JP2016146313A - バイポーラプレート及びダイレクトメタノール型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の小型化を図ることができるバイポーラプレートを提供する。
【解決手段】バイポーラプレート３は、隣り合う膜電極接合体２に対向する対向領域３３１を有するベースプレート３３と、対向領域を囲むようにベースプレートの一方主面及び他方主面にそれぞれ取り付けられたフレーム３４、３５と、を備え、ベースプレートとフレームには、ベースプレートとフレームとを貫通するマニホールドＨＡ〜ＨＤが形成されており、フレームは、マニホールドと前記対向領域とを連通させる連通路３４９を有し、対向領域は、一方主面に形成された複数の第１の溝３３４から構成されるカソード燃料流路と、他方主面に形成された複数の第２の溝３３６から構成されるアノード燃料流路と、を有し、ベースプレートは、一枚の板状部材から構成されていると共に、第１の溝と第２の溝とが交互に隣り合って形成された波形状の断面形状を有する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、バイポーラプレート及びダイレクトメタノール型燃料電池に関するものである。

電解質・電極構造体に対向する面に、反応ガスを供給する反応ガス流路及び反応ガス流入連通孔が設けられたセパレータを備えた燃料電池が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許第４９６０４１５号公報

上記の燃料電池の動作時においては、酸素含有ガス等の酸化剤ガス及び水素含有ガス等の燃料ガスが用いられる。このため、２つのセパレータの間に電解質・電極構造体が挟まれるように積層して発電セルを構成し、隣り合う当該発電セルのセパレータ間に形成される間隙を冷却液の流路として用いることにより、当該燃料電池の高温化を抑制する必要がある。すなわち、積層された複数の発電セルにおいて、電解質・電極構造体同士の間には、冷却液の流路を形成するための少なくとも２つのセパレータを介在させる必要がある。このため、電解質・電極構造体同士の間の距離の短縮化に限界が生じ、燃料電池が大型化する場合があるという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の高温化を抑制しつつ、燃料電池の小型化を図ることができるバイポーラプレート及びダイレクトメタノール型燃料電池を提供することである。

［１］本発明に係るバイポーラプレートは、ダイレクトメタノール型燃料電池用の膜電極接合体同士の間に配置されるバイポーラプレートであって、隣り合う前記膜電極接合体に対向する対向領域を有するベースプレートと、前記対向領域を囲むように前記ベースプレートの一方主面及び他方主面にそれぞれ取り付けられたフレームと、を備え、前記ベースプレートと少なくとも一方の前記フレームには、前記ベースプレートと少なくとも一方の前記フレームとを貫通するマニホールドが形成されており、前記マニホールドが形成された前記フレームは、前記マニホールドと前記対向領域とを連通させる連通路を有し、前記対向領域は、前記一方主面に形成された複数の第１の溝から構成されるカソード燃料流路と、前記他方主面に形成された複数の第２の溝から構成されるアノード燃料流路と、を有し、前記ベースプレートは、一枚の板状部材から構成されていると共に、前記第１の溝と前記第２の溝とが交互に隣り合って形成された波形状の断面形状を有することを特徴とする。

［２］上記発明において、前記第１の溝及び前記第２の溝は、平面視において、実質的に平行であってもよい。

［３］上記発明において、波形状の前記断面形状は、前記対向領域内に形成されていてもよい。

［４］上記発明において、前記第１及び第２の溝は、底部での幅が開口縁部での幅に対して相対的に狭くなるように形成されていてもよい。

［５］上記発明において、前記第１及び第２の溝は、段差を有し、開口側から底部側に向かって段階的に先細となるように形成されていてもよい。

［６］上記発明において、前記第１及び第２の溝は、開口側から底部側に向かって漸次的に先細となるテーパ形状を有してもよい。

［７］本発明に係るダイレクトメタノール型燃料電池は、上記発明のバイポーラプレートと、前記膜電極接合体と、を交互に積層して構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、ダイレクトメタノール型燃料電池に用いられるバイポーラプレートが、隣り合う膜電極接合体に対向する対向領域を有するベースプレートと、当該対向領域を囲むようにベースプレートの一方主面及び他方主面にそれぞれ取り付けられたフレームと、を備えている。そして、当該ベースプレートは、一枚の板状部材から構成されていると共に、カソード燃料流路を構成する第１の溝と、アノード燃料流路を構成する第２の溝とが交互に隣り合って形成された波形状の断面形状を有している。アノード燃料流路を流通するアノード燃料（例えばメタノール水溶液）が冷却液としての機能も有するため、当該燃料電池の高温化を抑制しつつ、バイポーラプレートを介して隣り合う膜電極接合体同士の間の距離を短縮化し、燃料電池の小型化を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池の構成を示す分解斜視図である。 図２は、本発明の実施形態における膜電極接合体を示す断面図である。 図３は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートを示す分解斜視図である。 図４は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートを構成するベースプレートを示す平面図である。 図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートを構成するフレームを示す図であり、図６（Ａ）は外面図であり、図６（Ｂ）は内面図である。 図７は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートの燃料の流路を説明するための平面図である。 図８は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートの燃料の流路の変形例を説明するための平面図である。 図９は、本発明の実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池を示す断面図（図１のＰ−Ｐ線に相当する断面図）である。 図１０は、本発明の実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池を示す断面図（図１のＱ−Ｑ線に相当する断面図）である。 図１１は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートを構成するベースプレートの第１の変形例を示す断面図である。 図１２は、図１１に示すベースプレートの作用を示す断面図である。 図１３は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートを構成するベースプレートの第２の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池の構成を示す分解斜視図であり、図２は本実施形態における膜電極接合体を示す断面図である。

