JP2011518414A - 燃料電池における加湿分布制御のための多孔質流れ場プレート - Google Patents

Abstract

燃料電池内で用いられる流れ場プレートは、多孔質で濡れ性のあるプレート本体を有する。この本体上には、複数の流路チャネルが、第１の流路チャネルの入口部分が第２の流路チャネルの出口部分に隣接するような形に配列されている。第２の流路チャネルの出口部分内の流体の水分が、多孔質で濡れ性のあるプレート本体を通して、第２の流路チャネルの出口部分から隣接した第１の流路チャネルの入口部分へ向かって移動できる。

Description

この発明は、燃料電池における加湿分布制御のための多孔質流れ場プレートに関する。

燃料電池は、電気化学的反応を利用して電力を生成する。反応物流れ場プレートが、燃料や空気などの反応物を燃料電池内に導くためのチャネルを備えている。この流れ場プレートのチャネルは、反応物が燃料電池内の膜アッセンブリの触媒層で利用されるように、該反応物を案内する。

一般的な流れ場プレートは、該流れ場プレートを横切る直線状のチャネルを有している。複数のチャネルが互いに平行に配列されている。

燃料電池の性能を良好に維持するための１つの課題は、流れ場プレートのチャネル内を輸送される空気および燃料に十分な加湿を行うことである。燃料電池内の反応物を加湿する１つの手法は、多孔質の水輸送プレートを用いて燃料電池アッセンブリ内に水を循環させることである。多孔質プレートの欠点は、金属よりも肉厚となることから寸法が増加すること、温度範囲が制限されること、そして、反応物ガスを吸収する可能性があること、である。一般的な加湿の手法による欠点としては、外部の水回路を必要とすることである。固体（例えば非多孔質）の流れ場プレートを用いる場合には、適切な加湿を達成することはより困難である。

冷媒がガス流に混入する虞がなく、かつ外部加湿回路を必要とせずに、適切な加湿を実現することが望まれている。

燃料電池内で用いられる例示的な流れ場プレートは、多孔質で濡れ性のあるプレート本体を有する。この本体上には、複数の流路チャネルが、第１の流路チャネルの入口部分が第２の流路チャネルの出口部分に隣接するような形に配列されている。第２の流路チャネルの出口部分内の流体の水分が、多孔質で濡れ性のあるプレート本体を通して、第２の流路チャネルの出口部分から隣接した第１の流路チャネルの入口部分へ向かって移動できる。

例示的な燃料電池アッセンブリにおける加湿分布の管理方法は、乾燥した流体を第１の流路チャネルの入口部分に供給することを含む。そして、この第１の流路チャネルの入口部分に隣接した第２の流路チャネルの出口部分に、相対的により加湿された流体を導く。上記第２の流路チャネルの出口部分における水分が、多孔質で濡れ性のあるプレート本体を通して、上記第１の流路チャネルの入口部分へ向けて、上記第２の流路チャネルの出口部分から移動する。

開示される実施例の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになるであろう。

本発明に基づいて設計された一実施例の流れ場プレートの概略図。 図１の実施例に沿って設計された一実施例の流れ場プレートの概略図。

図１および図２は、燃料電池で用いられる一実施例の流れ場プレート２０の概略図である。この流れ場プレート２０の本体２２には、複数の流路チャネルが設けられている。この例では、本体２２は多孔質でかつ濡れ性を有する。

図示例では、複数の流路チャネル２４，２６，２８，３０がプレート本体２２上に設けられている。第１の流路チャネル２４は、入口部分３２および出口部分３４を有する。さらに第１の流路チャネル２４は、上記入口部分３２と上記出口部分３４との間に、中間部分３６を有する。

同様に、第２の流路チャネル２６は、入口部分４２、出口部分４４、および中間部分４６を有する。

図１から明らかなように、流体は、矢印４８で示すように、プレート本体２２を横切る蛇行した流路に沿って流れる。これらの流路の入口部分内を流れる流体は、出口部分を通して流れる流体よりも高い圧力にある。入口部分に導入された流体（例えば、燃料ガスあるいは空気）は、出口部分を通って流れている流体よりも乾燥している。燃料電池の通常の運転では、よく知られている理由により、流路チャネルの入口部分に比較して出口部分に近い流体の方が、より加湿された状態となる。出口部分における水分は、少なくとも部分的に凝縮し、出口部分を出るガス流から分離し得る。

