JP4417243B2 - 横方向区間を有する二極プレート組立て体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池積層体に使用するための二極プレート組立て体に関し、より詳細には、入口および排気のヘッダに隣接して横方向の流路を有する流動領域の幾何形状に関する。

本出願は、その開示を参照により本明細書に組み入れる２００２年４月３０日出願の米国仮特許出願番号６０／３７７，２９７号の恩典を権利主張するものである。
内燃機関に取って代わる自動車の発電装置として使用するため、ならびに可搬型および静止型の分散発電用途に使用するために燃料電池システムが提案されてきた。通常、そのようなシステムは、水素が燃料としてアノードに供給され、酸素が酸化剤として燃料電池のカソードに供給されるプロトン交換膜（ＰＥＭタイプ）の燃料電池を含む。ＰＥＭタイプの燃料電池は、一方の面にアノード触媒を有し、反対側の面にカソード触媒を有する薄い、プロトン透過性の非導電性固体ポリマー電解質膜を含む膜電極組立て体（ＭＥＡ）を有する。普通、複数の個別セルが直列に一体化して配列され、燃料電池積層体を形成する。

ＭＥＡは多孔質でガス透過性の導電性材料のシートの間に挟まれ、それらがＭＥＡのアノードとカソードの面に向かって圧力を加え、（１）アノードとカソードのための一次カレントコレクタ、および（２）ＭＥＡのための機械的支持体としてはたらく。ＭＥＡと一次カレントコレクタは一対の無孔性の導電性金属シート（例えば二極プレート）の間で押し付けられ、それらが一次カレントコレクタに由来する電流と積層体内部の隣り合うセル間の導通電流を集める二次カレントコレクタとしてはたらく。二極プレートはアノードとカソードの表面の上にガス状の反応物質を分布させる流動領域を含む。これらの流動領域は、概して、複数のランドを含み、複数のランドは、一次カレントコレクタに係合し、ガス状の反応物質が通路の一方の端部の供給マニホールドと通路の他方の端部の排気マニホールドとの間で流れる複数の流路を間に画定する。

二極プレート組立て体は、機能的流動領域が二極プレート組立て体のそれぞれの側に形成されるように一対の金属シートを組み立てることによって形成される。二極プレート組立て体を通る冷却剤の流れを可能にするように内側容積を画定するためにスペーサが金属シートの間に挟み込まれる。そのような二極プレート組立て体の例は１９９８年７月７日に発行された米国特許第５，７７６，６２４号および米国特許第６，０９９，９８４号に述べられており、本発明の譲受人に譲渡される。

本発明は、アノードプレートとカソードプレートを一緒に有することでそれらの露出面上に流動領域を画定し、かつそれらの間に冷却剤容積を画定するＰＥＭ燃料電池に使用するための二極プレート組立て体を対象とする。

流動領域のそれぞれが入口部のヘッダと流体連絡した横方向入口区間、横方向入口区間から延びる蛇行した流動領域、および排気部のヘッダと流体連絡した横方向排気区間を有する。プレートはさらに冷却剤容積の中で蛇行性の冷却剤流を画定する。

本発明の応用性のさらなる領域はこれ以降に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。その詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示のためのものにすぎず、本発明の範囲を限定しないものとすることを理解されたい。

