(57)【要約】  本発明は、２つの分離板ユニット（４４）の間に配置される膜電極アセンブリ（１６）と、第１の流体を分配するために、膜電極アセンブリ（１６）の一方の側に隣接する第１の流体領域（１２）と、第２の流体を分配するために、膜電極アセンブリ（１６）の上記一方の側の反対側に隣接する第２の流体領域（１４）とを有する燃料電池であって、分離壁（３６）が、少なくとも１つの流体領域（１２）に配置され、流体領域（１２）を少なくとも１つの計量領域（３２）と１つの副流体領域（３４）とに分割し、少なくとも１つの計量領域（３２）が、そこから少なくとも１つの計量点（３８）を介して、隣接する副流体領域（３４）に第１の流体を計量できるように、計量点（３８）の隣接する副流体領域（３４）への流体連通を有する燃料電池に関する。本発明によれば、流体領域（１２）への第１の流体用の縁部入口ポート（２４）を起点として、副流体領域（３４）の断面は出口ポート（２６）に向かって第１の流体の流れ方向（４０）に大きくなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの分離板ユニット（４４）の間に配置される膜電極アセンブリ（１６）と、第１の流体を分配するために、前記膜電極アセンブリ（１６）の一方の側に隣接する第１の流体領域（１２）と、第２の流体を分配するために、前記膜電極アセンブリ（１６）の前記一方の側の反対側に隣接する第２の流体領域（１４）とを有する燃料電池であって、
分離壁（３６）が、少なくとも１つの流体領域（１２）に配置され、前記流体領域（１２）を少なくとも１つの計量領域（３２）と１つの副流体領域（３４）とに分割し、前記少なくとも１つの計量領域（３２）が、前記計量領域（３２）から少なくとも１つの計量点（３８）を介して前記隣接する副流体領域（３４）に前記第１の流体を計量できるように、前記計量点（３８）の前記隣接する副流体領域（３４）への流体連通を有し、
前記流体領域（１２）への前記流体の縁部入口ポート（２４）を起点として、前記副流体領域（３４）の断面の面積が出口ポート（２６）に向かって前記第１の流体の流れ方向（４０）に大きくなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記計量領域（３２）の断面の面積が前記第１の流体の前記流れ方向（４０）に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記副流体領域（３４）及び計量領域（３２）の前記断面の面積が、全体的に、均一である分離板ユニット（４４）が得られることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記副流体領域（３４）の前記断面の面積が、前記膜電極アセンブリ（１６）の第１の流体要件及び前記副流体領域（３４）の前記流体の相対湿度に基づいて調節されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記分離壁（３６）が前記膜電極アセンブリ（１６）に対して傾斜して配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記分離壁（３６）が、前記第１の流体の前記入口ポート（２４）を起点として前記分離壁の長手方向延長部（４２）に沿って、複数の計量点（３８）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記分離壁（３６）が薄い箔であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記分離壁（３６）が金属であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記副流体領域（３４）がガス分配用の多孔質材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記計量領域（３２）が多孔質材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記多孔質材料（４６）が金属であることを特徴とする請求項９あるいは１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記流体領域（１２）がカソード領域として設けられることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
