JP3495698B2 - 燃料電池用の流れチャンネル - Google Patents

燃料電池用の流れチャンネル

Info

Publication number
JP3495698B2
JP3495698B2 JP2000360558A JP2000360558A JP3495698B2 JP 3495698 B2 JP3495698 B2 JP 3495698B2 JP 2000360558 A JP2000360558 A JP 2000360558A JP 2000360558 A JP2000360558 A JP 2000360558A JP 3495698 B2 JP3495698 B2 JP 3495698B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
section
length
current collector
channel
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000360558A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2001167777A (ja
Inventor
キム・アール・グリフィス
ジェフリー・アラン・ロック
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Motors Liquidation Co
Original Assignee
Motors Liquidation Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Motors Liquidation Co filed Critical Motors Liquidation Co
Publication of JP2001167777A publication Critical patent/JP2001167777A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3495698B2 publication Critical patent/JP3495698B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、PEM燃料電池に
係り、より詳しくは、該燃料電池のための反応物流れ場
に関する。
【0002】
【従来技術】燃料電池は、多数の用途のための電源とし
て提案されてきた。そのような燃料電池の一つがPEM
(即ち、陽子交換膜)燃料電池である。PEM燃料電池
は、従来の分野で周知され、その各々の電池の中に、薄
い(即ち、約0.0038cm〜約0.0178cm
(0.0015〜0.007インチ))陽子伝達性ポリ
マー膜電極を含み、該膜電極の一方の表面にアノード電
極フィルム(即ち、約0.0051cm(0.002イ
ンチ))、その反対側の表面にカソード電極フィルム
(即ち、約0.0051cm(0.002インチ))が
形成された、いわゆる膜電極アセンブリ(以下、「ME
A」という)を備える。そのような膜電極は、当該技術
分野で周知されており、とりわけ、米国特許番号5,2
72,017号及び3,134,697号、並びに、電
源誌、第29巻(1990年度)の367〜387頁に
説明されている。一般に、そのような膜電極はイオン交
換樹脂から作られ、典型的には、E.I.デュポン・ダ
・ネモース&Coから市販されている、例えば「NAF
IONTM」などのフッ素置換されたスルホン酸ポリマー
などを含む。これに対し、アノード及びカソードフィル
ムは、典型的には、(1)細かく分割された炭素粒子、
これらの炭素粒子の内側及び外側表面に担持された非常
に細かく分割された触媒粒子、及びこの触媒粒子及び炭
素粒子と混ざり合った陽子伝達性材料(例えば、NAF
IONTM)を含み、或いは、(2)ポリテトラフルオレ
エチレン(PTFE)の結合材料中に分散された、炭素
無しの触媒粒子を典型的に備える。そのようなMEA及
び燃料電池の一つが1993年12月21日に発行され
た米国特許番号5,272,017号で説明され、本発
明の出願人に譲渡されている。
【0003】MEAは、「拡散層」として知られている
多孔質のガス透過性の伝達性材料のシートの間に挟まれ
ている。この拡散層は、MEAのアノード及びカソード
の表面に対して圧し、(1)アノード及びカソードのた
めの主要な電流コレクター、及び、(2)MEAのため
の機械的支持として役立つ。適切な主要電流コレクター
シートは、炭素、グラファイトペーパー、布、或いは、
細かいメッシュの貴金属スクリーン、などからなる。当
該技術分野で周知されているように、ガスは、この主要
電流コレクターシート通って、ランドの下にあるMEA
と接触するため移動することができる。
【0004】このようにして形成されたサンドウィッチ
は、一対の導電性プレートの間に圧される。これらの導
電性プレートは、主要な電流コレクターから電流を収集
し、(即ち、両極性プレートの場合には)スタックの内
部で隣接する電池の間、及び、スタックの端部で単極性
プレートの場合にはスタックの外側から隣接する電池の
間で電流を伝達するための第2の電流コレクターとして
