(57)【要約】流れ場プレート及びその流れ場プレートを含んだ燃料電池スタックが開示されている。本発明の流れ場プレートは、流れ場プレートの中央に形成されたセンター孔（5）と、流れ場プレートの外縁近くの２つの位置に形成された流入孔（6）及び流出孔（7）と、流れ場プレートの一方の側でセンター孔（5）から放射状に延びる流れ溝とを備える。本発明に従う流れ場プレートは、反応剤の拡散に有益であるところの、放射状に延び且つ短い流路を有する流れ溝を備えているので、流れ場プレートに死角（デッドエンド）が存在せず、反応剤を流れ場プレートの各部に均一に分配できる。更に、反応生成物、例えば水、窒素、二酸化炭素なども直ちに排出することができ、流れ場プレートに蓄積しない。それ故、反応剤の利用率と、燃料電池の性能と、使用寿命とが向上する。【選択図】図３
2008535190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流れ場プレート(19)が、当該流れ場プレートの中央に形成されたセンター孔(5)と、当該流れ場プレートの外縁近くの二つの位置に形成された流入孔（6）及び流出孔（7）と、当該流れ場プレートの一方の側において前記センター孔（5）から放射状に延びる流れ溝とを備えていることを特徴とする流れ場プレート。
【請求項２】
前記流れ場プレート（19）が円形、矩形又は楕円形である請求項１に記載の流れ場プレート。
【請求項３】
前記流入孔（6）及び流出孔（7）の各々の位置が前記センター孔（5）に対して対称である請求項１に記載の流れ場プレート。
【請求項４】
前記流れ溝が直線形又は蛇行形である請求項１に記載の流れ場プレート。
【請求項５】
前記流れ場プレートの前記一方の側における全ての流れ溝の底の総面積の、当該流れ場プレートの全表面積に対する比が、１／３から４／５の範囲にある請求項1に記載の流れ場プレート。
【請求項６】
前記流れ場プレートの前記一方の側における流れ溝の深さの、当該流れ場プレートの厚さに対する比が、１／５から１／２の範囲にある請求項１に記載の流れ場プレート。
【請求項７】
前記流れ場プレートの一方の側において前記流入孔（6）及び流出孔（7）の周囲にそれぞれ設けられたシール部材（8）を更に備えている請求項1に記載の流れ場プレート。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の流れ場プレート（19）を備えていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
前記燃料電池スタックが更に、終板（15及び16）、電流伝導板（17及び18）、膜電極（20）並びにシール部材（8）を備え、
前記終板（15及び16）、電流伝導板（17及び18）並びに膜電極（20）の各々の中央にはセンター孔(51,52,53,54及び55)が形成され、
前記終板（16）、電流伝導板（18）及び膜電極（20）の各々が、前記流れ場プレート（19）の流入孔（6）にそれぞれ対応する流入孔（28,11及び13）、並びに、前記流れ場プレート（19）の流出孔（7）にそれぞれ対応する流出孔（29,12及び14）を備え、
前記シール部材（8）が、前記センター孔（5）から放射状に延びる流れ溝を持った流れ場プレート（19）の一方の側の前記流入孔（6）及び流出孔（7）の周囲、並びに、前記流れ場プレート（19）の他方の側の前記センター孔（5）の周囲及び前記流れ場プレートの外縁周辺にそれぞれ設けられている請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックが更に、固定装置を備えている請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記固定装置が、板（81及び83）並びに前記板（81と83）に接続された板（82）を備え、
前記板（81及び83）がそれぞれ終板（16及び15）にしっかりと装着され、
前記板（81）が、前記終板（16）の流入孔（28）及び流出孔（29）にそれぞれ対応する孔（31及び32）、並びに、前記終板（16）のセンター孔(52)に連通する少なくとも一つの孔（24）を具備してなる、請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記固定装置が、それぞれの板のセンター孔を貫いたボルト（22）と、前記ボルト（22）の両端に締め付けられるナット（23）とを備えており、前記ナット（23）が開孔（30）を備える請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックは更にナット（23）の外側に設けられた送風機（37）を備え、