本発明は、詳細な説明と添付の図面から完全に理解されることになる。

好ましい実施形態に関する以下の説明は、性質上単なる例であり、決して本発明、その応用例、あるいは使用法を限定しないものとする。
図１を参照すると、２セルの積層体（すなわち１つの二極プレート）が例示され、これ以降説明されるが、通常の積層体がさらに多くのそのようなセルおよび二極プレートを有するであろうことは理解される。図１は導電性で液体冷却された二極プレート８によって互いに分離された一対の膜−電極組立て体（ＭＥＡ）４、６を有する２セルＰＥＭ燃料電池積層体２を描いている。ＭＥＡ４、６および二極プレート８はクランプ用プレート１０、１２と単極の端部プレート１４、１６の間に一体に積層される。クランプ用プレート１０、１２は端部プレート１４、１６から電気的に絶縁される。単極の端部プレート１４、１６ならびに二極プレート８の両方の動作面はＭＥＡ４、６の面の上に燃料と酸素ガス（すなわちＨ₂とＯ₂）を分布させるためのいわゆる「流動領域」を画定する複数の溝と通路１８、２０、２２、２４を有する。非導電性のガスケット２６、２８、３０および３２は燃料電池積層体のいくつかの構成要素間のシールと電気的絶縁を提供する。ガス透過性の拡散媒体３４、３６、３８、４０がＭＥＡの電極面に対して上方に圧力を加える。端部プレート１４と１６が拡散媒体３４、４０に対して上方にそれぞれ圧力を加え、その一方で二極プレート８がＭＥＡ４のアノード面上の拡散媒体３６、およびＭＥＡ６のカソード面上の拡散媒体３８に対して上方に圧力を加える。二極プレート組立て体８は、流動領域（すなわちアノードプレート１００とカソードプレート２００）で形成され、かつそれらの間に冷却剤容積を画定するように一体に接着される２つの別々の金属生地板を含む。金属シートは可能な限り薄くされる（例えば約０．０５１〜０．５１ｍｍ（０．００２〜０．０２インチ）の厚さ）。成形は、例えばフォトエッチング（すなわちフォトリソグラフィマスクを通すこと）によって、他の類似した化学的ミリング処理によって、または当該技術で知られているような適切な機械加工もしくはスタンピング技術によって達成される可能性がある。接着は、例えば、当技術分野でよく知られているような蝋付け、溶接、拡散接着または導電性接着剤での接着によって達成される可能性がある。

二極プレート組立て体８のアノードプレート１００とカソードプレート２００は、ＭＥＡ３６、３８に対面し、不活性領域または余地部と接する中央の活性領域を有して示される。アノードプレート１００は、対面するＭＥＡのアノード面上に水素を分布させるための複数の蛇行した流路を含むアノード流動領域１０２を有する第１の動作面を有する。同様に、カソードプレート２００は、対面するＭＥＡのカソード面の上に酸素を（しばしば空気の形で）分布させるための複数の蛇行した流路を含むカソード流動領域２０２を有する第２の動作面を有する。貫通して形成された開口４６〜５６を有する少なくとも２つの不活性境界部分または余地部が二極プレート８の活性領域の側部に存在する。アノードおよびカソードプレート１００、２００が一体に積層されるとき、１枚の二極プレート組立て体の開口が隣接する二極プレート組立て体の同様の開口と位置合わせされる。ガスケット２６〜３２ならびにＭＥＡ４、６の膜および単極プレート１４、１６といった燃料電池積層体２のその他の部品は積層体の二極プレート組立て体にある開口と揃った対応する開口を有し、一体になってヘッダを形成し、それによってガス状反応物質と液体冷却剤を積層体に供給およびそこから除去する。

図中に示された実施形態では、一連の積層プレート内の開口４６は空気入口部のヘッダを形成し、一連の積層プレート内の開口４８は空気出口部のヘッダ、一連の積層プレート内の開口５０は水素入口部のヘッダを形成し、一連の積層プレート内の開口５２は水素出口部のヘッダを形成し、一連の積層プレート内の開口５４は冷却剤入口部のヘッダを形成し、一連の積層プレート内の開口５６は冷却剤出口部のヘッダを形成する。酸素／空気および水素の両方のための入口部配管５８、６０は入口部のヘッダ４６、５０とそれぞれ流体連絡している。同様に、水素および酸素／空気の両方のための排気部配管６２、６４は入口部のヘッダ４８、５２とそれぞれ流体連絡している。冷却剤入口部ヘッダ５４および冷却剤出口部ヘッダ５６に対して液体冷却剤の供給および除去をそれぞれ行なうために追加的な配管６６、６８が設けられる。

