JP2012523089A - 流体供給のための燃料電池および流れ場プレート - Google Patents

Abstract

燃料電池１０で用いられる流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、非多孔質プレートボディ３０を備えており、この非多孔質プレートボディ３０は、該ボディ３０の第１の端部３６と第２の端部３８との間に延びる流れ場４０を有している。流れ場４０は、チャネル入口４２およびチャネル出口４４を有した複数のチャネル３２，３４と、第１の端部３６からチャネル入口４２へと末広がりに拡散する流体入口部５０と、チャネル出口４４から第２の端部３８へと集束する流体出口部５２とを備えている。流れ場プレートを有した燃料電池１０は、電極アッセンブリ１４を有しており、該電極アッセンブリ１４は、アノード触媒２０ｂとカソード触媒２０ａとの間に配置された電解質１８を備えている。流れ場プレートの流れ場４０は、電極アッセンブリ１４と並列に配置されている。流れ場プレートを加工処理する方法は、非多孔質プレートボディ３０に流れ場４０を形成するステップを含む。

Description

本発明は、燃料電池の流れ場プレートに関する。

燃料電池は、一般に、反応物、例えば、燃料と酸化物との間の周知な電気化学反応によって電流を生成するために、アノード触媒と、カソード触媒と、該アノード触媒と該カソード触媒との間に位置する電解質とを備えている。燃料電池は、触媒の各々へと反応物を案内するためのチャネルを有した流れ場プレートを備えることができる。従来の燃料電池においては、反応ガスや冷媒をチャネルへと供給し、該チャネルから排出ガスや冷媒を受けるように流れ場プレートを通して延びる入口マニホールドおよび出口マニホールドが用いられている。流れ場プレートは、一般に、長方形である。

マニホールドの配置には、多通路流れ場の設計が必要となることが多く、この設計においては、流れ場を横切る少なくとも数個の通路を形成するように、反応物が、流れ場の一方の側から第１のチャネルセットを通して流れ場の他方の側へと通流し、他のチャネルセットを通して流れ場を横切って戻る。多通路設計に関連する１つの課題は、高い燃料電池性能を達成することである。例えば、反応ガスの湿度、温度および他の特性が、チャネルを介して著しく変化し、燃料電池の性能が低下し得る。燃料流、空気流、冷媒流の間の特定の構成を有してなる単通路設計が、例えば、ガスの湿度および温度の変化による影響を減少するための解決策として提案されてきた。しかし、単通路設計においては、望ましい性能を達成させる程には、反応ガスが触媒へ適切に供給されず、また、所定のパッケージングやマニホールドの配置が制限される。

燃料電池において用いられる例示的な流れ場プレートが、非多孔質プレートボディを有しており、非多孔質プレートボディは、その第１の端部と第２の端部との間に延びる流れ場を備えている。流れ場は、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、第１の端部からチャネル入口へと拡散する流体入口部と、チャネル出口から第２の端部へと集束する流体出口部とを備えている。

例示的な燃料電池が、電極アッセンブリを有した流れ場プレートを備えており、電極アッセンブリは、アノード触媒とカソード触媒との間に配置された電解質を備えている。流れ場プレートの流れ場は、電極アッセンブリと並列に配置されている。

流れ場プレートを加工処理するための例示的な方法は、流れ場が、非多孔質プレートボディの第１の端部と第２の端部との間に延び、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、第１の端部からチャネル入口へと拡散する流体入口部と、チャネル出口から第２の端部へと集束する流体出口部とを備えるように、非多孔質プレートボディに流れ場を形成することを含む。

本発明の実施例における例示的な燃料電池の選択された部分の部分的な組立分解図である。 本発明の実施例の例示的な流れ場プレートの図である。 本発明の実施例における流れ場プレートの例示的な流体入口部の断面図である。

図１には、例えば、反応ガスの間の周知な電気化学反応により電流を生成するための例示的な燃料電池１０の選択された部分の部分的な組立分解図が示されている。開示した燃料電池１０の構成は、例示するのみであり、本明細書に開示した概念を他の燃料電池構成に適用することができることを理解されたい。

