(57)【要約】本発明は、複数の孔（３）が穿孔された導電性領域を含む流体供給プレートに関するものであり、この流体供給プレートでは、前記穿孔領域の一方の面に、前記面に分散配置され、かつ前記面から延出する弾性変位可能な導電性バッフル（１２）が設けられる。また、特に燃料電池に使用される流体供給プレートを備える双極ユニットが提供される。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の孔が穿孔された導電性領域を含む流体供給プレートであって、前記穿孔領域の一方の面には、前記面に分散配置され、かつ前記面から延出する弾性変位可能な導電性バッフル群が設けられる、流体供給プレート。
【請求項２】
これらのバッフルは金属タブの形態であり、これらの金属タブの各タブは、前記流体供給プレートの穿孔領域の複数の孔の内の一つの孔につながり、前記タブ及び、前記タブにつながる前記孔は共通の境界を有する、請求項１記載の流体供給プレート。
【請求項３】
金属プレートの平面から複数の個別セクターを外へ曲げることにより形成されて複数の孔が得られ、これらのセクターを前記プレートの一方の面から延出させて、前記面に分散配置される弾性変位可能な金属タブの形態の複数のバッフルを設ける、請求項２記載の流体供給プレート。
【請求項４】
これらの弾性変位可能なバッフルの内の一つ以上のバッフルは、前記プレートに接続されない自由端を有し、２〜５０ｋｇ／ｃｍ２の範囲の圧力をプレートに加えることにより、０．００５〜１ｍｍの範囲の撓みが発生し、前記撓みは、前記自由端と前記プレートの面との間の距離の減少によって測定される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体供給プレート。
【請求項５】
金属タブ及び前記タブにつながる孔は、一つの線分によって画定される幾何学的形状を有し、この線分の端点は多角形ラインまたは屈曲ラインによって結ばれ、金属タブ及び前記タブにつながる孔の幾何学的形状は同じとする、または異ならせることができる、請求項２記載の流体供給プレート。
【請求項６】
バッフル及び前記バッフルにつながる孔の幾何学的形状は独立した形状であり、この形状は、円形、楕円形、及び多角形から成るグループから選択される中心対称図形を分割することにより得られる、請求項５記載の流体供給プレート。
【請求項７】
孔の数がバッフルの数よりも多い、請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体供給プレート。
【請求項８】
中心対称形状により画定される幾何学的形状を有する一つ以上の孔を含む、請求項７記載の流体供給プレート。
【請求項９】
前記プレートの穿孔領域は、少なくとも一つの開口ペアが形成されている密閉可能な表面により画定される周辺領域によって取り囲まれる中心領域であり、同じペアの開口は前記周辺領域の対向する側に位置する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の流体供給プレート。
【請求項１０】
バッフルがプレートの中心領域に分散配置されている前記プレートの粗面には、さらに一つ以上の隆起領域が設けられ、これらの隆起領域は一体化スペーサ手段として機能することができる、請求項９記載の流体供給プレート。
【請求項１１】
プレートの周辺に設けられる少なくとも２つの開口ペアを含み、隆起領域は、プレートの粗面における対応する窪みの形成を受けて形成され、前記隆起領域はプレートの粗面の縁部分に設けられることにより、プレートの中心領域、及び２つの開口ペアを周囲から取り囲むとともに、前記隆起領域の一部分が前記粗面上に延在して、前記中心領域が第１の周辺開口ペアとつながり、そして第２の開口ペアから分離されるようになる、請求項１０記載の流体供給プレート。
【請求項１２】
中心領域の内、前記中心領域につながる開口ペアに隣接する境界領域には、複数の流動誘導要素及び／又は迂回要素が設けられる、請求項１１記載の流体供給プレート。
【請求項１３】
第１開口の近傍のバッフルの密度は、第２開口の近傍のバッフルの密度とは異なり、前記第１及び第２開口は同じ開口ペアに属する、請求項９記載の流体供給プレート。
【請求項１４】
電気化学電池に使用され、かつ請求項１〜１３のいずれか一項に記載の流体供給プレートと、前記プレートに取り付けられるセパレータシートと、を備える単極アセンブリ。
【請求項１５】
電気化学電池に使用され、かつ請求項１〜１３のいずれか一項に記載の第１の流体供給プレートと、第２の流体供給プレートと、を備える双極アセンブリであって、これらの前記プレートは、互いに平行に、かつ互いから離間して配置され、これらのプレートの表面には、互いに対向するようにバッフルが分散配置され、そして導電性セパレータが前記流体供給プレートペアの間に配置される、双極アセンブリ。
【請求項１６】
導電性セパレータと流体供給プレートの各プレートとの間に位置する一つ以上の金属スペーサシートをさらに備える、請求項１５記載の双極アセンブリ。
【請求項１７】
導電性セパレータは、スペーサ要素を前記セパレータの一体化部材として含む、請求項１５記載の双極アセンブリ。
【請求項１８】
セパレータが金属プレートの形態であり、金属プレートに少なくとも２つの周辺開口ペアが穿孔されることにより、同じペアに属する流入開口及び流出開口が前記プレートの対向する側に位置するようになり、前記プレートには、前記プレートの２つの対向する面の各面に、前記金属プレートの隆起領域によって取り囲まれる中心窪み領域が設けられ、セパレータプレートの第１面に画定される第１の中心窪み領域は第１の開口ペアにつながり、かつ第２の開口ペアから前記隆起領域の一部分によって分離され、セパレータプレートの第２面に画定される第２の中心窪み領域は第２の開口ペアにつながり、かつ第１の開口ペアから前記隆起領域の一部分によって分離される、請求項１７記載の双極アセンブリ。
【請求項１９】
中心窪み領域の内、前記中心窪み領域につながる流入開口及び流出開口のペアに隣接する境界領域には、複数の流動誘導要素及び／又は迂回要素が設けられ、前記要素の内の一つ以上の要素は、場合により前記中心窪み領域の中にまで延在する、請求項１８記載の双極アセンブリ。
【請求項２０】
セパレータ及び流体供給プレートは単一の金属シートにより作製され、この金属シートを折り返すことにより前記双極アセンブリを形成する、請求項１９記載の双極アセンブリ。
【請求項２１】
スペーサ要素をプレートの一体化部材として含む導電性セパレータプレートであって、前記セパレータは金属プレートの形態であり、金属プレートに少なくとも２つの周辺開口ペアが穿孔されることにより、同じペアに属する開口が前記プレートの対向する側に位置するようになり、前記プレートには、前記プレートの２つの対向する面の各面に、前記金属プレートの隆起領域によって取り囲まれる中心窪み領域が設けられ、セパレータプレートの第１面に画定される第１の中心窪み領域は第１の開口ペアにつながり、かつ第２の開口ペアから前記隆起領域の一部分によって分離され、セパレータプレートの第２面に画定される第２の中心窪み領域は第２の開口ペアにつながり、かつ第１の開口ペアから前記隆起領域の一部分によって分離される、導電性セパレータプレート。
【請求項２２】
請求項１記載の流体供給プレートを備える電気化学電池。
【請求項２３】
請求項１記載の流体供給プレートを備える燃料電池スタック。
【請求項２４】
エンドプレートアセンブリと、これらのアセンブリの間に配置される複数の燃料電池とを備え、各電池は、電解質膜の対向する面に支持されるアノード触媒層及びカソード触媒層を有するイオン伝導性ポリマー電解質膜によって作製される膜電極接合体と、これらの前記電極層の各電極層に塗布形成されるガス拡散層と、を含み、前記燃料電池スタックは、隣接する電池を分離する一つ以上の双極アセンブリを含み、これらの前記双極アセンブリの内の少なくとも一つの双極アセンブリは、第１の流体供給プレートと第２の流体供給プレートとの間に配置されるセパレータシートを含み、前記第１及び第２の流体供給プレートの各々は、複数の孔が穿孔された導電性中心領域を有し、前記中心領域の幾何学的形状及びサイズは、同じ中心領域と接触する前記ガス拡散層の形状及びサイズとほぼ同じであり、前記第１及び第２の流体供給プレートの各々の一方の面には、プレートの中心領域上に、前記面に分散配置され、かつ前記面から延出する弾性変位可能な導電性バッフルが設けられ、これらのバッフルが設けられている前記第１及び第２の流体供給プレートの前記粗面は、前記セパレータシートの２つの対向する表面に取り付けられて、前記第１の流体供給プレートと前記セパレータとの間で区切られる第１空間、及び前記第２の流体供給プレートと前記セパレータとの間で区切られる第２空間を形成し、前記第１及び第２空間は、前記燃料電池スタック内に設けられる流路とつながって、これらの空間内の燃料及び酸化剤をそれぞれ供給する、請求項２３記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体供給プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの技術的用途においては、液体及びガスの混合物を化学加工装置の中で効果的に搬送し、そして供給する必要がある。一般的に、熱交換器及び化学反応器の性能は、流体をこれらの装置を流れるように供給する方法によって大きく変わる。
【０００３】
燃料電池のような電気化学反応器は具体的な例であり、この例では、反応器内の反応物質の供給、及び反応器からの生成物の除去には細心の注意を払う必要がある。反応器の最も基本的な構造では、燃料電池は薄いプロトン交換膜の対向する２つの面の上に支持される電極ペアを備え、結果として得られる膜電極接合体は集電体プレートペアの間に配置される。高純度の水素または希釈アルコールである燃料、及び酸素または空気のいずれかであり得る酸化剤を継続的に電池に外部から供給し、そして燃料及び酸化剤は、アノード及びカソードでそれぞれ反応することができる。膜電極接合体は一般的に、適切な触媒表面を持つことにより、還元反応及び酸化反応を促進する。アノード上で解放された電子は、電力供給源になるとともに、電極群に酸化還元電圧が印加された状態で外部電流導体を通りカソードに向かって流れて、過剰なプロトン及び酸化剤と反応して水を生成する。直接メタノール燃料電池の該当する化学反応は以下のようである：
