(57)【要約】  膜（１８）により互いに分離された第１電極（２１）と第２電極（２２）を持つ少なくとも１つの膜電極ユニット（１０）、及び、両側で膜電極ユニット（１０）につながる少なくとも２つのバイポーラ板（４０）を包含し、ここで、バイポーラ板（４０）を、燃料を供給する第１供給チャンネルと酸化剤を供給する第２供給チャンネルが貫通し、ここで、第１電極（２１）に面した第１分配構造（５０）が第１供給チャンネルの第１エッジにつながり、第２電極（２２）に面した第２分配構造（６０）が第２供給チャンネルの第２エッジにつながる形の燃料電池（２）において、第１電極（２１）が、膜（１８）に沿って、第１供給チャンネルの第１エッジから間隔をあけた領域の中を延び、第２電極（２２）が、膜（１８）に沿って、第２供給チャンネルの第２エッジから間隔をあけた領域の中を延びる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜（１８）により互いに分離された第１電極（２１）と第２電極（２２）を持つ少なくとも１つの膜電極ユニット（１０）、及び、
両側で膜電極ユニット（１０）につながる少なくとも２つのバイポーラ板（４０）
を包含し、ここで、
バイポーラ板（４０）を、燃料を供給する第１供給チャンネル（５２）と酸化剤を供給する第２供給チャンネル（６４）が貫通し、ここで、
前記第１電極（２１）に面した第１分配構造（５０）が前記第１供給チャンネル（５２）の第１エッジ（５７）につながり、前記第２電極（２２）に面した第２分配構造（６０）が前記第２供給チャンネル（６４）の第２エッジ（６７）につながる形の
燃料電池（２）であって、
前記第１電極（２１）が、前記膜（１８）に沿って、前記第１供給チャンネル（５２）の第１エッジ（５７）から間隔をあけた領域の中を延びること、及び、
前記第２電極（２２）が、前記膜（１８）に沿って、前記第２供給チャンネル（６４）の第２エッジ（６７）から間隔をあけた領域の中を延びること
を特徴とする燃料電池（２）。
【請求項２】
前記膜（１８）が水蒸気を通すことを特徴とする請求項１記載の燃料電池（２）。
【請求項３】
前記バイポーラ板（４０）を、燃料を排出する第１排出チャンネル（５４）が貫通し、ここで、
前記第１分配構造（５０）が前記第１排出チャンネル（５４）の第１エッジ（５８）につながり、また、
前記第１電極（２１）が、前記膜（１８）に沿って、前記第１排出チャンネル（５４）の第１エッジ（５８）から間隔をあけた領域の中を延びる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池（２）。
【請求項４】
前記第１分配構造（５０）が、
前記第１供給チャンネル（５２）の第１エッジ（５７）につながる第１流入領域（５１）と、
前記第１排出チャンネル（５４）の第１エッジ（５８）につながる第１流出領域（５９）を有し、ここで、
前記第１流入領域（５１）と前記第１流出領域（５９）の間に、矩形横断面を有する第１主分配領域（５３）が配置されている
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池（２）。
【請求項５】
前記第１電極（２１）が、前記膜（１８）に沿って、前記第１流入領域（５１）と前記第１流出領域（５９）から間隔をあけた領域の中を延びる
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池（２）。
【請求項６】
前記バイポーラ板（４０）を、酸化剤を排出する第２排出チャンネル（６２）が貫通し、ここで、
前記第２分配構造（６０）が、前記第２排出チャンネル（６２）の第２エッジ（６８）につながり、また、
前記第２電極（２２）が、前記膜（１８）に沿って、前記第２排出チャンネル（６２）の第２エッジ（６８）から間隔をあけた領域の中を延びる
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料電池（２）。
【請求項７】
前記第２分配構造（６０）が、
前記第２供給チャンネル（６４）の第２エッジ（６７）につながる第２流入領域（６９）と、
前記第２排出チャンネル（６２）の第２エッジ（６８）につながる第２流出領域（６１）を有し、ここで、
