(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つの膜／電極接合体（３１、３２、３３）と、
前記少なくとも３つの膜／電極接合体の各間に、それぞれ接触配置された少なくとも第１および第２のバイポーラ金属プレート（２１、２２）とを備える燃料電池であって、
各バイポーラ金属プレートは、それぞれの膜／電極接合体に対向し、かつ、複数の局所的な溶接部（２１１、２２１）によって互いに固定的に結合されている、２枚の金属シート（４１、４２）を備え、
前記２枚の金属シートは、ガスを誘導するために、これらの両金属シートの各々対向方向に溝状に突出する連続的で、蛇行状の誘導用流路であって、
前記各金属シートの一端部から、対向する他端部まで、離隔して平行に伸びる複数の延在部と、前記誘導用流路が蛇行状となるように、前記複数の延在部の近接する端部同士を、これら延在部の延在方向に対して直角方向に交互に接続する端部接続部とを有する蛇行状の誘導用流路（４１２、４２２）を各々備え、
前記両誘導用流路の複数の延在部は、それらの延在方向に対して前記各金属シート上で直角方向に分布するように、前記２枚の金属シート上における対向位置で、同じ方向に伸びており、
前記複数の局所的な溶接部は、前記両誘導用流路の近接対向部（４１３、４２３）に形成されており、
前記第１のバイポーラ金属プレートの溶接部（２１１）の少なくとも一部は、前記第２のバイポーラ金属プレートの溶接部（２２１）に平面視において重ね合わされておらず、前記第２のバイポーラ金属プレートの溶接部に対して、前記誘導用流路（４１２、４２２）の延在部が伸びる方向、および前記延在部の分布方向において、かつ平面視において異なる位置に配置されており、
かつ前記両誘導用流路の近接対向部（４１３、４２３）のうち、前記溶接部が形成されていない近接対向部も、互いに接触していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１及び第２のバイポーラ金属プレート（２１、２２）の誘導用流路の各々の蛇行状パターンは、平面視において一致するように重ね合わされていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１のバイポーラ金属プレートの溶接部（２１１）は、前記第２のバイポーラ金属プレートの溶接部（２２１）に、平面視において、各々まったく重ね合わされていないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１および第２のバイポーラ金属プレートの溶接部の、これらのプレートに垂直な方向の同一面上での投影は、相互に、少なくとも５ｍｍ離れていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第１および第２のバイポーラ金属プレートの溶接部の、これらのプレートに垂直な方向の同一面上での投影は、相互に、少なくとも１０ｍｍ離れていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１および第２のバイポーラ金属プレートの溶接部の、これらのプレートに垂直な方向の同一面上での投影は、相互に、少なくとも５０ｍｍ離れていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１のバイポーラ金属プレートの前記溶接部（２１１）は、それぞれ、前記第２のバイポーラ金属プレートの最も近い溶接部（２２１）間の重心に対し、平面視において重なる位置に配置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
さらに第３のバイポーラ金属プレート（２３）を備え、
前記第２のバイポーラ金属プレート（２２）が、前記第１のバイポーラ金属プレート（２１）と第３のバイポーラ金属プレート（２３）との間に配置され、
前記第３のバイポーラ金属プレートは、複数の局所的な溶接部（２３１）によって固定的に結合された２枚の金属シート（４１、４２）を備え、
前記２枚の金属シートは、ガスを誘導するために、これらの両金属シートの各々対向方向に溝状に突出する連続的で、蛇行状の誘導用流路であって、
前記各金属シートの一端部から、対向する他端部まで、離隔して平行に伸びる複数の延在部と、前記誘導用流路が蛇行状となるように、前記複数の延在部の近接する端部同士を、これら延在部の延在方向に対して直角方向に交互に接続する端部接続部とを有する蛇行状の誘導用流路（４１２、４２２）を各々備え、
前記両誘導用流路の複数の延在部は、それらの延在方向に対して前記各金属シート上で直角方向に分布するように、前記２枚の金属シート上における対向位置で、同じ方向に伸びており、
前記複数の局所的な溶接部は、前記両誘導用流路の近接対向部（４１３、４２３）に設けられ、
前記第３のバイポーラ金属プレートの溶接部（２３１）の少なくとも一部は、前記第１および第２のバイポーラ金属プレートの溶接部（２１１、２２１）に対して、前記誘導用流路の延在部が伸びる方向、および前記延在部の分布方向において、かつ平面視において異なる位置に配置され、
