(57)【要約】この開示は、高分子電解質の部材を有する燃料電池、および、その部品に関する。【選択図】図２A
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜を有する燃料電池であって：
陰極、陽極、および、陰極と陽極との間に挟まれた高分子膜を含む電気化学パッケージ；
第一および第二のバイポーラプレート；
第一のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陽極との間に配置された陽極区画；および、
第二のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陰極との間に配置された陰極区画、
を含み、
ここで第一のバイポーラプレートおよび第二のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は成形された金属板であり、および、
ここで陽極区画および陰極区画のうち少なくとも一方は、多孔質スペーサーを含む、上記燃料電池。
【請求項２】
前記多孔質スペーサーが、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第一のバイポーラプレートが、成形された金属板であり、前記陰極区画が、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される多孔質スペーサーを含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第二のバイポーラプレートが、成形された金属板であり、前記陽極区画が、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される多孔質スペーサーを含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第一のバイポーラプレートが、電気化学パッケージの陽極と直接接触している、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
第一のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陽極との間に挟まれた多孔質スペーサーをさらに含み、ここで該多孔質スペーサーは、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第二のバイポーラプレートが、電気化学パッケージの陰極と直接接触している、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項８】
第二のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陰極との間に挟まれた多孔質スペーサーをさらに含み、ここで該多孔質スペーサーは、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記電気化学パッケージの陽極が、陽極触媒、および、ガス拡散層を含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電気化学パッケージの陰極が、陰極触媒、および、ガス拡散層を含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記成形された金属板が、隆起部と溝部とを含む波形の金属板である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記成形された金属板が、複数の突起を含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
成形された金属板の平面方向に垂直な断面図における突起のプロファイルが、曲線であるか、複数の直線の線分で構成されるか、または、１つまたはそれより多くの曲線と１つまたはそれより多くの直線の線分とで構成される、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
成形された金属板における前記突起の高さが、０．１〜３．０ｍｍの範囲である、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記成形された金属板における突起の密度が、突起５〜４００個／平方センチメートルの範囲である、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記突起の密度が、成形された金属板の全体にわたり均一である、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記突起の密度が、成形された金属板の全体にわたり変化している、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記成形された金属板が、金属板の一方の側に突起を有する、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記成形された金属板が、金属板の両側に突起を有する、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項２０】