特定の参照の図２〜６で、アノードプレート１００はその面の中に形成されたアノード流動領域１０２を有して例示されている。アノードプレート１００の周縁、および二極プレートに形成された流動領域１０２とヘッダ４６〜５６の間にシール溝１０４が延びる。流動領域１０２は、入口区間部分１０８、蛇行した部分１１０および排気区間部分１１２を有する一連の流路１０６で構成される。考慮中の好ましい実施形態で例示されるように、アノード流動領域１０２は２４本の流路を有する。それぞれの流路１０６の幾何学形状は、それぞれの流路の全長が実質的に等しくなるようにされる。

それぞれの流路に関する入口区間１０８は、アノードプレート１００の下側側方エッジに沿って配置されたアノードの入口部ヘッダ５０から入口区間部分１０８を通って蛇行区間部分１１０へと流れが向けられることを可能にするようにわずかに異なって構成される。例えば、（図２に示されたように）下側の大部分の通路１１４は比較的長い縦方向の区画および蛇行した流動部分１１０へとつながる比較的短い横方向区画を有する入口区間部分１０８を含む。対照的に、（図２に示されたように）上側の大部分の通路１１６は蛇行部分１１０へと直接延びる比較的長い横方向の区画を含む。蛇行した流路１１０は流れの経路に沿って直列に配列された一対の蛇行通路を含む。それぞれの流路に関して蛇行部分の長さは等しい。

流路１０６の排気区間部分１１２は所定の流路に関して対応する入口区間部分１０８の逆であり、それにより、排気区間部分１１２からアノードプレート１００の上側側方エッジに沿って配置されたアノード排気部ヘッダ５２へと流れを向けることが可能になる。例えば、流路１１４の排気区間部分１１２は下記で流路１１６のための入口区間部分に関して述べられるのと同様の方法でアノード排気部ヘッダから蛇行流路１１０へと延びる横方向区間部分を含む。反対に、流路１１６の排気区間部分１１２は流路１１４の入口区間部分１０８に関して下記で述べるのと同様の方法で、横方向部分からアノード排気ガスのヘッダへと延びる比較的長い縦方向部分へと蛇行部分から延びる比較的短い横方向の区間部分を含む。この方法で、横方向入口区間の長さと横方向排気区間の長さの合計はそれぞれの流路に関して等しい。同様に、縦方向入口区間の長さと縦方向排気区間の長さの合計はそれぞれの流路に関して等しい。この構造は、流路のそれぞれが実質的に同じ長さを有しながら同時に単一の共通入口部ヘッダ５０から単一の共通排気部ヘッダ５２へと反応性ガスを分布させる流動領域の幾何形状を提供する機能を助ける。

図５を参照すると、アノードの流動領域１０２は内側の大部分の排気区間１１２のための流動分裂部１１８の配列をさらに含む。これらの流動分裂部１１８は密になった移行領域内の反応性ガスの分布を容易にし、そうでなければ大幅な圧力低下を生じる。したがって、流動の制限が局所的に低減されることで中間の排気区間１１２での圧力低下を制御する。図２に例示されるように、内側の大部分の入口区間１０８のために流動分裂部の同様の配列が形成される。

ここで図７〜９を参照すると、燃料電池積層体２の製造を容易にするためにアノードプレート１００は或る配列特徴をさらに含む。特に、機械加工公差用の耳１２０がアノードプレートの周縁部の周りに形成される。機械加工公差用の耳１２０は、アノードの流動領域１０２の機械加工時にアノードプレート１００内でかつアノードプレート１００の適切な位置に形成される。いったんアノードの流動領域１０２がプレート１００内に形成されると、最終加工のためにアノードプレート１００を適切に位置決めするために固定物（図示せず）の上に（図７〜９に見られるように）基準ピン１２２、１２４が設けられる。特に、基準ピン１２２は基準流路１２６の蛇行部分１１０内に位置し、基準ピン１２４は基準流路の排気区間部分１１２の横方向区間内に位置する。その結果、アノードプレート１００の製造に関して正確な制御および促進された再現性が達成される。アノードプレート１００はまた、ＭＥＡの適切な配向および位置合わせを保証するための或る特徴も含む。特に、ＭＥＡの配向に対称性の特徴を与えるために面取りされた角１２６がアノードの流動領域１０２の隣りに形成される。同様に、アノードプレート１００の周縁部から延びる端子１２８が配向機能として役立つ。

