JP5017255B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池の分野に関し、より具体的には、流れ場プレイト及びこの流れ場プレイトを含んだ燃料電池スタックに関する。
燃料電池は燃料及び酸化剤の化学エネルギーを直接的に電気エネルギーに転化する発電装置で、効率が高くて、汚染が少なくて、雑音が小さいことを特徴とする。燃料電池はただ１つの単量体燃料電池だけでもよくて、多数の単量体燃料電池から構成した燃料バッテリーでもよい。
一般に、単量体燃料電池は、図1に示すように、プロトン交換膜1、陽極2、陰極3及びダイバージョン極板4を含んでいる。
プロトン交換膜1は透水性且つ気密性の一種の半透膜で、プロトン伝導作用を持っており、また酸化剤と燃料の混合による爆発を防止することができる。
陽極2は一種のガス拡散電極で、その支持材が普通に電気伝導の炭素繊維或いはカーボンファブリックから構成する。陽極2とプロトン交換膜1の間に陽極反応に対する触媒作用を果たす触媒である。この陽極触媒が普通にプラチナ粉末、プラチナを含む合金粉末、キャリヤーに担持されたプラチナ、或いはキャリヤーに担持され且つプラチナを含む合金粉末である。前記プラチナを含む合金は、プラチナと、ルテニウム、錫、イリジウム、オスミウム及びレニウムから選ばれた一種以上とを含む。前記キャリヤーは高い比表面積と電気伝導機能を持ったキャリヤーで、例えば活性炭である。
陰極3も一種のガス拡散電極で、その構成が陽極の構造と同じで、違ったのは陰極3とプロトン交換膜1の間の触媒が陰極反応に対する触媒作用を果たす触媒である。当該陰極触媒が普通にプラチナ粉末、キャリヤーに担持されたプラチナ粉末である。
陽極2と陰極3の外側がダイバージョン極板4で、ダイバージョン極板4が石墨の材料或いは金属の材料から製造される。
燃料電池の中に、普通に空気或いは酸素を酸化剤として、水素或いはメタノール、エタノールなどを燃料とする。例えば、メタノールを燃料として、空気を酸化剤とする燃料電池が電気化学反応を行う時に以下の反応を発生する：
陽極 CH3OH+H2O→CO2+6H++6e （1）
陰極 3/2O2+6H++6e→3H2O， （2）
陽極と陰極によって次の総括反応を発生する：
CH3OH+3/2O2→CO2＋2H2O （3）
陽極2と陰極3の上述電気化学反応は陽極2と陰極3間に電位差を発生する。陽極2が発生した電子は陽極2外層に位置するダイバージョン極板4と外部導電体を通って、最後に陰極3によって捕捉されて、陽極2が生んだプロトンはプロトン交換膜1を通って直接的に陰極3に伝送して、このようにして電流を形成した。単量体燃料電池が正常的に作動する時の電圧は0.3V〜1.0Vの間で、より高い電圧とパワーを獲得するために、実際に応用する時にいつも上述の単量体燃料電池を直列接続して電池スタックの形式に構成する。
陽極 CH3OH+H2O→CO2+6H++6e （1）
陰極 3/2O2+6H++6e→3H2O， （2）
陽極と陰極によって次の総括反応を発生する：
CH3OH+3/2O2→CO2＋2H2O （3）
陽極2と陰極3の上述電気化学反応は陽極2と陰極3間に電位差を発生する。陽極2が発生した電子は陽極2外層に位置するダイバージョン極板4と外部導電体を通って、最後に陰極3によって捕捉されて、陽極2が生んだプロトンはプロトン交換膜1を通って直接的に陰極3に伝送して、このようにして電流を形成した。単量体燃料電池が正常的に作動する時の電圧は0.3V〜1.0Vの間で、より高い電圧とパワーを獲得するために、実際に応用する時にいつも上述の単量体燃料電池を直列接続して電池スタックの形式に構成する。
燃料電池の中に、流れ場プレイトの構造は反応剤と生成物が流れ場の中の流動状態を決定して、そのために流れ場プレイトが燃料電池の肝心な部品の1つである。十分な反応剤を電極の各所に分布させて、且つ直ちに反応生成物を排出させることは燃料電池の正常な運行を保証するために肝心であるので、もし反応剤が電極の各所に不平均に分布すれば、電極の各所に反応が不平均であることをもたらし、それによって電流密度の分布は不平均になって、電池の局部が過熱になり、さらに電池の使用寿命及び電池の性能を降下する。また、反応で発生した水を直ちに排出することができないならば、反応が進行するに従って、陰極に累積した水は：（1）触媒の周囲の水が反応剤と触媒との接近を妨害し、つまりいわゆる“電極水浸”現象で、直接的に電池の性能を降下する；（2）反応剤が拡散層を通ってカタリシス層に到着する物質移動抵抗を増大して、電池の出力パワーを降下した；（3）プロトン交換膜の局部に、水の累積による膨潤現象が出現することもある。