第１及び第２の流体を分配するために、膜電極アセンブリ（１６）に隣接する第１及び第２の流体領域（１２、１４）としてカソード領域及びアノード領域を有する請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池（１０）の分離板ユニットであって、分離壁（３６）が、少なくとも１つの流体領域（１２）に配置され、前記流体領域（１２）を少なくとも１つの計量領域（３２）と１つの副流体領域（３４）とに分割し、前記少なくとも１つの計量領域（３２）が、前記計量領域（３２）から少なくとも１つの計量点（３８）を介して前記隣接する副流体領域（３４）に第１の流体を計量できるように、前記計量点（３８）の前記隣接する副流体領域（３４）への流体連通を有し、
前記流体領域（１２）への前記第１の流体の縁部入口ポート（２４）を起点として、前記副流体領域（３４）の断面の面積が出口ポート（２６）に向かって前記第１の流体の流れ方向（４０）に大きくなることを特徴とする分離板ユニット。
【請求項１４】
前記計量領域（３２）の断面の面積が前記第１の流体の前記流れ方向（４０）に小さくなることを特徴とする請求項１３に記載の分離板ユニット。
【請求項１５】
前記副流体領域（３４）が多孔質導電性材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１３あるいは１４に記載の分離板ユニット。
【請求項１６】
前記計量領域（３２）が多孔質導電性材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の分離板ユニット。
【請求項１７】
前記流体領域（１２）がカソード領域であることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の分離板ユニット
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前段に記載の分離板ユニット及び分離板ユニットを有する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ポリマー電解質膜燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）の基本構造が知られている。ＰＥＭ燃料電池は、アノード、カソード、及びアノードとカソードとの間に配置されたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）から形成される膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。次に、ＭＥＡ自体は、２つの分離板ユニットの間に配置され、この場合、アノードの上方に配置される分離板ユニットは、燃料、例えば水素ガス、水素濃厚改質ガス等を分配するためのチャネルを有し、カソードの上方に配置される分離板ユニットは、酸化剤、例えば空気を分配するためのチャネルを有し、これらのチャネルはＭＥＡに面する。以下において、上記のようなチャネルは分配チャネルとも呼ばれる。分配チャネルは、いわゆるアノード領域とカソード領域とを形成する。電極、アノード及びカソードは、一般に、いわゆるガス拡散電極（ＧＤＥ）の形態をとる。これらのガス拡散電極は、電気化学燃料電池の反応（例えば２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）で発生する電流を排出する機能と、反応物質（最終的には水素と酸素）、反応抽出物及び反応生成物を拡散させることを可能とする機能を有する。一般に、ＧＤＥは、少なくとも１つのガス拡散層（ＧＤＬ）と、ＰＥＭに面しかつ燃料電池の反応を行う触媒層とを備える。
【０００３】
上記のような燃料電池は、比較的低い動作温度で高出力の電流を発生させることができる。実際の燃料電池は、一般に、高出力を実現するために、いわゆる燃料電池スタックを形成するように積層され、この場合、単極分離板の代わりに、双極分離板（双極板）が使用され、単極分離板はスタック用の端板としてのみ使用される。分離板は、ユニットを形成し、このために分離板ユニットと呼ばれる２つ以上の板要素を備え得る。以下において、分離板ユニットという用語は、上記のすべての板及び板ユニットを意味すると意図される。それに応じて、分離板ユニットは、単板を備えることができるか、又は２つ以上の板要素、例えばアノード板とカソード板とから組み立てられ得る。
