JP2004523069A

JP2004523069A - フローフィールドプレートジオメトリ

Info

Publication number: JP2004523069A
Application number: JP2002564776A
Authority: JP
Inventors: ボフ、ジェイムズ・チャールズ; ターピン、マーク・クリストファー; ベッグ、アラン・ロバート
Original assignee: Morgan Crucible Co PLC
Current assignee: Morgan Crucible Co PLC
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2004-07-29
Also published as: WO2002065565A2; CN1491446A; CA2437891A1; EP1405359A2; KR20030081438A; WO2002065565A3

Abstract

流体入口から流体出口まで延長する流路であって、流体出口若しくは流体入口における流路の断面積が、各々流体入口若しくは流体出口における断面積の９５％未満である少なくとも１つの流路を備える、燃料電池用のフローフィールドプレートを提供する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び電解槽、特にプロトン交換膜型燃料電池及び電解槽に関する。
【０００２】
燃料電池とは、燃料及び酸化剤を制御混合して直接電力を発生させる装置である。中間燃焼や発電段階を経ずに直接電力を発生させるため、従来の発電機において燃料を使用するより燃料電池の発電効率が高いことは公知である。燃料電池は単純で望ましいが、実用的な燃料電池システムの開発には近年多数の人員と年月の労力が費やされてきた。電解槽は事実上燃料電池の逆であり、電気を用いて水を水素と酸素に分解する。燃料電池と電解槽は共にいわゆる「水素経済」の主要部になると考えられる。以下は燃料電池に言及するが、基本原理は電解槽にもあてはまることを忘れてはならない。
【０００３】
量産されている燃料電池の１つの型はいわゆるプロトン交換膜型（ＰＥＭ）燃料電池［時おり高分子電解質または固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）とも言われる］である。これら電池は水素を燃料として用い、両面に多孔質電極を配置した電気絶縁性（但しイオン伝導性）高分子膜から成る。膜は通常フルオロスルホン酸ポリマーであり、電極は通常、炭素質粉末基板に分散させた貴金属触媒から構成される。この電極と膜の組み合わせはしばしば膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００４】
水素燃料は一方の電極（陽極）に供給され、そこで酸化され陽極に電子を、電解質に水素イオンを放出する。酸化剤（通常空気または酸素）はもう一方の電極（陰極）に供給され、そこで陰極からの電子が酸素及び水素イオンと結合し水を生成する。プロトン交換膜型燃料電池の派生はメタノールを燃料として供給する直接メタノール燃料電池である。本発明はそのような燃料電池及びプロトン交換膜を用いるあらゆる他の燃料電池を対象としている。
【０００５】
商業用ＰＥＭ燃料電池ではそのような複数の膜がフローフィールドプレート（セパレーターまたは二極プレートとも言われる）で隔てられて積層されている。フローフィールドプレートは通常、膜の陽極と隣接膜の陰極間の電子移動を良好にするために金属又は黒鉛でできている。
【０００６】
フローフィールドプレートは流体（燃料または酸化剤）を供給し、燃料電池の反応生成物として生成した水を除去するために、それら表面に溝パターンを有する。フローフィールドは冷却流体を供給するために備えられてもよい。溝形成にはさまざまな手法が報告されており、例えば、機械加工、エンボス加工、成形（ＷＯ００／４１２６０）、また（本発明に特に有用である）レジストを通じてサンドブラスト法（又は移動粒子の運動量を表面の研磨に利用する他のエッチング法（ＷＯ０１／０４９８２）などによりこれら溝を形成することが提案されている。
【０００７】
国際特許出願第ＷＯ０１／０４９８２号はプレートにレジスト又はマスクをあてがい、サンドブラスト法（または移動粒子の運動量を表面の研磨に利用するウォータージェット加工等の他のエッチング方法）によりフローフィールドプレートを加工し、マスクまたはレジストで形成されたパターンに対応する形状を形成する方法を開示している。
【０００８】
そのようなプロセスはＷＯ０１／０４９８２が示すようにフローフィールドプレートを貫通する孔、フローフィールドプレートにくぼみや流路を形成することが可能である。本発明を可能にするために充分な背景を提供するとして、ＷＯ０１／０４９８２のプロセス全体を本明細書に援用する。
