JP2008518396A

JP2008518396A - 燃料電池アセンブリ用のパッシブ型の二相冷却

Info

Publication number: JP2008518396A
Application number: JP2007537894A
Authority: JP
Inventors: イー．トゥマ，フィリップ; エー．レビンスキー，クルジツトフ; ケー．デベ，マーク
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2006047015A3; EP1805838A2; WO2006047015A2; CN101048905A; US20060088746A1; TW200629634A; KR20070069174A

Abstract

燃料電池アセンブリ用の冷却装置は、伝熱流体と、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つの流体フローフィールドプレートとを含む。フローフィールドプレートは、限界熱流束より低い伝熱流体の核沸騰を促進し、伝熱流体がチャネル長に沿って通過する際のドライアウトを防ぐように寸法決めされるチャネル深さ、チャネル間隔、チャネル長およびチャネル幅を有する流体フローチャネルを含む。チャネルは、限界熱流束を増大し、流体フローチャネルの末端部分でのドライアウトを排除する、マイクロポーラスまたはナノ構造化コーティングなどのコーティングおよび／または特徴群を含んでいてもよい。

Description

本発明は、一般に、パッシブ型の二相冷却構成および燃料電池スタック内の燃料電池コンポーネントおよびアセンブリへのアプローチに関する。

代表的な燃料電池システムは、１つ以上の燃料電池が電力を生成する電力部を含む。燃料電池は、水素と酸素を水へと変換して、プロセス中電気と熱を生成するエネルギー変換装置である。各燃料電池ユニットは、中心にプロトン交換部材を含み、プロトン交換部材のいずれかの側にガス拡散層を備えている。アノードおよびカソード触媒層は、それぞれ、ガス拡散層の内側に配置されている。このタイプの燃料電池は、ＰＥＭ燃料電池と呼ばれることが多い。

単一燃料電池の反応により１ボルト未満が一般的に生成される。複数の燃料電池を積み重ねて、直列に電気的に接続すると所望の電圧が得られる。電流は、燃料電池スタックから集められ用いられて負荷を駆動する。燃料電池を、自動車からラップトップコンピュータまで及ぶ様々な用途に電力を供給するのに用いてもよい。

多くの用途における燃料電池電力系の効率は、一部、燃料電池の熱管理を行う冷却装置に負うところが大きい。定置型トラクションＰＥＭ燃料電池用途においては、例えば、スタックサイズを減じるのに必要なため容量電力密度が上方に駆動される。高めの熱密度は、通常、近接する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）間にある冷却板またはバイポーラ板内の通路を通して誘電性伝熱液体をポンピングすることにより除去される。冷却剤がスタックを通過するにつれて、反応の熱を吸収し、その温度が上昇する。冷却剤を一次熱交換器までポンピングして、そこで熱を他の流体ストリームへと放散させ、空気、水等とする。流体は相を変化させないため、この技術は「単相」冷却と呼ばれる。

この単相技術には、例えば、ポンプ、膨化、大量の伝熱流体の必要性、起動中のスタック温度の制御または熱出力および環境条件における変化に対応するための能動的な制御をはじめとするいくつかの明らかな欠点があり、その結果、重量やコストが増大している。ポンプにより消費される電力は、スタックにより供給され、その熱システムにより放散されなければならないため、利用可能な電力が減じ、一次熱交換器のサイズが大きくなる。

本発明は、一般にはパッシブ型の二相冷却構成および燃料電池スタック内の燃料電池コンポーネントおよびアセンブリへのアプローチに関する。特に、本発明は、フローフィールドプレート冷却剤チャネルの限界熱流束を効率的に増大し、かつ／または、冷却プレート厚さを減じるためにチャネル深さを最小にし、冷却剤要求事項および重量を減じながら、全チャネル長にわたって温度均一性を改善する表面コーティングおよび／または特徴群を組み込んだかかるパッシブ型の二相冷却装置に係る。「限界熱流束」とは、液体が表面をもはや濡らさなくなるため、それを超えて沸騰が持続できない熱流束を意味する。「限界熱流束を増大する」とは、液体が表面をもはや濡らさなくなるため、それを超えて沸騰が持続できない熱流束の値を増大することを意味する。本発明は、燃料電池アセンブリ、スタックのための熱管理を提供するかかるパッシブ型の二相冷却装置および燃料電池を組み込んだ電力系にさらに係る。

様々な実施形態によれば、本発明の燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つの膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と冷却装置とを含む。冷却装置は、伝熱流体と、ＭＥＡが伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つの流体フローフィールドプレートとを含む。

フローフィールドプレートは、チャネル深さ、チャネル間隔、チャネル長および約５ｍｍ未満のチャネル幅を有する数多くの流体フローチャネルを含む。チャネル幅、チャネル間隔、チャネル長およびチャネル深さは、本発明の原理によれば、限界熱流束より低い伝熱流体の核沸騰を促進し、伝熱流体がチャネル長に沿って通過する際のドライアウトを防ぐように寸法決めされる。一実施形態において、冷却装置は、ＭＥＡが伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、伝熱流体フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する。

チャネル幅、チャネル間隔、チャネル長およびチャネル深さは、チャネルの入口領域での伝熱流体の発生（ｉｎｃｉｐｉｅｎｃｅ）を促進し、伝熱流体が前記チャネルの出口領域を通過する際、熱流束が限界熱流束を超えるのを防ぐように寸法決めされると好ましい。一形態において、チャネル長は約１０ｃｍより大きい。他の形態において、チャネルのチャネル長は、伝熱流体フローの方向において約６０ｍｍ〜約２３０ｍｍである。さらなる形態において、チャネル間隔は約１ｍｍ〜約２ｍｍ、チャネル幅は約１ｍｍ〜約３ｍｍである。さらに他の形態において、チャネル深さは約１ｍｍ未満であってよい。チャネル深さに対するチャネル長の比率は約１５０〜約１１００であってよい。

代表的な実施形態において、ＭＥＡは、フローフィールドプレートの表面と接触するように構成された表面を含み、冷却装置の伝熱流体は、ＭＥＡ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する。伝熱流体は、フルオロケミカル、誘電性ハロカーボン、水または炭化水素を含んでいてもよい。

ある形態において、フローフィールドプレートの流体フローチャネルは、ナノ構造化特徴群を組み込んだ内側チャネル表面を有している。他の形態において、流体フローチャネルは、マイクロポーラス特徴群を組み込んだ内側チャネル表面を有している。ある形態において、フローフィールドプレートの流体フローチャネルは、非局在化パイ電子を含む実質的に平面の有機分子を含むコーティングを組み込んだ内側チャネル表面を有している。

他の実施形態によれば、本発明の燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つのＭＥＡと、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置とを含む。本実施形態において、フローフィールドプレートは、冷却剤フローの方向に対して定義されたチャネル長と、約１ｍｍ未満のチャネル深さとを有する流体フローチャネルを組み込んでいる。冷却装置は、ＭＥＡが冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する。

さらなる実施形態によれば、本発明の燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つのＭＥＡと、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置とを含む。本実施形態において、フローフィールドプレートは、内側チャネル表面を有する流体フローチャネルを組み込んでいる。各内側チャネル表面は、ナノ構造化特徴群を含む。冷却装置は、ＭＥＡが冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する。

