JP6125001B2 - 有効面積を最大化するために選択された寸法を有する燃料電池構成要素 - Google Patents

Description

［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
この発明は、アメリカ合衆国運輸省によって認められた契約番号第ＣＡ−０４−７００３−００号の下で、政府の支持により行われたものである。政府は、この発明における一定の権利を有する。

燃料電池は、電気化学反応に基づいて電気を発生させるために使用される。幅広い構成要素は、燃料電池ユニット内に含まれる。それらの構成要素の多くは一般的に、プレート又はシートの形態で実現される。燃料電池構成要素を製造するための幅広い周知の工程が存在する。

燃料電池を操作することに関連した１つの挑戦は、セルスタックアセンブリ内における適切な流体の流れを維持することである。燃料電池の所望の部分内に流体を維持するとともに、流体が燃料電池の他の部分に漏出することを防止する周知なマニフォールド及びシール配置構成が存在する。流体が燃料電池内に流れる方法は、１つ又は複数の燃料電池構成要素に形成されるチャネルに沿って一般的に方向付けられる。

燃料電池構成要素内にチャネルを提供する一般的なアプローチは、プレート又はシートを形成するステップと、燃料電池内に流体の流れを方向付けるためのチャネルを確立する溝を切断する又は機械加工するステップと、を含む。このアプローチに関連した１つの欠点は、切断工程又は機械加工工程において、かなりの時間がかかることである。そのようなプロセスは、燃料電池構成に関連した費用を増加させる傾向がある。

例示的な燃料電池構成要素は略平坦な本体を含み、前記本体は、前記本体の長さ及び幅によって画定された全面積を有する。全面積の第１の部分は、第１の燃料電池特徴によって占有されており、前記第１の燃料電池特徴は、第１の部分を少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる。全面積の第２の部分は、第２の燃料電池特徴によって占有されており、前記第２の燃料電池特徴は、第２の部分を少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる。全面積の第３の部分は、燃料電池機能にとって有益である燃料電池構成要素の作用面積として考えられる。略平坦な本体の幅に対する長さのアスペクト比は、第１の部分の寸法及び第２の部分の寸法の間の関係に応じている。

燃料電池構成要素を製造する例示的な方法は、燃料電池構成要素の全面積の第１の部分の寸法を決定するステップを含む。第１の部分は、第１の部分を少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる第１の燃料電池特徴によって占有されなければならない。当該方法は前記全面積の第２の部分の寸法を決定するステップを含み、当該第２の部分は、第２の部分を前記少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる第２の燃料電池特徴によって占有されなければならない。燃料電池構成要素の全長及び全幅のための寸法は全幅に対する全長のアスペクト比を確立するために選択され、当該アスペクト比は、第１の部分の寸法及び第２の部分の寸法の間の関係に応じる関係を満たす。

開示された例示の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明から当業者に明らかとなるであろう。詳細な説明に添付する図面は、以下のように、簡単に記載されることができる。

燃料電池の選択した部分を概略的に図示する図である。 例示的な燃料電池構成要素の選択した特徴を概略的に図示する図である。 他の例示的な燃料電池構成要素の選択した特徴を概略的に図示する図である。 図３に示された燃料電池構成要素の反対側の側面の選択した特徴を概略的に図示する図である。 図３からの、例示的な燃料電池構成要素の選択した部分の端面図である。

図１には、燃料電池１０等の電気化学セルの概略的な断面図であり、当該電気化学セルは電気的エネルギーを発生させるのに有効である。例示的な燃料電池１０は、流体移動プレート１２及び１４などの複数の構成要素を含む。一の例示において、流体移動プレート１２は、カソード水移動プレート（cathode water transport plate）として考えられ、流体移動プレート１４はアノード水移動プレート（anode water transport plate）として考えられる。カソード水移動プレート１２及びアノード水移動プレート１４は、薄膜電極アセンブリ１６の両側に位置し、当該薄膜電極アセンブリ１６はイオン交換膜１８、カソード触媒２０及びアノード触媒２２等の電解物を含む。ガス拡散層などの周知である追加の構成要素は含まれる場合があるが、図１には示されていない。