【０００９】
実際には、これまでの大半のプレートは流路を切削して形成されてきた。従来、切削の欠点として工具磨耗によりテーパー状の流路が生じると考えられてきた。テーパーは容易に制御し難い。通常±２５μｍを許容範囲とした直線側壁を有する流路を形成することが目標である。
【００１０】
フローフィールドプレート、膜、及び関連する燃料及び酸化剤供給の集合体はしばしば燃料電池スタックと言われる。
【００１１】
上記記載技術は試作品や限定された幾つかの商用適用先において有用であることを認められているが、幅広い商業受諾を得るために現在、フローフィールドプレートの価格低減及び性能向上に用いるためのジオメトリ範囲の向上が要求されている。
【００１２】
ＷＯ００／４１２６０は既存のフローフィールドプレート構造の利点及び欠点について詳細に記載している。特に、プレートにわたる圧力損失の維持の必要性及び差圧増加の欠点、すなわちさらに大きい寄生エネルギー需要について説明している。
【００１３】
ＷＯ００／４１２６０は蛇行流路の湾曲部周辺での渦（eddy）生成の問題についても説明している。
【００１４】
ＷＯ００／４１２６０に提議されているこれら多種問題の克服方法として直線的な流路を有するフローフィールドプレートを提供すること、また以前の直線的な流路を有するフローフィールドプレートに比して流路長を増加させ、流路幅を低減させることがある。
【００１５】
ＷＯ００／４１２６０はさらにこのような流路を形成する従来の切削工具の欠点、特に一定幅を有する幅の狭い流路の再形成に支障をきたす工具磨耗について説明している。ＷＯ００／４１２６０中の提案としては、そのような微細流路は成形またはエンボス加工により形成可能である。しかし、プレートの成形またはエンボス加工はプレート原料を限定するため、微細形状と原料物性の妥協が必要である。
【００１６】
出願人は、もしフローフィールドプレート上に縮小する断面を有する流路を再形成できれば、縮小する断面によりプレートにわたって均一の圧力損失を与えることが可能となり、また、プレート上に変動負荷容量を与えることも可能であることを理解している。このような縮小する断面流路は略いずれのフローフィールドプレートジオメトリに対しても優位である。
【００１７】
従って本発明は流体入口からその流体出口まで延在する流路を少なくとも一つ有する、プロトン交換膜型燃料電池または電解槽に用いるフローフィールドプレートを提供する。流体出口または流体入口における流路断面積は各々流体入口または出口における流路断面積の９５％未満である。
【００１８】
好ましくは流体出口または入口における流路断面積は各々流体入口または出口における流路断面積の７５％未満である。
【００１９】
流路はフローフィールドの電気化学的に活性な領域を跨がってよく、電気化学的に活性な領域の片側にある流路断面積が、電気化学的に活性な領域のもう片側の流路断面積の９５％未満である。
【００２０】
本発明のさらなる詳細は請求の範囲及び下記図面の説明から明らかになる。
【００２１】
下記記載はレジストを通じブラスト処理（サンドブラスト法）によるフローフィールドプレートの製造に関するが、本発明の特徴は本製造方法に限定されない。
【００２２】
ガス送出流路及びガス拡散流路の両方を形成するには、好ましい流路ジオメトリに対応するパターンを有するテンプレート又はレジストをプレート表面に配置するブラスト処理等の技術が用いられてもよい。このような技術はＷＯ０１／０４９８２に記載されており、本発明を可能にするためＷＯ０１／０４９８２の全体を本明細書に援用する。
【００２３】
この技術では、プレートは黒鉛／樹脂複合材料または用いる反応物と著しく反応しない他の無孔な導電性材料から形成される。非常に好ましいブラスト処理法としては空気ブラストの利用がある。ウォータージェット加工は一般的に、簡易制御には激しすぎるが、注意力と優れた制御装置により適用可能である。
【００２４】
このような微細形状形成法の代替法にはエキシマレーザーアブレーションまたは化学エッチングがあるが、いずれのプロセスも現プロセスの低コストを達成できていない。
【００２５】
本技術では異なる流路幅のプロファイルはマスクの影により変化することが明らかとなった。図１は狭い流路１０２を表面に形成したフローフィールドプレート１０１を示す。流路形成に用いるレジストの付影効果により、流路は真上のみからのサンドブラスト粗粒子に効果的にさらされる。この場合、流路のほぼ半円プロファイル及び流路の浅い切削につながる。
【００２６】
さらに大きい流路（１０３及び１０４）にはレジストの影は小さく、さらに広範囲の角度からフローフィールドプレート表面にサンドブラスト粗粒子が衝突し、そのため表面の深い切削及びさらに平らな流路底が得られる。
