(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池用セパレータ・プレートの形状。【解決手段】燃料電池用セパレータ・プレートは、円形又は楕円形の主要面１０を有し、相互に並列に延びる複数のチャネル２０により流体流路２８を定め、流体が流体供給ポート１２から流体排出ポート１４へ導かれる。隣接チャネル２０を合流させて並列に延びるチャネルの数を減らすことにより、流路の断面積が減少する。チャネル２０は、・流体供給ポートから主要面の外面輪郭に沿って曲線の形で延びる第１の区域Ａと、・前記外面輪郭に平行な曲線の形で外面輪郭に対して一定の距離を置いて延びる第２の区域Ｂと、・Ｃ字形状の第３の区域Ｃと、・主要面の中心２６周りで延び、Ｃ字形状の向きがＣ字形状の第３の区域の向きと逆向きの中央の馬蹄形状の第４の区域Ｄと、・主要面の外面輪郭へ戻される第５の区域Ｅと、・主要面の外面輪郭に沿って流体排出ポートに達するまで曲線の形で延びる最終区域Ｆとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックで使用するセパレータ・プレートであって、実質的に円形又は楕円形の主要面（１０）を有し、相互に実質的に並列に延びる複数のチャネル（２０）により流体流路（２８）を定め、流体が流体供給ポート（１２）から流体排出ポート（１４）へ導かれるようにされ、
隣接チャネル（２０）を合流させて前記供給ポート（１２）から前記排出ポート（１４）までの並列に延びるチャネル（２０）の数を減らすことにより前記流路（２８）の断面積が減少し、前記チャネルの幅が前記流路全体にわたって変化して前記供給ポート（１２）から前記排出ポート（１４）にかけて増加し、
前記複数の並列に延びるチャネル（２０）が、
・前記流体供給ポート（１２）から始まる、前記複数のチャネル（２０）が前記主要面（１０）の外面輪郭（１１）に沿って曲線の形で延びる第１の区域（Ａ）と、
・前記複数のチャネルが前記外面輪郭（１１）に平行な曲線の形で前記外面輪郭（１１）に対して一定の距離を置いて延びる第２の区域（Ｂ）と、
・Ｃ字形状の第３の区域（Ｃ）と、
・前記主要面（１０）の中心（２６）周りで延び、前記Ｃ字形状の第４の区域（Ｄ）の向きが前記Ｃ字形状の第３の区域（Ｃ）の向きと逆向きである中央の馬蹄形状の第４の区域（Ｄ）と、
・前記複数のチャネル（２０）が前記主要面（１０）の前記外面輪郭（１１）へ戻される第５の区域（Ｅ）と、
・前記複数のチャネル（２０）が前記主要面（１０）の前記外面輪郭（１１）に沿って前記流体排出ポート（１４）に達するまで曲線の形で延びる最終区域（Ｆ）と、
を含む、ことを特徴とするセパレータ・プレート。
【請求項２】
前記第１の区域（Ａ）と前記第２の区域（Ｂ）との間、及び再び前記第５の区域（Ｅ）と前記第６区域（Ｆ）との間で隣接チャネル（２０）をまとめることにより、前記流路（２８）を形成する前記チャネル（２０）の数が減少する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセパレータ・プレート。
【請求項３】
前記流路を形成する前記チャネル（２０）の数が、前記第１の区域（Ａ）と前記第２の区域（Ｂ）との間、及び前記第５の区域（Ｅ）と前記第６区域（Ｆ）との間でそれぞれ２分の１になる、
ことを特徴とする請求項２に記載のセパレータ・プレート。
【請求項４】
隣接チャネル（２０）が隆起部（２２、２４）により分離され、同じ区域の隣接チャネルを分離する前記隆起部（２２）の前記幅が、異なる区域の隣接チャネルを分離する前記隆起部（２４）の幅よりも狭い、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のセパレータ・プレート。
【請求項５】
前記流路（２８）のすべてのチャネル（２０）に関して圧力勾配が実質的に同じである、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のセパレータ・プレート。
【請求項６】
前記流路内で２つの隣接チャネルを分離する隆起部（２２）の前記幅が前記流路全体にわたって変化する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のセパレータ・プレート。
