(57)【要約】【課題】入口領域および出口領域をもつ活性表面を有する流れ場を含む、燃料電池用の双極板を提供すること。【解決手段】流れ場の活性表面は、入口領域および出口領域と連通し、その中に形成された少なくとも１つの流路を有する。さらにこの少なくとも１つの流路の出口領域での断面積は、入口領域での断面積より小さい。特定の実施形態では、この少なくとも１つの流路は二叉に分岐される。燃料電池および双極板を含む燃料電池積層体も提供される。【選択図】図２
2008226838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口領域および出口領域を有する活性表面を含む流れ場を備え、前記活性表面が、前記入口領域および前記出口領域と連通し、かつその中に形成された少なくとも１つの流路を有し、前記少なくとも１つの流路の前記出口領域での断面積が、前記入口領域での断面積より小さい、
燃料電池用の双極板。
【請求項２】
前記少なくとも１つの流路が二叉に分岐される、請求項１に記載の双極板。
【請求項３】
前記少なくとも１つの流路が副流路を形成する、請求項２に記載の双極板。
【請求項４】
前記副流路の断面積が、前記流路の断面積より小さい、請求項３に記載の双極板。
【請求項５】
前記少なくとも１つの流路が、二叉分岐の前に配置された流路を有する第１の領域と、少なくとも２つの副流路を有する第２の領域と、前記少なくとも２つの副流路の合流の後に配置された流路を有する第３の領域とを含む、請求項２に記載の双極板。
【請求項６】
前記第２の領域内の１つの副流路の断面積が、前記第１の領域内の前記流路の断面積の約半分より小さい、請求項５に記載の双極板。
【請求項７】
前記第３の領域内の前記流路の断面積が、前記第１の領域内の前記流路の断面積より小さい、請求項５に記載の双極板。
【請求項８】
前記第３の領域の断面積と、前記第２の領域内の１つの副流路の断面積が、実質的に等しい、請求項７に記載の双極板。
【請求項９】
入口領域および出口領域を有する活性表面を含む流れ場を備え、前記活性表面が、前記入口領域および前記出口領域と連通し、かつその中に形成された複数の流路を有し、
前記複数の流路のうちの少なくとも一部分が二叉に分岐される、
燃料電池用の双極板。
【請求項１０】
前記入口領域と連通する流路の数量が、前記出口領域と連通する流路の数量より大きい、請求項９に記載の双極板。
【請求項１１】
前記二叉に分岐された流路が、二叉分岐の前に配置された流路を有する第１の領域と、二叉分岐の後に配置された第２の領域とを有し、前記第２の領域が少なくとも２つの副流路を有する、請求項９に記載の双極板。
【請求項１２】
前記第１の領域内の前記流路の断面積と、前記第２の領域内の１つの副流路の断面積が、実質的に等しい、請求項１１に記載の双極板。
【請求項１３】
副流路が二叉に分岐される、請求項１０に記載の双極板。
【請求項１４】
前記複数の流路が、前記活性表面の長さに沿って交互に二叉に分岐しかつ合流する、請求項９に記載の双極板。
【請求項１５】
前記複数の流路が複数のランドを形成し、前記ランドのそれぞれが一対の前記流路の間に配置される、請求項１４に記載の双極板。
【請求項１６】
前記複数の流路が、第１の流路および第２の流路を含み、各流路が、二叉分岐の前に配置された第１の領域と、少なくとも２つの副流路を有する第２の領域と、前記少なくとも２つの副流路の合流の後に配置された第３の領域とを有する、請求項１４に記載の双極板。
【請求項１７】
前記第１の流路が前記第２の流路からずらされ、前記第１の流路の前記第２の領域が、前記第２の流路の前記第１または第３の領域に隣接して配置される、請求項１６に記載の双極板。
【請求項１８】
アノード層およびカソード層をもつ膜電極接合体を有する少なくとも１つの燃料電池を備え、前記膜電極接合体が一対の双極板の間に配置されており、各双極板が流れ場を有し、前記流れ場が、気体状反応物が前記流れ場に供給される入口領域と、前記気体状反応物が前記流れ場から出る出口領域とを有し、また前記流れ場が、その中に形成された少なくとも１つの流路をもつ活性表面を有し、前記少なくとも１つの流路が、前記気体状反応物を前記アノード層および前記カソード層のうちの一方へ分配するための前記入口領域および前記出口領域と連通し、前記流れ場が、前記入口領域から前記出口領域への前記気体状反応物の流速の低下を防ぐように作用する、
