JP4102611B2 - 燃料電池用バイポーラプレート - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のためのバイポーラプレートおよびエンドプレート、ならびにそれらを作製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電気化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、したがって電池と同じ役割を果たす。しかしながら、電池が切れて充電を必要とするような電池とは異なり、燃料電池は、セルに燃料が供給され続ける限り、電気を生成する。また燃料電池は非常に効率の高い装置でもある。たとえば、燃料電池は60％ほどの効率で燃料を有用なエネルギーに変換することができるのに対して、内燃機関は概ね40％またはそれ以下の効率に制限される。さらに、燃料電池は化石燃料には必ずしも依存せず、二酸化窒素などの有毒ガスを放出せず、かつ動作中にほとんど雑音を生成しない。それゆえ、燃料電池は魅力的な電力源であり、発電装置、自動車エンジン、ポータブル電子装置等に用いるために開発が進められている。
【０００３】
最も簡単な燃料電池は２つの電極（アノードおよびカソード）からなり、その間に電解質を挟んだものである。水素燃料がアノードに供給され、酸素（あるいは空気）がカソードに供給される。白金などの触媒が存在する場合、水素原子はアノードにおいて陽子および電子に分解される。その後、陽子および電子は個別の経路に沿ってカソードまで進み、陽子は電解質を介してカソードに達するが、電子は電気回路内を流れる個別の電流を生成する。陽子と電子はカソードで再結合し、酸素と反応して、水を生成する。全般に、電気化学反応は以下のものを含む。
アノード： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード： Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ
全体として： ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【０００４】
陽 極： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
陰 極： Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ
全体として： ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【０００５】
燃料電池のアノードとカソードとの間で生成される電圧は典型的には、約0.7Ｖである。結果として、実用的な電圧（たとえば、約10Ｖ〜100Ｖ）を生成するためには、多くの燃料電池を直列に接続する必要がある。そのような燃料電池の集合体は、燃料電池「スタック」と呼ばれる。隣接する燃料電池をスタックとして接続する好ましい方法は、それらを「バイポーラプレート」で分離することを含む。バイポーラプレートは、隣接する燃料電池のアノードとカソードとの間に良好な電気的接続を提供し、さらに、１つの燃料電池のアノードに水素を供給し、その隣接する燃料電池のカソードに酸素を供給し、その間、水素と酸素が混合するのを防ぐ手段を提供しなければならない。
【０００６】
燃料電池の陽極と陰極との間で生成される電圧は典型的には、約0.7Ｖである。結果として、実用的な電圧（たとえば、約10Ｖ〜100Ｖ）を生成するためには、多くの燃料電池を直列に接続する必要がある。そのような燃料電池の集合体は、燃料電池「スタック」と呼ばれる。隣接する燃料電池をスタックとして接続する好ましい方法は、それらを「バイポーラプレート」で分離することを含む。バイポーラプレートは、隣接する燃料電池の陽極と陰極との間に良好な電気的接続を提供し、さらに、１つの燃料電池の陽極に水素を供給し、その隣接する燃料電池の陰極に酸素を供給し、その間、水素と酸素が混合するのを防ぐ手段を提供しなければならない。
【０００７】
バイポーラプレートは典型的には、導電性基板（たとえば、グラファイトあるいは金属）の２つの面上にフローチャネルを形成することにより構成される。そのフローチャネルは、水素あるいは酸素を電極に供給するためのフローシステムを提供し、フローチャネル間に画定される平坦域（プラトー）が、隣接する電極間の電気的接触を提供する。
【０００８】
既存の燃料電池は、固体のグラファイトあるいは金属から機械加工されるか、複合グラファイト材料から成形あるいはプレス加工されるか、あるいは燃料電池材料自体から形成されるバイポーラプレートを利用する。これらの方法は非常にコストがかかり、材料適合性の制約を有するので、スタック設計者に対し、特に機構サイズおよび複雑さに関して、設計における大きな柔軟性を典型的に与えない。現在のバイポーラプレート設計および構造の制約は、将来の燃料電池開発、特に、細いフロー機能を有する、非常に薄くて実質上平坦なプレートを必要とし得る小型のポータブル燃料電池の開発において厳しい制約となるであろう。たとえば、グラファイト板は脆く、多孔性であるため、機械加工される際に壊れたり、及び／又は、ある厚さ未満で、水素あるいは酸素の流体に対して透過性を有するようになる。
【０００９】
さらに、安定な状態で作動する燃料電池を製造するために、当技術分野において、燃料流速、電流負荷、気体圧および液体圧、燃料温度あるいはセル温度などの種々の燃料電池パラメータをモニタし、かつ制御できるようにする種々のセンサおよび装置を開発することが必要とされる。これらのセンサおよび装置は、比較的分厚いバイポーラプレート内に組み込むことができることが理想的である。しかしながら、現在のバイポーラプレート構造および設計方法は、そのような開発および細部に必要なツールを提供しない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の燃料電池のアノードに接触するように適合される第１の面と、第２の燃料電池のカソードに接触するように適合される第２の面とを有する半導電性体あるいは導電性体を含む燃料電池スタックのためのバイポーラプレートを提供することにより、上記の問題に対処し、解決する。第１の面は、燃料流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含み、第２の面は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含む。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の燃料電池の陽極に接触するように適合される第１の面と、第２の燃料電池の陰極に接触するように適合される第２の面とを有する半導電性体あるいは導電性体を含む燃料電池スタックのためのバイポーラプレートを提供することにより、上記の問題に対処し、解決する。第１の面は、燃料流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含み、第２の面は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明のバイポーラプレートが全体として１０で示される。バイポーラプレート１０は第１の面１４と、好ましくは第１の面１４の反対側にある第２の面１６とを有する。ここで図２を参照すると、バイポーラプレート１０は、第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するように設計される。第１の燃料電池１８、バイポーラプレート１０および第２の燃料電池２０は、スタック２２として配置されることが好ましい。第１の燃料電池１８は、アノード２４、カソード２６、及びアノード２４とカソード２６との間に配置される電解質２８を備える。また第２の燃料電池２０も、アノード３０、カソード３２、及びアノード３０とカソード３２との間に配置される電解質３４を備える。第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は、第１の燃料電池１８のアノード２４と接触するように適合され、バイポーラプレート１０の第２の面１６は、第２の燃料電池２０のカソード３２と接触するように適合される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明のバイポーラプレートが全体として１０で示される。バイポーラプレート１０は第１の面１４と、好ましくは第１の面１４の反対側にある第２の面１６とを有する。ここで図２を参照すると、バイポーラプレート１０は、第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するように設計される。第１の燃料電池１８、バイポーラプレート１０および第２の燃料電池２０は、スタック２２として配置されることが好ましい。第１の燃料電池１８は、陽極２４、陰極２６、及び陽極２４と陰極２６との間に配置される電解質２８を備える。また第２の燃料電池２０も、陽極３０、陰極３２、及び陽極３０と陰極３２との間に配置される電解質３４を備える。第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は、第１の燃料電池１８の陽極２４と接触するように適合され、バイポーラプレート１０の第２の面１６は、第２の燃料電池２０の陰極３２と接触するように適合される。
【００１４】
任意の数の本発明のバイポーラプレート１０が、任意の数の燃料電池１８あるいは２０間に組み込まれ、スタック２２を形成し得ることは理解されよう。当分野においてよく知られているように、かつ先に記載されたように、実用的な電力出力および電圧を得るために、燃料電池スタックは典型的には、直列に配列された約２〜約200個の個別の燃料電池を含む（バイポーラプレートおよび燃料電池への一般的な手引きについては、たとえば、Larminie等によるFuel Cell Systems Explained (2000年、米国ニューヨーク州John Wiley & Sons)を参照されたい。尚、その内容は引用として本明細書に組み込まれる）。個々の燃料電池の運転電圧（即ち、出力電流を生成するときの）は、典型的には、約0.4Ｖ〜約0.7Ｖの範囲にある。図２における燃料電池スタック２２の場合のように、直列に接続される多数の燃料電池全体の電圧は、そのスタックを形成する個々の燃料電池の電圧の和に等しい。それゆえ、典型的な燃料電池スタックの運転電圧は、潜在的に約１Ｖ〜約140Ｖの範囲にある。
【００１５】
ここで議論されるパラメータ内で、バイポーラプレート１０は、所望どおりの、及び／又は特定の用途に適した任意の厚さを有し得る。バイポーラプレート１０は、理想的には、可能な限り薄く、可能な限り軽量で、可能な限り導電性であり、さらにスタック２２内で受ける機械的な力に耐えるだけの十分な強度と、漏れを最小限に抑えるための気体あるいは液体に対する十分な不浸透性とを有し、スタック２２内で受ける腐食性環境に耐えるほど十分に不活性である。バイポーラプレート１０は、たとえば、約20μｍ〜約10,000μｍ、約20μｍ〜約5,000μｍ、約20μｍ〜約3,000μｍ、約50μｍ〜約2,000μｍ、約50μｍ〜約1,000μｍ、約100μｍ〜約1,000μｍ、あるいは約500μｍ〜約1,000μｍの任意の厚さを有し得る。
【００１６】
バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）は任意の幅、長さあるいは直径を有することができ、所望どおり、及び／又は特定の用途に適した任意の形状とし得る。好ましくは、バイポーラプレート１０の面１４および１６は、実質的に同じ大きさおよび形状を有する。第１の面１４（あるいは第２の面１６）の形状は、角を有するか、曲線を有する、あるいはそれらが混合した形状であり得る。第１の面１４（あるいは第２の面１６）は、たとえば、長方形、三角形、台形、多角形、円形あるいは楕円形であってよい。第１の面１４（あるいは第２の面１６）の幅、長さあるいは直径は、約５ｍｍ〜約500ｍｍ、約10ｍｍ〜約300ｍｍ、約15ｍｍ〜約200ｍｍ、約20ｍｍ〜約100ｍｍ、あるいは約25ｍｍ〜約90ｍｍの任意の範囲を有してよい。
【００１７】
燃料電池スタック２２の構造的な安定性を保持するために、バイポーラプレート１０は、燃料電池スタック２２の他の構成要素の熱膨張率と厳密に一致する熱膨張率を有することが好ましい。ある実施態様では、バイポーラプレート１０は、その内部で大きな温度勾配が増大されるのを防ぐために十分に大きな熱伝導率を有する材料から形成され得る。その他のある実施態様では、バイポーラプレート１０は、それが加熱される際に、温度の急激な上昇を促進するために十分に小さな熱容量を有する材料から形成され得る。
【００１８】
本発明のある実施態様において、バイポーラプレート１０は、半導性材料であり得る。本明細書で説明されるパラメータの範囲内で、半導性材料として、所望通りの、及び／又は特定の燃料電池の用途に適したIV族の半導体、III〜Ｖ族の半導体、あるいはII〜VI族の半導体のいずれかが使用され得ることは理解されたい。例えば、IV族の半導体には、ケイ素、ゲルマニウム及びシリコン・ゲルマニウム化合物が包含され得、III〜Ｖ族の半導体には、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、アンチモン化インジウム、ヒ化ガリウムアルミニウム及びリン化インジウムガリウムなどのアルミニウム、ガリウム、インジウム、リン、ヒ素及びアンチモンの化合物が包含され得、II〜VI族の半導体には、テルル化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化カドミウム、テルル化亜鉛カドミウムなどの亜鉛、カドミウム、硫黄、セレンおよびテルルの化合物が包含され得る。
【００１９】
本発明の半導性材料は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、ビスマス、あるいはそれらの混合物でドーピングされてもよい。当分野においてよく知られるように、半導性材料の電気抵抗率は、ドーパントの特性及び／又は濃度を変更することにより調整することができる。半導性材料は、所望通りの、及び／又は特定の燃料電池の用途に適した任意の濃度の任意のドーパントを含む場合がある。半導性材料は、燃料電池運転温度において、バイポーラプレート１０の抵抗率が、約0.0001Ω・ｃｍ〜約100Ω・ｃｍ、約0.001Ω・ｃｍ〜約80Ω・ｃｍ、約0.01Ω・ｃｍ〜約70Ω・ｃｍ、約0.05Ω・ｃｍ〜約60Ω・ｃｍ、約0.1Ω・ｃｍ〜約50Ω・ｃｍ、約0.1Ω・ｃｍ〜約40Ω・ｃｍ、あるいは約0.2Ω・ｃｍ〜約30Ω・ｃｍの範囲内となるようにドーピングされてよい。
【００２０】
燃料電池スタック２２の燃料電池１８と２０との間に電気的接触を設けることに加えて、本発明のバイポーラプレート１０は、アノード２４の面上全体にわたって燃料流体が、カソード３２の面上全体にわたって酸化用の流体が分散されるように設計される。ここで再び図１を参照すると、この流体の分散を達成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は少なくとも１つのフローチャネル３６を含み、フローチャネル３６は、燃料の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。バイポーラプレート１０の第２の面１６も、少なくとも１つのフローチャネル３８を含み、そのフローチャネル３８は酸化用の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。
【００２１】
燃料電池スタック２２の燃料電池１８と２０との間に電気的接触を設けることに加えて、本発明のバイポーラプレート１０は、陽極２４の面上全体にわたって燃料流体が、陰極３２の面上全体にわたって酸化用の流体が分散されるように設計される。ここで再び図１を参照すると、この流体の分散を達成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は少なくとも１つのフローチャネル３６を含み、フローチャネル３６は、燃料の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。バイポーラプレート１０の第２の面１６も、少なくとも１つのフローチャネル３８を含み、そのフローチャネル３８は酸化用の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。
【００２２】
図１に（さらに図３および図４にも）示されるように、バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）上の１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）は、その間にプラトー４０（あるいは４２）を画定する。バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）の面の領域は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）と、プラトー４０（あるいは４２）に分割されることは理解されよう。また、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）によって閉じ込められる燃料（あるいは酸化用）流体の容積は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の幅および深さによってある程度決定されることも理解されよう。さらに、プラトー４０（あるいは４２）の表面の領域は、第１の面１４（あるいは第２の面１６）の表面領域の、アノード２４（あるいはカソード２６）と接触するように適合される部分を、ある程度決定することも理解されよう。さらに、プラトー４０（あるいは４２）の表面積は、フローチャネル３６（あるいは３８）の幅によって、かつ第１の面１４（あるいは第２の面１６）に関連するフローチャネル３６（あるいは３８）の数によって、ある程度決定されることも理解されよう。
【００２３】
バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）とアノード２４（あるいはカソード３２）との間の接触表面積が大きいことの利点には、スタック２２の燃料電池１８あるいは２０間の導電率が大きくなること、およびスタック２２の物理的な支持が良好になることが含まれる。しかしながら、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の深さを増やさない場合、あるいは１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の断面形状を変化させない場合、大きな接触表面積は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の流量を自動的に小さいものにし、それゆえ、アノード２４（あるいはカソード３２）上の良好な流体の流れに対して不利に働く。従って、２つ以上のフローチャネル３６（あるいは３８）が存在する場合、そのフローチャネル３６（あるいは３８）の幅、深さ、経路あるいは断面形状と、フローチャネル３６（あるいは３８）の数の選択は、常に、スタック２２の燃料電池１８と２０との間の十分な電気的接触の達成と、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の十分な流体の流れの達成との間において妥協を要するであろう。
