JP5247879B2 - 櫛形の流れ場を有する燃料電池コンポーネント - Google Patents

Description

本発明は、櫛形の流体流路配列を有する燃料電池用の流れ場板に関する。

燃料電池は、電力を発生するための電気化学反応を促進するように設計される。燃料電池に要求される一つの機能は、燃料電池を通して反応物を所望のように案内することである。流れ場板は、一般的に、燃料電池の作動時に流体が通流する流路を含む。例えば、固体高分子型燃料電池の触媒層で燃料ガスもしくは空気が利用できるように、これらのガスが流れ場流路に沿って案内される。

流れ場流路は、一般的に、平行に配置された複数の流れ場板上に設けられる。一般的な流れ場流路配列は、プレートの片側に複数の入口を有するとともに、その反対側に対応する複数の出口を有する。従来の配列では、流れ場板上のリブが個々の流路を隔てる。

米国特許第６４１６８９２号明細書 米国特許第６４７２０９５号明細書 米国特許第６４８５８５７号明細書 米国特許第６７８０５３３号明細書 米国特許第６７９４０７７号明細書

櫛形の流れ場配列を用いることが提案されている。その配列は、流体が一つの流路の入口から流入するが、別の流路の出口から流出する点で従来の流れ場配列とは異なる。図１は、従来技術の一例の流れ場板配列２０を概略的に示す。この例では、複数の入口流路２２が複数の出口流路２４と平行に配置される。矢印２６で概略的に示すように、燃料ガスもしくは空気などの選択された流体が入口流路２２へと流入して、流路の間のリブ２８を含む領域を横切って流れる。入口流路２２から出口流路２４へと流れる流体は、各入口流路２２内におけるほぼ半分の流れが対応する出口流路２４へと横切って移動する。換言すれば、各入口流路を流れる流体は、２つの異なる出口流路２４へと効果的に分流されて、各入口流路からの流れのほぼ半分ずつがそれぞれ対応する出口流路へと流れる。

櫛形の流れ場流路の例が特許文献１〜５に開示されている。こうした配列は性能強化をもたらすが、当業者は常に更なる改善に努めている。

燃料電池に使用される一例の流れ場板が複数の入口流路を備える。また複数の出口流路を備える。これらの流路は、少なくとも２つの入口流路が各々の入口流路の第１の側において互いに隣接するように配置される。これらの入口流路の第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路が各々の入口流路に隣接するように配置される。

燃料電池に使用される一例のアセンブリが、複数の入口流路と、複数の出口流路と、を有する流れ場板を含む。これらの流路は、少なくとも２つの入口流路が各々の入口流路の第１の側において互いに隣接するように配置される。これらの入口流路の第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路が各々の入口流路に隣接するように配置される。一部の例は親水層を含み、この親水層は、互いに隣接した入口流路の間の少なくとも選択された領域において水分を輸送するように配置される。

一例の燃料電池の作動方法は、複数の入口流路に流体を案内することを含む。入口流路の各々からの流体はただ一つの出口流路へと移動する。これらの流路は、少なくとも２つの入口流路が各々の入口流路の第１の側において互いに隣接するように配置される。これらの入口流路の第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路が各々の入口流路に隣接するように配置される。

開示の実施例の様々な特徴および利点が以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。

従来技術の櫛形の流れ場配列を概略的に示す図である。 本発明の実施例に従って設計された櫛形の流れ場配列を概略的に示す図である。 図２の実施例に一致した一例の配列を概略的に示す図である。

燃料電池に使用される流れ場板３０を図２に概略的に示す。複数の入口流路３２が互いに平行に配置される。図から分かるように、少なくとも２つの入口流路３２が各々の入口流路の片側において互いに隣接するように配置される。これらの入口流路３２の第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路３４が各々の入口流路３２に隣接している。

図示の例では、出口流路３４のうちの２つがその間に入口流路３２を有することなく互いに隣接している。互いに隣接する入口流路３２はその間に出口流路３４を有していない。

図示の例では、流れ場板３０が、流れ場流路を画定する複数のリブを含む。この例では、端部リブ３６が、図示の流れ場板３０の側縁部の近傍にある出口流路３４の片側を画定する。互いに隣接する入口流路３２の間にリブ３８が配置される。互いに隣接する出口流路３４の間にリブ４０が設けられる。入口流路３２と隣接する出口流路３４との間にリブ４２が設けられる。リブ４２は入口流路３２から出口流路３４へと流体を移動させるように周知の方法で配置される。