前記送風機（37）と相対する別のナット（23）が開孔（30）を備えており、あるいは備えていない、請求項１２に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の分野に関し、特に、流れ場プレート及びその流れ場プレートを用いた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は燃料及び酸化剤の化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに転化する発電装置で、効率が高くて、汚染が少なく、雑音が小さいことを特徴とする。燃料電池はただ１つの単量体燃料電池だけでもよく、多数の単量体燃料電池から構成した燃料バッテリーでもよい。
【０００３】
一般に単量体燃料電池は、図１に示すように、プロトン交換膜1、陽極2、陰極3及び伝導性極板4を備えている。
【０００４】
プロトン交換膜1は透水気密の一種の半透膜で、それがプロトン伝導作用を持って、酸化剤と燃料の混合による爆発を防止することができる。
【０００５】
陽極2は一種のガス拡散電極で、その支持材は一般に電気伝導の炭素繊維或いはカーボンファブリックから構成する。陽極2とプロトン交換膜1の間には、陽極反応を触媒するための触媒が設けられている。この陽極触媒は典型的には、プラチナ粉末、プラチナを含む合金粉末、キャリヤーに載せるプラチナ、或いはキャリヤーに載せ且つプラチナを含む合金粉末である。前記プラチナ合金がプラチナと、ルテニウム、錫、イリジウム、オスミウム及びレニウムから選択される少なくとも一種とを含んでもよい。前記キャリヤーは高い比表面積と電気伝導機能を持ったキャリヤーで、例えば活性炭である。
【０００６】
陰極3も一種のガス拡散電極である。その構成は、陰極3とプロトン交換膜1の間に設けられた触媒が陰極反応を触媒するために使用されるものである点を除き、陽極の構成と同様である。陰極触媒は典型的には、プラチナ粉末、キャリヤーに載せたプラチナ粉末である。
【０００７】
陽極2と陰極3の外側に伝導性極板4が設けられており、それはグラファイト又は金属で作られている。
【０００８】
燃料電池においては、一般に空気或いは酸素を酸化剤として、水素、メタノール、エタノールなどを燃料とする。例えば、メタノールを燃料とし、空気を酸化剤とする燃料電池の場合、電気化学反応時には以下の反応が起きる。
陽極  CH3OH+H2O→CO2+6H++6e  （1）
陰極  3/2O2+6H++6e→3H2O    （2）
【０００９】
陽極と陰極の反応を総括すると、次のような反応になる。
CH3OH+3/2O2→CO2＋2H2O      (3)
【００１０】
陽極2と陰極3の上記電気化学反応は陽極2と陰極3間に電位差を生じさせる。陽極2が生んだ電子は陽極2外層に位置する伝導性極板4と外部導電体を通って、最後に陰極3によって捕捉され、陽極2が生んだプロトンはプロトン交換膜1を通って直接的に陰極3に伝送され、このようにして電流が生じる。単量体燃料電池が正常に作動する時の電圧は0.3V〜1.0Vの間である。実際の応用時には、より高い電圧とパワーを獲得するために、通常、単量体燃料電池を直列接続して電池スタックの形式に構成する。
【００１１】
流れ場プレートは燃料電池におけるキーパーツの一つである、というのも、流れ場内での反応剤及び生成物の流動状態は、燃料電池内の流れ場プレートの構造に依存する。反応剤を電極に十分且つ均一に提供すると共に直ちに反応生成物を排出させることは、燃料電池の正常な動作を保証するために大変重要である。それ故、もし反応剤が電極の各所に均一に分布しないとするならば、電極での反応が不均質になってしまう。このことは、電流密度の不均一分布による電池の局部過熱をもたらし、電池性能の低下や電池寿命の短縮につながる。また、反応で生じた水を直ちに排出することができないならば、反応の進行に伴って陰極に水が蓄積される。このことは、（1）触媒の周囲の水が反応剤と触媒との接触を困難にし、いわゆる“電極水浸”現象で直接的に電池性能を低下させ、（2）反応剤が拡散層を通って触媒層に到着する物質移動抵抗が増大して、電池出力を低下させ、（3）時には、プロトン交換膜の一部が水の蓄積によって膨潤する、という結果をもたらす。
【００１２】
CN1405909A公報は、燃料電池の流れ場プレートを開示する。図２に示すように、反応剤の分配及び反応生成物の排出の問題を解決すべく、流れ場プレートに多数の平行に延びる流れ溝が形成されたが、その効果は満足のゆくものではなく、問題が依然として存在していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、反応剤を均一に分配し且つ反応生成物を直ちに排出させて、それによって反応剤の拡散及び反応生成物の排出の問題を効果的に解決することができる流れ場プレートを提供することにある。