【０００４】
いくつかの従来のＰＥＭは、適切なイオン伝導性を有するために一定の含水量を必要とする。このことは、特に、フッ素化スルホン酸、例えばパーフルオロスルフォン酸膜ベースの材料などからなるＰＥＭに関連する。したがって、一般に、反応物質がＰＥＭ燃料電池に供給される前に、反応物質を加湿することによって、上記のようなＰＥＭが加湿される。加湿の欠点は、これに複雑さが伴うこと、及び加湿器等の装置がさらに必要となることであり、この欠点は、動作プロセスを複雑にし、可能な限りコンパクトな種類である燃料電池システムの障害となる。
【０００５】
加湿の別の欠点は、加湿レベルを調節することが困難であることである。このことは、加湿が不十分に行われるか又は全く行われず、かつ燃料電池の反応中に発生された生成水が、ＰＥＭを十分に加湿するほど十分であると仮定した場合、これにより、特にカソード側において、酸化剤は入口ポートで比較的乾燥しているので酸化剤入口ポートの近傍で水が蒸発しやすいという問題が生じ、この結果、ＰＥＭが特にこの領域で乾燥しやすいことによるものである。上記ＰＥＭが乾燥した場合、イオン伝導性を損なうことがあるだけでなく、ＰＥＭが例えば亀裂によって機械的に損傷することもある。
【０００６】
分離板ユニットのチャネルを通って流れた場合、酸化剤はＭＥＡからの生成水を吸収し、この結果、その酸化剤の相対湿度が上昇し、この加湿の問題は、最終的に解消されるまで徐々に低減されるか、又は不利な状況では、水排出の問題という逆の問題に変化さえする。
【０００７】
水排出の問題は、酸化剤がさらに入口ポートから出口ポートに移動したときに、生成水を吸収することにより、酸化剤の湿度がより一層高くなり、このようにして、ほんの少量の生成水しか吸収できず、したがって、ほんの少量の生成水しか排出できず、この結果、出口ポートで又はその近傍で、生成水が十分に排出されないという状態が生じる可能性もあるという点にある。次に、不利な状況において、生成水が凝縮し、例えば、反応物質を反応センタに搬送し及びそこから排出するための重要な経路をブロックし、このようにして、燃料電池の反応に悪影響が与えられ、燃料電池の出力が低下する。
【０００８】
特に酸化剤が燃料電池に入る前に加湿されたときに、水排出の問題が生じることがある。ここで、加湿プロセスとは、ＰＥＭが乾燥することを防止するように、酸化剤入口ポートの領域でＭＥＡの湿度を十分に高くすることを意味するが、酸化剤は最初から少量の生成水しか吸収できず、この結果、生成水を十分に吸収して排出するために、酸化剤の湿度が急上昇しすぎることになる。したがって、燃料電池の反応は悪影響を受けやすくなることがある。
【０００９】
したがって、一般に、湿度に依存するＰＥＭを有する従来の燃料電池に対して、カソード入口における適切な加湿と、カソード出口からの適切な水排出との妥協点を見出さなければならない。
【００１０】
加湿の問題を解決するため、特許文献１は、２つの流体領域、すなわちアノード領域とカソード領域とを有する燃料電池であって、流体領域の一方において、別の流体領域が、分離壁によって分割され、流体、例えば酸化剤用の計量領域として使用されるように意図される燃料電池を記載している。分離壁は、計量領域がカソード領域に流体連通される穴を有し、この結果、計量領域に流れる流体（酸化剤）が、計量点を形成する穴を通ってカソード領域に入ることができ、このようにして、カソード領域に注入又は計量されることができる。計量領域により、カソード領域への酸化剤の供給をより大きい領域にわたって空間的に分配し、したがって分散することが可能になる。結果として、特にカソードの入口領域で乾燥の影響を受けやすいＰＥＭの当該部を介して流れる、燃料電池の反応に必要な酸化剤の全体積ではなく、必要なだけの最適な量をこの領域で電気化学的に変換できる。最初に、ほんの僅かな量の酸化剤が計量されるので、ＰＥＭを加湿するための水もほんの僅かな量で済み、詳細には、最適な場合には、燃料電池の反応によりこの領域で発生されるより水の量が少なくなる。次に、下流において、別の計量点の前に、酸化剤は、燃料電池の反応で発生された水により既に部分的に加湿されているので、乾燥酸化剤の計量は、従来の計量の場合よりも損傷が少なくなる。この傾向はその後の計量プロセス中にも継続するので、乾燥によって燃料電池のＰＥＭ又は燃料電池の機能が損傷を受けることなく、ほとんど加湿されていないか、さらには全く加湿されていない酸化剤を全体的に燃料電池のために使用できる。このようにして、最適な場合には、ＰＥＭ燃料電池システムに従来必要であった加湿装置及び水回収装置なしで済ますことが可能であり、したがって、このようなＰＥＭ燃料電池システムが著しく簡略化される。
