(57)【要約】燃料電池に使用する分配プレートなどの流れ場を保持する物品が提供される。物品の活性部分、すなわち流れ場を保持する物品部分は、少なくとも２つのサブセクション、すなわち第１の中心サブセクションおよび第２の周囲部サブセクションを含み、この場合、第１のサブセクション内のチャネルは、第２のサブセクション内のチャネルの断面輪郭と異なる断面輪郭を有する。典型的には、第１のサブセクションのチャネルは、より浅い深さ、より大きな勾配、またはより大きな勾配対深さの比を有する。さらに、勾配が異なる少なくとも２つのチャネル部分を含む流れ場を保持する物品が提供される。さらに、勾配が異なる第１および第２のチャネル壁を含む少なくとも１つのチャネル部分を含む流れ場を保持する物品が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上のチャネルを含む流れ場を含む物品であって、前記流れ場を保持する前記物品部分である活性部分を含み、
前記活性部分が、幾何学的中心および外周部を有し、
前記活性部分が、前記幾何学的中心を含み、かつ前記外周部を除外する第１のサブセクションを含み、
前記活性部分が、前記幾何学的中心を除外し、かつ前記外周部を含む第２のサブセクションを含み、
前記第１のサブセクション内のチャネルが、第１の断面輪郭を有し、
前記第２のサブセクション内のチャネルが、第２の断面輪郭を有し、かつ、
前記第１の断面輪郭が、前記第２の断面輪郭と異なる、物品。
【請求項２】
前記活性部分が、前記幾何学的中心および前記外周部の両方を除外する第３のサブセクションをさらに含み、前記第３のサブセクション内のチャネルが、第３の断面輪郭を有し、かつ、前記第３の断面輪郭が、前記第１および前記第２の断面輪郭の両方と異なる、請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記第１の断面輪郭が、より浅い深さ、より大きな勾配、およびより大きな勾配対深さの比よりなる群から選択される少なくとも１つの様式において、前記第２の断面輪郭と異なる、請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記第１の断面輪郭が、より浅い深さ、より大きな勾配、およびより大きな勾配対深さの比よりなる群から選択される少なくとも１つの様式において、前記第３の断面輪郭と異なり、かつ、前記第３の断面輪郭が、より浅い深さ、より大きな勾配、およびより大きな勾配対深さの比よりなる群から選択される少なくとも１つの様式において、前記第２の断面輪郭と異なる、請求項２に記載の物品。
【請求項５】
１つ以上のチャネルを含む流れ場を含む物品であって、前記流れ場が、勾配が異なる少なくとも２つのチャネル部分を含む、物品。
【請求項６】
１つ以上のチャネルを含む流れ場を含む物品であって、前記流れ場が、第１および第２のチャネル壁を含む少なくとも１つのチャネル部分を含み、前記第１および第２のチャネル壁の勾配が異なる、物品。
【請求項７】
前記物品が、前記流れ場を保持する前記物品部分である活性部分を含み、前記活性部分が、幾何学的中心および外周部を有し、前記第１のチャネル壁が、前記第２のチャネル壁に比べて前記幾何学的中心により近く、かつ、第１のチャネル壁が、前記第２のチャネル壁に比べてより大きな勾配を有する、請求項６に記載の物品。
【請求項８】
前記流れ場が、第１および第２のチャネル壁を含む少なくとも１つのチャネル部分を含み、前記第１および第２のチャネル壁の勾配が異なる、請求項１に記載の物品。
【請求項９】
前記第１のチャネル壁が、前記第２のチャネル壁に比べて前記幾何学的中心により近く、かつ、第１のチャネル壁が、前記第２のチャネル壁に比べてより大きな勾配を有する、請求項８に記載の物品。
【請求項１０】
前記流れ場が、第１および第２のチャネル壁を含む少なくとも１つのチャネル部分を含み、前記第１および第２のチャネル壁の勾配が異なる、請求項５に記載の物品。
【請求項１１】