役立つ。第2の電流収集プレートは、アノード及びカソ
ードの表面に亘って燃料電池のガス状反応物(例えば、
2及びO2/空気)を分配する少なくとも一つのいわゆ
る「流れ場」を各々含む。流れ場は、主要な電流コレク
ターと係合し、それらの間に複数の流れチャンネルを確
定する複数のランドを備える。これらの流れチャンネル
を通って、ガス状反応物はチャンネルの一端部の供給マ
ニホルド及びチャンネルの他端部の排気マニホルドの間
を流れる。蛇行状の流れチャンネルが知られており、こ
れは、蛇行流れチャンネルの各々の区間部が同じ蛇行流
れチャンネルの少なくとも他の一つの区間部と隣接する
ように多数のU字状カーブ及びスイッチバッグを形成し
た後にのみ供給及び排気マニホルドと接触する(米国特
許番号5,108,849号を見よ)。蛇行チャンネル
は、それらが、拡散層を介して同じチャンネルの隣接す
る区間部の間でガスが流れることを可能にするという点
で有利である。この点に関し、ガスは、チャンネルの上
流部分からチャンネルの下流部分にまで流れることがで
きる。チャンネルの下流部分では、流れチャンネルの上
流の区間部を下流の区間部の部分から隔てさせるランド
を超え拡散層を介して流れることによって、(即ち、あ
る長さのチャンネルを亘って通過するときの圧力低下に
起因して)ガス圧力がより低くなっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】供給マニホルド及び排
気マニホルドの間の圧力降下は、燃料電池を設計する上
でかなりの重要性を持つ。所望の圧力降下を提供する方
法の一つが、供給マニホルド及び排気マニホルドの間に
延在する流れチャンネルの長さを変更することである。
これまで使用されてきた蛇行チャンネル(例えば、米国
特許番号5,776,624号を見よ)は、そのような
チャンネルが両マニホルド間の距離の大部分に亘って延
在する奇数個(例えば3、5、7など)の区間部を必要
とするという点において設計上の自由度を制限する。従
って、各々のチャンネルの長さは、マニホルド間の距離
により大方定まってしまう。
【0006】本発明は、上記事実に鑑みなされたもの
で、与えられた供給マニホルド及び排気マニホルドの間
の距離に対して、燃料電池の設計上の自由度の向上を図
った、PEM燃料電池を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、マニホルド間
の距離に係らず、流れ場に未使用の空間を持つことな
く、本質的に自由自在にその長さを変えることができる
蛇行流れチャンネルを提供することにより、前述の問題
を克服する。より詳しくは、本発明は、上記した型式の
PEM燃料電池に対する改善であり、カソード面及びア
ノード面を両側に有する陽子交換膜と、カソード面と係
合するガス透過性の導電性カソード電流コレクターと、
アノード面と係合するガス透過性の導電性アノード電流
コレクターと、ガス透過性の導電性カソード及びアノー
ド電流コレクターのうち少なくとも一つと係合し、該一
つのガス透過性の電流コレクターと直面するガス流れ場
を画成する電流収集プレートと、を含む。この流れ場
は、電流コレクターと係合し且つ実質的に等しい長さの
蛇行ガス流れチャンネルを画成する複数のランドを含
み、チャンネルの各々は、流れチャンネルの全てに共通
な供給マニホルドからガスを受け取るための入口区間
部、流れチャンネルの全てに共通な排出マニホルドにガ
スを吐出するための出口区間部、及び、入口区間部及び
出口区間部の中間にある少なくとも一つの中間区間部を
有する。各々のチャンネルのための入口区間部、出口区
間部及び中間区間部は、同じチャンネルの少なくとも他
の一つの区間部と少なくとも部分的に境界を接してい
る。本発明によれば、各チャンネルの入口区間部及び出
口区間部のうち一方は、それと連係する供給マニホルド
又は排出マニホルドから他方のマニホルドの方向に第1
の長さに亘って延在し、入口区間部及び出口区間部のう
ちの他方は、入口区間部及び出口区間部の一方と略同じ
方向に第1の長さより小さい第2の長さに亘って延在
し、中間区間部は、入口区間部及び出口区間部と略同じ
方向に第2の長さより小さい第3の長さに亘って延在
し、ランドにより画成され、ランドは隣接する流れチャ
ンネルの同様に配置された中間区間部を画成するランド
から間隔を隔てられ且つこのランドと長さ方向に略整列
され、中間区間部の各々の端部にチャンネルに形成され
たU字状カーブが該中間区間部を同じチャンネルの隣接
する区間部に接続する。各々の蛇行チャンネルは、その
長さを変えるため、一つ又はそれ以上の中間区間部を備
えてもよい。本発明の一実施形態では、中間区間部の長
さは入口区間部及び出口区間部のうち最も長い区間部の
長さの約二分の一より小さい。本発明の別の実施形態で
は、中間区間部の長さは入口区間部及び出口区間部のう
ち最も長い区間部の長さの約三分の一より小さい。本発
明の更に別の実施形態では、中間区間部の長さは入口区
間部及び出口区間部のうち最も長い区間部の長さの約四
分の一より小さい。更に別の実施形態によれば、供給マ
ニホルド及び排出マニホルドは、流れ場の両端部に置か
れ、入口区間部及び出口区間部のうち一方は、マニホル
ド間の流れ場の長さのほとんど全体に亘って延在する。