カソード水移動プレート１２は、複数の流体流れチャネル３２を含む。当該複数の流体流れチャネル３２は、互いに連通しており、且つカソード触媒２０に流体連通している。例示的な流体移動プレート１２はまた、この例において冷却剤を運ぶように構成された流体流れチャネル３４を含む。同様に、アノード水移動プレート１４は、複数の流体流れチャネル３６を含む。当該複数の流体流れチャネル３６は、互いに流体連通し、且つアノード触媒２２に流体連通している。冷却剤チャネル３８は、アノード水移動プレート１４に設けられている。一の例示において、チャネル３２は、燃料電池内の空気などの酸化体を方向付けており、チャネル３６は、燃料電池を通過する水素などの燃料を方向付ける。

１つ以上の機能（例えば、反応拡散及び冷却剤供給）を果たす流体移動プレート１２及び１４等の燃料電池構成要素のために、それらの機能のそれぞれと関連した相反する要求が存在する場合があり、それ故に、燃料電池構成要素の一部が燃料電池の一の機能にとって役立つが、他の機能には役立たない場合がある。開示した例示は、その面積を最大化するために、構成要素の寸法のアスペクト比を選択することによって、どのようにして本願発明の実施形態が選択した燃料電池機能のための、燃料電池構成要素の最大面積を提供するかを示す。

図２は、一の例示的な流体移動プレート１４の例示的な構成を図示する。図２は、プレートなどの一の側面を示す。複数のチャネル３６は、プレート１４の一の側面に確立される。全体として、プレート１４は長さＬ及び幅Ｗを有する。それらは、プレート１４の全面積を確立する。図２に示された範囲におけるプレート１４の少なくとも２つの縁部は、プレート１４が組み込まれた燃料電池内でチャネル３６を通じて流体拡散を制御するようにシールされる必要がある。シール領域は参照符号５０で示され、長さＬに沿った寸法を有する。プレート１４の部分５０は、燃料電池構成要素のシール機能に専念されており、それ故に、チャネル３６に沿って流体を拡散するのに利用可能又は有益ではない。言い換えれば、プレート１２の部分５０は、電気化学反応機能のために利用できない。

図３〜図５は、例示的な流体移動プレート１２の例示的な構成を図示する。図３は、例示的な流体移動プレート１２の一の側面を示す。図４は、同一のプレートの他の側面を示す。図５は、例示的なプレート１２の一部の特徴を概略的に示す端面図である。

図３に示されたプレート１２の側面は、燃料電池内の電気化学反応を容易にするように、反応物質拡散のために使用される。例示的な燃料電池機能である電気化学反応は、図３に示されたチャネル３２を介して一の反応物質の拡散を必要としており、図２に示されたチャネル３６を介して他の反応物質の拡散を必要としている。この例示において、チャネル３２は、矢印５４によって概略的に示された反応物質流れを方向付ける。チャネル３２によって占有されるか又はチャネル３２の間で直接的に占有されるかのいずれかであるプレート１２の領域と、チャネル３６によって占有されるか又はチャネル３６の間に直接的に占有されるかのいずれかであるプレート１４の領域との交差部は、電気化学反応の燃料電池機能のために、燃料電池１０の作用面積として考えられる。図２及び図３から理解されることができるように、作用面積は、プレート１４及び１２の長さＬ及び幅Ｗによって確立された全面積を占有しない。チャネル３６の不存在によって不活性を与えるプレート１４の上部及び底部における領域が存在しており、チャネル３２の不存在によって不活性を与えるプレート１２の左側及び右側における領域が存在する。