燃料電池積層体。
【請求項１９】
前記気体状反応物が水素を含む、請求項１８に記載の燃料電池積層体。
【請求項２０】
前記流れ場が、前記第１の流路と前記第２の流路の間に圧力勾配をもたらし、それによって前記ランドを越えて前記気体状反応物の対流を促す、請求項１８に記載の燃料電池積層体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池システムに関し、より詳細には、燃料電池積層体の双極板内に形成された流れ場に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車および様々な他の適用分野向けの、清浄で、効率的で、かつ環境的に責任のある電力源として提案されてきた。燃料電池の一例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に薄い固体高分子膜電解質を備え、その膜電解質の両面に触媒および電極を有する、膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。
【０００３】
ＭＥＡは、一般に、反応物を電極層の表面全体に分配する、気体拡散媒体としても知られている、多孔質伝導性材料を含む。水素ガスなどの燃料が、アノードに導入され、そこで触媒の存在下で電気化学的に反応して、電子および水素陽イオンを生成する。電子は、アノードからカソードへ、その間に配置された電気回路を介して伝導される。同時に、水素陽イオンは、電解質を通過してカソードに達する。そこでは、酸素または空気などの酸化剤が、電解質および触媒の存在下で電気化学的に反応して、酸素陰イオンを生成する。酸素陰イオンは、水素陽イオンと反応し、反応生成物として水を生成する。
【０００４】
ＭＥＡは、通常、一対の導電性接触要素または双極板の間に挿入されて、単一のＰＥＭ燃料電池を完成させる。双極板は、アノードおよびカソード用の集電体として機能し、燃料電池の気体状反応物（すなわちＨ２およびＯ２／空気）をそれぞれの電極の表面全体に分散させるための、その中に形成された適切な流路および開口を有する。双極板は、その上に流れ分配領域が形成された２枚の単極板を接合することによって、組み立てることができる。通常、双極板はまた、入口ヘッダおよび出口ヘッダを含み、これらは、燃料電池積層体内に位置合わせされると、燃料電池の気体状反応物および液体状冷却剤を、複数のアノードおよびカソードへ誘導するための内部供給マニホールドと、複数のアノードおよびカソードから誘導するための内部排出マニホールドとを形成する。
【０００５】
当技術分野ではよく理解されているように、燃料電池内の膜は、イオン抵抗を膜全体にわたって所望の範囲内に維持して、効果的にプロトンを伝導するために、ある一定の相対湿度を有する必要がある。燃料電池の動作中は、ＭＥＡからの湿気および外部の加湿が、アノードおよびカソードの流路に入る可能性がある。通常は、この湿気は、気体状反応物の圧力により、流路に沿って押しやられる。この圧力は、流路から水を除去する主要な機構である。しかし、圧力が十分でない場合、滞留と呼ばれる現象で、水が集積する可能性がある。滞留水は、流路をふさぎ、燃料電池全体の効率を下げる恐れがある。水が集積すると、アノード電極およびカソード電極の腐食率が高くなり、また凍結条件下での耐久性が乏しくなる恐れもある。水の集積すなわち滞留の程度が大きくなると、燃料電池の故障を招く恐れがある。
【０００６】
水の滞留の潜在性を考えると、供給マニホールドと排出マニホールドとの間の速度の低下、ならびに隣接した流路間または同じ流路の部分間の速度の低下は、燃料電池を設計する際に非常に重要である。反応物入口から出口への流れ場に沿って、反応物が燃料電池反応で消費されるにつれ、気体状反応物の分圧は低減される。特に、アノードの流れ場上では、燃料電池の動作中に水素が消費されるので、供給マニホールドと排出マニホールドとの間の速度の低下は、とりわけ問題となる。さらに、アノード上で使用される水素は、Ｏ２／空気より密度が低く、またアノード上の化学量論比は、カソード上の化学量論比より小さいので、この２つのことがさらに、アノードの流れ場上での水の除去を妨げる。
