JP2012508954A - 燃料電池プレートの流れ場 - Google Patents

Abstract

燃料電池流れ場プレートを製造する方法が開示されている。この方法においては、流れ分布が、流れ場にわたってほぼ均一化される。この方法は、流れ場と連通した入口マニホールドを設けるステップを含む。流れ場は複数のチャネルを備えており、該チャネルのいくつかは、他のチャネルよりも制限された流れを入口マニホールドから受ける。チャネルの間の相対的な圧力降下が、圧力降下特性へと変換され、入口マニホールドからの流体流を、流れが制限されたチャネルへと通流させ、これにより、流れ分布が、流れ場にわたってほぼ均一化する。

Description

本発明は、燃料電池プレートの流れ場構成に関する。

燃料電池は、膜電極アッセンブリの両側に配置されたアノードおよびカソードを備えている。アノードおよびカソードは、流れ場を備えたプレートによって設けられている。アノードプレートの流れ場は、膜電極アッセンブリへ燃料を運び、カソードプレートの流れ場は、膜電極アッセンブリに反応物を運ぶ。

流れ場は、複数のチャネルによって設けられており、該複数のチャネルには、流体が入口マニホールドから供給される。チャネルは、種々の要因、例えば、パッケージングの制約に基づいた様々な構成で配置されてきた。一般に、チャネルにわたる流れ分布を確実にほぼ均一化するために、チャネルへ向かう入口よりも広いマニホールドを設けることが望ましい。場合によっては、チャネルの各入口に入口マニホールドからの制限されていない流れを供給できないことがある。結果として、数本のチャネルは、ある程度だけ制限された流れを受けることになり、これにより、流れ場にわたる流れ分布が不均一なものとなる。この不均一な流れ分布により、温度勾配がプレートにわたって生じ、燃料電池内の化学反応の効率が低下し得る。アノード流れの場合には、ある場所で水素が不十分であることにより、アノードプレートの炭素腐食が生じ得る。また、カソード流れ場の場合には、ある場所で酸素が不十分であることにより、高温となり、電池電圧が降下し得る。

燃料電池プレートが、少なくとも数本のチャネルに妨害されていない流れを供給することができない構成においても流れ分布をほぼ均一化するようにした流れ場を有することが必要である。

燃料電池プレートの流れ場を製造する方法が開示されており、この方法においては、流れ分布が、流れ場にわたってほぼ均一化される。この方法は、流れ場と連通した入口マニホールドを設けるステップを含む。流れ場は、複数のチャネルを備え、該チャネルのうち数本のチャネルは、入口マニホールドから、他のチャネルよりも制限された流れを受ける。チャネルの間の相対的な圧力降下は、圧力降下特性に変換され、入口マニホールドからの流体流を、流れが制限されたチャネルへと通流させ、これにより、流れ分布が、流れ場にわたってほぼ均一化する。

１つの例では、第１のチャネルセットおよび第２のチャネルセットが、交互の関係で配置されている。第１のチャネルセットにわたって平衡して流体流を通流させるために、入口マニホールドからの入口通路は、第１のチャネルと整列していない。他の例では、遮断されていないチャネルは、該チャネルに沿って圧力降下を増加させる浅いチャネル部分を備えている。遮断されているチャネルに沿って圧力降下を減少させるために、遮断されていないチャネルから遮断されているチャネルにかけて交差溝を使用することができる。

燃料電池プレートが、少なくとも数本のチャネルに妨害されていない流れを供給することができない構成においても流れ分布をほぼ均一化するようにした流れ場を有することが必要である。

燃料電池の概略図である。 流れ場を有した例示的な燃料電池プレートの平面図である。 図２の燃料電池プレートの一部分の拡大図である。 図２の燃料電池プレートの他の部分の拡大図である。 他の例示的な燃料電池プレートの平面図である。 図５の燃料電池プレートの一部分の拡大斜視図である。

図１には、燃料電池１０が、非常に概略的な形式で示されている。燃料電池１０は、アノード１２とカソード１４との間に配置された膜電極アッセンブリ１６を備えている。膜電極アッセンブリ１６は、例えば、ガス拡散層の間に配置された陽子交換膜を備えている。アノード１２およびカソード１４は、燃料流れ場および反応物流れ場をそれぞれ提供し、燃料流れ場および反応物流れ場は、中実または多孔質のプレートに配置されたチャネルによって設けられる。流れ場は、流れ場構成要素の各々と連通した内部マニホールドまたは外部マニホールドを用いて、流れ場入口および流れ場排出口に流体的に接続されている。

