(57)【要約】ガス流路が燃料電池の活性領域及びウェットシール領域に隣接してプロセスガスを搬送するように配列された燃料電池中での使用に適合する燃料電池プレート構造を有する構体であって、プレート構造が１つ以上のバッフルを有し、バッフルは、プレート構造が燃料電池中にある場合、プレート構造のバッフルがウェットシール領域に隣接して流れるプロセスガスを電池のウェットシール領域から離間させ且つ電池の活性領域に向かって方向転換させるように配列された構体。
2009532832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路が燃料電池の活性領域及び燃料電池の不活性ウェットシール領域に隣接してプロセスガスを搬送するように配列されている燃料電池中での使用に適合した燃料電池プレート構造を有する構体であって、前記燃料電池プレート構造が１つ以上のバッフルを有し、前記１つ以上のバッフルは、前記燃料電池プレート構造が燃料電池中に位置しているときに、前記燃料電池の前記不活性ウェットシール領域に隣接して流れる前記プロセスガスを前記燃料電池の前記不活性ウェットシール領域から離間させ且つ前記燃料電池の前記活性領域に向かって方向転換させるように配列されていることを特徴とする構体。
【請求項２】
前記１つ以上のバッフルの各々は、前記燃料電池プレート構造に塗布された材料及び前記燃料電池プレート構造の折り返しセグメントのうち一方から構成されていることを特徴とする請求項１記載の構体。
【請求項３】
前記材料は、アルミナセメント、酸化ジルコニウム、ジルコニアフェルト及び水から形成されたペーストに由来するジルコニア系材料、ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料、ジルコニアフェルト材料、及びセラミック材料のうち１つ以上を含むことを特徴とする請求項２記載の構体。
【請求項４】
前記燃料電池プレート構造は、アノード集電装置及びカソード集電装置のうち少なくとも一方を具備し、
前記１つ以上のバッフルは、前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち少なくとも一方に組み込まれていることを特徴とする請求項３記載の構体。
【請求項５】
前記１つ以上のバッフルの各々は、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち一方の集電装置の一方の側に沿って配置された連続する矩形の材料、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち一方の集電装置の一方の側に沿って配置された連続する鋸歯形材料、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち一方の集電装置の一方の側に沿って配置されたバッフル材料の複数の個別の互いに離間して配列された材料片、
及び
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち前記一方の集電装置の複数の互いに離間して配列された折り返し縁部セグメント
のうち１つから構成されていることを特徴とする請求項４記載の構体。
【請求項６】
前記燃料電池プレート構造と共に前記燃料電池を形成する他の構成要素を更に具備することを特徴とする請求項５記載の構体。
【請求項７】
前記燃料電池プレート構造は、中央領域と互いに対向する第１の側縁部及び第２の側縁部とを有する部材を含み、
前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部は、前記燃料電池プレート構造が前記燃料電池中にあるときに、前記部材の前記中央領域が前記燃料電池の前記活性領域に隣接し且つ前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部が前記燃料電池の前記ウェットシール領域に隣接するように前記中央領域と境を接し、
前記１つ以上のバッフルは、互いに対向する前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部のうち１つ以上に沿っており、
前記１つ以上のバッフルのそれぞれは、
連続した矩形のバッフル材料、
連続した鋸歯形バッフル材料、
バッフル材料の複数の個別の互いに離間して配置された材料片、
及び
前記部材の複数の互いに離間して配置された折り返し縁部セグメント
のうち１つから形成されていることを特徴とする請求項１記載の構体。
【請求項８】
前記バッフル材料は、
アルミナセメント、
酸化ジルコニウム、
ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストに由来するジルコニア系材料、
ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料、
ジルコニアフェルト材料、
及び
セラミック材料
のうち１つ以上から形成されていることを特徴とする請求項１記載の構体。
【請求項９】
前記燃料電池プレート構造は、中央領域と互いに対向する第１の側縁部及び第２の側縁部とを有する部材を含み、
前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部は、前記燃料電池プレート構造が前記燃料電池中にあるときに、前記部材の前記中央領域が前記燃料電池の前記活性領域に隣接し且つ前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部が前記燃料電池の前記ウェットシール領域に隣接するように前記中央領域と境を接し、
前記１つ以上のバッフルは、互いに対向する前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部のうち１つ以上に沿っていることを特徴とする請求項１記載の構体。
【請求項１０】
前記１つ以上のバッフルは、
前記部材の前記第１の側縁部に沿って配置された第１の複数のバッフルと、
前記部材の前記第２の側縁部に沿って配置された第２の複数のバッフルと
を具備することを特徴とする請求項９記載の構体。
【請求項１１】
前記部材は、前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部に対して横方向であり且つ前記中央領域と境を接する入力縁部及び出力縁部を含み、
前記部材は、アノード集電装置であり、
前記第１の複数のバッフルは、
前記第１の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第１のコーナーバッフルと、
前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第１の側縁部に沿った１つ以上のバッフルと
を含み、
前記第２の複数のバッフルは、
前記第２の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第２のコーナーバッフルと、
前記第２のコーナーバッフルから離間して配置された１つ以上のバッフルと
を含むことを特徴とする請求項１０記載の構体。
【請求項１２】
前記第１の複数のバッフルは、前記第１の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第３のコーナーバッフルを含み、
前記第２の複数のバッフルは、前記第２の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第４のコーナーバッフルを含むことを特徴とする請求項１１記載の構体。
【請求項１３】
前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第１の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記出力縁部から前記第１の側縁部に向かう方向に所定の角度で傾斜し、
前記第２のコーナーバッフルから離間して配置された前記第２の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記出力縁部から前記第２の側縁部に向かう方向に所定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１２記載の構体。
【請求項１４】
前記角度は４５°であり、
前記第１の複数のバッフル及び前記第２の複数のバッフルの各々は、１４個から１８個のバッフルを含むことを特徴とする請求項１３記載の構体。
【請求項１５】
前記第１の複数のバッフル及び前記第２の複数のバッフルの前記バッフルの各々は、前記部材に塗布された材料、及び前記部材の折り返しセグメントのうち一方から形成され、
前記材料は、
アルミナセメント、
酸化ジルコニウム、
ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストに由来するジルコニア系材料、
及び
ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料
のうちいずれか１つを含み、
前記部材は、波形構造を含むことを特徴とする請求項１３記載の構体。
【請求項１６】
前記部材は、前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部に対して横方向であり且つ前記中央領域と境を接する入力縁部及び出力縁部を含み、
前記部材はカソード集電装置であり、
前記第１の複数のバッフルは、
前記第１の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第１のコーナーバッフルと、
前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第１の側縁部に沿った１つ以上のバッフルと、
前記第１の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第２のコーナーバッフルと
を含み、
前記第２の複数のバッフルは、
前記第２の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第３のコーナーバッフルと、
前記第３のコーナーバッフルから離間して配置された１つ以上のバッフルと、
前記第２の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第４のコーナーバッフルと
を含むことを特徴とする請求項９記載の構体。
【請求項１７】
前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第１の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記第１の側縁部に対して垂直であり、
前記第３のコーナーバッフルから離間して配置された前記第２の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記第２の側縁部に対して垂直であることを特徴とする請求項１６記載の構体。
【請求項１８】
前記第１の複数のバッフル及び前記第２の複数のバッフルの各々は、４個から７個のバッフルを含むことを特徴とする請求項１７記載の構体。
【請求項１９】
前記第１の複数のバッフル及び前記第２の複数のバッフルの前記バッフルの各々は、前記部材に塗布された材料、及び前記部材の折り返しセグメントのうち一方から形成されることを特徴とする請求項１７記載の構体。
【請求項２０】
前記材料は、
アルミナセメント、
酸化ジルコニウム、
ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストに由来するジルコニア系材料、
及び
ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料
のうちいずれか１つを含み、
前記部材は、波形構造を含むことを特徴とする請求項１９記載の構体。
【請求項２１】
前記燃料電池プレート構造は、隣接する第１の燃料電池及び第２の燃料電池において使用されるように構成され、
前記燃料電池プレート構造は、バイポーラプレートを含み、
前記バイポーラプレートは、
前記バイポーラプレートの第１の縁部及びその反対側の第２の縁部と、
前記バイポーラプレートの前記第１の縁部及びその反対側の前記第２の縁部に対して横方向である第３の縁部及びその反対側の第４の縁部とにより境界を規定されたアノード面及びカソード面と、
前記バイポーラプレートの前記アノード面上で前記バイポーラプレートの前記第１の縁部及びその反対側の前記第２の縁部にそれぞれ配置された第１のポケット領域及び第２のポケット領域と、
前記バイポーラプレートの前記カソード面上で前記バイポーラプレートの前記第３の縁部及びその反対側の前記第４の縁部にそれぞれ配置された第３のポケット領域及び第４のポケット領域と
を有し、
前記燃料電池プレート構造が前記第１の燃料電池及び前記第２の燃料電池において使用されるときに、前記バイポーラプレートの前記第１のポケット領域及び前記第２のポケット領域は前記第１の燃料電池の不活性ウェットシール領域であり前記第３のポケット領域及び前記第４のポケット領域は前記第２の燃料電池の不活性ウェットシール領域であり、
前記燃料電池プレート構造が前記第１の燃料電池及び前記第２の燃料電池において使用されるときに、前記バイポーラプレートの前記第１のポケット領域と前記第２のポケット領域との間の前記バイポーラプレートの前記アノード面は前記第１の燃料電池の活性領域であり且つ前記バイポーラの前記第３のポケット領域と前記第４のポケット領域との間の前記バイポーラプレートの前記カソード面は前記第２の燃料電池の活性領域であり、
前記１つ以上のバッフルは、
前記第１のポケット領域、
前記第２のポケット領域、
前記第３のポケット領域、
及び
前記第４のポケット領域
のうち１つ以上に配置されることを特徴とする請求項１記載の構体。
【請求項２２】
前記１つ以上のバッフルは、
前記第１のポケット領域、
前記第２のポケット領域、
前記第３のポケット領域、
及び
前記第４のポケット領域
の各々に配置されることを特徴とする請求項２１記載の構体。
【請求項２３】
前記１つ以上のバッフルの各々は、前記燃料電池プレート構造に塗布された材料、及び前記燃料電池プレート構造の折り返しセグメントのうち一方から形成されることを特徴とする請求項２１記載の構体。
【請求項２４】
前記材料は、
アルミナセメント、
酸化ジルコニウム、
ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストに由来するジルコニア系材料、
ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料、
ジルコニアフェルト材料、
及び
セラミック材料
のうち１つを含むことを特徴とする請求項２３記載の構体。
【請求項２５】
前記燃料電池プレート構造は、前記バイポーラプレートの前記アノード面に隣接するアノード集電装置及び前記バイポーラプレートの前記カソード面に隣接するカソード集電装置のうち少なくとも１つを更に具備し、
前記１つ以上のバッフルは、前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち前記少なくとも一つに組み込まれることを特徴とする請求項２１記載の構体。
【請求項２６】
前記１つ以上のバッフルの各々は、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち一方の集電装置の一方の側に沿って配置された連続する矩形の材料、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち一方の集電装置の一方の側に沿って配置された連続する鋸歯形材料、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち一方の集電装置の一方の側に沿って配置されたバッフル材料の複数の個別の互いに離間して配置された材料片、
及び
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置のうち前記一方の集電装置の複数の互いに離間して配置された折り返し縁部セグメント
のうち１つから形成されていることを特徴とする請求項２５記載の構体。
【請求項２７】
前記燃料電池プレート構造と共に前記第１の燃料電池及び前記第２の燃料電池を形成する他の構成要素を更に具備することを特徴とする請求項２６記載の構体。
【請求項２８】
前記１つ以上のバッフルの各々は、前記燃料電池プレート構造に塗布された材料、及び前記燃料電池プレート構造の折り返しセグメントのうち一方から形成され、
前記燃料電池プレート構造は、前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置を具備し、
前記１つ以上のバッフルは、前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置に組み込まれることを特徴とする請求項２５記載の構体。
【請求項２９】
前記燃料電池プレート構造は、中央領域と第１の側縁部及びその反対側の第２の側縁部とを有するアノード集電装置を含み、
前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部は、前記燃料電池プレート構造が前記燃料電池中にあるときに、前記アノード集電装置の前記中央領域が前記バイポーラプレートの前記アノード面の前記中央領域に隣接して位置すると共に、前記アノード集電装置の前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部が前記バイポーラプレートの前記アノード面上の前記第１のポケット領域及び前記第２のポケット領域に隣接し且つ前記第１のポケット領域及び前記第２のポケット領域の内部にあるように前記中央領域と境を接し、