プレート１２及び１４の全領域の一部は、プレート１２及び１４の作用部分内に反応物質を含むように、プレートの縁部をシールするために必要とされるプレートの部分５０によって占有される。シール部分５０は、図面において参照符号Ｓと表示されたプレートの縁部に沿った寸法を有する。寸法Ｓに部分５０の全長を掛けると、シール部分５０の面積を確立し、それは、電気化学反応の燃料電池機能にとって利用可能ではない。

チャネル３２が図３に示された構成を有する理由の１つは、図４に示されるような、プレート１２の反対の側面における冷却剤拡散チャネル３４がインレット６０及びアウトレット６２を含むからである。チャネル３４は、プレート１２の一の側面に沿った矢印６４によって概略的に示されるように、冷却剤流れを方向付けるように構成される。チャネル３２及び３４がプレート１２の２つの縁部に設けられる方法は、図５から理解されることができる。この例において、プレート１２の対応縁部において、チャネル３２及び３４の間の重複部が存在することができない。マニフォールド（図示せず）は、意図した方法において各流体を方向付ける。チャネル３２及び３４が図５に示された縁部で重複される場合に、流体が混合されてしまう。この混合は、所望されていない。インレット６０及びアウトレット６２の存在は、チャネル３２によって占有されることができないプレート１２（図３から最も良く理解されることができる）の左側及び右側（図面に沿って）に略三角形状領域又は部分を生じさせる。

インレット６０及びアウトレット６２の寸法は、図面において参照符号ｃとして示される。インレット６０及びアウトレット６２の寸法は、電気化学反応機能のために使用されることができない燃料電池プレート１２の一部に寄与する。その代わりに、例示的なプレート１２のそれらの部分は、冷却剤拡散の燃料電池機能に専念される。

一度に１つのチャネルを確立する切断操作又は機械加工操作を使用してチャネル３２が確立される場合に、プレート１２のかなりの領域を占有するように比較的複雑なチャネル幾何学形状又は構成を使用することを可能にするとともに、プレート１２の縁部におけるチャネル３２及び３４の端部の間に分離を有する必要性をなお受け入れる。しかしながら、高速のチャネル形成工程を使用することを可能にすることは、より経済的である。この発明に従って設計された一の例示は、プレート１２における複数のチャネル３２を同時に切断する又は機械加工するための寄せフライス操作を使用することを含む。寄せフライス操作は、プレート１２を製造するのに必要とされる時間を非常に減少させることができ、その燃料電池構成要素に関連した費用を減少させる。

しかしながら、チャネル３４の複雑な幾何学形状又は構成を確立することを可能にしない寄せフライス技術における制限が存在する。従って、図３から認識されることができるように、複数のチャネル３２は比較的直線状の構成（図示した例において、一組の直線状で、且つ平行な複数のチャネル）を有する。

燃料電池１０の面積の量を最大化させることは有益であり、このことは、電気化学反応の燃料電池機能にとって有益である。開示された例示は、全幅Ｗに対する全長Ｌのアスペクト比を選択することによって、燃料電池１０の最大限の作用面積を達成することを含み、そのアスペクト比は、選択した燃料電池機能（例えば、電気化学反応）のために（関係ある燃料電池構成要素で）利用可能である作用面積を最大化させる。

一の例示的なアプローチは、Ｌ＝ｒＷで示されるアスペクト比ｒを使用することを含む。燃料電池構成要素の全面積Ａは、Ａ＝ＬＷ＝ｒＷ^２で記載される。それ故に、全幅Ｗは（Ａ／ｒ）^１／２となる。

作用面積は、（図示された例示に従って）寸法ｓ及びｃを有する部分が取り除かれた後で利用可能である全長Ｌの量に、寸法ｓを有する対応部分が取り除かれた後に残る全幅Ｗの量を掛けることによって画定される。作用面積ａが、式ａ＝（Ｌ−２ｓ−ｃ）（Ｗ−２ｓ）＝（ｒＷ−２ｓ−ｃ）（Ｗ−２ｓ）＝ｒＷ^２−（２ｓｒ＋２ｓ＋ｃ）Ｗ＋２ｓ（２ｓ＋ｃ）によって記載される。