図２〜図４には、内部入口マニホールド２０および内部排出マニホールド２２を有したプレート１８が示されている。内部入口マニホールド２０および内部排出マニホールド２２は、流れ場２４によって流体的に互いに接続されている。この例では、入口マニホールドおよび排出マニホールドは、プレート１８の両側に配置されている。ライザ２８の間に配置された平行チャネル２６が、流れ場２４を提供している。この例では、平行チャネル２６は長さＬにわたって延びるとともに、著しく湾曲することなく長さＬに沿って互いに平行となるように延びている。つまり、直角に湾曲することなく、所定のチャネルは、ある流れ場では一般的であるように折り返されてはいない。流れ場２４の幅Ｗ２は、入口マニホールド２０の幅よりも大きい。この構成には、流れ場２４にわたって流体を均一化するという課題がある。特に、入口マニホールド２０の外側のチャネルは、一般に、流体が不足しており、これにより、陽子交換膜での化学反応が不均一となり、プレート１８には高温の箇所および低温の箇所が存在し、アノード側では炭素腐食が生じる。

１つの例では、チャネル２６は、互いに噛み合う流れ場を提供するように交互の関係で配置された第１のチャネルセット３４および第２のチャネルセット３６へと分割されている。第１のチャネルセット３４は、幅Ｗ２にわたって延びる横方向入口通路３２によって互いに流体的に接続されており、横方向入口通路３２には、入口マニホールド２０から、互いに離間した個別の入口通路３０を通して流体が供給される。この例では、入口通路３０は、互いに概ね等間隔で離間しており、第１のチャネルセット３４のチャネルと整列していない。これにより、第１のチャネルセット３４にわたる流体分布の均一化を促進する。図４において最も良く示されているように、第１のチャネルセット３４の各チャネルは、横方向入口通路３２から第１の終端部３８へと延びる。

第２のチャネルセット３６の各チャネルは、（図３において最も良く示されている）横方向入口通路３２の付近に配置された第２の終端部４０から、第２のチャネルセット３６を互いに流体的に接続する横方向排出通路４２へと延びている。この例では、図４において最も良く示されているように、幅Ｗ２にわたって延びる一対の横方向排出通路４２が、互いに平行となるように接続されている。横方向排出通路４２の付近には、第１の終端部３８が配置されている。横方向排出通路４２は、個別の排出流路４４によって排出マニホールド２２に流体的に接続されている。

作動時には、流体は、入口マニホールド２０によって入口通路３０を通して第１のチャネルセット３４に供給される。第１のチャネルセット３４が第１の終端部３８において閉じているので、流体は、例えば、膜電極アッセンブリ１６のガス拡散層へと流れ、第２のチャネルセット３６へと通流することになる。上記のようなチャネルが互いに入り込んだ構成により、第１のチャネルセット３４と第２のチャネルセット３６との間に圧力降下特性がもたらされ、これにより、流れ分布が流れ場２４にわたって均一化する。ガス拡散層からの流体は、化学反応のために陽子交換膜へ供給される。流体は、第２のチャネルセット３６から排出マニホールド２２へ戻される。

図５には、他のプレート１１８が示されており、該プレート１１８は、外部入口マニホールド４６を備えている。流体は、入口通路４８を通して、横方向入口通路１３２を提供するプレート１１８内のヘッダに供給される。入口通路４８からの流れは、バッフル５０に衝突し、ヘッダ内で分散する。流れ場１２４の幅Ｗ２は、外部入口マニホールド４６の幅Ｗ１よりも大きい。一般に、第１のチャネルセット１３４への流れは遮断されない。図５に示した構成では、第２のチャネルセット１３６への流れが遮断されるように、流れがヘッダの末端部における流れ制限領域５２において妨げられる。第１のチャネルセット１３４および第２のチャネルセット１３６は、ライザ１２８によって分離されている。

第２のチャネルセット１３６への流れが遮断されると、圧力降下が第２のチャネルセット１３６の長さＬにわたって生じ得る。上記の圧力降下を相殺し、流れ場１２４にわたって流れ分布を均一化するために、交差溝つまり交差通路５４が、ヘッダの付近の数本の第１のチャネルセット１３４から、ヘッダから離間して流れ制限領域５２の下方の第２のチャネルセット１３６へと向かうようにある角度で延びている。また、交差通路５４をチャネルと垂直に配置することもできる。結果として、入口マニホールド４６から通路５６を通して排出マニホールドへと流れ場１２４にわたって、流れ分布が均一化することになる。

図６には、他の圧力降下特性が示されており、該圧力降下特性は、プレート１１８の交差通路５４の代わりに、またはこれに加えて用いることができる。遮断され得ない第１のチャネルセット１３４は、より小さい断面領域を提供する浅いチャネル部分５８を備えており、該チャネル部分５８は、第１のチャネルセット１３４の長さＬにわたって圧力降下を生じさせる。第２のチャネルセット１３６の深さＤ１は、ヘッダの付近に配置された浅いチャネル部分５８のチャネル深さＤ２よりも大きい。第１のチャネルセット１３４は、浅いチャネル部分５８の深さＤ２から、より下流の深さＤ１へと移行することができる。浅いチャネル部分５８の長さおよび深さは、流れ場１２４にわたって流れ分布を均一化するのに望ましい圧力降下を達成するように選択される。また、「深さ」という用語は、幅を含むことを意図している。

例示的な実施例を説明してきたが、当業者であれば、ある特定の修正案が本発明の範囲に含まれることを理解するであろう。このため、本発明の真の範囲および意義を画定するために付記の特許請求の範囲を検討すべきである。