図２の例における流体の流れを矢印５０で概略的に示す。図からも分かるように、一つの入口流路内の全ての流れが単一の出口流路３４のみに移動する。これは入口流路からの流れが２つの出口流路へと効果的に分流される従来の櫛形流れ場流路配列とは異なる。図２の例では、各入口流路３２は、それぞれに対応する専用の単一の出口流路３４を有していると見ることができる。

図２の配列では、入口流路３２と出口流路３４との間の基体を通して局所的に高い流量が与えられる（例えば、リブ４２により占有される領域に亘って）。一部の例では、従来の配列（例えば、図１）に比べて出口流路３４のガス速度を上昇させるようにさらに高い流量が用いられる。例えば、入口よりも出口のほうが少なく、各出口に複数の入口が対応する場合、ガス速度は速くなる。これにより、例えば固体板システムにおける生成水の送り出しが促進される。

流れ場板３０の横方向を横切るように見た場合の図２の例は、２つの隣接した入口流路３２の後に２つの隣接した出口流路３４が続く繰り返しのパターンを含む。図２の例は流れ場板に設けられる流路の総数を示すものではない。説明の目的上、少なくとも一部の例の流路を示している。こうした繰り返しのパターンは、（例えば、入口流路と出口流路とが互い違いになる図１に示す）従来の配列とは異なる。

この例では、第１の量の流体が入口流路と出口流路との間のリブを横切って移動する。第２の、少量の流体が互いに隣接する入口流路３２の間のリブを横切って移動する。一部の実施例では、隣接する入口流路３２の間のリブを横切る流体の移動はさほど見られないであろう。一部の実施例では、こうしたリブを横切る流体の移動は全くない。

図２の矢印５０によって示される流れパターンでは、隣接する入口流路の間の基体と、隣接する出口流路の間の基体と、を局所的に通る流量が生じないため、流れ場板３０に沿って流れが停滞しうる領域が生じる。図３から分かるように、入口流路３２のうち隣接するもの同士の間のリブ３８に近接して停滞領域５２が概略的に示される。また停滞領域５２は、隣接する出口流路３４の間のリブ４０に沿って近接するように存在する。

一例では、停滞領域５２は、例えば燃料電池アセンブリ内部での水の分配を容易にするようにこれらの領域を通して水分を吸い上げるように用いられる。図３では、流れ場板３０に隣接する親水層６０が、例えば、流れ場板の出口流路３４の出口側から、流れ場板の反対側の、入口ガスが入口流路３２に供給される側へと向かう方向に、水分を輸送するように配置される。周知のように、乾燥空気は燃料電池のカソード側の入口流路から供給される。一般的により多くの湿潤空気を含む出口側から停滞領域５２に沿って入口側へと水分（すなわち生成水）を移動させることは、例えば固体板のドライアウトを防ぐのに有用である。

一例では、親水層６０は停滞領域５２に沿って水分を吸い上げるもしくは輸送するように構成されるガス拡散層である。

上記の記述は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する種々の変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は付記の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。

Claims (17)