【００２７】
従って、プレートに異なる流路幅のレジストをあてがい、プレート及びレジストを微粒子のサンドブラストにさらすことで、異なる幅及び深さを有する流路パターンの適用が可能である。
【００２８】
異なる幅及び深さを有する流路パターンの適用には利点がある。従来法によるフローフィールドプレート上流路の本来の目的は、反応材料の電極への均一供給を保証し、反応生成物の迅速除去を保証することである。しかしながら、通常、蛇行経路が用いられるため、材料が移動する行程長は長い。
【００２９】
反応物を反応表面に均一に供給し、反応生成物を除去することを目的とする別のシステムは肺である。肺では徐々に縮小する流路が配置されており、空気は肺内の反応場への短い経路を有し、二酸化炭素は肺外への短い経路を有する。フローフィールドプレート内に徐々に縮小する流路のネットワークを備えることで、反応ガスは反応場への短い流路を有することになる。
【００３０】
極微小流路は、フローフィールドプレートの外へは単に幅広なガス除去流路に開放してもよく、もしくは肺と同様、対応する徐々に拡大する流路のネットワークを備えてもよい。後者の場合、徐々に縮小する流路と徐々に拡大する流路の二つのネットワークは両端で接続してもよく、もしくは電極材料中の拡散により接続性を有するインターディジテイティッド(interdigitated)ネットワークとして配置されてもよい。両端での接続は閉塞除去を補助するため、流路内で高圧状態が維持されるという利点がある。
【００３１】
相互接続流路と未接続流路の選択は取扱う電極に依存する。水素イオンは陽極から移動し、高分子を通過して、陰極にて水となる。水は全て電池の陰極側（空気または酸素側）で生成される。陰極側で水が発生するため、空気側のガス流路はあふれを生じさせないよう未接続にできないことを意味する。電極の透過性は高くないため、ＧＤＬを用いていない場合、インターディジテイティッド流路にも注意が必要である。また、インターディジテイティッド流路は供給ガス中の不純物除去を制限する。従って、枝分かれした流路が末端同士で接続する、または大きい流路に排出するモデルが好ましい。
【００３２】
図２はフローフィールドプレートの概略的な部分平面図を示し、幅広な一次ガス送出流路１０４は二次ガス送出流路１０３に分岐し、さらにそれぞれはガス拡散流路１０２に分岐する。必要に応じて一次ガス送出流路１０４からガス拡散流路１０５が分岐してもよい。一次及び二次ガス送出流路及びガス拡散流路はそれぞれ徐々に縮小する流路のネットワークを形成してもよく、また流路配置はフラクタル配置と類似してもよい。
【００３３】
一次ガス送出流路は、１ｍｍより大きい、例えば約２ｍｍの幅を有する。このような流路の標準深さは０．２５ｍｍであるが、深さは流路形成後のフローフィールドプレートの充分な強度を有する必要性によってのみ制限される。二次ガス送出流路は、１ｍｍ未満の、例えば０．５ｍｍの幅を有し、サンドブラスト技術を用いることにより一次ガス送出流路より浅くてもよい。ガス拡散流路幅は、０．２ｍｍ未満、例えば約１００μｍであり、さらに浅くてもよい。
【００３４】
フローフィールドプレートはガス拡散層と併用してもよく、またフローフィールドプレート表面上に充分な密度で存在し、充分なガス送出を与えるガス拡散流路を備えることでガス拡散層を省いてもよい。
【００３５】
燃料電池として作用する場合、ガス送出流路はガスをフローフィールドプレートの表面にわたって分散するガス拡散流路にガスを送出する。電解槽として作用する場合、ガス拡散流路は、フローフィールドプレートの表面一帯からガスを受け取り、ガス送出流路は回収のためガスを送出するように作用する。
【００３６】
サンドブラスト技術では、流路幅の限界値はサンドブラスト処理に用いるマスク厚さの関数である。ＩｍａｇｅＰｒｏ（登録商標）材料（ＣｈｒｏｍａｌｉｎｅＣｏｒｐ．米国）は非常に厚く、１２５μｍである。これらのマスクは流路幅を約１００μｍに制限する。他のマスク材料は基板にスプレーコートし、その場で曝露することができる。これらの材料は弾性を有し、そのためさらに薄くできる。ＣｈｒｏｍａｌｉｎｅＳＢＸ（登録商標）は１０〜２０μｍ幅までの形状のエッチングに使用できる。
【００３７】
使用できる各種マスクとしては:
ａ）粘着固定させたシートマスク、
ｂ）材料の好ましい表面を覆い、その後選択的に領域を除去処理できる塗装、スプレーコート、スクリーン印刷、または他の方法により塗布されるマスク、
ｃ）塗布及び再利用が可能なマスク、
ｄ）直接印刷される、または表面に塗布される（例えばインクブラスト印刷）マスク
があり、本発明は特にいずれのマスク形態に限定されないが、ｂ）及びｄ）タイプは量産に最も適している。
【００３８】
