JP5111378B2 - 燃料電池用プレート - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用、特に、自動車に取り付けられることを目的とした、イオン交換膜（ＰＥＭ）を備える種類の燃料電池用のプレートに関する。

ＰＥＭ型燃料電池は通常、バイポーラプレートとイオン交換膜のスタックを備え、この膜は、例えばポリマーから生成された固体電解質によって形成されている。
バイポーラプレートの表面には、膜と接し、前記膜と共に流通チャネル又はコンジットを形成する溝が設けられており、これらの溝はガスが膜と接した状態で移動することを可能にしている。

陽極ガスは膜の一方の側を移動し、陰極ガスはその反対側を移動する。陽極及び陰極のガスの酸化／還元反応は膜の両側で起こり、それによりイオンが交換され、電子がバイポーラプレートによって運ばれる。よって電気エネルギーが回復し、特に自動車を牽引するために用いられる。
ガスがチャネルの入口から出口に移動する時、反応物質が徐々に消耗される。従って、チャネル内を移動する流れの反応物質の濃度は、流れが移動するにつれて減少する。このように、反応物質は流通チャネルの出口で更に減少し、その結果、膜の活性交換表面上での反応物質の分布が非均一になり得る。これによりセルの満足のゆく動作の実現が不可能になる。

従って、燃料電池の性能及び信頼性を向上させる目的で、膜の活性領域上において陽極及び陰極の反応物質を均一に分布させることが望ましい。
反応物質の分配を向上させるために、これまでに種々の解決方法が考案されている。米国特許第４９８８５８３号には、表面の一つに、プレートの一辺から反対の辺まで流体を流通させることができる単一のチャネルを有するバイポーラプレートが開示されており、このチャネルは、犂耕式に配置された、連続して折り返す道筋を有している。この折り返しチャネルは、前記表面の大部分を覆うように、プレートの表面に配置されている。

米国特許第５６４１５８６号の一部も、互い違いに配置された流体用の複数の入口チャネルと出口チャネルとを備えるバイポーラプレートが記載されており、流体は入口チャネルからガス拡散層を通って出口チャネルに移動する。
更に、ＵＳ−Ｂ１−６６１６３２７及びＵＳ−Ｂ１−６３３３０１９には、特にプレートのスタックを備える燃料電池の、流体用供給コンジット及び／又は放出コンジットの配置が記載されており、この場合、入口及び出口セクションは、段階的なフラクタル構造を呈する流体循環コンジットが得られるように、プレートの各々に導入されている。

更に、ＵＳ−Ａ−２００４／００２３１００及びＵＳ−Ａ−２００４／００７６４０５には、主要ブランチと、連続する側方ブランチとを有する、流体用の供給及び／又は放出コンジットを備えるバイポーラプレートが記載されており、この場合、側方ブランチは、前記主要コンジットより小さい断面を有し、コンジットがフラクタル構造を呈するように配置されている。
これらの文献に記載されている流体の供給及び／又は放出チャネル又はコンジットの構成は、膜上に反応物質が均一に分配されるように反応物質の流通を大きく改善することができない。

従って、本発明の目的は、流体を均一に流通させて前記セルの動作信頼度を高めることができる燃料電池用プレートを提供することにより、この欠点を解決することである。
本発明の一態様によれば、燃料電池用プレート、特にイオン交換膜を備える種類の燃料電池用のプレートは、プレートの面の一つの中心に位置する吸入オリフィスに接続する供給チャネルと、濃度の大きい反応流体の流れと濃度の小さい反応流体の流れが各々移動する放出チャネルとを備えている。

供給及び／又は放出チャネルは、プレート上に対称に導入され、絡み合うチャネルからなるネットワークを形成するように補間的に配置された類似のフラクタル構造を有する。
このような構成により、バイポーラプレート上に反応物質を更に均一に流通させることができる。