【０００７】
水の滞留を最小限にすることは、たとえば、より流量が多い反応物ガスで定期的に流路から除去することによって、または反応物の再循環率を全体的により高くすることによって可能になってきた。しかし、ＭＥＡのカソード上では、これにより、空気圧縮機に印加される寄生電力を増大させ、総合システム効率を低減させる。さらに、ＭＥＡのアノード上で水素をパージガスとして使用することは、上述の理由のため望ましくない。ＭＥＡのアノード上で水素をパージガスとして使用すると、経済性が低減され、システム効率が乏しくなり、かつシステムの複雑さが増大する。
【０００８】
流路内に集積する水の低減は、入口の加湿を減らすことによっても実現することができる。しかし、アノードおよびカソードの反応物中に少なくともある程度の相対湿度を与えて、燃料電池膜を水和させることが望ましい。乾燥した入口ガスは、膜電解質を乾燥させるという影響があり、燃料電池のイオン抵抗を増大させる恐れがある。この方法もまた、膜電解質の長期耐久性に悪影響を及ぼす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
流路、特にアノードの流路内で、水の滞留を防ぐように作用する流れ場を有する双極板が、引き続き求められている。流れ場はまた、電流密度の最適化を実現し、電極の腐食を軽減し、かつその動作中の燃料電池の安定性および凍結耐性を最大にすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示によれば、水の滞留を防ぐように作用し、それによって電流密度の最適化、電極の炭素腐食の軽減、ならびに燃料電池の安定性および凍結耐性の最大化を実現する流れ場を有する双極板が、驚くべきことに発見される。
【００１１】
一実施形態では、燃料電池用の双極板は、入口領域および出口領域を有する活性表面をもつ流れ場を含む。この活性表面は、入口領域および出口領域と連通し、かつその中に形成された少なくとも１つの流路を有する。この少なくとも１つの流路の出口領域での断面積は、入口領域での断面積より小さい。
【００１２】
別の実施形態では、燃料電池用の双極板は、連続的に二叉に分岐される複数の流路を含み、入口領域と連通する流路の数量が、出口領域と連通する流路の数量より大きい。
追加の一実施形態では、燃料電池用の双極板は、活性表面の長さに沿って交互に二叉に分岐しかつ合流する複数の流路を有する。
【００１３】
膜電極接合体が一対の双極板の間に配置された、少なくとも１つの燃料電池を有する燃料電池積層体が、さらに提供される。各双極板は、入口領域および出口領域を有し、さらに、入口領域から出口領域への気体状反応物の流速の低下を防ぐように作用する流れ場を含む。
【００１４】
上記、ならびに本開示の他の利点は、以下の詳細な説明から、特に以下に説明する図面に照らして考慮すれば、当業者には容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の説明は、例示的な性質のものにすぎず、本開示、適用分野、または用途を限定するものではない。また、図面すべてにわたって、対応する参照番号は、同様または対応する部分および特徴を示すことも理解されたい。
【００１６】
話を簡単にするために、２つのセルの積層体（すなわち１つの双極板）のみを、以下に示し説明する。典型的な積層体は、さらに多数のそのようなセルおよび双極板を有することを理解されたい。
【００１７】
図１は、導電性の流体分配要素８、以下双極板８、によって互いから分離された、一対の膜電極接合体（ＭＥＡ）４、６を有する、２つのセルのＰＥＭ燃料電池積層体２を示す。ＭＥＡ４、６および双極板８は、端板１０、１２の間で、端部接触要素１４、１６の間に合わせて積層される。端部接触要素１４、双極板８の両方の活性表面、および端部接触要素１６は、たとえばＨ２などの燃料およびＯ２などの酸化剤ガスをＭＥＡ４、６に分配するための、それぞれ複数の流れ経路または流路１８、２０、２２、２４を備える。非導電性ガスケット２６、２８、３０、３２は、燃料電池積層体２の構成要素の間に、密封および電気絶縁を与える。