前記１つ以上のバッフルは前記アノード集電装置の前記第１の側縁部及びその反対側の前記第２の側縁部のうち１つ以上に沿っていることを特徴とする請求項２１記載の構体。
【請求項３０】
前記１つ以上のバッフルは、
前記アノード集電装置の前記第１の側縁部に沿って配置された第１の複数のバッフルと、
前記アノード集電装置の前記第２の側縁部に沿って配置された第２の複数のバッフルと
を具備することを特徴とする請求項２９記載の構体。
【請求項３１】
前記アノード集電装置は、前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部に対して横方向であり且つ前記アノード集電装置の前記中央領域と境を接する入力縁部及び出力縁部を含み、
前記第１の複数のバッフルは、
前記アノード集電装置の前記第１の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第１のコーナーバッフルと、
前記アノード集電装置の前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第１の側縁部に沿った１つ以上のバッフルと
を含み、
前記第２の複数のバッフルは、
前記アノード集電装置の前記第２の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第２のコーナーバッフルと、
前記アノード集電装置の前記第２のコーナーバッフルから離間して配置された１つ以上のバッフルと
を含むことを特徴とする請求項３０記載の構体。
【請求項３２】
前記第１の複数のバッフルは、前記アノード集電装置の前記第１の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第３のコーナーバッフルを含み、
前記第２の複数のバッフルは、前記アノード集電装置の前記第２の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第４のコーナーバッフルを含むことを特徴とする請求項３１記載の構体。
【請求項３３】
前記アノード集電装置の前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第１の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記アノード集電装置の前記出力縁部から前記第１の側縁部に向かう方向に所定の角度で傾斜し、
前記アノード集電装置の前記第２のコーナーバッフルから離間して配置された前記第２の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記アノード集電装置の前記出力縁部から前記第２の側縁部に向かう方向に所定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項３２記載の構体。
【請求項３４】
前記角度は４５°であり、
前記第１の複数のバッフル及び前記第２の複数のバッフルの各々は１４個から１８個のバッフルを含むことを特徴とする請求項３３記載の構体。
【請求項３５】
前記第１の複数のバッフル及び前記第２の複数のバッフルの前記バッフルの各々は、前記部材に塗布された材料、及び前記部材の折り返しセグメントのうち一方から形成されていることを特徴とする請求項３３記載の構体。
【請求項３６】
前記材料は、
アルミナセメント、
酸化ジルコニウム、
ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストに由来するジルコニア系材料、
及び
ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料
のうち１つを含み、
前記集電装置は、波形構造を有することを特徴とする請求項３５記載の構体。
【請求項３７】
前記燃料電池プレート構造は、中央領域と第１の側縁部及びその反対側の第２の側縁部とを有するカソード集電装置を更に含み、
前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部は、前記燃料電池プレート構造が前記燃料電池中にあるときに、前記カソード集電装置の前記中央領域が前記バイポーラプレートの前記カソード面の前記中央領域に隣接して位置すると共に、前記カソード集電装置の前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部が前記バイポーラプレートの前記カソード面上の前記第３のポケット領域及び前記第４のポケット領域に隣接し且つ前記第３のポケット領域及び前記第４のポケット領域の内部にあるように前記中央領域と境を接し、
前記１つ以上のバッフルは、前記カソード集電装置の前記第１の側縁部及びその反対側の前記第２の側縁部のうち１つ以上に沿っていることを特徴とする請求項３３記載の構体。
【請求項３８】
前記カソード集電装置は、前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部に対して横方向であり且つ前記カソード集電装置の前記中央領域と境を接する入力縁部及び出力縁部を含み、
前記１つのバッフルは、
前記カソード集電装置の前記第１の側縁部に沿って配置された第３の複数のバッフルと、
前記カソード集電装置の前記第２の側縁部に沿って配置された第４の複数のバッフルと
を含むことを特徴とする請求項３７記載の構体。
【請求項３９】
前記カソード集電装置は、前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部に対して横方向であり且つ前記カソード集電装置の前記中央領域と境を接する入力縁部及び出力縁部を含み、
前記第３の複数のバッフルは、
前記カソード集電装置の前記第１の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第１のコーナーバッフルと、
前記第３の複数のバッフルの前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記カソード集電装置の前記第１の側縁部に沿った１つ以上のバッフルと、
前記カソード集電装置の前記第１の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第２のコーナーバッフルと
を含み、
前記第４の複数のバッフルは、
前記カソード集電装置の前記第２の側縁部及び前記出力縁部の角部にある第３のコーナーバッフルと、
前記第４の複数のバッフルの前記第３のコーナーバッフルから離間して配置された前記カソード集電装置の前記第２の縁部に沿った１つ以上のバッフルと、
前記カソード集電装置の前記第２の側縁部及び前記入力縁部の角部にある第４のコーナーバッフルと
を含むことを特徴とする請求項３８記載の構体。
【請求項４０】
前記第１のコーナーバッフルから離間して配置された前記第３の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記カソード集電装置の前記第１の側縁部に対して垂直であり、
前記第３のコーナーバッフルから離間して配置された前記第４の複数のバッフルのうち前記１つ以上のバッフルは、前記カソード電流の前記第２の側縁部に対して垂直であることを特徴とする請求項３９記載の構体。
【請求項４１】
前記第３の複数のバッフル及び前記第４の複数のバッフルの各々は、４個から７個のバッフルを含むことを特徴とする請求項４０記載の構体。
【請求項４２】
前記第１の複数のバッフル、前記第２の複数のバッフル、前記第３の複数のバッフル及び前記第４の複数のバッフルの前記バッフルの各々は、前記部材に塗布された材料、及び前記部材の折り返しセグメントのうち一方から形成されていることを特徴とする請求項３８記載の構体。
【請求項４３】
前記材料は、
アルミナセメント、
酸化ジルコニウム、
ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストに由来するジルコニア系材料、
及び
ニッケル金属粉末と結合剤との混合物に由来する金属材料
のうちひとつを含み、
前記アノード集電装置及び前記カソード集電装置は、それぞれ波形構造を有することを特徴とする請求項４２記載の構体。
【請求項４４】
中央領域と、前記中央領域と境を接する第１の側縁部及びその反対側の第２の側縁部とを有し、燃料電池のプレート構造において使用するための集電装置を製造する方法であって、
１つ以上のバッフルを形成するためのバッフル混合物を調製する工程と、
前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部のうち少なくとも一方に沿って前記集電装置の１つ以上のセグメントに前記バッフル混合物を塗布する工程と、
前記集電装置に前記１つ以上のバッフルを形成するために前記塗布された混合物を乾燥させる工程と
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項４５】