本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）１は、図１に示すように、膜電極接合体２と、当該膜電極接合体２に対してアノード燃料やカソード燃料を供給するバイポーラプレート３と、が交互に積層されて構成されている。なお、１つのダイレトメタノール型燃料電池１が備える膜電極接合体２及びバイポーラプレート３の数は特に限定されない。

図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane electrode assembly）２は、水素イオン（陽イオン）伝導性を有する高分子電解質膜２１と、アノード触媒層２２と、カソード触媒層２３と、アノードガス拡散層２４と、カソードガス拡散層２５とを備えている。アノード触媒層２２とアノードガス拡散層２４がアノードを構成し、カソード触媒層２３とカソードガス拡散層２５がカソードを構成する。

高分子電解質膜２１と、その表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノード触媒層２２及びカソード触媒層２３と、さらにその表面及び裏面にそれぞれ積層されるアノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５は、矩形、円形、楕円形、多角形などダイレクトメタノール型燃料電池１の外形形状に応じた適宜の形状とされる。アノード触媒層２２及びカソード触媒層２３の外縁は、高分子電解質膜２１の外縁より小さい外縁を有しており、これにより膜電極接合体２の外縁には高分子電解質膜２１が露出する外縁部２１１が形成されている。アノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５の外縁は、それぞれアノード触媒層２２及びカソード触媒層２３の各外縁形状とほぼ同じ外縁形状とされる。

高分子電解質膜２１としては、特に限定されるものではなく、通常の高分子電解質型
燃料電池に搭載される、固体高分子電解質膜などの高分子電解質膜を使用することができる。

アノード触媒層２２及びカソード触媒層２３は、例えば白金又は白金合金からなる金属触媒（白金系触媒）などの電極触媒と、当該電極触媒を担持する例えば導電性を有する細孔の発達したカーボン材料などの導電性炭素粒子と、水素イオン伝導性を有する高分子電解質とで構成されている。なお、アノード触媒層２２にあっては、中間生成物である一酸化炭素が白金系触媒を被毒する問題があるため、耐一酸化炭素被毒性を有するルテニウムなどを含むことが望ましい。

アノード触媒層２２及びカソード触媒層２３に含有されて、上記触媒担持粒子に付着させる上記水素イオン伝導性を有する高分子電解質としては、高分子電解質膜２１を構成するものと同じ高分子電解質、例えばイオノマー（ionomer）を用いることができる。アノード触媒層２２及びカソード触媒層２３ならびに高分子電解質膜２１を構成する高分子電解質は、同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。

アノードガス拡散層２４は、バイポーラプレート３のアノード燃料流路（後述の第１の溝３３４又は第２の溝３３６）から流入したメタノール水溶液をアノード触媒層２２に効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されない。同様にカソードガス拡散層２５も、バイポーラプレート３のカソード燃料流路（後述の第１の溝３３４又は第２の溝３３６により形成される燃料流路）から流入した酸素（空気）をカソード触媒層２３に効率よく導く機能と導電性があれば特に限定されない。従って、アノードガス拡散層２４やカソードガス拡散層２５としては、種々の公知のガス拡散層を用いることができる。

アノードガス拡散層２４及びカソードガス拡散層２５を構成する基材としては、ガス透過性や電子伝導性を有する導電性多孔質基材を用いることができる。なお、カソード側及びアノード側において同じガス拡散層を用いても異なるガス拡散層を用いてもよい。

続いて、本実施形態におけるバイポーラプレート３について説明する。図３は本実施形態におけるバイポーラプレートを示す分解斜視図であり、図４は本実施形態におけるバイポーラプレートを構成するベースプレートを示す平面図であり、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートを構成するフレームを示す図であり、図６（Ａ）は外面図であり、図６（Ｂ）は内面図である。また、図７は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートの燃料の流路を説明するための平面図であり、図８は、本発明の実施形態におけるバイポーラプレートの燃料の流路の変形例を説明するための平面図である。

本実施形態におけるバイポーラプレート３は、図３に示すように、ベースプレート３３と、当該ベースプレート３３の一方主面３３２に取り付けられた第１のフレーム３４と、ベースプレート３３の他方主面３３３に取り付けられた第２のフレーム３５と、を備えている。

ベースプレート３３は、図３に示すように、略矩形状の一枚の板状部材から構成されている。このような板状部材を構成する材料としては、金属材料やグラファイト等の導電性材料を例示することができる。この中でも、ベースプレート３３を構成する材料としては、加工容易性の観点から、金属材料が好ましい。また、アノード燃料（例えば、メタノール水溶液）による腐食防止の観点から、ベースプレート３３の表面に金メッキ等を施してもよく、メッキ処理を施さない場合には、ベースプレート３３を構成する材料として、ＳＵＳ３１６Ｌやチタンを用いることが好ましい。

