JP2009004355A - フローチャネルプレート - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの反応効率を向上することができるフローチャネルプレートを提供する。
【解決手段】本発明のフローチャネルプレートは燃料電池に適用する。該フローチャネルプレートはプレート体と少なくとも一組の導流ブロックを含む。プレート体は対向する第一の側壁と第二の側壁を有する。第一の側壁は少なくとも一つの注入口を有し、第二の側壁は少なくとも一つの排出口を有する。該組の導流ブロックはプレート体内に配置され、且つ第一の側壁に隣接し、複数の導流ブロックを含む。これらの導流ブロックの内一つは第一の導流ブロックであり、且つ第一の導流ブロックは注入口に正対向する。他の導流ブロックは第一の導流ブロックから第一の導流ブロックと第二の側壁との間にｍ列に配列される。第一列の一端の導流ブロックの幾何学的中心と第一の導流ブロックの幾何学的中心は一直線上に位置する。
【選択図】図３

Description

本発明は、フローチャネルプレート（Ｆｌｏｗ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）に関し、特に、燃料電池に適用するフローチャネルプレートに関する。

燃料電池は、高効率・低騒音・無汚染の利点を有するので、時代の要求に応じるエネルギー技術である。燃料電池は、多種類に分けられるが、通常に見られるのは、プロトン交換膜型燃料電池（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）及び直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）である。

直接メタノール型燃料電池は、メチルアルコール水溶液を燃料の供給源とし、メチルアルコール、酸素及び水の相関する電極反応により電流を生成する。直接メタノール型燃料電池における化学反応式は、次の通りである。

陽極：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ^―
陰極：３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ^― → ３Ｈ_２Ｏ
総反応：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ＋３／２Ｏ_２ → ＣＯ_２＋３Ｈ_２Ｏ
直接メタノール型燃料電池は、通常、メチルアルコール水溶液を輸送するために用いられる陽極フローチャネルプレートを有する。陽極フローチャネルプレートに進入したメチルアルコール水溶液は、陽極触媒と反応することができる。

図１を参照する。従来の一種の陽極フローチャネルプレート１００ａは、蛇行流路（Ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ）１１０を有し、且つ、蛇行流路１１０は、注入口１１２と排出口１１４を有する。従来の技術では、メチルアルコール水溶液がポンプにより注入口１１２から蛇行流路１１０に提供される。メチルアルコール水溶液は、蛇行流路１１０に沿って流動し、排出口１１４より蛇行流路１１０から流出する。

蛇行流路１１０の長さが比較的長いので、メチルアルコール水溶液が流動するときの圧力降下が大き過ぎるようになる。そのため、比較的大きい圧力を生成することができるポンプを使用しないとメチルアルコール水溶液を駆動することができないので、消費エネルギーが増加する。また、蛇行流路１１０の上流におけるメチルアルコール水溶液が反応した後に蛇行流路１１０の下流に流れるので、下流におけるメチルアルコール水溶液の濃度が上流におけるメチルアルコール水溶液の濃度より低くなる。言い換えると、陽極フローチャネルプレート１００ａ内におけるメチルアルコール水溶液の濃度が不均一であり、これにより、反応効率を低下させる。

図２を参照する。従来の一種の陽極フローチャネルプレート１００ｂは、並列流路１２０を有し、且つ、並列流路１２０は、注入口１２２、排出口１２４及び複数の流路１２６を有する。並列流路１２０の流路の数が比較的多いので、前述したメチルアルコール水溶液の濃度不均一の問題を改善することができる。しかし、並列流路１２０内の各々の流路１２６の流量が均一に割り当てられることが難しいので、ある流路１２６において二酸化炭の堆積が発生した時に、この流路１２６の流動抵抗が増大される可能性がある。これにより、メチルアルコール水溶液が、流動抵抗の比較的小さい他の流路に流れやすくなるので、流路１２６内の二酸化炭が排除されにくい。