好ましくは、隣接するチャンネルの入口区間部は互いに
境界を接し、隣接するチャンネルの出口区間部は互いに
境界を接している。しかし、ジェフリー・ロックの名前
で1998年1月30日に出願され、本出願の出願人に
譲渡された、係属中の米国特許出願シリアル番号09/
016,127号に記載されたのと同じ理由のため、入
口区間部と出口区間部とは境界を接していない。
【0008】本発明は、以下に述べるその特定の実施形
態の詳細な説明を考慮するとき、より良く理解されるで
あろう。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は、2つの電池からなる両極
性PEM燃料電池スタックが、導電性の液体冷却型両極
性プレートにより互いに分離される一対の膜電極アセン
ブリ(MEAs)4及び6を有する状態を表している。
膜電極アセンブリ4及び6と両極性プレート8とは、ス
テンレス鋼製クランピングプレート10及び12と、単
極性端部接触プレート14及び16と、の間に一緒に積
み重ねられている。単極性端部接触プレート14及び1
6、並びに、両極性プレート8は、各々が、燃料ガス及
び酸化ガス(即ち、H2及びO2)を膜電極アセンブリ4
及び6のアノード及びカソード面に分配するためプレー
ト面に形成された複数のチャンネルからなる流れ場1
8、20、22及び24を含む。非伝達性ガスケット2
6、28、30及び32は、燃料電池スタックの幾つか
のプレートの間にシール部及び電気的絶縁を提供する。
多孔質のガス透過性の導電性シート34、36、38及
び40は、膜電極アセンブリ4及び6の電極面を圧し、
電極用の主要な電流コレクター、並びに、特に膜電極ア
センブリ4及び6が流れ場の流れチャンネルに亘る位置
で膜電極アセンブリの機械的支持として役立つ。適切な
主要電流コレクターは、炭素/グラファイトの紙/布、
細かいメッシュ貴金属スクリーン、連続気泡貴金属発泡
体(open cell noble metal foams)などを備える。こ
れらは、電極上でリセットするためガスがそこを通って
流れることを可能にする一方で電極からの電流を伝達さ
せる。両極性プレート8が、膜電極アセンブリ4のアノ
ード面上の主要電流コレクター36に対して、及び、膜
電極アセンブリ6のカソード面上の主要電流コレクター
38に対して圧する一方で、端部接触エレメント14及
び16は、主要電流コレクター34及び40を各々圧し
ている。酸素は、適切な供給配管系統42を介して貯蔵
タンク46から燃料電池スタックのカソード側に供給さ
れ、水素は、適切な供給配管系統44を介して貯蔵タン
ク48から燃料電池スタックのアノード側に供給され
る。好ましくは、O2タンク46が無くなり、空気が周
囲からカソード側に供給されるのがよい。好ましくは、
2タンク48が無くなり、水素がメタノール又は液体
炭化水素(例えばガソリン)を触媒反応で生成する改質
器からアノードに供給されるのがよい。膜電極アセンブ
リのH2及びO2/空気の両方の側のための排気配管系統
(図示せず)も、H2を減らしたアノードガスをアノー
ド流れ場から取り出すため、及び、O2を減らしたカソ
ードガスをカソード流れ場から取り出すため、設けられ
ている。必要とされるとき、追加の配管系統50、52
及び54が、両極性プレート8及び端部プレート14、
16に液体冷却剤を供給するため設けられる。プレート
8及び端部プレート14、16から冷却剤を排出するた
めの適切な配管系統も設けられるが、図示されていな
い。
【0010】図2は、両極性プレート56、第1の主要
多孔性電流コレクター57、膜電極アセンブリ59及び
第2の主要多孔性電流コレクター61の等角破断図であ
り、それらは燃料電池内で一緒に積み重ねられている。
第2の両極性プレート(図示せず)は、一つの完成した
電池を形成するため第2の主要な電流コレクター61の
下に配置される。同様に、主要電流コレクター及びME
A(図示せず)の別の組が最上シート58の上に配置さ
れる。両極性プレート56は、第1の外側金属シート5
8、第2の外側金属シート60、及び、第1の金属シー
ト58及び第2の金属シート60に内接してブレイズ溶
接された内側スペーサー金属シート62を含む。金属シ
ート58、60及び62は、可能な限り薄く作られ(例
えば、約0.0051〜0.051cm(約0.002
〜0.02インチ)厚)、打ち抜き加工、フォトエッチ
ング(即ち、フォトリソグラフィーマスクを通して)、
或いは、シート金属を成形するための任意の他の従来プ
ロセスによって成形することができる。外側シート58
は、複数のランド64により特徴付けられる反応ガス流
れ場を提供するように形成される。これらのランドは、
それらの間に複数の蛇行ガス流れチャンネル66を画成
し、これらのチャンネルを通って、燃料電池の反応ガス
(即ちH2又はO2)が、両極性プレートの一エッジ部6
8の近傍からその反対側エッジ部70の近傍まで蛇行経
路内を流れる。燃料電池が完全に組み立てられたとき、
これらのランド64は、主要電流コレクター61を圧
し、次いで膜電極アセンブリ59を圧する。燃料電池作
動中には、電流は、主要電流コレクターからランド64
を通り、従ってスタックを通って流れる。反応ガスは、
ヘッダー即ち供給マニホルド溝72からチャンネル66
