(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池においてセパレータプレートから空気流に熱を伝達する方法の提供。【解決手段】一連の空気流チャネル１１２，１１３を形成することを備え、各チャネルが、セパレータプレート内の第１の縁部１１０から第２の縁部１１１に向かう方向に延在し、各チャネルが、チャネルの長さに沿った地点で、空気流断面を画定する断面プロファイルを有し、チャネルのうちの少なくとも１つが、チャネルの断面の中へ延在する複数の構造を有するように構成され、チャネルの断面の中へ延在する構造が、チャネルの長手方向に延在する、層状空気流冷却を攪乱する熱境界を攪乱するように構成されるフィンであり、前記方法はさらに、フィンを含むチャネルにおいて層状空気流を与え、熱境界層を攪乱することを備える、方法。【選択図】図１
2020092092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空冷式燃料電池のセパレータプレートであって、
一連の空気流チャネルを備え、各チャネルが、前記セパレータプレートの第１及び第２の反対の縁部間で縦方向に延在し、
各チャネルが、前記チャネルの長さに沿った地点で、空気流断面を画定する断面プロファイルを有し、
前記チャネルのうちの少なくとも選択したチャネルがそれぞれ、前記チャネルの選択した中間の縦方向位置で、前記チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造を有し、前記位置が、前記プレートを介した活性領域から、前記チャネルを通って移動する空気流への熱伝達を局所的に高めるために、前記燃料電池の前記活性領域の上に配置される、前記空冷式燃料電池のセパレータプレート。
【請求項２】
前記チャネル断面の中へ延在する前記熱伝導構造が、フィンである、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項３】
前記チャネル断面の中へ延在する前記熱伝導構造が、１つ以上のバンプである、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項４】
前記チャネル断面の中へ延在する前記熱伝導構造が、前記チャネル断面の高さまたは幅まで延在する仕切り壁である、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項５】
前記チャネルの前記長さに沿った距離の関数として、前記フィンまたはバンプの高さが変動する、請求項２または請求項３に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項６】
前記チャネルの前記長さに沿った距離の関数として、前記高さが増加する、請求項５に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項７】
前記熱伝導構造が、前記チャネルの第２の縦方向半分の範囲でだけ前記チャネル断面の中へ延在する、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項８】
前記熱伝導構造が、前記チャネルの最後の縦方向１／３の範囲でだけ前記チャネル断面の中へ延在する、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項９】
前記一連のチャネルの中の異なるチャネルに対して、前記熱伝導構造のサイズが変動する、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１０】
前記一連のチャネルの中の異なるチャネルに対して、前記熱伝導構造の長さが変動する、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１１】
前記チャネルの長さに沿って、前記熱伝導構造の熱伝導率が変動する、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１２】
前記フィンまたはリッジは、前記チャネルを少なくとも２つの空気流断面に分割し、それぞれが実質的に層流を提供する、請求項２に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１３】
前記仕切り壁が、前記チャネルを２つ以上のサブチャネルに分割する、請求項４に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１４】
前記バンプが、凹部に対向して、チャネル壁にある、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１５】
前記一連の空気流チャネルが、第１の波形プレートによって画定され、前記チャネル断面の中へ延在する前記熱伝導構造が、前記第１の波形プレートに隣接して配置される第２の波形プレートによって画定され、前記第２の波形プレートが、前記第１の波形プレートの波形から横方向にオフセットされる波形を有する、請求項１に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【請求項１６】
前記波形の前記横方向のオフセットが、（ｉ）異なる波形の空間周波数を有するか、または（ｉｉ）同じ波形の空間周波数であるが前記第１及び第２の波形プレート間に位相シフトを有する、前記第１及び第２の波形プレートによって作成される、請求項１５に記載の前記燃料電池のセパレータプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータプレートに関し、具体的には、電池の冷却及び／または酸化剤の空気流をセルの活性領域に提供するセパレータプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