言うまでもなく、研磨ブラスト処理に用いられる研磨材料は、形成される形状より小さい微粒子サイズを有している必要がある。しかし、粒子サイズの微小化は研磨速度を遅くする。出願人は、ブラスト処理の際に比較的粗い研磨材料（例えば直径５０μｍ〜２５０μｍのシリカまたはアルミナ粗粒子）の使用により幅広な流路を形成し、続いて細かい研磨材料（例えば直径５〜２０μｍのシリカまたはアルミナ粗粒子）の使用により微細形状を形成することが有用であることを明らかにした。さらに下記に説明するように、粗い材料と細かい材料は一段階で混合及び塗布されてもよい。本発明はいずれの特定の研磨材料も限定しない。
【００３９】
好ましいプレート材料は黒鉛、炭素-炭素複合材料、または炭素樹脂複合材料である。しかし、本発明はこれら材料に限定せず、研磨材の適切な選択及び適切な物理的物性を有するいずれの材料に対しても適用することができる。
【００４０】
研磨材料の斜軸ブラストの使用は有利である。図３の概略図では、レジスト１がプレート２上に配置されている。レジスト１は厚みｄ_rと幅ｗ_rの開口部３を有する。開口部３を通って吹き付けられた研磨材料はプレート材料を研磨し、深さｄ_v及び幅ｗ_vの空隙４を形成する。空隙４の底表面５から粒子がはね返らず、充分な強度で凹部表面６を研磨すると仮定すると、凹部表面の最小角αは開口部３への粒子接近の最小角度で決定される。従って、この空隙形状では、最大空隙幅を次のように計算することができる。
ｗ_v＝ｗ_r＋２・ｄ_v・（ｗ_r／ｄ_r）
【００４１】
例として、レジスト厚みを０．１２５ｍｍと仮定し、開口部サイズ及び所要深さを変化させて算出した空隙幅を表１に示す。
【００４２】
【表１】

【００４３】
実際には、サンドブラストは数学的に厳密な切削工具を提供するものではなく、図３の空隙形状の形成にはそのような工具で済む。さらに、アンダーカット角度は、αより小さくないという条件で、サンドブラストで生成する研磨粒子の入射角に依存する。もしサンドブラストで生成する研磨粒子の入射角がαより小さい場合、プレート２がレジストの影になり、サンドブラストによる表面の研磨はほとんど生じないか、または全く生じない。
【００４４】
実際には図４に示すような空隙形状は、「Ａ」方向から「Ｂ」方向まで、異なる方向の広い範囲からの均一のサンドブラストにより、形成されたアンダーカット角度は、研磨材料の流れの方向Ａ及びＢとプレート面への垂線の間の角度に近い、各々β_Aとβ_Bになる。（サンドブラストでは角度のずれが生じるため、アンダーカット角度は流れ方向Ａ及びＢの角度に正確には一致しない。）これら角度は図４には同等であるように示されているが、そうでなくてもよい。
【００４５】
空隙の形状は異なる強度のブラストを異なる方向から向ける、もしくは異なる頻度で異なる方向からブラストを向ける、または両方法を伴わせることでかなりの程度まで整えることができる。例えば、図５に示す空隙は、「Ａ」及び「Ｂ」方向から連続的にブラストすることでくびれ８でつながる空隙４形成することができる。
【００４６】
図３ないし図５は、かなりの厚みを有するレジストを示すように誇張された概略図であると理解されたい。そのためアンダーカット角度が小さく示されている。実際には、薄いレジストでは深いアンダーカット空隙が得られる。しかし、アンダーカット角度βが大きいほど、空隙４への突出部７の先端が薄くなる。所定材料における適切なアンダーカット角度βは研磨に必要な強度に依存する。アンダーカット角度は２０°より大きい方が好ましく、さらには３０°より大きい方が好ましい。さらに好ましくはアンダーカット角度は４０°より大きい。６０°以上の角度も可能であり、いくつかのジオメトリには有利であるが、６０°未満のアンダーカット角度が強度には好ましい。
【００４７】
図６に示すように、適切なマスク開口部の間隔及びブラスト方向が選択されれば、一対の近接した空隙４がくびれ８にて融合し、表面では隣接ポート９及び１０を接続する一つの空隙も形成できる。
【００４８】
フローフィールドプレート製造への本技術の適用例を図７から図９に示す。プレート１１は流体入口ポート１２を有する。図７に示すように、流体入口ポート１２はプレート１１表面で流路１３と接続する。流路１３は流路幅を画定する端１４を表面に有する。流路１３は、プレート１の本体内部における方がプレート１の表面より広い幅を有する。流路断面の入口がプレート本体内の流路断面の内部より狭い、例えば図３〜図５のいずれかの断面を有している。
【００４９】
流路１３の最大幅を線１５として示す。このようなフローフィールドプレートは同等の断面積を有する狭く平行な側面を有する流路より浅い流路を有することができ、そのため薄いフローフィールドプレートの使用を可能にする。典型的な二極プレートのガス流路は正方形または長方形の断面で、ミリメートルサイズである。例えばＢａｌｌａｒｄ（登録商標）プレートは２．５ｍｍ角の断面の流路を有する。ＡＰＳ（登録商標）プレートは幅０．９ｍｍ、深さ０．６ｍｍの流路を有する。図３に示す基本的な断面を有する流路において、流路断面積は次のように表すことができる。