に供給され、排出マニホルド溝74を介してチャンネル
66から出る。供給マニホルド溝72は、流れ場の一端
部でプレート56のエッジ部68に隣接して配置され、
排出マニホルド溝74は、流れ場の他端部で燃料電池の
反対側エッジ部70に隣接して配置される。金属シート
58の下側は、複数の隆起部(図示せず)を備え、これ
らの隆起部は、それらの間に複数の溝(図示せず)を画
成し、これらの溝を通って冷却剤が燃料電池の作動の間
に通過する。
【0011】金属シート60は、シート58と類似して
いる。シート60の内側(即ち冷却材側)が図2に示さ
れている。この点に関し、その間に複数の溝82を画成
する複数の隆起部80により特徴付けられる流れ場の裏
側が表されており、これらの溝を通って冷却剤が両極性
プレートの一つのエッジ部69から反対側のエッジ部7
1に流れる。シート58のように、シート60の外側
は、その上に複数のランド(図示せず)を持ち、これら
のランドは複数のチャンネルを画成し、これらのチャン
ネルを通って冷却ガスが流れる。内側金属スペーサーシ
ート62は、外側シート58及び60に内接し、冷却剤
がシート60の溝82と、シート58の下側の溝との間
を流れることを可能にするため、その中に複数の開口8
4を備え、これによって薄層状境界層を壊して乱流を惹
起する。従って、外側シート58及び60の内側面とよ
り効率的な熱交換が各々可能となる。好ましくは、シー
ト58、60及び62は一緒にブレイズ溶接される。
【0012】図3は、プレート58の拡大図であり、複
数の流れチャンネル86、88、90及び92を示す。
簡単にするためチャンネルが流れ場の両端側で示されて
いるが、本発明に係るガス流れチャンネルは、(中央の
ブランク部を含む)流れ場全体に亘って存在することが
理解されよう。流れチャンネル86は、供給マニホルド
72に対し開口する入口区間部94と、排出マニホルド
74に対し開口する出口区間部96と、各々入口区間部
94及び出口区間部96の中間に存在し、略同じ方向に
延びる複数の中間区間部98、100、101、102
及び104と、を有する。各々の流れチャンネルの中間
区間部98、100、101、102及び104は、そ
の中にあるU字状カーブ(例えば、とりわけ106及び
108)により同じチャンネルの隣接する区間部(即
ち、中間区間部、入口区間部又は出口区間部)に各々連
結されている。
【0013】流れチャンネル88は、流れチャンネル8
6に隣接して置かれ、供給マニホルド72に対し開口す
る入口区間部110と、排出マニホルド74に対し開口
する出口区間部112と、複数の中間区間部114、1
16、118、120及び122と、を有する。この流
れチャンネルの中間区間部114、116、118、1
20及び122は、その中にあるU字状カーブ(例え
ば、とりわけ124及び126)により同じチャンネル
の隣接する区間部に各々連結されている。一つのチャン
ネル(例えば86)の中間区間部により形成された蛇行
部分は、隣接するチャンネル(例えば88)の中間区間
部により形成されたチャンネルの蛇行部分と長さ方向に
整列される。この実施形態では、チャンネル86の入口
区間部94は、非常に長く、供給マニホルド72と排出
マニホルド74との間のほとんど全距離に亘って延在
し、その一方でチャンネル86の出口区間部は、その長
さの約二分の一でしかない。他方では、チャンネル88
の入口区間部110は、チャンネル88の出口区間部1
12の長さの約二分の一でしかない。チャンネル86の
中間区間部98、100、101、102及び104
は、出口区間部96より僅かに短い。チャンネル88に
対しては、その逆が真実であり、供給マニホルド72に
連結された入口区間部110がより短く、出口区間部1
12がより長い。各々のチャンネルの長さは、各チャン
ネルの中間区間部の長さ及び数を変更することによって
変えることができる。中間区間部98、100、10
1、102及び104を画成するランド115、11
7、119、121及び123は、長さ方向に略整列さ
れる。ここで、“略整列される”ということは、必ずし
も完全に整列されるということを意味するのではなく、
隣接チャンネルの蛇行部分が供給マニホルド及び排出マ
ニホルドの間に延在する列内に整列されるのに十分なほ
ど整列されることが必要である。
【0014】図4に示された実施形態は、図3の実施形
態が、入口区間部及び出口区間部の間に5つの中間区間
部を持っていたのに対し図4の実施形態が一つだけしか
持たないことを除いて、図3に示された実施形態に類似
している。この点に関し、図4は、供給マニホルド72
に開口する入口区間部130、排出マニホルド74に開
口するより長い出口区間部132、及び、入口及び出口
区間部の間にある単一の中間区間部136を有する流れ
チャンネル128を示している。入口区間部130は、
出口区間部132の長さの約二分の一である。ランド1
37及び139は、中間区間部136を画成し、隣接す
る次の流れチャンネル143の中間区間部141を画成
するランドと長さ方向に略整列される。
【0015】図5に示された実施形態は、中間区間部
が、最も長い入口区間部又は出口区間部の長さの約三分
の一であり、最も短い入口区間部又は出口区間部の長さ
の二分の一であるという点を除いて、図3に示された実