【００１１】
かくして、特許文献１は、加湿の問題を解決するための基本的な方法を示しているが、例えば、このために、複雑な制御装置を使用する必要なしに、正確な点で正確な量の酸化剤を正確に計量することを可能にするために、さらに改良する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０３４６５９４Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明の目的は、流体領域に沿った相対湿度のプロファイルに関連して、加湿されていない又はほとんど加湿されていない流体、特に酸化剤を関連する流体領域に計量することをさらに簡単に改善できるように、上記種類の燃料電池をさらに発展させることである。別の目的は、対応する分離板ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的は、独立請求項の特徴によって達成される。好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。
【００１５】
本発明による燃料電池は、２つの分離板ユニットの間に配置される膜電極アセンブリと、第１の流体を分配するために、膜電極アセンブリの一方の側に隣接する第１の流体領域と、第２の流体を分配するために、膜電極アセンブリの上記一方の側の反対側に隣接する第２の流体領域とを有し、この場合、分離壁は、少なくとも１つの流体領域に配置され、流体領域を少なくとも１つの計量領域と１つの副流体領域とに分割し、この場合、少なくとも１つの計量領域は、計量領域から少なくとも１つの計量点を介して、隣接する副流体領域に第１の流体を計量できるように、計量点の隣接する副流体領域への流体連通を有する。燃料電池は、流体領域への第１の流体の縁部入口を起点として、副流体領域の断面が流体領域から流体出口に向かって第１の流体の流れ方向に大きくなることによって特徴付けられる。このようにして、流体、特に酸化剤の相対湿度は、その流体の流路に沿って簡単に均一にすることができる。流体領域がカソード領域であり、流体が酸化剤である好ましい例では、このことにより、酸化剤の入口領域において、ほんの僅かな量のガスを利用するだけで済み、この量のガスが、好ましくは、流体領域又はカソード領域から出口への流れ方向に沿って連続的に増加するという利点が得られる。このことにより、膜電極アセンブリがカソード領域の酸化剤用の入口領域で乾燥することを効果的に防止することが可能になる。
【００１６】
計量領域の断面は、有利には、副流体領域とは逆に小さくなることができる。このことにより、全体的に、均一な厚さを有する分離板ユニットが得られる。
【００１７】
膜電極アセンブリの流体要件、特に酸素要件に基づいて、及び／又は副流体領域の流体、詳細には副カソード領域の酸化剤の所望の相対湿度に基づいて、副流体領域の断面を調節できる。一方では、燃料電池の反応に十分な酸素が膜電極アセンブリのカソード側で利用可能であり、それと同時に、他方では、高い相対湿度が生成水によって迅速に発生される程度に酸化剤の量がその都度十分に低いように、関係が選択されることが好ましい。相対湿度は、この場合、少なくとも計量点に近接した領域において、飽和限界未満に好都合に保持される。
【００１８】
アノード側の、すなわち燃料電池のアノード領域の対応する形態も可能である。
【００１９】
分離壁を膜電極アセンブリに対して傾斜して配置することによって、簡単な形状が得られる。膜電極アセンブリは、典型的に、板状の薄い形状を有する。
【００２０】
分離壁は、第１の流体、特に酸化剤の入口ポートを起点として、その分離壁の長手方向延長部に沿って、複数の穴又は孔を有することが可能であり、これらを通って、酸化剤が計量領域から流体領域又はカソード領域に入ることができる。
【００２１】