【００１８】
ＭＥＡ４、６の電極３４、３６、３８、４０は、通常、たとえば炭素／黒鉛拡散紙または拡散媒体などの気体透過性の伝導性材料によって形成される。電極３４、３６、３８、４０は、ＭＥＡ４、６の電極面に当接する。端部接触要素１４、１６は、それぞれ電極３４、４０に対して押し付けられ、一方双極板８は、水素含有反応物を受け入れるように構成されたＭＥＡ４のアノード面上の電極３６に当接し、また酸素含有反応物を受け入れるように構成されたＭＥＡ６のカソード面上の電極３８に当接する。酸素含有反応物は、燃料電池積層体２のカソード側に、貯蔵タンク４６から適切な供給管路４２を通って供給され、一方水素含有反応物は、燃料電池積層体２のアノード側に、貯蔵タンク４８から適切な供給管路４４を通って供給される。あるいは、酸素含有反応物として外気がカソード側に供給され、メタノールまたはガソリン改質器などからの水素がアノード側に供給されてもよい。ＭＥＡ４、６のアノード側およびカソード側両用の排出管路（図示せず）も設けられる。追加の管路５０、５２、５４が、双極板８および端板１４、１６に冷却剤を供給するために設けられる。双極板８および端板１４、１６から冷却剤を排出するための適切な管路（図示せず）も設けられる。
【００１９】
図２は、本発明の一実施形態による例示的な双極板８の分解斜視図である。双極板８は、第１の外部金属板すなわち単極板２００と、第２の外部金属板すなわち単極板２０２とを備える。単極板２００、２０２は、通常、たとえば打ち抜き加工、機械加工、成型加工、またはフォトリソグラフィックマスクを用いる写真食刻など、金属板を成形する任意の従来の方法によって形成される。特定の一実施形態では、単極板２００、２０２は、打ち抜き加工によって形成される。
【００２０】
金属板は、本発明の単極板２００、２０２に適した様々な厚さのものが入手可能であることを理解されたい。特定の実施形態では、金属板は、厚さ約０．０５ｍｍ（約０．００２インチ）から約０．５ｍｍ（約０．０２インチ）である。しかし、他の厚さの金属板も望みに応じて使用できることが理解される。さらに、他の材料も使用できることが理解される。他の実施形態では、双極板８は、たとえば、黒鉛または黒鉛充填重合体などの非金属材料を含むことができる。
【００２１】
第１の単極板２００の内部面２２４を、図２に示す。複数の畝２２６が、内部面２２４に形成されて、その複数の畝の間に複数の流路２２８を画定する。複数の畝２２６は、冷却剤が双極板の第１の縁部２３０から第２の縁部２３２へ流れるように構成される。単極板２０２の内部面（図示せず）もまた、複数の畝（図示せず）を含み、それらの複数の畝が、その間に複数の流路（図示せず）を画定する。複数の流路（図示せず）は、燃料電池積層体２の動作中に冷却剤がそこを通って流れるように構成される。
【００２２】
第２の単極板２０２は、膜電極接合体（図示せず）に対向する外側表面２０４を有し、流れ場２０６を設けるように形成される。流れ場２０６は、複数のランド２０８によって画定される。複数のランド２０８は、その間に複数の流路２１０を画定する。複数の流路２１０は「流れ場」を構成し、そこを通って反応物ガスが流れる。たとえば、反応物ガスは、双極板の第１の端部２１２からその第２の端部２１４へ流れることができる。燃料電池が完全に組み立てられると、ランド２０８は、多孔質炭素／黒鉛拡散媒体３６、３８に当接し、多孔質炭素／黒鉛拡散媒体３６、３８は、ＭＥＡ４、６に当接する。
【００２３】
通常は、ランド２０８および流路２１０は、炭素／黒鉛拡散媒体３６、３８に当接する単極板２００、２０２の外側表面に形成される。流路２１０は、供給口２１６、２１７から反応物ガスを受け取るように構成される。供給口２１６、２１７は、入口ヘッダ２１８、２１９内に形成され、双極板８の第１の端部２１２に配置される。流路２１０はさらに、余分の反応物ガスおよび水を出口２２０、２２１を介して排出するように構成される。出口２２０、２２１は、出口ヘッダ２２２、２２３内に形成され、双極板の第２の端部２１４に配置される。