ＣＨ３ＯＨ ＋ Ｈ２Ｏ → ６Ｈ＋ ＋ ＣＯ２ ＋ ６ｅ−（アノード反応）
３／２Ｏ２ ＋ ６Ｈ＋ ＋ ６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ（カソード反応）
多くの実際の用途では、複数の個々のセルを直列に一括して積層する必要がある。この技術分野で「燃料電池スタック」として知られ、結果として得られる構造では、各隣接セルペアの逆極性に帯電した電極は、一つ以上の導電プレートで分離される。本出願全体を通じて、「双極プレート（bipolar plate）」、「双極ユニット（bipolar unit）」、及び「双極アセンブリ（bipolar assembly）」という用語は、燃料電池スタックの隣接セルの間に配置される前述の一つ以上の導電プレートを指すために同じ意味に使用される。
【０００４】
燃料電池スタックにおいて使用される双極プレートは理想的には、幾つかの機能を実現するように構成される：１）電流を集め、そして流す；２）反応物質及び生成物の効果的な流動場を実現する、すなわち双極プレートに外部供給源から、燃料電池スタック内部に配設される適切な流路を通って供給される反応物質を誘導し、そして同じ反応物質を隣接する電極群に接触させるとともに、双極プレートからの反応生成物の好適な流量範囲での、かつ最小の圧力低下状態での効果的な除去を可能にし；３）燃料電池スタック構造全体を機械的に支持し；４）効率的な熱伝達を可能にし；５）主として、動作に関連して温度が変化している状態におけるスタックの回復運転に役に立ち；そして６）小容積、軽量構造を実現する。
【０００５】
この技術分野では、双極プレートアセンブリの種々の適切な構成が、前述の要件を満たそうとする試みにおいて提案されてきた。以下の議論は、構造的に変更された複数の金属シートを含む種々の組み合わせに関連して行なわれており、これらの金属シートは、燃料電池スタックにおける隣接セルの間に配置される。
【０００６】
（特許文献１）には、導電スクリーンがセパレータシートと、電極表面に接触する防湿カーボンシートとの間に配置される燃料電池が開示されている。
【０００７】
（特許文献２）には、穿孔金属シートを、プレート上に画定される蛇行流路を有するセパレータプレートと組み合わせて使用する方法が記載されている。
【０００８】
（特許文献３）には、ガス燃料を燃料電池のアノード表面の上を通って一様に供給するシステムが記載されており、このシステムによれば、孔が穿孔されている第１プレートは、アノードと、バンプを搭載した第２プレートとの間に配置され、前記第２プレートはカソードと対向し、かつ第２プレートには前記バンプが搭載されているためにカソードと電気的にコンタクトする。前記第１プレートと第２プレートとの間に画定されるプレナムを使用して燃料を受け入れ、燃料はアノード表面に前述の孔を通って到達する。
【０００９】
（特許文献４）には、燃料電池スタックが記載され、燃料電池スタックは、金属シートの形態の板バネを含み、板バネは、このバネが荷重を受ける位置に配置されるとき、及び前記荷重を取り除いたときに弾性変形する性質を有する。板バネは、前記刊行物に開示される電池によれば、セパレータを画定する金属プレートペアの間に配置される。
【特許文献１】米国特許第４，８５５，１９３号明細書
【特許文献２】米国特許第６，００７，９３３号明細書
【特許文献３】国際公開第２００３／０２０３２７２号パンフレット
【特許文献４】米国特許第６，８７２，４８２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一の目的は、改良型流体供給器を提供することにあり、この流体供給器はとりわけ、電気化学電池または燃料電池スタックにおける、または熱交換器、特に直接メタノール燃料電池スタック、及び流動場を改良し、流動場に対する制御性を高めるだけでなく、弾力性及び伝導性を改良する必要のある熱交換器における単極及び／又は双極ユニットの構成要素として適切に使用することができる。
【００１１】
本発明の別の目的は、流体供給器、及び当該流体供給器を利用する双極ユニットを提供することにあり、これらの流体供給器及び双極ユニットは、製造するのが容易であり、かつ製造コストが安く付き、さらに上述した機能上の、かつ構造上の要件の組み合わせを効果的に満たす。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、新規の流体供給器、及び当該流体供給器を利用する双極ユニットをそれぞれ含む燃料電池または燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
第１の態様では、本発明は、電気化学電池及び熱交換器に特に適する流体供給プレートを提供し、前記プレートは、複数の孔が穿孔された導電性領域を含み、前記穿孔領域の一方の面には、前記面に分散配置され、かつ前記面から延出する弾性変位可能な導電性バッフルが設けられる。
【００１４】
流体供給プレートの内、弾性変位可能な導電性バッフルがプレート上に設けられている面は「粗面（the rough face）」と表記され、当該粗面の反対側の面は、「非粗面（the non-rough face）」と表記される。バッフルは、流体供給プレートの粗面にランダムに分散配置することができる、または所定パターンに従って整然と分散配置することができる。
【００１５】
最も好ましくは、前述の弾性変位可能な導電性バッフルは金属タブの形態であり、前記金属タブ群の各金属タブは、流体供給プレートの穿孔領域の複数の孔の内の一つの孔につながり、前記タブ、及びタブにつながる前記孔は共通の境界を有する。本発明の流体供給プレートのこの好適な実施形態では、金属プレートの平面から複数の個別セクターを外へ曲げることにより簡便に形成されて複数の孔が得られ、これらの前記セクターを前記プレートの一方の面から延出させて、前記面に分散配置される金属タブの形態の複数のバッフルを設ける。
【００１６】
本発明による重要な構造上の特徴を構成する前述の孔及びバッフルの好適な形状、構造、及び目的は、以下にさらに詳細に記述される。
【００１７】
燃料電池の内部に配置される場合、本発明の流体供給プレートはさらに別の機能、すなわち電流の収集及び伝導を可能にすることに注目されたい。従って、「集電体用流体供給プレート（current collector flow distributor plate）」という表現は以後、電気化学電池において使用されるように構成される本発明の特定の実施形態を指すために使用される。電気化学電池において、特に燃料電池スタックにおいて使用されるように構成される場合、集電体用流体供給プレートの穿孔領域は有利な点として、開口群が形成されている密閉可能な表面により画定される周辺領域によって取り囲まれる。要約すると、本発明の集電体用流体供給プレート群は燃料電池の内部に位置するので、前記プレート群の各プレートの非粗面は、前記電池の膜電極接合体の上に設けられるガス拡散層と平行になり、かつ当該ガス拡散層と密着するようになるのに対し、前記集電体用流体供給プレートの反対側の粗面は、金属セパレータシートに取り付けられて、または金属セパレータシートと密着して、空間を粗面とシートとの間に形成する。動作状態では、燃料電池に送り込まれる外部供給反応物質は、金属セパレータシートと、このシートに取り付けられる集電体用流体供給プレートの粗面との間に画定される空間に供給される。前記空間の内部での流体（すなわち、燃料または酸化剤、及び／又は生成物、例えば水または二酸化炭素だけでなく、窒素及び水のようなガス相または液相のいずれかの相の未反応材料）の流れは、空間内に配設されるバッフル群によって誘導され、これらのバッフルによって前記流体が供給されるので、燃料及び酸化剤は、隣接するアノード及びカソードのそれぞれと、直接接触することにより接触するようになる、または最も好ましくは、アノードとカソードとの間に配置される拡散層を通って効果的に接触するようになり、そして生成物が空間から除去される。集電体用流体供給プレートの表面から延出するバッフル群は、プレートに取り付けられる金属セパレータシートに向かって少なくとも部分的に押し付けられるので、これらのバッフルの電子伝導性及び弾性特性の点で、バッフル群は、電流収集性能、流体流の制御性、及び燃料電池スタックが圧縮する性質を高めるように作用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、好適な流体供給プレート１の上面図であり、当該プレートの非粗面を示し、そして当該プレートの主要な構造上の特徴を示している。以後、流体供給プレートを、「集電体用流体供給プレート（current collector flow distributor plate）」という用語で指示して、電気化学電池内で当該プレートによって可能になる機能を、さらに容易に理解し、そして評価することができるようにする。しかしながら、以下の記述は、さらに一般的な事例に基づいた流体供給プレートを作製するために容易に利用することができる、すなわち流体供給プレートを電気化学電池以外の種々の用途において使用するために容易に利用することができることに留意されたい。
【００１９】
集電体用流体供給プレート１は、０．０５〜５ｍｍの範囲の厚さを有する方形の、または矩形の金属シートの形態で設けられる。矩形金属シートの中心領域２には複数の孔３を穿孔し、そして中心領域２を前記シート内に同心状に配置する。通常、中心領域２の面積は、集電体用流体供給プレート１の全面積の約５０〜９０％、さらに好ましくは約７５〜８５％を占める。
【００２０】
本発明が提供する集電体用流体供給プレート１は電気化学電池において、さらに好ましくは燃料電池において適切に使用することができ、そしてそれに応じて、前記集電体用流体供給プレート１の穿孔中心領域２は、当該穿孔領域が幾何学的形状及びサイズに関して、前記燃料電池内に配置される膜電極接合体の活性領域に対応するように設計される。通常、集電体用流体供給プレート１の穿孔中心領域２の面積は、数平方センチメートル〜約数千平方センチメートルの範囲とすることができ、いずれの面積になるかは、電池によって生成されることになる電流によって変わる。実際、非常に大きい集電体用流体供給プレートの中心領域を細分割して複数の分離ゾーンを形成することができ、これらの分離ゾーンの各々には、複数の孔を穿孔し、そしてバッフル群が当該分離ゾーンの両面の内の一方の面に分散配置され、前記分離ゾーンは５×５〜５０×５０ｃｍの範囲の寸法を有することが好ましい。
