JP2007200864A - バイポーラプレートおよび燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電流密度を向上できるバイポーラプレートおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】流体入口１４１および流体出口１４２と、流体入口１４１と流体出口１４２との間に形成されて、流体入口１４１と流体出口１４２との間で流体を通過させる複数の流路チャンネル１２１、１２２とを備える燃料電池のバイポーラプレート１００において、流路チャンネル１２１、１２２は、流体フローの方向で複数の区間（１１１、１１２）に区分されて、流体入口１４１側の区間１１１から流体出口１４２側の区間１１２に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計が減少するバイポーラプレート１００が提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池のバイポーラプレートに係り、さらに詳細には、燃料電池に使われるバイポーラプレートの構造に関する。

燃料電池は、メタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれる水素と酸素との化学反応エネルギーを、直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。

プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下、ＰＥＭＦＣと略する）は、他の燃料電池に比べ、出力特性に優れ、かつ作動温度が低く、併せて速い始動および応答特性を備える。よって、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、自動車のような移動用電源はもとより、住宅、公共建物のような分散用電源、および電子機器用のような小型電源に用いられるなど、その応用範囲が広いという長所を備える。

従来のＰＥＭＦＣは、主に１００℃以下の温度で、例えば約８０℃で作動されている。しかし、従来のＰＥＭＦＣでは、約１００℃以下の低い作動温度により、次のような問題点が発生すると知られている。すなわち、ＰＥＭＦＣの代表的な燃料である水素富化ガスは、天然ガスまたはメタノールのような有機燃料を改質することにより得られるが、当該水素富化ガスは、副産物として二酸化炭素だけではなく、一酸化炭素を含有する。一酸化炭素は、カソード電極およびアノード電極に含まれる触媒を被毒するという傾向がある。一酸化炭素で被毒された触媒の電気化学的活性は大きく低下するため、ＰＥＭＦＣの作動効率の低下および寿命の短縮が深刻に引き起こされる。注目すべき点は、一酸化炭素が触媒を被毒する傾向は、ＰＥＭＦＣの作動温度が低いほど深刻化するということである。

ＰＥＭＦＣの作動温度を約１５０℃以上に上昇すると、一酸化炭素による触媒被毒を低減でき、ＰＥＭＦＣの温度制御も非常に容易に実施できるので、燃料改質器の小型化および冷却装置の単純化が可能になる。これにより、ＰＥＭＦＣの発電システム全体を小型化できる。

図１は、一般的な燃料電池の単位セル構造を示す断面図である。ＰＥＭＦＣの単位セルは、図１に図示されるように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１を介在して、メンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下、ＭＥＡと略する）構造を形成する。アノード電極２の構造は、燃料の供給および拡散のための燃料拡散層２２、燃料の酸化反応を行う触媒層２１、および電極支持体２３を具備する。一方、カソード電極３の構造は、酸化剤の供給および拡散のための酸化剤拡散層３２、酸素の還元反応を行う触媒層３１、および電極支持体３３を具備する。燃料電池の単位セルの発生電圧は、理論的には１．２Ｖほどであるが、常温および常圧条件における開回路電圧は、１Ｖ以下になり、実際の作動電圧は、０．４〜０．７Ｖほどとなる。従って、所望の容量の電圧を得るためには、いくつもの単位セルを直列に連結しなければならない。

スタック電池（燃料電池）は、複数の単位セルを積層して構成され、積層された単位セルは、電気的に直列連結される。単位セル間には、導電性プレートであるバイポーラプレート４が介在され、隣接する単位セルを電気的に相互接続する。

バイポーラプレート４の構成要素としては、電導性および機械的強度に優れて、加工性が良好である黒鉛ブロック（グラファイトブラック）が主に適用される。また、バイポーラプレート４の構成要素としては、金属または導電性高分子を含む複合材料によって構成されるブロックも適用される。バイポーラプレート４の両面には、バイポーラプレート４の両側面の各々に接触するアノード電極２およびカソード電極３に、それぞれ燃料（水素）および空気（酸化剤）を独立的に供給するための流路チャンネル４１、流路チャンネル４２が形成される。ここで、流路チャンネル４１は、アノード電極２に燃料を供給する通路であり、流路チャンネル４２は、カソード電極３に酸化剤を供給する通路となる。スタック電池の中間に位置するバイポーラプレート４の両面に、流路チャンネル４２および流路チャンネル４１がそれぞれ形成される。スタック電池の終端には、接触するアノード電極２およびカソード電極３に燃料または酸化剤を供給するモノポーラプレートであるエンドプレート（図示せず）が配置される。エンドプレートには、接触する単位セルに燃料または空気を供給するチャンネル（４１、４２に相当）が形成される。

