特許 7285638 燃料漏れを抑制するプロトン交換膜を有する燃料電池を含むシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-25

(45)【発行日】2023-06-02

(54)【発明の名称】燃料漏れを抑制するプロトン交換膜を有する燃料電池を含むシステム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20230526BHJP

   H01M 8/0271 20160101ALI20230526BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20230526BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20230526BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/0271

H01M8/04 Z

H01M8/10 101

【請求項の数】 9

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018230900

(22)【出願日】2018-12-10

(65)【公開番号】P2019133916

(43)【公開日】2019-08-08

【審査請求日】2021-11-11

(31)【優先権主張番号】1762071

(32)【優先日】2017-12-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】510132347

【氏名又は名称】コミサリア ア レネルジ アトミク エ オウ エネルジ アルタナティヴ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】ポワロ－クローヴェジエ ジャン－フィリップ

(72)【発明者】

【氏名】ロジーニ セバスチャン

【審査官】高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１１－５０８９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１７９３６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１２７９４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流れ案内プレート（５）と、
前記流れ案内プレートと向かい合う第１膜電極接合体であって、第１のマニホルド（５９２）から、前記流れ案内プレートと前記第１膜電極接合体との間に配置された反応領域を通って第２のマニホルド（５９５）まで第１の流体を流すように構成された第１膜電極接合体（１１０）と、
前記流れ案内プレートと向かい合う、前記第１膜電極接合体と反対の第２膜電極接合体であって、第３のマニホルド（５９１）から、前記流れ案内プレートと前記第２膜電極接合体との間の別の反応領域を通って第４のマニホルド（５９６）まで第２の流体を流すように構成された第２膜電極接合体と、
前記流れ案内プレート（５）と前記第１膜電極接合体（１１０）との間に配置された周辺シール（５１７）と、
前記流れ案内プレート（５）と前記第１膜電極接合体（１１０）との間に配置された中間シールであって、前記周辺シール（５１７）によって囲われ、かつ前記反応領域（５４）を囲う中間シール（５１８）と、
を備え、
前記第１のマニホルド、前記第２のマニホルド、前記第３のマニホルド及び前記第４のマニホルドは、前記中間シールによって囲われた領域内に設けられ、
第５のマニホルド（５９７）と第６のマニホルド（５９８）は、前記中間シールと前記周辺シールとの間の領域内に設けられ、
流体流れ回路（５７２，５７４）が、第５のマニホルド（５９７）と第６のマニホルド（５９８）との間に配置され、前記中間シールと前記周辺シールとの間に設けられ、前記第５のマニホルド又は前記第６のマニホルドは、前記中間シール（５１８）により前記第１のマニホルド乃至前記第４のマニホルドと隔離されており、
前記流体流れ回路（５７２，５７４）内の前記第５のマニホルド（５９７）と前記第６のマニホルド（５９８）との間で、流体を運ぶように構成されている、燃料電池（４）。

【請求項2】

前記第１膜電極接合体は、プロトン交換膜（１１３）を含み、
前記プロトン交換膜を横断し、前記中間シールと前記周辺シールとの間に配置された透水膜（１１７）を更に備える、
請求項１に記載の燃料電池（４）。

【請求項3】

前記周辺シール（５１７）に対して垂直に配置され、前記流れ案内プレートと前記第２膜電極接合体との間に配置された別の周辺シール（５３７）と、
前記中間シール（５１８）に対して垂直に配置され、前記流れ案内プレートと前記第２膜電極接合体との間に配置された別の中間シール（５３８）であって、前記別の周辺シールによって囲われ、かつ前記反応領域を囲う別の中間シールと、
前記別の周辺シールと前記別の中間シールとの間の領域に設けられた第７のマニホルド及び第８のマニホルドと、
前記第７のマニホルドと前記第８のマニホルドとの間に設けられた別の流体流れ回路と、を更に備え、
前記別の流体流れ回路内において前記第７のマニホルドと前記第８のマニホルドとの間で、流体を運ぶように構成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池（４）。

【請求項4】

前記流体流れ回路内と前記別の流体流れ回路内とは異なる流体を運ぶように構成されている、請求項３に記載の燃料電池（４）。

【請求項5】

前記流体流れ回路は酸素枯渇エアーで満たされている、
請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池（４）。

【請求項6】

前記流体流れ回路はエアー及び水で満たされている、請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池（４）。

【請求項7】

前記流体流れ回路は前記反応領域（５４）を横断する別の流れ回路と接続されている、
請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池（４）。

【請求項8】

前記流体流れ回路は、別個のマニホルドを接続する２つの別々の流れ領域を含む、
請求項１～７のいずれか一項に記載の燃料電池（４）。

【請求項9】

前記流体流れ回路（５７２，５７４）内の前記第５のマニホルド（５９７）と第６のマニホルド（５９８）との間を、流体を運ぶように構成されたポンプ（６）を更に備える、
請求項１～８のいずれか一項に記載の燃料電池（４）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電気を生成するプロトン交換膜を有する燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