前記物品が、前記流れ場を保持する前記物品部分である活性部分を含み、前記活性部分が、幾何学的中心および外周部を有し、前記第１のチャネル壁が、前記第２のチャネル壁に比べて前記幾何学的中心により近く、かつ、第１のチャネル壁が、前記第２のチャネル壁に比べてより大きな勾配を有する、請求項１０に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の構成要素として使用する流れ場を含む物品に関し、該物品は、流れ場チャネルの勾配および深さの変化を利用することにより、電気的接触面積についての過度の妥協を伴わずに、製造性を改良する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学電池における流体分配用の流れ場は、多数の参考文献に記載されている。米国特許第４，６３１，２３９号明細書、米国特許第４，６８６，１５９号明細書、米国特許第４，８５３，３０１号明細書、米国特許第４，９８８，５８３号明細書、米国特許第５，１０８，８４９号明細書、米国特許第５，２５２，４１０号明細書、米国特許第５，６８３，８２８号明細書、米国特許第５，７５０，２８１号明細書、米国特許第５，７７３，１６０号明細書、米国特許第５，８４６，６６８号明細書、米国特許第５，８５８，５６７号明細書、米国特許第５，８５８，５６９号明細書、米国特許第５，９２２，４８５号明細書、米国特許第５，９４５，２３２号明細書、米国特許第６，０７１，６３５号明細書、および米国特許第６，０９９，９８４号明細書を含めて、相当数の参考文献が、蛇行チャネルを有する流れ場を記載している。米国特許第５，６８３，８２８号明細書、米国特許第５，７５０，２８１号明細書、米国特許第５，７７３，１６０号明細書、米国特許第５，８０４，３２６号明細書、米国特許第５，８４０，４３８号明細書、米国特許第５，８５８，５６７号明細書、米国特許第５，９９８，０５５号明細書、米国特許第６，０７１，６３５号明細書、および米国特許第６，０９３，５０２号明細書を含めて、相当数の参考文献が、多数の交互に配置された蛇行チャネルを有する流れ場を記載している。米国特許第５，２５２，４１０号明細書、米国特許第５，６４１，５８６号明細書、および米国特許第６，２０７，３１２号明細書を含めて、相当数の参考文献が、互いに嵌合された流れ場を記載している。互いに嵌合された流れ場では、入口を有するが出口を有さないチャネルが、出口を有するが入口を有さないチャネルと互い違いになる。米国特許第５，６８６，１９９号明細書は、配列が直並列のチャネルを有する流れ場を記載している。米国特許第６，０４８，６３４号明細書は、隣接チャンネルの対が、ら旋状パターンおよび蛇行パターンを含め、反対の方向に流れを運ぶ流れ場パターンを記載している。加えて、流れ場として金属スクリーンを使用することが、例えば、米国特許第４，８５５，１９３号明細書、米国特許第５，７９８，１８７号明細書、米国特許第６，０３７，０７２号明細書、および米国特許第６，２０７，３１０号明細書に教示されている。
【０００３】
米国特許出願第９／４３０，５６８号明細書は、特定された幅、深さ、および／またはピッチの微細流れチャネルを有する電気化学電池用の流れ場を開示しており、それは、追加的に、チャネル内に微細構造を含むことができる。
【０００４】
米国特許出願第９／９５４，６０１号明細書は、流れ場のランド区域を横切って流体の横方向への均一な流束を提供する流体分配用の流れ場を開示している。一実施形態では、その流れ場は、非並列の連続した主要部分を含む蛇行チャネルを含む。
【０００５】
欧州特許出願公開第１  １８４  ９２３  Ａ２号明細書は、０度より大きい、好ましくは少なくとも７度、より好ましくは約７度〜約１５度の抜け勾配を有するチャネルを含む流れ場を開示している。
【０００６】
米国特許第４，２９２，３７９号明細書は、両極形プレートの両側の流れ場を記載しており、そこでは、プレートの反対側の面によって引き起こされる不均等な分配に適合した不均等な分配を作り出すように、並列チャネルの深さおよび／または間隔が変化する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に述べると、本発明は、１つ以上のチャネルが含まれる流れ場を保持する物品を提供し、この場合、物品の活性部分、すなわち流れ場を保持する物品部分が、少なくとも２つのサブセクション、すなわち、幾何学的中心を含み、かつ活性部分の外周部を除外する第１のサブセクション、および、幾何学的中心を除外し、かつ活性部分の外周部を含む第２のサブセクションを含み、そこでは、第１のサブセクション内のチャネルが、第２のサブセクション内のチャネルの断面輪郭とは異なる断面輪郭を有する。典型的には、第１のサブセクションのチャネルは、より浅い深さ、より大きな勾配（ｄｒａｆｔ）、またはより大きな勾配対深さの比を有する。加えて、本発明は、かかる物品を含む燃料電池を提供する。