燃料電池スタックであって：
複数の電気化学パッケージ、ここで各電気化学パッケージは、陽極、陰極、および、陽極と陰極との間に挟まれた高分子膜を含む；並びに
複数のバイポーラプレート組立品、
を含み、
ここで該電気化学パッケージおよびバイポーラプレート組立品は、電気化学パッケージが２つのバイポーラ組立品の間に挟まれ、バイポーラプレート組立品が２つの電気化学パッケージとの間に挟まれるように互いに交互に積み重ねられる、上記燃料電池スタック。
【請求項２１】
前記バイポーラ組立品が、一方の側に多孔質スペーサーが取り付けられた平坦なバイポーラプレートと、他方の側に取り付けられた成形された金属板とを含み、ここで該多孔質スペーサーは、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される、請求項２０に記載の燃料電池スタック。
【請求項２２】
前記バイポーラプレート組立品が、溶接、ろう付け、接着、および／または、機械的な加圧によって形成される、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２３】
前記バイポーラプレート組立品が、互いに取り付けられた２つの成形されたプレートを含む、請求項２１に記載の燃料電池スタック。
【請求項２４】
高分子電解質膜を有する燃料電池であって：
陰極、陽極、および、陽極と陰極との間に挟まれた高分子膜を含む電気化学パッケージ；
成形された金属板；
多孔質スペーサー、
を含み、
ここで該陽極または陰極は、成形された金属板または多孔質スペーサーと直接接触している、上記燃料電池。
【請求項２５】
前記多孔質スペーサーが、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網からなる群より選択される、請求項２４に記載の燃料電池。
【請求項２６】
前記成形された金属板が、隆起部および溝部、または、突起およびへこみ、または、流路を形成するチャネルを含む、請求項２５に記載の燃料電池。
【請求項２７】
前記成形された金属板が、電気化学パッケージの陽極と接触している、請求項２４に記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記成形された金属板が、電気化学パッケージの陰極と接触している、請求項２４に記載の燃料電池。
【請求項２９】
高分子電解質膜を有する燃料電池であって：
陰極、陽極、および、陰極と陽極との間に挟まれた高分子膜を含む電気化学パッケージ；
第一および第二のバイポーラプレート；第一のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陽極との間に配置された陽極区画；および、
第二のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陰極との間に配置された陰極区画、
を含み、
ここで第一および第二のバイポーラプレートは平坦な金属プレートであり、および、
ここで陽極区画および陰極区画のうち少なくとも一方は、多孔質スペーサーを含む、上記燃料電池。
【請求項３０】
前記多孔質スペーサーが、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される、請求項２９に記載の燃料電池。
【請求項３１】
前記陽極区画および陰極区画はそれぞれ、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択される少なくとも１つの多孔質スペーサーを含む、請求項３０に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[００１]
本願は、２００８年６月２３日付けで出願された米国仮出願第６１／０７４，８０５号の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
[００２]
本発明の開示は、高分子電解質膜を有する燃料電池の分野を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
[００３]
典型的な高分子電解質膜（「ＰＥＭ」）の燃料電池は、その水和レベルに応じてプロトン伝導を補助する電解質として役立つ高分子膜を有する。高分子膜は、２つの表面（または２つの側面）を有する。１つの表面は、陽極の電極触媒層と接触しており、一方で他方の表面は、陰極の電極触媒層と接触している。陽極触媒によって、水素がそれを構成するプロトンとエレクトロンに解離し、そのプロトンは、上記膜を介して陽極側からその陰極側に移動し、そこでそれらは活性化された酸素種と再結合して、陰極触媒の存在下で水を形成する。
【発明の概要】
【０００４】
[００４]
