JP3495700B2 - 燃料電池用の区画化流れチャンネル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＥＭ燃料電池に
係り、より詳しくは、該燃料電池のための反応物流れ場
に関する。
係り、より詳しくは、該燃料電池のための反応物流れ場
に関する。
【０００２】
【従来技術】燃料電池は、多数の用途のための電源とし
て提案されてきた。そのような燃料電池の一つがＰＥＭ
（即ち、陽子交換膜）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池
は、従来の分野で周知され、その各々の電池の中に、薄
い（即ち、約０．００３８ｃｍ〜約０．０１７８ｃｍ
（０．００１５〜０．００７インチ））陽子伝達性ポリ
マー膜電極を含み、該膜電極の一方の表面にアノード電
極フィルム（即ち、約０．００５１ｃｍ（０．００２イ
ンチ））、その反対側の表面にカソード電極フィルム
（即ち、約０．００５１ｃｍ（０．００２インチ））が
形成された、いわゆる膜電極アセンブリ（以下、「ＭＥ
Ａ」という）を備える。そのような膜電極は、当該技術
分野で周知されており、とりわけ、米国特許番号５，２
７２，０１７号及び３，１３４，６９７号、並びに、電
源誌、第２９巻（１９９０年度）の３６７〜３８７頁に
説明されている。一般に、そのような膜電極はイオン交
換樹脂から作られ、典型的には、Ｅ．Ｉ．デュポン・ダ
・ネモース＆Ｃｏから市販されている、例えば「ＮＡＦ
ＩＯＮTM」などのフッ素置換されたスルホン酸ポリマー
などを含む。これに対し、アノード及びカソードフィル
ムは、典型的には、（１）細かく分割された炭素粒子、
これらの炭素粒子の内側及び外側表面に担持された非常
に細かく分割された触媒粒子、及びこの触媒粒子及び炭
素粒子と混ざり合った陽子伝達性材料（例えば、ＮＡＦ
ＩＯＮTM）を含み、或いは、（２）ポリテトラフルオレ
エチレン（ＰＴＦＥ）の結合材料中に分散された、炭素
無しの触媒粒子を典型的に備える。そのようなＭＥＡ及
び燃料電池の一つが１９９３年１２月２１日に発行され
た米国特許番号５，２７２，０１７号で説明され、本発
明の出願人に譲渡されている。
て提案されてきた。そのような燃料電池の一つがＰＥＭ
（即ち、陽子交換膜）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池
は、従来の分野で周知され、その各々の電池の中に、薄
い（即ち、約０．００３８ｃｍ〜約０．０１７８ｃｍ
（０．００１５〜０．００７インチ））陽子伝達性ポリ
マー膜電極を含み、該膜電極の一方の表面にアノード電
極フィルム（即ち、約０．００５１ｃｍ（０．００２イ
ンチ））、その反対側の表面にカソード電極フィルム
（即ち、約０．００５１ｃｍ（０．００２インチ））が
形成された、いわゆる膜電極アセンブリ（以下、「ＭＥ
Ａ」という）を備える。そのような膜電極は、当該技術
分野で周知されており、とりわけ、米国特許番号５，２
７２，０１７号及び３，１３４，６９７号、並びに、電
源誌、第２９巻（１９９０年度）の３６７〜３８７頁に
説明されている。一般に、そのような膜電極はイオン交
換樹脂から作られ、典型的には、Ｅ．Ｉ．デュポン・ダ
・ネモース＆Ｃｏから市販されている、例えば「ＮＡＦ
ＩＯＮTM」などのフッ素置換されたスルホン酸ポリマー
などを含む。これに対し、アノード及びカソードフィル
ムは、典型的には、（１）細かく分割された炭素粒子、
これらの炭素粒子の内側及び外側表面に担持された非常
に細かく分割された触媒粒子、及びこの触媒粒子及び炭
素粒子と混ざり合った陽子伝達性材料（例えば、ＮＡＦ
ＩＯＮTM）を含み、或いは、（２）ポリテトラフルオレ
エチレン（ＰＴＦＥ）の結合材料中に分散された、炭素
無しの触媒粒子を典型的に備える。そのようなＭＥＡ及
び燃料電池の一つが１９９３年１２月２１日に発行され
た米国特許番号５，２７２，０１７号で説明され、本発
明の出願人に譲渡されている。
【０００３】ＭＥＡは、「拡散層」として知られている
多孔質のガス透過性の伝達材料のシートの間に挟まれて
いる。この拡散層は、ＭＥＡのアノード及びカソードの
表面に対して圧し、（１）アノード及びカソードのため
の主要な電流コレクター、及び、（２）ＭＥＡのための
機械的支持として役立つ。適切な主要電流コレクターシ
ートは、炭素、グラファイトペーパー、布、或いは、細
かいメッシュの貴金属スクリーン、などからなる。当該
技術分野で周知されているように、ガスは、この主要電
流コレクターシートを通って、ＭＥＡと接触するため移
動することができる。
多孔質のガス透過性の伝達材料のシートの間に挟まれて
いる。この拡散層は、ＭＥＡのアノード及びカソードの
表面に対して圧し、（１）アノード及びカソードのため
の主要な電流コレクター、及び、（２）ＭＥＡのための
機械的支持として役立つ。適切な主要電流コレクターシ
ートは、炭素、グラファイトペーパー、布、或いは、細
かいメッシュの貴金属スクリーン、などからなる。当該
技術分野で周知されているように、ガスは、この主要電
流コレクターシートを通って、ＭＥＡと接触するため移
動することができる。
【０００４】このようにして形成されたサンドウィッチ
は、一対の導電性プレートの間に圧される。これらの導
電性プレートは、主要な電流コレクターから電流を収集
し、スタックの内側から、並びに、単極性プレートの場
合にはスタックの端部でスタックの外側から隣接する電
池の間で電流を伝達するための第２の電流コレクターと
して役立つ。第２の電流収集プレートは、アノード及び
カソードの表面に亘って燃料電池のガス状反応物（例え
ば、Ｈ2及びＯ2／空気）を分配する少なくとも一つのい
わゆる「流れ場」を各々含む。流れ場は、主要な電流コ
レクターと係合し、それらの間に複数の流れチャンネル
を画成する複数のランドを備える。これらの流れチャン
ネルを通って、ガス状反応物はチャンネルの一端部の供
給マニホルド及びチャンネルの他端部の排気マニホルド