ここで図１０〜１２を参照すると、アノードプレート１００の冷却剤側が例示されている。図１０に見られ得るように、冷却剤の流動領域１３０はアノードのガス流動領域１０２の反対側でアノードプレート１００の面上に形成される。冷却剤流動領域１３０の横方向部分１３２、１３４に関する冷却剤通路はそれぞれ横方向の入口区間１３６、１３８、およびそれぞれ横方向の排気区間１４０、１４２を含む。縦方向の流路１４３は冷却剤流動領域１３０の長さ全体に延び、入口区間１３６、１３８および排気区間１４０、１４２と流体連絡している。図１１Ａに示されるように、中間部分１４４は入口部ヘッダ５４および排気部ヘッダ５６に隣接して個別の流動分裂部１４６を有する。冷却剤流動領域１３０はさらに、アノードプレート１００の全体的質量を削減するための或るプレート軽量化特徴を有する。特に、アノードプレート１００の余剰の厚みのある冷却剤側からプレート材料が除去される。図４、１０および１１Ｂに見られ得るように、アノードプレート１００の反応物質側の反対側の冷却剤側からプレート材料が除去される。図１０で最もはっきりと見られるように、そのような重量削減または軽減の特徴は主に冷却剤流動領域１３０の縦方向に延びる区間１４３に形成される。特に、縦方向流路１４３のそれぞれは、通路の深さを局所的に増し、それによってアノードプレート１００を局所的に薄くして全体の質量を削減するために形成された溝１４８を有する。

引き続き図１０を参照すると、アノードプレート１００の冷却剤側に形成されたアノードガス入口マニホールド１５０はアノードガス入口部ヘッダ４６からアノードプレート１００のアノード部入口ポート１５１を通じてアノードガス流動領域１０２へと流体連絡を提供する。同様に、アノードプレート１００の冷却剤側でアノードガス排気マニホールド４８の隣りに形成されたアノード部排気マニホールド１５２はアノードガス流動領域１０２からアノードプレート１００のアノード部排気ポート１５３を通じてアノードガス排気部ヘッダ４８へと流体連絡を提供する。同様の方法で、アノードプレート１００の冷却剤側に形成されたカソードガス入口マニホールド１５４はカソードガス入口部ヘッダ４６からカソードプレート２００に形成されたカソード部入口ポートを通じて流体連絡を提供する。カソードガス排気マニホールド１５６はカソードの流動領域２０２からカソードプレート２００に形成されたカソード部入口ポートを通じてカソード部排気ヘッダ４８へと流体連絡を提供する。同様に、冷却剤入口マニホールド１５８と冷却剤排気マニホールド１６０が冷却剤入口部ヘッダ５４および冷却剤排気部ヘッダ５６の隣りに形成され、ヘッダ５４、５６と冷却剤容積３００の間の流体連絡を提供する。

ここで図１３〜２２を参照すると、カソードプレート２００が例示されている。カソードプレート２００はその中に形成されたカソード部流動領域２０２を含む。例示されているように、カソード部流動領域２０２はその中に形成された２４本の流路を含む。それぞれの流路は入口区間部分２０８、蛇行部分２１０および排気区間部分２１２を含む。入口区間部分２０８はカソード部入口ポート１５５を介してカソードマニホールド１５４と流体連絡している。排気区間部分２１２はカソード部排気ポート１５７を介してカソード部排気マニホールド１５６と流体連絡している。カソード部流動領域２０２は、アノード部流動領域と同一ではないが設計で類似しており、それらの間の差異は図２と図１３の比較およびアノード部流動領域１０２に関して上記で与えられた説明から理解される。