本発明の開示は、高分子電解質膜を有する燃料電池を提供する。本燃料電池は、陰極、陽極、および、陰極と陽極との間に挟まれた高分子膜を含む電気化学パッケージを含む。本燃料電池はさらに、第一および第二のバイポーラプレート、第一のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陽極との間に配置された陽極区画、および、第二のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陰極との間に配置された陰極区画を含む。さらに、第一および第二のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、成形された金属板であり、および、陽極および陰極区画のうち少なくとも一方は、多孔質スペーサーを含む。
【０００５】
[００５]
本明細書において開示されたように、成形された金属板は、平坦ではない幾何学的形状を有する金属板である。成形された金属板は、隆起部および溝部、複数の突起およびへこみ、複数のホールを有していてもよいし、またあるいは流体が通過するためのチャネルを有していてもよい。多孔質スペーサーは、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択されるか、または、このような構成要素が複合的に組み合わされたものである。
【０００６】
[００６]
さらに本明細書において開示された燃料電池は、その電気化学パッケージの陽極を、成形された金属板と接触した状態で有していてもよいし、さらに、その電気化学パッケージの陰極を、多孔質スペーサーと接触した状態で有していてもよい。本燃料電池はまた、成形された金属板と陽極との間に挟まれた多孔質スペーサーを含んでいてもよい。
【０００７】
[００７]
加えて本明細書において開示された燃料電池は、その電気化学パッケージの陰極を、成形された金属板と接触した状態で有してもよいし、その電気化学パッケージの陽極を、多孔質スペーサーと接触した状態で有してもよい。本燃料電池はまた、成形された金属板と陰極との間に挟まれた多孔質スペーサーを含んでいてもよい。
【０００８】
[００８]
また本発明の開示は、燃料電池スタックも提供する。本燃料電池スタックは複数の電気化学パッケージを含み、それぞれ陽極、陰極、陽極と陰極との間に挟まれた高分子膜を含み、加えて複数のバイポーラプレート組立品も含み、ここで電気化学パッケージとバイポーラプレート組立品は、電気化学パッケージが２つのバイポーラプレート組立品の間に挟まれ、さらにバイポーラプレート組立品が２つの電気化学パッケージとの間に（または、電気化学パッケージとエンドプレート組立品との間に）挟まれるように交互に配置される。
【０００９】
[００９]
本明細書で用いられるように、バイポーラプレート組立品（これは、燃料電池の構成要素の組み合わせである）は、少なくとも１つのバイポーラプレートと、バイポーラプレートに取り付けられた、または、それに隣接する少なくとも１つのその他の構成要素とを含む。具体的な実施態様において、バイポーラプレート組立品は、一方の側に取り付けられた、または、それに隣接する成形された金属板と、他方の側に取り付けられた、または、それに隣接する多孔質スペーサーとを有する平坦なバイポーラプレートを含む。具体的な実施態様において、バイポーラプレート組立品はまた、２つの成形された金属板を含んでいてもよく、この金属板が一緒に積み重ねられて、それらの間に冷却流体通路としての役割を果たす可能性があるスペースが形成される。
【００１０】
[００１０]
この開示は、さらに、陰極、陽極、および、陰極と陽極との間に挟まれた高分子膜を含む電気化学パッケージ；第一および第二のバイポーラプレート；第一のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陽極との間に配置された陽極区画；および、第二のバイポーラプレートと電気化学パッケージの陰極との間に配置された陰極区画を含む燃料電池を提供する。第一および第二のバイポーラプレートはそれぞれ平坦な金属プレートであり、陽極区画および陰極区画のうち少なくとも一方は、多孔質スペーサーを含む。
【００１１】
[００１１]
この燃料電池の具体的な実施態様において、陽極区画および陰極区画はそれぞれ、穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網から選択された、または、このような構成要素が複合的に組み合わされた、少なくとも１つの多孔質スペーサーを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】[００１２]  図１Ａは、本開示における成形された金属板の例の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本開示における成形された金属板の例の概略図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本開示における成形された金属板の例の概略図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本開示における成形された金属板の例の概略図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本開示における成形された金属板の例の概略図である。