【請求項７】
酸化物セパレータ・プレートと、燃料セパレータ・プレートと、前記プレート間に狭装された電池ユニットとを含み、該電池ユニットが、燃料ガス拡散層と、触媒層と、酸化剤ガス拡散層と、触媒層とを含む膜電解質接合体、及び膜を含み、前記セパレータ・プレートが、請求項１から請求項６のいずれかに記載のセパレータ・プレートである、
ことを特徴とする燃料電池構造。
【請求項８】
前記酸化物プレート及び前記燃料セパレータ・プレートが同一構造を有し、前記酸化物プレートと前記燃料セパレータ・プレートとの唯一の違いがチャネルの深さである、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池構造。
【請求項９】
前記セパレータ・プレートの少なくとも一方が、前記プレートの前記ガスの流れ場が位置する前記主要面とは逆側の前記プレートの主要面上に冷却液用の流れ場を含む、
ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の燃料電池構造。
【請求項１０】
平均ガス流速を等しくするために、２以上のステップで、及び２以上の場所において第１の区域（Ａ）と最終区域（Ｆ）との間で前記チャネル（２０）のいくつかをまとめることにより、前記流路（２８）を形成する前記チャネル（２０）の数が減少する、
ことを特徴とする請求項１に記載のセパレータ・プレート。
【請求項１１】
前記第１の区域（Ａ）と前記第６区域（Ｆ）との間のチャネルの減少が実現される場所において、前記流路を形成する前記チャネル（２０）の数が２分の１以下になる、
ことを特徴とする請求項１０に記載のセパレータ・プレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池構造及びこの構造内で使用されるセパレータ・プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料セパレータ・プレートと、酸化物セパレータ・プレートと、これらのプレート間に狭装された膜電極接合体（ＭＥＡ）とを含む燃料電池構造が当業で周知である。固体高分子電解質型の燃料電池構造では、ＭＥＡは通常、一方がアノードを形成して他方がカソードを形成する２つの多孔質導電性電極間に狭装された固体高分子電解質膜を含む。膜と電極との間の境界面に白金などの触媒が配置される。
【０００３】
例えば水素などの燃料ガスがアノードに供給される一方、（酸素を含有する）空気又は酸素などの酸化剤ガスがカソード側に供給される。水素は、多孔質アノードを横切って移動し、アノード触媒上で陽子と電子に変換される。陽子は、加湿高分子電解質を介してカソードへ向けて移動する。酸素は、多孔質カソードを通って移動し、膜を横切った陽子と反応して水を生成する。発生した電子は外部回路を通って導かれる。このようにして発生した電流を電気エネルギーとして直接使用することができる。セパレータ・プレートは導電性材料で作られ、電流コレクタとして機能する。ＭＥＡとセパレータ・プレートとの間の境界面において、プレート内に形成されたチャネルにより定められる１又はそれ以上の流体流路が、反応流体を電極へ向かわせる一方で、流体を供給ポートから排出ポートへ導く。
【０００４】
通常、複数の燃料電池構造が積み重なって燃料電池スタックを形成する。この結果、１つの燃料電池構造の酸化物セパレータ・プレートが、隣接する燃料電池構造の酸化物セパレータ・プレートと背中合わせに、２つのプレート間に本明細書では説明しない冷却流路を有した状態で位置し、これにより一方の燃料電池構造から他方の燃料電池構造へ、ひいてはスタック全体を通じて電流が流れるようになる。
【０００５】
セパレータ・プレートはさらに、１つの電池のアノードに供給された反応流体が別の電池のアノードに供給された反応流体を汚染しないように、隣接する燃料電池構造間に流体バリアを提供する。
【０００６】