本発明の目的は、燃料電池システムの反応効率を向上することができるフローチャネルプレートを提供することにある。

本発明の他の目的と利点は、本発明に開示された技術特徴によりさらに知られることができる。

前述した一又は部分又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明の一実施例は、燃料電池に適用する一種のフローチャネルプレートを提供する。このフローチャネルプレートは、プレート体と少なくとも一組の導流ブロックを含む。プレート体は、対向する第一の側壁と第二の側壁を有する。第一の側壁は、少なくとも一つの注入口を有し、第二の側壁は、少なくとも一つの排出口を有する。その一組の導流ブロックは、プレート体内に配置され、且つ、第一の側壁に隣接し、また、複数の導流ブロックを含む。これらの導流ブロックのうち一つは、第一の導流ブロックであり、且つ、第一の導流ブロックは、注入口に正対向する。他の導流ブロックは、第一列が第一の導流ブロックに隣接するように、第一の導流ブロックと第二の側壁との間にｍ列に配列され、第ｍ列の導流ブロックの数Ｎ_ｍは複数であり、ｍが自然数であり、且つ、Ｎ_ｍ＋１≧Ｎ_ｍである。第一列の一端における導流ブロックの幾何学的中心と第一の導流ブロックの幾何学的中心は、一直線上に位置し、且つ、この直線と第一の側壁は、所定の角度を成す。

本発明の一実施例において、第ｍ列の両端における両導流ブロックの間の距離がＤ１_ｍであり、且つ、Ｄ１_ｍ＋１≧Ｄ１_ｍである。

本発明の一実施例において、第一の導流ブロック、注入口及び排出口は、他の一直線上に位置する。本発明の一実施例において、注入口は、第一の側壁の中央に位置する。

本発明の一実施例において、第ｍ列の両端における両導流ブロックは、それぞれ、注入口の両側の近傍に位置する。

本発明の一実施例において、第一の導流ブロックと第一の側壁との間の最短距離がＤ２であり、第ｍ列の各々の導流ブロックと第一の側壁との間の最短距離がＤ２_ｍであり、且つ、Ｄ２_ｍ＋１＞Ｄ２_ｍ＞Ｄ２である。

本発明の一実施例において、第一の導流ブロックのサイズが注入口のサイズより大きい。

本発明の一実施例において、導流ブロックの数が五個であり、且つ、第一の導流ブロック以外の導流ブロックが二列に配列される。

本発明の一実施例において、フローチャネルプレートは、複数のストリップ状導流片をさらに含み、これらの導流片は、それぞれ、導流ブロックと第二の側壁との間に配置され、且つ、各々のストリップ状の導流片の長さ方向は、第一の側壁と第二の側壁へ伸びる。

本発明の一実施例において、ストリップ状の導流片は、それぞれ、各々の導流ブロックと第二の側壁との間に配置される。

本発明の一実施例において、隣接する任意の両ストリップ状導流片の間には、流路が形成され、且つ、第一の導流ブロックに接近する流路の幅が第一の導流ブロックから離れる流路の幅より小さい。

本発明の一実施例において、フローチャネルプレートは、複数組の導流ブロックを含み、第一の側壁は、複数の注入口を有し、且つ、第二の側壁は、複数の排出口を有する。

本発明の一実施例において、フローチャネルプレートは、さらに、隔離片を含み、この隔離片は、第一の側壁と第二の側壁との間に接続され、且つ、隣接する両組の導流ブロックの間に位置する。

本発明の一実施例において、導流ブロックは、円柱形、水滴形及び他の流線形のうちの一つである。

本発明によるフローチャネルプレートは、導流ブロックによりフローチャネルプレート内の流体を導き流動させる。このフローチャネルプレートが燃料電池の陽極フローチャネルプレートとされる時に、導流ブロックは、フローチャネルプレート内に流入した燃料を均一に分布させることができる。これにより、燃料を陽極触媒へ均一に流動させ、反応効率を向上することができる。

次の各実施例の説明は、添付した図面を参照して行われたものであり、本発明の実施可能な特定の実施例を例として示すために用いられる。本発明に言及した方向の用語、例えば、上、下、前、後、左、右などは、添付した図面の方向を参考するためのみである。よって、使用された方向の用語は、説明のために用いられ、本発明を制限するためのものでない。

図３を参照する。本発明の一実施例におけるフローチャネルプレート２００は、燃料電池に適用し、燃料電池の陽極フローチャネルプレートとして使用される。フローチャネルプレート２００は、プレート体２１０及び少なくとも一組の導流ブロック２２０を含む。プレート体２１０は、対向する第一の側壁２１２と第二の側壁２１４を含む。第一の側壁２１２は、注入口２１２ａを有し、第二の側壁２１４は、排出口２１４ａを有する。導流ブロック２２０は、プレート体２１０内に配置され、且つ、第一の側壁２１２に隣接する。また、第一の側壁２１２は、例えば、第二の側壁２１４に平行する。注入口２１２ａは、例えば、第一の側壁２１２の中央に位置する。

続いて、注入口２１２ａは、例えば、排出口２１４ａに正対向し、導流ブロック２２０のうちの一つは、第一の導流ブロック２２２であり、且つ、第一の導流ブロック２２２は、注入口２１２ａに正対向する。即ち、第一の導流ブロック２２２、注入口２１２ａ及び排出口２１４ａは、例えば、同一の直線上に位置する。第一の導流ブロック２２２のサイズは、例えば、注入口２１２ａのサイズより大きい。また、他の導流ブロック２２０は、第一の導流ブロック２２２と第二の側壁２１４の間においてｍ列に配列され、且つ、第一列は、第一の導流ブロック２２２に隣接する。また、第ｍ列の導流ブロック２２０の数Ｎ_ｍは複数個であり、その内、ｍが自然数であり、且つ、Ｎ_ｍ＋１≧Ｎ_ｍである。

本実施例は、導流ブロック２２０の数が五個であるのを例とし、第一の導流ブロック２２２以外の導流ブロック２２０が二列に配列され、且つ、各々の導流ブロック２２０の数が二個である。また、直線５０が第一列の一端における導流ブロック２２０の幾何学的中心と第一の導流ブロック２２２の幾何学的中心を通過し、且つ、直線５０と第一の側壁２１２は、所定の角度θを成す。

第ｍ列の両端における導流ブロック２２０の間の距離がＤ１_ｍであり、且つ、Ｄ１_ｍ＋１≧Ｄ１_ｍである。さらに詳しく言えば、第二列の両端における導流ブロック２２０の間の距離Ｄ１_２は、第一列の両端における導流ブロック２２０の間の距離Ｄ１_１より大きい。また、第ｍ列の両端における導流ブロック２２０は、注入口２１２ａの両側の近傍に位置する。また、第一の導流ブロック２２０と第一の側壁との間の最短距離がＤ２であり、第ｍ列の各々導流ブロックと第一の側壁との間の最短距離がＤ２_ｍであり、且つ、Ｄ２_ｍ＋１＞Ｄ２_ｍ＞Ｄ２である。さらに詳しく言えば、第一列の各々の導流ブロック２２０と第一の側壁２１２との間における最短距離は、Ｄ２_１であり、第二列の各々の導流ブロック２２０と第一の側壁２１２との間の最短距離は、Ｄ２_２であり、且つ、Ｄ２_２＞Ｄ２_１＞Ｄ２である。

フローチャネルプレート２００が燃料電池の陽極フローチャネルプレートとされる時に、注入口２１２ａには、燃料が注入される。図３において、燃料の流動方向が実線矢印で表示される。燃料が注入口２１２ａからプレート体２１０に注入されるときに、第一の導流ブロック２２２は、燃料を分流させる。第二列の導流ブロック２２０が燃料の分流経路上に設置され、燃料を再分流するために用いられる。同様に、第三列の導流ブロック２２０も燃料の分流経路に設置され、燃料を再分流するために用いられる。このようにすると、燃料をプレート体２１０内に均一に流動させ、また、燃料電池の陽極触媒に均一に分布させ、反応効率を向上することができる。

また、本実施例のフローチャネルプレート２００の構造が簡単であり、製作されやすいので、生産コストが比較的低い。また、燃料がフローチャネルプレート２００内に流動するときの圧力降下が小さいので、パワーの比較的小さいポンプを使用することができ、エネルギーを節約することができる。さらに、フローチャネルプレート２００の流動抵抗が小さいので、陽極反応物（例えば二酸化炭）が容易に排出され、このようにすると、反応効率に悪影響を与えることを避けることができる。

なお、導流ブロック２２０の形状が円柱形に設計されることができるのみならず、図４に示すような水滴形或いは他の流線形に設計されてもよく、これにより、導流ブロック２２０と第二の側壁２１４との間の流場の死角領域を減少することができる。このようにすると、燃料分布の均一性を上げ、反応効率を向上することができる。また、排出口２１４ａの数が二個以上（図４に示すように）であってもよく、これにより、燃料分布の均一性を上げ、反応効率を向上することができる。また、前述した実施例において、各々の列の導流ブロック２２０の数が二個のみであるが、実際の応用に応じて、各々の列の導流ブロック２２０の数を増やしても良い。

図５は、本発明の他の実施例におけるフローチャネルプレートを示す図である。図５を参照する。図３のフローチャネルプレート２００に比べ、フローチャネルプレート２００ａは、さらに、複数のストリップ状導流片２３０を含む。ストリップ状導流片２３０は、導流ブロック２２０と第二の側壁２１４との間に配置され、且つ、各々のストリップ状導流片２３０の長さ方向は、第一の側壁２１２と第二の側壁２１４に面する。さらに詳しく言えば、ストリップ状導流片２３０は、例えば、それぞれ、各々の導流ブロック２２０と第二の側壁２１４との間に配置される。ストリップ状導流片２３０の設置は、導流ブロック２２０と第二の側壁２１４との間における燃料の流動をさらに均一させることができ、これにより、燃料分布の均一性を上げ、反応効率を向上させる。

図６は、本発明の他の実施例のフローチャネルプレートを示す図である。図６を参照する。フローチャネルプレート２００ｂは、図５のフローチャネルプレート２００ａに似ているが、その相違点は、ストリップ状導流片２３０の設置方式にある。具体的に言えば、フローチャネルプレート２００ｂにおいて、隣接する任意の両ストリップ状導流片２３０の間には、流路が形成され、且つ、第一の導流ブロック２２２に接近する流路の幅が第一の導流ブロック２２２から離れる流路の幅より小さい。

本発明のフローチャネルプレートの導流ブロック２２０は、複数組であっても良く、且つ、注入口２１２ａと排出口２１４ａの数も複数であっても良い。以下、二組の導流ブロック２２０、二つの注入口２１２ａ及び二つの排出口２１４ａを有するフローチャネルプレートを例として説明を行う。

図７を参照する。本発明の他の実施例におけるフローチャネルプレート２００ｃは、二組の導流ブロック２２０を含む。プレート体２１０の第一の側壁２１２は、二つの注入口２１２ａを有し、且つ、第二の側壁２１４は、二つの排出口２１４ａを有する。各々の注入口２１２ａは、一つの排出口２１４ａに対向し、且つ、各々の導流ブロック２２０の設置方式は、図３のフローチャネルプレート２００の該組の導流ブロック２２０の設置方式と同様である。また、隣接する二組の導流ブロック２２０の間には、隔離片２４０が設置されても良く、且つ、隔離片２４０は、第一の側壁２１２と第二の側壁２１４との間に接続される。

フローチャネルプレート２００ｃは、複数組の導流ブロック２２０を有するので、プレート体２１０内の燃料の流動をより均一させ、反応効率を向上することができる。

ゆえに、本発明のフローチャネルプレートは、少なくとも、一つの次の利点を有する。

１、本発明のフローチャネルプレートが燃料電池の陽極フローチャネルプレートとされる時に、導流ブロックは、フローチャネルプレートに流入した燃料の分布を均一させることができ、これにより、燃料を陽極触媒へ均一に流れさせ、反応効率を向上する。

２、本発明のフローチャネルプレートの構造が簡単であり、製作されやすいので、生産コストが比較的低い。

３、流体がフローチャネルプレート内に流動する時の圧力降下が小さいので、パワーが比較的小さいポンプを使用し、エネルギーを節約することができる。

４、フローチャネルプレートの流動抵抗が小さく、燃料電池の陽極フローチャネルプレートとされる時に、陽極反応物（例えば、二酸化炭）が容易に排出されるので、反応効率に悪影響を与えることを避けることができる。

本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の精神と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の部分と発明の名称は、特許文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。

蛇行流路を有する従来の陽極フローチャネルプレートを示す図である。 並列流路を有する従来の陽極フローチャネルプレートを示す図である。 本発明の一実施例のフローチャネルプレートを示す図である。 本発明の他の実施例のフローチャネルプレートを示す図である。 本発明の他の実施例のフローチャネルプレートを示す図である。 本発明の他の実施例のフローチャネルプレートを示す図である。 本発明の他の実施例のフローチャネルプレートを示す図である。