1. 燃料電池用の流れ場板であって、
   互いに平行に配置されるとともに、該流れ場板の第１の縁部の近傍で開口し、かつ、前記第１の縁部とは反対側の第２の縁部の近傍で閉塞された、複数の入口流路と、
   互いに平行かつ前記入口流路と互いに平行に配置されるとともに、前記流れ場板の前記第１の縁部の近傍で閉塞され、かつ、前記第２の縁部の近傍で開口した、複数の出口流路と、
   を備え、
   上記流路は、
   少なくとも２つの入口流路が各々の入口流路の第１の側において互いに隣接し、
   これらの入口流路の上記第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路が各々の入口流路に隣接するように、
   配置されており、
   前記入口流路の各々に流入する流体は、前記隣接するただ１つの出口流路のみに流入することを特徴とする流れ場板。
2. 前記出口流路の少なくとも２つが互いに隣接することを特徴とする請求項１に記載の流れ場板。
3. 前記流路のうち少なくとも一部の流路は、
   第１の出口流路が第１の入口流路と隣接し、前記第１の入口流路が第２の入口流路と隣接し、前記第２の入口流路が第２の出口流路と隣接し、前記第２の出口流路が第３の出口流路と隣接し、前記第３の出口流路が第３の入口流路と隣接し、前記第３の入口流路が第４の入口流路と隣接し、前記第４の入口流路が第４の出口流路と隣接する、
   連続的なパターンで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流れ場板。
4. 前記流路の間に少なくとも１つのリブ部を備えるとともに、前記入口流路の各々に流入する第１の量の流体は、対応するリブ部に相当する領域を横切って前記出口流路へと移動し、
   前記互いに隣接した入口流路の間の前記リブ部に相当する領域を横切って流れる第２の少量の流体流が存在することを特徴とする請求項１に記載の流れ場板。
5. 前記互いに隣接した出口流路の間の前記リブ部に相当する領域を横切って流れる流体流は存在しないことを特徴とする請求項４に記載の流れ場板。
6. 前記互いに隣接した入口流路の間の前記リブ部に相当する領域が、水分の輸送に用いられることを特徴とする請求項４に記載の流れ場板。
7. 流れ場板と、親水層と、を備えた燃料電池用アセンブリであって、
   前記流れ場板は、
   互いに平行に配置されるとともに、該流れ場板の第１の縁部の近傍で開口し、かつ、前記第１の縁部とは反対側の第２の縁部の近傍で閉塞された、複数の入口流路と、
   互いに平行かつ前記入口流路と互いに平行に配置されるとともに、前記流れ場板の前記第１の縁部の近傍で閉塞され、かつ、前記第２の縁部の近傍で開口した複数の出口流路と、を備え、前記流路は、少なくとも２つの入口流路が各々の入口流路の第１の側において互いに隣接し、これらの入口流路の前記第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路が各々の入口流路に隣接するように配置され、
   前記親水層は、前記互いに隣接した前記入口流路の間の少なくとも選択された領域において水分を輸送するように配置され、
   前記入口流路の各々に流入する流体は、前記隣接するただ１つの出口流路のみに流入することを特徴とする燃料電池用アセンブリ。
8. 前記流路の間に少なくとも１つのリブ部を備えるとともに、前記入口流路の各々に流入する流体は、前記リブ部のうちの１つに相当する領域を横切って、前記隣接するただ１つの出口流路へと移動し、かつ、
   前記互いに隣接した入口流路の間の前記リブ部に相当する領域を横切って流れる流体流は存在しないことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用アセンブリ。
9. 前記互いに隣接した出口流路の間の前記リブ部に相当する領域を横切って流れる流体流は存在しないことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用アセンブリ。
10. 前記親水層が、前記互いに隣接した入口流路の間の前記リブ部に相当する領域において水分の少なくとも一部を輸送するように配置されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用アセンブリ。
11. 前記親水層が、前記互いに隣接した出口流路の間の前記リブ部に相当する領域において水分の少なくとも一部を輸送するように配置されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用アセンブリ。
12. 前記親水層が、ガス拡散層を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用アセンブリ。
13. 前記出口流路の少なくとも２つが互いに隣接することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池アセンブリ。
14. 前記流路のうち少なくとも一部の流路は、
    第１の出口流路が第１の入口流路と隣接し、前記第１の入口流路が第２の入口流路と隣接し、前記第２の入口流路が第２の出口流路と隣接し、前記第２の出口流路が第３の出口流路と隣接し、前記第３の出口流路が第３の入口流路と隣接し、前記第３の入口流路が第４の入口流路と隣接し、前記第４の入口流路が第４の出口流路と隣接する、
    連続的なパターンで配置されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池アセンブリ。
15. 流れ場板を有する燃料電池の作動方法であって、前記流れ場板が、
    互いに平行に配置されるとともに、該流れ場板の第１の縁部の近傍で開口し、かつ、前記第１の縁部とは反対側の第２の縁部の近傍で閉塞された、複数の入口流路と、
    互いに平行かつ前記入口流路と互いに平行に配置されるとともに、前記流れ場板の前記第１の縁部の近傍で閉塞され、かつ、前記第２の縁部の近傍で開口した、複数の出口流路と、を備え、
    上記流路は、
    少なくとも２つの入口流路が各々の入口流路の第１の側において互いに隣接し、
    これらの入口流路の上記第１の側とは反対側となる第２の側において少なくとも１つの出口流路が各々の入口流路に隣接するように、
    配置されているものにおいて、
    前記複数の入口流路に流体を案内し、
    前記入口流路の各々から、それぞれ、隣接するただ１つの前記出口流路へと前記流体を移動させるステップを備えた、燃料電池の作動方法。
16. 前記流れ場板の近傍で、前記互いに隣接した入口流路の間の領域に沿って水分を案内するステップを備えることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池の作動方法。
17. 前記流れ場板の近傍で、前記互いに隣接した出口流路の間の領域に沿って水分を案内するステップを備えることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池の作動方法。

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