オープンカソード燃料電池スタックにおいて、空気流は、各燃料電池のカソード側を横断して導かれ、よって、酸化剤は、典型的には、ディフュージョン層を介して、燃料電池の膜−電極組立体（ＭＥＡ）のカソード側で利用することができる。スタック全体を横断する空気の均一な流れを達成するために、一般的な配設は、スタックの対向する表面間でセルスタックを横断して並列に空気流を提供するものであり、よって、空気流は、セルの一方の縁部からセルの対向する縁部まで、各セルを横断する。
【０００３】
スタックの全体的な重量を抑えながら、スタックの各セルを横断する十分な程度の空気流を達成する典型的な方法は、波形カソードセパレータプレートを使用することによるものである。そのようなセパレータプレートは、燃料電池の電解質のカソード側との電気接続の形成、及び下にあるディフューザ層を横断する空気流の経路の提供の双方を行う。セパレータプレートは、各プレートの幅を横断して１組の平行な流れチャネルを画定し、このチャネルはそれぞれ、各プレートの長さに沿って延在する。
【０００４】
他のタイプの燃料電池スタックは、空気流を冷却するだけの目的で波形セパレータプレートを配置することができ、カソード（酸化剤）空気流は、別に提供される。
【０００５】
燃料電池スタックの最適な性能のために、各セルの表面全体にわたって、すなわち、各プレートの幅を横断して横方向及びプレートの各チャネルの長さに沿って縦方向の双方に、十分な冷却を維持することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、そのようなセパレータプレートによって提供される冷却プロファイルの改善を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様によれば、本発明は、空冷式燃料電池のセパレータプレートを提供し、該セパレータプレートは、
一連の空気流チャネルを備え、各チャネルが、セパレータプレートの第１及び第２の対向する縁部間で縦方向に延在し、
各チャネルが、前記チャネルの長さに沿った地点で、空気流断面を画定する断面プロファイルを有し、
チャネルのうちの少なくとも選択したチャネルがそれぞれ、チャネルの選択した中間の縦方向位置で、チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造を有し、該位置が、プレートを介した活性領域から、チャネルを通って移動する空気流への熱伝達を局所的に高めるために、燃料電池の活性領域の上に配置される。
【０００８】
チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造は、フィンとすることができる。チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造は、１つ以上のバンプを備えることができる。チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造は、チャネル断面の高さまたは幅まで延在する仕切り壁とすることができる。フィンまたはバンプは、チャネルの長さに沿った距離の関数として、高さを
変動させることができる。高さは、チャネルの長さに沿った距離の関数として増加させることができる。熱伝導構造は、チャネルの第２の縦方向半分の範囲でだけチャネル断面の中へ延在させることができる。熱伝導構造は、チャネルの最後の縦方向の１／３の範囲でだけチャネル断面の中へ延在させることができる。熱伝導構造は、一連のチャネルの中の異なるチャネルに対してサイズを変動させることができる。熱伝導構造は、一連のチャネルの中の異なるチャネルに対して長さを変動させることができる。熱伝導構造は、チャネルの長さに沿って熱伝導率を変動させることができる。フィンまたはリッジは、チャネルを少なくとも２つの空気流断面に分割することができ、それぞれが実質的に層流を提供する。仕切り壁は、チャネルを２つ以上のサブチャネルに分割することができる。バンプは、凹部に対向して、チャネル壁にあり得る。一連の空気流チャネルは、第１の波形プレートによって画定することができ、チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造は、第１の波形プレートに隣接して配置される第２の波形プレートによって画定することができ、第２の波形プレートは、第１の波形プレートの波形から横方向にオフセットされる波形を有することができる。波形の横方向のオフセットは、（ｉ）異なる波形の空間周波数を有するか、または（ｉｉ）同じ波形の空間周波数であるが第１及び第２の波形プレート間に位相シフトを有する、第１及び第２の波形プレートによって作成することができる。
【０００９】
以下、本発明の実施形態を、一例として、及び添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料電池の構成要素の分解斜視図である。
【図２】図１の燃料電池のカソードセパレータプレートの斜視図である。
【図３】図３ａ〜ｄは、図２、図４ａ、４ｂ、図６ａ、６ｂ、及び図７のカソードセパレータプレートの矩形の流れチャネルを通る断面空気流のシミュレーションした温度プロファイルを示す図である。
【図４ａ】それぞれ、チャネルの中にフィンを有するカソードセパレータプレートの斜視図及び端面図である。
【図４ｂ】それぞれ、チャネルの中にフィンを有するカソードセパレータプレートの斜視図及び端面図である。
【図５】チャネルの中に仕切り壁を有し、該仕切り壁の後ろに幅を低減させたチャネルを有する、カソードセパレータプレートの斜視図である。
【図６ａ】それぞれ、チャネルの中に仕切り壁を有するカソードセパレータプレートの斜視図及び端面図である。
【図６ｂ】それぞれ、チャネルの中に仕切り壁を有するカソードセパレータプレートの斜視図及び端面図である。
【図７ａ】それぞれ、チャネルの中に空気流攪乱バンプを有するカソードセパレータプレートの斜視図及び端面図である。
【図７ｂ】それぞれ、チャネルの中に空気流攪乱バンプを有するカソードセパレータプレートの斜視図及び端面図である。
【図８】チャネルの中に横方向の空気流攪乱バンプを有するカソードセパレータプレートの斜視図である。
