(57)【要約】  本発明は、交互に位置する陽極及び陰極バイポーラ・ハーフプレート（１，１′）を含むタイプの燃料電池用バイポーラ・プレートに関する。各バイポーラ・ハーフプレートの中央部は活性帯域（２）を含み、一方、その周辺部は、少なくとも２つの酸化剤槽、少なくとも２つの燃料槽、及び少なくとも２つの冷却剤槽を形成するための複数のカットアウト（４，４′，５，５′，６）を含む。更に、少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートは、周辺部のカットアウトと活性帯域の間に少なくとも１つの接続リブ（８，８′，１０，１２）を有する。外面から突出して、各冷却剤槽のカットアウトは封止リブ（７，７′）に囲まれており、各バイポーラ・ハーフプレートの周辺部は、冷却剤槽の封止リブに接続すると共に酸化剤及び燃料槽を囲む、活性帯域の封止リブ（１５，１５′）を含む。更に、２つの冷却剤槽間のリブ断片（１５，１５′）によって形成される各チャンネルは、ブロッキング手段（１７，１７′）によって遮られている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用バイポーラ・プレートであって、
互いに固着された陰極バイポーラ・ハーフプレート及び陽極バイポーラ・ハーフプレートを含み、
各バイポーラ・ハーフプレート（１，１′）がプレートによって構成され、
該プレートは、その中央部分に活性帯域（２）を含むと共に、その周辺部分に、少なくとも２つの酸化剤ユニットと、少なくとも２つの燃料ユニットと、少なくとも２つの熱交換流体ユニットとを構成するための複数のカットアウト（４，４′，５，５′，６）を含み、
少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレート（１，１′）が、周辺部のカットアウト（４，４′，５，５′，６）と活性帯域（２）の間に少なくとも１つの接続リブ（８，８′，１０，１２）を有し、
流体ユニットを構成するためのバイポーラ・ハーフプレートの各カットアウト（４，５，６）が、バイポーラ・ハーフプレートの外面に突出する流体ユニット封止リブ（７，７′，９，９′，１１）によって囲まれており、
各バイポーラ・ハーフプレートが、バイポーラ・ハーフプレートの外面に突出し、かつ、熱交換流体ユニットの封止リブ（７，７′）に連続して接続すると共に、酸化剤及び燃料ユニットの封止リブ（９，９′，１１）を外側で囲む、活性帯域を封止するリブ（１５，１５′）をその周辺部に含み、
２つの熱交換流体ユニット間のリブ断片によって構成される各チャンネルが、ブロッキング手段によって遮られている、ことを特徴とする燃料電池用バイポーラ・プレート。
【請求項２】
２つの熱交換流体ユニット間のリブ断片によって構成されるチャンネルを遮る少なくとも１つの手段が、バイポーラ・ハーフプレートの内面に突出し、かつ、２つの熱交換流体ユニット間のリブによって構成されるチャンネルを遮るために、他のバイポーラ・ハーフプレートの封止リブ（１５，１５′）の内側と協働するための、ピン（１７，１７′）によって構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用バイポーラ・プレート。
【請求項３】
前記熱交換流体ユニットを封止するリブ（７，７′，９，９′，１１）及びバイポーラ・ハーフプレートの活性帯域を封止するリブ（１５，１５′）が、熱交換流体の入口ユニット及び出口ユニットを封止する２つのリブ間に位置する少なくとも１つの帯域内を除いて、他のバイポーラ・ハーフプレートの対応する封止リブに対向し、この帯域において、少なくとも各バイポーラ・ハーフプレートが、その内面に突出し、かつ、リブを遮るために他のバイポーラ・プレートの活性帯域の封止リブ（１５，１５′）の内部と協働する、ピン（１７，１７′）を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用バイポーラ・プレート。
【請求項４】
少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレート（１，１′）が、リブ及び少なくとも１つのピンが絞り加工によって製造される金属板からなることを特徴とする請求項２又は３記載のバイポーラ・プレート。
【請求項５】
切断及び絞り加工された金属板によって構成される少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートが、ステンレス鋼から構成されることを特徴とする請求項４記載のバイポーラ・プレート。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の少なくとも１枚のバイポーラ・プレートを含む膜／電極組立体によって構成された、少なくとも１個のセルを有するタイプの燃料電池。
