(57)【要約】【課題】  バイポーラ板とそれを採用する燃料電池を提供する。【解決手段】  流路３３の長さがバイポーラ板３１の面積の自乗根の３倍以上８倍以下で形成されるバイポーラ板。燃料流動流路３３の長さが第１バイポーラ板３１の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であり、酸化剤流動流路の長さが前記第２バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下で形成される燃料電池。これにより、バイポーラ板内の圧力を均一に低めて燃料電池のパワーを向上させる。また、燃料及び酸化剤の入口と出口とを一方向に配置して製造した電極を使用する場合、面積損失を最大限に減らして燃料と酸化剤との混合を効果的に防止する。【選択図】            図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料または酸化剤が流動する流路が形成された燃料電池用バイポーラ板において、
前記流路の長さは前記バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることを特徴とするバイポーラ板。
【請求項２】
前記流路は、前記バイポーラ板の境界から所定間隔離れて上方に突出した反応板に形成されることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項３】
前記流路は、前記バイポーラ板の境界から所定間隔離れて下方に後退した反応板に形成されることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項４】
前記流路は、
前記反応板に所定深さで形成され、前記燃料または酸化剤が移動するチャンネルと、前記チャンネル間の障壁をなすリブよりなり、前記チャンネルの幅が前記リブの幅に比べて１．３倍ないし２倍程度大きいことを特徴とする請求項２または３に記載のバイポーラ板。
【請求項５】
前記チャンネルそれぞれの長さは前記バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることを特徴とする請求項４に記載のバイポーラ板。
【請求項６】
前記流路は、進行方向が９０°変わるコーナーが６０個以下であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項７】
前記流路は、進行方向が１８０°変わるターンが１２個以下であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項８】
前記コーナーは曲線で形成されることを特徴とする請求項６に記載のバイポーラ板。
【請求項９】
前記ターンは曲線で形成されることを特徴とする請求項７に記載のバイポーラ板。
【請求項１０】
前記流路の入口及び出口は同一方向に整列されることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項１１】
前記流路の入口及び出口は楕円形であることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項１２】
前記流路は、前記チャンネルから遠ざかるほど幅が広くなる扇形の入口及び出口を具備することを特徴とする請求項４に記載のバイポーラ板。
【請求項１３】
前記流路は、前記チャンネルの深さに比べて３０％ないし５０％程度さらに深い入口及び出口を具備することを特徴とする請求項４に記載のバイポーラ板。
【請求項１４】
前記バイポーラ板の一側に熱電池挿入口が形成されることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラ板。
【請求項１５】
燃料流動流路が形成される第１バイポーラ板と、酸化剤流動流路が形成される第２バイポーラ板と、前記第１及び第２バイポーラ板間に介在されて前記燃料と前記酸化剤とが反応するＭＥＡを具備する燃料電池において、
前記燃料流動流路の長さは前記第１バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であり、前記酸化剤流動流路の長さは前記第２バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
前記燃料流動流路は、前記第１バイポーラ板の境界から所定間隔離れて上方に突出した反応板に形成されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記燃料流動流路は、前記第１バイポーラ板の境界から所定間隔離れて下方に後退した反応板に形成されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記酸化剤流動流路は、前記第２バイポーラ板の境界から所定間隔離れて上方に突出した反応板に形成されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記酸化剤流動流路は、前記第２バイポーラ板の境界から所定間隔離れて下方に後退した反応板に形成されることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２０】