このベースプレート３３は、図４に示すように、隣り合う膜電極接合体２のアノードガス拡散層２４又はカソードガス拡散層２５（図２参照）と対向する対向領域３３１を有している。ベースプレート３３の一方主面３３２における対向領域３３１内には、複数の第１の溝３３４及び第１のドット状凹部３３５が設けられている。また、ベースプレート３３の他方主面３３３における対向領域３３１内にも、同様の形状の複数の第２の溝３３６及び第２のドット状凹部３３７が設けられている。これら、複数の第１の溝３３４又は複数の第２の溝３３６が、隣り合う膜電極接合体２のアノードガス拡散層２４又はカソードガス拡散層２５に燃料を供給又は排出するための流路となる。

第１の溝３３４は、図４中のｙ軸方向に沿って延在する直線形状をなし、複数の第１の溝３３４が互いに略平行（第１の溝３３４同士の間の距離が図４中のｙ軸方向に沿って略一定）かつ略等間隔となるように配置されている。また、複数の第１の溝３３４のそれぞれの長さは、一部を除き略同一である。この一部の第１の溝３３４（本実施形態では第１の溝３３４Ａ及び第１の溝３３４Ｂ）は、略同一長さの他の第１の溝３３４よりも長く形成されており、対向領域３３１を図４中のｘ軸方向に沿って略三等分する位置に設けられている。この第１の溝３３４Ａは、その端部（図４中の＋ｙ軸方向端部）が対向領域３３１の一方側部（図４中の＋ｙ軸方向側部）まで延びており、第１の溝３３４Ｂは、その端部（図４中の−ｙ軸方向端部）が対向領域３３１の他方側部（図４中の−ｙ軸方向側部）まで延びている。

なお、本実施形態では、第１の溝３３４及び第２の溝３３６は、平面視においてそれぞれ直線状に延在する形状となっているが、特にこれに限定されない。例えば、第１の溝３３４及び第２の溝３３６が、平面視においてそれぞれ曲線状に延在する形状であってもよく、直線状に延在する形状と曲線状に延在する形状とが混在していてもよい。

第１のドット状凹部３３５は、第１の溝３３４Ａ、３３４Ｂを除く第１の溝３３４の対向領域３３１の一方側部側及び他方側部側の両側に、所定間隔を空けて第１の溝３３４に隣接するように形成されている。この第１のドット状凹部３３５は、平面視において略円形状をなし、第１の溝３３４と略等しい深さを有している。なお、第１の溝３３４Ａ及び第１の溝３３５Ｂは、一端が対向領域３３１の側部側まで延びているので、第１のドット状凹部３３５は、第１の溝３３４Ａでは、対向領域３３１の他方側部側のみに、第１の溝３３４Ｂでは、第１の溝３３４Ｂの対向領域３３１の一方側部側のみに形成されている。

一方、ベースプレート３３の他方主面３３３における対向領域３３１内には、複数の第２の溝３３６及び第２のドット状凹部３３７が設けられている。第２の溝３３６は、第１の溝３３４と同様に、図４中のｙ軸方向に沿って延在する直線形状をなし、複数の第２の溝３３６が互いに略平行（第２の溝３３６同士の間の距離が図４中のｙ軸方向に沿って略一定）かつ略等間隔となるように配置されている。また、複数の第２の溝３３６のそれぞれの長さは、一部を除き略同一である。この一部の第２の溝３３６（本実施形態では第２の溝３３６Ａ及び第２の溝３３６Ｂ）は、略同一長さの他の第２の溝３３６よりも長く形成されており、対向領域３３１を図４中のｘ軸方向に沿って略三等分する位置に設けられている。この第２の溝３３６Ａは、その端部（図４中の＋ｙ軸方向端部）が対向領域３３１の一方側部）まで延びており、第２の溝３３６Ｂは、その端部（図４中の−ｙ軸方向端部）が対向領域３３１の他方側部まで延びている。

第２のドット状凹部３３７は、第２の溝３３６Ａ、３３６Ｂを除く第２の溝３３６の対向領域３３１の一方側部側及び他方側部側の両側に、所定間隔を空けて当該第２の溝３３６に隣接するように形成されている。この第２のドット状凹部３３７は、平面視において略円形状をなし、第２の溝３３６と略等しい深さを有している。なお、第２の溝３３６Ａ及び第２の溝３３６Ｂは、一端が対向領域３３１の側部側まで延びているので、第２のドット状凹部３３７は、第２の溝３３６Ａでは、対向領域３３１の他方側部側のみに、第２の溝３３６Ｂでは、第２の溝３３６Ｂの対向領域３３１の一方側部側のみに形成されている。

本実施形態におけるベースプレート３３は、図５に示すように、一枚の板状部材から構成されていると共に、波形状の断面形状を有している。すなわち、ベースプレート３３の一方主面３３２に形成された第１の溝３３４は、略矩形状に凹む形状であり、他方主面３３３側からみて相対的に略矩形状の凸形状になっている。ベースプレート３３の他方主面３３３に形成された第２の溝３３６もまた、略矩形状に凹む形状であり、一方主面３３２側からみて相対的に略矩形状の凸形状となっている。一方主面３３２から見て、第１の溝３３４の略矩形状に凹む形状と、第２の溝３３６の略矩形状の凸形状とが繰り返し連なることで断面形状は略矩形波形状に形成されている。したがって、第１の溝３３４と第２の溝３３６は交互に隣り合って形成されていると共に、第１の溝３３４を構成する壁面と、当該第１の溝３３４と隣り合う第２の溝３３６を構成する壁面と、は共通の壁面となっている。すなわち、第１の溝３３４と第２の溝３３６とは互いに相補的な形状となっている。この波形状の断面形状は、対向領域３３１の全幅（図４中のｘ軸方向に沿った幅）に亘って形成されている。

