JP2008535189A - 流れ場プレイト及びこの流れ場プレイトを含んだ燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
流れ場プレイト及びこの流れ場プレイトを含んだ燃料電池スタックを提供する。一種の流れ場プレイト及びこの流れ場プレイトを含んだ燃料電池スタックである。その中に、前記流れ場プレイト（19）は流れ場プレイトのセンターに位置するセンター孔（5）と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔（6）及び流出孔（7）を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔（5）をめぐって分布して且つ流入孔（6）と流出孔（7）と接続するダイバージョン槽を含む。本発明が提供する流れ場プレイトはセンター孔をめぐって分布して且つ流入孔と流出孔と接続するダイバージョン槽を持ったために、反応剤の平均的な分布にとって有利で、流れ場プレイトに“死角”部分が無くて、反応剤が平均的に流れ場プレイトのいずれかの部分に分布することができて、且つ反応生成物、例えば水、窒素、二酸化炭素なども直ちに排出することができて、流れ場プレイトに富化しないために、反応剤の利用率及び燃料電池の性能と使用寿命を向上した。
【選択図】図３
【選択図】図３
Description
本発明は燃料電池の分野に関し、より具体的には、流れ場プレイト及びこの流れ場プレイトを含んだ燃料電池スタックに関する。
燃料電池は燃料及び酸化剤の化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに転化する発電装置で、効率が高くて、汚染が少なくて、雑音が小さいことを特徴とする。燃料電池はただ１つの単量体燃料電池だけでもよくて、多数の単量体燃料電池から構成した燃料バッテリーでもよい。
一般に、単量体燃料電池がプロトン交換膜1、陽極2、陰極3及びダイバージョン極板4を含んで、図1が示した通りである。
プロトン交換膜1は透水気密の一種の半透膜で、それがプロトン伝導作用を持って、酸化剤と燃料の混合による爆発を防止することができる。
陽極2は一種のガス拡散電極で、その支持材が普通に電気伝導の炭素繊維或いはカーボンファブリックから構成する。陽極2とプロトン交換膜1の間に陽極反応のカタリシスする触媒である。この陽極触媒が普通にプラチナ粉末、プラチナを含む合金粉末、キャリヤーに載せるプラチナ、或いはキャリヤーに載せる且つプラチナを含む合金粉末である。前記プラチナを含む合金がプラチナ、とルテニウム、錫、イリジウム、オスミウム及びレニウムから選ばれた一種以上を含む。前記キャリヤーは高い比表面積と電気伝導機能を持ったキャリヤーで、例えば活性炭である。
陰極3も一種のガス拡散電極で、その構成が陽極の構造と同じで、違ったのは陰極3とプロトン交換膜1の間の触媒が陰極反応のカタリシスする触媒である。当該陰極触媒が普通にプラチナ粉末、キャリヤーに載せるプラチナ粉末である。
陽極2と陰極3の外側がダイバージョン極板4で、ダイバージョン極板4が石墨の材料或いは金属の材料から製造される。
燃料電池の中に、普通に空気或いは酸素を酸化剤として、水素或いはメタノール、エタノールなどを燃料とする。例えば、メタノールを燃料として、空気を酸化剤とする燃料電池が電気化学反応を行う時に以下の反応を発生する：
陽極 CH3OH+H2O→CO2+6H++6e （1）
陰極 3/2O2+6H++6e→3H2O， （2）
陽極と陰極によって次の総括反応を発生する：
CH3OH+3/2O2→CO2＋2H2O （3）
陽極2と陰極3の上述電気化学反応は陽極2と陰極3間に電位差を生ませる。陽極2が生んだ電子は陽極2外層に位置するダイバージョン極板4と外部導電体を通って、最後に陰極3によって捕捉されて、陽極2が生んだプロトンはプロトン交換膜1を通って直接的に陰極3に伝送して、このようにして電流を形成した。単量体燃料電池が正常的に作動する時の電圧は0.3V〜1.0Vの間で、より高い電圧とパワーを獲得するために、実際の応用する時にいつも上述の単量体燃料電池を直列接続して電池スタックの形式に構成する。
陽極 CH3OH+H2O→CO2+6H++6e （1）
陰極 3/2O2+6H++6e→3H2O， （2）
陽極と陰極によって次の総括反応を発生する：
CH3OH+3/2O2→CO2＋2H2O （3）
陽極2と陰極3の上述電気化学反応は陽極2と陰極3間に電位差を生ませる。陽極2が生んだ電子は陽極2外層に位置するダイバージョン極板4と外部導電体を通って、最後に陰極3によって捕捉されて、陽極2が生んだプロトンはプロトン交換膜1を通って直接的に陰極3に伝送して、このようにして電流を形成した。単量体燃料電池が正常的に作動する時の電圧は0.3V〜1.0Vの間で、より高い電圧とパワーを獲得するために、実際の応用する時にいつも上述の単量体燃料電池を直列接続して電池スタックの形式に構成する。