ｗ_r・ｄ_v＋２・（１／２）・ｄ_v・（ｄ_v／ｔａｎα）
【００５０】
表２は、図３に示されるように本発明で形成される流路を既知Ｂａｌｌａｒｄ（登録商標）プレート及びＡＰＳ（登録商標）プレートと比較したものである。
【００５１】
【表２】

【００５２】
流路の深さ及び断面積を一定にすると、このジオメトリは表面により狭い隙間を与えるため、上述した従来のジオメトリの欠点を低減する。これを以下の表３に示す。
【００５３】
【表３】

【００５４】
言うまでもなく、これらの数値はサンドブラスト技術における理想的なジオメトリにより計算したものであり、実際に得られる寸法は異なる。角度αは種々の流路幅により異なることを理解されたい。これは幅広な流路では狭い流路より大きい角度でアンダーカットを得ることができることを意味する。さらに、レジスト厚みも角度αに影響を及ぼす。従って、流路幅やレジスト厚みを変化させることにより、レジストの影を用いて異なるアンダーカット角度を有する流路を提供できる。
【００５５】
図８は図７に類似したジオメトリを示すが、複数のポート１６においてプレートに孔をあけて、それらポート周囲をアンダーカットして流路１３を画定したものである。この配置では、流路は、流路を橋渡しして表面のポートを接続する覆われた流路を形成する領域により面方向に遮断されている。
【００５６】
図９は（図６のように）隣接するポート対を備える類似の配置を示す。
【００５７】
異なる方向からのサンドブラストを実施するためには、一操作で研磨材料が複数の流れ方向から向けられるよう複数のブラストガンを使用することができる。あるいは単一ブラストガンを異なる方向から連続して使用することもできる。あるいは複数のブラストガンを異なる方向から続けて使用してもよい。例えば、非平行方向にブラストを向ける２つ以上のブラストガンを具備したサンドブラストヘッド（例えば図３の方向Ａ及びＢ）がフローフィールドプレート上を横断するようにしてもよい。
【００５８】
ブラストは横断する際に、レジストの開口部を方向Ａ及びＢからのブラストに連続的に効率良く曝す。方向Ａ及びＢに向けられたブラストガンを連続的に横断させても同様の効果が得られる。もし、くびれ８の下にあるこぶ（膨らみ）を平坦にすることが求められるのなら、プレート２の表面に垂直に向けられたブラストガンを用いることができる。そのようなブラストガンは非平行な方向にブラストを向けるための２つ以上のブラストガンを具備するサンドブラストヘッドの一部であってもよく、また別の操作に用いる別のブラストガンでもよい。
【００５９】
ブラストの研磨粒子はその直径より小さい開口部には入れず、角度を付けて向けられた粗研磨材を用いて大きいアンダーカット流路を形成でき、また別の垂直に向けられたブラストにより細研磨材を用いてアンダーカットのない微細流路を形成できることは明らかである
【００６０】
代替で、あまり好ましくないアンダーカット流路の形成法としては、研磨材の方向を一方向に維持し、相対的にプレートの角度を調節する。本方法は上記方法と併せてもよい。
【００６１】
本技術がアンダーカットジオメトリを得るための唯一の技術ではないことは明らかである。例えばエキシマレーザーアブレーションはサンドブラスト技術の模倣として用いることができる。代替としてはプラスチック材料に流路を形成した後、材料を丸めることで流路端を内側に入れることもできる。
【００６２】
アンダーカット流路を得るためのさらなる代替法として、２つ以上のプレートからフローフィールドプレートを形成する。図１０は、中心の無孔プレート２１７と、各々中心の無孔プレート２１７に隣接する面に流路２１９を有する２つのプレート２１８とを示す。流路２１９は中心の無孔プレート２１７から離れた面に開いているポート２２０を有する。ポート２２０は、ポート２２０から延びて、中心の無孔プレート２１７から離れた面に形成された微細流路２２１を有してもよい。プレート２１８は、上述のサンドブラスト法または他の適切な方法により形成できる。プレート２１７及び２１８は重ね合わされ、複合フローフィールドプレートを形成する。フローフィールドはプレート２１７のいずれかの面に重ねられたプレートに埋め込まれている。ポート２２０は流体を複合フローフィールドプレート表面から及び該表面へ導くように機能し、微細流路２２１は複合フローフィールドプレート表面に流体を導くように機能する。（このようなフローフィールドプレート表面の微細流路２２１は図７〜図９までのジオメトリにも用いられ得る。）
【００６３】
幅０．２ｍｍ未満のガス拡散流路は、流路１３からの流入するガスの拡散に有利に用いられる。