ナノ構造化特徴群は、均一に配向されたナノ構造を含んでいてよい。ナノ構造化特徴群は、ロッド、コーン、シリンダ、ピラミッド、管、フレークまたはその他形状など所定の幾何学形状を有するナノ構造を含んでいてよい。内側チャネル表面は、例えば、約１０億／ｃｍ²を超えるナノ構造など、約１００万／ｃｍ²を超えるナノ構造を含んでいてよい。ナノ構造化特徴群の長さは約０．１ミクロン〜約３ミクロンであってよいが、約６ミクロンの長さでもよい。

他の実施形態によれば、燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つのＭＥＡと、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つの流体フローフィールドプレートを含む冷却装置とを含む。本実施形態において、フローフィールドプレートは、内側チャネル表面を有する流体フローチャネルを含む。各内側チャネル表面は、マイクロポーラス特徴群を含む。冷却装置は、ＭＥＡが冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する。「マイクロポーラス特徴群」とは、微小粒子の集合体に囲まれた微小孔のことを意味する。微小粒子は、金属、シリカ、セラミックまたはダイアモンドなどのミクロンスケールサイズの粒子を含むのが好ましい。微小孔を形成する粒子は、有機（例えば、ラテックススフェア）またはその他の種類のヘテロポリマーまたは複素環式材料であってよい。

さらに他の実施形態によれば、本発明の燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つのＭＥＡと、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置とを含む。本実施形態において、フローフィールドプレートは、内側チャネル表面を有する流体フローチャネルを組み込んでいる。各内側チャネル表面は、非局在化パイ電子を含む実質的に平面の有機分子を含むコーティングを組み込んでいる。冷却装置は、ＭＥＡが冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する。有機分子は、パイ電子の密度を広く非局在化させる鎖または環を含んでいてよい。例えば、コーティングはファン・デル・ワールス固体を含んでいてよい。

本発明の上記概要は、各実施形態または本発明のそれぞれの実施を説明することを意図するものではない。利点および達成されたものは、本発明のより完全な理解と共に、図面と組み合わせて、以下の詳細な説明および請求項を参照することにより明白となり、理解されるであろう。

本発明は様々な修正および変形形態に訂正可能であるが、その特定例については、図面により例示されておりこれについて詳細に説明する。本発明は様々な修正および変形形態に訂正可能であるが、その特定例については、図面により例示されておりこれについて詳細に説明する。対照的に、付随の請求項により定義される本発明の範囲内に含まれる全ての修正、等価物および変形を含むことが意図される。

例証の実施形態の以下の説明において、その一部を形成する添付の図面と例証のために示した本発明を実施する特定の実施形態を参照する。実施形態を利用して、構造上の変更を本発明の範囲から逸脱することなく行えるものと考えられる。

本発明は、沸騰により、燃料電池装置において比較的大きな表面から比較的小さな熱流束を除去するパッシブ型の二相冷却アプローチに係る。後述する特定の例示の実施形態は説明のためであり、限定するものではない。

本発明のパッシブ型の二相冷却手法は、様々なタイプ、構成および技術の燃料電池アセンブリおよびスタックに組み込まれてよい。代表的な燃料電池を図１ａに示す。燃料電池は、空気から水素燃料と酸素を結合して、電気、熱および水を生成する電気化学装置である。燃料電池は、燃焼は利用せず、燃料電池は、危険な排出液をあったとしても少量しか生成しない。燃料電池は、水素燃料と酸素を直接電気に変換し、例えば、内燃発電機よりも高効率で操作することができる。

図１ａに示す燃料電池１０は、アノード１４に近接する第１の流体移動層（ＦＴＬ）１２を含む。アノード１４に近接しているのは電解質膜１６である。カソード１８は電解質膜１６に近接配置され、第２の流体移動層１９はカソード１８に近接配置されている。操作中、水素燃料は、燃料電池１０のアノード部分へ導入され、第１の流体移動層１２を通過してアノード１４へ運ばれる。アノード１４で、水素燃料は、水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分離される。

電解質膜１６は、水素イオンまたはプロトンのみを電解質膜１６を通して、燃料電池１０のカソード部分へ送る。電子は、電解質膜１６を通過できず、その代わりに、電流の形態で外部電気回路を通って流れる。この電流は、電気モータなどの電気負荷１７に電力を供給する、または充電式バッテリなどのエネルギー記憶装置に向けられる。

酸素は、第２の流体移動層１９を介して燃料電池１０のカソード側へ流れる。酸素がカソード１８を通過するにつれて、酸素、プロトンおよび電子が結合して、水と熱を生成する。

図１ａに示すような個々の燃料電池は、後述するとおり、単体燃料アセンブリとしてパッケージすることができる。本明細書において単体電池アセンブリ（ＵＣＡ）と呼ばれる単体燃料電池アセンブリを他の多くのＵＣＡと組み合わせて、燃料電池スタックを形成することができる。ＵＣＡは、スタックの合計電圧を決めるスタック内の数多くのＵＣＡと直列に電気的に接続してもよく、各電池の有効表面積が合計電流を決める。ある燃料電池スタックにより生成される合計電力は、合計スタック電圧を合計電流により乗算することにより決めることができる。

数多くの異なる燃料電池技術を用いて、本発明の原理に従って、ＵＣＡを構築することができる。例えば、本発明のＵＣＡパッケージング手法を用いて、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池アセンブリを構築することができる。ＰＥＭ燃料電池は、比較的低温（約１７５°Ｆ／８０℃）で操作され、高電力密度を有し、電力需要の変化に適合すべく即時に出力を変更でき、例えば、自動車などの即時の始動が必要とされる用途に好適である。

あるいは、本発明は、ＭＥＡを交互にスタックしたバイポーラプレート（ＢＰＰ）を含む燃料電池スタックなどの非ＵＣＡ燃料電池スタックに用いてもよい。

ＰＥＭ燃料電池に用いるプロトン交換膜は、一般的に、水素イオンがそれを通過できる薄い固体ポリマー電解質シートである。膜は、一般的に、活性触媒である高分散金属または金属粒子（例えば、白金または白金／ルテニウム）が両側にコートされている。用いる電解質は、一般的に、固体の過フッ素化スルホン酸ポリマーである。固体電解質を用いると、腐食および電解質汚染の問題を減じるため有利である。

水素を燃料電池のアノード側に供給する。そこでは触媒が水素原子が電子を放出し、水素イオン（プロトン）となるのを促進する。電子は、酸素が導入される燃料電池のカソード側に戻る前に利用できる電流の形態で移動する。同時に、プロトンは膜を通してカソードに拡散し、そこでは水素イオンが再結合して、酸素と反応して水を生成する。

膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、水素燃料電池などのＰＥＭ燃料電池の中央要素である。上述した通り、代表的なＭＥＡは、固体電解質として機能するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）（イオン導電性膜（ＩＣＭ）としても知られている）を含む。