【０００８】
別の態様では、本発明は、１つ以上のチャネルが含まれる流れ場を保持する物品を提供し、この場合、流れ場は、勾配が異なる少なくとも２つのチャネル部分を含む。加えて、本発明は、かかる物品を含む燃料電池を提供する。
【０００９】
別の態様では、本発明は、１つ以上のチャネルが含まれる流れ場を保持する物品を提供し、この場合、流れ場は、勾配が異なる第１および第２のチャネル壁を含む少なくとも１つのチャネル部分を含む。加えて、本発明は、かかる物品を含む燃料電池を提供する。
【００１０】
当技術分野において説明されたことがなく、本発明によって提供されるものは、勾配および深さの変化を使用して、電気的接触面積の過度の妥協を伴わずに製造性を改良する流れ場構造である。
【００１１】
本出願では：
「形枠」は、成形プロセスの際物品に形状を与えるために使われる押型、スタンプ、ダイ、またはテンプレートを意味し、それには、刻印、圧縮成形、射出成形、落し鍛造、型押し等を含む場合がある。
「深さ」は、プレート内のチャネルに関して、プレート上面の真下の深さを意味する。
「勾配（ｄｒａｆｔ）」は、プレート内チャネルの他と異なる部分の一方または両方の壁に関して、プレート上面の平面と直交する線と、プレート上面の真下の深さがチャネルの最大深さの二分の一になる点でチャネル壁に正接する線との間の最も小さい角度を意味する。チャネルの両方の壁の勾配は、典型的には実質的に等しいが、しかし等しくない場合もある。
【発明の効果】
【００１２】
成形加工法によって容易に製造される流れ場を含む物品を提供し、かつ実質的な電気的接触面積を提供することが本発明の利点である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、流れ場を保持する物品を提供し、この場合、この流れ場は、１つ以上のチャネルからなる。物品の活性部分、すなわち流れ場を保持する物品部分は、少なくとも２つのサブセクション、すなわち、幾何学的中心を含み、かつ活性部分の外周部を除外する第１のサブセクション、および、幾何学的中心を除外し、かつ活性部分の外周部を含む第２のサブセクションを含む。第１のサブセクション内のチャネルの断面輪郭は、典型的には、より浅い深さ、より大きな勾配、または、より大きな勾配対深さの比によって、第２のサブセクション内のチャネルの断面輪郭とは異なる。本発明の物品は、一般に燃料電池の分配プレートである。
【００１４】
燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤の反応によって電流を発生する。２種の化学反応物のそれぞれは、触媒を含む電極と接触する。イオン交換構成要素が電極間に配置され、２種の反応物の直接の化学反応を防ぎ、電極間にイオンを導通させる。典型的な水素燃料電池の場合、イオン交換構成要素は「イオン伝導膜」（ＩＣＭ）である。ＩＣＭはまた「プロトン交換膜」または「高分子電解質膜」と呼ばれる場合があり、両方ともＰＥＭと略記される。ＩＣＭは、プロトン（Ｈ＋）を水素電極（アノード）から酸素電極（カソード）まで伝導する。電子は別の外部電気経路をたどり、それによって電流が発生する。カソードでは、プロトン（Ｈ＋イオン）と電子が酸素と結合して、水が生成される。ＩＣＭと２つの電極の組合せは、一般に「膜電極組立体」（ＭＥＡ）と呼ばれる。触媒電極材料を直接ＩＣＭに被覆することができ、「触媒被覆膜」（ＣＣＭ）が形成される。一般に、流体輸送層（ＦＴＬ）がＩＣＭのそれぞれの側に加えられる。ＦＴＬはまた、「ガス拡散層」（ＧＤＬ）または「ディフューザ／集電極」（ＤＣＣ）と呼ばれる場合がある。ＦＴＬは、導電性であり、そのうえ反応物と生成物流体の通過を可能にする多孔性材料の層である。典型的なガス拡散層は、炭素繊維を含み、しばしばペーパーまたは布の形をしている。用語「ＭＥＡ」は、ＦＴＬが取り付けられた、または、ＦＴＬがないＣＣＭを表す。用語「５層ＭＥＡ」は、特にＦＴＬが取り付けられたＣＣＭを表す。触媒電極層は、得られた５層ＭＥＡが順番にＦＴＬ、触媒、ＩＣＭ、触媒、ＦＴＬを含むように、それらがＩＣＭとＦＴＬの間に配置される限り、製造の際にＩＣＭまたはＦＴＬに塗布することができる。本発明の実施においては、任意の適切なＭＥＡを使用することができる。