【図９】三角形構成のチャネルを有する代替のカソードセパレータプレートを示す図であり、図９ａは、図９ｅの端面図に見られるセパレータプレートの拡大端面図の詳細を示す図であり、図９ｂは、プレートのカソード表面の平面図であり、図９ｃは、図９ｆの斜視図に見られるプレートの拡大詳細図であり、図９ｄは、図９ｇの斜視図に見られるプレートの拡大詳細図である。
【図１０】図６ａのカソードセパレータプレートに類似するが、複数のオフセットした波形を有する、カソードセパレータプレートの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、実施例となる空冷式燃料電池アセンブリ１００の分解斜視図を示す。燃料電池アセンブリ１００は、順番に、陽極プレート１０１と、陽極側ディフューザ層１０２と、陽極ガスケット１０３と、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０４と、カソードガスケット１０５と、カソード側ディフューザ層１０６と、波形カソードセパレータプレート１０８と、一対のガスケット１０９ａ、１０９ｂとを備える。波形カソードセパレータプレート１０８は、第１の縁部１１０と、反対の第２の縁部１１１とを有し、また、セパレータプレート１０８の第１及び第２の反対の縁部間で縦方向に延在する一連の空気流チャネル１１２、１１３を画定する。
【００１２】
図１の燃料電池アセンブリ１００は、層状構造に何回も繰り返して燃料電池スタックを形成することができ、例えば、一対の端部プレート間で１つのスタックに全てが含まれる数十の、更には数百のセルを備える。
【００１３】
図２は、波形カソードセパレータプレート１０８の一部の拡大図を示す。セパレータプレートは、第１の表面２０４と、反対の第２の表面２０５とを有する。プレート１０８は、第１の縁部１１０と反対の第２の縁部１１１との間に延在する一連の空気流チャネル１１２、１１３を画定する、一連の波形２０１を有する。プレート１０８の各波形２０１は、空気流チャネル１１２、１１３を画定する、頂上２１３と、谷２１４とを備える。プレート１０８の厚さ、すなわち、全ての頂上２１３の平面と全ての谷２１４の平面との分離は、チャネル高さｈに対応する。一対の隣接する頂上２１３間の、または一対の隣接する谷２１４間の分離は、チャネル幅ｗに対応する。第１の縁部１１０と、反対の第２の縁部１１１との距離は、チャネル長ｌ（図１に見られる）に対応する。
【００１４】
波形カソードセパレータプレート１０８の機能は、全般的に、一連の空気流チャネル１１２、１１３を提供するものとして説明することができ、該空気流チャネルの各々は、チャネル１１２、１１３の長さｌに沿った任意の特定の縦方向地点で空気流断面を画定する、断面プロファイルを有する。図１及び図２の実施例において、空気流チャネル１１２、１１３は、断面が矩形であり、該空気流チャネルの長さに沿って幅または深さが変動せず、また、チャネル毎に変動しない。しかしながら、矩形以外の断面プロファイルを有することもでき、また、空気流チャネル１１２、１１３の長さに沿って、または隣接するチャネル毎に、または双方において、該空気流チャネルの断面プロファイルを変動させることもできる。
【００１５】
空気流チャネル１１２は、図１及び図２に描写されるように「下向き」であり、すなわち、カソードディフューザ１０６及びその下のＭＥＡに向かって開いており、それによって、酸化剤及び冷却剤の双方として、空気を燃料電池の活性領域に供給する。燃料電池の活性領域は、プレート１０１、１０８及びディフューザ１０２、１０６を介してアノード及びカソード流体流（燃料及び酸化剤）に晒されるＭＥＡの領域として画定することができる。対照的に、空気流チャネル１１３は、図１及び図２に描写されるように「上向き」であり、隣接するセルのアノードプレート１０１の下面に隣接させることによって頂部で閉じる。このように、空気流チャネル１１３は、空気流の冷却だけを提供し、酸化剤をＭ
ＥＡに供給しない。
【００１６】
空気流チャネル１１２、１１３の重要な機能は、流れる空気が、セパレータプレートから熱を抽出することである。セパレータプレートは、好ましくは、ステンレス鋼などの適切な電気伝導性材料及び熱伝導性材料から形成される。活性領域の中の燃料電池によって発生する熱は、ＭＥＡ１０４への損傷を防止するために、燃料電池スタックから抽出しなければならない。図１及び図２に示されるような直線状で均一な断面のチャネル１１２、１１３は、良好で高速な空気流を提供し、これは、低いインピーダンス、少ない圧力降下、及び冷却空気の高いスループットを提供する。
【００１７】
しかしながら、均一な断面の直線チャネルは、高いスループットを提供するが、該チャネルは、ほぼ層流の状態に向かう傾向があり、その結果、チャネル断面にわたって大きな温度勾配をもたらすことが観察された。
【００１８】
図３ａは、頂上２１３及び谷２１４によって画定されるチャネル１１２、１１３の矩形チャネル断面のシミュレーションされた温度プロファイルを示す。図３ａから、最高温度帯Ａ（図の左側のカラースケールにおいて、温度Ｋで示される）を、プレート１０８に隣接する燃料電池の活性領域（ディフューザ１０６及びＭＥＡ１０４）で呈することが分かる。チャネル１１２において、チャネル断面にわたる温度勾配は、チャネル壁に隣接する温度帯Ｂから、断面中央の温度帯Ｆ、Ｇ、Ｈの大きい領域までであることが分かる。類似するプロファイルがチャネル１１３に見られ、おそらくはディフーザ１０６への直接的な空気流及び該ディフーザからの熱伝達がないため、温度帯Ｆ、Ｇ、Ｈの低温領域がいくらか大きい。この実施例において、温度勾配は、冷却チャネル１１３について約２．２ｍｍの幅、また、酸化剤及び冷却チャネル１１２について２．０５ｍｍの幅、及び１．４ｍｍの高さを有するチャネルにおいて、最高１５度Ｋになる場合があり、また、チャネル長ｌが５０ｍｍで、プレート幅が１６６．９ｍｍのセルにおいて、４０ｍｍのチャネルに沿った距離で起こる。この実施例において、プレート幅は、ガスケット１０９ａ、１０９ｂ（図１）の下に延在する部分を含まない、チャネルの全幅を表す。シミュレーションは、２つのチャネルを考慮し、モデルは、左／右及び頂部／底部の境界に対する対称性を使用し、無数のチャネルに関する結果を示す。示される温度勾配は、小さい幾何学的形状のチャネルの層流において生じる熱境界層によって生じ得る。この温度勾配は、チャネル断面の中央に見られるより低い温度を使用することができる場合に、潜在的に利用されていない更なる冷却能力を示す。