【００２１】
図１に示す実施形態によれば、集電体用流体供給プレート１の中心領域２、及び同じ中心領域を取り囲む周辺領域４は、薄い金属シートにより作製される単一構造を構成し、この場合、金属は、鉄、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、ニオビウム、ニッケル、コバルト、クロム、ジルコニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、マンガン、タンタル、及びこれらの金属の合金及び混合物から成るグループから選択されることが最も好ましい。別の構成として、プレート１は、導電性または非導電性のポリマー、セラミックス、カーボン、グラファイト、またはこれらの材料の複合物により作製することができる。必要に応じて、プレート１にコーティングを施して、腐食耐性を高め、表面特性（すなわち、表面導電率）を改善し、そして流体と馴染まない性質（すなわち、疎水性）を持たせることができる。適切なコーティング材料として、貴金属（例えば、金、白金）、金属酸化物、導電性セラミック、導電性ポリマー、カーボン及びグラファイト、またはこれらの材料の複合物、またはいずれかの金属、あるいはこれまでに列挙した金属の組み合わせを挙げることができる。
【００２２】
本発明による集電体用流体供給プレートの中心領域には複数の孔が穿孔されて、これらの孔の合計面積が、前記中心領域の面積の約１５％〜７０％、さらに好ましくは約２５％〜５０％を占めるようになる。本明細書で使用する「孔（apertures）」という用語は、いずれかの閉じた任意の曲線または多角形により画定されるスロット（slot）または穴（hole）を含む。これらの孔の幾何学的形状は、円形、三角形、方形、矩形、平行四辺形、台形、またはｎを５〜１２の範囲の整数とする場合の他のｎ−多角形、楕円形及び星形、前述の形状の一部、及びこれらの形状の組み合わせから成るグループから選択されることが好ましい。
【００２３】
一つの好適な実施形態では、一つ以上の孔は中心対称の幾何学形状を有する。特に好適な実施形態によれば、一つ以上の孔の幾何学形状は、以後、底辺（base）と時々表記されることになる線分（segment）により画定され、線分の端点は多角形ラインまたは屈曲ライン、例えば円弧によって結ばれる。好適には、前述の形状は、円形、楕円形、及び多角形のような中心対称の図形を２等分することにより得られる図形である。この特定の種類の孔に関連する利点は、記述がさらに進むにつれて明らかになる。要約すると、集電体用流体供給プレートの中心領域の内部に位置し、かつ線分によって区切られる個々のセクター群であって、線分の端点が多角形ラインまたは屈曲ラインによって結ばれる構成のセクター群は、前記プレートの平面から、前記線分に沿って外へ曲げることができ、これにより、孔を形成するとともに、集電体用流体供給プレートの一方の表面の上の金属タブの形態の弾性変位可能なバッフルを形成する。例えば、前述の孔は、等脚台形の形状とすることができ、これらの等脚台形は、集電体用流体供給プレートの中心領域の内部にペアで配置されるので、同じペアに属する台形の底辺は互いに平行であり、かつ互いから離間する。
【００２４】
孔の寸法は、０．２ｍｍ〜１２ｍｍの範囲の平均直径に収まることが好ましく、スロット形の孔は１２ｍｍ超の長さを有することができる。孔のサイズは、最も好適に最適化することにより、面内方向の、かつ面を貫通する方向の導電率だけでなく、集電体用流体供給金属プレートの中心領域と膜電極接合体との間の流体輸送効率を高め、膜電極接合体は、燃料電池内で当該プレートと、当該プレートの機械的強度を下げることなく接触するが、これについては以下にさらに詳細に説明する。
【００２５】
孔は、集電体用流体供給プレートの中心領域の内部にランダムに配置することができる、または当該中心領域の内部に、前記孔の複数の列によって画定されるアレイのような所定の形状に整然と配置することができる。しかしながら、孔は、綿密に考慮されたレイアウトで集電体用流体供給プレートの中心領域の内部に分散配置することにより、流体の流れの分布、及び電流の集電を制御するが、これについては以下にさらに詳細に議論する。
【００２６】
穿孔された中心領域を取り囲む矩形プレートの周辺領域４は表面５によって構成され、この周辺領域を使用して集電体用流体供給プレートを燃料電池スタック内に密閉し、そして支持するが、これについては以下にさらに詳細に議論する。図に示す好適な実施形態では、周辺領域４は、（６ａ、７ａ）及び（６ｂ、７ｂ）でそれぞれ指示される２つの開口ペアを含み、同じペアの開口群は前記周辺領域の対向する側に位置するので、これらの開口は中心領域２によって分離される。図に示す実施形態では、集電体用流体供給プレートの周辺領域の内部に配置される４つの開口の全てが矩形であり、この場合、開口群は同じ寸法を有する同じペアに属する。しかしながら、これらの構造上の特徴は必須ではなく、開口（６ａ、７ａ）及び（６ｂ、７ｂ）は異なる幾何学的形状及びサイズを有することができる。記述が進むにつれて明らかになることであるが、燃料電池スタックの内部で長さ方向に延びて、外部から供給される反応物質を電極活性領域に供給し、そして生成物を当該領域から除去する流路は、前記燃料電池スタックの適切な部材群（これらの部材群はその縁部分に対応する開口を有している）を一括して、そのような開口を並列させることにより貼り合わせたときに形成される。好適には、開口（６ａ、７ａ）及び（６ｂ、７ｂ）の合計面積は、集電体用流体供給プレート１の全体面積の約２％〜２０％を占める。しかしながら、本発明の別の実施形態によれば、周辺領域４が開口ペアを一つだけ含むことにより、結果として得られる縦長流路ペアを使用してアノード材料を供給し、そして除去することになる。このような事例では、外部から供給される他の反応物質（空気）は、複数のカソード活性領域の各々に大気から直接供給することができる。
【００２７】
上に説明したように、本発明の特に好適な集電体用流体供給装置は、当該供給装置の中心領域の平面から複数の個々のセクターを外へ曲げて、幾何学的形状及びサイズに関して前記セクター群に対応する複数の孔が得られるようすることにより形成され、これらのセクターを前記プレートの一方の面から延出させて、前記面に分散配置される金属タブの形態の複数のバッフルとする。次に、採用可能な一つの作製手順を図２ａ及び２ｂを参照しながら説明する。結果として得られる集電体用流体供給プレート、及び当該プレート上に分散配置される弾性変位可能なバッフルの独創的な構造上の特徴を、図３ａ、３ｂ、４ａ、及び４ｂに示す。
【００２８】
図２ａ及び２ｂは、２つの好適なパターンを示しており、これらのパターンは、本発明による集電体用流体供給プレートの穿孔中心領域の作製工程において適切に使用することができる。作製工程では、金属プレート、例えば約０．０５〜０．５０ｍｍの厚みを有する薄いステンレス鋼シート（ＳＳ３０２−ＦＨ）の中心領域を、例えばレーザカットまたはウェットエッチングを含むこの技術分野で公知の方法により処理して、０．０５〜２ｍｍの範囲の幅を持つ屈曲ライン３ａまたは多角形ライン３ｂの形態の貫通切り込みを形成し、前記屈曲ラインまたは多角形ラインが前記ラインの端点を結ぶ破線の線分と共に一つのセクターを画定するようにし、このセクターは、金属プレートの平面から前記線分に沿って容易に外へ曲げることができる。セクターはいずれかの所望の幾何学的形状を持つことができ、いずれの形状を持つかは、勿論、特定の屈曲ライン３ａまたは多角形ライン３ｂによって変わる。一の実施形態によれば、セクターは軸対称性を示す幾何学的形状を持ち、軸対称性は、中心対称図形を２等分することにより得られる。従って、図２ａに示すように、金属プレートに形成される貫通切り込みは屈曲ライン３ａの形態を有し、前記屈曲ラインは、円の外周の一部に対応する円弧であり、前記円弧と、前記円弧の端点を結ぶ破線の直径１０との間に画定される結果として得られるセクター９は半円の形状を有する。図２ｂでは、多角形ライン３ｂと、前記ラインの端点を結ぶ破線の線分１１との間で区切られるセクター９は等脚台形である。セクター群９は集電体用流体供給プレートの中心領域の内部でペアとして画定されて、同じペアに属する台形セクター群９の底辺１１が互いに平行であり、かつ互いから離間することが好ましい。
【００２９】
所望パターンの切り込みを金属プレートの中心領域に形成し、プレートを適切なワーク面に配置し、プレートを成形して屈曲バッフルを形成し、屈曲部が太幅実線の上に位置し、かつ複数のセクター９の全てを金属プレートの平面から一方の方向に、すなわち前記平面に対して上側に、または下側に張り出させ、この操作を行なった後に、前記金属プレートの中心領域が複数の孔が穿孔された状態になるとともに、各々が前記セクター９に幾何学的形状及びサイズに関して対応する構成の複数の弾性変位可能な金属バネ板またはタブが前記金属プレートの一方の面から延出するようにする。従って、本発明の特に好適な実施形態によれば、集電体用流体供給金属プレートの一方の面に分散配置され、かつ当該面から延出するバッフルは、弾性変位可能な金属タブの形態で設けられ、これらの金属タブは前記平面から外へ曲げられている。
【００３０】
図３ａ及び３ｂは、図２ａ及び２ｂに関連して上に説明した手順に従って得られる集電体用流体供給プレートの粗面の上面図をそれぞれ示している。粗面には、この粗面に分散配置され、かつ当該粗面から延出する弾性変位可能な金属タブ１２の形態の複数のバッフルが設けられ、これらの前記金属タブの各々は、穿孔中心領域の複数の孔３の内の一つの孔につながり、そして前記タブ１２、及びタブにつながる前記孔３が共通の境界を持つことにより、孔３を含む平面とタブ１２を含む平面とがなす２面角は通常、５〜１７５度の範囲であり、さらに好ましくは１０〜６０度、または１２０〜１７０度の範囲である。図３ａ及び３ｂに示す実施形態によれば、バッフル及びバッフルにつながる孔は、幾何学的形状及びサイズに関して一致するが、このような一致は、必須ではないことが明らかである。