【図２Ａ】[００１３]  図２Ａは、本開示による燃料電池の実施態様の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、電気化学パッケージとの様々な接触パターンの概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、電気化学パッケージとの様々な接触パターンの概略図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、電気化学パッケージとの様々な接触パターンの概略図である。
【図３】[００１４]  図３は、本開示による燃料電池のその他の実施態様の概略図である。
【図４】[００１５]  図４は、本開示によるさらなる燃料電池の実施態様の概略図である。
【図５】[００１６]  図５は、所定の燃料電池の構成要素の組み合わせが組み立てられた場合における接触抵抗を示すデータプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
[００１７]
本明細書において開示されたように、膜電極接合体（「ＭＥＡ」）は、一方の側に陽極触媒、および、その反対側に陰極触媒を有する高分子膜を意味する。ガス拡散層（「ＧＤＬ」）として知られている導電媒体は、ＭＥＡの２つの側の一方または両方に隣接して取り付けてもよいし、または、置いてもよい。ガス拡散層は、カーボンペーパー、黒鉛繊維（ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｃｌｏｔｈ）、または、その他の多孔質でフレキシブルな導電性材料、または、それらの複合材料で作製される。
【００１４】
[００１８]
具体的な実施態様において、電極触媒は、高分子膜の表面に直接適用することができる。追加の実施態様において、電極触媒は、高分子膜に隣接する触媒層に包含させてもよい。あるいは、触媒をガス拡散層に適用して、続いて触媒を高分子膜に隣接して化学的に取り付けてもよいし、機械的に取り付けてもよいし、または、置いてもよく、それにより触媒をガス拡散層と高分子膜との間に挟まれた状態にすることができる。前者のケースにおいて、ガス拡散層は、本燃料電池を作動させるのに必須ではない。本明細書において開示されたように、電気化学パッケージ（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｐａｃｋａｇｅ，「ＥＣＰ」）は、両側にガス拡散層が取り付けられたＭＥＡ、または、一方の側だけに１つのガス拡散層が取り付けられたＭＥＡ、または、ガス拡散層が取り付けられていないＭＥＡを含む構成要素を意味する。従って、ＥＣＰの陽極は、ＥＣＰの陽極触媒を含む側を意味し、ＥＣＰのの陰極は、ＥＣＰの陰極触媒を含む側を意味し、これにガス拡散層が取り付けられていてもよいし、または取り付けられていなくてもよい。それゆえに、燃料電池の構成要素が、ＥＣＰの電極と直接接触している場合、その構成要素は、触媒、触媒層と直接接触しているか、または、ガス拡散層と直接接触しているかのいずれかであり得る。
【００１５】
[００１９]
ＥＣＰの陽極と、導電性（例えば、黒鉛または金属）ガスバリア、すなわちバイポーラプレートとの間のスペースである陽極区画には、燃料ガス（例えば水素含有ガス）が供給される。ＥＣＰの陰極とバイポーラプレートとの間のスペースである陰極区画には、酸化剤ガス（例えば、空気のような酸素含有ガス）が供給される。陽極区画と陰極区画それぞれに流体通路を作るために、スペーサーを用いてもよい。スペーサーは、導電性であり、意図的に流体を通過させるようにした材料から製造することができる。
【００１６】
[００２０]
具体的な実施態様において、単一の燃料電池は、ＥＣＰ、陽極区画、陰極区画、２つのバイポーラプレートを含み、さらに任意に、１つまたはそれより多くのスペーサーを含んでいてもよい。「燃料電池スタック」は、連続して電気的に接続された複数の単一の燃料電池を含み、一般的に、一方の燃料電池の陽極区画と他方の燃料電池の陰極区画との間に冷却セルが挟まれている。冷却流体は、ガス状、または、液状、または、多相であり、冷却セルを通過することにより隣接する陽極および陰極区画と熱交換して、そこで温度制御することができる。加えて、または、その代わりに、水性の液体冷却剤が、陽極または陰極区画内部の陽極ガスまたは陰極ガスと混合されても、温度制御を達成することができる。
【００１７】
[００２１]
