(57)【要約】  本発明は、オフセットした二つの平面に形成された吸入マニホールド及び排出マニホールドを持つ平らな流れ場設計に関する。吸入マニホールドから排出マニホールドを通って比較的短い通路が延びており、この通路は、吸入マニホールドからこの通路を通ってＭＥＡの反応面を横切って排出マニホールドまで、特異な流れ場分布を提供するように膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）の反応面で終端する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池において、
ガス不透過性の第１エレメントと活性エレメントとの間に形成された第１マニホールドと、
前記第１マニホールドに配置された複数のスペーサであって、これらの複数のスペーサの各々及び前記ガス不透過性第１エレメントには、貫通オリフィスが形成されている、複数のスペーサと、
前記ガス不透過性の第１エレメントとガス不透過性の第２エレメントとの間に形成された第２マニホールドとを備え、
前記第１マニホールドから前記活性エレメント上の前記オリフィスを通って前記第２マニホールドまで、流路が形成される、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
更に、導電性経路を備えており、該導電性経路は、前記燃料電池を通って延びて、前記活性エレメントから、前記複数のスペーサ及び前記ガス不透過性第１エレメントを通って、前記ガス不透過性の第２エレメントまでの連続性を提供できる、燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記複数のスペーサは導電性である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記導電性経路は、さらに、前記ガス不透過性の第１エレメントを通して形成された孔内に配置された導電性充填物を備える、燃料電池。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記ガス不透過性の第１エレメントは、前記第１マニホールドが前記第２マニホールドと実質的に平行であるように、前記ガス不透過性の第２エレメントに対して実質的に平行に間隔が隔てられた状態で配置されている、燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池において、さらに、
前記第２マニホールドに配置された複数の第２スペーサを備える、燃料電池。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記複数のスペーサは、前記ガス不透過性の第１エレメントに並設状態に配置されたスペーサを備えている、燃料電池。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池において、さらに、
前記ガス不透過性の第１エレメントと前記ガス不透過性の第２エレメントとの間に配置されたフレームを備える、燃料電池。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記複数のスペーサは、前記第１マニホールド内で前記ガス不透過性の第１エレメント上で等間隔に間隔が隔てられている、燃料電池。
【請求項１０】
燃料電池において、
活性エレメントと、
拡散媒体シートに対して間隔が隔てられた関係で配置されており、前記拡散媒体シートとの間に第１マニホールドを形成する第１セパレーターシートと、
前記第１マニホールドに配置された第１の一セットのスペーサであって、前記第１の一セットのスペーサの各々に、前記第１マニホールドに対して交差するオリフィスが形成されている、第１の一セットのスペーサと、
前記第１セパレーターシートに対して間隔が隔てられた関係で配置されており、前記オリフィスに対して交差する第２マニホールドを前記第１セパレーターシートとの間に形成する第２セパレーターシートと、
前記第２マニホールドに配置された第２の一セットのスペーサとを備え、
前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとの間で前記活性エレメントを横切る前記オリフィスを通る流路が、形成されている、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池において、
さらに、導電性経路を備えており、
該導電性経路は、前記燃料電池を通って延び、これによって、前記活性エレメントから、前記第１の一セットのスペーサ、前記第１セパレーターシート、前記第２の一セットのスペーサ、及び前記第２セパレーターシートを通る連続性を提供できる、燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池において、
前記第１の一セットのスペーサ及び第２の一セットのスペーサは、導電性である、燃料電池。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池において、
前記導電性経路は、さらに、第１及び第２のセパレーターシートの各々を通して形成された孔に配置された導電性充填物を備える、燃料電池。
【請求項１４】
請求項１０に記載の燃料電池において、
前記第１セパレーターシートは、前記第１マニホールドが前記第２マニホールドと実質的に平行であるように、前記第２セパレーターシートに対して実質的に平行に間隔が隔てられた関係で配置されている、燃料電池。
【請求項１５】
請求項１０に記載の燃料電池において、