プロトン交換膜を有する燃料電池は３００°Ｃ未満の動作温度で使用される。プロトン交換膜は固体電解質を形成する。低温用途では、一般に、リン酸を充填したペルフルオロスルホン化型又はポリベンズイミダゾール型の膜が使用される。

【0003】

特に、燃料電池は通常、連続的に導入される２つの反応物間で電気化学反応が発生する基本セルのスタックを含んでいる。燃料はアノードと接触させ、酸化剤はカソードに接触させる。

【0004】

反応は、２つの半反応（half-reaction）に細分化され、一方はアノード／膜界面で発生し、他方はカソード／膜界面で発生する。この半反応は、２つの電極と電子伝導体との間のイオン伝導体が存在する場合しか発生し得ない。

【0005】

これらの燃料は、一般にスタックを一端から他端まで横切る入口マニホルド及び出口マニホルドから、反応領域に接触させる。燃料は一般に、導電機能と、セルのスタックをクランプする力を伝達する機能も果たすバイポーラプレートの流路により、マニホルドとそれらの反応領域との間に案内される。各マニホルドは、燃料電池内を循環する各種燃料の混合を防止するシールで囲われている。各電池は、マニホルドから反応領域まで関連する燃料を導くようにシールを通じて注入する手段を備える。

【0006】

周辺シールは各バイポーラプレートの周囲に配置され、それによって、反応領域と流れマニホルドを含むセルの中央部分を囲んでいる。この周辺シールは各種流れ回路用の、かつ外部との相互シールを与えるものである。

【0007】

各種シールは完璧なシールを与えるものではない。とりわけ、少量の燃料が燃料電池から漏洩する場合が多い。したがって、低濃度の燃料が燃料電池に隣接した環境に残存したままとなる。燃料が二水素の場合、二水素は低粘度を呈するため、これらの漏れが更に助長される。燃料電池の近傍では、燃料、とりわけ二水素が存在することに関連するリスクを抑制するため、ほとんどの場合、換気装置が増設されている。しかし、燃料電池の一部の用途では、セルは収容される場合があり、あるいは換気装置は非常に高額であるし、技術的に不適合であることが明白な場合がある。

【0008】

特許文献１（ＪＰ２００６／１７９３６４）には、漏れを検出し収容するための燃料電池設計が開示されており、それには、燃料電池の反応領域に隣接した近傍に反応領域シールを形成することが提案されている。反応領域シールは周辺シールにより囲われている。中間領域は周辺シールと反応領域シールとの間に設けられる。反対のマニホルドは中間領域に設けられている。各マニホルドは漏れからの流体を検出するプローブを備える。燃料電池は一方のプローブは他方より高くして配置されている。二水素はマニホルドの最も高い位置に配置されたプローブにより検出され、冷却水は、マニホルドの最も低い位置に配置されたプローブにより検出されることになる。とりわけ、これらの位置的制約のため、このような燃料電池は試験用の実験的な状況でしか使用することができない。

【0009】

特許文献２（ＵＳ２００６／１１０６５１）には、アノード反応領域の周囲に流れ回路が設けられた構造が開示されている。この周辺の流れ回路は、酸化剤入口マニホルド及び出口マニホルドに接続されているので、この周辺の流れ回路は、カソード反応領域を経由しない流れによって横切られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２００６／１７９３６４号公報

【文献】米国特許出願公開第２００６／１１０６５１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

このような構造では、この周辺流れ回路に、反応領域を供給するものとは異なる流体を供給することはできないし、また漏れの内容物を分析するために流体を容易に回収することもできない。

【0012】

本発明はこれらの欠点のうち１つ以上を克服することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に規定した燃料電池に関するものである。

【0014】

本発明はまた、従属請求項の変形例に関するものである。当業者は、独立請求項の特徴とは独立して、従属請求項の変形例の特徴又は明細書の特徴のそれぞれを組み合わせることができ、必ずしも中間的な一般化を形成するものではないことを理解するであろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面を参照して非限定的な例証により提供される以下の説明から明らかになるであろう。

【図1】燃料電池用の膜電極接合体及びバイポーラプレートのスタックの一例の分解斜視図である。

【図2】シールを備えた本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池のバイポーラプレートのアノード面の図である。

【図3】シールを備えた、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池のバイポーラプレートのアノード面の図である。

【図4】本発明にかかる燃料電池用の流れ回路の様々な構成を模式的に示す。

【図5】本発明にかかる燃料電池用の流れ回路の様々な構成を模式的に示す。

【図6】本発明にかかる燃料電池用の流れ回路の様々な構成を模式的に示す。

【図7】本発明にかかる燃料電池の一例の概略断面図である。

【図8】第１の実施形態の燃料電池の変形例のアノード面の図である。

【図9】第１の実施形態の燃料電池の別の変形例のアノード面の図である。

【図10】中間領域近傍の燃料電池の様々な変形例の断面図である。

【図11】中間領域近傍の燃料電池の様々な変形例の断面図である。

【図12】中間領域近傍の燃料電池の様々な変形例の断面図である。

【図13】中間領域近傍の燃料電池の様々な変形例の断面図である。

【図14】中間領域近傍の燃料電池の様々な変形例の断面図である。

【図15】中間領域近傍の燃料電池の様々な変形例の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は燃料電池４のセル１のスタックの分解概略斜視図である。垂直はセル１のスタックを製造する方向を規定するものである。燃料電池４は複数の重畳セル１を含む。このセル１はプロトン交換膜又はポリマー電解質膜型である。

