(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１（６１）及び第２の外側導電面を有する電気化学反応器のバイポーラ板（５）であって、
複数の第１の流路（６１８）が前記第１の外側導電面に形成され、かつ、同じ方向に延在し、
複数の第１の注入オリフィス（５１２）が前記第１の外側導電面に形成され、
第１の均一化領域（６１４）は、前記第１の外側導電面に形成され、かつ、複数の第１の均一化流路を有し、
前記複数の第１の注入オリフィスは、前記複数の第１の均一化流路への排出を行い、
前記第１の均一化領域は、前記複数の第１の注入オリフィス（５１２）が前記複数の第１の均一化流路へ排出を行う第１のセクション（６１６）と、前記複数の第１の均一化流路のそれぞれが２本以上の前記第１の流路（６１８）への排出を行うように前記複数の第１の均一化流路のそれぞれに１つ以上の分岐が設けられた第２のセクション（６１７）と、を有し、
前記第２のセクションの前記分岐は、前記第１の流路（６１８）の方向に対して少なくとも２０°の角度であり、前記第１のセクションの前記第１の均一化流路は、前記第２のセクションの前記分岐の方向に対して少なくとも２０°の角度であり、かつ、前記第１の流路（６１８）の方向に対して少なくとも４０°の角度である、
バイポーラ板（５）。
【請求項２】
前記第２のセクション（６１７）の各分岐は、前記複数の第１の流路（６１８）への排出を行う、  
請求項１に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項３】
前記第１のセクション（６１６）の前記第１の均一化流路のそれぞれの断面は、前記第１の流路（６１８）のそれぞれの断面と同一である、
請求項１又は２に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項４】
前記第１のセクションの前記第１の均一化流路の断面積と前記第２のセクションの前記分岐を構成する前記第１の均一化流路の断面積との比は、０．９５から１．２５の間であり、前記第１の均一化流路のそれぞれの断面積は、好適には前記第１のセクション及び前記第２のセクションにおいて同一である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項５】
前記第２のセクションの前記分岐のそれぞれは、前記第１のセクションの単一の前記第１の均一化流路への排出を行う、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項６】
前記第１及び第２の外側導電面（５１、５２）の間に、冷却液流路が存在する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項７】
前記第１の均一化流路のそれぞれは、少なくとも１つの接合部（Ｌ）のレベルで複数の前記分岐に分割され、前記第１の均一化流路は接合部のレベルで最大で３つの前記分岐に分割される、
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項８】
前記接合部のそれぞれは、前記第１の注入オリフィス（５１２）から０．３×Ｌｃｈから０．７×Ｌｃｈの間だけ離れて、前記第１の均一化流路に設けられ、
Ｌｃｈは、前記接合部が配置される前記第１の均一化流路の長さである、
請求項７に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項９】
フローマニホールドが通過し、前記第１の注入オリフィス（５１２）は前記フローマニホールド（５９６）と前記第１の均一化領域（６１４）の前記第１の均一化流路との間の連絡を確立する、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項１０】
互いに固定された第１及び第２の導電性シート（６１、６２）を有し、前記第１の外側導電面は前記第１の導電性シート上に有り、前記第２の外側導電面は前記第２の導電性シート上に有る、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項１１】
複数の第２の流路が前記第２の外側導電面上に形成され、
複数の第２の注入オリフィスが前記第２の外側導電面に形成され、
前記複数の第１の注入オリフィス及び前記複数の第２の注入オリフィスは、前記バイポーラ板に垂直な平面（Ｐ）の両面に設けられ、かつ、前記第１の流路の前記方向を有し、
第２の均一化領域は、前記第１の均一化領域と重ね合わされ、前記第２の外側導電面上に形成され、かつ、複数の第２の均一化流路を有し、
前記複数の第２の注入オリフィスは、前記複数の第２の均一化流路への排出を行い、
前記第２の均一化領域では、前記複数の第２の均一化流路のそれぞれが２本以上の前記第１の流路と接続されるように、前記複数の第２の均一化流路のそれぞれに１つ以上の分岐が設けられる、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項１２】
