JP6029762B2 - チャネル部分の数が変化する蛇行流れ場 - Google Patents

Description

本開示の主題は一般に、流れ場を備える構成要素に関する。より詳細には本開示の主題は流れ場の構成に関する。

本発明は米国運輸省と結ばれた契約第ＣＡ−０４−７００３−００号による政府支援のもとでなされた。従って米国政府は本発明に一定の権利を有する。

燃料電池は電気を生成するのに有用である。燃料電池は水素および酸素などの反応物の間の電気化学反応を促進する。反応物または冷却材の分配プレートは、電池スタックアッセンブリ内で反応物または冷却材を導く複数のチャネルを有する流れ場を備える。さまざまな流れ場の構成が提案されてきた。例えば、蛇行流れ場は、反応物または冷却材の流体を反対方向に導く互いに隣接した流れチャネルの部分を備える。蛇行流れ場の構成の特徴の１つは、それらの構成が、流れ経路に沿ってより乾燥する可能性のある領域の加湿を可能とすることである。流体分配プレート用の蛇行流れ場を実現することに付随する課題の１つは、プレート上の空間が限られており、特に所望の数の流れ経路が増加する場合は、特別な設計上の問題を考慮しなければならないことである。

例示的な流れ場は、複数の流れチャネル部分を備える。流体を流れ場に導入するように構成されたｎ個の入口部分が存在する。複数の第１の経路部分が、第１の方向に流体流れを導く。複数の第２の経路部分が、第１の方向と略平行でかつ反対の第２の方向に流体流れを導く。複数の第３の経路部分が、第１の方向に流体流れを導く。ｎ個の出口部分が流れ場から流体を排出するように構成される。ｎは整数であり、複数の経路部分のうちの少なくとも１つの経路部分内の部分の数は、ｎの非整数倍の数である。

開示された例示的な実施例のさまざまな特徴および利点は、当業者には以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明可能である。

本発明の実施例に従って設計された例示的な燃料電池構成要素を概略的に示す図。 別の例示的な実施例を概略的に示す図。 別の例示的な実施例を概略的に示す図。 別の例示的な実施例を概略的に示す図。 図１〜図４の実施例のいずれかの対称性の特徴を概略的に示す図。

開示された実施例の流れ場は、数ｎ個の入口部分および出口部分を有する。流れ場は、入口部分と出口部分の間にｎの非整数倍の数のチャネル部分を備える。開示された流れ場の構成は、さまざまな状況でかなり有用である。燃料電池は、反応物および冷却材などの流体を分配する流れ場を必要とする。フローバッテリーなどの他の装置は、流れ場を備えており、開示された実施例は、そのような装置で有用となり得る。流れ場を備える燃料電池構成要素を以下の説明で議論を目的として検討する。

図１は、燃料電池構成要素２０を概略的に示す。この実施例では、燃料電池構成要素２０は、反応物分配プレートである。

流れ場２２は、燃料電池内で流体を導く複数のチャネルを備える。この図示の実施例では、流れ場２２は、燃料電池内で流体流れを導くように構成される。この実施例は、燃料電池内で加湿しかつ熱を散逸させるように冷却材の流れを導くのに有用である。

実施例の流れ場２２は、複数の入口部分２４を備える。この実施例は、５個の入口部分２４を備える。入口部分２４は、複数の第１の経路部分２６の方への方向に（例えば、図面に従って上方に）冷却材などの流体を流れ場２２に導入するように構成される。

図示の実施例は、８個の第１の経路部分２６を備えており、第１の経路部分２６は、入口部分２４から第１の経路部分２６内への流体流れ用に入口部分２４と接続される。第１の経路部分２６は、プレート２０の一部に沿って第１の方向に流体流れを導くように流れ場２２内に配置される。図面では、第１の方向は、略水平でかつ左から右である。流体流れの第１の方向は、複数の第２の経路部分２８の方へ流体を導くように意図している。

図示の実施例では、第１の経路部分２６から第２の経路部分２８内への流体移動用に第１の経路部分２６と接続された９個の第２の経路部分２８が存在する。第２の経路部分２８は、プレート２０の別の部分に沿って第１の方向と略平行でかつ反対の第２の方向に流体流れを導く。第２の経路部分２８は、第２の方向に沿って第３の経路部分３０の方へ流体流れを導く。