の間を流れる。蛇行状の流れチャンネルが知られてお
り、これは、蛇行流れチャンネルの各々の区間部が同じ
蛇行流れチャンネルの少なくとも一つの他の区間部と境
界を接するように多数のＵ字状カーブ及びスイッチバッ
グを形成した後にのみ供給及び排気マニホルドを接続す
る（米国特許番号５，１０８，８４９号を見よ）。
は、一対の導電性プレートの間に圧される。これらの導
電性プレートは、主要な電流コレクターから電流を収集
し、スタックの内側から、並びに、単極性プレートの場
合にはスタックの端部でスタックの外側から隣接する電
池の間で電流を伝達するための第２の電流コレクターと
して役立つ。第２の電流収集プレートは、アノード及び
カソードの表面に亘って燃料電池のガス状反応物（例え
ば、Ｈ2及びＯ2／空気）を分配する少なくとも一つのい
わゆる「流れ場」を各々含む。流れ場は、主要な電流コ
レクターと係合し、それらの間に複数の流れチャンネル
を画成する複数のランドを備える。これらの流れチャン
ネルを通って、ガス状反応物はチャンネルの一端部の供
給マニホルド及びチャンネルの他端部の排気マニホルド
の間を流れる。蛇行状の流れチャンネルが知られてお
り、これは、蛇行流れチャンネルの各々の区間部が同じ
蛇行流れチャンネルの少なくとも一つの他の区間部と境
界を接するように多数のＵ字状カーブ及びスイッチバッ
グを形成した後にのみ供給及び排気マニホルドを接続す
る（米国特許番号５，１０８，８４９号を見よ）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】供給マニホルド及び排
気マニホルドの間の圧力降下は、燃料電池を設計する上
でかなりの重要性を持つ。所望の圧力降下を提供する方
法の一つが、供給マニホルド及び排気マニホルドの間に
延在する流れチャンネルの長さを変更することである。
蛇行チャンネルは、これまでのところ流れチャンネルの
長さを変更するため使用されてきた。蛇行チャンネル
は、これらの区間部を分離させるランドと対面する膜電
極アセンブリを反応物に曝すように、拡散層を介して同
じチャンネルの隣接する区間部間のガスの制限された運
動を可能にするため設計されている。この点に関し、ガ
スは、流れチャンネルにおいて上流区間部を下流区間部
から分離させるランドの上方／下方にある拡散層を通し
て移動することによって、チャンネルの上流区間部（即
ち、圧力がより高い）から、同じチャンネルの下流区間
部（即ち、ガス圧力がより低い）まで流れることができ
る。しかしながら、チャンネルの区間部が非常に長すぎ
るとき、同じ流れチャンネルの隣接する区間部間、又
は、区間部の端部の間（即ち、それらが次の隣接する区
間部を連結するため折り返すところ）及び又は隣接する
供給マニホルド又は排出マニホルドの間に過度の圧力降
下が発生し得る。そのような過度の圧力降下は、ガス状
反応物が、チャンネルの長さ全体を通って流れるという
より、隣接する区間部又は端部及び両マニホルドの間を
過度に短絡する結果を生じさせる。そのような流れは、
それが区間部の間のランドと対面する膜電極アセンブリ
上で反応することができる反応物の量を超えたとき、過
剰であると考えられる。
気マニホルドの間の圧力降下は、燃料電池を設計する上
でかなりの重要性を持つ。所望の圧力降下を提供する方
法の一つが、供給マニホルド及び排気マニホルドの間に
延在する流れチャンネルの長さを変更することである。
蛇行チャンネルは、これまでのところ流れチャンネルの
長さを変更するため使用されてきた。蛇行チャンネル
は、これらの区間部を分離させるランドと対面する膜電
極アセンブリを反応物に曝すように、拡散層を介して同
じチャンネルの隣接する区間部間のガスの制限された運
動を可能にするため設計されている。この点に関し、ガ
スは、流れチャンネルにおいて上流区間部を下流区間部
から分離させるランドの上方／下方にある拡散層を通し
て移動することによって、チャンネルの上流区間部（即
ち、圧力がより高い）から、同じチャンネルの下流区間
部（即ち、ガス圧力がより低い）まで流れることができ
る。しかしながら、チャンネルの区間部が非常に長すぎ
るとき、同じ流れチャンネルの隣接する区間部間、又
は、区間部の端部の間（即ち、それらが次の隣接する区
間部を連結するため折り返すところ）及び又は隣接する
供給マニホルド又は排出マニホルドの間に過度の圧力降
下が発生し得る。そのような過度の圧力降下は、ガス状
反応物が、チャンネルの長さ全体を通って流れるという
より、隣接する区間部又は端部及び両マニホルドの間を
過度に短絡する結果を生じさせる。そのような流れは、
それが区間部の間のランドと対面する膜電極アセンブリ
上で反応することができる反応物の量を超えたとき、過
剰であると考えられる。
【０００６】本発明は、上記事実に鑑みなされたもの
で、同じチャンネルの隣接する区間部間、及び、区間部
の端部と隣接する供給／排出マニホルド間でガス状反応
物が短絡的に流れることを防止することにより、効率的
に作動するＰＥＭ燃料電池を提供することを目的とす
る。
で、同じチャンネルの隣接する区間部間、及び、区間部
の端部と隣接する供給／排出マニホルド間でガス状反応
物が短絡的に流れることを防止することにより、効率的
に作動するＰＥＭ燃料電池を提供することを目的とす
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、同じチャンネルの隣接する区間部間、及
び、区間部の端部と隣接する供給／排出マニホルド間
で、比較的低い圧力降下を有する流れチャンネルの形態
を提供する。
め、本発明は、同じチャンネルの隣接する区間部間、及
び、区間部の端部と隣接する供給／排出マニホルド間
で、比較的低い圧力降下を有する流れチャンネルの形態
を提供する。
【０００８】より詳しくは、本発明は、複数の連続的に
配列されたセグメント即ちステージに小分割され、且
つ、そのセグメントの各々が区間部が比較的短いそれ自
身の蛇行形態を有する流れチャンネルを提供することに
よって、上記した従来技術の問題点を解決する。その結
