JP4668211B2 - 交差連結されたチャンネルを備える二極式プレート - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックのための二極式プレートに係り、より詳しくは、交差連結されたチャンネルを有する二極式プレートに関する。

燃料電池システムは、幅広い用途において電源として益々使用されてきている。燃料電池推進システムは、内燃エンジンの代用として車両で使用するようにも提案されている。燃料電池は、バッテリーを充電し及び／又は電動モーターを付勢するため使用される電気を発生する。固体ポリマー電解質燃料電池は、アノード及びカソードの間に挟まれているポリマー電解質膜（ＰＥＭ）を備えている。電気化学的反応を通して電気を生成するためには、燃料、一般には水素（Ｈ_２）であるが、メタン（ＣＨ_４）又はメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）でもある燃料が、アノードに供給され、酸素（Ｏ_２）等の酸化剤がカソードに供給される。酸素源は、一般に空気である。

前半の電池反応では、アノードにおける水素（Ｈ_２）の解離が、水素陽子（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とを発生させる。膜は、陽子伝導性で、誘電性である。その結果として、陽子が膜を通って輸送される。電子は、膜に亘って接続された電気的負荷（例えば、バッテリー又は電動モーター）を通って流れる。後半の電池反応では、カソードにおいて酸素（Ｏ_２）が陽子（Ｈ^＋）と反応し、水（Ｈ_２Ｏ）を形成するように電子（ｅ⁻）が取り上げられる。

二極式プレートは、燃料電池の反応のためのガス状反応物の流れを容易にするため燃料電池スタック内の燃料電池の間に実装されている。二極式プレートは、燃料電池スタックの温度を調整するため燃料電池スタックを通した冷却剤の流れも容易にする。従来の二極式プレートは、反応物及び冷却剤の流れ場を形成する、離散的な又は互いに入り込んだチャンネルを備えている。そのようなチャンネル構成は、冷却剤の不均衡分布を惹起しかねず、燃料電池スタックに亘って不均一な温度プロフィール（即ち、温度変動）を生じさせる。加えて、二極式プレートは、圧縮負荷及び振動を受け、応力を生じさせる。

従って、従来技術を超える強化された性能を備える改善したプレート設計を提供することが必要とされている。

以上により、本発明は、燃料電池スタックで使用するための二極式プレートを提供する。二極式プレートは、第１の組の冷却剤プレートが形成された第１の冷却剤面を有する第１のプレートを備える。第２のプレートは、第２の組の冷却剤プレートが形成された第２の冷却剤面を有する。第１及び第２の冷却剤面は、第１及び第２の冷却剤面の領域に亘って第１及び第２の組の冷却剤チャンネルを断続的に交差連結するため互いに隣接している。

一つの特徴において、第１の組の冷却剤チャンネルは、第１の振幅及び第１の波長を有する第１の波パターンを形成する。第２の組の冷却剤チャンネルは、第２の振幅及び第２の波長を有する第２の波パターンを形成する。第１の組の冷却剤チャンネルの第１の波パターンは、第２の組の冷却剤チャンネルの第２の波パターンに対して混交されている。

別の特徴において、第１の冷却剤面の第１の組のランドは、断続的なインターフェース領域を形成するように第２の冷却剤面の第２の組のランドと断続的に接触している。第１のプレート及び第２のプレートは、断続的なインターフェース領域において結合される。

なお更に別の特徴では、第１のプレートは、第１の冷却剤面とは反対側の面に形成された第１の流れ場を備えている。
更に別の特徴では、第２のプレートは、第２の冷却剤面とは反対側の面に形成された第２の流れ場を備えている。

本発明の応用可能性の更なる領域は、後述される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を指し示しているが、図示のみの目的が意図されており、本発明の範囲を制限するものではない。

本発明は、詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになる。

好ましい実施例の次の説明は、本質上単なる例示であり、本発明、その用途又は使用法を制限するように意図したものではない。
ここで、図１を参照すると、燃料電池スタックの一部分が図示されている。燃料電池スタックは、二極式プレート１４の間に挟まれていたポリマー電解質膜（ＰＥＭ）１２を有する燃料電池１０を備えている。拡散媒体１６が備えられ、ＰＥＭ１２と二極式プレート１４との間に配置されている。二極式プレート１４は、カソード側部１８と、アノード側部２０とを各々備えている。アノード反応物は、アノード側部２０に亘って流れ、ＰＥＭ１２に亘る反応のための拡散媒体１６を通って拡散される。カソード反応物は、カソード側部１８に亘って流れ、ＰＥＭ１２に亘る反応のための拡散媒体１６を通って拡散される。ガスケット（図示せず）が二極式プレート１４とＰＥＭ１２との間に配置され、カソード側部１８及びアノード側部２０に亘る流体流れを密封している。

