JP4921469B2 - 充填チャンバーを備えたｐｅｍ燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段に記載の充填チャンバーを備えたＰＥＭ燃料電池に関するものであると共に、請求項１２の前段に記載の、このようなＰＥＭ燃料電池で使用されるセパレータプレートアセンブリを製造するための方法に関する。本発明に係る主題は、トラクションのための電流を発生させる分野、及び／又は車両の車載電源システムにおいて産業上の利用を見出すことができる。

高分子電解質膜型燃料電池（略してＰＥＭＦＣ、ＦＣは燃料電池を表す）は基本的に以下の原則に従って設計される。ＰＥＭＦＣは、１つのアノードと、１つのカソードと、これらの間に配置された高分子電解質膜（ＰＥＭ）とから構成される１つの膜−電極接合体（ＭＥＡ）を有する。次いで、ＭＥＡは２つのセパレータプレートユニットの間に配置されているので、アノードに対して配置されたセパレータプレートユニットは燃料分配チャネルを備え、一方、カソードに対して配置されたセパレータプレートユニットは酸化剤を分配するためのチャネルを含む。このため、これらのチャネルはＭＥＡと対面している。このタイプのチャネルは、これ以降、「分配チャネル」と呼ぶ。当該分配チャネルは、アノードチャンバーとカソードチャンバーをそれぞれ形成する。電極（アノード及びカソード）は、通常、ガス拡散電極（ＧＤＥ）として実現される。これらの電極は、電気化学反応（例：２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ）（以降：燃料電池反応）で生成された電流を伝導させ、反応体、抽出物、生成物を拡散させる役割を果たす。ＧＤＥは、通常、少なくとも１つのガス分配層と、少なくとも１つのガス拡散層（ＧＤＬ）と、１つの触媒層とを備え、触媒層はＰＥＭと面していて、電気化学反応が発生する場所である。

このタイプの燃料電池は、比較的低い動作温度でも、大きな電流出力を発生させることができる。実際の燃料電池は、高い電力出力を達成するために、積重ねられて所謂燃料電池スタック（以降：スタック）を形成する。このため、単極のセパレータプレートの代わりに、バイポーラセパレータプレート（バイポーラプレート）が採用され、単極のセパレータプレートはスタックの末端プレートとしての役割を果たすだけである。セパレータプレートは、アセンブリを形成する２つ以上の部分プレートからなり、「セパレータプレートアセンブリ」と呼ばれる。以下、用語「セパレータプレートアセンブリ」は、上記したプレート及びプレートアセンブリの全てを示すものとする。したがって、セパレータプレートアセンブリは、単一のプレートを含むことも、１つ又は複数の部分プレートから組み立てられることも可能である。

反応体として、１つの燃料と１つの酸化剤とが採用されている。ほとんどの場合、ガス反応体（反応ガス）が使用されている。例えば、燃料としては、Ｈ_２又はＨ_２を含有するガス（例：改質ガス）が使用され、酸化剤としては、Ｏ_２又はＯ_２を含有するガス（例：空気）が使用されている。反応体という用語は、電気化学反応に関係する物質全て（Ｈ_２Ｏ等の反応生成物も）を示すと理解されたい。

現行のＰＥＭの中には、適切なイオン伝導率を達成するために、ある含水率を必要とするものがある。このことは特に、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）等の、フッ化硫酸に基づく材料からなるＰＥＭに当てはまる。このため、このタイプのＰＥＭは、通常、反応体をＰＥＭＦＣに供給する前に加湿することにより、加湿される。加湿することの問題点は、複雑化につながること及び追加の装置（例えば加湿器）が必要となることである。これは、燃料電池システムにおいて非常に簡単な動作プロセス及び非常にコンパクトな設計の実現を目指す上で障害となる。

加湿することの更なる問題点は、加湿レベルを調整するのが難しいということである（加湿問題）。例えば、加湿が十分でない又は全く行われておらず及びＰＥＭを適切に加湿するには燃料電池の反応で生成される水（生成水）で十分であると確信している場合は、特にカソード側において、酸化剤（好ましくは空気）の吸入ポート付近で水が蒸発しやすくなると同時にこの付近の酸化剤がかなり乾燥し、結果としてこの領域でのＰＥＭが特に乾燥しやすくなるという問題に直面する。乾燥が発生すると、イオン伝導率の低下を招くだけでなく、クラックが原因となりＰＥＭに機械的な損傷を与える恐れもある。

セパレータプレートアセンブリのチャネルを介して流れる間、酸化剤はＭＥＡから生成水を吸収し、これによりその相対湿度が上昇し、加湿問題は次第に緩和される。この生成水の吸収は、加湿問題が最終的に消滅するまで、又は不利な条件下では、水除去の問題という正反対の問題に転換するまで継続される。

水除去問題の要点は、酸化剤が、吸入口から出口までのその通路において、生成水の吸収によって益々湿った状態になると、生成水の吸収及びひいては除去が次第に少なくなり、結果として出口又はその近辺で生成水の適切な除去が行えないという状況に直面し得ることである。ここで、生成水は不利な条件下では凝縮し、反応中心への反応体の供給又は反応中心からの反応体の除去のための重要な通路を遮断してしまう恐れがある。これは、燃料電池の反応に悪影響を及ぼし、燃料電池の出力を低下させる。