前記塗布されたバッフル混合物を乾燥させる工程に先立って、前記塗布されたバッフル混合物を平らにならす工程を更に備えることを特徴とする請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
前記集電装置は波形であり、前記塗布されたバッフル混合物は前記１つ以上のセグメントにおける波形構造を充填することを特徴とする請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記集電装置はアノード集電装置であり、
前記バッフル混合物は、アルミナセメント、酸化ジルコニウム、ジルコニアフェルト及び水から構成されるペーストであることを特徴とする請求項４４記載の方法。
【請求項４８】
前記集電装置はカソード集電装置であり、
前記バッフル混合物は、ニッケル金属粉末と結合剤との混合物から構成されることを特徴とする請求項４４記載の方法。
【請求項４９】
中央領域と、前記中央領域と境を接する第１の側縁部及びその反対側の第２の側縁部とを有し、燃料電池のプレート構造において使用するための集電装置を製造する方法であって、
前記側縁部のうち少なくとも一方の側縁部の１つ以上のセグメントにおいて前記集電装置を切断する工程と、
バッフルを形成するための折り返しセグメントを形成するために、前記１つ以上のセグメントの切断部ごとに前記集電装置を折り返す工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５０】
前記切断部の各々はＬ字形であることを特徴とする請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
中央領域と、前記中央領域と境を接する第１の側縁部及びその反対側の第２の側縁部とを有し、燃料電池のプレート構造において使用するための集電装置を製造する方法であって、
材料の中央でジグザグ経路に沿って材料を切断することにより、第１の鋸歯形バッフル及び第２の鋸歯形バッフルを形成する工程と、
前記鋸歯形バッフルを前記集電装置の前記第１の側縁部及び前記第２の側縁部に装着する工程と
を備えることを特徴とする方法。
【請求項５２】
前記材料はジルコニアフェルトであることを特徴とする請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
前記鋸歯形バッフルにジルコニアリジダイザを塗布する工程を更に備えることを特徴とする請求項５２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池ガス流路を規定するために使用される燃料電池プレート構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電イオンを伝導する働きをする電解質により分離されたアノード及びカソードを具備する。溶融炭酸塩型の燃料電池は、アノードに反応体である燃料ガスを通流させる一方、カソードに酸化ガスを通流させることにより動作する。
【０００３】
有用な電力レベルを発生できるようにするために、多数の個別の燃料電池を直列に積み重ねることで燃料電池スタックを形成する。溶融炭酸塩燃料電池スタックにおける燃料電池は、プレート構造を採用しており、これは、燃料電池（セル）を通流するガスの流路を規定するためである。通常、プレート構造は、隣接する燃料電池間にバイポーラセパレータプレートとも呼ばれる導電性のセパレータプレートを備えている。特に、バイポーラセパレータプレートは、第１の電池のアノード要素と第２の電池のカソード要素を分離し、それらの燃料電池の集電装置との電気的接触を確保するために使用される。
【０００４】
従来のバイポーラセパレータプレートは、１つの隣接する電池に対向するカソード面及び別の隣接する電池に対向するアノード面を有し、ガスが透過しない平坦な矩形のプレート部材を含む。通常、バイポーラプレートはそれぞれの面に２つのポケット領域を更に含む。それらのポケット領域は、プレートの２つの対向する縁部をカソード面にかぶさるように折り曲げ且つその他の２つの縁部をアノード面にかぶさるように折り曲げることにより形成されてもよい。そのようなバイポーラプレート構造を有するプレート構造の一例は、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第６，３７２，３７４号明細書に開示されている。
【特許文献１】米国特許第６，３７２，３７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
アノード集電装置及びカソード集電装置もプレート構造の一部であり、アノード面及びカソード面にそれぞれ当接し、バイポーラセパレータのポケット領域の中へ延出する。アノード及びカソードはアノード集電装置及びカソード集電装置に当接し、それらの集電装置は、バイポーラセパレータと共に、それぞれ対応する電極へ燃料ガス及び酸化剤ガスを送出するためのアノードガス流路及びカソードガス流路を規定する。
【０００６】
電解質マトリクスは、アノード電極に隣接して配置され、バイポーラセパレータプレートのアノード面の２つのポケット領域の外面に沿って延出する。電解質マトリクスは、カソード電極に隣接して更に配置され、セパレータプレートのカソード面の２つの他のポケット領域の外面に沿って延出する。従って、バイポーラセパレータプレート、マトリクスを含む集電装置を有するプレート構造は、第１の燃料電池半体と、第２の電池半体とを形成する。
【０００７】
それらの半体電池ユニットを積み重ねると、燃料電池スタックが完成する。そのような燃料電池スタックの場合、バイポーラセパレータプレートのポケット領域の外面は、電解質マトリクスと共にウェットシール領域を形成するためのレールとして作用する。ポケット領域は電池の不活性領域でもある。一方ポケット領域の間でカソード面及びアノード面により形成されるバイポーラセパレータプレートの中央領域は、電池の活性領域である。
【０００８】
バイポーラプレートのポケット領域を利用してウェットシール領域を形成することは、電池の周囲領域に沿った気密性を実現するための実用的で費用効率のよい方法である。しかし、この構造に関連する一般的な問題は、プレート構造により規定されるガス流路を流れる燃料ガス及び酸化剤ガスが活性電池領域からウェットシール領域の中へ漏れることである。特に、燃料ガスの一部及び酸化剤ガスの一部は、通常、所望の電気化学反応を受けずにウェットシール領域に流入してウェットシール領域を通流することにより活性電池領域をバイパスする。更に、内部燃料改質によってアノード活性領域において追加冷却が実行される内部改質型燃料電池の場合、アノード活性領域をバイパスした燃料は改質されず、従って電池の活性領域における冷却は減少する。その結果、燃料電池は過熱するおそれがあり、燃料電池スタックの効率及び電力出力が低下する。従って、燃料電池スタックの性能及び効率を向上するために、ウェットシール領域へのガスの流入を抑止又は防止する手段が必要とされる。
【０００９】
更に、ウェットシール領域は電気化学腐食及び酸化を特に受けやすい。従って、ウェットシール領域に使用される材料は、電気化学腐食条件及び酸化条件の下で安定していることが必要である。
【００１０】
従って、本発明の目的は、ガスが活性電池領域をバイパスするのを抑止又は防止するようにプレート構造を構成することにより、従来の燃料電池プレート構造の上記の欠点及び他の欠点を克服することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、ガスをウェットシール領域から活性電池領域の中へ方向転換するように更に構成された燃料電池プレート構造を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる目的は、腐食環境及び酸化環境の中で安定している材料をウェットシール領域において使用し、前述したように構成された燃料電池プレート構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の原理によると、上記の目的及び他の目的は、ガス流路が燃料電池の活性領域及びウェットシール領域に隣接してプロセスガスを搬送するように配列されている燃料電池中での使用に適合する燃料電池プレート構造を有する構体であって、プレート構造は１つ以上のバッフルを有し、バッフルは、プレート構造が燃料電池中にある場合、プレート構造のバッフルが電池のウェットシール領域に隣接して流れるプロセスガスをウェットシール領域から離間させ且つ電池の活性領域に向かって方向転換させるように配列された構体において実現される。
【００１４】
本明細書中においては、複数のバッフル構造及びバッフル材料を使用する本発明の実施形態が説明される。それらの実施形態においては、プレート構造は、プレートの第１の縁部及びその反対側の第２の縁部に沿って配列された複数のバッフルを有する集電装置プレートを含む。集電装置プレートはカソード集電装置プレート又はアノード集電装置プレートのいずれであってもよく、バッフルは、プレートの種類に応じて、プレートの縁部に関して種々の向きで配置されてよい。