【００２４】
単極板２００の外部面は、実質的に単極板２０２の外部面に対応することを理解されたい。たとえば、単極板２０２と同様に、単極板２００の外部面は、活性表面（図示せず）を有する。単極板２００は、単極板２００の外部面上に流れ場（図示せず）を設けるように形成される。流れ場２０６と同じく、単極板２００の外部面上の流れ場は、その上に形成された複数のランド（図示せず）によって画定され、これらの複数のランドがさらに、複数の流路（図示せず）を画定する。複数のランドおよび複数の流路は、単極板２００の外部面上に流れ場を構成し、そこを反応物ガスが通過する。単極板２００の外部面上の流れ場の設計は、流れ場２０６の設計と実質的に同様であり得ることを理解されたい。
【００２５】
単極板２００、２０２は、出口ヘッダ２２２、２２３内に形成された排出開口２３６、２３７をさらに有する。排出開口２３６、２３７は、位置合わせされかつ組み立てられた双極板８内に排出マニホールドを形成する。この排出マニホールドは、たとえば液体の水や水蒸気などの排出反応物および反応生成物が燃料電池積層体２から出るための通路を提供する。
【００２６】
通常は、単極板２００、２０２は、たとえば接着剤で接合されて、組み立てられた双極板８を形成する。接合は、当技術分野では周知のように、たとえば、ろう付け、拡散接合、レーザー溶接、または導電性接着剤による接着によって、実施することができる。適切な結合剤は、当業者には知られており、望みに応じて選択することができる。
【００２７】
図３を参照すると、流れ場２０６は、入口領域３０２、たとえば供給口２１７と連通する活性表面３００を含む。活性表面３００はまた、出口領域３０４、たとえば出口２２１とも連通する。活性表面３００は、少なくとも１つの流路３０６をさらに含む。少なくとも１つの流路３０６は、活性表面３００内に形成されており、図３から図６では、見やすくする目的で斜交平行線模様を用いて示す。少なくとも１つの流路３０６の出口領域３０４での断面積は、入口領域３０２での断面積より小さくすることができる。流路３０６の断面積の縮小は連続的であってもよく、または不連続な断面積の縮小の段階を含んでもよいことを理解されたい。
【００２８】
一実施形態では、少なくとも１つの流路３０６は、少なくとも１つの二叉分岐３０８を有する。二叉分岐３０８は、副流路３１０を形成する。副流路３１０の断面積は、流路３０６の断面積より小さくすることができる。特定の実施形態では、少なくとも１つの流路３０６は、二叉分岐３０８の前に配置された流路部分３１３を有する第１の領域３１２と、少なくとも２つの副流路３１０を有する第２の領域３１４と、少なくとも２つの副流路３１０の合流３１８の後に配置された流路部分３１７を有する第３の領域３１６とを含むことができる。限定的でない一例として、第２の領域３１４内の副流路３１０の断面積は、第１の領域３１２内の流路部分３１３の断面積より小さくすることができる。一実施形態では、副流路３１０の断面積は、流路部分３１３の断面積の約半分である。例示的には、第３の領域３１６内に配置された流路部分３１７の断面積は、第１の領域３１２内の流路部分３１３の断面積より小さくすることができる。
【００２９】
本開示のいくつかの実施形態では、流路部分３１７の断面積は、副流路３１０の断面積に実質的に等しい。したがって、流路３１３は、二叉に分岐して２つの副流路３１０となり、副流路３１０は、それぞれの断面積を、流路３１３の断面積の約半分とすることができる。次いで２つ副流路３１０は、合流して流路部分３１７を形成し、副流路３１０の１つ分の断面積を維持することができる。したがって、少なくとも１つの流路３０６の出口領域３０４での断面積は、入口領域３０２での断面積より小さくすることができる。
【００３０】
別の実施形態では、流路３０６は、活性表面３００の長さ３２０に沿って、交互に二叉に分岐しかつ合流することができる。たとえば、流路３０６は、複数の二叉分岐３０８および複数の合流３１８を含むことができる。流路３０６が２つ以上ある場合は、二叉分岐３０８および合流３１８の位置決めが、同じ回数で、または流れ場２０６内で二叉に分岐する各流路３０６の長さ３２０に沿って同じ位置で行われる必要はないことを理解されたい。