【００１９】
１つの可能性は、チャネル１１２、１１３を更に小さいチャネルに分割し、それによって、断面サイズを減少させることである。しかしながら、これは、より小さいチャネルが、より大きい空気流抵抗を提供し、それによって、空気のスループットを維持するために、チャネル入口からチャネル出口へのより高い圧力差を必要とする、という不利な点がある。これは、燃料電池スタックのためにより高容量のファンが必要になる場合があり、したがって、燃料電池支持基盤においてより大きい寄生損失をもたらす場合がある。
【００２０】
別の重要な考慮事項は、空気流がチャネル１１２、１１３の長さｌに沿って移動するときに、空気流の温度が上昇し、その結果、燃料電池の活性領域にわたって熱勾配がもたらされることである。したがって、空気流の温度が入口端部（第１の縁部１１０）から出口端部（第２の縁部１１１）へ上昇するので、チャネル１１２、１１３の空気流への熱の熱伝達があまり効果的でなくなる。よって、局所的なホットスポットにおいて、特にセパレータプレート１０８の出口縁部１１１に向かって過熱が生じる場合がある。
【００２１】
以下、チャネルに沿った選択した中間の縦方向位置でのプレート１０８から空気流への増加した熱伝達を提供する、種々の異なる構造を説明する。これらの構造は、層流空冷の
性能を制限し得る任意の熱境界層を攪乱するように設計される。
【００２２】
図４ａ及び４ｂは、セパレータプレート４００の第１の配設を示し、チャネル４１２、４１３はそれぞれ、チャネル４１２の出口端部４１１に向かってチャネル断面の中へ延在するフィン４２０の形態の熱伝導構造を含む。この実施例において、フィン４２０は、チャネル４１３の基部から上方へ延在し、そして、図４ｂから分かるように、チャネル４１２の最高点から下方へ延在する。代替の配設（図４ａ及び４ｂに示さず）において、フィンは、チャネル断面の中へ横方向に、例えば図面の配向において水平方向に延在させることができる。同様に、フィンは、チャネル断面の中へ斜めに延在させることができる。
【００２３】
フィン４２０は、チャネルの長さに沿って任意の所望の場所または複数の場所に配置することができ、また、チャネル毎に異ならせることができる。より全般的には、フィン４２０は、燃料電池の活性領域の上のいずれかの部分の、チャネルの任意の選択した中間の縦方向位置でチャネル断面の中へ延在する、熱伝導構造を例示する。各チャネルには、２つ以上のフィンを配置することができる。フィンは、チャネルに沿って任意の所望の距離だけ延在させることができる。空気流の中で熱の蓄積が生じる傾向がある場所であるので、最も好ましくは、フィン４２０は、出口端部（第２の縁部４１１）に向かって位置付けられる。例えば、フィン４２０は、図４ａでほぼ例示されるように、チャネル長の第２の縦方向半分を、またはチャネル長の最後の縦方向１／３を占有することができる。より全般的には、フィン４２０によって例示される熱伝導構造は、チャネル長の第２の縦方向半分またはチャネル長の最後の縦方向１／３などの、チャネル長の下流部分内のいずれかの部分だけ、またはあらゆる所で、チャネル断面の中へ延在させることができる。
【００２４】
フィンの高さｈｆは、チャネルの高さｈよりもいくらか低くすることができる。フィンの高さｈｆは、フィンの長さｌｆに沿って変動させることができる。１つの配設において、フィンは、チャネルの長さに沿った距離の関数として高さを変動させることができ、このフィン高さの変動は、チャネルの出口端部に向かって増加させることができる。このようにして、空気流への熱伝達のための表面積は、チャネルの出口端部に向かって増加させることができる。フィンの「高さ」ｈｆという表現は、距離がセパレータプレートの平面に対して垂直方向であるか、水平方向であるか、または斜め方向であるかにかかわらず、フィンがチャネル壁からチャネル断面の中へ延在する距離を示すことを意図する。
【００２５】
フィン４２０は、チャネル４１２、４１３の長さに沿って断続的とすることができる。周期性は、チャネルの長さに沿った距離の関数として変動させることができる。周期性は、チャネルの出口端部に向かってフィンの長さの増大を提供することができる。このようにして、空気流への熱伝達のための表面積は、チャネルの出口端部に向かって平均的に増加させることができる。
【００２６】
図３ｂは、フィン４２０を各チャネルの断面空気流の中へ延在させた、チャネル４１２、４１３のチャネル断面のシミュレーションされた温度プロファイルを示す。図３ｂから、最低温度の領域Ｆ、Ｇ、Ｈは、サイズが大幅に減少し、各フィン４２０の両側で２つの部分に断片化されていることが分かる。フィンは、断面のそれまでの最低温領域の中へ大量の熱を効果的に伝達し、したがって、それまでチャネル断面の中央に見られたより低い温度の更なる冷却容量を利用している。フィン４２０の適切な設計によって、フィンは、チャネルを通してほぼ層流を維持することを可能にすることができ、それによって、空気流インピーダンスの大幅な増加を伴わずに、大量の更なる冷却容量を利用する。
【００２７】
空気流またはチャネル容積を増加させることなく、チャネルからより多くの熱を除去する能力は、燃料電池スタックが、チャネル容積を相応して増加させることなく、より高い電流レベルで動作することを可能にする。これは、燃料電池の単位容積あたりの電流容量
を高める。
【００２８】