前記第２流入領域（６９）と前記第２流出領域（６１）の間に、矩形横断面を有する第２主分配領域（６３）が配置されている
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池（２）。
【請求項８】
前記第２電極（２２）が、前記膜（１８）に沿って、前記第２流入領域（６９）と前記第２流出領域（６１）から間隔をあけた領域の中を延びる
ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池（２）。
【請求項９】
前記電極（２１、２２）が合同で前記膜（１８）に配置されている
ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項記載の燃料電池（２）。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項記載の燃料電池（２）を電気自動車（ＥＶ）において使用すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜により互いに分離された第１電極と第２電極を持つ少なくとも１つの膜電極ユニット、及び、両側で膜電極ユニットにつながる少なくとも２つのバイポーラ板を包含する燃料電池に関する。ここで、バイポーラ板を、燃料を供給する第１供給チャンネルと酸化剤を供給する第２供給チャンネルが貫通する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換するガルバーニ電池である。つまり、燃料電池は電気化学的エネルギー変換器である。公知の燃料電池では、特に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギー及び熱に変換される。しかし、メタノール又はメタンを使用する燃料電池も知られている。
【０００３】
なかでも、プロトン交換膜（Proton-Exchange-Membran＝ＰＥＭ（独語））燃料電池が知られている。プロトン交換膜燃料電池は、中心に配置された膜を具備し、これがプロトンを通し、従って水素イオンを通す。酸化剤、特に大気酸素は、この膜により、空間的に燃料、特に水素から分離される。
【０００４】
プロトン交換膜燃料電池は更に陽極と陰極を具備する。燃料は燃料電池の陽極に送られ、そこで接触し、電子を放出しながらプロトンに酸化される。プロトンは、膜を通って陰極に到達する。放出された電子は、燃料電池から導き出され、外部電流回路を経由して陰極に流れていく。
【０００５】
酸化剤は、燃料電池の陰極に送られ、外部電流回路からの電子と、膜を通って陰極に到達したプロトンを吸収することにより、これと反応して水になる。そうして生じた水は、燃料電池から導き出される。全体反応は以下の通りである。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【０００６】
ここで、燃料電池の陽極と陰極の間に電圧がかかっている。この電圧を高めるために、複数の燃料電池を機械的に前後に積み重ねて１つの燃料電池層になるように配置し、電気的に直列に接続してよい。
【０００７】
燃料を陽極に均一に分配し、酸化剤を陰極に均一に分配するために、バイポーラ板とも呼ばれる分配板が設けられている。このバイポーラ板は、燃料と酸化剤を分配するための例えばチャンネル形の構造を有する。バイポーラ板は更に、冷却液を燃料電池の中に通して熱を逃がすための構造を有してよい。
【０００８】
特許文献１から、２つのバイポーラ板の間に膜電極ユニットを配置した燃料電池が知られている。ここで、バイポーラ板はそれぞれ、反応ガスを電極に分配するための分配構造を具備する。
【０００９】
膜電極ユニットの膜は、ここで、燃料電池が決まり通り機能するように湿潤状態に保持されなければならない。特に燃料電池を比較的高い温度で動作させる場合、膜は、大気の吸水力が高められるために乾燥し易く、それにより、燃料電池の機能は損なわれることがあり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】独国公開第１０２０１３２２６８１５Ａ１号公報