これは、対称な構造のフラクタルな形状を呈する供給チャネルと、プレートの一面の中心に吸入オリフィスを配置することとを組み合わせることで、プレートの種々の領域で同じコース及び流速に従って、プレート全体に流体を流通させることが可能になるためである。
更に、絡み合うチャネルからなるネットワークを形成するように補間的に配置された類似のフラクタルな構造を呈する供給及び放出チャネルを同じプレート上に配置することで、プレートの供給及び放出の流速が同じになるだけでなく、供給チャネルに近接し且つ供給チャネルにとり囲まれた放出チャネルが得られ、これにより、反応物質の含有量が少ない流体を有する移動チャネルが、反応物質の含有量が多い流体を有する移動チャネルの近くに位置する構成が得られる。

有利には、供給及び放出チャネルが少なくとも二つの対称軸を有する。
好ましくは、供給及び放出チャネルは主要コンジットを備え、各主要コンジットは、前記コンジットに対して対称に配置された複数の連続する側方ブランチを有する。

側方ブランチが対称構造を有することにより、各主要コンジットの流速を同一にすることができる。
一実施形態では、各供給コンジットにおいて、連続する側方ブランチの、分岐点からの長さと断面はすべて等しい。

従って、速度と圧力の低下は、移動している流れのいかんに関わらず、プレートの種々の領域で常に等しく、反応物質の均一な流動及び／又は放出が実現し、セルの最適な動作が保証される。
供給チャネルの主要コンジットは、吸入オリフィスに接続し、有利にはその数は４個であって、前記オリフィスとプレートの角の間に伸びる。

有利には、放出コンジットの主要コンジットはプレートの各辺上に開口する。
好ましい実施形態では、主要コンジットの連続して隣接する部分の間の断面の比は、互いに同一である。

本発明は、添付図面に示す、いかなる限定も意図することなく例示を目的に提示される実施形態の詳細な説明により更に理解される。
図１〜４を参照し、燃料電池プレートの反応流体を移動させるためのチャネルの種々の実施形態について、以下に説明する。

燃料電池プレートは特定の数の溝を備え、それらの溝の間には、溝とイオン交換膜とにより、反応流体が移動する複数のチャネルが画定されている。
図１では、参照番号１で示すプレートは、全体にほぼ正方形の形状を呈する。このプレートは、バイポーラプレート又はモノポーラプレートとすることができる。複数の移動及び放出チャネルが、前記プレートの一つの面上に伸びる溝の形態で導入されている。
プレート１は、その辺に垂直な二つの直線により画定される四つの同一の正方形領域に分割することができる。プレートの直線と対角線は、面幾何学的な意味で対称軸を形成する。

第一供給チャネル２は、プレートの、図１及び２の右上に位置する正方形領域１ａに形成されている。第一の供給チャネル２は、プレート１の面の中心に導入された吸入オリフィス２ａからプレート１の右上端の近くまで、直線的に伸びる主要コンジットＣ_１を含む。前記主要コンジットＣ_１は、プレート１の半対角線に沿って伸びる複数の部分Ｃ_１．０〜Ｃ_５．０を含む。部分Ｃ_１．０は吸入オリフィス２ａに接続し、部分Ｃ_５．０は右上端の近くに伸びている。この場合、部分Ｃ_１．０〜Ｃ_５．０の深さは一定であり、それらの幅は次の部分に進む毎に徐々に減少する。
領域１ａの供給チャネル２の拡大図である図３に更に詳細に示すように、供給チャネル２の主要コンジットＣ_１の第一部分Ｃ_１．０は、複数の連続する直線状の側方ブランチを有する。この場合、主要コンジットＣ_１の部分Ｃ_１．０は、前記主要コンジットに対して垂直に伸びる１６個の側方ブランチ（参照番号Ｃ_１．１〜Ｃ_１６．１）に分岐しており、これら側方ブランチは、二つの隣接する側方ブランチ間のスペースが均一に保たれるように配置されている。

側方ブランチＣ_１．１〜Ｃ_８．１は、部分Ｃ_１．０を中心として、正方形領域１ａの左側に位置し、側方ブランチＣ_９．１〜Ｃ_１６．１は、前記部分Ｃ_１．０を中心として、部分Ｃ_１．１〜Ｃ_８．１とそれぞれ対称である。
ブランチＣ_１．１及びＣ_９．１は、ブランチＣ_２．１と及びＣ_１０．１を中心として、ブランチ_３．１及びＣ_１１．１と対称である。側方ブランチＣ_２．１及びＣ_１０．１の長さ及び断面は、ブランチＣ_１．１とＣ_９．１の長さ及び断面より実質的に大きい。