【００１４】
本発明のもう一つの目的は、この流れ場プレートを使った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】
【００１５】
本発明に係る流れ場プレートは、流れ場プレートの中央に形成されたセンター孔と、流れ場プレートの外縁近くの二つの位置に形成された流入孔及び流出孔と、流れ場プレートの一方の側において前記センター孔から放射状に延びる流れ溝とを備えている。
【００１６】
本発明に係る燃料電池スタックは流れ場プレートを含み、その流れ場プレートが、流れ場プレートの中央に形成されたセンター孔と、流れ場プレートの外縁近くの二つの位置に形成された流入孔及び流出孔と、流れ場プレートの一方の側において前記センター孔から放射状に延びる流れ溝とを備えている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に従う流れ場プレートは、反応剤の拡散に有益であるところの、放射状に延び且つ短い流路を有する流れ溝を備えている。このため、流れ場プレートに死角（デッドエンド）が存在せず、反応剤を流れ場プレートの各部に均一に分配できる。更に、反応生成物、例えば水、窒素、二酸化炭素なども直ちに排出することができ、流れ場プレートに蓄積しない。それ故、反応剤の利用率、燃料電池の性能及び使用寿命が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明に係る流れ場プレート19は流れ場プレートの中央に位置するセンター孔5と、流れ場プレートの外縁に近づく２つの位置に位置する流入孔6及び流出孔7と、当該流れ場プレートの一方の側においてセンター孔5から放射状に延びる流れ溝（ダイバージョン槽）とを含む。
【００２０】
前記流れ場プレート19は、グラファイト或いは金属材料、例えばチタン、ニオビウム、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、金、銀などの電気伝導性能のよい材料で製造されている。腐食を防止するために、流れ場プレートの表面に対して処理してもよくて、例えば高温で窒素の中に置いて、その表面に金属の窒化物を形成させて、腐食防止の効果を持たせる。また、金属とプラスチックの複合材料を採用して製造されてもよい。前記流れ場プレート19は各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、矩形或いは楕円形が好ましい。流れ場プレートのセンター孔5、及び流入孔6と流出孔7もそれぞれ各種の形でもよく、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、六角形或いは四角形が好ましい。センター孔及び流入孔と流出孔の寸法が必要によって製造することができて、酸化剤或いは燃料の流通に満足することができるならばよい。
【００２１】
好ましくは、前記流入孔6と流出孔7の位置はセンター孔5に対して対称である。前記流れ溝は直線形或いは蛇行形である。前記流れ場プレートの前記一方の側における全ての流れ溝の底の総面積の、当該流れ場プレートの全表面積に対する比が、1／3から4／5の範囲にある。前記流れ場プレートの前記一方の側における流れ溝の深さの、当該流れ場プレートの厚さに対する比が、１／５から１／２の範囲にある。
【００２２】
好ましくは、センター孔から放射状に延びる流れ溝を持った前記流れ場プレート19の一方の側において流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれ設けられたシール部材8を備えている。シール部材8は各種の弾力性材料、例えば浸透性ゾルプラスチック、ゴム、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、泡沫材料中の一種以上を採用して製造されてもよい。
【００２３】
本発明の第１実施形態によれば、図３に示すように、前記流れ場プレート19が円形である。流れ場プレートの一方の側において直線の形式でセンター孔から放射状に延びる流れ溝（ダイバージョン槽）を含んでいる。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ円形の流れ場プレートの直径に沿って、流れ場プレートの縁に近づいて、センター孔5に対して対称な２つの位置に位置する。流れ場プレートの前記一方の側における全ての流れ溝の底の総面積の、当該流れ場プレートの全表面積に対する比が1/3であり、前記一方の側における流れ溝の深さの、当該流れ場プレートの厚さに対する比が1/4である。