ここで、図２乃至図７を参照して、二極式プレート１４を詳細に説明する。二極式プレート１４は、カソードプレート２２と、アノードプレート２４と、を備えている。図２及び図４を特に参照すると、カソードプレート２２は、ジグザグ形成されたカソード流れチャンネル２６により形成されたカソード流れ場を有するカソード側部１８を備えている。カソード流れチャンネルは、ジグザグ形成されたランド２８により分離されている。カソードプレート２２は、ジグザグ形成された冷却剤流れチャンネル３２により形成された冷却剤流れ場を有する冷却剤側部３０を更に備えている。同様に冷却剤流れチャンネルは、ジグザグ形成されたランド３４により分離されている。カソードプレート２２は、いずれかの側に形成された、入口及び出口ヘッダー３６を備えている。カソード入口及び出口ヘッダー３６は、カソード反応物流れをカソード流れチャンネル２６へと差し向ける。カソードプレート２２は、冷却剤入口及び出口ヘッダー３８を更に備えている。冷却剤入口及び出口ヘッダー３８は、冷却剤の流れを冷却剤流れチャンネル３２へと差し向ける。

図３及び図５を特に参照すると、アノードプレート２４は、ジグザグのアノード流れチャンネル４０により形成されたアノード流れ場を有するアノード側部２０を備えている。アノード流れチャンネル４０は、ジグザグのランド４２により分離されている。アノードプレート２４は、ジグザグの冷却剤流れチャンネル４６により形成された冷却剤流れ場を有する冷却剤側部４４も備えている。同様に冷却剤流れチャンネル４６は、ジグザグのランド４８により分離されている。アノードプレート２４は、いずれかの側に形成された、アノード入口及び出口ヘッダー５０を備えている。アノード入口及び出口ヘッダー５０は、アノード反応物流れをアノード流れチャンネル４０へと差し向ける。アノードプレート２４は、冷却剤入口及び出口ヘッダー５２を更に備えている。冷却剤入口及び出口ヘッダー５２は、冷却剤の流れを冷却剤流れチャンネル４６へと差し向ける。

図示のように、カソードプレート２２及びアノードプレート２４は、反応ガスチャンネル２６、４０が冷却剤ランド３４、４８を形成し、反応ガスランド２８、４２が冷却剤チャンネル３２、４６を形成するように打ち抜き加工されたステンレス鋼製プレートである。カソードプレート２２及びアノードプレート２４は、隣接して積み重ねられ、二極式プレート１４を形成するように一緒に連結されている。カソードプレート２２及びアノードプレート２４の結合は、接着結合、ブレイズ溶接、半田付け及び溶接を始めたとした多数の態様で達成することができるが、これらの例に限定されるものではない。カソードプレート２２及びアノードプレート２４は、冷却剤側部３０、４４が近接して互いに面するように積み重ねられている。カソードプレート２２及びアノードプレート２４は、打ち抜き加工されたステンレス鋼製プレートとして従来から提供されているが、本願明細書に記載されている流れ場設計は、カソードプレート２２及びアノードプレート２４を生成するための様々な方法及び材料に適用することができる。従って、本発明は、ステンレス鋼製シート成形物には限定されない。

図６及び図７を特に参照すると、カソードプレート２２及びアノードプレート２４の冷却剤側部３０、４４は、各々、冷却剤チャンネル３２、４６が互いに混交されるように整列されている。図７は、カソードプレート２２から切断された円形区分を有する二極式プレート１４の一部分を示している。カソードプレート２２の冷却剤チャンネル３２は、実線で示され、アノードプレート２４の冷却剤チャンネル４６は、破線で示されている（図６参照）。

