(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料セルアセンブリであって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の膜と、
流体分配板であって、その片側の第１の側に配置されるとともに、一つの縁部の近傍の反応物入口からその出口へと延在する少なくとも一つの反応物流路と、その反対側の第２の側に配置されるとともに、前記少なくとも一つの反応物流路の近傍に配置された冷却剤供給路と、を有する流体分配板と、
を備え、
前記冷却剤供給路は、前記反応物入口から離間された冷却剤入口から冷却剤出口へと延在するとともに、第１の部分および第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記冷却剤入口と、前記反応物入口の近傍に配置された前記第２の部分と、の間に配置されるとともに、冷却剤の流れを、前記冷却剤入口から直接、前記第２の部分における複数の流路部のうちの最初の一つへと単一の方向に案内するように構成され、それにより前記冷却剤入口から直接、前記第２の部分へと冷却剤が流れるのを容易にし、前記第２の部分における前記複数の流路部は、前記反応物入口の近傍の前記第２の部分に沿った複数の方向に冷却剤が流れるのを共同で促進するように構成され、前記冷却剤供給路は、前記第２の部分と、前記冷却剤出口と、の間に第３の部分を有する、燃料セルアセンブリ。
【請求項２】
前記第２の部分の前記流路部が、蛇行状のパターンに配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の部分の前記流路部が、冷却剤の流れを、前記第２の部分に沿って複数回、第１の方向に案内するとともに、前記第２の部分に沿って少なくとも１回、反対側の第２の方向に案内することを特徴とする請求項１に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項４】
前記第２の部分が、実質的に該分配板の全範囲に亘って、該分配板の一つの縁部に対して平行に延在することを特徴とする請求項１に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項５】
前記冷却剤供給路の前記第１の部分が、前記流体分配板の前記一つの縁部に対して概ね垂直な単一の方向に冷却剤の流れを案内し、前記第２の部分が、前記流体分配板の前記一つの縁部に対して概ね平行な少なくとも２方向に冷却剤の流れを案内することを特徴とする請求項４に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項６】
前記第２の部分が、前記反応物入口の近傍における前記分配板の角部を含む、該分配板のほぼ四半分を占有することを特徴とする請求項１に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項７】
前記冷却剤供給路の前記第１の部分が、冷却剤の流れを、前記冷却剤入口から直接、前記分配板の角部へと単一の方向に案内し、前記第２の部分が、冷却剤の流れを、少なくとも前記単一の方向と、前記単一の方向に対して概ね平行な反対側の方向と、に案内することを特徴とする請求項６に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項８】
前記冷却剤供給路の前記第３の部分が、前記第１の部分の前記単一の方向に対して概ね垂直な方向に冷却剤を案内することを特徴とする請求項７に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項９】
前記冷却剤供給路とは異なる少なくとも一つの第２の冷却剤供給路を備え、その少なくとも一つの第２の冷却剤供給路が、冷却剤の流れを、前記冷却剤供給路とは異なるパターンで案内することを特徴とする請求項１に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項１０】
前記分配板が、多孔質水輸送板であることを特徴とする請求項９に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項１１】
前記水輸送板が、微孔質かつ親水性であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料セルアセンブリ。
【請求項１２】
少なくとも一つの反応物流路の近傍に配置された冷却剤供給路を通して冷却剤を案内する流体分配板を備えた燃料セルアセンブリの冷却方法であって、