複数の第３の注入オリフィスが前記第１の外側導電面に形成され、
第３の均一化領域（６３４）は、前記第１の外側導電面上に形成され、
前記第１及び第３の均一化領域は、前記第１の流路（６１８）の両端に有り、前記第３の均一化領域は前記バイポーラ板に垂直な軸に対して、前記第１の均一化領域（６１４）と対称である、
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項１３】
複数の第３の注入オリフィスが前記第１の外側導電面に形成され、
第３の均一化領域（６３４）は、前記第１の外側導電面上に形成され、かつ、複数の第３の均一化流路を有し、
前記第３の均一化領域では、前記複数の第３の均一化流路のそれぞれが２本以上の前記第１の流路と接続されるように、前記複数の第３の均一化流路のそれぞれに１つ以上の分岐が設けられ、
前記複数の第３の均一化流路は、前記複数の第３の注入オリフィスへの排出を行い、
前記第１及び第３の均一化領域は、前記第１の流路（６１８）の両端に有り、同じ前記第１の流路への排出を行う前記第１の均一化領域の前記第１の均一化流路及び前記第３の均一化領域の前記第３の均一化流路は、
前記バイポーラ板に垂直な平面の両端に有り、かつ、前記第１の流路の方向に延在する、
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項１４】
前記第３の均一化領域は、前記複数の第３の注入オリフィスへの排出が行われる第１のセクションと、前記第１の流路（６１８）からの排出が行われる、前記分岐が設けられる第２のセクションと、を有し、
前記第２のセクションの前記分岐は、前記第１の流路（６１８）の方向に対して少なくとも２０°の角度であり、前記第１のセクションの前記第３の均一化流路は、前記第２のセクションの前記分岐の方向に対して少なくとも２０°の角度であり、かつ、前記第１の流路（６１８）の方向に対して少なくとも４０°の角度である、
請求項１３に記載のバイポーラ板（５）。
【請求項１５】
請求項１１に記載の２つの前記バイポーラ板（５）と、
前記２つのバイポーラ板（５）の間に設けられた薄膜／電極アセンブリ（１１０）と、を有し、
前記薄膜／電極アセンブリは、陽子交換膜と、前記バイポーラ板（５）の一方の前記第１の流路（６１８）を覆う、前記薄膜の第１の面上の第１の電極と、前記バイポーラ板の他方の前記第２の流路を覆う、前記薄膜（１１０）の第２の面上の第２の電極と、を有し、
前記薄膜／電極アセンブリ（１１３）は、前記バイポーラ板（５）の前記第１及び第２の均一化領域（６１４）に対して垂直に配置された電極を有しない、
電気化学反応器（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学電池のスタックを有する電気化学反応器に関し、特に、陽子交換膜を有するスタックのバイポーラ板に関する。この種の電気化学反応器は、例えば燃料電池又は電解槽を構成する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、特に将来大量生産される自動車の動力源、又は、航空機における補助動力源とみなされている。燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置である。燃料電池は、複数の電池の直列のスタックを有する。各電池は、典型的には、１ボルトオーダーの電圧を生成し、これをスタックすることで、例えば１００ボルトオーダーの高レベルの電源電圧を生成することが可能である。
【０００３】
既知の燃料電池タイプの中で、特に、低温で動作する陽子交換膜（PEM：proton exchange membrane）燃料電池が挙げられる。この種の燃料電池は、特に有益な小型特性を有する。各電池は、陽子の通過のみを許容し、電子の通過を許容しない電解膜を有する。この膜は、膜／電極アセンブリ（MEA：membrane/electrodes assembly）を構成する第１の面上のアノードと第２の面上のカソードとを有する。
【０００４】
アノードでは、燃料として用いられる二水素が、この膜を通過する陽子を生成するためにイオン化される。そして、この膜は、イオン導電体を形成する。この反応で生成された電子はフロープレートに移動し、そして、電気回路を通じて電池の外部に移動して電流を生成する。カソードのレベルでは、酸素が還元され、陽子と反応して水が生成される。
【０００５】
燃料電池は、例えば金属の、互いにスタックされた複数のバイポーラと呼ばれるプレートを有してもよい。この膜は、２枚のバイポーラ板の間に配置される。バイポーラ板は、この膜に／この膜へ試薬と反応生成物とを導くフローオリフィス及び流路を有してもよい。また、バイポーラ板は、生じた熱を排出する冷却液を導く流路を有する。反応生成物及び非反応性種は、流路ネットワークの出口への流れによって運ばれて排出される。個々の流れの流路は、特にバイポーラ板によって分離されている。