混交の結果、冷却剤チャンネル３２、４６は合成角度αで互いに交錯する。合成角度αは、ジグザグの冷却剤チャンネル３２、４６の波長（Ｌ）又は振幅（Ａ）に基づいて変わり得る。混交は、カソードプレート２２の冷却剤チャンネル３２におけるジグザグのうち最初の部分が、アノードプレート２４の冷却剤チャンネル４６のジグザグのうち後の部分と交差することにより形成され、その逆もまた可能である。この態様では、カソードプレート２２の冷却剤チャンネル３２の間のランド３４は、二重斜線領域として示されたインターフェース領域６０のアノードプレート２４の冷却剤チャンネル４６の間のランド４８に近接している。カソードプレート２２及びアノードプレート２４は、断続的なインターフェース領域６０において一緒に結合される。インターフェース領域６０は、燃料電池スタックを通して電流を運搬するためカソードプレート２２及びアノードプレート２４を横断する伝導度点を形成する。

図示のように、カソードプレート２２及びアノードプレート２４のチャンネルは、同じ幾何学的形状（即ち、波長、振幅及び合成角度）を有する。しかし、本発明は、カソードプレート２２及びアノードプレート２４のチャンネルに対して異なる幾何学的形状を使用することも包含している。更には、チャンネルに関する波長及び／又は振幅は、カソードプレート２２及びアノードプレート２４に亘って変化することも考えられる。即ち、特定のチャンネル又はチャンネルのグループは、カソードプレート２２及び／又はアノードプレート２４の一つの領域において第１の振幅及び波長を持っていてもよく、別の領域では、第２の振幅及び／又は第２の波長を持っていてもよい。その結果、合成角度αも、領域間でばらついている。

カソードプレート２２及びアノードプレート２４の冷却剤チャンネル３２、４６が混交されているので、冷却剤チャンネル３２には冷却剤チャンネル４６に対して開放している断続的な交差連結領域６２が存在している。断続的な交差連結領域６２では、カソードプレート２２及びアノードプレート２４の冷却剤チャンネル３２、４６の間で流体が流れることが可能とされている。また、混交の結果として、断続的な非交差連結領域６４が存在しており、該領域では、カソードプレート２２の冷却剤チャンネル３２が、アノードプレート２４のランド４８に対して開放し、アノードプレート２４の冷却剤チャンネル４６がカソードプレート２２のランド３４に対して開放している。断続的な非交差連結領域６４では、流体流れは、各々の冷却剤チャンネル３２、４６に限定されており、交差連結は生じない。かくして、３次元的又は多層の冷却剤流れ場が画定され、該冷却剤流れ場は、２つの高さを備える。第１の高さは、カソードプレート２２の冷却剤チャンネル３２により画定され、第２の高さは、アノードプレート２４の冷却剤チャンネル４６により画定される。一般に、２次元的即ち平坦な流れは、２つの高さのうち一つにおける非交差連結領域６４に存在している。３次元的な冷却剤の流れは、交差連結領域６２において存在しており、該領域では、冷却剤は第１及び第２の高さの間を流れることができる。３次元的な多層流れ場は、燃料電池スタックの気相、水相又は２相での温度調整を可能にしている。

二極式プレート１４は、隣接する流れ場がほとんど整列されるようにＰＥＭ１２のいずれかの側に配置されている。即ち、二極式プレート１４は、カソード側部１８のジグザグのカソード流れチャンネルが、アノード側部２０のジグザグのアノード流れチャンネル４０とほとんど整列するように配置されている。かくして、ＰＥＭ１２に亘ったカソード流れチャンネル２６とアノード流れチャンネル４０との間には、混交が存在しないか又は制限されている。このことは、ＰＥＭ１２の他方の側の二極式プレート１４に対して他の各二極式プレート１４をプレート表面の平面内で１８０°回転させることにより達成される。

入口反応流れに対する出口反応流れの加湿は、反応物流れが逆流の態様で流れるように入口ヘッダー３６及び出口ヘッダー５０が配置されているときに改善される。本願明細書で使用されているように、逆流という用語は、カソード流体流れの反対方向にＰＥＭ１２に亘って流れるアノード流体を指し示している。反応物流体流れは、共同流れの態様で設けることができることも想到されている。本願明細書で使用されているように、共同流れという用語は、カソード流体流れと同じ方向にＰＥＭ１２に亘って流れるアノード流体を示している。燃料電池スタックは、ヘッダー３６、５０のいずれが入口及び出口として選択されるかに応じて、共同流れ又は逆流流れのいずれかに配列することができる。