前記第１の一セットのスペーサは、前記第１セパレーターシートに並設状態に配置された第１スペーサを備える、燃料電池。
【請求項１６】
請求項１０に記載の燃料電池において、
前記第２スペーサのサブセットは、前記第１セパレーターシートを間に挟んで前記第１の一セットのスペーサの下方の第１スペーサが形成する領域上に少なくとも部分的に重ねられる、燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃料電池において、
前記第２スペーサの前記サブセットは、前記第１の一セットのスペーサの下方の第１スペーサが形成する領域に亘って完全に重なっている、燃料電池。
【請求項１８】
請求項１６に記載の燃料電池において、
前記第２スペーサの前記サブセットは、スペーサを備えており、該スペーサは、前記第１の一セットのスペーサの下方の一対の第１スペーサが部分的に形成する領域に亘って重なっている、燃料電池。
【請求項１９】
請求項１０に記載の燃料電池において、
さらに、前記第１セパレーターシートと前記第２セパレーターシートとの間に配置されたフレームを備え、このフレームが、前記第２の一セットのスペーサを取り囲む、燃料電池。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池において、
さらに、前記フレームに形成されたヘッダを備えており、前記ヘッダは、前記第１マニホールド及び前記第２マニホールドのうちの一方と流体連通した、燃料電池。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料電池において、
さらに、前記フレームに、前記ヘッダと前記第１マニホールド及び前記第２マニホールドのうちの一方との間に形成された一組のランナを備える、燃料電池。
【請求項２２】
請求項１０に記載の燃料電池において、
前記第１の一セットのスペーサの各スペーサは、前記オリフィスがその中心に形成されたディスクを備える、燃料電池。
【請求項２３】
請求項１０に記載の燃料電池において、
前記第１の一セットのスペーサは、前記第１マニホールド内で前記第１セパレーターシート上で等距離で間隔が隔てられている、燃料電池。
【請求項２４】
請求項１０に記載の燃料電池において、
前記第１及び第２のセパレーターシートの各々は、ポリイミドフィルムを備える、燃料電池。
【請求項２５】
請求項２４に記載の燃料電池において、
前記第１及び第２の一セットのスペーサの前記スペーサの各々は、ステンレス鋼製のエレメントを備える、燃料電池。
【請求項２６】
燃料電池において、
反応面を持つ膜電極アッセンブリと、
前記反応面と隣接した平らなマニホールドと、
前記反応面に亘って特異な流れ分布を提供するため、前記平らなマニホールドと前記膜電極アッセンブリとの間に配置された平らな流れ場とを備える、燃料電池。
【請求項２７】
請求項２６に記載の燃料電池において、
前記平らな流れ場は、流れ干渉媒体を備える、燃料電池。
【請求項２８】
請求項２６に記載の燃料電池において、
さらに、前記平らなマニホールドを間に形成するため、間隔が隔てられた関係で位置決めされた一対のガス不透過性シートを備える、燃料電池。
【請求項２９】
請求項２８に記載の燃料電池において、
さらに、前記対をなしたガス不透過性シート間で前記平らなマニホールドに配置された複数のスペーサを備える、燃料電池。
【請求項３０】
請求項２９に記載の燃料電池において、
前記複数のスペーサは、並設状態に配置されたスペーサを備える、燃料電池。
【請求項３１】
請求項２８に記載の燃料電池において、
前記平らなマニホールドは、前記膜電極アッセンブリと隣接して配置された排出マニホールド区分と、この排出マニホールド区分と隣接した入口マニホールド区分とを備える、燃料電池。
【請求項３２】
請求項２８に記載の燃料電池において、
さらに、ガス不透過性の第１シートとガス不透過性の第２シートとを備え、
前記ガス不透過性の第１シートと前記ガス不透過性の第２シートとの間に前記入口マニホールド区分を形成できるように、前記ガス不透過性の第１シートと前記ガス不透過性の第２シートとは、間隔が隔てられた関係で位置決めされており、
前記膜電極アッセンブリ及び前記ガス不透過性の第２シートは、間隔が隔てられた関係で位置決めされ、前記排出マニホールド区分を形成する、燃料電池。
【請求項３３】
請求項３２に記載の燃料電池において、
さらに、前記排出マニホールド区分に配置された複数のスペーサを備える、燃料電池。
【請求項３４】
請求項３３に記載の燃料電池において、
前記複数のスペーサ及び前記ガス不透過性の第２シートの各々には、前記入口マニホールド区分と前記平らな流れ場との間に流体連通を提供する貫通通路が形成されている、燃料電池。
【請求項３５】
請求項３４に記載の燃料電池において、
前記複数のスペーサは、並設状態に配置されたスペーサ備える、燃料電池。
【請求項３６】
請求項３３に記載の燃料電池において、
さらに、前記平らな入口マニホールド内で、前記ガス不透過性の第１シートと前記ガス不透過性の第２シートとの間に配置された複数の第２スペーサを備える、燃料電池。
【請求項３７】
燃料電池用セパレータープレートの形成方法において、
導電性の第１シートを第１フィルムシートに積層する工程と、
前記導電性の第１シートの一部を、前記第１フィルムシートから、前記導電性第１シートの残りの部分が複数のスペーサからなる第１のスペーサアレイを形成するように除去する工程と、
前記第１スペーサアレイのうち前記スペーサの各々と前記第１フィルムシートとを通る通路を形成して、複数の流路を形成する工程と、
導電性の第２シートを第２フィルムシートに積層する工程と、