なお、ベースプレート３３が有する波形状の断面形状は特に上記に限定されない。例えば、第１の溝３３４及び第２の溝３３６が何れも三角形状に凹む形状であることにより、ベースプレート３３が略三角形状の波形状を有していてもよい。また、第１の溝３３４及び第２の溝３３６が何れも曲線状に凹む形状であることにより、ベースプレート３３が曲線状の波形状を有していてもよい。なお、ベースプレートの具体的な変形例については後述する。

また、本実施形態では、対向領域３３１内に形成された波形状の断面形状は、当該対向領域３３１内において実質的に同一の波形状であるが、特にこれに限定されない。例えば、異なる波形状の断面形状が対向領域３３１内に混在していてもよい。また、本実施形態では、第１の溝３３４及び第２の溝３３６は、略均一の深さをそれぞれ有しているが、特にこれに限定されない。例えば、第１の溝３３４及び第２の溝３３６が、不均一の深さ、即ち第１の溝３３４及び第２の溝３３６が相対的に浅い部分と深い部分とをそれぞれ有していてもよい。

ベースプレート３３を金属材料から構成した場合には、パンチング加工やプレス加工（機械プレスや液圧プレス等）により、形成することができる。これにより、孔部３０１〜３０４や第１及び第２の溝３３４、３３６等の形成性が向上し、バイポーラプレート３の生産性を向上することができる。

本実施形態におけるベースプレート３３には、図４に示すように、孔部３０１〜３０４が設けられている。この孔部３０１〜３０４と、後述する第１のフレーム３４の孔部３４３〜３４６及び第２のフレーム３５の孔部３５３〜３５６とにより、膜電極接合体２に対して燃料を供給又は排出するマニホールドＨＡ〜ＨＤが形成される（図３参照）。孔部３０１、３０２は、ベースプレート３３における図４中の＋ｙ軸方向側端部と対向領域３３１との間に設けられており、孔部３０３、３０４は、ベースプレートにおける図４中の−ｙ軸方向側端部と対向領域３３１との間に設けられている。孔部３０１〜３０４は、図４中のｘ軸方向に沿って延在する矩形状をそれぞれ有している。

次に、本実施形態における第１のフレーム３４及び第２のフレーム３５について説明する。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本実施形態における第１のフレームの外面及び内面をそれぞれ示す図である。本実施形態における第１のフレーム３４は、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、ベースプレート３３の外縁形状と略等しい外縁形状を有しており、樹脂材料等の絶縁性材料から構成されている。

第１のフレーム３４の略中央には、略矩形状に形成された開口３４１が設けられている。この開口３４１は、ベースプレート３３の対向領域３３１と略等しい位置及び大きさとなるよう形成されている。このため、バイポーラプレート３におけるベースプレート３３の対向領域３３１は、開口３４１から露出する。即ち、第１のフレーム３４は、ベースプレート３３の対向領域３３１を囲むように設けられる。

第１のフレーム３４の外面（膜電極接合体２に接する面（第２の主面））には、開口３４１の周囲を囲むように第１のガスケット３４２が設けられている。この第１のガスケット３４２は、ゴム材料等から構成されており、この第１のガスケット３４２が膜電極接合体２における高分子電解質膜２１の外縁部２１１に密着して第１のフレーム３４と膜電極接合体２とがシールされる。これにより、ベースプレート３３上を流れる燃料がバイポーラプレート３と膜電極接合体２との間で漏出することを防ぐことが可能となっている。

また、第１のフレーム３４には、ベースプレート３３の孔部３０１〜３０４にそれぞれ対応する位置に、マニホールドＨＡ〜ＨＤをそれぞれ形成するための孔部３４３〜３４６が設けられている。本実施形態では、孔部３４４及び孔部３４５の周囲には第２のガスケット３４７が設けられている。この第２のガスケット３４７は、ゴム材料等から構成されており、膜電極接合体２を介して隣り合うバイポーラプレート３との間で、孔部同士を繋いでシールする機能を有している。

第１のフレーム３４の内面（ベースプレート３３に接する面（第１の主面））には、シリコン層３４８が設けられている。このシリコン層３４８は略均一な厚さで第１のフレーム３４の内面全体に設けられており、これにより、第１のフレーム３４とベースプレート３３とが相互に接着される。なお、シリコン層３４８に代えて、接着性を有する樹脂部材等を第１のフレーム３４の内面に設けてもよい。本実施形態におけるシリコン層３４８が本発明の接着層の一例に相当する。

また、第１のフレーム３４の内面において、孔部３４４と開口３４１との間、及び、孔部３４５と開口３４１との間には、連通路３４９が設けられている。この連通路３４９は、図６（Ｂ）に示すように、図６（Ｂ）中のｙ軸方向に形成された複数（本例において５つ）の溝部３４０から構成されている。本実施形態における溝部３４０の断面形状は、矩形状の凹形状となっており、それぞれの溝部３４０は略等間隔で配置されている。この連通路３４９によって、マニホールドＨＢ、ＨＣから膜電極接合体２に燃料を供給し、又は燃料を排出することが可能となっている。なお、連通路３４９を構成する溝部３４０の数及び断面形状は特に限定されない。