ＰＥＭの一面はアノード電極層と接触しており、対向面はカソード電極層と接触している。各電極層は、般的に、白金金属をはじめとする電気化学触媒を含む。流体輸送層（ＦＴＬ）は、アノードおよびカソードの電極材料への、そしてアノードおよびカソードの電極材料からのガスの移動を促進し、電流を伝導する。

代表的なＰＥＭ燃料電池において、プロトンは水素酸化によりアノードで形成され、カソードに移動して、酸素と反応することによって、電流が電極を接続する外部回路を流れる。ＦＴＬはまた、ガス拡散層（ＧＤＬ）または拡散器／集電器（ＤＣＣ）とも呼ばれる。アノードおよびカソード電極層は、完成ＭＥＡにおいてＰＥＭとＦＴＬとの間に配置される限りは、製造中ＰＥＭまたはＦＴＬに適用してもよい。

任意の好適なＰＥＭを本発明の実施に用いてよい。有用なＰＥＭの厚さは、約２００μｍ〜約１５μｍである。ＰＥＭは、一般的に、ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）（登録商標）（デラウェア州、ウィルミントンのデュポンケミカルカンパニー（ＤｕＰｏｎｔＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ））、フレミオン（Ｆｌｅｍｉｏｎ）（登録商標）（日本、東京の旭硝子社（ＡｓａｈｉＧｌａｓｓＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ））および高度にフッ素化された骨格と、式ＹＯＳＯ₂−ＣＦ₂−ＣＦ₂−ＣＦ₂−ＣＦ₂−Ｏ−［ポリマー骨格］（式中、ＹはＨ⁺またはアルカリ金属カチオンなどのその他の一価のカチオンである）による繰り返しペンダント基とを有するポリマーなどの酸官能性フルオロポリマーであるポリマー電解質から構成されている。後者のポリマーは、国際公開第２００４０６２０１９号パンフレットに記載されている。本発明に有用なポリマー電解質は、一般的に、テトラフルオロエチレンと１種類以上のフッ素化酸官能性コモノマーのコポリマーであるのが好ましい。

一般的に、ポリマー電解質はスルホネート官能性基を含む。ポリマー電解質の酸当量は、一般的に１２００以下、より一般的には１１００、最も一般的には約１０００である。８００と低い、さらには７００の当量を用いてもよい。

任意の好適なＦＴＬを本発明の実施に用いてよい。一般的に、ＦＴＬは、カーボンファイバーを含むシート材料から構成されている。ＦＴＬは、一般的に、織および不織カーボンファイバー構造から選択されるカーボンファイバー構造である。本発明の実施に有用なカーボンファイバー構造としては、東レ（Ｔｏｒａｙ）カーボン紙、スペクトラカーブ（ＳｐｅｃｔｒａＣａｒｂ）カーボン紙、ＡＦＮ不織カーボン布、ゾルテック（Ｚｏｌｔｅｋ）カーボン布等が挙げられる。ＦＴＬは、カーボン粒子コーティング、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によるコーティングなどの親水性処理および疎水性処理をはじめとする様々な材料でコートまたは含浸してもよい。

白金ブラックまたは微粒子、カーボン担持触媒粒子を含有するインク（米国特許出願公開第２００４０１０７８６９号明細書）またはナノ構造化薄膜触媒（米国特許第６４８２７６号明細書および米国特許第５８７９８２７号明細書）をはじめとする任意の好適な触媒を本発明の実施に用いてよい。触媒は、ハンドブラッシング、ノッチバーコーティング、流体含有ダイコーティング、巻き線ロッドコーティング、流動含有コーティング、スロット供給ナイフコーティング、３本ロールコーティング、真空コーティング、スクリーン印刷またはデカール転写を含む手動と機械による方法の両方をはじめとする任意の好適な手段によりＰＥＭまたはＦＴＬに適用してよい。コーティングは、一回の適用、または複数回の適用で行ってよい。

直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、ポリマー膜を電解質として用いるという点でＰＥＭ電池と同様である。しかしながら、ＤＭＦＣにおいては、アノード触媒そのものは、水素を液体メタノール燃料から引くため、燃料改質剤の必要性が排除される。ＤＭＦＣは、一般的に、１２０〜１９０°Ｆ／４９〜８８℃の温度で操作される。直接メタノール燃料電池は、本発明の原理に従って、ＵＣＡパッケージすることができる。

図１ｂに、ＰＥＭ燃料電池技術によって構築されたＵＣＡの実施形態を示す。図１ｂに示す通り、ＵＣＡ２０の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２５は５つのコンポーネント層を含む。ＰＥＭ層２２は、例えば、拡散集電器（ＤＣＣ）またはガス拡散層（ＧＤＬ）などの一対の流体移動層２４と２６との間に挟まれている。アノード触媒３０は第１のＦＴＬ２４と膜２２との間に位置し、カソード触媒３２は膜２２と第２のＦＴＬ２６との間に位置している。

ある構成において、ＰＥＭ層２２は、一方の表面にアノード触媒コーティング３０を、もう一方の表面にカソード触媒コーティング３２を含むように製造される。この構造は、触媒コート膜またはＣＣＭと呼ばれることが多い。他の構造によれば、第１および第２のＦＴＬ２４、２６は、それぞれアノードおよびカソード触媒コーティング３０、３２を含むように製造される。更に他の構成において、アノード触媒コーティング３０は、第１のＦＴＬ２４に部分的に、およびＰＥＭ２２の一表面に部分的に配置でき、カソード触媒コーティング３２は、第２のＦＴＬ２６に部分的に、およびＰＥＭ２２の他の表面に部分的に配置することができる。

ＦＴＬ２４、２６は、一般的に、カーボンファイバー紙または不織材料または織布から製造される。製品構造に応じて、ＦＴＬ２４、２６は片側にカーボン粒子コーティングを有することができる。ＦＴＬ２４、２６は、上述した通り、触媒コーティングを含める、または排除するように製造することができる。

図１ｂに示した特定の実施形態において、ＭＥＡ２５は、第１の端部シールシステム３４と第２の端部シールシステム３６との間に挟まれて図示されている。端部シールシステム３４、３６は、ＵＣＡパッケージ内に必要なシーリングを与えて、様々な流体（ガス／液体）移動および反応領域を、互いによる汚染から、そしてＵＣＡ２０から不適切に出ないよう単離し、フローフィールドプレート４０、４２の間に絶縁とハードストップ圧縮制御をさらに提供してもよい。

フローフィールドプレート４０および４２は、それぞれ、第１および第２の端部シールシステム３４および３６に近接配置されている。フローフィールドプレート４０、４２はそれぞれ、水素と酸素供給燃料が通過するガスフローチャネル４３およびポートのフィールドを含んでいる。フローフィールドプレート４０、４２はまた、本発明によるパッシブ型の二相冷却を促進するために構成された冷却剤チャネルおよびポートも組み込んでいる。冷却剤チャネルは、ガスフローチャネル４３を組み込んだ表面の反対のフローフィールドプレート４０、４２の表面に組み込まれている。

図１ｂに図示する構成において、フローフィールドプレート４０、４２は、モノポーラーフローフィールドプレートとして構成され、単一ＭＥＡ２５がその間に挟まれている。本実施形態およびその他の実施形態におけるフローフィールドは、共有米国特許第６，７８０，５３６号明細書に開示されたローラテラルフラックスフローフィールドであってもよい。