中国特許公開公報CN1405909Aは1種の燃料電池の流れ場プレイトを開示しており、図2に示すように、反応剤の分布及び反応生成物の排出の問題を解決するように、この流れ場プレイトに多数の相互に平行に伸びるダイバージョン槽を設置しているが、問題が依然として存在している。
本発明は、反応剤を平均的に分布させて、且つ反応生成物を直ちに排出させて、それによって効果的に反応剤の拡散及び反応生成物の排出の問題を解決することができる流れ場プレイトを提供することを目的とするものである。
本発明の別の１つの目的はこの流れ場プレイトを含む燃料電池スタックを提供することにある。
本発明に係る流れ場プレイトは、流れ場プレイトのセンターに位置するセンター孔と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔及び流出孔を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔の周りに分布し且つ流入孔と流出孔と接続する流路であるダイバージョン槽を含む。
本発明に係る燃料電池スタックは流れ場プレイトを含んでおり、前記流れ場プレイトは、流れ場プレイトセンターに位置するセンター孔と、流れ場プレイトの縁に近づく２つの位置に位置する流入孔及び流出孔を含み、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔の周りに分布し且つ流入孔と流出孔と接続するダイバージョン槽を含む。
本発明が提供する流れ場プレイトは反応剤の流入孔と流出孔とが分離され、センター孔の周りに分布し且つ流入孔と流出孔と接続する流路であるダイバージョン槽を持っているので、反応剤が流入孔を通って流れ込み、ダイバージョン槽を通って流れ場プレイトのすべての区域に拡散し、最後に流出孔に集まって、それによって反応剤拡散の濃度勾配を形成し、反応剤を平均的に分布させることにとって有利である。そのために本発明が提供する流れ場プレイトに“行き止まり（袋小路）”部分が無く、反応剤が平均的に流れ場プレイトのいずれかの部分に分布することができ、且つ反応生成物、例えば水、窒素、二酸化炭素なども直ちに排出することができて、流れ場プレイトに集積せず、そのために反応剤の利用率及び燃料電池の性能と使用寿命が向上した。
以下、図面及び具体的な実施の形態を結び付けて、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る流れ場プレイト19は流れ場プレイトセンターに位置するセンター孔5と、流れ場プレイトの外縁の近くの２つの位置に位置する流入孔6及び流出孔7を含んで、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続する流路であるダイバージョン槽を含む。
前記流れ場プレイト19は石墨或いは金属材料、例えばチタン、ニオビウム、アルミニウム、銅、ステンレス、金、銀など電気伝導性能のよい材料で製造される。腐食を防止するために、流れ場プレイトの表面に対して処理してもよく、例えば高温で、窒素の中に置いて、その表面に金属の窒化物を形成させて、腐食を防止する作用を果たす。また、金属とプラスチックの複合材料を採用して製造されてもよい。前記流れ場プレイト19は各種の形でもよくて、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、矩形或いは楕円形が好ましい。流れ場プレイトのセンター孔5、及び流入孔6と流出孔7もそれぞれ各種の形でもよく、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、六角形或いは四角形が好ましい。且つ、センター孔及び流入孔と流出孔の寸法が必要によって製造することができ、酸化剤或いは燃料の流通に満足することができるならばよい。
好ましくは、前記流入孔6と流出孔7の位置は、センター孔5に対して対称である。前記ダイバージョン槽は流れ場プレイトの形に従って分布する。前記ダイバージョン槽は円弧状或いは角度付きポリライン形である。流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3-4/5で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/5-1/2である。
好ましくは、センター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った前記流れ場プレイト19の一面のセンター孔5の周囲、及び流れ場プレイトの外側周辺にそれぞれシールメンバー8を設置しておく。シールメンバー8は各種の弾力性材料、例えば浸透性ゾルプラスチック、ゴム、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、発泡材料中の一種以上を採用して製造してもよい。