【００１５】
本発明の実施では任意の適切なＩＣＭを使用することができる。ＩＣＭは、一般に５０μｍ未満、より典型的には４０μｍ未満、より典型的には３０μｍ未満、最も典型的には約２５μｍの厚さを有する。ＩＣＭは、一般に、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デュポン・ケミカルズ（ＤｕＰｏｎｔ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）、デラウェア州ウィルミントン（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ））、およびフレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（旭硝子社（Ａｓａｈｉ  Ｇｌａｓｓ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．）、東京、日本）などの酸官能性フルオロポリマーである高分子電解質を含む。本発明に有用な高分子電解質は、一般に、テトラフルオロエチレンと１種以上のフッ化酸官能性コモノマーの共重合体が好ましい。一般に、高分子電解質は、スルホネート官能基を保持する。最も典型的には、高分子電解質はナフィオン（登録商標）である。高分子電解質は、一般に、１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００の酸当量を有する。
【００１６】
本発明の実施では任意の適切なＦＴＬを使用することができる。一般に、ＦＴＬは、炭素繊維を含むシート材料を含む。一般に、ＦＴＬは、織成および非織成の炭素繊維構造から選択される炭素繊維構造体である。本発明の実施に有用である可能性がある炭素繊維構造体には、トーレ（Ｔｏｒａｙ）（登録商標）炭素ペーパー、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）（登録商標）炭素ペーパー、ＡＦＮ（登録商標）非織成炭素布、およびゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）（登録商標）炭素布等を含むことができる。ＦＴＬは、カーボン粒子被覆、親水化処理、および、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）による被覆などの疎水化処理を含めて、様々な材料で被覆または含浸することができる。
【００１７】
本発明の実施では、任意の適切な触媒を使用することができる。一般に、炭素担持触媒微粒子が使用される。典型的な炭素担持触媒微粒子は、５０〜９０重量％炭素および１０〜５０重量％触媒金属であり、触媒金属は、一般に、カソードの場合Ｐｔ、アノードの場合２：１の重量比のＰｔおよびＲｕを含む。一般に、触媒は、触媒インクの形でＩＣＭまたはＦＴＬに塗布される。触媒インクは、一般に高分子電解質材料を含み、それは、ＩＣＭを構成する高分子電解質材料と同じものでよく、または、そうでなくてもよい。高分子電解質は、一般に、ナフィオン（登録商標）（デュポン・ケミカルズ、デラウェア州ウィルミントン）およびフレミオン（登録商標）（旭硝子社、東京、日本）などの酸官能性フルオロポリマーである。本発明に使用するインクにおいて有用な高分子電解質は、通常、テトラフルオロエチレンと１種以上のフッ化酸官能性コモノマーの共重合体であることが好ましい。一般に、高分子電解質はスルホネート官能基を保持する。最も典型的には高分子電解質はナフィオン（登録商標）である。