例示的な燃料電池１０は、１つまたは複数の燃料電池ユニット１２を備えており、該燃料電池ユニット１２は、燃料電池１０のアッセンブリを提供するように周知の方法で積層され得る。燃料電池ユニット１２の各々は、電極アッセンブリ１４と、該電極アッセンブリ１４に反応ガス（例えば、空気および水素）を供給するための流れ場プレート１６ａ，１６ｂとを備えている。流れ場プレート１６ａを、空気を供給するための空気プレートとすることができ、流れ場プレート１６ｂを、水素を供給するための燃料プレートとすることができる。流れ場プレート１６ａ、流れ場プレート１６ｂ、またはこれらの双方は、燃料電池１０の望ましい動作温度を維持し、かつ、電極アッセンブリ１４を望ましい温度範囲に維持することにより間接的に反応ガスを水和させるように、（冷媒チャネル内で）冷媒を循環することもできる。

電極アッセンブリ１４は、カソード触媒２０ａとアノード触媒２０ｂとの間に配置された電解質１８を備えることができる。ガス拡散層２２が、反応ガスの供給を容易にするように流れ場プレート１６ａ，１６ｂと電極アッセンブリ１４との間で使用され得る。

流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、実質的に同様に形成され得る。したがって、流れ場プレート１６ａについて開示した例は、流れ場プレート１６ｂにも適用され得る。他の例においては、流れ場プレート１６ｂを異なるように形成するか、もしくは流れ場プレート１６ｂが流れ場プレート１６ａと同様ないくつかの特徴を有することができる。

流れ場プレート１６ａは、非多孔質プレートボディ３０を備えている。「非多孔質」は、固体であり、かつ、液体の水または他の流体を保持もしくは輸送するための多孔質プレートにおいて周知な開いた孔からなる網状組織を有していないボディに適用される。したがって、非多孔質プレートボディ３０は、流体に対するバリアである。

非多孔質プレートボディ３０は、反応ガスチャネル３２および冷媒チャネル３４を備えている。反応ガスチャネル３２は、電極アッセンブリ１４の方向に向いた流れ場プレート１６ａの側に位置しており、冷媒チャネル３４は、流れ場プレート１６ａの反対側に位置している。図示した例では、チャネル３２，３４は直線的に示されているが、この説明を考慮すれば、当業者は、これらの特定の要求を満たす他のチャネル構成を理解するであろう。

流れ場プレート１６ａは、望ましい形状に、プレス加工されるか、もしくは他の方法で形成され得る。この点については、流れ場プレート１６ａの一方の側においては、正面（ポジティブ）の特徴部が存在し、他方の側においては、裏面（ネガティブ）の特徴部が存在することになり、この逆の関係も成立する。プレス加工によって、例えば、比較的安価な費用で流れ場プレート１６ａを形成し、機械加工の作業のための要求を減少させることができる。流れ場プレート１６ａは、鋼、例えば、ステンレス鋼、または、他の適切な合金や材料で形成され得る。

図２には、流れ場プレート１６ａの一方の側が示されている。他方の側が、可視の側の裏面の側であることを理解されたい。チャネル３２，３４は、（それぞれ反応ガスまたは冷媒である）流体を受けるための入口４２と、チャネル３２，３４から流体を吐出するための出口４４とを備えている。流れ場プレート１６ａは、非多孔質プレートボディ３０の第１の終端部３６と第２の終端部３８との間に延びるとともに、流れ場４０を備えている。本発明で用いられる用語「流れ場」は、空気、燃料および冷媒を供給するためのチャネル３２，３４と、チャネル３２，３４と空気、燃料または冷媒を供給するためのマニホールドとの間の他の領域とのいずれかまたは全てに適用され得る。反応ガスチャネル３２を反応ガス（流れ場プレート１６ａの場合には、空気、流れ場プレート１６ｂの場合には、燃料）用の流れ場とし、冷媒チャネル３４を冷媒用の流れ場とすることができる。

流れ場４０の各々は、流体入口部５０および流体出口部５２を備えている。反応ガスの流れ場４０は、電極アッセンブリ１４に反応ガスを供給し（図１）、電気化学反応を生じさせるための大部分であり、電極アッセンブリ１４と並列に配置されている。また、流体入口部５０および流体出口部５２も、電極アッセンブリ１４の一部と並列に配置されている。図示した例では、流体入口部５０は、第１の終端部３６からチャネルの入口４２へと末広がりに拡散し、流体出口部５２は、チャネルの出口４４から第２の終端部３８へと収束している。