【0017】

燃料電池４は燃料源４０を備える。本ケースの燃料源４０は各セル１の入力部に二水素を供給する。燃料電池４はまた、酸化剤源４２を備える。本ケースの酸化剤源４２は各セル１の入力部にエアーを供給するものであり、このエアーの酸素は酸化剤として使用される。各セル１は排気流路も備える。１つ又は複数のセル１は反応領域を冷却する回路も有する。

【0018】

各セル１は膜電極接合体１１０、すなわち、ＭＥＡ１１０を備える。膜電極接合体１１０は固体電解質１１３、カソード（図示せず）及びこの電解質の両面側に配置され、この電解質１１３に取り付けられたアノード１１１を含む。電解質層１１３はプロトン伝導を可能にしつつ、セルに存在するガスに対して不浸透性である膜を形成する。電解質層は電子がアノード１１１とカソードとの間を通過するのも防止する。電解質１１３は、例えば、ペルフルオロスルホン化の、リン酸をドープしたポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）の膜又はプロトン伝導性アイオノマーで形成することができる。

【0019】

バイポーラプレート５は隣接するＭＥＡの各対の間に配置されている。バイポーラプレート５はＭＥＡの各面において反応物流れ案内部を形成する。本ケースの各バイポーラプレート５は、反対の外側面でアノード流路及びカソード流路を画定する。バイポーラプレート５はまた、有利なことに、連続する２つの膜電極接合体間の冷却剤流路を画定する。バイポーラプレート５はそれぞれ、それ自体既知の方法で、例えば、ステンレス鋼又はチタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金若しくはタンタル合金からなる２つの接合された導電性金属シートから形成することができる。そして、各シートはそれぞれの外側面を画定する。バイポーラプレート５はまた、任意の他の方法、例えば、炭素ポリマー複合材料からの成形又は射出によって得ることもできる。このようにして、バイポーラプレート５を単一のピースとして形成することもできる。そして、バイポーラプレート５の外側面はこのような単一のピース部分により画定される。各膜電極接合体１１０はまた、アノードとバイポーラプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）と、カソードと別のバイポーラプレートとの間に配置された別のガス拡散層と、を含むことができる。膜電極接合体１１０が、本明細書には示されてない補強材を含んでもよい。

【0020】

既知の方法では、燃料電池４が動作すると、エアーがＭＥＡ１１０とバイポーラプレート５との間を流れ、二水素がこのＭＥＡ１１０と別のバイポーラプレート５との間を流れる。バイポーラプレート５の特定の機能は、ＭＥＡ１１０の両面の反応物の流れを案内することである。アノードでは、ＭＥＡ１１０を横切るプロトンを生成するために二水素がイオン化される。この反応により生成された電子はバイポーラプレート５によって収集される。生成された電子は、その後、燃料電池４に接続された電荷に印加され、電流を形成する。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して、水を形成する。アノード及びカソードでの反応は、以下の通り、運用される。
アノードでは、

【数1】

カソードでは、

【数2】

【0021】

動作時、燃料電池４のセル１は通常、アノードとカソードとの間に約１Ｖの直流電圧を発生させる。

【0022】

酸化剤源４２は通常は、セル１の入力部で所与の圧力で空気流を導入するコンプレッサを備える。このようなコンプレッサは、例えば、空気圧設定値又は流量設定値を受け取り、この空気圧又は流量は、コンプレッサの可変回転速度によって調整することができる。

【0023】

バイポーラプレート５及び膜電極接合体１１０のスタックは複数の流れマニホルドを形成するように意図されている。このため、それぞれの孔がバイポーラプレート５及び膜電極接合体１１０に設けられている。バイポーラプレート５及び膜電極接合体１１０の孔が互いに反対に配置され、様々な流れマニホルドを形成する。

【0024】

図２は、後述するシールを備えた、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池４のバイポーラプレート５のアノード面の図である。燃料電池４は本図には示されていないバイポーラプレート５の反対に配置されたＭＥＡ１１０を備える。シールはＭＥＡ１１０に対して押し付けられている。図２は、その中間部分に配置された燃料を反応領域５４に案内するように意図したバイポーラプレート５の外側面を示す。こうして燃料はバイポーラプレート５とＭＥＡ１１０との間の反応領域５４に案内される。