【００３１】
図４ａ及び４ｂは、斜視図及び側部断面図をそれぞれ示し、弾性変位可能な金属タブ１２が金属プレート１の平面から延出する様子を示している。これらの図に示す特定の実施形態では、金属タブ１２は、図２ｂに示す手順に従って金属プレート１の表面から、等脚台形の幾何学的形状を持つ金属プレートの個々のセクターを外へ曲げることにより形成される。図２ｂに関連して上に述べたように、これらの前記セクターはペアとして集電体用流体供給プレートの中心領域の内部に配置することが好ましい。従って、前記セクターをプレートの平面から外へ曲げた後、結果として得られ、かつ前記セクターに対応する金属タブ１２はさらに、集電体用流体供給プレートの中心領域の表面にペアとして分散配置されて、同じペアに属する台形タブの長底辺が互いに平行になり、かつ互いから離間し、そして狭い流路１３（図４ｂのｑとして寸法が指示される）が各ペアの２つの台形タブの間に画定される。
【００３２】
台形の高さ（ａ）、長底辺（ｂ）、及び短底辺（ｃ）はそれぞれ、０．２〜１２ｍｍの範囲に収まることが好ましい。同じペアに属する台形タブの底辺の間の距離（ｄ）は通常、約１〜２５ｍｍである。金属プレート１の平面とタブ１２の平面とがなす２面角θは通常、上に述べたように、５〜１７５度の範囲であり、さらに好適には、２０〜６０度、または１２０〜１７０度の範囲である。好適には、前記タブ１２の自由端（金属プレート１とはつながっていない端部である）の最外側ポイントと、金属プレート１の表面との距離により定義されるタブ１２の高さ（ｈ）は、０．１５〜５ｍｍの範囲である。
【００３３】
集電体用流体供給プレート１の一方の面から延出する弾性変位可能な複数の金属タブ１２であって、図２ａ〜２ｂ、図３ａ〜３ｂ、図４ａ及び４ｂに関連してこれまでに説明したように前記プレートから外へ曲げられた金属タブ１２は、本発明の重要な特徴を構成する。集電体用流体供給プレートの表面の前記金属タブの分布を、これらのタブの構造上の、かつ物理的な特徴、特にこれらのタブの幾何学的形状、空間的な向き、機械強度、及び弾性特性と組み合わせて設計することにより、確実に、反応物質が電極に向かって、そして流体の流入口と流出口との間で効率的に流れるようになり、燃料電池スタック全体の圧縮性が向上し、そしてこれらの電池の間の電気伝導率が最適化されるようになる。
【００３４】
弾性変位可能なタブ１２は、全ての製造許容誤差を補正するだけでなく、プレートが位置する場所での燃料電池の元の寸法に変化を生じさせる組立条件及び作業条件を補完するように機能する。さらに、タブ１２は、集電体用流体供給プレートからガス拡散層に加える必要のある圧力を、そして化学反応器または燃料電池の場合には、ガス拡散層を介して触媒活性領域及び膜に加える必要のある圧力を、そして熱交換器またはコアレッサーの場合には、他のプレート群の間に、または流体搬送手段群の間に加える必要のある圧力を裏打ちして支える。加わる特定の力によって生じ、かつ［ｋ］＝（撓み）［μｍ］／（力）［ｋｇ］で表わされる変形として定義される弾性変位可能なタブ１２のバネ定数［ｋ］は、タブを形成する材料、及び当該材料の最適な事後処理（すなわち、硬化処理）だけでなく、タブの形状及び寸法、及びタブを作製したときに用いた手段によって影響を受ける。弾性変位可能なタブ１２は、指定された力が加わっている状態で必要な大きさだけ撓むことができるように設計される。従って、弾性変位可能なタブ１２は、集電体用流体供給プレートにつながらずに所望の大きさだけ撓むことができる自由端を有する。タブ１２の撓みは、タブの高さ（ｈ）の低下により測定され、この場合、相対的に高い柔軟性は、同じ力が加わっている状態での相対的に大きい撓みに関係している。好適には、現在使用している燃料電池の場合、２〜５０ｋｇ／ｃｍ２の範囲の圧力、さらに詳細には５〜２５ｋｇ／ｃｍ２の範囲の圧力によって０．００５〜１ｍｍの範囲の撓み、さらに詳細には０．０２〜０．２ｍｍの範囲の撓みが生じ；熱交換器及びコアレッサーの場合には、撓みは前述の範囲の低い方の限界に近くなるであろう。
【００３５】
集電体用流体供給プレートの中心領域の内部での金属タブ１２の分布、及び前記プレートに対するこれらのタブの傾きは、とりわけ、反応物質及び生成物の予測流動パターンに対するタブの相対位置によって変わる。従って、例えば単相流が流れるアノード流入口の近傍のタブの密度は、二相流が流れ、かつ気泡により流動プレナムの密度を下げる必要があるアノード流出口の近傍のタブの密度よりも高くする必要がある。従って、一の実施形態によれば、集電体用流体供給装置の粗面上のバッフルの分布、及び任意であるがサイズ及び形状は位置によって変わる。
【００３６】
必要に応じて、幾つかの穴を金属タブに形成して、タブの強度、及びこれらのタブの弾力性に影響を与えるとともに、設計における別の自由度、及び電極に向かう流体流の制御にも影響を与えることができる。
【００３７】
複数の貫通切り込みを金属プレートの中心領域の内部に形成し、そして次に、各セクターが一つの切り込み、及び前記切り込みの端点を結ぶ線分によって定義される構成の複数のセクターを曲げる上述の作製方法は、例示のためにのみ提示されていることを理解されたい。複数の金属タブ１２を前記金属プレート１の一方の面に設けるために行なわれる金属プレート１の中心領域の穿孔は、この技術分野の当業者に公知の以下の金属処理方法の内の一つ以上の方法を使用して効果的に行なうことができる：カッティング、ドリリング、パンチ−カッティング、パンチング、エッチング、レーザカッティング、フォーミング、ロールフォーミング、エンボス加工、シェーピング、磁気成形、ゴム材成形、流体圧成形、埋め込み加工、金型プレス加工及び鍛造加工。
【００３８】
本発明による集電体用流体供給プレートの中心領域を穿孔するために適切に使用することができるさらに別の種々のパターン例を示して、図５ａ〜５ｃの例を説明する。これらのパターンを使用して、異なる直径の円形、楕円形、及び星形のような点対称幾何学形状を持つ孔を半円形及び等脚台形（図示せず）のような１軸対称の孔と組み合わせて形成していることが分かる。１軸対称の孔は、これまでに説明した手順を使用して作製することができる、すなわち円弧の形態の貫通切り込みを形成し、続いて集電体用流体供給プレートの平面から、前記円弧及び円弧の端点を結ぶ線分により画定されるセクターを外へ曲げることにより作製することができる。図５ａ及び５ｃに示すパターンを使用することにより、粗面を有する集電体用流体供給プレートを設けることができ、当該プレート上に分散配置され、かつ当該プレートから延出する金属タブの数は、当該プレートの穿孔中心領域に含まれる孔の数よりも少ないことを理解されたい。また、金属タブは平坦な形態、または飛び出した形態のいずれかとすることができ、平面から外れた幾つかの延出部を有し、これらの延出部は、タブ剛性またはタブ柔軟性に影響を及ぼし、流体流に影響し、そして切り込み−タブの面積比を大きくするように作用することができることに注目されたい。
【００３９】
これまでに説明したように、本発明の集電体用流体供給プレートは、燃料電池内に適切に配置することにより、前記プレートの非粗面が、前記電池の膜電極接合体の上に配設されるガス拡散層に平行になり、かつ密着するようになるのに対し、前記集電体用流体供給プレートの反対側の粗面は導電性セパレータシートに対向して粗面と当該シートとの間に空間を形成し、前記空間は前記集電体の前記粗面に配置されるバッフルを含み、当該空間は、前記バッフルを利用して、外部から供給される反応物質を受け入れ、そして反応物質を供給し、隣接する電極の表面領域との効果的な接触を可能にするように設計される。記述が進むにつれて明らかになることであるが、集電体用流体供給プレートと、当該プレートに取り付けられる金属セパレータシートとの間の距離を大きくするために、適切なスペーサ要素を当該プレートと当該シートとの間に配置して、効果的な流動空間を反応物質のために設ける。これらのスペーサは、適切に設計される個別シートの形態として設けることができる、または別の構成として、これらのスペーサは、金属セパレータまたは集電体用流体供給プレートの一体化部分を構成することができる。また、双極ユニットを構成するように組み立てられる場合、集電体用流体供給プレート群及びこれらのプレートの間に配置されるセパレータを適切に配置することにより、燃料及び酸化剤をアノード空間及びカソード空間にそれぞれ導入し、そして反応生成物をこれらの空間から、前記プレート群の周辺部に配設される開口群を通して除去することができる。
【００４０】
従って、一の好適な実施形態によれば、本発明は双極アセンブリを提供し、この双極アセンブリは第１の集電体用流体供給プレート及び第２の集電体用流体供給プレートを含み、前記プレート群の各々は、複数の孔が穿孔された導電性領域を有し、前記領域の一方の面には、当該面の上に分散配置され、かつ当該面から延出する弾性変位可能な導電性バッフルが設けられ、そして前記穿孔領域は、少なくとも一つの開口ペアが配設される密閉可能な表面によって画定される周辺領域によって取り囲まれ、同じペアの開口群は前記周辺領域の対向する側に位置して、これらの開口が前記穿孔領域によって分離されるようになり、前記プレート群は互いに平行に配置され、かつ互いから離間し、これらのプレートの面には、バッフル群が互いに対向するように分散配置され；そして双極アセンブリはさらに、前記集電体用流体供給プレートペアの間に配置される導電性セパレータを含み、前記セパレータの幾何学形状及びサイズは前記集電体用流体供給プレートの形状及びサイズと同じであり、前記セパレータは、当該セパレータの縁部分に、少なくとも一つの開口ペアを有し、これらの開口は、前記集電体用流体供給プレートの周辺領域に位置する開口群に、位置、幾何学形状、及びサイズに関してほぼ一致し；前記集電体用流体供給プレート、及びこれらのプレートの間に配置されるセパレータは一括して取り付けられ、そして好適には、外周が密閉されて２つの内部分離空間を画定し、第１空間は、前記第１集電体用流体供給プレートの粗面及びセパレータによって区切られ、そして第２空間は、前記第２集電体用流体供給プレートの粗面及びセパレータによって区切られ、そして前記集電体用流体供給プレートペアの周辺領域に位置する開口群、及び前記セパレータの縁部分に含まれる開口群が連続的に並ぶことにより、前記双極アセンブリを垂直に貫通して延出する少なくとも一つの連続流路ペアを形成するので、同じペアの流路は、前記双極アセンブリの対向する側に位置し、垂直に延出する各流路ペアは、前記第１空間と、または前記第２空間と流体連通することができる。