水除去の問題は、特に、酸化剤が燃料電池に入る前に加湿された場合に発生する。加湿の結果として、吸入口の領域のＭＥＡは、ＰＥＭの乾燥を防ぐために十分に湿った状態となる。しかし、この場合、酸化剤はちょうどスタートから生成水の吸収が少なくなるので、酸化剤の水分レベルが急に高くなりすぎて生成水の適切な吸収及び除去が不可能になる。これにより、燃料電池の反応は容易に弱められる。

このような理由で、加湿依存型のＰＥＭを備える従来の燃料電池の場合は、通常、カソード入口での適切な加湿とカソード出口での適切な水除去との間で妥協点を見出す必要がある。

加湿問題に対する解決策として、本出願人による特許文献１では、２つの流体チャンバー（カソードチャンバーが１つとアノードチャンバーが１つ）を備える燃料電池について説明しており、それによって、流体チャンバーのうちの１つが区切られ更なる流体チャンバーが得られている。簡略化のため、そして処理すべき加湿問題を鑑みて、以下の説明ではカソードチャンバーを区切って追加のチャンバーを得た場合についてのみ取り扱うことにする。しかし、カソードチャンバーとアノードチャンバーの両方を区切って１つ又は複数ものチャンバーを形成することも、技術的な理由が存在するならば、当然ながら可能である。以下、この区切られた追加のチャンバーを、その目的とする機能に従って「充填チャンバー」と呼ぶことにする。この隔壁は金属薄板とすることができ、部分セパレータプレートと同様に実現され、セパレータプレートアセンブリのカソード側に配置される。金属薄板は、充填チャンバーからカソードチャンバーへの流体連通を確立する透過性のスポット（例えば穿孔（ボアホール））を備え、これにより、充填チャンバー内を流れる流体（酸化剤）は、透過性のスポットを介してカソードチャンバーに到達することができる。このように、当該流体をカソードチャンバーに注入又は充填（以下：充填）することができる。以下、これらのスポットは、これにふさわしい用語「充填スポット」で表すことにする。充填チャンバーは、カソードチャンバーの一部分だけにわたって延びるようにすることができ、１／３だけにわたって延びるのが好ましい。充填チャンバーを用いて、カソードチャンバーへの酸化剤の供給をより広い範囲にわたり空間的に分配及び分割することが可能である。したがって、燃料電池の反応に必要な酸化剤の全容積が、カソード入口の領域（吸入領域）の特に乾燥に敏感なＰＥＭ部分を流れるわけではなく、最良のケースでは、電気化学的に変換可能な容積だけがこの領域を流れる。最初は少量の酸化剤が充填されるだけなので、ＰＥＭの加湿にはほんの少しの水しか使用されず、最適なケースでは、燃料電池の反応の結果としてこの領域で生成される水の量より少ない。更に下流では、更なる充填スポットに達する前に、酸化剤は燃料電池の反応で生成された水によってすでに部分的に加湿されているので、乾燥した酸化剤の充填は、前の注入の場合に比べて害はずっと少ない。この傾向は後続の充填スポットについても続き、全体としては、燃料電池は、乾燥による有害な影響をＰＥＭ又はその機能に及ぼすことなく、わずかに加湿されているだけの酸化剤又は少しも加湿されていない酸化剤を使用することができる。したがって、最良の場合では、これまでＰＥＭ燃料電池システムで必要とされてきた加湿及び水回収システムをなくすことが可能であり、このことは、当該ＰＥＭ燃料電池システムの大幅な簡略化を意味する。

このアプローチを伴う特許文献１では加湿問題に対する解決策の原理を示しているが、更なる改良が必要であり、例えば、複雑な制御ユニットの採用を必要とせずに、適切な場所への適切な量の酸化剤の厳密な充填を達成することである。

独国特許出願公開第１０３ ４６ ５９４ Ａｌ号明細書

したがって、本発明の１つの課題は、上記したタイプのＰＥＭ燃料電池を更に発展させ、少しも加湿されていない酸化剤又はわずかに加湿されただけの酸化剤のカソードチャンバーへの充填についてカソードに沿った相対湿度曲線を簡単な方法で更に改良できるようにすることにある。

本発明の更なる課題は、ＰＥＭ燃料電池用の構成部品を製造するための方法を規定することにある。この部品を用いることで、少しも加湿されていない酸化剤又はわずかに加湿されただけの酸化剤のカソードチャンバーへの充填についてカソードに沿った相対湿度曲線を簡単な方法で更に改良することができる。