前記第２のバイポーラ金属プレートの前記溶接部は、それぞれ、前記第１および／または第３のバイポーラ金属プレートにおける４つの最も近い溶接部間の重心に対し、平面視において重なる位置に配置されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記第１〜第３のバイポーラ金属プレート（２１、２２、２３）の誘導用流路の各々の蛇行状パターンは、平面視において一致するように重ね合わされていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記第１および第２のバイポーラ金属プレートの溶接部の密集度は、１ｃｍ２当たり０．１〜１個の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記バイポーラ金属プレートの溶接部は、前記バイポーラ金属プレート上に均一に分散されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記金属シート（４１、４２）は、ステンレススチールからなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記金属シート（４１、４２）は、冷却液用の流路（４３）を画定していることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記溶接部は、スポット溶接部または直線シーム溶接部であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、プロトン交換膜型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、将来の量産される自動車のエネルギー源であると考えられている。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学的装置である。燃料電池は、複数のプロトン交換膜を直列に接続した重合体からなっている。各交換膜（セルとも呼ぶ）は、約１ボルトの電圧を生成し、それらを積層することによって、例えば１００ボルトの高電圧の電力が生成される。
【０００３】
公知のタイプの燃料電池のセルの中でも、特に、ＰＥＭ（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる固体高分子膜が着目されている。このような燃料電池は、小型であるという興味深い特性を備えている。各交換膜は、プロトンだけは通過させるが、電子を通過させない電解膜を備えている。この膜によって、交換膜を２つの区画に分け、反応ガス間の直接反応を防いでいる。膜は、第１の面にアノードを、第２の面にカソードを備えており、この組立体は、通常、「膜／電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ／ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）」すなわちＭＥＡと呼ばれている。
【０００４】
アノードでは、燃料として用いられる分子水素または水素（Ｈ２）がイオン化され、膜を通過するプロトンが生成される。この反応によって生成された電子は、フロープレートへ移動し、次いで、交換膜の外側の電気回路を通過して電流を生成する。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。
【０００５】
交換膜は、互いに積層された、例えば金属の複数のフロープレートを備えている。膜が、２つのフロープレートの間に配置されている。フロープレートは、膜との間で反応物質および生成物質をやりとりするためのガス誘導用の流路と孔を備えていてもよい。また、プレートは、導電性であって、アノードで生成された電子のコレクタを形成している。ガス拡散層が、電極とフロープレートとの間に設けられ、フロープレートに接触している。
【０００６】
フロープレートは、強酸性溶液に接触している。カソード側では、プレートは、強酸化環境で加圧された空気にさらされている。アノード側では、プレートは、水素に接触している。このような条件下では、金属製のプレートは、腐食を起こす。プレートの腐食は、第１に、電解膜の作用を阻害する金属イオンの放出の原因となる。また第２に、金属上に絶縁酸化物を形成させ、従って、ガス拡散層に対する接触抵抗を増大させる。その結果、フロープレートとガス拡散層との間の電気抵抗が増加する。これらの現象により、燃料電池の性能は低下させられる。従って、フロープレートは、高い電導性を有すると同時に、酸化および腐食現象を回避しなければならない。
【０００７】
燃料電池を工業規模で生産することは、多様な構成部品の製造コストの大幅な増加を意味する。特に、フロープレートのコストは、今なお、大規模の利用には受け入れ難いものである。
【０００８】