本発明の１つの具体的な実施形態では、図3に示すように、前記流れ場プレイト19が円形である。流れ場プレイトの一面は円弧状の形式でセンター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含んで、この時にダイバージョン槽が流れ場プレイトの円形に従って分布し、形が競技場の競走路に似ていて、図3に示す通りである。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ円形の流れ場プレイトの直径に沿って、流れ場プレイトの外縁に近づいて、センター孔5に対して対称である２つの位置に分布しておく。その中に、流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/4である。
本発明の第2の具体的な実施形態では、図4に示すように、前記流れ場プレイト19が矩形である。流れ場プレイトの一面は角度を持ったポリラインの形式でセンター孔5の周りに、流れ場プレイトの矩形によって分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含んでおり、図4に示す通りである。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ矩形の流れ場プレイトの対角線に沿って、流れ場プレイトの外縁に近づいて、センター孔5に対して対称である２つの位置に分布しておく。その中に、流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が3/5で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/2である。
本発明の第3の具体的な実施形態では、図5に示すように、前記流れ場プレイト19が楕円形である。流れ場プレイトの一面は円弧状の形式でセンター孔5の周りに、流れ場プレイトの楕円形によって分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含んでおり、図5に示す通りである。センター孔5、流入孔6及び流出孔7が皆円形である。流入孔6と流出孔7はそれぞれ楕円形の流れ場プレイトの長軸に沿って、流れ場プレイトの外縁に近づいて、センター孔5に対して対称である２つの位置に分布しておく。その中に、流れ場プレイトのこの面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/2で、流れ場プレイトのこの面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/3である。
本発明が提供する燃料電池スタックは流れ場プレイトを含んでおり、前記流れ場プレイトは、本発明が提供する流れ場プレイト19で、つまり前記流れ場プレイト19は流れ場プレイトセンターに位置するセンター孔5と、流れ場プレイトの外縁に近づく２つの位置に位置する流入孔6及び流出孔7を含んでおり、且つ流れ場プレイトの一面がセンター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を含む。
好ましくは、流れ場プレイト19の別の一面は、図6に示すように、直線形或いは蛇形曲がりの形式でセンター孔5から周りへ発散するダイバージョン槽を含んでいる。更に好ましくは、流れ場プレイト19の前記別の一面のすべてのダイバージョン槽の槽底面積の和と全部流れ場プレイトの面積との比率が1/3-4/5で、流れ場プレイトの前記別の一面のダイバージョン槽の深さと流れ場プレイトの厚さとの比率が1/5-1/2である。
本発明の第4の具体的な実施形態では、図7に示すように、前記燃料電池スタックは端板15と端板16、電流伝導板17と18、膜電極20及びシールメンバー8を含む。前記端板15と16、電流伝道板17と18及び膜電極20はそれぞれのセンターに位置するセンター孔を含む。前記端板16、電流伝導板18及び膜電極20はそれぞれ流れ場プレイト19の流入孔6と対応する流入孔28、11、13及び流れ場プレイト19の流出孔7と対応する流出孔29、12、14を含んでいる。流入孔28、11、6及び13が電池スタックの中に貫通の流入通路35を構成し、流出孔29、12、7及び14が電池スタックの中に貫通の流出通路36を構成する。前記シールメンバー8は、センター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面のセンター孔5の周囲と流れ場プレイトの外側周辺、及び流れ場プレイト19の別の一面の流入孔6と流出孔7の周囲に設置する。