【０００６】
また、バイポーラ板は、電気伝導性であり、アノードのレベルで生成された電子を集める。また、バイポーラ板は、電気的接触の品質に必要な、スタックを固定する力を伝達する機械的機能を有する。ガス拡散層は、電極とバイポーラ板との間に配置され、かつ、バイポーラ板と接触している。
【０００７】
電子伝導はバイポーラ板を介してなされ、イオン伝導はこの膜を介してなされる。
【０００８】
流路での試薬の循環には、主として３つのモードがある。
蛇行流路：１つまたは複数の流路が複数の往復によって有効面全体にわたっている。
平行流路；有効面全体にわたる平行な流路の束。流路は、直線状又はわずかな波状にすることができる。
組み合わせ流路：有効な面全体にわたる並行かつブロックされた流路の束。各流路は、流体の入口側及び流体の出口側でブロックされる。次いで、流路に入る流体は、局所的にガス拡散層を通過して隣接流路に入り、その後、その隣接流路の流体出口に到達するように律される。
【０００９】
コンパクト化及びパフォーマンスを向上させるためには、設計において流路の寸法を低減することが含まれる。この種の小さな流路でのヘッド損失を制限するため、かつ、温度が高い位置に導かれる冷却液の流れの問題を防止するため、平行流路を介した循環モードが一般に望ましい。
【００１０】
並行流路では、電気化学反応器の動作を劣化させない場合には、電極に対する試薬の分布は、その表面全体にわたって可能な限り均一でなければならない。この目的のために、並行流路を有するバイポーラ板は、入口マニホールドと出口マニホールドとをバイポーラ板の様々な流路に接続するために、しばしば均一化領域を使用する。試薬は、入口マニホールドから電極に接触し、反応生成物は種々の流路に接続された出口マニホールドから排出される。入口マニホールド及び出口マニホールドは、一般に、スタックの完全な厚さを通過する。入口マニホールド及び出口マニホールドは、通常、以下により構成される。
周辺においてそれぞれの各バイポーラ板を貫くオリフィスと、
周辺においてそれぞれの膜を貫くオリフィスと、
バイポーラ板と膜との間にそれぞれ設けられたシールである。
各シールは、膜のオリフィス及びバイポーラ板のオリフィスを囲んでいる。膜との接触面は一般に平坦であるため、この膜は可撓性のままである。
【００１１】
入口及び出口マニホールドと各流路との連絡を構築するため、種々の技術的解決法が知られている。バイポーラ板の２枚の金属シートの間に通路を設けることが特によく知られている。これらの通路は、一方では各マニホールドへの排出を行い、他方では注入オリフィスへの排出を行う。均一化領域は、流入オリフィスと流路との間の連絡を確立する流路を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２３９９３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
均一化領域は、スタックされた冷却液移転領域、酸化剤回路均一化領域及び燃料回路均一化領域を有し、それぞれは、冷却液マニホールド、酸化剤回路マニホールド及び燃料回路マニホールドへの排出を行う。これらの３つのマニホールドは、これらを互いに分離するために必然的にオフセットされ、燃料及び酸化剤回路の均一化流路は異なる向きを有する。
【００１４】
電気化学反応にほとんど寄与しない均一化領域は、燃料電池のコンパクト性と重量を悪化させないように、その寸法を可能な限り制限しなければならない。その結果、均一化領域は、コンパクト性を実現するため、電極の反応領域の流路に対して大きな角度偏差を有する流路をしばしば特徴とする。しかし、この種の均一化流路は、大きく異なったヘッド損失を誘発する。よって、流路の両側の入口及び出口での圧力は大きく異なり、電気化学反応器の動作を損ねる。コンパクトな均一化領域を形成するため、均一化流路は２又は３の流路と連絡している。均一化流路あたり流路の数が増えると、ヘッド損失及びそれらの間の不均衡が増加する。
【００１５】
米国公開公報２０１０／０２３９９３１は、燃料電池構造を記述している。バイポーラ板は、酸素酸化剤及び生成された水に対する入口及び出口均一化領域を規定する。入口及び出口均一化領域は、反応領域の流路によって接続される。一実施の形態においては、均一化領域は均一化流路を有する。出口均一化流路は、入口均一化流路よりも長い。本実施の形態では、均一化流路は、流路に連結される前に分岐される。
【００１６】