本明細書で用いられるように、多孔質構造は、構造材料と接触可能な空隙の両方からなる構造であり、ここで「構造材料」とは、接触不可能な空隙がいくつか混在している固体材料を意味し、ここで「接触可能な空隙」とは、多孔質構造を通る自由な流体の流れを促進するのに役立つ空隙を意味し、ここでこのような構造は「開放」の構造であり、これは、構造中の接触可能な空隙内のどれか２つのポイントが、構造の接触可能な空隙内に全体が包含されている仮想の滑らかな曲線経路によって接続が可能であることを意味し、ここで用語「滑らかな」は、曲線経路が、それに沿ったあらゆるポイントで一義的に定義された接線ベクトルを有することを意味し、ここで成句「自由な流体の流れを促進する」とは、上述したあらゆる曲線経路に関して非干渉基準が満たされていることを意味し、これは、曲線経路上のあらゆるポイントに関して、（ａ）前記ポイントをその中心とし、（ｂ）前記ポイントにおいて曲線経路の接線ベクトルに垂直な面にあり、および、（ｃ）５ミクロンの半径を有する円がどのような固体材料とも交差しないことを意味し、さらにここで用語「〜内の」とは、燃料電池の立体配置において構造の凸状の外殻が他の構成要素と組み立てられる際に生じる、構造の凸状の外殻の内部を意味する。
【００１８】
[００２２]
上述したような多孔質構造に基づくスペーサーは、物理的に分かれており、互いに異なる複数の別々の流路を含むスペーサーとは区別される。具体的な実施態様において、１つまたはそれより多くのスペーサーは、燃料電池の陽極および／または陰極区画内に置かれ、ＥＣＰとバイポーラプレートとを電気的に接続している。スペーサーは、多孔質構造で製造されていてもよいし、または、非多孔質構造で製造されていてもよい。
【００１９】
[００２３]
適切な多孔質スペーサーの１種は、穿孔された金属板である。穿孔された金属板は、例えば、円形の穴、六角形の穴、正方形の穴、スロット付きの穴のような穴の配列を有する。穿孔された金属板は、燃料電池区画中のスペーサーとして取り付ける前に、平坦ではない幾何学的形状を形成するために加工してもよい。例えば、穿孔された金属板を型押しして、波状の隆起部と溝部、または、へこみと突起、またはその他の幾何学的形状を形成してもよい。市販されている穿孔された金属板の例は、マクニコルス社（ＭｃＮｉｃｈｏｌｓ  Ｃｏ．，フロリダ州タンパ）から得ることができる。穿孔された金属板がバイポーラプレートとＥＣＰとの間に取り付けられると、その表面にそって、同様に金属板中の穴を通って流れが通過するようになる。
【００２０】
[００２４]
その他の適切な多孔質スペーサーは、エキスパンドメタルの網である。エキスパンドメタルの網は、固体金属のシートに一定間隔でスリットを入れて、それを伸長することによって所定の幾何学的形状（例えば菱形）を有する開口部を作ることによって作製される。標準的なエキスパンドメタルにおいて、菱形の開口部の列はそれぞれ次の列とずれており、不均一な構造が形成される。標準的なエキスパンドメタルのシートをロールさせて、平らなエキスパンドメタルを製造することもできる。
【００２１】
[００２５]
さらなる適切な多孔質スペーサーは金属線の網であり、これは、金属線を織ったり、または、まとめて溶接することによって作製してもよいし、または、穴の開いたシートまたは金属グリッドを単に接着したり、または、互いに隣接させて置くことによって作製してもよい。金属線の網とエキスパンドメタルの網はいずれも市販されており、例えば、メカニカル・メタルズ社（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｍｅｔａｌｓ，Ｉｎｃ．，ペンシルベニア州ニュータウン）から市販されている。エキスパンドメタルの網および金属線の網は、スペーサーとして用いられる場合、まず加工して平坦ではない幾何学的形状に形成してもよい。
【００２２】
[００２６]
スペーサーとして、金属発泡体または黒鉛発泡体の部分品を用いてもよい。このような発泡体は、帯（ｌｉｇａｍｅｎｔ）の相互接続ネットワークを有する網状構造を有する。この独特な構造のために、圧縮されていない状態の発泡材料は、少なくとも７５％に達する多孔率を有する可能性があり、このような多孔率は、例えば８０％より大きく、８５％より大きく、９０％より大きく、９５％より大きく、および、９８％以下である。金属発泡体は市販されており、例えば、ポールベア・アドバンスト・マテリアルズ社（Ｐｏｒｖａｉｒ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．，ノースカロライナ州ヘンダーソンヴィル）から市販されている。また黒鉛発泡体も市販されており、例えば、ポコグラファイト社（Ｐｏｃｏ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ，Ｉｎｃ．，テキサス州ディケーター）から市販されている。
【００２３】
[００２７]
スペーサーおよびＥＣＰが一緒に圧縮される場合、その接触領域は、ＥＣＰの幾何学的表面の面積の合計の７５％未満であってもよく、例えば５０％未満の領域であり、１％〜３５％の範囲の領域、２％〜２５％の範囲の領域、および、５％〜１５％の範囲の領域である。結果として、ＥＣＰ表面の大部分が露出しており、陰極または陽極区画において反応物と容易に接触が可能な状態になる。従って、反応物がＥＣＰにおける触媒に到達するための物質移動の限界が低減する。結果として、多孔質スペーサーを含む燃料電池は、高い出力密度で稼働が可能であり、例えば少なくとも１．０ワット／ｃｍ２で稼働が可能である。