側方ブランチＣ_２．１とＣ_１０．１の各々は更に、それぞれ三つの連続する派生側方ブランチ（それぞれ参照番号Ｃ_１．２、Ｃ_２．２、及びＣ_３．２、並びにＣ_１．１０、Ｃ_２．１０、及びＣ_３．１０）に分岐している。派生ブランチＣ_１．２、Ｃ_３．２、Ｃ_１．１０、及びＣ_３．１０は、ブランチＣ_２．１とＣ_１０．１に対して垂直である。ブランチＣ_２．２とＣ_２．１０はそれぞれ、ブランチＣ_２．１とＣ_１０．１と同じ方向に向いている。側方ブランチの派生ブランチは、部分Ｃ_１．０を中心として他方の側方ブランチの派生ブランチと対称である。連続する側方ブランチＣ_１．２、Ｃ_２．２、及びＣ_３．２、並びにＣ_１．１０、Ｃ_２．１０、Ｃ_３．１０の長さ及び断面は、側方ブランチＣ_１．１及びＣ_９．１の長さ及び断面と同一である。
部分Ｃ_１．０の二つの隣接する側方ブランチ間の距離は、主要コンジットＣ_１．０と側方ブランチ_２．１の分岐点と、主要コンジットＣ_２．１と連続する派生側方ブランチＣ_１．２、Ｃ_２．２、Ｃ_３．２の分岐点の間の距離とほぼ等しい。

側方ブランチＣ_５．１とＣ_１３．１、Ｃ_６．１とＣ_１４．１、及びＣ_７．１とＣ_１５．１は、ブランチＣ_４．１とＣ_１２．１を中心として、側方ブランチＣ_３．１とＣ_１１．１、Ｃ_２．１とＣ_１０．１、Ｃ_１．１とＣ_９．１とそれぞれ対称である。従って、ブランチＣ_２．１及びＣ_１０．１と同様に、側方ブランチＣ_６．１とＣ_１４．１は、三つの連続する派生ブランチに分岐している。
ブランチＣ_４．１とＣ_１２．１の端部はそれぞれ、互いに９０度に位置し且つブランチＣ_２．１と同じ寸法及び形状を有する三つの連続する側方ブランチに更に分岐する。前記連続する側方ブランチの各々は更に、ブランチＣ_１．２と同一の寸法及び形状を有する三つのブランチに分岐する。ブランチＣ_４．１はまた、部分Ｃ_１．０とブランチＣ_４．１の分岐点を中心としてブランチＣ_３．１とＣ_１１．１を回転させた位置に、更に二つの連続する側方ブランチを有する。ブランチＣ_１２．１の連続する側方ブランチは、部分Ｃ_１．０を中心としてブランチＣ_４．１の側方ブランチと対称である。

こうして、コンジットＣ_１の部分Ｃ_１．０、側方ブランチＣ_１．１〜Ｃ_７．１とＣ_９．１〜Ｃ_１５．１、並びにそれらの連続する側方ブランチは、領域１ａにおいて供給コンジットの第一サブネットワークを形成する。
側方ブランチＣ_８．１は、主要コンジットＣ_１．０から分岐して正方形領域１ａの左上端の近くまで伸びている。側方ブランチＣ_８．１とＣ_１６．１は、対応する前記側方ブランチ及びコンジットＣ_１．０を中心として、互いに対称な複数の連続するブランチを有している。