有利には分離壁の長手方向延長部に沿って穴を配置すべきである位置は、動作パラメータ（圧力、温度、湿度、化学量論等）に依存する。例えば、いくつかの動作パラメータのために、有利には長手方向延長部のほぼ３分の１に穴を配置すべきであることが当てはまり得る。異なる動作条件（高い温度、低い湿度又は無湿度、より低い圧力）において、長手方向延長部全体に沿って穴を配置することが有利であり得る。しかし、この場合、大きなガス体積が既に存在しているので、長手方向延長部の端部における計量の効果が単に極めて小さいことに留意されたい。さらに、入口ポートから出口ポートの方向における穴の間の距離を長くすることが有利である。このことにより、穴の間の距離が入口に近接するよりも出口に近接する方が長くなり、このようにして、長手方向延長部の端部における計量の効果がさらに低減される。
【００２２】
分離壁は、好ましくは金属である薄い箔の形態であり得る。簡単な打ち抜きプロセスにより、分離壁を迅速に、大量にそして大きな寸法で製造できる。このことは、短いサイクル時間が通常望ましく、多数の構成要素を製造しなければならない自動車用途の大量生産プロセスに特に有利である。
【００２３】
特に有利には、カソードに近接する副カソード領域をガス分配用の多孔質材料で充填することが可能である。一例として、多孔質材料は、共に焼結される金属発泡体又は顆粒等であり得る。これらの材料を容易に製造でき、さらに、必要とされる楔形状に容易に製造できる。
【００２４】
計量領域が同様に多孔質材料で充填された場合、２つの領域のために同一の部分を使用できる。楔はそれらが逆方向に傾斜した状態で互いに簡単に配置され、ここで、所望の長方形ブロックが得られる。上記楔の間には分離壁を容易に配置できる。
【００２５】
この場合、電気接触抵抗を低減するために、個々の部分及び／又はその特定の表面被覆の間は金属接続が有利であり得る。
【００２６】
材料の多孔性により、燃料の及び酸化剤のガス搬送に本来なら必要な分離板ユニットの複雑なチャネル構造を省略することが可能になる。上記のようなチャネルは非常に厳しい製造公差に従い、したがって、それに応じて製造コストが高くなる。さらに、多孔質構造により、膜電極アセンブリ用の接触面の微細な分配が可能になる。このことは、ガスをガス拡散層に供給するために及び水をガス拡散層から排出するために有利であることが確認されている。さらには、ガス拡散電極の厚さを薄くすることが可能であり得る。通常のスタックでは、数百の個々の燃料電池が上下に積層されるので、スタックの物理的な大きさについて、全体的に、個々の構成要素の厚さを薄くすることが極めて有利である。ガス拡散電極の厚さが薄くされた場合、厚さがより厚い場合よりも疎水性を向上させることができ、次に、このことは、膜電極アセンブリの保水力を向上させるために有利である。本実施形態は、分離壁がカソード領域に設けられ、アノード領域が分離壁を有さず、多孔質材料で充填されると特に有利である。
【００２７】
本発明による分離板ユニットは、流体領域への流体の縁部入口ポートを起点として、副流体領域の断面が出口ポートに向かって流体の流れ方向に大きくなることによって特徴付けられる。
【００２８】
計量領域の断面は有利には流体の流れ方向に小さくなる。このことにより、一定の厚さを有する分離板ユニットが得られる。
【００２９】
好ましくは、副流体領域を多孔質導電性材料で充填できる。このことにより、厳しい公差を有する複雑なチャネル構造を回避することが可能になる。多孔質材料によって、ガス分配が有利に行われる。
【００３０】
有利には、計量領域も多孔質導電性材料で充填できる。
【００３１】
好ましくは、流体領域はカソード領域であり、流体は酸化剤である。さらに、記載したように、アノード領域を形成することもできる。アノード領域に分離壁を設けることを意図しなかった場合でも、アノード領域が、少なくとも同様に、分配チャネルのチャネル構造に取って代わる多孔質導電性材料で充填されると有利である。
【００３２】
例えば、牽引用及び／又は車両の電力供給システム用の発電の分野において、本発明による主題を工業的に用いることができる。
【００３３】
本発明について以下により詳細に説明する。このために、図面は、本発明の特定の例示的な実施形態を簡単な形態で示している。これらの特定の例示的な実施形態について以下により詳細に説明する。
【００３４】
図面において、機能的に同一の要素には同一の参照符号が付与されている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】膜電極アセンブリの両側の各々に分離板ユニットのガス領域が隣接する膜電極アセンブリを有する単一の燃料電池の概略図である。