セパレータ・プレート上の流体流路の配置、すなわち、いわゆる流れ場の設計は燃料電池の性能にとって極めて重要である。１つの重要点は反応の均一性である。供給ポートから排出ポートへ導かれる間に、反応流体は電極表面で消費される。従って、面積単位当たりの反応性分子の数は、出口へ向かって減少することになる。しかしながら、プレート全体にわたって均一な反応分布を得るために、流路全体を通じて一定の圧力及び一定の流速を保持することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、プレート全体にわたる、ひいては電極全体にわたる均一な反応分布を確実にするセパレータ・プレートを提供することにある。さらに、このようなプレートを使用して燃料電池構造の性能を改善するとともにガス漏れを防ぐことが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの及びその他の目的は、請求項１に記載のセパレータ・プレートにより達成される。
【０００９】
本発明によれば、燃料電池スタックで使用するためのセパレータ・プレートが、実質的に円形又は楕円形の主要面を有し、相互に実質的に並列に延びる複数のチャネルにより流体流路を定め、流体が流体供給ポートから流体排出ポートへ導かれる。流体は、水素などの燃料又は純酸素などの酸化物のいずれであってもよい。本発明によれば、隣接チャネルを合流させて供給ポートから排出ポートまでの並列チャネルの数を減らすことにより、流路の断面積が減少する。従って、消費される反応物が流路の減少した断面積により補償されるので、流体流路全体にわたって圧力勾配を実質的に一定に保つことができる。本発明によれば、複数の並列チャネルが、
・流体供給ポートから始まる、複数の並列チャネルが主要面の外面輪郭に沿って曲線の形で延びる第１の区域と、
・複数の並列チャネルが前記外面輪郭に平行な曲線の形で外面輪郭に対して一定の距離を置いて延びる第２の区域と、
・Ｃ字形状の第３の区域と、
・主要面の中心周りで延び、向きがＣ字形状の第３の区域の向きと逆向きの中央の馬蹄形状の第４の区域と、
・複数の並列チャネルが主要面の外面輪郭へ戻される第５の区域と、
・複数の並列チャネルが主要面の外面輪郭に沿って流体排出ポートに達するまで曲線の形で延びる最終区域と、
を含む。
【００１０】
本発明の別の目的は、酸化物セパレータ・プレートと、燃料セパレータ・プレートと、これらのプレート間に狭装された膜電極接合体（ＭＥＡ）とを含む燃料電池構造である。膜電極接合体は、燃料電極と、酸化物電極と、陽子交換膜とを含む。本発明によれば、これらのセパレータ・プレートは、上述したようなセパレータ・プレートである。
【００１１】
出願者が行った実験により、本発明によるセパレータ・プレート上の流れ場の設計が、燃料電池構造の性能に関して目覚ましい結果を導くことが示された。
【００１２】
本発明による燃料電池構造では、複数のセパレータ・プレートが同一構造を有することができ、このことは、酸化物セパレータ・プレートの場合と燃料セパレータ・プレートの場合とで流路の幾何学的形状を全く同じものにできることを意味する。しかしながら、チャネルの深さは異なり得る。純酸素及び純水素を使用する場合、燃料セパレータ・プレートのチャネルを、例えば酸化物セパレータ・プレートのチャネルよりも浅くすることができる。１モルの酸素に対しては２モルの水素が必要とされ、従ってガス量は燃料側の方が多い。しかしながら、ガスの動的粘度の違いにより、酸化物セパレータ・プレートではより深いチャネルを使用して流路全体にわたる同様の圧力勾配を得ることができる。
【００１３】
チャネルの幅は、例えば供給ポートから排出ポートにかけて増加するように流路全体にわたって変化することが好ましい。チャネルの幅は、例えば、第１の区域内のチャネルの幅が次の区域内のものよりも小さくなるように１つの区域から別の区域にかけて変化してもよく、或いは１つの区域内で変化してもよい。通常、チャネルは隆起部により分離され、チャネルの幅が減少した場合に、これが隆起部の幅の増加により補償されることが好ましい。流路の起点では幅の狭いチャネルが膜内の水管理を向上させる一方で、流路が排出ポートに近づくときのより幅の広いチャネルは酸化物の移送を向上させる。このようにして、上記の設計により性能が向上する。