果、（ａ）同じチャンネルの隣接した区間部の間、
（ｂ）区間部の端部及び同じチャンネルの隣接した橋渡
し部の間、或いは、（ｃ）区間部の端部に隣接したマニ
ホルドの間で、圧力降下がほとんど存在しなくなる。本
発明は、（１）カソード面及びアノード面を両側に有す
る陽子交換膜、（２）カソード面と係合するガス透過性
の導電性カソード電流コレクター、（３）アノード面と
係合するガス透過性の導電性アノード電流コレクター、
及び、（４）ガス透過性の導電性カソード及びアノード
電流コレクターのうち少なくとも一つと係合し、該一つ
のガス透過性の電流コレクターに対面するガス流れ場を
画成する電流収集プレートを含む一般的な型式のＰＥＭ
燃料電池の改善に関する。この改善は、電流コレクター
と係合し且つ実質的に等しい長さの蛇行ガス流れチャン
ネルを画成する複数のランドからなる流れ場を含んでい
る。蛇行ガス流れチャンネルの各々は、ガス供給マニホ
ルド及びガス排出マニホルドの間に延びる第１の概略方
向に沿って配置された複数の連続的にリンクされた蛇行
セグメントを備える。各々のセグメントは、ガスを第１
の圧力で該セグメントに受け入れるための入口区間部
と、該ガスを該第１の圧力より小さい第２の圧力で該セ
グメントから排出するための出口区間部と、該入口区間
部及び該出口区間部の中間にある少なくとも１つの中間
区間部と、を有する。幾つかの中間区間部は、チャンネ
ルの一端部から他端部まで圧力降下を増加させるため使
用することができる。各チャンネルに対する該入口区間
部、該出口区間部及び該中間区間部は、同じチャンネル
の少なくとも１つの他の区間部と少なくとも部分的に境
界を接している。該中間区間部の各端部に形成された折
り返し部（例えばＵ字状カーブ）は、該中間区間部を同
じチャンネルの隣接する区間部に接続する、本発明の一
実施態様では、各チャンネルは、供給マニホルド及び排
出マニホルドの間で延びる概略方向に連続的に配列され
た、少なくとも３つの蛇行セグメントを備える。各チャ
ンネルの橋渡し部は、第１の概略方向と交わる第２の概
略方向に延在し（即ち、チャンネルを通過するガス流れ
の方向に）、ある一つのセグメントの出口区間部を、該
一つのセグメントの下流にある次に隣接するセグメント
の入口区間部に結合させる。最も好ましくは、一つのセ
グメントの入口区間部に最も近い中間区間部の端部（即
ち、高い圧力領域）は、該一つのセグメントから橋渡し
部へのガスのバイパスを減少するため、同じセグメント
の出口区間部に最も近い中間区間部の端部（即ち、低い
圧力領域）よりも、橋渡し部から更に遠く隔てられてい
る。中間区間部の端部は、隣接する供給マニホルド又は
排出マニホルドから同様に間隔を隔てられている。好ま
しくは、隣接するチャンネルの入口区間部が互いに境界
を接し、隣接するチャンネルの出口区間部が互いに境界
を接するが、入口区間部は出口区間部と境界を接してい
ないように、隣接するチャンネルが互いの鏡像であるの
がよい。その理由は、ジェフリー・ロックの名前で１９
９８年１月０日に出願され、本出願の出願人に譲渡され
た、係属中の米国特許出願シリアル番号０９／０１６，
１２７号に記載されている。
配列されたセグメント即ちステージに小分割され、且
つ、そのセグメントの各々が区間部が比較的短いそれ自
身の蛇行形態を有する流れチャンネルを提供することに
よって、上記した従来技術の問題点を解決する。その結
果、（ａ）同じチャンネルの隣接した区間部の間、
（ｂ）区間部の端部及び同じチャンネルの隣接した橋渡
し部の間、或いは、（ｃ）区間部の端部に隣接したマニ
ホルドの間で、圧力降下がほとんど存在しなくなる。本
発明は、（１）カソード面及びアノード面を両側に有す
る陽子交換膜、（２）カソード面と係合するガス透過性
の導電性カソード電流コレクター、（３）アノード面と
係合するガス透過性の導電性アノード電流コレクター、
及び、（４）ガス透過性の導電性カソード及びアノード
電流コレクターのうち少なくとも一つと係合し、該一つ
のガス透過性の電流コレクターに対面するガス流れ場を
画成する電流収集プレートを含む一般的な型式のＰＥＭ
燃料電池の改善に関する。この改善は、電流コレクター
と係合し且つ実質的に等しい長さの蛇行ガス流れチャン
ネルを画成する複数のランドからなる流れ場を含んでい
る。蛇行ガス流れチャンネルの各々は、ガス供給マニホ
ルド及びガス排出マニホルドの間に延びる第１の概略方
向に沿って配置された複数の連続的にリンクされた蛇行
セグメントを備える。各々のセグメントは、ガスを第１
の圧力で該セグメントに受け入れるための入口区間部
と、該ガスを該第１の圧力より小さい第２の圧力で該セ
グメントから排出するための出口区間部と、該入口区間
部及び該出口区間部の中間にある少なくとも１つの中間
区間部と、を有する。幾つかの中間区間部は、チャンネ
ルの一端部から他端部まで圧力降下を増加させるため使
用することができる。各チャンネルに対する該入口区間
部、該出口区間部及び該中間区間部は、同じチャンネル
の少なくとも１つの他の区間部と少なくとも部分的に境
界を接している。該中間区間部の各端部に形成された折
り返し部（例えばＵ字状カーブ）は、該中間区間部を同
じチャンネルの隣接する区間部に接続する、本発明の一
実施態様では、各チャンネルは、供給マニホルド及び排
出マニホルドの間で延びる概略方向に連続的に配列され
た、少なくとも３つの蛇行セグメントを備える。各チャ
ンネルの橋渡し部は、第１の概略方向と交わる第２の概
略方向に延在し（即ち、チャンネルを通過するガス流れ
の方向に）、ある一つのセグメントの出口区間部を、該
一つのセグメントの下流にある次に隣接するセグメント
の入口区間部に結合させる。最も好ましくは、一つのセ
グメントの入口区間部に最も近い中間区間部の端部（即
ち、高い圧力領域）は、該一つのセグメントから橋渡し
部へのガスのバイパスを減少するため、同じセグメント
の出口区間部に最も近い中間区間部の端部（即ち、低い
圧力領域）よりも、橋渡し部から更に遠く隔てられてい