【００２４】
本発明の第２実施形態によれば、図４に示すように、前記流れ場プレート19が矩形である。流れ場プレートの一方の側において直線の形式でセンター孔から放射状に延びる流れ溝（ダイバージョン槽）を含んでいる。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ矩形の流れ場プレートの対角線に沿って、流れ場プレートの縁に近づいて、センター孔5に対して対称な２つの位置に位置する。流れ場プレートの前記一方の側における全ての流れ溝の底の総面積の、当該流れ場プレートの全表面積に対する比が3/5であり、流れ場プレートの前記一方の側における流れ溝の深さの、当該流れ場プレートの厚さに対する比が1/2である。
【００２５】
本発明の第３実施形態によれば、図5に示すように、前記流れ場プレート19が楕円形である。流れ場プレートの一方の側において直線の形式でセンター孔から放射状に延びる流れ溝（ダイバージョン槽）を含んでいる。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ楕円形の流れ場プレートの長軸に沿って、流れ場プレートの縁に近づいて、センター孔5に対して対称な２つの位置に位置する。流れ場プレートの前記一方の側における全ての流れ溝の底の総面積の、当該流れ場プレートの全表面積に対する比が1/2であり、流れ場プレートの前記一方の側における流れ溝の深さの、当該流れ場プレートの厚さに対する比が1/3である。
【００２６】
本発明に係る燃料電池スタックは流れ場プレートを含んでおり、その流れ場プレートは本発明に従う流れ場プレート19である。つまり前記流れ場プレート19は、流れ場プレート中央に位置するセンター孔5と、流れ場プレートの外縁に近づく２つの位置に位置する流入孔6及び流出孔7と、流れ場プレート19の一方の側において前記センター孔5から放射状に延びる流れ溝（ダイバージョン槽）を含む。
【００２７】
好ましくは、図６に示すように、流れ場プレート19の他方の側に、円弧又は角度付きラインの形式でセンター孔5の周囲に分布し且つ流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝（ダイバージョン槽）を含んでいる。更に好ましくは、流れ場プレート19の前記他方の側における全ての流れ溝の底の総面積の、当該流れ場プレートの全表面積に対する比が1/3-4/5の範囲にあり、流れ場プレートの前記他方の側における流れ溝の深さの、当該流れ場プレートの厚さに対する比が1/5-1/2の範囲にある。
【００２８】
本発明の第４実施形態によれば、図7に示したように、前記燃料電池スタックは、終板15と16、電流伝導板17と18、膜電極20及びシール部材8を含む。その中に、前記終板15と16、電流伝道板17と18及び膜電極20はそれぞれのセンターに形成されたセンター孔51,52,53,54及び55を含む。前記終板16、電流伝導板18及び膜電極20はそれぞれ流れ場プレート19の流入孔6と対応する流入孔28、11、13、及び流れ場プレート19の流出孔7と対応する流出孔29、12、14を含んで、流入孔28、11、6及び13が電池スタックの中に貫通の流入通路35を構成し、流出孔29、12、7と14が電池スタックの中に貫通の流出通路36を構成する。前記シール部材8は、センター孔5から放射状に延びる流れ溝（ダイバージョン）を持った流れ場プレートの一方の側の流入孔6と流出孔7の周囲、及び流れ場プレート19の他方の側のセンター孔5の周囲と流れ場プレートの外側周辺に設置されている。
【００２９】
一般に、前記流れ場プレート19は一つの板でもよく、しっかり貼り付けた二つの板から構成するものでもよい。前記流れ場プレート19が一つの板ならば、前記流れ場プレートの“一方の側”と“他方の側”がこの板の２つの面である。流れ場プレート19が互いに貼り付けた二つの板から構成するならば、前記流れ場プレートの“一方の側”と“他方の側”は二つの板をしっかり貼り付けた後に構成した流れ場プレート全体の２つの面である。
【００３０】
前記終板15と16、電流導電板17と18、流れ場プレート19及び膜電極20は各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、矩形或いは楕円形が好ましい。前記終板、電流導電板、流れ場プレート及び膜電極のセンター孔、流入孔と流出孔もそれぞれ各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、六角形或いは四角形が好ましい、且つセンター孔、流入孔及び流出孔の寸法が必要によって製造されて、酸化剤或いは燃料の流通に満足するならばよい。