通常の状況で、前記流れ場プレイト19が１つの板でもよくて、しっかり貼り付けた2つの板から構成するものでもよい。前記流れ場プレイト19が１つの板ならば、前記流れ場プレイトの “一面”（一方の側）と“別の一面”（他の側）がこの板の２つの面である。流れ場プレイト19が互いに貼り付けた2つの板から構成するならば、前記流れ場プレイトの “一面”と“別の一面”は2つの板をしっかり貼り付けた後に構成した流れ場プレイト全体の２つの面である。
前記端板15と16、電流伝導板17と18、流れ場プレイト19及び膜電極20は各種の形でもよく、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、矩形或いは楕円形が好ましい。前記端板、電流伝導板、流れ場プレイト及び膜電極のセンター孔、流入孔と流出孔もそれぞれ各種の形でもよく、例えば円形、楕円形或いは多角形で、円形、六角形或いは四角形が好ましい。且つ、センター孔、流入孔と流出孔の寸法は、酸化剤或いは燃料の流通に適合する限り、必要に応じて決定すればよい。
前記端板15と16はアルミニウム、ステンレス、チタン或いはエンプラ材料などの材料を採用して製造してもよい。前記電流伝導板17と18は銅、ステンレス、チタン、銀、金或いは石墨など材料を採用して製造してもよく、電流の出力及び外部への電気エネルギーの伝送に用いる。前記流れ場プレイト19は石墨或いは金属材料、例えばチタン、ニオビウム、アルミニウム、銅、ステンレス、金、銀など電気伝導性能のよい材料を採用して製造してもよい。前記膜電極20は陰極拡散層、陽極拡散層、拡散層に担持されるカタリシス層、及びプロトン交換膜から構成されるが、その構成、構造及び材料は当分野の当業者にとって公知である。前記シールメンバー8は各種の弾力性材料、例えば、浸透性ゾルプラスチック、ゴム、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル、ポリイミド、発泡材料から選ばれた一種以上を採用して製造してもよい。
前記端板16、電流伝導板18、流れ場プレイト19及び膜電極20がそれぞれ含んだ流入孔28、11、6、13と流出孔29、12、7、14は位置、形及び寸法に全部互いに対応しているために、燃料電池スタックの中に貫通の流入通路35と流出通路36をそれぞれ構成することができる。前記流入通路35と流出通路36は燃料或いは酸化剤の伝送に用いるために燃料電池スタックに形成される。
好ましくは、前記燃料電池スタックはまた固定装置を含む。前記固定装置は端板15と16、電流伝導板17と18、多数の流れ場プレイト19及び多数の膜電極20を一体に締め付けることに用いる。
本発明の第5の具体的な実施形態で、前記固定装置は板81と83及び板82を含む。板81と83はそれぞれ端板16と15としっかり張り付ける。板82は各種の公知する機械接続方式、例えばネジ接続、溶接、接合などによって接続して、好ましくはネジ接続によって板81と83を一緒に接続して、板81、82と83が一体に密閉されたケースを構成する。しかも、前記板81に端板16の流入孔28及び流出孔29とそれぞれ対応する孔31と32を有し、その中で、孔31が酸化剤の入口、孔32が酸化剤の出口とされている。また、板81に端板16のセンター孔と接続するすくなくとも一つの孔24を持つ。この孔24はケースに燃料を添加すること、及び電池スタックの中の反応生成物をケース外部へ排出することに用いる。
そのために、板81と板83及び板82を利用して燃料電池スタックに対して締め付ける時、ネジ接続によって板82と板83を一緒に連結してから、端板15、電流伝導板17、若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20、電流伝導板18及び端板16を順次にこのケースの中に配置して、更にネジ接続によって板81と板82を一緒に連結する。その場合、板81、82と83の寸法及びそれらによって囲んだケースの形と大きさは必要によって変化することができる。この過程に、板81と83がそれぞれ端板16と15としっかり貼り付けることを保証すべきである。しかも、酸化剤の順次伝送に用いる流入通路35と流出通路36に形成するように、若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20及び電流伝導板18の流入孔6、13、11と流出孔7、14、12が、それぞれ端板16の流入孔28と流出孔29及び板81の孔31と32と互いに対応・貫通することを保証すべきである。最後に、板81の孔24を通ってケースの中に燃料を添加して、燃料で全体のケースを満す。この燃料電池スタックを組み立てた後の構造は図8に示した通りで、図に見られる通り、この固定装置を持った燃料電池スタックは燃料箱と電池スタックを一緒に一体化するという目的を実現し、燃料電池スタックの構造が簡略化され、組み立てが便利になるだけではなく、且つ酸化剤の流入路と流出路とが互いに分離されるので、酸化剤の拡散の濃度勾配を形成することができ、酸化剤の拡散にとって有利である。