【００３１】
動作の際には、反応物の流量を一定とすると、流路３０６の断面積が縮小するにつれて、流路３０６を通って移動する反応物ガスの速度が増大することを理解されたい。限定的でない一例として、第２の領域３１４内の副流路３１０の断面積が、第１の領域３１２内の流路３１３の断面積の約半分であるとき、そこを通って流れる反応物ガスの速度は２倍になりうる（反応物の流量は一定とする）。特に、アノードに当接する流れ場２０６上では、流路３０６は、通常なら水素ガスの消費のために入口領域３０２と出口領域３０４の間で生じるはずの速度の低下を防ぐように作用する。特に例示的な一例では、入口領域３０２から出口領域３０４への水素ガスの速度は、実質的に維持することができる。速度の低下を防ぐように作用することが、液体の水および水蒸気の流れ場２０６からの除去を容易にし、それによって燃料電池積層体２の耐性を向上できることを理解されたい。たとえば、本明細書で説明する流量制限が利用されて、水素速度の低下を防ぐように作用する。そのような形で水を除去することはまた、ＭＥＡ４、６の電極の腐食を抑制し、かつ積層体２の凍結耐久性を改善する。
【００３２】
図４に示すように、本発明の別の実施形態は、連続的に二叉に分岐された少なくとも１つの流路３０６を含む。本明細書で使用する場合は、連続的な二叉分岐とは、流路３０６が繰り返し二叉に分岐されて、少なくとも２つの副流路４０４を提供し、それが後にまた二叉に分岐されることを意味するものと定義される。上述の形での流路３０６の二叉分岐は、望みに応じて繰り返すことができることを理解されたい。
【００３３】
一実施形態では、連続的に二叉に分岐された流路３０６は、第１の数量４００の流路３０６と、第２の数量４０２の流路３０６とを含むことができる。例示的には、第１の数量４００の流路３０６は、流れ場２０６の入口領域３０２と連通することができる。第２の数量４０２の流路３０６は、流れ場２０６の出口領域３０４と連通することができる。特定の実施形態では、第１の数量４００は、第２の数量４０２より大きい。たとえば、流路３０６の二叉分岐の量は、流れ場２０６の寸法に基づくことができる。同様に、入口領域３０２から出口領域３０４への流路３０６の数量を望みに応じて低減させることは、二叉分岐の量を選択するために用いることもできる。
【００３４】
限定的でない一例として、連続的な二叉分岐を有する流路３０６は、二叉分岐４０８の前に配置された流路部分４０７を有する第１の領域４０６と、二叉分岐４０８の後に配置された第２の領域４１０とを含むことができる。第２の領域４１０は、２つ以上の副流路４０４を含むことができる。一実施形態では、副流路４０４の断面積は、流路４０７の断面積と実質的に等しくすることができる。別の実施形態では、副流路４０４の断面積は、流路４０７の断面積より小さくすることができる。特定の一実施形態では、副流路４０４の断面積は、流路３０６の断面積の約半分である。上述のように、副流路４０４もまた、二叉に分岐することができる。
【００３５】
図４に示すように、少なくとも１つの流路３０６の連続的な二叉分岐は、出口領域３０４から入口領域３０２まで及びうることを理解されたい。したがって、入口領域３０２と連通する流路３０６の第１の数量４００は、流れ場２０６の出口領域３０４と連通する流路３０６の第２の数量４０２より大きくすることができる。限定的でない一例として、流路の第１の数量４００は、流路の第２の数量４０２より２倍以上大きくすることができる。特定の一実施形態では、流路の第１の数量４００は、流路の第２の数量４０２より約３倍大きい。
【００３６】
動作の際には、反応物の流量を一定とすると、流路３０６を通って移動する反応物ガスは速度を増大できることが、当業者には理解されよう。したがって、連続的に二叉に分岐する流路３０６の断面積が二叉分岐の後で実質的に変化しない場合、出口領域３０４での流路の数量４０２を低減することで、反応物ガスが燃料電池反応で消費されても、その速度を実質的に維持する。たとえば、アノードに当接する流れ場２０６上では、連続的に二叉に分岐された流路３０６は、通常なら入口領域３０２と出口領域３０４の間で生じるはずの速度の低下を防ぐように作用する。速度の低下は、主に水素ガスの消費による。
