JP5563721B2 - 端方向転換部を有する中実の流れ場プレート - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の流れ場プレートに関する。

燃料電池は、燃料および酸化剤などの反応物の間の既知の電気化学的反応によって発電を行うために、アノード触媒と、カソード触媒と、アノード触媒とカソード触媒との間に設けられた電解質と、を典型的に含む。燃料電池は、反応物を対応する触媒に導くチャネルを有する流れ場プレートを含みうる。従来の燃料電池は、反応ガスと冷却液をチャネルに運ぶとともに排出ガスと冷却液をチャネルから受け取るために、入口マニホルドおよび出口マニホルドを使用する。流れ場プレートは矩形であることが多く、入口マニホルドおよび出口マニホルドは、互いに対して反対側のプレート端部に配置することができる。

流れ場プレートは、反応物が流れ場を少なくとも複数回通過するように、第１のチャネルセットを通って流れ場の一方側から他方側に移動し、方向転換して他のチャネルセットを通って流れ場を横切って流れて戻ることを繰り返すように設計されることが多い。

マルチパス設計に関連する課題の１つは、プレス加工することができる構成によって高性能の燃料電池を得ることである。中実のプレートのマルチパス流れ場設計は、複数の突出部からなるエンボス特徴部を端方向転換部に用いうる。このような設計の課題は、良好な電気接触およびチャネルへの流体分布を要する電池性能の維持である。これらの必要条件を満たすことができない場合には、流れの方向転換領域で性能が悪くなり、電池の全体的な性能が低下する。

燃料電池で使用される例示的な流れ場プレートアセンブリは、非多孔質のプレート本体を含み、この非多孔質のプレート本体は、該非多孔質のプレート本体の第１の端部と第２の端部の間に延在する流れ場を有する。流れ場は、チャネル入口とチャネル出口と、流体入口部分と、流体出口部分と、を有し、場合によっては流体方向転換部を有する複数の流体流れチャネルを含む。

流れ場は、流れ場プレートの動作を改善するために、入口部分、出口部分または方向転換部に、多孔質媒質または多孔質媒質とエンボス特徴部の組合せを含む領域であるエンボス特徴領域を含みうる。流れ場プレートアセンブリは、少なくとも２つの要素を含む。第１の要素は、流れチャネルを含み、エンボス特徴領域を含みうる非多孔質のプレート本体である。この要素は、典型的に、金属ブランクからプレス加工された製造部品である。第２の要素は、以下でより詳細に説明するように、非多孔質のプレート本体のプラットフォームに挿入される多孔質媒質要素である。

最終製品は、過度の圧力降下なく、流体流れ分布を維持する流れ場プレートアセンブリである。

例示的な燃料電池の説明図である。 エンボス特徴領域を含む端方向転換部を備える中実プレートの流れ場の部分概略正面図である。 端方向転換部で使用される突出部の拡大透視図である。 端方向転換部に多孔質媒質が配置された図２の中実プレートの流れ場の概略正面図である。 端部に多孔質媒質を有するワンパスの中実プレートの流れ場の説明図である。 端方向転換部にスリットを有する多孔質媒質の概略正面図である。 端方向転換部に多孔質媒質とエンボス特徴領域との組合せを含む中実プレートの流れ場の概略正面図である。

図１は、例えば、水素と空気である反応物の既知の電気化学的反応による発電のための例示的な燃料電池アセンブリの部分を概略的に示している。開示された燃料電池アセンブリ１０の構成は、単に一例であり、本明細書に開示した概念は他の燃料電池装置および応用例に適用可能である。