第２のフレーム３５は、上述した第１のフレーム３４と実質的に同一の形状、同様の材料から構成されている。すなわち、図３に示すように、ベースプレート３３の対向領域３３１に対応する形状の開口３５１を有すると共に、第１のフレーム３４の孔部３４３〜３４６と同様の孔部３５３〜３５６が設けられている。開口３５１の周囲における外面には、第１のフレーム３４の第１のガスケット３４２と同様の第１のガスケット３５９が設けられている。また、孔部３５４と開口３５１との間、及び、孔部３５５と開口３５１との間には、第１のフレーム３４の連通路３４９と同様の連通路３５７が設けられており、孔部３５４、３５５の周囲における外面には、第１のフレーム３４の第２のガスケット３４７と同様の第２のガスケット３５８が設けられている。また、第２のフレーム３５の内面には、第１のフレーム３４の内面に設けられたシリコン層３４８と同様のシリコン層が設けられている。本実施形態における第１及び第２のフレーム３４、３５及び後述のフレーム３６が、本発明のフレームの一例に相当する。

以上に述べた本実施形態におけるバイポーラプレート３は、図７に示すように、マニホールドＨＣから供給された燃料が、第１及び第２の溝３３４、３３６と第１及び第２のドット状凹部３３５、３３７によりベースプレート３３の一方主面３３２側に形成された燃料の流路を流通する。具体的には、マニホールドＨＣからの燃料は、第１のフレーム３４の連通路３４９を通り、第２の溝３３６Ｂの裏面側となる凸形状により区画された図７中−ｘ軸側の複数の第１の溝３３４を図７中＋ｙ軸方向に直進した後、第２の溝３３６Ｂの裏面側となる凸形状の他端側を横切り、第２の溝３３６Ｂの裏面側となる凸形状と、第２の溝３３６Ａの裏面側となる凸形状とで区画された図７中の中央の複数の第１の溝３３４に流入する。そして、この中央の複数の第１の溝３３４を図７中−ｙ軸方向に折返し直進した後、第２の溝３３６Ａの裏面側となる凸形状の他端側を横切り、第２の溝３３６Ａの裏面側となる凸形状で区画された図７中−ｘ軸側の複数の第１の溝３３４を図７中−ｙ軸方向に折返し直進する。さらに、燃料は、第１のフレーム３４の連通路３４９を通りマニホールドＨＢから排出される。

ベースプレート３３の他方主面３３３側のマニホールドＨＤから供給された燃料も、上記と同様の流路で流通する。このような燃料の流路が形成されることにより、バイポーラプレート３に隣り合う２つの膜電極接合体２に対して偏りなく効率的に燃料が供給される。

なお、ベースプレート３３から第１及び第２のドット状凹部３３５、３３７を省略してもよいが、ベースプレート３３が第１及び第２のドット状凹部３３５、３３７を備えることで燃料を整流させることができ、特に流路における折返し部分で流通しやすくなる。

なお、バイポーラプレート３に形成される燃料の流路設計は特に上記に限定されない。例えば、図８に示すように、燃料がベースプレート３３上で１回の折返しで排出されるよう第１及び第２の溝３３４、３３６と、第１及び第２のドット状凹部３３５、３３７と、マニホールドＨＡ〜ＨＤの機能とを設計してもよい。

続いて、上記バイポーラプレート３を搭載した本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池について説明する。図９は本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池１を示す断面図（図１のＰ−Ｐ線に相当する断面図）である。

本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池１は、以上に述べたバイポーラプレート３と膜電極接合体２とが交互に積層されて構成される。具体的には、図９に示すように、１つの膜電極接合体２が、バイポーラプレート３における第１のフレーム３４側同士の間、又はバイポーラプレート３における第２のフレーム３５側同士の間で挟まれるように、膜電極接合体２とバイポーラプレート３とが交互に積層される。

不図示のアノード燃料供給装置から送られたアノード燃料は、孔部３０１〜３０４、３４３〜３４６、３５３〜３５６等で形成されたマニホールドを介して各膜電極接合体２のアノード極に供給される。次いで、上述したバイポーラプレート３の流路を流通し、燃料供給時に使用されたマニホールドとは対角に位置するマニホールドから排出される。同様に、不図示のカソード燃料供給装置から送られたカソード燃料は、アノード燃料供給時に使用されたマニホールドの反対側（図１中のｘ軸方向に沿った反対側）にあるマニホールドを介して各膜電極接合体２のカソード極に供給される。そして、上述したバイポーラプレート３の流路を流通し、カソード燃料供給時に使用されたマニホールドとは対角に位置するマニホールドから排出される。

本実施形態において、ダイレクトメタノール型燃料電池１の端部（図９における下端）に位置するフレーム３６には、孔部３４３〜３４６又は孔部３５３〜３５６に相当する孔部と連通路とが設けられていない。このため、供給側のマニホールドから各膜電極接合体２に供給された燃料は、膜電極接合体２とベースプレート３３との間を通過した後、当該燃料を供給した側（図１及び図９における＋ｚ軸方向側）に向かって排出側のマニホールドを通じて排出される。