【００２４】
[００２８]
その他の実施態様において、燃料電池は、平坦なバイポーラプレートを含んでもよいし、または、成形された金属板で作製された平坦ではないバイポーラプレートを含んでもよい。本明細書で用いられるように、成形された金属板は、平坦ではない幾何学的形状を有する金属板を意味する。このような金属板は、浮き出し加工された、または、エンボス加工された表面を有していてもよい。このような金属板は、波状の隆起部および溝部を有する波形の金属板であってもよい。またこのような金属板は、不連続のへこみおよび突起を有していてもよい。
【００２５】
[００２９]
成形された金属板は、金属板形成方法（例えば型押し）で製造することができる。また、例えばエッチングおよびレーザー彫刻で、金属板の厚さが変わるように表面材料の一部を除去することによってチャネルを形成していてもよい。成形された金属板の浮き出し加工された表面と、隣接する平坦な表面（例えばＥＣＰ）との間に、閉鎖されたチャネルが形成される可能性がある。結果として、成形された金属板の部分品が、燃料電池において、陰極または陽極区画、同様に、陰極または陽極区画内部のスペーサーの境界となるバイポーラプレートとしての役割を果たす可能性がある。
【００２６】
[００３０]
図１Ａは、金属板の一方の側から突き出ている突起の配列を含む、すなわち「片面突起」の成形された金属板の例を示す。図１Ｂは、図１Ａに示す成形された金属板の金属板に垂直な断面図におけるプロファイルを示す。この実施態様において、金属板の一方の側における突起は、反対側ではくぼみに相当する。さらに、突起の基部付近の領域があり、この領域は、実質的に平坦であり、さらに実質的に同レベルの面である。成形された金属板が２つの平坦なプレートの間に挟まれている場合、流路は、突起を有する側とそれに隣接する平坦なプレートとの間にのみ存在する。反対側には流れのチャネルは存在しないが、これはなぜなら、表面の平坦な部分は平坦なプレートで被覆されており、へこみは相互接続されておらず、流路が形成されないためである。
【００２７】
[００３１]
図１Ｃは、金属板の両側に突起を含む、すなわち「両側突起」の成形された金属板の例を示す。この実施例において、隣接する突起間に平坦な領域はない。図１Ｄは、図１Ｃに示す成形された金属板の金属板に垂直な断面図におけるプロファイルを示す。このような成形された金属板が２つの平坦なプレート間に挟まれている場合、突起が金属板の両側で平坦なプレートと接触して、成形された金属板の両側に流路を形成する。
【００２８】
[００３２]
図１Ｅは、両側突起を有し、突起が錐台形である成形された金属板のその他の例を示す。図１Ｂ、１Ｃおよび１Ｅで説明したように、突起のプロファイルは、曲線からなるプロファイルでもよいし（図１Ｂおよび１Ｄで示した通り）、または、直線の節で構成されるプロファイルでもよいし（図１Ｅ）、または、直線の節と曲線との両方で構成されるプロファイルでもよい。
【００２９】
[００３３]
突起の高さ「Ｈ」は、成形された金属板を挟む２つの平行な仮想の面（すなわち図１Ｂ、１Ｄおよび１Ｆにおける面Ａと面Ｂ）の間の最短距離と定義され、この高さは、０．０５〜５．０ｍｍの範囲であり、例えば０．１〜３．０ｍｍ、０．２〜２．０ｍｍ、０．３〜１．０ｍｍ、および、０．４〜０．６ｍｍの範囲である。突起の密度は、成形された金属板１平方センチメートルあたり突起が１〜１０，０００個の範囲であり、例えば突起が５〜４００個／ｃｍ２、突起が１０〜４００個／ｃｍ２、突起が１０〜２００個／ｃｍ２、および、突起が２０〜２００個／ｃｍ２である。
【００３０】
[００３４]
突起の配列は、１）六角形（これは、１つの突起が６個の隣接する突起で取り囲まれて、六角形を形成していることを意味する）；２）正方形のパターン（これは、４個の隣接する突起が正方形を形成できることを意味する）；または、３）その他の幾何学的パターンであってもよく、さらにそれらの組み合わせでもよい。
【００３１】
[００３５]
成形された金属板の全体にわたる突起の分布は、均一であってもよいし、または、変化してもよい。例えば、成形された金属板の選択された領域（例えば、流体の入り口または出口の付近の領域、または、金属板の中心の周辺の領域）は、成形された金属板の残りの領域よりも高い突起密度を有していてもよい。
【００３２】
[００３６]
成形された金属板の全体にわたる突起のサイズ、高さおよび形状は、均一であってもよいし、または、変化してもよい。本明細書で用いられるように、突起のサイズは、突起の最も外側の固体表面上における影響を受けた地点をその外縁として有する表面領域と定義される。突起の密度が高い領域では、突起はより小さいサイズを有していてもよいし、または、逆もまた同様である。組み立てられた燃料電池において、成形された金属板中の突起はまた、反応物の入り口または出口近くの領域においては、成形された金属板の他の領域における突起と比較してより小さいサイズを有していてもよい。加えて、突起は、その隣接する突起とは異なるサイズを有していてもよい。突起は、流れ抵抗を減少させるために流れ方向に延長していてもよいし、または、混合を強化するために流れ方向を横切って延長していてもよく、加えて突起は、これらの作用が選択的に強化されるような方式で分布させてもよい。具体的な実施態様において、突起の領域は、０．００００２５〜１．０ｃｍ２の範囲であり、例えば０．０００５〜０．８ｃｍ２、０．０００１〜０．５ｃｍ２、および、０．００１〜０．２ｃｍ２の範囲である。