前記導電性の第２シートの一部を、前記第２フィルムシートから、前記導電性の第２シートの残りの部分が複数のスペーサからなる第２スペーサアレイを形成するように除去する工程と、
前記第１フィルムシートと前記第２フィルムシートとの間に第１マニホールドが形成されるように、前記第２スペーサアレイを、前記第１フィルムシートの前記第１スペーサアレイとは反対側の面に積層する工程とを備える、方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法において、
さらに、拡散媒体シートを、前記第１スペーサアレイ上に、第２マニホールドが前記第１フィルムシートと前記拡散媒体シートとの間に形成されるように重ねる工程を備える、方法。
【請求項３９】
請求項３７に記載の方法において、
さらに、前記第１スペーサアレイと前記第２スペーサアレイとの間に前記第１フィルムシートを通して電気接続部を形成する工程を備える、方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の方法において、さらに、
前記第１スペーサアレイの各スペーサのところで前記第１フィルムシートを通して孔を形成する工程と、
導体を前記孔に配置して、前記第１フィルムシートを通した電気的連続性を提供する工程とを備える、方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法において、さらに、  前記第２スペーサアレイの各スペーサのところで前記第２フィルムシートを通して孔を形成する工程と、
導体を前記孔に配置し、前記第２フィルムシートを通した電気的連続性を提供する工程とを備える、方法。
【請求項４２】
請求項３７に記載の方法において、さらに、
前記第１フィルムシート用のポリイミドフィルムシートを提供する工程と、
前記第２フィルムシート用のポリイミドフィルムシートを提供する工程とを備える、方法。
【請求項４３】
請求項３７に記載の方法において、
前記第１フィルムシートから前記導電性の第１シートの一部を除去する工程は、前記導電性の第１シートの前記部分を前記第１フィルムシートから所定のパターンでエッチングし、前記第１スペーサアレイを形成する工程を備える、方法。
【請求項４４】
請求項３７に記載の方法において、
前記第２フィルムシートから前記導電性の第２シートの一部を除去する工程は、前記導電性の第２シートの前記部分を前記第２フィルムシートから所定のパターンでエッチングし、前記第２スペーサアレイを形成する工程を備える、方法。
【請求項４５】
請求項３７に記載の方法において、
さらに、前記第２スペーサアレイを、前記第１スペーサアレイによって少なくとも部分的に支持されるように整合する工程を備える、方法。
【請求項４６】
請求項４５に記載の方法において、
前記第２スペーサアレイを整合する工程は、前記第２スペーサアレイのサブセットを、前記第１スペーサアレイの下方のスペーサによって形成された領域上に少なくとも部分的に整合する工程を備える、方法。
【請求項４７】
請求項４６に記載の方法において、
前記第２スペーサアレイを整合する工程は、更に、前記第２スペーサアレイの前記サブセットを、前記下方のスペーサによって形成された前記領域上に完全に整合する工程を備える、方法。
【請求項４８】
請求項４５に記載の方法において、
前記第２スペーサアレイを整合する工程は、第２スペーサを、前記第１スペーサアレイの下方の一対の第１スペーサによって部分的に形成された領域上に整合する工程を備える、方法。
【請求項４９】
請求項３７に記載の方法において、
さらに、前記第１フィルムシートと前記第２フィルムシートとの間にフレームを積層する工程を備え、前記フレームは、前記第２スペーサアレイを取り囲む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＥＭ燃料電池に関し、更に詳細には、必要な流量を得るために圧力降下が比較的小さいことを必要とするセパレーター流れ場プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、多くの用途で電源として使用されてきた。例えば、内燃エンジンに代えて車輛の電力プラントで使用するため、燃料電池が提案されてきた。陽子交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、燃料電池のアノードに水素を燃料として供給し、カソードに酸素を酸化体として供給する。ＰＥＭ燃料電池は、アノード触媒が一方の面に設けられており且つカソード触媒が反対側の面に設けられた、陽子透過性で非導電性の薄い中実ポリマー電解質膜を含む膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、（１）アノード及びカソード用の電流コレクタとして役立ち且つ（２）燃料電池のガス状反応体をアノード触媒及びカソード触媒の表面に亘って分配するため、適当なチャンネル及び／又は開口部が形成された、非孔質で導電性の一対のエレメント即ちプレート間に挟まれる。
【０００３】