ここで図２３〜３４を参照すると、二極プレート組立て体８が例示されている。二極プレート組立て体８は、冷却剤の流動領域１３０、２３０が隣り合って向かい合う関係で配置されることでそれらの間に冷却剤容積３００を形成するように配置されたアノードプレート１００とカソードプレート２００を有する。図２４〜２６の特定の参照で、アノードプレートおよびカソードプレート１００、２００の冷却剤側に形成された入口部および排気部のマニホールドは位置合わせされ、それにより、それぞれのヘッダからそれぞれの流動領域１０２、２０２へと反応性ガスを方向付け、かつ冷却剤のヘッダから冷却剤流動領域１３０、２３０へと冷却剤を方向付けるための入口部マニホールドを形成する。

本発明の説明は性質的に単なる例であり、したがって、本発明の主旨から逸脱しない変形例は本発明の範囲内にあることが意図される。そのような変形例は本発明の精神と範囲から逸脱すると見なされない。

液体冷却式ＰＥＭ燃料電池積層体の２つのセルの概略かつ分解された等尺の図である。 アノードプレートの反応物質側の平面図である。 図２の線Ａでとったアノードプレートを通る断面図である。 図２の線Ｂでとったアノードプレートを通る断面図である。 図２の細部Ｃで示されるアノードプレートの詳細図である。 図２の線Ｄでとったアノードプレートを通る断面図である。 図２に示されるそれと同様のアノードプレートの反応性物質流動領域の平面図であって、さらに機械加工用の位置合わせ場所を例示している。 図７の線Ｅでとったアノードプレートを通る断面図である。 図７の細部Ｆで示されるアノードプレートの詳細図である。 図７の線Ｇでとったアノードプレートを通る断面図である。 図２に示されたアノードプレートの冷却剤側の平面図である。 図１０の細部Ｈで示されるアノードプレートの詳細図である。 図１０の細部Ｉで示されるアノードプレートの詳細図である。 図１０の線Ｊでとったアノードプレートを通る断面図である。 カソードプレートの反応性物質側の平面図である。 図１３の線Ｋでとったアノードプレートを通る断面図である。 図１３の線Ｌでとったアノードプレートを通る断面図である。 図１３に示されるそれと同様のアノードプレートの反応性物質流動領域の平面図であって、さらに機械加工用の位置合わせ場所を例示している。 図１６の線Ｍでとったアノードプレートを通る断面図である。 図１６の線Ｎでとったアノードプレートを通る断面図である。 図１３に示されたアノードプレートの冷却剤側の平面図である。 図１９の線Ｏでとったアノードプレートを通る断面図である。 図１９の線Ｐでとったアノードプレートを通る断面図である。 図１９の線Ｑでとったアノードプレートを通る断面図である。 組み立てられた二極プレート組立て体のアノード側の平面図である。 図２３の線Ｒでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｓでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｔでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｕでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｖでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｗでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｘでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｙでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線Ｚでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図２３の線ＡＡでとった二極プレート組立て体を通る断面図である。 図３３の細部ＢＢで示される二極プレート組立て体の詳細図である。

Claims (17)