【００６４】
プレート２１７と１つのプレート２１８を複合し、プレート２１７の片側のみのフローフィールドを形成できることは明らかである。この場合、プレート２１７は、任意で、異なるジオメトリのフローフィールド（例えば冷却剤用）をプレート２１７から離れた側に有することができる。
【００６５】
出願人は、もしフローフィールドプレートに縮小する断面を有する流路を繰り返し形成できれば、縮小する断面によりプレートにわたって均一な圧力損失を提供することが可能となり、また、プレート上に変動負荷容量を与えることも可能であることを明らかにした。このような縮小する断面流路は略あらゆるフローフィールドプレートジオメトリに対しても優位である。
【００６６】
現在、縮小する断面を有する流路の利点は主に燃料電池の水素側に適用される。動作中、水素はフローフィールドプレートの電気化学的に活性な領域の隣接で消費されるため、プレートから排出されるガスはプレートへの供給量より少ない。したがって段階的に縮小する流路はフローフィールドの電気化学的活性領域にわたり均一な圧力損失を与えられる。
【００６７】
所要面積の低減は燃料電池のジオメトリにより変動する。フローフィールドの電気化学的活性領域入口の初期断面積に対する出口断面積の９５％低減は多少の有用な効果はあるが、本発明はさらに大きい低減を、通常はフローフィールドの電気化学的活性領域入口の初期断面積から２５〜７５％範囲での低減、例えばフローフィールドの電気化学的活性領域入口の初期断面積から３０〜５０％の低減を意図する。
【００６８】
複数の流路に分岐する流路については、フローフィールドの電気化学的活性領域から出る複数の流路の断面積の和を用いて断面積の低減率を計算すべきである。
【００６９】
酸素側では、消費される各酸素分子につき水分子２つが生成する。現在、商業用燃料電池では、この水は概して液体及び蒸気の両方として生成される。しかし、水の沸点以上での燃料電池操作を可能とする膜技術の向上により、燃料電池から排出されるガス量は供給される量より多くなる。これは段階的に広くなる流路を形成して燃料電池に均一圧力ゲインを提供できることになる。
【００７０】
本発明は冷却剤フローフィールドにも用いることができ、特に流路数がフローフィールドの前後で異なる場合に適用できる。
【００７１】
フローフィールドの電気化学的活性領域にわたる圧力損失を制御するために、均一に縮小する断面を有さないことが有利である。これにより電池のいくつかの部分が他より熱くなり、それは水管理により調整できる。
【００７２】
縮小及び拡大する断面は流路のテーパー、流路深さの増加または減少、もしくは両者で得られる。
【００７３】
図１１は概略的に一端３３０から他端３３１へ先細になるフローフィールドプレートの単一流路３０４を示す。テーパー流路３０４の深さは一定であるよう示してあるが、前述より必ずしもそうでないことを理解されたい。他端３３１の面積は一端３３０より小さい。使用の際、流路は膜電極（介在するガス拡散層を有しているか、あるいは有していない）に並び、膜電極の電気化学的活性部分に隣接したフローフィールド面積をフローフィールドの電気化学的活性領域と呼ぶことにする。
【００７４】
図１２は使用できるフローフィールドジオメトリを示す。これはテーパー流路と分岐するフローフィールドジオメトリとを併せたものである。フローフィールドプレート３０２は燃料ガス送出流路３０５を燃料ガス排出流路３０６に接続する複数のテーパー流路３０４を有する。電気化学的に活性な領域３０７内で流路は先細になる。隣接している流路３０４は高圧領域から低圧領域に流れるガス拡散流路３０８に接続してもよい。
【００７５】
出願人は従来の燃料電池配置に用いられる流路のいくつかが省略可能であることを明らかにした。図１３はフローフィールドプレート４０２が環状であり、燃料供給開口部４０３を有する別形状のフローフィールドを示す。枝分かれしたフローフィールドパターン４０４（図示部分）は燃料供給開口部４０３と燃料排出部４０５を接続する。ランド４０６はシールのために構成されており、この構成はフローフィールドの形成時または別の段階で形成されてもよい。
【００７６】
フローフィールドプレート４０２の下側の酸化剤のフローフィールドは逆向きであり、フローフィールドプレート４０２の外縁から流入する酸化剤は内部排出部４０７へ流れる。このようなフローフィールドプレートを用いた複数のフローフィールドスタックは図１４に示す一般的なハウジングで使用されてもよい。チャンバー４１０は、複数の燃料電池スタック４１１を収容し、このスタックは、中心開口部４１２から燃料が供給され、酸化剤がチャンバー内に供給されてスタック間の空間４１３を満たす。ドレイン４０５及び４０７からの廃棄物は、同じまたは反対のスタック端でこの集合体から除去される。