この燃料電池スタックにおいては、半径方向に延びる発散式ダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面が燃料拡散用の面として、センター孔を通って流通する燃料を平均的に全部流れ場プレイトに分布させることに用いられる。しかも、図6に示すように、流れ場プレイトのこの表面の流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれシールメンバー8を設置しておいて、燃料電極への酸化剤の漏れの防止に用いている。センター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト9の一面が酸化剤の拡散用の面として、流入孔を通ってこの表面に流入した酸化剤を平均的に全部流れ場プレイトに分布させて、そして最後に流出孔に集まることに用いる。しかも、図3に示すように、流れ場プレイトのこの表面のセンター孔5の周囲及び流れ場プレイトの外側周辺にそれぞれシールメンバー8を設置しておいて、酸化剤の断絶に用いて、酸化剤が燃料電極に拡散して燃料電極と直接反応することを防止している。
板81と83及び板82を利用して燃料電池スタックを締め付けて固定した場合、燃料が板81の上の少なくとも１つの孔24を通って燃料電池スタックの内部に供給されることができ、且つセンター孔を通って半径方向に延びる発散式のダイバージョン槽を持った各流れ場プレイトの表面に拡散し、更にこの表面のセンター孔から半径方向に延びるダイバージョン槽を通って流れ場プレイトの面の各部分に拡散して、センター孔5の周りに分布して流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの別の面の酸化剤と電気化学反応を発生するようになる。燃料電池スタックの各々の板にセンター孔を持っているので、全体的な電池スタックのセンターに通路が形成される。したがって、燃料を燃料電池スタックの中のいずれの区域までも拡散することができ、且つ反応した生成物も板81の孔24を通って燃料電池スタックの内部から排出することができる。この過程において、流れ場プレイトに“行き止まり（袋小路）”部分が無いために、反応産物の二酸化炭素が通路に集積するという現象が出現しない。
酸化剤、例えば空気或いは酸素は、板81の孔31によって流入通路35を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができる。酸化剤の流入路と流出路とが互いに分離されているので、酸化剤拡散の濃度勾配を形成することができて、それによってセンター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面に酸化剤を拡散することにとって有利で、更にセンター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を通って酸化剤は通路の各部分へ拡散して、発散式のダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの別の面の燃料と電気化学反応をするようになる。反応した後の産物及び反応しなかった物が流出通路36に集まって、最後に板81の孔32を通って燃料電池スタックから流れ出る。この過程において、流れ場プレイトに“行き止まり（袋小路）”の部分が無いために、通路の詰まりと窒素の集積という現象が出現しない。
本発明の第6の具体的な実施形態で、前記固定装置は前記端板15と16、電流伝導板17と18、多数の流れ場プレイト19及び多数の膜電極20のセンター孔を貫くボルト22とボルト22の両端に締め付けたナット23を含む。しかもナット23には開孔30が形成され、この開孔30は、燃料電池に酸化剤の拡散の通路を提供する。この開孔30の寸法は、燃料電池スタックの構造と適応し、その大きさは少なくとも必ず十分な酸化剤の出入を満足することができるものである。前記ボルト22とナット23の寸法は相応する燃料電池スタックの構造と適応し、その太さは、少なくとも燃料電池スタックを締め付けて固定することを保証するものである。