1. 入口部ヘッダが薄型プレートを通って形成されており該入口部ヘッダは入口余地部に含まれている入口余地部、排気部ヘッダが前記薄型プレートを通って形成されており該排気部ヘッダは排気余地部に含まれている排気余地部、および流動領域が前記薄型プレートの中に形成された第１の主面を含む前記薄型プレートを有するタイプの燃料電池に使用するための流動領域プレートであって、前記入口余地部及び前記排気余地部は前記流動領域の側部に存在し、前記流動領域が複数の流路によって画定され、前記複数の流路のそれぞれが、
   前記入口部ヘッダと流体連絡している第１の縦方向部分、および前記第１の縦方向部分から伸びている第１の横方向部分とを含む入口区間と、
   前記第１の横方向部分と流体連絡している第１の端部を有する蛇行区間と、
   前記排気部ヘッダと流体連絡している第２の縦方向部分と、前記第２の縦方向部分から伸びていて前記蛇行区間の第２の端部と流体連絡している第２の横方向部分とを有する排気区間とを含み、
   前記複数の流路のそれぞれの前記第１の縦方向部分の長さと前記第２の縦方向部分の長さの合計が等しい長さであり、前記複数の流路のそれぞれにある前記蛇行区間が等しい長さであり、前記複数の流路のそれぞれの前記第１の横方向部分の長さと前記第２の横方向部分の長さの合計が等しい長さである流動領域プレート。
2. 前記蛇行区間のそれぞれが、前記入口区間の前記第１の横方向部分と流体連絡している入口部を有する第１の蛇行通路と、前記第１の蛇行通路の排気部と流体連絡している入口部および前記排気区間の前記第２の横方向部分と流体連絡している排気部を有する第２の蛇行通路とを含む、請求項１に記載の流動領域プレート。
3. 前記蛇行区間のそれぞれにある前記第１および第２の蛇行通路が等しい長さである、請求項２に記載の流動領域プレート。
4. 前記第１の主面と対向する第２の主面に形成された複数の入口部マニホールドと、前記入口部ヘッダから前記流動領域への流体連絡を提供するように前記入口余地部を通して形成された入口ポートとをさらに含む、請求項１に記載の流動領域プレート。
5. 前記第２の主面に形成された複数の排気部マニホールドと、前記流動領域から前記排気部ヘッダへの流体連絡を提供するように前記排気余地部を通して形成された排気ポートとをさらに含む、請求項４に記載の流動領域プレート。
6. 前記流動領域が前記入口部ヘッダと前記入口区間の少なくとも一部分の間に挟み込まれた移行ゾーンをさらに含み、前記移行ゾーンが流動分裂部の配列を有する、請求項１に記載の流動領域プレート。
7. 前記流動領域が前記排気区間の少なくとも一部分と前記排気部ヘッダの間に挟み込まれた移行ゾーンをさらに含み、前記移行ゾーンが流動分裂部の配列を有する、請求項１に記載の流動領域プレート。
8. 前記薄型プレートの前記第１の主面と対向する第２の主面に形成された第２の流動領域をさらに含み、前記第２の流動領域は複数の縦方向流路がその中に形成され、複数の横方向入口区間が前記入口余地部に形成された第２の入口部ヘッダおよび前記複数の縦方向流路からの流体連絡を提供し、複数の横方向排気区間が前記複数の縦方向流路から前記排気余地部に形成された第２の排気部ヘッダへの流体連絡を提供する、請求項１に記載の流動領域プレート。
9. 前記第２の入口部ヘッダから前記第２の流動領域への流体連絡を提供するように前記第２の主面に形成された複数の入口部マニホールドをさらに含む、請求項８に記載の流動領域プレート。
10. 前記第２の流動領域から前記第２の排気部ヘッダへの流体連絡を提供するように前記第２の主面に形成された複数の排気部マニホールドをさらに含む、請求項８に記載の流動領域プレート。
11. 前記第２の流動領域が前記第２の入口部ヘッダに隣接して個別の流動分裂部の配列をさらに含む、請求項８に記載の流動領域プレート。
12. 前記第２の流動領域が前記第２の排気部ヘッダに隣接して個別の流動分裂部の配列をさらに含む、請求項８に記載の流動領域プレート。
13. 前記複数の縦方向流路のそれぞれが、その深さを局所的に増すように溝がその中に形成されている、請求項８に記載の流動領域プレート。
14. 前記薄型プレートの周縁部に形成された少なくとも１つの機械加工公差用の耳をさらに含む、請求項１に記載の流動領域プレート。
15. 基準ピンを受けるために前記流動領域内に形成された基準点をさらに含む、請求項１に記載の流動領域プレート。
16. 前記基準点が前記蛇行区間のうちの１つに設けられた第１の基準流路、および前記入口区間および前記出口区間のうちの少なくとも１つに設けられた第２の基準流路を有し、前記第１の基準流路が前記第２の流路に対して実質的に直角である、請求項１５に記載の流動領域プレート。
17. 前記流動領域に隣接して前記薄型プレートに形成された面取りされた角をさらに有する、請求項１に記載の流動領域プレート。

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