図２は、従来のＰＥＭＦＣ用バイポーラプレートの一面、例えばカソード電極用の流路チャンネルが形成される面を示す平面図である。

図２を参照すると、従来のバイポーラプレート４には、ＭＥＡが配置される電極領域４７に、複数の流路チャンネル４２が形成され、複数の流路チャンネル４２は、その上部が開放されるように形成される。バイポーラプレート４の電極領域４７の外側には、マニフォールド４６、マニフォールド４６’、燃料通路ホール４３ａ、燃料通路ホール４３ｂ、酸化剤通路ホール４４ａ、酸化剤通路ホール４４ｂが形成される。マニフォールド４６は、流路チャンネル４２の入口に連結され、マニフォールド４６’は、流路チャンネル４２の出口に連結される。酸化剤通路ホール４４ａは、マニフォールド４６に連通されて酸化剤を供給する通路であり、酸化剤通路ホール４４ｂは、マニフォールド４６’に連通されて酸化剤を排出する通路である。図２は、カソード電極側のバイポーラプレート４を示しているので燃料通路ホール４３ａ、燃料通路ホール４３ｂのみが図示されているが、燃料通路ホール４３ａは、マニフォールドに連通されて燃料を供給する通路であり、燃料通路ホール４３ｂは、別のマニフォールドに連通されて燃料を排出する通路である。燃料通路ホール４３ａ、燃料通路ホール４３ｂ、酸化剤通路ホール４４ａ、酸化剤通路ホール４４ｂは、バイポーラプレート４の表面から所定の深さを備えるように形成される。燃料通路ホール４３ａは、燃料（水素燃料）の入口４３ａを形成し、燃料通路ホール４３ｂは、燃料の出口４３ｂを形成する。また、酸化剤通路ホール４４ａは、酸化剤の入口４４ａを形成し、酸化剤通路ホール４４ｂは、酸化剤の出口４４ｂを形成する。符号４８は、ＭＥＡと接触するランドを示す。

特開２００５−５２１２１９号公報 米国特許公開第２００４−０１５１９７３号明細書

しかし、図２の流路チャンネル４２は、同じ断面積（同じ広さおよび同じ深さ）を備える単純な構造により構成される。このような流路チャンネル４２を具備するバイポーラプレート４では、流路チャンネル４２を流れる流体（酸化剤または改質された水素ガス）の酸素濃度または水素濃度が流体の流れの方向に従って低くなる。これにより、燃料電池の電流密度が均一ではなくなり、局部的に反応熱が上昇する。また、流路チャンネル４２の垂直断面において、メンブレン電極アセンブリ（図１のＭＥＡ１）と接触する表面部分の酸素濃度（アノード電極２では水素濃度）が流路チャンネル４２の底部分の酸素濃度より低くなってしまい、燃料電池の効率が低くなる。

そこで、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、バイポーラプレートの流路チャンネルで流れる流体の濃度勾配の均一性を向上できるバイポーラプレート、およびバイポーラプレートを備える燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の観点によれば、流体入口および流体出口と、流体入口と流体出口との間に形成されて、流体入口と流体出口との間で流体を通過させる複数の流路チャンネルとを備える燃料電池のバイポーラプレートにおいて、流路チャンネルは、流体フローの方向で複数の区間に区分されて、流体入口側の区間から流体出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計が減少するバイポーラプレートが提供される。

流路チャンネルは、直線形状に形成されてよい。

流体入口側の区間から流体出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの総開口面積は、拡大されてよい。

また、区間の数は、２つまたは３つであってよい。

各々の区間の流路チャンネルの数は、流体入口側から流体出口側に向かって増加されてよい。

本発明によれば、バイポーラプレートにおいて、流路チャンネルが形成される領域を複数に区分して、流体（酸化剤または燃料）が供給される入口側の区間より、出口側の区間で流路チャンネルの数を増加して、流路チャンネルの垂直断面積の総計を減少する。よって、流体が供給される入口側の区間より流体濃度が低い出口側の区間における流体の流速を向上でき、流体濃度の減少幅を小さくできるので、バイポーラプレート全体における流体濃度を均一にできる。このバイポーラプレートを燃料電池に採用すると、良好な電流特性を得ることができる。

区間の間には、複数の突出部が形成されてよく、複数の突出部は、流路チャンネルを通過する流体を混合することができる。複数の突出部は、障壁として形成されてよく、流路チャンネルから流れる流体は、複数の突出部の上を通過することができる。

複数の突出部は、円柱状に形成され、流路チャンネルから流れる流体は、突出部の周囲を通過することができる。

上記課題を解決するために、本発明の第２の観点によれば、電解質膜と、電解質膜の両面の各々に設けられるアノード電極およびカソード電極とを具備するメンブレン電極アセンブリが積層されて、複数のメンブレン電極アセンブリの間に介在される複数のバイポーラプレートを備える燃料電池において、バイポーラプレートは、アノード電極に燃料を供給するための燃料入口、燃料出口および複数の流路チャンネルを具備する第１表面と、カソード電極に酸化剤を供給するための酸化剤入口、酸化剤出口および複数の流路チャンネルを具備する第２表面とを具備し、アノード電極に燃料を供給する流路チャンネルおよびカソード電極に酸化剤を供給する流路チャンネルの少なくともいずれかは、燃料または酸化剤の流れる方向において、複数の区間に区分され、酸化剤入口側の区間から酸化剤出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計が減少し、および／または、燃料入口側の区間から燃料出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計が減少し、区間の間には、複数の突出部が形成される燃料電池が提供される。ここで、突出部は、流路チャンネルを通過する酸化剤または燃料を混合することができる。