【００３７】
図３に示す流れ場２０６と同様に、図４に示す流れ場２０６も、流路３０６からの水の除去を容易にする。水を除去することで、燃料電池積層体２の耐性を最適化し、ＭＥＡ４、６上の電極層の腐食を抑制し、かつ積層体２の凍結耐久性を最大にする。
【００３８】
図５を参照すると、本発明の別の実施形態は、少なくとも１つの第１の流路５００と、少なくとも１つの第２の流路５０２とを有する、複数の流路３０６を含む。第１の流路５００および第２の流路５０２は、活性表面３００上で、互いにずらしてかつ隣接して配置することができる。第１の流路５００および第２の流路５０２はそれぞれ、第１の領域３１２、第２の領域３１４、および第３の領域３１６を含むことができる。第１の領域３１２は、二叉分岐３０８の前に配置された流路部分３１３を含む。第２の領域３１４は、二叉分岐３０８の後に配置された少なくとも２つの副流路３１０を含む。第３の領域３１６は、少なくとも２つの副流路３１０の合流３１８の後に配置された流路部分３１７を含む。特定の実施形態では、第１の流路５００と第２の流路５０２は、２つ分の距離だけずらされる。第１の流路５００と第２の流路５０２をずらすことで、第１の流路５００の第１の領域３１２または第３の領域３１６を、第２の流路５０２の第２の領域３１４に隣接して配置する。ずらされた第１の流路５００と第２の流路５０２は、その間に配置されたランド２０８を画定する。
【００３９】
動作の際には、副流路３１０内を流れる反応物ガスと、流路３１３、３１７内を流れる反応物ガスの間に圧力勾配が生じることを理解されたい。二叉分岐は、流れの「拡張」をもたらし、反応物が下流へ移動するにつれて、反応物ガスの圧力の変化率を低減させる。さらに、合流が発生すると、流れの「障害」をもたらし、反応物が下流へ移動するにつれて、圧力変化率が増大する。二叉分岐と合流が、隣接する流路５００、５０２で同時に発生すると、圧力勾配を生じさせる。したがって、副流路３１０内の圧力は、隣接する流路３１３、３１７内の圧力より小さくなりうる。
【００４０】
図６に示すように、圧力勾配は、ランド２０８を越えて対流６００を促す。対流６００は、ランドを越える反応物ガスの流れをもたらす。このランドを越える反応物ガスの流れは、圧力勾配を等化するように作用する。圧力勾配を維持するために、第１の流路５００および第２の流路５０２がさらに二叉に分岐しかつ合流することを理解されたい。合流しかつ二叉に分岐する流路５００、５０２のパターンが、ランド２０８を越える対流６００を、燃料電池の活性表面３００全体に与える。
【００４１】
本発明の二叉に分岐しかつ合流する流路３０６が、気体状反応物を活性表面３００全体に均一に分配するのに効果的であることは、当業者には理解されよう。対流６００が、典型的な流れ機構、たとえば拡散（対流がない場合に水を移動させるために依拠される機構）を克服するので、二叉に分岐しかつ合流する流路３０６は、活性表面３００のランド２０８内の水管理を最適化する。
【００４２】
ランド２０８の幅は、本発明の活性表面３００上で、従来のランドより大きくできることを、さらに理解されたい。ランド２０８が広がると、流路３０６が少なくなり、結果的に流路３０６の断面積がより大きくなる。流路３０６の断面積がより大きくなると、通常なら流路３０６内の水の移動を抑制しうる毛細管力を軽減する。
【００４３】
本明細書に記載の二叉に分岐された流路２０６に加えて、流れ場２０６はまた、反応物ガスをさらに分配するための、１つもしくは複数のＵ字型の屈曲部（図示せず）、および／または混合領域（図示せず）を含むこともできる。これらの構成、および反応物ガスの分配を容易にするために当技術分野で知られている他の構成は、本発明の流れ場２０６とともに使用することができる。
【００４４】
当業者はまた、所望の対流を得るために、活性表面３００の長さ３２０に沿った第１の流路５００および第２の流路５０２の二叉分岐および合流に最適の頻度を選択することができる。このように反応物ガスを均一に分配することで、燃料電池耐性を最適化する。対流は、水の滞留を抑制することによって、極寒条件での凍結を防ぐように作用することを、さらに理解されたい。