前記冷却剤供給路が、反応物入口から離間された冷却剤入口から冷却剤出口へと延在するとともに、第１の部分および第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記冷却剤入口と、前記反応物入口の近傍に配置された前記第２の部分と、の間に配置されるとともに、冷却剤の流れを、前記冷却剤入口から直接、前記第２の部分における複数の流路部のうちの最初の一つへと単一の方向に案内するように構成され、それにより前記冷却剤入口から直接、前記第２の部分へと冷却剤が流れるのを容易にし、前記第２の部分における前記複数の流路部は、前記反応物入口の近傍の前記第２の部分に沿った複数の方向に冷却剤が流れるのを共同で促進するように構成され、前記冷却剤供給路は、前記第２の部分と、前記冷却剤出口と、の間に第３の部分を有しており、
前記冷却剤供給路を通して冷却剤を案内する、
ことを備えた燃料セルアセンブリの冷却方法。
【請求項１３】
前記第２の部分の前記流路部が、冷却剤の流れを、前記第２の部分に沿って複数回、第１の方向に案内するとともに、前記第２の部分に沿って少なくとも１回、反対側の第２の方向に案内することを特徴とする請求項１２に記載の燃料セルアセンブリの冷却方法。
【請求項１４】
前記冷却剤供給路が、前記流体分配板の少なくとも片側に設けられ、前記第２の部分が、実質的に該分配板の全範囲に亘って、該分配板の一つの縁部に対して平行に延在することを特徴とする請求項１２に記載の燃料セルアセンブリの冷却方法。
【請求項１５】
前記冷却剤供給路の前記第１の部分が、前記流体分配板の前記一つの縁部に対して概ね垂直な単一の方向に冷却剤の流れを案内し、前記第２の部分が、前記流体分配板の前記一つの縁部に対して概ね平行な少なくとも２方向に冷却剤の流れを案内することを特徴とする請求項１４に記載の燃料セルアセンブリの冷却方法。
【請求項１６】
前記冷却剤供給路が、前記流体分配板の少なくとも片側に設けられ、前記第２の部分が、前記反応物入口の近傍における前記分配板の角部を含む、該分配板のほぼ四半分を占有することを特徴とする請求項１２に記載の燃料セルアセンブリの冷却方法。
【請求項１７】
前記冷却剤供給路の前記第１の部分が、冷却剤の流れを、前記冷却剤入口から直接、前記分配板の角部へと単一の方向に案内し、前記第２の部分が、冷却剤の流れを、少なくとも前記単一の方向と、前記単一の方向に対して概ね平行な反対側の方向と、に案内することを特徴とする請求項１６に記載の燃料セルアセンブリの冷却方法。
【請求項１８】
前記冷却剤供給路とは異なる少なくとも一つの第２の冷却剤供給路を備え、その少なくとも一つの第２の冷却剤供給路が、冷却剤の流れを、前記冷却剤供給路とは異なるパターンで案内することを特徴とする請求項１２に記載の燃料セルアセンブリの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載）
本発明は米国運輸省／連邦公共交通局に付与の契約番号ＣＡ−０４−７００３−００のもと、米国政府の補助によりなされた。従って、米国政府は本発明の一定の権利を有する。
一般的な燃料電池配置は、セルスタックアセンブリ（ＣＳＡ）内に互いに配置された複数の燃料セルを含む。各燃料セルは、概ねアノードと、カソードと、アノードとカソードの間の膜と、を含む。酸素などのカソード反応物と、水素などのアノード反応物と、が膜での電気化学反応に使用されて、電気エネルギーを生成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
セルスタックアセンブリの耐久性は様々な腐食のメカニズムや要因によって制限されうる。例えば、電圧サイクリングは、長期に亘る性能低下の原因となりうる。局所的な膜の湿度サイクリングは、膜の損耗を生じさせうる。これらの類のサイクリングの両方は、負荷または電力需要の変化に応じて発生しうる。セルスタックアセンブリの損耗のもう一つの原因は、高い作動温度である。より高い作動温度は、セルスタックアセンブリ性能のより高い損耗率に関連する傾向がある。高い作動温度に起因するセルスタックアセンブリの損耗を軽減する多くの取り組みがなされている。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
一例の燃料セルアセンブリが、第１の電極と、第２の電極と、それらの電極の間の膜と、を含む。反応物分配板が、その縁部の近傍の反応物入口からその出口へと延在する少なくとも一つの反応物流路を含む。その少なくとも一つの反応物流路の近傍の冷却剤供給路が、反応物入口から離間された冷却剤入口から、冷却剤出口へと延在する。冷却剤供給路が第１の部分および第２の部分を含み、第１の部分は、冷却剤入口と、反応物入口の近傍にある第２の部分と、の間にある。第１の部分は、冷却剤が冷却剤入口から直接第２の部分へと流れるのを容易にする。第２の部分は、反応物入口の近傍の、その第２の部分に沿った複数の方向に冷却剤が流れるのを共同で促進する複数の流路部を含む。冷却剤供給路は、第２の部分と冷却剤出口との間に第３の部分を含む。
【０００４】