流路チャンネルは、直線形状に形成されてよい。

酸化剤入口側の区間から酸化剤出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの総開口面積は、拡大されてよいし、燃料入口側の区間から燃料出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの総開口面積は、拡大されてよい。

区間の数は、２つまたは３つであってよい。

以上説明したように本発明によれば、バイポーラプレートは、酸化剤濃度または燃料濃度が低くなる区間において、流路チャンネルの垂直高さを低くして、流路チャンネルの数を増加して、流路チャンネルの総幅を広くすることにより、酸化剤濃度または燃料濃度が低くなる区間での流体の速度を向上できるため、ＭＥＡに供給される酸素量または燃料量を増加できる。従って、本発明のバイポーラプレートを燃料電池のスタック電池に用いることにより、酸素または燃料の供給が容易になるため、燃料電池の電流密度を向上できる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１実施形態）
図３は、本発明の第１実施形態に係るバイポーラプレートの一面、例えば空気（酸化剤）が供給される面（カソード電極側）を示す平面図である。

図３を参照すると、バイポーラプレート１００の一面（第２表面）には、酸化剤（空気）が流動する流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２が複数形成され、他面（第１表面）には、燃料が流動する流路チャンネル（図示せず）が複数形成される。流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２は、バイポーラプレート１００のＭＥＡと接触する電極領域１１０内に形成される。本発明の実施形態において、流路チャンネルは、バイポーラプレートの流体入口と流体出口との間に形成されて、流体を流動させる通路となる。ここで、流体とは、燃料または酸化剤であり、流体入口は、燃料または酸化剤を供給する入口であり、流体出口は、燃料または酸化剤を排出する出口である。本発明の実施形態において、燃料は、メタノールなどの有機燃料を改質して水素を含有する改質ガスであってよいし、メタノールなどの有機燃料や、水素であってよい。本発明の実施形態の流路チャンネルは、流体フローの方向（酸化剤の流れる方向）に第１区間１１１および第２区間１１２の順に区分され、第１区間１１１と第２区間１１２との間には、ＭＥＡと接触しない混合空間１１４が形成される。言い換えると、電極領域１１０は、流体フローの方向に沿って第１区間１１１、第２区間１１２に区分され、流路チャンネルは、第１区間１１１、第２区間１１２の各々に形成される。流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２および混合空間１１４は、上部が開放されるように形成される。ここで、流路チャンネル１２１は、第１区間１１１に形成され、流路チャンネル１２２は、第２区間１１２に形成される。本発明の実施形態では、流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２は、略直線形状に形成されるが、これに限定されない。

バイポーラプレート１００の電極領域１１０の外側には、マニフォールド１３０、マニフォールド１３０’、酸化剤通路ホール１４１、酸化剤通路ホール１４２、燃料通路ホール１４３、燃料通路ホール１４４が形成される。マニフォールド１３０は、第１区間１１１の入口と連結される。マニフォールド１３０’は、第２区間１１２の出口と連結される。酸化剤通路ホール１４１は、マニフォールド１３０に連通されて酸化剤（空気）を供給する通路であり、酸化剤通路ホール１４２は、マニフォールド１３０’に連通されて酸化剤（空気）を排出する通路である。図３は、カソード電極側のバイポーラプレート１００を示しているので燃料通路ホール１４３、燃料通路ホール１４４のみ図示しているが、燃料通路ホール１４３は、マニフォールドに連通されて燃料を供給する通路（燃料入口）であり、燃料通路ホール１４４は、別のマニフォールドに連通されて燃料を排出する通路（燃料出口）である。

酸化剤通路ホール１４１、酸化剤通路ホール１４２、燃料通路ホール１４３、燃料通路１４４は、バイポーラプレート１００の表面から所定の深さを備えるように形成される。酸化剤通路ホール１４１は、酸化剤の入口（流体入口）１４１を形成し、酸化剤通路ホール１４２は、酸化剤の出口（流体出口）１４２を形成する。流体フローの方向（酸化剤の流れる方向）とは、酸化剤通路ホール１４１（流体入口）から酸化剤通路ホール１４２（流体出口）へ流れる流体（酸化剤）の方向である。よって、流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２は、酸化剤通路ホール１４１（酸化剤入口）と酸化剤通路ホール１４２（酸化剤出口）との間に形成されて、流体（酸化剤）を流動するための通路となる。同様に、アノード電極側のバイポーラプレート１００の第１表面において、燃料通路ホール１４３（燃料入口）と燃料通路ホール１４４（燃料出口）との間に、流体（燃料）を流動する流路チャンネルが形成される。符号１３１、符号番号１３２は、カソード電極側のＭＥＡと接触するランドを示す。

第１区間１１１の流路チャンネル１２１と第２区間１１２の流路チャンネル１２２は、異なる大きさに形成される。表１は、本発明の第１実施形態におけるバイポーラプレート１００の第１区間１１１の流路チャンネル１２１および第２区間１１２の流路チャンネル１２２の設計値の比較（デザイン値の比）を示す。