コストを削減するため、フロープレートは、通常、２枚のフロープレートを有するバイポーラプレートとして形成される。工業的に試みられたある解決策では、ステンレススチールの２枚の金属シートが、レーザ溶接によって、背中合わせに押圧して接合され、隣り合った交換膜のためのフロープレートを形成している。溶接部は、流路の近接対向部に設けられており、２枚の背中合わせの金属シートの流路の近接対向部同士を接触させるようになっている。製造コストを削減するため、背中合わせの金属シートは、同じ幾何学的形状を有している。
【０００９】
特許文献１は、交換膜のスタックにかかる圧縮力の変動の影響を小とするようになっている燃料電池について記載している。バイポーラプレートは、２枚の金属シートを接合することによって形成されている。各金属シートには、ガスの流路が設けられている。多数の隣り合った流路が同じ方向に伸びている。２枚の金属シートは、これらのシートにおける流路の近接対向部を接触させ、次いでこれらの近接対向部を溶接して接合される。変動する圧縮力を吸収するため、２枚の接合される金属シートの適宜の流路の近接対向部の間に、スペースが設けられている。流路を横切る方向における圧縮力の変動を均一に吸収するために、連続するバイポーラプレート間の間隔は調整されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許ＵＳ２００６０４６１３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
実際には、従来の燃料電池は、膜／電極接合体のレベルでは、作用は比較的不均一である。この不均一性は、膜／電極接合体の入力と出力との間におけるガスの湿度が高くなることに起因するものである。この不均一性によって、電流密度は局部的に大となり、炭素は局部的に腐食することとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、これらの欠点の１つ以上を解消させようとするものである。特に本発明は、膜／電極接合体を通る電流密度の均一性にすぐれ、かつ低コストの燃料電池を得ることを目的としている。すなわち本発明は、燃料電池の改良に関するものである。
【００１３】
本発明の上記した以外の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、本発明の範囲を決して制限しない実施態様に関する以下の説明から、一層明確になると思う。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態の分解斜視図である。
【図２】図１の燃料電池の拡大縦断面図である。
【図３】２枚の重ね合わされたバイポーラプレートの溶接部の配置を示す略図である。
【図４】本発明による燃料電池の交換膜における電流密度を、従来技術による燃料電池と比較して示すグラフである。
【図５】３枚の重ね合わされたバイポーラプレートの溶接部の配置を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
発明者らは、バイポーラ金属プレートのローカルな導電性が部分的に相違することにより、膜／電極接合体の作用の均一性に影響を与えることに留意した。特に、発明者らは、２枚の背中合わせの金属シート間の溶接部、およびその配置が、この不均一性にかなりの影響を与えることに留意した。
【００１６】
本発明は、第１および第２のバイポーラ金属プレート（金属製バイポーラプレート。以下単に「バイポーラプレート」とよぶ。）によって分離されている３つの隣り合った膜／電極接合体を備える燃料電池を提案するものである。バイポーラプレートは、溶接によって結合された２枚の対向する金属シートを備えている。
【００１７】
第１のバイポーラプレートの溶接部の少なくとも一部は、第２のバイポーラプレートの溶接部に重ね合わされておらず、第１のバイポーラプレートの溶接部は、第２のバイポーラプレートの溶接部に対して、これらが設けられたガス誘導用流路の延在方向および分布方向において異なる位置に配置されている。
【００１８】
本発明では、バイポーラプレートおよび膜／電極接合体を横断する電流を、曲がりくねった経路に沿って通過させる。本発明は、固体高分子膜を通じて、電流密度の均一性を最適化する（従って、耐腐食性を高め、燃料電池のサービス寿命を延ばす）ものであり、しかも溶接部の密度の増加を必要とせず、従って、余計な生産コストも必要としない。本発明は、同じ場所でローカライズされた溶接部をシステマティックに使用して、バイポーラプレートを極限まで標準化するという、当業者の通常の手法に逆行するものである。さらに、バイポーラプレートを通じて交換膜を直列接続する場合、電気抵抗の最小化と、従って、電路の短縮化の探索とが行われるため、溶接のスペースを開けるように促されることがない。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池１の一部の概要を示す分解斜視図である。燃料電池１は、固体高分子膜または高分子電解質膜タイプのものである。燃料電池１は、積層された複数の交換膜５を備えている。燃料電池１は、個々の交換膜５の吸気口に水素（Ｈ２）を供給する燃料源１１０を備えている。また、燃料電池１は、酸化体として用いられる酸素を含む空気を、個々の交換膜の吸気口に供給する空気源１１２を有している。また、各交換膜５は、図示しない排気流路を有している。また、各交換膜５は、図示しない冷却回路を有していてもよい。