そのために、ボルト22とナット23を利用して燃料電池スタックを締め付ける時、まずボルト22と１つのナット23を固定して、それから端板15、電流伝導板17、若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20、電流伝導板18及び端板16を各板のセンター孔によって順次ボルト22に刺し連ねる。燃料の順次伝送に用いる流入通路35と流出通路36に形成するように、この過程に若干の流れ場プレイト19、若干の膜電極20及び電流伝導板18の流入孔6、13、11と流出孔7、14、12を端板16の流入孔28と流出孔29と対応して互い貫通することを保証すべきである。最後は別の一つのナット23をボルト22にしっかりとねじって、それによって組み立てを完成する。この種類の燃料電池スタックは組み立てを完成した後の構造が図9の示した通りで、図に見られる通りに、この固定装置を持った燃料電池スタックはボルトと燃料通路の分離を実現して、燃料がボルトを接触しない状況で電池の内部に密封順次伝送することができ、それによってボルトを腐食させず、燃料を汚染しないだけではなく、且つ燃料の流入路と流出路とが互いに分離されているので、燃料拡散の濃度勾配を形成することができて、燃料の拡散にとって有利である。
この燃料電池スタックにおいては、半径方向に延びる発散式のダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の一面が酸化剤の拡散用の面として、センター孔を通って流通する酸化剤を平均的に全部流れ場プレイトに分布させることに用いられる。しかも、図6に示すように、流れ場プレイトのこの表面の流入孔6と流出孔7の周囲にそれぞれシールメンバー8を設置して、酸化剤電極への燃料の漏れの防止に用いている。センター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト19の別の面が燃料拡散用の面として、流入孔を通ってこの表面に流れ込んだ燃料を全部流れ場プレイトに平均的に分布させ、且つ最後に流出孔に集めることに用いる。しかも、図3に示すように、流れ場プレイトのこの表面のセンター孔5の周囲及び流れ場プレイトの外周辺にそれぞれシールメンバー8を設置して、燃料を隔離し、燃料が酸化剤電極に拡散して酸化剤と直接反応することを防止している。
ボルト22とナット23を利用して燃料電池スタックを締め付けて固定した場合、酸化剤、例えば空気或いは酸素は自然対流の方式によって燃料電池スタックの内部に流れ込むことができ、且つセンター孔を通って発散式ダイバージョン槽を持った各流れ場プレイトの表面へ拡散する。それから、酸化剤は、更にこの表面のセンター孔5から周りへ発散するダイバージョン槽を通って流れ場プレイトの別の面の各部分に拡散して、センター孔5の周りに分布し且つ流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面の上の燃料と電気化学反応を発生するようになる。燃料電池スタックのすべての板にセンター孔を持つので、全体的な燃料電池スタックのセンターに通路が形成される。そのために酸化剤を燃料電池のいずれの区域へも拡散することができ、また燃料電池の更なる反応に必要な新鮮な酸化剤をちょうど良い時に供給できる。しかも、反応した産物及び反応しなかった物を燃料電池スタックから排出して、それによって、通路への水分の詰まりと窒素の集積という現象が発生しない。
燃料は、端板16の流入孔28から流入通路35を通って燃料電池スタックの内部に流れ込むことができる。燃料の流入路と流出路とが分離されているので、燃料拡散の濃度勾配を形成することができ、それによって燃料がセンター孔5の周りに分布して流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面へ拡散することにとって有利である。そのため、燃料は、流れ場プレイトのこの表面のセンター孔5の周りに分布して流入孔6と流出孔7と接続するダイバージョン槽を通ってその面の各部分へ拡散し、半径方向に延びる発散式ダイバージョン槽を持った流れ場プレイトの表面の上の酸化剤と電気化学反応を発生するようになる。反応した後の燃料は流出通路36に集まって、最後に端板16の流出孔29を通って燃料電池スタックから流れ出る。この過程の中に、流れ場プレイトに“行き止まり（袋小路）”の部分が無いために、反応産物の二酸化炭素が通路に集積するという現象が出現しない。
図10は本発明の別の実施形態による燃料電池スタックの構造説明図である。この実施形態においては、酸化剤は自然対流の形式を採用しないで、ファン37を利用して空気を供給する。ファン37は１つのナット23の外側にインストールされ、一方、ファン37と相対する別の１つのナット23に開孔30を形成してもよいし又は形成しなくてもよい。本実施形態のその他の部分は図9に示した実施形態と同じである。したがって、本発明の燃料電池スタックはナット23の外側にインストールするファン37を含んでいてもよい。