【００２４】
バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）と陽極２４（あるいは陰極３２）との間の接触表面積が大きいことの利点には、スタック２２の燃料電池１８あるいは２０間の導電率が大きくなること、およびスタック２２の物理的な支持が良好になることが含まれる。しかしながら、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の深さを増やさない場合、あるいは１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の断面形状を変化させない場合、大きな接触表面積は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の流量を自動的に小さいものにし、それゆえ、陽極２４（あるいは陰極３２）上の良好な流体の流れに対して不利に働く。従って、２つ以上のフローチャネル３６（あるいは３８）が存在する場合、そのフローチャネル３６（あるいは３８）の幅、深さ、経路あるいは断面形状と、フローチャネル３６（あるいは３８）の数の選択は、常に、スタック２２の燃料電池１８と２０との間の十分な電気的接触の達成と、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の十分な流体の流れの達成との間において妥協を要するであろう。
【００２５】
第１の面１４（あるいは第２の面１６）に関して、数の少ない、より幅の広いフローチャネル３６（あるいは３８）の代わりに、数の多い、より幅の狭いフローチャネル３６（あるいは３８）を有することの利点の１つは、固定の流量（フローチャネル３６（あるいは３８）内に閉じ込められる容積として定義される）の場合、電極と、燃料流体あるいは酸化用流体との間の接触のためのより大きな表面積、それゆえより大きな反応を提供することである。しかしながら、幅の狭いフローチャネルに沿った圧力降下は、幅のより広いフローチャネルの場合よりも大きいため、幅のより狭いフローチャネルにおいて同じ流速を保持することは、より大きなエネルギー入力を必要とするであろう。それゆえ、第１の面１４（あるいは第２の面１６）に付随するフローチャネルの寸法および数を決定することには、電極と燃料流体あるいは酸化用流体との間の十分な接触の達成と、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の十分な流体の流れの達成との間には、やはり妥協が伴うであろう。
【００２６】
図示されてはいないが、１つあるいは複数のフローチャネル３６の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールド（簡略化するために図示されない）に取り付けてもよく、この場合、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールドはまた、外部フローシステム（簡略化するために図示されない）に接続され、外部フローシステムはアノード２４への燃料の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することは理解されよう。１つあるいは複数のフローチャネル３８の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、別々の外部フローシステム（簡略化するために同じく図示せず）に接続してもよく、この場合、外部フローシステムは、カソード３２への酸化剤の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することもまた理解されよう。流体のフローシステム並びに注入マニホールドおよび排出マニホールドの設計には、スタック２２の中央に向かって配置されるより熱い燃料電池から、スタック２２の末端に向かって配置されるより冷たい燃料電池まで、燃料（あるいは酸化剤）フローシステムを介して熱を伝達する熱交換システムを包含し得る。そのような設計は、スタック２２にわたって温度勾配を低減し、それゆえ、燃料電池の故障の危険性を最小限に抑える。フローチャネルをフローマニホールドおよびフローシステムに接続するための種々の設計が当分野において開示されており、例えば、前述のLarminie等によるFuel Cell Systems Explainedを参照されたい。
【００２７】
図示されてはいないが、１つあるいは複数のフローチャネル３６の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールド（簡略化するために図示されない）に取り付けてもよく、この場合、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールドはまた、外部フローシステム（簡略化するために図示されない）に接続され、外部フローシステムは陽極２４への燃料の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することは理解されよう。１つあるいは複数のフローチャネル３８の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、別々の外部フローシステム（簡略化するために同じく図示せず）に接続してもよく、この場合、外部フローシステムは、陰極３２への酸化剤の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することもまた理解されよう。流体のフローシステム並びに注入マニホールドおよび排出マニホールドの設計には、スタック２２の中央に向かって配置されるより熱い燃料電池から、スタック２２の末端に向かって配置されるより冷たい燃料電池まで、燃料（あるいは酸化剤）フローシステムを介して熱を伝達する熱交換システムを包含し得る。そのような設計は、スタック２２にわたって温度勾配を低減し、それゆえ、燃料電池の故障の危険性を最小限に抑える。フローチャネルをフローマニホールドおよびフローシステムに接続するための種々の設計が当分野において開示されており、例えば、前述のLarminie等によるFuel Cell Systems Explainedを参照されたい。
【００２８】
ここで図５を参照すると、ある実施態様では、バイポーラプレート１０がさらに、内部注入フローマニホールド５８（あるいは６２）と、内部排出フローマニホールド６０（あるいは６４）とを含み得ることはさらに理解されよう。そのような実施態様は、図１のバイポーラプレートを外部フローマニホールドと接続することに付随する問題点（例えば、外部封止等）を低減するであろう。図５に示されるように、燃料流体を、内部注入フローマニホールド５８（あるいは６２）を介して、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）に汲み上げる（外部フローシステムを介して）ことができ、その後、内部排出フローマニホールド６０（あるいは６４）を介して排出される。
【００２９】
フローチャネル３６の特徴とフローチャネル３８の特徴（例えば、幅、深さ、断面形状、数および経路）とは独立していることをさらに理解されたい。ある実施態様において、フローチャネル３６の特徴とフローチャネル３８の特徴のいくつか、あるいは全てが実質的に同じであってよい。しかしながら、別の実施態様においては、フローチャネル３６の特徴とフローチャネル３８の特徴のいくつか、あるいは全てが実質的に異なっていてよい。好ましい実施態様では、フローチャネル３６、フローチャネル３８のそれぞれの幅、深さ、断面形状および数は実質的に同じであってよい。図１に示されるように、そのような実施態様では、フローチャネル３６の経路とフローチャネル３８の経路は、例えば、直線で、互いに垂直であり得る。他の実施態様では、フローチャネル３６の経路とフローチャネル３８の経路は、直線で、互いに平行であってよい。そのような平行な実施態様では、フローチャネル３６内の流れとフローチャネル３８内の流れは、同じ方向の流れか、逆方向の流れであってよい。
【００３０】
２つ以上のフローチャネル３６（あるいは３８）が第１の面１４（あるいは第２の面１６）と組み合わされるとき、フローチャネル３６（あるいは３８）の特徴はまた、独立であることもさらに理解されたい。ある実施態様では、フローチャネル３６（あるいは３８）のいくつか、あるいは全てが実質的に同じであってよい。図１に示されるように、そのような実施態様では、フローチャネル３６（あるいは３８）の経路は直線であり、互いに平行であり得る。他の実施態様では、フローチャネル３６（あるいは３８）の特徴のいくつかあるいは全てが実質的に異なってもよい。
【００３１】
ある実施態様において、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）と、プラトー４０（あるいは４２）とを含む第１の面１４（及び／又は第２の面１６）はさらに、金などの貴金属でコーティングされ得る。非反応性の貴金属層の存在が、バイポーラプレート１０の第１の面１４及び／又は第２の面１６上に絶縁酸化物層が形成されるのを防ぐ際に有利にはたらく場合があることは当業者には理解されよう。
【００３２】
本明細書において説明されるパラメータの範囲内で、第１の面１４の１つあるいは複数のフローチャネル３６によって閉じ込められる燃料の気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルには、所望通りの、及び／又は特定の燃料電池の用途に適した任意の燃料が包含され得ることは理解されたい。当分野においてよく知られているように、燃料電池用の燃料の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルは、水素、一酸化炭素、アンモニア、水、アルカリ金属の水素化物、アルコール、炭化水素、あるいはそれらの混合物を含み得る。好ましいアルカリ金属の水素化物には、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化アルミニウム、水素化カルシウム、水素化カリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、および水素化ホウ素アルミニウムが包含される。好ましいアルコールには、メタノールとエタノールが包含される。好ましい炭化水素にはメタン、エタン、ブタン、プロパンおよびペンタンが包含される。好ましい炭化水素混合物は、炭化水素改質油混合物、ガソリン、灯油、ディーゼル油および天然ガスを包含する。
【００３３】
また、本明細書において説明されるパラメータの範囲内で、第２の面１６の１つあるいは複数のフローチャネル３８によって閉じ込められる酸化用の気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルには、所望通りの、及び／又はある特定の燃料電池の用途に適した任意の酸化剤が包含され得ることも理解されたい。当分野においてよく知られているように、燃料電池用の酸化用の気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルは、空気、酸素、過酸化水素、水、一酸化二窒素、あるいはそれらの混合物を包含し得る。
【００３４】
本発明の実施態様において、バイポーラプレート１０の第１の面１４のフローチャネル３６は、燃料をその場で改質できるようにするために、改質触媒１５でコーティングされてよい。フローチャネル３６は、実質的に全長にわたってをコーティングされるか、あるいはその長さのある部分を選択的にコーティングされてよい。改質触媒は、自然に発生する燃料（例えば、アンモニア、メタノール、メタン、ガソリン、灯油、ディーゼル油等）を水素に変換するのを容易にし、これらには、白金、ルテニウム、ロジウム、ニッケル、セリウム、鉄、クロム、コバルト、マンガン、銅、アルミニウム、およびそれらの酸化物が包含される。
【００３５】
ここで図６を参照すると、バイポーラプレート１０はさらに、バイポーラプレート１０内部を貫通する導管（孔）５０を含む場合がある。孔５０は、所望通りの、及び／又はある特定の用途に適した任意の断面形状および寸法を有しよく、その断面形状は、孔５０の経路に対して直角に見た断面の輪郭として定義される。好ましい実施態様では、孔５０は、円形の断面形状と、概ね管状の形状を有する。孔５０は、バイポーラプレート１０の寸法に応じて、任意の断面寸法（たとえば、幅あるいは直径）を有しよい。孔５０の断面寸法は、約１μｍ〜約2,000μｍ、約１μｍ〜約1,000μｍ、約10μｍ〜約500μｍ、約20μｍ〜約500μｍ、約50μｍ〜約500μｍ、約100μｍ〜約400μｍ、あるいは約150μｍ〜約300μｍの任意の寸法の範囲内にあることが好ましい。孔５０はバイポーラプレート１０内部を貫通する任意の経路であってよく、例えば、そのような経路は実質的に直線であるか、あるいは蛇行してよい。ある実施態様では、本発明のバイポーラプレート１０は複数の孔５０を含み得る。フローチャネル３６とフローチャネル３８の場合と同様に、１つあるいは複数の孔５０はそれぞれが少なくとも１つの注入領域と少なくとも１つの排出領域とを含むことにより、１つあるいは複数の孔５０が、注入マニホールドおよび排出マニホールド（再び簡単にするために図示されない）に接続され、さらにそれらがフローシステム（簡単にするために図示せず）に接続される。
【００３６】
ある実施態様では、孔５０は、温度調整孔であり得る。孔５０は、例えば、冷却用流体が流れるように適合されてよい。燃料電池内で生じる電気化学反応は発熱反応であり、その結果、燃料電池の設計において、熱管理は重要な役割を果たす。バイポーラプレート１０の孔５０内に、外部で冷却された流体を流すことにより、廃熱が燃料電池スタック２２から迅速かつ効率的に除去されるようになる。燃料電池スタック２２の燃料電池の孔５０が、任意の既知の取り付け方法により、互いに、かつフローシステムに、さらには冷却システムに接続され得ることは理解されよう。例えば、燃料電池スタック２２のマニホールドとフローシステムとを、冷却液が、端部に向かって配置されるバイポーラプレートを通過する前に、燃料電池スタック２２の中心に向かって配置されるバイポーラプレートを通過するように設計することは、当業者には想定できよう。フローチャネル３６とフローチャネル３８に関して先に記載したように、そのような設計は、燃料電池スタック２２の熱点と冷点との間の温度勾配を低減するであろう。
【００３７】
他の実施態様では、孔５０を、加熱用の流体が流れるように適合してよい。燃料電池は、周囲温度を超える温度（たとえば、陽子交換膜燃料電池の場合の60℃〜80℃から固体酸化物燃料電池の場合の800℃〜1000℃）で作動するため、典型的には、燃料電池は使用できるようになる前に予熱が必要である。これは、燃料電池を連続ベース（たとえば、発電施設などの定常用途で）で運転させるときに、そのような問題がない場合もあるが、燃料電池が断続的（例えば、自動車、電子装置等の移動用の用途）に使用されるときには制約となる。バイポーラプレート１０の孔５０内に、外部で加熱された流体を流すことにより、燃料電池が低電圧状態であるか、スタンバイ状態にあるときに燃料電池を急速に予熱するか、温度を保持することができる。
【００３８】
冷却用あるいは加熱用の流体として、液体、蒸気あるいは気体が使用され得る。気体は取り扱いやすいが、液体より大きな孔を必要とする傾向がある。加熱用および冷却用の流体は、空気、窒素、希ガス元素、水、油、あるいはそれらの混合物を含み得る。ある実施態様では、燃料流体あるいは酸化用の流体を、バイポーラプレート１０の温度調整孔５０内の経路に流してよい。
【００３９】
バイポーラプレート１０は、１つの、あるいは複数の温度調整孔５０を含む場合があることは理解されよう。また、燃料電池スタック２２内の全てのバイポーラプレート１０が必ずしも温度調整孔５０を含むとは限らないことも理解されよう。また、１つあるいは複数の温度調整孔５０に、異なる目的を果たすための同じ流体を、あるいは同じ目的を果たすための異なる流体を、あるいは別々の時点において異なる目的を果たすための異なる流体を流すことができることも理解されよう。たとえば、スタックが予熱モードにあるときに、ある特定の加熱用の流体を使用し、その後、一旦スタックが運転モードに移った場合に異なる冷却用の流体を使用することが有利な場合がある。
【００４０】
１つ、あるいは複数の温度調整孔５０は、一体化された伝熱式熱交換器２３を形成するように設計されてもよい。本発明の伝熱式熱交換器２３は、例えば、燃料電池スタック２２内の電気化学反応によって生成される熱を、燃料流体を改質するバイポーラプレート１０（あるいは燃料電池スタック２２）の領域に効率的に移動させることができるであろう。図７に示されるように、そのような設計は、たとえば、フローチャネル３６の注入領域４６に実質的に平行な、かつ近接した経路に沿って温度調整孔５０の排出口を通過させることを含んでよい。
【００４１】
好ましい実施態様では、孔５０は、燃料改質用の孔であり得る。そのような実施態様では、孔５０の内側表面は、フローチャネル３６について先に記載されたように、好ましくは改質触媒１５でコーティングされ得る。燃料改質用の孔５０の存在において、燃料改質用孔５０とフローチャネル３６とを接続するフローマニホールドを形成することが想定される。そのような実施態様では、燃料流体が、そこで適当な触媒の存在下で内部改質プロセスが生じる燃料改質用孔５０内を初めに通ってよく、また、生成された水素はフローチャネル３６内を通るであろう。ある実施態様では、そのようなフローマニホールドは、例えば、窒素、硫黄、硫黄酸化物、一酸化炭素あるいは二酸化炭素などの、改質からの不要な生成物あるいは毒を除去するように適合されたフィルタをさらに含んでよい。未反応の燃料が放出される可能性を最小限に抑えるために、ある実施態様では、バイポーラプレート１０は、一旦フローチャネル３６を出た燃料流体と酸化剤流体を収容するように適合された孔５０内に含まれる、「排出」燃料触媒による燃焼器をさらに含んでよい。この場合、孔５０は、外部環境への最終的な排出の前に、その上で燃料および酸化剤の完全な反応が起こり得る触媒表面を提供する。この触媒反応から発生する熱は、スタック温度の保持のため、反応物の予熱のため、あるいはスタックを始動時に加熱し、それにより開始温度の度合いを高めるための有利に用いることができる。
【００４２】