図示の実施例は、８個の第３の経路部分３０を備えており、第３の経路部分３０は、第２の経路部分２８から第３の経路部分３０内への流体流れ用に第２の経路部分２８と接続される。第３の経路部分３０は、図示の実施例では（例えば、図面では左から右へ）第１の方向と同じ第３の方向に流体流れを導く。第３の経路部分３０は、出口部分３２の方へ流体流れを導く。

図示の実施例は、５個の出口部分３２を備える。出口部分３２は、流れ場２２から流体を排出するように構成される。

図面から理解できるように、流れ場２２は、入口部分２４に流入し、第１の経路部分２６に沿い、第２の経路部分２８に沿い、次いで第３の経路部分３０に沿い、最後に出口部分３２に沿って移動する流体の概略的な流れを有する。

図示の実施例では、等しい数の入口部分２４および出口部分３２が存在する。複数の経路部分のうちの少なくとも１つの経路部分内の経路部分の数は、入口部分の数の非整数倍の数である。すなわち、ｎ個の入口部分および出口部分が存在する場合、複数の経路部分のうちの少なくとも１つの経路部分は、ｎの非整数倍の数である数の部分を含む。図１の実施例では、２ｎ−２個の第１の経路部分および２ｎ−２個の第３の経路部分が存在する。図１の実施例では、２ｎ−１個の第２の経路部分が存在する。異なる数の経路部分を提供しかつ入口部分および出口部分の数の非整数倍の数を利用することで、反応物または冷却材の分配プレートなどの燃料電池構成要素上で利用可能な限られた空間内でより多数の入口部分および出口部分を収容することができる。

異なる複数の数でさまざまな数の経路部分を有することができる。ｎ個の入口部分およびｎ個の出口部分が存在する場合、２ｎ−ａ個の第１の経路部分、２ｎ−ｂ個の第２の経路部分、および２ｎ−ｃ個の第３の経路部分が存在する。図１の実施例では、ａとｃは等しい。図１の実施例では、ａとｃは２に等しく、ｂは１に等しい。この説明を考慮すれば、当業者は、彼らの特定の状況の必要に適合するであろうａ、ｂまたはｃに対する他の可能な値を実現するであろう。

異なる数の経路部分と、ｎの非整数倍の数の経路部分の組み込みとを考慮すると、流れ場２２の流れ経路の少なくともいくつかに沿った分裂部が存在し、流れ経路の少なくともいくつかに沿った融合部が存在する。図１の実施例では、入口部分２４−２で開始する流れ経路は、４０において分裂部を備えており、それによって、入口部分２４−２は、入口部分２４−２から第１の経路部分２６−２、２６−３のそれぞれへの流体移動用に第１の経路部分２６−２、２６−３のそれぞれと接続される。図１の実施例では、入口部分２４−３が第１の経路部分２６−４、２６−５のそれぞれと接続される場所に同様の分裂部が存在する。入口部分２４−４が第１の経路部分２６−６、２６−７のそれぞれと流体連通するように接続される場所に入口部分２４−４で開始する流れ経路に沿って同様の分裂部が存在する。

図１の実施例では、入口部分２４−１で開始する流れ経路は、分裂部を備えていない。入口部分２４−５で開始する流れ経路は、第１の経路部分２６−８が第２の経路部分２８−８、２８−９内への流体流れを可能とするように第２の経路部分２８−８、２８−９のそれぞれと接続される場所で、第１の経路部分２６−８の終端部の近くの４２において分裂部を備えている。

図１の実施例は、第２の経路部分２８−１、２８−２のそれぞれが第３の経路部分３０−１と流体連通するように接続される場所で、４４において融合部を備えている。第３の経路部分３０−６、３０−７のそれぞれが出口部分３２−４内への流体流れを可能とするように出口部分３２−４と接続される場所で、４６において別の融合部が示される。図１の実施例では、図面から理解できるように、出口部分３２−１、３２−５はそれぞれ、第３の経路部分の単一の経路部分と流体連通するように接続される。

図１の実施例では、流れ場２２の各流れ経路は、少なくとも１つの分裂部または少なくとも１つの融合部を備える。流れ経路の大部分は、分裂部および融合部を備えている。分裂部および融合部は、異なる数の経路部分と、入口部分２４の数ｎの非整数倍の数とを使用することを促進する。入口部分２４の数ｎの非整数倍の数である数の経路部分を使用することで、より広範な数の入口部分２４を使用することが可能となりながら、流体分配プレートなどの燃料電池構成要素上で利用可能な限られた領域内で蛇行流れ場を実現することが依然として可能となる。反応物および冷却材の分配プレートの流れ場は一般に、首尾一貫したチャネルピッチを必要とし、ある所望の数の入口部分に対して、その数の整数倍の数を、燃料電池構成要素の大きさの制約内で蛇行構成に適合させることはできない。変化する数の経路部分と、非整数倍の数の係数の使用とを含む図示の実施例によって、蛇行流れ場構成を確立する複数の経路部分内へ供給する、より大きな数の入口部分を収容することができる。