施形態と類似している。この点に関し、図5は、隣接す
る流れチャンネル138、140、142及び144を
示している。チャンネル138は、供給マニホルド72
に開口する入口区間部146と、排出マニホルド74に
開口する出口区間部150と、を有する。同様に、チャ
ンネル140は、入口区間部152と、中間区間部15
4と、排出マニホルド74に開口する出口区間部156
と、を有する。チャンネル142及び144は、同様に
構成されるが、各チャンネルの長さ全体を変えることな
く、それらの各中間区間部の位置をシフトするため異な
る長さの入口区間部及び出口区間部を備えている。
【0016】図示しなかったが、より長い中間区間部及
びより短い中間区間部を有する設計が可能である。従っ
て、例えば、中間区間部は、当該チャンネルのうち最も
長い区間部の長さの約三分の一に等しい長さ、或いは、
図5に示された四分の一よりも小さい長さを持ち得る。
【0017】本発明は、その特定の実施形態の観点で開
示されたが、本発明は、上記例に限定されるものではな
く、請求の範囲によってのみ画定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、PEM燃料電池の概略的な等角破断図
である。
【図2】図2は、燃料電池スタックのMEA及び両極性
プレートの等角破断図である。
【図3】図3は、図2の両極性プレートの流れ場表面の
平面図である。
【図4】図4は、本発明の代替実施形態を示す図3の類
似図である。
【図5】図5は、本発明の更に別の実施形態を示す図3
の類似図である。
【符号の説明】
4、6 膜電極アセンブリ 8 両極性プレート 14、16 単極性端部接触プレート 18、20、22、24 流れ場 34、36、38、40 主要電流コレクター 56 両極性プレート 57 第1の主要多孔性電流コレクター 58 第1の外側金属シート 59 膜電極アセンブリ 60 第2の外側金属シート 61 第2の主要多孔性電流コレクター 62 内側金属スペーサーシート 64 ランド 66 蛇行ガス流れチャンネル 68 両極性プレートの一エッジ部 70 両極性プレートの反対側のエッジ部 72 供給マニホルド溝 74 排出マニホルド溝 80 隆起部 82 溝 84 開口 86、88、90、92 流れチャンネル 94 入口区間部 96 出口区間部 98、100、101、102、104 中間区間
部 106,108 U字状カーブ 110 入口区間部 112 出口区間部 114、116、118、120、122 中間区
間部 115、117、119、121、123 ランド 124,126 U字状カーブ 128 流れチャンネル 130 入口区間部 132 出口区間部 136、141 中間区間部 137、139 ランド 138、140、142、143、144 隣接す
る流れチャンネル 146、152 入口区間部 150、156 出口区間部 154 中間区間部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェフリー・アラン・ロック アメリカ合衆国ニューヨーク州14625, ロチェスター,ペンフィールド・ロード 796 (56)参考文献 特開 平10−223238(JP,A) 特開 平7−263003(JP,A) 特開 平4−79164(JP,A) 特開 昭62−40169(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (1)カソード面及びアノード面を両側
    に有する陽子交換膜と、(2)前記カソード面と係合す
    るガス透過性の導電性カソード電流コレクターと、
    (3)前記アノード面と係合するガス透過性の導電性ア
    ノード電流コレクターと、(4)前記ガス透過性の導電
    性カソード及びアノード電流コレクターのうち少なくと
    も一つと係合し、該一つのガス透過性の電流コレクター
    と直面するガス流れ場を画成する電流収集プレートであ
    って、該流れ場は、前記一つの電流コレクターと係合し
    且つ実質的に等しい長さの蛇行ガス流れチャンネルを画
    成する複数のランドを含み、該チャンネルの各々は、
    (a)該流れチャンネルの全てに共通な供給マニホルド
    からガスを受け取るための入口区間部、(b)該流れチ
    ャンネルの全てに共通な排出マニホルドに前記ガスを吐
    出するための出口区間部、及び、(c)前記入口区間部
    及び出口区間部の中間にある少なくとも一つの中間区間
    部を有し、各々のチャンネルのための前記入口区間部、
    出口区間部及び中間区間部は、同じチャンネルの少なく
    とも他の一つの区間部と少なくとも部分的に境界を接し
    ている、前記電流収集プレートと、を含むPEM燃料電
    池であって、 (1)前記入口区間部及び出口区間部のうち一方は、そ
    れと連係する前記供給マニホルド又は排出マニホルドか
    ら他方のマニホルドの方向に第1の長さに亘って延在
    し、(2)前記入口区間部及び出口区間部のうちの他方
    は、前記入口区間部及び出口区間部の一方と略同じ方向
    に前記第1の長さより小さい第2の長さに亘って延在