ある実施態様では、本発明のバイポーラプレート１０は、温度調整孔５０と、別の改質用孔５０とを両方含む場合があることは理解されたい。さらに、他の実施態様では、温度調整孔５０と、改質用孔５０とは１つであり、同じ孔５０であってもよいことは理解されたい。
【００４３】
ある実施態様では、本発明のバイポーラプレート１０は、温度調整導管５０と、別の改質用導管５０とを両方含む場合があることは理解されたい。さらに、他の実施態様では、温度調整導管５０と、改質用導管５０とは１つであり、同じ導管５０であってもよいことは理解されたい。
【００４４】
本発明の実施態様では、バイポーラプレート１０はさらにセンサ１７を含んでよい。センサ１７は、バイポーラプレート１０の本体内に、あるいはバイポーラプレート１０の面上に配置されてよい。好ましい実施態様では、センサ１７はバイポーラプレート１０に埋設されるか、プラトー４０（または４２）あるいはフローチャネル３６（または３８）内に収容されるか、あるいは孔５０内に埋設される。燃料電池の性能は、温度、圧力、流体の流速、燃料電池の化学的組成、酸化用の流体の化学的組成、毒の濃度、電解質容積等を含む多数の複合的なパラメータに依存する。これらのパラメータをモニタする能力、およびパラメータの変動を外部のフィードバック機構に組み込んで一体化する能力は、例えば、燃料電池の信頼性および効率を改善し、燃料電池スタックの始動および停止を容易にし、電力出力過渡を制御できるようにし、種々の安全装置（例えば、ヒュージブルリンク）の包含及び制御を提供するであろう。好ましいセンサ１７は、約１μｍ〜約200μｍ、約１μｍ〜約100μｍ、約１μｍ〜約50μｍ、約５μｍ〜約50μｍ、約10μｍ〜約50μｍ、あるいは約15μｍ〜約40μｍの範囲の寸法を有する超小型センサである。
【００４５】
センサ１７には、例えば、機械センサ（たとえば、ピエゾ抵抗器、共振センサ、容量センサ等）、温度センサ（例えば、サーミスタ、熱電対等）、磁気センサ（例えば、ホール効果センサ）、電気センサ（例えば、電圧センサ）、化学センサ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴセンサ、ＩＳＦＥＴセンサ、光ファイバ化学センサ等）、あるいは放射線センサ（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、焦電センサ等）が使用され得る。センサ１７は、これらに限定されないが、フローチャネル３６（または３８）あるいは孔５０内の圧力、フローチャネル３６（または３８）あるいは孔５０内の流体速度、バイポーラプレート１０の温度、フローチャネル３６（または３８）あるいは孔５０内の水素、酸素、水、水素イオン、過酸化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫黄、硫黄酸化物、メタノール、エタノール、メタン、エタン、ブタン、プロパン、あるいはペンタンの濃度、あるいは特定の基準電位を考慮して測定されるようなスタック内の１つのセルあるいは１組のセルの電圧か含むパラメータを測定するように適合され得る。
【００４６】
センサ１７には、例えば、機械センサ（たとえば、ピエゾ抵抗器、共振センサ、容量センサ等）、温度センサ（例えば、サーミスタ、熱電対等）、磁気センサ（例えば、ホール効果センサ）、電気センサ（例えば、電圧センサ）、化学センサ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴセンサ、ＩＳＦＥＴセンサ、光ファイバ化学センサ等）、あるいは放射線センサ（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、焦電センサ等）が使用され得る。センサ１７は、これらに限定されないが、フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の圧力、フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の流体速度、バイポーラプレート１０の温度、フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の水素、酸素、水、水素イオン、過酸化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫黄、硫黄酸化物、メタノール、エタノール、メタン、エタン、ブタン、プロパン、あるいはペンタンの濃度、あるいは特定の基準電位を考慮して測定されるようなスタック内の１つのセルあるいは１組のセルの電圧か含むパラメータを測定するように適合され得る。
【００４７】
圧力は、薄膜からなるセンサ１７を用いて測定され得る。密閉された（好ましくは真空の）空胴が膜の片側に配置され、膜の他の側は、測定する圧力に暴露される。例えば、ピエゾ抵抗器あるいは容量センサを用いて、膜の変形をモニタすることができる。ピエゾ抵抗器は、ある材料が歪んだ状態になった際に生じる抵抗の変動を検出する。容量センサは、コンデンサの平板を隔てている距離が変化する際に生じる静電容量変動を検出する。
【００４８】
フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の流体の流速は、タービンなどの液圧素子からなるセンサ１７で測定することができる。別法では、流体の流速は、加熱素子（たとえば抵抗素子）からなるセンサ１７を用いてモニタすることができる。そのようなセンサ１７は、流体がセンサに入る点と、流体がセンサを離れる点（すなわち流体が加熱素子上を通過した後）との間の流体の温度上昇が、質量流量に比例するという事実に依存する。
【００４９】
当分野においてよく知られているように、温度依存抵抗を有する材料（たとえば、半導体だけでなく白金などの金属）から形成されるサーミスタを用いて温度を測定することができる。別法では、２つの異なる半導性あるいは導電性材料（たとえば、銅および鉄）から形成される回路を含む熱電対あるいはサーモパイルを用いて温度を測定することができる。
【００５０】
化学センサ１７は、典型的には、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）あるいはＩＳＦＥＴ派生素子（たとえば、ＭＥＭＦＥＴ、ＳＵＲＦＥＴあるいはＣＨＥＭＦＥＴ）などの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に基づく。別法では、化学センサ１７は、化学物質の濃度を、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）が放出する照射線の特定の波長の吸光度によってモニタする、光ファイバ素子を含んでもよい。
【００５１】
これらの例は本発明に含まれ得るセンサ１７の範囲およびタイプを限定することを意図していないこと、およびバイポーラプレート１０は所望通りの、及び／又はある特定の用途に適した任意のセンサ１７を含んでよいことは理解されよう。
【００５２】
本発明のバイポーラプレート１０が、任意の燃料電池スタック２２に組み込まれ得ること、および本発明のバイポーラプレート１０を含む燃料電池スタック２２が任意の電源１９内に組み込まれ得ることは理解されたい。図９に示されるように、本発明の燃料電池スタック２２を含む任意の電源１９を用いて、任意の装置６８に電力を供給することができることは、さらに理解されたい。好ましくは、装置６８は、たとえば、ラップトップコンピュータ、ラジオ、ＣＤプレーヤ、ビデオカメラ、移動電話、無線装置、電動工具などのポータブル電子装置である。
【００５３】
図１０に概略的に示されるように、本発明のバイポーラプレート１０を製造する方法は、(a)第１の面１４および第２の面１６を有する基板７０を設けるステップと、(b)第１の面１４および第２の面１６に、流体のフローチャネル３６および３８をそれぞれエッチングするステップとを含む。ある実施態様において、基板７０は、IV族の半導体、III〜Ｖ族の半導体あるいはII〜VI族の半導体などの半導性材料である。好ましい実施態様では、半導体基板７０は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、リン、ヒ素、アンチモン、あるいはビスマスでドーピングされる。他の実施態様では、基板７０は、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、クロム、タングステン、炭素、コバルト、チタン、あるいはそれらの合金などの金属である。さらに別の実施態様では、基板７０は炭素材料、好ましくはグラファイトである。
【００５４】
図１１に示されるように、ある実施態様では、流体のフローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップの前に、(i)少なくとも１つのマスク２１を基板７０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）に適用するステップと、(ii)その少なくとも１つのマスク２１をフォトリソグラフィによってパターニングするステップとが行われる。当分野においてよく知られているように、パターニングされたマスクは一般に、基板上にパターンをエッチングできるようにするために用いられる。マスク２１は、ハードマスクあるいはソフトマスクであってよい。本発明の方法によれば、任意の適当なハードマスクあるいはソフトマスクが使用され得ることは理解されたい。ハードマスクは典型的には、基板材料の酸化物、炭化物あるいは窒化物（たとえば、シリコン基板の場合には窒化シリコンのマスク）、化学的に類似の材料の酸化物、炭化物あるいは窒化物（たとえば、ヒ化ガリウム基板用の酸化アルミニウムマスク）、あるいは金属（たとえば、アルミニウム、チタン、クロムおよびニッケル）である。ソフトマスクは典型的には、可視光あるいは紫外線に対して露光されると弱くなるか（ポジ型レジスト）あるいは強くなり（ネガ型レジスト）、その後、適当な現像液で処理される際に選択的に除去される感光性ポリマーである。ハードマスクは、基板７０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）上に成長させることができる。好ましい実施態様では、ハードマスクを適用するステップは、スパッタ、化学気相成長、蒸着あるいはそれらの組み合わせによって実行される。好ましい実施態様では、ソフトマスクを適用するステップは、スピンコート、ディップコートあるいはドライフィルムラミネートによって実行される。
【００５５】
一旦、基板７０にマスク２１が適用されると、マスク２１をパターニングするステップが、任意の既知のフォトリソグラフィ技術によって実行され得る。当分野においてよく知られているように、ソフトマスクは典型的には、クロム／ガラスマスク、あるいはクロム／石英マスクを介して照射することによって直接パターニングされ、一方、ハードマスクは通常、ソフトマスクの場合によりさらに多くの処理を必要とする。
【００５６】
ある実施態様では、(i)少なくとも１つのマスク２１を基板７０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）に適用するステップと、(ii)その少なくとも１つのマスク２１をフォトリソグラフィによってパターニングするステップの後に続いて、暴露された基板７０にホウ素をドーピングするステップと、さらにその後、流体のフローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップとが行われ得る。当分野においてよく知られているように、シリコンなどの材料の、水酸化カリウムあるいは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のようなエッチング剤によるエッチングは、高濃度のホウ素ドーパントが存在する場合に、低速になるか、停止される場合がある。ホウ素濃度に依存するエッチングを用いることにより、エッチングプロセスを有利に制御できることは理解されよう。当分野においてよく知られているように、ホウ素ドーピングは、イオン注入、高温拡散あるいはそれらの組み合わせによって達成され得る。
【００５７】
フローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップは、任意の既知のウエットエッチングあるいはプラズマエッチング手段により実行され得る。フローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップは、たとえば、ウエット異方性エッチング剤、ウエット等方性エッチング剤、プラズマ異方性エッチング剤、プラズマ等方性エッチング剤、あるいはそれらの任意の組み合わせの使用を含んでよい。採用される具体的なエッチング手段は、(I)基板７０の性質、(II)マスク２１の性質、(III)エッチングステップの所望のタイムスケール、(IV)フローチャネルの所望の寸法（たとえば、幅および深さ）、(Ｖ)フローチャネルの所望の断面形状（たとえば、角を有するか、曲線を有するか）および(VI)付随するコスト、に依存することになることは理解されよう。
【００５８】
当分野においてよく知られているように、等方性エッチング剤は、エッチングされる材料を全ての方向において同じ速度で侵蝕し、結果として、丸みを帯びた断面形状を有するエッチング作用を生成する傾向がある。一方、異方性エッチング剤は、エッチングされる材料を種々の方向において異なる速度で侵蝕するため、比較的垂直な、あるいは角を有する断面形状を有するエッチング作用を生成するのに使用される。
【００５９】
ウエットエッチング剤は典型的には、酸あるいはアルカリである。これらに限定されるものではないが、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、酢酸、リン酸、過酸化水素、およびそれらの混合物が、シリコン基板をエッチングするために一般に用いられるウエット等方性エッチング剤の例である。又、これらに限定されるものではないが、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化セリウム、エチレンジアミン、ピロカテコール、あるいは水溶性の塩化鉄が、シリコン基板をエッチングするために一般に用いられるウエット異方性エッチング剤の例である。さらに電気化学エッチング剤も、本発明により使用され得るウエットエッチング剤の例である。
【００６０】
プラズマは、イオン、電子および中性粒子からなる高度にイオン化された気体である。シリコンをエッチングするために用いられるプラズマは典型的には、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、テトラフルオロメタン、トリフルオロメタン、ジクロロジフルオロメタン、トリフルオロヨードメタン、パーフルオロエタン、パーフルオロプロパンおよびパーフルオロシクロブタンなどのフッ素化合物を含む。アルミニウムをエッチングするために用いられるプラズマは、多くの場合に、三塩化ホウ素及び／又は塩化ホウ素を含み、一方、塩化鉄プラズマは一般にステンレス鋼材料をエッチングするために用いられる。プラズマエッチング剤において用いられる他の化合物には、これらに限定はしないが、アルゴン、酸素および水素が含まれる。
【００６１】
当分野においてよく知られているように、別法では、フローチャネル３６（あるいは３８）は、パルス型エキシマレーザからの紫外線で、クロム／石英マスク（レンズなどの光学物がさらに介在する場合も、介在しない場合もある）を介して基板７０を直接照射することにより形成され得る。
【００６２】
本発明の方法は、基板７０を貫通する孔５０を形成するステップをさらに含み得る。先に記載されたように、冷却用の流体を収容するように適合される場合には、孔５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を冷却することができる。別法では、加熱用の流体を収容するように適合される場合には、孔５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を加熱することができる。ある実施態様では、孔５０を形成するステップは、エッチングにより実行され得る。さらに、別法において、図１２に示されるように、好ましい実施態様では、孔５０を形成するステップは、対向する２つの基板７０の表面上に相補形の溝７２をエッチングし、その後、次のステップにおいてその表面を結合し、管状の孔５０を形成することにより実行してもよい。ある範囲の金属、炭素および半導体結合技術が当分野において知られており、これらは、限定されるものではないが、接着結合、アノード結合、共晶結合、溶融結合、ハンダ付け、マイクロ波結合および熱圧着を含む。他の実施態様では、孔５０を形成するステップは、穿孔、砥粒加工（すなわち、サンドブラスト）、レーザ加工あるいはレーザアブレーションによって実行され得る。図５に示される内部注入口フローマニホールド５８（あるいは６２）および内部排出口フローマニホールド６０（あるいは６４）は、本発明の孔５０を形成するための上記の方法における任意の方法によって形成し得ることは理解されたい。
【００６３】
本発明の方法は、基板７０を貫通する導管５０を形成するステップをさらに含み得る。先に記載されたように、冷却用の流体を収容するように適合される場合には、導管５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を冷却することができる。別法では、加熱用の流体を収容するように適合される場合には、導管５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を加熱することができる。ある実施態様では、導管５０を形成するステップは、エッチングにより実行され得る。さらに、別法において、図１２に示されるように、好ましい実施態様では、導管５０を形成するステップは、対向する２つの基板７０の表面上に相補形の溝７２をエッチングし、その後、次のステップにおいてその表面を結合し、管状の導管５０を形成することにより実行してもよい。ある範囲の金属、炭素および半導体結合技術が当分野において知られており、これらは、限定されるものではないが、接着結合、陽極結合、共晶結合、溶融結合、ハンダ付け、マイクロ波結合および熱圧着を含む。他の実施態様では、導管５０を形成するステップは、穿孔、砥粒加工（すなわち、サンドブラスト）、レーザ加工あるいはレーザアブレーションによって実行され得る。図５に示される内部注入口フローマニホールド５８（あるいは６２）および内部排出口フローマニホールド６０（あるいは６４）は、本発明の導管５０を形成するための上記の方法における任意の方法によって形成し得ることは理解されたい。
【００６４】