これらの課題は、請求項に定義された主題によって解決される。好適な実施形態は、従属項に定義されている。

したがって、本発明の第１の主題は、膜−電極接合体（ＭＥＡ）とカソードチャンバーとを有するＰＥＭ燃料電池である。当該カソードチャンバーは、ＭＥＡのカソードと境を接し、カソードと対面する側では、部分的にセパレータプレートアセンブリと、及び部分的に隔壁と境界を接しており、当該隔壁はセパレータプレートアセンブリのカソード側に配置され、セパレータプレートアセンブリに例えば溶接によって接合されていて、これにより、隔壁が少なくとも１つの追加のチャンバー（充填チャンバー）をカソードチャンバーから離隔し（つまり、充填チャンバーはカソード側で隔壁と境を接し、それと反対側でセパレータプレートアセンブリと境界を接する）、これにより、少なくとも１つの充填チャンバーが少なくとも１つの位置（充填スポット）で隣接するカソードチャンバーとの流体連通を有し、結果として、充填チャンバーから充填スポットを介して隣接するカソードチャンバーに酸化剤を充填することが可能である。

本発明の隔壁は、充填スポットで充填チャンバーからカソードチャンバーに充填される酸化剤の量が予め調整され得るように充填チャンバー内の充填チャネルの深さと隣接するカソードチャンバー内の分配チャネルの深さが変化するよう設計される。

隔壁が、カソード側のチャネルシステムの全体を覆っているわけではない場合、隔壁は分配チャネルの一部を形成し、これに対し、セパレータプレートアセンブリは隔壁の領域内では充填チャネルを形成し、隔壁の領域外では分配チャネルの残りの部分を形成する。

隔壁が、カソード側のチャネルシステムの全体を覆っている場合、隔壁は分配チャネルを形成し、一方、セパレータプレートアセンブリは充填チャネルを形成する。

本発明の文脈中にある「予め調整される」という用語の意味は、セパレータプレートアセンブリのチャネルの深さが予め寸法決め又は規定されていて、燃料電池の動作中にフローがカソードチャンバー及び充填チャンバーを通過すると特定の圧力が特定の充填スポットに行きわたり、これにより特定量のガスが充填チャンバーから充填スポットを介してカソードチャンバーに流れるようになっていることを示していると理解されたい。

分配チャネル及び充填チャネルの変化する深さにより、本発明に係る燃料電池は、充填チャンバーからカソードチャンバーへの酸化剤（加湿されていない又はわずかに加湿されているだけ）の充填が選択的に発生することでカソードに沿った相対湿度曲線が簡単に改良されるように設計されている。曲線が改良されたことは、充填が発生する領域（充填領域）に沿ってＰＥＭの適切な加湿が全ての位置でもたらされるという事実、更に、そこでは燃料電池の反応に悪影響を及ぼす可能性がある液体の水が形成されないという事実によって示される。

分配チャネルの深さが充填チャネルの深さと補完し合うことは有用である。つまり、酸化剤分配チャネルの深さが浅い位置では、隣接する充填チャネルの深さがそれに対してより深くなり、逆も然りである。この方法は、充填スポットを通して圧力の平衡が発生し、所定の量の酸化剤が選択的に適量に分けられてカソードチャンバーに流れるように、２つのチャンバーを流れる流体（酸化剤）の圧力に選択的に影響を及ぼすことができる方法である。

分配チャネルの深さが充填領域からカソード出口への流れ方向に沿って増し、これと補完し合うように、充填チャネルの深さが酸化剤ポートから充填領域の末端への流れ方向に沿って減少することが好ましい。即ち、この実施形態では、例として、充填チャネルが酸化剤の流れ方向に沿って浅くなり、これに対して、分配チャネルは最初は浅く当該流れ方向に沿って深くなり、充填領域の外部ではカソードの出口まで一定の深さが続いている。充填領域はセパレータプレートアセンブリ内に形成されたチャネルの全長にわたり延在する場合があり、その場合は充填領域の終端がカソード出口の領域に位置することを、この接続では留意されたい。これにより、この領域（充填領域）での相対湿度曲線について有利となるよう充填チャンバーからカソードチャンバーへの酸化剤の流れ特性を保証する充填チャンバー及び隣接するカソードチャンバーでの圧力条件を作成することができる。

本発明に係る燃料電池の更なる発展形態では、隔壁が、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルの少なくとも一部の長さを覆い、当該部分をカソードチャンバーから離隔し、覆った領域（被覆領域）に充填チャンバーを形成する。この接続では、セパレータプレートアセンブリ上に形成され、且つ、被覆領域内に位置するチャネルは充填チャネルであり、これに対して、被覆領域の外側のチャネルの延長部は分配チャネルの一部となることに留意されたい。

隔壁はセパレータプレートアセンブリの酸化剤ポートの領域に配置されることが好ましい。これにより、酸化剤ポートと充填チャンバーとの間の流体連通の確立が簡略化され、更に周辺部に対するこの接続のシールも簡略化される。更に、当該ポート領域内に存在するチャネル構造を、充填領域への酸化剤フィードとして使用することができる。

隔壁は、酸化剤ポートから、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されるチャネルの長さの最大でも１／３の端まで、更に一層好ましくは、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルの長さの最大でも２／３の端まで、特に好ましくは、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルの最大全長まで延在することが好ましい。隔壁の範囲が広がると機械的な複雑さが増すものの、隔壁の範囲が広がると酸化剤の加湿のために必要な複雑さは減少する。例えば、特に隔壁がセパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルの全長にわたり延びる場合、必要とされる加湿デバイスの寸法が小さくなる、又は加湿デバイスをなくすことさえ可能になる。