【００７７】
言うまでもなく、この配置全部を逆転できるが（酸化剤が中心からで燃料が外側から）、安全性のため、図示した配置が好ましい。この配置では燃料供給開口部４０３を燃料の貯蔵手段により満たすことも可能である。これによりコンパクトで充電可能なバッテリーのようなエネルギー源を提供できる。
【００７８】
従来のフローフィールドプレートは長方形の形状であることより角のシールが問題となるが、図１３及び図１４の配置は円形状のフローフィールドプレートに限定されない。シールのためには円形状もしくは楕円形状ジオメトリが優位である。円形配置は燃料電池スタックの加圧には理想的でなく、図１３に示す、スタックを締めるねじ棒や他の手段を受ける穴を角に取り付けた六角プレートが都合よい。
【００７９】
上記のように、研磨ブラスト技術によりフローフィールドプレートを形成する際に、異なる流路サイズの形成には異なる大きさの研磨材を用いることができる。様々なサイズの研磨材を混合し、混合物を生成できる。図１５はそのような技術に用いる研磨ブラストガンであり、本体６０１は流入高圧ガス供給パイプ６０２と２本の研磨材送出パイプ６０３及び６０４を有する。パイプ６０２からの空気ブラストにより送出パイプ６０３及び６０４から研磨材を引き込む。送出パイプは必要なら独立に調節してもよい。研磨材を取り込んだ空気ブラストは空気ブラストの発散を制限するためのパイプ６０５を通って下の方に進む。従来のサンドブラストによる発散角度は、パイプ６０５を延長するか、あるいはパイプ６０５の下流に開口出口を設けることにより、最も発散するブラスト部分を除去することで低減できるが、一般的に約１０°である。必要に応じて、パイプを短縮するか、あるいは空気ブラスト中心に障害物を設置することにより、側方に発散させることでブラストを広げることもできる（後者の場合、研磨運動量の損失が見られる）。
【００８０】
複数の噴射ヘッド付きブラストガンを本発明により用いてもよい。これはアンダーカットと直線的側壁を有する流路の形成に優位である。図１６は簡略化のため２つの噴射ヘッド５０２を有するブラストガン５０１を示すが、本発明は１つ以上の噴射ヘッド、好ましくは３つの噴射ヘッドを用いることができることを理解されたい。各噴射ヘッドはブラスト材料５０３の噴射入射角β_A及びβ_Bを変えることができるよう先端に具備されている。基板５０６を効率よく研磨するために、上記のようにこの角度はレジスト５０４の厚みｄ_r及びマスクの開口幅ｗ_rにより制限される。複数の噴射ヘッドをそれぞれ使用することで空隙５０５が基板５０６に形成される。
【００８１】
まず、複数の噴射ヘッド付きブラストガンは単に基板上を横断して、ブラスト材料の噴射がアンダーカット空隙５０５を形成するように向けられてもよい。３つの噴射ヘッドからなる複数の噴射ヘッド付きブラストガンの場合、３つめは好ましくは基板に対し９０°に向けられ、空隙に平坦な底面が形成することを確実にする。
【００８２】
次に複数の噴射ヘッド付きブラストガンは軸５０８を中心に基板５０６の平面から回転（好ましくは平面に垂直に）し、実質上円錐状のブラストをもたらす。これは基板中の空隙や開口が均一にアンダーカットされることを確実にするために特に有利である。もちろん、単一の傾斜ブラストガンの軸周りの基板５０６の平面からの回転（好ましくは平面に垂直に）でも同様の効果が得られるが、複数のブラストガンにより噴射ヘッドの回転速度を低く設定できることが意図される。
【００８３】
もし円錐状のブラスト先端が基材表面に接触するなら、研磨粒子は互いに干渉する可能性がある。しかし、もし先端が基材表面より下方であれば、ブラストは表面では円形または楕円形状を描き、そのような干渉は低減される。
【００８４】
ＷＯ０１／０４９８２に記載されている研磨ブラスト技術では、ブラストガンはプレートに対して一方向に横断し、ブラストガン下のプレートは非平行な方向に移動することでプレート上をブラストがラスター状に横断する。（ブラストガンを固定したまま、プレートを動かせることは明らかであるが、これは設計するにはさらに複雑である）。一定の横断速度を保つことは通常優位であるが、ジオメトリを左右で著しく変化させることが目的である（例えば図１２のように）場合、異なる深さの切り口を得るためブラストガンまたはプレートの速度を変化させることは有利になる。本技術を用いて形成できる別のジオメトリとしては、図１２と類似しているが、略直線的な流路３０４を有し、この流路３０４は、燃料ガス送出流路３０５から燃料ガス排出流路３０６まで段階的に浅くなる。
【００８５】
上記のようなフローフィールドプレートの多くは、マスクを通す研磨ブラスト処理以外でも得られる（例えば適切な材料の射出成形、エキシマレーザーアブレーション）ことが明らかであろう。
【００８６】
