(57)【要約】燃料電池で使用される装置であって、この装置はバイポーラプレートからなり、該バイポーラプレートが、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように流れ場チャネルと連通したマニホルドと、このマニホルドと連通したサンプと、を備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池で使用される装置であって、
この装置はバイポーラプレートからなり、
上記バイポーラプレートは、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、このマニホルドと連通したサンプと、を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
上記マニホルドは、反応ガス供給マニホルドからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上記マニホルドは、反応ガス反転マニホルドからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
上記マニホルドは、反応ガス排出マニホルドからなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
上記サンプは、バイポーラプレートの厚み内に部分的に延びた溝からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
上記溝は、曲がり溝部を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
上記曲がり溝部は約９０°方向変換していることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記マニホルドは頂部端部と底部端部とを有し、上記サンプは上記底部端部から延びていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
上記バイポーラプレートは、上記サンプに隣接して冷媒チャネルを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
上記冷媒チャネルと上記サンプとが共通の壁を共用し、この壁がサンプの１つの面および冷媒チャネルの１つの面を形成していることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
上記バイポーラプレートが多孔質材料からなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
上記バイポーラプレートは、液体の移動を妨害するために、サンプ付近に位置しかつマニホルド内に延びたバッフルを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
少なくとも１つの電極と、
この少なくとも１つの電極と組み合わされた複数のバイポーラプレートと、
を備えた燃料電池であって、
上記バイポーラプレートの各々は、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、を備え、かつこの複数のバイポーラプレートは、上記マニホルドと連通したサンプを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
複数のバイポーラプレートの中の少なくとも１つは、燃料電池内での液体の移動を妨害するために、サンプ付近に位置しかつマニホルド内に延びたバッフルを備えることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
少なくとも１つのバイポーラプレートを有し、該バイポーラプレートが、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、を備えてなる燃料電池の制御方法であって、
マニホルドから延びたサンプを構成し、
このサンプ内に水を集め、これによりマニホルド内の水の量を制御する、ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１６】
さらに、上記サンプと該サンプに隣接して位置する冷媒チャネルとの間の圧力差を制御し、これにより、サンプ内の水をバイポーラプレートの多孔質を通してサンプから冷媒チャネルへと付勢することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。より詳しくは、マニホルドと、このマニホルド内の水の量を低減すべく水を集めるように該マニホルドに接続されたサンプと、を備えてなるバイポーラプレートおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は広く知られており、種々の用途で発電を行うために用いられている。一般に、燃料電池の単位セルは、アノードと、カソードと、これらアノードとカソードとの間における高分子イオン交換膜（ＰＥＭ）と、を備えている。アノードおよびカソードは、バイポーラプレート（輸送プレートとも呼ばれる）の間に位置しており、このバイポーラプレートは、流れ場チャネルおよびマニホルドを具備し、流れ場チャネルを通してＰＥＭへと反応ガスを循環させ、周知の電気化学反応により電気を生成している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