図１ｃに、１つ以上のバイポーラフローフィールドプレート５６を用いることにより多数のＭＥＡ２５を組み込んだＵＣＡ５０を示す。図１ｃに示す構成において、ＵＣＡ５０は２つのＭＥＡ２５ａおよび２５ｂと、一体型冷却チャネル５９を組み込んだ単一のバイポーラフローフィールドプレート５６を組み込んでいる。ＭＥＡ２５ａは、ＦＴＬ６６ａと６４ａとの間に挟まれたカソード６２ａ／膜６１ａ／アノード６０ａ層状構造を含む。ＦＴＬ６６ａは、バイポーラプレート５６について図示した通り、一体型冷却チャネル５９を備えたモノポーラフローフィールドプレートまたはバイポーラプレートとして構成してもよいフローフィールドエンドプレート５２に近接配置されている。ＦＴＬ６４ａは、バイポーラフローフィールドプレート５６の第１のフローフィールド表面５６ａに近接配置されている。同様に、ＭＥＡ２５ｂは、ＦＴＬ６６ｂと６４ｂとの間に挟まれたカソード６２ｂ／膜６１ｂ／アノード６０ｂ層状構造を含む。ＦＴＬ６４ｂは、バイポーラプレート５６について図示した通り、一体型冷却チャネル５９を備えたモノポーラフローフィールドプレートまたはバイポーラプレートとして構成してもよいフローフィールドエンドプレート５４に近接配置されている。ＦＴＬ６６ｂは、バイポーラフローフィールドプレート５６の第２のフローフィールド表面５６ｂに近接配置されている。

図１ｂおよび１ｃに示したＵＣＡ構成は、本発明によるパッシブ型の二相冷却で用いるのに構築可能な２つの特定の配列の代表例である。これら２つの配列は、例示の目的でのみ与えられており、本発明の範囲に入る可能な構成の全てを表すものではない。むしろ、図１ｂおよび１ｃは、特定の燃料電池アセンブリ設計に選択的に組み込むことのできる様々なコンポーネントを示すためのものである。

本発明によれば、燃料電池アセンブリ、スタックおよび電力系の単相冷却に対する変形のアプローチには、パッシブ型の二相または熱サイフォン冷却が必要とされる。燃料電池１２２を組み込み、図２ａの概略図に示した電力系１２０において、冷却剤は燃料電池１２２（例えば、燃料電池スタック、ただし個々の燃料電池とすることができる）を通過して、沸騰し、潜在的プロセスにより反応の熱を除去することができる。燃料電池スタック１２２から出た蒸気は、管１２６を通って、受動的に凝縮器１２４へ流れる。凝縮液は、図２ａに示す通り、重力下で、管１２８を介して、凝縮器１２４から燃料電池スタック１２２へ戻って流れる。図２ａに図示した一般的な冷却アプローチの変形例およびその他関連の冷却手法は、米国特許第６，３５５，３６８号明細書、同第６，１４６，７７９号明細書、同第５，４１１，０７７号明細書、同第５，０６４，７３２号明細書、同第４，８２４，７４０号明細書に記載されている。燃料電池アセンブリ、スタックおよび電力系の２相冷却に係るこれら、およびその他冷却構成は、本発明の様々な特徴を組み込むことにより、改善または向上され有利である。

本発明による燃料電池のためのパッシブ型の二相冷却アプローチを実施すると、従来の冷却アプローチに勝る数多くの利点が得られる。例えば、恒温操作を維持するのに能動的な制御やポンプは必要ない。システムは、燃料電池スタック温度を、例えば、２℃以内など、比較的狭い範囲に均一に維持するよう設計することができる。フローフィールドプレートに組み込まれた冷却剤チャネルの厚さ／深さは大幅に減じてもよい。例えば、４〜８ミルと薄い冷却剤チャネルを容易に得ることでき、これは、従来のフローフィールドプレート構成と比較してフローフィールドプレート（例えば、バイポーラプレート）の厚さを減じることができる。フローフィールドプレート厚さの減少によって、燃料電池スタック厚さもこれに伴って減少する。かかるシステムは大気圧または略大気圧で操作され、漏れが少ない傾向がある。

本発明の二相冷却システムは、ＭＥＡ温度より僅かに低い温度で操作される恒温ヒートシンクまたは熱源を提供する。一実施形態において、例えば、適切な伝熱流体は、ＭＥＡ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する。かかるシンクには、入力ガスストリームの温度および湿度を制御するのに大きな可能性がある。

水、炭化水素、フルオロケミカルまたは誘電性ハロカーボンをはじめとする様々な伝熱流体を用いてよい。一形態において、３Ｍノベック（ＮＯＶＥＣ）ハイドロフルオロエーテル流体などのハイドロフルオロエーテル流体を用いてよい。これらの流体は、優れた環境、健康、安全規制特性を有しており、スタックへ漏れたとしても膜／触媒アセンブリを汚さない。かかる流体は非腐蝕性であるため、アルミニウムや銅のような一般的な材料を配管および熱交換器に用いることができる。

一実施形態によれば、図２ｂおよび２ｃを参照すると、本発明の燃料電池スタックアセンブリは、少なくとも１つの膜電極アセンブリと、ＭＥＡの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置とを含む。図２ｂに示すフローフィールドプレート１００の活性領域には、これらに限られるものではないが、冷却剤フローに対して定義されたチャネル長Ｌおよびチャネル深さｄをそれぞれ有する数多くの流体フローチャネル１０２が含まれる。冷却剤チャネル１０２は、幅ｗおよびチャネル間隔ｓを有している。フローフィールドプレート１００は、それぞれ蒸気および凝縮液ポート１０４および１０６をさらに含む。一般的に、蒸気ポート１０４は凝縮液ポート１０６より大きく、より一般的には、蒸気ポート１０４は凝縮液ポート１０６より断面積が少なくとも１０倍大きい。冷却装置は、ＭＥＡが冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持するのが好ましい。他の形態において、冷却装置は、ＭＥＡが冷却に対する伝熱流体の熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持するよう構築されている。

一形態によれば、冷却剤チャネル１０２の深さｄは約１ｍｍ未満であるのが好ましい。例えば、冷却剤チャネル１０２の深さは約０．７ｍｍ未満である。さらなる例として、冷却剤チャネル１０２の深さは約０．５ｍｍ未満である。他の形態において、冷却剤チャネル１０２の深さは約０．３ｍｍ未満である。さらに他の形態において、冷却剤チャネル１０２の深さは約０．１ｍｍ未満である。

ある実施形態において、冷却剤チャネル１０２のチャネル長Ｌは約１０ｃｍより大きい。他の実施形態において、冷却剤チャネル１０２のチャネル長Ｌは約６０ｍｍ〜約２３０ｍｍである。特定の一態様において、例えば、冷却剤チャネル１０２のチャネル間隔ｓは約１ｍｍ〜約２ｍｍ、チャネル幅ｗは約１ｍｍ〜約３ｍｍ、チャネル長Ｌは約６０ｍｍ〜約２３０ｍｍの範囲である。チャネル深さｄに対するチャネル長Ｌの比率は、一般的に、約１５０〜約１１００である。