燃料電池の中に、流れ場プレイトの構造は反応剤と生成物が流れ場の中の流動状態を決定して、そのために流れ場プレイトが燃料電池の肝心な部品の1つである。十分な反応剤を電極の各所に分布させて、且つ直ちに反応生成物を排出させることは燃料電池の正常な運行を保証する肝心であるために、もし反応剤が電極の各所に不平均に分布すれば、電極の各所に反応が不平均であることをもたらして、それによって電流密度の分布は不平均になって、電池の局部が過熱になり、さらに電池の使用寿命及び電池の性能を降下する。また、反応に形成した水を直ちに排出することができないならば、反応の進行することに従って、陰極に累積した水は：（1）触媒の周囲の水が反応剤と触媒の接近を障害して、つまりいわゆる“電極水浸”現象で、直接的に電池の性能を降下する；（2）反応剤が拡散層を通ってカタリシス層に到着する物質移動抵抗を増大して、電池の出力パワーを降下した；（3）プロトン交換膜の局部に、水の累積による膨潤現象が出現することもある。
CN1405909Aは1種の燃料電池の流れ場プレイトを公開して、図2に示すように、反応剤の分布及び反応生成物の排出の問題を解決するように、この流れ場プレイトに多数の相互平行伸びるダイバージョン槽を設置しておいたが、その効果がよくない、問題が依然として存在している。
本発明は、反応剤を平均的に分布させて、且つ反応生成物を直ちに排出させて、それによって効果的に反応剤の拡散及び反応生成物の排出の問題を解決することができる流れ場プレイトを提供することを目的とするものである。
本発明の別の１つの目的はこの流れ場プレイトを含む燃料電池スタックを提供することにある。
本発明に係る流れ場プレイトは、流れ場プレイトのセンターに位置するセンター孔と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔及び流出孔を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔をめぐって分布して且つ流入孔と流出孔と接続するダイバージョン槽を含む。
本発明に係る燃料電池スタックは流れ場プレイトを含んで、前記流れ場プレイトが流れ場プレイトセンターに位置するセンター孔と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔及び流出孔を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔をめぐって分布して且つ流入孔と流出孔と接続するダイバージョン槽を含む。
本発明が提供する流れ場プレイトは反応剤の流入孔と流出孔を分かれて、センター孔をめぐって分布して且つ流入孔と流出孔と接続するダイバージョン槽を持っているために、反応剤が流入孔を通って流れ込ませて、ダイバージョン槽を通って流れ場プレイトのすべての区域に拡散して、最後に流出孔に集まって、それによって反応剤拡散の濃度勾配を形成して、反応剤の平均的な分布にとって有利である。そのために本発明が提供する流れ場プレイトに“死角”部分が無くて、反応剤が平均的に流れ場プレイトのいずれかの部分に分布することができて、且つ反応生成物、例えば水、窒素、二酸化炭素なども直ちに排出することができて、流れ場プレイトに富化しなくて、そのために反応剤の利用率及び燃料電池の性能と使用寿命を向上した。
以下、図面及び具体的な実施の形態を結び付けて、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る流れ場プレイト19は流れ場プレイトセンターに位置するセンター孔5と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔6及び流出孔7を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含む。
前記流れ場プレイト19は石墨或いは金属材料、例えばチタン、ニオビウム、アルミニウム、銅、ステンレス、金、銀など電気伝導性能のよい材料で製造されるのである。腐食を防止するために、流れ場プレイトの表面に対して処理してもよくて、例えば高温で、窒素の中に置いて、その表面に金属の窒化物を形成させて、腐食の防止する作用を果たす。また、金属とプラスチックの複合材料を採用して製造されてもよい。前記流れ場プレイト19は各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、矩形或いは楕円形が好ましい。流れ場プレイトのセンター孔5、及び流入孔6と流出孔7もそれぞれ各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、六角形或いは四角形が好ましい。且つ、センター孔及び流入孔と流出孔の寸法が必要によって製造することができて、酸化剤或いは燃料の流通に満足することができるならばよい。