例示的な燃料電池アセンブリ１０は、燃料電池アセンブリ１０を構成するように適切な方法で積み重ね可能な１つまたは複数の燃料電池１２を含む。各々の燃料電池１２は、膜電極アセンブリ１４と、膜電極アセンブリ１４に反応物（例えば、空気と水素）を運ぶ流れ場プレート１６ａ，１６ｂと、を含む。流れ場プレート１６ａは、流れ場３２において空気を運ぶ空気プレートということができ、流れ場プレート１６ｂは、流れ場３２において水素を運ぶ燃料プレートということができる。流れ場プレート１６ａ、流れ場プレート１６ｂ、またはこれらの両方は、燃料電池アセンブリ１０の所望の動作温度を維持し、かつ膜電極アセンブリ１４を所望の温度範囲に保つことで間接的に反応ガスを水和するために（冷却液チャネル３４内で）冷却液を循環させてもよい。反応物の流れ場３２は、膜電極アセンブリ１４に面する。冷却液流れチャネル３４は、冷却液と膜電極アセンブリ１４との間における物質の連通を許さない。

膜電極アセンブリ１４は、カソード触媒２０ａとアノード触媒２０ｂとの間に電解質１８を含む。反応ガスの分布を容易にするために、それぞれの流れ場プレート１６ａ，１６ｂと膜電極アセンブリ１４の間にガス拡散層２２を使用してもよい。

流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、実質的に同様のものとすることができる。よって、流れ場プレート１６ａを参照して開示された例は、流れ場プレート１６ｂにも当てはまる。他の例では、流れ場プレート１６ｂは、流れ場プレート１６ａとは異なるものでも同じ特徴部をいくつか含むものでもよい。流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、本明細書では区別なく使用できる。

流れ場プレート１６ａは、非多孔質（ｎｏｎ−ｐｏｒｏｕｓ）のプレート本体３０を含む。非多孔質とは、本体が中実で水や他の液体を収容または運ぶために多孔質のプレートのような孔がないことを意味する。よって、非多孔質のプレート本体３０は、流体に対する遮断物であり、流体は流れ場プレート１６ａの一方側から他方側に移動することはなく、すなわち流れ場３２，３４の間で移動しない。

非多孔質のプレート本体３０は、例えば、反応ガスチャネル３２と冷却液チャネル３４を含む。反応ガスチャネル３２は、燃料電池１２の膜電極アセンブリ１４の方向に面する流れ場プレート１６ａの側に位置し、冷却チャネル３４は、流れ場プレート１６ａの反対側に位置する。

流れ場プレート１６ａは、反応ガスチャネル３２および冷却液チャネル３４を提供する所望の形状にプレス加工または他の方法で形成することができる。一例では、流れ場プレート１６ａの一方の面の凸の特徴部は、他方の面では凹の特徴部であり、逆も同様である。プレス加工により、例えば、機械加工の必要性が減少し、流れ場プレート１６ａを比較的低コストで形成することが可能となる。流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、ステンレス鋼または他の適切な合金や材料などの適切な中実材料から形成可能である。

図２は、必ずしも正確な縮尺を概略的に示すものではなく、流れ場プレート１６ａの一方の面を示している。他方の面は、図示された面とは反対の凹凸を有しうる。流れ場４０は、流体を受け入れる入口４２と流体を排出する出口４４を有する流体流路を提供するチャネル３２を含む。流れ場プレート１６ａは、入口４２と出口４４を含む非多孔質のプレート本体３０の第１および第２の反対側の終端部４６，４８の間に延在する。本明細書では、“流れ場”という用語は、空気、燃料または冷却液を運ぶためのいずれかのまたは全てのチャネル３２，３４および空気、燃料または冷却液を運ぶチャネル３２，３４とマニホルド（図示省略）の間の他のあらゆる領域を意味する。図２，図４Ａに示す例では、一度のパス（ｐａｓｓ）につき複数のチャネル３２がある。プレート設計は、図示のマルチパスを含んでもよく、方向転換部がないワンパス（図４Ｂ参照）または流れ場の出口と入口が同じ終端部にある単一の方向転換部を含んでもよい。