表１を参照すると、第１区間１１１での流路チャンネル１２１の総垂直断面積（幅×深さ×流路チャンネル数）は、１．４であるのに比べ、第２区間１１２での流路チャンネル１２２の総垂直断面積は、１．２と小さくなる。言い換えると、流体入口側の区間（第１区間１１１）から流体出口側の区間（第２区間１１２）に向かって、各々区間（第１区間１１１、第２区間１１２）に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計は、減少される。従って、第２区間１１２における酸化剤の流速を上昇できる。そして、第２区間１１２に形成される流路チャンネル１２２の垂直断面における酸化剤濃度の差を小さくして濃度を均一にできる。ここで、流路チャンネルの総垂直断面積とは、各々の区間に形成される各流路チャンネルの垂直断面積を合算した総計となる。

また、第１区間１１１での流路チャンネル１２１の総開口面積率（幅×流路チャンネル数）（流路チャンネルのＭＥＡと接触する面積率）は、２であり、第２区間１１２での流路チャンネル１２２の総開口面積率は、２．４となる。つまり、流体入口側の区間（第１区間１１１）から流体出口側の区間（第２区間１１２）に向かって、各々区間（第１区間１１１、第２区間１１２）に形成される流路チャンネルの総開口面積は、拡大される。従って、第２区間１１２でのＭＥＡに対する接触面積は上昇する。このような設計は、第１区間１１１での酸化剤濃度より低い第２区間１１２での酸化剤濃度を補償するために、第２区間１１２での流速を上昇させて、かつＭＥＡに対する接触面積を上昇するものである。また、各々の区間（第１区間１１１、第２区間１１２）の流路チャンネルの数は、流体入口側から流体出口側に向かって増加される。つまり、流路チャンネル１２１の数より、流路チャンネル１２２の数は、多いことになる。ここで、上記総開口面積率は、単位長さに対する比率となる。

図４は、従来のバイポーラプレートにおいて、空気（酸化剤）が流れる流路チャンネルでの酸素濃度（ｍｏｌ／ｍ^３）を図示したグラフである。図５は、本発明の第１実施形態のバイポーラプレートにおいて、空気（酸化剤）が流れる流路チャンネルでの酸素濃度（ｍｏｌ／ｍ^３）を図示したグラフである。ここでは、酸化剤に含有される酸素濃度を測定した。

図４および図５を参照すると、空気（酸化剤）が流れる矢印方向で、本発明の第１実施形態のバイポーラプレート１００を基準に、第１区間１１１での酸素濃度の低下分布は、従来の場合（図４の５．８０〜４．０７）と第１実施形態の場合（図５の５．８０〜４．０７）とで、ほぼ同じである。しかし、第２区間１１２において、従来の場合（図４の３．８０〜２．６０）に比べ、第１実施形態の場合（図５の４．０７〜３．００）では酸素濃度の減少幅が小さいということが分かった。これは、第２区間１１２での流路チャンネル１２２の深さが相対的に浅く、結局、流路チャンネル１２２の垂直断面での酸素濃度の差が少なくなったためであると解釈される。

表２は、従来のバイポーラプレート４と本発明の第１実施形態に係るバイポーラプレート１００とを採用した燃料電池での性能を比較したデータである。

表３は、燃料電池の作動条件を示す。

表２および表３を参照すると、本発明の第１実施形態に係るバイポーラプレート１００を使用した燃料電池において、従来技術の燃料電池より、平均電流密度が上昇したということが分かる。カソード電極と接触する流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２での圧力損失の増加は、第２区間１１２での流路チャンネル１２２の垂直断面積の総計を減少したことによる流速の上昇のためである。このような第２区間１１２での流速の上昇、ＭＥＡとの接触面積拡大、流路チャンネル１２２の垂直断面での濃度の均一化によって第２区間１１２での酸化剤供給量を増加できる。これにより、結果としてＭＥＡに供給する酸素量も増加できるため、良好な電流特性を得ることができたと見ることができる。一方、本発明の第１実施形態において、従来の場合と比べると、アノード電極と接触する面での圧力損失は差がない。これは、アノード電極と接触する面に、従来技術と同じ流路チャンネルが形成されたバイポーラプレートを使用したためである。

上記では、カソード電極側のバイポーラプレート１００における流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２について説明したが、アノード電極側のバイポーラプレート１００における流路チャンネルも、同様の構成を備えることができる。つまり、アノード電極側のバイポーラプレート１００の第１表面は、燃料入口、燃料出口および複数の流路チャンネルを備え、複数の流路チャンネルは、燃料の流れる方向に、複数（例えば、２または３）に区分されて形成される。そして、燃料入口側の区間から燃料出口側の区間に向かって、アノード電極に燃料を供給するために各々区間に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計は減少される。燃料入口側の区間から燃料出口側の区間に向かって、各々区間に形成される流路チャンネルの総開口面積は、拡大される。区間の間には、複数の突出部が形成され、突出部は、流路チャンネルを通過する燃料を混合することができる。アノード電極側のバイポーラプレートに形成される流路チャンネルは、略直線形状に形成される。これにより、アノード電極に供給される燃料（水素）濃度が低下する区間における流速の上昇、ＭＥＡとの接触面積拡大、流路チャンネルの垂直断面での濃度均一化によって、燃料濃度が低下する区間における燃料供給量の減少幅を小さくできる。また、本発明の実施形態において、カソード電極側の流路チャンネルおよびアノード電極側の流路チャンネル両方を上記の構成で形成すると、ＭＥＡに供給される燃料（水素）量および酸素量を効率良く増加できるため、より効果的に燃料電池の平均電流密度を向上することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態に係るバイポーラプレート１００’の一部分を示す部分斜視図である。本発明の第１実施形態と実質的に同じ構成要素には、同じ符号を使用して詳細な説明は省略する。

