実施形態では、フローフィールドプレートは、２つの異なるバイパス阻止要素、すなわちバイパス阻止要素６０およびバイパス阻止要素７０を含み、これらはフローフィールド２３および４３の両側で配置される。バイポーラプレート６の形成時およびその後の積層時のフローフィールドプレートの反転により、尖った部分６６を有するバイパス阻止要素６０は、常に尖っていない部分７７を備えるバイパス阻止要素と対にされる。こうして、単一の設計のフローフィールドプレートのみが使用される場合にも、過剰に圧縮されたガス拡散層を有する領域を提供することができる。

【0044】

図示した実施形態からさらに分かるように、ビードシール５８および５９とバイパス阻止要素６０および７０との間の距離Ｄ（図３および図４に図示）は、予想される、電極におけるガス拡散層の配置について可能な最大の製造上の不正確さに合わせるように決定される。これにより、反応物のバイパス流が確実に回避されるように、バイパス阻止要素が常に、確実にガス拡散層１６および１７を過剰に圧縮する。

【0045】

バイパス阻止要素６０および７０は、フローフィールドプレートの一体的な部品であってもよいが、バイパス阻止要素が、バイポーラプレートの間に配置されるかまたはバイポーラプレートに接着されるか、かつ／またはサブガスケット１８および１９等の多層膜電極アセンブリ１０の一体的な部品であることも可能である。また、例えば細長い突出部を膜電極アセンブリの一部とし、かつバイパス遮断突出部をバイポーラプレートの一体的部品としたり、またはその逆の態様にしたり、バイパス阻止要素の一部が異なる設計にすることも可能である。

【0046】

図示する実施形態では、バイパス阻止要素６０および７０は中空の要素であるが、１以上のバイパス阻止要素またはバイパス阻止要素の一部を中実にすることも可能である。

【0047】

さらに、バイパス阻止要素６０および７０の一部または全体を弾力性のある材料で製作することも可能である。ただし、バイパス阻止要素を非弾性かまたは部分的に弾性材料および非弾性材料から製作することも可能である。

【0048】

要約すると、活性領域と並ぶガス拡散層の過剰圧縮により、ガス拡散層内部のあらゆるバイパス流の効果的な遮断がなされる。その結果、ガス拡散層の幅と位置とを制御することの重要性が大幅に低下する。必要な圧縮力を与えるために、１以上のバイパス阻止要素は、可能な限り小さい総表面、特に尖った部分を備える。それにより、尖った部分は、燃料電池の他の特性、例えば以下のような特性に影響を与えることなく、高いガス拡散層の圧縮を可能にする。
・ガス密封性
・電気抵抗
・ガス分配
・質量輸送

【0049】

さらに、高いガス拡散層圧縮要素の存在により、ガス拡散層の縁とガスシーリングビードとの間の境界領域における断面空隙を最小化することができる。ガス拡散層圧縮およびバイパス阻止要素は、ステンレス板金またはグラファイトなど、使用する材料に関係なく、フローフィールドプレートの材料の一部となり得る。ガス拡散層圧縮およびバイパス阻止要素を、フローフィールドプレートとは異なる材料で製作し、一緒に接着することができる。また、実現および／または製造工程を可能にするために、材料および形状に関して、均一でないこともあり得る。圧縮およびバイパス阻止要素は、中空もしくは中実とし、またはその組み合わせでもよい。ガス拡散層圧縮およびバイパス阻止要素の一部または全体を、弾性材料もしくは非弾性材料またはその組み合わせで製作してもよい。

【0050】

全体として、提案されたバイパス阻止要素は、製造におけるコスト削減を可能にする。結果として得られる燃料効率の向上によっても、燃料電池スタックの価値を高めるとともに、動作中の費用が節約される。

【符号の説明】

【0051】

２ 第１のフローフィールドプレート
４ 第２のフローフィールドプレート
６ バイポーラプレート
８ 燃料電池アセンブリ
１０ 多層膜電極アセンブリ
１１ ３層膜電極アセンブリ
１２ アノード
１３ 膜
１４ カソード
１５、１６ ガス拡散層
１７、１８ サブガスケット
２０、４０ フローフィールドプレートの前側
２１、４１ フローフィールドプレートの裏側
２２、４２ 前側フローフィールド
２３、４３ 裏側フローフィールド
２４、４４ ベースレベル
２６、４６ 境界領域
３２ 燃料入口
３３ 燃料出口
３４ 酸化剤入口
３５ 酸化剤出口
３６ 冷却流体入口
３７ 冷却流体出口
５２、５３、５４、５６、５７ 入口／出口用ビードシール
５８、５９ プレート用ビードシール
６０、７０ バイパス阻止素子
６１、７１、６２、７２ 細長い突出部
６３、６４、７３、７４ 遮断突出部
６６ 尖った部分
６７、７７ 尖っていない部分
１００ 反応物の主な流れ方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】