研磨ブラスト処理法による炭素質材料の加工は多量の炭素ダストを生成するため、これを処理し、爆発の危険になることを防止する手段が提供される必要がある。研磨材の循環にて空気分級器、または粒子を大きさ又は重量により分離する他のかかる手法を用い、炭素と研磨材を分離し、例えば火炎に通して炭素を焼き切り、除去することができる。
【００８７】
空気分級器は細かい研磨粒子と粗いものをも分離し、粒子を必要な場合別々のブラストガンへ送ることもできる。
【００８８】
導電性コア及び絶縁性外枠を有するフローフィールドプレートの提供は公知である（例えばＷＯ９７／５０１３９、ＷＯ０１／８９０１９、及び米国特許第３，２７８，３３６号）。本発明のフローフィールドはかかる配置にも用いられる。フローフィールド全体が導電性コア上、若しくは部分的に絶縁性外枠上に、また部分的に導電性コア上に配置される。特に、流体の供給部及び排出部は絶縁性外枠上にあってもよい。かかる配置では、流路断面は導電性コア上のみで変化してよく、特に膜電極集合体の電気化学的活性領域の下の領域でテーパーしてよい。
【００８９】
上に記述された個別の整数及び組み合わせはそれぞれ独自に本発明を形成し得る。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】研磨空気ブラスト技術（サンドブラスト法）により形成されたガス送出流路及びガス拡散流路が組み込まれた流体フローフィールドプレートの一部を概略的に示した部分断面図である。
【図２】ガス送出流路及びガス拡散流路が組み込まれた流体フロープレートの一部を概略的に示した部分平面図である。
【図３】流路アンダーカット法の一つを説明する概略図である。
【図４】図３の方法の技術の限界値を例を挙げて示す概略図である。
【図５】図３の方法を実施するためのさらなる方法を示す概略図である。
【図６】図３の方法をさらに実施するための方法を示す概略図である。
【図７】フローフィールドプレートの流路を示す概略的な部分平面図である。
【図８】フローフィールドプレートのさらなる流路を示す概略的な部分平面図である。
【図９】フローフィールドプレートのさらなる流路を示す概略的な部分平面図である。
【図１０】フローフィールドプレートの別の構成を示す部分図である。
【図１１】フローフィールドプレートの流路の概略図である。
【図１２】フローフィールドプレートジオメトリの概略図である。
【図１３】別のフローフィールドプレートジオメトリの概略図である。
【図１４】図１３のフローフィールドプレートジオメトリの一使用例を示す概略図である。
【図１５】本発明に用いる研磨ブラストガンの概略図である。
【図１６】複数の噴射ヘッド付きブラストガンの一使用例を示す概略図である。

Claims

プレート上の流体入口から流体出口まで延びる流路であって、流体出口若しくは流体入口における断面積が、各々流体入口若しくは流体出口における断面積の９５％未満である少なくとも１つの流路を備える、プロトン交換型膜燃料電池若しくは電解槽のためのフローフィールドプレート。
流体出口若しくは流体入口における前記流路の断面積は、各々流体入口若しくは流体出口における断面積の７５％未満である請求項１に記載のフローフィールドプレート。
前記流路はフローフィールド内の電気化学的に活性な領域を横断し、前記電気化学的に活性な領域の一方の側の前記流路の断面積が前記電気化学的に活性な領域の他方の側の断面積の９５％未満である請求項１または２に記載のフローフィールドプレート。
前記流路は枝分かれしている請求項１〜３のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
前記流路の幅は長さに沿って変化する請求項１〜４のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
前記流路の深さは長さに沿って変化する請求項１〜５のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
前記流路の断面積は長さに沿って不均一に変化する請求項１〜６のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
導電性コアと絶縁枠を含む請求項１〜７のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
前記流体入口及び／または流体出口は前記絶縁枠上に配置されている請求項８に記載のフローフィールドプレート。
前記流路の断面積は前記導電性コア上のみで変化する請求項９に記載のフローフィールドプレート。
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のフローフィールドプレートを複数含むプロトン交換型膜燃料電池若しくは電解槽。