    し、(3)前記中間区間部は、前記入口区間部及び出口
    区間部と略同じ方向に前記第2の長さより小さい第3の
    長さに亘って延在し、前記ランドにより画成され、前記
    ランドは隣接する流れチャンネルの中間区間部を画成す
    るランドから間隔を隔てられ且つこのランドと長さ方向
    に略整列され、(4)前記中間区間部の各々の端部に形
    成されたU字状カーブが該中間区間部を同じチャンネル
    の隣接する区間部に接続することを特徴とする、PEM
    燃料電池。
  2. 【請求項2】 前記第3の長さは、前記第1の長さの約
    二分の一より小さい、請求項1に記載のPEM燃料電
    池。
  3. 【請求項3】 前記チャンネルは、前記入口区間部及び
    出口区間部の中間に複数の前記中間区間部を備える、請
    求項1に記載のPEM燃料電池。
  4. 【請求項4】 前記第3の長さは、前記第1の長さの約
    三分の一より小さい、請求項1に記載のPEM燃料電
    池。
  5. 【請求項5】 前記第3の長さは、前記第1の長さの約
    四分の一より小さい、請求項1に記載のPEM燃料電
    池。
  6. 【請求項6】 隣接するチャンネルの前記入口区間部
    は、前記出口区間部を除いて互いに境界を接し、隣接す
    るチャンネルの前記出口区間部は、前記入口区間部を除
    いて互いに境界を接する、請求項1に記載のPEM燃料
    電池。
  7. 【請求項7】 (1)カソード面及びアノード面を両側
    に有する陽子交換膜と、(2)前記カソード面と係合す
    るガス透過性の導電性カソード電流コレクターと、
    (3)前記アノード面と係合するガス透過性の導電性ア
    ノード電流コレクターと、(4)前記ガス透過性の導電
    性カソード及びアノード電流コレクターのうち少なくと
    も一つと係合し、該一つのガス透過性の電流コレクター
    と直面するガス流れ場を画成する電流収集プレートであ
    って、該流れ場は、前記一つの電流コレクターと係合し
    且つ実質的に等しい長さの蛇行ガス流れチャンネルを画
    成する複数のランドを含み、該チャンネルの各々は、
    (a)該流れチャンネルの全てに共通で且つ該流れ場の
    第1の端部に隣接して配置された、供給マニホルドから
    ガスを受け取るための入口区間部、(b)該流れチャン
    ネルの全てに共通で且つ前記第1の端部の反対側にある
    該流れ場の第2の端部に隣接して配置された、排出マニ
    ホルドに前記ガスを吐出するための出口区間部、及び、
    (c)前記入口区間部及び出口区間部の中間にある少な
    くとも一つの中間区間部を有し、各々のチャンネルのた
    めの前記入口区間部、出口区間部及び中間区間部は、同
    じチャンネルの少なくとも他の一つの区間部と少なくと
    も部分的に境界を接している、前記電流収集プレート
    と、を含むPEM燃料電池であって、 (1)前記入口区間部及び出口区間部のうち一方は、エ
    ッジ部間の前記流れ場の長さ全体に近い第1の長さに亘
    って延在し、(2)前記入口区間部及び出口区間部のう
    ちの他方は、前記入口区間部及び出口区間部の一方と略
    同じ方向に前記第1の長さの約二分の一より小さい第2
    の長さに亘って延在し、(3)前記中間区間部は、前記
    入口区間部及び出口区間部と略同じ方向に前記第2の長
    さより小さい第3の長さに亘って延在し、前記ランドに
    より画成され、前記ランドは隣接する流れチャンネルの
    中間区間部を画成するランドから間隔を隔てられ且つこ
    のランドと長さ方向に略整列され、(4)前記中間区間
    部の各々の端部に形成されたU字状カーブが該中間区間
    部を同じチャンネルの隣接する区間部に接続することを
    特徴とする、PEM燃料電池。
  8. 【請求項8】 前記チャンネルは、前記入口区間部及び
    出口区間部の中間に複数の前記中間区間部を備える、請
    求項7に記載のPEM燃料電池。
  9. 【請求項9】 前記第3の長さは、前記第1の長さの約
    三分の一より小さい、請求項7に記載のPEM燃料電
    池。
  10. 【請求項10】 前記第3の長さは、前記第1の長さの
    約四分の一より小さい、請求項7に記載のPEM燃料電
    池。
JP2000360558A 1999-12-02 2000-11-28 燃料電池用の流れチャンネル Expired - Fee Related JP3495698B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/453088 1999-12-02
US09/453,088 US6358642B1 (en) 1999-12-02 1999-12-02 Flow channels for fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001167777A JP2001167777A (ja) 2001-06-22
JP3495698B2 true JP3495698B2 (ja) 2004-02-09