本発明に係る燃料電池の更なる発展形態では、被覆領域において、酸化剤ポートへの流体連通が本質的に充填スポット及び充填チャンバーを介してしか存在しないように、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルが隔壁によって酸化剤ポートから離隔される。したがって、充填チャンバーは、従来の燃料電池のカソード吸入領域に完全に取って代る。これにより、カソードチャンバーへの酸化剤の充填を、より正確に制御又は設定することができる。

本発明に係る燃料電池の更なる発展形態では、隔壁のチャネルの間のリッジの高さと、隣接するセパレータプレートアセンブリのチャネルの間のリッジの高さは、互いに補完し合っており、被覆領域でのセパレータプレートアセンブリの全体の高さは被覆領域の外のセパレータプレートアセンブリの全体の高さに対応する。これにより、本発明の燃料電池のスタック及びクランプが簡略化され、流体チャンバーを変形させないように（変形は、反応体の流れ、充填、及び相対湿度の曲線にマイナスの影響を与える場合がある）、スタックにクランプ力が確実にもたらされる。

この点では、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されるチャネルのリッジの高さは、隔壁で覆われた領域では隔壁の材料の厚みだけ低くなることが好ましい。したがって、隔壁及び部分プレートから組み立てられたセパレータプレートアセンブリは、その表面に沿って均一な厚みを有する（さしあたりチャネルの深さは無視する）。これもまた、本発明に係る燃料電池の良好なスタック特性及びクランプ特性に寄与している。

本発明の燃料電池の一実施形態では、隔壁が、チャネル構造が型打ちされていることが好ましい金属板、好ましくは金属薄板から製造され、これにより隔壁の領域に分配チャネルが形成される。金属板、特に金属薄板は、機械加工性に優れ正確な機械加工が可能である（特にエンボス加工による）という利点がある。したがって、チャネルを極めて正確に設けることができる（特にチャネルの深さ、及びチャネル間のリッジの高さにおいて）。

この点で、エンボス加工された金属薄板が、充填スポットを目的としたボアホールを有する場合が好ましく、それによってボアホールは好ましくは分配チャネルの底部に配置される。ボアホールを通る流れの圧力損失が充填チャネルに沿った流れの圧力損失より大幅に大きくなるようにボアホールの直径の寸法を設定するのが現実的である。本ケースでは、例えば直径０．３ｍｍのボアホールが適切であることが判明している。全てのボアホールの直径は本質的に一致すべきである。したがって、単位時間当たりにボアホールを通るガス容積が、全てのボアホールについてほぼ同じになり、そのため、充填する酸化剤の容積を複数のボアホールを介して簡単に設定することができる。このタイプのボアホールは非常に簡単且つ正確に実現可能であり、このことは充填の精度向上に寄与する。

本発明の更なる主題は、上記の燃料電池で使用されるセパレータプレートアセンブリを製造するための方法である。これによって、セパレータプレートアセンブリは、１つのアノード側部分プレートと、１つのカソード側部分プレートと、カソード側部分プレートに配置された１つの隔壁とを備える。本発明によれば、まず隔壁がカソード側部分プレートに接合され、次いでカソード側部分プレートにアノード側部分プレートが接合される。

これにより、セパレータプレートアセンブリの第３の部分プレートである隔壁によって引き起こされる可能性のある接合上の問題の発生を防止できる。まずアノード側部分プレートとカソード側部分プレートを接合し、その後に隔壁をカソード側部分プレートに連結する場合、すでに接合された部分プレートの領域内に隔壁用の接合連結部を位置決めする必要があるので、接合プロセス時にアノード側部分プレート、及び／又は、アノード側部分プレートとカソード側部分プレートとの間に位置する冷却チャネルが損傷するという危険に直面する。本発明に係る方法では、このような危険は存在しない。それは、アノード側部分プレート用の接合連結部を、接合済みの隔壁及びカソード側部分プレートの領域の外側に出すことができるからである。

本発明の方法を使用することにより、ＰＥＭ燃料電池用の構成部品、つまり、セパレータプレートアセンブリを製造することができ、このセパレータプレートアセンブリにより、カソードチャンバーへの加湿されていない酸化剤又は少しだけ加湿されている酸化剤の充填についてカソードに沿った相対湿度の曲線を簡単に改良することができる。

この点で、部分プレートと隔壁とを溶接によって接合することが好ましい。溶接を使用すれば、特に金属薄板について、非常に複雑な形状（複雑な溶接パス）を有する接合連結を簡単に作成できるからである。

本発明の方法の変形例では、溶接スポットが充填スポットを通して配置される。アノード側部分プレートとカソード側部分プレートとを接合する溶接継ぎ目の外側に設けられる追加の溶接点は、２つの部分プレートの間の電気接続を向上させることができる。しかし、目下、カソード側部分プレートの一部分は、隔壁によって覆われており、アノード側部分プレートとカソード側部分プレートとの間の電気的な接触を向上させる溶接点を配置するためにそこにアクセスすることができない。これに対する例外として、隔壁内の充填スポット（例えばボアホール）がある。隔壁によって覆われているカソード側部分プレートには、この充填スポットを通してまだアクセスすることができる。したがって、例えばレーザーを使用してそこに溶接点を配置し、部分プレート間の電気的な接続を向上させることができる。