【請求項７】
前記バイパスを遮る手段が、ポリマー製ストッパであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン（proton；陽子）交換膜を有するタイプの燃料電池用バイポーラ・プレートに関する。バイポーラ・プレート（bipolar plate）は互いに固着された２枚のバイポーラ・ハーフプレート（bipolar half-plate）によって構成され、各バイポーラ・ハーフプレートは、概ね矩形状のプレートによって構成される。そのプレートは、その中央部分に活性帯域を構成するリブ（ribs；突出部）のネットワーク、その周辺部分に流体ユニットを構成するための複数のカットアウト（cut-out；切り抜き）、及びシールを行うためのリブを含む。
【背景技術】
【０００２】
プロトン交換膜を有する燃料電池は、例えば水素含有ガス等の燃料と例えば酸素含有ガス等の酸化剤との電気化学反応により発電する装置からなり、燃料と酸化剤とは固体電解質で構成される壁体によって分離されている。この種の装置において、燃料と酸化剤が反応して、例えば水等の反応生成物を生成すると同時に、各種の用途に利用可能な電流を発生する。
【０００３】
一般に、燃料電池は、各々が電極／膜組立体で構成される反応性セル又は基本セルのスタックによって構成され、上記組立体は、一方において燃料、他方において酸化剤、及び最終的に水等の冷却熱交換流体の循環のためのチャンネルを有する、２枚のバイポーラ・プレート間に挿入される。電極／膜組立体は、自体公知の多層材料からなり、２つの活性層間にそれ自身が配置された固体電解質の膜で構成される層を含み、上記活性層は、拡散層と称される２つの外層でそれ自身が被覆される一方において陰極、他方において陽極を構成する。基本セルのスタックは２つの端子板間に固着された状態で保持され、上記端子板は、一方の端子板から他方の端子板に延び、かつ、基本セルのスタックを貫通して延びるピンによってフランジが取り付けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、バイポーラ・プレートは、耐腐食性及び導電性に関して良好な特性を有する材料から製造される。例えば、グラファイト等の炭素含有材料、ポリマー含浸グラファイト、又は機械加工もしくは成形加工（moulding）により成形されたグラファイトの可撓性シートから製造されるバイポーラ・プレートは、公知である。また、チタンベース、アルミニウム又は例えばステンレス鋼等の鉄ベースの合金などの金属材料から形成されるバイポーラ・プレートも、公知である。金属材料から製造されるこれらのバイポーラ・プレートは、通常、絞り加工（drawing）又はプレス加工（stamping）により成形された板からなる。絞り加工により成形された金属シートから製造されるバイポーラ・プレートにおいては、流体の取入れ及び副生成物の排出はバイポーラ・プレートの帯域で行われ、このバイポーラ・プレートは、局部的に平坦であって、適切な形状をなすフレームの使用が必要であると共に、バイポーラ・プレートの周辺部のシールにも利用され得る。この技術は、同一のバイポーラ・プレートについて、２枚のバイポーラ・ハーフプレートと、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間に接合部を設けるため並びに流体及び副生成物の供給及び排出をもたらすための補足部材とを更に必要とする、という不都合がある。バイポーラ・プレートは、結果として剛固な（solid）ものとなる。
【０００５】
特に、バイポーラ・プレートが比較的大きい理由の１つは、一方で各流体収集器の周囲にシールを設けると共に、他方でバイポーラ・プレートの全周にシールを設ける必要があることである。流体の全ての供給又は排出とバイポーラ・プレートの全周とを兼ねたシールを行うために、同じリブを使用することは不可能である。というのは、異なった流体の混合を引き起こすからである。
【０００６】
本発明の目的は、公知の板より軽くて経済的な金属板から製造され、同時に異なる流体回路を分離したバイポーラ・プレートを提供することによって、前述の不都合を克服することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、本発明は、互いに固着された陰極バイポーラ・ハーフプレート及び陽極バイポーラ・ハーフプレートを含む燃料電池用バイポーラ・プレートに関し、各バイポーラ・ハーフプレートが、その中央部分に活性帯域を含むと共に、その周辺部分に、少なくとも２つの酸化剤流体ユニットと、少なくとも２つの燃料流体ユニットと、少なくとも２つの熱交換流体ユニットとを構成するための複数のカットアウトを含むプレートによって構成され、少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートが、周辺部のカットアウトと活性帯域の間に少なくとも１つの接続リブを有する。流体ユニットを構成するためのバイポーラ・ハーフプレートの各カットアウトは、バイポーラ・ハーフプレートの外面に突出する流体ユニット封止リブによって囲まれており、各バイポーラ・ハーフプレートは、バイポーラ・ハーフプレートの外面に突出し、かつ、熱交換流体ユニットの封止リブに連続して接続すると共に、酸化剤及び燃料ユニットの封止リブを外側で囲む、活性帯域を封止するリブをその周辺部に含み、２つの熱交換流体ユニット間のリブ断片によって構成される各チャンネルは、少なくとも１つのブロッキング手段によって遮られている。