図６を参照すると、第１区間１１１と第２区間１１２との間の混合空間１１４に、突出部である障壁１５０が複数形成される。第１区間１１１の流路チャンネル１２１を通過した流体（酸化剤）は、障壁１５０の上を通過して第２区間１１２の流路チャンネル１２２に進入する。この時、流体は混合されるため、酸化剤濃度を均一にできる。障壁１５０は、第１区間１１１の流路チャンネル１２１の出口と対向して設置されることが望ましい。図６では、障壁１５０は、略三角柱形状で形成されるが、第１区間１１１の流路チャンネル１２１から流れる流体を上に通過できる形状であれば、これに限定されない。本発明の第２実施形態でも、カソード電極側のバイポーラプレート１００’における流路チャンネルについて説明したが、アノード電極側のバイポーラプレートにおける流路チャンネルでも、同様の構成を備えることができる。

（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態に係るバイポーラプレート１００’’の一部分を示す部分斜視図である。本発明の第１実施形態と実質的に同じ構成要素には、同じ符号を使用して詳細な説明は省略する。

図７を参照すると、第１区間１１１と第２区間１１２との間の混合空間１１４に、突出部の分配部１６０が複数形成される。分配部１６０は、略円柱状に形成されることが望ましい。第１区間１１１の流路チャンネル１２１を通過した流体（酸化剤）は、分配部１６０の周囲を通過して第２区間１１２の流路チャンネル１２２に進入する。この時、流体は混合されるため、酸化剤濃度を均一にできる。ここで、本発明の第３実施形態の分配部１６０は、略円柱状に形成されて、分配部１６０の周囲に流体（酸化剤）を通過させて流体濃度を均一化できるため、流体（酸化剤）を上部に通過させて流体濃度を均一にする本発明の第２実施形態の障壁１５０より、流体（酸化剤）の濃度を効率良く均一にできる。本発明の第３実施形態でも、カソード電極側のバイポーラプレート１００’’における流路チャンネルについて説明したが、アノード電極側のバイポーラプレートにおける流路チャンネルでも、同様の構成を備えることができる。

表４は、従来技術のバイポーラプレート４、本発明の第２実施形態のバイポーラプレート１００’、本発明の第３実施形態のバイポーラプレート１００’’を採用した各々燃料電池での性能を比較したデータである。燃料電池の運転条件は、表３と同一である。

表４を参照すると、本発明の第２実施形態のバイポーラプレート１００’および本発明の第３実施形態のバイポーラプレート１００’’を使用した燃料電池の各々において、従来技術の燃料電池に比べて、平均電流密度が上昇しているということが分かる。特に、分配部１６０を採用した本発明の第３実施形態のバイポーラプレート１００’’を具備した燃料電池の平均電流密度の増加量が大きい。これは、本発明の第３実施形態の分配部１６０によって、流路チャンネル１２１から流路チャンネル１２２に流れる流体（酸化剤）の濃度を効率良く均一にできるためである。本発明の第２実施形態および第３実施形態において、カソード電極と接触する流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２での圧力損失の増加は、第２区間１１２での流路チャンネル１２２の垂直断面積の総計を減少したことと、障壁（突出部）１５０および分配部（突出部）１６０とによるものである。これにより、第２区間１１２での流速が速くなった。このような第２区間１１２での流速の増大、ＭＥＡとの接触面積増加、流路チャンネル１２２の垂直断面での濃度の均一化によって、第２区間１１２での酸化剤供給量を増加できる。これにより、結果としてＭＥＡに供給する酸素量を増加できるため、良好な電流特性を得ることができたと見ることができる。

一方、表４の結果より、本発明の第２実施形態および第３実施形態において、アノード電極と接触する面での圧力損失は、従来の場合と比べて差が小さい。これは、アノード電極と接触する面に、従来技術と同じ流路チャンネルが形成されたバイポーラプレートを使用したためである。上記では、カソード電極側のバイポーラプレート１００’、バイポーラプレート１００’’における流路チャンネル１２１、流路チャンネル１２２について説明したが、アノード電極側のバイポーラプレートにおける流路チャンネルも、同様の構成を備えることができる。