【0025】

バイポーラプレート５は第１の長手方向端部の孔又はマニホルド５９１、５９２と、第２の長手方向端部の孔５９５、５９６とを備える。バイポーラプレート５は反応領域の第１の面の孔５９３と反応領域の第２の面の孔５９４を備える。孔５９３、５９４は実質的に孔５９１と孔５９６との中間に配置されている。孔５９１～５９６はそれぞれ、シール５１１～５１６によって囲われている。

【0026】

孔５９１は、例えば、燃料供給マニホルドを形成するのに使用され、孔５９６は、例えば、燃焼残渣及び未使用燃料を排出するマニホルドを形成するのに使用される。孔５９３は、例えば、反応領域５４に対する冷却剤供給マニホルドを形成するのに使用され、孔５９４は、例えば、冷却剤排出マニホルドを形成するのに使用される。孔５９２は、例えば、酸化剤供給マニホルドを形成するのに使用され、孔５９５は、例えば、生成された水及び未使用酸化剤を排出するマニホルドを形成するのに使用される。冷却剤の流れ方向は点線矢印を用いて本図に模式的に示されている。反応物の流れ方向は破線矢印を用いて本図に模式的に示されている。したがって、冷却剤の流れは反応物の流れに実質的に垂直となる。

【0027】

本ケースのバイポーラプレート５は互いに固く接続された２枚のシートにより形成されており、図２がシート５０の外側面を示している。燃料を反応領域５４に案内するため、本ケースのバイポーラプレート５は、壁部５４１によって区切られた流路５４２を備える。燃料均質化領域５２、５５は、有利なことに、反応領域５４の両面に設けられている。均質化領域５２及び均質化領域５５は、既知の方法で、それぞれ、マニホルド５９１を流路５４２と接続し、マニホルド５９６を流路５４２と接続する。

【0028】

中間シール５１８は反応領域５４、均質化領域５２、５５及びマニホルド５９１，５９２，５９５、５９６を囲んでいる。こうしてマニホルド５９１とマニホルド５９６との間の燃料の流れは正常に、シール５１８によって封じ込められる。

【0029】

周辺シール５１７は、すべての孔又はマニホルド５９１～５９６及び中間シール５１８を囲んでいる。こうして、中間領域５７がシール５１７とシール５１８との間に設けられる。本ケースのマニホルド５９３及びマニホルド５９４は中間領域５７に設けられている。

【0030】

流れマニホルド５９７及び流れマニホルド５９８も中間領域５７に設けられる。マニホルド５９７は流体を中間領域５７に導入するよう意図されており、マニホルド５９８はこの流体を排出するように意図されている。マニホルド５９７からマニホルド５９８に移行するために、流体は中間領域５７内に設けられた流れ回路を通過しなければならない。この流れ回路はとりわけ、シール５１８の境界を越えた燃料を回収できるように中間シール５１８に沿って延びている。燃料電池４は中間領域５７の流れ回路を通ってマニホルド５９７とマニホルド５９８との間を流体を運ぶように構成されたポンプ６を更に含む。マニホルド５９７及びマニホルド５９８はシールで囲われてもよいし、囲われてなくてもよい。本発明によれば、マニホルド５９７を通って中間領域５７に反応領域に供給する流体とは異なる流体を供給するか、あるいは中間領域５７からの流体及びマニホルド５９８で回収された流体の内容物を容易に分析することができるように、マニホルド５９７、５９８の少なくとも１つは、シール５１８によりマニホルド５９１，５９２，５９５及び５９６から隔離されている。図示する例では、マニホルド５９７及びマニホルド５９８はともに、シール５１８により、マニホルド５９１，５９２，５９５及び５９６から隔離されている。

【0031】

図示する例では、バイポーラプレート５は実質的に長方形である。本ケースのシール５１７、５１８も本発明の簡略化した構成を説明するために長方形である。

【0032】

この構成では、マニホルド５９７、５９８は中間領域５７の反対の隅に配置されている。本ケースのマニホルド５９７とマニホルド５９８との間の流れ回路はシール５１８の全周を囲んでおり、流体は流れ回路を通って流れるので、漏れの箇所にかかわらず、燃料を回収することができる。本ケースの流れ回路はバイポーラプレート５の幅方向に延びる壁部５７１により区切られた流路５７２を含む。流れ回路は、バイポーラプレート５の長手方向に延びた壁部５７３により区切られた流路５７４も含む。流路５７２及び５７４は、流体の流れを、中間領域５７全域わたって促進することが可能であり、漏れた燃料がこの中間領域５７の各領域に累積するのを防止することができる。

【0033】

したがって、マニホルド５９７、５９８間を循環する流体は反応領域５４から漏れてしまった燃料を運ぶことができ、燃料電池４の近傍への集中を防止することができる。エアー、中性ガス又は液体などの流体の循環は燃料を運ぶように考慮され得る。特にエアーについては、混合物の非爆発性、すなわち水素濃度４％未満を保証するようにエアー流量が選択される。マニホルド５９７、５９８間を循環する冷却剤の使用は、燃料漏れの回収時、発火リスクを抑制することができる。

【0034】

図３は後述するシールを備えた、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池４のバイポーラプレート５のアノード面の図である。燃料電池４は本図には示されていないバイポーラプレート５の反対に配置されたＭＥＡ１１０を含む。シールはＭＥＡ１１０に対して押し付けられている。図３は燃料を、中間部分に配置された反応領域５４に案内するように意図されたバイポーラプレート５の外側面を示す。こうして燃料はバイポーラプレート５とＭＥＡ１１０との間の反応領域５４に案内される。

【0035】

バイポーラプレート５は第１の長手方向端部における孔５９１～５９３と、第２の長手方向端部における孔５９４～５９６とを備える。孔５９１～５９６はそれぞれ、シール５１１～５１６によって囲われている。孔５９１～５９６は第１の実施形態と同一の機能を有する。冷却剤の流れ方向は本図では、点線矢印により概略的に示されている。反応物の流れ方向は本図では、破線矢印により概略的に示されている。したがって、冷却剤の流れは反応物の流れに実質的に平行となる。

【0036】

本ケースのバイポーラプレート５は互いに堅く接続された２枚のシートによって形成されており、図２はシート５０の外側面を示す。燃料を反応領域５４に案内するために、本ケースのバイポーラプレート５は壁部５４１により区切られた流路５４２を含む。燃料均質化領域５２及び５５は、有利にも、反応領域５４の両面に設けられている。均質化領域５２、５５はそれぞれ、既知の方法でマニホルド５９１を流路５４２に、マニホルド５９６を流路５４２に接続する。

【0037】

中間シール５１８は反応領域５４、均質化領域５２、５５及びマニホルド５９１～５９６を囲んでいる。したがって、マニホルド５９１、５９６間の燃料の流れは通常、シール５１８により封じ込められている。周辺シール５１７は中間シール５１８を囲んでいる。したがって中間領域５７はシール５１７、５１８間に設けられている。

【0038】

流れマニホルド５９７、５９８は中間領域５７に設けられている。マニホルド５９７は流体を中間領域５７に導入するよう意図されており、マニホルド５９８はこの流体を排出するように意図されている。マニホルド５９７からマニホルド５９８に移行させるため、流体は中間領域５７に設けられた流れ回路を通過しなければならない。この流れ回路は、シール５１８の境界を越えてしまった燃料を回収できるように、とりわけ中間シール５１８に沿って延びている。燃料電池４は中間領域５７の流れ回路を通ってマニホルド５９７とマニホルド５９８との間に流体を運ぶように構成されたポンプ６を更に含む。マニホルド５９７、５９８はシールで囲われてもよいし、囲われていなくてもよい。

【0039】

図示する例では、バイポーラプレート５は実質的に長方形である。本ケースのシール５１７、５１８も、本発明の簡略化した構成を説明するために長方形である。

【0040】

この構成では、マニホルド５９７、５９８は中間領域５７の反対の隅に配置されている。本ケースのマニホルド５９７、５９８間の流れ回路は、シール５１８の全周を囲んでいるので、流れ回路を通って流れる流体は、漏れの箇所にかかわらず、燃料を回収することができる。本ケースの流れ回路は、バイポーラプレート５の幅方向を延びた壁部５７１により区切られた流路５７２を含む。流れ回路は、バイポーラプレート５の長手方向に延びた壁部５７３により区切られた流路５７４も含む。流路５７２、５７４は、流体の流れを、中間領域５７全域に促すことができるようにし、漏れた燃料がこの中間領域５７の各領域に累積するのを防止することができる。

【0041】

したがって、マニホルド５９７、５９８間を循環する流体は反応領域５４から漏れてしまった燃料を運ぶことが可能になり、燃料電池４の近傍への集中を防止することができる。エアー、中性ガス又は液体などの流体の循環は燃料を運ぶために考慮され得る。

【0042】

各種実施形態の中間領域５７内を循環する流体は燃料電池４の他の流体（反応物及び冷却剤）と隔離された専用の流体であってもよいし、別の流体を循環する回路に接続されていてもよい。例えば、中間領域５７を循環する流体はまた、反応領域５４に対して垂直に循環する冷却剤であることが想定され得る。中間領域５７を循環する流体は酸化剤、例えばカソード面の近傍を循環するエアーであることが想定され得る。

【0043】

図４～図６は、反応領域５４に対して垂直にバイポーラプレート５を通過する別の流体流れ回路に接続された、中間領域５７内の流れ回路の様々な構成を模式的に示す。

【0044】

図４の構成では、ポンプ６の出力は、一方でマニホルド５９２に、他方でマニホルド５９７に接続されている。マニホルド５９８はマニホルド５９２と反応領域５４との間でマニホルド５９２の下流に接続されている。中間領域５７を横断する流体の内容物の分析はマニホルド５９８で行うことができる。ポンプ６の入力はマニホルド５９５に接続されている。その後、エアーは、中間領域５７に導入され、この反応領域５４の上流に再導入されように反応領域５４に入る前に採取される。

