JP2011517032A - 多方向の流れ場を有する燃料電池プレート - Google Patents

Abstract

例示的な燃料電池プレートは、複数の第１の流れ場チャネルを備え、第１の流れ場チャネルは、一方の端部近傍におけるインレットと、他方の端部におけるアウトレットと、を備える。第１の流れ場チャネルは、インレットからアウトレットへと延びる複数の第１の流体流路を形成する。複数の第２の流れ場チャネルは、一方の端部近傍におけるインレットと、他方の端部におけるアウトレットと、を備え、インレットからアウトレットへと延びる複数の第２の流体流路を形成する。第１の流体流路における流体流の方向は、第２の流体流路における流体流の方向に対向する。少なくともいくつかの第２の流れ場チャネルは、２つの第１の流れ場チャネル間に介在する。

Description

本発明は、多方向の流れ場を有する燃料電池プレートに関する。

燃料電池は、電気化学反応によって発電するように用いられる。ある燃料電池の構造には、水分管理の問題をもたらすソリッドプレートが含まれる。例えば、ソリッドプレートは反応物の流れ場を形成するように用いられる。

流れ場に流入するガスは、通常、乾燥しており、燃料電池の入口付近において乾燥する傾向にある。この乾燥状態により、燃料電池の性能が低下し、燃料電池の有効年数が短縮される。

他方、ガスが流れ場に沿って移動する際に、ガス流に多くの水分が取り込まれる傾向にある。したがって、流出するガスの水分が堆積することによりアウトレットの側にフラッディングが生じる場合がある。アウトレットにおける過度の湿度により燃料電池の性能が低下してしまう。

例示的な燃料電池プレートは、複数の第１の流れ場チャネルを備え、第１の流れ場チャネルは、一方の端部近傍におけるインレットと、他方の端部におけるアウトレットと、を備える。第１の流れ場チャネルは、インレットからアウトレットへと延びる複数の第１の流体流路を画定する。複数の第２の流れ場チャネルは、一方の端部近傍におけるインレットと、他方の端部におけるアウトレットと、を備え、インレットからアウトレットへと延びる複数の第２の流体流路を画定する。第１の流体流路における流体流の方向は、第２の流体流路における流体流の方向に対向する。少なくともいくつかの第２の流れ場チャネルは、２つの第１の流れ場チャネル間に介在する。

例示的な燃料電池に亘る水分（湿度）の分配を管理する方法は、複数の第１の流れ場チャネルを通して第１の方向に流れを方向付けるステップを含む。複数の第２の流れ場チャネルを通る流れの方向は、第１の方向と対向する第２の方向に方向付けられる。少なくともいくつかの第２の流れ場チャネルが２つの第１の流れ場チャネル間に介在する。

本発明の種々の特徴および利点は、以下の発明を実施するための形態から明らかになるであろう。発明の詳細な説明に伴う図面について以下に簡単に説明する。

例示的な燃料電池プレートを示す概略図。 燃料電池プレートの他の実施例を示す概略図。

図１は、燃料電池プレート２０を概略的に示しており、該プレートは、本実施例では、ソリッドプレートである。例示的なプレート２０は、独自の配列を有する流れ場を備える。複数の第１の流れ場チャネル２２は、複数の第１の流体流路を画定する。複数の第２の流れ場チャネル２４は、複数の第２の流体流路を画定する。

第１の流れ場チャネル２２は、プレート２０の一方の端部２８の近傍にインレット２６を有する。第１の流れ場チャネル２２は、プレート２０の他方の端部３２の近傍にアウトレット３０を有する。

第２の流れ場チャネル２４は、プレート２０の端部３２の近傍にインレット３４を有する。第２の流れ場チャネル２４は、プレート２０の端部２８の近傍にアウトレット３６を有する。

図１に概略的に示すようにインレットおよびアウトレットを配設することにより、第１の流れ場チャネル２２を通って一方向に流れる複数の第１の流体流路と、第１の流体流路と対向する方向へと第２の流れ場チャネル２４を通って流れる複数の第２の流体流路と、がもたらされる。図中の矢印は、流体流の方向を示している。