【００２０】
各交換膜５は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。図示の燃料電池１は、膜／電極接合体、すなわちＭＥＡ３１、３２、３３を備えている。各膜／電極接合体は、例えば高分子膜からなる電解質の層（接合体３１、３２、３３に対し、それぞれ３１１、３２１、３３１）を備えている。
【００２１】
また、膜／電極接合体は、電極のいずれか一方の側に置かれて、この電解質に固定されている（図１には示されていない）カソードとアノード（接合体３１、３２、３３に対して、それぞれ３１２、３２２、３３２）とを備えている。
【００２２】
電解質層は、プロトンの伝導を可能にするけれども燃料電池１の中に存在するガスを通さない、半透膜を形成している。また、電解質層は、アノードとカソードとの間における電子の通過を阻止している。
【００２３】
各交換膜５は、それぞれアノードとカソードとに対向するように配置されたフローガイドプレートを有している。各交換膜５は、さらに、アノードとガイドプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）を有している。さらに各交換膜５は、カソードとガイドプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）を有している。
【００２４】
隣り合う一対のＭＥＡの間に、１対のフローガイドが存在する。対を成すフローガイドは、固定的に結合されてバイポーラプレートを形成している。従って、燃料電池１は、（ＭＥＡ３１と３２との間に配置された）バイポーラプレート２１と、（ＭＥＡ３２と３３との間に配置された）バイポーラプレート２２と、バイポーラプレート２３とを有している。各フローガイドは、金属シートからなっている。従って、バイポーラプレート２１は、ＭＥＡ３１のカソード３１３に対向する金属シート４１と、ＭＥＡ３２のアノード３２２に対向する金属シート４２とを備えている。金属シート４１は、流路４１２を画定する彫り込み面４１１を備えている。金属シート４２は、流路４２２を画定する彫り込み面を備えている。金属シート４１と金属シート４２とは、バイポーラプレート２１、２２、２３についてそれぞれ溶接部２１１、２２１、２３１によって、固定的に結合されている。見やすいように、溶接部の数を減らして図示されており、これらの溶接部は非常に概略的に示されている。
【００２５】
本質的に公知のやり方で、燃料電池１の動作中に、空気は、ＭＥＡと金属シート４１との間を空気が流れ、水素（Ｈ２）がＭＥＡと金属シート４２との間を流れる。アノードでは、水素（Ｈ２）がイオン化されてプロトンが生成され、プロトンはＭＥＡを通過する。この反応によって生成された電子は、金属シート４１によって集められる。次いで、生成された電子が、燃料電池１に接続された電気負荷に適用され、電流が形成される。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。アノードおよびカソードにおける反応は、次の如くである。
アノードでは、  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソードでは、  ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【００２６】
動作中、燃料電池スタック１の交換膜は、アノードとカソードの間で、１ＶのオーダのＤＣ電圧を生成する。
【００２７】
本発明によれば、２つの隣り合ったバイポーラプレートの溶接部の少なくとも一部は、重ね合わされていない。２つの隣り合ったプレートの溶接部の表面の少なくとも５０％は、重ね合わされないと、有利である。従って、バイポーラプレート２１の溶接部２１１は、バイポーラプレート２２の溶接部２２１にはまったく重ね合わされていない。同様に、バイポーラプレート２３の溶接部２３１は、バイポーラプレート２２の溶接部２２１にはまったく重ね合わされていない。２つの隣り合ったバイポーラプレートの溶接部は、後に詳しく説明するように、これらが設けられたガス誘導用流路の延在部の延在方向と分布方向のいずれにおいても異なる位置に配置されている。従って、ＭＥＡを通るプロトン電流は、ＭＥＡに対してだけ垂直なのではなく、従って、ＭＥＡの表面上のプロトン電流密度は均一化される。
【００２８】