Family

ID=23799156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000360558A Expired - Fee Related JP3495698B2 (ja) 1999-12-02 2000-11-28 燃料電池用の流れチャンネル

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6358642B1 (ja)
EP (1) EP1107339B1 (ja)
JP (1) JP3495698B2 (ja)
CA (1) CA2323124A1 (ja)
DE (1) DE60044076D1 (ja)

Families Citing this family (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020022170A1 (en) * 2000-08-18 2002-02-21 Franklin Jerrold E. Integrated and modular BSP/MEA/manifold plates for fuel cells
JP3569491B2 (ja) * 2000-12-05 2004-09-22 本田技研工業株式会社 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
US6503653B2 (en) * 2001-02-23 2003-01-07 General Motors Corporation Stamped bipolar plate for PEM fuel cell stack
US6500319B2 (en) * 2001-04-05 2002-12-31 Giner Electrochemical Systems, Llc Proton exchange membrane (PEM) electrochemical cell having an integral, electrically-conductive, compression pad
US6924052B2 (en) * 2002-04-24 2005-08-02 General Motors Corporation Coolant flow field design for fuel cell stacks
US7081316B2 (en) * 2002-04-30 2006-07-25 General Motors Corporation Bipolar plate assembly having transverse legs
KR20050010779A (ko) * 2002-05-09 2005-01-28 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티 개선된 연료전지
US6866955B2 (en) * 2002-05-22 2005-03-15 General Motors Corporation Cooling system for a fuel cell stack
US7179553B2 (en) * 2002-09-06 2007-02-20 General Motors Corporation Method for detecting electrical defects in membrane electrode assemblies
US6887610B2 (en) * 2003-01-21 2005-05-03 General Motors Corporation Joining of bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell stacks
AU2003293468A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-30 General Motors Corporation Flow restrictors in fuel cell flow-field
US20040151960A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-05 Rock Jeffrey Allan Flow restrictors in fuel cell flow-field
US20040151971A1 (en) * 2003-01-31 2004-08-05 Rock Jeffrey Allan PEM fuel cell with flow-field having a branched midsection
US7195836B2 (en) * 2003-03-07 2007-03-27 General Motors Corporation Polymeric separator plates
US7459227B2 (en) * 2003-04-18 2008-12-02 General Motors Corporation Stamped fuel cell bipolar plate
FR2858116B1 (fr) * 2003-07-24 2005-11-11 Peugeot Citroen Automobiles Sa Cellule de pile comprenant un systeme de distribution des gaz reactifs
US7670707B2 (en) * 2003-07-30 2010-03-02 Altergy Systems, Inc. Electrical contacts for fuel cells
US6974648B2 (en) 2003-09-12 2005-12-13 General Motors Corporation Nested bipolar plate for fuel cell and method
EP1678348A4 (en) * 2003-09-22 2007-06-13 Hydrogenics Corp ELECTROLYSOR CELL ARRANGEMENT
US20050095494A1 (en) * 2003-11-03 2005-05-05 Fuss Robert L. Variable catalyst loading based on flow field geometry
US7258263B2 (en) * 2003-12-17 2007-08-21 General Motors Corporation Bipolar plate fabrication
US7252218B2 (en) * 2003-12-17 2007-08-07 General Motors Corporation Bipolar plate fabrication by roll bonding
US8486575B2 (en) * 2004-02-05 2013-07-16 GM Global Technology Operations LLC Passive hydrogen vent for a fuel cell
US7846591B2 (en) * 2004-02-17 2010-12-07 Gm Global Technology Operations, Inc. Water management layer on flowfield in PEM fuel cell
US7419739B2 (en) * 2004-08-25 2008-09-02 General Motors Corporation Flexible bipolar plate
US7348094B2 (en) * 2004-12-10 2008-03-25 Gm Global Technology Operations, Inc. Enhanced flowfield plates
CN100442582C (zh) * 2005-04-12 2008-12-10 浙江大学 一种质子交换膜燃料电池用流场板
US7829231B2 (en) * 2005-04-22 2010-11-09 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell design with an integrated heat exchanger and gas humidification unit
FR2887691B1 (fr) * 2005-06-28 2007-09-14 Peugeot Citroen Automobiles Sa Plaque monopolaire d'extremite d'une pile a combustible et pile a combustible comprenant une telle plaque
KR100726893B1 (ko) 2006-01-12 2007-06-14 한국과학기술원 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조 및 유로형상, 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지
ITMI20060197A1 (it) * 2006-02-06 2007-08-07 Nuvera Fuel Cells Europ Srl Stack di celle a combustibile
US8455155B2 (en) * 2006-11-22 2013-06-04 GM Global Technology Operations LLC Inexpensive approach for coating bipolar plates for PEM fuel cells
US20080199752A1 (en) * 2007-02-20 2008-08-21 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Electrochemical stack with pressed bipolar plate
US20080199739A1 (en) * 2007-02-20 2008-08-21 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Electrochemical cell stack and a method of forming a bipolar interconnect for an electrochemical cell stack
US20080199751A1 (en) * 2007-02-20 2008-08-21 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Bipolar plate for an air breathing fuel cell stack
US8236461B2 (en) * 2008-02-26 2012-08-07 Yong Gao Type of fuel cell bipolar plates constructed with multiple pass flow channels that contract, expand, deflect and split reactant flows for improving reactant flow distribution, diffusion and water management
TW201004015A (en) * 2008-07-03 2010-01-16 Chung Hsin Elec & Mach Mfg Fuel cell structure with external flow channels
WO2010055607A1 (ja) * 2008-11-12 2010-05-20 パナソニック株式会社 燃料電池
DE112008004170B4 (de) 2008-11-17 2020-02-06 Audi Ag Brennstoffzellenplatten-Strömungsfeld
DE102019209766A1 (de) * 2019-07-03 2021-01-07 Audi Ag Brennstoffzellenplatte, Bipolarplatte und Brennstoffzellenvorrichtung

