(57)【要約】【課題】  改良燃料電池性能を提供するカソード流れ場を提供する。【解決手段】  燃料電池流れ場は多数のチャネルを有し、各チャネルは、チャネルに沿うすべての縦方向位置の酸素利用率が所定のチャネル長及び空気化学量論比に対して実質的に一定に維持されるようにチャネル長にしたがって変化する断面積を有する。各チャネルは実質的に一定の深さを有する平坦な床と、床から上方に延びる一対の側壁とを含み、各側壁はチャネル入口からチャネル中心線に対して凸曲面を有する出口に内方に先細る。流れ場の至る所で実質的に一様な酸素利用率を達成することにより、流れ場の至る所で実質的に一様な電流密度を生じ、これは燃料電池動作を効率的にするために、また性能を改善するために望ましいことである。【選択図】図１
2008527639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）  入口と、
（ｂ）  出口と、
（ｃ）  前記入口及び前記出口の間で縦方向に延びる実質的に一定の深さの床と、
（ｄ）  前記床から上方に延びる一対の対向する側壁とを含み、前記一対の対向する側壁は該側壁間でチャネルの幅を規定し、前記チャネルは前記入口から前記出口に前記チャネルの長さにしたがって急減する、燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項２】
前記チャネルの幅は自然指数関数にしたがって減少する、請求項１に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項３】
選択した縦方向の位置の前記チャネルの幅は前記選択した縦方向の位置の自然指数関数に比例する、請求項２に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項４】
前記自然指数関数は前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比から得られる定数の関数である、請求項３に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項５】
前記定数は前記空気化学量論比の関数の自然対数である、請求項４に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項６】
前記選択した縦方向の位置の前記チャネルの幅は前記入口の前記チャネルの幅に比例する、請求項４に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項７】
前記選択した縦方向の位置の前記チャネルの幅は、
2008527639.tif 000020
に等しく、ｘは前記選択した縦方向の位置であり、Ｗ（０）は前記入口の前記チャネルの幅であり、Ｌは前記チャネルの長さであり、ＳＴＯＩＣＨは前記流れチャネルが導入される燃料電池の化学量論比である、請求項１に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項８】
請求項１に記載の少なくとも１つの流れチャネルを含む、燃料電池分離板。
【請求項９】
前記流れチャネルは互いに分離リブによって横方向に離隔する、請求項１に記載の多重カソード流れチャネルを含む、請求項８に記載の燃料電池分離板。
【請求項１０】
前記流れチャネルは集合して、ほぼ台形状に配列される流れ場を規定する、請求項９に記載の燃料電池分離板。
【請求項１１】
前記分離リブは実質的に一定の幅を有する、請求項９に記載の燃料電池分離板。
【請求項１２】
各流れチャネルの前記入口に配置された部分的な分離リブを含む、請求項１１に記載の燃料電池分離板。
【請求項１３】
チャネルに沿うすべての縦方向位置の酸素利用率は、選択された空気化学量論比及びチャネル幅に対して実質的に一定に維持されるように前記チャネルの長さにしたがって変化する断面積を備える、燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１４】
（ａ）入口と、
（ｂ）出口と、
（ｃ）前記入口及び出口間に縦方向に延びる実質的に一定の深さの床と、
（ｄ）前記床から上方に延びかつ前記入口から前記出口への前記チャネルの長さにしたがって急激に減少する前記チャネルの幅を規定する一対の対向側壁とを含む、請求項１３に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１５】
前記チャネルの選択した縦方向位置の前記チャネルの幅は、前記選択した縦方向位置の関数である指数に累乗される底に比例する、請求項１４に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１６】