【００３１】
前記終板15と16はアルミニウム、ステンレス、チタン或いはエンジニアリングプラスチックなどの材料を採用して製造してもよい。前記電流導電板17と18は銅、ステンレス鋼、チタン、銀、金或いはグラファイトなどの材料を採用して製造してもよく、電流の出力及び外部への電気エネルギーの伝送に用いる。前記流れ場プレート19はグラファイト或いは金属材料、例えばチタン、ニオビウム、アルミニウム、銅、ステンレス、金、銀など電気伝導性能のよい材料を採用して製造されてもよい。前記膜電極20は陰極拡散層、陽極拡散層、拡散層に載せる触媒層、及びプロトン交換膜から構成してもよく、その構成、構造及び材料は当分野の当業者により知られている。前記シール部材8は各種の弾力性材料、例えば、浸透性ゾルプラスチック、ゴム、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、泡沫材料中の一種以上を採用して製造してもよい。
【００３２】
前記終板16、電流導電板18、流れ場プレート19及び膜電極20がそれぞれ含んだ流入孔28、11、6、13と流出孔29、12、7、14は、位置、形及び寸法に全部互いに対応しているために、燃料電池スタックの中に貫通の流入通路35と流出通路36をそれぞれ構成することができる。前記流入通路35と流出通路36は燃料或いは酸化剤の伝送に用いられる。
【００３３】
好ましくは、前記燃料電池スタックはまた固定装置を含む。前記固定装置は、終板15と16、電流導電板17と18、多数の流れ場プレート19及び多数の膜電極20を一体に組み立てることに用いられる。
【００３４】
本発明の第５実施形態によれば、前記固定装置は板81及び83並びに板82を含む。板81と83はそれぞれ終板16と15にしっかり装着される。板82は各種の公知の機械接続方式、例えばネジ接続、溶接、接合などによって接続して、好ましくはネジ接続によって板81と83を一緒に接続して、板81、82と83が一体に密閉のコンテナを構成する。しかも、前記板81に終板16の流入孔28及び流出孔29とそれぞれ対応する孔31と32を持ち、孔31が酸化剤の入口として、孔32が酸化剤の出口として使用される。また、板81に、終板16のセンター孔52に連通する少なくとも一つの孔24を具備してなる。この孔24はコンテナへの燃料の供給、及び電池スタック中の反応生成物のコンテナ外部への排出に用いられる。
【００３５】
板81と板83及び板82を利用して燃料電池スタックに対して締め付ける時、ネジ接続によって板82と板83を一緒に接続してから、終板15、電流伝導板17、複数の流れ場プレート19、複数の膜電極20、電流伝導板18及び終板16を順にこのコンテナの中に配置し、更にネジ接続によって板81と板82を一緒に接続する。その中に、板81、82と83の寸法及びそれらによって囲んだコンテナの形と大きさは必要によって変化することができる。この過程において、板81と83がそれぞれ終板16と15としっかり貼り付けることを保証すべきである。しかも酸化剤の順次伝送に用いる流入通路35と流出通路36に形成するように、複数の流れ場プレート19、複数の膜電極20及び電流伝導板18の流入孔6、13、11と流出孔7、14、12が、それぞれ終板16の流入孔28と流出孔29及び板81の孔31と32と互いに対応・貫通することを保証すべきである。最後に、板81の孔24を通ってコンテナの中に燃料を供給し、燃料で全体のコンテナを満たす。この燃料電池スタックが組み立てた後の構造は図8が示す通りであり、図に見られる通りに、この固定装置を持った燃料電池スタックは、燃料箱と電池スタックを一体にするというやり方で、燃料電池スタックの構造を簡略化させて組み立てを便利にするという利点を持つ。更に、酸化剤輸送の入口通路と出口通路が互いに分離しているため、酸化剤の拡散の濃度勾配を形成することができ、酸化剤の拡散を促進できる。
【００３６】
この燃料電池スタックにおいて、放射状に延びる流れ溝を持った流れ場プレート19の一面が、燃料拡散用の面として、センター孔を通って燃料を流れ場プレート全体に均一に分配することに用いられる。しかも図３に示すように、流れ場プレートのこの表面の流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれシール部材8を設置して、燃料極への酸化剤漏れを防止している。センター孔5の周りに分布し且つ流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝を持った流れ場プレート9の一方の側が、酸化剤拡散用の面として、流入孔を通ってこの表面に流入した酸化剤を流れ場プレート全体に均一に分配させ、そして最後に流出孔に集めるために用いられる。しかも図６に示すように、酸化剤を隔離すべく、シール部材8が流れ場プレートのこの表面のセンター孔5の周囲及び流れ場プレートの外側周辺にそれぞれ設置されており、これにより、酸化剤が燃料極に拡散して燃料と直接反応することを防止することができる。