【００４１】
以下の図では、集電体用流体供給プレート群、セパレータシート、及び種々のスペーサ要素群を一括して組み立てる種々のモードを示している。２つの集電体用流体供給プレートは必ずしも同じである必要はなく、これらの集電体用流体供給プレートは、例えばこれらのプレートの上に分散配置されるバッフルのサイズ、幾何学的形状、及び分布が互いに異なるようにすることができることに留意されたい。
【００４２】
図６ａに示す実施形態では、双極プレートは、これまでに説明した矩形集電体用流体供給プレートペアを含む。従って、第１集電体用流体供給金属プレート１Ａ及び第２集電体用流体供給金属プレート１Ｂの各々は、複数の孔が穿孔された中心領域２を有し、前記中心領域の一方の面には、当該面に分散配置され、かつ当該面から延出するバッフル１２が設けられる（プレート１Ａの粗面、及びプレート１Ｂの非粗面はこの図には示されない）。各集電体用流体供給プレートの中心領域は、密閉可能な表面４で画定される周辺領域によって取り囲まれ、この密閉可能な表面４には第１矩形開口ペア６ａ、７ａ及び第２矩形開口ペア６ｂ、７ｂが設けられ、同じペアの開口群は前記周辺領域の対向側に位置するので、これらの開口は、前記中心領域によって分離される。開口６ａ及び７ａはアノードに供給される反応物質の流入口及び流出口としてそれぞれ機能し、開口６ｂ及び７ｂはカソードに関して同様の機能を提供する。
【００４３】
双極アセンブリはさらにセパレータ２１を含み、セパレータは、例えば約０．０５〜３ｍｍの厚さのステンレス鋼（ＳＳ３１６）により作製される金属シートであることが最も好ましい。別の構成として、セパレータは、導電材料または非導電材料（例えば、ｋｙｎａｒ（登録商標）、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）、ポリプロピレン、ｍａｙｌａｙ（登録商標）、ポリエチレンから成るグループから選択される）により作製することができ、非導電材料の場合には、電気伝導率を高める手段をセパレータに付設することができる。前記セパレータの幾何学的形状及びサイズは、集電体用流体供給金属プレート１Ａ、１Ｂの形状及びサイズとほぼ同じである。セパレータ２１は、当該セパレータの縁部分に、第１開口ペア（２２ａ、２３ａで指示される）及び第２開口ペア（２２ｂ、２３ｂで指示される）を含み、これらの開口は、集電体用流体供給金属プレートの周辺領域に位置する開口（６ａ、７ａ）及び（６ｂ、７ｂ）とそれぞれ、位置、幾何学的形状、及びサイズに関して同じである。
【００４４】
集電体用流体供給金属プレートペア１Ａ、１Ｂ、及びセパレータシート２１の他に、双極プレートアセンブリはさらに金属スペーサペア２４Ａ及び２４Ｂを含み、これらのスペーサの各々は、集電体用流体供給金属プレート１Ａ、１Ｂ、及びセパレータ２１の形状及びサイズとほぼ同じ幾何学的形状及びサイズを有する。従って、図６ａに示す実施形態によれば、導電性スペーサ２４Ａ及び２４Ｂはほぼ矩形の形状に設けられる。通常、０．０５〜５ｍｍの範囲の厚さの金属を使用して、例えばＳＳ３１６のようなスペーサを作製する。
【００４５】
スペーサ２４Ａ、２４Ｂの各々は、平板フレーム２５Ａ及び２５Ｂの形態であるので、連続開口領域２６Ａ、２６Ｂは、前記フレームでそれぞれ区切られる。
【００４６】
スペーサ２４Ａでは、開口領域２６Ａは幾何学的形状、位置、及びサイズに関して、集電体用流体供給金属プレート１Ａの中心領域２、前記金属プレートの周辺領域に位置する第１開口ペア６ａ、７ａ、及び前記中心領域及び前記開口を分離するセクションを一括して統合することにより得られる領域と同じである。スペーサ２４Ａのフレーム２５Ａに穴ペア２７ｂ、２８ｂを穿孔し、これらの穴は、前記第１金属プレート１Ａの周辺領域に位置する第２開口ペア６ｂ、７ｂと、位置、幾何学的形状、及びサイズに関して一致する。
【００４７】
スペーサ２４Ｂでは、開口領域２６Ｂは幾何学的形状、位置、及びサイズに関して、集電体用流体供給金属プレート１Ｂの中心領域２、前記金属プレートの周辺領域に位置する第２開口ペア６ｂ、７ｂ、及び前記中心領域と前記開口との間に配置されるセクションを一括して統合することにより得られる領域と同じである。スペーサ２４Ｂのフレーム２５Ｂに穴ペア２７ａ、２８ａを穿孔し、これらの穴は、前記第１金属プレート１Ｂの周辺領域に位置する第１開口ペア６ａ、７ａと、位置、幾何学的形状、及びサイズに関して一致する。
【００４８】
図６ｂは、前述の金属プレート及びシート１Ａ、２４Ａ、２１、２４Ｂ、１Ｂを一括して組み立てて双極ユニットを設けることができる様子を示している。集電体用流体供給金属プレート１Ａ、スペーサ２４Ａ、セパレータ２１、スペーサ２４Ｂ、及び集電体用流体供給金属プレート１Ｂは連続して並列に並ぶように配置されるので、全てが同じサイズの矩形を有する前記部材群は、互いに重なり合うようになり、集電体用流体供給金属プレート１Ａ、１Ｂの表面に、前記スペーサ２４Ａ、２４Ｂにそれぞれ対向するように表面に分散配置されるバッフルが設けられた状態になり、セパレータ２１は前記スペーサ群の間に配置される。その結果、分離された２つの内部空間が双極ユニットの内部に形成され、第１空間は第１集電体用流体供給金属プレート１Ａの粗面、及びセパレータ２１によって区切られ、そして第２空間は第２集電体用流体供給金属プレート１Ｂの粗面、及び前記セパレータ２１によって区切られる。前述の部材群を上に説明した方法で一括して取り付けたときに双極ユニットの内部を、これらの部材の表面に対して垂直に延びる２つの流路ペアも、前記金属プレート１Ａ、１Ｂの周辺領域に位置する開口（６ａ、６、７ａ、７ｂ）、前記セパレータ２１の縁部分に位置する開口２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、及びスペーサ２４Ａ及び２４Ｂに位置する穴２７ａ、２７ｂ、及び２８ａ、２８ｂがぴったりと並ぶことによって形成される。同じペアの流路は、双極アセンブリの対向する側に位置し、一方の流路ペアは第１空間に接続され、そして他方の流路ペアは第２空間に接続される。
【００４９】
双極アセンブリの周辺部は、燃料電池スタックが動作している間の流体漏れを防止する必要がある場合に密閉される。種々の密閉方法を使用することができ、密閉方法として、例えばフィットプレス、フォールディング（folding）及びオーバーラッピング（overlappinng）、リベッティング、溶接（電極溶接、ＴＩＧ溶接／ＭＩＧ溶接、レーザ溶接、摩擦溶接、圧縮溶接、真空溶接、磁気溶接など）、ソルダリング（soldering）、ブレージング（brazing）、フュージョン（fusion）、平板ガスケットまたは断面ガスケット（すなわち、ｏリング）の使用、接着剤、糊、調合済みであるか、またはその場での反応合成により作製されるか、あるいは別の場所での反応合成により作製されるかのいずれでも良い乾燥シール材または不乾燥シール材を挙げることができる。密閉手順では、双極プレートの２つの側（アノード側集電体及びカソード側集電体）の間の電気コンタクトを向上させながら、内部からの漏れ、及び外部からの漏れを防止することを目的とする。例えば、図６ｂに示す実施形態では、密閉されることになる領域はスペーサ要素２４Ａ及び２４Ｂの２つの面である。実効的な密閉面積は当然、密閉処理に使用される技術によって変わってくる。レーザ溶接では、例えば非常に狭い実効幅しか必要としない（すなわち、１ｍｍ未満）のに対し、液体シール材はスペーサの全表面に塗布する必要がある。
【００５０】
図６ａ及び６ｂに示す双極ユニットの作製方法では、５つの個別の金属シート（２つの集電体用流体供給プレート、１つの金属セパレータ、及び２つのスペーサ）を処理し、次にこれらの金属シートを組み立てる。この方法により、スペーサを作製するために、どのような所望の厚さの金属シートも使用することができるという利点が得られる。しかしながら、集電体用流体供給プレート群、１つのセパレータ、及び２つのスペーサを、全てが同じ厚さの部材として使用したいと考える場合、図６ｃに示す作製手順が非常に有用であることが分かる。図６ｃは、同じ寸法を持ち、かつ４２、４３、４４、４５、及び４６で指示される５つの矩形セクションに細分割される１つの矩形金属シート４１の上面図である。矩形金属シート４１は通常、ステンレス鋼により作製され、ステンレス鋼の厚さは、０．０５〜５．０ｍｍの範囲である。金属シート４１は、これまでに説明した方法により処理して、所望のパターンをセクション４２〜４６の各セクション上に画定する。従って、セクション４２及び４６を処理して本発明の集電体用流体供給プレートを設けることができ、セクション４３及び４５を処理して、図６ａの部材２４Ａ、２４Ｂに対応するスペーサシートを形成し、中間セクション４４を処理して図６ａの番号２１に対応するセパレータシートを設ける。
【００５１】
矩形金属シート４１をさらに、前述のセクション群の間を分離する境界ライン４７で、例えば複数列の小さい穴を前記境界ラインに形成することにより処理して、前記セクション群を容易に前記ラインに沿って折り返して図６ｂに示す双極プレートユニットを形成することができるようにする。
【００５２】
図７ａは金属セパレータの上面図であり、金属セパレータは、スペーサ要素群を当該セパレータの一体化部分として含む。セパレータ７１は、０．２〜５．０ｍｍの範囲の厚さを有する矩形金属プレートの形態である。プレートの周辺部分には２つの開口ペア（７２ａ、７３ａ、及び７２ｂ、７３ｂ）が穿孔されて、同じペアに属する開口群がプレートの対向側に配置されるようにする。プレートには、当該プレートの２つの対向する面の各面に、中心窪み領域７４ａ及び７４ｂがそれぞれ設けられ、中心領域７４ａ及び７４ｂは前記プレートの内、前記窪み領域に対して隆起する領域７５によって取り囲まれ、セパレータプレートの第１面上に画定される第１中心窪み領域７４ａは隆起領域７５ａによって取り囲まれ、かつ第１開口ペア（７２ａ、７３ａ）につながるとともに、第２開口ペア（７２ｂ、７３ｂ）から、前記隆起領域７５ａの一部分によって分離され、セパレータプレートの第２面上に画定される（従って、図７ａには示されず）第２中心窪み領域７４ｂは隆起領域７５ｂによって取り囲まれ、かつ第２開口ペア（７２ｂ、７３ｂ）につながり、さらに第１開口ペア（７２ａ、７３ａ）から、前記隆起領域７５ｂの一部分によって分離される。中心窪み領域を構成する金属表面の厚さは、セパレータ７１の断面図を示す図７ｃから分かるように、合計厚さの約５〜４０パーセントである。