図２は、燃料電池１の変形例の略断面図である。ＭＥＡ３１は、アノード３１２およびカソード３１３にそれぞれ配置されたガス拡散層３１４および３１５を備えている。ＭＥＡ３２は、アノード３２２およびカソード３２３にそれぞれ配置されたガス拡散層３２４および３２５を備えている。ＭＥＡ３３は、アノード３３２およびカソード３３３にそれぞれ配置されたガス拡散層３３４および３３５を備えている。ガス拡散層３１４、３２４、３３４は、水素（Ｈ２）をそれらのアノードへ向かって拡散させる働きをする。ガス拡散層３１５、３２５、３３５は、酸素（Ｏ２）をそれらの各々のカソードへ向かって拡散させる働きをする。ガス拡散層は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンのような疎水性物質が固定されているファイバ、フェルトまたはグラファイトの膜組織の形状として、本質的に公知のやり方で作ることができる。ガス拡散層３１５は、バイポーラプレート２１の金属シート４１に接触している。ガス拡散層３２４は、バイポーラプレート２１の金属シート４２に接触している。ガス拡散層３２５は、バイポーラプレート２２の金属シート４１に接触している。ガス拡散層３３４は、バイポーラプレート２２の金属シート４２に接触している。
【００２９】
金属シート４１は、溝状に突出する連続的で、蛇行状の誘導用流路４１２であって、金属シート４１の一端部から、対向する他端部まで、離隔して平行に伸びる複数の延在部と、誘導用流路４１２が蛇行状となるように、複数の延在部の近接する端部同士を、これら延在部の延在方向に対して直角方向に交互に接続する端部接続部とを有する誘導用流路４１２を有している。誘導用流路４１２の複数の延在部は、それらの延在方向に対して金属シート４１上で直角方向に分布している。金属シート４２は、溝状に突出する連続的で、蛇行状の誘導用流路４２２であって、金属シート４２の一端部から、対向する他端部まで、離隔して平行に伸びる複数の延在部と、誘導用流路４２２が蛇行状となるように、複数の延在部の近接する端部同士を、これら延在部の延在方向に対して直角方向に交互に接続する端部接続部とを有する誘導用流路４２２を有している。誘導用流路４２２の複数の延在部は、それらの延在方向に対して金属シート４２上で直角方向に分布している。誘導用流路４１２と４２２とは、重ね合わされている。金属シート４１および４２は、このように結合されていて、冷却液用の流路４３を相互に画定している。流路４１２は、近接対向部４１３によって境界を定められている。同様に、流路４２２は、近接対向部４２３によって境界を定められている。近接対向部４１３および４２３は、接触するようにレイアウトされている。理解しやすいように、図２は、溶接部が、ガス誘導用流路の延在方向において異なる位置に存在することを、平行面において示す断面図である。バイポーラプレート２１では、溶接部２１１は、流路の近接対向部４１３および４２３に局部的に設けられている。バイポーラプレート２２では、溶接部２２１は、流路の近接対向部４１３および４２３に局部的に設けられている。簡単にするために、流路４１２および４２２に通じている金属シート４１および４２に設けられる吸気口および排気口は、示していない。
【００３０】
図３は、バイポーラプレートと直交する面に投影された、図２の燃料電池１の溶接部２１１および２２１の位置を示している。第１及び第２のバイポーラ金属プレート２１，２２の誘導用流路の各々の蛇行状パターンは、平面視において重ね合わされている。方向Ｘは、流路４１２および４２２において、各金属シート４１および４２の一端部から、対向する他端部まで、離隔して平行に伸びる複数の延在部が延びる方向に相当する。方向Ｙは、流路４１２および４２２の複数の延在部の分布方向に相当する。実線で示す溶接部は、バイポーラプレート２１の溶接部２１１に相当する。点線で示す溶接部は、透過的に見たバイポーラプレート２２の溶接部２２１に相当する。図３に示すように、バイポーラプレート２１および２２の溶接部２１１および２２１は、まったく重ね合わされていない。溶接部２１１および２２１は、上記延在方向および分布方向の双方に対して異なる位置に配置されている。溶接部２１１および２２１は、前記の投影面上に分散されている。溶接部２１１および２２１は、電流の経路をできるだけ曲がりくねらせるために、従って、その均一化を最適化するために、上記延在方向と分布方向の両方において異なる位置に配置されている。バイポーラプレートの溶接部は、隣り合ったバイポーラプレートに属する最も近い溶接部の重心位置に配置されていると有利である。従って、この例では、各溶接部２２１は、４つの近接する溶接部２１１の重心位置に配置されている。
【００３１】
図示の流路４１２は、略示である。多数のバイポーラプレートが存在する場合、別のバイポーラプレートが間に入れられている２枚のバイポーラプレートは、溶接の配置が同じである可能性がある。この例では、溶接部２１１と溶接部２２１とは、それぞれ同じ位置にある。
【００３２】
このような溶接部２１１は、典型的にはレーザによって形成される。これは、特に自動車の製造においては、広く用いられている手法である。
【００３３】