る。中間区間部の端部は、隣接する供給マニホルド又は
排出マニホルドから同様に間隔を隔てられている。好ま
しくは、隣接するチャンネルの入口区間部が互いに境界
を接し、隣接するチャンネルの出口区間部が互いに境界
を接するが、入口区間部は出口区間部と境界を接してい
ないように、隣接するチャンネルが互いの鏡像であるの
がよい。その理由は、ジェフリー・ロックの名前で１９
９８年１月０日に出願され、本出願の出願人に譲渡され
た、係属中の米国特許出願シリアル番号０９／０１６，
１２７号に記載されている。
【０００９】本発明は、添付図面を参照して以下に述べ
るその特定の実施形態の詳細な説明を考慮するとき、よ
り良く理解されるであろう。
るその特定の実施形態の詳細な説明を考慮するとき、よ
り良く理解されるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、２つの電池からなる両極
性ＰＥＭ燃料電池スタックが、導電性の液体冷却型両極
性プレート８により互いに分離される一対の膜電極アセ
ンブリ（ＭＥＡｓ）４及び６を有する状態を表してい
る。膜電極アセンブリ４及び６と両極性プレート８と
は、ステンレス鋼製クランピングプレート１０及び１２
と、単極性端部接触プレート１４及び１６と、の間に一
緒に積み重ねられている。単極性端部接触プレート１４
及び１６、並びに、両極性プレート８は、各々が、燃料
ガス及び酸化ガス（即ち、Ｈ2及びＯ2）を膜電極アセン
ブリ４及び６のアノード及びカソード面に分配するため
プレート面に形成された複数のチャンネルからなる流れ
場１８、２０、２２及び２４を含む。非導電性ガスケッ
ト２６、２８、３０及び３２は、燃料電池スタックの幾
つかのプレートの間にシール部及び電気的絶縁を提供す
る。多孔質のガス透過性の導電性シート３４、３６、３
８及び４０は、拡散層として知られ、膜電極アセンブリ
４及び６の電極面を押し、電極用の主要な電流コレクタ
ー、並びに、特に膜電極アセンブリ４及び６が流れ場の
流れチャンネルにかかる位置で、そうでなければ支持さ
れない位置で膜電極アセンブリの機械的支持として役立
つ。適切な主要電流コレクターは、炭素／グラファイト
の紙／布、細かいメッシュ貴金属スクリーン、連続気泡
貴金属発泡体（open cellnoble metal foams）などを備
える。これらは、電極上でリセットするためガスがそこ
を通って流れることを可能にする一方で電極からの電流
を伝達させる。両極性プレート８が、膜電極アセンブリ
４のアノード面上の主要電流コレクター３６に対して、
及び、膜電極アセンブリ６のカソード面上の主要電流コ
レクター３８に対して押す一方で、端部接触エレメント
１４及び１６は、主要電流コレクター３４及び４０を各
々押している。酸素は、適切な供給配管系統４２を介し
て貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側に
供給され、水素は、適切な供給配管系統４４を介して貯
蔵タンク４８から燃料電池スタックのアノード側に供給
される。好ましくは、Ｏ2タンク４６を無くし、空気が
周囲からカソード側に供給されるのがよい。好ましく
は、Ｈ2タンク４８を無くし、水素がメタノール又は液
体炭化水素（例えばガソリン）を触媒反応で生成する改
質器からアノードに供給されるのがよい。膜電極アセン
ブリのＨ2及びＯ2／空気の両方の側のための排気配管系
統（図示せず）も、Ｈ2を減らしたアノードガスをアノ
ード流れ場から取り出すため、及び、Ｏ2を減らしたカ
ソードガスをカソード流れ場から取り出すため、設けら
れている。必要とされるとき、追加の配管系統５０、５
２及び５４が、両極性プレート８及び端部プレート１
４、１６に液体冷却剤を供給するため設けられる。プレ
ート８及び端部プレート１４、１６から冷却剤を排出す
るための適切な配管系統も設けられるが、図示されてい
ない。
性ＰＥＭ燃料電池スタックが、導電性の液体冷却型両極
性プレート８により互いに分離される一対の膜電極アセ
ンブリ（ＭＥＡｓ）４及び６を有する状態を表してい
る。膜電極アセンブリ４及び６と両極性プレート８と
は、ステンレス鋼製クランピングプレート１０及び１２
と、単極性端部接触プレート１４及び１６と、の間に一
緒に積み重ねられている。単極性端部接触プレート１４
及び１６、並びに、両極性プレート８は、各々が、燃料
ガス及び酸化ガス（即ち、Ｈ2及びＯ2）を膜電極アセン
ブリ４及び６のアノード及びカソード面に分配するため
プレート面に形成された複数のチャンネルからなる流れ
場１８、２０、２２及び２４を含む。非導電性ガスケッ
ト２６、２８、３０及び３２は、燃料電池スタックの幾
つかのプレートの間にシール部及び電気的絶縁を提供す
る。多孔質のガス透過性の導電性シート３４、３６、３
８及び４０は、拡散層として知られ、膜電極アセンブリ
４及び６の電極面を押し、電極用の主要な電流コレクタ
ー、並びに、特に膜電極アセンブリ４及び６が流れ場の
流れチャンネルにかかる位置で、そうでなければ支持さ
れない位置で膜電極アセンブリの機械的支持として役立
つ。適切な主要電流コレクターは、炭素／グラファイト
の紙／布、細かいメッシュ貴金属スクリーン、連続気泡
貴金属発泡体（open cellnoble metal foams）などを備
える。これらは、電極上でリセットするためガスがそこ
を通って流れることを可能にする一方で電極からの電流
を伝達させる。両極性プレート８が、膜電極アセンブリ
４のアノード面上の主要電流コレクター３６に対して、
及び、膜電極アセンブリ６のカソード面上の主要電流コ
レクター３８に対して押す一方で、端部接触エレメント
１４及び１６は、主要電流コレクター３４及び４０を各
々押している。酸素は、適切な供給配管系統４２を介し
て貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側に
供給され、水素は、適切な供給配管系統４４を介して貯
蔵タンク４８から燃料電池スタックのアノード側に供給
される。好ましくは、Ｏ2タンク４６を無くし、空気が