【図２】好ましい分離の図面である。
【図３】本発明による燃料電池の酸化剤の流れ方向における酸化剤の相対湿度のプロファイルである。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１は、単一の燃料電池１０の概略断面図を示している。このような複数の燃料電池１０は、表面に対して垂直方向にスタックを形成するように、牽引のために又は車両への電力供給のために使用されるような従来のスタックに上下に積層される。
【００３７】
燃料電池１０は、それぞれ１つのガス拡散電極２０、２２がイオン伝導ポリマー膜１８の両側に隣接する膜電極アセンブリ１６を有する。膜電極アセンブリ１６に隣接するカソード側において、カソード領域は、入口ポート２４を介して流体領域１２に供給されて出口ポート２６を介して再び排出される第１の流体としての酸化剤を有する第１の流体領域１２として連続する。アノード領域は、入口ポート２８を介して供給されて出口ポート３０を介して流体領域１４から排出される第２の流体としての水素リッチ燃料を有する、アノード側に隣接する第２の流体領域１４として形成される。流体領域１２、１４はそれらのそれぞれの分離板ユニット４４の構成要素である。第２の流体（還元剤）の流れ方向は左向きの矢印で示されている。入口ポート２４の及び出口ポート２６の位置から生じる酸化流体（酸化剤）の流れ方向４０は右向きの矢印で示されている。本例において、酸化剤及び還元剤は膜電極アセンブリ１６を通って逆方向に流れる。
【００３８】
ここで、特に、分離板ユニット４４が積層構造用の双極板の形態であった場合、分離板ユニットの各々が、通常、互いに導電接続されるアノード板及びカソード板を有することに留意されたい。例えば、アノード板とカソード板との間に配置される金属箔を使用して、導電接続を形成できる。
【００３９】
分離壁３６は、カソード領域の形態の第１の流体領域１２内に配置され、流体領域１２を、カソードから離れた計量領域３２と、カソードに近接する副流体領域３４とに分割する。分離壁３６は膜電極アセンブリ１６に対して傾斜して配置される。膜電極アセンブリ１６と分離壁３６との間の角度は５°〜８０°であることが好ましい。車両用途の分離壁３６の厚さは０．５〜４ｍｍの範囲にあることが好ましく、分離壁の幅は２００〜１０００ｍｍの範囲にあることが好ましい。分離壁３６は薄い金属箔の形態であることが好ましい。
【００４０】
計量領域３２は、カソードに近接した隣接する副流体領域３４への流体連通として複数の計量点３８を有し、この結果、計量領域３２から副流体領域３４への小さな矢印で示したように、計量領域３２から計量点３８を介して、副カソード領域の形態の隣接する副流体領域３４に酸化剤（第１の流体）を計量できる。
【００４１】
カソード領域の形態の流体領域１２への酸化剤用の縁部入口ポート２４を起点として、カソードに近接するカソード領域３４の断面は、出口ポート２６に向かって酸化剤の流れ方向４０に大きくなり、これに対して、計量領域３２の断面は、カソードに近接するカソード領域の形態の流体領域３４とは逆に小さくなる。
【００４２】
したがって、このことにより、全体的に、均一な厚さを有する分離板ユニット４４に関連するカソード領域が有利に得られる。分離板ユニット４４が均一な厚さを有さない状態では、構成全体が均一な厚さになるように、２つの同一の分離板ユニット４４を積層して配置することが有利である。
【００４３】
流体領域１２は、従来のガス分配チャネルに取って代わる多孔質金属材料４６で充填される。カソードに近接する副流体領域３４の断面は、好ましくは、膜電極アセンブリ１６の酸素要件に依存し、及び／又は副カソード領域の形態のカソード側流体領域３４の酸化剤の所望の相対湿度に依存する。計量領域３２も多孔質材料４６で充填される。計量領域３２、及びカソードに近接する副流体領域３４は楔状であり、互いに逆方向に配置される。
【００４４】
アノード領域の形態の第２の流体領域１４は、分離壁によって分割されず、有利には、多孔質材料４６で同様に充填される。
【００４５】
好ましい分離壁３６の平面図による図２から理解できるように、分離壁３６は、酸化剤用の入口ポート２４を起点としてその分離壁の長手方向延長部４２に沿って、穴状の複数の計量点３８を有する。複数の平行な列の計量点３８は、分離壁の長手方向延長部４２に沿って配置され、列は長手方向延長部４２に対して垂直に形成される。
【００４６】