Claims (12)
- 流れ場プレイト（19）を有する燃料電池スタックであって、
前記流れ場プレイト（19）が、当該流れ場プレイトのセンターに位置するセンター孔（5）と、前記流れ場プレイトの外側周辺の近くの２つの位置に形成された流入孔（6）及び流出孔（7）と、前記センター孔(5)の周りに分布し且つ前記流れ場プレイトの一面において前記流入孔（6）及び前記流出孔（7）と接続するダイバージョン槽とを含み、
前記燃料電池スタックが、端板（15と16）、電流伝導板（17と18）、膜電極（20）及びシールメンバー（8）を含み、
前記端板（15と16）、前記電流伝導板（17と18）及び前記膜電極（20）がそれぞれセンターに位置するセンター孔を含み、
前記端板（15）、前記電流伝導板（17）、流れ場プレイト（19）、前記膜電極（20）、前記電流伝導板（18）、及び前記端板（16）は一緒に連結され、
前記端板（16）、前記電流伝導板（18）及び前記膜電極（20）がそれぞれ前記流れ場プレイト（19）の前記流入孔（6）と対応する流入孔（28、11、13）、及び前記流れ場プレイト（19）の前記流出孔（7）と対応する流出孔（29、12、14）を含み、
前記シールメンバー（8）は、前記センター孔（5）の周りに分布し且つ前記流入孔（6）及び前記流出孔（7）と接続するダイバージョン槽を持った流れ場プレイト（19）の一面の前記センター孔（5）の周囲と前記流れ場プレイトの外側周辺、及び前記流れ場プレイト（19）の別の一面の前記流入孔（6）と前記流出孔（7）の周囲にそれぞれ設置されている燃料電池スタック。 - 前記流れ場プレイト（19）が円形、矩形或いは楕円形である請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記流入孔（6）と前記流出孔（7）の位置が前記センター孔（5）に対して対称である請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記ダイバージョン槽が前記流れ場プレイトの形に従って分布する請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記ダイバージョン槽が円弧状或いは角度付きポリライン形である請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記流れ場プレイトの前記面のすべてのダイバージョン槽の全槽底面積と前記流れ場プレイトの全表面積との比率が1/3-4/5である請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記流れ場プレイトの前記面の前記ダイバージョン槽の深さと前記流れ場プレイトの厚さとの比率が1/5-1/2である請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記流れ場プレイトは更に、当該流れ場プレイトの前記面における前記センター孔（5）の周囲と前記流れ場プレイトの外側周辺にそれぞれ前記シールメンバー（8）を備えている請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記燃料電池スタックが固定装置を含む請求項１に記載の燃料電池スタック。
- 前記固定装置が板（81と83）及び前記板（81と83）と接続された板（82）を含み、前記板（81と83）及び前記板（82）は一緒に連結して密閉されたケースとして形成され、前記板（81と83）がそれぞれ前記端板（16と15）とそれぞれ固定的に貼り付けられ、前記板（81）が、それぞれ前記端板（16）の前記流入孔（28）と前記流出孔（29）に対応する孔（31と32）、及び前記端板（16）のセンター孔と連通する少なくとも１つの孔（24）を含む請求項９に記載の燃料電池スタック。
- 前記固定装置がそれぞれ各板のセンター孔を貫いたボルト（22）と、前記ボルト（22）の両端にねじ込まれるナット（23）とを含み、前記ナット（23）が開孔（30）を含む請求項９に記載の燃料電池スタック。
- 前記燃料電池スタックは、前記ナット（23）の外側にインストールされるファン（37）を含み、前記ファン（37）と相対する別の１つのナット（23）が開孔（30）を含むまたは含まない請求項１１に記載の燃料電池スタック。
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