【0045】

図５の構成では、ポンプ６の出力はマニホルド５９２に接続されている。マニホルド５９５はマニホルド５９７に接続されている。マニホルド５９８はポンプ６の入力に接続されている。したがってエアーが中間領域５７を横断するように、反応領域５４の出力で採取される。したがって中間領域５７を横断する流体はアノード及びカソード反応領域に供給する流体とは異なる。

【0046】

図６の構成では、ポンプ６の出力はマニホルド５９２に接続されている。マニホルド５９７は反応領域５４とマニホルド５９５との間でマニホルド５９５の上流に接続されている。したがって中間領域５７を横断する流体はアノード及びカソード反応領域に供給する流体とは異なる。ポンプ６の入力は一方でマニホルド５９５に、他方でマニホルド５９８に接続されている。

【0047】

マニホルド５９７に導入されるエアーは事前に加湿器又は相分離器を横切ってもよい。

【0048】

同様の構成は、マニホルド５９２をマニホルド５９３と交換することによって、かつマニホルド５９５をマニホルド５９４と交換することによってエアーの代わりに冷却剤用の回路を有するこれらの様々な変形例に対しても想定することができる。

【0049】

反応領域５４の出力で採取されたエアーは低濃度の酸素しか含まず、二水素の漏洩時の燃焼リスクを抑制するので、図５及び図６の構成は、中間領域５７の流れ回路内の流体としてエアーが使用されるのに特に有利であることが分かる。したがって、カソード反応領域の酸化剤供給の流体とは異なる流体を循環させることができることは、酸素が枯渇するので有利であることが分かる。

【0050】

図７は本発明にかかる燃料電池４の一例の概略断面図である。この場合、セル１のスタックには、燃料を供給するマニホルド５９２が横断し、燃焼残渣を排出するマニホルド５９５が横断する。この場合、セル１のスタックには、マニホルド５９７、５９８が横断する。電池４はスタックの両側に配置されたクランププレート７１、７２を更に含む。クランププレート７１、７２は、既知の方法で、スタックの方向にスタックに圧縮力を印加するのに使用される。クランププレート７１、７２は図６を参照して図示する流れ構成を得るように意図したパイプを更に含む。

【0051】

クランププレート７１は、燃料供給入力７０をマニホルド５９２と接続する貫通孔７１１と、
燃焼残渣出力７４をマニホルド５９８と接続する貫通孔７１５と、マニホルド５９５に接続された孔７１２と、マニホルド５９７に接続された孔７１３であって、当該孔７１３は孔７１２に接続されているので、マニホルド５９５からの燃焼残渣はマニホルド５９７に導入され得る孔７１３と、孔７１２と孔７１５を接続する孔７１４を含む。孔７１２から孔７１３への流れを促進するため、孔７１４は孔７１２と孔７１５との間の負荷損失（load loss）を形成するよう意図される。負荷損失は、例えば、孔７１４の内部にバフルを製作することによって得られる。この負荷損失の値は、マニホルド５９５から出る流れの一部を各セルの中間領域５７内で循環させなければならないが、マニホルド５９５から出る残りの流れは孔７１４及び孔７１５を通って出力７５に向かって流れる。本実施例では、マニホルド５９７、５９８を通過する流体は事前にアノード反応領域を通過しているので、マニホルド５９７及びマニホルド５９８を通過する流体はマニホルド５９２を供給する流体とは異なる。

【0052】

パイプ７１１～７１５は、既知の方法で、クランププレート７１を機械加工又は成形することによって製造することができる。

【0053】

電池４は本図では電気化学セル１のスタックの断面図として図示されている。特定の流れ回路の図の簡略化のため、流れマニホルド５９２は、本図では、電池４の周囲に図示されているが、実際は、その中間領域に配置されている。

【0054】

複数のスタックに共通のシリンダヘッドにおいて作製された各種マニホルドの接続も想定され得る。

【0055】

図８は、後述するシールを備えた第１の実施形態の燃料電池の変形例のアノード面の図である。燃料電池４はバイポーラプレート５の反対に配置されたＭＥＡ１１０を含み、本図には示されていない。シールはＭＥＡ１１０に対して押し付けられている。図８は燃料をその中間部分に位置する反応領域５４に案内するよう意図されたバイポーラプレート５の外面を示す。したがって、燃料は、壁部５４１により区切られた流路５４２によってバイポーラプレート５とＭＥＡ１１０との間の反応領域５４に案内される。燃料均質化領域５２及び５５は、有利なことに、反応領域５４の両側に設けられている。

【0056】

バイポーラプレート５は図２の実施例と同じ位置及び同じ機能を想定した孔又はマニホルド５９１～５９６を含む。孔５９１～５９６はそれぞれ、シール５１１～５１６によって囲われている。均質化領域５２及び５５はそれぞれ、マニホルド５９１を流路５４２と、マニホルド５９６を流路５４２と、既知の方法で接続する。