全面積Ａに対する作用面積ａの割合は、Ｕ＝ａ／Ａとして考えられる。作用面積ａによって占有される燃料電池構成要素の割合が式Ｕ＝１＋２ｓ（２ｓ＋ｃ）Ａ^−１−２ｓ（ｒ／Ａ）^１／２−（２ｓ＋ｃ）（Ａｒ）^-１／２によって記載されることができることになる。

作用面積ａを最大化させるために、以下の関係０＝ｄＵ／ｄｒ＝−ｓ（Ａｒ）^−１／２＋（ｓ＋ｃ／２）Ａ^−１／２ｒ^−１．５は、有益である。これは、作用面積を最大化させるように解決されることができる。ａは、ｒ＝１＋Ｃ／（２ｓ）に影響を受けやすく、ここでｒは、全幅Ｗに対する全長Ｌのアスペクト比である。

電気化学反応等の選択した燃料電池機能のために作用面積を最大化させることは、寸法ｃ及び寸法ｓに応じるアスペクト比ｒの関係を満たす燃料電池構成要素の長さＬ及び幅Ｗを選択することを含む。言い換えれば、燃料電池構成要素の全寸法は、幅に対する長さのアスペクト比が、選択した燃料電池機能にとって利用可能ではない全面積の第１の部分の寸法及び選択した燃料電池機能にとって利用可能ではない全面積の第２の部分の寸法に応じるように選択される。この例示において、その関係は、寸法ｓで割った寸法ｃを含む。

上記のように、選択した燃料電池機能にとって有益ではない燃料電池構成要素の部分の寸法の関係に基づいて燃料電池構成要素の全寸法を選択することは、その選択した燃料電池機能にとって作用面積として有益である燃料電池構成要素の面積の量を最大化させる。このアプローチは異なる製造技術を使用するのに可能とされ、これは燃料電池構成要素に関連した費用を減少させることができる。燃料電池構成要素における作用面積の量を最大化させることは、そのような構成要素から利用可能である効果的な性能を妥協することなく、又は当該効果的な性能を減らすことなく、減少した製造費用の利益を実現するために可能とされる。

前述の説明は本質的に、制限というよりむしろ例示である。開示された例示に対する変形及び修正は、この発明の本質から必ずしも逸脱することなく、当業者に明確になることができる。この発明に付与された法律的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を考慮することのみによって決定されることができる。

１０ 燃料電池
１２、１４ 流体移動プレート
１６ 薄膜電極アセンブリ
１８ イオン交換膜
２０ カソード触媒
２２ アノード触媒
３２ 流体流れチャネル
３６ 流体流れチャネル
５０ シール部分
６０ インレット
６２ アウトレット

Claims (6)