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、流路を形成する並列チャネルの数は、第１の区域と第２の区域との間で隣接チャネルを合流させ、再び第５の区域と最終区域との間で隣接チャネルを合流させることによって、減少させる。流路を形成する並列チャネルの数は、第１の区域と第２の区域との間で、及び第５の区域と最終区域との間で、それぞれ２分の１になることが好ましい。出願人は、このような配列が流路全体にわたる実質的に均一な流速を導き、ひいてはセパレータ・プレート全体及び電極全体にわたって均一な反応を導くことを発見した。この均一な流速及び均一な圧力勾配は、生成された水を出口へ向けて移送する役にも立つ。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、隣接チャネルが隆起部により分離され、同じ区域の隣接チャネルを分離する隆起部の幅は、異なる区域に跨る隣接チャネルを分離する隆起部の幅よりも狭い。特に、電池内の局所的状態が非凝縮性の場合、すなわち多孔質ガス拡散層の液体飽和が低くてその浸透性が比較的高い場合、異なる区域の隣接チャネル間のより幅広な隆起部が、これらの隆起部を横切って一方の区域から他方の区域へガスが拡散すること、すなわち望ましくない流路間のショートカットを回避する。
【００１６】
チャネルの少なくとも１つの断面積は、流路の方向へ向けて減少することが好ましい。このような断面積の減少には、隣接チャネルをまとめることと同じ効果があるが、これは両方の場合において、流路の断面積が減少することにより流路全体にわたって均一な流速を保持できるようになるからである。
【００１７】
チャネルは、供給ポートから排出ポートにかけてチャネルの深さが減少する長方形断面を有することができる。例えば台形断面などのその他の断面も使用できる。
【００１８】
圧力勾配は、流路の全チャネルに関して実質的に同じであることが好ましい。これは、均一なチャネルの長さにより、又は対応するチャネルの断面積を変化させることで長さの差を補償することにより実現することができる。
【００１９】
均一なチャネルの長さを提供するために、流路内の２つの隣接チャネルを分離している隆起部の幅が、流路全体にわたって変化することができる。例えば隣接チャネルが曲線を形成するときに、内側チャネルを人為的に長くして、２つのチャネルが流路全体を通じて完全に並列を保たないようにすることにより、外側に位置するチャネルと内側に位置するチャネルとの間の長さの差を補償することができる。
【００２０】
本発明の上記の及びその他の目的、特徴、及び利点は、本発明の好ましい実施形態を例示として示す添付図面と併せて以下の説明を理解したときにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるセパレータ・プレートの平面図である。
【図２】図１のセパレータ・プレートの主要面の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１で分かるように、セパレータ・プレートは、燃料電池スタックを組み立てるために使用される開口部１８を設けたフレーム構造１６により取り囲まれる実質的に円形の主要面１０を含む。図１はセパレータ・プレートの平面図である。通常、プレートの裏面には冷却液流路を形成するチャネルが形成される。しかしながら、これらの冷却液流路は当業では周知であり、本明細書では説明しない。
【００２３】
図１で分かるように、水素などの燃料ガス又は酸素などの酸化剤ガスを通過できるようにする流体供給ポート１２が主要面１０の外面輪郭１１上に設けられる。主要面１０の反対側には流体排出ポート１４が設けられる。流体供給ポート１２から流体排出ポート１４の間に流路２８が延びる。
【００２４】
流体流路２８は、隆起部２２によって分離された複数の並列チャネル２０により定められる。流体流路２８は、図２に概略的に示す複数の区域を含む。
【００２５】
第１の区域Ａは、流体供給ポート１２から始まり主要面１０の外面輪郭１１に沿って１８０°曲線の形で延びる。
【００２６】