図５は、セパレータプレート５００の第２の配設を示し、チャネル５１２、５１３はそれぞれ、チャネル５１２の出口端部５１１に向かってチャネル断面の中へ延在する仕切り壁５２０の形態の熱伝導構造を含む。この実施例において、仕切り壁は、チャネル５１３の基部から上方へ、またはチャネル５１２の最高点から下方へ延在する。代替の配設（図５において図示せず）において、仕切り壁５２０は、チャネル断面にわたって水平または斜めに延在させることができる。仕切り壁または壁５２０は、チャネル５１２または５１３を、２つ以上のサブチャネル５１５、５１６に効果的に分割することができる。図５に示される実施例において、仕切り壁５２０は、第１の波形プレート５０８の波形周波数の２倍の波形空間周波数を有する第２の波形セパレータプレート５２８を提供することによって、効果的に構築することができる。波形の周波数の任意の差異を使用することができ、その結果、チャネル５１２または５１３の断面を２つ以上の部分に効果的に分割する、第２のセパレータプレート５２８のチャネル壁をもたらすことが認識されるであろう。図５の図示される実施例において、第１の波形プレート５０８のチャネル５１２、５１３は、図２のプレートのチャネル１１２、１１３と比較して２倍の幅であり、第２の波形プレート５２８のチャネルまたはサブチャネル５１５、５１６は、図２のプレートのチャネル１１２、１１３と同じ幅である。仕切り壁５２０は、１つの大きいチャネルから２つ以上のより小さいチャネルに、チャネル寸法を効果的に低減させ、それによって、空気流インピーダンスを増加させるが、それは、チャネルの限定され、選択された中間の縦方向位置に対してだけであり、同時に最も必要とされる場所のある位置で大幅に改善された熱伝達を提供する。したがって、空気流に対する高いインピーダンスを有さず、それは、セパレータプレートの全長にわたる狭幅チャネルの特徴となる。全体として、これは、圧力降下を低減させることができ、よって、空気流をより少ないファン動力によって維持することができ、それによって、寄生損失を低減させる。
【００２９】
図４ａ及び４ｂに関連して説明される配設と同様に、仕切り壁５２０は、チャネルの長さに沿った任意の所望の場所または複数の場所に配置することができ、また、チャネル毎に異ならせることができる。より全般的には、仕切り壁５２０は、燃料電池の活性領域の上のいずれかの部分の、チャネルの任意の選択した中間の縦方向位置でチャネル断面の中へ延在する、熱伝導構造を例示する。各チャネル５１２、５１３には、２つ以上の仕切り壁５２０を配置することができる。仕切り壁は、チャネルに沿って任意の所望の距離だけ延在させることができる。熱の蓄積が生じる傾向がある場所であるので、最も好ましくは、仕切り壁５２０は、出口端部（第２の縁部５１１）に向かって位置付けられる。例えば、仕切り壁５２０は、図５でほぼ例示されるように、チャネル長の第２の縦方向半分を、またはチャネル長の最後の縦方向１／３を占有することができる。より全般的には、仕切り壁によって例示される熱伝導構造は、チャネル長の第２の縦方向半分またはチャネル長の最後の縦方向１／３などの、チャネル長の下流部分内のいずれかの部分だけ、またはあらゆる所で、チャネル断面を占有することができる。
【００３０】
仕切り壁５２０は、チャネル５１２、５１３の長さに沿って断続的とすることができる。周期性は、チャネルの長さに沿った距離の関数として変動させることができる。周期性は、チャネルの出口端部に向かって仕切り壁の長さの増大を提供することができる。このようにして、空気流への熱伝達のための表面積は、チャネルの出口端部に向かって平均的に増加させることができる。
【００３１】
図６は、図５に示されるセパレータプレート配設５００の別の変形例６００を示す。図５において、仕切り壁５２０は、ゼロオフセットであり、第１の波形プレート５０８の波形空間周波数の２倍の波形空間周波数を有する、第２の波形セパレータプレート５２８によって提供した。図６において、仕切り壁６２０は、第１の波形プレート６０８の波形空
間周波数と同じ波形空間周波数を有するが、π／２の位相オフセットを有する、第２の波形セパレータプレート６２８によって提供される。チャネル６１２または６１３の断面を２つ以上の部分に効果的に分割する第２のセパレータプレート６２８のチャネル壁をもたらす、任意の波形のオフセットを使用することできることが認識されるであろう。しかしながら、π／２オフセットは、仕切り壁６２０をチャネル６１２及び６１３の正確に中央に配置することによって最適な構成を提示することができ、それによって、増加した空気流のインピーダンスを最小にしながら、空気流の最低温部分への熱伝達を最大にする。そのような構成において、熱プロファイルは、図３ｃに示されるものと類似する。
【００３２】
図３ｃは、仕切り壁６２０を各チャネルの断面空気流の中へ延在させた、チャネル６１２、６１３のチャネル断面のシミュレーションされた温度プロファイルを示す。図３ｃから、最低温度の領域Ｆ、Ｇ、Ｈは、サイズが大幅に減少し、各仕切り壁６２０の両側で２つの部分に断片化されていることが分かる。仕切り壁６２０は、断面のそれまでの最低温領域の中へ大量の熱を効果的に伝達し、したがって、それまでチャネル断面の中央に見られたより低い温度の更なる冷却容量を利用している。
【００３３】
一般的態様において、図５及び図６の配設は、一連の空気流チャネルが、第１の波形プレート５０８、６０８によって画定され、チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造が、第１の波形プレートに隣接して縦方向に配置される第２の波形プレート５２８、６２８によって画定され、第２の波形プレートが、第１の波形プレートの波形から横方向にオフセットされた波形を有する構造を例示することが分かる。波形の横方向のオフセットは、（ｉ）（図５によって例示されるように）異なる波形の空間周波数を有するか、または（ｉｉ）（図６によって例示されるように）同じ波形の空間周波数であるが第１及び第２の波形プレート間に位相シフトを有する、第１及び第２の波形プレートによって作成される。
【００３４】
図５の配設に関連して説明される、縦方向の位置決めなどの、他の随意の特徴もまた、図６の配設に適用され、更にここで論じる必要はない。図１０のセパレータプレート１０００に例示されるように、チャネルの長さに沿って複数の横方向のオフセットを作成するために、２つを超える波形プレートを使用することができる。図１０において、第１の波形プレート１００８は、チャネル１０１２、１０１３を画定し、第２の波形プレート１０２８は、第１のオフセットを有する横方向にオフセットされたチャネルを画定し、第３の波形プレート１０２８’は、第２のオフセットを有する横方向にオフセットされたチャネルを画定し、第４の波形プレート１０２８’’は、第３のオフセットを有する横方向にオフセットされたチャネルを画定する、などである。示されるように、第１及び第３のオフセットは、プレート１００８の波形に対してπ／２とすることができ、第２及び第４のオフセットは、プレート１００８の波形に対してゼロとすることができる。