以上のように構成されたダイレクトメタノール型燃料電池１において、上述したバイポーラプレート３により燃料が供給されると、各膜電極接合体２のアノードにおいては、
［数１］ ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
という酸化反応が生じ、各膜電極接合体２のカソードにおいては、
［数２］ ３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ
という還元反応が生じる。これによりアノードとカソードとの間に電流が流れることになる。

また、バイポーラプレート３を介して積層された膜電極接合体２は、当該バイポーラプレート３のベースプレート３３を介して直列に電気的に接続された状態となっている。そして、ダイレクトメタノール型燃料電池１の組立完成状態において、アノード極側端部に位置するバイポーラプレート３のベースプレート３３は電力負荷の陰極に接続され、カソード極側端部に位置するバイポーラプレート３のベースプレート３３は電力負荷の陽極に接続されてダイレクトメタノール型燃料電池１からの電力が電力負荷に供給される。

次に、本実施形態におけるバイポーラプレート３の作用について説明する。図１０は本実施形態におけるダイレクトメタノール型燃料電池１を示す断面図（図１のＱ−Ｑ線に相当する断面図）である。

本実施形態におけるバイポーラプレート３を構成するベースプレート３３は、対向領域３３１には、燃料流路を形成する複数の第１の溝３３４及び複数の第２の溝３３６が設けられている。そして、当該ベースプレート３３は、第１の溝３３４と第２の溝３３６とが交互に隣り合って形成された波形状の断面形状を有している。すなわち、バイポーラプレート３の一方面に隣り合う膜電極接合体２に対して燃料を供給するための燃料流路と、バイポーラプレート３の他方面に隣り合う膜電極接合体２に対して燃料を供給するための燃料流路と、は、図１０に示すように、一枚の板状部材により形成され、図１０中ｘ軸方向に並んで配置されている。

ここで、一般に燃料電池のアノード燃料及びカソード燃料が何れも気体燃料である場合には（例えば、水素型燃料電池）、当該燃料電池の高温化を抑制するために、燃料流路とは別に冷却液用の流路を発電要素間に設ける必要がある。これに対し、本実施形態の燃料電池はダイレクトメタノール型燃料電池であるため、アノード燃料は液体燃料（メタノール水溶液）であり、当該アノード燃料が冷却液としての機能も同時に有することとなる。これにより、一枚の板状部材により形成された燃料流路が冷却流路を兼ねることができるので、従来の燃料流路とは別に冷却液用の流路を設ける必要は無くなる。これに従い、膜電極接合体２やバイポーラプレート３の高温化を抑制しつつ、隣り合う膜電極接合体２同士の間の距離を短縮化し、ダイレクトメタノール型燃料電池１全体を小型化することができる。

本実施形態では、燃料流路を形成するベースプレート３３の第１及び第２の溝３３４、３３６は、平面視において実質的に平行（平面視において、第１及び第２の溝３３４、３３６同士の間の距離が図４中のｙ軸方向に沿って一定）となっている。このため、膜電極接合体２に対して効率的に燃料を供給することができる。また、当該第１及び第２の溝３３４、３３６が、ベースプレート３３の対向領域３３１内に形成されていることにより、一層効率的に燃料を膜電極接合体２に供給することができる。

また、本実施形態では、第１のフレーム３４の内面（ベースプレート３３に接する面）には、シリコン層３４８が設けられている。同様に、第２のフレーム３５の内面（ベースプレート３３に接する面）にも同様のシリコン層が設けられている。これにより、第１のフレーム３４とベースプレート３３との密着性及び第２のフレーム３５とベースプレート３３との密着性が向上し、より一層効率的に燃料を膜電極接合体２に供給することができる。

図１１は、本実施形態に係るベースプレートの第１の変形例を示す断面図である。この図に示すように、本例に係るベースプレート１３３は、上述のベースプレート３３とは異なる波形状の断面形状を有している。

ベースプレート１３３は、アノード燃料としてのメタノール水溶液に対して耐腐食性を有する金属（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌやチタン）の板材で構成されている。このベースプレート１３３の厚みは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ程度であり、それにより、ベースプレート１３３は軽量になっている。

ベースプレート１３３の一方主面３３２に形成された第１の溝３３４は、一方主面３３２側からみて相対的に階段状の段差のある凹形状であり、他方主面３３３側からみて相対的に階段状の段差のある凸形状になっている。ベースプレート１３３の他方主面３３３に形成された第２の溝３３６もまた、他方主面３３３側からみて相対的に階段状の段差のある凹形状であり、一方主面３３２側からみて相対的に階段状の段差のある凸形状になっている。一方主面３３２から見て、第１の溝３３４の凹形状と、第２の溝３３６の凸形状とが繰り返し連なることで断面形状は波形状に形成されている。したがって、上述のベースプレート３３と同様に、第１の溝３３４と第２の溝３３６は交互に隣り合って形成されていると共に、第１の溝３３４を構成する壁面と、当該第１の溝３３４と隣り合う第２の溝３３６を構成する壁面とは共通の壁面となっている。すなわち、第１の溝３３４と第２の溝３３６とは互いに相補的な形状となっている。