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6240168A (ja) 1985-08-13 1987-02-21 Mitsubishi Electric Corp 積層形燃料電池
US4631239A (en) * 1985-12-04 1986-12-23 Westinghouse Electric Corp. Fuel cell plates with improved arrangement of process channels for enhanced pressure drop across the plates
US5108849A (en) 1989-08-30 1992-04-28 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland Fuel cell fluid flow field plate
US5300370A (en) 1992-11-13 1994-04-05 Ballard Power Systems Inc. Laminated fluid flow field assembly for electrochemical fuel cells
US5773160A (en) * 1994-06-24 1998-06-30 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with concurrent flow of coolant and oxidant streams and countercurrent flow of fuel and oxidant streams
US5863671A (en) 1994-10-12 1999-01-26 H Power Corporation Plastic platelet fuel cells employing integrated fluid management
US5686199A (en) * 1996-05-07 1997-11-11 Alliedsignal Inc. Flow field plate for use in a proton exchange membrane fuel cell
US5776624A (en) 1996-12-23 1998-07-07 General Motors Corporation Brazed bipolar plates for PEM fuel cells
US6099984A (en) * 1997-12-15 2000-08-08 General Motors Corporation Mirrored serpentine flow channels for fuel cell
JPH11283639A (ja) * 1998-03-27 1999-10-15 Toyota Motor Corp 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
US5945232A (en) * 1998-04-03 1999-08-31 Plug Power, L.L.C. PEM-type fuel cell assembly having multiple parallel fuel cell sub-stacks employing shared fluid plate assemblies and shared membrane electrode assemblies
US6117577A (en) * 1998-08-18 2000-09-12 Regents Of The University Of California Ambient pressure fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
EP1107339B1 (en) 2010-03-31
EP1107339A2 (en) 2001-06-13
JP2001167777A (ja) 2001-06-22
EP1107339A3 (en) 2004-04-07
DE60044076D1 (de) 2010-05-12
US6358642B1 (en) 2002-03-19
CA2323124A1 (en) 2001-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3495698B2 (ja) 燃料電池用の流れチャンネル
JP3495700B2 (ja) 燃料電池用の区画化流れチャンネル
JP3917975B2 (ja) 燃料電池用の近付いたり離れたりする流れチャンネル
JP3911172B2 (ja) Pem燃料電池スタック用の打ち抜きされた二極プレート
US6099984A (en) Mirrored serpentine flow channels for fuel cell
US7112385B2 (en) Flow restrictors in fuel cell flow-field
US6974648B2 (en) Nested bipolar plate for fuel cell and method
RU2231172C2 (ru) Батарея топливных элементов с мембраной из полимерного электролита
US20170207478A1 (en) Fuel cell stack
JP4598287B2 (ja) 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの運転方法
US20050064270A1 (en) Fuel cell bipolar separator plate
US8298714B2 (en) Tunnel bridge with elastomeric seal for a fuel cell stack repeating unit
US20040151974A1 (en) PEM fuel cell with flow-field having a branched midsection
JP2006514404A (ja) 分岐した中間部分を有する流界を備えたpem燃料電池
JP3811382B2 (ja) 燃料電池スタック
KR102686068B1 (ko) 연료전지 장치
WO2004070855A2 (en) Flow restrictors in fuel cell flow-field
JP2006514405A (ja) 燃料電池の流れ場における流れ制限器

Legal Events

Date Code Title Description
R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071121

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081121

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

S303 Written request for registration of pledge or change of pledge

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R316303

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20091121

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101121

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101121

Year of fee payment: 7

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111121

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111121

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111121

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111121

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111121

Year of fee payment: 8

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121121

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131121

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131121

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131121

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131121

Year of fee payment: 10

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131121

Year of fee payment: 10

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees