(57)【要約】【課題】接触抵抗が小さく、導電性が良好で、簡便な加工処理及び容易な組み立てが可能な燃料電池の金属バイポーラプレートを提供する。【解決手段】単層金属薄プレートをスタンピングして形成されるカソードプレート１とアノードプレート3とを備え、酸化剤流路16は、前記カソードプレート1の正面をスタンピングして形成された溝で構成され、隣接する溝間に突起する部分が酸化剤流路壁を形成し、燃料流路18は前記アノードプレート3の正面をスタンピングして形成した溝で構成され、隣接する溝間に突起する部分が燃料流路壁を形成し、前記アノードプレート1とカソードプレート3の正面の突起部分の背面に溝を形成し、正面の溝部分が背面の冷却液流路間の突起を構成し、二枚のプレートの背面の溝と突起とが結合して溝対溝または溝対山条の冷却液流路17を形成し、二枚の単層薄プレートにより３つの流路を備えたバイポーラプレートを構成する。【選択図】図１
2021536116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単層金属薄プレートをスタンピングして形成されるカソードプレート（１）とアノードプレート（３）と、を備え、
前記カソードプレート（１）の正面をスタンピングして形成された溝により酸化剤流路（１６）が構成され、隣接する溝間に突起する部分が酸化剤流路壁を形成し、前記アノードプレート（３）の正面をスタンピングして形成した溝により燃料流路（１８）が構成され、隣接する溝間に突起する部分が燃料流路壁を形成し、前記アノードプレート（１）とカソードプレート（３）の正面の突起部分は、それぞれ背面に溝を形成し、正面の溝部分が背面の冷却液流路間の突条を構成し、二枚のプレートの背面の溝と山条とが結合して溝対溝または溝対山条の冷却液流路（１７）を形成し、二枚の単層薄プレートにより３つの流路を形成したバイポーラプレートを構成することを特徴とする燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項２】
前記カソードプレート（１）とアノードプレート（３）の正面の溝の部分の背面が突起を形成し、二枚のプレートが背中合わせに密着して組み付けられ、背面の突起部分の全部またはその一部が連結分散格子（２５）で接合されて、または連結分散格子（２５）で溶接されて、一体のものに組み合わせられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項３】
前記カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）における流体出入口、流路の曲がり部分または交差の領域の背面の少なくとも１つの面が溝の構造であり、冷却液流路（１７）の全体の円滑な流れを確保することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項４】
前記カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）のそれぞれの正面の中央領域は反応領域、すなわち破線フレーム（２４）の内側であり、周囲の正背両面は密封領域、すなわち破線フレーム（２４）の外側であり、前記バイポーラプレートの密封領域は、流れ案内溝以外はいずれも平坦面であり、シール溝を有しておらず、密封領域の表面の品質はポリシング面、粗面、またはゴム面であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項５】
前記カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）それぞれの正面及び背面は、その表面にいずれも導電性防食コーティングを備え、前記コーティングはスタンピング前またはスタンピング後にスプレーされ、当該コーティングの材料は金属または非金属であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項６】
前記バイポーラプレートには、酸化剤入口（９）と、酸化剤案内溝（６）と、酸化剤出口（１２）と、燃料入口（１１）と、燃料案内溝（４）と、燃料出口（１４）と、冷却液入口（１０）と、冷却液案内溝（５）と、冷却液出口（１３）と、が設けられ、
前記カソードプレート（１）の正面には、前記酸化剤入口（９）と酸化剤出口（１２）とを連通させる酸化剤案内溝（６）と酸化剤流路（１６）とが設けられ、
前記アノードプレート（３）の正面には、前記燃料入口（１１）と燃料出口（１４）とを連通させる燃料案内溝（４）と燃料流路（１８）とが設けられ、
前記カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）の背面が合わせた介在層には、冷却液入口（１０）と冷却液出口（１３）とを連通させる冷却液案内溝（５）と冷却液流路（１７）が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項７】
前記カソードプレート（１）とアノードプレート（３）が重ね合わされて中間に冷却液流案内場が形成され、当該冷却液流案内場の周囲には枠状空洞が形成され、当該枠状空洞内にガスケットフレーム（２）が充填されていることを特徴とする請求項１に記載する燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項８】
前記カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）の周囲、すなわち破線フレーム（２４）の外側は密封領域であり、カソードプレート（１）の正面の密封領域にはシールガスケットａ（７）が設けられるとともに、アノードプレート（３）の正面の密封領域にはシールガスケットｂ（８）が設けられ、カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）の背面の介在層の密封領域にはガスケットフレーム（２）が設けられ、前記ガスケットフレーム（２）の両側が接着剤で接着または溶接するようにカソードプレート（１）とアノードプレート（３）とを密封してバイポーラプレートとして連結し、さらに、前記ガスケットフレーム（２）の両側にはそれぞれ少なくとも一本のシーラント溝（２１）が設けられ、ガスケットフレーム（２）の両側には接着剤（１５）が塗布され、カソードプレート（１）とアノードプレート（３）とをガスケットフレーム（２）の両側に圧着結合してバイポーラプレートを形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項９】
前記ガスケットフレーム（２）の材質はシリカゲル、ＰＰ、または金属バイポーラプレートの材質と同等な金属であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項１０】
前記ガスケットフレーム（２）は四角形のフレーム形状であり、その両端にはカソードプレート（１）とアノードプレート（３）とに対応する３つの入口と３つの出口が設けられ、ガスケットフレーム（２）における冷却液出入口の内側には冷却液案内溝（５）が設けられ、前記冷却液案内溝（５）は一定の厚さの多孔質材（２２）または波形プレート（２３）にて構成されることが可能であり、冷却液はガスケットフレーム（２）における冷却液入口（１０）から冷却液案内溝（５）を介して冷却液流路（１７）に入り、次に、他側の冷却液案内溝（５）から冷却液出口（１３）に入って流出することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に燃料電池金属バイポーラプレートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電極反応により水素と酸素の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。燃料電池は、通常複数の電池セルで構成され、各電池セルは、電解質要素によって分離され、互いに直列に組み立てられて燃料電池スタックを形成する２つの電極（アノードおよびカソード）を具備する。各電極に適切な反応物を供給することにより、つまり、一方の電極に燃料を供給し、他方の電極に酸化剤を供給することにより、電気化学反応が生じ、それによって電極間に電位差が形成されるため、電気エネルギーが生成される。
【０００３】
各電極に反応物を供給するために、一般的に「バイポーラプレート（双極板）」と呼ばれるもので、各単一電池の両側に設置される特定のインターフェース要素が使用される。これらのバイポーラプレートは通常、アノードまたはカソードサポートに隣接して配置された単一の要素を形成している。燃料電池スタックの動作中に、バイポーラプレートは、（１）カソードとアノードが電池の導電体及びプレートの両側に形成され、電池セルが接続して燃料電池スタックを構成する機能；（２）流路を介して電極に反応ガス（プロトンの転送）を供給する機能；（３）冷却媒体と反応ガスの漏れを防ぐために水と熱の管理を調整する機能；（４）膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）に構造強度サポートを提供する機能、を実行して燃料電池スタックの最良の動作状態と耐用年数とを維持している。
【０００４】
金属バイポーラプレートは、スタンピングし形成された二枚の厚さが０．０７ｍｍ〜０．７ｍｍのカソードとアノードのベニヤ（単層プレート）を溶接または接着することによって形成される。カソードベニヤには、水素，空気，冷却剤用の入口と出口、および溝形の酸素流路を有する。アノードベニヤには、水素，空気，冷却剤用の入口と出口、および溝形の水素流路を有する。ベニヤは非常に薄いため、レーザー溶接を使用する場合は、２つのベニヤを厳密に重ねてプレスする必要があり、また、ベニヤには多くの溝や穴があるためプレスや溶接が難しく、スタンピングや溶接の残留応力の影響を受けやすく、反りが発生して変形し、バイポーラプレートの平坦度が低下する。接着法を採用する場合は、燃料電池の動作中に一定の温度が生じ、金属板の熱膨張および収縮により通常の粘性が破壊されやすいため、接着剤に対する粘性の要件が高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような構成には次の問題点がある：１）膜電極とバイポーラプレートとの間の接触抵抗、２）表面コーティングの機械的不安定性、などによってスタックの性能と寿命に影響を及ぼす。特に、大面積のバイポーラプレートの場合は、例えば、表面処理や組立などの後工程において、バイポーラプレートの強度が不足すると、容易に変形するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した先行技術の問題点を克服するためになされたものであり、接触抵抗が小さく、導電性が良好で、簡便な加工処理及び容易な組み立てが可能な燃料電池の金属バイポーラプレートを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の目的は次の技術により実現することができる：燃料電池の金属バイポーラプレートであって、前記カソードプレートの正面をスタンピングして形成された溝により酸化剤流路が構成され、隣接する溝の間に突起した部分が酸化剤流路壁を形成し、前記アノードプレートの正面をスタンピングして形成した溝により燃料流路が構成され、隣接する溝の間に突起した部分が燃料流路壁を形成し、前記アノードプレートとカソードプレートの正面の突起部分、それぞれ背面に溝を形成し、前記カソードプレートとアノードプレートが背中合わせに密着して組み付けられ、二枚のプレートの背面の溝及び背面の山条の幅、深さ、方向を設計することによって直接的に冷却液流路を構成し、前記カソードプレート及びアノードプレートは、二枚のプレート間のフレーム部分におけるガスケットフレームと二枚のプレート間の貼付部分において連結分散格子で背中合わせに密着して組み付けられた後に、背面どうしが連結することにより溝対溝または溝対山条（尾根）の冷却液流路を形成し、二枚の単層薄プレートで構成される３つの流路を備えたバイポーラプレートを形成する。
【０００８】
すなわち、単層金属薄プレートには正面酸化剤流路または燃料流路を設計する際に背面の冷却流路の設計を考慮する必要があり、単層金属薄プレートの正面をスタンピングすることにより一連の平行な突起が形成され、隣接する突起間の溝が流路となり、且つ、正面が突起であるとともに対応する背面が溝であり、カソードプレート１とアノードプレート３の正面の溝がそれぞれ酸化剤流路１６及び燃料流路１８となり、正面の突起（即ち突起または凸）に対応する背面は溝となり、二枚のプレートの背面の溝部が対向し、溝開口部が連結されて冷却液流路１７を形成し、正面の溝部に対応する背面は突起（即突起）となり、二枚のプレートの背面の各突起（即突起）部分が対応するように接着または溶接される。前記カソードプレート１とアノードプレート３上の流体出入口，流路の曲がり部分または交差の領域の背面に大量の背中合わせに形成される恐れがある場合、冷却液流路が遮断されるため、正面の流路を設計する際に背面の流路の問題を考慮する必要があり、二枚のプレートが背中合わせに連結される場合には、少なくとも片面（カソードプレートの背面またはアノードプレートの背面）が溝の構造になり、全体の冷却液流路の円滑な流れを確保する、すなわち、この領域内において、突起または溝の幅が異なり、冷却液流路の閉塞を回避するために、少なくとも１つの面の溝の幅または突起の幅を長くすることができる。
【０００９】
前記カソードプレートの背面とアノードプレートの背面とは背中合わせに密着して組み付けられ、当該密着した状態での組み付けは分散格子にて接着し、あるいは分散格子にて溶接し、二枚のプレートの正面の突起により形成された背面の溝で対向して組み合わせられて一体となり、全体として冷却液流路を構成し；二枚のプレートの背面の冷却液流路壁の上部の面が対向するよう貼り付けられて背中合わせに密着して組み付けられることにより、二枚のプレート間の接触抵抗を効果的に低減することができ、二枚の単層薄プレートから構成される３つの流路を備えたコンパクトで導電性が良好なバイポーラプレートが形成される。
【００１０】
前記カソードプレートとアノードプレートの各正面の中央領域が反応領域であるとともに、その周囲は密封領域であり、前記バイポーラプレートの密封領域は、案内溝以外の部分は全て平坦面でありシール溝が設けられず、密封領域の表面材質は密封する材料に対応させて異なるものを選択し、ポリシング面，粗面、又はゴム面を作成することができる。前記カソードプレート及びアノードプレートそれぞれの正面及び背面にはその表面に導電性防食コーティングを備え、前記コーティングはスタンピング前またはスタンピング後にスプレーされるものであって、コーティング材料は金属であっても非金属であっても良い。
【００１１】
前記バイポーラプレートには、酸化剤入口と、酸化剤案内溝と、酸化剤出口と、燃料入口と、燃料案内溝と、燃料出口と、冷却液入口と、冷却液案内溝と、冷却液出口と、が設けられ、前記カソードプレートの正面には、前記酸化剤入口と酸化剤出口とを連通させる酸化剤案内溝及び酸化剤流路が設けられ、前記アノードプレートの正面には前記燃料入口と燃料出口とを連通させる燃料案内溝及び燃料流路が設置され、前記カソードプレート及びアノードプレートの背面を貼り付ける介在層には、冷却液入口と冷却液出口とを連通させる冷却液案内溝及び冷却液流路が設けられる。
【００１２】
前記カソードプレート及びアノードプレートの周囲は密封領域であり、カソードプレートの正面の密封領域にはシールガスケットａが設けられ、アノードプレートの正面の密封領域にはシールガスケットｂが設けられ、カソードプレート及びアノードプレートの背面の介在層の密封領域にはガスケットフレームが設けられ、当該ガスケットフレームの両側は接着剤による接着または溶接により、カソードプレートとアノードプレートとを密封連結してバイポーラプレートを構成する。
【００１３】
前記ガスケットフレームの材質はシリカゲル、ＰＰ、又は金属バイポーラプレートの材質と同様の金属である。バイポーラプレートが熱で伸縮した場合には、熱応力を除去できるため、両面の接着剤が通常の接着剤であっても、過度の熱応力によって接着剤が破損することはない。
【００１４】
前記カソードプレートとアノードプレートとを重ね合わせた後、その中間に冷却液案内部が形成され、当該冷却液案内部の周囲に枠状空洞が形成され、前記ライナーが前記枠状空洞内に充填され、過剰な接着剤が使用されることを防ぎ、接着剤の選択が困難であるという問題を回避して導電性接着剤や非導電性接着剤を選択することができるとともに、パッキングプレートとして選択した材料は熱応力を排除することができる。
【００１５】
前記ガスケットフレームは正方形のフレーム状のものであって、その両端にはカソードプレート及びアノードプレートに対応する３つの入口と３つの出口とが設けられ、ガスケットフレーム上の冷却液出入口の内側には冷却液案内溝が設けられ、前記冷却液案内溝は一定の厚さを備えた多孔質材又は波形プレートで構成されるものを採用することができ、冷却液はガスケットフレーム上の冷却液の入口から冷却液案内溝を介して冷却液流路に入り、その後、他側の冷却液案内溝から冷却液出口を介して流出する。
【００１６】
前記ガスケットフレームの両側には、少なくとも１本のシーラント溝が設けられ、バイポーラプレートのプレス時に接着剤が溢れるのを防ぐ一方、接着力を強化することができ、ガスケットフレームの両側に接着剤を塗布してカソードプレートとアノードプレートとをガスケットフレームの両側に圧着結合し、バイポーラプレートを形成する。
【００１７】
前記カソードプレートとアノードプレートの両面の何れにもシール溝が設けられておらず、上述したガスケットフレームとシールガスケットとにより密封する。ガスケットフレーム及びシールガスケットはいずれも正方形のフレーム状であり、バイポーラプレートの介在層と二枚の面の密封領域に圧着結合される。
【発明の効果】
【００１８】
従来技術と比較して、本発明は以下の有益な効果を奏する：
【００１９】
１．カソードプレート及びアノードプレートの表裏面（正面と背面）の両面の流路（溝）と流路壁（突起）は、極プレートの表裏面の両面の流動空間が入口から出口まで遮られないように（円滑に流れるように）、及び流体の反応領域内の分布が均一になるように連通（トボロジ）される。
【００２０】
２．カソードプレート及びアノードプレートの両面の何れにもシール溝が設けられていないため、溝設計の工程が省略される一方、後工程の難易度を低減することができる。即ち、密封剤はシール溝内に塗布するのではなく、ガスケットフレームの両面に塗布し、塗布面積が広く、作業が簡便であり、かつ密封剤などが溢れ出ることがなく、更に塗布面が拡張され、バイポーラプレートの圧着結合時に平面間（平面対平面）が圧着結合されるため、移動したり変形したりすることがなく、且つ接着力及び結合力が強くなる。
【００２１】
３．  水素と空気／酸素の流路溝の深さは異なるものであっても良いし、同様なものであっても良く、本発明の構造は多くのバイポーラプレート構造（双極板構造）に応用することができる。
【００２２】
４．  冷却液体の流通の空間は、カソードプレートとアノードプレートを背中合わせにスタンピングすることによって直接構成することができ、中間に充填材がなく、ガスケットフレームは、カソードプレート及びアノードプレートの突起と溝の設置により生じた周辺の空洞構造のみに充填するために設計されたものであり、その構造はシンプルかつ軽量であって、熱ストレス（熱応力）を排除し、バイポーラプレートボンディングの困難性を軽減する。
【００２３】
５．本発明は、二枚の単層金属薄プレートをスタンピングすることにより３つの流路を構成し、カソードとアノードの両プレートの背面の溝を充分に活かして連結させることにより全体の冷却液流路を形成し、シンプルなフレームシーリングで密封を行い、従来のシール溝が設けられておらず、両プレート間にはバイポーラプレートの高さを増加させる付加プレートが設けられておらず、両プレート間に唯一のガスケットフレームのみが両プレートのスタンピング後に形成されたフレーム空洞内に充填されるため、バイポーラプレートを非常に薄くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】はバイポーラプレートの分解図である。
【図２】はバイポーラプレートのカソードプレート側の構造の概略平面図である。
【図３】は接着後のバイポーラプレートの構造の概略断面図である。
【図４】はバイポーラプレートと膜電極の組立構造の概略断面図である。
【図５】は第一種のバイポーラプレート冷却液体の出入口部分の構造の概略断面図である。
【図６】は第二種のバイポーラプレート冷却液体の出入口部分の構造の概略断面図である。
【図７】はバイポーラプレートの３つの流体出入口のフレームと案内溝の概略断面図である。
【図８】は第三種のバイポーラプレート冷却液体の出入口の部分構造の概略部分断面図である。
【図９】はバイポーラプレートの部分断面図である。
【図１０】は第四種のバイポーラプレート冷却液体の出入口の部分構造の概略部分断面図である。
【図１１】はバイポーラプレートの部分切り欠き平面図であり、流路と流路壁の重なりと交差を示す。
【図１２】は典型的なプレートの例としてカソードプレートを取り上げ、反応領域と分散格子を説明するための概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、具体的な実施の形態及び図面に基づいて、本発明について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図１は金属バイポーラプレートの分解図であり、金属バイポーラプレートは、順次に設置されるシールガスケット７と、カソードプレート１と、ガスケットフレーム２と、アノードプレート３とシールガスケット８と、を具備する。カソードプレート１とアノードプレート３にはシール溝が設けられておらず、シールガスケットａ７，シールガスケットｂ８及びガスケットフレーム２で密封される。シールガスケットａ７及びシールガスケットｂ８は四角いフレーム形状であり、前記バイポーラプレートは膜電極と組み付ける際に、シールガスケットにて密封される。
【００２７】
図２は、カソードプレートの平面構造の概略図であり、当該カソードプレートには、酸化剤入口９と、酸化剤案内溝６と、酸化剤出口１２と、燃料入口１１と、燃料案内溝４と、燃料出口１４と、冷却液入口１０と、冷却液案内溝５と、冷却液出口１３と、の３つの入口及び３つの出口が設けられ、前記カソードプレート１の正面には、前記酸化剤入口９と酸化剤出口１２とを連結する酸化剤流路１６が設けられ、且つ、酸化剤出入口には酸化剤案内溝６が設けられ、前記アノードプレート３の正面には、前記燃料入口１１と燃料出口１４とを連結する燃料流路１８が設けられ、前記カソードプレート１及びアノードプレート３の背面が密着する介在層には冷却液入口１０と冷却液出口１３とを連結する冷却液案内溝５及び冷却液流路１７が設けられている。さらに、酸化剤入口９及び酸化剤出口１２が酸化剤流路１６と連結する位置は燃料案内溝４である。
【００２８】
図３に示すように、単層金属薄プレートをスタンピングして形成されたカソードプレート１及びアノードプレート３、前記カソードプレート１の正面をスタンピングして形成された溝から成る酸化剤流路１６、隣接する溝の間に突起した部分から成る酸化剤流路壁、前記アノードプレート３の正面をスタンピングして形成した溝にて構成された燃料流路１８、隣接する溝の間に突起した部分で形成した燃料流路壁、前記カソードプレート１及びアノードプレート３の背面が密着し、前記酸化剤流路１６は前記燃料流路１８の底部と密着し、前記酸化剤流路壁と燃料流路壁とが外方に突起し、内方の溝が連結されて冷却液流路１７を構成している。カソードプレート１及びアノードプレート３の正面の溝はそれぞれ酸化剤流路及び燃料流路を形成し、正面の突起に対応する背面は溝であり、二枚のプレートの背面の溝が対向し、溝の開口部が連結されて冷却液流路を形成し、正面（表側）の溝に対応する背面は突起であり、二枚のプレートの背面（裏側）の突起した部分が貼り付けられて一体となり、貼付部は周囲の密封領域及び破線フレーム２４以外の領域であるが、分散格子２５で接着、または分散格子２５を溶接して組み立ててもよく（図１２を参照ください。カソードプレート１及びアノードプレート３の各正面の中央領域は反応領域であり、即ち破線フレーム２４の内側、周囲の表裏両面は密封領域、つまり破線フレーム２４の外側）、二枚のプレートの背面は正面が突起して形成される溝が対向して一体に組み立てられることにより、合わせて全体の冷却液流路１７を構成する；二枚のプレートの背面の冷却液流路壁の上部面が対応して貼り付けられることにより背中合わせに（背面と背面とが）密着して組み付けられ、二枚のプレート間の接触抵抗を効果的に低減し、二枚の単層の薄いプレートにて３つの流路が構成され、コンパクトで電導性が良好なバイポーラプレートが形成される。
【００２９】
カソードプレート１とアノードプレート３を背中合わせに重ね合わせ、前記アノードプレート１の溝部がカソードプレート３の溝部と合わせて貼り付けられることにより、アノードプレート１の突起部とカソードプレート３の突起部が対向して設けられて冷却液体案内部１７が形成され、且つその周囲には枠状空洞（空間）が形成され、当該枠状空洞の厚さは前記冷却液体案内部１７の厚さと同じであり、または酸化剤流路１６と燃料流路１８の深さの合計に二枚の極プレートのプレート材の厚さを足して計算し、前記ガスケットフレーム２は前記枠状空洞に装填される。前記カソードプレート１及びアノードプレート３の周囲は密封領域、即ち破線フレーム２４の外側の領域であり、カソードプレート１の正面の密封領域にはシールガスケットａ７が設けられるとともに、アノードプレート３の正面の密封領域にはシールガスケットｂ８が設けられ、カソードプレート１とアノードプレート３の背面の介在層の密封領域にはガスケットフレーム２が設けられ、当該ガスケットフレーム２の両側が接着剤にて接着または溶接（本実施例では接着剤で接着ｔ）により、カソードプレート１とアノードプレート３とを気密的に連結してバイポーラプレートを形成している。前記バイポーラプレートの密封領域は案内溝以外は平坦面であってｔシール溝が設けられておらず、密封領域の表面の品質は密封するシールガスケットａ７やシールガスケットｂ８の材質によって異なるものを選択することで、ポリシング面、粗面、又はゴム面を形成することができる。前記カソードプレート及びアノードプレートそれぞれの正面及び背面には導電性防食コーティングが施され、前記コーティングはスタンピング前にスプレーされ、当該コーティングの材料は導電性防食金属材料を用いることができる。
【００３０】
前記ガスケットフレーム２の両側にはそれぞれ少なくとも１つのシーラント溝２１が設けられるとともに、当該ガスケットフレーム２の両側には接着剤１５がコーティングされ、カソードプレート１及びアノードプレート３がガスケットフレーム２の両側にプレスされ（押し付けられ）てバイポーラプレートを形成している。ガスケットフレーム２の両側にはシーラント溝が設けられ、バイポーラプレートがプレスされた際に接着剤が溢れ出すことを防ぐとともに、接着力を強化することができる。前記ガスケットフレーム２は四角形のフレーム形状であり、且つ、両端にはカソードプレート１とアノードプレート３とに対応する３つの入口及び出口が設けられ、冷却液体の出入口の内側には複数の平行な冷却液案内溝５が設けられ、冷却液体を冷却液体案内部に案内することにさらに役立つ。図７はバイポーラプレート枠状部の断面図であって、カソードプレート１には酸化剤案内溝６が設けられるとともに、アノードプレート３には燃料案内溝４が設けられ、ガスケットフレーム２には交差する冷却液案内溝５が設けられている。
【００３１】
図４に示す如く、二枚のバイポーラプレートの間には一つの膜電極が挟まれ、膜電極は、中央にプロトン交換膜２０を具備し、その両側に触媒層と気体拡散層１９とが設けられ、その触媒層と気体拡散層１９の面積はカソードプレートとアノードプレート上の電流流れ場の面積と同じであり、膜電極の両側には連結フレームが設けられ、当該連結フレームの厚さは膜電極の中間の厚さより薄く、両側の厚さの差がそれぞれシールガスケットａ７またはシールガスケットｂ８の厚さと同じであり、このように構成することにより、W厚さの相違により不均一な組み立てになることはない。当該膜電極の構造は中国特許ＺＬ２０１４１０７０７７１１２に記載する構造を採用することができる。
【実施例２】
【００３２】
図５に示す如く、ガスケットフレーム２の冷却液出入口の内側の冷却液案内溝５はガスケットフレームの厚さと同じ多孔質材２２を用い、冷却液はガスケットフレーム２の冷却液入口１０から多孔質材２２を介して冷却液流路１７に入り、その後その他側の多孔質材から冷却液出口１３を介して流出する。その他の構成は実施例１と同様である。
【実施例３】
【００３３】
図６に示すように、ガスケットフレーム２の冷却液出入口の内側の冷却液案内溝５はガスケットフレームの厚さと同じ波形プレート２３を採用し、冷却液はガスケットフレーム２上の冷却液入口１０から波形プレート２３を介して冷却液流路１７に入り、その後その他側の多孔質材から冷却液出口１３を介して流出する。前記カソードプレート及びアノードプレートそれぞれの正面及び背面には、その表面に導電性防食コーティングを備え、前記コーティングはスタンピング後にスプレーされ、当該コーティングの材料は導電性の防食非金属材料である。その他の構成は実施例１と同様である。
【実施例４】
【００３４】
単層金属薄プレートには正面酸化剤流路又は燃料流路を設計する際に背面の冷却流路の配置を考慮する必要があり、単層金属薄プレートの正面をスタンピングして一連の平行な突起が形成され、隣接する突起間の溝が流路となり、且つ、正面が突起となるとともに対応する背面が溝となり、カソードプレート１及びアノードプレート３の正面の溝はそれぞれ酸化剤流路１６及び燃料流路１８となり、カソードプレート１及びアノードプレート３の背面は背中合わせ（突起対突起）となって溝が溝と対向し（溝対溝）た状態で貼り付けられ、カソードプレート１の正面の酸化剤流路１６はアノードプレート３の正面の燃料流路１８の底部に貼り付けられ、正面の突起（即ち突起または凸）に対応する背面は溝であり、二枚のプレートの背面の溝部が対向し、当該溝の開口部どうしが連結されて冷却液流路１７を形成し、正面の溝部に対応する背面は突起（即突起）であり、二枚のプレートの背面の突起（即突起）部分が対応するよう接着または溶接される（図９に示すように）。前記カソードプレート１及びアノードプレート３上の流体出入口，流路の曲がりまたは交差の領域の背面に大量の背中合わせに形成される恐れがある場合、冷却液流路が遮断されるため、正面の流路を設計する際に背面の流路の問題を考慮する必要があり、二枚のプレートの背中合わせに結合された場合には少なくとも片面（カソードプレートの背面またはアノードプレートの背面）が溝の構造になり、図８に示す如く、カソードプレート１の流体出入口部分の酸化剤案内溝６が凹凸溝になり、それに対応するアノードプレート３が長い凸面となり、両者間に他の形態の一方が凹状及び凸状（凸凹形状）であり、他方他側）が平坦なプレート状の冷却液案内溝５Ａが形成され；図１０に示す如く、カソードプレート１の流体出口部分は長い凸面（即ち、当該部分のアノードプレートの高さは酸化剤流路の両側側壁の高さと同じ）であり、それに対応するアノードプレート３の流体が出入する燃料案内溝４が凹凸溝であり、両者間には、他の形態の、一方が凹状及び凸状であり、他方が平坦なプレート状の冷却液案内溝５Ｂが形成され、冷却液流路の全体の円滑な流れを確保している。
【００３５】
カソードプレート１及びアノードプレート３上の流体出入口，流路の曲がり部分または交差の領域の背面の少なくとも１つの面が溝を構成して、冷却液流路１７の全体の流れを確保している。図１１に示す如く、流体の出入口部分の背面には交差する冷却液案内溝５Ａと冷却液案内溝５Ｂが形成され、即ち、バイポーラプレートの溝と突起（凸）の設計が変更不可能ではなく、補完的なものであり、同一のプレート上に異なる流路を設計することが可能であり、これにより、各プレートの正面の流路を円滑な流れにすると同時に、背面に形成された冷却液の流路を円滑な流れにすることを目的とする。
【実施例５】
【００３６】
図１２は、一種のカソードプレートの背面の構造の概略図であり、カソードプレートの正面の突起部分がそれぞれ背面の溝を形成し、正面の溝部分が背面の冷却液流路間の山条（凸からなる山条）を形成し、アノードプレートの背面においても同様であり、二枚のプレートが背中合わせに合わせた際に、両者の背面の突起の接触面上の連結分散格子２５を選択し、当該連結分散格子２５にて二枚のプレートを溶接して一体に組み付けられ、バイポーラプレートを形成する（接着を採用しても良い、接着分散格子２５が二枚のプレートの背面の突起上に位置する）。分散格子２５の位置及び数は構造的安定性および接触面の導電性に応じて適宜選択することができ、数の変更が可能である。
【００３７】
前記カソードプレート及びアノードプレートのそれぞれの正面の中央領域は反応領域であり、すなわち、反応領域は破線フレーム２４の内側にあり、対応する背面は主な冷却流れ場領域である。その他の構成は実施例１と同様である。
【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】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月11日(2021.3.11)
【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】
単層金属薄プレートをスタンピングして形成されるカソードプレート（１）とアノードプレート（３）と、を備えた燃料電池金属バイポーラプレートであって、
前記カソードプレート及び前記アノードプレートが背中合わせに密着して組み付けられ、該二枚のプレートの背面の溝と背面の山条の幅、深さ、方向を設計することによって直接的に冷却液流路を構成し、
前記カソードプレート及び前記アノードプレートは、該二枚のプレート間のフレーム部分に介在するガスケットフレームを介して背中合わせに密着して組み付けられた後に、背面が接合されて溝対溝または溝対山条の冷却液流路を形成し、二枚の単層薄プレートで三つの流路を構成したバイポーラプレートを形成し、前記ガスケットフレームは、両プレートのスタンピング後に形成された流れ案内場の周辺におけるフレーム空洞内にのみ装填されたことを特徴とする燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項２】
前記カソードプレート及び前記アノードプレートの背面の介在層における密封領域の流れ案内溝が設けられていない部分には、前記ガスケットフレーム（２）が設けられ、前記カソードプレート及び前記アノードプレートは、突起及び溝の設計によって前記流れ案内場の周囲における前記フレーム空洞の構造が形成され、前記ガスケットフレームは前記フレーム空洞構造に装填され、熱応力を解消することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項３】
前記ガスケットフレームの両側には、それぞれ少なくとも１つのシーラント溝（２１）が設けられ、前記ガスケットフレーム（２）の両側に接着剤（１５）が塗布される場合は、前記カソードプレート（１）とアノードプレート（３）とがガスケットフレーム（２）の両側に圧着結合される際に、前記シーラント溝（２１）内の接着剤が溢れないように前記カソードプレート（１）と前記アノードプレート（３）とが接着されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項４】
前記ガスケットフレーム（２）の両端には、前記カソードプレート（１）と前記アノードプレート（３）と対応した３つの入口及び３つの出口が設けられ、冷却液出入口の内側には、複数の平行な冷却液案内溝（５）が設けられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項５】
前記ガスケットフレーム（２）において、前記冷却液出入口の内側の前記冷却液案内溝（５）はガスケットフレームの厚さに相当する波形プレート（２３）にて構成されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項６】
前記ガスケットフレーム（２）において、前記冷却液出入口の内側の前記冷却液案内溝（５）が前記ガスケットフレームの厚さに相当する多孔質材（２２）にて構成されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項７】
前記カソードプレート（１）及び前記アノードプレート（３）における流体出入口、流路の曲がりまたは交差の領域の背面の少なくとも１つの面が溝の構造であり、一側が凸凹形状で他側が平坦なプレート状の前記冷却液案内溝（５）を形成し、冷却液流路（１７）の全体の円滑な流れを確保することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項８】
前記カソードプレート（１）の正面の密封領域には前記シールガスケットａ（７）が設けられるとともに、前記アノードプレート（３）の正面の密封領域にはシールガスケットｂ（８）が設けられ、前記シールガスケットａ（７）及び前記シールガスケットｂ（８）の厚さは、膜電極とその両側の連結フレームの厚さの差と同じであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項９】
前記膜電極の両側には、触媒層と気体拡散層（１９）とが設けられ、前記触媒層及び前記気体拡散層（１９）の面積が前記カソードプレート及び前記アノードプレートにおける流れ案内場の面積と同じであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項１０】
前記カソードプレート（１）における酸化剤出入口には、酸化剤案内溝（６）が設けられ、前記アノードプレート（３）における燃料出入口には、燃料案内溝（４）が設けられ、ガスケットフレーム（２）には、交差する前記冷却液案内溝（５）が設けられ、
カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）がガスケットフレーム（２）の両側に圧着結合される場合に、前記カソードプレート（１）の正面の前記酸化剤案内溝（６）及び酸化剤流路（１６）は、酸化剤入口（９）と酸化剤出口（１２）とを連通し、前記アノードプレート（３）の正面の前記燃料案内溝（４）及び燃料流路（１８）は、前記燃料入口（１１）と燃料出口（１４）とを連通し、前記冷却液案内溝（５）及び冷却液流路（１７）は、前記カソードプレート（１）及び前記アノードプレート（３）の背面が合わせた介在層における冷却液入口（１０）と冷却液出口（１３）とを連通することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項１１】
燃料電池金属バイポーラプレートの製造方法であって、
２枚の単層金属薄プレートをスタンピングして３つの流路を形成し、
カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）の背面の溝が接合することにより全体の冷却液流路を形成し、
従来の密封溝を必要とせず、ガスケットフレームのみを追加することにより密封を実現し、
前記カソードプレート（１）と前記アノードプレート（３）の間にバイポーラプレートの高さを増やす付加プレートが一切設けられず、前記両プレート間に唯一に挟まれたガスケットフレームは、前記両プレートがスタンピングされた後に生じる流れ案内場の周辺におけるフレーム空洞内にのみ装填されることを特徴とする燃料電池金属バイポーラプレートの製造方法。
【請求項１２】
２枚の単層金属薄プレートをスタンピングして３つの流路を形成した燃料電池金属バイポーラプレートであって、
カソードプレート（１）及びアノードプレート（３）の背面の溝が接合するにより全体の冷却液流路を形成し、
従来の密封溝を設けず、ガスケットフレームのみを追加することにより密封を実現し、
前記カソードプレート（１）と前記アノードプレート（３）の間にバイポーラプレートの高さを増やす付加プレートを一切設けず、前記両プレート間に唯一に挟まれた前記ガスケットフレームは、前記両プレートのスタンピング後に生じる流れ案内場の周辺におけるフレーム空洞内にのみ装填されたことを特徴とする燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項１３】
前記ガスケットフレーム（２）の両側は、接着剤の接着または溶接によって、前記カソードプレート（１）と前記アノードプレート（３）とを密封してバイポーラプレートとして連結されることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項１４】
前記カソードプレート（１）の正面のスタンピングによる溝が酸化剤流路（１６）を形成し、隣接する溝の間の隆起部分により酸化剤流路壁を形成し、前記アノードプレート（３）の正面のスタンピングによる溝が燃料流路（１８）を形成し、隣接する溝の間の隆起部分が燃料流路壁を形成し、前記アノードプレート（１）及び前記カソードプレート（３）の正面の隆起部分が、それぞれ背面に溝を形成し、正面の溝部分が背面の冷却液流路間の山条を形成したことを特徴とする請求項１２または１３に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【請求項１５】
前記カソードプレート（１）及び前記アノードプレート（３）の背面の溝と山条は、異なる幅の接合形態により溝対溝または溝対山条の冷却液流路（１７）を形成し、２枚の単層薄プレートにより３本の流路を構成したバイポーラプレートを形成したことを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の燃料電池金属バイポーラプレート。
【国際調査報告】
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