流れ場プレート１６ａは、一方の側に、反応ガスチャネル３２へ反応ガスを供給するための１つの流体入口部５０を備えており、背面側に（裏面として）冷媒チャネル３４へ冷媒を供給するための他の流体入口部５０を備えている。同様に、流れ場プレート１６ａは、図２の可視の側に、反応ガスを収集するための流体出口部５２を備えており、背面側に（裏面として）冷媒を収集するための他の流体出口部５２を備えている。しかし、反応ガスおよび冷媒の流れ方向に基づいて、可視側の流体入口部５０の背面／裏面は、流体出口部５２となり、可視側の流体出口部５２の背面／裏面は、流体入口部５０となり得る。

図示した例では、流れ場プレート１６ａは、拡散形状および集束形状を達成するために、不規則な八角形形状とされている。しかし、形状は八角形に限定されるものではなく、他の例では、流れ場プレート１６ａは、拡散形状および集束形状を達成するために、異なる多角形形状、または多角形ではない形状、例えば、楕円、湾曲形状等とすることができる。

流体入口部５０および流体出口部５２は、直線端部壁５４と、該直線端部壁５４と垂直にならないように延びる２つの直線側部壁５６とを備えることができる。直線側部壁５６と直線端部壁５４との間の角度によって、拡散形状または集束形状の各々が提供される。図示した角度は、望ましい拡散または集束の程度や、流体入口部５０および流体出口部５２の大部分の望ましい広さに基づいて変化し得る。

流体入口部５０および流体出口部５２の各々の拡散形状および集束形状により、所定の流れ場４０への流体の供給が容易なものとなる。例えば、流体入口部５０へと供給される流体流は、側部壁５６に沿って、流れ場プレート１６ａの縁部の近くの外側チャネル３２’へと通流する。側部壁５６が直線端部壁５４と垂直であるとしたら、流体が角部の近くで円滑に流れることはなく、外側チャネル３２’への流れは抑制され得る。直線端部壁５４に対し側部壁５６を傾斜させて拡散形状を形成することにより、流体入口部５０は、チャネル３２へと流体をより均一に供給する。同様に、流体出口部５２が収束していることにより、チャネル３２から通流する流体が集中し、これにより、流体の収集が容易となる。

また、燃料電池１０は、流れ場４０へと向かう反応ガスおよび冷媒を供給し、流れ場４０からの反応ガスおよび冷媒を収集するために、マニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０を備えている。マニホールド６０，６４は、流体入口部５０の側部壁５６の近くに配置されており、マニホールド６２は、端部壁５４の近くに配置されている。マニホールド６６，７０は、流体出口部５２の側部壁５６の近くに配置されており、マニホールド６８は、端部壁５４の近くに配置されている。

個別のマニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０は、流体の供給を容易にするか、もしくは燃料電池の他の目的を達成するために、所定の流れ場４０へ燃料、空気または冷媒を供給するための入口か、もしくは所定の流れ場４０から燃料、空気または冷媒を収集するための出口として使用され得る。例えば、燃料、空気または冷媒の各々の流れが燃料電池１０の基準面、例えば、燃料電池１０の傾斜面または中央面に対し概ね対称とされた「対称」構成を選択することができる。１つの例では、マニホールド６２は空気を供給し、マニホールド６８は空気を収集し、マニホールド７０は燃料を供給し、マニホールド６０は燃料を収集し、マニホールド６４は冷媒を供給し、マニホールド６６は冷媒を収集する。したがって、空気は燃料電池１０を横切って通流し、燃料は、（図２において右下から左上へと）上方に通流し、冷媒は、（左下から右上へと）上方に通流する。この説明を考慮することにより、当業者は、これらの特定の要求を満たす他の対称構成を理解するであろう。

一般に、マニホールド６４とマニホールド６６との間を通流する冷媒の温度は上昇し、マニホールド６２とマニホールド６８との間を通流する空気は湿気が高くなり、燃料は、マニホールド７０へ流入する際に比較的乾燥している。燃料電池１０の温度および湿度の変化により、周知のように、燃料電池１０の性能に悪影響を及ぼし得る。しかし、例えば、燃料電池１０を通る空気および燃料からなる対向流（つまり、互いに反対方向の流れ）と、空気および冷媒からなる並流（つまり、同一方向の流れ）とを有した単一通路システムを設けることにより、対称構成が上記悪影響を制限する。流体出口部５２の近くの湿った水分が、電極アッセンブリ１４を横切る水分の移動により、流入する乾燥した燃料を加湿することができるので、空気および燃料からなる対向流は燃料の加湿を容易にする。燃料電池１０を出る湿った空気が、燃料電池１０を出る高温の冷媒と並行しているので、空気および冷媒からなる並流は、空気の加湿を容易にする。冷媒からの熱は、水分を蒸発状態に維持する。さらに、対称構成における冷媒は上方へと通流し、これにより、気泡の閉じ込めの防止が容易となる。