図３は、互いに接触した図２ｂおよび２ｃに示すタイプの２つのフローフィールドプレート１７２、１７４を含むアセンブリ１７０の断面図である。フローフィールドプレートのこの構成１７３は、バイポーラフローフィールドプレート構成において２つのプレート１７２、１７４間の内部冷却を提供し有利である。第１のＭＥＡ１７６は、ガスフローチャネル１８０を含むフローフィールドプレート１７２の表面と接触して示されている。第２のＭＥＡ１７８は、ガスフローチャネル１８２を含むフローフィールドプレート１７４の表面と接触して示されている。密閉された冷却チャネル１８４は、フローフィールドプレート１７２および１７４の冷却表面を互いに接触させて位置合せすると形成される。

上述したタイプのフローフィールドプレートの伝熱特性を、冷却剤チャネルに表面コーティングおよび／または特徴群を含めることによりさらに向上させることができ、これは限界熱流束を増大することができ有利である。様々な表面コーティングおよび特徴群を用いて、限界熱流束を効率的に増大させることができる。フローフィールドプレートの冷却剤チャネルに組み込むことのできるかかる表面コーティングおよび特徴群としては、ナノ構造化特徴群、マイクロポーラス特徴群およびファン・デル・ワールス固体に見受けられるような非局在化パイ電子を含む実質的に平面の有機分子を含むコーティングが例示される。

低熱流束であっても信頼性のある発生を確保する一つの技術は、加熱表面（例えば、冷却剤チャネルにおいて）にポーラスコーティングを用いることである。これらのコーティングは、核生成部位を生み出すことにより発生を促進する。別個の熱源からの飽和沸騰において、コートした冷却剤チャネル表面は、約０．２〜０．５Ｗ／ｃｍ²の発生熱流束を示し、未コート表面より８０％低く、発生過熱において９０％減少、核形成沸騰伝熱係数において３００％増大である。

所定の活性領域幅Ｗ、長さＬおよび熱流束Ｑ”については、図４に示す適正な操作を許容するある値のチャネル幅ｗ、チャネル間隔ｓおよびチャネル深さｄがある。例えば、ｓまたはｗが小さすぎる（１５０）と、チャネル１０２のいくつか、または全てが限界熱流束に達して、燃料電池スタックが全出力に達する前にドライアウトする恐れがある。これによって、燃料電池内の温度勾配、急速な温度暴走およびバーンアウトが生じ得る。チャネル１０２が大きすぎる（１５２）場合には、発生が生じない恐れがあり、単相自然対流によって、チャネル１０２に沿って上方へ移動する漸次温度上昇が生じるであろう。発生がチャネル１０２の中央のどこかで生じる場合には、急速な温度降下がその点で観察される。これらの現象は、燃料電池内および燃料電池間で不均一に生じ得る。温度均一性は、燃料電池の適正な操作に欠かせないものであるため、適切なフローフィールドプレート寸法の選択および本発明による表面コーティング／特徴群の組み込みによって、上述の現象（１５１）が排除される。

フローフィールドプレート冷却剤チャネルの限界熱流束の増大は、マイクロポーラスおよびナノ構造化特徴群などの適切な表面コーティングおよび／または特徴群に加えて、またはこれは除いた、チャネル寸法の適切な選択により行うことができる。その詳細は以下の実施例に記載されている。一般に、ナノ構造化特徴群は、均一に配向されたナノ構造化特徴群とすることができ、かつ／または所定の幾何形状を有することができる。内側チャネル表面は、約１００万／ｃｍ²を超えるナノ構造を含むことができる。例えば、内側チャネル表面は、約１０億／ｃｍ²を超えるナノ構造を含むことができる。ナノ構造化特徴群の長さは約０．１ミクロン〜約３ミクロン、アスペクト比（長さ対平均直径）は約３より大きくてよい。本発明で用いるのに好適なナノ構造特徴群は、有機顔料の金属コートウィスカ、最も好ましくはＣ．Ｉ．ピグメントレッド（ＰＩＧＭＥＮＴＲＥＤ）１４９（ＲＰ−１４９ペリレンレッド）を含む。結晶ウィスカは実質的に均一であるが、同一の断面および高い長さ対幅比は有していない。マイクロポーラス特徴群は、前述した通り、微小粒子の集合体を含んでいてもよい。

実施例
図２ａのブロック図フォームに示す装置を用いて、代表的なフローフィールド冷却剤プレート内のパラメータを調べた。この装置は、７インチ×２０インチ、厚さ１／１６”のアルミニウムヒータープレートを含んでおり、４インチ×１５インチ、深さ１／３２インチのリセスを機械加工して、５つの平坦な接着剤付きカプトン（ＫＡＰＴＯＮ）ヒーター（ミンコ（Ｍｉｎｃｏ）型番５４６６、３”×４”、公称抵抗値４．１オーム、ミネソタ州、ミネアポリス、ミンコ社（ＭｉｎｃｏＩｎｃ．，ＭｉｎｎｅａｐｏｌｉｓＭＮ））を収容した。残りのリセスにはプラスティシエンクレイを充填した。ヒータープレートのこの裏面を同じ寸法の０．７５インチプレキシグラス（Ｐｌｅｘｉｇｌａｓ）プレートと合わせた。熱界面グリースの薄層（ウェークフィールドサーマルコンパウンド１２０−２＜ウェークフィールドエンジニアリング社、マサチューセッツ州、ウェークフィールド（ＷａｋｅｆｉｅｌｄＴｈｅｒｍａｌＣｏｍｐｏｕｎｄ１２０−２＜ＷａｋｅｆｉｅｌｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃ．Ｗａｋｅｆｉｅｌｄ，ＭＡ））で、このプレートの前面を他の１／１６”アルミニウムチャネルプレートの裏と合わせた。このプレートの裏は、深さ１／３２インチの溝を有しており、直径０．０１インチのタイプ−Ｔ熱電対が入れられており、上述のヒーターの１〜５の活動により形成される活性領域の下部、中央および上部と対応する水平中心線および垂直位置で終わっている。これについて説明する。

このチャネルプレートの平坦な前部は、流体チャネルの内側を形成した。接着剤付きフィルム（３Ｍビニルフィルム、公称厚さ０．００４”）を、所望のチャネル厚さｔを形成するために、適宜、層に適用した。本開示内容において、チャネル厚さｔは、チャネル深さｄと同じ意味で用いられることに注意されたい。フィルムまたはフィルム層を予め切断し、チャネルプレートに適用したとき、それらがチャネル間リブを作成するようにした。チャネル間リブは加熱領域にのみ存在していた。チャネル壁表面の影響を調べるために、以下の表１に示すように、リブに様々な処理を適用する前に、チャネルプレートを修正した。

同様のアセンブリが、チャネル領域の第２の壁を形成した。このアセンブリはヒーターおよび最初と同じチャネル表面処理を有しているが、リブをそれには適用せず、熱電対は備えていなかった。また、液体が入る直径０．２５インチの孔、および蒸気がアセンブリを出る対の直径０．２５インチの孔を含んでいた。プレートアセンブリをボルトで留めた。