燃料セルの一例の冷却方法が、少なくとも一つの反応物流路の近傍の冷却剤供給路を通して冷却剤を案内することを含む。冷却剤供給路が、反応物入口から離間された冷却剤入口から冷却剤出口へと延在する。冷却剤供給路が、第１の部分および第２の部分を含み、第１の部分は、冷却剤入口と、反応物入口の近傍にある第２の部分と、の間にある。第１の部分は、冷却剤が冷却剤入口から直接第２の部分へと流れるのを容易にする。第２の部分は、反応物入口の近傍の第２の部分に沿った複数の方向に冷却剤が流れるのを共同で促進する複数の流路部を含む。冷却剤供給路は、第２の部分と冷却剤出口との間に第３の部分を含む。
【０００５】
開示の実施例のこれらの特徴およびその他の特徴が、以下の詳細な説明および以下に簡単に説明する添付の図面から当業者にとって明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】一例の燃料セルアセンブリの選択されたコンポーネントの概略図。
【図２】一例の流体の流れの概略図。
【図３】別の例の流体の流れの概略図。
【図４】一例の冷却剤の流れ場を示す図。
【図５】別の例の冷却剤の流れ場の実施例を示す図。
【図６】別の例の冷却剤の流れ場の実施例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、一例の燃料セルアセンブリ２０の選択されたコンポーネントの概略図を示し、カソードなどの第１の電極２２と、アノードなどの第２の電極２４と、第１の電極２２と第２の電極２４の間に配置された膜２６と、を含む。第１のガス拡散層２８が、第１の電極２２に隣接して配置されるとともに、第２のガス拡散層３０が、第２の電極２４に隣接して配置される。第１および第２のガス拡散層２８，３０は、それぞれ、第１および第２の電極２２，２４の、膜２６と反対側に配置される。
【０００８】
一例の第１の流体分配板アセンブリ３２が、その第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の側３６に配置された第１の反応物流路３４と、その第１の流体分配板アセンブリ３２の反対側の第２の側４０に配置された冷却剤供給路３８と、を含む。第１の反応物流路３４が、第１のガス拡散層２８に隣接して配置されるとともに、空気または純酸素を受け入れるように構成される。冷却剤供給路３８は、燃料セルアセンブリ２０に所望の冷却効果をもたらすように、水などの冷却剤を案内するように構成される。
【０００９】
一部の例では、第１の流体分配板アセンブリ３２は、微孔質（microporous）かつ親水性である。
【００１０】
多孔質水輸送板などの第２の流体分配板アセンブリ４２が、第２のガス拡散層３０における第２の電極２４と反対側に、その第２のガス拡散層３０に隣接するように配置される。第２の流体分配板アセンブリ４２が、第２の反応物流路４４を含み、これらの流路は、その第１の側４６に配置されるとともに水素などの燃料を分配するように構成される。
【００１１】
この例では、第２の流体分配板アセンブリ４２は、微孔質かつ親水性である。
【００１２】
図２は、燃料セルアセンブリ２０の実施例の、一例の流体流れのパターンまたはその設計を概略的に示す。冷却剤入口領域５０が、燃料セルアセンブリ２０の第１の縁部５２と第２の縁部５４との交差する点の近傍（例えば、プレートの角部付近）に、第１の縁部５２に沿って配置される。この例では、入口領域５０は、第１の流体分配板アセンブリ３２の供給路３８へと導く。冷却剤入口領域５０は、冷却剤供給路３８および冷却剤出口領域５６と流体連通する。冷却剤出口領域５６は、アセンブリ２０の第３の縁部５８に配置され、特に第３の縁部５８と第４の縁部６０との交差する点の近傍の、第１の流体分配板アセンブリ３２の縁部５８に配置される。
【００１３】
第１の反応物入口領域６２が、第３の縁部５８に沿って配置される。第１の反応物入口領域６２は、第１の反応物流路３４（図１）、および第１の縁部５２に隣接して配置された第１の反応物出口領域６４と流体連通する。第１の反応物入口領域６２は、この例では第１の流体分配板アセンブリ３２の縁部にある。第１の反応物はこの例では単一の通過パターン（single pass pattern）で流れる。
【００１４】
第２の反応物はこの例では二段階通過（two-pass）の流れパターンで流れる。第２の反応物入口領域６６が、第２の縁部５４に隣接して第２の流体分配板アセンブリ４２に配置されるとともに、第２の縁部５４と第３の縁部５８との交差する点の近傍に配置される。第２の反応物入口領域６６が、第２の反応物流路４４および第２の反応物出口領域６８と流体連通する。第２の反応物出口領域６８が、第１の流体分配板アセンブリ３２の第２の縁部５４に隣接して配置されるとともに、第１の縁部５２と第２の縁部５４との交差する点の近傍に配置される。この例では、第２の反応物流路４４は、燃料セルアセンブリ２０の長さを縁部６０に沿ったマニホルド７０まで延在させる。マニホルド７０は、この例では縁部５４にある第２の反応物出口領域６８へと、第２の反応物を案内する。