【００１５】
また、以下に説明される本発明の実施形態においては、プレート構造は、アノード面及びその反対側のカソード面と、アノード面の両縁部にありウェットシール領域を形成する第１のポケット領域及び第２のポケット領域と、カソード面の両縁部にありウェットシール領域を同様に形成する第３のポケット領域及び第４のポケット領域とを有するバイポーラセパレータを更に含む。それらの実施形態においては、プレート構造は、バッフルがその第１の縁部及びその反対側の第２の縁部に沿って第１のポケット領域及び第２のポケット領域の中へ延出するような状態でバイポーラセパレータプレートのアノード面に当接するアノード集電装置プレートを有する。プレート構造は、バッフルがその両縁部に沿って第３のポケット領域及び第４のポケット領域の中へ延出するような状態でバイポーラセパレータプレートのカソード面に当接するカソード集電装置プレートを更に含む。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態においては、プレート構造のバッフルは、プレート構造上に配置された材料によりそれぞれ形成される。使用される材料の１つの種類はペースト材料、特に、Cotronics, Inc.のResbond 989系ペーストなどのセラミックペーストである。従来使用されてきた他の材料は、結合剤とＮｉ２５５粉末との混合物、セラミックフェルト及びセラミック紙を含む。各材料は、装着しやすさから高性能まで種々の利点を有する。また、それらの実施形態におけるバッフルは種々の構成を有することができる。例えば、バッフルは、連続する矩形の材料条片、複数の互いに離間して配置された材料条片、あるいは連続する鋸歯形材料片として形成され、その数及び大きさは様々に異なっていてよい。
【００１７】
本発明の他の実施形態において、バッフル、は各プレートのフラップ又は折り返しセグメントにより形成される。折り返しセグメントは機械的バッフルシステムにあり、波形構造であってもよいプレートから各バッフルを直接打ち抜き加工することができる。
【００１８】
バッフルを有するプレート構造を製造する方法が更に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、バイポーラプレート１００Ａを含むプレート構造１００を示す。バイポーラプレート１００Ａは、アノード面１０２ａ及びカソード面１０２ｂを有するガスが透過しない平坦でほぼ矩形のプレート部材１０２を含む。
【００２０】
プレート部材１０２のアノード面１０２ａは、アノード面１０２ａの互いに対向する縁部１０３ａ及び１０５ａにそれぞれ形成された２つのポケット領域又はポケット部材１０４及び１０６を有する。ポケット部材１０４及び１０６は、プレート１０２の長さに沿って燃料入口縁部１０７から燃料出口縁部１０９まで延出する。ポケット部材１０４及び１０６は、アノード面１０２ａの中央部分又は中央領域１０８の中へ向けて開口している。以下に説明するように、プレート構造１００が燃料電池に組み込まれた場合、ポケット部材は、関連する燃料電池の電解質マトリクスと共に不活性アノード側ウェットシール領域１０４ａ及び１０６ａをそれぞれ形成する。一方、中央領域１０８は、燃料電池のアノードと共にアノード活性領域又はアノード反応ゾーンとして作用する。燃料電池の燃料プロセスガスが電気化学反応を受け、内部改質される場所はアノード活性領域である。
【００２１】
プレート部材１０２のカソード面１０２ｂも、同様にカソード面１０２ｂの他方の互いに対向する縁部１０３ｂ及び１０５ｂにそれぞれ形成された２つのポケット部材１１０及び１１２を有する。ポケット部材１１０、１１２は、プレートの幅に沿ってカソード入口縁部１１１からカソード出口縁部１１３まで延出する。同様に、ポケット部材１１０及び１１２は、カソード面１０２ｂの中央領域又は中央部分１１４の中へ向けて開口している。ポケット部材１０４、１０６と同様に、プレート構造が燃料電池に組み込まれた場合、ポケット部材１１０、１１２は、関連する電池の電解質マトリクスと共に不活性カソード側ウェットシール領域１１０ａ及び１１２ａをそれぞれ形成している。この場合、領域１１４は電池のカソードと共にカソード活性領域として作用する。この領域において、電池のカソード側を通って流れる酸化剤ガスは電気化学反応を受ける。
【００２２】
プレート構造１００はアノード集電装置１１６及びカソード集電装置１１８を更に含む。各集電装置は、プレート部材１０２の形状、長さ寸法及び幅寸法に対応するほぼ矩形の形状を有する。図示されるように、各集電装置は波形プレートの形態をしている。バイポーラプレート１００Ａと組み立てられる場合、アノード集電装置１１６の側縁部１１６ａ及び１１６ｂはポケット１０４及び１０６にそれぞれ挿入され、入口縁部１１６ｃ及び出口縁部１１６ｄは、プレート１０２の燃料入口縁部１０７及び燃料出口縁部１０９にそれぞれ隣接して位置する。一方、カソード集電装置１１８の側縁部１１８ａ及び１１８ｂは、ポケット１１０及び１１２にそれぞれ挿入され、入口縁部１１８ｃ及び出口縁部１１８ｄは、プレート１０２の酸化剤入口縁部１１１及び酸化剤出口縁部１１３にそれぞれ隣接して位置している。また、組み立てられた場合、アノード電極（図示せず）は、プレート構体１００の活性領域１０８にアノード集電装置１１６に隣接して配置され、カソード電極（図示せず）は、構体１００のカソード活性領域１１４にカソード集電装置１１８に隣接して配置される。
【００２３】
バイポーラセパレータ１００Ａ、アノード集電装置１１６及びカソード集電装置１１８は、燃料ガス及び酸化剤ガスのガス流路を規定する。それらのガス流路は、活性アノード領域１０８及び活性カソード領域１１４、並びに不活性アノードウェットシール領域１０４ａ、１０６ａ及び不活性カソードウェットシール領域１１０ａ、１１２ａに隣接して位置する。従って、アノードを通り、アノード集電装置１１６の波形構造を通ってアノード入口側１０７からアノード出口側１０９まで流れる燃料ガスは、活性アノード領域及び不活性アノードウェットシール領域に隣接して通過する。同様に、カソードを通り、カソード集電装置の波形構造を通ってカソード入口側１１１からカソード出口側１１３まで流れる酸化剤ガスは、活性カソード領域及び不活性カソードウェットシール領域に隣接して通過する。
【００２４】
燃料電池の性能を改善するために、構体１００は、不活性アノードウェットシール領域１０４ａ、１０６ａ及び不活性カソードウェットシール領域１１０ａ、１１２ａに隣接するガス流路の部分におけるガスの流れ（フロー）を抑制又は抑止し且つアノード活性領域１０８及びカソード活性領域１１４に隣接するガス流路の部分におけるガスの流れを改善するように更に構成される。この目的のために、構体１００は、アノードウェットシール領域及びカソードウェットシール領域に隣接するガス流路の部分に位置するように配置されたバッフル構体１２０及び１２２を含む。バッフル構体１２０及び１２２は、通過するガスを活性アノード領域及び活性カソード領域に隣接するガス流路の部分に向かって方向転換させ、それによってガス流路のそれらの部分におけるガスの流れを改善する。
【００２５】
バッフル構体１２０及び１２２を実現する方法の１つは、それぞれの不活性ウェットシール領域１０４ａ、１０６ａ、１１０ａ及び１１２ａ自体及びその長さに沿って固体材料から成る連続した条片（ストリップ）を含めることである。これは、集電装置１１６及び１１８にバッフル構体を組み込むことにより実現できる。図１Ａは、アノード集電装置１１６の縁部１１６ａ、１１６ｂの中に組み込まれたか又はそれらの縁部に沿って配置された矩形の条片として形成されたバッフル１２０を示す。図からわかるように、集電装置１１６がプレート部材１０２のアノード面１０２ａに隣接している場合、バッフル条片１２０はアノードウェットシール領域１０４ａ及び１０６ａの中に位置する。同様に、図１Ｂは、カソード集電装置１１８がプレート部材１０２のカソード面１０２ｂに隣接している場合にアノードウェットシール領域１１０ａ及び１１２ａの中に位置するように、同様に集電装置１１８の縁部１１８ａ、１１８ｂの中に組み込まれたか又はそれらの縁部に沿って配置された矩形の条片として形成されたバッフル構体１２２を示す。
【００２６】
燃料電池の電気化学反応の過酷な腐食環境に耐えるために、図１Ａ及び図１Ｂのバッフル条片１２０及び１２２に使用される材料は、安定していて且つ集電装置に容易に塗布できる必要がある。各バッフル条片を製造するために、Ｎｉ粉末及び結合剤から形成されたペーストを使用でき、ペーストを単一の条片又は互いに当接する複数の条片として整形できる。アノードウェットシール領域１０４ａ及び１０６ａにおいて、バッフル１２０のＮｉ粉末は、Ｎｉ粉末に形成された孔を通って移動する際のメタンの漏れを防止するように、内部改質型燃料電池スタックにおけるメタン改質の触媒として作用できる。結合剤とＮｉ２５５粉末との混合物から調製されたスラリからニッケルペーストを形成できる。
【００２７】