本例では、計量点３８は、入口に近接して始まり、長手方向延長部４２の約７５％にわたって配置される。計量点３８は入口ポート２４の反対側端部には設けられない。
【００４７】
図３は、本発明による燃料電池１０の好ましい一実施形態におけるカソード領域の形態の流体領域１２の長手方向延長部Ｌに沿った相対湿度φのプロファイル（５２、５２ａ、５２ｂ）を示している。
【００４８】
図示例では、分かりやすくするために３８が１つずつ付与されて典型的に示されている計量点３８において、φ＝１で飽和に達するが、それを超えないように、計量領域３２が構成される。比較のために、この領域の相対湿度φのプロファイルの２つの分岐５２ａ、５２ｂが飽和点５０の下方に示されている。上方分岐５２ａは、鋸歯状プロファイルを有し、飽和点５０でプロファイル５２に合流する。プロファイル５２ａと５２は共に、本発明による燃料電池１０の相対湿度φのプロファイル（５２、５２ａ）を形成する。
【００４９】
これと比較するために、下方分岐５２ｂは、従来の燃料電池のこの領域の相対湿度φのプロファイルを示している。同様に、下方分岐５２ｂは飽和点５０でプロファイル５２に合流する。プロファイル５２ｂと５２は共に、従来の燃料電池の相対湿度φのプロファイル（５２、５２ｂ）を形成する。
【００５０】
本発明による燃料電池１０の相対湿度φの上方分岐５２ａの鋸歯状プロファイル（５２、５２ａ）について以下に説明する。加湿されていない酸化剤、例えば周囲空気は、Ｌ＝０ｍｍで入口湿度φＥの状態で、入口ポート２４において計量領域３２に入る。しかし、本発明によれば、燃料電池の反応に必要な酸化剤の全体積は上記計量領域に入らず、酸化剤のほんの僅かな部分しか入らない。酸化剤の相対湿度φは、燃料電池の反応で発生される生成水により、流れ方向４０において急上昇する。この上昇は、計量された酸化剤の量が従来の燃料電池の場合よりも少量であるが、ほぼ同一の量の生成水が発生されるので、従来の燃料電池と比較して特に急激であり、この結果、本発明による燃料電池１０の水蒸気と酸化剤との分圧の比率は従来の燃料電池の場合よりも高い。次に、相対湿度φは、比較的乾燥した酸化剤が添加されるので、流れ方向４０の第１の計量点３８で又は第１の列の計量点３８で急低下し、これにより、酸化剤のために分圧の比率が再び変えられる。酸化剤が次の列の計量点３８で再び添加されるまで等、計量領域３２の計量点３８の端部に達し、例えば、ここで飽和点５０に達するまで、この後再び最初から、相対湿度φは流れ方向４０で急上昇する。
【００５１】
このことにより、ポリマー膜１８のこの領域が乾燥する危険が低減されるか、さらには防止されるように、従来の燃料電池と比較して、本発明による燃料電池１０のカソード領域の形態の流体領域１２への酸化剤の入口領域における相対湿度φを上昇させることが可能になる。他方、本発明による燃料電池１０の計量領域３２は、任意の位置で相対湿度φが飽和を超えない、すなわち例えばφ＝１であるように構成される。このことにより、計量点３８が設けられる計量領域３２において、不利な状況で計量点３８をブロックすることがある液体が発生されないことを保証できる。このようにして、従来の燃料電池と比較して、本発明による燃料電池１０のカソード領域の形態の流体領域１２への酸化剤の入口ポート２４の領域における相対湿度φを全体的に上昇させることができるが、液滴形成及び計量点３８のブロックの危険性はない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月29日(2009.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの分離板ユニット（４４）の間に配置される膜電極アセンブリ（１６）と、第１の流体を分配するために、前記膜電極アセンブリ（１６）の一方の側に隣接する第１の流体領域（１２）と、第２の流体を分配するために、前記膜電極アセンブリ（１６）の前記一方の側の反対側に隣接する第２の流体領域（１４）とを有する燃料電池であって、
分離壁（３６）が、少なくとも１つの流体領域（１２）に配置され、前記分離壁（３６）は、前記膜電極アセンブリ（１６）に対して傾斜して配置されるものであり、前記流体領域（１２）を少なくとも１つの計量領域（３２）と１つの副流体領域（３４）とに分割し、前記少なくとも１つの計量領域（３２）が、前記計量領域（３２）から少なくとも１つの計量点（３８）を介して前記隣接する副流体領域（３４）に前記第１の流体を計量できるように、前記計量点（３８）の前記隣接する副流体領域（３４）への流体連通を有し、