【0057】

中間シール５１８及び周辺シール５１７は図２の実施例と実質的に同じ構成である。したがって、中間領域５７はシール５１７とシール５１８との間に区切られている。

【0058】

この変形例では、複数の別々の流れ回路が中間領域５７に設けられている。このため、燃料電池４はマニホルド５９３の両側に配置された２つのマニホルド５９７を含む。燃料電池４はまた、マニホルド５９４の両側に配置された２つのマニホルド５９８を含む。こうして第１の流れ回路は、マニホルド５９１及び５９２を経由せずにマニホルド５９７及びマニホルド５９８と接続する。第２の流れ回路はマニホルド５９５及び５９６を経由せずに、別のマニホルド５９７及び別のマニホルド５９８と接続する。本ケースの第１の及び第２の流れ回路はバイポーラプレート５の幅方向に延びた壁部５７１により区切られた２つの流路５７２を含む。第１及び第２の流れ回路はまた、バイポーラプレート５の長さ方向に延びた壁部５７３により区切られた流路５７４を含む。流路５７２及び５７４は流体の流れを中間領域５７全域にわたって促進することができ、漏洩燃料がこの中間領域５７の領域に蓄積するのを防止することができる。流れマニホルド５９７及び流れマニホルド５９８はシール５１８によってマニホルド５９１，５９２，５９５及び５９６と隔離されている。

【0059】

図９は、後述するシールを備えた、第１の実施形態の燃料電池４の別の変形例のアノード面の図である。燃料電池４はバイポーラプレート５の反対に配置されたＭＥＡ１１０を含み、本図では図示されていない。シールはＭＥＡ１１０に対して押し付けられている。図９はその中間部分に配置された反応領域５４に燃料を案内するように意図されたバイポーラプレート５の外側面を示す。燃料はこうして、壁部５４１により区切られた流路５４２によってバイポーラプレート５とＭＥＡ１１０との間の反応領域５４に案内される。燃料均質化領域５２、５５は、有利なことに、反応領域５４の両側に設けられている。

【0060】

バイポーラプレート５は図２の実施例と同じ位置及び同じ機能を想定した孔又はマニホルド５９１～５９６を含む。孔５９１～５９６はそれぞれ、シール５１１～５１６によって囲われている。均質化領域５２、５５はそれぞれ、マニホルド５９１を流路５４２と、マニホルド５９６を流路５４２と、既知の方法で接続する。

【0061】

中間シール５１８及び周辺シール５１７は、図２の実施例と実質的に同じ構成である。したがって、中間領域５７はシール５１７とシール５１８との間に区切られている。

【0062】

この変形例では、複数の流れ回路が中間領域５７に設けられている。このため、燃料電池４はマニホルド５９３の近傍に配置されたマニホルド５９７を含む。燃料電池４はまた、マニホルド５９４の近傍に配置されたマニホルド５９８を含む。したがって、第１の流れ回路はマニホルド５９１及び５９２を経由せずにマニホルド５９７及びマニホルド５９８と接続する。第２の流れ回路はマニホルド５９５及び５９６を経由せずに、マニホルド５９７及びマニホルド５９８と接続する。

【0063】

本ケースの第１の及び第２の流れ回路はバイポーラプレート５の幅方向に延びた壁部５７１により区切られた流路５７２を含む。第１の及び第２の流れ回路はまた、バイポーラプレート５の長さ方向に延びた壁部５７３により区切られた流路５７４を含む。流路５７２、５７４は流体の流れを中間領域５７全域にわたって促進することが可能であり、漏れた燃料がこの中間領域５７の領域に累積するのを防止することができる。流れマニホルド５９７、５９８はシール５１８によってマニホルド５９１，５９２，５９５及び５９６と隔離されている。

【0064】

流れ回路に導入される流体が出力マニホルド５９４から生じる場合、有利なことに、シール５１８の周りに比較的高いレベルで良好な温度均一性を維持することができるのは、それが反応領域５４の温度に実質的に相当するからである。更に、伝熱流体の使用が示されている。流れ回路５７に導入される流体はエアー、特に枯渇したエアーであってもよい。

【0065】

燃料電池は、反応領域５４からの特定の流体の漏れを回収するために、重畳周辺流れ回路を含むことができる。これらの各種流れ回路は同じ流体によっても異なる流体によっても横断することができる。重畳流れ回路が異なる流体によって横断される場合、これらの異なる流れ回路はそれぞれ入口及び出口マニホルド又は噴射器（ｉｎｊｅｃｔｏｒ）を有することになる。

【0066】

図１０は中間領域５７の近傍の燃料電池の横断面図である。この構成では、中間領域５７は燃料流路５４２からの漏れを回収するようにだけ意図されている。周辺シール５３７は、バイポーラプレート５の反対の外側面において、周辺シール５１７に対して垂直に配置される（又は別の定義によれば、周辺シール５３７及び５１７はスタックの方向に重ね合わされている）。シール５１７及びシール５３７は、一方で膜１１３によって隔離され、他方では、バイポーラプレート５によって隔離される。中間シール５３８は、バイポーラプレート５の反対の外側面において、中間シール５１８に対して垂直に配置される（又は別の定義によれば、周辺シール５３８及び５１８はスタックの方向に重ね合わされている）。シール５１８及びシール５３８は、一方では、膜１１３によって隔離され、他方では、バイポーラプレート５によって隔離されている。中間領域５７では、流れ回路は、シール５１７とシール５１８との間に画定され、シート５１とシール５２との間の流れ及びシール５３７とシール５３８との間の流れは遮断される。