本発明について以下に更に詳しく説明する。そのために、本発明の実施形態の具体的な例を、簡略的に図示し、以下の記述で詳細に説明する。

図では、本発明を理解するのに不可欠な特徴にのみ具体的に符号が付けられている。

図１は、本発明のフレームワーク内で不可欠である、従来のＰＥＭ燃料電池（１）の構成要素の分解図である。燃料電池（１）は１つのＰＥＭ（２）を有する。このＰＥＭ（２）は１つのアノード（３）と１つのカソード（４）との間に配置され、これらと接合されてＭＥＡを形成する。本燃料電池（１）はスタック（図示せず）を成しており、したがってアノード側及びカソード側で、バイポーラセパレータプレートアセンブリ（バイポーラプレート）によってＭＥＡの境界が形成されている。各バイポーラプレートアセンブリについては、２つの部分プレート（５、６）のうちの１つが表示されているだけである（つまり、アノード側部分プレート（５）とカソード側部分プレート（６）がそれぞれ図示されている）。燃料電池（１）がスタックを成さない独立したセルである場合は、（５）及び（６）が終端プレートになる。燃料電池（１）がスタックの端部に位置する独立したセルである場合、（５）又は（６）が終端プレートとなる。電極と面している部分プレート（５、６）の表面には、構造的なパターン、つまりチャネルシステム（７、８）が形成されている。これにより、組み立てられた燃料電池では、アノード側チャネルシステム（７）がアノードチャンバー（９）を形成し、カソード側チャネルシステム（８）がカソードチャンバー（１０）を形成する。電極チャンバー（９、１０）は、不要な漏れが発生しないようシールリング（１１）によって流体密封されている。部分プレート（５、６）はスタック内で接合され、セパレータプレートアセンブリを形成する。本例では、部分プレート（５、６）はそれぞれ、電極と面する表面上にのみ構造的なパターン／チャネルシステム（７、８）を有している。しかし、この部分プレートは反対側の表面にもチャネルシステムを備えることができる。したがって、組立て後は部分プレートの間に更なるチャネルシステムが形成されるので、このチャネルシステムを使用することで冷却のために冷却剤を通すこともできる。符号（１２）は、図２に拡大表示される詳細を特定する。

このような燃料電池（１）は更なる構成要素を有するが、それらの構成要素は当業者には公知であるので簡略のためにここでは図示していない。例えば、そのような構成要素としては、反応剤及び冷却剤用の吐出ポート及び吸入ポート、更に適用可能な場合は、シール要素、ポートからチャネルシステムへ反応剤を供給するためのインレイ等がある。

図２は、図１の詳細（１２）を拡大して示す。セパレータの部分プレート（６）のチャネルシステム（８）の分配チャネル（１５）の吸入領域と分配チャネル（１５）の深さ（１３）とが示されている。この図から分かるように、この従来の燃料電池内での分配チャネルの深さ（１３）は、セパレータの部分プレート（６）のカソード側表面に沿って一定である。符号（１４）は、チャネルシステム（８）のリッジ部を示す。

図３ａ）は、従来の燃料セルのセパレータプレートアセンブリのカソード側部分プレート（６）を示し、図３ｂ）はアノード側部分プレート（５）を示す。以下ではカソード側部分プレート（６）を扱うのみとする。カソード側部分プレート（６）は、他にも特徴はあるが、酸化剤用の１つの吸入ポート（１６）と、１つの蛇行チャネルシステム（８）と、酸化剤用の１つの吐出ポート（１７）とを有する。チャネルシステム（８）の分配チャネル（１５）の深さは、分配チャネル（１５）の全長にわたり一定である。

図４は、図１〜図３で上述したとおりの従来の燃料セル（１）のチャネルシステム（８）での相対湿度φ（１８）の曲線を図式的に示したものである。ここで、Ｌは分配チャネル（１５、図２を参照）の長さを示す。この場合は、部分的に加湿された空気が酸化剤として使用される。この空気は分配チャネルのＬ＝０の位置から、５３％（約７５℃及び１barG）の相対湿度φ_Ｅ（以下、吸込湿度と呼ぶ）で分配チャネルに入り込む。次いで、燃料電池の反応の結果として、まず空気の相対湿度φがチャネルの距離とともに上昇し、φ＝１及びＬ≒１／３で飽和点（１９）に達するまでそれが続く。飽和点（１９）まで空気は単相システムであるが、飽和点（１９）を過ぎると、空気は２相システム（ガス状の空気、液体の水）となる。Ｌ＝０とＬ≒１／３との間のカソード吸入領域では、空気の相対湿度φが低いためにＰＥＭが乾燥する傾向にあるので、問題が発生する場合がある。本発明の目的は、この領域での相対湿度φの曲線を、乾燥の危険が減少又は除去される程度に改善することにある。