流体流路内のガスは、通常、インレット付近ではより乾燥しており、アウトレット付近ではより多く水分を含んでいる。図示された構成によって、プレート２０に沿ってより均一な水分の分配が実現する。一実施例では、同一の流体（例えば、空気や燃焼ガス）が第１および第２の流れ場チャネル２２，２４を通って流れる。

図示した実施例では、隣接する流体流路、つまり流れ場チャネルを通って流体が対向する方向に流れることによって、チャネルを隔てるリブ４０にわたる水分の移動が可能となる。一実施例では、水分の移動は、リブ４０の端部（例えば、図の上方部分）にわたって生じる。

図の実施例において、流体を対向する方向に流すことにより、相対的に湿ったアウトレットガスの近くに相対的に乾燥したインレットガスが位置するため、より良好な水分の分配が促進され、これにより、プレート２０の有効耐用年数が長くなり、かつ性能が向上し得る。図示の配列は、チャネル２２，２４を通る流体流の配列によって、プレート２０の一部が乾燥する傾向が最小限となるか排除されるため、相対的により低い湿度レベルで作動され得る。

図２は、他の実施例におけるプレート２０を概略的に示している。該プレートは、複数の第１の流れ場チャネル２２および複数の第２の流れ場チャネル２４を有し、第１の流れ場チャネル２２の流体流の方向は、複数の第２の流れ場チャネル２４の流体流の方向と対向する。本実施例では、図１の実施例のように、第１の流れ場チャネル２２と第２の流れ場とは相互に関係する。図１，２の実施例では、全ての流れ場チャネルは、流体が対向する方向に流れる流れ場チャネルと隣接する。他の実施例では、少なくとも２つの第１の流れ場チャネル２２は互いに隣接し、チャネル２２間に第２の流れ場チャネル２４が介在しない。少なくともいつくかの第１の流れ場チャネル２２は、その間に第２の流れ場チャネル２４を有する。

図２の実施例では、第１の流れ場チャネル２２は、インレット５０から供給されインレット通路５２を通流するインレットガスを受ける。本実施例では、第１の流れ場チャネル２２は、一方の端部にインレット端部２６をそれぞれ有し、インレット端部２６はインレット通路５２と連通する。つまり、インレット通路５２は、流れ場チャネルの共通の通路となる。同様に、第２の流れ場２４は、一方の端部にインレット端部３４をそれぞれ有し、インレット５４から供給され共通のインレット通路５６を通流するインレットガスを受ける。図から分かるように、共通のインレット通路５２，５６は、流れ場チャネル２２，２４を通流する流体流の方向に対し概ね直交（横断）する方向に延びる。共通のインレット通路５２，５６は、プレート２０の対向する端部近傍にそれぞれ配設される。

第１の流れ場チャネル２２のアウトレット３０は、水分量がより高いアウトレットガスをアウトレット通路６０へと導く。本実施例では、アウトレット通路６０は、プレート２０の一方の面の側６２に対して開口している。第２の流れ場チャネル２４のアウトレット３６は、アウトレットガスを導き、第２の流体流方向へとアウトレット通路６４を通流させる。本実施例では、アウトレット通路６４は、プレート２０の一方の面の側６２に対して開口している。

図２では、第１の流れ場チャネル２２および第２の流れ場チャネル２４の各々は、プレート２０の他方の面の側６８に向かって開口しており、該面の側６８は、アウトレット通路６０，６４が開口する面の側６２と対向する。一実施例では、同じ流体が第１および第２の流れ場チャネル２２，２４を流れる。

図２の構成には、第１の流れ場チャネル２２と第２の流れ場チャネル２４を隔てるリブ７０が含まれ、該リブによりインレット通路５２，５６へのアクセスが促進される。例示的なリブ７０は、１つの第１の流れ場チャネル２２の一方の側に沿った第１のセクション７２を含む。リブは、第１のセクション７２から横断方向に延びる第２のセクション７４を含む。図の実施例では、第２のセクション７４は、第１のセクション７２の少なくとも一部に対して少なくとも部分的に直交する。本実施例では、第２のセクション７４は、対応する第１の流れ場チャネル２２のアウトレット３０に隣接する。さらに、リブは、第１のセクション７２に対して実質的に平行して延在する第３のセクション７６を含む。第３のセクション７６は、第１のセクション７２と対向する第１の流れ場チャネル２２の他方の側に沿って延び、第１のセクション７２とともに第１の流れ場チャネル２２の幅を画定する。