装置は、加熱領域が幅４インチ、長さ７６、１５２、２２９、３０５および３８１ｍｍになるように設計されていた。様々な長さはヒーター対１−５の動作に対応していた。最初の３つの長さのみをこの調査に用いた。全ての長さについては、液体戻り孔により液体が戻された。この孔は真鍮ホースバードに接続されていた。各長さについては、その加熱領域の直ぐ上の２つの蒸気通路のみが同様のホースバーブに開いていた。例えば、装置は２つのヒーター（加熱領域高さ６インチ）用に構成されていた。このように、全蒸気孔は、活性領域の直ぐ上を除いて栓がされていた。これらは、ホースバーブを介して凝縮器アセンブリに接続されていた。

凝縮器は、水道水により冷却される従来の水冷シェルおよび管熱交換器であった。装置を凝縮器に接続するマニホルドは、液体戻りラインで作用する液体の高さまたはヘッドが見えるよう透明部分を有していた。実験のために、これは、チャネルまたは活性領域の上部で液体ヘッドを保持するよう調整された。

ヒーターを、ナショナルインスツルメンツラブビュー（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＬａｂｖｉｅｗ）データ収集システムへのアナログ接続を介して、適宜、ケプコ（Ｋｅｐｃｏ）型番ＢＯＰ２０−２０Ｍ（２０Ｖ、２０Ａ）バイポーラ操作電源／増幅器に接続した。ヒーターへの電圧および熱電対温度をこの同じデータ収集システムでモニターした。

装置をフルオリナート（Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ）ＦＣ−８７またはペルフルオロペンタンを用いて運転した。この流体は２９℃で沸騰し、分子量は２８８ｇ／モルである。これは、分子量が２６４ｇ／モルで、沸点が７６℃のＨＦＥ−７２００と同様であり、実際のＰＥＭ燃料電池について好ましい流体と考えられる。その沸点３０℃がプレキシガラスの熱損失および応力を最小にするため、ＦＣ−８７を用いた。

自動データ収集システムは、一般的に、４ＶＤＣで起動し、１５分毎に０．５ＶＤＣ増分して進むようプログラミングされていた。前の実験によれば、この期間で定常状態に達したことが分かった。各時間の間隔の終わりで、システムは１００回の測定を迅速に収集し、それらを平均して、結果を記録した。データには、測定時間、ヒーター電圧および上部（Ｔ３）、下部（Ｔ１）および中央（Ｔ２）温度が含まれていた。

後述する結果は、壁熱流束を独立変数として提示している。かかるデータを検討するとき、参照可能な３つの熱流束があることに注意されたい。熱流束Ｑ”_genは、電流密度と電池過電圧の積である１つのＭＥＡで生成された熱流束である。各２つの近接するＭＥＡ間に１つのバイポーラまたは冷却プレートがあると仮定すると、各冷却プレートはその２つの表面のそれぞれで約¹／₂Ｑ”_genを受け、Ｑ”_genの合計熱流束が失われる。以下の結果に報告された熱流束Ｑ”は、実験中、各プレート表面に適用された熱流束である。このように、
Ｑ”〜Ｑ”_gen／２［１］
である。

他の文献と比較するのに有用な第３の熱流束はチャネル壁熱流束である。リブは略断熱であると仮定すると、この流束は
Ｑ”_lit＝（ｗ＋ｓ）Ｑ”／ｗ［２］
に等しい。

熱電対温度Ｔ２とＴ３の間の差をプレート全体の温度変化の尺度として用いた。
温度変化＝（Ｔ３−Ｔ２）［３］。

上述した実験構成から導き出されたデータを図８ａ〜１２ｂに示す。図は、平均表面温度と、表示された寸法および表面処理の冷却剤チャネル（ベア冷却チャネルの場合には表面処理なし）についての熱流束Ｑ”の関数としてその空間変化を示している。図８ａ〜１２ｂに図示したデータから明らかなとおり、冷却剤チャネルコーティング／特徴群のタイプおよびチャネル寸法は限界熱流束に大幅に影響している。本発明による冷却剤チャネルコーティング／特徴群および寸法を入念に選択すると、プレートの冷却チャネルの全長に沿って二相冷却を行うフローフィールドプレートに組み込んだある冷却構成の効率を大幅に向上させることができる。

図８ａ〜１２ａについてのｙ軸ラベルは温度Ｔ３である。Ｔ３とは、冷却剤チャネルの上部または遠端に位置する３つの熱電対の三番目を指す。Ｔ３はドライアウトが生じるときを示すために与えられている。図８ｂ〜１２ｂについてのｙ軸ラベルは温度差Ｔ３−Ｔ２である。Ｔ２とは、冷却剤チャネルの略中央に位置する３つの熱電対の二番目を指す。Ｔ３とＴ２の差は、冷却剤チャネルのＴ２とＴ３の温度センシング位置間の温度不均一性を示す。

図８ａは、（１）未コート冷却剤チャネル（表面修正を加えていないベアビニル／アルミニウムチャネル）、（２）ウィスカまたは白金のないＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネル、および（３）ウィスカのあるＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示す。これらのウィスカは「ナノ構造化」特徴群と呼ばれる。図８ａに、「ナノ構造化の影響」と呼ぶことのできるものを示す。図８ａに容易に見られるとおり、ナノ構造化の影響によって、冷却剤チャネルにナノ構造化コーティングを用いることにより、より高い限界熱流束が与えられる。図８ｂは、２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図８ａのデータを示す。

図９ａは、（１）未コート冷却剤チャネル、（２）ウィスカまたは白金のないＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネル、および（３）ベア微細構造触媒移動基材（ＭＣＴＳ）ＵＶ硬化アクリレート基材（「鋸刃」特徴群）を用いて構築されたマイクロチャネルを備えた冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示す。図９ａに、「ファン・デル・ワールス固体の影響」と呼ぶことのできるものを示す。

図９ａにグラフで示すデータにより説明されるとおり、「ファン・デル・ワールス固体の影響」によって、冷却剤チャネルにファン・デル・ワールス固体を備えたコーティングを用いることにより、より高い限界熱流束が与えられる。様々な有用なファン・デル・ワールス固体としては、共有米国特許第４，８１２，３５２号明細書に記載されたものが挙げられる。図９ｂは、２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図９ａのデータを示す。

図１０ａは、（１）未コート冷却剤チャネル、（２）ウィスカのあるＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネル、および（３）白金ウィスカのあるマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示す。図１０ａに示したデータは、ナノ構造化冷却剤チャネル表面についての限界熱流束に与えるファン・デル・ワールス固体の影響を補足するものである。図１０ｂは、２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図１０ａのデータを示す。

図１１ａは、異なる深さの未コート冷却剤チャネルと異なる深さのマイクロポーラスコート冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示す。図１１ａは、マイクロポーラスコート冷却剤チャネルが、様々なチャネル深さについてベアチャネルに対してより高い限界熱流束を与えることを示している。図１１ｂは、２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図１１ａのデータを示す。

図１２ａは、異なる深さおよび長さの未コート冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示す。図１２ａは、チャネル深さおよび長さの限界熱流束に与える影響を示す。図１２ｂは、２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図１２ａのデータを示す。