「燃料電池」という用語は、代表的には、文脈に応じて単一の電池又は複数の電池（スタック）のいずれかに関して使用される。代表的には、複数の個々の電池が互いにまとめられて燃料電池スタックを形成する。これらの電池は、一般的には、電気的に直列に配意される。スタック内の各電池は、上文中に説明した膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含み、このようなＭＥＡの各々は、電圧の増分を提供する。スタック内の一群の隣接した電池をクラスタと呼ぶ。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ２）がアノード反応体（即ち燃料）であり、酸素がカソード反応体（即ち酸化体）である。酸素は純粋形態（Ｏ２）又は空気（Ｏ２とＮ２の混合物）のいずれであってもよい。固体ポリマー電解質は、代表的には、ペルフルオロネーテッドスルホン酸等のイオン交換樹脂から形成される。アノード／カソードは、代表的には、炭素粒子上に支持された、陽子導電性（ｐｒｏｔｏｎ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ：プロトン導電性）樹脂と混合した微細な触媒粒子を含む。触媒粒子は、代表的には、貴金属粒子である。このように、これらのＭＥＡは製造する上で比較的費用がかかり、効果的に作動する上で、水を適切に管理すること、湿潤化、及び触媒を損傷する一酸化炭素（ＣＯ）等の成分を制御することを含む特定の条件を必要とする。
【０００５】
従来、ＭＥＡを挟む導電性プレートは、燃料電池のガス状反応体（即ち水素及び空気の形態の酸素）をアノード及びカソード（本明細書中、集合的に活性領域と呼ぶ）の夫々の表面上に分配するための反応体流れ場を含んでいる。これらの反応体流れ場は、従来、複数の流れチャンネルをその間に形成する複数のランドを備えている。その複数の流れチャンネルを通って、ガス状反応体は、流れチャンネルの一端の供給ヘッダから、流れチャンネルの反対端の排出ヘッダまで流れる。
【０００６】
良好に機能する流れ場についての要件には、局所的要件及び全体的要件が含まれる。局所的要件は、活性領域の全ての箇所に適用され、全体的要件は全流れ場設計に適用される。良好に機能する流れ場の局所的要件を満たすため、流れ場は、（１）ガス及び水分を送出し、（２）排出ガスを除去し、（３）液体の水を除去しなければならない。良好に機能する流れ場の全体的要件を満たすため、流れ場は、（４）活性領域の全ての箇所で局所的要件を満たし、（５）全体としての圧力降下を適切に低くすることにより局所的要件を満たし、（６）局所的要件を経時的に一定にし、かくして安定した流れを発生し、及び（７）全ての必要な流れ及び負荷条件で、局所的要件を満たさなければならない。
【０００７】
安定した流れについての要件（６）は達成困難な要件である。この困難性について二つの理由が挙げられる。第１の理由は、うまく達成できる一つ又はそれ以上の条件があるため、安定した流れをいつ達成したのかを正確に決定するのが困難であるということである。安定した流れは、液体の水を常に除去することを必要とする。しかしながら、水は一つ以上の方法で除去できる。例えば、ガスの速度が十分に高く、液体の水の収集が不可能な場合がある。その他の場合では、液体の水を集めることができた後、圧力上昇が発生し、これにより、液体の水を外に移動する。また、幾つかの場合ではガスの速度が低く、圧力を上昇させることができず、水を除去する上で不都合な条件が発生し、ガス流が不安定になる。
【０００８】
安定した流れを得ることが困難な第２の理由は、これを満たすためには他の流れ場要件を犠牲にしなければならないということである。例えば、要件（３）及び（６）を満たす流れ場設計の特徴は、要件（４）及び（５）を満たす設計上の特徴と競合する。
【０００９】
以下の三つの例は、全ての要件を同時に満たすことができる流れ場を設計する上での困難性を示す。これには、水を一貫して除去する上で必要な二つの可能な安定した流れ条件のいずれか一方を達成することが含まれる。第１の例では、ガス速度が高い条件を達成することによって安定した流れを得ることができる。ガス速度が高い条件は、圧力勾配が高い流路を設計することによって達成される。しかしながら、平均的な大きさの活性領域について、このように設計すると、流れ場の全体として圧力降下が受け入れられない程に高くなってしまう。このように、要件（３）、（４）、及び（６）が満たされるけれども（５）は満たされない。
【００１０】
第２の例では、全体としての圧力降下を減少するため、例１を変更して、長さが短い更に多くの平行流路を持つようにしてもよい。しかしながら、適当な低い圧力降下を達成する上で、ガスの速度が、液体の水を発生させるレベルまで低下してしまう。この場合、多くの平行な流路を形成することにより、圧力の上昇によって液体の水を除去することがもはや不可能になる。というのは、圧力を上昇させることができないためである。従って、要件（４）及び（５）満たされるけれども（３）及び（６）は満たされないままとなる。
【００１１】
第３の例では、圧力の上昇により液体の除去を容易にするため、平行な流路の幾つかをなくすことによって例２を変更してもよい。しかしながら、圧力降下が全体として低いという要件が維持された場合、除去した流路を補償するために各流路に加えることができる長さが、制限される。この場合、活性領域全体を流れ場で覆うことを必要とする一つの要件以外の全ての要件が、満たされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、電池の性能を向上するため、液体の水が存在する状態で安定したガス流を得るための、並びに、触媒層での酸素分圧を高くするための、流れ場設計に関する。流れ場設計は、吸入マニホールド及び排出マニホールドを含み、これらのマニホールドは二つのオフセットした平面をなして形成される。比較的短い通路が、吸入マニホールドから排出マニホールドまで延びており、拡散媒体で終端し、吸入マニホールドから通路及び拡散媒体を通して排出マニホールドまで流体連通する。