【００３３】
[００３７]
図２Ａにおいて、この開示における実施態様の１つを説明する。本燃料電池は、高分子膜（１０５）と２つのガス拡散層（１０４、１０６）とを有するＥＣＰを含む。陽極および陰極触媒（示さず）は、高分子膜と、ガス拡散層（１０４）および（１０６）それぞれとの間に存在する。平坦なバイポーラプレート（１０１）とＥＣＰとの間に、両側突起を有する成形された金属板（１０２）が置かれている。成形された金属板（１０２）とＥＣＰとの間のスペース（１１３）は、燃料ガスのための流体通路であり、すなわちこれは陽極区画である。成形された金属板（１０２）とバイポーラプレート（１０１）と間のスペース（１１２）は、冷却流体の通路を構成しており、すなわちこれは冷却セルである。
【００３４】
[００３８]
陰極区画中のスペーサー（１０３）は、例えば穿孔された金属板、金属または黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、または、金属線の網のような多孔質材料の部分品であってもよい。これは、ＥＣＰの陰極とバイポーラプレート（１０１）とを電気的に接続する。
【００３５】
[００３９]
図２Ａによる実施態様の一形態は、スペーサーまたはバイポーラプレートを変化させることなく、陽極区画を陰極区画として用いることができる実施態様である（逆もまた同様）。これは、例えば、ＥＣＰの陰極がスペース（１１３）との境界となり、および、ＥＣＰの陽極をスペーサー（１０３）と接触させて配置させるようにしてＥＣＰを逆転させることで達成することができる。
【００３６】
[００４０]
図２Ａによる実施態様のその他の形態は、成形された金属板（１０２）とＥＣＰとの接触ポイントのパターンと、スペーサー（１０３）とＥＣＰとの接触ポイントのパターンとが異なる実施態様である。例えば、図２Ｂは、成形された金属板上の突起とＥＣＰとの間の接触パターンを説明しており、これは、規則的に並んだドットを含むものである。このようなドットは平均直径「Ｄ」を有し、２つの隣接するドット間の典型的な距離は「Ｌ」である。このようなサイズパラメーター「Ｄ」および「Ｌ」は、突起が様々なサイズを有するケース、または、不均一に分布しているケースにおいても同様に定義されるものとする。
【００３７】
[００４１]
一方で、図２Ｃは、ＥＣＰとスペーサーとの間の接触パターンを説明しており、例えば垂線および水平線を有する格子状の金属の網である。これらのラインの平均的または代表的な幅は「δ」であり、２つの隣接するライン間の典型的な距離は「λ」である。図２Ｄは、その他の可能性のあるＥＣＰとスペーサーとの間の接触パターンを説明しており、例えば金属発泡体の場合である。図２Ｄによる接触パターンでは、ＥＣＰと金属発泡体との接触ポイントは、平均直径「ｄ」、および、平均距離「ｌ」を有する。従って、「Ｌ」、「λ」および「ｌ」は、ＥＣＰ表面付近の流体通路の特徴を示す寸法であり、一方で「Ｄ」、「δ」および「ｄ」は、ＥＣＰとの接触ポイントの特徴を示す寸法である。
【００３８】
[００４２]
図２Ａ〜２Ｄによる実施態様の一形態は、「Ｌ／λ」および「Ｌ／ｌ」の値が１よりも大きい実施態様であり、例えばこの値が１〜１００の範囲、２〜５０の範囲、および、３５〜３０の範囲の実施態様である。具体的な実施態様において、「Ｄ／δ」および「Ｄ／ｄ」の値も１よりも大きく、例えば１〜２１００の範囲、または、２〜１０５０範囲、または、３５〜７５３０範囲である。
【００３９】
[００４３]
図２Ａに記載の本燃料電池の実施態様のさらなる形態は、本燃料電池が、より大きい特徴を示す寸法を有する区画において、より小さい特徴を示す寸法を有する区画における圧力よりも高い圧力で稼働することができる実施態様である。ＥＣＰは軟質の材料で作製されており、陽極と陰極区画との間に圧力差が存在する場合、変形する場合がある。このケースにおいて、圧力差によってＥＣＰに力が加わり、ＥＣＰがスペーサー（１０３）を押す。それにもかかわらず、図２Ｃおよび図２Ｄで示されるように、スペーサー（１０３）は多孔質材料、すなわち金属の網または金属発泡体であり、そのＥＣＰとの接触ポイントは、ＥＣＰの表面全体にわたり分布する。その結果として、ＥＣＰに加えられた力はスペーサーによって均一に吸収することができるので、ＥＣＰは変形することはない。歪みが生じたとしても、反応物のガスはそれでもなおスペーサーの孔を通過してＥＣＰの電極に到達することが可能である。
【００４０】
[００４４]
