JP7414334B2

JP7414334B2 - 燃料電池、燃料電池用の双極板及び双極板アセンブリ

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Publication number: JP7414334B2
Application number: JP2022566502A
Authority: JP
Inventors: ▲謀▼ 方
Original assignee: 北京朔景▲新▼能源科技有限公司
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2024-01-16
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Also published as: EP4145573A4; WO2021218905A1; US11784326B2; US20230197979A1; CN111293325B; EP4145573A1; JP2023515719A; CN111293325A

Description

本発明は、燃料電池に関し、より具体的には、燃料電池、燃料電池用の双極板及び双極板アセンブリに関する。

燃料電池は、メタノール又は水素などの燃料により膜電極アセンブリの触媒層に酸化ガスと電気化学的反応を起こし、電気エネルギーを取得する発電装置である。燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の両側面に位置する触媒層、拡散層及び双極板とを含む。

燃料電池の動作中に、燃料流体は、双極板の陽極流れ場のチャンネルを介して膜電極アセンブリの表面に伝達され、膜電極アセンブリの内部の伝達過程で、燃料流体は、拡散層を介して陽極触媒層に拡散され、且つ触媒層触媒の作用下で電子を放出してカチオンを形成する。電子は、触媒の表面から拡散層を介して双極板に伝達され、そして双極板から外部回路に伝達されて、外部回路から陰極双極板に伝達され、陰極双極板から拡散層に伝達され、拡散層から陰極触媒層に伝達され、カチオンは、電解質膜を介して陰極側触媒層に伝達される。酸化ガスは、陰極触媒層で陽極から伝達された電子と結合してアニオンを形成し、アニオンは、電解質膜を介して移動したカチオンと結合して水を生成することによって、完全な電子回路及びイオン回路を形成する。電解質膜は、イオン通路、及びガスと電子を阻害する役割を兼ねる。

燃料電池の定格電力は、規定された正常な動作条件での燃料電池の最大の連続電気出力電力である。面積と電力との比は、燃料電池の定格電力と燃料電池の総活性面積との比値である。燃料電池の面積と電力との比が高いほど、燃料電池の総活性面積が同じ場合、出力する電力が高いか、又は燃料電池の同じ電力出力条件では、より小さい総活性面積を実現できることによって、より少ない材料を使用し、材料コストを低減させるとともに、燃料電池の電池スタックの小型化を実現でき、これは、車両での応用に重要な意義を持っていることを示している。従って、面積と電力との比の向上は、燃料電池スタックの開発の核心的な仕事の１つである。

燃料電池の面積と電力との比を高めるには、反応物を活性面積により均一に分布し、触媒層で反応によりよく関与し、電気化学的反応によって発生した電流をより良く導出し、反応によって発生した水及び余分な熱をより迅速に排出する必要がある。例えば、反応物の分布均一性を改善するために、ある会社は、３次元微細メッシュ流れ場の構造設計を採用する。しかしながら、３次元微細メッシュ流れ場の構造が精細であり、熱安定性及び応力安定性を維持する必要があるため、金属チタン板を用いて３次元微細メッシュ流れ場を製造すると、製造精度が高く、加工難度が高く、加工及び検出機器に対する要求が高く、材料コストも高い。

産業界では、燃料電池反応物の分散均一性をさらに改善して、面積と電力との比を高め且つ製造コストを削減するより良い解決態様が期待されている。

上記問題にかんがみて、本発明の目的は、燃料電池、燃料電池用の双極板及び双極板アセンブリを提供することであり、そのうち、双極板には、少なくとも１つの分配ユニット及び複数の貫通孔が形成され、複数の貫通孔の曲面又は斜面側壁には、横方向開口が形成され、横方向開口を介して反応物を流入又は流出させることで、燃料電池のガス分配均一性を高め且つ水・熱管理を改善することによって、燃料電池の大電流放電性能及び電力密度を高める。

本発明の第１側面によれば、燃料電池用の双極板を提供し、この燃料電池用の双極板は、基板と、前記基板の第１表面に位置し、燃料電池の膜電極アセンブリに第１反応物を供給するための少なくとも１つの分配ユニットと、前記基板の第１側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、それぞれその側壁における横方向開口を介して対応する分配ユニットに接続されて第１反応物を流入させる少なくとも１つの第１貫通孔と、前記基板の第２側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、それぞれその側壁における横方向開口を介して対応する分配ユニットに接続されて第１反応物を流出させる少なくとも１つの第２貫通孔とを含み、前記第１側辺は、前記第２側辺と互いに対向し、そのうち、前記少なくとも１つの第１貫通孔及び前記少なくとも１つの第２貫通孔のそれぞれの断面形状が略弧状辺台形又は斜辺台形であり、且つ前記弧状辺に対応する曲面側壁又は前記斜辺に対応する斜面側壁に前記横方向開口が形成される。

好ましくは、前記少なくとも１つの第１貫通孔の横方向開口は、前記少なくとも１つの第２貫通孔における対応する第１貫通孔の横方向開口と前記第１側辺の方向に沿って互いに対向する。

好ましくは、前記少なくとも１つの分配ユニットのそれぞれは、複数のリッジにより互いに仕切りされた複数の第１チャンネルを含む第１流れ場構造であって、前記複数の第１チャンネルは、前記第１流れ場構造の入口側から前記第１流れ場構造の出口側まで延在している複数の第１チャンネルを含む第１流れ場構造と、複数の第１側壁により互いに仕切りされた複数の第１導流溝を含む第１導流構造であって、前記第１導流構造は、放射状に分布し、対応する第１貫通孔の横方向開口から前記第１流れ場構造の入口側まで延在している第１導流構造と、複数の第２側壁により互いに仕切りされた複数の第２導流溝を含む第２導流構造であって、前記第２導流構造は、放射状に分布し、対応する第１貫通孔の横方向開口から前記第１流れ場構造の出口側まで延在している第２導流構造とを含む。

好ましくは、前記第１導流構造の複数の第１導流溝の、第１反応物の流入経路における断面積は、徐々に大きくなり、前記第２導流構造の複数の第２導流溝の、第１反応物の流出経路における断面積は、徐々に小さくなる。

好ましくは、前記第１流れ場構造の複数のチャンネルは、直線状、曲線状、及び蛇行状チャンネルのうちのいずれか１つである。

好ましくは、前記双極板は、陽極極板であり、前記陽極極板が前記膜電極アセンブリに供給した第１反応物は、燃料流体であり、前記第１貫通孔の断面形状の頂辺の長さは、底辺の長さの１／３～１９／２０である。

好ましくは、前記第１流れ場構造の第１チャンネルの数は、２５～７０個である。

好ましくは、前記第１流れ場構造のリッジの幅は、３０～５００マイクロメートルであり、チャンネルの幅は、３０～５００マイクロメートルである。

好ましくは、前記第１導流構造の第１導流溝及び前記第２導流構造の第２導流溝の数は、それぞれ２～１０個である。

好ましくは、前記双極板はであり、陰極極板、前記陰極極板が前記膜電極アセンブリに供給した第１反応物は、酸化ガスであり、前記第１貫通孔の断面形状の頂辺の長さは、底辺の長さの１／６～５／６である。

好ましくは、前記少なくとも１つの分配ユニットは、複数の分配ユニットを含み、前記複数の分配ユニットの第１流れ場構造は、連続した複数組の第１チャンネルとなるように前記基板の第１表面に連続して配列され、前記複数の分配ユニットの第１導流構造は、互いに仕切りされ、前記複数の分配ユニットの第２導流構造は、互いに仕切りされる。

好ましくは、密封溝を形成するために、前記基板は、前記第１表面に対して凹んでいる周辺部分を含む。

好ましくは、密封部品を形成するために、前記基板は、前記第１表面に対して突起した周辺部分を含む。

好ましくは、前記基板は、前記第１表面と面一となった、密封フレームの接触面としての周辺部分を含む。

好ましくは、前記複数の分配ユニットのうちの隣接した分配ユニットの第１導流構造間及び第２導流構造間に位置する複数の仕切り壁をさらに含む。

好ましくは、前記基板の第１側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、第２反応物を流入させるための少なくとも１つの第３貫通孔と、前記基板の第２側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、第２反応物を流出させるための少なくとも１つの第４貫通孔と、前記基板の第１側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、冷却媒体を流入させるための少なくとも１つの第５貫通孔と、前記基板の第２側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、冷却媒体を流出させるための少なくとも１つの第６貫通孔とをさらに含む。

好ましくは、前記少なくとも１つの第１貫通孔、前記少なくとも１つの第３貫通孔及び前記少なくとも１つの第５貫通孔は、第１貫通孔、第５貫通孔、第３貫通孔の順で前記基板の第１側辺に１行に並べられ、前記少なくとも１つの第２貫通孔、前記少なくとも１つの第４貫通孔及び前記少なくとも１つの第６貫通孔は、第４貫通孔、第６貫通孔、第２貫通孔の順で前記基板の第２側辺に１行に並べられる。

好ましくは、前記少なくとも１つの第５貫通孔及び前記少なくとも１つの第６貫通孔のそれぞれの断面形状は、略矩形状であり、且つ前記少なくとも１つの第５貫通孔の断面形状の側辺は、前記少なくとも１つの第１貫通孔の断面形状の頂辺に隣接し、前記少なくとも１つの第６貫通孔の断面形状の側辺は、前記少なくとも１つの第２貫通孔の断面形状の頂辺に隣接し、前記側辺の長さは、前記頂辺の長さ以下である。

好ましくは、前記基板の第２表面に位置し、前記少なくとも１つの第５貫通孔及び前記少なくとも１つの第６貫通孔に接続され、双極板の第２表面に冷却媒体を供給するための少なくとも１つの冷却ユニットをさらに含む。

好ましくは、前記基板は、互いに対向した第３側辺及び第４側辺をさらに含み、前記第３側辺及び前記第４側辺にタブが形成され、前記タブは、燃料電池の検出状態で検出端子となる。

好ましくは、前記タブは、複数の双極板を互いに整列させるための位置決め孔を含む。

本発明の第２側面によれば、燃料電池用の双極板アセンブリを提供し、この燃料電池用の双極板アセンブリは、上記の双極板と、サイドフレームが前記双極板の周辺部分と接触し、中間開口から前記双極板の活性領域が露出される密封フレームと、前記少なくとも１つの分配ユニットの第１導流構造及び第２導流構造の頂部面を被覆して閉鎖された導流配管を形成するガスケットとを含む。

好ましくは、前記密封フレームは、前記双極板における複数の貫通孔とそれぞれ整列する複数の貫通孔を含み、前記密封フレームの中間開口は、前記密封フレームの少なくとも１つの第１貫通孔及び少なくとも１つの第２貫通孔に連通することで、前記第１反応物を前記少なくとも１つの第１貫通孔の横方向開口を介して前記第１導流構造に流入させ、前記少なくとも１つの第２貫通孔の横方向開口を介して前記第２導流構造から流出させる。

好ましくは、前記ガスケットは、前記第１導流構造の頂部面を被覆する第１サブガスケットと、前記第２導流構造の頂部面を被覆する第２サブガスケットとを含む。

本発明の第３側面によれば、燃料電池を提供し、この燃料電池は、陽極極板と、陰極極板と、両者の間に挟まれた膜電極アセンブリとを含む重複部品であって、前記重複部品の側辺部分に積層方向に沿って延在した第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管が形成される重複部品と、第１端板と、それぞれ燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を輸送するように、それぞれ前記第１組の主配管、前記第２組の主配管及び前記第３組の主配管に接続され、前記第１端板に形成された第１対のマニホールド、第２対のマニホールド及び第３対のマニホールドとを含み、流体分配装置とを含み、そのうち、前記陽極極板及び前記陰極極板は、それぞれ請求項１～２３のいずれか１項に記載の双極板である。