燃料電池スタックの寿命の初期には、ウェットシール領域における図１Ａ及び図１Ｂのバッフル条片は、その領域を通過するバイパス流れを有効に阻止する。しかし、バッフルは、電池の活性領域と比較して不活性ウェルシール領域の剛性を増大する可能性がある。その結果、スタックの熱損失及び電気的接触損失が起こりうる。この種のバッフルに関する別の問題は、動作中及び熱サイクルの間に充填材料が崩壊し、粉末化して粗い多孔構造を形成する可能性があることである。粗い多孔構造は、対応するウェットシール領域を通る有用な反応体ガスの漏れを引き起こす可能性がある。また、それらのバッフルは著しく大量のＮｉ粉末を必要とするため、製品コストを更に増加する。
【００２８】
本発明の他のバッフル波形構造例は、図１Ａ及び図１Ｂのバッフルによって起こるウェットシール領域の剛性の増大を回避し且つバッフルの材料使用量を減少しようとするものである。特に、図１には別個のバッフル構造が示されるが、この構造について以下に更に詳細に説明する。特に、図１において、各バッフル構体１２０は、複数の互いに離間して配置された別個の燃料方向転換バッフル又は条片１２６と、少なくとも１つの別個の端部バッフル又は条片１２４とを含む。図示される実施形態においては、別個の端部バッフル１２４は、プレート部材１０２の燃料出口縁部１０９の付近のウェットシール領域１０４ａ及び１０６ａの角領域の燃料ガス流路中に障壁を形成する。従って、ウェットシール領域１０４ａ、１０６ａにより規定される燃料ガス流路を流れる燃料ガスは、端部バッフル１２４により案内されて、アノード活性領域１０８及び燃料出口へと向かう。別個の方向転換バッフル１２６はポケット１０４、１０６の側壁１０４ｂ、１０６ｂからウェットシール領域１０４ａ、１０６ａの中へ所定の間隔で延出する。図示される通り、ウェットシール領域１０４ａ、１０６ｂに隣接する燃料ガス流路の部分を流れる燃料ガスに対する流れ抵抗を増加し且つ電池の燃料ガス活性領域１０８に隣接する燃料ガス流路の部分の中へ燃料ガスを押し出すように、方向転換バッフル１２６は燃料流れの方向に傾斜している。
【００２９】
以下に更に詳細に説明するように、図１に示される酸化剤ガス方向転換構体１２２も、カソードの側部ポケット１１０及び１１２により囲まれた複数の別個のバッフル又は条片を含む。図示される構造の場合、方向転換構体１２２は、酸化剤出口縁部１１３の付近及びプレート部材１０２の酸化剤入口縁部１１１の付近のウェットシール領域の角部に配置された複数の別個の端部バッフル１２８を含む。ポケット１１０、１１２により形成される側壁１１０ｂ、１１２ｂからウェットシール領域１１０ａ、１１２ａの中へ所定の間隔で延出する別個の酸化剤方向転換バッフル１３０が更に設けられる。本実施形態においては、バッフル１２８、１３０はポケット側壁１１０ｂ、１１２ｂに対してほぼ垂直である。端部バッフル及び方向転換バッフル１２８は、カソードウェットシール領域１１０ａ及び１１２ａに隣接する酸化剤ガス流路の部分を流れる酸化剤ガスを酸化剤ガス活性領域１１４に隣接する酸化剤ガス流路の部分の中へ押し出すか又は方向転換することは明らかである。
【００３０】
図１の方向転換構体１２０、１２２における別個のバッフルの寸法及び構造は、燃料電池システム及びバイポーラプレートの構成、並びに電池を通って流れる燃料ガス及び酸化剤ガスの空間速度を含む種々の要因によって異なる。図示される方向転換構体１２０、１２２の構成は、図２Ａ〜図４Ｂを参照して詳細に説明される。
【００３１】
図２Ａ〜図４Ｂにおいては、図１Ａ及び図１Ｂと同様に、バッフル構体１２０及び１２２は、プレート構造１００のアノード集電装置１１６及びカソード集電装置１１８にそれぞれ組み込まれる。特に、図２Ａは、燃料方向転換構体１２０がアノード集電装置１１６の対向する縁部１１６ａ及び１１６ｂに配置されているアノード集電装置１１６を示す概略図である。集電装置の中央領域１１６Ａはアノード活性領域１０８と整列し、縁部１１６ａ及び１１６ｂはアノードウェットシール領域１０４ａ、１０６ａと整列する。前述したように、燃料ガスは中央領域１１６Ａ（アノード活性領域１０８）を通って、入口縁部１１６ｃ（燃料入口縁部１０７）から出口縁部１１６ｄ（燃料出口縁部１０９）に向かう方向に流れる。同様に先に説明したように、燃料ガスの一部は中央領域１１６Ａ（活性領域１０８）から縁部領域１１６ａ、１１６ｂ（ウェットシール領域１０４ａ、１０６ａ）の中へ漏れ出す。そこで、側縁部に沿ったバッフル構体１２０は、漏れ出した燃料を中央領域１１６Ａ（活性領域１０８）に戻すように作用する。尚、図２Ａに示される方向転換構体１２０の構造は、種々の長さ及び幅寸法を有するプレート部材１０２を採用する燃料電池システムにおいて使用可能である。その一例は、長さ約４フィート及び幅約２フィートのプレートである。しかし、先に述べた通り、方向転換構体１２０は任意の長さ及び幅寸法のプレート部材１０２に適用可能である。
【００３２】
図２Ａにおいて、各バッフル構体１２０は、互いに等間隔で配列された１８個の方向転換バッフル１２６を含む。しかし、バッフル１２６の数は１８以外であってもよく、バッフル１２６は、側縁部１１６ａ、１１６ｂ（ウェットシール領域１０４ａ、１０６ａ）から中央領域１１６Ａ（活性領域１０８）の所定の領域の中へより多くの燃料ガスを方向転換するように異なる間隔で配置されてもよいことは明らかである。更に、前述したように及び詳細に図示されるように、方向転換バッフル１２６は燃料流れの方向に所定の角度で傾斜している。図示される構造の場合、所定の角度は側縁部１１６ａ、１１６ｂに関して４５°である。方向転換バッフル１２６の傾斜角度は、方向転換構体１２０の構造並びに製造上の都合に応じて変更されてもよい。
【００３３】
図２Ｂは、図２Ａのアノード集電装置１１６の角部分１２７を示す展開図である。図示されるように、各方向転換構体１２０の端部バッフル１２４は、出口縁部１１６ｄ（ウェットシール領域１０４ａ、１０６ａの燃料出口側１０９）の付近にほぼ矩形の障壁を形成する。特に、各端部バッフル１２４は出口縁部１１６ｄからそれぞれ対応する側縁部１１６ａ、１１６ｂに沿って延出し、ガスの流れを制限するような厚さを有する。前述したように、方向転換バッフル１２６は出口縁部１１６ｄ（燃料出口側１０９）に向かって傾斜しており、それぞれ対応する側縁部１１６ｃ又は１１６ｄと４５°の角度を成す。
【００３４】
図２Ａ及び図２Ｂに示したバッフル構体についての１つの特定の構成においては、次のような数値が使用された。各端部バッフル１２４は３．０インチの長さ及び０．８７インチの幅を有し、各方向転換バッフル１２６は側縁部１０３ａから０．８８インチ延出し、０．５インチの幅及び１．２３インチの長さを有していた。方向転換バッフル１２６は２．８７インチの間隔で等間隔に配置され、端部バッフル１２４と最も近い位置にある方向転換バッフル１２６との間の距離も２．８７インチであった。
【００３５】
図２Ｃは、アノード集電装置１１６における図２Ａのバッフル構体１２０の変形例を示す。図２Ｃの構造は、端部バッフル１２４ａがアノード集電装置１１６の入口縁部１１６ｃに更に配置されるという点で図２Ａの構造とは異なる。図２Ｃのバッフル構体１２０の構成は次の通りであった。方向転換バッフル１２６の幅、長さ及び傾斜角度は図２Ａの場合のバッフル１２６の実施形態における幅、長さ及び傾斜角度と同一であった。バッフルの数は１４であり、バッフル間の間隔は３インチで等間隔に配列された。入口バッフル１２４ａと最も近い位置にある方向転換バッフル１２６との間の距離は１．３インチであり、出口バッフル１２４ｂと最も近い位置にある方向転換バッフル１２６との距離は３インチであった。
【００３６】
図３は、図１のプレート構造１００におけるアノード側の一部分を示す横断面図である。図からわかるように、アノード集電装置１１６の側縁部１１６ａは、ウェットシール領域１０４ａを形成するポケット１０４の中にあり、この位置における集電装置の波形構造はバッフル１２６により充填される。この図は、集電装置１１６のポケット１０４の内側に位置するアノード電極１３４及び選択された波形構造の中にある改質触媒１３６を更に示す。更に、ウェットシール領域には、燃料の漏れを防止し且つプレート部材１０２の縁部１０３ａの密封（シール）を更に助長するために端部の波形構造を充填するシール１２５がアノード集電装置１１６の縁部に沿って形成される。追加のシール１２５はロープ又はセラミック紙から製造できる。
【００３７】
図２Ａ〜図３に示される方向転換構体１２０のバッフル１２４、１２６は、ジルコニウム系材料から形成されたペーストを使用して調製される。ペーストを調製し且つそのペーストを使用してバッフルを製造する方法は、以下に更に詳細に説明される。
【００３８】