図８ａ〜１２ｂによれば、上述した様々なコーティングは、フローフィールドプレートの冷却剤チャネルに組み込まれたとき、限界流束を大幅に増大させることができるということが分かる。これらのコーティングのうち、マイクロポーラスコーティングが、最も目覚しい向上を示し、ナノ構造化コーティングがこれに続く。ナノ構造化コーティングはドライアウトをかなり遅延するが、温度不均一性がかなり大きいこともさらに分かる。対照的に、マイクロポーラスコーティングは、温度不均一性を最小にしながら、ドライアウトを大幅に遅延した。ベアマイクロチャネルおよび白金コートウィスカを備えたマイクロチャネルは大幅な向上を示さなかったことは興味深い。これは、ペリレンと白金表面間の差を暗示している。マイクロポーラスコーティングは、ｔ＝０．５０８ｍｍ〜ｔ＝０．２０３ｍｍであるとき改善を示すことも注目する価値がある。この傾向は、厚さをｔ＝０．１０２ｍｍまでさらに減じると持続しない。これは、最良のチャネル厚さを暗示している。

本発明の様々な実施形態の前述の記載は、例示および説明のために示されてきた。本発明は、開示された正確な形態で網羅または限定されるものではない。上記の教示を鑑みれば、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明に限定されるものではなく、添付の請求項により限定されるものとする。

燃料電池およびその構成層の図である。本発明の実施形態によるモノポーラ構成を有する単体電池アセンブリを示す。本発明の実施形態によるモノポーラ／バイポーラ構成を有する単体電池アセンブリを示す。燃料電池を用いる電力系を冷却するためのパッシブ型の二相冷却装置のブロック図である。本発明の実施形態を実施するのに好適なバイポーラフローフィールドプレートに提供された冷却剤チャネル構成を示す。図２ｂに示したフローフィールドプレートのいくつかの冷却剤チャネルの部分斜視図である。各冷却剤チャネル構成が接触した関係にある図２ｂおよび２ｃに示すタイプの２つのフローフィールドプレートの断面図である。大きすぎる、または小さすぎるチャネル深さを用いる影響を示す、冷却剤チャネル温度対冷却剤チャネル長のグラフである。本発明のパッシブ型の二相冷却アプローチによるフローフィールドプレートの冷却剤チャネルをコーティングするのに好適なマイクロポーラス材料（例えば、「マイクロポーラスコーティング」）の電子顕微鏡写真である。本発明のパッシブ型の二相冷却アプローチによりフローフィールドプレートの冷却剤チャネルのコーティングとして用いてよい、有機顔料ＰＲ−１４９（ロードアイランド州、コベントリーのクラリアント（Ｃｌａｒｉａｎｔ，Ｃｏｖｅｎｔｒｙ，ＲＩ）より「１３−４０００ＰＶファストレッド（ＦＡＳＴＲＥＤ）１３という商品名で入手可能）ウィスカを表面（例えば、「ナノ構造化」コーティング）に備えた微細構造触媒移動基材（ＭＣＴＳ）の拡大断面である。本発明のパッシブ型の二相冷却アプローチによるフローフィールドプレートの冷却剤チャネルのコーティングとして用いてよい白金コートＰＲ−１４９ウィスカを表面に備えたＭＣＴＳの拡大断面である。（１）未コート冷却剤チャネル、（２）ウィスカまたは白金のないＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネル、および（３）ウィスカのあるＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示し、冷却剤チャネルにナノ構造化コーティングを用いることにより、より高い限界熱流束を与える「ナノ構造化の影響」を示している。２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図８ａのデータを示す。（１）未コート冷却剤チャネル、（２）ウィスカまたは白金のないＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネル、および（３）ベアＭＣＴＳＵＶ硬化アクリレート基材を用いて構築されたマイクロチャネルを備えた冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示し、冷却剤チャネルにファン・デル・ワールス固体を備えたコーティングを用いることにより、より高い限界熱流束を与える「ファン・デル・ワールス固体の影響」を示している。２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図９ａのデータを示す。（１）未コート冷却剤チャネル、（２）ウィスカのあるＰＲ−１４９コートマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネル、および（３）白金コートウィスカのあるマイクロチャネルを含めるよう構築された冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示し、ナノ構造化冷却剤チャネル表面についての限界熱流束に与えるファン・デル・ワールス固体の影響を補足している。２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図１０ａのデータを示す。異なる深さの未コート冷却剤チャネルと異なる深さのマイクロポーラスコート冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示し、マイクロポーラスコート冷却剤チャネルが、様々なチャネル深さのベアチャネルに対して、より高い限界熱流束を与えることが示されている。２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図１１ａのデータを示す。異なる深さおよび長さの未コート冷却剤チャネルについての温度対熱流束のプロットを示し、チャネル深さおよび長さの限界熱流束に対する影響を示している。２つのチャネル長位置での温度差対熱流束に関してプロットされた図１２ａのデータを示す。