前記底は自然対数の底ｅである、請求項１５に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１７】
前記チャネルの選択した縦方向位置の前記チャネルの幅は、前記入口の前記チャネル幅に比例する、請求項１６に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１８】
前記指数は前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比の関数である、請求項１７に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１９】
前記選択した縦方向位置の前記チャネルの幅は、
2008527639.tif 000021
に等しく、ｘは前記選択した縦方向の位置であり、Ｗ（０）は前記入口の前記チャネルの幅であり、Ｌは前記チャネルの長さであり、ＳＴＯＩＣＨは前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比である、請求項１８に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項２０】
前記選択した縦方向位置の前記チャネル領域Ａ（ｘ）は、
2008527639.tif 000022
に等しく、ｘは前記選択された縦方向位置であり、Ｉは全チャネル電流負荷であり、ｓｔｏｉｃｈは前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比であり、Ｉｄは電流密度であり、ＷＲ（ｘ）は前記選択された縦方向位置ｘの前記酸素反応領域の幅であり、ＡＶＡＩＬｏ２（ｘ）は前記選択された縦方向位置ｘの酸素利用率である、請求項１８に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に燃料電池用のカソード流れ場を生成する方法及びそのカソード流れ場を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池において、膜電極一体構造体（ＭＥＡ）は２つの導電性分離板間に配置される。酸化剤及び燃料流れ場は酸化剤及び燃料をＭＥＡの各電解触媒層、特にＭＥＡの燃料側のアノード及びＭＥＡの酸化剤側のカソードに方向付けるための手段を提供する。典型的な反応流体流れ場は流体ストリームが入口及び出口間を流れる、それらの間の少なくとも１つの流体チャネルを有する。流体流れ場は分離板の両面に複数のガラスでカバーしたチャネルを配置することによって、分離板と典型的に一体化される。ガラスでカバーされたチャネルは電極面に対向し、そこで、反応物質は電気化学的に反応される。単一のセル構成では、分離板はアノード及びカソード側の各々に設けられる。分離板は電流収集器として機能し、電極に構造的な支持を提供する。
【０００３】
生じる電気化学反応に理論的に要求される速度より高い流速でカソード燃料流板を通して酸化剤空気を流すことは標準的な工業的実施である。換言すれば、燃料電池内の空気化学量論比は１より大きく、典型的には約２の範囲内である。燃料電池は燃料電池内の局所的な又は全体の酸素欠乏を特に回避するようなかかる空気化学量論比で動作される。酸素欠乏は、酸素の部分圧がカソード流れ場内の１又はそれ以上の位置で臨界的なレベル以下になるとき、起きる複雑な現象である。酸素欠乏の作用は、過酷な事例において膜の表面に熱スポットを引き起こす可能性のあるセル電圧の急激な減少として観察できる。
【０００４】
入口から出口に流れ場に沿って空気が流れるにつれて、空気ストリームの酸素容量は欠乏傾向になり、また空気圧は降下傾向になり、その結果燃料電池の性能は軽減する。本出願人の国際出願ＰＣＴ  ＣＡ０２／００８１６は、入口から出口に幅が連続して先細る流れチャネルの輪郭を描くカソード流れ場を開示する。先細り形状はまっすぐであり、流速は増加し、圧力降下は空気が入口から出口に流れるにつれて、軽減する。流れチャネルの所定位置で増加する空気流速は電気化学反応によって引き起こされるその所定位置で空気内の酸素欠乏を少し補償する。したがって、先細ったチャネルの所定位置の酸素の利用可能性は一定の断面積を有する流れチャネルより大きい。
【０００５】
出願ＰＣＴ  ＣＡ０２／００８１６の真っ直ぐな先細り状チャネルは流れ場の下流端での酸素提供を改善するが、それらのチャネルは流れ場を通して実質的に一定の酸素利用率を達成しない。流れ場を通して一定の酸素利用率を維持することは燃料電池活動領域を通して平等な電流密度を達成することに寄与することと理論化される。