図５は本発明に係る燃料電池のセパレータプレートアセンブリの一部を示し、この部分は酸化剤ポート（２０）、燃料ポート（２１）、冷却剤ポート（２２）、及びカソード側チャネルシステム（８）を備える。図示したのは、セパレータプレートアセンブリのカソード側部分プレート（６）の斜視上面図である。セパレータプレートアセンブリは、金属薄板として具現化されセパレータプレートアセンブリに溶接される隔壁（２３）を備える。隔壁（２３）は、カソードチャンバーから充填チャンバー（図６を参照）を離隔する。即ち、隔壁（２３）はカソードと、カソードと対面するセパレータプレートアセンブリとの間に配置されている。隔壁（２３）はチャネルシステムを有しており、このチャネルシステムは、充填スポット（２４）にて充填チャンバーからカソードチャンバーに充填される酸化剤の量を予め固定しておくことができるように充填チャンバー内の充填チャネルの深さ及び隣接するカソードチャンバー内の分配チャネルの深さとが変化するよう、形成される（図６を参照）。この例では、隔壁（２３）は、チャネル構造が型打ちされた金属薄板であり、これにより、隔壁（２３）の領域には分配チャネルが形成される。隔壁（２３）は酸化剤ポート（２０）の領域に配置され、カソード側チャネルシステム（８）の長さの約１／３を覆っている。しかし、隔壁（２３）がカソード側チャネルシステム（８）の全長、即ち、隣接しているＭＥＡ（図示せず）の電気化学的にアクティブな領域に隣接するセパレータプレートアセンブリ全体の領域を覆うことが好ましい。隔壁（２３）は、分配チャネル（１５）の底部に配置されていて充填チャンバーからカソードチャンバーへの空気のための充填スポットを目的としたボアホールを更に備える。これらのボアホールの直径は０．３ｍｍである。隔壁（２３）によってボアホールが覆われた領域（被覆領域）では、酸化剤ポート（２０）への流体連通が本質的に充填スポット（２４）及び充填チャンバーを介してのみ存在するように、セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネル（１５）が酸化剤ポート（２０）から離隔されている。

図６は、本発明に係る燃料電池用の隔壁（２３）を伴うセパレータプレートアセンブリを通る２つの断面の概略図を示す。図６ａ）はカソード吸入領域を通る断面を示し、図６ｂ）は充填チャンバーの端部領域を通る断面を示す。セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルの全長を隔壁（２３）が覆う場合、充填チャンバーの端部はカソード吐出口の領域に位置する。また、セパレータプレートアセンブリが隔壁（２３）に加えて、２つの部分プレート（具体的にはアノード側チャネルシステム（７）を伴うアノード側部分プレート（５）及びカソード側チャネルシステム（８）を伴うカソード側部分プレート（６））を有し、それによって２つの部分プレートの間に冷却チャネルシステム（２５）が形成されることも明らかである。カソードチャンバーでは隔壁が分配チャネル（１５）を形成し、一方、充填チャンバー（２６）では隔壁がカソード側の充填チャネル（２７）を画定している。隔壁（２３）の分配チャネル（１５）の深さについては、カソード吸入領域を通る断面領域の場合は符号（１３）が付けられ、充填チャンバーの端部領域を通る断面の場合は符号（１３’）が付けられている。深さ（１３、１３’）は、カソード吸入領域からカソード吐出領域／充填チャンバーの端部領域の方へ向かって（即ち、酸化剤の流れる方向へ）深くなっている。図６に示すように隔壁（２３）はセパレータプレートアセンブリ上に配置されているので、充填チャネル（２７）の深さ（１３’’、１３’’’）は同じ方向に沿って同じ角度で浅くなっている。即ち、分配チャネル（１５）の深さ（１３、１３’）の寸法は、充填チャネル（２７）の深さ（１３’’、１３’’’）と補完し合うように設定されている。チャネルの深さ（１３〜１３’’’）の寸法を適切に設定することにより、充填スポット（図示せず）を通して圧力平衡が発生するような充填チャンバー及び隣接するカソードチャンバー内の圧力条件を作成できる。これにより充填チャンバーから隣接するカソードチャンバーに選択的に酸化剤が充填される。このように、特別に設計された隔壁の構造的な深さの助けを借りて、充填を予め選択的に設定することが可能である。

図７は、本発明の燃料電池の第１の実施形態のカソードチャネルに沿った相対湿度φ（１８、１８’、１８’’）の曲線を示す。ここで図示したグラフは、チャネル長Ｌがチャネル全長の分数ではなくミリメートルで表示されていることを除けば、図４に示したグラフと非常に類似している。図示した例では、充填スポット（２４）（簡潔に表現するために１つの充填スポットにしか符号（２４）を付けていない）で飽和（φ＝１）に達しても飽和点を上回らないよう充填領域が設計されている。飽和点（１９）より下では、充填領域での相対湿度φを表す曲線の２つの分岐線（１８’、１８’’）が比較として示される。上側の分岐線（１８’）は鋸歯状の曲線を有しており、飽和点（１９）で、図４ですでに示している曲線（１８）と一緒になっている。曲線（１８’）及び（１８）は共に、本発明に係る燃料電池内の相対湿度φ（１８、１８’）を表す曲線を形成している。比較すると、下側の分岐線（１８’’）は従来の燃料電池内の当当該領域での相対湿度φを表す曲線を示している。下側の分岐線（１８’’）はまた、飽和点（１９）で曲線（１８）（図４ですでに示している）と一緒になっている。曲線（１８’’）及び（１８）は共に、従来の燃料電池内の相対湿度φ（１８、１８’’）を表す曲線を形成している。