種々の均質化チャネルは同じ断面を有さず、反応条件は着目する流路に応じて不均一であることが分かる。更に、均一化領域のいくつかの部分は、蓄積された水によってブロックされるおそれが潜在的に有る。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、１以上のこれらの不利益を解決することを目的とする。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義されるバイポーラ板に関する。また、本発明は、添付の特許請求の範囲で定義される電気化学反応器に関する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の他の特徴および利点は、以下の例示的かつ非限定的な例として、添付の図面を参照して、その記載から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池用の薄膜／電極アセンブリ及びバイポーラ板のスタックの一例の分解斜視図である。
【図２】スタックを貫通するフローマニホールドを構成するためにスタックされように意図されたバイポーラ板及び薄膜／電極アセンブリの分解斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかるバイポーラ板の一表面の部分上面図である。
【図４】本発明にかかるバイポーラ板を有するスタックの断面図である。
【図５】異なる構成にかかる異なる流路のレベルでの入口圧力を示す図である。
【図６】異なる均一化領域の設計を用いたバイポーラ板シートの上面図である。
【図７】異なる均一化領域の設計を用いたバイポーラ板シートの上面図である。
【図８】異なる均一化領域の設計を用いたバイポーラ板シートの上面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態にかかるバイポーラ板の一表面の部分上面図である。
【図１０】他の異なる均一化領域の設計を用いたバイポーラ板シートの部分上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、燃料電池４のセル１のスタックの分解斜視図である。燃料電池４は、複数のスタックされたセル１を有する。セル１は、陽子交換膜又は高分子電解質膜である。
【００２１】
燃料電池４は、燃料源４０を有する。ここでは、燃料源４０は、セル１のそれぞれの入口に二水素を供給する。また、燃料電池４は、酸化剤源４２を有する。ここでは、酸化剤源４２は、セル１のそれぞれの入口に空気を供給し、空気中の酸素が酸化剤として用いられる。セル１のそれぞれは、排出流路を有する。また、１以上のセル１は、冷却回路を有する。
【００２２】
セル１のそれぞれは、薄膜／電極アセンブリ１１０、すなわちＭＥＡ（membrane/electrodes assembly）１１０を有する。薄膜／電極アセンブリ１１０は、電解質層１１３と、電解質層１１３の互いに異なる側に配置されて固定されたカソード（図示せず）及びアノード１１１とを有する。電解質層１１３は、陽子の伝導を許容し、セル内に存在する気体に対して非透過性を有する半透過性の薄膜を構成する。また、電解質層は、アノード１１１とカソードとの間の陽子の伝導を防止する。
【００２３】
各ペアの間で隣り合うＭＥＡの間には、バイポーラ板５が設けられる。バイポーラ板５のそれぞれは、対向する外面のアノード流路及びカソード流路を規定する。また、バイポーラ板５は、好適には、連続する２つの薄膜／電極アセンブリ間の冷却液流路を規定する。バイポーラ板５のそれぞれは、例えば、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金またはタンタル合金などの、共に組み合わされた２つの導電性金属シートから、それ自体が既知の方法により形成されてもよい。そして、各シートは、各外面を規定する。バイポーラ板５は、例えばモールディングや射出成形などの他の工程によって、炭素‐高分子複合材料で作製されてもよい。よって、バイポーラ板５を、単一部品として作製できる。バイポーラ板５の外面は、前記した単一部品コンポーネントによって規定される。
【００２４】
スタックは、ここでは図示していない周辺シールや薄膜補強部材を有してもよい。また、セル１のそれぞれは、アノードとバイポーラ板との間に設けられたガス拡散層（不図示）及びカソードと他のバイポーラ板との間に設けられた他のガス拡散層を有してもよい。
【００２５】
それ自体が既知の方法で、燃料電池４が動作しているときには、ＭＥＡとバイポーラ板との間には空気が流れ、ＭＥＡと他のバイポーラ板との間には二水素が流れる。アノードのレベルでは、二水素はイオン化され、ＭＥＡを通過する陽子が生成される。この反応で生成された電子は、バイポーラ板５によって捕集される。生成された電子は、電流を形成するために、燃料電池１に接続された電気的負荷に与えられる。カソードのレベルでは、酸素が還元され、陽子と反応して水が生成される。アノード及びカソードのレベルでの反応は、以下の通りに制御される。
【００２６】
アノードのレベルでは、
0006684265.tif 000002
となる。
【００２７】
カソードのレベルでは、