1. 燃料電池構成要素であって、
   略平坦な本体の長さ及び幅によって規定された全面積を有する、略平坦な本体と、
   第１の燃料電池特徴によって占有された前記全面積の第１の部分であって、第１の燃料電池特徴が第１の部分を少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる、第１の部分と、
   第２の燃料電池特徴によって占有された前記全面積の第２の部分であって、第２の燃料電池特徴が第２の部分を少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる、第２の部分と、
   前記燃料電池構成要素の作用面積である前記全面積の第３の部分であって、少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用可能である、第３の部分と、
   前記幅に対する前記長さの比であるアスペクト比であって、前記第１の部分の寸法及び前記第２の部分の寸法に応じているアスペクト比と、
   を備え、
   前記アスペクト比は、前記第２の部分の寸法によって割られた前記第１の部分の寸法に応じており、
   前記燃料電池構成要素は、流体移動プレートアセンブリを備え、
   前記第１の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリ内へ又は流体移動プレートアセンブリからの燃料電池冷却剤の流れを方向付けるために構成された前記プレートの一部を備え、
   前記第２の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリの縁部を密封するために構成されたシールアセンブリを備え、
   前記少なくとも１つの燃料電池機能は、電気化学反応を含み、
   燃料電池冷却剤のインレット及びアウトレットがプレートの端縁に形成されるとともに、シール部分がプレート４辺の縁部に沿って形成され、
   前記第１の部分の寸法は、前記インレット及び前記アウトレットの寸法であり、
   前記第２の部分の寸法は、前記プレートの縁部に沿ったシール部分の寸法であり、
   前記アスペクト比は、前記第２の部分の寸法の２倍によって割られた前記第１の部分の寸法に１を加えたものに等しい、燃料電池構成要素。
2. 前記アスペクト比は、前記流体移動プレートアセンブリにおける最大の作用面積として前記第３の部分を提供する、請求項１に記載の燃料電池構成要素。
3. 前記燃料電池構成要素は、流体移動プレートアセンブリを備え、
   前記第１の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリ内へ又は流体移動プレートアセンブリからの燃料電池冷却剤の流れを方向付けるように構成された前記プレートの一部を備え、
   前記第２の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリの縁部を密封するために構成されたシールを備え、
   前記第３の部分は、燃料電池反応物質の流れを方向付けるように構成された複数の重複燃料電池反応物質チャネルを備える、請求項１に記載の燃料電池構成要素。
4. 燃料電池構成要素を製造する方法であって、
   第１の部分を少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる第１の燃料電池特徴によって占有されなければならない燃料電池構成要素の全面積の第１の部分の寸法を決定するステップと、
   第２の部分を前記少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用できなくさせる第２の燃料電池特徴によって占有されなければならない前記全面積の第２の部分の寸法を決定するステップと、
   全幅に対する全長の比であるアスペクト比であって、前記第１の部分の寸法及び前記第２の部分の寸法に応じている関係を満たすアスペクト比を確立するために、前記燃料電池構成要素の全長及び全幅のための寸法を選択するステップと、
   を備え、
   前記アスペクト比は、前記第２の部分の寸法によって割られた前記第１の部分の寸法に応じている関係を満たし、
   前記燃料電池構成要素は、流体移動プレートアセンブリを備え、
   前記第１の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリ内へ又は流体移動プレートアセンブリからの燃料電池冷却剤の流れを方向付けるために構成された前記プレートの一部を備え、
   前記第２の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリの縁部を密封するために構成されたシールを備え、
   前記少なくとも１つの燃料電池特徴は、電気化学反応が生じ得るように燃料電池反応物質の流れを方向付けるステップをさらに備え、
   前記少なくとも１つの燃料電池機能は、電気化学反応を含み、
   燃料電池冷却剤のインレット及びアウトレットがプレートの端縁に形成されるとともに、シール部分がプレート４辺の縁部に沿って形成され、
   前記第１の部分の寸法は、前記インレット及び前記アウトレットの寸法であり、
   前記第２の部分の寸法は、前記プレートの縁部に沿ったシール部分の寸法であり、
   前記アスペクト比は、前記第２の部分の寸法の２倍によって割られた前記第１の部分の寸法に１を加えたものに等しい、方法。
5. 前記少なくとも１つの燃料電池機能にとって使用可能である前記燃料電池構成の作用面積を最大化させるように、前記全幅及び前記全長を選択するステップを備える、請求項４に記載の方法。
6. 前記燃料電池構成は、流体移動プレートアセンブリを備え、
   前記第１の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリ内へ又は流体移動プレートアセンブリからの燃料電池冷却剤の流れを方向付けるために構成された前記プレートの一部を備え、
   前記第２の燃料電池特徴は、前記流体移動プレートアセンブリの縁部を密封するために構成されたシールを備え、
   前記少なくとも１つの燃料電池機能は、電気化学反応が生じ得るように燃料電池反応物質の流れを方向付けるステップをさらに備える、請求項４に記載の方法。

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