【００１５】
図３は、図２に示す概略図に類似の、燃料セルアセンブリ２０の別の実施例における別の一例の流体流れのパターンまたは設計の概略図を示す。図３では２つの反応物が各々の分配板に亘って２段階の経路をたどる。第１の反応物入口領域６２および冷却剤入口領域５０が第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２に沿って配置される。第１の反応物流路３４のうちの少なくとも一つが、第１の縁部５２に沿った第１の反応物入口領域６２から、第３の縁部５８に沿って配置されたマニホルド７２へと延在する。第１の反応物は、マニホルド７２により第３の縁部５８から、少なくとももう一つの第１の反応物流路３４を通して、第１の縁部５２に沿った第１の反応物出口領域６４へと転送される。
【００１６】
図４は、第１の流体分配板アセンブリ３２に配置された冷却剤供給路３８を含んだ一例の冷却剤流れ場８０を示す。一例の冷却剤流れ場８０は、第１の部分８２と、第２の部分８４と、第３の部分８６と、を有する第１の冷却剤供給路３８ａを含む。
【００１７】
第１の冷却剤供給路３８ａの第１の部分８２が、冷却剤入口領域５０と、第２の部分８４との間に延在する。第１の部分８２は、冷却剤が冷却剤入口領域５０から直接第２の部分８４へと流れるのを容易にする。第１の部分８２は、冷却剤入口領域５０から直接第２の部分８４へと冷却剤流れを一方向に案内する少なくとも一つの流路部を含む。この一方向の冷却剤流れは、この例では第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２に対して概ね垂直である。
【００１８】
第２の部分８４は、第２の反応物入口領域６６および第１の反応物入口領域６２の近傍に配置されるとともに、冷却剤がその第２の部分８４に沿って複数の方向に流れるのを共同で促進する複数の流路部を含む。第１の方向８８および第２の方向９０は、第１の流体分配板アセンブリ３２の第３の縁部５８に対して概ね平行である。第２の部分８４の流路部は、蛇行状のパターンに配置され、冷却剤流れを第１の方向８８に複数回案内するとともに反対側の第２の方向９０に少なくとも１回案内する。第２の部分８４は、実質的に第１の流体分配板アセンブリ３２の全範囲に亘って、その第１の流体分配板アセンブリ３２の第３の縁部５８に対して平行に延在する。
【００１９】
供給路３８ａ、特に第２の流路部８４は、十分な量の冷却剤が、反応物入口６２を含む燃料セルアセンブリ２０の部位に到達するのを保証する。その領域または部位は、入口６２，６６，５０の構成のために、高温に曝される。供給路３８ａは、冷却剤の温度が供給路の第２の部分８４においてできるだけ低くなるように、冷却剤を第２の部分８４へと直接案内するように構成される。第２の部分８４における冷却剤の多重経路により、反応物の入口６２，６６の近傍に集中冷却がもたらされる。
【００２０】
第１の冷却剤供給路３８ａの第３の部分８６が第２の部分８４と冷却剤出口領域５６との間に延在して、冷却剤の流れが第１の流体分配板アセンブリ３２から流出するのを容易にする。
【００２１】
冷却剤流れ場８０は、第１の冷却剤供給路３８ａとは異なる少なくとも一つの第２の冷却剤供給路３８ｂを含む。第２の冷却剤供給路３８ｂは、冷却剤流れを第１の冷却剤供給路３８ａとは異なるパターンに案内する。第２の冷却剤供給路３８ｂは、冷却剤入口領域５０から延在するとともに、第１の方向８８および第２の方向９０に複数の経路を含む。これらの第２の冷却剤供給路３８ｂは、最終的に冷却剤出口領域５６で終端となるまで蛇行状のパターンに延在する。
【００２２】
図５は、別の実施例による一例の冷却剤流れ場１８０を示す。第１の冷却剤供給路３８ａが第１の流体分配板アセンブリ３２に配置される。一例の冷却剤流れ場１８０は、第１の部分１８２と、第２の部分１８４と、第３の部分１８６と、を含む。冷却剤流れ場１８０は、第１の流体分配板アセンブリ３２が図示の向きにあろうとも、あるいは、この分配板アセンブリ３２の冷却剤入口領域５０と冷却剤出口領域５６とが逆になるように、この分配板３２の平面に対して垂直な線を中心として、この分配板３２を１８０度回転させようとも、冷却剤の流れが同じパターンをたどるように左右対称である。冷却剤流れ場１８０が左右対称であるため、第１の流体分配板アセンブリ３２を燃料セルアセンブリ２０に誤って設置する可能性が大幅に減る。
【００２３】
第１の部分１８２は、冷却剤入口領域５０から直接第２の部分１８４へと冷却剤流れを一方向に案内する流路部を有する供給路３８ａを含む。第１の冷却剤供給路３８ａの第１の部分１８２は、冷却剤流れを第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２に対して概ね垂直な単一方向に案内する。
【００２４】