図４Ａは、酸化剤ガス方向転換構体１２２を含む図１のカソード集電装置１１８を示す概略図である。集電装置の中央領域１１８Ａはカソード活性領域１１４と整列し、縁部１１８ａ及び１１８ｂはウェットシール領域１１０ａ、１１２ａと整列する。前述したように、酸化剤ガスは中央領域１１８Ａ（アノード活性領域１１４）を通って、入口縁部１１８ｃ（酸化剤入口縁部１１１）から出口縁部１１８ｄ（酸化剤燃料出口縁部１１３）へ向かう方向に流れる。同様に先に述べた通り、酸化剤ガスの一部は、中央領域１１８Ａ（活性領域１１４）から縁部領域１１８ａ、１１８ｂ（ウェットシール領域１１０ａ、１１２ａ）の中へ漏れ出す。そこで、側縁部に沿ったバッフル構体１２２は、この酸化剤ガスを中央領域１１８Ａ（活性領域１１４）に戻すように作用する。
【００３９】
各方向転換構体１２２は端部バッフルと、複数の方向転換バッフル１３０とを含む。端部バッフルは、入口縁部１１８ｃ及び側縁部１１８ａ、１１８ｂの角部に設けられた入口端部バッフル１２８ａと、出口縁部１１８ｄ及び側縁部１１８ａ、１１８ｂの角部に設けられた出口端部バッフル１２８ｂとを含む。各バッフル構体１２２は、酸化剤ガスを縁部１１８ａ及び１１８ｂ（ウェットシール領域１１０ａ、１１２ａ）から離間するように方向付け、ガスを中央領域１１８Ａ（カソード活性領域１１４）の中へ押し出すための３つの方向転換バッフル１３０を更に含む。方向転換バッフル１３０はそれぞれ対応する縁部１１８ａ及び１１８ｂから延出し、図示されるように、それらの縁部に対して垂直である。
【００４０】
図４Ａのバッフル構体１２２の構成例は次の通りであった。各入口端部バッフル１２８ａは不活性領域の幅及び約２〜４インチの長さを有し、各方向転換バッフル１３０の幅は０．５インチであり、各方向転換バッフルの長さは０．８８インチであった。バッフル１３０は６．２５インチの等間隔で配列され、入口縁部バッフル１２８ａと最も近い位置にある方向転換バッフル１３０との間の距離及び出口縁部バッフル１２８ｂと最も近い位置にある方向転換バッフル１３０との間の距離は６．２５インチであった。バッフル１２８、１３０の数及び方向転換バッフル１３０が配列される間隔は、燃料電池及びバイポーラプレートの構成、酸化剤ガスの流量及び縁部領域（ウェットシール領域）から中央領域（活性領域）の中への酸化剤ガスの漏れ率に応じて異なっていてもよいことは明らかである。
【００４１】
図４Ｂは、構体１００のカソード側の一部分を示す横断面図である。図示されるように、カソード集電装置１１８は、集電装置１１８の側縁部１１８ａがポケット１１０に挿入された状態でプレート部材１０２に隣接している。電解質ペースト１２１は、集電装置の波形構造により形成された選択された集電装置流路に配置される。更に、カソード集電装置１１８とポケット１１０との間に形成された空間を密封するために、シム１１９がウェットシール領域１１０ａに設けられる。カソード電極１３８はカソード集電装置１１８に隣接し、カソード活性領域１１４と整列される。
【００４２】
集電装置１１８のガス方向転換バッフル１３０は、ウェットシール領域１１０ａを通って流れる酸化剤ガスの経路の中に障壁を形成するためにウェットシール領域１１０ａの所定の部分を充填する。バッフル１３０の高さは集電装置１１８の高さと同一であり、バッフル１３０の長さはウェットシール領域１１０ａを越えない。これにより、ウェットシール領域１１０ａを流れる酸化剤ガスはバッフル１３０により阻止され、その結果、ガスはウェットシール領域１１０ａから押し出されるか又は方向転換され、カソード活性領域１１４に流入する。活性領域１１４において、酸化剤ガスは燃料電池反応に使用可能である。
【００４３】
図４Ａ〜図４Ｂに示されるバッフル１２８、１３０は、結合剤とニッケル粉末との混合物を主成分とする別のセラミックセメントから形成されたスラリ（slurry）から製造される。スラリを製造し且つスラリからバッフルを形成する方法は以下に説明される。
【００４４】
次に、アノード側バッフル１２４、１２６及びカソード側バッフル１２８、１３０の材料を調製する方法、並びにバッフルを集電装置１１６及び１１８に組み込む方法を説明する。それらの方法は先に挙げた寸法で構成される構体を製造するために使用され、その説明は前記の寸法を参照する。
【００４５】
前述したように、アノード側バッフル１２４、１２６はジルコニウム系セラミックセメントから形成される。特に、アノードバッフルペーストは、所定の量のアルミナセメント、酸化ジルコニウム、ジルコニアフェルト粉末及び水を混合することにより調製される。本例においては、バッフルペーストを調製する際に、Cotronics Inc.のResbonda 989アルミナセメント、約−１４０＋３２５メッシュに等しい粒径を有するZYF-100酸化ジルコニウム粉末（Zircar Zirconia, Inc.）、研磨酸化ジルコニア粉末及び蒸留水が使用された。アノードバッフルペーストは、２０ｃｃサイズのバッチなどのバッチで調製されるのが好ましい。
【００４６】
１バッチ分のアノードバッフルペーストを調製する第１の工程においては、ZYF-100ガスケット材料が研磨され、Cotronics Resbond 989アルミナセメント、高純度酸化ジルコニウム粉末及び蒸留水と混合される。本例においては、アノードバッフルペースト混合物は、２ｘグラムのZYF-100ガスケット材料、１６７ｘグラムのアルミナセメント、２５ｘグラムの酸化ジルコニウム粉末及びｘグラムの蒸留水を相対量で含む。この場合、ｘはバッチのサイズによって異なる。例えば、Zircar Zirconia, Inc.の０．６ｇのZYF-100ガスケット材料を乳鉢及び乳棒を使用して研磨し、研磨済みZYF-100とCotronics Corporationの５０．１ｇのCotronics Resbond 989アルミナセメント、Alfa Aesarの７．５ｇの高純度酸化ジルコニウム（IV）粉末及び０．３ｇの蒸留水とをプラスチック容器又は他の適切な容器の中で混合してペーストを形成することにより、上述の割合を使用した２０ｃｃバッチのアノードバッフルペーストを調製できる。
【００４７】
第１の工程のすぐ後に続く第２の工程においては、ペーストは適切な大きさの注入器に装填される。アノード側バッフルを形成するためにペーストが塗布されない場合、注入器にはキャップがかぶせられる。２日以内であれば、ペーストは注入器の中に保存されてもよい。
【００４８】
以上説明された方法を使用して調製されたアノードバッフルペーストは、その後、波形アノード集電装置の縁部に塗布される。第１の工程においては、ＦＥＰフィルムで包まれたシムがアノード集電装置の側縁部に沿って配置される。シムは、集電装置に塗布されるバッフルペーストに対して鋳造縁部及びガイドを形成する。
【００４９】
特に、図２Ａ〜図２Ｃに示される出口端部バッフル１２４、１２４ｂを形成する場合、まず、アノード集電装置の側縁部から約０．８８インチ及び出口縁部から約３．０インチの場所にマスキングテープが貼付される。同様に、図２Ｃに示される入口端部バッフル１２４ａを製造する場合には、アノード集電装置の側縁部から０．８８インチ及び入口縁部から約３．０インチの場所にマスキングテープが貼付される。これにより、マスキングテープは端部バッフルの境界を規定し、境界中の領域をバッフルペーストで充填するためのガイドを形成する。
【００５０】
次の工程においては、マスキングテープにより規定されたアノード集電装置の領域を充填するために、先に調製されたアノードバッフルペーストが注入器から供給される。その後、供給されたペーストは、アノード集電装置に沿ってある角度でスキージー又はローラをかけることにより、集電装置の波形構造の高さまでならされる。本例においては、シリコーンスキージーを使用する。バッフルの出口側端部又は入口側端部からバッフルの反対側の端部まである角度でシリコーンスキージーをかけることにより、集電装置上でペーストを平らにならす。ペーストをならした後、シムからバッフルペーストを引き離すように横方向へシムを滑らせ、次にシムをアノード集電装置の縁部から引き離すことにより、シムをアノード集電装置から除去できる。シムはきれいに拭き取られ、その後のバッフル調製に再利用される。
【００５１】
端部バッフル１２４と同様に、方向転換バッフル１２６も集電装置の対応する縁部に形成される。アノード集電装置１１６において方向転換バッフル１２６を形成するために、ＦＥＰフィルムで包まれたシムがアノード集電装置の側縁部に沿って配置される。先に述べた通り、シムはアノード集電装置に塗布されるバッフルペーストに対して鋳造縁部及びガイドとして作用する。同様に、アノード集電装置の側縁部から約０．８７５インチ離間してウェットシール領域に配置されるアノード集電装置の部分の長さに沿って、マスキングテープが貼付される。これにより、マスキングテープは方向転換バッフル１２６の長さ境界を規定する。
【００５２】
次の工程においては、燃料方向転換バッフルが、シム及びマスキングテープにより規定された集電装置の領域に所定の間隔で形成される。特に、各方向転換バッフルは、注入器からアノード集電装置上へ所定のパターン及び所定の角度で適切な量のアノードバッフルペーストを供給することにより形成される。
【００５３】