図２は別の例示的な実施例を示す。この実施例では、入口部分２４、出口部分３２、第１の経路部分２６、第２の経路部分２８、および第３の経路部分３０の数はそれぞれ、第１の実施例に含まれる数に等しい。図１と図２の実施例の違いの１つは、図１の実施例の分裂部４２が図２の実施例には含まれていないことである。その代わりに、第１の経路部分２６−１が第２の経路部分２８−１、２８−２のそれぞれと流体連通するように接続される場所に、５０における分裂部が含まれる。図１の実施例の融合部４４の代わりに、図２の実施例は、第１の経路部分２８−８、２８−９のそれぞれが第３の経路部分３０−８と流体連通するように接続される場所で、５２において融合部を備える。他の点では、図２の実施例は、図１の特徴の多くを含む。

図３は、別の例示的な実施例を示す。この実施例では、少なくとも１つの流れ経路は、分裂部も融合部も備えていない。入口部分２４−３、第１の経路部分２６−４、第２の経路部分２８−５、第３の経路部分３０−５、およびで出口部分３２−３を備える流れ経路は、任意の他の流れ経路部分と分裂も融合もしない直通の不断の流れ経路である。図３の実施例における分裂部５０および融合部５２の構成は、図２の実施例のものと同様である。他の入口部分（入口部分２４−３を除く）の終端部の近くの分裂部は、図２のものと同様である。

図４は、別の実施例の構成を概略的に示す。この実施例も、分裂部も融合部も備えていない少なくとも１つの流れ経路を備える。入口部分２４−３、第１の経路部分２６−５、第２の経路部分２８−５、第３の経路部分３０−４、および出口部分３２−３によって確立された流れ経路は、経路全体に沿って分裂部も融合部も有していない。この意味で、図４の実施例は、図３の実施例と同様である。図４の実施例における分裂部および融合部の構成は、他の実施例に比較すると異なっている。４２、４４における分裂部が、図１の実施例の分裂部４２、４４と同様に、図４の実施例に含まれる。図４の実施例は、入口部分２４−１が第１の経路部分２６−１、２６−２と流体連通するように接続される場所に分裂部６０を備える。融合部６２が、出口部分３２−５との第３の経路部分３０−７、３０−８の間の流体連通用の接続を確立する。

図１〜図４の実施例のそれぞれは、回転対称性を有する。図５は、構成要素２０の中心で交差する基準線７０、７２を概略的に示す。図１〜図４の実施例のそれぞれの流れ場構成は、１８０°回転するとき、基準線７０、７２の交差点に沿った軸周りに対称である。回転対称性を実現することで、製造上の節約が促進される。

図示の実施例のチャネルの分裂部の大部分は、入口部分と２つの第１の経路部分との間の接続部にある。融合部の大部分は、２つの第３の経路部分３０と出口部分３２との間の接続部にある。入口部分と第１の経路部分との間の接続部において分裂部を備える各流れ経路に対して、対応する第３の経路部分と出口部分との間の接続部における融合部を備える相補的な流れ経路が存在するように、分裂部および融合部を備えることによって、回転対称性が維持されるとともに、流れの不均衡配分が最小限に抑えられる。流れ場を１８０°回転させると、各流れ経路は、相補的な流れ経路と位置および構成を交換する。それ自体に相補的な１つの流れ経路が存在し得る。さらに、２つの第１の経路部分２６に分裂する各入口部分２４に対して、融合しかつ２つの第１の経路部分２６に相補的な２つの第３の経路部分３０と流体連通する相補的な出口部分３２が存在する。いずれの場合も、流れ経路は、複数の分裂部も複数の融合部も備えていない。

図１および図２の実施例では、内部の分裂部および融合部は、流れ経路が分裂する流れ経路とは異なる流れ経路と再接続される流れ経路を含む。これらの実施例では、入口部分２４のうちの１つは、分裂部を含まず、出口部分３２のうちの１つは、融合部を含まない。図１および図２の実施例では、各流れ経路は、少なくとも１つの分裂部または少なくとも１つの融合部を備える。図３および図４の実施例では、上述したように、分裂部も融合部もない少なくとも１つの流れ経路が存在する。