隣り合ったバイポーラプレートの溶接部の投影は、これらのプレートに垂直な方向に沿った同一平面上で、相互に、少なくとも５ｍｍ、好適には少なくとも１０ｍｍ、有利には少なくとも５０ｍｍ離れている。同じバイポーラプレート上の溶接部の分散を最適化するには、このプレートの溶接部は、相互に、少なくとも１０ｍｍ、好適には少なくとも２０ｍｍ、有利には少なくとも１００ｍｍ離れている。
【００３４】
溶接部の密集度は、本質的に、バイポーラプレートのシート４１と４２との間の結合の機械抵抗によって画定される。この溶接部の密集度は、１ｃｍ２当たりの溶接部が、０．１〜１個の範囲であると有利である。また、溶接部の密集度は、溶接部の表面とバイポーラプレートの断面との比率によって規定することもできる。溶接部は、スポット溶接であってもよいし、共通部分を持つ直線シーム溶接部、または曲線シーム溶接部であってもよい。バイポーラプレート上に形成される溶接部は、電流密度の均一化に利するように、バイポーラプレート上に分散されていると有利である。また、溶接部は、動作中にバイポーラプレート内の温度分布に従って、バイポーラプレート上に配置することもできる。溶接部の位置は、バイポーラプレートに特別に適合され、その設計、その流路の形状に関連づけられ、また燃料電池１の中のＭＥＡの数に関連づけられている。
【００３５】
金属シート４１および４２は、ステンレススチールからなっていると有利である。ステンレススチールは、産業上の進歩に応じて普及した多くの方法に適合し、非常によく利用される材料である。金属シート４１および４２の彫り込み、特に流路４１２および４２２は、例えば、平らな金属シートを加圧成形するか、または打抜加工することによって形成される。燃料電池１の製造のためのコンポーネントの規模の効果を高める目的で、さまざまなバイポーラプレートの金属シートは、同一であってもよい。
【００３６】
図４は、シミュレーションによって得られた比較グラフである。このグラフは、ＭＥＡを通ったプロトン電流密度を、軸縦方向の位置の関数として比較したものである。点線は、先行技術における電流密度に相当し、実線は、本発明に基いて配置された溶接部における電流密度に相当する。本発明によって配置された溶接部により、電流密度の均一性に、顕著な改善が見られる。
【００３７】
図５は、図１の燃料電池１の概略断面図である。第１〜第３のバイポーラ金属プレート２１、２２、２３の誘導用流路の各々の蛇行状パターンは、平面視において重ね合わされている。バイポーラプレート２１、２２、２３の各々の金属シート対における流路の延在部は、各々対向位置で、同じ方向に伸びている。ここでは、流路４１２とバイポーラプレート２１とだけを示してある。図５は、バイポーラプレート２１、２２、２３における金属シートの溶接部を、バイポーラプレート２１上に投影した際の位置を示している。バイポーラプレート２１の溶接部を実線で示し、バイポーラプレート２２の溶接部を破線で示し、バイポーラプレート２３の溶接部を点で示している。本明細書で上記した変形形態の場合のように、２つの隣り合ったバイポーラプレートの溶接部は、これらが設けられたガス誘導用流路の延在方向および分布方向において異なる位置に配置されている。
【００３８】
バイポーラプレート２１、２２、２３の間で電流の経路をできるだけ曲がりくねらせるために、異なるプレートにおける溶接部は、互いに重ね合わされておらず、２つの別個のプレートの溶接部は、これらが設けられたガス誘導用流路の延在方向および分布方向において異なる位置に配置されている。経路を曲がりくねらせるために、バイポーラプレート２１とバイポーラプレート２３との間に配置されているバイポーラプレート２２の溶接部２２１は、バイポーラプレート２１および／またはバイポーラプレート２３における４つの最も近い溶接部間の重心に対し、平面視において重なる位置に設けられている。従って、溶接部２２１は、２つの溶接部２１１と２つの溶接部２３１との間における重心に対し、平面視において重なる位置に配置され、溶接部２２１に最も近い４つの溶接部は、バイポーラプレート２１とバイポーラプレート２３との間に分散されている。
【符号の説明】
【００３９】
１  燃料電池
５  交換膜
２１〜２３  バイポーラプレート
３１〜３３  膜／電極接合体、すなわちＭＥＡ
４１、４２  金属シート
４３  流路
１１０  燃料源
１１２  空気源
２１１、２２１、２３１  溶接部
３１１  電解質の層
３１２  アノード
３１３  カソード
３１４、３１５  ガス拡散層
３２１  電解質の層
３２２  アノード
３２３  カソード
３２４、３２５  ガス拡散層
３３１  電解質の層
３３２  アノード
３３３  カソード
３３４、３３５  ガス拡散層
４１１  彫り込み面
４１２  流路
４１３  近接対向部
４２２  流路
４２３  近接対向部
【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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