同様に、冷却剤の流れは、反応物流体流れに対して、逆流態様、共同流れ態様又は交差流れ態様のいずれか１つの態様で方向付けることができる。本願明細書で使用されているように、交差流れは、反応物流体流れの方向に横断する方向に流れる冷却剤流体を示している。交差流れは、反応物流体流れ方向に対して０°（即ち平行流れ）より大きく９０°（即ち垂直）以内の任意角度の横断方向の流れを含むことができる。反応物流体方向が共同流れ又は逆流流れのいずれかである状態で、交差流れの冷却剤の流体方向を達成するために、冷却剤チャンネル３２，４６の振幅（即ち混交）は増大され、これにより、合成角度αを有効に増大させる。冷却剤チャンネル３２、４６の振幅を増大させることは、より多くの数の冷却剤チャンネル３２、４６を横断する交差連結領域６２の数を増大させる。

カソード及びアノードプレート２２、２４のチャンネルの混交は、二極式プレート１４の圧縮検知領域において均一な堅さをもたらす。隣接するチャンネルは、各ランドが、多重の隣接チャンネルのための突っ張りとして機能するように配置されている。チャンネルの波長及び振幅は、与えられた領域でプレートの堅さを最適にするように変えられてもよい。ＰＥＭ１２に亘る反応物流れ場の隣接する整列は、燃料電池スタックに亘る圧縮負荷の分布を改善する。より詳しくは、二極式プレート１４が流れチャンネルランドを介してＰＥＭ１２に印加する力は、負荷が適用されたとき、より均一な応答又はより均一な撓みを有することを確実にするように最適化される。この均一性は、振動性能を改善し、ＰＥＭ１２及び燃料電池スタックの他の構成部品上にかかる局所的な応力を減少させる。この態様では、燃料電池スタックの耐久性が増大される。加えて、接点を通した電流密度も、減少した接触抵抗損失を提供するため、減少させることができる。

本発明の記載は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない変形は、本発明の範囲内にあることが意図されている。そのような変形は、本発明の精神及び範囲からの逸脱とはみなされるべきではない。

図１は、本発明に係る二極式プレートを備える燃料電池スタックの分解図である。 図２は、二極式プレートのカソードプレートの反応ガス側の平面図である。 図３は、二極式プレートのアノードプレートの反応ガス側の平面図である。 図４は、二極式プレートのカソードプレートの冷却剤側の平面図である。 図５は、二極式プレートのアノードプレートの冷却剤側の平面図である。 図６は、アノードプレート及びカソードプレートの交差連結された冷却剤チャンネルの概略図である。 図７は、カソードプレートの中心から切断された円形区分を有する二極式プレートの一部分の斜視図である。

Claims (17)