他の例においては、空気が燃料電池１０を横切って通流するのではなく燃料電池１０を上方または下方に通流し、燃料が燃料電池１０を上方に移動するのではなく燃料電池１０を横切ってまたはこれを下方に通流し、冷媒が燃料電池１０を上方に移動するのではなく燃料電池１０を横切ってまたはこれを下方に通流するようにされた他の「対称」構成を選択することができる。

ある例においては、空気、燃料または冷媒の少なくとも１つの流れが概ね対称でないものとされた「非対称」構成を選択することができる。１つの例では、マニホールド６２は空気を供給し、マニホールド６６は空気を収集し、マニホールド７０は燃料を供給し、マニホールド６０は燃料を収集し、マニホールド６４は冷媒を供給し、マニホールド６８は冷媒を収集する。他の例では、マニホールド６２は燃料を供給し、マニホールド７０は燃料を収集し、マニホールド６６は空気を供給し、マニホールド６４は空気を収集し、マニホールド６８は冷媒を供給し、マニホールド６０は冷媒を収集する。この説明を考慮すると、当業者は、他の非対称構成を理解するであろう。可能な非対称構成の一部は、望ましい対向流および並流を提供し得るが、流れ場を通る流れは、対称構成の流れほどは均一なものとはなり得ない。

流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、チャネル３２，３４への流体の均一な供給を促進するための特徴部を備えることができる。例えば、流体入口部５０、流体出口部５２またはこれらの双方は、流れを案内するための１つまたは複数の流れガイド５８を備えることができる。１つの例として、米国の共同出願（代理人整理番号６７，１２４−１３０および６７，１２４−１３２）は、数個の例示的な流れガイドおよび構成を開示している。流体入口部５０の流れガイド５８は、チャネル３２，３４への流体の均一な供給を促進するように、マニホールド６０，６２，６４のうちの所定の１つから、所定のマニホールド６０，６２，６４から最も離間して配置されたチャネル３２，３４の一部へと流体を案内することができる。流体出口部５２の流れガイド５８は、チャネル３２，３４からの流体の均一な収集を促進するように、所定のマニホールド６６，６８，７０から最も離間して配置されたチャネル３２，３４から、所定のマニホールド６６，６８，７０へと流体を案内する。

図３には、図２に示した配置における流れ場プレート１６ａの断面図が示されている。また、簡潔のために流れガイド５８は省略されている。流体入口部５０は、可変の流れ深さを備えることができる。例えば、流体入口部５０は、浅部７６と、非多孔質プレートボディ３０の厚さ方向８０において浅部７６よりも深く形成された深部７８とを備えている。この場合、浅部７６の裏面は、流れ場プレート１６ａの背面側に位置する深部７８’であり、深部７８の裏面は、背面側に位置する浅部７６’である。図示した例においては、浅部７６，７６’および深部７８，７８’との間の移行部は、比較的緩やかであるが、他の例においては、図示したものよりも、移行部をより急崚なものまたはより緩やかなものとすることができる。

浅部７６，７６’および深部７８，７８’は、チャネル３２，３４への流体の均一な供給を容易にする。例えば、マニホールド６４を通して流体入口部５０へ流入する流体は、最初に、浅部７６を通して通流し、次に、深部７８へと流入する。深部７８は、この場合は、マニホールド６４から最も離間して配置されたチャネル３２の一部８２（図２）へより多量の流体を供給し、浅部７６は、マニホールド６４に近いチャネル３２の一部８４へより少量の流体を供給する。同様に、流体出口部５２は、マニホールド６６，６８，７０うちの１つに対し遠いかまたは近いチャネルからの流体の収集を容易にするための浅部７６，７６’および深部７８，７８’を備えることができる。例えば、マニホールド７０について、マニホールド７０に近い流体出口部５２の下側半分を浅部７６，７６’とし、上側半分を深部７８，７８’とすることができる。