本発明の燃料電池での相対湿度φ（１８、１８’）を表す上側の分岐線（１８’）の鋸歯状曲線について以下に説明する。加湿されていない酸化剤（周囲空気）は、Ｌ＝０にて吸込湿度φ_Ｅで分配チャネルに入る。しかしながら、本発明によれば、燃料電池で必要とされる酸化剤の全ての量がここから入り込むわけではなく、一部分のみが入り込む。燃料電池の反応によって水が生成されるため、酸化剤の相対湿度φは流れ方向に沿って激しく増大する。この相対湿度の上昇は、充填される酸化剤の量は従来の燃料電池の場合より少ないが生成水の生成はほぼ同じであることから、従来の燃料電池と比較して特に激しい。したがって、酸化剤の分圧に対する水蒸気の分圧の比は、本発明の燃料電池の場合が従来の燃料電池の場合より大きい。充填される酸化剤は比較的乾燥していて酸化剤の分圧に対する水蒸気の分圧の比を酸化剤の方に再びシフトさせるので、相対湿度φは第１の（流れ方向に沿って）充填スポット（２４）で急激に落ち込んでいる。次いで、相対湿度φは、酸化剤が再び混合されるまで、即ち、充填領域の端部に達する（おおよそ、飽和点（１９）に達する位置）まで、流れ方向に沿って再び激しく上昇する。

したがって、本発明の燃料電池のカソードチャンバーに酸化剤が入る領域での相対湿度φは、この領域内のＰＥＭの乾燥の危険が緩和されるか又はなくなるように、従来の燃料電池と比較して上昇させることができる。一方、本発明の燃料電池の吸入／充填領域（２８）は、どのポイントの相対湿度φも飽和（φ＝１）を超えないように設計されている。これにより充填領域（２８）内では、不利な条件下で充填スポット（２４）をブロックする可能性がある液体の水が決して生成されない。したがって、液滴を形成する危険又は充填スポット（２４）をブロックする危険をもたらすことなく、本発明の燃料電池のカソードチャンバーに酸化剤が入る領域での相対湿度φを全体的に、従来の燃料電池と比較して上昇させることができる。

図８は、本発明の燃料電池の第２の実施形態のカソードチャネルに沿った相対湿度φ（１８、１８’、１８’’）の曲線を示す。この燃料電池の充填領域は、原則的に図７に示した燃料電池と同様に設計されている。しかし、充填領域（２８）は、充填スポット（２４）のグループを更に５つ有している（ここでも簡略のために、１つの充填スポット（２４）にしか詳細に符号を付けていないが、図示した１６個の充填スポット全部を表している）。グループ当たりの充填スポット（２４）の個数は、酸化剤の流れ方向（左から右へ）に沿って増加していることに留意されたい。これにより、本発明に係る燃料電池のカソードチャンバーに酸化剤が入る領域での相対湿度φを更に（従来の燃料電池と比較して）上昇させることができ、結果として液滴が形成される危険及び充填スポット（２４）がブロックされる危険が小さくなる。

ここで示した相対湿度φの曲線は、上記に説明した充填の概念によって改良されている。この改良は、隔壁の領域内のＭＥＡでの局所的な相対湿度φを上昇させ、それによってＭＥＡの伝導率を向上させることにより達成される。このことは、燃料電池の反応の均質化、その結果として電流密度分布の均質化に良い影響を及ぼし、結果的には、更にＭＥＡ及びそのＰＥＭの寿命、ひいては燃料電池全体に良い影響を及ぼす。

本発明は、充填チャネルの深さ及び隣接する分配チャネルの深さに基づいて説明してきた。しかしながら、原則に基づくと、本発明は、深さ以外のチャネルの幾何形状的特徴（例えば、フロー断面積等）にも同様に適用可能である。

現行の燃料電池の略分解図を示す。 図１の詳細を示す。 従来のセパレータプレートアセンブリの概略図を示す。カソード側部分プレートの上面図である。 従来のセパレータプレートアセンブリの概略図を示す。アノード側部分プレートの上面図である。 図３ａに係る部分プレートを備える現行の燃料電池のチャネルシステムでの相対湿度の曲線を示す。 本発明に係る燃料電池のための隔壁を備えたセパレータプレートアセンブリを示す。 隔壁を備えるセパレータプレートアセンブリのカソード吸入口の領域を通る断面図を示す。 隔壁を備えるセパレータプレートアセンブリの充填チャンバーの端部の領域を通る断面図を示す。 本発明の第１の実施形態のカソードチャネルに沿った相対湿度の曲線を示す。 本発明の第２の実施形態のカソードチャネルに沿った相対湿度の曲線を示す。