【発明の概要】
【００１１】
提案されるのは、膜により互いに分離された第１電極と第２電極を持つ少なくとも１つの膜電極ユニット、及び、両側で膜電極ユニットにつながる少なくとも２つのバイポーラ板を包含する燃料電池である。ここで、バイポーラ板を、燃料を供給する第１供給チャンネルと酸化剤を供給する第２供給チャンネルが貫通する。第１電極に面した、燃料を分配する第１分配構造が、第１供給チャンネルの第１エッジにつながり、第２電極に面した、酸化剤を分配する第２分配構造が、第２供給チャンネルの第２エッジにつながる。
【００１２】
第１電極は陽極とも呼ばれ、第２電極は陰極とも呼ばれる。燃料とは例えば水素のことで、酸化剤とは例えば酸素、特に周囲大気の中に含まれた酸素のことである。
【００１３】
発明通り、第１電極は膜に沿って、第１供給チャンネルの第１エッジから間隔をあけた領域の中を延び、第２電極は膜に沿って、第２供給チャンネルの第２エッジから間隔をあけた領域の中を延びる。
【００１４】
中心に配置された膜は、従って、両側に設けられた電極より上に突き出る。膜はこれで両側に、第１供給チャンネルに隣接して置かれた領域と第２供給チャンネルに隣接して置かれた領域を有し、これらが直接、第１分配構造又は第２分配構造と境を接しており、そこで電極から自由である。
【００１５】
第１供給チャンネルと第１分配構造を経由して第１電極に導かれる燃料は、これで膜の領域も経由して流れ、これで湿分を水蒸気の形で膜に直接運ぶことができる。第２供給チャンネルと第２分配構造を経由して第２電極に導かれる酸化剤は、これで膜の領域も経由して流れ、これで湿分を水蒸気の形で膜に直接運ぶことができる。
【００１６】
好ましくは、膜は水蒸気も通す。これで、水蒸気の形の湿分を、第１分配構造から膜を通して第２分配構造に運ぶことができ、第２分配構造から膜を通して第１分配構造に運ぶこともできる。
【００１７】
本発明の有利な一形態では、バイポーラ板を、燃料を排出する第１排出チャンネルが貫通し、ここで、第１分配構造は第１排出チャンネルの第１エッジにつながる。この第１排出チャンネルは、消費されなかった燃料を第１分配構造から排出するのに役立つ。ここで、第１電極は、膜に沿って、第１排出チャンネルの第１エッジからも間隔をあけた領域の中を延びる。膜はこれで、第１排出チャンネルに隣接して置かれた領域も有し、これが直接、第１分配構造と境を接しており、そこで第１電極から自由である。
【００１８】
第１分配構造は、好ましくは、第１供給チャンネルの第１エッジにつながる第１流入領域と、第１排出チャンネルの第１エッジにつながる第１流出領域を有する。ここで、第１流入領域と第１流出領域の間に、矩形横断面を有する第１主分配領域が配置されている。
【００１９】
好ましくは、第１電極は膜に沿って、第１流入領域と第１流出領域から間隔をあけた領域の中を延びる。従って、この第１電極は、第１分配構造の第１主分配領域としか境を接していない。
【００２０】
本発明の有利な一形態では、バイポーラ板を、酸化剤を排出する第２排出チャンネルが貫通し、ここで、第２分配構造は第２排出チャンネルの第２エッジにつながる。この第２排出チャンネルは、消費されなかった酸化剤を第２分配構造から排出するのに役立つ。ここで、第２電極は、膜に沿って、第２排出チャンネルの第２エッジからも間隔をあけた領域の中を延びる。膜はこれで、第２排出チャンネルに隣接して置かれた領域も有し、これが直接、第２分配構造と境を接しており、そこで第２電極から自由である。
【００２１】
第２分配構造は、好ましくは、第２供給チャンネルの第２エッジにつながる第２流入領域と、第２排出チャンネルの第２エッジにつながる第２流出領域を有する。ここで、第２流入領域と第２流出領域の間に、矩形横断面を有する第２主分配領域が配置されている。
【００２２】
好ましくは、第２電極は膜に沿って、第２流入領域と第２流出領域から間隔をあけた領域の中を延びる。従って、この第２電極は、第２分配構造の第２主分配領域としか境を接していない。
【００２３】
好ましくは、これらの電極は合同で膜に配置されている。つまり、第１電極と第２電極は同様の横断面を有し、膜の互いに向き合った領域に取り付けられている。膜電極ユニットは、従って左右対称の形をなしている。