かくして、本発明は、触媒層での酸素分圧を高めるため、拡散媒体を通る対流インターディジテイテッド（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）流を形成するのに使用される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一つの特徴では、本発明は、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）とガス不透過性第１エレメントとの間に形成された第１マニホールドを有し、この第１マニホールドに一組のスペーサが配置された燃料電池に関する。第１の平らなエレメントとガス不透過性第２エレメントとの間に、第２マニホールドが形成される。ガス不透過性第１エレメント及びスペーサには、貫通オリフィスが形成されており、第１マニホールドからＭＥＡの活性面を横切って第２マニホールドまで流路が形成される。
【００１４】
別の特徴では、本発明は、ＭＥＡ、拡散媒体シートに関して間隔が隔てられた関係で配置されて、拡散媒体シートとの間に第１マニホールドを形成する第１セパレーターシート、及び第１マニホールドに配置された第１スペーサ組であって、該第１スペーサ組の各々には第１マニホールドに対して交差するオリフィスが形成された第１スペーサ組を持つ、燃料電池に関する。第２セパレーターシートが、第１セパレーターシートに関して間隔が隔てられて配置されており、オリフィスに対して交差する第２マニホールドを第１セパレーターシートとの間に形成する。第２マニホールドには第２スペーサ組が配置される。第１マニホールドと第２マニホールドとの間に、ＭＥＡの反応面を横切るオリフィスを通る流路が形成される。
【００１５】
更に別の特徴では、本発明は、導電性第１シートを第１フィルムシートに積層し、前記導電性第１シートの一部を、導電性第１シートの残りの部分が第１スペーサアレイを形成するように、第１フィルムシートから除去する、燃料電池用セパレータープレートの製造方法に関する。第１スペーサアレイの各スペーサ及び第１フィルムシートを通して通路が形成され、一連の平行な流路を形成する。導電性第２シートを第２フィルムシートに積層し、導電性第２シートの一部を、導電性第２シートの残りの部分が第２スペーサアレイを形成するように、第２フィルムシートから除去する。この第２スペーサアレイを、第１フィルムシートの第１スペーサアレイとは反対側に積層し、第１フィルムシートと第２フィルムシートとの間に第１マニホールドを形成する。
【００１６】
本発明のこの他の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示し、単に例示を目的とするものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【００１７】
本発明は、詳細な説明及び添付図面から更によく理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、又は使用を限定しようとするものではない。
図１は、非孔質導電性のバイポーラプレート２０によって互いに分離された膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ：膜電極接合体とも言う）を持つ部分ＰＥＭ燃料電池スタック（すなわち、ＰＥＭ燃料電池スタックの一部分）１０に関する。ＭＥＡ１４及び１６、及びバイポーラプレート２０は、非孔質導電性のバイポーラプレート２２と２４との間に互いに積み重ねられる。ガス透過性多孔質導電性シートである流れ干渉媒体２６、２８、３０、及び３２が、ＭＥＡ１４及び１６の電極面に押し付けられている。これらの流れ干渉媒体は、電極用の一次電流コレクタとして役立つ。流れ干渉媒体２６、２８、３０、及び３２は、また、ＭＥＡ１４及び１６に機械的支持を提供する。この機械的支持は、特に、このような機械的支持がないとＭＥＡが流れ場中で支持されない位置で、提供される。流れ干渉媒体２６、２８、３０、及び３２は、更に、入口マニホールドからＭＥＡの反応面を横切って排出マニホールドまでの流体輸送機構を提供する。
【００１９】
バイポーラプレート２２は、ＭＥＡ１４の反応性カソード面１４ｃの一次電流コレクタ２６に押し付けられる。一方、バイポーラプレート２４は、ＭＥＡ１６の反応性アノード面１６ａの一次電流コレクタ３２に押し付けられる。バイポーラプレート２０は、ＭＥＡ１４の反応性アノード面１４ａの拡散媒体２８に押し付けられ、また、一次電流コレクタ即ちＭＥＡ１６の反応性カソード面１６ｃの拡散媒体３０に押し付けられる。酸素や空気等の酸化体ガスは、酸素源又は空気源３８から、適当な供給配管４０を介して、燃料電池スタック１０のカソード側に供給される。同様に、水素等の燃料は、水素源４８から、適当な供給配管５０を介して、燃料電池スタック１０のアノード側に供給される。
【００２０】
次に図２、図３のＡ、図３のＢ、及び図４のＡを参照し、本発明によるセパレータープレート６０を以下に詳細に説明する。セパレータープレート６０は、反応体ガスの一方を、ＭＥＡ１６の関連する側の面に搬送するように形成されている。各バイポーラプレート２０、２２、及び２４は、裏側と裏側とを向き合わせた配向で重ねた（図５のＡ及びＢ参照）二つのセパレータープレート６０を含むということは理解されよう。セパレータープレート６０は、ガス不透過性シート６６に沿って配置された導電性スペーサ又はディスク６４の第１のアレイ（すなわち、第１の一群の導電性スペーサ又はディスク）を含む。スペーサ６４及びシート６６を通して、オリフィス７２が形成されている。セパレータープレート６０は、更に、ガス不透過性シート７６に沿って配置された導電性スペーサ又はピラー６８の第２のアレイ（すなわち、第２の一群の導電性スペーサ又はピラー６８）を含む。図６のＡ及びＢで最もよくわかるように、入口ヘッダ８０Ａ、８０Ｃは、適当な供給配管４０、５０からセパレータープレート６０内へ反応体ガスを伝達する。排出ヘッダ８２Ａ、８２Ｃが、排出ガスをセパレータープレート６０から以下に説明するように除去する。