符号の説明

５０ 直線
１００ａ、１００ｂ 陽極フローチャネルプレート
１１０ 蛇行流路
１１２、１２２、２１２ａ 注入口
１１４、１２４、２１４ａ 排出口
１２０ 並列流路
１２６ 流路
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ フローチャネルプレート
２１０ プレート体
２１２ 第一の側壁
２１４ 第二の側壁
２２０ 導流ブロック
２２２ 第一の導流ブロック
２３０ ストリップ状導流片
２４０ 隔離片
Ｄ１_１、Ｄ１_２、Ｄ２、Ｄ２_１、Ｄ２_２ 距離
θ 角度

Claims (14)

1. 燃料電池に適用するフローチャネルプレートであって、
   対向する第一の側壁と第二の側壁を有するプレート体であって、前記第一の側壁が少なくとも一つの注入口を有し、前記第二の側壁が少なくとも一つの排出口を有するプレート体と、
   前記プレート体内に配置され、前記第一の側壁に隣接する少なくとも一組の導流ブロックであって、前記一組の導流ブロックが複数の導流ブロックを含み、前記複数の導流ブロックのうち一つが第一の導流ブロックであり、前記第一の導流ブロックが前記注入口に正対向し、前記複数の導流ブロックの他の導流ブロックが、第一列が前記第一の導流ブロックに隣接するように、前記第一の導流ブロックと前記第二の側壁との間にｍ列に配列され、前記第ｍ列の導流ブロックの数Ｎ_ｍが複数であり、ｍが自然数であり、且つ、Ｎ_ｍ＋１≧Ｎ_ｍであり、前記第一列の一端の前記導流ブロックの幾何学的中心と前記第一の導流ブロックの幾何学的中心が一直線上に位置し、前記直線と前記第一の側壁が所定の角度を成す少なくとも一組の導流ブロックと、
   を含む、
   フローチャネルプレート。
2. 前記第ｍ列の両端における前記両導流ブロック間の距離がＤ１_ｍであり、且つ、Ｄ１_ｍ＋１≧Ｄ１_ｍである、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
3. 前記第一の導流ブロック、前記注入口及び前記排出口は、他の直線上に位置する、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
4. 前記注入口は、前記第一の側壁の中央に位置する、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
5. 前記第ｍ列の両端における前記両導流ブロックは、それぞれ、前記注入口の両側の近傍に位置する、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
6. 前記第一の導流ブロックと前記第一の側壁との間の最短距離がＤ２であり、前記第ｍ列の各々の導流ブロックと前記第一の側壁との間の最短距離がＤ２_ｍであり、且つ、Ｄ２_ｍ＋１＞Ｄ２_ｍ＞Ｄ２である、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
7. 前記第一の導流ブロックのサイズは、前記注入口のサイズより大きい、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
8. 前記複数の導流ブロックの数が五であり、前記第一の導流ブロック以外の前記複数の導流ブロックが二列に配列される、
   請求項１に記載のフローチャネルプレート。
9. 前記複数の導流ブロックと前記第二の側壁との間に配置される複数のストリップ状導流片をさらに含み、前記各々のストリップ状導流片の長さ方向が前記第一の側壁と前記第二の側壁へ伸びる、
   請求項８に記載のフローチャネルプレート。
10. 前記複数のストリップ状導流片は、それぞれ、前記各々の導流ブロックと前記第二の側壁との間に配置される、
    請求項９に記載のフローチャネルプレート。
11. 隣接する前記任意の両ストリップ状導流片の間に流路が形成され、前記第一の導流ブロックに接近する前記流路の幅が前記第一の導流ブロックから離れる前記流路の幅より小さい、
    請求項９に記載のフローチャネルプレート。
12. 前記複数組の導流ブロックを含み、前記第一の側壁が複数の注入口を有し、前記第二の側壁が複数の排出口を有する、
    請求項１に記載のフローチャネルプレート。
13. 少なくとも一つの隔離片をさらに含み、前記隔離片が前記第一の側壁及び前記第二の側壁に接続されると共に、隣接する両組の導流ブロックの間に位置する、
    請求項１２に記載のフローチャネルプレート。
14. 前記導流ブロックは、円柱形、水滴形及び他の流線形のうちの一つである、
    請求項１に記載のフローチャネルプレート。

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