【００５３】
上に示したように、動作状態では、セパレータ７１は本発明による２つの集電体用流体供給プレートの間に配置されるので、周辺に配置される開口群は、外部から供給される反応物質を、前記セパレータと、当該セパレータに取り付けられる集電体用流体供給プレートとの間に閉じ込められる空間に送り込み、そして生成物を当該空間から除去するように機能する。従って、図７ｂに示す本発明の特に好適な実施形態では、中心窪み領域７４ａの内、流入開口及び流出開口ペア（７２ａ、７３ａ）に隣接する境界領域には、複数の流体誘導要素及び／又は迂回要素７６が設けられ、流路が隆起帯の間に画定される構成の複数の狭い分離隆起帯（図７ｂに示す特定の実施形態において平行に配置される）の形態であることが好ましい前記要素は、流体を誘導して、流体が流入開口７２ａを通って流入して中心記窪み領域７４ａの面の上に流れ込むようにする機能を有する。任意であるが、反応物質の流動分布の均一性を高めて、十分な量の反応物質が電極群の活性領域全体に確実に到達するようにするために、前述の狭い隆起帯７６の内の一つ以上の隆起帯は、番号７７で示すように、境界領域から中心記窪み領域７４ａの種々のゾーンに向かって延びることができる。他の使用可能な突起部を中心記窪み領域の２つの面の上に、図７ｂから分かるように、隆起突起または窪み７８の形態として設けることができ、突起または窪みは適切に設計することにより、セパレータプレートの機械特性または電気特性を向上させることができる。
【００５４】
上に説明したように、セパレータプレートの窪み領域に対して行なわれる前述の構造上の変更（すなわち、狭い隆起帯及び隆起突起または窪み）は、セパレータと、当該セパレータの反対側の面に取り付けられる２つの集電体用流体供給プレートとの間に画定される空間の内部での反応物質の流動性を高めるように、さらには、例えば電気化学電池の反対側に配置されるガスケットシートを支持する局部支持部材及び／又は局部導電部材として機能するように行なわれる。
【００５５】
セパレータプレート７１は、上に示した範囲の厚さを持つ金属シートをエッチング方法を使用して、特にフォトエッチング加工を使用して処理し、不所望の部分を金属シートから、上に説明した構造上の要件を満たす所定の構成に従って除去することにより簡便に作製することができるが、この処理については、以下の例で詳細に説明する。
【００５６】
図８は、スペーサ要素をプレートペアの一体化部分として有する集電体用流体供給プレートペア１と、そしてプレートペアの間に配置されるセパレータシート２１と、を含む双極プレートアセンブリの分解図を示している。集電体用流体供給プレートの構造上の特徴（バッフルが分散配置されて設けられている中心領域の形状、寸法、特徴、及び周辺開口群のそれぞれの位置）は、図１〜５を参照しながら示した基本実施形態に関して説明した特徴と同様である。しかしながら、バッフルがプレートの中心領域上に分散配置されて設けられている集電体用流体供給プレートの８０ａの粗面にはさらに、図８ｂに示す断面に示される実施形態に従って、一つ以上の隆起領域が設けられ、これらの隆起領域は、一体化スペーサ手段として機能する。隆起領域は、該当する窪みが集電体用流体供給プレートの粗面にこの技術分野で公知の方法により形成された後に形成されることが好ましい。図８ａ及び８ｂに示すように、隆起領域８１をプレートの粗面の縁部分の上に設けて、中心領域２及び２つの開口ペア（６ａ、７ａ、６ｂ、７ｂ）を周囲から取り囲むとともに、番号８２で指示される前記隆起領域の一部分が前記粗面上に延在して、中心領域２が第１周辺開口ペア（６ａ、７ａ）につながり、かつ第２周辺開口ペア（６ｂ、７ｂ）から分離されるようになる。前記隆起領域の高さ、及び幅はそれぞれ、０．０５〜５ｍｍの範囲、及び０．３〜３ｍｍの範囲である。中心領域２の内、前記中心領域２につながる流入開口及び流出開口ペア（６ａ、７ａ）に隣接する境界領域には、複数の流体誘導要素及び／又は迂回要素８５が設けられ（図８ｂに示す）、これらの要素は、流路を隆起帯の間に画定する狭い隆起帯の形態であることが好ましい。双極プレートを形成するように配置される場合、２つの集電体用流体供給プレートは単純に、これらのプレートの粗面が互いに対向し、かつセパレータがこれらのプレートの間に配置されるように平行に配置され、そして結果として得られる双極ユニットが密閉されることに注目されたい。
【００５７】
図９ａ、９ｂ、及び９ｃはさらに、上に議論した集電体用流体供給プレートを使用して双極プレートを形成する幾つかの好適なモードを示している。図９ａ、９ｂ、及び９ｃに示す別の実施形態は、単一の矩形金属シート８６を使用する態様に関するものであり、金属シートは、番号８７、８８、及び８９で指示される同じ寸法の３つの矩形セクターに細分割される。金属シート８６は、これまでに説明した方法で処理して、所望パターンをセクション８７〜８９の各セクションの上に画定する。従って、図９ａによれば、横に並ぶセクション８７及び８９を処理して、図８ａに示す集電体用流体供給プレートを作製することができ、そして中間セクション８８を処理して、図８ａ及び８ｂの番号２１に対応するセパレータシートを設ける。矩形金属シート８６をさらに、前述のセクション群を分離する境界ラインの箇所で、例えば複数列の小穴を前記境界ラインに形成することにより処理して、前記セクション群を前記ラインに沿って容易に折り返すことにより双極プレートユニットを形成する。集電体用流体供給セクション８７及び８９の粗面であって、バッフル及び隆起帯状領域が設けられる構成の粗面は、図９ａに示す金属シート８６の反対側の面に設ける必要があることが容易に理解できるであろう。図９ｃに示す別の実施形態によれば、矩形金属シート８６を処理して、金属シートの２つの隣接するセクション（番号８７及び８９で指示される）が集電体用流体供給プレートとなるとともに、第３セクション８８がセパレータとして使用されるようにする。金属シート８６は、前記セクション群の境界ラインに沿って容易に折り返すことができるので、セクション８８はセクション８７と８９との間に「挟まれる」。
【００５８】
図１０は、本発明の新規の集電体用流体供給プレートを備える電気化学電池スタックの一部の分解斜視図である。図では、単一の電池スタックがエンドプレートアセンブリ９１及び９２の内部に示され、スタックを保持するために通常使用される締め付けボルトが番号９４で指示されている。図に示す特定の実施形態における電池スタックは、直接液体燃料（すなわち、メタノール）の特定用途に特に適合させ、この用途では、酸化剤流体も、図６ａ及び７ａのように、上に説明した開口群を積み重ねることにより作製される導管を通して供給される。概括すると、燃料電池スタックは、直列に接続されるエンドプレートアセンブリ群と、そして複数のユニットセルと、を含む。図を簡単にするために、一つのユニットセルが、エンドプレートアセンブリ９１と９２との間に位置する様子が図に示される。ユニットセルは、イオン伝導性ポリマー電解質膜で形成される膜電極接合体９３（ＭＥＡ）を含み、イオン伝導性ポリマー電解質膜は通常、イオン交換樹脂（ペルフルオロスルホン酸ポリマーのような）により作製され、このイオン交換樹脂は、イオン交換樹脂の反対側の面の上に支持されるアノード触媒層及びカソード触媒層と、そして前記電極層の各層に塗布形成されるガス拡散層と、を有する。膜電極接合体（ＭＥＡ）９３は市販されている。従って、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合、Ｎａｆｉｏｎ（商標）１１７（Ｅ．Ｉ．Ｄｕｐｏｎｔ  Ｄｅｎｅｍｏｕｒｓ  ＆  Ｃｏ．が製造するＤ−ＧＡＢＡＡ）を利用し、Ｐｔ（白金）をカーボン触媒層の上に、当該触媒層の一方の面に設け、かつＰｔ（白金）及びＲｕ（ルテニウム）をカーボン触媒層の上に、当該触媒層の他方の面に設けた構成の３層ＭＥＡを適切に使用することができる。他の金属触媒は、アノード表面及びカソード表面での炭素粒子の表面の微細粉末粒子の形態で塗布することができる。ガス拡散層は、カーボンペーパーまたはグラファイトペーパー、カーボンまたはグラファイトの不織布シートまたは不織布生地により作製されるシートの形態で設けられることが好ましい。市販されている例として、ＳＧＬカーボンが製造するＧＤＬ３１ＢＡまたはＧＤＬ３１ＢＣを挙げることができる。
【００５９】
本発明の一の実施形態によれば、金属セパレータシート２１は第１集電体用流体供給プレート１Ａと第２集電体用流体供給プレート１Ｂとの間に配置され、前記第１及び第２プレートの各プレートは、複数の孔が穿孔された導電性中心領域を有し、前記中心領域の幾何学的形状及びサイズは、同じ中心領域と接触する前記ガス拡散層の形状及びサイズとほぼ同じである。上に示したように、前記第１及び第２集電体用流体供給プレートの各プレートの一方の面には、当該面の中心領域の上に、中心領域上に分散配置され、かつ中心領域から延出する弾性変位可能な導電性バッフルが設けられ、前記第１及び第２集電体用流体供給プレートの内、バッフルが形成されている前記面は前記金属セパレータシート２１の２つの反対側の表面に取り付けられて、前記第１集電体用流体供給プレート１Ａと前記セパレータとの間で区切られる第１空間、及び前記第２集電体用流体供給プレート１Ｂと前記セパレータとの間で区切られる第２空間を形成し、前記第１及び第２空間は、前記燃料電池スタック内に設けられる流路とつながって、空間内の燃料及び酸化剤をそれぞれ供給する。図１０では、２つの集電体用流体供給プレート及びこれらのプレートの間に配置されるセパレータを含む双極アセンブリがＢＰＰで指示されている。
【００６０】