燃料電池に関連する一つの問題は、反応ガス中の水である。反応ガスによって運ばれた水蒸気が凝縮し、マニホルド内に集まることがある。供給側のマニホルドにおいては、燃料反応ガスの流れ場チャネルへの流入が凝縮水によって阻害され、燃料電池の「燃料欠乏」を招くことがある。出口側のマニホルドにおいては、流れ場チャネルからの酸素反応ガスの流出を水が阻害し、燃料電池セルにおける圧力損失の増加ひいては運転効率の損失の増加を招くことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
例示するバイポーラプレートおよび燃料電池は、反応ガスマニホルド内に水が溜まることに起因した反応ガス流れ場の水による閉塞を低減する。
【０００５】
１つの例では、バイポーラプレートは、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、反応ガスからの水を集めるために上記マニホルドと連通したサンプと、を備える。
【０００６】
このバイポーラプレートとしては、少なくとも１つの電極を含む燃料電池内で用いられる複数のバイポーラプレートの中の１つでもよい。複数のバイポーラプレートの各々が反応ガスからの水を集めるためにサンプを備えていてもよい。また複数のバイポーラプレートの中のいくつかが、内部に溜まった水の移動を抑制するためのバッフルを備えていてもよい。
【０００７】
例示する燃料電池の制御方法は、燃料電池が少なくとも１つのバイポーラプレートを有し、該バイポーラプレートが、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、を備えたものであって、マニホルドと連通したサンプを構成し、このサンプ内に水を集め、これによりマニホルド内の水の量を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池セルの一実施例の要部の分解斜視図。
【図２】図１のセルで用いられているバイポーラプレートの一実施例を示す図。
【図３】図２のバイポーラプレートの断面図。
【図４】冷媒チャネルを付加したバイポーラプレートの断面図。
【図５】図１に示すセルのバイポーラプレートの他の実施例を示す図。
【図６】図５のバイポーラプレートの反対側を示す図。
【図７】図６のバイポーラプレートの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、一実施例の発電用燃料電池１０の要部を示す分解斜視図である。図示例のように、燃料電池１０は、少なくとも１つの単位セル１２を含んでいる。例えば、発電すべき所望の電気量に応じた複数個の単位セル１２が燃料電池スタックを構成するために用いられる。周知のように、単位セル１２、あるいはこの単位セル１２を複数含む燃料電池スタックは、プレッシャプレート間に周知の形で固定され、燃料電池１０を構成する。さらに、燃料電池１０は、図示していない種々の付加的な構成要素、例えば、反応ガスや冷却水の供給および戻りに関連した構成要素など、を含み得る。当業者には、以下の説明により、開示した実施例が種々の異なる燃料電池の構成に適用できることを認識できるであろう。
【００１０】
図示例においては、単位セル１２は、第１バイポーラプレート１６と第２バイポーラプレート１８との間に位置する膜・電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４を備えており、上記のバイポーラプレート１６，１８は、ＭＥＡ１４の電極に対する位置に応じて、アノード側バイポーラプレートあるいはカソード側バイポーラプレートとも呼ばれる。例えば、ＭＥＡ１４は、カソード触媒電極とアノード触媒電極と高分子交換膜とを含むが、特定の構成に限定されるものではない。
【００１１】
第１バイポーラプレート１６および第２バイポーラプレート１８は、水の通流が許容されるグラファイトなどの多孔質材料から構成することができる。あるいは、燃料電池１０の形式によっては、第１バイポーラプレート１６および第２バイポーラプレート１８の一方あるいは双方が中実状のものとなることもある。
【００１２】
図示例では、第１バイポーラプレート１６と第２バイポーラプレート１８とＭＥＡ１４とが、接合フィルム２０を用いて一体に固定されている。例えば、接合フィルム２０は、低密度ポリエチレンの比較的薄い層からなる。
【００１３】
実施例においては、単位セル１２は、該単位セル１２をシールするとともに反応ガスや冷却水の内部混合を防止するために、ガスケットシステム２２を用いている。例えば、上記ガスケットシステム２２は、第２バイポーラプレート１８のガスケット溝２６内に収容される１つあるいは複数のガスケット２４を備えている。他の例では、ガスケット２４は第１バイポーラプレート１６のガスケット溝内に収容されている。燃料電池１０の個々の構成に応じて、付加的なガスケットが用いられる場合もある。
【００１４】
第１バイポーラプレート１６は、図２にも示すように、ＭＥＡ１４に燃料反応ガスを分配するための流れ場３６を備えている。また、第１バイポーラプレート１６は、供給マニホルド３８と、反転マニホルド４０と、出口マニホルド４２と、を備える。上記供給マニホルド３８は、矢印４４で示すように燃料反応ガスを分配するものである。この燃料反応ガスは、矢印４６で示すように、流れ場３６を通して流れる。反転マニホルド４０は、この燃料反応ガスの流れを、矢印４８で示すように流れ場３６を通る第２の経路へと反転させる。出口マニホルド４２は、使用されなかった燃料反応ガスを流れ場３６から排出する。