側方ブランチＣ_８．１の連続する側方ブランチは、主要コンジットＣ_１．０と側方ブランチＣ_８．１の分岐点Ｍ_１を中心として、ブランチＣ_５．１、Ｃ_１３．１、Ｃ_７．１、Ｃ_１５．１及びＣ_６．１とＣ_１４．１、並びにそれらに付随する連続する側方ブランチを時計方向に９０度だけ回転させることにより得られる。従って、ブランチＣ_１６．１の側方ブランチは、分岐点Ｍ_１を支点とし、前記ブランチに対して９０度回転させることにより得られる。
ブランチＣ_８．１とＣ_１６．１の端部はそれぞれ、互いに９０度に位置する三つの側方ブランチに更に分岐しており、前記ブランチの各々の幾何学的構造及び寸法形状は、ブランチＣ_４．１の幾何学的構造及び形状と同一であり、各ブランチは類似の形態に配置された付随する連続側方ブランチを有する。従って、ブランチＣ_８．１、Ｃ_１６．１、及びそれらの連続派生側方ブランチは、互いに同一である供給コンジットの第二及び第三のサブネットワークを形成する。

主要コンジットＣ_１の部分Ｃ_２．０〜Ｃ_５．０は複数の側方ブランチと派生側方ブランチに接続しており、よって第二のサブネットワークを時計方向に９０度回転することにより得られる供給コンジットの第四のサブネットワークを形成している。
流体を確実に完全に均一に流通させるために、更に、主要コンジットＣ_１の部分Ｃ_ｎ．０（ｎの値は２、３、４又は５とすることができる）の断面を、部分Ｃ_{ｎ−１．０}の１／３とする。従って、分岐点Ｍ_１からの流体流の圧力の低下が、第二、第三及び第四のサブネットワークの各々で全く同じとなることが分かる。

このために、前述のように、主要コンジットＣ_１の二つの隣接する側方ブランチ間の距離が、対応する側方ブランチの二つの連続する隣接側方ブランチの間の距離とほぼ等しくなるよう注意を払うことが好ましい。
図１及び２に示すように、プレート１はまた、前記プレートの正方形領域１ｂ〜１ｄにそれぞれ形成される第二、第三及び第四の供給チャネル（参照番号３〜５）を含み、これらの供給チャネルの各々は、吸入オリフィス２ａから対応する正方形領域の角の近くまで伸びている。前記領域１ｂ〜１ｄはそれぞれ、左上、左下、及び右下に位置している。前記供給チャネルの各々はまた、主要コンジットと複数の連続する側方ブランチ（参照番号なし）を含む。

第二、第三及び第四の供給チャネル３〜５は、吸入オリフィス２ａを支点として第一のチャネル２をそれぞれ９０度、１８０度、２７０度回転させることにより得られる。
従って、供給チャネル２〜５は、領域１ａと１ｄを画定するプレート１の側面に垂直な直線を中心に、対称な対となる。従って、チャネルを通る流体は、これらの種々の領域で完全に均一で同一の流れを形成する。

従って、チャネル２〜５によってこのように形成される供給コンジットのネットワークは、内部が類似の形状特性を示し、前記ネットワークのいずれの部分も全体の外観と実質的に同じ外観を呈する。従って、ネットワークはフラクタルな構成を呈する。当然ながら、大きさだけが変化するという不変特性は、直径の小さな側方ブランチを得るための穿孔の技術的実現可能性によって制限される。
プレート１はまた、本実施例の場合４個の主要放出チャネル（参照番号６〜９）を備え、これら主要放出チャネルはそれぞれ、上辺の中央、左辺の中央、下辺の中央、及び右辺の中央から吸入オリフィス２ａに向かって伸びており、その幅は吸入オリフィス２ａに近づくにつれ徐々に減少している。放出チャネル６〜９の幾何学的構造は、供給チャネル３〜５の同構造と類似であるが、その大きさは供給チャネルの大きさの

に相当する。放出チャネル６〜９は、類似のフラクタル構成を示し、長さと断面だけを異にする。

放出チャネル７〜９は、吸入オリフィス２ａを支点として、第一のチャネル６をそれぞれ９０度、１８０度、２７０度回転させることにより形成することができる。放出チャネルの連続するブランチは、プレート１の二つの連続する正方形領域に伸びている。放出チャネル６〜９は、プレート１の対角線を中心に対称な対をなす。
プレート１はまた、正方形領域１ａ〜１ｄの各々に側方放出チャネルを有し、これらの側方チャネルの幾何学的パターンは放出チャネル６〜９の幾何学的パターンと同一である。プレート１の正方形領域１ａは、前記領域の上辺から伸びる放出チャネル（参照番号なし）の第一の組み合わせを有する。これらの側方チャネルは、正方形領域１ａに位置する放出コンジット７の側方ブランチを、分岐点Ｍ_１を支点として９０度回転させることにより得ることができる。