【０００６】
【特許文献１】ＰＣＴ  ＣＡ０２／００８１６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＰＥＭ燃料電池技術の課題の１つは、燃料電池の活動領域の至る所で均一な電流密度を達成することであり、すなわち均一な電流密度は効率的な燃料電池性能を達成するために望ましい。本発明の一般的な目的は改良燃料電池性能を提供するカソード流れ場を提供することである。本発明の特定の目的は特定の動作条件下で燃料電池流れ場の至る所で実質的に一定の酸素利用率を維持することができる流れ場を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの特徴によれば、チャネルに沿うすべての縦方向の位置の酸素利用率が所定のチャネル長及び空気化学量論比に対して実質的に一定に維持されるようにチャネルの長さにしたがって変化する断面積を有する燃料電池カソード流れチャネルが提供される。特に、入口と、出口と、前記入口及び出口間で縦方向に延びる実質的に一定の深さの床と、前記床から上方に延びる一対の対立する側壁であって該側壁間でチャネルの幅を規定する一対の対立する側壁とを含み、前記チャネルは前記入口から前記出口に前記チャネルの前記長さにしたがって急減する、燃料電池カソード流れチャネルが提供される。選択された縦方向の位置のチャネル幅はチャネル入口のチャネル幅に比例し得る。
【０００９】
チャネル幅は自然指数関数にしたがって減少できる。かかる場合、チャネルの選択された縦方向位置のチャネル幅はその選択された縦方向の位置の自然指数関数に比例し得る。自然指数関数は流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比から得られる定数の関数にもなり得る。この定数は空気化学量論比の関数の自然対数になり得る。
【００１０】
本発明の別の特徴によれば、少なくとも１つの上記流れチャネルを含む燃料電池分離板が提供される。選択的に、分離板は多数のかかるカソード流れチャネルを含み、それらの流れチャネルは分離リブによって互いに横方向に離隔される。流れチャネルは集合して、ほぼ台形状に配列できる流れ場を規定する。分離リブは、かかる台形状を可能にするために実質的に一定の幅を有することができる。分離板は各流れチャネルの入口に配置される部分的な分離リブをさらに含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のある実施例によれば、所定のチャネル長及び空気化学量論比で、チャネルの長さに亘って燃料電池電気化学反応に対して実質的に一定に維持する流れチャネルを設計することに基づいて、ＰＥＭ燃料電池用カソード流れ場を製造する方法が提供される。
【００１２】
酸素利用率は燃料電池性能に比例し、また一様な酸素利用率は効率の良い燃料電池動作及び性能を改善するのに望ましい一様な電流密度を促進することが立論される。
【００１３】
酸素利用率は酸素マスフロー及び速度の関数であり、次のように定義される。
2008527639.tif 000003
2008527639.tif 000004
AVAILO2(x)        位置ｘの酸素利用率［ｋｇ・ｍ／ｓ２］
2008527639.tif 000005
ｖ（ｘ）          位置ｘの流速度［ｍ／ｓ］
ρａｉｒ            空気密度［ｋｇ／ｍ３］    
Ｉ                全チャネル電流負荷［Ａ］
Ｓｔｏｉｃｈ      空気化学量論比
Ａ（ｘ）          位置ｘのチャネルにおける（流れの）領域［ｍ］
【００１４】
仮定．  式１（ｂ）を得るために、次の仮定を行った。
１．一様な電流密度：対象物は一様な電流密度を達成できるカソード流れチャネルを生成する。
２．単一相状態（ガス形態）：熱力学の複雑性を軽減するために、反応によって生成される液体水は液体形態の流体のみであると考える。すなわち、他のすべての大部分はガス形態であると考える。
３．流れ区域を横切る、均等に分配された酸素濃度、速度及びマスフロー：複雑な流れパターンはマスフローの複雑性を軽減するために考慮されていない。
４．反応は流れチャネルのみに通用すると考えられる。：モデルは上記リブ活動を考慮していない。
５．定常状態体系：反応及び流れは定常状態、すなわち無変化であると考える。
【００１５】
Ｏ２利用率式導出：式１（ａ）からの式１（ｂ）の導出は以下に記載される。
導出に使用される変数の定義：
ｘ                  チャネル長にしたがう位置［ｍ］
ｖ（ｘ）            位置ｘの流れ速度［ｍ／ｓ］