【００３５】
波形プレート１００８、１０２８、１０２８’、１０２８’’などは、単一のシートから一体構造として形成することができ、セパレータプレートを画定し、シートの中へ切り抜き及びプレス加工されるか、または別様に形成される。第１及び第２の波形プレート５０８、５２８、６０８、６２８もそれぞれ同様である。
【００３６】
図５及び図６の配設は、チャネル全長の一部について、チャネル５１２、５１３または６１２、６１３を２つのサブチャネル５１５、５１６または６１５、６１６に効果的に分割するが、図６の事例において、メインチャネル６１３からのサブチャネル６１６における空気流及びメインチャネル６１２からのサブチャネル６１５における空気流は、少なくとも仕切り壁６２０の縦方向範囲について、効果的に混合する／組み合わせることができることが分かる。
【００３７】
図７は、セパレータプレート７００の別の配設を示し、チャネル７１２、７１３はそれ
ぞれ、チャネル７１２、７１３の出口端部７１１に向かってチャネル断面の中へ延在するバンプ７２０の形態の熱伝導構造を含む。この実施例において、バンプは、チャネル７１３の基部から上方へ延在し、バンプは、チャネル７１２の最高点から下方へ延在する。代替の配設（図７ａ及び７ｂに示さず）において、バンプは、チャネル断面の中へ横方向に、例えば図面の配向において水平方向に延在させることができる。
【００３８】
バンプは、プレート７０８のシートの中に、丸いまたは楕円のボス、細長いリッジ、エンボス付きプロファイル、またはディンプルなどの、任意の突起を備えることができる。バンプ７２０は、チャネルの長さに沿った任意の所望の場所または複数の場所に配置することができ、また、チャネル毎に異ならせることができる。より全般的には、バンプ７２０は、燃料電池の活性領域の上のいずれかの部分の、チャネルの任意の選択した中間の縦方向位置でチャネル断面の中へ延在する、熱伝導構造を例示する。図７ａに示されるように、各チャネルには、２つ以上のバンプを配置することができる。バンプは、チャネルに沿って任意の所望の距離だけ延在させることができる。熱の蓄積が生じる傾向がある場所であるので、最も好ましくは、バンプ７２０は、出口端部（出口端部７１１）に向かって位置付けられる。例えば、バンプ７２０は、図７ａでほぼ例示されるように、チャネル長の第２の縦方向半分を、またはチャネル長の最後の縦方向１／３を占有することができる。より全般的には、バンプ７２０によって例示される熱伝導構造は、チャネル長の第２の縦方向半分またはチャネル長の最後の縦方向１／３などの、チャネル長の下流部分内のいずれかの部分だけ、またはあらゆる所で、チャネル断面の中へ延在させることができる。
【００３９】
バンプの高さｈｂは、好ましくは、チャネルの高さｈよりもいくらか低い。バンプの高さｈｂは、チャネルの中の該バンプの縦方向位置に従って変動させることができる。１つの配設において、バンプは、チャネルの出口端部に向かって増加させることができる。バンプの「高さ」ｈｂという表現は、バンプが垂直方向であるか、水平方向であるか、斜め方向であるかにかかわらず、バンプがチャネル壁から一連のチャネル断面の中へ突出する距離を示すことを意図する。バンプは、チャネルを通る空気流の中に乱流を作成し、それによって、より多くのより冷たい空気とチャネル壁とを接触させるように分流するのに十分であるが、チャネルの空気流インピーダンスを大幅に増加させるには不十分である、戦略的な縦方向位置での空気の混合を促進する。
【００４０】
バンプ７２０は、チャネル７１２、７１３の長さに沿って断続的とすることができる。周期性は、チャネルの長さに沿った距離の関数として変動させることができる。周期性は、チャネルの出口端部に向かってバンプ間の距離の減少を提供することができる。このようにして、プレートから空気流への熱伝達のために混合する攪乱空気流は、チャネルの出口端部に向かって平均的に増加させることができる。
【００４１】
図３ｄは、空気流を局所的に攪乱するために、各チャネルの断面空気流の中へ延在させたバンプ７２０の下流の、チャネル７１２、７１３のチャネル断面のシミュレーションされた温度プロファイルを示す。図３ｄから、最低温度の領域Ｆ、Ｇ、Ｈは、サイズがいくらか減少し、全体的な温度勾配が低減されていることが分かる。
【００４２】
図８は、セパレータプレート８００の別の配設を示し、チャネル８１２、８１３はそれぞれ、チャネル８１２、８１３の出口端部８１１に向かってチャネル断面の中へ横方向に延在するバンプ８２０の形態の熱伝導構造を含む。この実施例において、バンプは、チャネル８１３の側壁から横方向に延在する。対応するバンプは、他の方法でチャネル８１２の中へ横方向に延在する。
【００４３】
図８に示される実施例において、各バンプ８２０は、面するチャネル壁の対応する凹部８２１に対向し、それによって、チャネル空気流の少なくとも一部をそこまで直線状であ
る流路から逸脱させるシケイン状の構造を作成するように組み合わせている。連続するバンプ８２０／凹部８２１の構造は、空気流のための波打った経路を形成することができ、それによって、層流に向かう任意の傾向を攪乱し、チャネル幅にわたる任意の温度勾配を低減させる。
【００４４】
横方向のバンプ８２０、またはバンプ８２０及び凹部８２１は、チャネル８１２、８１３の長さに沿った任意の所望の場所または複数の場所に配置することができ、また、チャネル毎に異ならせることができる。より全般的には、バンプ８２０は、燃料電池の活性領域の上のいずれかの部分の、チャネルの任意の選択した中間の縦方向位置でチャネル断面の中へ延在する、熱伝導構造を例示する。バンプ８２０（随意に、対応する凹部８２１を有する）は、チャネルに沿って任意の所望の距離だけ延在させることができる。。最も好ましくは、バンプ８２０／凹部８２１は、出口端部８１１に向かって位置付けられるが、これはこの場所が熱の蓄積が生じる傾向にある場所であるためである。例えば、バンプ８２０／凹部８２１は、図８でほぼ例示されるように、チャネル長の第２の縦方向半分を、またはチャネル長の最後の縦方向１／３を占有することができる。より全般的には、バンプ８２０によって例示される熱伝導構造は、チャネル長の第２の縦方向半分またはチャネル長の最後の縦方向１／３などの、チャネル長の下流部分内のいずれかの部分だけ、またはあらゆる所で、チャネル断面の中へ延在させることができる。