Claims (17)

1. 流れ場にわたるほぼ均一の流れ分布を有するように燃料電池プレート流れ場を製造する方法であって、
   流れ場と連通した入口マニホールドを設けるステップであって、前記流れ場が、第１のチャネルおよび第２のチャネルを有する複数のチャネルを備え、前記第２のチャネルが、前記入口マニホールドから、前記第１のチャネルよりも制限された流体流を受ける、入口マニホールドを設けるステップと、
   前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の相対的な圧力降下を圧力降下特性に変換するステップと、
   前記圧力降下特性に応答して前記入口マニホールドからの流体流を前記第２のチャネルへ通流させ、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルとの間の流れ分布をほぼ均一化するステップと、
   を含む方法。
2. 前記設けるステップは、第１の幅を有した前記入口マニホールドと、該第１の幅よりも大きい第２の幅を有した前記流れ場と、該第２の幅にわたって配置された前記流れ場へ向かう入口とを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記設けるステップは、長さに沿って互いに平行に延びる前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記設けるステップは、前記第１のチャネルを互いに流体的に接続するとともに、入口通路によって前記入口マニホールドと流体的に接続された横方向入口通路と、前記第２のチャネルを互いに流体的に接続するとともに、排出マニホールドと連通した横方向排出通路と、を含み、前記圧力降下特性は、前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルが前記横方向入口通路および前記横方向排出通路から第１の終端部および第２の終端部へとそれぞれ延びて閉じていることにより提供され、前記第１の終端部および前記第２の終端部は、前記横方向排出通路および前記横方向入口通路の付近にそれぞれ配置され、前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルは、交互となる関係で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記設けるステップは、前記第２のチャネルへ向かう入口に流れ制限領域を含み、前記圧力降下特性は、前記第１のチャネルの入口の付近の前記第１のチャネルから前記流れ制限領域の下方の前記第２のチャネルへと延びる交差通路を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記交差通路は、前記流れ制限領域から離間して前記第２のチャネルへと向かうように、前記第１のチャネルの長さに対してある角度で延びていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記圧力降下特性が、前記第１のチャネルに浅いチャネル部分を備え、該浅いチャネル部分は、前記第２のチャネルの第１のチャネル深さよりも小さい第２のチャネル深さを提供することを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 各々が入口端部を有する複数のチャネルを備えた流れ場と、該入口端部と連通し、チャネルセットの前記入口端部に対して流体流を制限する流れ制限領域を備えたヘッダと、を有してなる構造体を備え、
   少なくとも数個の前記チャネルは、前記チャネルセットへの流体流を増加させるように構成された圧力降下特性を有することを特徴とする燃料電池。
9. 前記圧力降下特性は、第１のチャネルの入口の付近の前記第１のチャネルから前記流れ制限領域の下方の第２のチャネルへと延びる交差通路を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記交差通路は、前記流れ制限領域から離間して前記第２のチャネルへと向かうように、前記第１のチャネルの長さに対してある角度で延びていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
11. 第１の幅を有した入口マニホールドと、該第１の幅よりも大きい第２の幅を有した前記流れ場と、前記第２の幅にわたって配置された前記流れ場へ向かう入口とを備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
12. 前記流れ制限領域は、前記入口端部における前記流れ場の両側に配置されており、前記チャネルは、前記入口ヘッダから排出ヘッダへと長さに沿って互いに平行に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記圧力降下特性が、前記第１のチャネルに浅いチャネル部分を備え、該浅いチャネル部分は、前記流れ制限領域の下方に配置された前記第２のチャネルの第１のチャネル深さよりも小さい第２のチャネル深さを提供することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
14. 流れ場が第１のチャネルセットおよび第２のチャネルセットを有してなる構造体を備え、前記第１のチャネルセットのチャネルの各々は、入口端部から第１の終端部へと延び、前記入口端部は、入口マニホールドから流体を受けるように構成された横方向入口通路によって互いに流体的に接続され、前記第２のチャネルセットのチャネルの各々は、排出端部から第２の終端部へと延び、前記排出端部は、排出マニホールドへ流体を供給するように構成された横方向排出通路によって互いに流体的に接続され、前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルは、交互の関係にあり、前記第１の終端部および前記第２の終端部は、前記横方向排出通路および前記横方向入口通路の付近にそれぞれ配置されていることを特徴とする燃料電池。
15. 前記構造体は、前記入口マニホールドを備え、該入口マニホールドは、第１の幅を有し、前記横方向入口通路は、前記第１の幅よりも大きい第２の幅を有することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
16. 前記第１のチャネルセットおよび前記第２のチャネルセットは、前記横方向通路の各々から前記終端部の各々へと長さに沿って互いに平行に延びることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。
17. 横方向に互いに離間した入口通路が、前記入口マニホールドと前記横方向入口通路とを流体的に接続し、前記入口通路は、前記第１のチャネルセットのチャネルと整列していないことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池。

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