【００４５】
本発明の双極板８は、燃料電池積層体２内で使用することができる。このような燃料電池積層体２は、車両、たとえば自動車を動作させるための電力系統で使用することができる。具体的には、燃料電池積層体２の一部として動作しているときは、流れ場２０６が、入口領域３０２から出口領域３０４への気体状反応物の流速の低下を抑制または防ぐように作用することができる。例示的な一実施形態として、気体状反応物は水素ガスを含むことができ、流れ場２０６は、水素ガス分配用のアノードに当接することができる。最小限の水素ガスの流量を維持することで、アノードの流れ場２０６内の水の滞留を防ぐように作用する。上述のように、水の滞留を抑制すると、結果として、ＭＥＡ４、６の触媒電極層の腐食の発生が軽減される。極寒条件下で動作中の燃料電池の凍結耐性もまた、本発明により最大化される。流れ場２０６はさらに、気体状反応物を活性表面３００全体に均一に分配する結果として、電流密度を最適化する。
【００４６】
いくつかの代表的な実施形態および詳細について、本発明を説明する目的で示してきたが、添付の特許請求の範囲でさらに説明される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができることが、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】ＰＥＭ燃料電池積層体（２つのセルのみを示す）の分解斜視概略図である。
【図２】ＰＥＭ燃料電池積層体内で使用するための、一対の単極板から組み立てられた、例示的な双極板の分解斜視図である。
【図３】二叉に分岐しかつ合流する流路を有する双極板の流れ場の上面図である。
【図４】連続的に二叉に分岐する流路を有する双極板の流れ場の上面図である。
【図５】二叉に分岐しかつ合流する流路がずらされている双極板の流れ場の上面図である。
【図６】図５に示す流れ場の一部分の部分上面図である。
【符号の説明】
【００４８】
２  ＰＥＭ燃料電池積層体
４  膜電極接合体（ＭＥＡ）
６  膜電極接合体（ＭＥＡ）
８  導電性の流体分配要素、双極板
１０  端板
１２  端板
１４  端部接触要素
１６  端部接触要素
１８  流路
２０  流路
２２  流路
２４  流路
２６  非導電性ガスケット
２８  非導電性ガスケット
３０  非導電性ガスケット
３２  非導電性ガスケット
３４  電極
３６  電極
３８  電極
４０  電極
４２  供給管路
４４  供給管路
４６  貯蔵タンク
４８  貯蔵タンク
５０  管路
５２  管路
５４  管路
２００  単極板
２０２  単極板
２０４  外側表面
２０６  流れ場
２０８  ランド
２１０  流路
２１２  第１の端部
２１４  第２の端部
２１６  供給口
２１７  供給口
２１８  入口ヘッダ
２１９  入口ヘッダ
２２０  出口
２２１  出口
２２２  出口ヘッダ
２２３  出口ヘッダ
２２４  内部面
２２６  畝
２２８  流路
２３０  第１の縁部
２３２  第２の縁部
２３６  排出開口
２３７  排出開口
３００  活性表面
３０２  入口領域
３０４  出口領域
３０６  流路
３０８  二叉分岐
３１０  副流路
３１２  第１の領域
３１３  流路部分
３１４  第２の領域
３１６  第３の領域
３１７  流路部分
３１８  合流
３２０  長さ
４００  第１の数量
４０２  第２の数量
４０４  副流路
４０６  第１の領域
４０７  流路部分
４０８  二叉分岐
４１０  第２の領域
５００  第１の流路
５０２  第２の流路
６００  対流
【図１】
2008226838.tif 000003
【図２】
2008226838.tif 000004
【図３】
2008226838.tif 000005
【図４】
2008226838.tif 000006
【図５】
2008226838.tif 000007
【図６】
2008226838.tif 000008
【外国語明細書】
2008226838000001.pdf