周囲からカソード側に供給されるのがよい。好ましく
は、Ｈ2タンク４８を無くし、水素がメタノール又は液
体炭化水素（例えばガソリン）を触媒反応で生成する改
質器からアノードに供給されるのがよい。膜電極アセン
ブリのＨ2及びＯ2／空気の両方の側のための排気配管系
統（図示せず）も、Ｈ2を減らしたアノードガスをアノ
ード流れ場から取り出すため、及び、Ｏ2を減らしたカ
ソードガスをカソード流れ場から取り出すため、設けら
れている。必要とされるとき、追加の配管系統５０、５
２及び５４が、両極性プレート８及び端部プレート１
４、１６に液体冷却剤を供給するため設けられる。プレ
ート８及び端部プレート１４、１６から冷却剤を排出す
るための適切な配管系統も設けられるが、図示されてい
ない。
【００１１】図２は、燃料電池内で一緒に積み重ねられ
たときの、両極性プレート５６、第１の主要多孔性電流
コレクター５７、膜電極アセンブリ５９及び第２の主要
多孔性電流コレクター６１の等角破断図である。第２の
両極性プレート（図示せず）は、一つの完成した電池を
形成するため第２の主要な電流コレクター６１の下に配
置される。同様に、主要電流コレクター及びＭＥＡ（図
示せず）の別の組が最上シート５８の上に配置される。
両極性プレート５６は、第１の外側金属シート５８、第
２の外側金属シート６０、及び、第１の金属シート５８
及び第２の金属シート６０に内接してブレイズ溶接され
た内側スペーサー金属シート６２を含む。金属シート５
８、６０及び６２は、可能な限り薄く作られ（例えば、
約０．００５１〜０．０５１ｃｍ（約０．００２〜０．
０２インチ）厚）、打ち抜き加工、フォトエッチング
（即ち、フォトリソグラフィーマスクを通して）、或い
は、シート金属を成形するための任意の他の従来プロセ
スによって成形することができる。外側シート５８は、
複数のランド６４により特徴付けられる反応ガス流れ場
を提供するように形成される。これらのランドは、それ
らの間に複数の蛇行ガス流れチャンネル６６を画成し、
これらのチャンネルを通って、燃料電池の反応ガス（即
ちＨ2又はＯ2）が、両極性プレートの一エッジ部６８の
近傍からその反対側エッジ部７０の近傍まで蛇行経路内
を流れる。燃料電池が完全に組み立てられたとき、これ
らのランド６４は、主要電流コレクター６１を圧し、次
いで膜電極アセンブリ５９を圧する。燃料電池作動中に
は、電流は、主要電流コレクターからランド６４を通
り、従ってスタックを通って流れる。反応ガスは、ヘッ
ダー即ち供給マニホルド溝７２からチャンネル６６に供
給され、排出マニホルド溝７４を介してチャンネル６６
から出る。供給マニホルド溝７２は、流れ場の一端部で
プレート５６のエッジ部６８に隣接して配置され、排出
マニホルド溝７４は、流れ場の他端部で燃料電池の反対
側エッジ部７０に隣接して配置される。その代わりに、
供給及び排出マニホルドを、プレート５６の同じエッジ
部（即ち、６８又は７０）に隣接して配置することがで
きる。金属シート５８の下側は、複数の***部（図示せ
ず）を備え、これらの***部は、それらの間に複数の溝
（図示せず）を画成し、燃料電池の作動の間にこれらの
溝を通って冷却剤が通過する。
たときの、両極性プレート５６、第１の主要多孔性電流
コレクター５７、膜電極アセンブリ５９及び第２の主要
多孔性電流コレクター６１の等角破断図である。第２の
両極性プレート（図示せず）は、一つの完成した電池を
形成するため第２の主要な電流コレクター６１の下に配
置される。同様に、主要電流コレクター及びＭＥＡ（図
示せず）の別の組が最上シート５８の上に配置される。
両極性プレート５６は、第１の外側金属シート５８、第
２の外側金属シート６０、及び、第１の金属シート５８
及び第２の金属シート６０に内接してブレイズ溶接され
た内側スペーサー金属シート６２を含む。金属シート５
８、６０及び６２は、可能な限り薄く作られ（例えば、
約０．００５１〜０．０５１ｃｍ（約０．００２〜０．
０２インチ）厚）、打ち抜き加工、フォトエッチング
（即ち、フォトリソグラフィーマスクを通して）、或い
は、シート金属を成形するための任意の他の従来プロセ
スによって成形することができる。外側シート５８は、
複数のランド６４により特徴付けられる反応ガス流れ場
を提供するように形成される。これらのランドは、それ
らの間に複数の蛇行ガス流れチャンネル６６を画成し、
これらのチャンネルを通って、燃料電池の反応ガス（即
ちＨ2又はＯ2）が、両極性プレートの一エッジ部６８の
近傍からその反対側エッジ部７０の近傍まで蛇行経路内
を流れる。燃料電池が完全に組み立てられたとき、これ
らのランド６４は、主要電流コレクター６１を圧し、次
いで膜電極アセンブリ５９を圧する。燃料電池作動中に
は、電流は、主要電流コレクターからランド６４を通
り、従ってスタックを通って流れる。反応ガスは、ヘッ
ダー即ち供給マニホルド溝７２からチャンネル６６に供
給され、排出マニホルド溝７４を介してチャンネル６６
から出る。供給マニホルド溝７２は、流れ場の一端部で
プレート５６のエッジ部６８に隣接して配置され、排出
マニホルド溝７４は、流れ場の他端部で燃料電池の反対
側エッジ部７０に隣接して配置される。その代わりに、
供給及び排出マニホルドを、プレート５６の同じエッジ
部（即ち、６８又は７０）に隣接して配置することがで
きる。金属シート５８の下側は、複数の***部（図示せ
ず）を備え、これらの***部は、それらの間に複数の溝
（図示せず）を画成し、燃料電池の作動の間にこれらの
溝を通って冷却剤が通過する。
【００１２】金属シート６０は、シート５８と類似して
いる。シート６０の内側（即ち冷却材側）が図２に示さ
れている。流れ場の冷却剤側は、複数の***部（図示せ
ず）を備え、それらの間に複数の溝（図示せず）を画成
し、それらの溝を通って冷却剤が両極性プレートの一つ
のエッジ部６９から反対側のエッジ部７１に流れる。シ
ート５８のように、シート６０の外側は、その上に複数
のランド（図示せず）を持ち、これらのランドは複数の