高分子電解質は、典型的には１２００以下、より典型的には１１００以下、より典型的には１０５０以下、最も典型的には約１０００の当量を有する。触媒インクは、一般に、高分子電解質の分散液中に触媒微粒子の分散液を含む。インクは、一般に、５〜３０％固体（すなわち高分子および触媒）、より典型的には１０〜２０％固体を含む。電解質分散液は、一般に水分散液であり、それは、アルコール、並びに、グリセリンおよびエチレングリコールのような多価アルコールを追加的に含んでもよい。水、アルコール、および多価アルコールの含量を調節して、インクの流動学的な物性を変えることができる。インクは、一般に、０〜５０％アルコール、および０〜２０％多価アルコールを含む。加えて、インクは、０〜２％の適切な分散剤を含んでもよい。インクは、一般に、加熱しながら撹拌し、続けて被覆可能な粘稠度まで希釈することによって製造される。
【００１８】
触媒は、手動および機械的方法を含む任意の適切な手段によってＩＣＭまたはＦＴＬに塗布することができ、これには、手動ブラッシング、ノッチバー被覆、流体保持ダイ被覆、巻線ロッド被覆、流体保持被覆、スロットフェッド（ｓｌｏｔ−ｆｅｄ）ナイフ被覆、３−ロール被覆、またはデカール転写が含まれる。被覆は、１回の塗布または多数回の塗布で達成することができる。
【００１９】
あるいは、ＣＣＭは、米国特許第５，３３８，４３０号明細書（固体高分子電解質に埋め込まれたナノ構造を持つ電極）、または、米国特許第５，８７９，８２８号明細書（ナノ構造を持つ構成要素を含む電極層を有するＭＥＡ）に開示されているように、ナノ構造を持つ触媒を使用して製造することができる。
【００２０】
ＭＥＡは、一般に、分配プレートとして知られている２枚の剛性プレートの間にはさみ込まれる。分配プレートはまた、両極形プレート（ＢＰＰ）または単極形プレートと呼ばれる場合がある。ＦＴＬと同様に、分配プレートは導電性でなければならない。分配プレートは、一般に炭素複合材、金属、またはメッキ金属材料から製造される。分配プレートは、反応物または生成物流体を、一般にＭＥＡと向き合う表面に形成された１つ以上の流体伝導チャネルを通じて、ＭＥＡ電極表面へ／から分配する。これらのチャネルは、流れ場を含む。分配プレートの表面上のチャネル間の区域は、「ランド区域」と呼ばれている。これらのランド区域は、ＭＥＡと電気的に接触しており、ＭＥＡ電極へ／から電流を通す。分配プレートは、流体を、スタックの連続する２つのＭＥＡへ／から分配することができ、一方の面は、燃料を第１のＭＥＡアノードに導き、一方、他方の面は、酸化体を次のＭＥＡカソードに導き（そして生成水を取り除く）、したがって、用語「両極形プレート」となる。この場合、第１のＭＥＡアノードは、次のＭＥＡカソードに電気的に直接接続され、したがって、連続するＭＥＡは直列である。あるいは、分配プレートは、一方の面だけにチャネルを有し、その面だけにあるＭＥＡへ、または、ＭＥＡから流体を分配してもよい。これは、「単極形プレート」と呼ばれる場合がある。用語「両極形プレート」は、当技術分野で使用されるように、一般には単極形プレートも包含する。典型的な燃料電池スタックは、両極形プレートを交互に積み重ねた複数のＭＥＡを含む。あるいは、米国特許出願第１０／２９５，２９２号明細書および米国特許出願第１０／２９５，５１８号明細書に開示されているように、一体化された燃料電池組立体を使用して１つの電池または多数の電池の燃料電池を組み立ててもよい。本発明による物品は、一般に燃料電池の分配プレートであり、それは、これらの参考文献に記載したような流れ場プレートとすることができる。
【００２１】
この分配プレートは、冷却流体を伝導するための第２の組のチャネルをさらに含むことができる。冷却流体チャネルは、ガス（空気）または液体冷却材用に適応させることができる。使用中、冷却流体チャネルは、ＭＥＡに直接開いていない。
【００２２】