また、中央のマニホールド６２，６８に均一に供給するために、流体入口部５０および流体出口部５２の中央部分を浅部７６，７６’とし、外側部分を深部７８，７８’とすることができる（もしくは、流体入口部５０および流体出口部５２の中央部分を深部７８，７８’とし、外側部分を浅部７６，７６’とすることができる。浅部７６，７６’および深部７８，７８’は、非対称構成において所定の流れ場４０へ向かう反応ガスまたは冷媒の流れをより均一化するように使用され得る。

図示した例には、特徴部の組み合わせが示されているが、本発明の種々の実施例の利益を実現するために、特徴部全てを組み合わせることは必要ない。つまり、本発明の実施例により設計されたシステムは、１つの図または概略的に図示した部分の全てに示した特徴部の全てを備える必要はない。さらに、１つの例示的な実施例の選択された特徴部を、他の例示的な実施例の選択された特徴部と組み合わせることができる。

上記の説明は、例示的なものであり、限定的なものではない。当業者であれば、本発明の本質を逸脱することなく、種々の変更および修正がなされ得ることを理解するであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、付記の特許請求の範囲を検討することにより決定されるのみである。

Claims (16)

1. 第１の端部と第２の端部との間に延びる流れ場を有した非多孔質プレートボディを備え、
   前記流れ場は、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、前記第１の端部から前記チャネル入口へと拡散する流体入口部と、前記チャネル出口から前記第２の端部へと集束する流体出口部とを備えることを特徴とする燃料電池において用いられる流れ場プレート。
2. 前記流れ場の外周が、八角形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。
3. 前記流れ場の外周の少なくとも一部が曲線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。
4. 前記流体入口部は、直線端部壁と、直角ではない角度で該直線端部壁から延びる２つの直線側部壁とを備えることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。
5. 前記流体入口部または前記流体出口部の少なくとも一方は、可変の深さを備えることを特徴とする請求項１に記載の流れ場プレート。
6. 前記複数のチャネルは、直線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。
7. アノード触媒とカソード触媒との間に位置する電解質を有した電極アッセンブリと、
   第１の端部と第２の端部との間に延びる前記電極アッセンブリに隣接した流れ場を有した非多孔質プレートボディと、
   を備え、
   前記流れ場は、チャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、前記第１の端部から前記チャネル入口へと拡散する流体入口部と、前記チャネル出口から前記第２の端部へと集束する流体出口部とを備えることを特徴とする燃料電池。
8. 前記流体入口部および前記流体出口部に隣接した複数のマニホールドをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記流体入口部および前記流体出口部の各々は、直線端部壁と、直角ではない角度で該直線端部壁から延びる２つの直線側部壁とを備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
10. 前記直線側部壁に隣接した複数の反応ガスマニホールドをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記直線端部壁に隣接した複数の冷媒マニホールドをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
12. 流体を前記流れ場へ供給するように、前記流体入口部の前記２つの直線側部壁の一方に隣接して配置された反応ガス入口マニホールドと、前記流れ場からの流体を吐出するように、前記流体出口部の前記２つの直線側部壁の一方に隣接して配置された反応ガス出口マニホールドと、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
13. 冷媒を前記流れ場へ供給するように、前記流体入口部の前記直線端部壁の１つに隣接して配置された冷媒入口マニホールドと、前記流れ場からの冷媒を吐出するように、前記流体出口部の前記直線端部壁の１つに隣接して配置された冷媒出口マニホールドと、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
14. 燃料電池において用いられる流れ場プレートを加工処理する方法であって、
    流れ場が、非多孔質プレートボディの第１の端部と第２の端部との間に延び、かつチャネル入口およびチャネル出口を有した複数のチャネルと、前記第１の端部から前記チャネル入口へと拡散する流体入口部と、前記チャネル出口から前記第２の端部へと集束する流体出口部とを備えるように、前記非多孔質プレートボディに前記流れ場を形成することを含む方法。
15. 前記流れ場を形成することは、前記複数のチャネルと、前記流体入口部および前記流体出口部を形成するように前記非多孔質プレートボディをプレス加工することを含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 可変の深さを有するように前記流体入口部または前記流体出口部の少なくとも一方を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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