本発明の一の実施形態によれば、細いワイヤメッシュが集電体用流体供給プレート１Ａ（及び／又は１Ｂ）と、隣接するガス拡散層との間に配置される。この構造を得るために、０．００９インチのワイヤ径、直線１インチ当たり１８個のメッシュ、及び約７０％の開口面積を有するステンレス鋼ワイヤメッシュが特に有用である。前述のワイヤメッシュの開口面積が十分に大きく、かつワイヤの直径が十分に小さく、前記メッシュを同じメッシュと接触するカーボンシートにほとんどを埋め込むことができるので、ガス拡散層の機械強度及び導電性を高めることができる。
【００６１】
図１０に示す特定構造では、大開口及び小開口は、カソード側流体及びアノード側流体をそれぞれ供給するヘッダとして使用される。空気をカソードヘッダに上側（３２ｂ）から導入して、水のような凝縮生成物を過剰空気の方向に、下側流出口（３２ａ）に向かって流し落とすことができる。他方のヘッダでは、メタノール水溶液（１〜３５％（ｖ／ｖ）の濃度を有する）が再循環し、下部（３３ａ）に流入し、スタック内に位置し、かつ金属セパレータとアノード側集電体用流体供給プレートとの間に設けられる隙間だけでなく、メタノール側拡散層の細孔のほとんどを含む到達可能な開放空間に充填され、最終的に、上側ヘッダ（３３ｂ）から出て行って、チューブ（図示せず）の形態であることが好ましい回収容器に向かって流れ、その後、前記溶液を処理して二酸化炭素を溶液から除去し、続いて再循環させて供給タンク（図示せず）に戻す。スタックから出て行く空気をさらに処理し、冷却し、凝縮し、浄化し、消毒するなどして、できるだけ大量の水及び他の凝縮材料を再循環させてメタノール供給タンクに戻し、そして酸素の少ない空気を大気に向かって、系の熱バランス及び質量バランスに大部分が寄与する条件で排出する。両方の供給流入口でのゼロ〜１桁のミリバール値（流体の流量によって変わる）の範囲の非常に低い圧力は、流体を流入ヘッダから双極アセンブリ内に（セパレータプレートと集電体用流体供給プレートとの間に）設けられるプレナムを通って、流出ヘッダに向かって流し込むために十分な圧力である。前記プレナムから、流体がバッフルに誘導されて集電体用流体供給プレートの穿孔領域を通って拡散層に向かって流れ、そして当該拡散層から触媒層及び電解質膜に向かって流れる。さらに、同じヘッダのエンドプレート流入口及び流出口の接続は、ネジ切りコネクタ、圧縮コネクタ、溶接コネクタ、接着コネクタのような一つの、またはいずれかの標準コネクタにより行なうことができる、または管に直接つながるコネクタを全く用いることなく、あるいはプレートによって指定される目標物に向かうようにエンドプレート内で直接つながるコネクタを全く用いることなく行なうことができる。
【００６２】
熱交換器内に、またはコアレッサー内に使用される場合、本発明により提供される流体供給プレートによって、流体の乱流現象を、高速流に関連する圧力低下を大きくすることなく抑制することができ、この高速流は、圧力低下を引き起こす以外には、所望の流動パターンを熱交換器及び／又はコアレッサーの内部で実現するために必要になる。さらに、本発明の弾性流体供給プレートによって、所望の制御可能な力が隣接するプレートに加わるので、プレートが配置される熱交換器及び／又はコアレッサーの機械特性を向上させることができる。
【実施例】
【００６３】
（実施例１）
５つの金属プレート／シートを含む双極プレートアセンブリの作製
【００６４】
ａ）集電体用流体供給プレートの作製
０．１５ｍｍの厚さを有する２つのステンレス鋼シート（市販のＳＳ３０２−ＦＨ）をウェットエッチングして、図１に示すような周辺の２つの矩形流入開口及び流出開口ペア、及び図２ｂに示すパターンに従ったプレートの中心領域の貫通切り込みを形成した。中心領域の寸法は：長さ−９０ｍｍ、幅−６３ｍｍであり、そして中心領域に作製される貫通切り込みの数は９２４個であった。複数の孔は、曲げ工具を使用して、台形タブを所望角度（２０〜６０度）に曲げることにより形成し、所望角度は、ＧＤＭ（ガス拡散媒質）を１４ｋｇ／ｃｍ２に加圧するように計算され、かつ所望角度によって、タブ先端がベース金属シートから０．４５〜０．８５ｍｍの距離だけ離れた状態のタブを設けることができる。
【００６５】
ｂ）セパレータプレートの作製
０．１５ｍｍの厚さを有するステンレス鋼シート（ＳＳ３１６）を使用した。周辺の流入開口及び流出開口は、図６ａに示す構造に従ってレーザで切断することにより形成した。プレートの概略寸法は：１３５ｍｍの長さ、及び７４ｍｍの幅であり、複数の外部流体供給開口は、プレートの長辺の外側エッジから６ｍｍだけ離れて位置する３８×１２ｍｍ及び２０×１０ｍｍの大きさであり、そして両方の開口は、プレートの短辺から１８ｍｍの位置に位置合わせされる。
【００６６】
ｃ）スペーサシートの作製
０．５０ｍｍの厚さの金属（ＳＳ  ３１６）を切断して、図６ａの構造のような形状に形成した。２つのスペーサシートを、一方のシートが双極プレートのアノード側に対応し、そしてもう一方のシートがカソード側に対応するように作製した。スペーサシートの概略寸法、及び流体ヘッダのサイズは、上に説明した寸法及びサイズと同じであった。第１及び第２スペーサシート（それぞれ２４Ａ及び２４Ｂ）の中心開口領域は、図６ａから容易に分かるように、第１及び第２流体供給ヘッダペアにそれぞれつながり、そして他方のペアから分離される。
【００６７】
ｄ）密閉ガスケットの作製
漏れを防止するために、ガスケットフレームを、各金属シートコンタクトの間に挿入した。ガスケットフレームは、Ｍｙｌａｒ（登録商標）により作製され、かつ０．０５ｍｍの厚さを有する。フレームは、特殊設計のパンチカッターで切り取ることにより作製され、パンチカッターは、プレス成形された樹脂シートの上の原材の上に載置して、切断により予め設計された形状が得られるまで、プレス機の２つのベッドプレートの間で押し付けることができる。ガスケットシートの概略寸法及び流体開口のサイズは、スペーサシートに関して上に説明した寸法及びサイズに一致する。
【００６８】
ｅ）双極プレートアセンブリ
上述のようにして作製される全ての層を層ごとに組み立てて、細心の注意を払って位置合わせされる双極プレートを、以下の順番に従って形成した：
１．集電体用流体供給シートＡ
２．密閉ガスケット
３．スペーサＡ
４．密閉ガスケット
５．セパレータ
６．密閉ガスケット
７．スペーサＢ
８．密閉ガスケット
９．集電体用流体供給シートＢ
【００６９】
（実施例２）
３つの金属プレート／シートを含む双極プレートアセンブリの作製
【００７０】
ａ）セパレータプレート（図７に示す「プール形の」セパレータ）の作製
１．５ｍｍの厚さの３１６ＳＳプレート（当該プレートの概略的な特徴については実施例１（ｂ）を参照）の２つの面の各面をウェットエッチングして、プール形の中心窪み領域、及び周辺の２つの流入開口及び流出開口ペアを形成した。各面には、図７（番号７６）に示すような一つの開口ペアと中心領域との間の境界領域の「細線状の隆起帯（mini-dikes）」も、ウェットエッチング処理によって作製された。窪み領域の寸法は：プレートの両側で、Ｌ−９０ｍｍ；Ｗ−６３ｍｍ；Ｄ−０．５０ｍｍであり、外部供給開口は実施例１で説明した該当する位置及び寸法と同じ位置及び寸法であった。９〜１８個の「細線状の隆起帯」をプレートの２つの面の各面に作製し、各「細線状の隆起帯」は約１〜１．３ｍｍの幅、及び約４ｍｍの長さであった。隣接する各「細線状の隆起帯」ペアの間に形成される流路の幅は約０．７〜１ｍｍであった。
【００７１】
ｂ）集電体用流体供給シートの作製を、実施例１のパート（ａ）で上に説明した手順と同じ手順に従って行なうとともに、ガスケットを同じ実施例のパート（ｄ）における記述に従って作製した。
【００７２】
ｃ）双極プレートアセンブリ
実施例２の全ての層を層ごとに組み立てて、一つの双極プレートを以下の順番で作製した：
１．集電体用流体供給シートＡ
２．密閉ガスケット
３．プール形のセパレータ
４．密閉ガスケット
５．集電体用流体供給シートＢ
【００７３】
（実施例３）
３つの溶接金属プレート／シートを含む双極プレートアセンブリの作製
【００７４】
ａ）双極プレートアセンブリ
実施例２で上に説明し、かつプール形の一つのセパレータ、及び２つの集電体用流体供給シートから成る１セットの３つの金属層を一括して溶接することにより一つの双極プレートを作製した。溶接することによって、ガスケット及び／は密閉処理が全く必要ではなくなり、さらに電池−プレート間の内部電気抵抗が小さくなる。
【００７５】
溶接は、一つのガスケットが配置される予定であった複数の位置の中間で行なわれる。溶接手順は、ＹＡＧレーザマシンによって、高い密閉性を確保できるとともにプレートを貫通して切断してしまうことがないような十分な溶接深さに調整した後に行なった。溶接は、集電体用流体供給シートが２つのプレートの間に配置されるようにシートを押し付けながら、集電体用流体供給シートを介して行なわれた。
【００７６】
双極プレートの組み立て順は以下のようであった：
１．集電体用流体供給シートＡ
２．プール形のセパレータ
３．集電体用流体供給シートＢ
４．両方の集電体用流体供給シートをプール形のセパレータの上に、一つの面に対して一つのシートの割合で溶接して、プレートの周辺密閉だけでなく、各面に対応する活性領域と、この領域とは関連性のない外部流体流用開口との間の接続部の密閉を確保する（すなわち、空気開口をアノード側の流体供給板から分離し、かつメタノール開口をカソード側の活性領域流体供給板から分離する）。
【００７７】
（実施例４）
一つのシートを折り返して得られる３つの金属プレートを含む双極プレートアセンブリの作製
【００７８】
ａ）双極プレートアセンブリ
２つの集電体用流体供給プレート及び一つのセパレータが全て、単一の金属シートにより作製される３層金属構造の双極プレートについて以下に説明する。従って、集電体用流体供給プレート群及びセパレータはこの場合は、同じ種類のステンレス鋼により作製され、そして同じ厚さを有することになる。
【００７９】