【００４５】
各バンプの横方向の「高さ」ｈｂは、好ましくは各チャネルの幅ｗよりもいくらか低い。バンプの横方向の高さｈｂは、チャネルの中の該バンプの縦方向位置に従って変動させることができる。バンプは、チャネルを通る空気流の中に乱流を作成し、それによって、より多くのより冷たい空気とチャネル壁とを接触させるように分流するのに十分であるが、チャネルの空気流インピーダンスを大幅に増加させるには不十分である、戦略的な縦方向位置での空気の混合を促進する。
【００４６】
バンプ８２０（随意に、対応する凹部８２１を有する）は、チャネル８１２、８１３の長さに沿って断続的とすることができる。周期性は、チャネルの長さに沿った距離の関数として変動させることができる。周期性は、チャネルの出口端部に向かってバンプ間の距離の減少を提供することができる。このようにして、プレートから空気流への熱伝達のために混合する攪乱空気流は、チャネルの出口端部に向かって平均的に増加させることができる。
【００４７】
図１〜図８及び図１０に関連して例示されるセパレータプレートはそれぞれ、酸化剤空気供給チャネル１１２及び冷却空気供給チャネル１１３の双方を組み合わせる、カソードセパレータプレートを例示する。本明細書で説明されるセパレータプレートは、代替的に、ＭＥＡに流体連結されるチャネルにカソード酸化剤及び冷却空気だけを提供するセパレータプレートとして、またはＭＥＡから独立して冷却空気だけを提供するセパレータプレートとして構成することができる。図１〜図８及び図１０に関連して例示されるセパレータプレートは、熱伝導構造がセパレータプレートの両側のチャネル断面の中へ延在する、すなわち、熱伝導構造が酸化剤空気供給チャネル及び冷却空気供給チャネルの双方の中へ延在する、カソードセパレータプレートを例示する。本明細書で説明される全ての実施形態のセパレータプレートは、代替的に、プレートの片側だけでチャネルの中へ延在する熱伝導構造を有するように構成することができる。
【００４８】
図１〜図８及び図１０に関連して例示されるチャネルは、矩形断面で形成される。別の配設において、チャネルは、異なる幾何学的形状を有することができる。一例を図９に例示する。具体的には、図９ａを参照すると、プレート９００の波形は、頂点９０３で閉じた頂部を有する、三角形チャネル９０１、９０２を形成する。この配設では、チャネルの中へ斜めに延在する一連のフィン９２０によって、チャネル９０１、９０２の選択した中
間の縦方向位置のチャネル断面の中へ延在する熱伝導構造が例示される。フィン９２０は、図９ｃ及び９ｄの斜視図からも分かるように、チャネル壁のプレススルー部分によって形成することができる。フィンのサイズ、例えばプレスアウト及び折り畳み部分の高さは、切り抜き窓９３０、９３１、・・・、９３７のサイズを変動させることによって、図９ｂから最も良く分かるように、チャネルに沿った距離の関数として変動させることができる。この事例において、上流の入口端部９１０に向かって提供される窓９３０は、下流の出口端部９１１に向かって提供される窓９３７よりも狭い幅を、したがってより低いフィン９２０の高さを有することができ、より広い幅の窓９３７は、より高いフィン９２０を提供する。フィン９２０は、それぞれの窓９３０、９３１、・・・、９３７の長さに対応する長さを有することができる。
【００４９】
上で説明される配設、特にフィン４２０のように、フィン９２０は、選択した中間の縦方向位置に、すなわち、燃料電池の活性領域の上のチャネルの長さに沿った任意の所望の場所または複数の場所に離間配置することができ、また、チャネル毎に異ならせることができる。窓９３０、・・・、９３７は、適切な切り抜き及びプッシュスルー作業によって１つまたは２つのフィンを形成するために使用することができる。空気流の中で熱の蓄積が生じる傾向がある場所であるので、最も好ましくは、フィン９２０は、出口端部（出口端部９１１）に向かって位置付けられる。例えば、フィン９２０は、チャネル長の第２の縦方向半分を、またはチャネル長の最後の縦方向１／３を占有することができる。より全般的には、フィン９２０によって例示される熱伝導構造は、チャネル長の第２の縦方向半分またはチャネル長の最後の縦方向１／３などの、チャネル長の下流部分内のどこかだけ、またはあらゆる所で、チャネル断面の中へ延在させることができる。
【００５０】
切り抜き及びプッシュスルー配設は、図９ａに示される斜めの形態に代わるものとして、チャネル基部に対して直角であるフィンを作成するために使用することができる。フィン９２０は、チャネル９０１、９０２の長さに沿って断続的とすることができる。周期性は、チャネルの長さに沿った距離の関数として変動させることができる。周期性は、チャネルの出口端部に向かってフィンの長さの増大を提供することができる。このようにして、空気流への熱伝達のための表面積は、チャネルの出口端部に向かって平均的に増加させることができる。
【００５１】
切り抜き及びプッシュスルー配設はまた、窓９２０のサイズを通してＭＥＡに到達することができる酸化剤空気流の連通レベルを変動させるために使用することもでき、これは更に、酸化剤供給と冷却流とのバランスを調整するために使用することができる。
【００５２】
図１〜図９に関連して例示されるセパレータプレートはそれぞれ、プレートからプレートのチャネルに沿って通る空気流の中への熱伝達の効果を局所的に変動させるために、チャネル断面の中へ延在する熱伝導構造を有するセパレータプレートを例示する。熱伝導構造は、単にそれらのサイズ、形状、及びチャネルに沿った縦方向の範囲によって熱伝導率のレベルを変動させることができるだけでなく、例えば、該熱伝導構造が製作される１つ若しくは複数の材料、または該熱伝導構造のコーティングによって熱伝導率を変動させることもできる。