前記燃料流動流路は、
前記反応板に所定深さで形成されて前記燃料または酸化剤が移動するチャンネルと、前記チャンネル間の障壁をなすリブとよりなり、前記チャンネルの幅が前記リブの幅に比べて１．３倍ないし２倍程度大きいことを特徴とする請求項１６または１７に記載の燃料電池。
【請求項２１】
前記酸化剤流動流路は、
前記反応板に所定深さで形成されて前記燃料または酸化剤が移動するチャンネルと、前記チャンネル間の障壁をなすリブとよりなり、前記チャンネルの幅が前記リブの幅に比べて１．３倍ないし２倍程度大きいことを特徴とする請求項１８または１９に記載の燃料電池。
【請求項２２】
前記燃料流動流路は、進行方向が９０°変わるコーナーが６０個以下であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２３】
前記燃料流動流路は、進行方向が１８０°変わるターンが１２個以下であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２４】
前記酸化剤流動流路は、進行方向が９０°変わるコーナーが５０個以下であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２５】
前記酸化剤流動流路は、進行方向が１８０°変わるターンが１０個以下であることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２６】
前記コーナーは曲線で形成されることを特徴とする請求項２２または２４に記載の燃料電池。
【請求項２７】
前記ターンは曲線で形成されることを特徴とする請求項２３または２５に記載の燃料電池。
【請求項２８】
前記燃料流動流路は同一方向に整列された入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項２９】
前記酸化剤流動流路は同一方向に整列された入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３０】
前記燃料流動流路の入口は、前記酸化剤流動流路の入口と前記燃料流動流路の出口または前記酸化剤流動流路の出口とを介して分離されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３１】
前記燃料流動流路の出口は、前記酸化剤流動流路の出口と前記燃料流動流路の入口または前記酸化剤流動流路の入口とを介して分離されていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３２】
前記燃料流動流路は楕円形の入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３３】
前記酸化剤流動流路は楕円形の入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３４】
前記燃料流動流路は、前記チャンネルから遠ざかるほど幅が広くなる扇形の入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３５】
前記酸化剤流動流路は、前記チャンネルから遠ざかるほど幅が広くなる扇形の入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３６】
前記燃料流動流路は、前記チャンネルの深さに比べて３０〜５０％さらに深く形成された入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３７】
前記酸化剤流動流路は、前記チャンネルの深さに比べて３０〜５０％さらに深く形成された入口及び出口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３８】
前記第１バイポーラ板は一側に熱電池挿入口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項３９】
前記第２バイポーラ板は一側に熱電池挿入口を具備することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項４０】
前記第１バイポーラ板はアノードであり、前記第２バイポーラ板はカソードであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項４１】
前記第１バイポーラ板の圧力は０．０５ｂａｒないし０．１２ｂａｒであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項４２】
前記第２バイポーラ板の圧力は０．０２ｂａｒないし０．０８ｂａｒであることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項４３】
前記チャンネルそれぞれの長さは、前記バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることを特徴とする請求項１５に記載のバイポーラ板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は燃料電池に係り、より詳細には圧力を低めてパワーを向上させた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、燃料酸化反応から発生する自由エネルギーの変化が電気的エネルギーに転換される電気化学的システムを意味する。燃料電池は大きく、水素またはメタノールなどの燃料が電子を失って陽イオンに変化する酸化反応が起きるアノード、陽イオンがアノードから供給される電子を受けて注入される空気中の酸素と結合して水に変化する還元反応が起きるカソード、アノードとカソード間に位置して水素イオンを伝達する電解質の３つで構成される。
【０００３】
図１Ａは、一般的に使われている燃料電池の燃料流動流路が形成されたアノードバイポーラ板の平面図であり、図１Ｂは、同一物の空気流動流路が形成されたカソードバイポーラ板の平面図である。
【０００４】
図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、従来の燃料電池は、燃料流動流路１３及び空気流動流路２３の長さが正四角形の第１及び第２バイポーラ板１１、２１の１辺の１５倍以上であり、燃料及び空気の入口１２、２２と出口１４、２４とが互い対角線方向に配置されており、流路１３、２３のコーナーが直角になっているアノード及びカソードバイポーラ板１１、２１を具備する。参照符号２６は冷却ピンを示す。
【０００５】
流路１３、２３は金属性網状体などを使用することもあるが、主に電気伝導性があって気体の密閉が可能な一定厚さ以上の集電板の黒鉛ブロックに流路を加工して刻んだ構造を利用する。しかし、このような流路１３、２３は、燃料及び酸素を連続的に供給するために最外角単電池からスタック内側の単電池に至るまで複雑な設計をする必要があり、燃料電池スタックの製造時に流路１３、２３が形成されたバイポーラ板を数枚積層するために燃料電池の密閉化が難しく、かつ燃料電池セル内部の圧力差が大きくなって平面での反応物の濃度が均一ではない。
【０００６】
図２は、従来の一般的な燃料電池スタックにおいて、燃料電池セルの番号によるフロー当り電圧Ｅの変化を示すダイヤグラムである。図面において９番目のセルでフロー当り電圧の値が０．０５Ｖ程度、１２番目のセルでフロー当り電圧の値が０．０８Ｖ程度に急減することが分かる。図示されたように、従来の一般的な燃料電池では各燃料電池セルの電圧が相異なって燃料電池スタック全体で電圧が均一でないことが分かる。
【０００７】
図３は、従来の一般的な燃料電池スタックにおいて、電流による電圧Ｅ及び電力の変化を示すグラフである。図３を参照すれば、電圧が５Ｖである時に電流は６Ａを示し、この時に３０Ｗ程度の最大パワーを示す。しかし、電圧が低くなるほどパワーは急減することが分かる。
【０００８】
一般的な燃料電池の短所を補完するために、特許文献１では、液体燃料を供給する流路と熱交換器との役割を共に行う酸化剤流路よりなる両面集電板を具備する燃料電池を提案している。特許文献２では、電流集電体が取り付けられたプラスチックフレームを利用し、アノードとカソードとが拡散気体層及び熱管理層の役割を行う燃料電池を開示しており、特許文献３では、電気伝導性圧縮板及び圧縮板間の中間板にエンボス加工を施すことにより流体を効果的に加圧する燃料電池を提供する。
【０００９】
しかし、このような従来の燃料電池は、いろいろな機能を有するように構造を設計して工程コストを減らすことはできたが、スタック内部の圧力が高まって燃料電池の反応が遅くなり、燃料と酸化剤との混合及び漏れを効率的に防止できない。また、流路の進行方向が変わる角がある流路では、その角で流路を通過する流体の進行が滞る渦現象が起きて燃料循環が円滑でない短所を有する。
【特許文献１】米国特許第６１３２８９５号公報
【特許文献２】米国特許第６１２７０５８号公報
【特許文献３】米国特許第５５２７３６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、流路内の圧力を低めて燃料と空気との入口及び出口を一方向に配置することによって電極製造損失を極小化し、かつ燃料と酸化剤との混合を効果的に防止して渦現象を除去できる構造の燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を達成するために本発明は、燃料または酸化剤が流動する流路が形成された燃料電池用バイポーラ板において、前記流路の長さは前記バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることを特徴とするバイポーラ板を提供する。
【００１２】
前記流路は、前記バイポーラ板の境界から所定間隔離れて上方に突出した反応板に形成される。
【００１３】
前記流路は、前記バイポーラ板の境界から所定間隔離れて下方に後退した反応板に形成される。
【００１４】
前記流路は、前記反応板に所定深さで形成され、前記燃料または酸化剤が移動するチャンネルと、前記チャンネル間の障壁をなすリブよりなり、前記チャンネルの幅が前記リブの幅に比べて１．３倍ないし２倍程度大きいことが望ましい。
【００１５】
前記チャンネルそれぞれの長さは前記バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることが望ましい。
【００１６】
前記流路は、進行方向が９０°変わるコーナーを６０個以下に備えるか、進行方向が１８０°変わるターンを１２個以下に備える。
【００１７】
前記コーナーまたはターンは曲線で形成されることが望ましい。
【００１８】
前記流路の入口及び出口は同一方向に整列されることが望ましい。
【００１９】
前記流路の入口及び出口は楕円形であることが望ましい。
【００２０】
前記流路は、前記チャンネルから遠ざかるほど幅が広くなる扇形の入口及び出口を具備するか、前記チャンネルの深さに比べて３０％ないし５０％程度さらに深い入口及び出口を具備することが望ましい。
【００２１】
前記バイポーラ板の一側に熱電池挿入口が形成されることが望ましい。
【００２２】
前記技術的課題を達成するために本発明はまた、燃料流動流路が形成される第１バイポーラ板と、酸化剤流動流路が形成される第２バイポーラ板と、前記第１及び第２バイポーラ板間に介在されて前記燃料と前記酸化剤とが反応するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を具備する燃料電池において、前記燃料流動流路の長さは前記第１バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であり、前記酸化剤流動流路の長さは前記第２バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることを特徴とする燃料電池を提供する。
【００２３】
前記燃料流動流路または酸化剤流動流路は、前記第１バイポーラ板の境界から所定間隔離れて上方に突出した、または下方に後退した反応板に形成される。
【００２４】
前記燃料流動流路または酸化剤流動流路は、前記反応板に所定深さで形成されて前記燃料または酸化剤が移動するチャンネルと、前記チャンネル間の障壁をなすリブとよりなり、前記チャンネルの幅が前記リブの幅に比べて１．３倍ないし２倍程度大きいことが望ましい。
【００２５】
前記燃料流動流路は、進行方向が９０°変わるコーナーが６０個以下であり、進行方向が１８０°変わるターンが１２個以下であることが望ましい。
【００２６】
前記酸化剤流動流路は、進行方向が９０°変わるコーナーが５０個以下であり、進行方向が１８０°変わるターンが１０個以下であることが望ましい。
【００２７】
前記コーナーまたはターンは曲線で形成されることが望ましい。
【００２８】
前記燃料流動流路または酸化剤流動流路は、同一方向に整列された入口及び出口を具備することが望ましい。
【００２９】
前記燃料流動流路の入口は、前記酸化剤流動流路の入口と前記燃料流動流路の出口または前記酸化剤流動流路の出口とを介して分離されることが望ましく、前記燃料流動流路の出口は、前記酸化剤流動流路の出口と前記燃料流動流路の入口または前記酸化剤流動流路の入口とを介して分離されることが望ましい。
【００３０】
前記燃料流動流路または酸化剤流動流路は、楕円形の入口及び出口を具備することが望ましく、前記燃料流動流路または酸化剤流動流路は、前記チャンネルから遠ざかるほど幅が広くなる扇形の入口及び出口を具備することが望ましい。
【００３１】
前記燃料流動流路または酸化剤流動流路の入口及び出口は、前記チャンネルの深さに比べて３０〜５０％さらに深く形成されることが望ましい。
【００３２】
前記第１または第２バイポーラ板は一側に熱電池挿入口を具備する。
【００３３】
前記第１バイポーラ板はアノードであり、前記第２バイポーラ板はカソードであり、その逆の場合も可能である。
【００３４】
前記第１バイポーラ板の圧力は０．０５ｂａｒないし０．１２ｂａｒであり、前記第２バイポーラ板の圧力は０．０２ｂａｒないし０．０８ｂａｒであることが望ましい。
【００３５】
前記チャンネルそれぞれの長さは、前記バイポーラ板の面積の自乗根の３倍以上８倍以下であることが望ましい。
【００３６】
本発明は、燃料電池において流路の長さを燃料電池の面積の自乗根の３倍ないし８倍以下に短く設計し、流路の進行方向が変わるコーナーまたはターンを曲線で形成して流路の区間特別な圧力差を減らすことによって燃料電池反応で生成された二酸化炭素や水を反応領域から迅速に除去できる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によるバイポーラ板及びこれを採用する燃料電池を用いれば、圧力差が減少し、反応速度が高まってパワーが向上する。また、燃料及び酸化剤の入口と出口とを一方向に配置して製造した電極を使用する時、面積損失を最大限に減らして燃料と酸化剤との混合を効果的に防止する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施の形態によるバイポーラ板及びこれを採用する燃料電池を図面を参照して詳細に説明する。
【００３９】
図４は、本発明の実施の形態による第１バイポーラ板を示す平面図であり、図５Ａは、同一物のＡ−Ａ’線断面図、図５Ｂは同一物のＢ−Ｂ’線断面図である。
【００４０】
図４を参照すれば、本発明の実施の形態による第１バイポーラ板３１には、境界線と一定間隔Ｇ離れて所定高さで上方に突出した反応板３７が四角形に形成されている。反応板３７には外部への燃料漏れを防止するためのガスケットが適用される。
【００４１】
反応板３７には、燃料または酸化剤が流入される入口３２及び流出される出口３４が同じ左側方向に整列された第１流路３３が蛇形に形成されている。第１流路３３の全体長さは第１バイポーラ板３１の面積の自乗根の３倍以上８倍以下、望ましくは４倍ないし７倍程度になるように形成されるが、この長さは従来の流路長さに比べて１／３程度減少した長さである。第１流路３３のコーナー及びターンの数は従来の流路に比べて少ない。
【００４２】
第１流路３３は、入口３２から右側に直進して第１コーナーｃ１で下方に９０°進行方向が変わり、また第２コーナーｃ２で右側に９０°進行方向が変わる。右側に直進する第１流路３３は第１ターンｔ１で１８０°進行方向が変わって左側に進行方向が変わり、また第２ターンｔ２で１８０°進行方向が変わって右側に進行する。このような第１流路３３の進行方向の変化方式は、第３ないし第７ターンｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７で同一に反復される。
【００４３】
ただし、第３ターンｔ３と第４ターンｔ４間及び第４ターンｔ４と第５ターンｔ５間の第１流路３３の長さは、第１ターンｔ１と第２ターンｔ２間及び第２ターンｔ２と第３ターンｔ３間の長さ、第５ターンｔ５と第６ターンｔ６間及び第６ターンｔ６と第７ターンｔ７間の第１流路３３の長さより長い。図面で、第３ターンｔ３と第４ターンｔ４間及び第４ターンｔ４と第５ターンｔ５間の第１流路３３の長さと、第１ターンｔ１と第２ターンｔ２間及び第２ターンｔ２と第３ターンｔ３間の長さとは同一に形成される。第７ターンｔ７で左側に進行した第１流路３３は、第３コーナーｃ３で下方に９０°進行方向が変わって進行し、第４コーナーｃ４で再び左側に９０°進行方向が変わって出口３４に到達する。第１流路３３の第１ないし第４コーナーｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４と第１ないし第７ターンｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７とは渦現象を最小化させるために曲線で形成される。
【００４４】
第１流路３３は、燃料または酸化剤が通過するチャンネル３３ａと、そのチャンネル３３ａ間に障壁をなすことによって境界を形成するリブ３３ｂよりなる。ここで、チャンネル３３ａは反応板３７に所定深さで形成される。図４に図示された本発明の第１の実施の形態による燃料電池に採用される第１バイポーラ板３１の第１流路３３には３つのチャンネル３３ａが設計されてチャンネル３３ａの入口３２から出口３４まで並列になっているが、チャンネル３３ａの数は必ずしもこれに限定されるものではない。
【００４５】
リブ３３ｂは、チャンネル３３ａ間にチャンネルより高く形成されることによってチャンネル３３ａは谷を、リブ３３ｂは山を形成する。図５Ａを参照すれば、チャンネル３３ａの幅ｗ１とリブ３３ｂの幅ｗ２とは１．５：１程度の比を有するように形成されている。ここで、チャンネル３３ａの幅ｗ１とリブ３３ｂの幅ｗ２とは、チャンネル３３ａを通過する物質の種類及び通過速度によって調節される。前述したチャンネルとリブとの幅の比を有するバイポーラ板ではチャンネル３３ａを通過する燃料または酸化剤が従来の流路でより速く流れうる。ただし、本発明の実施の形態による第１流路３３は、チャンネル３３ａの幅がリブ３３ｂの幅に比べてさらに大きく形成されることによって従来に同じ幅を有するように形成されたチャンネル３３ａとリブ３３ｂとを具備する流路とは違って物質の円滑な流通が可能である。
【００４６】
また、図４を参照すれば、第１バイポーラ板３１の境界と反応板３７間の空間には反応板３７の４辺の外側に２個ずつの締結孔３６ａ・３６ｂ、３６ｃ・３６ｄ、３６ｅ・３６ｆ、３６ｇ・３６ｉと一つの電流集電線挿入口３６ｈとが形成されている。前記８個の締結孔３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆ、３６ｇにはねじなどの締結部材が結合されて、第１バイポーラ板３１に燃料が注入される場合に酸化剤が注入される第２バイポーラ板（図示せず）と、第１バイポーラ板３１と第２バイポーラ板間に介在されるＭＥＡ（図示せず）とを前記第１バイポーラ板と共に固定させる役割をする。図５Ａを参照すれば、締結孔３６ｅ、３６ｂはＡ−Ａ’線に沿って位置しており、第１バイポーラ板３１を貫通しているが、他の締結孔３６ａ・３６ｆ、３６ｃ・３６ｉ、３６ｄ・３６ｇも類似して配置されている。
【００４７】
また、図４を参照すれば、所定間隔離れて位置する第１流路３３の入口３２の下部及び出口３４の上部にはそれぞれ第２流路（図示せず）の出口４４及び入口４２が位置されている。第１流路３３の入口３２と第２流路の入口４２とが第１流路３１の出口３４を介して分離されることによって燃料と酸化剤との混合、特に液体燃料がＭＥＡに注入される時に漏れて酸化剤と混合されることを最大限防止できる。第１流路３３の出口３４と第２流路の出口４４と同様に第１流路３３の入口３２を介して分離されるように配置されている。このような入口及び出口の配置は、第１バイポーラ板３１及び他のバイポーラ板（図示せず）の形態を四角形に維持可能にすることによって燃料電池の反応面積を極大化でき、電極を量産する場合に工程を容易に行って製造された電極の使用を最大化できる長所がある。
【００４８】
第１流路３１の入口３２及び出口３４と第２流路の入口４２及び出口４４とは図示されたように楕円形に形成されて燃料または酸化剤の供給及び排出を円滑にすることができる。図５Ｂを参照すれば、第１バイポーラ板３１の左側には締結孔３６ｈが第１バイポーラ板３１を貫通しており、第１流路３１の入口３２の深さｄ２はチャンネル３３ａの深さｄ１より深く、望ましくは５０％程度さらに深く形成される。このような深さｄ２は、第１流路３１の出口３４、第２流路の入口４２及び出口４４に同一に適用される。流路の入口及び出口の深さは、入口及び出口の形態と共に燃料または酸化剤の円滑な流れを助ける設計変数となる。
【００４９】
直接液体燃料電池のアノード反応では、メタノールと水とが触媒上で反応して量子と電子及び二酸化炭素が共に発生する。二酸化炭素は反応と関係ない副産物であるため、多量がセル内部に留まる場合に反応面積を占めて反応物の反応点への接近を妨害する。また、カソード反応では、アノードから伝えられた量子と電子とが空気と反応して電気と共に水及び熱を発生させる。この時、反応により生成された水はセル内部から円滑に除去されて初めて酸化剤である空気が物質伝達抵抗を受けずに反応点に接近しやすくなる。本発明は前述した点を考慮して流路の長さ、チャンネル及びリブの幅、流路のコーナー及びターンの数、流路の入口及び出口の形態と深さなどの設計変数を設定している。
【００５０】
前述した第１流路３３の設計以外にも、第１バイポーラ板３１の４辺の外部には冷却ピン３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄを形成して燃料電池スタックで発生する熱を冷却させうる。本発明の実施の形態または変形例で提示される第１バイポーラ板３１などの複数のバイポーラ板を締結して燃料電池スタックを製造する場合、ストレスによりエッジ部分が破損されることを防止するために締結孔３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆ、３６ｇ、３６ｉは冷却ピン３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの中央に位置させることが望ましい。また反応温度を測定するために、反応板３７の左側中央部分に第１バイポーラ板３１の左辺境界線まで延びる熱電池挿入口３５を形成する。
【００５１】
図６は、図４の第１バイポーラ板３１と対をなして結合されうる本発明の第２の実施の形態による第２バイポーラ板４１を示す平面図である。図７Ａは、同一物のＣ−Ｃ’線断面図であり、図７Ｂは、同一物のＤ−Ｄ’線断面図である。
【００５２】
図６を参照すれば、参照符号４１は第２バイポーラ板、４３は第２流路、４３ａはチャンネル、４３ｂはリブ、４２は第２流路の入口、４４は出口、４５は熱電池挿入口、４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｉは締結孔、４６ｈは電流集電線挿入口、４７は反応板をそれぞれ示す。
【００５３】
第２バイポーラ板４１の内部には、第２バイポーラ板４１の境界線から所定間隔離れて下方に一定の深さで後退した四角形の反応板４７が位置する。反応板４７の内部には所定深さで形成されたチャンネル４３ａと、そのチャンネル４３ａ間に所定高さで形成されたリブ４３ｂとよりなる第２流路４３が蛇形に形成されている。
【００５４】
第２流路４３の入口４２及び出口４４は同じ左側方向に整列されており、第２流路４３の入口４２及び出口４４間には第１流路（図示せず）の入口３２及び出口３４が位置している。前述した図４の第１流路３３の入口３２及び出口３４の配置と類似して第２流路４３の入口４２と出口４４とは所定間隔離れており、第２流路４３の入口４２と第１流路の入口３２とは第１流路の出口３４を介して分離されており、第２流路４３の出口４４と第１流路３３の出口３４とは第１流路の入口３２を介して第１流路の出口３４と分離されている。このような第２流路４３の入口４２及び出口４４の配置は、前述した第１流路３３の入口３２及び出口３４の配置と同じく燃料と酸化剤との混合を防止するためである。
【００５５】
第２流路４３は、図示されたように第１及び第２コーナーｃ１、ｃ２と第１ないし第６ターンｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６とを有する。前述したように第１及び第２コーナーｃ１、ｃ２と第１ないし第６ターンｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６とは進行方向が変わる部分が曲線で形成されることによって渦現象を防止できる。特に、第２流路４３のチャンネル４３ａは、図４に図示された第１流路のチャンネル３３ａとチャンネルの進行方向が９０°交差するように設計されることによって反応板４７の全体にわたって均一な電気化学的電池反応を誘導できる。
【００５６】
図７Ａを参照すれば、第２バイポーラ板４１の反応板４７には深さｄ３のチャンネル４３ａが形成されるが、チャンネル４３ａの幅ｗ３とリブ４３ｂの幅ｗ４とは望ましくは１．５：１程度に形成される。チャンネル４３ａの幅ｗ３及び深さとリブ４３ｂの幅ｗ４はチャンネル４３ａを通過する流体の所望の速度によって調節可能である。
【００５７】
図７Ｂを参照すれば、第２流路４３の入口４２はチャンネル４３ａの深さｄ３よりさらに深い深さｄ４で形成される。第２流路４３の入口４２及び出口４４も、図５Ｂに図示された第１流路３３の入口３２及び出口３４と同様にチャンネル４３ａの深さよりさらに深くかつ広く形成されることによって燃料または酸化剤が円滑に供給される。
【００５８】
本発明の実施の形態による燃料電池に備えられる第１及び第２バイポーラ板３１、４１は一実施の形態で提示されているが、第１及び第２流路３３、４３の形態はこれに限定されない。例えば、第１及び第２流路３３、４３の入口３２、４２及び出口３４、４４はチャンネル３３ａ、４３ａに接する方が幅が狭く、チャンネル３３ａ、４３ａから遠ざかるほど幅が広くなる扇形に形成されて燃料または酸化剤の供給及び排出が容易になる。第１バイポーラ板３１に燃料が注入される場合に第２バイポーラ板４１には酸化剤が注入され、その逆の場合も可能である。
【００５９】
図８は、図４の第１バイポーラ板３１及び図６の第２バイポーラ板３３を実際に製作したサンプルの写真である。第１及び第２バイポーラ板３１、４１は黒鉛で製造し、その厚さは２ｍｍ、面積は１００ｃｍ２に形成した。第１及び第２流路の入口３２、４２及び出口３４、４４は１０ｍｍ間隔を維持するように形成し、幅３ｍｍ、長さ８ｍｍの楕円形に形成する。第１及び第２バイポーラ板３１、４１の実際反応面積は３７ｃｍ２であり、チャンネル３３ａ、４３ａの総長さは５３ｃｍ及び４７ｃｍである。
【００６０】
図９は、特に図８の第１バイポーラ板３１のチャンネル３３ａ部分を拡大して示している。図８及び図９を参照すれば、第１及び第２チャンネル３３ａ、４３ａの深さは０．７ｍｍ、幅は１．７ｍｍに形成され、リブ３３ｂ、４３ｂの幅は１．１ｍｍに形成されてチャンネルと幅との比が１．５：１をなす。反応板３７、４７と第１及び第２バイポーラ板３１、４１の境界線間には０．６ｍｍの間隔Ｇがあり、１０ｍｍ幅の冷却ピン（図示せず）を第１または第２バイポーラ板３１、４１の３辺の外部に形成できる。
【００６１】
次の表は、図１に図示された従来のバイポーラ板と、図８に図示された本発明の実施の形態による燃料電池に採用される第１及び第２バイポーラ板３１、４１との設計変数の設定値を比較した表である。
【００６２】
【表１】
2004296440.tif 000003
【００６３】
表１を参照すれば、従来のバイポーラ板に比べて第１及び第２バイポーラ板の反応面積が４５ｃｍ２から３７ｃｍ２に縮小され、チャンネル長さはメタノール流動流路の場合に１６０ｃｍから５３ｃｍに、空気流動流路である場合に１０８ｃｍから４７ｃｍに１／２〜１／３程度に縮小する。コーナー数は、メタノール流動流路である場合に８８個から５４個に、空気流動流路である場合に４２個に同一に維持されており、ターン数は、メタノール流動流路である場合に２２個から９個に、空気流動流路である場合に１４個から７個に１／３程度に減少して、燃料または酸化剤の流速が速くなることを推測でき、これにより圧力差の減少を予想できる。
【００６４】
図１０は、図４の第１バイポーラ板と図６の第２バイポーラ板とを採用する燃料電池を簡略に示す分離斜視図である。
【００６５】
メタノールなどの燃料が注入される第１バイポーラ板３１と、空気などの酸化剤が注入される第２バイポーラ板４１間に、燃料と酸化剤との接触により電気化学的反応が起きるＭＥＡ ５２が介在される。直接液体燃料電池である場合、アノードの第１バイポーラ板３１では第１流路３３にメタノールが燃料として供給され、カソードである第２バイポーラ板４１では第２流路４３に空気が酸化剤として供給される。メタノールと水とはＭＥＡ ５２で反応して量子、電子及び二酸化炭素をともに発生させる。二酸化炭素は反応と関係ない副産物であるため、多量がセル内部に留まる場合に反応面積を占めて反応物の反応点への接近を妨害する。また、カソード反応では、第１バイポーラ板３１から伝えられた量子及び電子が空気と反応して電気と共に水及び熱を発生させる。本発明の実施の形態による第１及び第２バイポーラ板３１、４１は、反応により生成された水をセル内部から円滑に除去できるため、酸化剤である空気が物質伝達抵抗を受けずに反応点への接近が容易になる。
【００６６】
図１１は、本発明の実施の形態によるバイポーラ板を採用する燃料電池スタックにおいて、セルの番号による電圧Ｅの分布を示すグラフである。図２に図示された従来のバイポーラ板と違ってセル全体にわたって電圧が均一に現れることが分かる。
【００６７】
図１２は、本発明の実施の形態によるバイポーラ板を採用する燃料電池スタックにおいて、電流Ｉの変化による電圧Ｅの変化を示すグラフｇ１及びパワーの変化を示すグラフｇ２である。図３に図示された従来のバイポーラ板を採用する燃料電池スタックにおいて、電流Ｉの変化による電圧Ｅのグラフｆ１と図１２のｇ１とを比較すれば、本発明の実施の形態による燃料電池スタックは同じ電圧Ｅ、５Ｖでさらに大きい電流Ｉ、８Ａを示している。従来のバイポーラ板を採用する燃料電池スタックにおいて、電流Ｉの変化によるパワーの変化を示すグラフｆ２と図１２のｇ２とを比較すれば、ｇ２で電圧が４Ｖである時に最高のパワーが４４Ｗ程度であって、ｆ２の最高のパワーである３０Ｗ程度より４７％程度増加したパワーを示す。
【００６８】
従来のバイポーラ板に比べて本発明の実施の形態によるバイポーラ板は、内部の圧力差が１０倍ないし２０倍程度に減少する。すなわち、圧力差は燃料側（アノード）が１．９２ｂａｒから０．０８ｂａｒ程度、酸化剤側（カソード）が０．８ｂａｒから０．０５ｂａｒ程度に減少する。
【００６９】
本発明は、燃料電池スタックのアノードまたはカソードとして同時に機能するバイポーラ板のチャンネル長さ、深さ、幅、コーナー及びターンの数などの設計変数を最適に設定することによって、バイポーラ板の内部圧力差を減少させ、かつ反応速度を高めることによってパワーを向上させることができるという長所を有する。特に流路の導入部分、すなわち、入口及び出口の深さ及び幅を適切に形成することによって燃料電池の性能を向上させることができるという長所を有する。
【００７０】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものというよりは、望ましい実施の形態の例示として解釈されねばならない。
【００７１】
例えば、当業者ならば本発明の技術的思想により流路のチャンネル長さ、深さ、幅、形態を多様に形成できる。ゆえに本発明の範囲は説明された実施の形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は燃料電池に係り、燃料の酸化反応から発生する自由エネルギーの変化を電気的エネルギーに転換させて使用する電気化学的システムを利用する分野に広く使われうる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１Ａ】一般的な燃料電池の燃料流動流路が形成されたアノードバイポーラ板の平面図である。
【図１Ｂ】一般的な燃料電池の空気流動流路が形成されたカソードバイポーラ板の平面図である。
【図２】従来の一般的な燃料電池スタックにおいて、セルの番号によるフロー当り電圧Ｅの分布を示すダイヤグラムである。
【図３】従来の一般的な燃料電池スタックにおいて、電流による電圧Ｅ及び電力の変化を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態による第１バイポーラ板を示す平面図である。
【図５Ａ】図４のＡ−Ａ’線断面図である。
【図５Ｂ】図４のＢ−Ｂ’線断面図である。
【図６】本発明の実施の形態による第２バイポーラ板４１を示す平面図である。
【図７Ａ】図６のＣ−Ｃ’線断面図である。
【図７Ｂ】図６のＤ−Ｄ’線断面図である。
【図８】本発明の実施の形態による第１バイポーラ板及び第２バイポーラ板を実際に製作したサンプルの写真を示す図である。
【図９】図８の本発明の実施の形態による第１バイポーラ板のチャンネル部分を拡大した拡大図である。
【図１０】図４の第１バイポーラ板と図６の第２バイポーラ板とを採用する燃料電池を簡略に示す分離斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態による第１バイポーラ板を採用する燃料電池スタックにおいて、セルの番号による電圧Ｅの分布を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態による第１バイポーラ板を採用する燃料電池スタックにおいて、電流Ｉの変化による電圧Ｅの変化を示すグラフｇ１及びパワーの変化を示すグラフｇ２である。
【符号の説明】
【００７４】
３１    第１バイポーラ板、
３２    第１流路の入口、
３３    第１流路、
３３ａ    チャンネル、
３３ｂ    リブ、
３４    第１流路の出口、
３５    熱電池挿入口、
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄ、３６ｅ、３６ｆ、３６ｇ、３６ｉ    締結孔、
３６ｈ    電流集電線挿入口、
３７    反応板、
３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ    冷却ピン、
４２    第２流路の入口、
４４    第２流路の出口、
ｃ１〜ｃ４    第１ないし第４コーナー、
ｔ１〜ｔ７    第１ないし第７ターン、
Ｇ    間隔。
【図２】
2004296440.tif 000004
【図３】
2004296440.tif 000005
【図４】
2004296440.tif 000006
【図５Ａ】
2004296440.tif 000007
【図５Ｂ】
2004296440.tif 000008
【図６】
2004296440.tif 000009
【図７Ａ】
2004296440.tif 000010
【図７Ｂ】
2004296440.tif 000011
【図１０】
2004296440.tif 000012
【図１１】
2004296440.tif 000013
【図１２】
2004296440.tif 000014
【図１Ａ】
2004296440.tif 000015
【図１Ｂ】
2004296440.tif 000016
【図８】
2004296440.tif 000017
【図９】
2004296440.tif 000018