前記流体領域（１２）への前記流体の縁部入口ポート（２４）を起点として、前記副流体領域（３４）の断面の面積が出口ポート（２６）に向かって前記第１の流体の流れ方向（４０）に大きくなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記計量領域（３２）の断面の面積が前記第１の流体の前記流れ方向（４０）に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記副流体領域（３４）及び計量領域（３２）の前記断面の面積が、全体的に、均一である分離板ユニット（４４）が得られることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記副流体領域（３４）の前記断面の面積が、前記膜電極アセンブリ（１６）の第１の流体要件及び前記副流体領域（３４）の前記流体の相対湿度に基づいて調節されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記分離壁（３６）が、前記第１の流体の前記入口ポート（２４）を起点として前記分離壁の長手方向延長部（４２）に沿って、複数の計量点（３８）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記分離壁（３６）が薄い箔であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記分離壁（３６）が金属であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記副流体領域（３４）がガス分配用の多孔質材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記計量領域（３２）が多孔質材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記多孔質材料（４６）が金属であることを特徴とする請求項８あるいは９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記流体領域（１２）がカソード領域として設けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
第１及び第２の流体を分配するために、膜電極アセンブリ（１６）に隣接する第１及び第２の流体領域（１２、１４）としてカソード領域及びアノード領域を有する請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池（１０）の分離板ユニットであって、分離壁（３６）が、少なくとも１つの流体領域（１２）に配置され、前記流体領域（１２）を少なくとも１つの計量領域（３２）と１つの副流体領域（３４）とに分割し、前記少なくとも１つの計量領域（３２）が、前記計量領域（３２）から少なくとも１つの計量点（３８）を介して前記隣接する副流体領域（３４）に第１の流体を計量できるように、前記計量点（３８）の前記隣接する副流体領域（３４）への流体連通を有し、
前記流体領域（１２）への前記第１の流体の縁部入口ポート（２４）を起点として、前記副流体領域（３４）の断面の面積が出口ポート（２６）に向かって前記第１の流体の流れ方向（４０）に大きくなることを特徴とする分離板ユニット。
【請求項１３】
前記計量領域（３２）の断面の面積が前記第１の流体の前記流れ方向（４０）に小さくなることを特徴とする請求項１２に記載の分離板ユニット。
【請求項１４】
前記副流体領域（３４）が多孔質導電性材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１２あるいは１３に記載の分離板ユニット。
【請求項１５】
前記計量領域（３２）が多孔質導電性材料（４６）で充填されることを特徴とする請求項１３〜１４のいずれか一項に記載の分離板ユニット。
【請求項１６】
前記流体領域（１２）がカソード領域であることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の分離板ユニット。
【国際調査報告】
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