プレート１の領域１ａは、この領域の右辺から伸びる側方放出チャネルの第二の組み合わせも有する。これらのチャネルは、分岐点Ｍ_１を中心として、放出チャネルの第一の組み合わせを時計方向に９０度だけ回転させることにより得ることができる。
同様に、正方形領域１ｂ〜１ｄも、側方放出チャネルの第一及び第二の組み合わせを有する。領域１ｃの側方放出チャネルは、プレートの右下の角と左上の角を結ぶ対角線を挟んで領域１ａの側方チャネルと対称である。領域１ｂ及び１ｄの側方放出チャネルは、領域１ａ及び１ｄと領域１ｂ及び１ｃとを区切る、上辺及び下辺に垂直な直線を中心としてそれぞれ領域１ａと１ｃのチャネルと対称である。

このように、供給チャネル２〜５に対する主要放出チャネル６〜９と側方放出チャネルの構成と、これらのチャネルの類似したフラクタルな幾何学的構成との組み合わせは、プレート１の全体に亘って圧力を同じように低下させることにより、流体を均一に流動及び放出させることを可能にする。従って、プレートに入ってから出て行くまでの反応ガス成分の平均的なルートは、特にその長さ及び圧力低下に関して実質的に同じであり、これにより、その経過のいかんに関わらず、表面全体に均一な流通が提供される。
更に、反応物質の含有量が少ない流体を通す放出チャネルを、セルのガス拡散層を通過した後で、反応物質の含有量の多い流体を含む供給チャネルの近くに配置することは、セルの最適な動作にとって特に有利である。

図４に示す実施形態は、供給チャネル２〜５、主要放出チャネル６〜９、及び側方放出チャネルの幅が均一で、且つ深さが異なる点で前述の実施形態とは異なるが、断面の比は前述の実施形態と同じであり、よってプレート全体に亘って流通及び放出が均一である。

燃料電池用プレートの反応流体を移動させるためのチャネルの配置の一実施例を示す。 燃料電池用プレートの反応流体を移動させるためのチャネルの配置の一実施例を示す。 図２の拡大図である。 燃料電池用プレートの反応流体を移動させるためのチャネルの配置の第二の実施例を示す

Claims (8)

1. イオン交換膜を備える種類の、燃料電池用プレートであって、プレートの面の一つの中心に位置する吸入オリフィス（２ａ）に接続する供給チャネル（２〜５）、及び濃度の大きい反応流体の流れと濃度の小さい反応流体の流れが、それぞれ移動する放出チャネル（６〜９）を備えること、並びに、供給及び／又は放出チャネルが、プレートの吸入オリフィス（２ａ）に対し点対称に配置されて、絡み合うチャネルからなるネットワークを形成するように、補間的に配置された類似のフラクタルな構成を有することを特徴とする、プレート。
2. 供給及び放出チャネルが、少なくとも二つの対称軸を有する、請求項１に記載のプレート。
3. 供給及び放出チャネルが主要コンジットを有し、各主要コンジットが、当該コンジットに対し線対称に配置された、複数の連続する側方ブランチを有する、請求項１又は２に記載のプレート。
4. 各供給コンジットにおいて、連続する側方ブランチの、分岐点からの長さ及び断面がすべて等しい、請求項３に記載のプレート。
5. 供給チャネルの主要コンジットが吸入オリフィス（２ａ）に接続している、請求項３又は４に記載のプレート。
6. 吸入オリフィス（２ａ）とプレートの角の間に伸びる四つの主要コンジットを有する、請求項３ないし５の何れか一項に記載のプレート。
7. 放出チャネルの主要コンジットがプレートの各辺上に開口する、請求項３ないし６の何れか一項に記載のプレート。
8. 主要コンジット（Ｃ_１）の連続して隣接する部分（Ｃ_１．０〜Ｃ_５．０）の間の断面の比が互いに同一である、請求項３ないし７の何れか一項に記載のプレート。

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