【００２４】
発明通りの燃料電池は、電気自動車（ＥＶ）に有利に使用される。
【発明の効果】
【００２５】
燃料電池を発明通り形作ることにより、膜の上に、分配構造に直接境を接し、電極から自由な領域が作られる。これにより、膜電極ユニットの膜は、絶えず十分に湿潤させることができる。燃料電池を比較的高い温度で動作させる場合でも、膜の乾燥が回避できる。ここで、膜を湿潤させる外部湿潤器を小さめに設計することができ、又は、外部湿潤器による膜の湿潤が不要であり、これにより、スペースとコストが節約できる。
【００２６】
第２分配構造に流入する空気は、陰極に到達する前にすでに温められる。これにより、陰極の手前ですでに、蒸気圧降下により水が第１分配構造から膜を通して第２分配構造の中に移送される。この過程は、第１分配構造において陽極の背後で行われる。それゆえ、第１分配構造において、膜を通して水を第２分配構造に放出するためにより多くの路程と時間が残される。陰極の背後で反応水で富化された空気は、膜を通して水を第１分配構造の中に移送するために追加の路程と時間を得る。第１分配構造において、すでに陽極の手前で流入する水素は温められ、第２分配構造からの水を吸収するために追加の路程と時間を得る。
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面と本文に則して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】燃料電池の分解図である。
【図２】組み立てられた燃料電池の、図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図３】組み立てられた燃料電池の、図２の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下の本発明の実施形態の説明では、同等又は同様のエレメントを同じ参照符号で表し、ここでは、個々のケースにおいてこれらのエレメントを繰り返し説明することを控える。図は、本発明の対象を単に概略的に表すにすぎない。
【００３０】
図１に、本発明による燃料電池２の分解図が描かれている。燃料電池２は、第１電極２１、第２電極２２及び膜１８を包含する膜電極ユニット１０を具備する。両電極２１、２２は、膜１８の互いに向き合った側に配置され、これで、膜１８により互いに分離されている。第１電極２１は、以下において陽極２１とも呼ばれ、第２電極２２は、以下において陰極２２とも呼ばれる。
【００３１】
電極２１、２２は、本例において合同で膜１８に配置されている。陽極２１と陰極２２は、ここで同様の横断面を有し、膜１８の互いに向き合った領域に取り付けられている。膜電極ユニット１０は、従って左右対称の形をなしている。中心に配置された膜１８は、ここで、両側に設けられた電極２１、２２より上に突き出る。
【００３２】
膜１８は、本例においてポリマー電解質膜として形作られている。膜１８は水素イオン、つまりＨ＋イオンを通す。同じく、膜１８は水蒸気も通す。特に、燃料電池２において行われる反応の際に陰極２２に生じる反応水が、これで膜１８に流入し、膜１８を通過して陽極２１へと拡散することができる。
【００３３】
燃料電池２は更に、両側で膜電極ユニット１０につながる２つのバイポーラ板４０を具備する。バイポーラ板４０は、ここでそれぞれ平面図で描かれている。ここでは、一方のバイポーラ板４０のうち、燃料電池２の組み立てられた状態において陽極２１に面した第１表面３３が描かれている。他方のバイポーラ板４０のうち、燃料電池２の組み立てられた状態において陰極２２に面した第２表面３４が描かれている。
【００３４】
燃料電池２を組み立てる時、第１表面３３が描かれた一方のバイポーラ板４０は、第１軸３５を中心として第１回転方向３７に９０°回転させなければならない。第２表面３４が描かれた他方のバイポーラ板４０は、燃料電池２を組み立てる時、第２軸３６を中心として第２回転方向３８に９０°回転させなければならない。
【００３５】