【００３７】
板81と83及び板82を利用して燃料電池スタックを締め付けた場合には、燃料が板81の上の少なくとも１つの孔24を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができ、且つセンター孔を通って、放射状に延びる流れ溝を持った各流れ場プレートの表面に拡散する。すると、燃料は、センター孔から外縁に放射状に延びる流れ溝を通ってその面の各部に拡散し、センター孔5の周囲に分布して流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝を持った流れ場プレートの他の面で酸化剤と電気化学的に反応する。燃料電池スタックの各板がセンター孔を持っているため、電池スタック全体の中央に連通路が形成される。それゆえ燃料は、燃料電池スタックの中のすべての区域に拡散することができ、且つ反応生成物も板81の孔24を通って燃料電池スタックの外に排出することができる。この過程において、流れ場プレートに「死角（デッドエンド）」が無いために、反応産物としての二酸化炭素が溝や通路に集積しない。
【００３８】
酸化剤、例えば空気或いは酸素は、板81の孔31によって流入通路35を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができる。酸化剤輸送の入口及び出口の通路が互いに離れているため、酸化剤拡散の濃度勾配を形成することができ、このことは、センター孔5の周囲に分布し且つ流入孔6及び流出孔7に連通する流れ溝を持った流れ場プレートの表面に酸化剤を拡散することに有益である。酸化剤は、センター孔5の周囲に分布し且つ流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝を通って面の各部に拡散して、放射状に延びる流れ溝を持った流れ場プレートの他の面で燃料と電気化学反応を起こす。反応後の産物及び反応しなかった物が流出通路36に集まって、最終的に板81の孔32を通って燃料電池スタックから排出される。これらの過程において、流れ場プレートに「死角（デッドエンド）」が無いために、水詰まり及び窒素の富化（集積）が溝や通路に出現しない。
【００３９】
本発明の第６実施形態によれば、前記固定装置は、前記終板15と16、電流伝導板17と18、多数の流れ場プレート19及び多数の膜電極20のセンター孔51,52,53,54及び55を貫くボルト22と、ボルト22の両端に締め付けられたナット23とを含む。しかもナット23は、燃料電池に酸化剤を供給する拡散通路としての開孔30を有する。この開孔30の寸法は燃料電池スタックの構造と適応しており、十分な酸化剤の出入を少なくとも保証する。前記ボルト22とナット23の寸法は相応する燃料電池スタックの構造と適応しており、少なくとも燃料電池スタックの締め付けを保証する。
【００４０】
それゆえ、ボルト22とナット23を利用して燃料電池スタックを締め付ける時、まずボルト22と１つのナット23を固定して、それから終板15、電流伝導板17、複数の流れ場プレート19、複数の膜電極20、電流伝導板18及び終板16を各板のセンター孔によって順次ボルト22に刺し連ねる。この過程において、燃料輸送に用いる流入通路35及び流出通路36を形成するために、複数の流れ場プレート19、複数の膜電極20及び電流伝導板18の流入孔6、13、11と流出孔7、14、12とを、終板16の流入孔28及び流出孔29にそれぞれ整合し且つ連通すべきことに注意しなければならない。最後は、別の一つのナット23をボルト22にしっかりとねじって、それによって組み立てを完成する。この種類の燃料電池スタックの組み立てを完成した後の構造は図9に示す通りである。図９から見られるように、この固定装置を持った燃料電池スタックでは、ボルトと燃料通路の分離が実現される。それ故、燃料がボルトに接触しない情況で燃料電池スタック内を密封状態で流れることができ、それによりボルトが腐食せず、燃料を汚染しない。更に、燃料の入口及び出口の通路の分離により、燃料拡散の濃度勾配を形成することができ、燃料の拡散にとって有利である。
【００４１】