【0067】

図示する例では、膜電極接合体１１０はそれぞれのバイポーラプレート５と接触したガス拡散層１１５及び１１６を含む。図示する例では、バイポーラプレート５は互いに重ね合わされ、かつしっかりと接続された２枚のシート５０、５２をそれぞれ含む。

【0068】

図１１は、図１０の構成の変形例である。この変形例では、膜１１３はシール５１８及びシール５３８で断続されている。シール５１７は２つの隣接するバイポーラプレート間に延びている。本ケースの中間領域５７に設けられた流れ回路は、水素流路５４２からの漏れとエアー流路５４３からの漏れの両方を回収するように意図されている。

【0069】

図１２は図１０の構成の変形例である。この変形例では、流路５７６は流路５７２の反対でバイポーラプレート５と膜１１３との間に設けられている。流路５７６は特にシート５２の壁部５７５によって区切られている。流路５７６は流路５７２によって形成された流れ回路に対して垂直に配置された流れ回路を形成する。この流れ回路は流路５４３からの酸化剤の漏れを受け入れるように意図されている。この流れ回路は流体を循環するように意図されたポンプと接続され、それは流路５７２内を循環させるポンプと同一とすることができる。このような構成は、例えば、酸化剤が純粋な二酸素である場合に、有利であることが分かる。この構成により、反応領域５４から生じうる酸化剤の漏れと、他の流体の漏れの独立した回収が可能になる。

【0070】

図１３は図１２の構成の変形例である。この変形例では、流路５７６は流路５７２より深い。更に、シート５２はシール５１８及びシール５３８で遮られている。この構成により、酸化剤流路５４３からの漏れと、冷却剤流路５４４からの漏れの両方を回収することができる。この構成により、反応領域５４から生じうる酸化剤の漏れ及び他の流体の漏れの独立した回収が可能になる。

【0071】

図１４は図１２の構成の変形例である。この変形例では、流路５７８はシート５１とシート５２との間の中間領域５７に設けられ、流路５４４からの冷却剤の漏れを回収する。この構成では、反応領域５４に流れ込む各種流体の漏れを独立して回収することができる。

【0072】

図５及び図６に示す構成では、中間領域５７内の流れ回路は反応領域５４の出力部でのエアーを回収することを想定することが可能である。このようなケースでは、このエアーは液体及び／又は気体水で充満されているであろう。図１２～図１４の構成のうち１つの例を用いて、膜を中間領域５７において透水性として、反応領域５４に意図されたマニホルド５９２内に導入されるように意図された酸化剤の流路５７６内の流れと、マニホルド５９５を介した反応領域５４からの燃焼残渣の流路５７２の流れと、を分離することができる。

【0073】

こうして反応領域５４の出力部における水で充満されたエアーは、セルの外部に付加的設備を追加する必要なく、反応領域５４に入るように意図された酸化剤エアーを加湿するのに使用することができる。

【0074】

図１５は中間領域５７の近傍の膜１１３に配置された透水要素又は膜１１７の実施形態を示す。例えば、流路５７２に入る酸化剤の流れ及び流路５７６内の燃焼残渣の流れのような他の流れ構成も想定することができる。したがって、流路５７２及び５７６を流れる流体は、例えば、別々のマニホルドを用いて異なるようにすることができる。

【0075】

また本発明は、反応領域からの漏れから生じる冷却剤を回収し、循環させるための、バイポーラプレート５の内部に設けられた周辺流体流れ回路に適用可能である。そして周辺流体流れ回路は、バイポーラプレート５の２枚のシートの間に設けられる。

【0076】

また本発明は、反応領域からの漏れから生じる酸化剤を回収し、それを循環させるための、バイポーラプレート５の別の外側面に設けられた周辺流体流れ回路に適用可能である。そして、周辺流体流れ回路はバイポーラプレート５のこの他の外側面と別の膜電極接合体との間に設けられている。

【0077】

本発明は、これまで二水素燃料が供給される燃料電池について記載してきた。もちろん、本発明はまた、他の種類の燃料、例えば、メタノールを用いた燃料電池にも適用可能である。

【0078】

前述した様々なシールは、任意の好適な種類、例えば、フラットシール、Ｏリング、スクリーン印刷シール又は燃料電池４の組立前にバイポーラプレート５上に配置されたシールであってもよい。

【0079】

前述の例では、中間領域内の流体の流れはポンプ６により生成される。しかし、この中間領域の出口における流体圧力より大きい中間領域の入口における流体圧力を維持することによってこのような流れを得ることも想定することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】