第１の溝３３４には１段の段差部３３８が形成されている。この第１の溝３３４では、段差部３３８を境に底側部分３３４Ｌと開口側部分３３４Ｕとで幅が異なっており、底側部分３３４Ｌの幅Ｗ１が開口側部分３３４Ｕの幅Ｗ２よりも狭くなっている（Ｗ１＜Ｗ２）。なお、底側部分３３４Ｌの最深部が本発明における「底部」に相当し、開口側部分３３４Ｕの最浅部が本発明における「開口縁部」に相当する。また、第２の溝３３６には１段の段差部３３９が形成されている。この第２の溝３３６では、段差部３３９を境に底側部分３３６Ｌと開口側部分３３６Ｕとで幅が異なっており、底側部分３３６Ｌの幅Ｗ３が開口側部分３３６Ｕの幅Ｗ４よりも狭くなっている（Ｗ３＜Ｗ４）。ここで、段差部３３８と段差部３３９とは表裏の関係にある。なお、第１の溝３３４の底側部分３３４Ｌと開口側部分３３４Ｕとの深さは、実質的に同一であるが、必須ではなく、異なっていてもよい。また、第２の溝３３６の底側部分３３６Ｌと開口側部分３３６Ｕとの深さも、実質的に同一であるが、必須ではなく、異なっていてもよい。

図１２は、本実施例に係るベースプレート１３３の作用を示す拡大断面図である。この図に示すように、第１溝３３４の開口縁部がカソードガス拡散層２５に当接しており、カソードガス（Ｏ_２）が第１の溝３３４からカソードに供給される。また、発電に伴ってカソードで発生した水（Ｈ_２Ｏ）がカソードガス拡散層２５から第１の溝３３４に向かって移動する。

ここで、第１の溝３３４は、カソードガス拡散層２５から遠ざかる方向に、開口側部分３３４Ｕから底側部分３３４Ｌへと幅が狭くなっている。これにより、第１の溝３３４では、毛管現象により開口側部分３３４Ｕから底側部分３３４Ｌへの水の移動が促進される。従って、カソードガス拡散層２５に水が蓄積することを抑制できるので、第１の溝３３４からカソードへのカソードガスの供給がカソードガス拡散層２５に存在する水により阻害されること（所謂、ウォータフラッティング現象）を抑制できる。

図１３は、本実施形態に係るベースプレートの第２の変形例を示す断面図である。この図に示すように、本実施例に係るベースプレート２３３は、上述のベースプレート１３３と比較して、第１及び第２の溝３３４、３３６がテーパ形状に形成されている点で相違する。

第１の溝３３４の開口側部分３３４Ｕは、開口縁部（幅Ｗ６）から段差部３３８（幅Ｗ５）まで漸次的に幅が狭くなるような第１のテーパ形状３３４Ａを有している（Ｗ５＜Ｗ６）。第１の溝３３４の底側部分３３４Ｌも、段差部３３８における開口縁部（幅Ｗ８）から底部（幅Ｗ７）まで漸次的に幅が狭くなるような第２のテーパ形状３３４Ｂを有している（Ｗ７＜Ｗ８）。なお、第１の溝３３４の底側部分３３４Ｌは、台形状に形成されている。

また、第２の溝３３６の開口側部分３３６Ｕは、開口縁部（幅Ｗ１０）から段差部３３９（幅Ｗ９）まで漸次的に幅が狭くなるような第３のテーパ形状３３６Ａを有している（Ｗ９＜Ｗ１０）。第２の溝３３６の底側部分３３６Ｌも、段差部３３９における開口縁部（幅Ｗ１２）から底部（幅Ｗ１１）まで漸次的に幅が狭くなるような第４のテーパ形状３３６Ｂを有している（Ｗ１１＜Ｗ１２）。なお、第２の溝３３６の底側部分３３６Ｌは、台形状に形成されている。

ここで、本実施例に係るベースプレート２３３では、第１の溝３３４の開口側部分３３４Ｕ及び底側部分３３４Ｌが、それぞれ第１、第２のテーパ形状３３４Ａ、３３４Ｂにより、カソードガス拡散層２５から遠ざかるにつれて、漸次的に幅が狭くなっている。これにより、上述の実施例に係るベースプレート１３３と比較しても、第１の溝３３４における毛管現象による開口側から底側への水の移動が促進される。従って、上述の実施例に係るベースプレート１３３と比較して、カソードガス拡散層２５に水が蓄積することをより効果的に抑制でき、第１の溝３３４からカソードへのカソードガスの供給がカソードガス拡散層２５に存在する水により阻害されることをより効果的に抑制できる。

ところで、ベースプレート１３３、２３３は、金属の板材に金型を使用したプレス加工（機械プレスや液圧プレス等）を施すことにより作製する。ここで、ベースプレート１３３、２３３を作製する工程では、まず、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の一方のその深さが開口縁部から段差部３３８、３３９までの部分に相当する凹形状（図１１の幅Ｗ２、Ｗ４の箇所）を板材に形成する。即ち、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の一方の半分の深さの溝を板材に形成する。次に、当該凹形状の間の部分を段差部３３８、３３９ができるように他方主面３３３側から反対側に凹ませることにより、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の他方のその深さが段差部３３８、３３９から底部までの部分に相当する凹形状（図１１の幅Ｗ１、Ｗ３の箇所）を板材に形成する。即ち、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の他方の半分の深さの溝を板材の未加工部分に形成する。なお、ベースプレート１３３、２３３を作製する工程において、まず、段差部３３８、３３９ができるように他方主面３３３側から反対側に凹ませることにより、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の一方のその深さが段差部３３８、３３９から底部までの部分に相当する凹形状（図１１の幅Ｗ１、Ｗ３の箇所）を板材に形成し、次に、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の他方のその深さが開口縁部から段差部３３８、３３９までの部分に相当する凹形状（図１１の幅Ｗ２、Ｗ４の箇所）を板材に形成してもよい。