図示した第３のセクション７６は、隣接する第２の流れ場チャネル２４の一方の側に沿っている。リブ７０の第４のセクション７８は、第３のセクション７６から横断方向に延びている。第４のセクション７８は、対応する第２の流れ場チャネル２４のアウトレット３６の近傍に位置する。第３のセクション７６に対して第５のセクション８０が実質的に平行に延び、第２の流れ場チャネル２４の他方の側を画定する。

図から分かるように、リブ７０は、プレート２０にわたって反復するように構成される。使用されるセクションの数は、特定のプレートに要求される流れ場チャネルの数によって決まる。説明を目的としているため、いくつかの流れ場チャネルを図示しているに過ぎないことを理解されたい。通常、プレート２０は、図示したよりも多くの流れ場チャネルを有する。

１つの例示的なプレート２０を形成する方法には、プレート２０の一部として、流れ場チャネル、インレット通路およびアウトレット通路を成型（モールディング）することが含まれる。他の実施例には、プレート片から所望のチャネル構造を機械加工することが含まれる。さらに他の実施例には、チャネルの一部を成型し、残りの部分を機械加工することが含まれる。

上記の記載は、例示的なものであり、限定的なものではない。したがって、本発明の範囲を逸脱することなく開示された実施例に対して種々の変更や修正がなされることを当業者であれば理解されるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定され得る。

Claims (10)

1. 複数の第１の流れ場チャネルと、
   複数の第２の流れ場チャネルと、
   を備え、
   第１の流れ場チャネルは、一方の端部近傍におけるインレットと、他方の端部におけるアウトレットと、を備え、インレットからアウトレットへと延びる複数の第１の流体流路を画定し、
   第２の流れ場チャネルは、一方の端部近傍におけるインレットと、他方の端部におけるアウトレットと、を備え、インレットからアウトレットへと延びる複数の第２の流体流路を画定し、
   第１の流体流路は第２の流体流路に対して対向しており、少なくともいくつかの第２の流れ場チャネルが２つの第１の流れ場チャネル間に介在することを特徴とする燃料電池プレート。
2. 第１の流れ場チャネルのインレットは、プレートの一端部の近傍に位置し、第２の流れ場チャネルのアウトレットが該一端部の近傍に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池プレート。
3. 第１の流れ場チャネルのアウトレットは、プレートの前記一端部と対向する端部の近傍に位置し、第２の流れ場チャネルのインレットが該対向する端部の近傍に位置することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池プレート。
4. 隣接する流れ場チャネルが交互に対向する方向に延在するように第１の流れ場チャネルおよび第２の流れ場チャネルが相互に関係することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池プレート。
5. 流れ場チャネルは、流れ場チャネルの長さに沿ってプレートの１つの面の側に対して開口し、アウトレットは、プレートの対向する面の側へと流体流を導くことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池プレート。
6. 少なくとも１つの流れ場チャネルのアウトレットと連通するアウトレット通路を備え、
   アウトレット通路は、プレートの対向する面の側に対して開口していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池プレート。
7. 第１の流れ場チャネルのインレットは、第２の流れ場チャネルのアウトレットと隣接し、
   第２の流れ場チャネルのインレットは、第１の流れ場チャネルのアウトレットと隣接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池プレート。
8. 燃料電池に亘る水分の分配を管理する方法であって、
   複数の第１の流れ場チャネルを通して第１の方向に流れを方向付けるステップと、
   複数の第２の流れ場チャネルを通して、第１の方向と対向する第２の方向に流れを方向付けるステップと、
   を含み、
   少なくともいくつかの第２の流れ場チャネルが２つの第１の流れ場チャネル間に介在することを特徴とする方法。
9. 第１の流れ場チャネルのインレットを第２の流れ場チャネルのアウトレットに隣接させて配置するステップと、
   第２の流れ場チャネルのインレットを第１の流れ場チャネルのアウトレットに隣接させて配設するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. プレートの１つの面の側に第１および第２の流れ場チャネルを形成するステップと、
    対応する流れ場チャネルから流出した流体をプレートの対向する面の側へと方向付けるように、各流れ場チャネルのアウトレットを配列するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。

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