チャンネルを画成し、これらのチャンネルを通って反応
ガスが流れる。内側金属スペーサーシート６２は、外側
シート５８及び６０に内接し、冷却剤がシート６０の冷
却剤側の溝と、シート５８の冷却剤側の溝との間を流れ
ることを可能にするため、その中に複数の開口８４を備
え、これによって薄層状境界層を壊して乱流を惹起す
る。従って、外側シート５８及び６０の内側面とより効
率的な熱交換が各々可能となる。好ましくは、シート５
８、６０及び６２は一緒にブレイズ溶接される。
いる。シート６０の内側（即ち冷却材側）が図２に示さ
れている。流れ場の冷却剤側は、複数の***部（図示せ
ず）を備え、それらの間に複数の溝（図示せず）を画成
し、それらの溝を通って冷却剤が両極性プレートの一つ
のエッジ部６９から反対側のエッジ部７１に流れる。シ
ート５８のように、シート６０の外側は、その上に複数
のランド（図示せず）を持ち、これらのランドは複数の
チャンネルを画成し、これらのチャンネルを通って反応
ガスが流れる。内側金属スペーサーシート６２は、外側
シート５８及び６０に内接し、冷却剤がシート６０の冷
却剤側の溝と、シート５８の冷却剤側の溝との間を流れ
ることを可能にするため、その中に複数の開口８４を備
え、これによって薄層状境界層を壊して乱流を惹起す
る。従って、外側シート５８及び６０の内側面とより効
率的な熱交換が各々可能となる。好ましくは、シート５
８、６０及び６２は一緒にブレイズ溶接される。
【００１３】図３は、図２のプレート５８の方向３−３
に沿って取られた拡大断面図であり、複数のランド６
４、これらのランド６４により画成された反応物流れチ
ャンネル６６、及び、該チャンネル６６の反応物流れの
方向と交わる方向に冷却剤を流すためプレート５８の下
側にある冷却溝６８を示す。
に沿って取られた拡大断面図であり、複数のランド６
４、これらのランド６４により画成された反応物流れチ
ャンネル６６、及び、該チャンネル６６の反応物流れの
方向と交わる方向に冷却剤を流すためプレート５８の下
側にある冷却溝６８を示す。
【００１４】図４は、本発明に係るカソード流れ場形態
を最も良く表しており、図２のプレート５８の２次元図
である。図４の円で囲まれた部分を拡大した図５も見
よ。この流れ場は、複数の流れチャンネル６６ａ〜６６
ｊを備え、これらの流れチャンネルは、ガス反応物（例
えば空気）を流れチャンネル６６ａ〜６６ｊに分配する
入口供給マニホルド７２に一端部を接続され、流れチャ
ンネル６６ａ〜６６ｊから出るガス反応物を収集するた
めの排気マニホルドに他端部を接続されている。各々の
流れチャンネル６６ａ〜６６ｊは、互いにリンクされた
複数のセグメントＡ〜Ｅを備えている。これらのセグメ
ントは、入口供給マニホルド７２から、与えられたチャ
ンネル６６ａ〜６６ｊに入るガスが、それが流れチャン
ネル６６ａ〜６６ｊから出て排出マニホルド７４に至ま
で、そのセグメントＡ〜Ｅの全てを通って流れるよう
に、入口供給マニホルド及び排出マニホルドの間の方向
に概略延びている。各々のセグメントＡ〜Ｅは、それ自
身の蛇行形態を有し、ガスがセグメントＡ〜Ｅに流入す
るところの入口区間部７６と、ガスがセグメントＡ〜Ｅ
から流出するところの出口区間部７８と、入口区間部７
６及び出口区間部７８の間に各々配置された少なくとも
１つの中間区間部８０と、を含む。与えられたチャンネ
ルの各々の区間部（即ち、入口、中間又は出口）は、同
じチャンネルの少なくとも１つの他の区間部と境界を接
する。中間区間部は、同じチャンネルの２つの区間部と
境界を接する。中間区間部８０の各端部における折り返
し部８２、８６、８８及び９０は、該中間区間部８０
を、同じ流れチャンネルの次の隣接する区間部に接続す
る。この隣接する区間部は、入口区間部７６、出口区間
部７８又は別の中間区間部８０のいずれかである。各流
れチャンネルを、各々がそれ自体の蛇行形態を有する順
次リンクされたセグメントに分解することによって、各
蛇行チャンネルの区間部は、比較的短くなり、従って、
一つの区間部と、同じチャンネル内の次の隣接する区間
部との間の圧力降下が比較的小さくなる。これによっ
て、一つの区間部から、介在されたランドの上方を超え
たり下方をくぐるような、次の区間部への短絡を無くす
ことができる。同様に、中間区間部の端部８２、８６、
８８及び９０と、同じチャンネルの隣接するセクショ
ン、即ち、隣接する供給マニホルド又は排出マニホルド
との間の圧力降下が比較的小さくなる。
を最も良く表しており、図２のプレート５８の２次元図
である。図４の円で囲まれた部分を拡大した図５も見
よ。この流れ場は、複数の流れチャンネル６６ａ〜６６
ｊを備え、これらの流れチャンネルは、ガス反応物（例
えば空気）を流れチャンネル６６ａ〜６６ｊに分配する
入口供給マニホルド７２に一端部を接続され、流れチャ
ンネル６６ａ〜６６ｊから出るガス反応物を収集するた
めの排気マニホルドに他端部を接続されている。各々の
流れチャンネル６６ａ〜６６ｊは、互いにリンクされた
複数のセグメントＡ〜Ｅを備えている。これらのセグメ
ントは、入口供給マニホルド７２から、与えられたチャ
ンネル６６ａ〜６６ｊに入るガスが、それが流れチャン
ネル６６ａ〜６６ｊから出て排出マニホルド７４に至ま
で、そのセグメントＡ〜Ｅの全てを通って流れるよう
に、入口供給マニホルド及び排出マニホルドの間の方向
に概略延びている。各々のセグメントＡ〜Ｅは、それ自
身の蛇行形態を有し、ガスがセグメントＡ〜Ｅに流入す
るところの入口区間部７６と、ガスがセグメントＡ〜Ｅ
から流出するところの出口区間部７８と、入口区間部７
６及び出口区間部７８の間に各々配置された少なくとも
１つの中間区間部８０と、を含む。与えられたチャンネ
ルの各々の区間部（即ち、入口、中間又は出口）は、同
じチャンネルの少なくとも１つの他の区間部と境界を接
する。中間区間部は、同じチャンネルの２つの区間部と
境界を接する。中間区間部８０の各端部における折り返
し部８２、８６、８８及び９０は、該中間区間部８０
を、同じ流れチャンネルの次の隣接する区間部に接続す