好ましくは、前記重複部品の第１表面に順に積層された第１電流集電体及び第１絶縁板と、前記重複部品の第２表面に順に積層された第２電流集電体及び第２絶縁板と、前記第１端板と前記重複部品、前記第１電流集電体、前記第２電流集電体、前記第１絶縁板、及び前記第２絶縁板を挟持する第２端板とをさらに含み、そのうち、前記第１絶縁板は、前記第１端板と前記第１電流集電体との間に挟まれ、前記第２絶縁板は、前記第２端板と前記第２電流集電体との間に挟まれ、前記第１組の主配管、前記第２組の主配管及び前記第３組の主配管は、積層方向に沿って前記第１電流集電体及び前記第１絶縁板を貫通する。

好ましくは、前記燃料電池の対向した側面に位置するとともに、それぞれ下フランジ及び上フランジを含む第１テンションプレート及び第２テンションプレートをさらに含み、そのうち、前記第１テンションプレート及び第２テンションプレートの下フランジがそれぞれ前記第１端板の底面のエッジと接触し、第１テンションプレート及び第２テンションプレートの上フランジがそれぞれ前記第２端板の頂面のエッジと接触することによって、前記下フランジを用いて前記第１端板の底面に圧力を加え、及び前記上フランジを用いて前記第２端板の頂面に圧力を加えて、前記第１端板と第２端板との間の挟持力を提供する。

好ましくは、前記第１テンションプレート及び第２テンションプレートの上フランジは、複数のねじ孔をさらに含み、前記複数のねじ孔を貫通したボルトを用いて前記第２端板の頂面に付加圧力を加える。

好ましくは、前記第１端板の相対端面に位置するとともに、それぞれ複数の外部配管に接続されるための複数のジョイントを含む第１ジョイント板及び第２ジョイント板をさらに含み、そのうち、前記第１ジョイント板及び前記第２ジョイント板における前記複数のジョイントの内開口端が前記流体分配装置における前記第１対のマニホールド、前記第２対のマニホールド及び前記第３対のマニホールドの複数のサイド開口端とそれぞれ整列して互いに連通することを実現する。

本発明の実施例による双極板では、双極板の第１表面は、少なくとも１つの分配ユニットと複数の貫通孔とを含み、各分配ユニットは、例えば、膜電極アセンブリに反応物を供給するための超細密流れ場構造と、第１導流構造と、第２導流構造とを含む。双極板の貫通孔は、主配管の経路の一部を形成し、断面形状が略弧状辺台形又は斜辺台形の貫通孔を採用すると、主配管の曲面側壁又は斜面側壁を形成することができる。さらに、曲面側壁又は斜面側壁に形成された横方向開口を流入口及び流出口とすることで、反応物が傾斜した横方向開口を介して導流構造に流入及び流出し、超細密流れ場構造を流れると同時に燃料電池の膜電極アセンブリに反応物を供給することができる。双極板で傾斜した横方向開口を採用すると、反応物が導流構造に流れる経路を広げて、反応物の流れをよりスムーズにし、分配をより均一にすることができる。双極板の導流構造は、放射状に分布した複数の導流溝を含み、主配管から比較的遠いチャンネルに分配される反応物が少ないことを効果的に回避する。なお、双極板の第１表面の流れ経路における反応物の入口の圧力抵抗と出口の圧力抵抗が異なるため、双極板における反応物の分配がより均一になるだけではなく、膜電極アセンブリの平面方向での反応物の濃度も高まり、電気化学的反応のエネルギー損失が低減する。従って、この双極板の燃料電池を採用すると、面積と電力との比を高めることができる。

好適な実施例では、双極板の表面に複数の分配ユニットを設計することができ、各分配ユニットは、いずれも、それぞれの流れ場構造と、互いに仕切りされた１対の貫通孔及び１対の導流構造とを含む。この設計により、燃料電池の電力需要に応じて、双極板の数及び双極板における分配ユニットの数を柔軟に設置して、活性面積を拡大又は減少させることができる。双極板の数及び／又は分配ユニットの数を増加させると、依然として、各双極板における複数の分配ユニット間での流体の均一な分布を確保することができる。さらに、双極板の分配ユニットの一部が故障し、例えば、反応物の流れが阻害されてこの故障ユニットの一部が正常に動作できないと、双極板の分配ユニットの別の一部が依然として正常な動作を維持することができる。つまり、燃料電池を構成する複数の発電ユニットのうちの少なくとも一部の発電ユニットは、他の部分が局所的に故障しても、依然として正常な動作を維持することができ、燃料電池スタックの全体的な出力電力が低下するにすぎない。電池スタックの局部に故障が生じたが、電池スタック全体が依然として正常な動作を維持するこの特性は、適応性と呼ばれる。従って、この双極板を採用する燃料電池は、柔軟なモジュール化設計及び信頼性の向上を実現することができる。なお、複数の分配ユニットの単列の電池スタックを採用しているため、この設計により、マニホールド及びバスバーの設計がさらに簡略化され、部品の種類が大幅に減少し、材料コストも削減される。

好適な実施例では、双極板の第２表面は、冷却媒体を供給するための放熱流れ場構造及び導流構造を含むため、双極板は、放熱板の役割を兼ねる。経路の長さを延長させて冷却効果を改善するために、双極板の第２表面における放熱流れ場は、ジグザグ形状のチャンネルを含む。この双極板は、燃料電池のガスの分配均一性を高め且つ水・熱管理を改善することによって、燃料電池の大電流放電性能及び電力密度を高めることができる。

好適な実施例では、双極板アセンブリは、双極板と、密封フレームと、ガスケットとを含む。双極板には、それぞれ、燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を輸送するための３組の貫通孔が形成される。双極板アセンブリは、密封フレームとガスケットとを含む。双極板の第１表面では、密封フレームを採用して双極板の周辺部分及び２組の貫通孔の周辺部分を密封し、燃料流体と、酸化ガスと、冷却媒体とを別々に密封することを実現し、電池の内部漏れ及び外部漏れを防止する。また、ガスケットを採用して第１導流構造及び第２導流構造の上部を閉鎖して導流配管を形成する。この密封フレームは、２組の貫通孔を双極板の導流構造及び超細密流れ場構造と互いに仕切りする役割を兼ね、単一種類の反応物のみが残りの１対の貫通孔の横方向開口を介して超細密流れ場構造に流入及び流出する。この双極板の超細密流れ場構造が膜電極アセンブリの表面に貼り合わせられることによって、膜電極アセンブリに電気化学的反応に必要な燃料流体又は酸化ガスを均一に供給することができる。この実施例では、燃料電池の内部温度が上昇した場合でも、密封フレームは、双極板と膜電極アセンブリとの間の熱膨脹と冷収縮による付加的な圧力変化に適応して密封性能を維持することができる。

以下に図面を参照して本発明の実施例を説明することにより、本発明の上述及びその他の目的、特徴及び利点がより明確になるであろう。

本発明の第１実施例による燃料電池の分解状態の立体構造の概略図を示す。本発明の第１実施例による燃料電池における重複部品の断面図を示す。本発明の第２実施例による陽極極板の底面図及び上面図を示す。本発明の第２実施例による陽極極板の底面図及び上面図を示す。本発明の第３実施例による陽極極板アセンブリにおける陽極極板の第１表面のガスケットの上面図を示す。本発明の第３実施例による陽極極板アセンブリにおける陽極極板の第１表面の密封フレームの上面図を示す。本発明の第４実施例による陰極極板の上面図及び底面図を示す。本発明の第４実施例による陰極極板の上面図及び底面図を示す。本発明の第４実施例による陰極極板の各実施例の立体構造の概略図を示す。本発明の第４実施例による陰極極板の各実施例の立体構造の概略図を示す。本発明の第４実施例による陰極極板の各実施例の立体構造の概略図を示す。本発明の第５実施例の陰極極板アセンブリにおける陰極極板の第１表面のガスケットの上面図を示す。本発明の第５実施例の陰極極板アセンブリにおける陰極極板の第１表面の密封フレームの上面図を示す。本発明の第３実施例による陽極極板アセンブリ及び第５実施例の陰極極板アセンブリにおける第２表面密封フレームの上面図を示す。本発明の実施例の双極板アセンブリを採用する燃料電池の放電曲線を示す。

本発明の理解を容易にするために、以下に関連図面を参照して本発明をより完全に説明する。本発明の好適な実施例を図面に示す。しかし、本発明は、本明細書に記載された実施例に限定されるものではなく、異なる形態で実施することができる。むしろ、これらの実施例を提供する目的は、本発明の開示内容の理解をより分かりやすく且つ完全にすることである。

本出願では、用語の「超細密流れ場構造」とは、チャンネル構造におけるチャンネルの幅及びリッジの幅がいずれも３０～５００マイクロメートルであるものであり、チャンネル溝の幅は、一般的にはリッジの幅以上であり、リッジの幅よりも小さくてもよい。なお、本明細書で使用されるすべての用語は、本発明の技術分野に属する当業者が一般的に理解するものと同じ意味である。本発明の明細書において使用される用語は、特定の実施例を説明するためのものに過ぎず、本発明を限定することを目的とするものではない。

以下、図面を参照して本発明について詳しく説明する。

＜第１実施例＞
図１は、本発明の第１実施例による燃料電池の分解状態の立体構造の概略図を示す。燃料電池１００は、互いに対向した第１端板１１０と第２端板１２０とを含み、両者の間に順に第１絶縁板１３１、第１電流集電体１３２、重複部品（ｒｅｐｅａｔｐａｒｔ）１３３、第２電流集電体１３４、及び第２絶縁板１３５が積層されている。第１端板１１０は、流体分配装置として兼用されており、重複部品１３３における双極板に燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を分配するために用いられる。

燃料流体は、気体の水素ガス、又は液体のメタノール又はメタノール溶液などの燃料からなる流体を含む。酸化ガスは、空気であっても純酸素であってもよく、冷却媒体は、液体であってもガスであってもよい。

重複部品１３３は、双極板（ｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅ）と、双極板の間に挟まれた膜電極アセンブリ１０３とを含む。双極板は、陽極極板１０１と、陰極極板１０２と、陽極極板１０１と陰極極板１０２との間に挟まれた冷却層とを含む。重複部品１３３は、積層方向に垂直な平面に略矩形状をなし、それぞれ双極板における対応する流れ場に燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を提供するために、矩形の側辺部分には、積層方向に沿って延在した第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管が設置される。

出力電圧を高めるために、燃料電池の電池は、例えば、積層され且つ互いに電気的に接続された複数の重複部品１３３を含む。

第１電流集電体１３２は、重複部品１３３の陽極極板１０１と互いに接触し、両者は、いずれも導電性材料からなることによって、陽極側の導電経路を形成する。第２電流集電体１３４は、重複部品１３３の陰極極板１０２と互いに接触し、両者は、いずれも導電性材料からなることによって、陰極側の導電経路を形成する。第１電流集電体１３２及び第２電流集電体１３４は、タフピッチ銅板、アルミニウムなどの導電性の強い材料で製造することができる。この実施例では、重複部品１３３の陽極極板及び陰極極板１０２は、反応物流れ場装置、放熱板、導電性構造、支持構造の役割を兼ねるので、燃料電池の構造を簡略化し且つ燃料電池の体積を減少させることができる。

第１絶縁板１３１は、第１電流集電体１３２と第１端板１１０との間に位置し、第２絶縁板１３５は、第２電流集電体１３４と第２端板１２０との間に位置することによって、重複部品及び電流集電体を第１端板１１０及び第２端板１２０と互いに隔離する。燃料電池１００が複数の重複部品を含む場合、複数の重複部品は、第１電流集電体１３２と第２電流集電体１３４との間に積層される。重複部品１３３の側辺部分の複数の貫通孔とそれぞれ整列するように、第１絶縁板１３１及び第１電流集電体１３２の側辺部分にそれぞれ複数の貫通孔が形成されることによって、積層方向に沿って延在した複数の主配管、例えば、燃料流体を流入及び流出させるための第１組の主配管、酸化ガスを流入及び流出させるための第２組の主配管、及び冷却媒体を流入及び流出させるための第３組の主配管を形成する。

燃料電池１００は、第１端板１１０及び第２端板１２０と挟持装置を形成する２つのテンションプレート１４０をさらに含む。２つのテンションプレート１４０は、燃料電池１００の対向した側面に位置し、それぞれ下フランジ１４１と上フランジ１４２とを含む。テンションプレート１４０の下フランジ１４１は、第１端板１１０の底面のエッジと接触し、上フランジ１４２は、第２端板１２０の頂面のエッジと接触することによって、挟持装置を形成し、テンションプレート１４０の上下フランジを利用して第１端板及び第２端板に圧力を加え、第１絶縁板１３１と、第１電流集電体１３２と、重複部品１３３と、第２電流集電体１３４と、第２絶縁板１３５とを固定する。好ましくは、テンションプレート１４０の上フランジ１４２は、複数のねじ孔１４３を有し、複数のねじ孔１４３を貫通したボルトを用いて第２端板１２０の表面に付加的な圧力を加える。好ましくは、積層された各層間に密封フレームを設置することによって、積層された各層を固定するとともに、積層された各層の密封を形成する。

この実施例では、第１端板１１０は、流体分配装置として兼用されている。第１端板には、燃料流体の流入及び流出通路を提供するための第１対のマニホールド、酸化ガスの流入及び流出通路を提供するための第２対のマニホールド、及び冷却媒体の流入及び流出通路を提供するための第３対のマニホールドが形成される。第１端板１１０と第２端板１２０が固定される場合、第１端板１１０における第１対のマニホールドのトップ開口端は、重複部品１３３における膜電極アセンブリ１０３での第１組の主配管と整列し、第１端板１１０における第２対のマニホールドのトップ開口端は、重複部品１３３における膜電極アセンブリ１０３での第２組の主配管と整列し、第１端板１１０における第３対のマニホールドのトップ開口端は、重複部品１３３における膜電極アセンブリ１０３での第３組の主配管と整列する。第１端板１１０の端面には、第１対のマニホールド、第２対のマニホールド及び第３対のマニホールドのサイド開口端が形成される。

燃料電池１００は、第１端板１１０の端面に接続された２つのジョイント板１５０をさらに含む。２つのジョイント板１５０のそれぞれは、複数の外部配管に接続されるための複数の配管ジョイントを含む。ジョイント板１５０における複数の配管ジョイントの開口端が第１端板１１０における第１対のマニホールド、第２対のマニホールド及び第３対のマニホールドの開口端と互いに整列することによって、相互の連通を実現する。

図２に示すように、重複部品１３３の双極板は、陽極極板１０１と陰極極板１０２とを含む。陽極極板１０１と陰極極板１０２とは互いに間隔を置いて設けられ、両者の間に膜電極アセンブリ１０３が挟まれる。

膜電極アセンブリ１０３は、電解質膜３１と、電解質膜３１の第１表面（燃料流体側）に順に積層された陽極触媒層３２及び陽極拡散層３４と、電解質膜３１の第２表面（酸化ガス側）に順に積層された陰極触媒層３３及び陰極拡散層３５とを含む。

電解質膜３１は、プロトンを輸送し且つ電子を絶縁する機能を有する選択透過膜である。電解質膜３１は、構成材料即ちイオン交換樹脂の種類により、フッ素系電解質膜３１及び炭化水素系電解質膜３１に大別される。そのうち、フッ素系電解質膜３１は、Ｃ－Ｆ結合（Ｃ－Ｆ結合手）を有するため、耐熱性又は化学的安定性に優れている。例えば、電解質膜３１としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン株式会社）の商品名で知られるパーフルオロスルホン酸膜が広く用いられている。

陽極触媒層３２は、触媒成分を担持した電極触媒及びポリマーを含む。電極触媒は、水素をプロトン及び電子に解離する反応（水素酸素反応）を促進する機能を有する。電極触媒は、例えば、炭素などからなる導電性担体の表面に白金などの触媒成分を担持した構造を有する。

陰極触媒層３３は、触媒成分を担持した電極触媒及びポリマーを含む。電極触媒は、プロトン及び電子が酸素と水を生成する反応（酸素還元反応）を促進する機能を有する。電極触媒は、例えば、炭素などからなる導電性担体の表面に白金などの触媒成分を担持した構造を有する。

陽極拡散層３４及び陰極拡散層３５は、それぞれポーラスな多孔質導電性材料、例えば多孔質炭素紙材料からなり、陽極拡散層３４及び陰極拡散層３５は、それぞれ燃料流体及び酸化ガスを流れ場のチャンネルから電解質膜３１の両側面に均一に拡散させることで、燃料流体及び酸化ガスをそれぞれ陽極触媒層３２及び陰極触媒層３３と接触させる。

陽極極板１０１の第１表面は、膜電極アセンブリ１０３における陽極拡散層３４と接触し、第１表面には、燃料流体流れ場が形成される。この燃料流体流れ場は、第１組の主配管に接続され且つ横方向に延在した複数のチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）１１を含み、前記複数のチャンネル１１のうちの隣接したチャンネルの間は、リッジ（ｒｉｄｇｅ）１２により互いに仕切りされる。陽極極板１０１のチャンネル１１は、第１表面に開口しており、燃料流体は、チャンネル１１の方向に沿って伝達され、且つ膜電極アセンブリ１０３の陽極側に輸送される。

陰極極板１０２の第１表面は、膜電極アセンブリ１０３における陰極拡散層３５と接触し、第１表面には、酸化ガス流れ場が形成される。この酸化ガス流れ場は、第２組の主配管に接続され且つ横方向に延在した複数のチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）２１を含み、前記複数のチャンネル２１の隣接したチャンネルの間は、リッジ（ｒｉｄｇｅ）２２により互いに仕切りされる。陰極極板１０２のチャンネル２１は、第１表面に開口しており、酸化ガスは、チャンネル２１の方向に沿って伝達され、且つ膜電極アセンブリ１０３の陰極側に輸送される。

膜電極アセンブリ１０３の陽極側では、燃料流体は、膜電極アセンブリ１０３の陽極拡散層３４を介して陽極触媒層３２に拡散し、燃料流体は、膜電極アセンブリ１０３の陽極触媒層３２で電気化学的反応によりカチオン及び電子を生成し、カチオンは、電解質膜を介して陰極側に移動し、電子は、陽極拡散層３４を介して陽極極板１０１に伝達される。そして、電子は、外部回路を介して膜電極アセンブリ１０３の陽極側から陰極側に伝達される。膜電極アセンブリ１０３の陰極側では、電子は、陰極極板１０２を介して陰極拡散層３５に伝達され、そして膜電極アセンブリ１０３の陰極触媒層３３に伝達され、酸化ガスは、膜電極アセンブリ１０３の陰極拡散層３５を介して陰極触媒層３３に拡散し、酸化ガスは、電子と結合してアニオンを形成し、アニオンは、さらに、電解質膜を介して移動したカチオンと結合して水を生成することによって、電流回路を形成する。

上記の電気化学的反応では、膜電極アセンブリ１０３の陰極触媒層の表面に化学的反応が発生して水を生成する。さらに、膜電極アセンブリ１０３の陰極側では、陰極極板の流れ場構造におけるリッジが陰極触媒層の表面と緊密に接触するため、反応によって生成された水を移動中の酸化ガスによって陰極極板１０２のチャンネル２１を介して活性領域から排出する必要がある。生成された水がタイムリーに排出できず、活性領域に凝集すると、水滴が形成され、水滴が酸化ガスと陰極触媒層との接触を阻害し、水滴で水没した陰極触媒層が電気化学的反応できなくなり、一般的には言われる「水没」現象が発生する。膜電極アセンブリ１０３の陽極側では、電解質膜を介して逆透過して拡散された水が存在するため、「水没」現象も発生する可能性がある。「水没」現象の発生は、電気化学的反応の進行に影響を与えるため、燃料電池の放電性能を低減させる。燃料電池にとって、放電電流が大きいほど、反応によって生成された水が多くなり、「水没」現象が発生しやすくなり、電池放電性能への影響が顕著になる。

第１実施例による燃料電池１００では、第１端板１１０は、流体分配装置の部品として用いられるだけではなく、挟持装置の部品として兼用されており、テンションプレート１４は、燃料電池１００の側面保護部品として用いられるだけではなく、挟持装置の部品として兼用されており、テンションプレートの上下フランジを利用して第１端板１１０及び第２端板１２０に圧力を加えて燃料電池１００の内部積層層を固定し、締結作用を果たす。なお、重複部品１３３の双極板は、反応物流れ場装置、放熱板、導電性構造、支持構造の役割を兼ねる。従って、第１実施例による燃料電池１００は、燃料電池１００における部品の数を減少させることができる。燃料電池１００の部品の数の減少及び構造設計の最適化により、この実施例の燃料電池１００は、燃料電池１００の高さサイズ及び横方向サイズを減少させることができ、燃料電池１００の小型化及び信頼性の向上に有利である。

以下に述べるように、本発明者らは、さらに、双極板の導流構造及び流れ場構造に対して最適化設計を行って、燃料電池のガス分配均一性を高め且つ水・熱管理を改善し、「水没」現象を顕著に減少させることによって、さらに燃料電池１００の放電性能、特に、大電流放電性能を高める。

＜第２実施例＞
図３ａ及び３ｂは、それぞれ本発明の第２実施例による陽極極板の底面図及び上面図を示し、そのうち、燃料電池の下方から見た図は底面図であり、燃料電池の上方から見た図は上面図である。

陽極極板１０１は、基板１と、基板１の第１表面で燃料流体を輸送する導流構造１０１ａ及び流れ場構造１０１ｂと、基板１の第２表面で冷却媒体を輸送する導流構造１０１ｃ及び流れ場構造１０１ｄとを含む。陽極極板１０１は、燃料流体を分散させ及び電子を伝達する役割を兼ねており、機械的強度が高く、導電性に優れた材料、例えば、黒鉛、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金などから構成することができる。

基板１は、略矩形状をなし、互いに対向した第１側辺及び第２側辺と、互いに対向した第３側辺及び第４側辺とを含む。基板１の第１側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第１貫通孔（ｔｈｒｏｕｇｈｈｏｌｅ）３ａ、第５貫通孔５ａ及び第３貫通孔４ａを含む。基板１の第２側辺の近くには、１行に並べられ複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第４貫通孔４ｂ、第６貫通孔５ｂ、及び第２貫通孔３ｂを含む。基板１の第３側辺及び第４側辺のそれぞれには、タブ２が形成される。タブ２は、検出端子として、検出用計器機器に接続されるために用いられる。好ましくは、タブ２は、組み立てる時に位置決めして、陽極極板１０１と陰極極板１０２とを互いに整列させるための位置決め孔を含む。

上述したように、燃料電池では、それぞれ双極板の対応する流れ場に燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を提供するために、重複部品１３３の側辺部分には、積層方向に沿って延在したに第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管が設置される。陽極極板１０１の第１貫通孔３ａ及び第２貫通孔３ｂは、それぞれ第１組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成し、第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂは、それぞれ第２組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成し、第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂは、それぞれ第３組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成する。

第１組～第３組の主配管の、双極板の表面における断面積の大きさ（即ち対応する貫通孔の断面積の大きさ）は、実際の設計上の必要に応じて決定することができる。好ましくは、第２組の主配管（第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂに対応）の断面積は、第１組の主配管（第１貫通孔３ａ及び第２貫通孔３ｂに対応）の断面積よりも大きく、例えば、前者は、後者の２～６倍である。第３組の主配管（第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂに対応）の断面積は、実際の設計上の必要に応じて決定することができる。

陽極極板１０１の第１貫通孔３ａの断面形状と第２貫通孔３ｂの断面形状とは、互いに同一であり、略弧状辺台形である。好ましくは、弧状辺台形の頂角は、丸められている。弧状辺台形の頂辺の長さは、底辺の長さよりも小さく、例えば頂辺の長さは、底辺の長さの１／３～１９／２０である。基板１の第１側辺の近くで、弧状辺台形の頂辺及び底辺は、それぞれ基板１の第１側辺に略垂直であり、弧状辺台形の第１側辺は、基板１の第１側辺に略平行であり且つ基板１の第１側辺に近い。基板１の第２側辺の近くで、弧状辺台形の頂辺及び底辺は、それぞれ基板１の第２側辺に略垂直であり、弧状辺台形の第１側辺は、基板１の第２側辺に略平行であり且つ基板１の第２側辺に近い。弧状辺台形の第２側辺は、傾斜した弧形であり且つ第１側辺と互いに対向する。それに応じて、第１貫通孔３ａ及び第２貫通孔３ｂの少なくとも一部の側壁は、凹面側壁であり、陽極極板１０１の第１表面に曲面側壁における横方向開口を形成する。

陽極極板１０１の基板１の第１表面には、例えば複数の分配ユニットが形成される。前記複数の分配ユニットは、基板１の長さ方向（即ち、第１側辺及び第２側辺の延在方向）に沿って１行に並べられ、分配ユニットの数は、例えば１～２０個であり、単一の分配ユニットの幅は、例えば１５ミリメートル～１００ミリメートルである。各分配ユニットは、流れ場構造１０１ｂと、その両側に位置する導流構造１０１ａとを含む。流れ場構造１０１ｂの入口は、基板１の第１側辺の近くでの導流構造１０１ａを介して第１貫通孔３ａの横方向開口に連通し、流れ場構造１０１ｂの出口は、基板１の第２側辺の近くでの導流構造１０１ａを介して第２貫通孔３ｂの横方向開口に連通する。

陽極極板１０１の流れ場構造１０１ｂは、入口から出口まで延在した複数のチャンネル１１を含み、前記複数のチャンネル１１は、リッジ１２により互いに仕切りされ、数は、例えば、２５～７０個である。陽極極板１０１の表面に複数の分配ユニットが形成される場合、複数の分配ユニットの流れ場構造は、連続して並べられた複数組のチャンネルを含んでもよい。陽極極板１０１の複数のチャンネル１１は、第１表面に開口しており、第１表面に沿って燃料流体を輸送するだけではなく、開口を介して膜電極アセンブリ１０３の陽極側に燃料流体を輸送する。前記複数のチャンネル１１は、直線状チャンネル、曲線状チャンネル、又は蛇行状チャンネルなどの様々な異なる設計であってもよい。図に示す実施例は、第１側辺の方向及び第１側辺に垂直な方向に沿って延在した蛇行状チャンネルを示す。好ましくは、蛇行状チャンネルの設計を採用することにより、燃料流体の流れ経路の長さを増加させることによって、燃料流体が流れ場を通る時の圧力抵抗を増加させることができる。圧力抵抗が大きくなるにつれて、陽極極板１０１における燃料流体の分布はより均一になる。また、膜電極アセンブリの平面方向での燃料流体の濃度も高め、電気化学的反応のエネルギー損失を低減させる。

陽極極板１０１の流れ場構造１０１ｂは、例えば、陽極極板１０１のリッジの幅を３０～５００マイクロメートルに減少させる超細密チャンネルの設計である。陽極極板１０１のリッジの幅が小さくなるについて、重複部品の陽極側での水没現象が顕著に改善される。また、この超細密チャンネルの狭いリッジ及び狭いチャンネルにより、さらに燃料流体及び水の拡散距離を短縮し、膜電極アセンブリにおける平面方向での燃料流体及び水の濃度を高めるため、電気化学的反応のエネルギー損失を低減させる。本出願の設計を用いた燃料電池は、より良い大電流高電力の持続放電能力及びより良い水・熱管理能力を備えている。陽極極板１０１の導電能力は、リッジの幅とチャンネルの幅との比例に関連し、この比例が小さすぎると、電流の伝導に影響し、さらに燃料電池全体の効率を低減させる。本出願では、陽極極板１０１の流れ場構造におけるリッジの幅とチャンネルの幅との比例は、略１：１である。陽極極板１０１のチャンネルの幅は、陽極極板１０１のリッジの幅に対応して、３０～５００マイクロメートルとされる。さらに、ガス輸送の効果を保証するために、陽極極板１０１の超細密流れ場の長さは、２０～１５０ミリメートルであり、超細密流れ場の長さが長すぎると、流れ場内部の燃料流体の圧力抵抗が大きすぎ、また、陽極極板１０１の第２表面を流れる冷却媒体については、距離が長いほど、冷却媒体の流れの圧力抵抗が大きくなり、冷却媒体の圧力抵抗を克服するには、より高い電力の水ポンプ又はコンプレッサが必要となり、このように、システムのコストが増加するとともに、システム全体の効率にも影響を与える。

陽極極板１０１の導流構造１０１ａは、第１貫通孔３ａ又は第２貫通孔３ｂの横方向開口から流れ場構造１０１ｂの入口又は出口まで延在し且つ放射状に分布した複数の導流溝１３を含む。前記複数の導流溝１３は、側壁１４により互いに仕切りされ、数は、例えば、２～１０個である。陽極極板１０１の第１表面では、導流構造１０１ａの側壁１４の一方端は、第１貫通孔３ａ又は第２貫通孔３ｂのエッジまで延在してもよく、第１貫通孔３ａ又は第２貫通孔３ｂのエッジと一定距離だけ離間してもよく、導流構造１０１ａの側壁１４の他方端は、流れ場構造１０１ｂのエッジまで延在しており、さらに流れ場構造１０１ｂのリッジ１２に直接接続されてもよく、流れ場構造１０１ｂのエッジと一定距離だけ離間してもよい。

陽極極板１０１の表面に複数の分配ユニットが形成される場合、複数の分配ユニットの導流構造は、互いに仕切りされた複数組の導流溝を含んでもよい。陽極極板１０１の複数の導流溝１３は、第１表面に開口しており、例えば追加するガスケットを用いて閉鎖することによって、導流溝が上部の閉鎖された導流配管を形成して、燃料電池が組み立てて押し付けられる時、導流溝が押えられて変形した膜電極アセンブリのサイドフレームにより閉塞されることを防止することができる。上述したように、第１貫通孔３ａ又は第２貫通孔３ｂの横方向開口は、曲面側壁における横方向開口であり、この設計により、第１貫通孔３ａ又は第２貫通孔３ｂの幅が制限されている場合に横方向開口の幅を最大化することができ、燃料流体が陽極極板１０１の第１貫通孔３ａ又は第２貫通孔３ｂから導流構造１０１ａに入る圧力抵抗を減少させて、燃料流体の流動をよりスムーズにする。導流構造１０１ａでは、陽極極板１０１の複数の導流溝１３の、燃料流体の流入経路における断面積が徐々に大きくなることで、燃料流体が流れ場構造１０１ｂに流入する圧力抵抗を減少させ、燃料流体の流出経路における断面積が徐々に小さくなることで、燃料流体が流れ場構造１０１ｂから流出する圧力抵抗を増大させる。

好適な実施例では、陽極極板１０１の基板１の第２表面に例えば複数の冷却ユニットが形成される。

陽極極板１０１の第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂの断面形状は、それぞれ略矩形をなす。基板１の第１側辺の近くで、矩形の第１側辺と第２側辺とは、互いに対向し、且つそれぞれ基板１の第１側辺に略垂直であり、第３側辺と第４側辺とは、互いに対向し、且つそれぞれ基板１の第１側辺に略平行である。それに応じて、第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂの側壁は、それぞれ平坦な側壁であり、陽極極板１０１の第２表面に平坦且つまっすぐな横方向開口を形成する。

陽極極板１０１の複数の冷却ユニットは、基板１の長さ方向（即ち、第１側辺及び第２側辺の延在方向）に沿って１行に並べられ、各冷却ユニットは、流れ場構造１０１ｄと、その両側に位置する導流構造１０１ｃとを含む。流れ場構造１０１ｄの入口は、基板１の第１側辺の近くでの導流構造１０１ｃを介して第５貫通孔５ａの横方向開口に連通し、流れ場構造１０１ｄの出口は、基板１の第２側辺の近くでの導流構造１０１ｃを介して第６貫通孔５ｂの横方向開口に連通する。

陽極極板１０１の第２表面の冷却流れ場構造１０１ｄは、リッジ１６により互いに仕切りされた複数のチャンネル１５を含む。陽極極板１０１の冷却媒体導流構造１０１ｃは、リッジ１８により互いに仕切りされた複数の導流溝１７を含む。前記複数の導流溝１７は、例えば、基板１の第１側辺に垂直な方向に延在した直線状であり、前記複数のチャンネル１５は、例えば、ジグザグ形状であり、基板１の第１側辺に平行及び垂直な方向に沿って連続して延在した複数の部分を含む。前記複数の導流溝１７及び前記複数のチャンネル１５は、基板１の第１側辺の近くでの第５貫通孔５ａの横方向開口から基板１の第２側辺の近くでの第６貫通孔５ｂの横方向開口へ連続して延在した複数の開口溝を形成し、開口溝の数は、例えば、４～１２個である。例えば、隣接した重複部品の陰極極板の第２表面を用いて開口溝を閉鎖したり、電流集電体又は絶縁板又は端板を用いて開口溝を閉鎖したりすることによって、閉鎖された冷却配管を形成することができる。

陽極極板１０１の第２表面における流れ場構造は、ジグザグ形状のチャンネルを含み、主に、冷却媒体の流れ速度を低減させ、冷却媒体の流動経路の長さを増加させて、より多くの熱を持ち去り、冷却効果を改善する。本設計を用いた燃料電池は、優れた水・熱管理能力を有し、水を冷却媒体として採用する場合、陽極極板の冷却水の入口温度と出口温度との温差を１０℃以内に制御することができる。

第２実施例による陽極極板は、燃料流体を分散し、電子を伝達し、放熱し、構造を支持する役割を兼ねる。陽極極板の第１表面は、燃料流体を供給するための超細密流れ場構造及び導流構造を含み、この導流構造は、放射状に分布した複数の導流溝を含む。第１貫通孔及び第２貫通孔の曲面側壁には、傾斜した横方向開口が形成され、燃料流体が横方向開口から導流構造に流入及び流出することによって、貫通孔の幅が制限されている場合に横方向開口の幅を最大化する。この陽極極板の第１表面における導流構造の設計により、流れ経路における燃料流体の入口の圧力抵抗と出口の圧力抵抗が異なるため、陽極極板における燃料流体の分布がより均一になる。また、膜電極アセンブリの平面方向での燃料流体の濃度も高め、電気化学的反応のエネルギー損失を低減させる。従って、この陽極極板の燃料電池を採用すると、面積と電力との比を高めることができる。

好適な実施例では、陽極極板の表面に複数の分配ユニットが形成される場合、各分配ユニットは、いずれも、それぞれの流れ場構造と、互いに仕切りされた１対の貫通孔及び１対の導流構造とを有する。ユニットの数及び陽極極板の数を増加させると、依然として、各極板の内部の各ユニット間での流体の均一な分配、及び各層の極板間での流体の均一な分配を確保することができる。この設計により、燃料電池の電力需要に応じて陽極極板における分配ユニットの数を柔軟に設置して、活性面積を拡大又は減少することができる。さらに、陽極極板の複数の分配ユニットの導流構造は、互いに仕切りされた複数組の導流溝を含む。複数組の導流溝の存在により、陽極極板の分配ユニットの少ない一部が故障するため、この分配ユニットの一部が破損したり、燃料流体の流れが阻害されたりしても、この故障したユニットの一部が正常に動作できなくなっても、陽極極板の分配ユニットの別の一部の位置した部分が依然として正常な動作を維持することができ、燃料電池スタックの全体的な出力電力が低下するにすぎない。従って、この陽極極板を用いた燃料電池は、柔軟なモジュール化設計及び信頼性の向上を実現することができる。

好適な実施例では、陽極極板の第２表面は、冷却媒体の導流構造と流れ場構造とを含むことで、電気化学的反応によって発生した熱を効率的に持ち去り、従って、陽極極板は、放熱板の役割を兼ねる。陽極極板の第２表面における冷却媒体流れ場は、ジグザグ形状のチャンネルを含むことで、経路の長さを延長させ、冷却効果を改善する。この陽極極板は、燃料電池のガスの分配均一性を高め、水・熱管理を改善することによって、燃料電池の大電流放電性能及び電力密度を高めることができる。

＜第３実施例＞
第３実施例による陽極極板アセンブリは、陽極極板と、陽極極板の第１表面に位置するガスケット及び密封フレームと、陽極極板の第２表面に位置する密封フレームとを含む。この陽極極板は、例えば、以上に第２実施例を併せて繰り返し説明した陽極極板である。簡明化のために、以下に、陽極極板の内部構造について繰り返し説明しない。図４、図５、及び図１２は、陽極極板アセンブリにおける陽極極板の第１表面のガスケット、陽極極板の第１表面の密封フレーム、及び陽極極板の第２表面の密封フレームの上面図のみを示す。

図４に示すように、陽極極板アセンブリにおけるガスケット１３６は、第１サブガスケット１３６１と第２サブガスケット１３６２とを含む。陽極極板１０１の基板の第１側辺の近くで、第１サブガスケット１３６１は、陽極極板１０１の第１表面の入口側での導流構造の頂部面を被覆する。陽極極板１０１の基板の第２側辺の近くで、第２サブガスケット１３６２は、陽極極板１０１の第１表面の出口側での導流構造の頂部面を被覆する。第１サブガスケット１３６１及び第２サブガスケット１３６２は、陽極極板１０１の第１表面の導流構造の頂部面と一致する形状を有することで、陽極極板１０１の第１表面の導流溝の上部を閉鎖して導流配管を形成する。

ガスケット１３６の役割は、燃料流体の導流構造の頂部面を閉鎖して、燃料電池が組み立てて押し付けられる時、導流溝が押えられて変形した膜電極アセンブリのサイドフレームにより閉塞されることを防止することである。ガスケット１３６は、機械的強度が高く、温度安定性が良好な材料、例えば、黒鉛、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金などから構成することができる。

図５に示すように、陽極極板アセンブリにおける陽極極板の第１表面の密封フレーム１３８は、サイドフレーム１３８１と、サイドフレーム１３８１で囲まれた中間開口１３８２とを含む。サイドフレーム１３８１の第１側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第１貫通孔１３８３ａ、第５貫通孔１３８５ａ及び第３貫通孔１３８４ａを含む。サイドフレーム１３８１の第２側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第４貫通孔１３８４ｂ、第６貫通孔１３８５ｂ及び第２貫通孔１３８３ｂを含む。陽極極板アセンブリでは、密封フレーム１３８のサイドフレーム１３８１は、陽極極板の周辺部分と接触し、密封フレーム１３８の第１～第６貫通孔は、それぞれ陽極極板１０１の第１～第６貫通孔と整列することによって、第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成する。密封フレーム１３８の中間開口から陽極極板１０１の超細密流れ場構造が露出される。密封フレーム１３８の中間開口１３８２は、第３と第４貫通孔、及び第５と第６貫通孔と仕切りされることで、酸化ガス及び冷却媒体が陽極極板１０１の超細密流れ場構造に到達できなくなる。密封フレーム１３８の中間開口１３８２は、第１と第２貫通孔に連通し、陽極極板１０１の第１と第２貫通孔の横方向開口は、燃料流体の導流構造に連通することで、燃料流体のみが導流構造を介して陽極極板１０１の超細密流れ場構造に到達するようになる。

この実施例では、陽極極板アセンブリにおける密封フレーム１３８は、プリフォームされたシーラントストリップを用いてもよく、又は陽極極板１０１の第１表面にゴムを注入して硬化させてゴムストリップを形成してもよい。

図１２に示すように、陽極極板アセンブリにおける陽極極板の第２表面の密封フレーム３３８は、サイドフレーム３３８１と、サイドフレーム３３８１で囲まれた中間開口３３８２とを含む。サイドフレーム３３８１の第１側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第１貫通孔３３８３ａ、第５貫通孔３３８５ａ及び第３貫通孔３３８４ａを含む。サイドフレーム３３８１の第２側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第４貫通孔３３８４ｂ、第６貫通孔３３８５ｂ及び第２貫通孔３３８３ｂを含む。陽極極板アセンブリでは、密封フレーム３３８のサイドフレーム３３８１は、陽極極板の周辺部分に接触し、密封フレーム３３８の第１～第６貫通孔は、それぞれ陽極極板１０１の第１～第６貫通孔と整列することによって、第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成する。密封フレーム３３８の中間開口から陽極極板１０１の冷却流れ場構造が露出される。密封フレーム３３８の中間開口３３８２は、第１と第２貫通孔、及び第３と第４貫通孔と仕切りされることで、燃料流体及び酸化ガスが陽極極板１０１の冷却流れ場構造に到達できなくなる。密封フレーム３３８の中間開口３３８２は、第５と第６貫通孔に連通し、陽極極板１０１の第５と第６貫通孔の横方向開口は、冷却媒体の導流構造に連通することで、冷却媒体のみが導流構造を介して陽極極板１０１の超細密流れ場構造に到達するようになる。

この実施例では、陽極極板アセンブリにおける密封フレーム３３８は、プリフォームされたシーラントストリップを用いてもよく、又は陽極極板１０１の第２表面にゴムを注入して硬化させてゴムストリップを形成してもよい。

第３実施例による陽極極板アセンブリは、陽極極板の第１表面では、密封フレームを用いて陽極極板１０１の表面の燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体をそれぞれ密封し、ガスケットを用いて燃料流体の導流構造の上部を閉鎖して導流配管を形成する。密封フレームは、第３と第４貫通孔、及び第５と第６貫通孔を陽極極板の第１表面の導流構造及び超細密流れ場構造と互いに仕切りする役割を兼ねるため、陽極極板の第１表面では、燃料流体のみが第１と第２貫通孔の横方向開口、及び上部の閉鎖された導流配管を介して超細密流れ場構造に到達する。陽極極板の中間での超細密流れ場構造が膜電極アセンブリの第１表面に直接露出することによって、チャンネルの表面を介して膜電極アセンブリの陰極側に燃料流体を供給することができる。この実施例では、密封フレームの役割としては、反応物及び冷却媒体が陽極極板の表面から燃料電池の外部に漏れること（即ち、電池の外部漏れ）を防止するだけではなく、反応物と冷却媒体との間の相互漏れ（即ち、電池の内部漏れ）も防止する。燃料電池の内部温度が上昇した場合でも、陽極極板アセンブリにおける密封フレームは、陽極極板と膜電極アセンブリとの間隔距離の変化に適応して密封性能を維持することができる。従って、第３実施例の陽極極板アセンブリ又は同様の陽極極板アセンブリを用いた燃料電池は、持続的な大電流放電の安定性を高めることができる。

＜第４実施例＞
図６ａ及び６ｂは、それぞれ本発明の第４実施例による陰極極板の上面図及び底面図を示し、そのうち、燃料電池の下方から見た図は底面図であり、燃料電池の上方から見た図は上面図である。

図１０～図１２は、それぞれ本発明の第４実施例による陰極極板の各実施例の立体構造の概略図を示す。

陰極極板１０２は、基板１と、基板１の第１表面で酸化ガスを輸送する導流構造１０２ａ及び流れ場構造１０２ｂと、基板１の第２表面で冷却媒体を輸送する導流構造１０２ｃ及び流れ場構造１０２ｄとを含む。陰極極板１０２は、酸化ガスを分散させ、電子を伝達する役割を兼ねており、機械的強度が高く、導電性に優れた材料、例えば、黒鉛、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金などから構成することができる。

基板１は、略矩形状をなし、互いに対向した第１側辺及び第２側辺と、互いに対向した第３側辺及び第４側辺とを含む。基板１の第１側辺の近くには、１行に並べられ複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第１貫通孔（ｔｈｒｏｕｇｈｈｏｌｅ）３ａ、第５貫通孔５ａ及び第３貫通孔４ａを含む。基板１の第２側辺の近くには、１行に並べられ複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第４貫通孔４ｂ、第６貫通孔５ｂ及び第２貫通孔３ｂを含む。基板１の第３側辺及び第４側辺のそれぞれには、タブ２が形成される。タブ２は、検出端子として、検出用計器機器に接続されるために用いられる。好ましくは、タブ２は、組み立てる時に位置決めして、陰極極板１０２と陽極極板１０１とを互いに整列させるための位置決め孔を含む。

上述したように、燃料電池では、それぞれ双極板における対応する流れ場に燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を提供するために、重複部品１３３の側辺部分には、積層方向に沿って延在した第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管が設置される。陰極極板１０２の第１貫通孔３ａ及び第２貫通孔３ｂは、それぞれ第１組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成し、第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂは、それぞれ第２組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成し、第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂは、それぞれ第３組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成する。

陰極極板１０２の第３貫通孔４ａの断面形状と第４貫通孔４ｂの断面形状とは、互いに同一であり、略弧状辺台形である。好ましくは、弧状辺台形の頂角は、丸められている。弧状辺台形の頂辺の長さは、底辺の長さよりも小さく、例えば頂辺の長さは、底辺の長さの１／６～５／６である。基板１の第１側辺の近くで、弧状辺台形の頂辺及び底辺は、それぞれ基板１の第１側辺に略垂直であり、弧状辺台形の第１側辺は、基板１の第１側辺に略平行であり且つ基板１の第１側辺に近く、基板１の第２側辺の近くで、弧状辺台形の頂辺及び底辺は、それぞれ基板１の第２側辺に略垂直であり、弧状辺台形の第１側辺は、基板１の第２側辺に略平行であり且つ基板１の第２側辺に近い。弧状辺台形の第２側辺は、傾斜した弧形であり且つ第１側辺と互いに対向する。それに応じて、第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂの少なくとも一部の側壁は、凹面側壁であり、陰極極板１０２の第１表面に曲面側壁における横方向開口を形成する。

陰極極板１０２の基板１の第１表面には、例えば複数の分配ユニットが形成される。前記複数の分配ユニットは、基板１の長さ方向（即ち、第１側辺及び第２側辺の延在方向）に沿って１行に並べられ、分配ユニットの数は、例えば１～２０個であり、単一の分配ユニットの幅は、例えば１５～１００ミリメートルである。各分配ユニットは、流れ場構造１０２ｂと、その両側に位置する導流構造１０２ａとを含む。流れ場構造１０２ｂの入口は、基板１の第１側辺の近くでの導流構造１０２ａを介して第３貫通孔４ａの横方向開口に連通し、流れ場構造１０２ｂの出口は、基板１の第２側辺の近くでの導流構造１０２ａを介して第４貫通孔４ｂの横方向開口に連通する。

陰極極板１０２の流れ場構造１０２ｂは、入口から出口まで延在した複数のチャンネル２１を含み、前記複数のチャンネル２１は、リッジ２２により互いに仕切りされ、数は、例えば、２５～７０個である。陰極極板１０２の表面に複数の分配ユニットが形成される場合、複数の分配ユニットの流れ場構造は、連続して並べられた複数組のチャンネルを含んでもよい。陰極極板１０２の複数のチャンネル２１は、第１表面に開口しており、第１表面に沿って酸化ガスを輸送するだけではなく、開口を介して膜電極アセンブリ１０３の陰極側に酸化ガスを輸送する。前記複数のチャンネル２１は、直線状チャンネル、曲線状チャンネル、又は蛇行状チャンネルなどの様々な異なる設計であってもよい。図に示す実施例は、第１側辺に垂直な方向に沿って延在した直線状チャンネルを示す。好ましくは、直線状チャンネルの設計を採用することにより、酸化ガスが流れ場を通過する時の圧力抵抗を減少させて、陰極極板１０２における酸化ガスの分布がより均一になる。また、膜電極アセンブリの平面方向での酸化ガスの濃度も高め、電気化学的反応のエネルギー損失を低減させる。図に示す実施例は、第１側辺に垂直な方向に沿って延在した直線状チャンネルを示す。

陰極極板１０２の流れ場構造１０２ｂは、例えば、陰極極板１０２のリッジの幅を３０～５００マイクロメートルに減少させる超細密チャンネル設計である。陰極極板１０２のリッジの幅が小さくなるについて、重複部品の陰極側での水没現象が顕著に改善される。また、この超細密チャンネルの狭いリッジ及び狭いチャンネルにより、さらに酸化ガス及び水の拡散距離を短縮し、膜電極アセンブリにおける平面方向での酸化ガス及び水の濃度を高めるため、電気化学的反応のエネルギー損失を低減させる。本出願の設計を用いた燃料電池は、より良い大電流高電力の持続放電能力及びより良い水・熱管理能力を備えている。陰極極板１０２の導電能力は、リッジの幅とチャンネルの幅との比例に関連し、この比例が小さすぎると、電流の伝導に影響し、さらに燃料電池全体の効率を低減させる。本出願では、陰極極板１０２流れ場構造におけるリッジの幅とチャンネルの幅との比例は、略１：１である。陰極極板１０２のチャンネルの幅は、陰極極板１０２のリッジの幅に対応して、３０～５００マイクロメートルであるとされる。さらに、ガス輸送の効果を保証するために、陰極極板１０２の超細密流れ場の長さは、２０～１５０ミリメートルであり、超細密流れ場の長ささが長すぎると、流れ場内部の酸化ガスの圧力抵抗が大きすぎ、酸化ガスの圧力抵抗を克服するには、より高い電力のコンプレッサが必要となるとともに、陰極極板１２の第２表面を流れる冷却媒体が冷却媒体の圧力抵抗を克服するには、より高い電力の水ポンプ又はコンプレッサが必要となり、このように、システムのコストが増加するとともに、システム全体の効率にも影響を与える。

陰極極板１０２の導流構造１０２ａは、第３貫通孔４ａ又は第４貫通孔４ｂから流れ場構造１０２ｂの入口又は出口まで延在し且つ放射状に分布した複数の導流溝２３を含む。前記複数の導流溝２３は、側壁２４により互いに仕切りされ、数は、例えば、２～１０個である。陰極極板１０２の第１表面では、導流構造１０２ａの側壁２４の一方端は、第３貫通孔４ａ又は第４貫通孔４ｂのエッジまで延在してもよく、第３貫通孔４ａ又は第４貫通孔４ｂのエッジと一定距離だけ離間してもよく、導流構造１０２ａの側壁２４の他方端は、流れ場構造１０２ｂのエッジまで延在し、流れ場構造１０２ｂのリッジ２２に直接接続されてもよく、流れ場構造１０２ｂのエッジと一定距離だけ離間してもよい。

陰極極板１０２の表面に複数の分配ユニットが形成される場合、複数の分配ユニットの導流構造は、互いに仕切りされた複数組の導流溝を含んでもよい。陰極極板１０２の複数の導流溝２３は、第１表面に開口しており、例えば追加するガスケットを用いて閉鎖することによって、導流溝が上部の閉鎖された導流配管を形成して、燃料電池が組み立てて押し付けられる時、導流溝が押えられて変形した膜電極アセンブリのサイドフレームにより閉塞されることを防止することができる。上述したように、第３貫通孔４ａ又は第４貫通孔４ｂの横方向開口は、曲面側壁における横方向開口であり、この設計により、第３貫通孔４ａ又は第４貫通孔４ｂの幅が制限されている場合に横方向開口の幅を最大化することができ、酸化ガスが陰極極板１０２の第３貫通孔４ａ又は第４貫通孔４ｂから導流構造１０２ａに入る圧力抵抗を減少させて、酸化ガスの流動をよりスムーズにする。導流構造１０２ａでは、陰極極板１０２の複数の導流溝２３の、酸化ガスの流入経路における断面積が徐々に大きくなることで、酸化ガスが流れ場構造１０２ｂに流入する圧力抵抗を減少させ、酸化ガスの流出経路における断面積が徐々に小さくなることで、酸化ガスが流れ場構造１０２ｂから流出する圧力抵抗を増大させる。

好適な実施例では、陰極極板１０２の基板１の第２表面に例えば複数の冷却ユニットが形成される。

陰極極板１０２の第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂの断面形状は、それぞれ略矩形である。基板１の第１側辺の近くで、矩形の第１側辺と第２側辺とは、互いに対向し、且つそれぞれ基板１の第１側辺に略垂直であり、第３側辺と第４側辺とは、互いに対向し、且つそれぞれ基板１の第１側辺に略平行である。それに応じて、第５貫通孔５ａ及び第６貫通孔５ｂの側壁は、それぞれ平坦な側壁であり、陰極極板１０２の第２表面に平坦且つまっすぐな横方向開口を形成する。

陰極極板１０２の複数の冷却ユニットは、基板１の長さ方向（即ち、第１側辺及び第２側辺の延在方向）に沿って１行に並べられ、各冷却ユニットは、流れ場構造１０２ｄと、その両側に位置した導流構造１０２ｃとを含む。流れ場構造１０２ｄの入口は、基板１の第１側辺の近くでの導流構造１０２ｃを介して第５貫通孔５ａの横方向開口に連通し、流れ場構造１０２ｄの出口は、基板１の第２側辺の近くでの導流構造１０２ｃを介して第６貫通孔５ｂの横方向開口に連通する。

陰極極板１０２の第２表面の冷却流れ場構造１０２ｄは、リッジ２６により互いに仕切りされた複数のチャンネル２５を含む。陰極極板１０２の冷却媒体導流構造１０２ｃは、リッジ２８と互いに仕切りされた複数の導流溝２７を含む。前記複数の導流溝２７は、例えば、基板１の第１側辺に垂直な方向に延在したであり直線状であり、前記複数のチャンネル２５は、例えば、基板１の第１側辺に平行及び垂直な方向に沿って連続して延在した複数の部分を含むジグザグ形状である。前記複数の導流溝２７及び前記複数のチャンネル２５は、基板１の第１側辺の近くでの第５貫通孔５ａの横方向開口から基板１の第２側辺の近くでの第６貫通孔５ｂの横方向開口まで連続して延在した複数の開口溝を形成し、数は、例えば、４～１２個である。例えば、隣接した重複部品の陰極極板の第２表面を用いて開口溝を閉鎖するか、又は電流集電体又は絶縁板又は端板を用いて開口溝を閉鎖することによって、閉鎖された冷却配管を形成することができる。

陰極極板１０２の第２表面における流れ場構造に含まれたジグザグ形状のチャンネルは、主に、冷却媒体の流れ速度を低減させ、冷却媒体の流動経路の長さを増加させて、より多くの熱を持ち去り、冷却効果を改善する。本設計を用いた燃料電池は、優れた水・熱管理能力を有し、水を冷却媒体として採用する場合、陰極極板の冷却水の入口温度と出口温度の温差を１０℃以内に制御できる。

図７～９は、それぞれ本発明の第４実施例による陰極極板の各実施例の立体構造の概略図を示す。

図７に示すように、陰極極板１０２の基板１の第１表面では、導流構造の導流溝２３及び超細密流れ場構造におけるチャンネル２１は、それぞれ第１表面にレーザー彫刻又は化学エッチングを用いて形成された凹溝である。基板１の周辺部分１０２１には、第１表面に対して凹んで密封フレームと整合する密封溝が形成される。導流構造の周辺に仕切り壁１０２２が形成されることで、隣接した分配ユニットの導流構造を互いに仕切りし、密封フレームの位置決めが容易になる。仕切り壁１０２２の頂面は、例えば第１表面と面一となる。上述したように、第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂの少なくとも一部の側壁は、凹面側壁であり、導流溝２３の底面まで延在しており、仕切り壁１０２２とともに曲面側壁における横方向開口を形成する。基板１の周辺部分１０２１に、追加する密封フレームを設けて陰極極板アセンブリを形成することができる。

図８に示すように、陰極極板２０２の基板１の第１表面では、導流構造の導流溝２３及び超細密流れ場構造におけるチャンネル２１は、それぞれ第１表面にレーザー彫刻又は化学エッチングを用いて形成された凹溝である。基板１の周辺部分２０２１には、第１表面に対して凹んで密封フレームと整合する密封溝が形成される。基板１の周辺部分２０２１は、例えば第１表面と面一となり、そして仕切り壁の役割を兼ねることで、隣接した分配ユニットの導流構造を互いに仕切りする。上述したように、第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂの少なくとも一部の側壁は、凹面側壁であり、導流溝２３の底面まで延在しており、基板１の周辺部分２０２１とともに曲面側壁における横方向開口を形成する。基板１の周辺部分２０２１に、追加する密封フレームを設けて陰極極板アセンブリを形成することができる。

図９に示すように、陰極極板３０２の基板１の第１表面では、導流構造の導流溝２３及び超細密流れ場構造におけるチャンネル２１は、それぞれ第１表面にレーザー彫刻又は化学エッチングを用いて形成された凹溝である。この基板１の周辺部分３０２１は、第１表面に対して突起する。導流構造の周辺に仕切り壁３０２２が形成されることで、隣接した分配ユニットの導流構造が互いに仕切りされ、仕切り壁３０２２の頂面は、例えば第１表面と面一となる。上述したように、第３貫通孔４ａ及び第４貫通孔４ｂの少なくとも一部の側壁は、凹面側壁であり、導流溝２３の底面まで延在しており、仕切り壁３０２２とともに曲面側壁における横方向開口を形成する。この基板１の周辺部分２０２１は、密封部品の役割を兼ねることができることで、追加する密封フレームを省くことができる。

第４実施例では、双極板における陰極極板を例にして、図７～９を併せて陰極極板の基板の周辺部分及び第２貫通孔の横方向開口の異なる構造について記述する。陽極極板には同様の構造を採用することができ、即ち、陽極極板の基板の周辺部分は、第１表面に対して凹んでいても、突起しても、面一になってもよいことが理解され得る。

第４実施例による陰極極板は、酸化ガスを分散し、電子を伝達し、放熱し、構造を支持する役割を兼ねる。陰極極板の第１表面は、酸化ガスを供給するための超細密流れ場構造及び導流構造を含み、この導流構造は、放射状に分布した複数の導流溝を含む。第３貫通孔及び第４貫通孔の曲面側壁には、傾斜した横方向開口が形成され、酸化ガスが横方向開口から導流構造に流入及び流出することによって、貫通孔の幅が制限されている場合に横方向開口の幅を最大化する。この陰極極板の第１表面における導流構造の設計により、流れ経路における酸化ガスの入口の圧力抵抗が出口の圧力抵抗と異なるため、陰極極板における酸化ガスの分布がより均一になる。また、膜電極アセンブリの平面方向での酸化ガスの濃度も高め、電気化学的反応のエネルギー損失を低減させる。従って、この陰極極板を用いた燃料電池は、面積と電力との比を高めることができる。

好適な実施例では、陰極極板の表面に複数の分配ユニットが形成される場合、各分配ユニットは、いずれも、それぞれの流れ場構造と、互いに仕切りされた１対の貫通孔及び１対の導流構造とを有する。ユニットの数及び陰極極板数の数を増加させると、依然として、各極板の内部の各ユニット間での流体の均一な分配、及び各層の極板間での流体の均一な分配を確保することができる。この設計により、燃料電池の電力需要に応じて、陰極極板における分配ユニットの数を柔軟に設置して、活性面積を拡大又は減少することができる。さらに、陰極極板の複数の分配ユニットの導流構造は、互いに仕切りされた複数組の導流溝を含むことで、陰極極板の分配ユニットの少ない一部が故障するため、この分配ユニットの一部が破損したり、反応物の流れが阻害されたりしても、陰極極板の分配ユニットの別の一部が依然として正常な動作を維持することができ、燃料電池スタックの全体的な出力電力が低下するにすぎない。従って、この陰極極板を用いた燃料電池は、柔軟なモジュール化設計及び信頼性の向上を実現することができる。

好適な実施例では、陰極極板の第２表面は、冷却媒体の導流構造と流れ場構造とを含むことで、電気化学的反応によって発生した熱を効率的に持ち去り、従って、陰極極板は、放熱板の役割を兼ねる。陰極極板の第２表面における冷却媒体流れ場は、ジグザグ形状のチャンネルを含むことで、経路の長さを延長させ、冷却効果を改善する。この陰極極板は、燃料電池のガス分配均一性を高め、水・熱管理を改善することによって、燃料電池の大電流放電性能及び電力密度を高めることができる。

＜第５実施例＞
第５実施例による陰極極板アセンブリは、陰極極板と、陰極極板の第１表面に位置するガスケット及び密封フレームと、陰極極板の第２表面に位置する密封フレームとを含む。この陰極極板は、例えば上記第４実施例を併せて繰り返し説明した陰極極板である。簡明化のために、以下に、陰極極板の内部構造については繰り返し説明しない。図１０～１２は、陰極極板アセンブリにおける陰極極板の第１表面のガスケットと密封フレーム、及び陰極極板の第２表面の密封フレームの上面図のみを示す。

図１０に示すように、陰極極板アセンブリにおけるガスケット２３６は、第１サブガスケット２３６１と第２サブガスケット２３６２とを含む。陰極極板１０２の基板の第１側辺の近くで、第１サブガスケット２３６１は、陰極極板１２の第１表面の入口側での導流構造の頂部面を被覆する。陰極極板１０２の基板の第２側辺の近くで、第２サブガスケット２３６２は、陰極極板１２の第１表面の出口側での導流構造の頂部面を被覆する。第１サブガスケット２３６１及び第２サブガスケット２３６２は、陰極極板１２の第１表面の導流構造の頂部面と一致する形状を有することで、陰極極板１２の第１表面の導流溝の上部を閉鎖して導流配管を形成する。

ガスケット２３６の役割は、酸化ガスの導流構造の頂部面を閉鎖して、燃料電池が組み立てて押し付けられる時、導流溝が押えられて変形した膜電極アセンブリのサイドフレームによりにより閉塞されることを防止することを防止することである。ガスケット２３６は、機械的強度が高く、温度安定性が良好な材料、例えば、黒鉛、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金などから構成することができる。

図１１に示すように、陰極極板アセンブリにおける陰極極板の第１表面の密封フレーム２３８は、サイドフレーム２３８１と、サイドフレーム２３８１で囲まれた中間開口２３８２とを含む。サイドフレーム２３８１の第１側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第１貫通孔２３８３ａ、第５貫通孔２３８５ａ及び第３貫通孔２３８４ａを含む。サイドフレーム２３８１の第２側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第４貫通孔２３８４ｂ、第６貫通孔２３８５ｂ及び第２貫通孔２３８３ｂを含む。陰極極板アセンブリでは、密封フレーム２３８のサイドフレーム２３８１は、陰極極板の周辺部分に接触し、密封フレーム２３８の第１～第６貫通孔は、それぞれ陰極極板１０２の第１～第６貫通孔と整列することによって、第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成する。密封フレーム２３８の中間開口から陰極極板１０２の超細密流れ場構造が露出される。密封フレーム２３８の中間開口２３８２は、第１と第２貫通孔、及び第５と第６貫通孔と仕切りされることで、燃料流体及び冷却媒体が陰極極板１０２の超細密流れ場構造に到達できなくなる。密封フレーム２３８の中間開口２３８２は、第３と第４貫通孔に連通し、陰極極板１０２の第３と第４貫通孔の横方向開口は、酸化ガスの導流構造に連通することで、酸化ガスのみが導流構造を介して陰極極板１０２の超細密流れ場構造に到達することができる。

この実施例では、陰極極板アセンブリにおける密封フレーム２３８は、プリフォームされたシーラントストリップを用いてもよく、又は、陰極極板１０２の第１表面にゴムを注入して硬化させてゴムストリップを形成してもよい。

図１２に示すように、陰極極板アセンブリにおける陰極極板の第２表面の密封フレーム３３８は、サイドフレーム３３８１と、サイドフレーム３３８１で囲まれた中間開口３３８２とを含む。サイドフレーム３３８１の第１側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第１貫通孔３３８３ａ、第５貫通孔３３８５ａ及び第３貫通孔３３８４ａを含む。サイドフレーム３３８１の第２側辺の近くには、１行に並べられた複数組の貫通孔が形成され、各組の貫通孔は、順に並べられた第４貫通孔３３８４ｂ、第６貫通孔３３８５ｂ、及び第２貫通孔３３８３ｂを含む。陰極極板アセンブリでは、密封フレーム３３８のサイドフレーム３３８１は、陰極極板の周辺部分と接触し、密封フレーム３３８の第１～第６貫通孔は、それぞれ陰極極板１０２の第１～第６貫通孔と整列することによって、第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管の流入経路及び流出経路の一部を形成する。密封フレーム３３８の中間開口から陰極極板１０２の冷却流れ場構造が露出される。密封フレーム３３８の中間開口３３８２は、第１と第２貫通孔、及び第３と第４貫通孔と仕切りされることで、燃料流体及び酸化ガスが陰極極板１０２の冷却流れ場構造に到達できなくなる。密封フレーム３３８の中間開口３３８２は、第５と第６貫通孔に連通し、陰極極板１０２の第５と第６貫通孔の横方向開口は、冷却媒体の導流構造に連通することで、冷却媒体のみが導流構造を介して陰極極板１０２の超細密流れ場構造に到達することができる。

この実施例では、陰極極板アセンブリにおける密封フレーム３３８は、プリフォームされたシーラントストリップを用いてもよく、又は陰極極板１０２の第２表面にゴムを注入して硬化させてゴムストリップを形成してもよい。

第５実施例による陰極極板アセンブリは、陰極極板の第１表面では、密封フレームを用いてそれぞれ陰極極板１０２の表面の燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を密封し、ガスケットを用いて酸化ガスの導流構造の上部を閉鎖して導流配管を形成する。密封フレームは、第１と第２貫通孔、及び第５と第６貫通孔を陰極極板の第１表面の導流構造及び超細密流れ場構造と互いに仕切りする役割を兼ねるため、陰極極板の第１表面では、酸化ガスのみが第３と第４貫通孔の横方向開口、及び上部の閉鎖された導流配管を介して超細密流れ場構造に到達することができる。陰極極板の中間での超細密流れ場構造が膜電極アセンブリの第２表面から直接露出されることによって、チャンネルの表面を介して膜電極アセンブリの陰極側に酸化ガスを供給することができる。この実施例では、密封フレームの役割としては、反応物及び冷却媒体が陰極極板の表面から燃料電池の外部に漏れる（即ち、電池の外部漏れ）ことを防止するだけではなく、反応物と冷却媒体との間の相互漏れ（即ち、電池の内部漏れ）も防止する。燃料電池の内部温度が上昇した場合でも、陰極極板アセンブリにおける密封フレームは、陰極極板と膜電極アセンブリとの間の間隔距離の変化に適応して密封性能を維持することができる。従って、第５実施例の陰極極板アセンブリ又は同様の陰極極板アセンブリを用いた燃料電池は、持続的な大電流放電の安定性を高めることができる。

図１３は、本発明の実施例の双極板アセンブリを採用する燃料電池の放電曲線を示す。この燃料電池の単電池の活性面積は、２００平方センチメートルを超えている。

図における曲線図から分かるように、本発明で設計された極板は、優れた大電流放電性能を有する。電流密度が２．０Ａ／ｃｍ²であると、単電池電圧は、０．６３Ｖであり、電流密度２．５Ａ／ｃｍ²であると、単電池電圧は、０．６Ｖである。電流密度が３．６Ａ／ｃｍ²に達すると、単電池電圧は、０．５４Ｖであり、電力密度は、１９０１ｍｗ／ｃｍ²に達する。本発明の設計を採用した双極板の電池スタックは、電池の大電流放電性能を著しく向上させることができ、中国が今まで発表した燃料電池の大電流放電性能データを超える。

本発明の上記実施例による燃料電池は、電気車両に用いることができ、燃料電池の電力密度が高く、大電流放電の性能に優れるため、車両の動力性能、燃料利用効率及び航続距離を高めることができる。

上記の第１実施例では、燃料電池１００は、互いに対向した第１端板１１０及び第２端板１２０と、両者の間に順に積層された第１絶縁板１３１、第１電流集電体１３２、重複部品（ｒｅｐｅａｔｐａｒｔ）１３３、第２電流集電体１３４及び第２絶縁板１３５とを含むことが記述される。出力電圧を高めるために、燃料電池１００の電池スタックは、例えば、積層され且つ互いに電気的に接続された複数の重複部品１３３を含む。代替的な実施例では、燃料電池の重複部品１３３における双極板は、電流集電体として兼用でき、重複部品１３３における密封フレームは、絶縁板として兼用できることによって、第１絶縁板１３１、第１電流集電体１３２、第２電流集電体１３４、第２絶縁板１３５の少なくとも１つを省くことができ、さらに燃料電池１００における部品の数を減少させる。燃料電池１００の部品の数の減少及び構造設計最適化により、この実施例の燃料電池１００は、燃料電池１００の高さサイズ及び横方向サイズを減少させることができ、燃料電池１００の小型化及び電力密度の更なる向上により有利となる。

上記の第２～第５実施例では、燃料電池１００の双極板（陽極極板１０１及び陰極極板１０２）は、断面形状が弧状辺台形の貫通孔を含み、貫通孔の曲面側壁における横方向開口を反応物の流入口又は流出口として採用することによって、貫通孔の幅が制限されている場合に横方向開口の幅を最大化することが記述される。代替的な実施例では、燃料電池１００の双極板（陽極極板１０１及び陰極極板１０２）は、断面形状が斜辺台形の貫通孔を含み、貫通孔の斜面側壁における横方向開口を反応物の流入口又は流出口として採用することによって、貫通孔の幅が制限されている場合に横方向開口の幅を最大化する。双極板では、貫通孔の断面形状を特定の形状として設計し、横方向開口の幅を最大化して、反応物が横方向開口を流れる圧力抵抗を減少させ、反応物の流動をよりスムーズにすることができる。

なお、本発明の記述では、含まれる用語の「含む」、「包有する」又はその他の任意の変形は、非排他的な包含をカバーすることを意図していることで、一連の要素を含むプロセス、方法、物品又は機器は、それらの要素を含むだけでなく、そして、明確にリストアップされていない他の要素をさらに含むか、又は、このプロセス、方法、物品又は機器に固有の要素をさらに含む。これ以上の制限がない場合、文の「は、１つの……を含む」で限定される要素は、前記要素を含むプロセス、方法、物品又は機器には他の同じ要素も存在することを除外するものではない。

最後に説明すべきこととして、明らかに、上記実施例は、実施例を限定するものではなく、本発明を明瞭に説明するための例にすぎない。当業者にとって、上記説明に基づいて他の異なる形態の変化又は変更を行うことができる。ここで、全ての実施例を挙げることができない。これで行われた明らかな変化又は変更は、依然として本発明の保護範囲にある。

１００燃料電池
１１０第１端板
１２０第２端板
１４０テンションプレート
１５０ジョイント板
１３１第１絶縁板
１３２第１電流集電体
１３３重複部品
１３４第２電流集電体
１３５第２絶縁板
１４１下フランジ
１４２上フランジ
１４３ねじ孔
１基板
２タブ
３ａ第１貫通孔
３ｂ第２貫通孔
４ａ第３貫通孔
４ｂ第４貫通孔
５ａ第５貫通孔
５ｂ第６貫通孔
１０１陽極極板
１０１ａ燃料流体導流構造
１０１ｂ燃料流体流れ場構造
１０１ｃ冷却媒体導流構造
１０１ｄ冷却媒体流れ場構造
１１燃料流体流れ場構造のチャンネル
１２燃料流体流れ場構造のリッジ
１３燃料流体導流構造の導流溝
１４燃料流体導流構造の側壁
１０２、２０２、３０２陰極極板
１０２ａ酸化ガス導流構造
１０２ｂ酸化ガス流れ場構造
１０２ｃ冷却媒体導流構造
１０２ｄ冷却媒体流れ場構造
２１酸化ガス流れ場構造のチャンネル
２２酸化ガス流れ場構造のリッジ
２３酸化ガス導流構造の導流溝
２４酸化ガス導流構造の側壁
１０２１、２０２１、３０２１陰極極板の周辺部分
１０２２、３０２２陰極極板の仕切り壁
１０３膜電極アセンブリ
３１電解質膜
３２陽極触媒層
３３陰極触媒層
３４陽極拡散層
３５陰極拡散層
１３６陽極極板の第１表面のガスケット
１３６１第１サブガスケット
１３６２第２サブガスケット
１３８陽極極板の第１表面の密封フレーム
１３８１サイドフレーム
１３８２中間開口
１３８３ａ第１貫通孔
１３８３ｂ第２貫通孔
１３８４ｂ第３貫通孔
１３８４ｂ第４貫通孔
１３８５ａ第５貫通孔
１３８５ｂ第６貫通孔
２３６陰極極板の第１表面のガスケット
２３６１第１サブガスケット
２３６２第２サブガスケット
２３８陰極極板の第１表面の密封フレーム
２３８１サイドフレーム
２３８２中間開口
２３８３ａ第１貫通孔
２３８３ｂ第２貫通孔
２３８４ｂ第３貫通孔
２３８４ｂ第４貫通孔
２３８５ａ第５貫通孔
２３８５ｂ第６貫通孔
３３８陰極極板及び陰極極板の第２表面の密封フレーム
３３８１サイドフレーム
３３８２中間開口
３３８３ａ第１貫通孔
３３８３ｂ第２貫通孔
３３８４ｂ第３貫通孔
３３８４ｂ第４貫通孔
３３８５ａ第５貫通孔
３３８５ｂ第６貫通孔

Claims

燃料電池用の双極板であって、
基板と、
前記基板の第１表面に位置し、燃料電池の膜電極アセンブリに第１反応物を供給するための複数の分配ユニットと、
前記基板の第１側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、それらのそれぞれが、側壁において横方向に延在し、第１反応物の入口として、対応する前記複数の分配ユニットの１つに接続される開口を有する複数の第１貫通孔と、
前記基板の第２側辺に隣接し且つ前記基板を貫通し、それらのそれぞれが、側壁において横方向に延在し、第１反応物の入口として、対応する前記複数の分配ユニットの１つに接続される開口を有する複数の第２貫通孔と
を含み、
前記第１側辺は、前記第２側辺と互いに対向し、
前記複数の第１貫通孔及び前記複数の第２貫通孔のそれぞれの断面形状が略弧状辺台形又は斜辺台形であり、且つ弧状辺に対応する曲面側壁又は斜辺に対応する斜面側壁に前記開口が形成され、
前記複数の第１貫通孔の複数の開口及び前記複数の第２貫通孔の複数の開口は、前記第１側辺の方向に沿って互いに対向し、
前記複数の分配ユニットのそれぞれは、対応する前記複数の第１貫通孔の１つの開口に隣接する第１導流構造と、対応する前記複数の第２貫通孔の１つの開口に隣接する第２導流構造と、前記第１導流構造と前記第２導流構造との間の第１流れ場構造とを含み、
前記複数の分配ユニットの第１流れ場構造は、連続した複数組の第１チャンネルとなるように、前記基板の前記第１表面上に連続して配列されており、
前記第１流れ場構造は、複数のリッジにより互いに仕切りされた複数の第１チャンネルを有し、前記複数の第１チャンネルは、前記第１流れ場構造の入口側から前記第１流れ場構造の出口側まで延在しており、
前記第１導流構造は、複数の第１側壁により互いに仕切りされた複数の第１導流溝を有し、前記複数の第１導流溝は、放射状に分布し、対応する前記複数の第１貫通孔の１つの開口から前記第１流れ場構造の入口側まで延在しており、
前記第２導流構造は、複数の第２側壁により互いに仕切りされた複数の第２導流溝を有し、前記複数の第２導流溝は、放射状に分布し、対応する前記複数の第２貫通孔の１つの開口から前記第１流れ場構造の出口側まで延在しており、
前記第１導流構造の複数の第１導流溝の、第１反応物の流入経路における断面積は、徐々に大きくなり、前記第２導流構造の複数の第２導流溝の、第１反応物の流出経路における断面積は、徐々に小さくなる、燃料電池用の双極板。
前記第１流れ場構造の複数のチャンネルは、直線状、曲線状、及び蛇行状チャンネルのうちのいずれか１つである、請求項１に記載の双極板。
前記双極板は、陽極極板であり、前記陽極極板が前記膜電極アセンブリに供給した第１反応物は、燃料流体であり、前記第１貫通孔の断面形状の頂辺の長さは、底辺の長さの１／３～１９／２０である、請求項１に記載の双極板。
前記第１流れ場構造の第１チャンネルの数は、２５～７０個である、請求項３に記載の双極板。
前記第１流れ場構造のリッジの幅は、３０～５００マイクロメートルであり、チャンネルの幅は、３０～５００マイクロメートルである、請求項３に記載の双極板。
前記第１導流構造の第１導流溝及び前記第２導流構造の第２導流溝の数は、それぞれ２～１０個である、請求項３に記載の双極板。
前記双極板は、陰極極板であり、前記陰極極板が前記膜電極アセンブリに供給した第１反応物は、酸化ガスであり、前記第１貫通孔の断面形状の頂辺の長さは、底辺の長さの１／６～５／６である、請求項１に記載の双極板。
前記第１流れ場構造の第１チャンネルの数は、２５～７０個である、請求項７に記載の双極板。
前記第１流れ場構造のリッジの幅は、３０～５００マイクロメートルであり、チャンネルの幅は、３０～５００マイクロメートルである、請求項７に記載の双極板。
前記第１導流構造の第１導流溝及び前記第２導流構造の第２導流溝の数は、それぞれ２～１０個である、請求項７に記載の双極板。
前記複数の分配ユニットの第１導流構造は、互いに仕切りされ、前記複数の分配ユニットの第２導流構造は、互いに仕切りされる、請求項１に記載の双極板。
密封溝を形成するために、前記基板は、前記第１表面に対して凹んだ周辺部分を含む、請求項１１に記載の双極板。
密封部品を形成するために、前記基板は、前記第１表面に対して突起した周辺部分を含む、請求項１１に記載の双極板。
前記基板は、前記第１表面と面一となった、密封フレームの接触面としての周辺部分を含む、請求項１１に記載の双極板。
前記複数の分配ユニットのうちの隣接した分配ユニットの第１導流構造間及び第２導流構造間に位置する複数の仕切り壁をさらに含む、請求項１１に記載の双極板。
第２反応物の入口として、前記基板の第１側辺に隣接し且つ前記基板を貫通する複数の第３貫通孔と、
第２反応物の入口として、前記基板の第２側辺に隣接し且つ前記基板を貫通する複数の第４貫通孔と、
冷却媒体の入口として、前記基板の第１側辺に隣接し且つ前記基板を貫通する複数の第５貫通孔と、
冷却媒体の入口として、前記基板の第２側辺に隣接し且つ前記基板を貫通する複数の第６貫通孔とをさらに含む、請求項１に記載の双極板。
前記複数の第１貫通孔、前記複数の第３貫通孔及び前記複数の第５貫通孔は、第１貫通孔、第５貫通孔、第３貫通孔の順で前記基板の第１側辺に１行に並べられ、前記複数の第２貫通孔、前記複数の第４貫通孔及び前記複数の第６貫通孔は、第４貫通孔、第６貫通孔、第２貫通孔の順で前記基板の第２側辺に１行に並べられる、請求項１６に記載の双極板。
前記複数の第５貫通孔及び前記複数の第６貫通孔のそれぞれの断面形状は、略矩形状であり、且つ前記複数の第５貫通孔の断面形状の側辺は、前記複数の第１貫通孔の断面形状の頂辺に隣接し、前記複数の第６貫通孔のそれぞれの断面形状の側辺は、対応する前記複数の第２貫通孔の１つの断面形状の頂辺に隣接し、前記側辺の長さは、前記頂辺の長さ以下である、請求項１６に記載の双極板。
前記基板の第２表面に位置し、それらのそれぞれが、対応する前記複数の第５貫通孔の１つ及び対応する前記複数の第６貫通孔の１つに接続され、双極板の第２表面に冷却媒体を供給するための複数の冷却ユニットをさらに含む、請求項１６に記載の双極板。
前記基板は、互いに対向した第３側辺及び第４側辺をさらに含み、前記第３側辺及び前記第４側辺にタブが形成され、前記タブは、燃料電池の検出状態で検出端子となる、請求項１に記載の双極板。
前記タブは、複数の双極板を互いに整列させるための位置決め孔を含む、請求項２０に記載の双極板。
燃料電池用の双極板アセンブリであって、
請求項１～２１のいずれか１項に記載の双極板と、
サイドフレームが前記双極板の周辺部分と接触し、中間開口から前記双極板の活性領域が露出される密封フレームと、
前記複数の分配ユニットの第１導流構造及び第２導流構造の頂部面を被覆して閉鎖された導流配管を形成するガスケットとを含む、燃料電池用の双極板アセンブリ。
前記密封フレームは、前記双極板における複数の貫通孔とそれぞれ整列する複数の貫通孔を含み、前記密封フレームの中間開口は、前記密封フレームの複数の第１貫通孔及び複数の第２貫通孔に連通することで、前記第１反応物を前記複数の第１貫通孔の開口を介して第１導流構造に流入させ、前記複数の第２貫通孔の開口を介して第２導流構造から流出させる、請求項２２に記載の双極板アセンブリ。
前記ガスケットは、
前記第１導流構造の頂部面を被覆する第１サブガスケットと、
前記第２導流構造の頂部面を被覆する第２サブガスケットとを含む、請求項２２に記載の双極板アセンブリ。
燃料電池であって、
陽極極板と、陰極極板と、両者の間に挟まれた膜電極アセンブリとを含む重複部品であって、前記重複部品の側辺部分に積層方向に沿って延在した第１組の主配管、第２組の主配管及び第３組の主配管が形成される重複部品と、
第１端板と、それぞれ燃料流体、酸化ガス及び冷却媒体を輸送するように、それぞれ前記第１組の主配管、前記第２組の主配管及び前記第３組の主配管に接続され、前記第１端板に形成された第１対のマニホールド、第２対のマニホールド及び第３対のマニホールドとを含み、流体分配装置とを含み、
そのうち、前記陽極極板及び前記陰極極板は、それぞれ請求項１～２０のいずれか１項に記載の双極板である、燃料電池。
前記重複部品の第１表面に順に積層された第１電流集電体及び第１絶縁板と、
前記重複部品の第２表面に順に積層された第２電流集電体及び第２絶縁板と、
前記第１端板と前記重複部品、前記第１電流集電体、前記第２電流集電体、前記第１絶縁板、及び前記第２絶縁板を挟持する第２端板とをさらに含み、
そのうち、前記第１絶縁板は、前記第１端板と前記第１電流集電体との間に挟まれ、前記第２絶縁板は、前記第２端板と前記第２電流集電体との間に挟まれ、前記第１組の主配管、前記第２組の主配管及び前記第３組の主配管は、積層方向に沿って前記第１電流集電体及び前記第１絶縁板を貫通する、請求項２５に記載の燃料電池。
前記燃料電池の対向した側面に位置するとともに、それぞれ下フランジ及び上フランジを含む第１テンションプレート及び第２テンションプレートをさらに含み、
そのうち、前記第１テンションプレート及び第２テンションプレートの下フランジがそれぞれ前記第１端板の底面のエッジと接触し、第１テンションプレート及び第２テンションプレートの上フランジがそれぞれ前記第２端板の頂面のエッジと接触することによって、前記下フランジを用いて前記第１端板の底面に圧力を加え、及び前記上フランジを用いて前記第２端板の頂面に圧力を加えて、前記第１端板と第２端板との間の挟持力を提供する、請求項２６に記載の燃料電池。
前記第１テンションプレート及び第２テンションプレートの上フランジは、複数のねじ孔をさらに含み、前記複数のねじ孔を貫通したボルトを用いて前記第２端板の頂面に付加圧力を加える、請求項２７に記載の燃料電池。
前記第１端板の相対端面に位置するとともに、それぞれ複数の外部配管に接続されるための複数のジョイントを含む第１ジョイント板及び第２ジョイント板をさらに含み、
そのうち、前記第１ジョイント板及び前記第２ジョイント板における前記複数のジョイントの内開口端が前記流体分配装置における前記第１対のマニホールド、前記第２対のマニホールド及び前記第３対のマニホールドの複数のサイド開口端とそれぞれ整列して互いに連通することを実現する、請求項２５に記載の燃料電池。