この燃料電池スタックでは、放射状に延びる流れ溝を持った流れ場プレート19の一面が酸化剤の拡散用の面として、センター孔を通って流通する酸化剤を流れ場プレート全体に均一に分布させることに用いられる。しかも図３に示すように、流れ場プレートのこの表面の流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれシール部材8を設置して、酸化剤極に燃料が漏れるのを防止している。センター孔5の周囲に分布し且つ流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝を持った流れ場プレート19の一面が、燃料拡散用の面として、流入孔を通ってこの表面に流れ込んだ燃料を流れ場プレート全体に均一に分布させ、且つ最後に流出孔に集めることに用いられる。しかも図６に示すように、燃料を隔離すべく、流れ場プレートのこの表面のセンター孔5の周囲及び流れ場プレートの外周辺にそれぞれシール部材8が設置されており、これにより、燃料が酸化剤極に拡散して酸化剤と直接反応するのを防止することができる。
【００４２】
ボルト22とナット23を利用して燃料電池スタックを締め付けた場合には、酸化剤、例えば空気或いは酸素は、自然対流の方式によって燃料電池スタックの内部に流れ込むことができ、センター孔を通って、放射状に延びる流れ溝を持った各流れ場プレートの表面へ拡散する。すると酸化剤は、センター孔から外縁へ放射状に延びる流れ溝を通って面の各部分に拡散して、センター孔５の周囲に分布し且つ流入孔６及び流出孔７と連通する流れ溝を持った流れ場プレートの他の面で燃料と電気化学反応を起こす。燃料電池スタックの各板はセンター孔を持つために、電池スタック全体の中心に連通路が形成される。そのために酸化剤は燃料電池のすべての区域へ拡散することができ、すぐに燃料電池反応に必要な新鮮な酸化剤を燃料電池スタックに補充できる。しかも、反応した産物及び反応しなかった物を燃料電池スタックから排出し、それによって溝や通路で水詰まり及び窒素の富化（集積）という現象が発生しない。
【００４３】
燃料は、終板１６の流入孔28から流入通路35を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができる。燃料の入口及び出口の通路が分かれているため、燃料拡散の濃度勾配を形成することができ、これにより燃料が、センター孔5の周囲に分布して流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝を持った流れ場プレートの表面へ拡散するのに有益となっている。燃料は、センター孔5の周囲に分布して流入孔6及び流出孔7と連通する流れ溝を通って面の各部へ拡散し、放射状に延びる流れ溝を持った流れ場プレートの他の面で酸化剤と電気化学反応を起こす。反応後の燃料は流出通路36に集まり、最終的に終板16の流出孔29を通って燃料電池スタックから流れ出る。これらの過程において、流れ場プレートに「死角（デッドエンド）」が無いために、反応産物の二酸化炭素が溝又は通路に集まるという現象が起きない。
【００４４】
図１０は、本発明の他の実施形態による燃料電池スタックの構造説明図である。この実施形態では、酸化剤は自然対流の形式を採用しないで、送風機37を利用して空気を供給する。送風機37は一つのナット23の外側に設けられてもよく、他方で、送風機37と相対する別のナット23に開孔30が形成されても又は形成されなくてもよい。この実施形態の残りの部分は図9に示した実施形態と同様である。それ故、本発明に従う燃料電池スタックがナット23の外側に設けられた送風機37をまた含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】単量体燃料電池の電極構造説明図である。
【図２】CN1405909A公報に開示された流れ場プレートの構造説明図である。
【図３】本発明の流れ場プレートの構造説明図である。
【図４】本発明の流れ場プレートの構造説明図である。
【図５】本発明の流れ場プレートの構造説明図である。
【図６】本発明の流れ場プレートの構造説明図である。
【図７】本発明の燃料電池スタックの構造説明図である。
【図８】本発明の燃料電池スタックの構造説明図である。
【図９】本発明の燃料電池スタックの構造説明図である。
【図１０】本発明の燃料電池スタックの構造説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
図中、「ａｉｒ」は空気、「ｆｕｅｌ」は燃料。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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