ＡＶＡＩＬＯ２（ｘ）  位置ｘの酸素利用率［ｋｇ・ｍ／ｓ２］
2008527639.tif 000006
Ｉ              全チャネル電流負荷［Ａ］
Ｉａｃｃ（ｘ）    位置ｘまでの蓄積電流［Ａ］
Ｉｄ            電流密度（一定）［Ａ／ｍ２］
Ｓｔｏｉｃｈ    空気化学量論比
ρａｉｒ          空気密度［ｋｇ／ｍ３］
Ａ（ｘ）        位置ｘの断面流れ面積［ｍ２］
Ｄ（ｘ）        位置ｘのチャネル深さ［ｍ］
Ｗ（ｘ）        位置ｘのチャネル幅［ｍ］
Ｌ              チャネル長［ｍ］
【００１６】
酸素利用率は速度によって酸素マスフローレートとして定義される［ｋｇ・ｍ／ｓ２］
2008527639.tif 000007
カソード流れチャネルにおいて、酸素のマスフローは流れチャネルに沿って空気が移動するように消費される。チャネルに沿う所定位置ｘの酸素のマスフローレートは、
ｘのＯ２マスフロー＝始めのＯ２マスフロー−ｘまでに消費されるＯ２マスフローである。すなわち、
2008527639.tif 000008
である。
【００１７】
これらの式は周知の経験的に得られる燃料電池反応の基本原理、すなわち容積空気流れレート（標準リットル／分［ＳＬＰＭ］）＝０．０１６７×空気化学量論（Ｓｔｏｉｃｈ）×電流負荷（Ｉ）に基づく。値２．７８×１０−７は０．０１６７ＳＬＰＭ空気をｍ３／ｓに変換することによって得られる。
【００１８】
チャネルに沿う所定の位置ｘの酸素の速度（空気速度にも等しい）は、ｘでの速度＝ｘの空気容積レート／ｘでの流れ領域である。
2008527639.tif 000009
式２（ａ）及び２（ｂ）を組み合わせて、
2008527639.tif 000010
（1(b)）
を得る。
【００１９】
式１（ｂ）は、酸素利用率の量を一様に増加すること（酸素化性能が増大すること）は次のものによって達成できることを示す。
・電流密度（Ｉｄ）の増加
・酸化物化学量論比の増加
・チャネル長（Ｌ）の増加
・平均チャネル幅（Ｗ）の増加
・空気密度（ρair）の増加
・チャネル深さ（Ｄ）の減少
【００２０】
上述のように、一様な電流密度を有する燃料電池を製造することが望ましい。一様な電流密度はカソード流れチャネルの長さ（ｘ）に亘って一様な酸素利用率を維持することによって達成できると仮定して、式１（ｂ）はｘにしたがって酸素利用率を一定に保持することは流れ領域の変化を要求することを示す。チャネル長にしたがう各位置の流れ領域Ａ（ｘ）は以下の式７に示されるようにＡ（ｘ）を求めるための式１（ｂ）を解くことによって決定できる。矩形状流れ領域プロファイル（すなわち、直線の床及び側壁）に対して、チャネル幅及び深さは、チャネル長ｘにしたがってチャネル幅又は深さ（Ｗ又はＤ）を変化させる幅Ｗ（ｘ）及び深さＤ（ｘ）の積として領域Ａ（ｘ）を規定することによってチャネル内の所定の縦方向位置ｘで決定できる。
2008527639.tif 000011
変更した深さプロファイルを有するカソード流れチャネル
【００２１】
カソード流れチャネルは、スタックの至る所で一定の酸素利用率を達成するために一定の幅及び可変深さプロファイルで製造される。かかるチャネルプロファイルは次の通り計算される。
【００２２】
式３において前もって得られるように酸素利用率の式を使用し、
2008527639.tif 000012
そして、チャネル深さＤ（ｘ）の値を求める。
2008527639.tif 000013
【００２３】
酸素利用率ＡｖａｉｌＯ２及び幅Ｗが一定であると仮定すると、次の式４が得られる。
2008527639.tif 000014
(4)
【００２４】
結果は深さプロファイルがｘに線形的であることである。
変更した深さのアプローチに対して、一様なＯ２利用率を全体的に増加させること（酸素化性能を増大させること）は効率順に、
・電流密度（Ｉｄ）の増加；
・化学量論の増加；
・チャネル長（Ｌ）の増加；
・チャネル幅（Ｗ）の増加；
・空気密度（ρａｉｒ）の増加；又は
・平均深さ（Ｄ）の減少を要求する。
【００２５】
変更した幅プロファイルを有するカソード流れチャネル
分離板の厚さを最小限にすることを望むと仮定すると、チャネルの深さを浅く維持することが望ましい。したがって、チャネルの最深部分を収容するのに十分厚い板を要求するチャネルの深さを変更する代わりに、チャネルの長さに亘って一定の酸素利用率を達成するためにのみ、チャネルの深さを一定に維持し、チャネル幅を変更することを提案する。
【００２６】
再度、Ｏ２利用率の式は、
2008527639.tif 000015