上記結果より、本発明の第２実施形態のバイポーラプレート１００’を用いた燃料電池、本発明の第３実施形態のバイポーラプレート１００’’を用いた燃料電池における平均電流密度は、上記第１実施形態の場合の平均電流密度より大きい。これは、障壁１５０、分配部１６０をさらに備えることにより、流体（酸化剤）の濃度均一化をより効果的にできるので、結果としてＭＥＡに供給する酸素量を増加できることにより、良好な電流特性を得ることができるためである。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係るバイポーラプレート２００の一面、例えば空気（酸化剤）が供給される面（カソード電極側）を示す平面図である。

図８を参照すると、バイポーラプレート２００の一面（第２表面）には、酸化剤（空気）が流動する流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３が複数形成される。バイポーラプレート２００の他面（第１表面）には、燃料が流動する流路チャンネル（図示せず）が複数形成される。流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３は、バイポーラプレート２００のＭＥＡと接触する電極領域２１０内に形成される。電極領域２１０は、第１区間２１１、第２区間２１２、第３区間２１３に区分され、第１区間２１１と第２区間２１２との間には、ＭＥＡと接触しない混合空間２１４、第２区間２１２と第３区間２１３との間には、ＭＥＡと接触しない混合空間２１５が形成される。言い換えると、本発明の実施形態の流路チャンネルは、流体フローの方向（酸化剤の流れる方向）に沿って、第１区間２１１、第２区間２１２、第３区間２１３の順に区分される。流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３および混合空間２１４、混合空間２１５は、上部が開放されるように形成されて流路の役割を果たす。混合空間２１４、混合空間２１５には、突出部である分配部（図７の１６０）が複数形成される。ここで、流路チャンネル２２１は、第１区間２１１に形成され、流路チャンネル２２２は、第２区間２１２に形成され、流路チャンネル２２３は、第３区間２１３に形成される。本発明の実施形態では、流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３は、略直線形状に形成されるが、これに限定されない。

バイポーラプレート２００の電極領域２１０の外側には、マニフォールド２３０、マニフォールド２３０’、酸化剤通路ホール２４１、酸化剤通路ホール２４２、燃料通路ホール２４３、燃料通路ホール２４４が形成される。マニフォールド２３０は、第１区間２１１の入口と連結される。マニフォールド２３０’は、第３区間２１３の出口と連結される。酸化剤通路ホール２４１は、マニフォールド２３０に連通されて酸化剤を供給する通路であり、酸化剤通路ホール２４２は、マニフォールド２３０’に連通されて酸化剤（空気）を排出する通路である。図８は、カソード電極側のバイポーラプレート２００を示しているので燃料通路ホール２４３、燃料通路ホール２４４のみ図示しているが、燃料通路ホール２４３は、マニフォールドに連通されて燃料を供給する通路（燃料入口）であり、燃料通路ホール２４４は、別のマニフォールドに連通されて燃料を排出する通路（燃料出口）である。

酸化剤通路ホール２４１、酸化剤通路ホール２４２、燃料通路ホール２４３、燃料通路２４４は、バイポーラプレート２００の表面から所定の深さを備えるように形成される。酸化剤通路ホール２４１は、酸化剤の入口（流体入口）２４１を形成し、酸化剤通路ホール２４２は、酸化剤の出口（流体出口）２４２を形成する。流体フローの方向（酸化剤の流れる方向）とは、酸化剤通路ホール２４１（流体入口）から酸化剤通路ホール２４２（流体出口）へ流れる流体（酸化剤）の方向である。よって、流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３は、酸化剤通路ホール２４１（酸化剤入口）と酸化剤通路ホール２４２（酸化剤出口）との間に形成されて、流体（酸化剤）を流動するための通路となる。同様に、アノード電極側のバイポーラプレート２００の第１表面において、燃料通路ホール２４３（燃料入口）と燃料通路ホール２４４（燃料出口）との間に、流体（燃料）を流動する流路チャンネルが形成される。符号２３１、符号２３２、符号２３３は、カソード電極側のＭＥＡと接触するランドを示す。

表５は、本発明の第４実施形態におけるバイポーラプレート２００の第１区間２１１〜第３区間２１３の流路チャンネルの設計値の比較（デザイン値の比）を示す。

表５を参照すると、第１区間２１１〜第３区間２１３での流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３の各々総垂直断面積（幅×深さ×流路チャンネル数）は、１．４：１．２６：１．２である。つまり、言い換えると、流体入口側の区間（第１区間２１１）から流体出口側の区間（第３区間２１３）に向かって、各々区間（第１区間２１１、第２区間２１２、第３区間２１３）に形成される流路チャンネルの垂直断面積の総計は、減少される。従って、第１区間２１１から第３区間２１３に向かって、流体（酸化剤）の流速を増大できる。そして、第２区間２１２、第３区間２１３に形成される流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３の各々において、垂直断面における酸化剤濃度の差を小さくして濃度を均一にできる。ここで、流路チャンネルの総垂直断面積とは、各々の区間に形成される各流路チャンネルの垂直断面積を合算した総計となる。