流れ場４０は、１つまたは複数の端方向転換部５０によって流体的に連通したチャネル３２を含む。例では、端方向転換部５０は、プレートの終端部４６，４８に隣接して配置される。例では、チャネル３２は、方向Ｄ１で互いに対して概ね平行であり、端方向転換部５０は、方向Ｄ２でチャネル３２を横切るように、例えば、チャネル３２に垂直に配置される。異なるパスのチャネル３２は、チャネル３２の底面３８ａから外向きに延在する仕切り３６ａによって分離可能である。端方向転換部５０は、１つの仕切り３６ａの終端部５４と、隣接するパスの他の仕切り３６ａの側壁５６と、に隣接している。仕切り３６ａは、チャネル３２を分離する通常のリブと同様または異なる幅とすることができる。対応する底面３８ｂおよび仕切り３６ｂが、プレート１６ａの反対側にも設けられている。

図２に示す一例では、端方向転換部５０は、底面３８ａから離れるように上向きに、概ね仕切り３６ａと同じ方向に延在するエンボス特徴領域５２を含む。エンボス特徴領域における特徴部は、図３に一段高いディンプル５８としてより詳細に示されており、プレート１６ａと、一体型の電極アセンブリをなすガス拡散層および／または電極アセンブリと、の電気接触面積を減少させる。これにより、端方向転換部５０の領域における燃料電池の電気抵抗が増加する。

図４Ａを参照すると、流れ場４０の流体流路に多孔質媒質６０が配置されている。図４Ａでは、図２のエンボス特徴領域に設置された多孔質媒質６０が示されている。多孔質媒質の特性により、所望のガス流れの通過が可能になる一方で、多孔質媒質６０を通してチャネル３２の間において許容される圧力降下が維持される。これは、典型的には、例えば７０％以上の多孔率を有する多孔質媒質によって達成される。孔の平均的な直径は、例えば、３０μｍ以上である。多孔質媒質は、良好な電池性能を維持するように、導電性および熱伝導性を有する。例では、多孔質媒質６０は、電気接触を向上させるように端方向転換部５０に配置されており、端方向転換部５０における電気接触は流れ場の内部と同等になる。所望であれば、エンボス特徴領域５２をなくすこともできる。多孔質媒質６０は、例えば、カーボン紙であり、一例では東レが製造するカーボン紙である。

図４Ｂを参照すると、多孔質媒質１６０が、チャネル入口およびチャネル出口に対応する終端部１４６，１４８のそれぞれの領域に配置されたワンパス構成が示されている。

多孔質媒質２６０は、図５に示すように、多孔質媒質２６０によって生じる圧力降下を減少させるとともに流れ分布を改善するために少なくとも１つのスロット６２を含みうる。例では、複数のスロット６２が、例えば、チャネル３２の方向Ｄ１に垂直な方向Ｄ２でチャネル３２を横切るように配置されている。

図６を参照すると、多孔質媒質３６０とエンボス特徴領域２５２の組合せを含む領域が、流れ場４０の流体流路に設けられている。図示の組合せは、それぞれの部分が約５０％の比率を有する。これは、有利な流れ分布を提供する一方で許容される圧力降下を維持すると考えられる１つの比率である。しかし、エンボス特徴領域２５２とチャネル２３２との間の多孔質媒質の特定の構成の必要に応じて他の比率を使用することもできる。

例示的な１つの組立方法では、燃料電池プレート１６ａは、流れ場４０を提供するように、例えば非多孔質である本体にチャネル３２を形成することによって製造される。多孔質媒質が、例えば、端方向転換部において流れ場に挿入される。

例示的な実施例を開示したが、当業者であれば、特定の改良も請求項の範囲内に含まれることがわかるであろう。このため、真の範囲および内容を判断するためには、以下の請求項の検討が必要である。

Claims (18)