0006684265.tif 000003
となる。
【００２８】
動作中には、燃料電池のセルは、通常、アノードとカソードとの間で１ＶオーダーのＤＣ電圧を生成する。
【００２９】
図２は、燃料電池４のスタックに搭載されるように意図された２つのバイポーラ板５及び薄膜／電極アセンブリの分解斜視図である。バイポーラ板５と薄膜／電極アセンブリ１１０とのスタック化は、複数のフローマニホールドを形成することを意図しており、ここではその配置を概略的にのみ示している。そのために、それぞれのオリフィスは、バイポーラ板５及び薄膜／電極アセンブリ１１０を貫通して形成されている。よって、バイポーラ板５は、第１の端部のオリフィス５９１、５９３及び５９５、第１の端部と反対側の第２の端部のオリフィス５９２、５９４及び５９６を有する。オリフィス５９１は、例えば、燃料供給マニホールドを形成する。オリフィス５９６は、例えば、燃焼残留物及び未使用燃料の排出マニホールドを形成する。オリフィス５９３は、例えば、冷却液供給マニホールドを形成する。オリフィス５９４は、例えば、冷却液排出マニホールドを形成する。オリフィス５９２は、例えば、酸化剤供給マニホールドを形成する。オリフィス５９５は、例えば、生成される水及び未使用酸化剤の排出マニホールドを形成する。
【００３０】
バイポーラ板５及び薄膜／電極アセンブリ１１０のオリフィスは、各フローマニホールドを形成するために対面して配置される。オリフィス１２、１４及び１６は、例えば、薄膜／電極アセンブリに配置され、それぞれがオリフィス５９２、５９４及び５９６と対面するように配置される。簡素化のため、オリフィス５９６はスタックから燃料残留物を排出するためのマニホールドとして取り扱う。
【００３１】
図３は、マニホールド５９２、５９４及び５９６のレベルでの本発明にかかるバイポーラ板５の一実施形態のシート６１の部分上面図である。図４は、他の同一のバイポーラ板５２とスタックされたこの種のバイポーラ板５１の断面図であり、その間に薄膜／電極アセンブリの薄膜１１３が配置されている。ここでは、図示された断面は、燃料残留物の排出マニホールド５９６のレベルのものである。
【００３２】
図示したバイポーラ板５、５１及び５２は、互いに固定された２枚の導電性シート６１及び６２を有する。導電性シート６１及び６２は、好適には、プレス、スタンピング及び／又は深絞りなどの多くの広く利用されている産業用成形工程に適したたいへん一般的な材料であるステンレス鋼で形成される。図４に示した導電性シート６１及び６２は、溶接部５１３によって互いに固定されている。導電性シート６１及び６２は、各バイポーラ板の外面のレベルで、好適には各バイポーラプレートの内側の導電性シート６１及び６２の間に流体流路を形成するように隆起したパターンを有する。よって、各バイポーラ板に対して、導電性シート６１及び６２の冷却液流路（不図示）、導電性シート６１の外面の燃料流路６１８、及び、導電性シート６２の外面の水流路（不図示）が存在することとなる。ここでは、流路６１８は、平行型であり、同じ方向に延在している。酸化剤及び冷却液の流路は、好適には、平行型であり、同じ方向に延在していてもよい。これらの各流路は、直線である必要はなく（波型でもよい）、その方向は入口と出口とを接続する直線セグメントにより規定される。
【００３３】
それ自体が既知の方法で、スタックを貫く各マニホールドは、各注入領域と連絡している。図３の例では、マニホールド５９６は注入領域５８６と連絡し、マニホールド５９４は注入領域５８４連絡し、マニホールド５９２は注入領域５８２と連絡している。各注入領域は、各流路と連絡している各注入オリフィスを有する。注入領域５８６、５８４及び５８２は、横方向にオフセットされている。各注入オリフィスを有する注入領域５８２及び５８６は、特にバイポーラ板に垂直な面Ｐの反対側の面のそれぞれに設けられ、バイポーラ板の同じ端部のレベルで複数のマニホールドを提供できるように流路６１８の方向を含んでいる。
【００３４】
注入領域５８６のシート６１には、オリフィス５１２が設けられる。図４に示すように、オリフィス５１２は、通路５１１を介して、マニホールド５９６と連絡しており、リブ６１２及び６２２を貫いており、シール２を保持するリブ６１２及び６２２を貫いており、リブ６１２及び６２２はマニホールド５９６を囲んでおり、リブ６１３及び６２３を貫いている。
【００３５】
リブ６１２及び６１３は、シート６１のリブ６１１の両側に設けられ、リブ６２２及び６２３は、シート６２のリブ６２１の両側に設けられる。
【００３６】
一方ではマニホールド５９４と注入領域５８４との間に、他方ではマニホールド５９２と注入領域５８２との間には、記載及び図示されていない流体の連絡もある。
【００３７】