【００１５】
上記第１バイポーラプレート１６は、さらに、酸素反応ガスを第２バイポーラプレート１８へ供給するための供給マニホルド５０を備えている。出口マニホルド５２は第２バイポーラプレート１８から酸素反応ガスを排出し、冷媒マニホルド５４は冷媒（例えば水）を第２バイポーラプレート１８へと循環させる。上記供給マニホルド５０、出口マニホルド５２および冷媒マニホルド５４は、流れ場３６に直接には連通していない。
【００１６】
この実施例では、上記反転マニホルド４０および上記出口マニホルド４２は、各々のマニホルド４０，４２から水を集めるサンプ６４を各々備えている。水は、例えば、燃料反応ガスから凝縮する。代替として、燃料電池の設計によっては、マニホルド４０，４２の一方のみにサンプ６４を備えることが望ましい場合もある。
【００１７】
また、サンプ６４は、マニホルド４０，４２内の水量の減少を促進すべく水を集めるのに適した適宜な形状とすることができる。いくつかの例では、流れ場３６のチャネルの入口ないし出口を水が閉塞することがないように、全ての水を集めるのに適した大きさとなっている。従って、サンプ６４は、燃料欠乏や流れ場３６を介した圧力損失の抑制に寄与するという利点もある。
【００１８】
図３は、図２に示す断面線に沿った第１バイポーラプレート１６の断面を示しているが、サンプ６４は、第１バイポーラプレート１６の厚み内に部分的に延びた溝から構成されている。燃料電池１０内に組み込まれた状態では、サンプ６４は、（図３を基準として）左側および底部が第１バイポーラプレート１６の壁によって仕切られ、かつ右側が第２バイポーラプレート１８（隣の単位セル１２のもの）によって仕切られ、頂部がスロート部６６を介して反転マニホルド４０（あるいは代わりに出口マニホルド４２）に開口している。
【００１９】
一実施例においては、溝の形成は、流れ場３６のチャネルの形成に用いる方法と同様の方法でもって、例えば機械加工や成形プロセスを利用することによって、行われる。
【００２０】
開示した実施例では、サンプ６４の各々は、スロート部６６と、リザーバ部６８と、これらのスロート部６６とリザーバ部６８とを接続する曲がり溝部７０と、を備えてなる。明らかなように、マニホルド４０，４２内の液体の水は、重力によってスロート部６６を介してサンプ６４内へ流れ落ちる。そして、この水は、曲がり溝部７０を通ってリザーバ部６８へ流れ、これによってサンプ６４内に保持される。
【００２１】
開示した実施例では、曲がり溝部７０はスロート部６６とリザーバ部６８との間で約９０°方向変換しており、水をサンプ６４内に拘束することに寄与している。従って、仮に第１バイポーラプレート１６が傾斜（例えば燃料電池１０を用いた自動車の傾斜）した場合でも、サンプ６４は水を保持している。例えば、図２において反時計回り方向に第１バイポーラプレート１６が回転したとすると、反転マニホルド４０に接続されているサンプ６４内の水はリザーバ部６８の左端へ向かって流れ、従ってサンプ６４内に拘束される。出口マニホルド４２に接続されているサンプ６４内の水はスロート部６６へ向かって流れ、もし比較的多量の水が存在している場合には、スロート部６６へ向かうとともに出口マニホルド４２の左側の壁へ向かうので、流れ場３６のチャネルの出口を閉塞することはない。
【００２２】
さらに、サンプ６４を有する第１バイポーラプレート１６が燃料電池スタックの中で複数用いられる場合には、このサンプ６４は、マニホルド４０，４２内の水が揺動することを抑制するバッフルとして機能する。このようにサンプ６４は水を拘束し、あるいは、流れ場３６のチャネルの入口・出口が水に晒されることを規制し、これによってその閉塞を制限する。
【００２３】
また上記サンプ６４の形状は、既存のバイポーラプレートに適したものであり、バイポーラプレートの小型化を損なうことがない。すなわち、上記サンプ６４は、既存のバイポーラプレートで使われていないスペース、つまり冷媒チャネルやガスケット溝を備えていないスペースなど、の中に形成されている。これに関し、上記サンプ６４は、機械加工や他の適当な形成プロセスを用いて、既存のバイポーラプレートに「レトロフィット（後付け）」することができる。
【００２４】
図４に示すように、任意選択的に、第１バイポーラプレート１６のサンプ６４の近くに位置する冷媒チャネル７２を設けるようにしてもよく、この冷媒チャネル７２は、冷却水が循環するように少なくとも１つの冷媒マニホルド５４と連通している。図示例では、冷媒チャネル７２は、バイポーラプレート１６のサンプ６４とは反対側に形成されている。この例では、冷媒チャネル７２とサンプ６４とが共通の壁７４を共用しており、この壁７４が、サンプ６４の面７６ａおよび冷媒チャネル７２の面７６ｂを形成している。
【００２５】
第１バイポーラプレート１６が多孔質材料からなる実施例では、冷媒チャネル７２がサンプ６４からの水の除去に寄与する。例えば、冷媒チャネル７２内の水の圧力は、サンプ６４の水の圧力よりも低く、これにより、サンプ６４内の水は、矢印７８で示すように多孔質の共通の壁７４を通してサンプ６４から冷媒チャネル７２へと移動するように付勢される。従って、サンプ６４内に水が集められたとしても、冷媒チャネル７２が水を除去し、これにより、水の蓄積が制御される。圧力差の大きさは、ポンプやバルブ等を用いて、冷媒チャネル７２を通る水の流れの制御ならびに反応ガス圧力の制御を介して、周知の方法により制御することができる。
