JP4887285B2 - 平面図形利用率を最大限にする燃料電池反応物流れ区域 - Google Patents

Description

本発明は、内部マニホールド孔、または外部流体マニホールド用の外部入口に触れずに通過するために交差部分を有し、流れ区域（ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）のその交差部分内に追加の溝を有し、それによって燃料電池平面図形の最大限に及ぶ流れ区域をもたらす、燃料電池流れ区域に関する。

最近の燃料電池内の反応物ガス流れ区域および酸化剤ガス流れ区域は、反応物ガス流れ区域プレートや水輸送プレート（それが多孔質であり、泡圧によって反応物ガス流から水流を分離する場合）など様々な呼び方をされる二極性（ｂｉｐｏｌａｒ）プレート、すなわち金属／または炭素プレートの片側の表面に、機械加工またはその他の方法で形成された溝からなる複数の通路（ｃｈａｎｎｅｌ）を含んでいる。この電池の平面図形は一般に、アスペクト比が約２対１の長方形である。燃料が電解質のところで酸化剤と反応する活性燃料電池領域は、対向する反応物流れ区域が電解質の両側で互いの影に入っているところにだけ存在し得る。この非生産的領域が、一方の反応物ガスプレート上の流れ区域の形状によって生ずるだけでなく、さらなる非生産的領域が、他方の反応物流れ区域プレート上の流れ区域の形状によって生ずる。

電池の内外へ冷却剤を移送するなどのための内部マニホールドを設けるために、各プレートは、隣接するプレート内の同様の孔と整合する孔を有する。外部の入口／出口マニホールドのみを有する燃料電池では、入口流を出口流から分離するためにポートを設ける必要がある。これらのポート設置領域、孔、および反応物ガス流れ区域から内部マニホールドを封止するために必要な周囲のプレート材料が、そうでない場合には溝を含むはずの空間を占有する。

図１からわかるように、流れ区域の長さＬから任意の内部マニホールド封止領域１６の複数の長さＳを差し引いた値が流れ区域の幅Ｗと同じである限り、反応物ガス流れ区域プレート２０の利用可能な平面図形の全部が生産的に利用される。

しかし、図２からわかるように、流れ区域の長さＬ’から任意のマニホールド封止領域の複数の長さＳを差し引いた値がその幅と異なる場合には、平面図形の非生産的領域２１が本来的に存在する。

図３に示したタイプの燃料流れ区域プレート２２を、図４に示すように、同様に構成されているが直交して流れる酸化剤流れ燃料プレート２３と整合させることを考えてみる。図５に示されているように、その活性領域は、図３の燃料反応物ガス流れ区域プレート内の燃料反応物ガス通路と、図４の酸化剤反応物ガス流れ区域プレート内の酸化剤反応物ガス通路の両方を取り囲む平行四辺形２５に限定される。

本発明の目的には、以下のことが含まれる。すなわち、内部マニホールドを有する燃料電池の平面図形の有用（活性）部分を最大限にすること。内部マニホールド孔用および外部マニホールドのポート設置用の空間をもたらすために、反応物流れ区域の流れ入口縁部が反応物流れ区域の流れ出口縁部からずらされ、それにもかかわらずこのずれのために平面図形の使用不能な部分が不必要に残らない、反応物流れ区域を提供すること。内部マニホールド用、ポート設置用、または封止部用に必要とされない平面図形のすべてを含む活性領域を有することが可能な、反応物ガス流れ区域を提供すること。

本発明は、交差通路が、交差流れ区域領域の長さ／幅と交差流れ区域領域の幅／長さの間のアスペクト比と同数の溝を通路当たりで有する場合には、出口との入口のずれを有する燃料電池の反応物ガス流れ区域プレートは、無用（不活性）領域をほとんどもたなくなるという発見に基づいている。

本発明によれば、交差通路によってそのような通路の入口を出口からずらした通路を有する燃料電池反応物ガス流れ区域プレートにおいて、通路当たりの交差溝の数の比は、交差領域のアスペクト比程度、すなわち、長さと幅の比、または幅と長さの比のどちらか大きい方である。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、添付の図面に示されている本発明の例示的実施形態についての以下の詳細な説明に照らせば、より明らかになるであろう。

図６および図７を参照すると、反応物ガス流れ区域プレート５３は、縁部に沿った封止領域５４、および内部マニホールド孔５７、５８を取り囲む封止領域５５、５６を有する。この流れ区域プレートは、入口端部６１、および出口端部６２を有する。反応物ガスが、管６４から入口マニホールド６５を介して供給され、流れ区域から排出マニホールド６６を介して排気管および／またはリサイクル管６７に入る。