である。一定の酸素利用率ＡｖａｉｌＯ２及びチャネル深さＤを適用すると、
2008527639.tif 000016
【００２７】
Ｗ（ｘ）を求めるためには、
2008527639.tif 000017
を解く。
【００２８】
式（５）は、
2008527639.tif 000018
を得るために簡易化できる。
【００２９】
図１を参照して、チャネルプロファイルは、特定の動作空気化学量論ＳＴＯＩＣＨ及びチャネル長Ｌを前提として、一定の平坦なチャネル床を仮定すると、チャネル長にしたがう各位置（ｘ）で式６のＷ（ｘ）の値を解くことによって規定できる。結果として生じるカソードチャネル１０は入口から出口へ内方に向かって先細りする、凸面をなす側壁１４を有する一定の深さの床１２を有する。側壁１４は出口端１６の方に向かって内方に広がり、入口１８は最大幅を有し、またチャネルプロファイルは縮小レートの輪郭を有する。すなわち、チャネル幅は式６にしたがって、入口から出口にチャネルの長さにしたがって急激に（指数関数的に）減少する。
【００３０】
図２を参照して、図１に示されるチャネルプロファイルを有する多数のチャネル１０はカソード流れ場２２を形成するために分離板２０に適用できる。流れ場２２は、分離リブ２４が入口１８から出口１６に比較的均一の幅を持つことができるようにほぼ台形状に配列される。すなわち、先細り（テーパ）流れチャネルを有する慣用の矩形流れ場形状を使用することはリブに先細りプロファイルも持たせることを要求すると理解できる。かかる先細りリブのプロファイルはリブに接触するかなりの量のＭＥＡを生じ、膜活動領域が減少し、また膜材料の効率的でない使用になる。ＭＥＡ材料は比較的高価なので、ほぼ均一なリブ幅を使用するＭＥＡ活動領域を最大にすることが望ましい。ほぼ台形の流れ場形状を使用することは、流れ場２２が台形状分離板２０上で適合できるように又は他の構成部品例えば多岐管（図示せず）用の予備の空間を有する伝統的な矩形状の分離板上で適合できるようにする。
【００３１】
分離板２０は各チャネル１０の入口に配置された部分リブを含む。部分リブ２６はチャネル側壁１４間の距離を減少させる役目を果たし、上部ＭＥＡ（図示せず）用のブリッジ構造として機能する。
【００３２】
変更した断面積を有するカソード流れチャネル
代替技術が矩形状チャネル断面（平坦な床、垂直壁）なしで一定のＯ２利用率プロファイルを生成するために使用されると、その場合は、新しい変数ＷＲ（ｘ）が式１（ｂ）に導入される。ＷＲ（ｘ）はチャネル内の所定の縦方向位置ｘの酸素反応領域の幅として定義される（正方形状チャネル断面に対しては、ＭＥＡ／ＧＤＬ露出反応幅はチャネル幅と同じであるとしてＷＲ（ｘ）＝Ｗ（ｘ）である）。Ａ（ｘ）は、チャネルプロファイルに基づいて、反復法により計算される。この式によって、チャネル長にしたがって一定のＯ２利用率を維持する種々のチャネル断面流れ形状が可能になる。例えば、代替のチャネル断面流れプロファイルは限定的ではないがＵチャネル、多角形チャネル、半円チャネル、隅肉チャネル隅部、可変面取りチャネル隅部、可変側壁傾斜度チャネル又は可変床ベベルを含むことができる。
2008527639.tif 000019
【００３３】
実例
カソード分離板２０の原型はハイドロジェネックスＦＣＡＴＳテストステーションを使用して可変電流密度及び次の条件で検査された。
空気化学量論：２．５
燃料化学量論：１．５
相対湿度（ＲＨ）：８０〜１００％
電池温度：６５℃
外部背圧：なし
ＭＥＡ：
・材料：ゴアＰＲＩＭＥＡシリーズ５５１０
・設計：２５μｍ、０．４Ｐｔ／０．４Ｐｔ  Ｃ＆Ａ負荷
ＧＤＬ：
・材料：ＳＧＬ  カーボン  ３０ＢＣ
・設計：ＭＥＡ活動領域に適合切断した０．３２ｍｍ厚、７７％多孔率
カソードチャネルプロファイル
・材料：ＳＧＬ  カーボン  ＢＢＰ  ４  黒鉛
・設計：５．７ｍｍで一定０２利用率チャネル-＞１．２９５空気化学量論設定で１．３ｍｍ幅、１９チャネル評価、０．３ｍｍチャネル深さ、１〜０．６ｍｍ（入口〜出口）ランド幅、０．７５ｍｍ×５０ｍｍ（Ｗ×Ｌ）入口チャネルリブ、８６ｃｍ２活動領域
アノードチャネルプロファイル：
・材料：ＳＧＬ  カーボン  ＢＢＰ  ４  黒鉛
・設計：１３通路の蛇行した形態における、８６ｃｍ２の活動領域を包含する寸法１ｍｍ×１ｍｍ×１０５２ｍｍ（Ｗ×Ｄ×Ｌ）のチャネル４個
【００３４】
図６は式６に基づいて分離板２０のカソード流れチャネル用側壁プロファイルを示す。
【００３５】