流れ方向（矢印３０を参照）では、この第１の区域Ａの後に、外面輪郭１１に対して一定の距離を置いているものの依然として前記外面輪郭と平行な曲線の形で延びる第２の区域Ｂが続く。図２で分かるように、区域Ａと区域Ｂとの間で１対の隣接チャネルが合流して１つのチャネルを形成する（図１を参照）ので、区域Ｂ内の流路２８の幅Ｗ２の方が区域Ａ内の幅Ｗ１よりも狭い。流路２８を形成する並列チャネルの数は、このようにして第１の区域Ａの起点と第２の区域Ｂの終点との間で２分の１になる。
【００２７】
第２の区域Ｂの後にＣ字形状の第３の区域Ｃが続き、ここでは並列チャネルがＵターンを行って主要面１０の中心２６周りに延びる中央の馬蹄形状の第４の区域Ｄへ導かれる。
【００２８】
Ｃ字形状の第３の区域Ｃでは、流路２８のチャネル２０は厳密には並列でなく、Ｃ字形状曲線の外側にあるチャネル２０はわずかに広い隆起部により互いに分離される。従って、流路の流れ方向に対して垂直な方向の幅Ｗ３は、次の第４の区域Ｄの流路の幅Ｗ４よりもわずかに広いが、チャネル２０の数は変わらないままである。前記第４の区域では、チャネル２０は、中心の第４の区域Ｄの径方向外側に位置する隣接区域Ａ及びＢのチャネル２０に対して平行に延びるが、流れ方向（矢印３０）は逆である。流体が区域Ａから区域Ｂへ直接流れるのを避けるために、区域Ａと区域Ｄとを分離する隆起部２４は、同じ区域内で隣接チャネルを分離する隆起部２２よりも幅が広い。
【００２９】
区域Ｄの後には第５の区域Ｅが続き、並列チャネルは主要面１０の外面輪郭１１へ戻される。第３の区域３のように、隣接チャネル２０は、外面輪郭１１に達する直前にわずかに広い隆起部２５により分離され、従って流路２８の幅Ｗ５は前の区域Ｄよりも再びわずかに広くなるが、チャネル２０の数は依然として同じままである。
【００３０】
最終的に、区域Ｅ内の主要面の外面輪郭１１へ戻った後、チャネル２０は、流体排出ポート１４に達するまで最終区域Ｆ内の主要面１０の外面輪郭１１に沿って再び平行に延びる。図１で分かるように、並列チャネルの数は、隣接チャネル対を１つのチャネルに合流させることより、区域Ｅと区域Ｆとの間で再び２分の１になる。従って、区域Ｆ内の流路２８の幅Ｗ６は、区域Ｄ内の流路の幅Ｗ４の半分に、及び区域Ａ内の流路２８の幅Ｗ１の４分の１に相当する。
【００３１】
本発明によるセパレータ・プレートの流路２８の特定の設計により、プレートの面を完全に使用することができる。圧力勾配を一定に保つことができ、ガス流速は流路２８全体にわたって均一となる。
【００３２】
図１に示したチャネルは、長さ全体にわたって全て同じ幅を有する。この表現は説明を簡潔にするために選択したものであり、本発明の好ましい実施形態によれば、チャネルの幅は、実際には流体供給ポートから流体排出ポートへ向けて増加する。幅は、例えば流路の第１の区域Ａで最も小さく、流路の第２の区域Ｂで増加し、最終区域Ｆで再び増加するように、段階的に増加することができる。幅は流路全体にわたってなめらかに増加することもでき、流路全体にわたってチャネル幅を修正する数多くの可能性を想像することができ、これらはすべて本特許請求の範囲に含まれる。流体供給ポートに続く流路の起点においてチャネル幅を狭くすることにより、膜内の水管理が向上する。流路の終点へ向けてより大きなチャネルをより狭い隆起部によって分離することにより、酸化物の移送が向上する。隣接チャネルをまとめることをチャネルの幅を変化させることと組み合わせることにより、非常に優れた性能の燃料電池構造が得られる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  主要面；  １１  外面輪郭；  １２  流体供給ポート；  
１４  流体排出ポート；  １６  フレーム構造；  １８  開口部；  ２０  チャネル；  
２２、２４，２５  隆起部；  ２６  中心；  ２８  流路；  ３０  流れ方向；  
Ａ  第１の区域；  Ｂ  第２の区域；  Ｃ  第３の区域；  Ｄ  第４の区域
Ｅ  第５の区域；  Ｆ  最終区域。
【図１】
2010199065.tif 000003
【図２】
2010199065.tif 000004
【外国語明細書】
2010199065000001.pdf