本発明の方法はさらに、フローチャネル３６及び／又は孔５０を改質触媒１５でコーティングするステップを追加的に含んでよい。先に記載されたように、フローチャネル３６及び／又は孔５０内で燃料流体と流通する改質触媒１５の存在は、本発明のバイポーラプレート１０に内部改質能力を提供し得る。別法では、フローチャネルあるいは孔に関連する領域に適用される触媒を用いて、周囲環境に排出する前に、未反応の燃料を反応させることができる。当分野においてよく知られているように、そのコーティングステップは、これらに限定されるものではないが、スパッタ、化学気相成長、蒸着、電気メッキ、溶液堆積あるいはそれらの組み合わせを含む種々の技術を用いて実行してよい。方法の選択は当業者には明らかであり、(I)基板７０の性質、(II)触媒の性質、(III)フローチャネル３６あるいは孔５０の寸法、(IV)堆積される触媒の物理的特性、(Ｖ)付随するコスト、にほぼ依存するであろう。コーティングステップは、フローチャネル３６あるいは孔５０を形成するステップと一体化し得ることは理解されよう。例えば、エッチングプロセスを誘導するのに使用されるパターニングされたハードマスク２１を用いて、エッチングされたフローチャネル３６あるいは孔５０の選択的コーティングを誘導するのに有利に使用され得る。また、ある実施態様では、支持層（例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等）が、コーティングステップ前に、フローチャネル３６あるいは孔５０内部に堆積され得ることも理解されよう。当分野においてよく知られているように、ある触媒の性能は、それらが使用される支持体の化学的及び／又は物理的特性に大きく依存する。
【００６５】
本発明の方法はさらに、フローチャネル３６及び／又は導管５０を改質触媒１５でコーティングするステップを追加的に含んでよい。先に記載されたように、フローチャネル３６及び／又は導管５０内で燃料流体と流通する改質触媒１５の存在は、本発明のバイポーラプレート１０に内部改質能力を提供し得る。別法では、フローチャネルあるいは導管に関連する領域に適用される触媒を用いて、周囲環境に排出する前に、未反応の燃料を反応させることができる。当分野においてよく知られているように、そのコーティングステップは、これらに限定されるものではないが、スパッタ、化学気相成長、蒸着、電気メッキ、溶液堆積あるいはそれらの組み合わせを含む種々の技術を用いて実行してよい。方法の選択は当業者には明らかであり、(I)基板７０の性質、(II)触媒の性質、(III)フローチャネル３６あるいは導管５０の寸法、(IV)堆積される触媒の物理的特性、(Ｖ)付随するコスト、にほぼ依存するであろう。コーティングステップは、フローチャネル３６あるいは導管５０を形成するステップと一体化し得ることは理解されよう。例えば、エッチングプロセスを誘導するのに使用されるパターニングされたハードマスク２１を用いて、エッチングされたフローチャネル３６あるいは導管５０の選択的コーティングを誘導するのに有利に使用され得る。また、ある実施態様では、支持層（例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等）が、コーティングステップ前に、フローチャネル３６あるいは導管５０内部に堆積され得ることも理解されよう。当分野においてよく知られているように、ある触媒の性能は、それらが使用される支持体の化学的及び／又は物理的特性に大きく依存する。
【００６６】
本発明の方法はさらに、基板７０の本体内に配置されるか、あるいは基板７０の面上に配置される抵抗素子５６を形成するステップを含んでよい。先に記載されたように、本発明のバイポーラプレート１０を加熱、特に予熱するのに抵抗素子５６が有利に使用され得る。抵抗素子５６には、薄膜、厚膜あるいは拡散抵抗を使用してよく、任意の既知の処理技術により形成され得る。抵抗素子５６を形成するステップは、例えば、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、プラズマエッチング、イオン注入、高温拡散、ホウ素濃度依存エッチング、電気化学エッチング、ボンディング、リフトオフ、スピンコーティング、ディップコーティング、スパッタ、蒸着、電気メッキ、溶液堆積および化学気相成長のうちの１つあるいは複数の技術の組み合わせによって実行され得る。
【００６７】
本発明の方法はさらに、基板７０の本体あるいは表面からセンサ１７をマイクロマシニングするステップも含んでよい。先に記載されたように、本発明のバイポーラプレート１０に付随するセンサ１７の存在により、燃料電池スタック２２物理的および化学的パラメータのある範囲をモニタできるようになるであろう。その後、これらのパラメータのモニタを用いて、フィードバック機構を制御することができ、それゆえ、燃料電池スタック２２の安定性が助長されるであろう。当分野において知られている任意の本体及び／又は表面マイクロマシニング技術を用いて、本発明のセンサ１７を構成することもできる。センサ１７をマイクロマシニングするステップは、たとえば、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、プラズマエッチング、ホウ素濃度依存エッチング、電気化学エッチング、ボンディング、リフトオフ、スピンコーティング、ディップコーティング、スパッタ、蒸着、電気メッキ、溶液堆積および化学気相成長のうちの１つあるいは複数の技術の組み合わせによって実行され得る。
【００６８】
本明細書に説明されるパラメータの範囲内において、本発明のバイポーラプレート１０の上記の説明、およびバイポーラプレート１０を製造する本発明の方法の上記の説明は、本発明のエンドプレート１１（図２参照）にも適用され得ることは理解されたい。当分野においてよく知られているように、燃料電池スタック２２の本体内の隣接する燃料電池間に配置されるバイポーラプレート１０とは異なり、エンドプレート１１は、燃料電池スタック２２の端部に配置されるため、燃料電池アノード、あるいは燃料電池カソードのうちのいずれかと接触し、両方とは接触しないように設計される。結果として、プレートの両面にフローチャネルを備えることが好ましいバイポーラプレートとは異なり、エンドプレートは、集電表面を形成し、構造的なバックプレート６６（図２参照）と接触するように適合される、実質的に平坦な面１３と、燃料流体あるいは酸化用の流体のいずれかを閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含むフロー面１５とを含むことは理解されよう。バックプレート６６は、加圧下のスタック２２を保持するさらに別の構成要素（簡略化するために図示せず）を好ましく伴うことは理解されたい。また、本発明は、燃料電池スタック２２内に本発明のバイポーラプレート１０を組み込むステップを含む、任意の燃料電池スタック２２を製造する方法も含むことも理解されたい。
【００６９】
さらに、ある実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に、実質的に半導性又は導電性の電気接点を与えるように適応されることが好ましいが、他の実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に実質的に絶縁性の電気接点を与えるように適応され得ることも理解されたい。例えば、直列に接続される一群の燃料電池が、垂直（すなわち、図２の場合のように対面して）ではなく、水平（すなわち、並んで）に配列されることを当業者は想定できるであろう。そのような水平のスタックは、スタックの上側に配置される（酸化剤に接触し、燃料電池のカソードに酸化剤を供給するように適合される）第１のエンドプレートと、スタックの下側に配置される（燃料と接触し、燃料電池のアノードに燃料を供給するように適合される）第２のエンドプレートとを用いて完成させることができる。
【００７０】
さらに、ある実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に、実質的に半導性又は導電性の電気接点を与えるように適応されることが好ましいが、他の実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に実質的に絶縁性の電気接点を与えるように適応され得ることも理解されたい。例えば、直列に接続される一群の燃料電池が、垂直（すなわち、図２の場合のように対面して）ではなく、水平（すなわち、並んで）に配列されることを当業者は想定できるであろう。そのような水平のスタックは、スタックの上側に配置される（酸化剤に接触し、燃料電池の陰極に酸化剤を供給するように適合される）第１のエンドプレートと、スタックの下側に配置される（燃料と接触し、燃料電池の陽極に燃料を供給するように適合される）第２のエンドプレートとを用いて完成させることができる。
【００７１】
本発明のバイポーラプレートあるいはエンドプレートは、半導性あるいは導電性の本体と、複雑なフロー経路を有する細いフローチャネルおよび孔などの閉じた許容範囲を有する複雑な機構と、一体型の抵抗性加熱素子と、内部の触媒改質機構と、廃棄燃料触媒燃焼器と、一体型の熱交換構造と、概ね平坦で、歪みのない接触面と、一体型のセンサと、内部の伝熱式熱交換機構とを含み得る。
【００７２】
本発明のバイポーラプレートあるいはエンドプレートは、半導性あるいは導電性の本体と、複雑なフロー経路を有する細いフローチャネルおよび導管などの閉じた許容範囲を有する複雑な機構と、一体型の抵抗性加熱素子と、内部の触媒改質機構と、廃棄燃料触媒燃焼器と、一体型の熱交換構造と、概ね平坦で、歪みのない接触面と、一体型のセンサと、内部の伝熱式熱交換機構とを含み得る。
【００７３】
これらのオプションの機構の結果として、燃料電池スタック内に組み込まれる際に、本発明のバイポーラプレートおよびエンドプレートを用いて、温度、圧力、流速、化学的組成、電圧等の、燃料電池スタック内のある範囲のパラメータに関する情報をモニタし、かつ中継することと、フローチャネルあるいは導管内の燃料流体を改質することと、加熱用の流体を介して燃料電池を予熱することと、抵抗加熱素子を介して燃料電池スタックを予熱することと、冷却用の流体を介して燃料電池を冷却することとを含む、多数の新規の作業を実行することができる。
【００７４】
本発明の方法は、バイポーラプレートおよびエンドプレート設計に対する柔軟なアプローチを可能にする、ある範囲の集積処理技術（たとえば、薄膜および厚膜処理、エッチング、フォトリソグラフィ、マイクロマシニング等）を包含する。さらに、小規模な信頼性のある機構を製造する能力は、バイポーラプレートおよびエンドプレートの小型化を可能にし、それゆえ、小規模（たとえば、200Ｗ未満）のポータブル燃料電池システムのさらなる開発に理想的に適する。
【００７５】
以下に本発明の好ましい実施の態様を要約して示す。
１． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）であって、
第１の燃料電池（２０）のアノード（１８）に接触するように適合された上面（１４）と、第２の燃料電池（２４）のカソード（２２）と接触するように適合された下面（１６）とを有する半導体本体を含み、前記上面（１４）は、燃料の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３６）を含み、前記下面（１６）は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３８）を含む、バイポーラプレート。
２． 前記バイポーラプレート（１０）の前記上面（１４）上の前記フローチャネル（３６）が、改質触媒（１５）あるいは触媒燃焼器でさらにコーティングされる、上記１に記載のバイポーラプレート。
３． 前記バイポーラプレート（１０）が、そこを貫通する孔（５０）をさらに含む、上記１又は２に記載のバイポーラプレート。
４． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置され、かつ該バイポーラプレート（１０）を加熱するように適合される抵抗素子（５６）をさらに含む、上記１から３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
５． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置されるセンサ（１７）をさらに含む、上記１から４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
６． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）又はエンドプレート（１１）を製造する方法であって、
上面（１４）と下面（１６）とを有する基板（７０）を設けるステップと、
前記上面（１４）からフローチャネル（３６）をエッチングするステップと、及び
任意に、前記下面（１６）からフローチャネル（３８）をエッチングするステップとを含む方法。
７． 前記基板（７０）が、半導体、グラファイト又は金属である、上記６に記載の方法。
８． 前記フローチャネル（３６）の１つが、改質触媒（１５）又は触媒燃焼器でコーティングするステップをさらに含む、上記６又は７に記載の方法。
９． 孔（５０）を形成するステップをさらに含み、該孔（５０）は前記基板（７０）を貫通する、上記６から８のいずれかに記載の方法。
１０． 前記基板（７０）の本体からセンサ（１７）をマクロマシニングするか、あるいは前記基板（７０）の表面上にセンサ（１７）をマイクロマシニングするステップをさらに含む、上記６から９のいずれかに記載の方法。
【００７６】
以下に本発明の好ましい実施の態様を要約して示す。
１． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）であって、
第１の燃料電池（２０）の陽極（１８）に接触するように適合された上面（１４）と、第２の燃料電池（２４）の陰極（２２）と接触するように適合された下面（１６）とを有する半導体本体を含み、前記上面（１４）は、燃料の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３６）を含み、前記下面（１６）は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３８）を含む、バイポーラプレート。
２． 前記バイポーラプレート（１０）の前記上面（１４）上の前記フローチャネル（３６）が、改質触媒（１５）あるいは触媒燃焼器でさらにコーティングされる、上記１に記載のバイポーラプレート。
３． 前記バイポーラプレート（１０）が、そこを貫通する導管（５０）をさらに含む、上記１又は２に記載のバイポーラプレート。
４． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置され、かつ該バイポーラプレート（１０）を加熱するように適合される抵抗素子（５６）をさらに含む、上記１から３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
５． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置されるセンサ（１７）をさらに含む、上記１から４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
６． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）又はエンドプレート（１１）を製造する方法であって、
上面（１４）と下面（１６）とを有する基板（７０）を設けるステップと、
前記上面（１４）からフローチャネル（３６）をエッチングするステップと、及び
任意に、前記下面（１６）からフローチャネル（３８）をエッチングするステップとを含む方法。
７． 前記基板（７０）が、半導体、グラファイト又は金属である、上記６に記載の方法。
８． 前記フローチャネル（３６）の１つが、改質触媒（１５）又は触媒燃焼器でコーティングするステップをさらに含む、上記６又は７に記載の方法。
９． 導管（５０）を形成するステップをさらに含み、該導管（５０）は前記基板（７０）を貫通する、上記６から８のいずれかに記載の方法。
１０． 前記基板（７０）の本体からセンサ（１７）をマクロマシニングするか、あるいは前記基板（７０）の表面上にセンサ（１７）をマイクロマシニングするステップをさらに含む、上記６から９のいずれかに記載の方法。
【００７７】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、種々の燃料電池パラメータをモニタし、かつ制御できるようにする種々のセンサおよび装置をその中に組み込むことができるバイポーラプレートおよびエンドプレートと、そのバイポーラプレートおよびエンドプレートを製造する方法とが達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 簡単なバイポーラプレートの斜視図である。
【図２Ａ】 燃料電池スタックの側面図である。
【図２Ｂ】 燃料電池スタックの側面図である。
【図３】 簡単なバイポーラプレートの断面図である。
【図４】 蛇行した経路を有するフローチャネルを示すバイポーラプレートの平面図である。
【図５】 内部フローマニホルドを含むバイポーラプレートの斜視図である。
【図６】 孔及びセンサを含むバイポーラプレートの側面図である。
【図７】 内部伝熱式熱交換器を含むバイポーラプレートの斜視図である。
【図８】 抵抗加熱素子を含むバイポーラプレートの平面図である。
【図９】 燃料電池電源及び素子を含む回路の電気的な概略図である。
【図１０】 本発明の方法に含まれる最も簡単なステップを示すフローチャート図である。
【図１１】 パターニングされたマスクを使用するフローチャネルのエッチングを示す図である。
【図１２】 エッチングと、後続するボンディングとによる孔の形成を示す図である。
【図１３】 本発明の方法に含まれ得る任意のステップを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１０ バイポーラプレート
１１ エンドプレート
１４ 第１の面
１６ 第２の面
１８ 第１の燃料電池
２０ 第２の燃料電池
２４、３０ アノード
２６、３２ カソード
２８、３４ 電解質
３６、３８ フローチャネル
４０ プラトー
１５ 改質触媒
１７ センサ
５０ 孔
７０ 基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のためのバイポーラプレートおよびエンドプレート、ならびにそれらを作製する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電気化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、したがって電池と同じ役割を果たす。しかしながら、電池が切れて充電を必要とするような電池とは異なり、燃料電池は、セルに燃料が供給され続ける限り、電気を生成する。また燃料電池は非常に効率の高い装置でもある。たとえば、燃料電池は60％ほどの効率で燃料を有用なエネルギーに変換することができるのに対して、内燃機関は概ね40％またはそれ以下の効率に制限される。さらに、燃料電池は化石燃料には必ずしも依存せず、二酸化窒素などの有毒ガスを放出せず、かつ動作中にほとんど雑音を生成しない。それゆえ、燃料電池は魅力的な電力源であり、発電装置、自動車エンジン、ポータブル電子装置等に用いるために開発が進められている。