上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本発明の本質から必ずしも逸脱しない開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。本発明に与えられる法的保護範囲は、以下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得る。

Claims (16)

1. 複数の流れチャネル部分を備える流れ場であって、複数の流れチャネル部分は、
   流体を第１の方向と垂直な方向から流れ場に導入するように構成されたｎ個の入口部分と、
   第１の方向に流体流れを導く複数の第１の経路部分と、
   第１の方向と略平行でかつ反対の第２の方向に流体流れを導く複数の第２の経路部分と、
   第１の方向に流体流れを導く複数の第３の経路部分と、
   流れ場から第１の方向と垂直な方向に流体を排出するように構成されたｎ個の出口部分と、
   を備えており、ｎは整数であり、複数の経路部分のうちの少なくとも１つの経路部分内の経路部分の数は、ｎより大きいｎの非整数倍の数であることを特徴とする流れ場。
2. 流れ場に沿った流体流れは、入口部分を通って第１の経路部分の方へ移動し、第１の経路部分を通って第２の経路部分の方へ移動し、第２の経路部分を通って第３の経路部分の方へ移動し、そして第３の経路部分を通って出口部分の方へ移動することを特徴とする請求項１記載の流れ場。
3. 複数の経路部分のうちの少なくとも１つの経路部分内の経路部分の数は、２ｎ−ｙであり、
   ｙは、非ゼロの整数であることを特徴とする請求項１記載の流れ場。
4. ｙは、１または２に等しいことを特徴とする請求項３記載の流れ場。
5. それぞれの複数の経路部分内の経路部分の数は、ｎの非整数倍の数であることを特徴とする請求項１記載の流れ場。
6. ２ｎ−ａ個の第１の経路部分が存在し、
   ２ｎ−ｂ個の第２の経路部分が存在し、
   ２ｎ−ｃ個の第３の経路部分が存在することを特徴とする請求項５記載の流れ場。
7. ａは、ｃに等しいが、ｂには等しくないことを特徴とする請求項６記載の流れ場。
8. ａは、２であり、
   ｃは、２であり、
   ｂは、１であることを特徴とする請求項７記載の流れ場。
9. 少なくともいくつかの入口部分はそれぞれ、複数の第１の経路部分と流体連通するように接続され、
   少なくともいくつかの出口部分はそれぞれ、複数の第３の経路部分と流体連通するように接続され、
   少なくとも１つの入口部分は、１つの第１の経路部分のみと流体連通するように接続され、
   少なくとも１つの出口部分は、１つの第３の経路部分のみと流体連通するように接続されることを特徴とする請求項１記載の流れ場。
10. 少なくとも１つの流れ場チャネルは、１つの入口部分であって、この１つの入口部分のみと流体連通するように接続された１つの第１の経路部分のみと流体連通するように接続された１つの入口部分と、この１つの第１の経路部分のみと流体連通するように接続された１つの第２の経路部分と、この１つの第２の経路部分のみと流体連通するように接続された１つの第３の経路部分と、１つの出口部分と、を備えることを特徴とする請求項９記載の流れ場。
11. 流れ場は、反応物または冷却材の分配プレートを備えており、流れ場チャネルは、分配プレートの少なくとも１つの面に確立されることを特徴とする請求項１記載の流れ場。
12. 流れ場は、流れ場がプレートの中心における基準に関して同じ構成を有するように、プレート上で回転対称であることを特徴とする請求項１１記載の流れ場。
13. 流れ場は、複数の流れ経路であって、各流れ経路が、少なくとも１つの入口部分と、少なくとも１つの第１の経路部分と、少なくとも１つの第２の経路部分と、少なくとも１つの第３の経路部分と、少なくとも１つの出口部分と、を備える、複数の流れ経路を備え、
    少なくともいくつかの流れ経路は、１つの部分の分裂部であって、この１つの部分と流体連通するように接続された隣接する上流の複数の部分への分裂部を備え、
    少なくともいくつかの流れ経路は、２つの部分の融合部であって、この２つの部分と流体連通するように接続された隣接する上流の部分への融合部を備えることを特徴とする請求項１記載の流れ場。
14. 少なくとも１つの流れ経路は、分裂部を備えていないことを特徴とする請求項１３記載の流れ場。
15. 少なくとも１つの流れ経路は、融合部を備えていないことを特徴とする請求項１３記載の流れ場。
16. 少なくとも１つの流れ経路は、分裂部も備えていず、融合部も備えていないことを特徴とする請求項１３記載の流れ場。

Images