両バイポーラ板４０を、燃料を供給する第１供給チャンネル５２と、酸化剤を供給する第２供給チャンネル６４が貫通する。更に、両バイポーラ板４０を、消費されなかった燃料を排出する第１排出チャンネル５４と、消費されなかった酸化剤を排出する第２排出チャンネル６２が貫通し、また、水が通り抜ける。両バイポーラ板４０をまた、冷却剤を供給する第３供給チャンネル７４と、冷却剤を排出する第３排出チャンネル７２も貫通する。冷却剤は、動作中の燃料電池２を冷却するのに役立つ。
【００３６】
第１供給チャンネル５２と第２排出チャンネル６２と第３排出チャンネル７２は、ここで、バイポーラ板４０の頭側に入り込んでいる。第２供給チャンネル６４と第１排出チャンネル５４と第３供給チャンネル７４は、向き合った足側に入り込んでいる。燃料電池２の動作中、燃料はこれで頭側から足側に流れ、酸化剤と冷却剤は反対の向きで足側から頭側に流れる。
【００３７】
バイポーラ板４０はそれぞれ、第１表面３３に配置され、陽極２１に面した燃料分配のための第１分配構造５０を包含する。第１分配構造５０は、第１供給チャンネル５２の第１エッジ５７から第１排出チャンネル５４の第１エッジ５８まで延びる。燃料は、燃料電池２の動作中、第１供給チャンネル５２から第１排出チャンネル５４に第１流れ方向４３で流れる。
【００３８】
第１分配構造５０は、第１供給チャンネル５２の第１エッジ５７につながる第１流入領域５１と、第１排出チャンネル５４の第１エッジ５８につながる第１流出領域５９を有する。第１流入領域５１と第１流出領域５９の間に、矩形横断面を有する第１主分配領域５３が配置されている。
【００３９】
バイポーラ板４０はそれぞれ、第２表面３４に配置され、陰極２２に面した酸化剤分配のための第２分配構造６０を包含する。第２分配構造６０は、第２供給チャンネル６４の第２エッジ６７から第２排出チャンネル６２の第２エッジ６８まで延びる。酸化剤は、燃料電池２の動作中、第２供給チャンネル６４から第２排出チャンネル６２に第２流れ方向４４で流れる。
【００４０】
第２分配構造６０は、第２供給チャンネル６４の第２エッジ６７につながる第２流入領域６９と、第２排出チャンネル６２の第２エッジ６８につながる第２流出領域６１を有する。第２流入領域６９と第２流出領域６１の間に、矩形横断面を有する第２主分配領域６３が配置されている。
【００４１】
図２に、組み立てられた燃料電池２の、図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面が描かれている。燃料電池２は、ここで、それぞれ交互に配置されたバイポーラ板４０と膜電極ユニット１０から構成された燃料電池層の一部である。バイポーラ板４０と膜電極ユニット１０は、陽極２１が一方のバイポーラ板４０の第１分配構造５０に面するように、また、陰極２２が他方のバイポーラ板４０の第２分配構造６０に面するように配置されている。
【００４２】
バイポーラ板４０は第３分配構造７０を包含し、これが、ここでは見えない第３供給チャンネル７４から、同じくここでは見えない第３排出チャンネル７２に延びる。第３分配構造７０は、ここでそれぞれ第１分配構造５０と第２分配構造６０の間に配置されており、冷却剤をバイポーラ板４０の中に導き通し、燃料電池２の中に導き通すのに役立つ。
【００４３】
陽極２１は、膜１８に沿って、第１供給チャンネル５２の、ここでは見えない第１エッジ５７から、また、第１排出チャンネル５４の第１エッジ５８から間隔をあけた領域の中を延びる。特に、陽極２１は、膜１８に沿って、第１流入領域５１と第１流出領域５９から間隔をあけた領域の中を延びる。陽極２１は、従って、第１分配構造５０の第１主分配領域５３とだけ境を接し、この領域の中に突き入る。
【００４４】
膜１８はこれで、陽極２１の側に、第１供給チャンネル５２に隣接して置かれた、そこで陽極２１から自由な領域を有する。膜１８はこれでまた、第１排出チャンネル５４に隣接して置かれた、そこで陽極２１から自由な領域も有する。陽極２１から自由なこれら両領域は、第１分配構造５０と直接境を接する。
【００４５】
陰極２２は、膜１８に沿って、第２供給チャンネル６４の、ここでは見えない第２エッジ６７から、また、第２排出チャンネル６２の第２エッジ６８から間隔をあけた領域の中を延びる。特に、陰極２２は、膜１８に沿って、第２流入領域６９と第２流出領域６１から間隔をあけた領域の中を延びる。陰極２２は、従って、第２分配構造６０の第２主分配領域６３とだけ境を接し、この領域の中に突き入る。