この分配プレートは、電流の伝導用のチャネル、並びに、反応物および生成物流体の伝導用のチャネルに対するアクセスに関して、ＭＥＡのそれぞれ他と異なる部分を提供し、したがって、分配プレートの構造は、十分なチャネル体積だけでなく、十分なランド区域を提供しなければならない。さらに、ランド区域およびチャネル体積は、両方のチャネルがＭＥＡの他と異なる部分それぞれに十分にアクセスできるように、十分に一体化される必要がある。これらの考慮すべき点から、プレート面の単位区域あたりの表面積が大きい入り組んだ構造になりがちである。適切な構造では、これらの考慮すべき点のそれぞれを勘案することができ、加えて、物品の簡単な製造性に対応することができる。
【００２３】
本発明による物品は任意の適切な方法によって製造することができるが、しかし、一般に、刻印、圧縮成形、射出成形、落し鍛造、型押し等などの都合のよい成形プロセスによって製造される。典型的な成形プロセスでは、形枠または成形された物品への損傷を伴わずに、成形された物品の形枠からの除去が必要となるので、かかる物品の構造においてアンダーカットが回避される。加えて、形枠の表面粗さは、一般にゼロではないので、形枠から成形された物品を取り除く間の粘着を低減するため、垂直壁部分もまた回避される場合がある。垂直壁部分は、成形された構造の壁内にある程度の勾配量を提供することによって回避することができる。より深い構造は、粘着を回避するために、より大きな勾配を必要とする場合があり、整合した製造プロセスが提供される。分配プレートの入り組んだ表面のような、表面積の大きい構造は、押型から取り除くのがより難しい可能性があり、追加の考慮すべき点を必要とする場合がある。
【００２４】
分配プレート・チャネルの壁に勾配を導入することにより、都合の良い成形プロセスを使用してより大きな製造性が可能になり得る。そのうえ、勾配は成形性の助けとなるが、勾配は分配プレートの機能的な非効率性を表す。何故なら、勾配は、他方の相応した増加を伴わずに、ランド区域またはチャネル体積のいずれか１つを低減するにちがいないからであり、すなわち、ランド区域の減少なしで勾配が加えられる場合、チャネル体積は減少し、チャネル体積の減少なしで勾配が加えられる場合、ランド区域は減少するからである。本発明による物品は、過度の機能的非効率性を持ち込まずに、成形プロセスによるより大きな製造性が可能になるように勾配が分配される流れ場を含む。
【００２５】
図１〜３を参照すると、燃料電池分配プレートである本発明の物品は、ランド区域（３０）によって隔てられた１つ以上の流れ場チャネル（２０）を保持するプレート（１０）を含む。プレートは、任意の適切な材料から製造することができ、それには、黒鉛、炭素複合材、金属、またはメッキ金属材料を含むことができる。プレート材料は、一般に良好な電気伝導度を有する。プレート材料は、一般に成形プロセスに使用できるものであり、それには、刻印、圧縮成形、射出成形、落し鍛造、型押し等を含むことができる。この流れ場は、単一チャネルまたは多数のチャネルを含むことができる。チャネルは、並列パターン、蛇行パターン、ジグザクパターン、互いに嵌合されたパターン、またはそれらの組合せを含めて、任意の適切な形状とすることができる。この流れ場は、中心の第１のサブセクション（４１）を含み、それには、プレートの活性部分、すなわち流れ場を保持するプレート部分の幾何学的中心が含まれる。図３Ｃ’は、第１のサブセクションのチャネル断面を例示し、この場合、チャネル壁（２１、２２）は、１５度の勾配を有する。この流れ場は、周囲部の第２のサブセクション（４２）を含み、それには、プレートの活性部分の外周部が含まれる。図３Ａ’は、第２のサブセクションのチャネル断面を例示し、この場合、チャネル壁（２１、２２）は、５度の勾配を有する。第１と第２のサブセクションの間の第３のサブセクション（４３）のチャネルは、１０度の勾配を有する。
【００２６】
本発明による流れ場は、チャネル輪郭が異なる少なくとも２つのゾーンに分割される。図１〜３に示した実施形態に例示されるように、第３の中間ゾーンを加えることができる。追加の中間ゾーンを加えることができる。一実施形態では、チャネル輪郭は、周囲部から流れ場の中心まで連続的に変化する。
【００２７】
一般に、チャネル輪郭は、流れ場の中心に向ってチャネル深さが減少し、流れ場の中心に向ってチャネル勾配が増加することによって、または、流れ場の中心に向って勾配対深さの比が増加することによって、変化する。より典型的には、チャネル輪郭は、流れ場の中心に向ってチャネル勾配が増加するか、または、流れ場の中心に向って勾配対深さの比が増加することによって、変化する。