燃料通路７１の入口端部６１は、燃料通路７１の出口端部６２からずれている。このずれは、一緒になって平行四辺形の流れ区域交差領域７４を構成する複数の交差部分７３によってもたらされる。この交差通路７３は、１本の溝７７を有していても、２本の溝７８、７９を有していてもよい。溝７７〜７９の数と交差通路７３の数の比は、反応物ガス流れ区域交差領域７４のアスペクト比程度である。図６の実施形態では、交差領域７４の長さＬ（図６の右から左まで）と交差領域７４の幅Ｗ（図６に示す上端から下端まで）の比は、約１．４である。図６の実施形態では、１１本の交差通路７３に対して約１６本の溝７７〜７９があり、これは１．４という溝と通路の比になる。すなわち、図６および図７の実施形態での交差溝と交差通路の比は、交差領域７４のアスペクト比とほぼ同じである。

図８を参照すると、流れ区域プレート８２は、それぞれが本発明の範囲に含まれる２つの別々の流れ区域８３、８４を有しており、そのうちの１つについてだけ論じる。

反応物ガス入口マニホールドは、（図８からわかるように）流れ区域プレート８２の上部または下部のどちらかにあり、反応物ガス出口マニホールドは、流れ区域プレート８２の下部または上部のどちらかにある。あるいは、１つの入口／出口マニホールドが上部または下部にあり、１つの折り返しマニホールドが下部または上部にあってもよい。これらは、図を見やすくするために図８では省略されている。

図８では、流れ区域プレートの各縁部に沿って封止領域８６があり、内部マニホールド孔８９、９０の周りに封止領域８７、８８がある。図８では、その上に反応物ガス流れ区域通路をもたない２つの領域９３、９４がある。しかし、これらが図６と類似の流れ区域プレートを備える電解質の両側に配置されている場合には、これらの領域９３、９４は、反対側のプレート（例えば図６）のいずれにせよ活性でない封止領域５４のほぼ上にある。したがって、図８の各領域９３および９４は無駄にならない。

図８では、流れ通路９８の入口（または出口）端部９７は、流れ通路の交差部分１００によって、流れ通路の他方の端部９９からずれている。図９では、流れ通路の交差部分１００は、１本の溝１０１を有していても、２本の溝１０３、１０４を有していてもよい。図８および図９では、各４本の交差通路部分に対して５本の溝があり、１．２５の比が与えられる。図８では、交差領域１０７の長さＬ（上端から下端まで）の比は、反応物ガス流れ区域交差領域１０７の幅Ｗ（図８で右から左まで）の約１．２４倍である。このように、溝と交差通路の比は、交差領域１０７のアスペクト比とほぼ同じである。

図１０を参照すると、交互嵌合形（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）の反応物ガス流れ区域プレート１０４は、入口端がガスを受け入れるために開いているが、出口端は塞がっている複数の入口溝１０５を有する。このプレート１０４はまた、出口からはガスが自由に流出できるが入口は塞がっている、複数の出口溝１０６を有する。知られているように、このためガスは、入口から出口まで進むためにプレート材料のバルク部分に入るように強制され、それによってガスが触媒のところで反応する容量が増大する。

図１０では、通路１０９など入口通路の一部は、その交差部分内に１本しか溝を有さない。しかし入口通路１１０など入口通路の一部は、その中に２本の交差溝１１１、１１２を有する。同様に、通路１１５など出口通路の一部は、１本しか交差溝を有さず、一方、出口通路１１６など出口通路の一部は、交差通路内に２本の溝１１７、１１８を有する。他の実施形態の場合と同様に、交差通路内の溝の総数と交差通路の数との比は、反応物ガス流れ区域交差領域１２１のアスペクト比程度である。

図１１は、入口流れ区域１３１を出口流れ区域１３２から分離する領域１３０を有する、流れ区域プレート１２９を示す。５本の交差通路１３５に対して６本の溝があり（６／５＝１．２）、アスペクト比は約１．２２である。

本発明は、各溝が一様なまたは可変の幅であり、一様なまたは可変の深さである流れ区域プレート中で使用することができる。

したがって、本発明をその例示的実施形態に関して示し、説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、上記およびその他の様々な変更、省略、および追加を本発明に加えられることが当業者には理解されよう。