第２の部分１８４は、冷却剤流れを、第２の部分１８４に沿って複数回、第１の方向１８８に案内するとともに、第２の部分１８４に沿って少なくとも１回、反対側の第２の方向１９０に案内する蛇行状のパターンに配置される。第２の部分１８４は、第２の反応物入口領域６６および第１の反応物入口領域６２に隣接して配置されるとともに、第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２および第３の縁部５８に対して概ね平行な少なくとも２方向に冷却剤の流れを案内する。第１の部分１８２における冷却剤の流れは、第２の部分１８４における冷却剤の流れに対して概ね垂直である。
【００２５】
第１の冷却剤供給路３８ａの第３の部分１８６が、第２の部分１８４および冷却剤出口領域５６の間に延在して、冷却剤の流れが第１の流体分配板アセンブリ３２から流出するのを容易にする。
【００２６】
冷却剤流れ場１８０は、第１の冷却剤供給路３８ａとは異なる少なくとも一つの第２の冷却剤供給路３８ｂを含む。第２の冷却剤供給路３８ｂは、供給路３８ａと同様のパターンをたどる。この例では、その他の２つの部分１９２が存在する。それらの部分１９２のうちの一方が第１の流体分配板アセンブリ３２の中央部に配置され、他方が第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２に隣接して配置される。
【００２７】
図６は、別の実施例による一例の冷却剤流れ場２８０を示す。第１の冷却剤供給路３８ａが、第１の流体分配板アセンブリ３２に示されている。例示の冷却剤流れ場２８０は、第１の部分２８２と、第２の部分２８４と、第３の部分２８６と、を含む。
【００２８】
第１の部分２８２は、冷却剤入口領域５０から直接第２の部分２８４における第１の冷却剤供給路３８ａの少なくとも一つへと冷却剤流れを一方向に案内する単一の流路部を含む。第１の冷却剤供給路３８ａの第１の部分２８２は、第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２に対して概ね垂直な単一の方向２８３に冷却剤流れを案内する。
【００２９】
第２の部分２８４は、第２の反応物入口領域６６付近の、第１の流体分配板アセンブリ３２の角部を含む、第１の流体分配板アセンブリ３２のほぼ四半分を占める。冷却剤供給路３８ａの第１の部分２８２は、冷却剤入口領域５０から、第２の縁部５４が第３の縁部５８と接する第１の流体分配板アセンブリ３２の角部に向かって、真っすぐに冷却剤の流れを案内する。第２の部分２８４は、冷却剤の流れを入口領域６６の付近で複数回通流させる蛇行状のパターンの流路部を含む。冷却剤は、第２の部分２８４へと直接流れて、入口領域６６の近傍に冷却能力の大部分を提供するように複数の流路部に沿って流れる。
【００３０】
冷却剤供給路３８ａの第３の部分２８６が、第２の部分２８４と冷却剤出口領域５６との間に蛇行状のパターンで延在して、第１の流体分配板アセンブリ３２から流出する最終的な冷却剤の流れを容易にする。第３の部分２８６の流路部が、第１の流体分配板アセンブリ３２の縁部５８と概ね平行に延在すると共に、第２の部分２８４の流路部の大部分の向きに対して垂直に延在する。
【００３１】
冷却剤流れ場２８０は第１の冷却剤供給路３８ａとは異なる少なくとも一つの第２の冷却剤供給路３８ｂを含む。第２の冷却剤供給路３８ｂは、冷却剤の流れを第１の冷却剤供給路３８ａとは異なるパターンに案内する。第２の冷却剤供給路３８ｂは、第１の流体分配板アセンブリ３２の第１の縁部５２に隣接するとともに、実質的に第１の流体分配板アセンブリの全長に沿った蛇行状のパターンで延在する第１の部分２９２を含む。第２の冷却剤供給路３８ｂは、第１の流体分配板アセンブリ３２の中央領域において第１の部分２９２と実質的に垂直に蛇行状のパターンで延在する第２の部分２９４を含む。最終的に供給路３８ｂは出口５６において終端する。
【００３２】
図示の例により、燃料電池運転時に顕著な熱に曝されうる複数の流体分配板および燃料セルアセンブリにおける複数の部位に有効な、集中冷却を提供する。冷却剤の入口の位置および流れ方向が、反応物の入口の位置および流れ方向とは異なる場合、反応物入口付近の領域はその他の領域に比べて高温である。図示の冷却剤流れ場配置により、さもなければ性能、耐久性またはその両方に悪影響を及ぼしうる局所的な温度上昇から燃料セルコンポーネントを保護する。
【００３３】
上記の記載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。
【図１】
0006033429.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006033429.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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