【００２８】
本発明による流れ場を含むチャネルは、反対側のチャネル壁では異なる勾配を有することができる。図３Ａ’、３Ｂ’、および３Ｃ’を参照すると、チャネルは、第１の壁（２１）および第２の壁（２２）を有し、第１の壁は、物品の活性部分の幾何学的中心により近い壁であり、第２は、周囲部により近い。本発明の一実施形態では、第１のチャネル壁（２１）は、第２のチャネル壁（２２）に比べて大きな勾配を有する。本実施形態では、形枠から剥離する前に、ある程度の収縮を示す材料から物品を形成することができる。本実施形態では、第２のチャネル壁の勾配をゼロと同程度に小さくすることができる。
【００２９】
本発明は、流れ場プレート、または、流れ場を含む類似物品を使用する燃料電池の製造において有用である。
【００３０】
本発明の目的および利点は、さらに以下の実施例で例示されるが、しかし、この実施例で詳述される特定の材料およびその量、並びに、他の条件および詳細は、本発明を不当に限定するように解釈すべきではない。
【実施例】
【００３１】
３対の流れ場プレートを製造して、それぞれの構造の性能を比較した。プレートは、ＢＭＣ９４０炭素複合材（ＢＭＣ社、イリノイ州ウェスト・シカゴ（Ｗｅｓｔ  Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ））で普通の方法によって機械加工した。６枚全てのプレートは、１００ｃｍ２の流れ場区域を有していた。６枚全てのプレートは、勾配だけが異なる、図１に従うチャネル構造を有していた。勾配は、チャネル体積の変化なしで変化させた。プレートの組１（比較例）は、勾配ゼロで製造した。プレートの組２は、図１〜３Ｃ’の構造に従って製造した。プレートの組３（比較例）は、１５度の一定勾配で製造した。
【００３２】
プレートの各々の組の電池抵抗は、以下のように測定した。ＭＥＡ（３Ｍ社、ミネソタ州セントポール（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ））をプレートの各々の対の間に置き、電池を製造した。すべての組のプレートに対するすべての実験に１つのＭＥＡを使用した。フュエル・セル・テクノロジーズ（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）（ニューメキシコ州アルバカーキ（Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，ＮＭ））によって製造された水素燃料電池試験ステーションに、この電池を置いた。水素ガスを大気圧でＭＥＡの両側に供給し、電池温度を７０℃に維持した。それぞれの実験に対し、１０〜１００ｍＶの電圧を電池両端間にかけ、数点の電圧で電流を測定し、電圧に対して電流をプロットした。プロットしたデータに直線を合わせて、その線の傾斜が、表Ｉの電池抵抗として報告された。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
本発明の様々な修正形態および変更形態が、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者に明白になるだろう。本発明が上記に述べた例示的な実施形態に不当に限定されないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による流れ場プレートである。
【図２】本発明による流れ場プレートである。
【図３】図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは本発明による流れ場プレートの断面である。図３Ａ’、３Ｂ’、および３Ｃ’はそれぞれ図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃの詳細である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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