好ましくは、前記流入孔6と流出孔7の位置がセンター孔5を基点として対称する。前記ダイバージョン槽が流れ場プレイトの形に従って分布する。前記ダイバージョン槽がアーク線形或いはポリライン形である。流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3-4/5で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/5-1/2である。
好ましくは、センター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った前記流れ場プレイト19の一面のセンター孔5の周囲、及び流れ場プレイトの外側周辺にそれぞれシールメンバー8を設置しておく。シールメンバー8は各種の弾力性材料、例えば浸透性ゾルプラスチック、ゴム、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、泡沫材料中の一種以上を採用して製造してもよい。
本発明の１つの具体的な実施形態で、前記流れ場プレイト19が円形である。流れ場プレイトの一面はアーク線の形式でセンター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含んで、この時にダイバージョン槽が流れ場プレイトの円形に従って分布して、形がまわりまわりの競走路に似ていて、図3が示した通りである。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ円形の流れ場プレイトの直径に沿って、流れ場プレイトの縁に近づいて、センター孔5を基点として対称する２つの位置に分布しておく。その中に、流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/4である。
本発明の第2の具体的な実施形態で、前記流れ場プレイト19が矩形である。流れ場プレイトの一面はポリラインの形式でセンター孔5をめぐって、流れ場プレイトの矩形によって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含んで、図4が示した通りである。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ矩形の流れ場プレイトの対角線に沿って、流れ場プレイトの縁に近づいて、センター孔5を基点として対称する２つの位置に分布しておく。その中に、流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が3/5で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/2である。
本発明の第3の具体的な実施形態で、前記流れ場プレイト19が楕円形である。流れ場プレイトの一面はアーク線の形式でセンター孔5をめぐって、流れ場プレイトの楕円形によって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含んで、図5が示した通りである。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ楕円形の流れ場プレイトの長軸に沿って、流れ場プレイトの縁に近づいて、センター孔5を基点として対称する２つの位置に分布しておく。その中に、流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/2で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/3である。
本発明が提供する燃料電池スタックは流れ場プレイトを含んで、前記流れ場プレイトは当発明が提供する流れ場プレイト19で、つまり前記流れ場プレイト19は流れ場プレイトセンターに位置するセンター孔5と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔6及び流出孔7を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含む。
好ましくは、流れ場プレイト19の別の一面は弧線或いは蛇形曲がりの形式でセンター孔5から周りへ発散するダイバージョン槽を含んで、図6が示した通りである。更に好ましくは、流れ場プレイト19の前記別の一面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3-4/5で、流れ場プレイトの前記別の一面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/5-1/2である。
