JP2006508496A - 燃料電池の流れ場プレート - Google Patents

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Abstract

複数の燃料電池を含む燃料電池スタックであって、各燃料電池は、アノード流れ場プレートと、カソード流れ場プレートと、これらの流れ場プレート間に設けられた薄膜電極アセンブリとを含む。アノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートは、複数の主要流路及び該主要流路を隔てる複数のリブを含む。アノード主要流路及びカソード主要流路の少なくとも一部は互いに正対するように設けられ、膜交換アセンブリがそれらの間に位置すると共に、アノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートの少なくとも一部のリブが互いに正対して配置され、それらの間に膜交換アセンブリが挟持される。これらの流れ場プレートは、導入配分流路及び排出収集流路も含むことが可能である。反応物質の流れの分布を改善するために、配分流路及び収集流路の各々は、好ましくは中央に位置する複数の主要チャネルに接続される。

Description

本発明は燃料電池に関する。本発明は、特に、燃料電池の流れ場プレートの構成に関する。
清浄で効率的且つ環境に優しい電力源として、燃料電池が提案されており、様々な用途に用いることが可能である。燃料電池は、燃料（一般的に水素）及び酸化体（一般的に空気）を２つの適切な電極及び電解質と接触させることによって起電力を生じる、電気化学デバイスである。例えば水素ガス等の燃料は第１の電極、即ちアノード（負極）に導入され、電解質の存在下で電気化学的に反応し、電子及びカチオンを生じる。電子は、電極間に接続された電気回路を通って、アノードから第２の電極、即ちカソード（正極）へと循環する。カチオンは、電解質を通過してカソードに至る。同時に、酸素ガス又は空気等の酸化体がカソードに導入され、そこで、酸化体は、電解質及び触媒の存在下で電気化学的に反応して、アニオンを生成すると共に、電気回路を通って循環する電子を消費し、第２の電極ではカチオンが消費される。第２の電極、即ちカソードで形成されたアニオンは、カチオンと反応し、反応生成物を形成する。アノードは、燃料電極又は酸化電極と呼ばれることもあり、カソードは、酸化体電極又は還元電極と呼ばれることもある。２つの電極における半電池反応は、それぞれ次の通りである。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
1/2Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
外部の電気回路は電流を引き込み、このようにして電池から電力を受け取る。燃料電池の反応全体によって、上記の個別の半電池反応の合計によって示されるような電気エネルギーが生じる。この反応の典型的な副生成物は、水及び熱である。従って、化石燃料の燃焼又は核活動による発電と比較して、発電に燃料電池を用いることは、環境的な利益を提供する。幾つかの適用例としては、分散型の住宅用発電及び、自動車の排出レベルを低減するための電力システムがある。
実用では、燃料電池は単体では作動されない。むしろ、燃料電池は、積み重ねられ又は横に並べられ、一続きに接続される。燃料電池スタックと呼ばれる一続きの燃料電池は、通常はハウジングで包まれている。燃料及び酸化体はマニホールドを介して電極へと送られ、その間、反応物質又は別個の冷却媒体によって冷却される。スタック内には、集電器と、電池どうしのシールと、絶縁物とがある。システム内の燃料の流れを供給及び制御するための配管及び様々な器具が、燃料電池スタックの外部に接続されている。スタック、ハウジング及び関連づけられたハードウェアで、燃料電池ユニットが構成される。
様々なタイプの燃料電池が知られている。例えば、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、ロバストであり且つ周囲温度とさほど異ならない温度で動作可能な、単純且つ小型の燃料電池の設計を可能にするので、従来の発電システムに対する最も有望な代替品の１つである。通常は、ＰＥＭ燃料電池の燃料は純粋な水素ガスであり、水素ガスは電気化学的に反応し、反応の副生成物は水及び熱であるので、環境に優しい。従来のＰＥＭ燃料電池は、通常、２つの流れ場プレート（バイポーラプレート）、即ち、アノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートを含み、それらの間には陽子交換膜（ＭＥＡ）が設けられている。ＭＥＡは、実際の陽子交換膜と、膜にコーティングされた燃料電池反応用の触媒層とを含む。更に、各流れ場プレートとＰＥＭとの間には、ガス拡散媒体（ＧＤＭ）又はガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられている。ＧＤＭ又はＧＤＬは、燃料又は酸化体である反応ガスがＭＥＡの触媒表面に拡散するのを容易にしつつ、各流れ場プレートとＰＥＭとの間に導電性を与える。
各流れ場プレートは、各端部に３つのアパーチャ又は開口部を有するのが一般的であり、各アパーチャは、燃料、酸化体及び冷却剤のうちの１つのための導入口又は排出口となる。しかし、燃料電池又はスタックの設計に応じて、流れ場プレートに、反応ガス又は冷却剤のそれぞれのための複数の導入口及び排出口を有することも可能である。燃料電池スタックが組み立てられると、１つの電池のアノード流れ場プレートが、隣接する電池のカソード流れ場プレートに当接する。流れ場プレートが重ね合わされて完成した燃料電池スタックが形成されると、これらのアパーチャは、流れ場プレートの厚さを貫通して延び且つ位置合わせされて、流れ場プレートに対して垂直に延び且つ燃料電池スタック全体を通って延びる細長い配分流路を形成する。流れ場は、通常、少なくとも１つの、ほとんどの場合には複数のオープンフェース（open-faced）流路を有し、この流路は適切な導入口及び排出口と連通する。反応ガスがこの流路を通って流れると、反応ガスはＧＤＭを通って拡散し、ＭＥＡ上において触媒の存在下で反応する。流れが連続して通過することにより、ほとんどの燃料又は酸化体が消費される間に、いかなる汚れも常に燃料電池を通って確実に流される。流れ場は、流れ場プレートのいずれかの面又は両面に設けられてよい。一般的には、ＭＥＡに面するアノード及びカソード流れ場プレートの面（以降、「前面」と呼ぶ）に、燃料又は酸化体用の流れ場がそれぞれ形成される。ＭＥＡとは反対側に面したアノード又はカソードいずれかの流れ場プレートの面（以降、「後面」と呼ぶ）には、冷却剤用の流れ場が設けられてもよい。
完成した燃料電池スタックが構成されると、燃料電池スタックから電流を集めて、その電流を外部の電気回路に供給するための一対の集電プレートが、一番外側の流れ場プレートの直近に設けられる。集電プレートの直近の外側には一対の絶縁板が設けられると共に、一対の端部プレートが絶縁体の直近に配置される。隣接する各対のプレート間にはシールが設けられる。シールは、通常は、燃料電池環境と適合する弾性材料でできたガスケットの形態である。燃料電池スタックは組み立て後に、要素を固定すると共に燃料電池スタックのシール及び活性領域に適切な圧縮が加わるのが確実になるように、クランプされるのが一般的である。この方法は、接触抵抗が最小になると共に電池の電気抵抗が最小になることを確実にするものである。
様々な流れ場の設計が知られている。周知の流れ場パターンの１つが特許文献１に見出される。流れ場プレートの１つの面に、単一の連続オープンフェース流体流路が設けられている。この流路は、流れ場プレートの両端部近傍にそれぞれ配置された導入口及び排出口を有する。導入口及び排出口は、燃料電池スタック内のガス配分マニホールドと連通している。流路は、流れ場プレートの面を複数の経路で横断する。この蛇腹形の流路は、流れ場プレートの寸法を増加させることなく長い流路を提供し、それにより、流路からＭＥＡへの反応ガスの幾分十分な拡散を可能にする。
この「蛇腹形」流路の概念に基づき、多大な改良がなされてきた。これらの改良は、特許文献２及び特許文献３に見出すことができる。しかし、これらの設計には多くの問題がある。蛇腹形流路では、反応ガスが流れ場を横断して流れる際に、大きな圧力降下が生じる。これは、燃料電池が、例えば周囲圧力等の比較的低い圧力で動作する場合に、燃料電池の性能に大きく影響する深刻な問題である。また、これらの設計におけるガスの分布は、曲がりくねった流路に沿って均一ではない。蛇腹形の流れ場では、ガスの流れは乱流になりがちであり、反応ガスの流れ、圧力又は温度の制御が比較的困難になる。更に、曲がりくねった流路では、流路内に水や汚れが溜まる箇所が多くなり、燃料電池の溢水や汚染の危険が増大する。
ほとんどの流れ場の設計に伴う別の問題は、燃料電池スタック内に配置された際に、アノード流れ場プレートのリブ及び流路が、カソード流れ場プレートのリブ及び流路としばしばずれることである。上述のように、アノード及びカソード流れ場プレートは、ＭＥＡの反対側に隣接して配置され、反応ガスは、ＧＤＭ及びオープンフェース流路によって流れ場に形成されるチャンバを通って流れる。燃料電池スタックにはしばしば圧力が加えられるので、ＭＥＡ及びＧＤＭは剪断力を受け、これによって最終的にはＭＥＡが損傷する。また、リブのオフセットにより、ＧＤＭにわたる反応ガスの配分が阻害され、燃料電池効率が下がる。