【０００３】
最も簡単な燃料電池は２つの電極（アノードおよびカソード）からなり、その間に電解質を挟んだものである。水素燃料がアノードに供給され、酸素（あるいは空気）がカソードに供給される。白金などの触媒が存在する場合、水素原子はアノードにおいて陽子および電子に分解される。その後、陽子および電子は個別の経路に沿ってカソードまで進み、陽子は電解質を介してカソードに達するが、電子は電気回路内を流れる個別の電流を生成する。陽子と電子はカソードで再結合し、酸素と反応して、水を生成する。全般に、電気化学反応は以下のものを含む。
アノード： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソード： Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ
全体として： ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【０００４】
陽 極： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
陰 極： Ｏ２＋４ｅ−＋４Ｈ＋→２Ｈ２Ｏ
全体として： ２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
【０００５】
燃料電池のアノードとカソードとの間で生成される電圧は典型的には、約0.7Ｖである。結果として、実用的な電圧（たとえば、約10Ｖ〜100Ｖ）を生成するためには、多くの燃料電池を直列に接続する必要がある。そのような燃料電池の集合体は、燃料電池「スタック」と呼ばれる。隣接する燃料電池をスタックとして接続する好ましい方法は、それらを「バイポーラプレート」で分離することを含む。バイポーラプレートは、隣接する燃料電池のアノードとカソードとの間に良好な電気的接続を提供し、さらに、１つの燃料電池のアノードに水素を供給し、その隣接する燃料電池のカソードに酸素を供給し、その間、水素と酸素が混合するのを防ぐ手段を提供しなければならない。
【０００６】
燃料電池の陽極と陰極との間で生成される電圧は典型的には、約0.7Ｖである。結果として、実用的な電圧（たとえば、約10Ｖ〜100Ｖ）を生成するためには、多くの燃料電池を直列に接続する必要がある。そのような燃料電池の集合体は、燃料電池「スタック」と呼ばれる。隣接する燃料電池をスタックとして接続する好ましい方法は、それらを「バイポーラプレート」で分離することを含む。バイポーラプレートは、隣接する燃料電池の陽極と陰極との間に良好な電気的接続を提供し、さらに、１つの燃料電池の陽極に水素を供給し、その隣接する燃料電池の陰極に酸素を供給し、その間、水素と酸素が混合するのを防ぐ手段を提供しなければならない。
【０００７】
バイポーラプレートは典型的には、導電性基板（たとえば、グラファイトあるいは金属）の２つの面上にフローチャネルを形成することにより構成される。そのフローチャネルは、水素あるいは酸素を電極に供給するためのフローシステムを提供し、フローチャネル間に画定される平坦域（プラトー）が、隣接する電極間の電気的接触を提供する。
【０００８】
既存の燃料電池は、固体のグラファイトあるいは金属から機械加工されるか、複合グラファイト材料から成形あるいはプレス加工されるか、あるいは燃料電池材料自体から形成されるバイポーラプレートを利用する。これらの方法は非常にコストがかかり、材料適合性の制約を有するので、スタック設計者に対し、特に機構サイズおよび複雑さに関して、設計における大きな柔軟性を典型的に与えない。現在のバイポーラプレート設計および構造の制約は、将来の燃料電池開発、特に、細いフロー機能を有する、非常に薄くて実質上平坦なプレートを必要とし得る小型のポータブル燃料電池の開発において厳しい制約となるであろう。たとえば、グラファイト板は脆く、多孔性であるため、機械加工される際に壊れたり、及び／又は、ある厚さ未満で、水素あるいは酸素の流体に対して透過性を有するようになる。
【０００９】
さらに、安定な状態で作動する燃料電池を製造するために、当技術分野において、燃料流速、電流負荷、気体圧および液体圧、燃料温度あるいはセル温度などの種々の燃料電池パラメータをモニタし、かつ制御できるようにする種々のセンサおよび装置を開発することが必要とされる。これらのセンサおよび装置は、比較的分厚いバイポーラプレート内に組み込むことができることが理想的である。しかしながら、現在のバイポーラプレート構造および設計方法は、そのような開発および細部に必要なツールを提供しない。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の燃料電池のアノードに接触するように適合される第１の面と、第２の燃料電池のカソードに接触するように適合される第２の面とを有する半導電性体あるいは導電性体を含む燃料電池スタックのためのバイポーラプレートを提供することにより、上記の問題に対処し、解決する。第１の面は、燃料流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含み、第２の面は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含む。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の燃料電池の陽極に接触するように適合される第１の面と、第２の燃料電池の陰極に接触するように適合される第２の面とを有する半導電性体あるいは導電性体を含む燃料電池スタックのためのバイポーラプレートを提供することにより、上記の問題に対処し、解決する。第１の面は、燃料流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含み、第２の面は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明のバイポーラプレートが全体として１０で示される。バイポーラプレート１０は第１の面１４と、好ましくは第１の面１４の反対側にある第２の面１６とを有する。ここで図２を参照すると、バイポーラプレート１０は、第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するように設計される。第１の燃料電池１８、バイポーラプレート１０および第２の燃料電池２０は、スタック２２として配置されることが好ましい。第１の燃料電池１８は、アノード２４、カソード２６、及びアノード２４とカソード２６との間に配置される電解質２８を備える。また第２の燃料電池２０も、アノード３０、カソード３２、及びアノード３０とカソード３２との間に配置される電解質３４を備える。第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は、第１の燃料電池１８のアノード２４と接触するように適合され、バイポーラプレート１０の第２の面１６は、第２の燃料電池２０のカソード３２と接触するように適合される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、本発明のバイポーラプレートが全体として１０で示される。バイポーラプレート１０は第１の面１４と、好ましくは第１の面１４の反対側にある第２の面１６とを有する。ここで図２を参照すると、バイポーラプレート１０は、第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するように設計される。第１の燃料電池１８、バイポーラプレート１０および第２の燃料電池２０は、スタック２２として配置されることが好ましい。第１の燃料電池１８は、陽極２４、陰極２６、及び陽極２４と陰極２６との間に配置される電解質２８を備える。また第２の燃料電池２０も、陽極３０、陰極３２、及び陽極３０と陰極３２との間に配置される電解質３４を備える。第１の燃料電池１８と第２の燃料電池２０との間に電気的接触を形成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は、第１の燃料電池１８の陽極２４と接触するように適合され、バイポーラプレート１０の第２の面１６は、第２の燃料電池２０の陰極３２と接触するように適合される。
【００１４】
任意の数の本発明のバイポーラプレート１０が、任意の数の燃料電池１８あるいは２０間に組み込まれ、スタック２２を形成し得ることは理解されよう。当分野においてよく知られているように、かつ先に記載されたように、実用的な電力出力および電圧を得るために、燃料電池スタックは典型的には、直列に配列された約２〜約200個の個別の燃料電池を含む（バイポーラプレートおよび燃料電池への一般的な手引きについては、たとえば、Larminie等によるFuel Cell Systems Explained (2000年、米国ニューヨーク州John Wiley & Sons)を参照されたい。尚、その内容は引用として本明細書に組み込まれる）。個々の燃料電池の運転電圧（即ち、出力電流を生成するときの）は、典型的には、約0.4Ｖ〜約0.7Ｖの範囲にある。図２における燃料電池スタック２２の場合のように、直列に接続される多数の燃料電池全体の電圧は、そのスタックを形成する個々の燃料電池の電圧の和に等しい。それゆえ、典型的な燃料電池スタックの運転電圧は、潜在的に約１Ｖ〜約140Ｖの範囲にある。
【００１５】
ここで議論されるパラメータ内で、バイポーラプレート１０は、所望どおりの、及び／又は特定の用途に適した任意の厚さを有し得る。バイポーラプレート１０は、理想的には、可能な限り薄く、可能な限り軽量で、可能な限り導電性であり、さらにスタック２２内で受ける機械的な力に耐えるだけの十分な強度と、漏れを最小限に抑えるための気体あるいは液体に対する十分な不浸透性とを有し、スタック２２内で受ける腐食性環境に耐えるほど十分に不活性である。バイポーラプレート１０は、たとえば、約20μｍ〜約10,000μｍ、約20μｍ〜約5,000μｍ、約20μｍ〜約3,000μｍ、約50μｍ〜約2,000μｍ、約50μｍ〜約1,000μｍ、約100μｍ〜約1,000μｍ、あるいは約500μｍ〜約1,000μｍの任意の厚さを有し得る。
【００１６】
バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）は任意の幅、長さあるいは直径を有することができ、所望どおり、及び／又は特定の用途に適した任意の形状とし得る。好ましくは、バイポーラプレート１０の面１４および１６は、実質的に同じ大きさおよび形状を有する。第１の面１４（あるいは第２の面１６）の形状は、角を有するか、曲線を有する、あるいはそれらが混合した形状であり得る。第１の面１４（あるいは第２の面１６）は、たとえば、長方形、三角形、台形、多角形、円形あるいは楕円形であってよい。第１の面１４（あるいは第２の面１６）の幅、長さあるいは直径は、約５ｍｍ〜約500ｍｍ、約10ｍｍ〜約300ｍｍ、約15ｍｍ〜約200ｍｍ、約20ｍｍ〜約100ｍｍ、あるいは約25ｍｍ〜約90ｍｍの任意の範囲を有してよい。
【００１７】
燃料電池スタック２２の構造的な安定性を保持するために、バイポーラプレート１０は、燃料電池スタック２２の他の構成要素の熱膨張率と厳密に一致する熱膨張率を有することが好ましい。ある実施態様では、バイポーラプレート１０は、その内部で大きな温度勾配が増大されるのを防ぐために十分に大きな熱伝導率を有する材料から形成され得る。その他のある実施態様では、バイポーラプレート１０は、それが加熱される際に、温度の急激な上昇を促進するために十分に小さな熱容量を有する材料から形成され得る。
【００１８】
本発明のある実施態様において、バイポーラプレート１０は、半導性材料であり得る。本明細書で説明されるパラメータの範囲内で、半導性材料として、所望通りの、及び／又は特定の燃料電池の用途に適したIV族の半導体、III〜Ｖ族の半導体、あるいはII〜VI族の半導体のいずれかが使用され得ることは理解されたい。例えば、IV族の半導体には、ケイ素、ゲルマニウム及びシリコン・ゲルマニウム化合物が包含され得、III〜Ｖ族の半導体には、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、リン化インジウム、アンチモン化インジウム、ヒ化ガリウムアルミニウム及びリン化インジウムガリウムなどのアルミニウム、ガリウム、インジウム、リン、ヒ素及びアンチモンの化合物が包含され得、II〜VI族の半導体には、テルル化亜鉛、硫化亜鉛、テルル化カドミウム、テルル化亜鉛カドミウムなどの亜鉛、カドミウム、硫黄、セレンおよびテルルの化合物が包含され得る。
【００１９】
本発明の半導性材料は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、ビスマス、あるいはそれらの混合物でドーピングされてもよい。当分野においてよく知られるように、半導性材料の電気抵抗率は、ドーパントの特性及び／又は濃度を変更することにより調整することができる。半導性材料は、所望通りの、及び／又は特定の燃料電池の用途に適した任意の濃度の任意のドーパントを含む場合がある。半導性材料は、燃料電池運転温度において、バイポーラプレート１０の抵抗率が、約0.0001Ω・ｃｍ〜約100Ω・ｃｍ、約0.001Ω・ｃｍ〜約80Ω・ｃｍ、約0.01Ω・ｃｍ〜約70Ω・ｃｍ、約0.05Ω・ｃｍ〜約60Ω・ｃｍ、約0.1Ω・ｃｍ〜約50Ω・ｃｍ、約0.1Ω・ｃｍ〜約40Ω・ｃｍ、あるいは約0.2Ω・ｃｍ〜約30Ω・ｃｍの範囲内となるようにドーピングされてよい。
【００２０】
燃料電池スタック２２の燃料電池１８と２０との間に電気的接触を設けることに加えて、本発明のバイポーラプレート１０は、アノード２４の面上全体にわたって燃料流体が、カソード３２の面上全体にわたって酸化用の流体が分散されるように設計される。ここで再び図１を参照すると、この流体の分散を達成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は少なくとも１つのフローチャネル３６を含み、フローチャネル３６は、燃料の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。バイポーラプレート１０の第２の面１６も、少なくとも１つのフローチャネル３８を含み、そのフローチャネル３８は酸化用の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。
【００２１】
燃料電池スタック２２の燃料電池１８と２０との間に電気的接触を設けることに加えて、本発明のバイポーラプレート１０は、陽極２４の面上全体にわたって燃料流体が、陰極３２の面上全体にわたって酸化用の流体が分散されるように設計される。ここで再び図１を参照すると、この流体の分散を達成するために、バイポーラプレート１０の第１の面１４は少なくとも１つのフローチャネル３６を含み、フローチャネル３６は、燃料の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。バイポーラプレート１０の第２の面１６も、少なくとも１つのフローチャネル３８を含み、そのフローチャネル３８は酸化用の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルを閉じ込めるように適合される。
【００２２】
図１に（さらに図３および図４にも）示されるように、バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）上の１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）は、その間にプラトー４０（あるいは４２）を画定する。バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）の面の領域は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）と、プラトー４０（あるいは４２）に分割されることは理解されよう。また、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）によって閉じ込められる燃料（あるいは酸化用）流体の容積は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の幅および深さによってある程度決定されることも理解されよう。さらに、プラトー４０（あるいは４２）の表面の領域は、第１の面１４（あるいは第２の面１６）の表面領域の、アノード２４（あるいはカソード２６）と接触するように適合される部分を、ある程度決定することも理解されよう。さらに、プラトー４０（あるいは４２）の表面積は、フローチャネル３６（あるいは３８）の幅によって、かつ第１の面１４（あるいは第２の面１６）に関連するフローチャネル３６（あるいは３８）の数によって、ある程度決定されることも理解されよう。
【００２３】
バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）とアノード２４（あるいはカソード３２）との間の接触表面積が大きいことの利点には、スタック２２の燃料電池１８あるいは２０間の導電率が大きくなること、およびスタック２２の物理的な支持が良好になることが含まれる。しかしながら、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の深さを増やさない場合、あるいは１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の断面形状を変化させない場合、大きな接触表面積は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の流量を自動的に小さいものにし、それゆえ、アノード２４（あるいはカソード３２）上の良好な流体の流れに対して不利に働く。従って、２つ以上のフローチャネル３６（あるいは３８）が存在する場合、そのフローチャネル３６（あるいは３８）の幅、深さ、経路あるいは断面形状と、フローチャネル３６（あるいは３８）の数の選択は、常に、スタック２２の燃料電池１８と２０との間の十分な電気的接触の達成と、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の十分な流体の流れの達成との間において妥協を要するであろう。
【００２４】
バイポーラプレート１０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）と陽極２４（あるいは陰極３２）との間の接触表面積が大きいことの利点には、スタック２２の燃料電池１８あるいは２０間の導電率が大きくなること、およびスタック２２の物理的な支持が良好になることが含まれる。しかしながら、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の深さを増やさない場合、あるいは１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）の断面形状を変化させない場合、大きな接触表面積は、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の流量を自動的に小さいものにし、それゆえ、陽極２４（あるいは陰極３２）上の良好な流体の流れに対して不利に働く。従って、２つ以上のフローチャネル３６（あるいは３８）が存在する場合、そのフローチャネル３６（あるいは３８）の幅、深さ、経路あるいは断面形状と、フローチャネル３６（あるいは３８）の数の選択は、常に、スタック２２の燃料電池１８と２０との間の十分な電気的接触の達成と、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の十分な流体の流れの達成との間において妥協を要するであろう。
【００２５】
第１の面１４（あるいは第２の面１６）に関して、数の少ない、より幅の広いフローチャネル３６（あるいは３８）の代わりに、数の多い、より幅の狭いフローチャネル３６（あるいは３８）を有することの利点の１つは、固定の流量（フローチャネル３６（あるいは３８）内に閉じ込められる容積として定義される）の場合、電極と、燃料流体あるいは酸化用流体との間の接触のためのより大きな表面積、それゆえより大きな反応を提供することである。しかしながら、幅の狭いフローチャネルに沿った圧力降下は、幅のより広いフローチャネルの場合よりも大きいため、幅のより狭いフローチャネルにおいて同じ流速を保持することは、より大きなエネルギー入力を必要とするであろう。それゆえ、第１の面１４（あるいは第２の面１６）に付随するフローチャネルの寸法および数を決定することには、電極と燃料流体あるいは酸化用流体との間の十分な接触の達成と、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）内の十分な流体の流れの達成との間には、やはり妥協が伴うであろう。
【００２６】
図示されてはいないが、１つあるいは複数のフローチャネル３６の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールド（簡略化するために図示されない）に取り付けてもよく、この場合、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールドはまた、外部フローシステム（簡略化するために図示されない）に接続され、外部フローシステムはアノード２４への燃料の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することは理解されよう。１つあるいは複数のフローチャネル３８の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、別々の外部フローシステム（簡略化するために同じく図示せず）に接続してもよく、この場合、外部フローシステムは、カソード３２への酸化剤の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することもまた理解されよう。流体のフローシステム並びに注入マニホールドおよび排出マニホールドの設計には、スタック２２の中央に向かって配置されるより熱い燃料電池から、スタック２２の末端に向かって配置されるより冷たい燃料電池まで、燃料（あるいは酸化剤）フローシステムを介して熱を伝達する熱交換システムを包含し得る。そのような設計は、スタック２２にわたって温度勾配を低減し、それゆえ、燃料電池の故障の危険性を最小限に抑える。フローチャネルをフローマニホールドおよびフローシステムに接続するための種々の設計が当分野において開示されており、例えば、前述のLarminie等によるFuel Cell Systems Explainedを参照されたい。
【００２７】
図示されてはいないが、１つあるいは複数のフローチャネル３６の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールド（簡略化するために図示されない）に取り付けてもよく、この場合、外部の注入マニホールドおよび排出マニホールドはまた、外部フローシステム（簡略化するために図示されない）に接続され、外部フローシステムは陽極２４への燃料の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することは理解されよう。１つあるいは複数のフローチャネル３８の少なくとも１つの注入領域４６および少なくとも１つの排出領域４８を、別々の外部フローシステム（簡略化するために同じく図示せず）に接続してもよく、この場合、外部フローシステムは、陰極３２への酸化剤の供給を保持し、かつ、不要な廃棄生成物および廃熱を除去することもまた理解されよう。流体のフローシステム並びに注入マニホールドおよび排出マニホールドの設計には、スタック２２の中央に向かって配置されるより熱い燃料電池から、スタック２２の末端に向かって配置されるより冷たい燃料電池まで、燃料（あるいは酸化剤）フローシステムを介して熱を伝達する熱交換システムを包含し得る。そのような設計は、スタック２２にわたって温度勾配を低減し、それゆえ、燃料電池の故障の危険性を最小限に抑える。フローチャネルをフローマニホールドおよびフローシステムに接続するための種々の設計が当分野において開示されており、例えば、前述のLarminie等によるFuel Cell Systems Explainedを参照されたい。
【００２８】
ここで図５を参照すると、ある実施態様では、バイポーラプレート１０がさらに、内部注入フローマニホールド５８（あるいは６２）と、内部排出フローマニホールド６０（あるいは６４）とを含み得ることはさらに理解されよう。そのような実施態様は、図１のバイポーラプレートを外部フローマニホールドと接続することに付随する問題点（例えば、外部封止等）を低減するであろう。図５に示されるように、燃料流体を、内部注入フローマニホールド５８（あるいは６２）を介して、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）に汲み上げる（外部フローシステムを介して）ことができ、その後、内部排出フローマニホールド６０（あるいは６４）を介して排出される。
【００２９】
フローチャネル３６の特徴とフローチャネル３８の特徴（例えば、幅、深さ、断面形状、数および経路）とは独立していることをさらに理解されたい。ある実施態様において、フローチャネル３６の特徴とフローチャネル３８の特徴のいくつか、あるいは全てが実質的に同じであってよい。しかしながら、別の実施態様においては、フローチャネル３６の特徴とフローチャネル３８の特徴のいくつか、あるいは全てが実質的に異なっていてよい。好ましい実施態様では、フローチャネル３６、フローチャネル３８のそれぞれの幅、深さ、断面形状および数は実質的に同じであってよい。図１に示されるように、そのような実施態様では、フローチャネル３６の経路とフローチャネル３８の経路は、例えば、直線で、互いに垂直であり得る。他の実施態様では、フローチャネル３６の経路とフローチャネル３８の経路は、直線で、互いに平行であってよい。そのような平行な実施態様では、フローチャネル３６内の流れとフローチャネル３８内の流れは、同じ方向の流れか、逆方向の流れであってよい。
【００３０】
２つ以上のフローチャネル３６（あるいは３８）が第１の面１４（あるいは第２の面１６）と組み合わされるとき、フローチャネル３６（あるいは３８）の特徴はまた、独立であることもさらに理解されたい。ある実施態様では、フローチャネル３６（あるいは３８）のいくつか、あるいは全てが実質的に同じであってよい。図１に示されるように、そのような実施態様では、フローチャネル３６（あるいは３８）の経路は直線であり、互いに平行であり得る。他の実施態様では、フローチャネル３６（あるいは３８）の特徴のいくつかあるいは全てが実質的に異なってもよい。
【００３１】
ある実施態様において、１つあるいは複数のフローチャネル３６（あるいは３８）と、プラトー４０（あるいは４２）とを含む第１の面１４（及び／又は第２の面１６）はさらに、金などの貴金属でコーティングされ得る。非反応性の貴金属層の存在が、バイポーラプレート１０の第１の面１４及び／又は第２の面１６上に絶縁酸化物層が形成されるのを防ぐ際に有利にはたらく場合があることは当業者には理解されよう。
【００３２】
本明細書において説明されるパラメータの範囲内で、第１の面１４の１つあるいは複数のフローチャネル３６によって閉じ込められる燃料の気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルには、所望通りの、及び／又は特定の燃料電池の用途に適した任意の燃料が包含され得ることは理解されたい。当分野においてよく知られているように、燃料電池用の燃料の、気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルは、水素、一酸化炭素、アンモニア、水、アルカリ金属の水素化物、アルコール、炭化水素、あるいはそれらの混合物を含み得る。好ましいアルカリ金属の水素化物には、水素化リチウム、水素化ナトリウム、水素化アルミニウム、水素化カルシウム、水素化カリウム、水素化ホウ素リチウム、水素化ホウ素ナトリウム、および水素化ホウ素アルミニウムが包含される。好ましいアルコールには、メタノールとエタノールが包含される。好ましい炭化水素にはメタン、エタン、ブタン、プロパンおよびペンタンが包含される。好ましい炭化水素混合物は、炭化水素改質油混合物、ガソリン、灯油、ディーゼル油および天然ガスを包含する。
【００３３】
また、本明細書において説明されるパラメータの範囲内で、第２の面１６の１つあるいは複数のフローチャネル３８によって閉じ込められる酸化用の気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルには、所望通りの、及び／又はある特定の燃料電池の用途に適した任意の酸化剤が包含され得ることも理解されたい。当分野においてよく知られているように、燃料電池用の酸化用の気体、蒸気、液体あるいはエアロゾルは、空気、酸素、過酸化水素、水、一酸化二窒素、あるいはそれらの混合物を包含し得る。
【００３４】
本発明の実施態様において、バイポーラプレート１０の第１の面１４のフローチャネル３６は、燃料をその場で改質できるようにするために、改質触媒１５でコーティングされてよい。フローチャネル３６は、実質的に全長にわたってをコーティングされるか、あるいはその長さのある部分を選択的にコーティングされてよい。改質触媒は、自然に発生する燃料（例えば、アンモニア、メタノール、メタン、ガソリン、灯油、ディーゼル油等）を水素に変換するのを容易にし、これらには、白金、ルテニウム、ロジウム、ニッケル、セリウム、鉄、クロム、コバルト、マンガン、銅、アルミニウム、およびそれらの酸化物が包含される。
【００３５】
ここで図６を参照すると、バイポーラプレート１０はさらに、バイポーラプレート１０内部を貫通する導管（孔）５０を含む場合がある。孔５０は、所望通りの、及び／又はある特定の用途に適した任意の断面形状および寸法を有しよく、その断面形状は、孔５０の経路に対して直角に見た断面の輪郭として定義される。好ましい実施態様では、孔５０は、円形の断面形状と、概ね管状の形状を有する。孔５０は、バイポーラプレート１０の寸法に応じて、任意の断面寸法（たとえば、幅あるいは直径）を有しよい。孔５０の断面寸法は、約１μｍ〜約2,000μｍ、約１μｍ〜約1,000μｍ、約10μｍ〜約500μｍ、約20μｍ〜約500μｍ、約50μｍ〜約500μｍ、約100μｍ〜約400μｍ、あるいは約150μｍ〜約300μｍの任意の寸法の範囲内にあることが好ましい。孔５０はバイポーラプレート１０内部を貫通する任意の経路であってよく、例えば、そのような経路は実質的に直線であるか、あるいは蛇行してよい。ある実施態様では、本発明のバイポーラプレート１０は複数の孔５０を含み得る。フローチャネル３６とフローチャネル３８の場合と同様に、１つあるいは複数の孔５０はそれぞれが少なくとも１つの注入領域と少なくとも１つの排出領域とを含むことにより、１つあるいは複数の孔５０が、注入マニホールドおよび排出マニホールド（再び簡単にするために図示されない）に接続され、さらにそれらがフローシステム（簡単にするために図示せず）に接続される。
【００３６】
ある実施態様では、孔５０は、温度調整孔であり得る。孔５０は、例えば、冷却用流体が流れるように適合されてよい。燃料電池内で生じる電気化学反応は発熱反応であり、その結果、燃料電池の設計において、熱管理は重要な役割を果たす。バイポーラプレート１０の孔５０内に、外部で冷却された流体を流すことにより、廃熱が燃料電池スタック２２から迅速かつ効率的に除去されるようになる。燃料電池スタック２２の燃料電池の孔５０が、任意の既知の取り付け方法により、互いに、かつフローシステムに、さらには冷却システムに接続され得ることは理解されよう。例えば、燃料電池スタック２２のマニホールドとフローシステムとを、冷却液が、端部に向かって配置されるバイポーラプレートを通過する前に、燃料電池スタック２２の中心に向かって配置されるバイポーラプレートを通過するように設計することは、当業者には想定できよう。フローチャネル３６とフローチャネル３８に関して先に記載したように、そのような設計は、燃料電池スタック２２の熱点と冷点との間の温度勾配を低減するであろう。
【００３７】
他の実施態様では、孔５０を、加熱用の流体が流れるように適合してよい。燃料電池は、周囲温度を超える温度（たとえば、陽子交換膜燃料電池の場合の60℃〜80℃から固体酸化物燃料電池の場合の800℃〜1000℃）で作動するため、典型的には、燃料電池は使用できるようになる前に予熱が必要である。これは、燃料電池を連続ベース（たとえば、発電施設などの定常用途で）で運転させるときに、そのような問題がない場合もあるが、燃料電池が断続的（例えば、自動車、電子装置等の移動用の用途）に使用されるときには制約となる。バイポーラプレート１０の孔５０内に、外部で加熱された流体を流すことにより、燃料電池が低電圧状態であるか、スタンバイ状態にあるときに燃料電池を急速に予熱するか、温度を保持することができる。
【００３８】
冷却用あるいは加熱用の流体として、液体、蒸気あるいは気体が使用され得る。気体は取り扱いやすいが、液体より大きな孔を必要とする傾向がある。加熱用および冷却用の流体は、空気、窒素、希ガス元素、水、油、あるいはそれらの混合物を含み得る。ある実施態様では、燃料流体あるいは酸化用の流体を、バイポーラプレート１０の温度調整孔５０内の経路に流してよい。
【００３９】
バイポーラプレート１０は、１つの、あるいは複数の温度調整孔５０を含む場合があることは理解されよう。また、燃料電池スタック２２内の全てのバイポーラプレート１０が必ずしも温度調整孔５０を含むとは限らないことも理解されよう。また、１つあるいは複数の温度調整孔５０に、異なる目的を果たすための同じ流体を、あるいは同じ目的を果たすための異なる流体を、あるいは別々の時点において異なる目的を果たすための異なる流体を流すことができることも理解されよう。たとえば、スタックが予熱モードにあるときに、ある特定の加熱用の流体を使用し、その後、一旦スタックが運転モードに移った場合に異なる冷却用の流体を使用することが有利な場合がある。
【００４０】
１つ、あるいは複数の温度調整孔５０は、一体化された伝熱式熱交換器２３を形成するように設計されてもよい。本発明の伝熱式熱交換器２３は、例えば、燃料電池スタック２２内の電気化学反応によって生成される熱を、燃料流体を改質するバイポーラプレート１０（あるいは燃料電池スタック２２）の領域に効率的に移動させることができるであろう。図７に示されるように、そのような設計は、たとえば、フローチャネル３６の注入領域４６に実質的に平行な、かつ近接した経路に沿って温度調整孔５０の排出口を通過させることを含んでよい。
【００４１】
好ましい実施態様では、孔５０は、燃料改質用の孔であり得る。そのような実施態様では、孔５０の内側表面は、フローチャネル３６について先に記載されたように、好ましくは改質触媒１５でコーティングされ得る。燃料改質用の孔５０の存在において、燃料改質用孔５０とフローチャネル３６とを接続するフローマニホールドを形成することが想定される。そのような実施態様では、燃料流体が、そこで適当な触媒の存在下で内部改質プロセスが生じる燃料改質用孔５０内を初めに通ってよく、また、生成された水素はフローチャネル３６内を通るであろう。ある実施態様では、そのようなフローマニホールドは、例えば、窒素、硫黄、硫黄酸化物、一酸化炭素あるいは二酸化炭素などの、改質からの不要な生成物あるいは毒を除去するように適合されたフィルタをさらに含んでよい。未反応の燃料が放出される可能性を最小限に抑えるために、ある実施態様では、バイポーラプレート１０は、一旦フローチャネル３６を出た燃料流体と酸化剤流体を収容するように適合された孔５０内に含まれる、「排出」燃料触媒による燃焼器をさらに含んでよい。この場合、孔５０は、外部環境への最終的な排出の前に、その上で燃料および酸化剤の完全な反応が起こり得る触媒表面を提供する。この触媒反応から発生する熱は、スタック温度の保持のため、反応物の予熱のため、あるいはスタックを始動時に加熱し、それにより開始温度の度合いを高めるための有利に用いることができる。
【００４２】
ある実施態様では、本発明のバイポーラプレート１０は、温度調整孔５０と、別の改質用孔５０とを両方含む場合があることは理解されたい。さらに、他の実施態様では、温度調整孔５０と、改質用孔５０とは１つであり、同じ孔５０であってもよいことは理解されたい。
【００４３】
ある実施態様では、本発明のバイポーラプレート１０は、温度調整導管５０と、別の改質用導管５０とを両方含む場合があることは理解されたい。さらに、他の実施態様では、温度調整導管５０と、改質用導管５０とは１つであり、同じ導管５０であってもよいことは理解されたい。
【００４４】
本発明の実施態様では、バイポーラプレート１０はさらにセンサ１７を含んでよい。センサ１７は、バイポーラプレート１０の本体内に、あるいはバイポーラプレート１０の面上に配置されてよい。好ましい実施態様では、センサ１７はバイポーラプレート１０に埋設されるか、プラトー４０（または４２）あるいはフローチャネル３６（または３８）内に収容されるか、あるいは孔５０内に埋設される。燃料電池の性能は、温度、圧力、流体の流速、燃料電池の化学的組成、酸化用の流体の化学的組成、毒の濃度、電解質容積等を含む多数の複合的なパラメータに依存する。これらのパラメータをモニタする能力、およびパラメータの変動を外部のフィードバック機構に組み込んで一体化する能力は、例えば、燃料電池の信頼性および効率を改善し、燃料電池スタックの始動および停止を容易にし、電力出力過渡を制御できるようにし、種々の安全装置（例えば、ヒュージブルリンク）の包含及び制御を提供するであろう。好ましいセンサ１７は、約１μｍ〜約200μｍ、約１μｍ〜約100μｍ、約１μｍ〜約50μｍ、約５μｍ〜約50μｍ、約10μｍ〜約50μｍ、あるいは約15μｍ〜約40μｍの範囲の寸法を有する超小型センサである。
【００４５】
センサ１７には、例えば、機械センサ（たとえば、ピエゾ抵抗器、共振センサ、容量センサ等）、温度センサ（例えば、サーミスタ、熱電対等）、磁気センサ（例えば、ホール効果センサ）、電気センサ（例えば、電圧センサ）、化学センサ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴセンサ、ＩＳＦＥＴセンサ、光ファイバ化学センサ等）、あるいは放射線センサ（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、焦電センサ等）が使用され得る。センサ１７は、これらに限定されないが、フローチャネル３６（または３８）あるいは孔５０内の圧力、フローチャネル３６（または３８）あるいは孔５０内の流体速度、バイポーラプレート１０の温度、フローチャネル３６（または３８）あるいは孔５０内の水素、酸素、水、水素イオン、過酸化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫黄、硫黄酸化物、メタノール、エタノール、メタン、エタン、ブタン、プロパン、あるいはペンタンの濃度、あるいは特定の基準電位を考慮して測定されるようなスタック内の１つのセルあるいは１組のセルの電圧か含むパラメータを測定するように適合され得る。
【００４６】
センサ１７には、例えば、機械センサ（たとえば、ピエゾ抵抗器、共振センサ、容量センサ等）、温度センサ（例えば、サーミスタ、熱電対等）、磁気センサ（例えば、ホール効果センサ）、電気センサ（例えば、電圧センサ）、化学センサ（たとえば、ＭＯＳＦＥＴセンサ、ＩＳＦＥＴセンサ、光ファイバ化学センサ等）、あるいは放射線センサ（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、焦電センサ等）が使用され得る。センサ１７は、これらに限定されないが、フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の圧力、フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の流体速度、バイポーラプレート１０の温度、フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の水素、酸素、水、水素イオン、過酸化水素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫黄、硫黄酸化物、メタノール、エタノール、メタン、エタン、ブタン、プロパン、あるいはペンタンの濃度、あるいは特定の基準電位を考慮して測定されるようなスタック内の１つのセルあるいは１組のセルの電圧か含むパラメータを測定するように適合され得る。
【００４７】
圧力は、薄膜からなるセンサ１７を用いて測定され得る。密閉された（好ましくは真空の）空胴が膜の片側に配置され、膜の他の側は、測定する圧力に暴露される。例えば、ピエゾ抵抗器あるいは容量センサを用いて、膜の変形をモニタすることができる。ピエゾ抵抗器は、ある材料が歪んだ状態になった際に生じる抵抗の変動を検出する。容量センサは、コンデンサの平板を隔てている距離が変化する際に生じる静電容量変動を検出する。
【００４８】
フローチャネル３６（または３８）あるいは導管５０内の流体の流速は、タービンなどの液圧素子からなるセンサ１７で測定することができる。別法では、流体の流速は、加熱素子（たとえば抵抗素子）からなるセンサ１７を用いてモニタすることができる。そのようなセンサ１７は、流体がセンサに入る点と、流体がセンサを離れる点（すなわち流体が加熱素子上を通過した後）との間の流体の温度上昇が、質量流量に比例するという事実に依存する。
【００４９】
当分野においてよく知られているように、温度依存抵抗を有する材料（たとえば、半導体だけでなく白金などの金属）から形成されるサーミスタを用いて温度を測定することができる。別法では、２つの異なる半導性あるいは導電性材料（たとえば、銅および鉄）から形成される回路を含む熱電対あるいはサーモパイルを用いて温度を測定することができる。
【００５０】
化学センサ１７は、典型的には、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）あるいはＩＳＦＥＴ派生素子（たとえば、ＭＥＭＦＥＴ、ＳＵＲＦＥＴあるいはＣＨＥＭＦＥＴ）などの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に基づく。別法では、化学センサ１７は、化学物質の濃度を、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）が放出する照射線の特定の波長の吸光度によってモニタする、光ファイバ素子を含んでもよい。
【００５１】
これらの例は本発明に含まれ得るセンサ１７の範囲およびタイプを限定することを意図していないこと、およびバイポーラプレート１０は所望通りの、及び／又はある特定の用途に適した任意のセンサ１７を含んでよいことは理解されよう。
【００５２】
本発明のバイポーラプレート１０が、任意の燃料電池スタック２２に組み込まれ得ること、および本発明のバイポーラプレート１０を含む燃料電池スタック２２が任意の電源１９内に組み込まれ得ることは理解されたい。図９に示されるように、本発明の燃料電池スタック２２を含む任意の電源１９を用いて、任意の装置６８に電力を供給することができることは、さらに理解されたい。好ましくは、装置６８は、たとえば、ラップトップコンピュータ、ラジオ、ＣＤプレーヤ、ビデオカメラ、移動電話、無線装置、電動工具などのポータブル電子装置である。
【００５３】
図１０に概略的に示されるように、本発明のバイポーラプレート１０を製造する方法は、(a)第１の面１４および第２の面１６を有する基板７０を設けるステップと、(b)第１の面１４および第２の面１６に、流体のフローチャネル３６および３８をそれぞれエッチングするステップとを含む。ある実施態様において、基板７０は、IV族の半導体、III〜Ｖ族の半導体あるいはII〜VI族の半導体などの半導性材料である。好ましい実施態様では、半導体基板７０は、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、リン、ヒ素、アンチモン、あるいはビスマスでドーピングされる。他の実施態様では、基板７０は、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、クロム、タングステン、炭素、コバルト、チタン、あるいはそれらの合金などの金属である。さらに別の実施態様では、基板７０は炭素材料、好ましくはグラファイトである。
【００５４】
図１１に示されるように、ある実施態様では、流体のフローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップの前に、(i)少なくとも１つのマスク２１を基板７０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）に適用するステップと、(ii)その少なくとも１つのマスク２１をフォトリソグラフィによってパターニングするステップとが行われる。当分野においてよく知られているように、パターニングされたマスクは一般に、基板上にパターンをエッチングできるようにするために用いられる。マスク２１は、ハードマスクあるいはソフトマスクであってよい。本発明の方法によれば、任意の適当なハードマスクあるいはソフトマスクが使用され得ることは理解されたい。ハードマスクは典型的には、基板材料の酸化物、炭化物あるいは窒化物（たとえば、シリコン基板の場合には窒化シリコンのマスク）、化学的に類似の材料の酸化物、炭化物あるいは窒化物（たとえば、ヒ化ガリウム基板用の酸化アルミニウムマスク）、あるいは金属（たとえば、アルミニウム、チタン、クロムおよびニッケル）である。ソフトマスクは典型的には、可視光あるいは紫外線に対して露光されると弱くなるか（ポジ型レジスト）あるいは強くなり（ネガ型レジスト）、その後、適当な現像液で処理される際に選択的に除去される感光性ポリマーである。ハードマスクは、基板７０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）上に成長させることができる。好ましい実施態様では、ハードマスクを適用するステップは、スパッタ、化学気相成長、蒸着あるいはそれらの組み合わせによって実行される。好ましい実施態様では、ソフトマスクを適用するステップは、スピンコート、ディップコートあるいはドライフィルムラミネートによって実行される。
【００５５】
一旦、基板７０にマスク２１が適用されると、マスク２１をパターニングするステップが、任意の既知のフォトリソグラフィ技術によって実行され得る。当分野においてよく知られているように、ソフトマスクは典型的には、クロム／ガラスマスク、あるいはクロム／石英マスクを介して照射することによって直接パターニングされ、一方、ハードマスクは通常、ソフトマスクの場合によりさらに多くの処理を必要とする。
【００５６】
ある実施態様では、(i)少なくとも１つのマスク２１を基板７０の第１の面１４（あるいは第２の面１６）に適用するステップと、(ii)その少なくとも１つのマスク２１をフォトリソグラフィによってパターニングするステップの後に続いて、暴露された基板７０にホウ素をドーピングするステップと、さらにその後、流体のフローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップとが行われ得る。当分野においてよく知られているように、シリコンなどの材料の、水酸化カリウムあるいは水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）のようなエッチング剤によるエッチングは、高濃度のホウ素ドーパントが存在する場合に、低速になるか、停止される場合がある。ホウ素濃度に依存するエッチングを用いることにより、エッチングプロセスを有利に制御できることは理解されよう。当分野においてよく知られているように、ホウ素ドーピングは、イオン注入、高温拡散あるいはそれらの組み合わせによって達成され得る。
【００５７】
フローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップは、任意の既知のウエットエッチングあるいはプラズマエッチング手段により実行され得る。フローチャネル３６（あるいは３８）をエッチングするステップは、たとえば、ウエット異方性エッチング剤、ウエット等方性エッチング剤、プラズマ異方性エッチング剤、プラズマ等方性エッチング剤、あるいはそれらの任意の組み合わせの使用を含んでよい。採用される具体的なエッチング手段は、(I)基板７０の性質、(II)マスク２１の性質、(III)エッチングステップの所望のタイムスケール、(IV)フローチャネルの所望の寸法（たとえば、幅および深さ）、(Ｖ)フローチャネルの所望の断面形状（たとえば、角を有するか、曲線を有するか）および(VI)付随するコスト、に依存することになることは理解されよう。
【００５８】
当分野においてよく知られているように、等方性エッチング剤は、エッチングされる材料を全ての方向において同じ速度で侵蝕し、結果として、丸みを帯びた断面形状を有するエッチング作用を生成する傾向がある。一方、異方性エッチング剤は、エッチングされる材料を種々の方向において異なる速度で侵蝕するため、比較的垂直な、あるいは角を有する断面形状を有するエッチング作用を生成するのに使用される。
【００５９】
ウエットエッチング剤は典型的には、酸あるいはアルカリである。これらに限定されるものではないが、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、硫酸、酢酸、リン酸、過酸化水素、およびそれらの混合物が、シリコン基板をエッチングするために一般に用いられるウエット等方性エッチング剤の例である。又、これらに限定されるものではないが、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化セリウム、エチレンジアミン、ピロカテコール、あるいは水溶性の塩化鉄が、シリコン基板をエッチングするために一般に用いられるウエット異方性エッチング剤の例である。さらに電気化学エッチング剤も、本発明により使用され得るウエットエッチング剤の例である。
【００６０】
プラズマは、イオン、電子および中性粒子からなる高度にイオン化された気体である。シリコンをエッチングするために用いられるプラズマは典型的には、六フッ化硫黄、三フッ化窒素、テトラフルオロメタン、トリフルオロメタン、ジクロロジフルオロメタン、トリフルオロヨードメタン、パーフルオロエタン、パーフルオロプロパンおよびパーフルオロシクロブタンなどのフッ素化合物を含む。アルミニウムをエッチングするために用いられるプラズマは、多くの場合に、三塩化ホウ素及び／又は塩化ホウ素を含み、一方、塩化鉄プラズマは一般にステンレス鋼材料をエッチングするために用いられる。プラズマエッチング剤において用いられる他の化合物には、これらに限定はしないが、アルゴン、酸素および水素が含まれる。
【００６１】
当分野においてよく知られているように、別法では、フローチャネル３６（あるいは３８）は、パルス型エキシマレーザからの紫外線で、クロム／石英マスク（レンズなどの光学物がさらに介在する場合も、介在しない場合もある）を介して基板７０を直接照射することにより形成され得る。
【００６２】
本発明の方法は、基板７０を貫通する孔５０を形成するステップをさらに含み得る。先に記載されたように、冷却用の流体を収容するように適合される場合には、孔５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を冷却することができる。別法では、加熱用の流体を収容するように適合される場合には、孔５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を加熱することができる。ある実施態様では、孔５０を形成するステップは、エッチングにより実行され得る。さらに、別法において、図１２に示されるように、好ましい実施態様では、孔５０を形成するステップは、対向する２つの基板７０の表面上に相補形の溝７２をエッチングし、その後、次のステップにおいてその表面を結合し、管状の孔５０を形成することにより実行してもよい。ある範囲の金属、炭素および半導体結合技術が当分野において知られており、これらは、限定されるものではないが、接着結合、アノード結合、共晶結合、溶融結合、ハンダ付け、マイクロ波結合および熱圧着を含む。他の実施態様では、孔５０を形成するステップは、穿孔、砥粒加工（すなわち、サンドブラスト）、レーザ加工あるいはレーザアブレーションによって実行され得る。図５に示される内部注入口フローマニホールド５８（あるいは６２）および内部排出口フローマニホールド６０（あるいは６４）は、本発明の孔５０を形成するための上記の方法における任意の方法によって形成し得ることは理解されたい。
【００６３】
本発明の方法は、基板７０を貫通する導管５０を形成するステップをさらに含み得る。先に記載されたように、冷却用の流体を収容するように適合される場合には、導管５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を冷却することができる。別法では、加熱用の流体を収容するように適合される場合には、導管５０を用いて、本発明のバイポーラプレート１０を加熱することができる。ある実施態様では、導管５０を形成するステップは、エッチングにより実行され得る。さらに、別法において、図１２に示されるように、好ましい実施態様では、導管５０を形成するステップは、対向する２つの基板７０の表面上に相補形の溝７２をエッチングし、その後、次のステップにおいてその表面を結合し、管状の導管５０を形成することにより実行してもよい。ある範囲の金属、炭素および半導体結合技術が当分野において知られており、これらは、限定されるものではないが、接着結合、陽極結合、共晶結合、溶融結合、ハンダ付け、マイクロ波結合および熱圧着を含む。他の実施態様では、導管５０を形成するステップは、穿孔、砥粒加工（すなわち、サンドブラスト）、レーザ加工あるいはレーザアブレーションによって実行され得る。図５に示される内部注入口フローマニホールド５８（あるいは６２）および内部排出口フローマニホールド６０（あるいは６４）は、本発明の導管５０を形成するための上記の方法における任意の方法によって形成し得ることは理解されたい。
【００６４】
本発明の方法はさらに、フローチャネル３６及び／又は孔５０を改質触媒１５でコーティングするステップを追加的に含んでよい。先に記載されたように、フローチャネル３６及び／又は孔５０内で燃料流体と流通する改質触媒１５の存在は、本発明のバイポーラプレート１０に内部改質能力を提供し得る。別法では、フローチャネルあるいは孔に関連する領域に適用される触媒を用いて、周囲環境に排出する前に、未反応の燃料を反応させることができる。当分野においてよく知られているように、そのコーティングステップは、これらに限定されるものではないが、スパッタ、化学気相成長、蒸着、電気メッキ、溶液堆積あるいはそれらの組み合わせを含む種々の技術を用いて実行してよい。方法の選択は当業者には明らかであり、(I)基板７０の性質、(II)触媒の性質、(III)フローチャネル３６あるいは孔５０の寸法、(IV)堆積される触媒の物理的特性、(Ｖ)付随するコスト、にほぼ依存するであろう。コーティングステップは、フローチャネル３６あるいは孔５０を形成するステップと一体化し得ることは理解されよう。例えば、エッチングプロセスを誘導するのに使用されるパターニングされたハードマスク２１を用いて、エッチングされたフローチャネル３６あるいは孔５０の選択的コーティングを誘導するのに有利に使用され得る。また、ある実施態様では、支持層（例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等）が、コーティングステップ前に、フローチャネル３６あるいは孔５０内部に堆積され得ることも理解されよう。当分野においてよく知られているように、ある触媒の性能は、それらが使用される支持体の化学的及び／又は物理的特性に大きく依存する。
【００６５】
本発明の方法はさらに、フローチャネル３６及び／又は導管５０を改質触媒１５でコーティングするステップを追加的に含んでよい。先に記載されたように、フローチャネル３６及び／又は導管５０内で燃料流体と流通する改質触媒１５の存在は、本発明のバイポーラプレート１０に内部改質能力を提供し得る。別法では、フローチャネルあるいは導管に関連する領域に適用される触媒を用いて、周囲環境に排出する前に、未反応の燃料を反応させることができる。当分野においてよく知られているように、そのコーティングステップは、これらに限定されるものではないが、スパッタ、化学気相成長、蒸着、電気メッキ、溶液堆積あるいはそれらの組み合わせを含む種々の技術を用いて実行してよい。方法の選択は当業者には明らかであり、(I)基板７０の性質、(II)触媒の性質、(III)フローチャネル３６あるいは導管５０の寸法、(IV)堆積される触媒の物理的特性、(Ｖ)付随するコスト、にほぼ依存するであろう。コーティングステップは、フローチャネル３６あるいは導管５０を形成するステップと一体化し得ることは理解されよう。例えば、エッチングプロセスを誘導するのに使用されるパターニングされたハードマスク２１を用いて、エッチングされたフローチャネル３６あるいは導管５０の選択的コーティングを誘導するのに有利に使用され得る。また、ある実施態様では、支持層（例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ等）が、コーティングステップ前に、フローチャネル３６あるいは導管５０内部に堆積され得ることも理解されよう。当分野においてよく知られているように、ある触媒の性能は、それらが使用される支持体の化学的及び／又は物理的特性に大きく依存する。
【００６６】
本発明の方法はさらに、基板７０の本体内に配置されるか、あるいは基板７０の面上に配置される抵抗素子５６を形成するステップを含んでよい。先に記載されたように、本発明のバイポーラプレート１０を加熱、特に予熱するのに抵抗素子５６が有利に使用され得る。抵抗素子５６には、薄膜、厚膜あるいは拡散抵抗を使用してよく、任意の既知の処理技術により形成され得る。抵抗素子５６を形成するステップは、例えば、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、プラズマエッチング、イオン注入、高温拡散、ホウ素濃度依存エッチング、電気化学エッチング、ボンディング、リフトオフ、スピンコーティング、ディップコーティング、スパッタ、蒸着、電気メッキ、溶液堆積および化学気相成長のうちの１つあるいは複数の技術の組み合わせによって実行され得る。
【００６７】
本発明の方法はさらに、基板７０の本体あるいは表面からセンサ１７をマイクロマシニングするステップも含んでよい。先に記載されたように、本発明のバイポーラプレート１０に付随するセンサ１７の存在により、燃料電池スタック２２物理的および化学的パラメータのある範囲をモニタできるようになるであろう。その後、これらのパラメータのモニタを用いて、フィードバック機構を制御することができ、それゆえ、燃料電池スタック２２の安定性が助長されるであろう。当分野において知られている任意の本体及び／又は表面マイクロマシニング技術を用いて、本発明のセンサ１７を構成することもできる。センサ１７をマイクロマシニングするステップは、たとえば、フォトリソグラフィ、ウエットエッチング、プラズマエッチング、ホウ素濃度依存エッチング、電気化学エッチング、ボンディング、リフトオフ、スピンコーティング、ディップコーティング、スパッタ、蒸着、電気メッキ、溶液堆積および化学気相成長のうちの１つあるいは複数の技術の組み合わせによって実行され得る。
【００６８】
本明細書に説明されるパラメータの範囲内において、本発明のバイポーラプレート１０の上記の説明、およびバイポーラプレート１０を製造する本発明の方法の上記の説明は、本発明のエンドプレート１１（図２参照）にも適用され得ることは理解されたい。当分野においてよく知られているように、燃料電池スタック２２の本体内の隣接する燃料電池間に配置されるバイポーラプレート１０とは異なり、エンドプレート１１は、燃料電池スタック２２の端部に配置されるため、燃料電池アノード、あるいは燃料電池カソードのうちのいずれかと接触し、両方とは接触しないように設計される。結果として、プレートの両面にフローチャネルを備えることが好ましいバイポーラプレートとは異なり、エンドプレートは、集電表面を形成し、構造的なバックプレート６６（図２参照）と接触するように適合される、実質的に平坦な面１３と、燃料流体あるいは酸化用の流体のいずれかを閉じ込めるように適合されるフローチャネルを含むフロー面１５とを含むことは理解されよう。バックプレート６６は、加圧下のスタック２２を保持するさらに別の構成要素（簡略化するために図示せず）を好ましく伴うことは理解されたい。また、本発明は、燃料電池スタック２２内に本発明のバイポーラプレート１０を組み込むステップを含む、任意の燃料電池スタック２２を製造する方法も含むことも理解されたい。
【００６９】
さらに、ある実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に、実質的に半導性又は導電性の電気接点を与えるように適応されることが好ましいが、他の実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に実質的に絶縁性の電気接点を与えるように適応され得ることも理解されたい。例えば、直列に接続される一群の燃料電池が、垂直（すなわち、図２の場合のように対面して）ではなく、水平（すなわち、並んで）に配列されることを当業者は想定できるであろう。そのような水平のスタックは、スタックの上側に配置される（酸化剤に接触し、燃料電池のカソードに酸化剤を供給するように適合される）第１のエンドプレートと、スタックの下側に配置される（燃料と接触し、燃料電池のアノードに燃料を供給するように適合される）第２のエンドプレートとを用いて完成させることができる。
【００７０】
さらに、ある実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に、実質的に半導性又は導電性の電気接点を与えるように適応されることが好ましいが、他の実施態様では、バイポーラプレート１０およびエンドプレート１１は、スタックの隣り合う燃料電池間に実質的に絶縁性の電気接点を与えるように適応され得ることも理解されたい。例えば、直列に接続される一群の燃料電池が、垂直（すなわち、図２の場合のように対面して）ではなく、水平（すなわち、並んで）に配列されることを当業者は想定できるであろう。そのような水平のスタックは、スタックの上側に配置される（酸化剤に接触し、燃料電池の陰極に酸化剤を供給するように適合される）第１のエンドプレートと、スタックの下側に配置される（燃料と接触し、燃料電池の陽極に燃料を供給するように適合される）第２のエンドプレートとを用いて完成させることができる。
【００７１】
本発明のバイポーラプレートあるいはエンドプレートは、半導性あるいは導電性の本体と、複雑なフロー経路を有する細いフローチャネルおよび孔などの閉じた許容範囲を有する複雑な機構と、一体型の抵抗性加熱素子と、内部の触媒改質機構と、廃棄燃料触媒燃焼器と、一体型の熱交換構造と、概ね平坦で、歪みのない接触面と、一体型のセンサと、内部の伝熱式熱交換機構とを含み得る。
【００７２】
本発明のバイポーラプレートあるいはエンドプレートは、半導性あるいは導電性の本体と、複雑なフロー経路を有する細いフローチャネルおよび導管などの閉じた許容範囲を有する複雑な機構と、一体型の抵抗性加熱素子と、内部の触媒改質機構と、廃棄燃料触媒燃焼器と、一体型の熱交換構造と、概ね平坦で、歪みのない接触面と、一体型のセンサと、内部の伝熱式熱交換機構とを含み得る。
【００７３】
これらのオプションの機構の結果として、燃料電池スタック内に組み込まれる際に、本発明のバイポーラプレートおよびエンドプレートを用いて、温度、圧力、流速、化学的組成、電圧等の、燃料電池スタック内のある範囲のパラメータに関する情報をモニタし、かつ中継することと、フローチャネルあるいは導管内の燃料流体を改質することと、加熱用の流体を介して燃料電池を予熱することと、抵抗加熱素子を介して燃料電池スタックを予熱することと、冷却用の流体を介して燃料電池を冷却することとを含む、多数の新規の作業を実行することができる。
【００７４】
本発明の方法は、バイポーラプレートおよびエンドプレート設計に対する柔軟なアプローチを可能にする、ある範囲の集積処理技術（たとえば、薄膜および厚膜処理、エッチング、フォトリソグラフィ、マイクロマシニング等）を包含する。さらに、小規模な信頼性のある機構を製造する能力は、バイポーラプレートおよびエンドプレートの小型化を可能にし、それゆえ、小規模（たとえば、200Ｗ未満）のポータブル燃料電池システムのさらなる開発に理想的に適する。
【００７５】
以下に本発明の好ましい実施の態様を要約して示す。
１． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）であって、
第１の燃料電池（２０）のアノード（１８）に接触するように適合された上面（１４）と、第２の燃料電池（２４）のカソード（２２）と接触するように適合された下面（１６）とを有する半導体本体を含み、前記上面（１４）は、燃料の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３６）を含み、前記下面（１６）は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３８）を含む、バイポーラプレート。
２． 前記バイポーラプレート（１０）の前記上面（１４）上の前記フローチャネル（３６）が、改質触媒（１５）あるいは触媒燃焼器でさらにコーティングされる、上記１に記載のバイポーラプレート。
３． 前記バイポーラプレート（１０）が、そこを貫通する孔（５０）をさらに含む、上記１又は２に記載のバイポーラプレート。
４． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置され、かつ該バイポーラプレート（１０）を加熱するように適合される抵抗素子（５６）をさらに含む、上記１から３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
５． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置されるセンサ（１７）をさらに含む、上記１から４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
６． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）又はエンドプレート（１１）を製造する方法であって、
上面（１４）と下面（１６）とを有する基板（７０）を設けるステップと、
前記上面（１４）からフローチャネル（３６）をエッチングするステップと、及び
任意に、前記下面（１６）からフローチャネル（３８）をエッチングするステップとを含む方法。
７． 前記基板（７０）が、半導体、グラファイト又は金属である、上記６に記載の方法。
８． 前記フローチャネル（３６）の１つが、改質触媒（１５）又は触媒燃焼器でコーティングするステップをさらに含む、上記６又は７に記載の方法。
９． 孔（５０）を形成するステップをさらに含み、該孔（５０）は前記基板（７０）を貫通する、上記６から８のいずれかに記載の方法。
１０． 前記基板（７０）の本体からセンサ（１７）をマクロマシニングするか、あるいは前記基板（７０）の表面上にセンサ（１７）をマイクロマシニングするステップをさらに含む、上記６から９のいずれかに記載の方法。
【００７６】
以下に本発明の好ましい実施の態様を要約して示す。
１． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）であって、
第１の燃料電池（２０）の陽極（１８）に接触するように適合された上面（１４）と、第２の燃料電池（２４）の陰極（２２）と接触するように適合された下面（１６）とを有する半導体本体を含み、前記上面（１４）は、燃料の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３６）を含み、前記下面（１６）は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３８）を含む、バイポーラプレート。
２． 前記バイポーラプレート（１０）の前記上面（１４）上の前記フローチャネル（３６）が、改質触媒（１５）あるいは触媒燃焼器でさらにコーティングされる、上記１に記載のバイポーラプレート。
３． 前記バイポーラプレート（１０）が、そこを貫通する導管（５０）をさらに含む、上記１又は２に記載のバイポーラプレート。
４． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置され、かつ該バイポーラプレート（１０）を加熱するように適合される抵抗素子（５６）をさらに含む、上記１から３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
５． 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置されるセンサ（１７）をさらに含む、上記１から４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
６． 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）又はエンドプレート（１１）を製造する方法であって、
上面（１４）と下面（１６）とを有する基板（７０）を設けるステップと、
前記上面（１４）からフローチャネル（３６）をエッチングするステップと、及び
任意に、前記下面（１６）からフローチャネル（３８）をエッチングするステップとを含む方法。
７． 前記基板（７０）が、半導体、グラファイト又は金属である、上記６に記載の方法。
８． 前記フローチャネル（３６）の１つが、改質触媒（１５）又は触媒燃焼器でコーティングするステップをさらに含む、上記６又は７に記載の方法。
９． 導管（５０）を形成するステップをさらに含み、該導管（５０）は前記基板（７０）を貫通する、上記６から８のいずれかに記載の方法。
１０． 前記基板（７０）の本体からセンサ（１７）をマクロマシニングするか、あるいは前記基板（７０）の表面上にセンサ（１７）をマイクロマシニングするステップをさらに含む、上記６から９のいずれかに記載の方法。
【００７７】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、種々の燃料電池パラメータをモニタし、かつ制御できるようにする種々のセンサおよび装置をその中に組み込むことができるバイポーラプレートおよびエンドプレートと、そのバイポーラプレートおよびエンドプレートを製造する方法とが達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 簡単なバイポーラプレートの斜視図である。
【図２Ａ】 燃料電池スタックの側面図である。
【図２Ｂ】 燃料電池スタックの側面図である。
【図３】 簡単なバイポーラプレートの断面図である。
【図４】 蛇行した経路を有するフローチャネルを示すバイポーラプレートの平面図である。
【図５】 内部フローマニホルドを含むバイポーラプレートの斜視図である。
【図６】 孔及びセンサを含むバイポーラプレートの側面図である。
【図７】 内部伝熱式熱交換器を含むバイポーラプレートの斜視図である。
【図８】 抵抗加熱素子を含むバイポーラプレートの平面図である。
【図９】 燃料電池電源及び素子を含む回路の電気的な概略図である。
【図１０】 本発明の方法に含まれる最も簡単なステップを示すフローチャート図である。
【図１１】 パターニングされたマスクを使用するフローチャネルのエッチングを示す図である。
【図１２】 エッチングと、後続するボンディングとによる孔の形成を示す図である。
【図１３】 本発明の方法に含まれ得る任意のステップを示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１０ バイポーラプレート
１１ エンドプレート
１４ 第１の面
１６ 第２の面
１８ 第１の燃料電池
２０ 第２の燃料電池
２４、３０ アノード
２６、３２ カソード
２８、３４ 電解質
３６、３８ フローチャネル
４０ プラトー
１５ 改質触媒
１７ センサ
５０ 孔
７０ 基板
Claims (8)
- 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）であって、
上面（１４）と下面（１６）とを有するドープされた半導体本体を含み、前記上面（１４）は、燃料の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３６）と、第１の燃料電池（１８）のアノード（２４）と接触するように適合されたドープされた半導体部分を含み、前記下面（１６）は、酸化用の流体を閉じ込めるように適合されたフローチャネル（３８）と、第２の燃料電池（２０）のカソード（３２）と接触するように適合されたドープされた半導体部分を含む、バイポーラプレート。 - 前記バイポーラプレート（１０）の前記上面（１４）上の前記フローチャネル（３６）が、改質触媒（１５）でさらにコーティングされる、請求項１に記載のバイポーラプレート。
- 前記バイポーラプレート（１０）が、そこを貫通し且つ入口及び出口を有する孔（５０）をさらに含む、請求項１又は２に記載のバイポーラプレート。
- 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置され、かつ該バイポーラプレート（１０）を加熱するように適合される抵抗素子（５６）をさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載のバイポーラプレート。
- 前記バイポーラプレート（１０）が、該バイポーラプレート（１０）の本体内に配置されるか、あるいは該バイポーラプレート（１０）の表面上に配置されるセンサ（１７）をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載のバイポーラプレート。
- 燃料電池スタック（２２）用のバイポーラプレート（１０）を製造する方法であって、
上面（１４）と下面（１６）とを有するドープされた半導体基板（７０）を設けるステップと、
前記上面（１４）から燃料流体用フローチャネル（３６）をエッチングし、且つ前記下面（１６）から酸化流体用フローチャネル（３８）をエッチングするステップであって、それによってアノードと接触するように適合されたドープされた半導体部分及びカソードと接触するように適合されたドープされた半導体部分を含むドープされた半導体本体が生じるステップと、
前記フローチャネル（３６）を改質触媒（１５）でコーティングするステップと、
を含む方法。 - 前記バイポーラプレート（１０）を貫通し且つ入口及び出口を有する孔（５０）を形成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
- 前記半導体基板（７０）の本体からセンサ（１７）をマイクロマシニングするか、あるいは前記半導体基板（７０）の表面上にセンサ（１７）をマイクロマシニングするステップをさらに含む、請求項６又は７のいずれかに記載の方法。
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