【００５３】
例示されるセパレータプレートは、チャネルの幅ｗを変化させることなく、プレートからプレートのチャネルに沿って通る空気流への熱伝達の効果の局所的な変動を可能にする。これは、チャネル幅を変化させことで下のディフューザ層１０６の局所的な圧縮に影響を及ぼし得る場合に好都合であり得る。
【００５４】
例示されるセパレータプレートは、プレートの局所的な熱伝達係数を燃料電池の熱発生プロファイルに整合させることを効果的に可能にすることができる。例示されるセパレー
タプレートは、チャネルに沿った距離の関数として、熱伝達の最適化を効果的に可能にすることができる。
【００５５】
セパレータプレートの最適な設計を作成する際には、チャネルを通る空気流に対する最も低い最適な抵抗を作成するために、チャネルの中へ延在する熱伝導構造の全長及びサイズを最小にすること、及び燃料電池の活性領域の最高温領域における熱伝導構造の全長及びサイズを最大にすること、という相反する要件のバランスを達成することを考慮することができる。各チャネル内の熱伝導構造の全長、サイズ、縦方向位置は、例えば、チャネルの高さ及びチャネル幅、セパレータプレートの幅及び長さ、セパレータプレート内のチャネルの位置、スタックの深さの範囲内のセパレータプレートの位置（スタックの中央区間における熱の蓄積が、スタックの端部プレートに向かって大きくなる傾向がある）、セパレータプレートの材料の熱伝導率、通常の、または例外的な荷重でのスタックの予想される熱出力、及びスタック内の熱分布に影響を及ぼす任意の他のパラメータ、のうちの少なくとも１つ以上を考慮して、各チャネルでのスタックの正確な熱プロファイルに従って変動させることができる。
【００５６】
他の実施形態は、意図的に、添付の特許請求の範囲の範囲内である。
【図１】
2020092092.tif 000003
【図２】
2020092092.tif 000004
【図３】
2020092092.tif 000005
【図４ａ】
2020092092.tif 000006
【図４ｂ】
2020092092.tif 000007
【図５】
2020092092.tif 000008
【図６ａ】
2020092092.tif 000009
【図６ｂ】
2020092092.tif 000010
【図７ａ】
2020092092.tif 000011
【図７ｂ】
2020092092.tif 000012
【図８】
2020092092.tif 000013
【図９】
2020092092.tif 000014
【図１０】
2020092092.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月12日(2020.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池においてセパレータプレートから空気流に熱を伝達する方法であって、
一連の空気流チャネルを形成することを備え、各チャネルが、前記セパレータプレート内の第１の縁部から第２の縁部に向かう方向に延在し、
各チャネルが、前記チャネルの長さに沿った地点で、空気流断面を画定する断面プロファイルを有し、
前記チャネルのうちの少なくとも１つが、前記チャネルの断面の中へ延在する複数の構造を有するように構成され、
前記チャネルの断面の中へ延在する前記構造が、前記チャネルの長手方向に延在する、層状空気流冷却を攪乱する熱境界を攪乱するように構成されるフィンであり、前記方法はさらに、
前記フィンを含む前記チャネルにおいて層状空気流を与え、前記熱境界層を攪乱することを備える、燃料電池においてセパレータプレートから空気流に熱を伝達する方法。
【請求項２】
前記チャネルの長手方向に沿って前記チャネルの出口端部に向かって前記フィンの高さが増加する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料電池においてセパレータプレートを冷却する方法であって、
一連の空気流チャネルを形成すること備え、各チャネルが、セパレータプレート内の第１の縁部から第２の縁部に向かう方向に延在し、
各チャネルが、前記チャネルの長さに沿った地点で、空気流断面を画定する断面プロファイルを有し、
前記チャネルのうちの少なくとも１つが各々、前記チャネルの断面の中へ延在する、層状空気流冷却を攪乱する熱境界を攪乱するように構成される熱伝導構造を有し、
前記チャネルの断面の中へ延在する前記熱伝導構造が、前記チャネルの長手方向に並ぶ複数のバンプであり、前記方法はさらに、
前記バンプを含む前記チャネルにおいて層状空気流を与え、前記熱境界層を攪乱して、層状空気流冷却の性能を改善することを備える、燃料電池においてセパレータプレートを冷却する方法。
【請求項４】
前記チャネルの長手方向に沿って前記チャネルの出口端部に向かって前記複数のバンプの高さが増加する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記熱伝導構造が、前記チャネルの長手方向の下流側半分の範囲でだけ前記チャネルの断面の中へ延在する、請求項１または請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記熱伝導構造が、前記チャネルの長手方向の下流側１／３の範囲でだけ前記チャネルの断面の中へ延在する、請求項１または請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記一連のチャネルの中の異なるチャネルに対して、前記熱伝導構造のサイズが変動する、請求項１または請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記一連のチャネルの中の異なるチャネルに対して、前記熱伝導構造の長さが変動する、請求項１または請求項３に記載の方法。
【請求項９】
前記チャネルの長さに沿って、前記熱伝導構造の熱伝導率が変動する、請求項１または請求項３に記載の方法。
【外国語明細書】
2020092092000001.pdf