る。この隣接する区間部は、入口区間部７６、出口区間
部７８又は別の中間区間部８０のいずれかである。各流
れチャンネルを、各々がそれ自体の蛇行形態を有する順
次リンクされたセグメントに分解することによって、各
蛇行チャンネルの区間部は、比較的短くなり、従って、
一つの区間部と、同じチャンネル内の次の隣接する区間
部との間の圧力降下が比較的小さくなる。これによっ
て、一つの区間部から、介在されたランドの上方を超え
たり下方をくぐるような、次の区間部への短絡を無くす
ことができる。同様に、中間区間部の端部８２、８６、
８８及び９０と、同じチャンネルの隣接するセクショ
ン、即ち、隣接する供給マニホルド又は排出マニホルド
との間の圧力降下が比較的小さくなる。
【００１５】各々の蛇行セグメントＡ〜Ｅが、橋渡し部
９２により次のセグメントに直列に接続される。この橋
渡し部９２は、下流セグメントの出口区間部を上流セグ
メントの入口区間部に接続する。図示の実施形態では、
橋渡し部９２は、流れチャンネルが延在する概略方向
（即ち、供給マニホルドから排出マニホルドまで）と交
わる方向に延在する。好ましくは、中間区間部の折り返
し部８２、８６、８８及び９０は、その場所で短絡を更
に無くすため、橋渡し部９２とは異なる間隔配置を各々
有する。この点に関し、圧力降下（ΔＰ）が最大となる
端部８６及び９０においてＵ字状湾曲端部と橋渡し部９
０との間のより大きい間隔配置が存在し、ΔＰがより小
さくなる端部８２及び８８では、より少ない間隔配置と
なる。従って、例えば、セグメントＤ及びＥ（図４を見
よ）の間のように、Ｕ字状湾曲端部８２は、Ｕ字状湾曲
端部８６より橋渡し部９２により近い。というのは、端
部８６は、端部８２での圧力より低い圧力であり、その
結果、橋渡し部９２及び端部８２の間より、橋渡し部９
２及び端部８６の間の圧力降下をより大きくさせるから
である。同じ間隔配置が、セグメントＡの中間区間部及
び供給マニホルド７２の端部、並びに、セグメントＥの
中間区間部及び排出マニホルド７４の端部に亘って存在
する。
９２により次のセグメントに直列に接続される。この橋
渡し部９２は、下流セグメントの出口区間部を上流セグ
メントの入口区間部に接続する。図示の実施形態では、
橋渡し部９２は、流れチャンネルが延在する概略方向
（即ち、供給マニホルドから排出マニホルドまで）と交
わる方向に延在する。好ましくは、中間区間部の折り返
し部８２、８６、８８及び９０は、その場所で短絡を更
に無くすため、橋渡し部９２とは異なる間隔配置を各々
有する。この点に関し、圧力降下（ΔＰ）が最大となる
端部８６及び９０においてＵ字状湾曲端部と橋渡し部９
０との間のより大きい間隔配置が存在し、ΔＰがより小
さくなる端部８２及び８８では、より少ない間隔配置と
なる。従って、例えば、セグメントＤ及びＥ（図４を見
よ）の間のように、Ｕ字状湾曲端部８２は、Ｕ字状湾曲
端部８６より橋渡し部９２により近い。というのは、端
部８６は、端部８２での圧力より低い圧力であり、その
結果、橋渡し部９２及び端部８２の間より、橋渡し部９
２及び端部８６の間の圧力降下をより大きくさせるから
である。同じ間隔配置が、セグメントＡの中間区間部及
び供給マニホルド７２の端部、並びに、セグメントＥの
中間区間部及び排出マニホルド７４の端部に亘って存在
する。
【００１６】図６は、各々のチャンネルが図４より少な
い中間区間部９４（一つの中間区間部のみが図示されて
いる）を有することを除いて図４と類似しており、特
に、カソード反応物（即ち、Ｏ2）を取り扱う上で有用
である。この点に関し、多数の中間区間部を利用する図
４の形態は、特にアノード反応物、即ち水素を取り扱う
上で有用である。膜電極アセンブリの両側に、異なって
構成された流れチャンネルを持つことによって、Ｈ2及
び空気の各々が膜電極アセンブリに亘って非常に高すぎ
る圧力降下を生成すること無く、同一圧力付近で燃料電
池に供給されるとき、Ｈ2及び空気の両方に対して入口
マニホルド及び出口マニホルドの間で実質的に同じ圧力
降下を維持することが可能となる。
い中間区間部９４（一つの中間区間部のみが図示されて
いる）を有することを除いて図４と類似しており、特
に、カソード反応物（即ち、Ｏ2）を取り扱う上で有用
である。この点に関し、多数の中間区間部を利用する図
４の形態は、特にアノード反応物、即ち水素を取り扱う
上で有用である。膜電極アセンブリの両側に、異なって
構成された流れチャンネルを持つことによって、Ｈ2及
び空気の各々が膜電極アセンブリに亘って非常に高すぎ
る圧力降下を生成すること無く、同一圧力付近で燃料電
池に供給されるとき、Ｈ2及び空気の両方に対して入口
マニホルド及び出口マニホルドの間で実質的に同じ圧力
降下を維持することが可能となる。
【００１７】本発明は、その特定の実施形態の観点で開
示されたが、本発明は、上記例にのみ限定されるもので
はなく、請求の範囲によってのみ画定される。
示されたが、本発明は、上記例にのみ限定されるもので
はなく、請求の範囲によってのみ画定される。
【図１】図１は、ＰＥＭ燃料電池の概略的な等角破断図
である。
である。
【図２】図２は、アノード側からの燃料電池スタックの
ＭＥＡ及び両極性プレートの等角破断図である。
ＭＥＡ及び両極性プレートの等角破断図である。
【図３】図３は、図２の方向３−３に沿って取られた拡
大断面図である。
大断面図である。
【図４】図４は、図２の両極性プレートの平面図であ
る。
る。
【図５】図５は、図４の円で囲まれた部分の拡大図であ
る。
る。
【図６】図６は、カソード側に適した本発明の代替実施
形態を示す図４の類似図である。
形態を示す図４の類似図である。
４、６ 膜電極アセンブリ
８ 両極性プレート
１４、１６ 単極性端部接触プレート
１８、２０、２２、２４ 流れ場
３４、３６、３８、４０ 主要電流コレクター
５６ 両極性プレート
５７ 第１の主要多孔性電流コレクター
５８ 第１の外側金属シート
５９ 膜電極アセンブリ
６０ 第２の外側金属シート