Claims

少なくとも１つの膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置と、
を含む燃料電池スタックアセンブリであって、前記フローフィールドプレートが、冷却剤フローの方向に対して定義されたチャネル長と約１ｍｍ未満のチャネル深さとを有する複数の流体フローチャネルを含み、前記膜電極アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、燃料電池スタックアセンブリ。
前記複数のチャネルの深さが約０．７ｍｍ未満である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルの深さが約０．５ｍｍ未満である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルの深さが約０．３ｍｍ未満である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルの深さが約０．１ｍｍ未満である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記冷却に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、請求項１に記載のアセンブリ。
前記チャネル長が約１０ｃｍより大きい、請求項１に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルのチャネル間隔が約１ｍｍ〜約２ｍｍ、チャネル幅が約１ｍｍ〜約３ｍｍ、チャネル長が約６０ｍｍ〜約２３０ｍｍである、請求項１に記載のアセンブリ。
チャネル深さに対する前記チャネル長の比が約１５０〜約１１００である、請求項１に記載のアセンブリ。
前記冷却装置がフルオロケミカルを含む伝熱流体をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
前記冷却装置が誘電性ハロカーボンを含む伝熱流体をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
前記冷却装置が水を含む伝熱流体をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
前記冷却装置が炭化水素を含む伝熱流体をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記フローフィールドプレートの表面と接触するように構成された表面を含み、前記冷却装置が前記膜電極アセンブリ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する伝熱流体をさらに含む、請求項１に記載のアセンブリ。
少なくとも１つの膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置と、
を含む燃料電池スタックアセンブリであって、前記フローフィールドプレートが、ナノ構造化特徴群をそれぞれ含む内側チャネル表面を有する複数の流体フローチャネルを含み、前記膜電極アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、燃料電池スタックアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記ナノ構造化特徴群が均一に配向されたナノ構造を含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記ナノ構造化特徴群が所定の幾何学的形状を有するナノ構造を含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記内側チャネル表面が約１００万／ｃｍ²を超えるナノ構造を含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記内側チャネル表面が約１０億／ｃｍ²を超えるナノ構造を含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記ナノ構造化特徴群の長さが約０．１ミクロン〜約３ミクロンである、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルのチャネル長が約１０ｃｍより大きい、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記冷却装置がフルオロケミカルまたは誘電性ハロカーボンを含む伝熱流体をさらに含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記冷却装置が水または炭化水素を含む伝熱流体をさらに含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記フローフィールドプレートの表面と接触するように構成された表面を含み、前記冷却装置が前記膜電極アセンブリ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する伝熱流体をさらに含む、請求項１５に記載のアセンブリ。
少なくとも１つの膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置と、
を含む燃料電池スタックアセンブリであって、前記フローフィールドプレートが、マイクロポーラス特徴群をそれぞれ含む内側チャネル表面を有する複数の流体フローチャネルを含み、前記膜電極アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、燃料電池スタックアセンブリ。
前記マイクロポーラス特徴群がマイクロスフェアを含む、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記マイクロポーラス特徴群がセラミックマイクロスフェアを含む、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルのチャネル長が約１０ｃｍより大きい、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記冷却装置がフルオロケミカルまたは誘電性ハロカーボンを含む伝熱流体をさらに含む、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記冷却装置が水または炭化水素を含む伝熱流体をさらに含む、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記フローフィールドプレートの表面と接触するように構成された表面を含み、前記冷却装置が前記膜電極アセンブリ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する伝熱流体をさらに含む、請求項２６に記載のアセンブリ。
少なくとも１つの膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートを含む冷却装置と、
を含む燃料電池スタックアセンブリであって、前記フローフィールドプレートが、非局在化パイ電子を含む実質的に平面の有機分子を含むコーティングをそれぞれ有する内側チャネル表面を有する複数の流体フローチャネルを含み、前記電極膜アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、燃料電池スタックアセンブリ。
前記有機分子が前記パイ電子の密度を広く非局在化させる鎖または環を含む、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記コーティングがファン・デル・ワールス固体を含む、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記電極膜アセンブリが前記冷却剤に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が冷却剤フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルのチャネル長が約１０ｃｍより大きい、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記冷却装置がフルオロケミカルまたは誘電性ハロカーボンを含む伝熱流体をさらに含む、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記冷却装置が水または炭化水素を含む伝熱流体をさらに含む、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記フローフィールドプレートの表面と接触するように構成された表面を含み、前記冷却装置が前記電極膜アセンブリ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する伝熱流体をさらに含む、請求項３４に記載のアセンブリ。
少なくとも１つの膜電極アセンブリと、
伝熱流体と、前記電極膜アセンブリが前記伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記膜電極アセンブリの実質的にパッシブ型の二相冷却を促進するよう構成された少なくとも１つのフローフィールドプレートとを含む冷却装置と、
を含む燃料電池スタックアセンブリであって、前記フローフィールドプレートが複数の流体フローチャネルを含み、前記複数のチャネルが、チャネル深さ、チャネル間隔、チャネル長および約５ｍｍ未満のチャネル幅を有し、
前記チャネル幅、チャネル間隔、チャネル長およびチャネル深さが、限界熱流束より低い伝熱流体の核沸騰を促進し、前記伝熱流体が前記チャネル長に沿って通過する際のドライアウトを防ぐように寸法決めされる、燃料電池スタックアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が伝熱流体フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が伝熱流体フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する、請求項４２に記載のアセンブリ。
チャネル幅、チャネル間隔、チャネル長およびチャネル深さが、前記チャネルの入口領域での前記伝熱流体の発生を促進し、前記伝熱流体が前記チャネルの出口領域を通過する際、前記熱流束が限界熱流束を超えるのを防ぐように寸法決めされる、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記チャネル長が約１０ｃｍより大きい、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記チャネル間隔が約１ｍｍ〜約２ｍｍ、前記チャネル幅が約１ｍｍ〜約３ｍｍである、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルの伝熱流体フロー方向のチャネル長が約６０ｍｍ〜約２３０ｍｍである、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記複数のチャネルが、あるチャネル長を有し、チャネル深さに対する前記チャネル長の比が約１５０〜約１１００である、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記チャネル深さが約１ｃｍ未満である、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記伝熱流体がフルオロケミカルを含む、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記伝熱流体が誘電性ハロカーボンを含む、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記伝熱流体が水または炭化水素を含む、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記フローフィールドプレートの表面と接触するように構成された表面を含み、前記伝熱流体が前記膜電極アセンブリ表面の最大温度を約３℃よりも下回る操作圧力での沸点を有する、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記複数の流体フローチャネルが、ナノ構造化特徴群をそれぞれ含む内側チャネル表面を有する、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記複数の流体フローチャネルが、マイクロポーラス特徴群をそれぞれ含む内側チャネル表面を有する、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記複数の流体フローチャネルが、非局在化パイ電子を含む実質的に平面の有機分子を含むコーティングをそれぞれ有する内側チャネル表面を有する、請求項４２に記載のアセンブリ。
少なくとも１つの膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリと熱接触し、流体フローチャネルを含む少なくとも１つのフローフィールドプレートと、
前記ＭＥＡが伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、実質的にパッシブ型の二相冷却により、前記膜電極アセンブリを冷却する手段と、
を含む燃料電池スタックアセンブリであって、前記冷却手段が、限界熱流束より低い伝熱流体の核沸騰を促進して、前記伝熱流体が前記流体フローチャネルの長さに沿って通過する際のドライアウトを防ぐ手段を含む、燃料電池スタックアセンブリ。
前記膜電極アセンブリが前記伝熱流体に対する熱流束において約０Ｗ／ｃｍ²〜約１．５Ｗ／ｃｍ²の変化を受ける際、前記冷却装置が伝熱流体フローの方向に約０．２℃／ｃｍ未満の最大温度勾配を維持する手段を含む、請求項５８に記載のアセンブリ。
前記冷却手段が、前記チャネルの入口領域での前記伝熱流体の発生を促進し、前記伝熱流体が前記チャネルの出口領域を通過する際、前記熱流束が限界熱流束を超えるのを防ぐ手段を含む、請求項５８に記載のアセンブリ。
前記フローフィールドプレートが蒸気ポートと凝縮液ポートとをさらに含み、前記蒸気ポートが前記凝縮液ポートより大きい、請求項１に記載のアセンブリ。
前記フローフィールドプレートが蒸気ポートと凝縮液ポートとをさらに含み、前記蒸気ポートが前記凝縮液ポートより大きい、請求項１５に記載のアセンブリ。
前記フローフィールドプレートが蒸気ポートと凝縮液ポートとをさらに含み、前記蒸気ポートが前記凝縮液ポートより大きい、請求項２６に記載のアセンブリ。
前記フローフィールドプレートが蒸気ポートと凝縮液ポートとをさらに含み、前記蒸気ポートが前記凝縮液ポートより大きい、請求項３４に記載のアセンブリ。
前記フローフィールドプレートが蒸気ポートと凝縮液ポートとをさらに含み、前記蒸気ポートが前記凝縮液ポートより大きい、請求項４２に記載のアセンブリ。
前記フローフィールドプレートが蒸気ポートと凝縮液ポートとをさらに含み、前記蒸気ポートが前記凝縮液ポートより大きい、請求項５８に記載のアセンブリ。