【００２１】
本実施形態において、好ましくは、第１アレイのスペーサ６４は、直径が約９．５２５ｍｍ（約０．３７５インチ）の円形ディスクであり、隣接した列／行をなしたスペーサ６４の中心が互いに関してオフセットするように、並設状態に第１シート６６に配置されている。スペーサ６４を通して形成されたオリフィス７２は、約１．２７ｍｍ（約０．０５０インチ（５０ミル））である。スペーサ６４は、１平方インチ当たり約６．２５個（１ｃｍ２当たり０．９６９個）の密度で第１シート６６に分配されている。現在好ましいように、第２アレイのピラー６８は、更に、直径が約０．３１７ｃｍ（約０．１２５インチ）の円形のディスクであり、４つのピラー６８からなるサブセットが、下方のスペーサ６４が形成する領域の少なくとも一部分と、等角度で重なるように第１シート６６に配置されている。ピラー６８は、１平方インチ当たり約２５個（１ｃｍ２当たり３．８７５個）の密度で第１シート６６上に分配されている。
【００２２】
以上説明したスペーサ６４及びピラー６８の形体が、本実施形態においては好ましいけれども、燃料電池内でのスペーサ及びピラーの大きさ、形状、密度、分布、及び位置は、所与の燃料電池の仕様及び作動パラメータに従って選択してもよいということは当業者に理解されよう。例えば、図５Ａに示すように、スペーサ６４’は、貫通オリフィス７２’が形成された、並設状に配置された六角形として形成される。一組のピラー６８’が三角形として形成され、６個の三角形のサブセットが、下方のスペーサ６４’によって形成された領域の一部分と重なった状態となっている。図５のＢでは、スペーサ６４’’は、貫通オリフィス７２’’が形成された並設状に配置された正方形として形成されている。一組のピラー６８’’が正方形として形成され、四つの正方形のサブセットが、下方の多数のスペーサ６４’’によって形成された領域と重なった状態となっている。「重なった（ｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ）」という用語及び「下方の（ｓｕｂｊａｃｅｎｔ）」という用語は、本明細書中、相対的な用語で使用され、燃料電池６０内の隣接した構成要素の順序を逆にしてもよいということは、当業者には理解されるべきである。
【００２３】
図２、図３Ａ及びＢ、図４Ａ乃至Ｄ、及び図６Ａ及びＢを再度参照すると、これらの図には、セパレータープレート６０が詳細に記載してある。第１シート６６の内側主面８４及び第２シート７６の内側主面８８が、その間に、入口マニホールド９０を形成する。入口マニホールド９０と入口ヘッダ８０との間の流体連通は、フレーム１２２に形成された複数のランナー９２によって形成される。入口マニホールド９０の高さは、ピラー６８の高さで決まる。排出マニホールド１００は、第１シート６６の外面１０４と、拡散媒体３０の隣接した面１０８との間に形成される。このようにして、入口マニホールド９０及び排出マニホールド１００は、プレナムとして機能する。プレナム全体に亘って、圧力がほぼ一定となっている。即ち、マニホールド領域内の圧力差が非常に小さくなっている。排出マニホールド１００からスタックの外側までの流体連通は、このマニホールドを大気に直接連結することによって達成される。換言すると、マニホールド１００は、その周囲に沿って大気に対して開放している。排出マニホールド１００の高さは、ディスク６４の高さで決まる。本実施例においては、入口ヘッダ８０は、セパレータープレート６０の一つの辺縁部に沿って形成されていることが好ましい。排出ヘッダはなく、マニホールド１００は大気出口に直接連結される。しかしながら、入口ヘッダ及び排出ヘッダを任意の適当な態様で形成して、流れ場内へのあるいは流れ場外への反応体ガスの流体連通を提供することもできるということは当業者には理解されよう。
【００２４】
導電性のコネクタ１１０が、第１シート６６、ピラー６８、及び第２シート７６を通して形成された孔１１２を通して配置される。コネクタ１１０を整合させて、ピラー６８を、対応するディスク６４に電気的に接続できるようにしている。
【００２５】
コネクタ１１０は、拡散媒体３０から第２シート７６の外側面１１６までの電気的連続性（導通状態）を提供し、これによって、電流を、セパレータープレート６０の全厚に亘って、及び従って燃料電池スタック１０全体に亘って搬送できる。コネクタ１１０は、孔を含んでいてもよく、これらの小孔には、その内部全体に、或いは別の態様では例えばその内周壁に導体が配置される。導体は、例えばグラファイトを含む。
【００２６】
図４Ａ乃至Ｄ及び図６Ａ及びＢを更に参照し、セパレータープレート６０の作動を説明する。反応体ガスの流路は、三つの別個の流れセグメント、即ち送出レッグ（Ｄ）、活性領域レッグ（Ａ）及び排出レッグ（Ｅ）を備えていることを特徴とする。送出レッグ（Ｄ）中、反応体ガスは、入口ヘッダ８０のところでセパレータープレート６０に進入し、入口マニホールド９０を通って流れる。反応体ガスは、夫々のピラー６８の周囲を比較的自由に（即ち大きな圧力降下なしに且つ決まっていない経路で）流れ、フレーム１２２の内縁部１２０が形成する入口マニホールド９０の横境界（図３参照）内に入る。反応体ガスは、入口マニホールド９０から、ディスク６４及び第１シート６６の夫々のオリフィス７２を通って案内される。