６１ 第２の主要多孔性電流コレクター
６２ 内側金属スペーサーシート
６４ ランド
６６、６６ａ〜６６ｊ 蛇行ガス流れチャンネル
６８ 両極性プレートの一エッジ部
７０ 両極性プレートの反対側のエッジ部
７２ 供給マニホルド
７４ 排出マニホルド
７６ 入口区間部
７８ 出口区間部
８０ 中間区間部
８２、８６、８８、９０ 中間区間部の折り返し部
９２ 橋渡し部
９４ 中間区間部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平10−223238（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−263003（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−79164（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−40169（ＪＰ，Ａ)
特表2002−510851（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/02
H01M 8/10
Claims (6)
- 【請求項１】 （１）カソード面及びアノード面を両側
に有する陽子交換膜、（２）前記カソード面と係合する
ガス透過性の導電性カソード電流コレクター、（３）前
記アノード面と係合するガス透過性の導電性アノード電
流コレクター、（４）前記ガス透過性の導電性カソード
及びアノード電流コレクターのうち少なくとも一つと係
合し、該一つのガス透過性の電流コレクターに対面する
ガス流れ場を画成する電流収集プレートであって、該流
れ場は、前記一つの電流コレクターと係合し且つ実質的
に等しい長さの蛇行ガス流れチャンネルを画成する複数
のランドを含む、ＰＥＭ燃料電池であって、 前記チャンネルの各々は、（ａ）ガス供給マニホルド及
びガス排出マニホルドの間に延びる第１の概略方向に沿
って配置された複数の連続的にリンクされた蛇行セグメ
ントであって、該セグメントは、ガスを第１の圧力で該
セグメントに受け入れるための入口区間部と、該ガスを
該第１の圧力より小さい第２の圧力で該セグメントから
排出するための出口区間部と、該入口区間部及び該出口
区間部の中間にある少なくとも１つの中間区間部と、各
チャンネルに対する該入口区間部、該出口区間部及び該
中間区間部は、同じチャンネルの少なくとも１つの他の
区間部と少なくとも部分的に境界を接しており、更に前
記中間区間部を同じチャンネルの隣接する区間部に接続
する、該中間区間部の各端部に形成された折り返し部
と、を有する、前記蛇行セグメントと、（ｂ）一つのセ
グメントの前記出口区間部を同じチャンネルの該一つの
セグメントの下流にある次に隣接するセグメントの入口
区間部に連結させる橋渡し部と、を含むことを特徴とす
る、ＰＥＭ燃料電池。 - 【請求項２】 前記セグメントは、前記入口区間部及び
前記出口区間部の中間に複数の前記中間区間部を各々備
える、請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。 - 【請求項３】 前記チャンネルの各々は、少なくとも３
つの前記連続的にリンクされた蛇行セグメントを含む、
請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。 - 【請求項４】 前記入口区間部は、前記セグメントの第
１の側部に沿って配置され、前記出口区間部は、該セグ
メントの前記第１の側部とは反対側にある第２の側部に
沿って配置され、前記橋渡し部は、前記第１の概略方向
と交わる第２の概略方向に延在する、請求項１に記載の
ＰＥＭ燃料電池。 - 【請求項５】 作動中に前記橋渡し部の圧力に最も近い
圧力となる前記中間区間部の端部は、前記橋渡し部から
第１の距離だけ隔てられ、作動中に、前記橋渡し部の圧
力から最も離れた圧力となる前記中間区間部の端部は、
前記第１の距離より小さい第２の距離だけ前記橋渡し部
から隔てられる、請求項４に記載のＰＥＭ燃料電池。 - 【請求項６】 前記燃料電池に供給される前記アノード
及びカソード反応物の圧力が実質的に同じになるとき、
前記カソードに対する前記供給マニホルド及び前記排出
マニホルドの間の圧力降下が、前記アノードに対する前
記供給マニホルド及び前記排出マニホルドの間の圧力降
下と実質的に同じになることを可能にするように、前記
カソード電流収集プレートは、前記アノード電流収集プ
レートにより画成された流れチャンネルより長さが短い
流れチャンネルを有する流れ場を画成する、請求項１に
記載のＰＥＭ燃料電池。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/459592 | 1999-12-13 | ||
| US09/459,592 US6309773B1 (en) | 1999-12-13 | 1999-12-13 | Serially-linked serpentine flow channels for PEM fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=23825412
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000379014A Expired - Fee Related JP3495700B2 (ja) | 1999-12-13 | 2000-12-13 | 燃料電池用の区画化流れチャンネル |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1109241B1 (ja) |
| JP (1) | JP3495700B2 (ja) |
| CA (1) | CA2323147A1 (ja) |
| DE (1) | DE60040897D1 (ja) |
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