注入領域５８６の注入オリフィス５１２は、シート６１の外面上の均一化領域６１４を介して、流路６１８に連絡している。均一化領域は、一般に、流路６１８を含む反応領域６１９と、薄膜／電極アセンブリのモデリング領域に重なる電極が存在しないこと、及び／又は、  均一化領域６１４をよりコンパクトにするために流路６１８に対して傾斜した均一化流路の存在によって、区別される。
【００３８】
均一化領域６１４の機能は、特に、各流路６１８間の流速差を制限し、可能な流路のそれぞれに対するヘッド損失を均一化する。
【００３９】
均一化領域は、好適には、シート６２で規定される外面に配置され、注入領域５８２の注入オリフィスとこの外面の流路との連絡を確立する。この均一化領域は、好適には、均一化領域６１４に重ね合わされる。
【００４０】
均一化領域６１４は、側壁によって互いに分離された均一化流路を有する。均一化流路のそれぞれは、少なくともオリフィス５１２と複数の流路６１８との間の連絡を確立する。同じ均一化流路から複数の流路６１８に供給することにより、一般に、均一化領域６１４をより小型化することが可能となる。最も離れている流路間の流速差を過度に低下させることなく、流路の入口で過度の圧力勾配を誘発することなく、この種の結果を生成するために、本発明は、均一化チャネルを複数の枝に細分することを提案する注入オリフィス５１２から流路６１８まで延在している。
【００４１】
説明した例では、均一化領域６１４は、均一化領域６１６と均一化領域６１７とに分割される。  均一化領域６１６は、第１の領域を形成し、かつ、注入オリフィス５１２が排出を行う均一化領域を含む。均一化領域６１７は、かつ、流路６１８へ排出する分岐を含む第２の領域を形成する。
【００４２】
領域６１７の各分岐は、好適には、領域６１６への排出を行う。よって、領域６１６内の水の蓄積は、より容易に排出される
【００４３】
この潜在的にブロックされた流路の下流の流路６１８の流れは、必ずこのブロックされた流路を通過しなければならず、ブロックされていない圧力が水の蓄積に加えられることを保証する。
【００４４】
各流路間のヘッド損失の均一性は、ブロックされないようにするために水の蓄積への十分な圧力を保証する。
【００４５】
同様に、領域６１７の分岐が排出を行う領域６１６の流路は、これらの分岐へ均一化された圧力を加えるので、領域６１７での水の蓄積は、より容易に排出される。各分岐を通る流れ経路の均一化ヘッド損失は、水の蓄積に対するアンブロック圧力にとって有利である。
【００４６】
図示した線Ｌにより、領域６１６の均一化流路と領域６１７の分岐との間の接合部を位置づけられる。ここで、均一化流路は、接合部のレベルで２つの分岐に分割される。均一化流路は、均一化流路でのヘッド損失が連続して増加しないように、好適には接合部のレベルで少なくとも３つの分岐に分割される。前記した接合部のそれぞれは、好適には、均一化流路に、注入オリフィス５１２から０．３×Ｌｃｈ〜０．７×Ｌｃｈの間に配置される。但し、Ｌｃｈは、接合部が位置する均一化流路の長さである。
【００４７】
説明した例では、領域６１７の各分岐は、好適には複数の流路６１８への排出を行う。領域６１７の各分岐は、領域６１６でのヘッド損失が増加しないように、好適には少なくとも３つの流路６１８への排出を行う。
【００４８】
領域６１６の均一化流路は領域６１７の分岐よりも少ないので、領域６１６の均一化流路は、領域６１８に対して、それらの分岐よりも傾斜していてもよい。このような傾斜の増加は、均一化領域６１４の面積を制限でき、これによりバイポーラ板及びスタックの全体的な寸法を制限できる。領域６１７の分岐は、好適には、流路６１８に対して少なくとも２０°の角度である。領域６１６の均一化流路は、好適には、流路６１８に対して少なくとも４０°の角度であり、領域６１７に対して少なくとも２０°の角度である。また、流路に対する均一化流路の傾斜により、流路及び均一化流路に断面を使用させることができるが、後者はそれほど多くはない。同様に、第２のセクションの分岐に対する第１のセクションの流路の傾斜によって、第２のセクションの分岐と同じ断面を有する流路を有する第１のセクションが可能となる。特に、入口の最も短い均一化流路が共有流路の出口でのより長い均一化流路によって補償される場合、同じ断面を用いることで、全ての流路を通じて同じ流れ状態を容易に規定することができる。
【００４９】
図５は、流路の出口圧力差を横方向位置の関数として示した図である。横座標は流路のインデックスに対応し、縦座標は圧力差（パスカル）に対応する。図５は、４つの流路への供給を行う接合部を有しない均一化流路を有する先行技術にかかる均一化領域（最上の曲線）、２つの流路への供給を行う接合部を有しない均一化流路を有する先行技術にかかる均一化領域（最下の曲線）、及び、本発明にかかる均一化領域６１４（中間の線）でのシミュレーション結果を示している。均一化領域６１４によって、全体的な寸法を大幅に低減できる一方で、流路６１８において比較的小さな圧力差を維持できることが見て取れる。
【００５０】
領域６１６の均一化流路のそれぞれの断面は、好適には、流路６１８のそれぞれの断面と同一であり、これにより、領域６１６の均一化流路と流路６１８との間の最大の傾斜において、最も小型化することができる。更に、領域６１６の均一化流路の同じ断面によって、流れ状態の良好な制御及び上記した流れ状態の均一化を実現することができる。領域又はセクション６１６の均一化流路の断面は、好適には、領域又はセクション６１７の分岐の断面と等しく、やはり流れ状態の制御及び均一化に好都合である。
【００５１】
バイポーラ板は、酸化剤の均一化領域と、バイポーラ板に垂直でバイポーラ板の中心を通る直線領域に対して均一化領域６１４と対称な形状を有する、均一化領域６１４に対して垂直に配置された水流路を有してもよい。異なる流れのヘッド損失差を利用するために、アシンメトリーの均一化領域を設けることも可能である。例えば、二水素タイプの燃料均一化流路は、酸化剤均一化流路よりも大きな傾斜を有しもよい。これにより、図３に示すマニホールド５９２及び５９４は、図９に示す例のように入れ替わる。
【００５２】
図６は、流路６１８を通過する流れの経路のそれぞれにおけるヘッド損失をバランスさせることができる変形バイポーラ板の上面図である。均一化領域６３４は、反応領域６１９の流路６１８に対して、均一化領域６１４の反対側に形成される。均一化領域６３４は、バイポーラプレートに垂直な軸に対して、流域６１４と実質的に対称な形状を有する。このような軸は、この図において点Ｏによって識別される。これにより、流路６１８のいずれかを通過する流れの経路は、平面Ｐに平行な中央面に対して対称に配置された流路を通過する流れ経路と同一となる。均一化領域６１４、前記流路６１８及び均一化領域６３４を通過する全ての流れ経路の長さは、好適には同一である。この種の流れ状態の均一性は、各流路、均一化流路及び均一化流路の分岐のそれぞれの同一の断面によって更に補強される。
【００５３】
流れ経路の入口と出口との間の僅かな流れ状態の差（例えば、水の量の増加など）を考慮するため、均一化領域６１４は、均一化領域６３４とは異なる形状を有することができ、例えば、２つの均一化領域の均一化流路で異なる角度をとることができる。均一化領域及び流路及び分岐と前記流路との間の角度のために、いくつかの均一化分岐及び流路は他のものよりも短くなる。流路の端部における流れ経路間でほぼ同様の長さを維持するため、均一化流路及びこの流路への排出を行う領域６１４ の流路が短くなるほど、均一化流路及びこの流路への排出を行う領域６３４の流路が長くなる。実際に、所定の流路６１８に対して、流路６１８への排出を行う領域６１４の均一化分岐及び流路と領域６３４の均一化分岐及び流路は、バイポーラ板に垂直な平面の反対側に配置され、かつ、流路６１８の方向に延在している。
【００５４】
図６に、均一化領域６１４及び６３４の配置の第１の設計例を示す。この設計により、均一化領域のコンパクト性を最適化できる。この例では、線Ａ−Ｂは流路６１８の端部を通過する。線Ａ−Ｃは、点Ａで線Ａ−Ｂと交差するように引かれる。接合部は、線Ａ−Ｃに沿って配置される。よって、均一化領域６１７は、線Ａ−Ｂ及びＡ−Ｃの間に位置しており、より詳細には三角形ＡＢＣに囲まれている。この例では、線Ａ−Ｄが注入領域５８６と均一化領域６１６との間の接合部を規定し、この線は線Ａ−Ｂと点Ａで交差する。よって、均一化領域６１６は、線Ａ−Ｄ及びＡ−Ｃの間に位置しており、より詳細には三角形ＡＤＣに囲まれている。同様に、均一化領域６３４は、三角形Ａ’Ｂ’Ｃ’で囲まれる均一化領域６３６と三角形Ａ’Ｄ’Ｃ’で囲まれる均一化領域６３７とに分割される。冷却液用及び酸化剤用の接合部領域は、たとえば、それぞれセグメントＢＣ及びＣＤに配置されてもよい。
【００５５】
図７に、均一化領域６１４及び６３４の配置の第２の設計例を示す。前の例と同様に、均一化領域６３４は、バイポーラ板に垂直な軸に対して、領域６１４と実質的に対称な形状を有する。この種の軸は、図において点Ｏとして認識される。よって、任意の流路６１８を通過する流れ経路は、平面Ｐに平行なバイポーラ板の中央面に対して対称に配置された流路を通過する流れ経路と同一である。ここで、均一化領域６１６及び６１７は、四角形で囲まれる。均一化領域６１４の均一化流路は、その次数が比較的近い長さを有し、その結果、それらを通る流れのヘッド損失も比較的近い。
【００５６】
図８に、均一化領域６１４及び６３４の配置の第３の設計例を示す。この例では、領域６１６の均一化流路と均一化領域６１７の分岐との間の接合部は、曲線上に配置される。この図で示すように、この種の構成は、例えば、円形又は楕円形のマニホールド５９６又は５９１と一致するように意図されている。
【００５７】
図１０に、均一化領域６１４及び６３４の配置の第４の設計例を示す。この設計により、均一化領域のコンパクト性を最適化でき、かつ、均一化流路及び均一化流路の分岐のそれぞれで、同じ断面を保証できる。この例では、線Ａ−Ｂが流路６１８の端部を通過する。線Ａ−Ｃは、点Ａで線Ａ−Ｂと交差するように引かれる。接合部は、線Ａ−Ｃに沿って配置される。よって、均一化領域６１７は、線Ａ−Ｂ及びＡ−Ｃの間に位置しており、より詳細には三角形ＡＢＣに囲まれている。この例では、線Ａ−Ｄが注入領域（不図示）と均一化領域６１６との間の接合部を規定し、この線は、点Ａで線Ａ−Ｂと交差する。よって、均一化領域６１６は、線Ａ−Ｄと線Ａ−Ｃとの間に配置され、かつ、より正確に三角形ＡＤＣに囲まれる。同様に、均一化領域６３４は、図示しないが、同様の構造を有する。
【００５８】
値ｈは、領域６１９の流路の全体的な幅を規定する。領域６１７の流路の幅と領域６１９の流路の幅との比は、値ε１を有する（流路が厳密に同じ幅を有しない場合には、ε１は、好適には０．９５及び１．２５の間である。）。領域６１６の流路のピッチと領域６１７の流路のピッチとの比は、値ε２を有する（流路が厳密に同じ幅を有しない場合には、ε２は、好適には０．９５及び１．２５の間である。）。例示では、（領域６１７の均一化流路の端部を示す）線Ａ−Ｂと領域６１９の流路との間にはオフセットｄｙが存在する。ここで、領域６１６及び６１７の流路の角度の変化を点Ａに近づけるため、点Ａは横方向に距離ｄｘだけオフセットされている。
【００５９】
セグメントＢＣは、中心Ａ、直径ｈ／２×ε１＋ｄｘ（ここで、例えばε１＝１．１）の円の接線を点Ｂから引くことで描かれる。点Ｃは、ＡＢとＡＣとの間で角度値α１（ここでは１０°）を選択することで得られる。セグメントＣＤは、中心Ａ、直径ｈ／４×ε１×ε２＋ｄｘ（ここで、例えばε２＝１．１）の円の接線を点Ｃから引くことで描かれる。点Ｄは、ＡＣとＡＤとの間で角度値α２（ここでは２０°）を選択することで得られる。
【００６０】
ｄｘ、ｄｙ、ε１、ε２、α１、α２の大きさは、以下の基準を満たすための均一化領域６１４の配置の調整を可能とするパラメータである。前記した基準は、四角形ＡＢＣＤの面積、均一化領域６１４のヘッド損失、領域６１９の各流路での平均流測に対する偏差、バイポーラプレートの他方のシート上の対面する均一化領域との一致可能性、プレートを循環する他の流体の排出マニホールドの寸法との一貫性である。
【００６１】
値は、好適には、以下のとおりである。ｄｘ＝０、ｄｙ＝０、ε１＝１、ε２＝１、α１＋α２＝３０°である。
【００６２】
一般的に、好適には以下の規則が遵守される。０＜ｄｘ＜ｈ／１０、０＜ｄｙ＜５ｍｍ、１０°＜α１＋α２＜６０°である。
【００６３】
図９は、本発明にかかるバイポーラ板５の他の実施の形態のシート６１の部分上面図である。この例では、均一化領域は、領域６１６、領域６４１及び領域６１７の３つの均一化領域に分割される。均一化領域６１６は、第１のセクションを形成し、かつ、注入オリフィス５１２が排出を行う均一化流路を有する。均一化領域６１７は、第２のセクションを形成し、かつ、流路６１８への排出を行う分岐を有する。均一化領域６４１は、第３のセクションを形成する。均一化領域６４１は、均一化領域６１６と均一化領域６１７との間の中間部を形成する。領域６１６の均一化流路のそれぞれは、領域６４１において複数の分岐に分割される。領域６４１の分岐のそれぞれは、領域６１７において更に複数の分岐に分割される。図示された線Ｌ１は、領域６１６の均一化流路と領域６４１の分岐との間の接合部のレベルに位置づけられる。図示された線Ｌ２は、領域６４１の分岐と領域６１７の分岐との間の接合部のレベルに位置づけられる。この種の構成では、領域６１６の均一化流路と領域６１８との間の角度を大きくすることで、均一化領域６１４をよりコンパクトにすることができる。各接合部のレベルでは、この例においては、２つの分岐への分岐部が存在する。また、領域６１７の各分岐は、２つの流路６１８への排出を行う。
【００６４】
本発明は、燃料電池への二水素型燃料の注入を参照して説明されている。本発明は、例えばメタノールなどの他のタイプの燃料の注入にも同じく適用されることは勿論である。本発明は、例えば空気などの酸化剤の注入を参照して説明されている。本発明は、例えば酸素などの他のタイプの酸化剤の注入にも同じく適用されることは勿論である。
【００６５】
本発明は、陽子交換膜タイプの燃料電池の電気化学反応器を参照して説明されている。本発明は、例えばバイポーラ板及び陽子交換膜のスタックを有する電解槽などの他のタイプの電気化学反応器にも同じく適用してもよいことは勿論である。
【００６６】
本発明は、 流路と均一化流路とを有するバイポーラ板の外側の面がシートの盛り上がったパターンで規定される例を参照して説明した。説明した流路及び均一化流路は、バイポーラ板の２つの外側の面を規定する１つのコンポーネント内に等しく形成されてもよい。
【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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