【００２７】
活性領域レッグ（Ａ）は、圧力降下を制御するように設計されている。活性領域レッグ（Ａ）は、流路のほぼ全ての圧力降下を考慮に入れて形成されているため、透過性、長さ、及び断面積が良好に制御された流れ干渉媒体を含む。活性領域レッグ（Ａ）の圧力降下が、送出レッグ（Ｄ）及び排出レッグ（Ｅ）よりもかなり高いということを保証するため、この流れ干渉媒体は、入口マニホールド９０や排出マニホールド１００の空所の空間に対して透過性が低い。活性領域レッグ（Ａ）中、反応体ガスが、オリフィス７２から流れ干渉媒体３０に進入し、ＭＥＡ（図示せず）の面を横切り、スペーサ６４の外境界１２６（図４のＡ参照）のところで流れ干渉媒体３０を出る。
【００２８】
図２及び図４のＤに示すように、活性領域レッグ（Ａ）は、スペーサ６４の面と隣接したオリフィス７２から半径方向である。このようにして、１つのチャンネル（１つの経路）のすなわち一次元的流れ場でなく、平らな即ち二次元的流れ場が提供され、これにより、流れをＭＥＡの反応面に亘って他と異なる流れ分布を可能にする。スペーサ６４の寸法が流路（Ａ）の長さを決める。スペーサ６４の数により、平行な流路の数が決まる。かくして、平らな流れ場は、互いに入り込む（インターディジタルの）チャンネル流れ場と同様であるが、反応体ガスの流れが、チャンネル内の一次元の流れに制限されないため、水の流れが妨げられる可能性がはるかに低い。この互いに入り込む形のような流れ場は、有利である。というのは、酸素が、拡散でなく対流によって、一次電流コレクタを通して搬送され、これによって質量輸送損を大幅に低くできるからである。
【００２９】
スペーサ６４の周囲に拡散媒体の厚さを乗じることにより、流路（Ａ）の断面積が得られる。拡散媒体の透過性により、流路の透過性が決まる。従って、これらのパラメータが、活性領域レッグ（Ａ）の圧力勾配及び全圧力降下を、活性領域に亘る平行な流路の数に応じて決定する。平行な流路の各々に亘る均等な流れ分布が達成される程度は、これらのパラメータを保持する許容差で決まる。寸法（半径及び厚さ）のばらつきが、拡散媒体の透過性のばらつきと比較して、かなり小さいため、流れがどれほど均等に分配されるのかは、拡散媒体の透過性で決まる。本発明の流れ場は、圧力降下が比較的小さな活性領域レッグに集中するため、水を除去する上で非常に効果的である。その結果、流路のこのセグメントでのガスの速度は非常に高く、そのため、液体の水がＭＥＡの近傍から排出マニホールド内に強制的に除去され、ここで燃料電池から放出できる。
【００３０】
次に、図４Ｂ及びＤを参照すると、排出経路（Ｅ）は、スペーサ６４の縁部１２６のところにある、反応体の流れが流れ干渉媒体３０を離れる箇所から、流れが排出ヘッダ８２を通ってセパレータープレート６０を出る箇所まで、形成される。排出物の流れは、スペーサ６４の外境界１２６の周囲を比較的自由に（即ち、大きな圧力降下を伴わずに、又は所定の経路を）流れ、フレーム即ちシール１３０（図２参照）内に入る。
【００３１】
次に、図６のＡ及びＢを参照すると、本明細書中に説明したように、二つのセパレータープレート６０が裏側と裏側とを向き合わせた形体で配置されており、バイポーラプレート２０を形成する。図４のＡに示す第２シート７６は、バイポーラプレート２０に配置したとき、単一のシートでできていてもよい。明瞭化を図るため、第２セパレータープレートは同様の構成要素を持つように示してあり、２００だけ大きくした参照番号が付してある。図示の形体では、セパレータープレート６０は、カソード反応体を流れ干渉媒体３０に送出するように構成されており、セパレータープレート２６０は、アノード反応体を流れ干渉媒体２８に送出するように構成されている。電気コネクタ１１０は、相補的電気コネクタ２１０と整合し、これによって、隣接したＭＥＡ１４と１６との間を電気的に連通する。
【００３２】
次に、図７を参照すると、セパレータープレート６０の製造方法が、全体に参照番号３００を付したフローチャートで示してある。可撓性回路材料及び製造技術を使用して、流れ場の形成を行なう。工程３０２では、導電性材料からなる第１のシート（第１の導体シート）を、ポリイミドフィルム等のガス不透過性ポリマーフィルムに積層する。前記導電性材料は、好ましくは、例えば、厚さが０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ（１０ミル））のステンレス鋼である。ポリイミドフィルムは、好ましくは、厚さが０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ（２ミル））の材料シートである。適当なポリイミドフィルムとしては、Ｅ．Ｉ．デュポン社が製造しているカプトン（カプトン（Ｋａｐｔｏｎ）は登録商標である）が挙げられる。工程３０４で、前記導電性材料にエッチングを施し、ディスクのアレイ等の所望のパターンを形成する。エッチング後、ディスクのアレイがポリイミドから好ましくは０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ）延びる。
【００３３】