1. 燃料電池スタックで使用するための二極式プレートであって、
   第１のランドによって分離されている複数の冷却剤チャンネルからなり、第１の振幅及び第１の波長を有する第１の波パターンを形成する第１の冷却剤チャンネルの組が形成されている第１の冷却剤面を有する第１のプレートと、
   第２のランドによって分離されている複数の冷却剤チャンネルからなり、第２の振幅及び第２の波長を有する第２の波パターンを形成する第２の冷却剤チャンネルの組が形成されている第２の冷却剤面を有する第２のプレートと、を備え、
   該第１及び第２の冷却剤面の領域に亘って、前記第１及び第２の冷却剤面が互いに隣接されており、前記第１の冷却剤チャンネルの組と前記第２の冷却剤チャンネルの組は０度より大きく９０度未満の合成角度で互いに混交して、前記第１の組を構成する複数の冷却剤チャンネルと第２の組を構成する複数の冷却剤チャンネルとが断続的に交差連結されて冷却剤を流通させる
   二極式プレート。
2. 前記第１の冷却剤チャンネルの組の前記第１の波パターンは、前記第２の冷却剤チャンネルの組の前記第２の波パターンに混交されている、請求項１に記載の二極式プレート。
3. 前記第１の冷却剤面の複数のランドからなる第１のランドの組は、前記第２の冷却剤面の複数のランドからなる第２のランドの組と断続的に接触して、断続的なインターフェース領域を形成する、請求項１に記載の二極式プレート。
4. 前記第１のプレート及び前記第２のプレートは、前記断続的なインターフェース領域で結合されている、請求項３に記載の二極式プレート。
5. 前記第１のプレートは、前記第１の冷却剤面とは反対側の面に形成されている第１の流れ場を備えている、請求項１に記載の二極式プレート。
6. 前記第２のプレートは、前記第２の冷却剤面とは反対側の面に形成されている第２の流れ場を備えている、請求項１に記載の二極式プレート。
7. 燃料電池スタックであって、
   ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）と、
   前記ＰＥＭの第１の側部上に配置されている第１の二極式プレート及び前記ＰＥＭの第２の側部上に配置されている第２の二極式プレートと、
   を備え、
   前記第１及び第２の二極式プレートのうち少なくとも１つは、
   第１のランドによって分離されている複数の冷却剤チャンネルからなり、第１の振幅及び第１の波長を有する第１の波パターンを形成する第１の冷却剤チャンネルの組が形成されている第１の冷却剤面を有するカソードプレートと、
   第２のランドによって分離されている複数の冷却剤チャンネルからなり、第２の振幅及び第２の波長を有する第２の波パターンを形成する第２の冷却剤チャンネルの組が形成されている第２の冷却剤面を有するアノードプレートと、を有し、
   該第１及び第２の冷却剤面の領域に亘って、前記第１及び第２の冷却剤面が互いに隣接されており、前記第１の冷却剤チャンネルの組と前記第２の冷却剤チャンネルの組は０度より大きく９０度未満の合成角度で互いに混交して、前記第１の組を構成する複数の冷却剤チャンネルと第２の組を構成する複数の冷却剤チャンネルを断続的に交差連結されて冷却剤を流通させる
   燃料電池スタック。
8. 前記第１の波パターンは、前記第２の波パターンに混交されている、請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記第１の冷却剤面の複数のランドからなる第１のランドの組は、前記第２の冷却剤面の複数のランドからなる第２のランドの組と断続的に接触して、断続的なインターフェース領域を形成する、請求項７に記載の燃料電池スタック。
10. 前記アノードプレート及び前記カソードプレートは、前記断続的なインターフェース領域で結合されている、請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 前記ＰＥＭと流体連通した状態で前記アノードプレートに形成された１組のアノードチャンネルと、
    前記ＰＥＭと流体連通した状態で前記カソードプレートに形成された１組のカソードチャンネルと、
    を更に備える、請求項７に記載の燃料電池スタック。
12. 前記１組のアノードチャンネル及び前記１組のカソードチャンネルは、波パターンを各々形成している、請求項１１に記載の燃料電池スタック。
13. 前記第１の二極式プレートと前記ＰＥＭとの間に介在された第１の拡散媒体と、
    前記第２の二極式プレートと前記ＰＥＭとの間に介在された第２の拡散媒体と、
    を更に備える、請求項１２に記載の燃料電池スタック。
14. 燃料電池スタックのための二極式プレートであって、
    第１の面に形成された第１の反応物流れ場と、
    第２の面に形成された第２の反応物流れ場と、
    前記第１及び第２の反応物流れ場の間に介在された冷却剤流れ場であって、個々の冷却剤チャンネルがランドによって分離されている複数の冷却剤チャンネルからなり、第１の振幅及び第１の波長を有する第１の波パターンを形成する第１の冷却剤チャンネルの組と、個々の冷却剤チャンネルがランドによって分離されている複数の冷却剤チャンネルからなり、第２の振幅及び第２の波長を有する第２の波パターンを形成する第２の冷却剤チャンネルの組とを備え、前記第１の冷却剤チャンネルの組と前記第２の冷却剤チャンネルの組は０度より大きく９０度未満の合成角度で互いに混交して、冷却剤を流通させる断続的な交差連結領域と、冷却剤を流通させない断続的な非交差連結領域と、断続的なインターフェース領域と、を提供する、前記冷却剤流れ場と、
    を備える、二極式プレート。
15. 前記第１の冷却剤チャンネルの組の前記第１の波パターンは、前記第２の冷却剤チャンネルの組の前記第２の波パターンに混交されている、請求項１４に記載の二極式プレート。
16. 前記第１の冷却剤面の複数のランドからなる第１のランドの組は、断続的なインターフェース領域を形成するように前記第２の冷却剤面の複数のランドからなる第２のランドの組と断続的に接触している、請求項１４に記載の二極式プレート。
17. 前記第１の面を備える第１のプレートと、
    前記第２の面を備える第２のプレートと、
    を更に備え、
    前記第１のプレート及び前記第２のプレートは、前記断続的なインターフェース領域で結合されている、請求項１４に記載の二極式プレート。

Images