先の議論から、従来の燃料電池の更なる問題は、シーリングがしばしば複雑になることであると認識できる。ＭＥＡ、流れ場プレート、集電プレート等の様々なアパーチャをシールしなければならない。更に、上述したように、各対の隣接するプレート間にシールが必要であり、各シールは複雑且つ手の込んだ構成になる。いずれか１つの反応ガスに対して、対応する第１の流れ場プレートに、流れ場全体並びにその導入口及び排出口を完全に封じるシールを設けることが考えられる。これにより、流れ場プレートとＭＥＡとの間に良好なシールを形成可能になる。しかし、ＭＥＡの他方の側には、第１の流れ場プレートの導入口及び排出口に対応する第２の流れ場プレートのアパーチャを完全に封じるシールを設けることが必要である。この構成では、膜が部分的に第１の流れ場プレートの開放流路の上方に位置して、適切に支持されないので、ガスの混合を生じる不適切なシーリングとなるリスクがあり、非常に望ましくない。
従って、流体の流れ場にわたる圧力降下が小さく且つガスの分布がより均一な、燃料電池の流れ場プレートの必要性が残っている。流れ場プレートは、ＭＥＡに対する剪断の影響を低減すると共に、流れ場プレート間のシーリングを簡単にするのが好ましい。
米国特許第４，９８８，５８３号明細書 米国特許第６，０９９，９８４号明細書 米国特許第６，３０９，７７３号明細書
本発明の第１の態様によれば、複数の燃料電池を含む燃料電池スタックであって、各燃料電池は、アノード流れ場プレートと、カソード流れ場プレートと、アノード流れ場プレートとカソード流れ場プレートとの間に設けられた薄膜電極アセンブリとを含み、アノード流れ場プレートは、複数のアノード主要流路及び該アノード主要流路を隔てる複数のリブを含み、カソード流れ場プレートは、複数のカソード主要流路及び該カソード主要流路を隔てる複数のリブを含み、アノード主要流路及びカソード主要流路の少なくとも一部が互いに正対するように設けられ、膜交換アセンブリがそれらの間に位置すると共に、アノード流れ場プレートの少なくとも一部のリブがカソード流れ場プレートのリブと一致し且つそれらの間に膜交換アセンブリを挟持するように互いに正対して配置される、燃料電池スタックが提供される。
アノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートの各々は、略中央に設けられた一致する流路部分を有するのが好ましい。
本発明の燃料電池は、アノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートの各々が、他の燃料導入アパーチャと位置合わせされて燃料導入ダクトを形成する燃料導入アパーチャと、他の酸化体導入アパーチャと位置合わせされて酸化体導入ダクトを形成する酸化体導入アパーチャと、他の冷却剤導入アパーチャと位置合わせされて冷却剤導入ダクト形成する冷却剤導入アパーチャと、他の燃料排出アパーチャと位置合わせされて燃料排出ダクトを形成する燃料用の燃料排出アパーチャと、他の酸化体排出アパーチャと位置合わせされて酸化体排出ダクトを形成する酸化体排出アパーチャと、他の冷却剤排出アパーチャと位置合わせされて冷却剤排出ダクトを形成する冷却剤排出アパーチャと、を含み、各燃料電池のアノード流れ場プレートが、燃料導入ダクトをアノード主要流路に接続する少なくとも１つの燃料導入配分流路と、アノード主要流路を燃料排出ダクトに接続する少なくとも１つの燃料排出収集流路と、を含む、燃料電池であるのがより好ましい。
これと対応して、各燃料電池のカソード流れ場プレートは、酸化体導入ダクトをカソード主要流路に接続する少なくとも１つの酸化体導入配分流路と、カソード主要流路を酸化体排出ダクトに接続する少なくとも１つの酸化体排出収集流路と、を含む。
好ましくは、流れ場プレートは、アノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートの少なくとも一方に対して、該プレートの後から主要流路を含む前面にガスを供給するための設備であって、個々の流れ場プレートを通って延びるスロットを含む設備を含むことが可能である。アノード流れ場プレートの主要流路の流れの断面が、カソード流れ場プレートの主要流路の流れの断面と異なることも可能である。これは、流路の深さを変更することによって達成できる。
各流れ場プレートの主要流路及びリブの幅は、１．５：１の比率を有するのが好ましい。カソード主要流路及びアノード主要流路が異なる深さを有する場合には、この比率は１．５〜３：１の範囲内であるのが好ましい。更に具体的には、この比率は２〜３：１又は１．５〜２：１の範囲であり得、更に具体的には３：１であり得る。
導入配分流路及び排出収集流路は、主要流路の幅の１〜１．５倍の幅を有するのが好ましい。少なくとも導入配分流路及び排出収集流路には、乱流及び流れ抵抗を低減するためにフィレットを設けることが可能である。
より好ましくは、アノード流れ場プレートの複数のアノード主要流路の各々の、該アノード主要流路の縦方向に沿った、対応する燃料導入配分流路及び対応する燃料排出収集流路に接続する一端部が、燃料導入配分流路から或る距離だけ離間されると共に、他端部が、燃料排出口配分流路から同じ距離だけ離間され、該距離対アノード主要流路の幅の比率が１．５〜２の範囲内である。
これと対応して、カソード流れ場プレートの複数のカソード主要流路の各々の、該カソード主要流路の縦方向に沿った、対応する酸化体導入配分流路及び対応する酸化体排出収集流路に接続する一端部が、酸化体導入配分流路から或る距離だけ離間されると共に、他端部が、酸化体排出口配分流路から同じ距離だけ離間され、該距離対カソード主要流路の幅の比率が１．５〜２の範囲内である。
本発明は、複数の燃料電池で構成される燃料電池スタックに関して定義されるが、燃料電池スタック内の電池の数は変更可能であることを理解されたい。多くの用途では、適切な電圧を生じるために複数の燃料電池を直列に設けることが望ましいが、燃料電池スタックは、単一の燃料電池で構成され得ることも考えられる。
本発明による燃料電池の流れ場プレートの設計は、流れ場にわたるより均一なガスの分布及び圧力降下の低減を提供する。略直線形の流路は、水及び不純物が蓄積されるのを防止する。本発明におけるＭＥＡ及びＧＤＭは、流れ場のリブのオフセットから剪断が生じた場合の影響をあまり受けない。ガスの配分も容易になり、それによって燃料電池効率が改善されると共に出力密度が高まる。更に、流れ場プレートの後面から反応ガスを供給することで、流れ場プレート間のシーリングが簡潔化される可能性が与えられ、反応ガスが混ざるリスクが低減される。更に、流れ場のリブの一致型設計により、流れ場に、より幅が狭いリブ及びより幅広の流路を用いることが可能になる。よって、ＧＤＭ及びＭＥＡが反応ガスに直接晒されやすくなる。従って、ＭＥＡの活性領域のより大きな部分を利用できる。これにより、燃料電池効率が更に改善される。これらの長所の全ては、燃料電池の性能をより良好にすると共に保守を容易にするものである。
次に、本発明のより良好な理解と、本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を例として参照する。
まず図１を参照すると、本発明による燃料電池スタック内に配置された単一の燃料電池ユニット１００の分解斜視図が示されている。以下では単一の燃料電池ユニット１００の詳細を説明するが、公知の方法では、燃料電池スタックは通常、重ね合わされた複数の燃料電池で構成されることを理解されたい。燃料電池ユニット１００の各燃料電池は、アノード流れ場プレート１２０と、カソード流れ場プレート１３０と、アノード流れ場プレート１２０とカソード流れ場プレート１３０との間に設けられた薄膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１２４とを含む。各反応物質の流れ場プレートは、導入口領域と、排出口領域と、導入口を排出口に連通させると共にＭＥＡ１２４の外面に反応ガスを配分する手段を設けるオープンフェース流路とを有する。ＭＥＡ１２４は、アノード触媒層（図示せず）とカソード触媒層（図示せず）との間に設けられた固体電解質（即ち、陽子交換膜）１２５を含む。アノード触媒層とアノード流れ場プレート１２０との間には、第１のガス拡散媒体（ＧＤＭ）１２２が設けられており、カソード触媒層とカソード流れ場プレート１３０との間には、第２のＧＤＭ１２６が設けられている。ＧＤＭ１２２、１２６は、燃料又は酸化体である反応ガスのＭＥＡ１２４の触媒表面への拡散を容易にする。更に、ＧＤＭは、アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０のそれぞれと膜１２５との間の導電性を高める。
触媒反応では、純水な水素等の燃料がＭＥＡ１２４のアノード触媒層で酸化され、陽子及び電子を形成する。陽子交換膜１２５は、陽子がアノード触媒層からカソード触媒層へと移動するのを容易にする。電子は陽子交換膜１２５を通過できず、外部回路（図示せず）を通って流れるように強制され、このようにして電流を与える。ＭＥＡ１２４のカソード触媒層では、酸素が電気回路から戻った電子と反応し、アニオンを形成する。ＭＥＡ１２４のカソード触媒層で形成されたアニオンは、膜１２５を横断した陽子と反応し、反応生成物として液体の水を形成する。
引き続き図１を参照すると、以降、アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０に関して「前」及び「後」という場合には、ＭＥＡ１２４に対するそれらの向きを示す。従って、「前」面はＭＥＡ１２４に面する側を示し、「後」面はＭＥＡ１２４とは反対側に面する側を示す。アノード流れ場プレート１２０の後面には、第１の集電プレート１１６が当接する。同様に、カソード流れ場プレート１３０の後面には、第２の集電プレート１１８が当接する。集電プレート１１６、１１８は流れ場プレート１２０、１３０から電流を集めるものであり、外部の電気回路（図示せず）に接続される。第１及び第２の集電プレート１１６、１１８の直近には、第１及び第２の絶縁板１１２、１１４がそれぞれ配置される。第１及び第２の絶縁板１１２、１１４の直近には、第１及び第２の端部プレート１０２、１０４がそれぞれ配置される。端部プレート１０２、１０４に圧力を加えて、ユニット１００を共に押圧してもよい。更に、各対の隣接するプレート間には、通常、シール手段が設けられる。好ましくは、複数のタイロッド１３１も設けられてもよい。タイロッド１３１は、カソード端部プレート１０４のねじ切りされたボアにねじ込まれ、アノード端部プレート１０２の対応するプレインボアを貫通する。燃料電池ユニット１００及び燃料電池スタック全体を一体にクランプするために、ナット、ボルト、ワッシャー等の締結手段が公知の方法で設けられる。
引き続き図１を参照すると、端部プレート１０２、１０４には、各種の流体を供給するための複数の接続ポートが設けられている。具体的には、第２の端部プレート１０４は、第１及び第２の空気接続ポート１０６、１０７と、第１及び第２の冷却剤接続ポート１０８、１０９と、第１及び第２の水素接続ポート１１０、１１１とを有する。当業者には理解されるように、ＭＥＡ１２４、第１及び第２のガス拡散媒体１２２、１２６、アノード及びカソード流れ場プレート１２０、１３０、第１及び第２の集電プレート１１６、１１８、第１及び第２の絶縁板１１２、１１４、並びに第１及び第２の端部プレート１０２、１０４は、一端部の近傍に３つの導入口を有すると共に反対側の端部の近傍に３つの排出口を有し、それらは位置合わせされて、酸化体としての空気、冷却剤、及び燃料としての水素のための流体流路を形成する。全ての排出口が一つの端部に配置されることは必須ではない。即ち、対になった流れが同じ方向に流れるのではなく、対向流であってもよい。図示しないが、各種ポート１０６〜１１１は、後述するように個々の流れ場プレートのアパーチャで形成された、燃料電池ユニット１００の長さに沿って延びる複数のダクトと連通することを理解されたい。
冷却剤は、水、脱イオン水、油、エチレングリコール及び／又はプロピレングリコールを含むがこれらに限定されない任意の公知の熱交換流体であってよいことが、当業者には理解されよう。本明細書で説明する特定の実施形態には様々な冷却剤を使用可能であるが、簡潔にするために、ここで説明する実施形態では、全ての熱交換流体は脱イオン水である。
次に図２ａを参照すると、アノード流れ場プレート１２０の前面が示されている。アノード流れ場プレート１２０は、その一端部近傍に３つの導入口、即ち、アノード空気導入アパーチャ１３６、アノード冷却剤導入アパーチャ１３８及びアノード水素導入アパーチャ１４０を有し、これらはそれぞれ第１の空気接続ポート１０６、第１の冷却剤接続ポート１０８及び第１の水素接続ポート１１０と連通する。アノード流れ場プレート１２０は、その反対側の端部近傍に３つの排出口、即ち、アノード空気排出アパーチャ１３７、アノード冷却剤排出アパーチャ１３９及びアノード水素排出アパーチャ１４１を有し、これらはそれぞれ第２の空気接続ポート１０７、第２の冷却剤接続ポート１０９及び第２の水素接続ポート１１１と連通する。
図２ａでは、アノード流れ場プレート１２０の前面には、複数のオープンフェース流路で構成される水素流れ場１３２が設けられている。流れ場１３２は、アノード水素導入アパーチャ１４０をアノード水素排出アパーチャ１４１に連通させる。しかし、水素は、前面の導入アパーチャ１４０からアノード流れ場プレート１２０の流れ場１３２に直接は流れない。流れ場１３２と導入口１４０及び排出口１４１のそれぞれとの間の水素の流れを、より詳細に説明する。当業者には周知のように、水素が流れ場１３２の流路に沿って流れると、水素の少なくとも一部が第１のＧＤＭ１２２を横断して拡散し、ＭＥＡ１２４のアノード触媒層で反応し、陽子及び電子を形成する。次に、陽子は膜１２５を横断してカソード触媒層に向かって移動する。未反応の水素は流れ場１３２に沿って流れ続け、最終的にアノード水素排出口１４１を介してアノード流れ場プレート１２０から出る。
引き続き図２ａを参照すると、流れ場１３２並びに各種導入口及び排出口の周囲には、反応ガス及び冷却剤の漏洩や混合を防止するためのシール２００が設けられている。図２ｃに示されているように、通常は燃料電池環境に適合可能な弾性材料でできたガスケットであるシールは、アノード流れ場プレート１２０の前面のシール溝２０１内に配置されている。シール溝２０１は、流れ場１３２並びに導入口及び排出口を完全に封じるように形成される。シール溝２０１は、機械加工、エッチング等を用いて形成できる。所望により、溝は、アノード流れ場プレート１２０の周囲の異なる位置において、様々な深さ（図２ａの紙面に対して垂直な方向）及び／又は幅（図２ａの紙面の方向）を有してよい。実際には、シールガスケット２００は、導入アパーチャ及び排出アパーチャを、アノード流れ場プレート１２０の前面の流れ場１３２から完全に分離する。通常は、シール溝２０１及びそれに対応するガスケットは、一定の深さを有する。
次に図２ｂを参照すると、アノード流れ場プレート１２０の後面が示されている。本発明では、アノード流れ場プレート１２０の後面は平坦で平滑であり、いかなる流路も設けられない。水素導入アパーチャ１４０及び水素排出アパーチャ１４１に隣接して、複数のスロット１８０が設けられている。これらのスロットはアノード流れ場プレート１２０の厚さを貫通し、それによってアノード流れ場プレート１２０の前面と後面とを連通させる。本発明のアノード流れ場プレート１２０の後面には、シールガスケットやシールガスケット溝は必要ない。これは、プレートの構造を簡単にして製造コストを低減することによる、従来の燃料電池設計を超える改良点である。後述するように、カソード流れ場プレート１３０の後面のシールガスケットによって、シーリングが達成される。
次に図３ａを参照すると、カソード流れ場プレート１３０の前面が示されている。カソード流れ場プレート１３０は、その一端部近傍に３つの導入口、即ち、カソード空気導入アパーチャ１５６、カソード冷却剤導入アパーチャ１５８及びカソード水素導入アパーチャ１６０を有し、これらはそれぞれ第１の空気接続ポート１０６、第１の冷却剤接続ポート１０８及び第１の水素接続ポート１１０と連通する。カソード流れ場プレート１３０は、その反対側の端部近傍に３つの排出口、即ち、カソード空気排出アパーチャ１５７、カソード冷却剤排出アパーチャ１５９及びカソード水素排出アパーチャ１６１を有し、これらはそれぞれ第２の空気接続ポート１０７、第２の冷却剤接続ポート１０９及び第２の水素接続ポート１１１と連通する。
図３ａでは、カソード流れ場プレート１３０の前面には、複数のオープンフェース流路で構成される酸化体（通常は空気）流れ場１４２が設けられている。流れ場１４２は、カソード空気導入アパーチャ１５６をカソード空気排出アパーチャ１５７に連通させる。しかし、アノード流れ場プレート１２０の設計と同様に、空気は、導入アパーチャ１５６からカソード流れ場プレート１３０の前面の流れ場１４２に直接は流れない。当業者には周知のように、空気が流れ場１４２の流路に沿って流れると、酸素の少なくとも一部が第２のＧＤＭ１２６を横断して拡散し、カソード触媒層において、外部回路から戻った電子と反応してアニオンを形成する。次に、アニオンは、ＭＥＡ１２４を横断して移動した陽子と反応し、液体の水及び熱を形成する。未反応の空気は流れ場１４２に沿って流れ続け、最終的にカソード空気排出口１５７を介してカソード流れ場プレート１２０から出る。
アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０では、各種導入口１３６〜１４１及び排出口１５６〜１６１は、互いに位置合わせされて６つのダクト又は流路を形成するアパーチャを含み、ダクト又は流路は燃料スタックを通って延びると共にそれぞれの端部においてポート１０６〜１１１にそれぞれ接続される。
引き続き図３ａを参照すると、流れ場１４２並びに各種導入アパーチャ及び排出アパーチャの周囲には、反応ガス及び冷却剤の漏洩や混合を防止するためのシール３００が設けられている。なお、アノード流れ場プレート１２０の設計と同様に、通常は燃料電池環境に適合可能な弾性材料でできたガスケットであるシールは、カソード流れ場プレート１３０の前面のシール溝内に配置されている。簡単にするために、ここではこのシール溝は図示しない。同様に、所望により、溝は、カソード流れ場プレート１３０の周囲の異なる位置において、様々な深さ及び／又は幅を有してよい。実際には、シールガスケット３００は、導入アパーチャ及び排出アパーチャを、カソード流れ場プレート１３０の前面の流れ場１４２から完全に分離する。
次に図３ｂを参照すると、カソード流れ場プレート１３０の後面が示されている。本発明では、カソード流れ場プレート１３０の後面には、複数のオープンフェース流路で構成される冷却剤流れ場１４４が設けられている。アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０の前面と同様に、冷却剤流れ場１４４並びに各種導入アパーチャ及び排出アパーチャの周囲には、シール４００が設けられている。なお、シールは、カソード流れ場プレート１３０の後面のシール溝内に配置されている。簡単にするために、ここではこのシール溝は図示しない。同様に、所望により、溝は、カソード流れ場プレート１３０の周囲の異なる位置において、様々な深さ及び／又は幅を有してよい。しかし、シールガスケット２００、３００は、導入アパーチャ及び排出アパーチャを、アノード流れ場プレート１２０の前面のアノード流れ場１３２及びカソード流れ場プレート１３０の前面のカソード流れ場１４２から完全に分離するが、一方、シールガスケット４００は、水素及び空気の導入口及び排出口を、冷却剤流れ場１４４から完全にシールするのみであり、流れ場と冷却剤導入アパーチャ１５８及び排出アパーチャ１５９との間の水の流れを可能にする。
この流れ場１４４は、カソード冷却剤導入アパーチャ１５８をカソード冷却剤排出アパーチャ１５９に連通させる。水は、カソード冷却剤導入アパーチャ１５８から入って、流れ場１４４の流路に沿って流れ、最終的にカソード冷却剤排出アパーチャ１５９を介して冷却剤流れ場１４４から出る。燃料電池反応は発熱性であり、反応速度は温度の影響を受けるので、水が流れることによって燃料電池反応で生じる熱が奪われ、燃料電池スタックの温度の上昇が防止され、それによって燃料電池反応が安定したレベルに調整される。
次に図３ｂ〜図３ｄを参照すると、空気導入アパーチャ１５６及び排出アパーチャ１５７はそれぞれ、カソード流れ場プレート１３０の後面に、冷却剤流れ場１４４に向かうアパーチャ延長部２８１を有する。アパーチャ延長部には、空気導入アパーチャ１５６及び空気排出アパーチャ１５７に隣接して、複数のスロット２８０が設けられている。これらのスロットはカソード流れ場プレート１３０の厚さを貫通し、それによってカソード流れ場プレート１３０の前面と後面とを連通させる。アパーチャ延長部２８１には、空気導入アパーチャ１５６又は空気排出アパーチャ１５７にそれぞれ向かうようにスロット２８０間に延びる複数の突出部２８２が設けられている。図３ｄからより良好にわかるように、シールガスケット４００と略同じ高さを有する突出部２８２は、複数の流路２８４を定め、空気導入アパーチャ１５６又は空気排出アパーチャ１５７の縁部に届く手前で止まり、それによって、スロット２８０と空気導入アパーチャ１５６又は空気排出アパーチャ１５７との間を空気が流れるのを容易にする。シールガスケット４００は、アパーチャ延長部２８１、及びそれに従ってスロット２８０を、冷却剤流れ場１４４並びに他の導入アパーチャ及び排出アパーチャから完全に分離する。
カソード水素導入アパーチャ１６０及び排出アパーチャ１６１も、それぞれアパーチャ延長部１８１を有する。同様に、アパーチャ延長部１８１には、水素導入アパーチャ１６０及び排出アパーチャ１６１にそれぞれ向かって延びる複数の突出部１８２が設けられている。突出部１８２は、カソード流れ場プレート１３０の後面とアノード流れ場プレート１２０の後面とが互いに当接された際に、突出部１８２がアノード流れ場プレート１２０のスロット１８０間に延びるような、カソード流れ場プレート１３０上の位置に設けられる。アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０は当接する後面を有し、このことは、アノードプレート１２０が１つの燃料電池の一部であり、カソードプレート１３０が隣接する燃料電池の一部であることを必然的に意味することが理解されよう。図３ｂでは、図２ｂに示されている２つのスロット１８０に対応するこのような突出部１８２が１つだけ示されている。しかし、これらの図は説明目的でのみ用いられ、実際の突出部１８２、２８２及びスロット１８０、２８０の数は、図示されているものと必ずしも同じではないことを理解されたい。突出部１８２は、シールガスケット４００と略同じ高さを有し、複数の流路１８４を定め、水素導入アパーチャ１６０又は水素排出アパーチャ１６１の縁部に届く手前で止まり、それによって、スロット１８０と水素導入アパーチャ１６０又は水素排出アパーチャ１６１との間を水素が流れるのを容易にする。シールガスケット４００は、アパーチャ延長部１８１、及びそれに従ってスロット１８０を、冷却剤流れ場１４４並びに他の導入アパーチャ及び排出アパーチャから完全に分離する。
当然ながら、アパーチャ延長部１８１及びその上の突出部１８２を、アノード流れ場プレート１２０の後面のアノード水素アパーチャ導入口１４０及びアパーチャ排出口１４１に隣接して設けることも可能である。この場合、カソード流れ場プレート１３０の後面のガスケット４００は、アノード水素導入アパーチャ１４０、排出アパーチャ１４１並びにそれらに関連づけられたアパーチャ延長部１８１、突出部１８２及びスロット１８０を封じるように構成される。
或いは、１つのガスに必要なアパーチャ延長部を、そのガス用のプレートに設けることも可能である。従って、アノードプレートの後面には、水素即ち燃料ガス導入アパーチャ１４０及び排出アパーチャ１４１のアパーチャ延長部を設けることが可能である。これに対応して、カソードプレートの後面には、酸化体導入アパーチャ１５６及び排出アパーチャ１５７のアパーチャ延長部を設けることが可能である。いずれの場合にも、各プレートに、そのプレートを貫通する適切なスロットを設けることが可能である。
更に、流れを改善するために、アノードプレート１２０及びカソードプレート１３０のそれぞれに、燃料ガス流用及び酸化体流用のアパーチャ延長部を設けることも可能である。実際には、その場合、それぞれのダクトから延びてスロットに向かい、プレートの前面へと延びる延長チャンバが、一方のプレート及び他方のプレートにそれぞれ部分的に設けられる。プレートの厚さが低減される場合には、この構成が望ましいこともあると考えられる。当該技術分野においては、燃料電池スタックに可能な限り高い出力密度を備えるのが望ましく、この理由により、流れ場プレートを可能な限り薄くすることが常に望ましいことが理解されよう。
流れ場プレートの少なくとも１つに平面を設けることは、複数の長所を有することも理解されよう。これにより流れ場プレートの設計が簡潔になり、流れ場プレートの製造も簡単になるはずである。更に、シーリング構成を顕著に簡潔化し、プレートの精確な位置合わせの要求が最小限になる。実際、この平面に対しては、より高い位置合わせ公差が許容可能になり、延長アパーチャ、スロット等の寸法を、許容される公差に対応するよう適宜設定できる。
燃料電池スタック１００が組み立てられると、１つの電池のアノード流れ場プレートの後面が、隣接する電池のカソード流れ場プレートの後面に当接する。カソード流れ場プレート１３０の後面のシールガスケット４００は、アノード流れ場プレート１２０の平滑な後面に接触し、２つのプレート間のシーリングが達成される。従って、水素導入アパーチャ１６０、排出アパーチャ１６１及びそのアパーチャ延長部１８１はそれぞれ、アノード流れ場プレート１２０の後面と共に１つのチャンバを定める。水素は、第１の水素接続ポート１１０を通って入り、アノード及びカソード水素導入アパーチャ１４０及び１６０によって形成された燃料電池スタックを貫通するダクトを通って流れ、上述のチャンバへと流れる。ここから、各燃料電池について、水素は、１つの燃料電池のカソード流れ場プレート１３０のアパーチャ延長部１８１の流路１８４に沿って流れ、隣接する燃料電池のアノード流れ場プレート１２０のスロット１８０を通って、アノード流れ場プレート１２０の前面の水素流れ場１３２に至る。この、流れ場１３２の反対側から水素を供給する設計は「裏側供給」と呼ばれ、先の特許出願である米国特許出願第０９／８５５，０１８号の主題である。流れ場１３２における水素の流れのパターンの詳細は後述する。
同様に、空気導入アパーチャ１５６、空気排出アパーチャ１５７及びそのアパーチャ延長部２８１はそれぞれ、アノード流れ場プレート１２０の後面と共に１つのチャンバを定める。空気は、第１の空気接続ポート１０６を通って入り、アノード及びカソード空気導入アパーチャ１３６及び１５６によって形成されたダクトを通って流れ、上述のチャンバへと流れる。ここから、空気は、カソード流れ場プレート１３０のアパーチャ延長部２８１の流路２８４に沿って流れ、カソード流れ場プレート１３０のスロット２８０を通り、カソード流れ場プレート１３０の前面の酸化体流れ場１４２に至る。ここでも、本発明においては、酸化体は「裏側」から供給される。流れ場１４２における空気の流れのパターンの詳細は後述する。
次に、再び図２ａを参照すると、アノード流れ場プレート１２０の前面の水素流れ場１３２のパターンが示されている。図２ａに示されるように、複数の第１の又は燃料導入配分流路１７０が、水素導入口１４０に隣接したスロット１８０と連通しており、基本的に、各スロット１８０と連通した一対の導入配分流路がある。第１の又は導入配分流路１７０が、流れ場１３２の主要又は中央部分に対して略横断方向に、異なる範囲まで延びている。他の導入配分流路１７０をオフセットして収容するために、第１の又は配分流路１７０の幾つかは、図示されるように、水素導入アパーチャ１４０に隣接したスロット１８０の直近に、縦に延びる短い部分１７０ａを有すると共に、流れ場１３２の横断方向に延びる部分１７０ｂを有する。各第１の又は導入配分流路１７０は、複数のリブ１７３によって隔てられた複数の中央又は主要流路１７２に分かれている。これらの主要流路１７２は直線的であり、流れ場１３２の長さに沿って、水素導入アパーチャ１４０から水素排出アパーチャ１４１に向かって平行な関係で延びている。
排出口では、複数の第２の又は燃料排出収集流路１７１が、水素排出アパーチャ１４１に隣接したスロット１８０と連通している。これと対応して、第２の又は燃料排出収集流路１７１が、流れ場１３２の略横断方向に、異なる範囲まで延びている。他の燃料排出収集流路１７１をオフセットして収容するために、第２の又は燃料排出収集流路１７１の幾つかは、水素排出アパーチャ１４１に隣接したスロット１８０の直近に、縦に延びる短い部分１７１ａを有すると共に、流れ場１３２の横断方向に延びる部分１７１ｂを有する。第２の又は排出収集流路１７１が、第１の又は導入配分流路１７０に対応して配置されている。各第１の又は導入配分流路１７０から分かれた複数の主要流路１７２は、対応する１つの第２の又は排出収集流路１７１へと収束する。なお、第１及び第２の流路１７０、１７１の縦に延びる部分１７０ａ、１７１は、主要流路１７２の長さと比較してかなり短い。各収集及び配分流路１７０、１７１と関連づけられた主要流路１７２の数は、同じであっても又は同じでなくてもよい。更に、１つの導入配分流路１７０から供給される全ての主要流路１７２が同じ排出収集流路１７１に接続されること、及びその逆は、必須ではない。所望の場合、リブ１７３及び／又は流路１７２の幅は、異なる流路対リブの比率を得るように調節可能である。
従って、水素は、水素導入アパーチャ１４０に隣接したスロット１８０から第１の又は燃料導入配分流路１７０へと個別に流れる。次に、各第１の又は燃料導入配分流路１７０における水素の流れは、複数の中央又は主要流路１７２へと更に分けられる。水素は、複数の主要流路１７２に沿って流れ、アノード流れ場１３２の反対側の端部の第２の又は排出収集流路１７１によって集められる。従って、水素は、第２の又は排出収集流路１７１に沿って流れ、水素排出アパーチャ１４１に隣接したスロット１８０を通り、アノード流れ場プレート１２０の後面に至る。上述のように、カソード水素排出口１６１及びその延長部分１８１は、アノード流れ場プレート１２０の後面と共に１つのチャンバを定める。従って、水素はチャンバに入り、アノード及びカソード水素排出アパーチャ１４１及び１６１によって形成された燃料電池スタックを貫通するダクトを通って流れ、第２の水素接続ポート１１１を通って燃料電池スタックから出る。水素の流れを第１の又は導入配分流路１７０へと分け、次に、複数の主要流路１７２へと分け、それに対応して排出口で収集することにより、水素ガスの分布が改善されると共に、水素がＧＤＭにわたってより均一に散逸され、それにより、流れ場の横断方向の圧力差が低減され、燃料電池効率が向上する。
次に図３ａを参照すると、カソード流れ場プレート１３０の前面の酸化体流れ場１４２のパターンが示されており、この酸化体流れ場には概ね同様の手法が用いられている。ここでは、酸化体は周囲空気である（適切に濾過、加湿等の処理がなされている）。酸素は空気の約２０％しか構成していないので、遙かに大きな体積及び質量の流れが必要である。これを理由として、空気導入口１５６及び排出口１５７はより大きく、３つのスロット２８０が設けられている。図３ａに示されるように、複数の第３の又は酸化体導入配分流路１８６が、空気導入アパーチャ１５６に隣接したスロット２８０と連通している。第３の又は導入配分流路１８６は、流れ場１４２の主要又は中心部分に対して略横断方向に、異なる範囲まで延びている。他の導入配分流路１８６をオフセットして収容するために、導入配分流路１８６の幾つかは、空気導入アパーチャ１５６に隣接したスロット２８０の直近に、縦に延びる短い部分１８６ａを有すると共に、流れ場１４２の横断方向に延びる部分１８６ｂを有する。各第３の導入配分流路１８６は、複数のリブ１８９によって隔てられた複数の中央又は主要流路１８８に分かれている。これらの主要流路１８８は直線的であり、流れ場１４２の長さに沿って、空気導入アパーチャ１５６から空気排出アパーチャ１５７に向かって平行な関係で延びている。
排出口では、複数の第４の又は酸化体排出収集流路１８７が、空気排出アパーチャ１５７に隣接したスロット２８０と連通している。これと対応して、第４の又は排出収集流路１８７が、流れ場１４２の略横断方向に、異なる範囲まで延びている。他の排出収集流路１８７をオフセットして収容するために、第４の又は排出収集流路１８７の幾つかは、空気排出アパーチャ１５７に隣接したスロット２８０の直近に、縦に延びる短い部分１８７ａを有すると共に、流れ場１４２の横断方向に延びる部分１８７ｂを有する。第４の又は排出収集流路１８７が、第３の又は導入配分流路１８６に対応して配置されている。各第３の又は導入配分流路１８６から分かれた複数の主要流路１８８は、対応する１つの第４の又は排出収集流路１８７に収束する。なお、導入配分流路１８６及び排出収集流路１８７の縦に延びる部分は、主要流路１８８の長さと比較してかなり短い。各導入配分流路１８６及び排出収集流路１８７と関連づけられた主要流路１８８の数は、同じであっても又は同じでなくてもよい。所望の場合、リブ１８９及び／又は流路１８８の幅は、異なる流路対リブの比率を得るように調節可能である。同様に、燃料又は水素の流れ場に関して、１つの導入配分流路１８６から供給される全ての主要流路１８８が同じ排出収集流路１８７に接続されること、及びその逆は、必須ではない。
従って、空気は、空気導入アパーチャ１５６に隣接したスロット２８０から第３の又は空気導入配分流路１８６へと個別に流れる。次に、各第３の又は空気導入配分流路１８６における空気の流れは、複数の中央又は主要流路１８８へと更に分けられる。空気は、複数の主要流路１８８に沿って流れ、カソード流れ場１４２の反対側の端部の第４の又は排出収集流路１８７によって集められる。従って、空気は、第４の又は排出収集流路１８７に沿って流れ、空気排出口１５７に隣接したスロット２８０を通り、カソード流れ場プレート１３０の後面に至る。上述のように、カソード空気排出アパーチャ１５７及びそのアパーチャ延長部２８１は、アノード流れ場プレート１２０の後面と共に１つのチャンバを定める。従って、空気はチャンバに入り、カソード及びカソード空気導入アパーチャ１３７及び１５７によって形成された燃料電池スタックを貫通するダクトを通って流れ、第２の空気接続ポート１０７を通って燃料電池スタックから出る。空気の流れを第３の又は導入配分流路１８６へと分け、次に、複数の主要流路１８８へと分け、それに対応して排出口で収集することにより、空気の分布が改善されると共に、空気がＧＤＭにわたってより均一に散逸され、それにより、流れ場の横断方向の圧力差が低減され、燃料電池効率が向上する。
次に図３ｂを参照すると、カソード流れ場プレート１３０の後面の冷却剤流れ場１４４のパターンが示されている。図３ｂに示されるように、複数の第５の又は冷却剤導入配分流路１９０が、冷却剤導入アパーチャ１５８と連通している。第５の又は導入配分流路１９０は、冷却剤導入アパーチャ１５８から縦に延びる部分１９０ａを有すると共に、流れ場１４４の略横断方向に異なる範囲まで延びる部分１９０ｂを有する。流れ場１４４の長さ及び他の導入配分流路１９０を収容するために、第５の又は導入配分流路１９０の縦に延びる部分１９０ａは様々な長さを有する。各第５の又は導入配分流路１９０は、複数のリブ１９３によって隔てられた複数の主要流路１９２に分かれている。これらの主要流路１９２は直線的であり、流れ場１４４の長さに沿って、冷却剤導入アパーチャ１５８から冷却剤排出アパーチャ１５９に向かって平行な関係で延びている。
複数の第６の又は冷却剤排出収集流路１９１が、冷却剤排出アパーチャ１５９と連通している。第６の又は排出収集流路１９１は、冷却剤排出口１５９から縦に延びる部分１９１ａを有すると共に、流れ場１４４の略横断方向に異なる範囲まで延びる部分１９１ｂを有する。流れ場１４４の長さ及び他の冷却剤排出収集流路１９１を収容するために、第６の又は冷却剤排出収集流路１９１の縦に延びる部分１９１ａは様々な長さを有する。第６の又は冷却剤排出流路１９１は、第５の又は導入配分流路１９０に対応して配置される。各第５の又は導入配分流路１９０から分かれた複数の流路１９２は、対応する第６の又は排出収集流路１９１へと収束する。なお、第５及び第６の流路１９０、１９１の縦に延びる部分１９０ａ、１９１ａは、流路１９２の長さと比較してかなり短い。各第５の又は導入配分流路１９０から分かれる流路１９２の数は、同じであっても又は同じでなくてもよい。ここでも、導入配分流路１９０から分かれた全ての流路が１つの排出収集流路１９１に接続されること、及びその逆は、必須ではない。所望の場合、リブ１９３及び／又は流路１９２の幅は、異なる流路対リブの比率を得るように調節可能である。
従って、冷却剤は、第１の冷却剤接続ポート１０８から入り、アノード及びカソード冷却剤導入アパーチャ１３８及び１５８によって形成されたダクトを通って流れ、カソード冷却剤導入アパーチャ１５８に至る。ここから、冷却剤は、冷却剤導入アパーチャ１５８から個別に第５の又は冷却剤導入配分流路１９０に流れ込む。次に、各第５の流路１９０における冷却剤の流れが、更に複数の主要流路１９２に分けられる。冷却剤は複数の主要流路１９２に沿って流れ、冷却剤流れ場１４４の反対側の端部において、複数の第６の又は排出収集流路１９１に集められる。従って、冷却剤は、第６の又は排出収集流路１９１に沿って、冷却剤排出アパーチャ１５９へと流れる。ここから、冷却剤は、カソード及びカソード冷却剤排出アパーチャ１３９及び１５９によって形成された燃料電池スタックを貫通するダクトを通って流れ、第２の冷却剤接続ポート１０９を通って燃料電池スタックから出る。第５の又は導入配分流路１９０から複数の中央又は主要流路１９２への冷却剤の流れを分けることにより、冷却剤の分布が改善されると共に、熱が流れ場にわたってより均一且つ効率的に移される。
本発明では、アノード流れ場１３２、カソード流れ場１４２及び／又は冷却剤流れ場１４４は、流路を複数のグループに分けるという概念を用いる。この概念は、流れ場設計の複雑さを増すことなく、流れ場にわたるより均一な流体の分布を提供する。本発明では直線的な流路の使用も可能であり、直線的な流路は、曲がりくねった流路を超える幾つかの固有の長所を提供する。
次に図３ｅを参照すると、カソード流れ場プレート１３０の前面の酸化体導入配分流路１８６ａ及び１８６ｂの拡大図が示されている。この特定の例では、各導入配分流路１８６ｂは、４つのリブ１８９によって隔てられた５つの主要流路１８８に分けられる。主要流路１８８の縦方向、即ち流れ場１４２の方向に沿って、各主要流路１８８は、流れ場１４２の横断方向に延びる導入配分流路１８６ｂから離間した位置で始まる。この例では、リブ１８９によって設定される全ての主要流路１８８の開始点は、導入配分流路１８６ｂから略同じ距離Ｄだけ離間されている。これは必須ではなく、各主要流路は導入配分流路１８６ｂに対する異なる位置から始まってもよいことを理解されたい。より良好な流れの分布を生じると共に圧力降下を最小限にするために、この例では、導入配分流路１８６ｂと主要流路１８８の開始点との間の距離Ｄは、主要流路１８８の幅の１．５〜２倍であるのが好ましく、この距離Ｄは、導入配分流路の幅に応じてこれより大きくてもよい。導入配分流路１８６ａ、１８６ｂの幅は、主要流路１８８の幅の１〜１．５倍であるのが好ましい。
アノード流れ場プレート１２０の前面では、主要流路１７２の開始点は、燃料導入配分流路１７０ｂから或る距離だけ離間されることを理解されたい。この距離は、主要流路１７２の幅の１．５〜２倍であるのが好ましい。更に、主要流路１７２の両端部は燃料排出収集流路１７１ｂから離間され、この距離は、主要流路１７２の幅の１．５〜２倍であるのが好ましい。同様に、主要流路１８８の両端部は酸化体排出収集流路１８７ｂから離間され、この距離は、主要流路１８８の幅の１．５〜２倍であるのが好ましい。
図３ｅに示されるように、導入配分流路１８６ａ及び１８６ｂの各接合部には、酸化体ガスの流れを容易にして乱流を低減するためにフィレット１８６ｃが設けられている。同様に、主要流路１８８及び導入配分流路１８６ｂの接合部にはフィレット１８６ｄが設けられている。フィレット１８６ｃ及び１８６ｄは、乱れが少ない流れのパターンを生じるのを補助すると共に、流れ場１４２にわたる圧力を低減する。フィレット１８６ｃは、０．０３１２５インチ、即ち０．７９ｍｍの半径を有するのが好ましく、フィレット１８６ｄは、１／６４インチ、即ち０．３９５ｍｍの半径を有するのが好ましい。なお、アノード流れ場プレート１２０の前面の燃料導入配分流路１７０及び燃料排出収集流路１７１、並びに、カソード流れ場プレート１３０の前面の酸化体排出収集流路１８７にも、フィレットを設けることが可能である。
上記の説明では、燃料ガス、酸化体及び冷却剤用の流路を、このような流路は一般的にプレートの中央にあり且つ一般的に存在する流路の大部分を含むという意味で、「主要」として示した。主要流路は、適切な面にわたる均一な燃料分布を提供するように選択されると共に、全流れ場領域にわたって延びるのが理想的である。実際には、導入及び排出マニホールド機能を備えるために、導入配分流路及び排出収集流路を設けることが必要である。
この導入配分及び排出収集流路構成では、ガス流がまず１つの流路（導入配分流路）に沿って流れ、次に複数の小さい流路（主要流路）に分岐する、分岐構造が設けられることも理解されよう。この構造は更なる細分レベルを含み得る。例えば、導入配分流路は複数の二次的な配分流路に接続されてもよく、二次的な配分流路の各々が複数の主要流路に接続されてもよい。これと対応して、排出口には、複数の主要流路からのガスを集める二次的な収集流路が設けられ、これらの二次的な収集流路は、単一の排出収集流路に接続される。
次に図４ａ及び図４ｂを参照すると、本発明の燃料電池及び従来の設計の燃料電池の断面図が示されている。本発明は略直線形の流路を用いるので、アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０のリブ１７３、１８９の実質的な部分が位置合わせされるように、即ち、アノード流れ場プレート１２０のリブ１７３がカソード流れ場プレート１３０のリブ１８９に押し当てられ、その間にＭＥＡ１２４が挟持されるように、アノード及びカソード流れ場プレート１２０、１３０を製造することが可能である。図２ａ及び図３ａに示されるように、本発明では、流れ場の端部の分岐部を除き、アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０の中央部分は、略直線形の流路１７２、１８８及びリブ１７３、１８９で構成される。従って、流路及びリブの幅、流路対リブの比率、又は流れ場プレートを横断する流路の数を調節することにより、これらの中央部分において両プレートのリブを一致させることができる。
アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０のリブを一致させることにより、従来の非一致型設計を超える複数の長所が与えられる。従来の非一致型流れ場プレートを用いた燃料電池スタックと、本発明による流れ場を用いた燃料電池スタックとを、それぞれ稼働させる比較実験において、従来の燃料電池スタックでは、非一致型リブによる剪断効果に起因して、ＧＤＭ及びＭＥＡが過剰に圧縮及び過剰に伸張されることが示された。一方、本流れ場設計を用いた燃料電池スタックでは、ＧＤＭ及びＭＥＡの損傷は観察されなかった。更に、燃料電池の性能及び効率も向上した。
図５は、２つの燃料電池スタックの分極曲線の比較を示している。このグラフの曲線は、電池の電圧と電流密度との関係を示す。曲線５０１は、図４ａのように、アノード及びカソード流れ場プレートのリブが少なくとも中央部分において互いに一致する、本発明による燃料電池の分極曲線を表す。３つの燃料電池スタックは全て、スタック内に１００個の電池を有する。曲線５０２及び５０３は、異なるＧＤＭが用いられると共にアノード及びカソード流れ場プレートのリブが一致しない、即ち、図４ｂのように中央部分でリブがオフセットされた、２つの燃料電池スタックの性能を表す。図からわかるように、３つの全てのケースにおいて、任意の所与の電流密度について、電流密度が増加すると電池電圧が減少しているが、本発明の燃料電池スタックの電池電圧は他の２つのスタックよりも高く、これは、より良好な性能を示すものである。
本発明では、アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０は、同じパターン及び同じ流路対リブ比率を有する。流路対リブの比率は１．５：１であるのが好ましい。しかし、アノード流れ場プレート１２０及びカソード流れ場プレート１３０のリブが互いに一致する、即ち、互いに正対する場合には、問題が生じ得ることに留意されたい。燃料電池反応の式から、水素と酸素との量論比は１：２であることが理解される。実際の動作では、燃料電池スタックが十分な反応物質を確実に有するように、燃料ガス及び酸化体ガスは、反応物資の消費速度、及びそれに従って燃料電池スタックの電力出力に対して、過剰な流量で燃料電池スタックに供給される。このためには、アノード流れ場１３２にわたって流れる燃料ガスの量よりも多い酸化体ガスが、カソード流れ場１４２にわたって流れることが必要である。従来は、これは通常、より多くの活性領域を設けるためにカソード流路の幅を広げることによって達成される。本実施形態では、流れ場のパターン及び流路対リブの比率が両方の流れ場プレート１２０及び１３０で同じであるので、十分な量の空気がＧＤＭ１２６を横断してＭＥＡ１２４へと散逸可能なように、単にカソード流路の深さを増加させることによって、この要求を満たすことができる。カソード流れ場プレート１２０及びアノード流れ場プレート１３０の流路の深さの比率は、燃料電池反応で実際に用いられる燃料及び酸化体によって異なる。反応ガスとして、純水な水素と約２０％の酸素を含む空気とを用いる場合には、カソード流れ場プレート１２０及びアノード流れ場プレート１３０の流路の深さの比率は２〜３：１であるのが好ましい。より好ましくは、この比率は３：１である。改質装置から水素を得る場合、即ち、燃料ガス中の純水な水素が４０％だけである場合には、この比率は１．５〜２：１であるのが好ましい。
本発明の精神は、燃料電池の流れ場プレートの最適化に関する。なお、流れ場プレート及び本発明の燃料電池スタックの形状は、上記の説明で開示されたものに限定されず、例えば、必ずしも本明細書で開示されたような長方形でなくてもよいことを認識されたい。更に、流れ場プレート、ＭＥＡ及びガス拡散媒体に選択された材料は従来の燃料電池技術の主題であり、それらは本発明の一部を構成するものではない。
上記の説明は好ましい実施形態を構成するものであるが、本発明は、添付の特許請求の範囲の適切な範囲の正当な意味を逸脱することなく、変形及び変更され得ることを認識されたい。例えば、本発明は、燃料として純粋な水素を用いる、アルカリ、溶融炭酸塩、及びリン酸を含むがこれらに限定されない他のタイプの燃料電池における適用可能性を有し得る。更に、システム内の構成要素の数及び構成は変更され得るが、依然として特許請求の範囲の範囲及び精神に含まれる。
本発明による燃料電池スタック内に配置された燃料電池ユニットの分解斜視図である。 本発明による燃料電池のアノード流れ場プレートの前面の概略図である。 本発明による燃料電池のアノード流れ場プレートの後面の概略図である。 図２ａの線Ａ−Ａに沿って切ったときの、本発明による燃料電池のアノード流れ場プレートの部分拡大断面図である。 本発明による燃料電池のカソード流れ場プレートの前面の概略図である。 本発明による燃料電池のカソード流れ場プレートの後面の概略図である。 本発明による燃料電池のカソード流れ場プレートの後面の空気排出口及び隣接する部分の部分拡大図である。 本発明による燃料電池のカソード流れ場プレートの後面の空気排出口及び隣接する部分の部分拡大斜視図である。 本発明による燃料電池のカソード流れ場プレートの前面の酸化体導入配分流路及び主要流路の一例を示す部分拡大図である。 本発明による燃料電池の断面図である。 従来の燃料電池の断面図である。 本発明による燃料電池の性能を示す分極曲線グラフである。

Claims (40)

  1. 複数の燃料電池を含む燃料電池スタックであって、各燃料電池は、アノード流れ場プレートと、カソード流れ場プレートと、前記アノード流れ場プレートと前記カソード流れ場プレートとの間に設けられた膜電極アセンブリとを含み、前記アノード流れ場プレートは、複数のアノード主要流路及び該アノード主要流路を隔てる複数のリブを含み、前記カソード流れ場プレートは、複数のカソード主要流路及び該カソード主要流路を隔てる複数のリブを含み、前記アノード主要流路及び前記カソード主要流路の少なくとも一部が互いに正対するように設けられ、膜交換アセンブリがそれらの間に位置すると共に、前記アノード流れ場プレートの少なくとも一部のリブが前記カソード流れ場プレートのリブと一致し且つそれらの間に膜交換アセンブリを挟持するように互いに正対して配置される、燃料電池スタック。
  2. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの各々が、略中央に設けられた一致する流路部分を有する、請求項１記載の燃料電池スタック。
  3. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの各々が、他の燃料導入アパーチャと位置合わせされて燃料導入ダクトを形成する燃料導入アパーチャと、他の酸化体導入アパーチャと位置合わせされて酸化体導入ダクトを形成する酸化体導入アパーチャと、他の冷却剤導入アパーチャと位置合わせされて冷却剤導入ダクト形成する冷却剤導入アパーチャと、他の燃料排出アパーチャと位置合わせされて燃料排出ダクトを形成する燃料用の燃料排出アパーチャと、他の酸化体排出アパーチャと位置合わせされて酸化体排出ダクトを形成する酸化体排出アパーチャと、他の冷却剤排出アパーチャと位置合わせされて冷却剤排出ダクトを形成する冷却剤排出アパーチャと、を含み、各燃料電池の前記アノード流れ場プレートが、前記燃料導入ダクトを前記アノード主要流路に接続する少なくとも１つの燃料導入配分流路と、前記アノード主要流路を前記燃料排出ダクトに接続する少なくとも１つの燃料排出収集流路と、を含む、請求項２記載の燃料電池スタック。
  4. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの各々が、他の燃料導入アパーチャと位置合わせされて燃料導入ダクトを形成する燃料導入アパーチャと、他の酸化体導入アパーチャと位置合わせされて酸化体導入ダクトを形成する酸化体導入アパーチャと、他の冷却剤導入アパーチャと位置合わせされて冷却剤導入ダクト形成する冷却剤導入アパーチャと、他の燃料排出アパーチャと位置合わせされて燃料排出ダクトを形成する燃料用の燃料排出アパーチャと、他の酸化体排出アパーチャと位置合わせされて酸化体排出ダクトを形成する酸化体排出アパーチャと、他の冷却剤排出アパーチャと位置合わせされて冷却剤排出ダクトを形成する冷却剤排出アパーチャと、を含み、各燃料電池の前記カソード流れ場プレートが、前記酸化体導入ダクトを前記カソード主要流路に接続する少なくとも１つの酸化体導入配分流路と、前記カソード主要流路を前記酸化体排出ダクトに接続する少なくとも１つの酸化体排出収集流路と、を含む、請求項２記載の燃料電池スタック。
  5. 各燃料電池の前記カソード流れ場プレートが、前記酸化体導入ダクトを前記カソード主要流路に接続する少なくとも１つの酸化体導入配分流路と、前記カソード主要流路を前記酸化体排出ダクトに接続する少なくとも１つの酸化体排出収集流路と、を含む、請求項３記載の燃料電池スタック。
  6. 各燃料電池の前記アノード流れ場プレートが、複数の前記アノード主要流路に各々が接続された複数の燃料導入配分流路及び燃料排出収集流路を含み、各燃料電池の前記カソード流れ場プレートが、複数の前記カソード主要流路に各々が接続された複数の酸化体導入配分流路及び酸化体排出収集流路を含む、請求項５記載の燃料電池スタック。
  7. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの各々に対して、前記燃料導入アパーチャ及び前記燃料排出アパーチャが前記プレートの両端部に設けられると共に前記酸化体導入アパーチャ及び前記酸化体排出アパーチャが前記プレートの両端部に設けられ、各前記アノード流れ場プレートの前記アノード主要流路が前記燃料導入アパーチャから前記燃料排出アパーチャに向かう方向に互いに略平行に延び、各前記カソード流れ場プレートの前記カソード主要流路が前記酸化体導入アパーチャから酸化体排出アパーチャに向かう方向に互いに略平行に延び、各前記アノード流れ場プレートの前記燃料導入配分流路及び前記排出収集流路が前記アノード主要流路に対して略垂直に延び、各前記カソード流れ場プレートの前記酸化体導入配分流路及び前記酸化体排出配分流路が前記カソード主要流路に対して略垂直に延びる、請求項６記載の燃料電池スタック。
  8. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの少なくとも一方に対して、該プレートの後から前記主要流路を含む前面に反応物質を供給するための設備であって、個々の前記流れ場プレートを通って延びるスロットを含む設備を含む、請求項５記載の燃料電池スタック。
  9. 各燃料電池ごとに、前記カソード流れ場プレート及び前記アノード流れ場プレートの各々の後からそれらの前面にガス流を供給するための設備を含む、請求項８記載の燃料電池スタック。
  10. 前記カソード流れ場プレート及び前記アノード流れ場プレートの各々の後からそれらの前面にガス流を供給するための前記設備が、各前記アノード流れ場プレートごとに、前記燃料導入ダクトと各前記燃料導入配分流路との間の少なくとも１つの導入スロット、及び、各前記燃料排出収集流路と前記燃料排出ダクトとの間の少なくとも１つの排出スロットを含むと共に、各前記カソード流れ場プレートごとに、前記酸化体導入ダクトと各前記酸化体配分流路との間の少なくとも１つの導入スロット、及び、各前記酸化体排出収集流路と前記酸化体排出ダクトとの間の少なくとも１つの排出スロットを含む、請求項９記載の燃料電池スタック。
  11. 各燃料電池ごとに、前記アノード流れ場プレートが、燃料導入ダクトに隣接した前記少なくとも１つの導入スロットと、前記燃料排出ダクトに隣接した前記少なくとも１つの排出スロットとを含むと共に、前記カソード流れ場プレートが、前記酸化体導入ダクトに隣接した前記少なくとも１つの導入スロットと、前記酸化体排出ダクトに隣接した前記少なくとも１つの排出スロットとを含む、請求項１０記載の燃料電池。
  12. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの少なくとも一方の後に、前記アノード流れ場プレートの前記燃料導入ダクトと前記少なくとも１つの燃料導入スロットとの間の第１のアパーチャ延長部と、前記アノード流れ場プレートの前記燃料排出ダクトと前記少なくとも１つの排出スロットとの間の第２のアパーチャ延長部と、前記カソード流れ場プレートの前記酸化体導入ダクトと前記少なくとも１つの導入スロットとの間の第３のアパーチャ延長部と、前記カソード流れ場プレートの前記酸化体排出ダクトと前記少なくとも１つの排出スロットとの間の第４のアパーチャ延長部とを含む、請求項１１記載の燃料電池スタック。
  13. 全ての前記アパーチャ延長部が、前記アノード流れ場プレートの後面及び前記カソード流れ場プレートの後面の一方に設けられ、前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの他方の後面は略平滑である、請求項１２記載の燃料電池スタック。
  14. 各燃料電池ごとに、前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの一方が、前記冷却剤導入ダクトと前記冷却剤排出ダクトとの間に延びる複数の冷却剤流路を含む、請求項１３記載の燃料電池スタック。
  15. 前記複数の冷却剤流路が、前記冷却剤導入ダクトから延びる冷却剤導入配分流路と、前記冷却剤排出ダクトに接続される複数の冷却剤排出収集流路と、前記冷却剤導入配分流路と冷却剤排出収集流路との間に接続される複数の主要冷却剤流路とを含み、各前記冷却剤導入配分流路及び各前記冷却剤排出収集流路が前記複数の主要冷却剤流路に接続される、請求項１４記載の燃料電池スタック。
  16. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの前記アパーチャ延長部を含む各後面が、各アパーチャ延長部ごとに、各アパーチャ延長部と、関連づけられた各スロットと、関連づけられたダクトとを封じるシールを含み、前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの前面が、前記スロットを除外した各前記アパーチャの周囲にシールを含む、請求項１３、１４又は１５記載の燃料電池スタック。
  17. 少なくとも前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの各々の前記主要流路が略同じ寸法を有する、請求項７、８、１０又は１２記載の燃料電池スタック。
  18. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートが同一であり、それによって単一のタイプのみの流れ場プレートが設けられる、請求項１７記載の燃料電池スタック。
  19. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートが、それぞれ異なる流れ特性を備えた主要流路を有する、請求項７記載の燃料電池スタック。
  20. 前記アノード流れ場プレートの前記主要流路の流れの断面が、前記カソード流れ場プレートの前記主要流路の流れの断面と異なる、請求項１９記載の燃料電池スタック。
  21. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの少なくとも一方の主要流路の幅対リブの幅の比率が１．５：１である、請求項１記載の燃料電池スタック。
  22. カソード主要流路の深さ対アノード主要流路の深さの比率が１．５〜３：１の範囲内である、請求項１記載の燃料電池スタック。
  23. カソード主要流路の深さ対アノード主要流路の深さの比率が２〜３：１の範囲内である、請求項２２記載の燃料電池スタック。
  24. カソード主要流路の深さ対アノード主要流路の深さの比率が１．５〜２：１の範囲内である、請求項２２記載の燃料電池スタック。
  25. カソード主要流路の深さ対アノード主要流路の深さの比率が３：１である、請求項２２記載の燃料電池スタック。
  26. 前記アノード流れ場プレートの前記複数のアノード主要流路の各々の、該アノード主要流路の縦方向に沿った、対応する前記燃料導入配分流路及び対応する前記燃料排出収集流路に相対する一端部が、前記燃料導入配分流路から或る距離だけ離間されると共に、他端部が、前記燃料排出口配分流路から同じ距離だけ離間され、該距離対前記アノード主要流路の幅の比率が１．５〜２の範囲内である、請求項７記載の燃料電池スタック。
  27. 前記カソード流れ場プレートの前記複数のカソード主要流路の各々の、該カソード主要流路の縦方向に沿った、対応する前記酸化体導入配分流路及び対応する前記酸化体排出収集流路に相対する一端部が、前記酸化体導入配分流路から或る距離だけ離間されると共に、他端部が、前記酸化体排出口配分流路から同じ距離だけ離間され、該距離対前記カソード主要流路の幅の比率が１．５〜２の範囲内である、請求項２６記載の燃料電池スタック。
  28. 前記アノード流れ場プレート及び前記カソード流れ場プレートの少なくとも一方の前記配分流路及び前記排出収集流路が、対応する前記主要流路の幅の１〜１．５倍の幅を有する、請求項４記載の燃料電池スタック。
  29. 前記導入配分流路及び前記排出収集流路が、流れ抵抗を低減するためのフィレットを含む、請求項４又は２８記載の燃料電池。
  30. 前面及び後面を有する概ね平らな燃料電池用の流れ場プレートであって、該流れ場プレートは、少なくとも１つの第１のガス導入アパーチャ及び少なくとも１つの第１のガス排出アパーチャを含み、前記流れ場プレートの前面には、前記第１のガス導入口と連通する少なくとも１つの導入配分流路と、前記第１のガス排出口に向かって延び且つ該第１のガス排出口と連通する少なくとも１つの排出収集流路と、前記少なくとも１つのガス配分流路と前記少なくとも１つの排出収集流路との間に延びる複数の主要流路とが設けられる、流れ場プレート。
  31. 複数の第１のガス導入口及び複数の第１のガス排出口を含む、請求項３０記載の流れ場プレート。
  32. 複数のガス導入配分流路及び複数のガス排出収集流路を含み、該ガス導入配分流路及びガス排出収集流路の各々が前記複数の主要流路に接続される、請求項３０記載の流れ場プレート。
  33. 前記主要流路が互いに略平行に延びると共に、前記ガス導入配分流路及び前記ガス排出収集流路が前記主要流路に対して略垂直に延びる、請求項３２記載の流れ場プレート。
  34. 少なくとも１つの第２のガス導入アパーチャ及び少なくとも１つの第２のガス排出アパーチャを含む、請求項３０、３１、３２又は３３記載の流れ場プレート。
  35. 前記アパーチャの少なくとも１つに対して、前記流れ場プレートの後側において延びるアパーチャ延長部を含み、該各アパーチャ延長部ごとに、各アパーチャ延長部と関連づけられた少なくとも１つのスロットであって、対応する前記アパーチャ延長部と、対応する前記少なくとも１つの導入配分流路及び前記少なくとも１つの排出収集流路の１つとを連通させるために、前記流れ場プレートを通って後側から前側に延びるスロットを含む、請求項３４記載の流れ場プレート。
  36. 前記第２のガス導入アパーチャ及び前記第２のガス排出アパーチャの各々が、別の流れ場プレートを通ってその前面に第２のガスを供給するための貫通するスロットを含む前記別の流れ場プレートと相補的な関係にあるアパーチャ延長部を含む、請求項３５記載の流れ場プレート。
  37. 前記第１のガス導入アパーチャ及び前記第１のガス排出アパーチャの各々が、前記流れ場プレートを通って前記導入配分流路に至ると共に前記排出収集流路から戻るガスを供給するためのアパーチャ延長部及びそれと関連づけられた少なくとも１つのスロットを含む、請求項３２又は３５記載の流れ場プレート。
  38. 各前記第１のガス導入アパーチャと関連づけられた各前記スロットが、前記前面において２つのガス導入配分流路に接続され、前記第１のガス排出アパーチャと関連づけられた各前記スロットが、２つのガス排出収集流路に接続される、請求項３７記載の流れ場プレート。
  39. 前記前側及び後側に、燃料電池の隣接する要素と共にシールを構成するためのシーリング面を含み、前記流れ場プレートの前記前側の前記シーリング面が、前記第１のガス導入アパーチャ及び前記第１のガス排出アパーチャの各々ごとに、対応するアパーチャを封じると共に関連づけられたスロットを前記第１のガス導入アパーチャ及び前記第１のガス排出アパーチャから隔てる第１のシーリング面部分を含むと共に、その後側に、前記第１のガス導入アパーチャ及び前記第１のガス排出アパーチャの各々と、それらと関連づけられた前記少なくとも１つのスロットとを共に封じるための第２のシーリング面部分を含む、請求項３７記載の流れ場プレート。
  40. 各前記アパーチャ延長部に、前記アパーチャから、それと関連づけられた前記スロットへと延びる流路を定める、複数の突出部が設けられる、請求項３９記載の流れ場プレート。
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