従来技術では知られているかもしれない、交差流れ区域領域のアスペクト比が１であり（幅が長さと等しい）、流れ区域の幅Ｗがその流れ区域から任意の内部封止領域の複数の長さを差し引いた値と等しい、流れ通路の入口を出口からずらした流れ通路を有する、燃料電池の燃料反応物ガス流れ区域プレートの簡略上面図。 流れ区域の長さから内部マニホールド封止領域の複数の長さを差し引いた値が流れ区域の幅よりもはるかに長く、その結果、非生産的領域が生じている、図１に類似の図。 従来技術では知られているかもしれない、流れ区域の縁部に対してある角度に設定された直線流れ区域を有する、図２に類似の図。 燃料電池を形成するために、図３の流れ区域プレートと組み合わせて使用することができる流れ区域プレートを提供する、図３の流れ区域に対して交差した流れ区域を示す、図３に類似の図。 従来技術では知られているかもしれない、図３および図４のプレートを用いて電解質の両側に形成された燃料電池の限定された生産的領域を示す図。 流れ通路の入口を出口からずらした流れ通路を有し、本発明を利用してプレートの生産的領域を最大限にした、反応物ガス流れ区域プレートの上面図。 図６の流れ区域の部分分解図。 平面図形のいずれも無駄にしないようにするために本発明を利用した、図６の流れ区域プレートの流れ方向と交差する全体の流れ方向を有する、酸化剤反応物流れ区域プレートの上面図。 図８の一部分の部分分解図。 交互嵌合形の反応物ガス流れ区域プレートとして実施された、本発明の部分上面図。 入口流れ区域と出口流れ区域がポート設置領域によって分離されている、反応物ガス流れ区域プレートの上面図。

Claims (6)

1. 燃料電池のスタック内に組み込んで燃料電池発電装置を形成するための燃料電池反応物ガス流れ区域プレート（５３、８２、１０４）であって、前記プレートが反応物ガス流れ通路（７１）を形成する複数の溝を有し、前記通路のそれぞれが、入口部分と出口部分であって、これらの間に延びる長手流れ方向に沿って反応物ガスを導くための入口部分および出口部分を有し、
   前記流れ区域プレートが流れ入口端部（６１）および流れ出口端部（６２）を有し、（ａ）前記入口部分が前記入口端部から、そこを、またはその近傍を長手方向に延び、（ｂ）前記出口部分が前記出口端部から、そこを、またはその近傍を長手方向に延び、前記通路のそれぞれが、前記長手方向に交差する横方向に延び、（ｃ）前記入口部分（図１０）のうちの１つだけと、もしくは前記出口部分のうちの１つだけと連通しているか、または（ｄ）前記入口部分の１つと前記出口部分の１つとの間で連通している（図６〜図９、および図１１）、交差部分（７３）を有し、その結果、前記入口部分が前記出口部分から、前記長手方向に交差する横方向にずれている流れ区域プレートであって、
   前記交差部分の全部ではなく（７７； １０９、１１５）、一部（７８、７９； １０３、１０４； １１１、１１２； １１７、１１８）が複数の溝を有し、
   前記交差部分の全部が一緒になって、前記長手方向のある長さ、および前記長手方向を横断するある幅を有する交差流れ区域領域を形成し、前記交差流れ区域領域内の溝の数と、前記交差流れ区域領域内の交差通路部分の数の比が、前記交差流れ区域領域の長さまたは幅と、前記交差流れ区域領域の幅または長さとのアスペクト比程度であり、
   前記プレートがその中に少なくとも１つの孔（５７、５８、８９、９０）を有し、各孔が別の燃料電池反応物ガス流れ区域プレートの対応する孔と共に内部マニホールドを形成するためのものであり、各孔が前記溝の幅の少なくとも数倍の２つの寸法を有し、
   前記孔に触れずに通過するために、前記入口部分が前記出口部分から、前記長手方向に交差する横方向にずれていることを含む改良を特徴とする流れ区域プレート。
2. 前記通路が貫流（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）通路であり（図６〜図９、および図１１）、前記交差部分のそれぞれが、前記各入口部分の１つと前記各出口部分の１つとの間で流体連通していることを特徴とする請求項１記載の流れ区域プレート。
3. 前記通路が交互嵌合形であり（図１０）、前記交差部分のそれぞれが、（ａ）１つの入口部分の第１の部分（１１０）と、前記１つの入口部分の前記第１の部分と交差している前記１つの入口部分の第２の部分（１１１、１１２）との間で、あるいは（ｂ）１つの出口部分の第１の部分（１１６）と、前記１つの出口部分の前記第１の部分と交差している前記１つの出口部分の第２の部分（１１７、１１８）との間で流体連通している少なくとも１つの溝を含むことを特徴とする請求項１記載の流れ区域プレート。
4. 前記交差部分の一部が、（ａ）前記入口部分（１１１、１１２）のうちの１つ、または（ｂ）前記出口部分（１１７、１１８）のうちの１つのどちらか一方の部分だけと流体連通している少なくとも１つの溝を含むことを特徴とする請求項３記載の流れ区域プレート。
5. 前記交差部分の一部が２本の溝を有することを特徴とする請求項１記載の流れ区域プレート。
6. 前記交差部分のいずれも２本を超える溝を有さないことを特徴とする請求項１記載の流れ区域プレート。

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