【００２６】
また、第２バイポーラプレート１８が図５に示されており、図１や図５では見えていない第２バイポーラプレート１８の反対の側が図６に示されている。第２バイポーラプレート１８は、一方の側に冷媒流れ場８４を有し、反対側に酸素流れ場８６を有している。第１バイポーラプレート１６と同様に、第２バイポーラプレート１８は、反応ガスや冷媒の供給や排出のためのマニホルドとして機能する種々の開口部を備えている。例えば、第２バイポーラプレート１８は、冷媒を冷媒流れ場８４へ供給するための冷媒マニホルド５４を備える。
【００２７】
図６のように、供給マニホルド５０および出口マニホルド５２は、酸素反応ガスを酸素流れ場８６へと矢印８７のように循環させるために、第２バイポーラプレート１８を貫通して延びている。供給マニホルド５０は、酸素反応ガスを酸素流れ場８６のチャネルの入口へ分配する。同様に、これらの酸素流れ場８６のチャネルは出口を有し、この出口から、使用されなかった酸素反応ガスが出口マニホルド５２へと排出される。
【００２８】
さらに、供給マニホルド３８、反転マニホルド４０、および出口マニホルド４２が、上述したように燃料反応ガスを第１バイポーラプレート１６へ循環させるために、第２バイポーラプレート１８を貫通して延びている。これらの供給マニホルド３８、反転マニホルド４０、出口マニホルド４２は、冷媒流れ場８４や酸素流れ場８６のチャネルには直接には連通していない。
【００２９】
図示例では、出口マニホルド５２の各々が凝縮水を集めるためのサンプ９０を備えている。図７から明らかなように、サンプ９０は出口マニホルド５２の底部付近に位置しており、出口マニホルド５２内の水が重力でもってサンプ９０内へ流れ、これにより流れ場８６のチャネルの出口を閉塞することが回避される。従って、サンプ９０によって、上述したサンプ６４と同様の利点が得られる。
【００３０】
図示例では、サンプ９０は、第２バイポーラプレート１８の厚み内に部分的に延びた溝からなる。燃料電池１０内に組み込まれた状態では、サンプ９０は、（図７を基準として）左側および底部が第２バイポーラプレート１８の壁によって仕切られ、かつ右側がＭＥＡ１４によって仕切られ、頂部が出口マニホルド５２に開口している。代替例として、サンプ９０を第２バイポーラプレート１８の反対側に形成し、該サンプ９０の左側が隣の単位セル１２の第１バイポーラプレート１６によって仕切られるようにすることもできる。さらに、図４に示した冷媒チャネル７２と同様に、サンプ９０からの水の除去を促進するように、隣接した冷媒チャネルを第２バイポーラプレート１８に設けるようにしてもよい。サンプ６４と同様に、サンプ９０も、閉塞を回避すべく水を集めるのに適した形状および大きさとすることができ、かつ既存のバイポーラプレートに「レトロフィット」することができる。
【００３１】
開示した実施例では、サンプ９０は、出口マニホルド５２の下方に位置する略矩形の溝からなる。しかしながら、他の例では、サンプ９０は、同程度の水収容のために、サンプ６４と同様に、曲がり溝部を備えることが望ましい。しかし、酸素反応ガス流れの閉塞は燃料欠乏を招来するものではなく主に圧力損失および効率の損失を引き起こすものであるから、いくつかの燃料電池の設計では、流れ場８６のチャネルの出口の閉塞は、流れ場３６の燃料チャネルの閉塞に比べて、問題の重大性がやや低い。
【００３２】
上述したように本質的にバッフルとして機能するサンプ６４に加えて、図１〜図４に示すように、バイポーラプレート１６が別個のバッフル部材１６４を備えるようにしてもよい。これらのバッフル１６４は、マニホルド４０，４２に入り込むようにスロート部６６を越えて短い距離だけ上方へ延びたバイポーラプレート１６の延長部によって構成されている。このバッフル１６４は、マニホルド４０，４２内でのセル１０の厚さに沿った長手方向への水の流れを妨害する役目を果たし、水の揺動をさらに抑制する。バイポーラプレート１６におけるマニホルド４０，４２と組み合わせたバッフル１６４についてのみ説明したが、同様の機能を有する追加のバッフル１６４をマニホルド５２に設けることもできることは理解できるであろう。
【００３３】
図示例では、複数の特徴を組み合わせたものを示しているが、本発明の種々の実施例の利点を得るために、必ずしも全てを組み合わせる必要はない。換言すれば、本発明の実施例に沿って設計されたシステムは、図に示した特徴の全てあるいは図に示した部分の全てを必要とするものではない。さらに、１つの実施例から選択した特徴と他の実施例から選択した特徴とを組み合わせることもできる。
【００３４】
以上の説明は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の要旨を逸脱せずに、開示した実施例の変更ないし修正は当業者には明らかであろう。本発明の法的保護の範囲は、後述の請求範囲によってのみ定まる。  
【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】
2011517838.tif 000008
【図７】
2011517838.tif 000009
【国際調査報告】
2011517838.tif 000010
2011517838.tif 000011