1. 燃料電池で使用される流れ場プレートアセンブリであって、
   非多孔質のプレート本体を有し、この非多孔質のプレート本体は、該非多孔質のプレート本体の第１の端部と第２の端部の間に延在する流れ場を備え、この流れ場は、チャネル入口と、チャネル出口と、第１の方向に流体が流れる第１の流体流れチャネルと、第２の方向に流体が流れる第２の流体流れチャネルと、第１および第２の流体流れチャネルを流体的に連通させる端部流体方向転換部と、を有する複数の流体流れチャネルを含み、端部流体方向転換部は、突出部を含むエンボス特徴領域と多孔質媒質を含む多孔質媒質領域を有することを特徴とする流れ場プレートアセンブリ。
2. 流体流れチャネルは、互いに概ね平行であり、端部流体方向転換部は流体流れチャネルを横切るように配置されていることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
3. 端部流体方向転換部は、非多孔質の本体の終端部に隣接していることを特徴とする請求項２記載の流れ場プレートアセンブリ。
4. 流体流れチャネルは、該チャネルの底面から外向きに延在する仕切りによって分離されており、前記突出部は、該仕切りと概ね同じ方向で外向きに延在していることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
5. 少なくとも２つの仕切りによって第１の流体流れチャネルと第２の流体流れチャネルが画成されており、端部流体方向転換部は、一方の仕切りの終端部と他方の仕切りの側壁に隣接していることを特徴とする請求項４記載の流れ場プレートアセンブリ。
6. 多孔質媒質は、少なくとも７０％の多孔率と、少なくとも３０μｍの孔平均直径と、を有することを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
7. 多孔質媒質は、カーボン紙であることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
8. 多孔質媒質は、前記チャネルを横切るように設けられた少なくとも１つのスロットを含むことを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
9. 非多孔質の本体は、金属製であることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
10. 電極アセンブリを有し、流れ場が電極アセンブリに面していることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
11. 端部流体方向転換部は、５０％が多孔質媒質を含み、５０％が突出部を含むことを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
12. チャネル入口とチャネル出口は、突出部を含むエンボス特徴領域と多孔質媒質を含む多孔質媒質領域を有する端部流体方向転換部をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１記載の流れ場プレートアセンブリ。
13. チャネル入口と、チャネル出口と、第１の方向に流体が流れる第１の流体流れチャネルと、第２の方向に流体が流れる第２の流体流れチャネルと、第１および第２の流体流れチャネルを流体的に連通させる端部流体方向転換部と、を有する複数の流体流れチャネルを含む流体流路を提供する流れ場を有する面を含む非多孔質の本体と、
    端部流体方向転換部に配置された多孔質媒質と、を有し、
    多孔質媒質は、少なくとも７０％の多孔率と、少なくとも３０μｍの孔平均直径と、を有することを特徴とする燃料電池で使用可能な流れ場プレート。
14. 流れ場は、非多孔質の本体の第１の端部と第２の端部との間に延在していることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池で使用可能な流れ場プレート。
15. 流れ場は、非多孔質の本体の第１の端部と第２の端部の間に延在するとともに、第１の端部におけるチャネル入口から第２の端部におけるチャネル出口まで延在する複数の平行な流体流れチャネルによって提供されていることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池で使用可能な流れ場プレート。
16. チャネル入口と、チャネル出口と、第１の方向に流体が流れる第１の流体流れチャネルと、第２の方向に流体が流れる第２の流体流れチャネルと、第１および第２の流体流れチャネルを流体的に連通させる端部流体方向転換部と、を有する複数の流体流れチャネルを含む流れ場を提供するように本体にチャネルを形成し、
    端部流体方向転換部に多孔質媒質を挿入することを含み、
    多孔質媒質は、少なくとも７０％の多孔率と、少なくとも３０μｍの孔平均直径と、を有することを特徴とする燃料電池プレートの製造方法。
17. チャネルの形成は、非多孔質の本体にチャネルを設けることを含むことを特徴とする請求項１６記載の燃料電池プレートの製造方法。
18. チャネルの形成は、金属製の本体にチャネルをプレス加工することを含むことを特徴とする請求項１７記載の燃料電池プレートの製造方法。

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