また、第１区間２１１〜第３区間２１３での流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３の総開口面積率（幅×流路チャンネル数）（流路チャンネルのＭＥＡと接触する面積率）は、２：２．１：２．４である。つまり、流体入口側の区間（第１区間２１１）から流体出口側の区間（第３区間２１３）に向かって、各々区間（第１区間２１１、第２区間２１２、第３区間２１３）に形成される流路チャンネルの総開口面積は、拡大される。従って、第１区間２１１より第２区間２１２および第３区間２１３でのＭＥＡに対する接触面積を上昇することができる。このような設計は、第１区間２１１での酸化剤濃度より低い第２区間２１２および第３区間２１３での酸化剤濃度を補償するために、第２区間２１２および第３区間２１３での酸化剤の流速を上昇させて、ＭＥＡに対する接触面積を上昇するものである。また、各々の区間（第１区間２１１、第２区間２１２、第３区間２１３）の流路チャンネルの数は、流体入口側から流体出口側に向かって増加される。つまり、流路チャンネルの数は、流路チャンネル２２１＜流路チャンネル２２２＜流路チャンネル２２３の順となる。ここで、上記総開口面積率は、単位長さに対する比率となる。

表６は、本発明の第４実施形態のバイポーラプレート２００を採用した燃料電池での性能を表したデータである。運転条件は、表３に示された条件と同じである。

表６を参照すると、本発明の第４実施形態に係るバイポーラプレート２００を使用した燃料電池において、平均電流密度は、従来技術の燃料電池より上昇しているということが分かる。カソード電極と接触する流路チャンネルでの圧力損失の増大は、第２区間２１２および第３区間２１３での流路チャンネルの垂直断面積の総計を減少したことによるものである。これにより、第２区間２１２および第３区間２１３での流速を増加できる。このような第２区間２１２および第３区間２１３での流速の上昇、ＭＥＡとの接触面積の増加、流路チャンネルの垂直断面での濃度の均一化によって、第２区間２１２および第３区間２１３での酸化剤供給量を増加できる。そして、結果としてＭＥＡに供給する酸素量を増加できることにより、良好な電流特性を得ることができた見ることができる。一方、本発明の第４実施形態において、従来の場合と比べると、アノード電極と接触する面での圧力損失は差が小さい。これは、アノード電極と接触する面に、従来技術と同じ流路チャンネルが形成されたバイポーラプレートを使用したためである。上記では、カソード電極側のバイポーラプレート２００における流路チャンネル２２１、流路チャンネル２２２、流路チャンネル２２３について説明したが、アノード電極側のバイポーラプレートにおける流路チャンネルも、同様の構成を備えることができる。

上記結果より、本発明の第４実施形態のバイポーラプレート２００を用いた燃料電池において、平均電流密度は、第１実施形態〜第３実施形態の場合の平均電流密度より大きい。これは、流路チャンネルが形成される領域を第１区間２１１、第２区間２１２、第３区間２１３とさらに多く区分し、分配部１６０をさらに多く配置することにより、流体（酸化剤）の濃度が低くなる区間において、流体の流速を上昇でき、ＭＥＡに対する接触面積をさらに増加できて、流路チャンネルの垂直断面での濃度を均一化できるので、結果としてＭＥＡに供給する酸素量を増加できることにより、良好な電流特性を得ることができるためである。

図９は、本発明の実施形態に係るバイポーラプレート１００を適用した燃料電池の断面図であり、本発明の第１実施形態と実質的に同じ構成要素には、同じ符号を使用して詳細な説明は省略する。

図９を参照すると、燃料電池には、複数のＭＥＡが積層されて、ＭＥＡ間には、導電性プレートであるバイポーラプレート１００が配置される。各ＭＥＡは、メンブレン（電解質膜）１７０を中央とし、その両側にアノード電極１７２およびカソード電極１７４を配置する。燃料電池の上下に、終端導電性プレート１８０ａ、終端導電性プレート１８０ｂが配置される。この終端導電性プレート１８０ａ、終端導電性プレート１８０ｂは、その一面だけがＭＥＡと接触されるので、バイポーラプレート１００の一面の形状を備え、その作用は、バイポーラプレート１００と同一である。終端導電性プレート１８０ａの外側表面に電流集電板１９０ａが位置し、終端導電性プレート１８０ｂの外側表面に電流集電板１９０ｂが位置する。ＭＥＡ、それらの間のバイポーラプレート１００、終端導電性プレート１８０ａ、終端導電性プレート１８０ｂ、および電流集電板１９０ａ、電流集電板１９０ｂは、両固定用エンドプレート１９５ａ、両固定用エンドプレート１９５ｂにより螺合されて固定される。

符号１４５は、シーリング剤、例えばガスケットである。ガスケット１４５は、酸化剤通路ホール１４１、酸化剤通路ホール１４２からの酸化剤（空気）がアノード電極１７２に連通されることを防止し、または、燃料通路ホール１４３、燃料通路ホール１４４からの燃料（水素）がカソード電極１７４に連通されることを防止する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の燃料電池のバイポーラプレートおよび燃料電池は、例えば燃料電池関連の技術分野に効果的に適用可能である。