図４を参照して、検査結果は、本出願人のＰＣＴ出願ＣＡ０２／００８１６に開示される設計に基づく直線状テーパ（先細り）幅／一定深さチャネルを有するカソード流れ場を使用する燃料電池よりピーク電力において１１％改善を達成する、カソード分離板２０を有する燃料電池を示した。カソード分離板２０を有する燃料電池は、類似の深さ、長さ及び平均幅を有する直線非テーパ流れを有する分離板を有する燃料電池を超える性能利点を達成することも期待される。
【００３６】
カソード分離板２０の第２検査は変化するカソード化学量論で次の条件下で行われた。
空気化学量論：変化中
燃料科学量：１．５
電流：３０及び８６Ａ
相対湿度（ＲＨ）：８０〜１００％
電池温度：６５℃
背圧：なし
ＭＥＡ：
・材料：ゴアＰＲＩＭＥＡシリーズ５５１０
設計：２５μｍ厚、０．４Ｐｔ／０．４Ｐｔ  Ｃ＆Ａ装填
ＧＤＬ：
・材料：ＳＧＬ  カーボン  ３０ＢＣ
・設計：ＭＥＡ活動領域に適合切断した０．３２ｍｍ厚、７７％多孔率
カソードチャネルプロファイル
・材料：ＳＧＬ  カーボン  ＢＢＰ  ４  黒鉛
・設計：５．７ｍｍで一定０２利用率チャネル-＞１．２９５空気化学量論設定で１．３ｍｍ幅、１９チャネル評価、０．３ｍｍチャネル輪郭、０．３ｍｍチャネル深さ、１〜０．６ｍｍ（入口〜出口）ランド幅、０．７５ｍｍ×５０ｍｍ（Ｗ×Ｌ）入口チャネルリブ、８６ｃｍ２活動領域
アノードチャネルプロファイル：
・材料：ＳＧＬ  カーボン  ＢＢＰ  ４  黒鉛
・設計：１３通路の蛇行した形態における、８６ｃｍ２の活動領域を包含する寸法１ｍｍ×１ｍｍ×１０５２ｍｍ（Ｗ×Ｄ×Ｌ）のチャネル４個
【００３７】
図５を参照して、分離板２０を有する燃料電池の検査結果は、本出願人のＰＣＴ出願ＣＡ０２／００８１６に開示される直線状テーパ幅／一定の深さチャネル設計を有するカソード流れ場及び直線非テーパチャネルを有する慣用の流れ場の両方に比較して、空気化学量論（流れレート）に対する回復力の改善を示した。空気化学量論の改善した回復力は活動領域の至る所で改善した酸素利用率を示した。
【００３８】
本発明は好ましい実施例によって本明細書に記載されるが、種々の変更が本発明に対して行われ、また追加されることを当業者には理解される。変更及び代替は本発明の精神及び範囲内で考慮される。例えば、カソード流れ場は、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の適用においても有用であることが予期される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】特定の動作条件下で実質的に一定の酸素利用率を達成する形状を有するカソード流れチャネルの概略斜視図である。
【図２】図１に示される形状を有する流れチャネルを有する分離板のカソード流れ場の概略平面図である。
【図３】図２に示されるカソード流れ場の概略斜視図である。
【図４】図２，３のカソード流れ場を有する燃料電池の電流密度の関数としての電池性能を示すグラフである。
【図５】図２，３のカソード流れ場を有する燃料電池のカソード化学量論の関数としての電池性能を示すグラフである。
【図６】カソード流れチャネル側壁プロファイルを示すグラフである。
【図１】
2008527639.tif 000023
【図２】
2008527639.tif 000024
【図３】
2008527639.tif 000025
【図４】
2008527639.tif 000026
【図５】
2008527639.tif 000027
【図６】
2008527639.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月6日(2007.9.6)
【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】
（ａ）  入口と、
（ｂ）  出口と、
（ｃ）  前記入口及び前記出口の間で縦方向に延びる実質的に一定の深さの床と、
（ｄ）  前記床から上方に延びる一対の対向する側壁とを含み、前記一対の対向する側壁は該側壁間でチャネルの幅を規定し、前記チャネルの幅は前記入口から前記出口に前記チャネルの長さにしたがって急減する、燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項２】
前記チャネルの幅は自然指数関数にしたがって減少する、請求項１に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項３】
選択した縦方向の位置の前記チャネルの幅は前記選択した縦方向の位置の自然指数関数に比例する、請求項２に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項４】