集電体用流体供給板の複数の非平滑面、すなわちバッフルが形成されている複数の面を、これらの面が対向する面となるように構成して、正しい折り返しが可能になるようにしている（図９ａを参照）。隆起帯はフォーミング（プレス加工及び曲げ加工）により、集電体用流体供給セクションに追加されて、必要な窪み領域を実現する。約２．５ｍｍの幅で、かつ約０．４０〜０．８０ｍｍの高さのこれらの隆起帯をシート上に、バッフルが形成されている面と同じ面に対向するように形成した。セパレータは平板状であり、そして３つの部材は、折り返しラインに沿って穿孔された一連のスロット穴（０．５ｍｍ幅の）に接続されたままの状態となって折り返し操作を容易にしている。この形態を使用することにより、集電体用流体供給シートを折り返してセパレータと対向するようにすることができ、この場合、これらの折り返しシートの粗面がセパレータと対向する。次に、折り返した３つの層を溶接し、そしてある場合には、湿らせて密閉する（ｌｏｃｔａｉｔｅ（登録商標）５１０）または乾燥させて密閉する（Ａｃｈｅｓｏｎ、  Ｅｌｅｃｔｒｏｄａｇ  ＥＢ−００５）こともでき、これによって双極プレートを作製した。この場合には、プレートの重量は軽くなるが、これは、正確に段階的に積み上げられた構成の厚さの流体供給板が、実施例２における１．５ｍｍ厚さのプレートの上にではなく、１枚の薄いシート金属として形成されているからである。フォーミング及び切断加工は、プログレッシブスタンピング（progressive stamping）をシート金属に、一連の工具として事前に作製した金型の２つの構成部品の間で施すことにより行なわれている。
【００８０】
双極プレートの組み立て順は以下のようであった：
１．２つの集電体用流体供給セクションを、中間層に向かって、すなわちセパレータに向かって折り返す。
【００８１】
２．折り返したシートを、実施例３で上に説明したように一括して溶接する、または別の方法として、接着剤／シール材を、セパレータの２つの反対側の面にマスクテンプレートを用いて、はけ塗りし／スプレー塗布し、そして２つの集電体用流体供給プレートをセパレータの面に貼り付けることにより接合する。
【００８２】
寸法及び他の構造上の詳細は、実施例１において上に説明した寸法及び詳細と同様である。
【００８３】
（実施例５）
燃料電池セルスタック及び動作
【００８４】
ａ）膜電極接合体の作製
３層構造ＭＥＡ（ＤｕＰｏｎｔ（商標）社が市販する触媒被覆膜または「ＣＣＭ」としても知られる（Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７に基づく材料コードＤ−ＧＡＢＡＡ））を、パンチカッター工具を使用して所望の寸法及び構造になるように切断した。
【００８５】
カーボンペーパー（ＳＧＬカーボンが製造し、かつアノード側及びカソード側にそれぞれ対応する９０×６３ｍｍの大きさのタイプ３１ｂｃ及び３１ｄａ）も、パンチカッター工具を使用して所望の形状及びサイズになるように切断した。
【００８６】
次に、５層構造ＭＥＡを、プレカットされた２枚の薄板状のガス拡散媒質（ＧＤＭ）を加熱押圧することにより作製し、プレカットされたこれらの薄板を位置合わせして、２つのシールフレーム（上の説明において「ｅ」と表記される）の中間に丁度収まるように嵌め込み、１つのシールフレームが、プレス機の２つのベッドの間のプレカットされた（摂氏１４０度、８００ｐｓｉの圧力で５分間という条件で）３層構造ＭＥＡの各側にセットされるようにする。
【００８７】
３層構造ＭＥＡ、ガス拡散媒質、及びフレームのプレカットは、これらの部材を、図面通りに穴あけをして切断することにより行なわれ、この場合、外郭形状はプレート形状に一致し、そして触媒領域を中心に置くことにより、触媒領域が流体供給板と重なる。膜に対して、切断工具を当てて、膜が活性領域から延出し、フレームシールと一体となってバリア膜を、アセンブリの各電池のアノード側とカソード側との間に形成することができるようにする。ある場合には、ＧＤＭ（ガス拡散媒質）は、活性領域からコネクタを通って外部流体供給開口（ヘッダ）に向かって延出することにより、積層部分の支持を容易にし、そして積層部分をコネクタとともに所定の形状に保持することができ、このコネクタは、他の流体に対しては密閉された状態を維持しながら、必要な流体に対して開いた状態に保持される。
【００８８】
ｂ）燃料電池スタックの作製
複数の電池スタックを上述したＭＥＡ、及び上に説明した実施例から得られる異なる双極プレートを使用して組み立てた。インデックスツールを装着して操作を容易にし、このツールを利用して、異なる部材を他の部材の上に、以下の順番で積層した：第１エンドプレート、（及び、当該プレート上に設けられるガスケット）、ＭＥＡ、交互に並ぶ双極プレート群及び同じ数のＭＥＡ、別のガスケット、及び、最後の第２エンドプレート。次に、スタック全体を、スタッドボルト（エンドプレートアセンブリから樹脂スリーブ及び接触式絶縁ディスクによって絶縁される４級化ポリエチレンスリーブ被覆スチール、Ｍ６）を所定の間隔（すなわち、１つのＭＥＡ当たり０．４５０〜０．７５０ｍｍであり、ＧＤＭ（ガス拡散媒質）及びガスケットフレームの厚さによって変わる）になるまで締め付けることにより圧縮する。
【００８９】
ｃ）燃料電池スタックの動作
燃料電池スタックは以下のようにして動作した。摂氏８０度のメタノール水溶液（１モル）をスタックアノード群を調整可能な蠕動流体ポンプを使用して循環させ、そして周囲空気を上側からスタックに、空気をカソードに誘導するエンドプレートアセンブリを通して流し込んだ。流体流量は動作電流に従って設定され、そして１４アンペアで動作する場合に、アノード側及びカソード側の両方において化学量論流量比で約２〜８倍の流量が流れる、すなわち１つの電池当たりメタノール溶液がアノード側で４〜１２ｃｃ／分の流量で流れ、そして空気がカソード側で０．５〜１．５  ｌｐｍ（リットル／分）の流量で流れるように計算される。スタックを摂氏８０度に、両方のエンドプレートアセンブリの温度制御加熱パッドを使用して維持し、周囲雰囲気への熱損失を補償した。可変負荷として、強い耐性の可変抵抗体だけでなく電子負荷を使用し、そして電流及び電圧だけでなく他の動作条件を、コンピュータを搭載した制御ボードで記録し、そして制御した。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明による集電体用流体供給プレートの非粗面の上面図である。
【図２Ａ】本発明による集電体用流体供給プレートの穿孔領域の構造及び作製に使用することができるパターンを示す。
【図２Ｂ】本発明による集電体用流体供給プレートの穿孔領域の構造及び作製に使用することができるパターンを示す。
【図３Ａ】本発明による集電体用流体供給プレートの粗面の異なる実施形態の側部立面図を示す。
【図３Ｂ】本発明による集電体用流体供給プレートの粗面の異なる実施形態の上面図を示す。
【図４Ａ】本発明による集電体用流体供給プレートから延出する個々のバッフルの斜視図を示す。
【図４Ｂ】本発明による集電体用流体供給プレートから延出する個々のバッフルの側部断面図を示す。
【図５Ａ】本発明による集電体用流体供給プレートの穿孔領域に使用することができるパターンを示す。
【図５Ｂ】本発明による集電体用流体供給プレートの穿孔領域に使用することができるパターンを示す。
【図５Ｃ】本発明による集電体用流体供給プレートの穿孔領域に使用することができるパターンを示す。
【図６Ａ】本発明による好適な５層構造の双極プレートの構成を示す。
【図６Ｂ】本発明による好適な５層構造の双極プレートの構成を示す。
【図６Ｃ】本発明による好適な５層構造の双極プレートの構成を示す。
【図７Ａ】本発明による集電体用流体供給プレートと組み合わせて使用されるために適するセパレータシートの上面図を示す。
【図７Ｂ】本発明による集電体用流体供給プレートと組み合わせて使用されるために適するセパレータシートの上面図を示す。
【図７Ｃ】本発明による集電体用流体供給プレートと組み合わせて使用されるために適するセパレータシートの断面図を示す。
【図８Ａ】本発明の一の好適な実施形態による３層構造の双極プレートの分解図を示す。
【図８Ｂ】本発明の一の好適な実施形態による３層構造の双極プレートの断面図を示す。
【図９Ａ】本発明の一の好適な実施形態による３層構造の双極アセンブリの上面図を示す。
【図９Ｂ】本発明の一の好適な実施形態による３層構造の双極アセンブリの断面図を示す。
【図９Ｃ】本発明の一の好適な実施形態による３層構造の双極アセンブリの上面図を示し、かつ３層構造の双極アセンブリを作製する別の方法を示す。
【図１０】本発明による燃料電池スタックを形成するために配置される積層プレートの斜視図であり、前記電池に関連する反応物質／生成物の流動方向を示す。
【符号の説明】
【００９１】
１    流体供給プレート
２    中心領域
３    孔
３ａ  屈曲ライン
３ｂ  多角形ライン
４    周辺領域
５    表面
６ａ  開口
６ｂ  開口
７ａ  開口
７ｂ  開口
９    セクター
１２  タブ
【図１】
2009526347.tif 000003
【図２Ａ】
2009526347.tif 000004
【図２Ｂ】
2009526347.tif 000005
【図３Ａ】
2009526347.tif 000006
【図３Ｂ】
2009526347.tif 000007
【図４Ａ】
2009526347.tif 000008
【図４Ｂ】
2009526347.tif 000009
【図５Ａ】
2009526347.tif 000010
【図５Ｂ】
2009526347.tif 000011
【図５Ｃ】
2009526347.tif 000012
【図６Ａ】
2009526347.tif 000013
【図６Ｂ】
2009526347.tif 000014
【図６Ｃ】
2009526347.tif 000015
【図７Ａ】
2009526347.tif 000016
【図７Ｂ】
2009526347.tif 000017
【図７Ｃ】
2009526347.tif 000018
【図８Ａ】
2009526347.tif 000019
【図８Ｂ】
2009526347.tif 000020
【図９Ａ】
2009526347.tif 000021
【図９Ｂ】
2009526347.tif 000022
【図９Ｃ】
2009526347.tif 000023
【図１０】
2009526347.tif 000024
【国際調査報告】
2009526347.tif 000025
2009526347.tif 000026
2009526347.tif 000027
2009526347.tif 000028
2009526347.tif 000029