【０００８】
２つの熱交換流体ユニット間のリブによって形成されるチャンネルを遮る少なくとも１つの手段は、例えば、バイポーラ・ハーフプレートの内面に突出し、かつ、他のバイポーラ・ハーフプレートの封止リブの内側と協働するための、ピンである。好ましくは、冷却流体ユニットを封止し、かつ２枚のバイポーラ・ハーフプレートの活性帯域を封止するリブは、熱交換流体ユニットを封止する２つのリブ間に位置する少なくとも１つの帯域内を除いて互いに対向し、この帯域において、少なくとも各バイポーラ・ハーフプレートは、その内面に突出し、かつ、リブを遮るために他のバイポーラ・プレートの活性帯域の封止リブの内部と協働する、ピンを含む。
【０００９】
少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートは、例えば、リブ及び少なくとも１つのピンが絞り加工によって製造される金属板からなり、切断及び絞り加工された金属板によって構成される少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートは、ステンレス鋼から構成される。本発明は、また、本発明の少なくとも１枚のバイポーラ・プレートを含む膜／電極組立体によって構成される電池に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明が、更に詳細に、しかし添付の図面を参照して非限定的な方法で以下に説明されるであろう。一方の面のみが見える図１に示すバイポーラ・プレートは、それぞれ、陰極又は陽極のバイポーラ・ハーフプレート１と陽極又は陰極のバイポーラ・ハーフプレート１′（図２に一部が見える）とから構成され、２枚のハーフプレートはそれらの内面が互いに固着されている。形状が完全に同等である２枚のハーフプレートは、各々が概ね矩形状の例えばステンレス鋼等の金属板で構成される。各バイポーラ・ハーフプレートの中央部分２は、各バイポーラ・ハーフプレート外面の活性流体及び２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の熱交換流体の流れの良好な分配を与えることを目的とした、活性帯域を構成する。その周辺部に、２枚のバイポーラ・ハーフプレートは、概ね細長く、電池の作動に必要な各種流体の供給・排出用流体ユニットのための通路を設けておくことを目的とした、カットアウト４，５，６を含んでいる。
【００１１】
特に（図面に示すように）上部及び下部に、バイポーラ・プレートは、熱交換流体ユニットを構成するためのバイポーラ・ハーフプレート１のカットアウト４及びバイポーラ・ハーフプレート１′のカットアウト４′を含む。上部のカットアウトは、例えば、熱交換流体供給ユニットの形成を目的とし、下部のカットアウトは熱交換流体排出ユニットの形成を目的とする。２辺の側縁に、バイポーラ・ハーフプレートは、同様に概ね細長く、一方で酸化剤流体用供給・排出ユニット及び他方で燃料流体用供給・排出ユニットを形成するためのカットアウト５，６を含んでいる。
【００１２】
熱交換流体ユニットを形成するためのカットアウト４，４′は、各バイポーラ・ハーフプレート１，１′の外面に突出し、かつシールを行うためのリブ７，７′で囲まれている。また、活性帯域２に向かうハーフプレートの縁部に、カットアウト４，４′は、熱交換流体ユニットの内側と、活性帯域２に面する２枚のバイポーラ・ハーフプレート１，１′間の空間との連通を可能にするリブ８，８′を有する。熱交換流体は、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の空間内を循環するために用いられる。従って、熱交換流体は、熱交換流体ユニットの１つを経由して流入した後、２枚のハーフプレート間を循環し、最後に第二の熱交換流体ユニットを経由して排出されなければならない。
【００１３】