図３に、この開示におけるその他の実施態様を説明する。この実施態様による燃料電池において、陽極区画において、スペーサー（１０７）は成形された金属板（１０２）とＥＣＰとの間に挟まれている。スペーサー（１０７）は、多孔質材料の部分品であってもよく、例えば穿孔された金属板、金属または黒鉛発泡体、織られた、または、溶接した金属線の網、または、エキスパンドメタルの網の部分品であってもよい。この実施態様において、成形された金属板（１０２）は、スペーサー（１０７）と接触している。
【００４１】
[００４５]
図４に、この開示におけるさらなる実施態様を示す。この実施態様による燃料電池は、平坦なバイポーラプレートを有さない。その代わりに２つの成形された金属板（５０２）が一緒に積み重ねられており、ここで金属板の突起は対置されているが、互いに接触している。２つの成形された金属板（５０２）間のスペース（５１２）は、冷却セルとしての役割を果たすことができる。ＥＣＰの一方の側とそれに隣接する成形された金属板との間のスペース、例えば（５１３）または（５１４）は、燃料ガス（すなわち陽極区画）、または、陰極ガス（すなわち陰極区画）のいずれかのための流路であってもよい。従って、この実施態様の燃料電池を含む燃料電池スタックは、１つのＥＣＰと２つの成形された金属板とを一緒に交互に積み重ねることによって構築することができる。その上、この２つの成形された金属板は、バイポーラプレート組立品として一緒に接着させてもよい。
【００４２】
[００４６]
図４による実施態様の一形態は、成形された金属板（５０２）中の隣接する突起が一列に並んでいない場合があるが、組み立てられた燃料電池において２つの成形された金属板間にスペースを維持することができる実施態様である。
【００４３】
[００４７]
具体的な実施態様において、図４のスペース（５１３）および（５１４）は、例えば穿孔された金属板、金属発泡体、黒鉛発泡体、エキスパンドメタルの網、および、金属線の網のような多孔質体のスペーサーを１つまたはそれより多くさらに含んでいてもよい。その他の実施態様は、成形された金属板（５０２）が、構造の幾何学的形状、特徴を示す寸法または材料の点で同一ではない場合がある実施態様である。
【００４４】
[００４８]
本明細書において開示された実施態様の一形態は、バイポーラプレートとスペーサーとを一緒に接着して、バイポーラプレート組立品を形成することができる実施態様である。例えば、図２に記載の本燃料電池において、スペーサー（１０３）もしくは成形された金属板（１０２）、またはその両方を、平坦なバイポーラプレート（１０１）に接着させてもよい。同様に、図３において、スペーサー（１０３）、平坦なバイポーラプレート（１０１）、成形されたシート（１０２）、および、スペーサー（１０７）のうち２またはそれより多くの隣接する構成要素を一緒に接着することができる。燃料電池スタックは、ＥＣＰとバイポーラプレート組立品とを交互に繰り返し積み重ねることによって構築することができる。
【００４５】
[００４９]
バイポーラプレート組立品の構築は、加圧、溶接、ろう付け、接着、または、エラストマーによる封止によって達成することができる。また隣接する構成要素間の接着も、クランプ、クリップ、または、スナップのような機械的な固定手段を用いて達成することができる。そうすれば、固定手段を除去すれば、本燃料電池の構成要素にほとんどダメージを与えることなく接着をはがすことができる。
【００４６】
[００５０]
図５は、本明細書において開示された燃料電池スタックの接触抵抗を示す。図２で示すような燃料電池スタックを、ＥＣＰ（１０４、１０５および１０６）を除去することによって改変した。続いて残った組立品を圧縮して、その接触抵抗を様々な圧縮圧力で測定した。図５で示されるように、燃料電池におけるスペーサーの抵抗は、２２ｋｇｆ／ｃｍ２の接触圧力で約１８ｍΩ／ｃｍ２である。
【００４７】
[００５１]
当業者であれば、発明の本質から逸脱することなく様々な改変およびバリエーションを製造することができることは明らかであろう。本発明はこのような全ての改変およびバリエーション（ただし、請求項およびそれらと等価なものの範囲内に含まれる）を包含するものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０５  高分子膜
１０４、１０６  ガス拡散層
１０１  平坦なバイポーラプレート
１０２、５０２  成形された金属板
１１２、１１３、５１２、５１３、５１４  スペース
１０３、１０７  スペーサー
【図１Ａ】
2011525693.tif 000003
【図１Ｂ】
2011525693.tif 000004
【図１Ｃ】
2011525693.tif 000005
【図１Ｄ】
2011525693.tif 000006
【図１Ｅ】
2011525693.tif 000007
【図２Ａ】
2011525693.tif 000008
【図２Ｂ】
2011525693.tif 000009
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
2011525693.tif 000013
【図５】
2011525693.tif 000014
【国際調査報告】
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