符号の説明

１ ＰＥＭ燃料電池
２ ＰＥＭ
３ アノード
４ カソード
５ アノード側部分プレート
６ カソード側部分プレート
７ アノード側チャネルシステム
８ カソード側チャネルシステム
９ アノードチャンバー
１０ カソードチャンバー
１１、１１’ シールリング
１２ 詳細
１３、１３’ チャネルの深さ
１４ リッジ部
１５ 分配チャネル
１６ 酸化剤用の吸入ポート
１７ 酸化剤用の吐出ポート
１８ 相対湿度φを表す曲線（現行技術）
１８’ 飽和点より下の相対湿度曲線の上側の分岐線（本発明）
１８’’ 飽和点より下の相対湿度曲線の下側の分岐線（現行技術）
１９ 飽和点
２０ 酸化剤用ポート
２１ 燃料用ポート
２２ 冷却剤用ポート
２３ 隔壁
２４ ボアホール、充填スポット
２５ 冷却チャネルシステム
２６ 充填チャンバー
２７ 充填チャネル
２８ 充填領域
φ 相対湿度
φ_Ｅ 吸入湿度
Ｌ チャネル長

Claims (14)

1. 膜−電極接合体（ＭＥＡ）とカソードチャンバーとを有するＰＥＭ燃料電池であって、
   前記カソードチャンバーは、前記ＭＥＡの前記カソードと境を接し、前記カソードと対面する側では、一部の領域をセパレータプレートアセンブリによって画定され、他の領域を隔壁によって画定され、その隔壁は前記セパレータプレートアセンブリのカソード側よりに配置され、前記セパレータプレートアセンブリに接合され、
   これにより、前記隔壁が少なくとも１つの追加のチャンバー（以下、「充填チャンバー」という）をカソードチャンバーから離隔し、かつ、前記少なくとも１つの充填チャンバーが少なくとも１つの位置（以下、「充填スポット」という）で前記隣接するカソードチャンバーとの流体連通を有することで、前記充填チャンバーから前記充填スポットを介して前記隣接するカソードチャンバーに酸化剤を充填することが可能であり、
   前記充填スポットで前記充填チャンバーから前記カソードチャンバーに充填される酸化剤の量が予め設定され得るようにするため、前記充填チャンバー内の充填チャネルの深さと前記隣接するカソードチャンバー内の分配チャネルの深さが前記隔壁の領域内で変化することを特徴とするＰＥＭ燃料電池。
2. 前記分配チャネルの深さが、前記充填チャネルの深さと補完し合い、それにより前記分配チャネルの深さが浅い位置では、前記充填チャネルの深さがそれに対してより深くなり、逆も然りであることを特徴とする請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。
3. 前記分配チャネルの深さが、充填領域からカソード吐出口への流れ方向に沿って深くなり、これと補完し合うように、前記充填チャネルの深さが、酸化剤ポートから前記充填領域の端部への方向へ沿って浅くなることを特徴とする請求項１あるいは２に記載のＰＥＭ燃料電池。
4. 前記隔壁が、前記セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成されたチャネルの長さの少なくとも一部で、前記カソードチャンバーを覆い、前記カソードチャンバーから離隔し、これによって被覆領域に前記充填チャンバーが形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
5. 前記隔壁が、前記セパレータプレートアセンブリの酸化剤ポートの領域に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
6. 前記隔壁が、前記酸化剤ポートから、前記セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成される前記チャネルの長さの最大１／３の端まで延在することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
7. 前記セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成された前記チャネルが、前記酸化剤ポートと離隔された前記被覆領域にあることで、前記酸化剤ポートとの流体連通が前記充填スポット及び前記充填チャンバーを介してのみ存在することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
8. 前記隔壁のチャネル間のリッジの高さと前記隣接するセパレータプレートアセンブリのチャネル間のリッジの高さが、被覆領域内で互いに補完し合うように形成されることで、前記被覆領域内での前記セパレータプレートアセンブリの全体の高さが、前記被覆領域の外での前記セパレータプレートアセンブリの全体の高さと等しくなることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
9. 前記セパレータプレートアセンブリのカソード側に形成された前記チャネルのリッジの高さが、前記被覆領域で、前記隔壁の材料の厚の値だけ減少することを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
10. 前記隔壁が、チャネル構造が型打ちされている金属板から製造され、これにより前記隔壁の領域に前記分配チャネルが形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のＰＥＭ燃料電池。
11. 前記型打ちされた金属薄板が、充填スポットを目的とした穿孔を有し、これにより前記穿孔が前記分配チャネルの底部に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のＰＥＭ燃料電池。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池に適用するセパレータプレートアセンブリを製造するための方法であって、前記セパレータプレートアセンブリが、１つのアノード側部分プレート、１つのカソード側部分プレート、及び前記カソード側部分プレートに配置された１つの隔壁を有し、
    まず前記隔壁が前記カソード側部分プレートに接合され、次いで前記カソード側部分プレートに前記アノード側部分プレートが接合されることを特徴とする方法。
13. 前記部分プレートと前記隔壁とが溶接により接合されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記溶接の溶接点が充填スポットを通して配置されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。