前記自然指数関数は前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比から得られる定数の関数である、請求項３に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項５】
前記定数は前記空気化学量論比の関数の自然対数である、請求項４に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項６】
前記選択した縦方向の位置の前記チャネルの幅は前記入口の前記チャネルの幅に比例する、請求項４に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項７】
前記選択した縦方向の位置の前記チャネルの幅は、
2008527639.tif 000029
に等しく、ｘは前記選択した縦方向の位置であり、Ｗ（０）は前記入口の前記チャネルの幅であり、Ｌは前記チャネルの長さであり、ＳＴＯＩＣＨは前記流れチャネルが導入される燃料電池の化学量論比である、請求項１に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項８】
請求項１に記載の少なくとも１つの流れチャネルを含む、燃料電池分離板。
【請求項９】
前記流れチャネルは互いに分離リブによって横方向に離隔する、請求項１に記載の多重カソード流れチャネルを含む、請求項８に記載の燃料電池分離板。
【請求項１０】
前記流れチャネルは集合して、ほぼ台形状に配列される流れ場を規定する、請求項９に記載の燃料電池分離板。
【請求項１１】
前記分離リブは実質的に一定の幅を有する、請求項９に記載の燃料電池分離板。
【請求項１２】
各流れチャネルの前記入口に配置された部分的な分離リブを含む、請求項１１に記載の燃料電池分離板。
【請求項１３】
チャネルに沿うすべての縦方向位置の酸素利用率は、選択された空気化学量論比及びチャネル幅に対して実質的に一定に維持されるように前記チャネルの長さに沿って変化する断面積を備え、
（ａ）入口と、
（ｂ）出口と、
（ｃ）前記入口及び出口間に縦方向に延びる実質的に一定の深さの床と、
（ｄ）前記床から上方に延びかつ前記入口から前記出口への前記チャネルの長さにしたがって急激に減少するチャネル幅を規定する一対の対向側壁とを含む、燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１４】
前記チャネルの選択した縦方向位置の前記チャネル幅は、前記選択した縦方向位置の関数である指数に累乗される底に比例する、請求項１３に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１５】
前記底は自然対数の底ｅである、請求項１４に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１６】
前記チャネルの選択した縦方向位置の前記チャネル幅は、前記入口の前記チャネル幅に比例する、請求項１５に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１７】
前記指数は前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比の関数である、請求項１６に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１８】
前記選択した縦方向位置の前記チャネル幅は、
2008527639.tif 000030
に等しく、ｘは前記選択した縦方向位置であり、Ｗ（０）は前記入口の前記チャネル幅であり、Ｌは前記チャネルの長さであり、ＳＴＯＩＣＨは前記流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比である、請求項１７に記載の燃料電池カソード流れチャネル。
【請求項１９】
チャネルに沿うすべての縦方向位置の酸素利用率は、選択された空気化学量論比及びチャネル幅に対して実質的に一定に維持されるように前記チャネルの長さに沿って変化する断面積を備え、
選択した縦方向位置のチャネル領域Ａ（ｘ）は、
2008527639.tif 000031
に等しく、ｘは前記選択された縦方向位置であり、Ｉは全チャネル電流負荷であり、ｓｔｏｉｃｈは流れチャネルが導入される燃料電池の空気化学量論比であり、Ｉｄは電流密度であり、ＷＲ（ｘ）は前記選択された縦方向位置ｘの酸素反応領域の幅であり、ＡＶＡＩＬｏ２（ｘ）は前記選択された縦方向位置ｘの酸素利用率である、燃料電池カソード流れチャネル。
【国際調査報告】
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