工程３０６でディスクに通路を形成する。通路は、エッチング等の任意の適当な技術によって形成されてもよい。工程３０８では、導電性材料からなる第２のシート（第２の導体シート）を、ガス不透過性のポリマーフィルムからなる第２のシート（第２のポリマーフィルムシート）に積層する。本実施形態においては、好ましくは、第２の導体シートは、厚さが０．２５４ｍｍ（０．０１０インチ（１０ミル））のステンレス鋼であり、第２のポリマーフィルムシートは、厚さが０．０５０８ｍｍ（０．００２インチ（２ミル））のカプトンフィルムである。工程３１２において、ディスクに関して説明したのと同じ方法で、前記導体層にエッチングを施し、ピラーを形成する。工程３１８では、第２のポリイミドフィルムシートのピラー側を、第１のポリイミドフィルムシートのディスクとは反対側の面に積層する。第１及び第２のポリイミドシート間に形成された空間は、送出経路又は入口マニホールドを形成する。工程３２４において、孔が、セパレータープレートに組み込まれ、該孔は、第２のポリイミドシート、各ピラー、及び第１のポリイミドシートを通って延在する。  工程３３０では、導電性材料を小孔に配置し、導電性経路を形成する。前記導電性経路は、孔全体を導体で充填することによって、又は、孔の周壁を導体でコーティングすることによって、形成できる。導電性経路により、電流を、全流れ場に亘って、並びに、隣接したセパレータープレート間で、最終的には燃料電池スタック全体に流すことができる。
【００３４】
当業者には、以上の教示から、本発明の広範な教示は様々な形態で実施できるということは理解されよう。例えば、セパレータープレート６０に設けられた状態で示してある多数のスペーサ６４は、多数の平行な流路を形成し、ディスクの数はこれよりも少なくても多くてもよい。スペーサ６４の幾何学的形体は、別の態様では、例えば、矩形、三角形、又は台形等の他の形状を含んでいてもよい。更に、入口マニホールド９０の高さを形成するピラー６８は、上文中に説明したように、別の形状を備えていてもよい。更に、４つのピラー６８が単一のスペーサ６４と対応するように示してあるが、同様にこの他の割合を使用してもよい。従って、本発明をその特定の例と関連して説明したが、本発明の真の範囲はこれによって限定されることはない。というのは、図面、明細書、及び特許請求の範囲を検討すると、当業者には他の変更が明らかになるためである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、ＰＥＭ燃料電池スタックに一対の相補的なばねシールを含む、燃料電池の分解斜視図である。
【図２】図２は、図１に示すバイポーラプレートの部分分解斜視図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の好ましい実施例によるセパレータープレートの排出側の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａのセパレータープレートの入口側の平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図３Ａのセパレータープレートの４−４線に沿った部分断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、流路の送出レッグ、活性領域レッグ、及び排出レッグを示す、図４Ａのセパレータープレートの部分断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、セパレータープレートの入口側の詳細図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、セパレータープレートの排出側の詳細図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の変形例によるセパレータープレートの入口側の部分平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の別の変形例によるセパレータープレートの入口側の部分平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、入口ヘッダを通るバイポーラプレートの断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、排出ヘッダを通るバイポーラプレートの断面図である。
【図７】本発明によるセパレータープレートを形成するための工程を示すフローダイヤグラムである。
【符号の説明】
【００３６】
２０  非孔質導電性バイポーラプレート
１０  部分ＰＥＭ燃料電池スタック
１４、１６  ＭＥＡ
１４ａ  反応性アノード面
１４ｃ  反応性カソード面
１６ａ  反応性アノード面
１６ｃ  反応性カソード面
１８  拡散媒体
２２、２４  非孔質導電性バイポーラプレート
２６、２８、３０、３２  流れ干渉媒体
３８  酸素源又は空気源
４０  供給配管
４８  水素源
５０  供給配管
６０  セパレータープレート
６４  導電性スペーサ又はディスク
６６  ガス不透過性シート
６８  導電性スペーサ即ちピラー
７２  オリフィス
７６  ガス不透過性シート
８０Ａ、８０Ｃ  入口ヘッダ
８２Ａ、８２Ｃ  排出ヘッダ
【図１】
2007519187.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
2007519187.tif 000007
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
2007519187.tif 000011
【図５Ｂ】
2007519187.tif 000012
【図６Ａ】
2007519187.tif 000013
【図６Ｂ】
2007519187.tif 000014
【図７】
2007519187.tif 000015
【国際調査報告】
2007519187.tif 000016
2007519187.tif 000017
2007519187.tif 000018