本発明の第4の具体的な実施形態で、図7が示した通りに、前記燃料電池スタックは終板15と終板16、電流伝導板17と18、膜電極20及びシールメンバー8を含む。その中に、前記終板15と16、電流伝道板17と18及び膜電極20はそれぞれセンターに位置するセンター孔を含む。前記終板16、電流伝導板18及び膜電極20はそれぞれ流れ場プレイト19の流入孔6と対応する流出孔28、11、13及び流れ場プレイト19の流出孔7と対応する流出孔29、12、14を含んで、流入孔28、11、6及び13が電池スタックの中に貫通の流入通路35を構成して、流出孔29、12、7及び14が電池スタックの中に貫通の流出通路36を構成する。前記シールメンバー8は、センター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面のセンター孔5の周囲と流れ場プレイトの外側周辺、及び流れ場プレイト19の別の一面の流入孔6と流出孔7の周囲に設置する。
通常の状況で、前記流れ場プレイト19がひとつの板でもよくて、しっかり貼り付けた2つの板から構成するものでもよい。前記流れ場プレイト19がひとつの板ならば、前記流れ場プレイトの “一面”と“別の一面”がこの板の２つの面である。流れ場プレイト19が互いに貼り付けた2つの板から構成するならば、前記流れ場プレイトの “一面”と“別の一面”は2つの板がしっかり貼り付けた後に構成した流れ場プレイト全体の２つの面である。
前記終板15と16、電流導電板17と18、流れ場プレイト19及び膜電極20は各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、矩形或いは楕円形が好ましい。前記終板、電流導電板、流れ場プレイト及び膜電極のセンター孔、流入孔と流出孔もそれぞれ各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、六角形或いは四角形が好ましい。且つ、センター孔、流入孔と流出孔の寸法が必要によって製造して、酸化剤或いは燃料の流通に満足するならばよい。
前記終板15と16はアルミニウム、ステンレス、チタン或いはエンプラ材料など材料を採用して製造してもよい。前記電流導電板17と18は銅、ステンレス、チタン、銀、金或いは石墨など材料を採用して製造してもよくて、電流の出力及び外部へ電気エネルギーの伝送に用いる。前記流れ場プレイト19は石墨或いは金属材料、例えばチタン、ニオビウム、アルミニウム、銅、ステンレス、金、銀など電気伝導性能のよい材料を採用して製造してもよい。前記膜電極20は陰極拡散層、陽極拡散層、拡散層に載せるカタリシミ層、及びプロトン交換膜から構成して、その構成、構造及び材料が当分野の技術者によって公知にされた。前記シールメンバー8は各種の弾力性材料、例えば、浸透性ゾルプラスチック、ゴム、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、泡沫材料中の一種以上を採用して製造してもよい。
前記終板16、電流導電板18、流れ場プレイト19及び膜電極20がそれぞれ含んだ流入孔28、11、6、13と流出孔29、12、7、14は位置、形及び寸法に全部互いに対応しているために、燃料電池スタックの中に貫通の流入通路35と流出通路36をそれぞれ構成することができる。前記流入通路35と流出通路36が燃料或いは酸化剤の伝送に用いる。
好ましくは、前記燃料電池スタックはまた固定装置を含む。前記固定装置は終板15と16、電流導電板17と18、多数の流れ場プレイト19及び多数の膜電極20を一体に締め付けることに用いる。
本発明の第5の具体的な実施形態で、前記固定装置は板81と83及び板82を含む。板81と83はそれぞれ終板16と15としっかり張り付ける。板82は各種の公知する機械接続方式、例えばネジ接続、溶接、接合などによって接続して、好ましくはネジ接続によって板81と83を一緒に接続して、板81、82と83が一体に密閉のコンテナを構成する。しかも、前記板81に終板16の流入孔28及び流出孔29とそれぞれ対応する孔31と32を持って、その中に孔31が酸化剤の進口として、孔32が酸化剤の出口とする。また、板81に終板16のセンター孔と接続するすくなくとも一つの孔24を持つ。この孔24はコンテナに燃料の添加、及び電池スタックの中の反応生成物をコンテナ外部へ排出することに用いる。
そのために、板81と板83及び板82を利用して燃料電池スタックに対して締め付ける時、ネジ接続によって板82と板83を一緒に接続してから、終板15、電流伝導板17、若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20、電流伝導板18及び終板16を順次にこのコンテナの中に放置して、更にネジ接続によって板81と板82を一緒に接続する。その中に、板81、82と83の寸法及びそれらによって囲んだコンテナの形と大きさは必要によって変化することができる。この過程に、板81と83がそれぞれ終板16と15としっかり貼り付けることを保証すべきである。しかも、酸化剤の順次伝送に用いる流入通路35と流出通路36に形成するように、若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20及び電流伝導板18の流入孔6、13、11と流出孔7、14、12が、それぞれ終板16の流入孔28と流出孔29及び板81の孔31と32と互いに対応・貫通することを保証すべきである。最後、板81の孔24を通ってコンテナの中に燃料を添加して、燃料で全体のコンテナを満す。この燃料電池スタックが組み立てた後の構造は図8が示した通りで、図に見られる通りに、この固定装置を持った燃料電池スタックは燃料箱と電池スタックを一緒に集まるという目的を実現して、燃料電池スタックの構造が簡略化させて、組み立てが便利化させるだけではなくて、且つ酸化剤の進出パイプを別れるために、酸化剤の拡散の濃度勾配を形成することができて、酸化剤の拡散にとって有利である。
その中に、発散式ダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面が燃料拡散湯道面として、センター孔を通って流通する燃料を平均的に全部流れ場プレイトに分布させることに用いる。しかも、流れ場プレイトのこの表面の流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれシールメンバー8を設置しておいて、燃料極に酸化剤漏れの防止に用いて、図6が示した通りである。センター孔5をめぐって分布して、且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト9の一面が酸化剤の拡散湯道面として、流入孔を通ってこの表面に流入した酸化剤を平均的に全部流れ場プレイトに分布させて、そして最後に流出孔に集まることに用いる。しかも、流れ場プレイトのこの表面のセンター孔5の周囲及び流れ場プレイトの外側周辺にそれぞれシールメンバー8を設置しておいて、酸化剤の断絶に用いて、酸化剤が燃料極に拡散して燃料極と直接反応することを防止して、図3が示した通りである。
板81と83及び板82を利用して締め付けた燃料電池スタックの中に、燃料が板81の上の少なくとも１つの孔24を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができて、且つセンター孔を通って発散式のダイバージョン槽を持った各流れ場プレイトの表面に拡散して、更にこの表面のセンター孔から周りへ発散するダイバージョン槽を通って湯道面のすべての部分に拡散して、センター孔5をめぐって分布して流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面の酸化剤と電気化学反応を発生するようになる。燃料電池スタックの中のすべての板にセンター孔を持ったために、全体電池スタックのセンターが貫通の湯道を形成して、燃料を燃料電池スタックの中のいずれかの区域まで拡散することができて、且つ反応した生成物も板81の孔24を通って燃料電池スタックの内部から排出することができる。この過程に、流れ場プレイトに“死角”部分が無いために、反応産物の二酸化炭素が湯道に富化するという現象が出現しない。
酸化剤、例えば空気或いは酸素は、板81の孔31によって流入通路35を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができる。酸化剤の進出パイプが別れたために、酸化剤拡散の濃度勾配を形成することができて、それによってセンター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面に酸化剤を拡散することにとって有利で、更にセンター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を通って湯道面のすべての部分へ拡散して、発散式のダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面の燃料と電気化学反応を発生するようになる。反応した後の産物及び反応しなかった物が流出通路36に集まって、最後に板81の孔32を通って燃料電池スタックから流れ出る。この過程に、流れ場プレイトに“死角”の部分が無いために、通路の詰まりと窒素の富化という現象が出現しない。
本発明の第6の具体的な実施形態で、前記固定装置は前記終板15と16、電流伝導板17と18、多数の流れ場プレイト19及び多数の膜電極20のセンター孔を貫くボルト22とボルト22の両端に締め付けたナット23を含む。しかもナット23に開孔30を持って、燃料電池に酸化剤の拡散の通路を提供して、この開孔30の寸法が燃料電池スタックの構造と適応して、その大きさが少なくとも必ず十分な酸化剤の出入を満足することができる。前記ボルト22とナット23の寸法は相応する燃料電池スタックの構造と適応して、その太さが少なくとも電池に対して締め付けられることを保証する。
そのために、ボルト22とナット23を利用して燃料電池スタックに対して締め付ける時、まずボルト22と１つのナット23を固定して、それから終板15、電流伝導板17、若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20、電流伝導板18及び終板16を各板のセンター孔によって順次ボルト22に刺し連ねる。燃料の順次伝送に用いる流入通路35と流出通路36に形成するように、この過程に若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20及び電流伝導板18の流入孔6、13、11と流出孔7、14、12を終板16の流入孔28と流出孔29と対応して互い貫通することを保証すべきである。最後は別の一つのナット23をボルト22にしっかりとねじって、それによって組み立てを完成する。この種類の燃料電池スタックは組み立てを完成した後の構造が図9の示した通りで、図に見られる通りに、この固定装置を持った燃料電池スタックはボルトと燃料通路の分離を実現して、燃料がボルトを接触しない状況で電池の内部に密封順次伝送することができて、それによってボルトを腐食しなくて、燃料を汚染しないだけではなくて、且つ燃料の進出パイプを別れるために、燃料拡散の濃度勾配を形成することができて、燃料の拡散にとって有利である。
その中に、発散式のダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面が酸化剤の拡散湯道面として、センター孔を通って流通する酸化剤を平均的に全部流れ場プレイトに分布させることに用いる。しかも、流れ場プレイトのこの表面の流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれシールメンバー8を設置して、酸化剤極に燃料漏らしの防止に用いて、図6が示した通りである。センター孔5をめぐって分布して、且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面が燃料拡散湯道面として、流入孔を通ってこの表面に流れ込んだ燃料を全部流れ場プレイトに平均的に分布させて、且つ最後に流出孔に集まることに用いる。しかも、流れ場プレイトのこの表面のセンター孔5周囲及び流れ場プレイトの外周辺にそれぞれシールメンバー8を設置して、燃料を断絶して、燃料が酸化剤極に拡散して酸化剤と直接反応を防止して、図3が示した通りである。
ボルト22とナット23を利用して締め付けた燃料電池スタックの中に、酸化剤、例えば空気或いは酸素は自然対流の方式によって燃料電池スタックの内部に流れ込むことができて、且つセンター孔を通って発散式ダイバージョン槽を持った各流れ場プレイトの表面へ拡散して、更にこの表面のセンター孔5から周りへ発散するダイバージョン槽を通って湯道面のすべての部分に拡散して、センター孔5をめぐって分布して且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面の上の燃料と電気化学反応を発生するようになる。燃料電池スタックのすべての板にセンター孔を持つために、全体電池スタックのセンターが貫通の湯道に形成して、そのために酸化剤を燃料電池のいずれかの区域へ拡散することができて、及びすぐに燃料電池の反応に必要な新鮮酸化剤を補充して、しかも反応した産物及び反応しなかった物を燃料電池スタックから排出して、それによって湯道の詰まりと窒素の富化という現象が発生しない。
燃料は流入孔28から流入通路35を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができる。燃料の進出パイプが別れられるため、燃料拡散の濃度勾配を形成することができて、それによって燃料がセンター孔5をめぐって分布して流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面へ拡散することにとって有利で、この表面のセンター孔5をめぐって分布して流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を通って湯道面のすべての部分へ拡散して、発散式ダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面の上の酸化剤と電気化学反応を発生するようになる。反応した後の燃料は流出通路36に集まって、最後に終板16の流出孔29を通って燃料電池スタックから流れ出る。この過程の中に、流れ場プレイトに“死角”の部分が無いために、反応産物の二酸化炭素が湯道に富化するという現象が出現しない。
図10は本発明の別の一種実施形態による燃料電池スタックの構造説明図である。この実施形態の中に、酸化剤は自然対流の形式を採用しないで、ファン37を利用して空気を供給する。ファン37は１つのナット23の外側にインストールして、同時にファン37と相対する別の１つのナット23に開孔30を形成する又は形成いない。当実施形態のその他の方面は図9が示した実施形態と同じで、そのために本発明が提供する燃料電池スタックはナット23の外側にインストールするファン37をまた含んでもよい。
Claims (14)
- 流れ場プレイトであって、前記流れ場プレイト（19）が流れ場プレイトのセンターに位置するセンター孔（5）と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔（6）及び流出孔（7）を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔（5）をめぐって分布して且つ流入孔（6）と流出孔（7）と接続するダイバージョン槽を含むことを特徴とする流れ場プレイト。
- 前記流れ場プレイト（19）が円形、矩形或いは楕円形である請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 前記流入孔（6）と流出孔（7）の位置がセンター孔（5）を基点として対称である請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 前記ダイバージョン槽が流れ場プレイトの形に従って分布する請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 前記ダイバージョン槽がアーク線形或いはポリライン形である請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 流れ場プレイトの前記面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3-4/5である請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 流れ場プレイトの前記面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/5-1/2である請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 流れ場プレイトの前記面のセンター孔（5）の周囲と流れ場プレイトの外側周辺にそれぞれシールメンバー（8）を設置しておく請求項１に記載の流れ場プレイト。
- 請求項１〜８のいずれかに記載の流れ場プレイト（19）を含むことを特徴とする燃料電池スタック。
- 前記燃料電池スタックがまた終板（15と16）、電流伝導板（17と18）、膜電極（20）及びシールメンバー（8）を含む；前記終板（15と16）、電流伝導板（17と18）及び膜電極（20）がそれぞれセンターに位置するセンター孔を含む；前記終板（16）、電流伝導板（18）及び膜電極（20）がそれぞれ流れ場プレイト（19）の流入孔（6）と対応する流出孔（28、11、13）、及び流れ場プレイト（19）の流出孔（7）と対応する流出孔（29、12、14）を含む；前記シールメンバー（8）はセンター孔（5）をめぐって分布して且つ流入孔（6）と流出孔（7）と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト（19）の一面のセンター孔（5）の周囲と流れ場プレイトの外側周辺、及び別の一面の流入孔（6）と流出孔（7）の周囲に設置する請求項９に記載の燃料電池スタック。
- 前記燃料電池スタックがまた固定装置を含む請求項１０に記載の燃料電池スタック。
- 前記固定装置が板（81と83）及び板（81と83）と接続する板（82）を含んで、板（81と83）がそれぞれ終板（16と15）としっかり貼り付けて、板（81）がそれぞれ板（16）の流入孔（28）と流出孔（29）に対応する孔（31と32）、及び板（16）のセンター孔と通じ合った少なくとも１つの孔（24）を含む請求項１１に記載の燃料電池スタック。
- 前記固定装置がそれぞれ各板のセンター孔を貫いたボルト（22）とボルト（22）両端に締め付けるナット（23）を含んで、ナット（23）が開孔（30）を含む請求項１１に記載の燃料電池スタック。
- 前記燃料電池スタックはまたナット（23）の外側にインストールするファン（37）を含んで、ファン（37）と相対する別の１つのナット（23）が開孔（30）を含むまたは含まない請求項１３に記載の燃料電池スタック。
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