第１の流路チャネル２４の入口部分３２は、第２の流路チャネル２６の出口部分４４に隣接している。このような配置により、第２の流路チャネル２６の出口部分４４における流体内の水分（例えば凝縮した水分）が、プレート２０の本体２２を横切って、出口部分４４から入口部分３２へ向かう方向へ移動することが可能となる。このような水分の移動を、図１に矢印５０で示す。入口部分内の比較的高い毛細管圧力によって、隣の流路チャネルの隣接した出口部分から入口部分へ向かってプレート本体２２の対応する部分を通って、凝縮した水分（例えば、水）が吸い取られる。流路チャネルを図１，図２のように配置し、かつ多孔質で濡れ性のあるプレート本体２２を用いることにより、プレート２０に沿って水分を分配でき、流路チャネルの入口部分に導入された空気やその他の流体を加湿することができる。

このような構成の１つの特徴は、加湿のための外部回路が不要であることである。さらに、反応ガス流が冷媒通路内に混入する危険性がない。

以上の説明は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の要旨を逸脱せずに、開示した実施例の変更ないし修正は当業者には明らかであろう。本発明の法的保護の範囲は、後述の請求範囲によってのみ定まる。

Claims (11)

1. 燃料電池内で用いられる流れ場プレートであって、
   複数の流路チャネルを備えた多孔質で濡れ性のあるプレート本体を有し、上記複数の流路チャネルは、第１の流路チャネルの入口部分が第２の流路チャネルの出口部分に隣接するように上記本体上に配置され、第２の流路チャネルの出口部分内の流体の水分が、上記本体を通して、第２の流路チャネルの出口部分から隣接した第１の流路チャネルの入口部分へ向かって移動できるように構成されていることを特徴とする流れ場プレート。
2. 上記第１の流路チャネルは、該第１の流路チャネルの入口部分から出口部分へと蛇行した経路に沿って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。
3. 上記第１の流路チャネルの入口部分は上記本体を横切るように第１の方向に沿って流体を案内し、かつ該第１の流路チャネルの出口部分は上記第１の方向に沿って流体を案内し、さらに、この第１の流路チャネルは、上記入口部分と上記出口部分との間に中間部分を有し、この中間部分は、上記本体を横切るように逆向きの第２の方向に流体を案内する、ことを特徴とする請求項２に記載の流れ場プレート。
4. 上記第２の流路チャネルは、該第２の流路チャネルの入口部分から出口部分へと蛇行した経路に沿って設けられていることを特徴とする請求項２に記載の流れ場プレート。
5. 上記第２の流路チャネルの入口部分は上記本体を横切るように第１の方向に沿って流体を案内し、かつ該第２の流路チャネルの出口部分は上記第１の方向に沿って流体を案内し、さらに、この第２の流路チャネルは、上記入口部分と上記出口部分との間に中間部分を有し、この中間部分は、上記本体を横切るように逆向きの第２の方向に流体を案内する、ことを特徴とする請求項４に記載の流れ場プレート。
6. 上記第１の流路チャネルの入口部分を通って流れている流体が、上記第２の流路チャネルの出口部分を通って流れている流体よりも高い圧力にあることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。
7. 上記入口部分における流体が乾燥空気であり、上記出口部分における流体が湿った空気および液体の水であることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。
8. 燃料電池アッセンブリにおける加湿分布管理方法であって、上記燃料電池アッセンブリが多孔質で濡れ性のあるプレート本体を有し、かつ該本体上に、第１の流路チャネルの入口部分が第２の流路チャネルの出口部分に隣接するように複数の流路チャネルが配置されているものにおいて、
   乾燥した流体を上記第１の流路チャネルの入口部分に供給し、
   相対的により加湿された流体を上記第２の流路チャネルの出口部分に導き、
   上記第２の流路チャネルの出口部分から上記本体を通して上記第１の流路チャネルの入口部分へ向けて、上記第２の流路チャネルの出口部分の水分を移動させる、
   ことを特徴とする加湿分布管理方法。
9. 上記入口部分における第１の流体圧力を用い、
   上記出口部分における、より低い第２の流体圧力を用いる、
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 上記入口部分に乾燥空気を導入し、
    上記出口部分から上記本体を通して上記入口部分へと水を移動させる、
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 上記出口部分に沿って少なくとも一部の水分を凝縮させることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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