これにより、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の半分の深さの溝加工を板材に対して施すことによって、第１の溝３３４及び第２の溝３３６を形成することができる。従って、プレス加工により深い溝を形成するのが難しい金属材料（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌやチタン）を用いてプレス加工を施すことも可能になる。また、当該金属材料に対してプレス加工を施すことにより第１の溝３３４及び第２の溝３３６を形成することができるので、第１の溝３３４及び第２の溝３３６の深さ以上の厚みを有する母材に切削加工を施すことにより、第１の溝３３４及び第２の溝３３６を有するベースプレートを作製する場合と比較して、軽量のベースプレートを作製することができる。

なお、上記の第１及び第２の変形例に係るベースプレート１３３、２３３では、第１及び第２の溝３３４、３３６を２段の段付きの溝としたが、３段以上の段付きの溝としてもよい。また、段差部３３８、３３９を傾斜させてもよい。また、上記の第２の変形例に係るベースプレート２３３では、第１及び第２の溝３３４、３３６を段差のある溝としたが、段差のない溝としてもよい。さらに、第１の溝３３４の底側部分３３４Ｌにおける底面と側面との隅部をＲ形状に形成してもよい。かかる場合には、第１の溝３３４の底部の幅がより狭くなるので、底側への水の移動がより一層促進されるので、カソードガス拡散層２５に水が蓄積することをより効果的に抑制でき、第１の溝３３４からカソードへのカソードガスの供給がカソードガス拡散層２５に存在する水により阻害されることをより効果的に抑制できる。

なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

１・・・ダイレクトメタノール型燃料電池
２・・・膜電極接合体
２１・・・高分子電解質膜
２２・・・アノード触媒層
２３・・・カソード触媒層
２４・・・アノードガス拡散層
２５・・・カソードガス拡散層
３・・・バイポーラプレート
３３・・・ベースプレート
３０１〜３０４・・・孔部
３３１・・・対向領域
３３２・・・一方主面
３３３・・・他方主面
３３４・・・第１の溝
３３４Ａ・・・第１のテーパ形状
３３４Ｂ・・・第２のテーパ形状
３３４Ｌ・・・底側部分
３３４Ｕ・・・開口側部分
３３５・・・第１のドット状凹部
３３６・・・第２の溝
３３６Ａ・・・第３のテーパ形状
３３６Ｂ・・・第４のテーパ形状
３３６Ｌ・・・底側部分
３３６Ｕ・・・開口側部分
３３７・・・第２のドット状凹部
３３８・・・段差部
３３９・・・段差部
１３３・・・ベースプレート
２３３・・・ベースプレート
３４・・・第１のフレーム
３４１・・・開口
３４２・・・第１のガスケット
３４３〜３４６・・・孔部
３４７・・・第２のガスケット
３４８・・・シリコン層（接着層）
３４９・・・連通路
３４０・・・溝部
３５・・・第２のフレーム
３５１・・・開口
３５３〜３５６・・・孔部
３５７・・・連通路
３５８・・・第２のガスケット
３５９・・・第１のガスケット
３６・・・フレーム（下端部）
ＨＡ〜ＨＤ・・・マニホールド

Claims (7)

1. ダイレクトメタノール型燃料電池用の膜電極接合体同士の間に配置されるバイポーラプレートであって、
   隣り合う前記膜電極接合体に対向する対向領域を有するベースプレートと、
   前記対向領域を囲むように前記ベースプレートの一方主面及び他方主面にそれぞれ取り付けられたフレームと、を備え、
   前記ベースプレートと少なくとも一方の前記フレームには、前記ベースプレートと少なくとも一方の前記フレームとを貫通するマニホールドが形成されており、
   前記マニホールドが形成された前記フレームは、前記マニホールドと前記対向領域とを連通させる連通路を有し、
   前記対向領域は、
   前記一方主面に形成された複数の第１の溝から構成されるカソード燃料流路と、
   前記他方主面に形成された複数の第２の溝から構成されるアノード燃料流路と、を有し、
   前記ベースプレートは、一枚の板状部材から構成されていると共に、前記第１の溝と前記第２の溝とが交互に隣り合って形成された波形状の断面形状を有することを特徴とするバイポーラプレート。
2. 請求項１に記載のバイポーラプレートであって、
   前記第１の溝及び前記第２の溝は、平面視において、実質的に平行であることを特徴とするバイポーラプレート。
3. 請求項１又は２に記載のバイポーラプレートであって、
   波形状の前記断面形状は、前記対向領域内に形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のバイポーラプレートであって、
   前記第１及び第２の溝は、底部での幅が開口縁部での幅に対して相対的に狭くなるように形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
5. 請求項４に記載のバイポーラプレートであって、
   前記第１及び第２の溝は、段差を有し、開口側から底部側に向かって段階的に先細となるように形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
6. 請求項４又は５に記載のバイポーラプレートであって、
   前記第１及び第２の溝は、開口側から底部側に向かって漸次的に先細となるテーパ形状を有することを特徴とするバイポーラプレート。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のバイポーラプレートと、前記膜電極接合体と、を交互に積層して構成されたことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池。

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