【００４６】
膜１８はこれで、陰極２２の側に、第２供給チャンネル６４に隣接して置かれた、そこで陰極２２から自由な領域を有する。膜１８はこれでまた、第２排出チャンネル６２に隣接して置かれた、そこで陰極２２から自由な領域も有する。陰極２２から自由なこれら両領域は、第２分配構造６０と直接境を接する。
【００４７】
燃料電池２の動作中、燃料は、第１供給チャンネル５２と第１分配構造５０を経由して陽極２１に導かれ、更に第１排出チャンネル５４に導かれる。そこで、燃料は第１流れ方向４３において、陽極２１から自由な膜１８の領域をも経由する。
【００４８】
燃料電池２の動作中、酸化剤は、第２供給チャンネル６４と第２分配構造６０を経由して陰極２２に導かれ、更に第２排出チャンネル６２に導かれる。そこで、酸化剤は第２流れ方向４４において、陰極２２から自由な膜１８の領域をも経由する。
【００４９】
燃料、本例において水素は、陽極２１で接触し、電子を放出しながらプロトンに酸化される。プロトンは、膜１８を通って陰極２２に到達する。放出された電子は、燃料電池２から導き出され、外部電流回路を経由して陰極２２に流れていく。酸化剤、本例において大気酸素は、外部電流回路からの電子と、膜１８を通って陰極２２に到達したプロトンを吸収することにより、これと反応して水になる。
【００５０】
燃料電池２において行われる反応の際に陰極２２に生じる水は、部分的に第２分配構造６０から第１拡散方向４７に膜１８の中へ拡散し、膜１８を通過して第１分配構造５０の中に拡散し、陽極２１へと拡散することができる。第１拡散方向４７に拡散した水は、そこで、第１分配構造５０の中を流れる燃料により吸収される。
【００５１】
燃料により吸収された水は、続いて第１分配構造５０から第２拡散方向４８に膜１８の中へと拡散し、膜１８を通過して第２分配構造６０の中に拡散し、陰極２２へと拡散することができる。第２拡散方向４８に拡散した水は、そこで、第２分配構造６０の中を流れる酸化剤により吸収される。
【００５２】
電極２１、２２から自由で、分配構造５０、６０と境を接する膜１８の領域は、これで、水が膜１８の中に絶えず拡散し、膜１８を通過していくことを可能にする。これにより、膜１８は絶えず湿潤させられる。余剰の水は、特に第２分配構造６０から第２排出チャンネル６２を経由して導き出され、燃料電池２から導き出される。
【００５３】
図３は、組み立てられた燃料電池２の、図２の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面を示す。膜１８は、ここで中心の位置に、陽極２１が配置された領域を有する。膜１８はまた、第１主分配領域５３の一部と第１流入領域５１を越えて延び、かつ、陽極２１から自由な領域も有する。また、膜１８は、第１主分配領域５３の一部と第１流出領域５９を越えて延び、かつ、陽極２１から自由な領域も有する。
【００５４】
本発明は、ここで述べた実施例とその中で強調した側面だけに限られるものではない。むしろ、請求項に記載の範囲の中であって、当業者の行為の枠内に存在する多数のバリエーションが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
２  燃料電池
１０  膜電極ユニット
１８  膜
２１  第１電極ないしは陽極
２２  第２電極ないしは陰極
４０  バイポーラ板
５０  第１分配構造
５１  第１流入領域
５２  第１供給チャンネル
５３  第１主分配領域
５４  第１排出チャンネル
５９  第１流出領域
６０  第２分配構造
６１  第２流出領域
６２  第２排出チャンネル
６３  第２主分配領域
６４  第２供給チャンネル
６９  第２流入領域
【図１】
2020513665.tif 000003
【図２】
2020513665.tif 000004
【図３】
2020513665.tif 000005
【国際調査報告】
2020513665.tif 000006
2020513665.tif 000007
2020513665.tif 000008
2020513665.tif 000009