同じように、酸化剤ユニット５，５′又は燃料ユニット６を形成するためのカットアウトは、一方でそれぞれシールを行うためのリブ９，９′，１１で、他方で燃料又は酸化剤用供給・排出ユニットとバイポーラ・プレートの外面との間を連通させるためのリブ１０，１２で囲まれている。酸化剤及び燃料流体は、バイポーラ・プレートの外面と２枚の連続したバイポーラ・プレート間に介在する活性膜との間を循環しなければならず、酸化剤流体は陰極バイポーラ・ハーフプレートの外面を循環し、燃料流体は陽極バイポーラ・ハーフプレートの外面を循環する。
【００１４】
酸化剤又は燃料流体ユニットとバイポーラ・プレートの外面との間を連通させるためのリブは、一方で酸化剤又は燃料流体ユニットの内側に開口し、他方で適合するバイポーラ・ハーフプレートに設けられた開口部を介して他端が開口するリブからなる。リブの一方は陰極バイポーラ・ハーフプレート外面の酸化剤流体に対応し、リブの他方は陽極ハーフプレート外面の燃料流体に対応している。
【００１５】
バイポーラ・プレートの封止全体は、互いに対向し、かつバイポーラ・プレートの外面に突出する、周辺部の２つのリブによって成し遂げられる。周辺部のリブの一方はバイポーラ・ハーフプレートに設けられ、他方のリブは他方のバイポーラ・ハーフプレートに設けられている。各周辺部のリブは、熱交換流体ユニットを形成するためのカットアウト４，４′を囲むリブ７，７′間の接続を提供する断片（segments）１５，１５′を有する。熱交換流体の入口ユニットに対応する開口部をこの流体の出口ユニットに対応する開口部に接続する断片１５，１５′は、酸化剤又は燃料流体ユニットを形成するためのカットアウト５，６の封止リブ９，１１の外側を通る。特定の配置がない場合、各周辺部の封止リブの断片１５，１５′は、上部熱交換流体ユニットのカットアウト４，４′の封止リブ７，７′と対応する下部熱交換流体ユニットのカットアウトの対応する封止リブとの間に、直接的な通路、即ち寄生バイパス（parasitic bypass）を提供するであろう。これは、熱交換流体を供給する封止リブ７，７′とリブ８，８′間の接続のために、冷却される帯域を経由せずに、入口と出口間の冷却流体の寄生回路（parasitic circuit）をもたらすであろう。
【００１６】
上部と下部の熱交換流体ユニット間の上記の寄生連通（parasitic communication）を阻止するために、バイポーラ・ハーフプレート１周辺部の封止リブ１５の断片に、熱交換流体ユニットのカットアウト４を囲む封止リブ７間の接続部のための帯域が設けられる。この接続部１６は、例えば、外方へ延び、それぞれバイポーラ・ハーフプレート１の内面に突出するピン１７によって補足される。
【００１７】
バイポーラ・ハーフプレート１の周辺部のリブ断片１５に対向する周辺部の２つの封止リブ１５′を有するバイポーラ・ハーフプレート１′上に同じように、接続帯域１６′が熱交換流体ユニットを形成するためのカットアウト４′を囲む封止リブ７′の領域内に設けられ、上記帯域１６′は、２枚のバイポーラ・ハーフプレートが固着されると、バイポーラ・ハーフプレート１の各ピン１７が周辺部のリブ断片１５′の対応する部分１６′を遮るように、内側に方向付けられている。ハーフプレート１′上に同じように、バイポーラ・ハーフプレート１′の内面方向に突出するピン１７′が設けられ、ピン１７′は、２枚のバイポーラ・ハーフプレートが互いに固着されると、各ピンが周辺部の封止リブ断片１５の対応する部分１６を遮るように配置されている。
【００１８】
このように、冷却流体ユニットを形成するためのカットアウト４，４′の周辺部の封止リブ７，７′に連続する周辺部の封止リブ断片１５，１５′により、バイポーラ・プレートの空間要件が低減し、周辺部の封止リブ１５，１５′を遮るピン１７，１７′の配置のために、冷却流体用入口ユニットと冷却流体用排出ユニットの間のバイパスの創製が阻止される。
【００１９】
前述のようなバイパスを塞ぐ又は遮る手段は限定されるものではなく、冷却流体供給用ユニットと冷却流体排出用ユニットの間のバイパスを阻止し得るその他の同等の装置を想定してもよい。この手段は、例えば、適切な形状をなし、リブに局部的に挿入され、かつ２枚のバイポーラ・ハーフプレート間で圧縮されるに十分に大きい、ポリマー材料のストッパであってもよい。これらのストッパは接着剤の箇所で所定の位置に保持され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】バイポーラ・プレートの正面図である。
【図２】熱交換流体ユニットの封止リブとカットアウトの間の接続帯域に固着された２枚のバイポーラ・ハーフプレートによって構成されるバイポーラ・プレートの拡大斜視図である。
【図３】熱交換流体ユニットの封止リブ及びカットアウトの接続帯域におけるバイポーラ・プレートの拡大図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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