一般的な燃料電池の単位セル構造を示す断面図である。 従来のＰＥＭＦＣ用のバイポーラプレートの一面を示す平面図である。 本発明の第１実施形態に係るバイポーラプレートの一面を示す平面図である。 従来のバイポーラプレートにおいて、酸化剤（空気）が流れる流路チャンネルでの酸素濃度（ｍｏｌ／ｍ^３）を図示したグラフである。 本発明の第１実施形態のバイポーラプレートにおいて、酸化剤（空気）が流れる流路チャンネルでの酸素濃度（ｍｏｌ／ｍ^３）を図示したグラフである。 本発明の第２実施形態に係るバイポーラプレートの一部分を示す部分斜視図である。 本発明の第３実施形態に係るバイポーラプレートの一部分を示す部分斜視図である。 本発明の第４実施形態に係るバイポーラプレートの一面を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るバイポーラプレートを適用した燃料電池の断面図である。

符号の説明

１ 電解質膜
２、１７２ アノード電極
３、１７４ カソード電極
４、１００、１００’、１００’’、２００ バイポーラプレート
２１、３１ 触媒層
２２ 燃料拡散層
３２ 酸化剤拡散層
２３、３３ 電極支持体
４１、４２、１２１、１２２、２２１、２２２、２２３ 流路チャンネル
４３ａ 燃料の入口
４３ｂ 燃料の出口
４４ａ、１４１、２４１ 酸化剤の入口
４４ｂ、１４２、２４２ 酸化剤の出口
４６、４６’、１３０、１３０’、２３０、２３０’ マニフォールド
４７、１１０、２１０ 電極領域
４８、１３１、１３２、２３１、２３２、２３３ ランド
１１１、２１１ 第１区間
１１２、２１２ 第２区間
１１４、２１４、２１５ 混合区間
１４３、１４４、２４３、２４４ 燃料通路ホール
１４５ ガスケット
１５０ 障壁
１６０ 分配部
１７０ メンブレン
１８０ａ、１８０ｂ 終端導電性プレート
１９０ａ、１９０ｂ 電流集電板
１９５ａ、１９５ｂ 両固定用エンドプレート
２１３ 第３区間

Claims (11)

1. 流体入口および流体出口と；
   前記流体入口と前記流体出口との間に形成されて、前記流体入口と前記流体出口との間で流体を通過させる複数の流路チャンネルと；
   を備える燃料電池のバイポーラプレートにおいて、
   前記流路チャンネルは、前記流体フローの方向で複数の区間に区分されて、
   前記流体入口側の前記区間から前記流体出口側の前記区間に向かって、各々前記区間に形成される前記流路チャンネルの垂直断面積の総計が、減少することを特徴とする、バイポーラプレート。
2. 前記流路チャンネルは、直線形状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プレート。
3. 前記流体入口側の前記区間から前記流体出口側の前記区間に向かって、各々前記区間に形成される前記流路チャンネルの総開口面積は、拡大されることを特徴とする、請求項１または２に記載のバイポーラプレート。
4. 前記区間の数は、２つまたは３つであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
5. 各々の前記区間の前記流路チャンネルの数は、前記流体入口側から前記流体出口側に向かって増加することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
6. 前記区間の間には、複数の突出部が形成され、
   複数の前記突出部は、障壁で形成され、
   前記流路チャンネルから流れる前記流体は、複数の前記突出部の上を通過することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のバイポーラプレート。
7. 複数の前記突出部は、円柱状に形成され、
   前記流路チャンネルから流れる前記流体は、前記突出部の周囲を通過することを特徴とする、請求項６に記載のバイポーラプレート。
8. 電解質膜と、前記電解質膜の両面の各々に設けられるアノード電極およびカソード電極とを具備するメンブレン電極アセンブリが積層されて、複数の前記メンブレン電極アセンブリの間に介在される複数のバイポーラプレートを備える燃料電池において、
   前記バイポーラプレートは、
   前記アノード電極に燃料を供給するための燃料入口、燃料出口および複数の流路チャンネルを具備する第１表面と；
   前記カソード電極に酸化剤を供給するための酸化剤入口、酸化剤出口および複数の流路チャンネルを具備する第２表面と；
   を具備し、
   前記アノード電極に前記燃料を供給する前記流路チャンネルおよび前記カソード電極に前記酸化剤を供給する前記流路チャンネルの少なくともいずれかは、前記燃料または前記酸化剤の流れる方向において、複数の区間に区分されて、
   前記酸化剤入口側の前記区間から前記酸化剤出口側の前記区間に向かって、各々前記区間に形成される前記流路チャンネルの垂直断面積の総計が減少し、および／または、前記燃料入口側の前記区間から前記燃料出口側の前記区間に向かって、各々前記区間に形成される前記流路チャンネルの垂直断面積の総計が減少し、
   前記区間の間には、複数の突出部が形成されることを特徴とする、燃料電池。
9. 前記流路チャンネルは、直線形状に形成されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記酸化剤入口側の前記区間から前記酸化剤出口側の前記区間に向かって、各々前記区間に形成される前記流路チャンネルの総開口面積は、拡大され、
    前記燃料入口側の前記区間から前記燃料出口側の前記区間に向かって、各々前記区間に形成される前記流路チャンネルの総開口面積は、拡大されることを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料電池。
11. 前記区間の数は、２つまたは３つであることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池。

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