図５Ａは、方向転換バッフル１２６を形成するためにアノード集電装置に塗布されたアノードバッフルペーストを示す写真である。図示されるように、方向転換バッフルは、「Ｔ」１２６ａの最上部がマスキングテープ１２９に隣接するようにＴ字形パターンでペーストを供給することにより形成される。この場合、完成後のバッフル１２６が燃料ガスの流れる方向に４５°傾斜するように、ペーストはシム１３１に対してある角度（すなわち、ここで使用される角度は４５°）を成して供給される。
【００５４】
バッフルペーストは、スキージー又はローラを使用してアノード集電装置の波形構造の高さまでならされる。この場合、バッフルの一端部から他端部まで４５°の角度でアノード集電装置に沿ってならすために、シリコーンスキージーが使用された。仕上げ後の方向転換バッフルの幅は約０．５インチである。
【００５５】
前述したように、方向転換バッフルは、集電装置の縁部の長さに沿って所定の間隔で互いに離間して配置される。図２Ａ〜図２Ｃに示される方向転換構体１２０を形成するために、方向転換バッフルは約３インチの間隔で離間するように配置される。方向転換バッフルは傾斜しているので、バッフルの隣接する端部分の間隔は約２インチである。バッフル間の間隔は、燃料流量及びウェットシール領域に漏れ出す燃料の量など、種々の要因に応じて異なってもよいことは明らかである。
【００５６】
上述の方法を使用してバッフルが形成された後、ペーストをシムから引き離すためにシムを横方向に滑らせ、シムをアノード集電装置の縁部から引き離すことにより、シムが除去される。その後、シムは拭き取られて再利用される。マスキングテープも集電装置から除去される。
【００５７】
端部バッフル及び方向転換バッフルがアノード集電装置上に形成された後、それらのバッフルは室温で約４時間乾燥される。アノード集電装置の波形構造及び下面の余分なペーストはカミソリ刃及び湿らせた布を使用して除去される。上述の方法を使用して形成された仕上げ後の端部バッフル１２４及び３つの方向バッフル１２６は図５Ｂの写真に示される。
【００５８】
次に、酸化剤ガスバッフル構体１２２を製造するためのスラリを調製する方法及びそのスラリから方向転換構体のバッフルを形成する方法を説明する。前述したように、図１Ａ及び図１Ｂのバッフル構体の連続するバッフル材料と同様に、スラリは結合剤及び金属粉末から構成される混合物である。特に、酸化剤バッフルスラリは所定の量の結合剤及びニッケル粉末から調製される。本例においては、スラリは結合剤及びＮｉ２５５粉末を含む。結合剤はＰＶＡ（ポリビニルアルコール）結合剤から製造される。
【００５９】
バッフル構体１２２の端部バッフル１２８は、先に燃料方向転換構体１２０の燃料ガス端部バッフル１２４、１２５に関して説明したのと同様の方法を使用してカソード集電装置にバッフルスラリを塗布することにより形成される。特に、ＦＥＰフィルムで包まれたシムをカソード集電装置の側縁部に沿って配置した後、端部バッフル１２８の境界を規定するためにマスキングテープが貼付される。特に、マスキングテープはカソード集電装置の側縁部から約０．８８インチ、カソード出口縁部から約０．８８インチの場所に配置される。次に、シム及びマスキングテープにより規定されたカソード集電装置の端部バッフル領域にバッフルスラリが塗布される。スラリを塗布した後、シムは除去され、洗浄され、再利用される。
【００６０】
酸化剤ガス方向転換バッフル１３０も、先に燃料方向転換バッフル１２６に関して説明したのと同様の方法を使用して製造される。この場合、ＦＥＰフィルムで包まれたシムが、カソード集電装置のそれぞれの側縁部に沿って配置される。カソード集電装置の側縁部から約０．８８インチ離間して、カソード側ウェットシール領域の長さに沿ってカソード集電装置上にマスキングテープが配置される。マスキングテープは酸化剤方向転換バッフル１３０の長さ境界を規定する。
【００６１】
次の工程においては、シム及びマスキングテープにより規定された領域の中のカソード集電装置の所定の場所に所定のパターンで適切な量のバッフルスラリが供給される。本例においては、各方向転換バッフルは、「Ｔ」の最上部がマスキングテープにより規定された境界に隣接する状態でスラリをＴ字形パターンで供給することにより形成される。スラリは、カソード集電装置の側縁部に対して垂直にバッフルを形成するように供給される。スラリは、スキージー又はローラを使用して方向転換バッフルごとにカソード集電装置の波形構造の高さにならされる。完成した方向転換バッフルは、マスキングテープにより規定されたように約０．８８インチの幅及び約０．８８インチの長さを有する。
【００６２】
前述したように、方向転換バッフルは集電装置上に所定の間隔で形成される。本例の場合、複数の方向転換バッフルは、バッフル間の間隔が約２〜３インチになるように２〜３インチ間隔でスラリを供給することにより形成される。
【００６３】
上述したＮｉペースト及びジルコニウム系セラミックセメントに加えて、バッフル構体１２０及び１２２のバッフルの製造には、他の耐高温耐食性材料を使用できる。他の例はZYF型ジルコニアフェルト（Zircar Zirconia, Inc.）及びセラミック紙などである。それらの固体材料は適切な形状に切断され、集電装置の縁部に挿入又は接着されなければならない。ジルコニアフェルトをガスケット材料として燃料電池環境で試験したところ、優れた性能を示した。ZYF型ジルコニアフェルトシリーズは、機械的に絡み合わされた直径４〜６μのイットリア安定化ジルコニア繊維から構成される。それらのフェルトは無機繊維であり且つ結合剤を含有しないため、極めて高温の腐食環境に耐えることができる。それらの材料は強力な酸化環境及び還元環境においても同等の耐食性を示す。
【００６４】
性能を更に向上し且つ材料を節約するために、ジルコニアフェルトのロール又はシートを任意の形状に切断することもできる。組み立てを容易にし且つ材料の使用量を減少するために、固体材料の柔軟な条片を種々の形状で設計できる。
【００６５】
図２〜図５の個々のバッフル構体を形成するためにフェルト材料を使用できるが、個々のバッフル片を形成するためには、調製及び配置に相当な時間を要する。フェルト材料の使用に適するバッフル構体１２０及び１２２に代わるバッフル構体構造は、図６及び図７Ａ〜図７Ｂに示される鋸歯型構体である。図６に示される集電装置プレート１７１上の鋸歯バッフル１６１は、図７Ａに示されるような所望のジグザグパターンに従ってフェルト材料の条片を中央で切断することにより製造できる。その結果形成された材料片１６１を図７Ｂに示されるように分離すると、個別のバッフルが得られる。その後、それらのバッフルは、図６に示されるように、集電装置１７１の両縁部に沿って配置され、両縁部に接着される。鋸歯形バッフルを集電装置の縁部に貼付した後、多孔質ジルコニアフェルト構造を硬化及び補強するために、例えば、Zirconia Rigidizer（Zircar Zirconia, Inc.）のようなセラミックリジダイザを使用できる。
【００６６】
図６、図７Ａ〜図７Ｂの鋸歯バッフル構成は、材料を相当に節約できる。また、隣接する歯の間の開放領域は、ウェットシール領域において連続的にメタンを改質するための触媒を装填するのに理想的な場所である。
【００６７】
アノード集電装置プレートの縁部に沿って整列させなければならない材料片の数が少なくなるため、鋸歯形バッフルは装着が容易である。更に、鋸歯形状であるためバッフル歯の間隙が狭く、ウェットシール領域に侵入するガスの量が減少する。鋸歯構体の連続する構成は、集電装置プレートの外側縁部へのガス漏れも防止する。これは、縁部シール空隙を通る反応体ガスの漏れを最小限に抑えるのに役立つ。
【００６８】
バッフル構体を製造する費用は、特に、材料ウェットシール領域を密封するために必要とされる材料、すなわち、ペースト、スラリ、フェルトなどの量に正比例することは明らかである。従って、費用面での制約を満足させると同時に、燃料ガス及び酸化剤ガスがプレート構体の活性領域をバイパスするのを防止するという所望の効果を実現するように、必要とされる材料の量を制限する特定の構体を選択することができる。更に、バイポーラプレート構体のウェットシール領域の剛性に対する影響を制限するようにバッフル構体を選択できる。その結果、燃料電池の熱サイクル中の電池活性領域の構成要素間の接触損失が阻止されるように、燃料電池スタック、特にウェットシール領域の機械的特性は維持される。
【００６９】
図８〜図１０は、縁部７０１ａ及び７０１ｂに沿ってバッフル構体７０２が設けられた集電装置プレート７０１の更なる実施形態を示す。それらの縁部は、先に集電装置１１６及び１１８に関して説明したようにバイポーラセパレータプレートの対応するポケット領域に位置している。この場合、バッフル構体のバッフル７０２ａは、集電装置プレート自体から形成される。特に、図示される構成の場合、バッフルは次のようにして製造される。バッフルが配置される側縁部に沿った領域内の集電装置の波形構造７０３は、それらの領域でプレートが平坦になるように平らにならさる。フラップ又は折り返しセグメントを形成するために、平坦にされた領域でＬ字形打ち抜きが実行される。次に、フラップ又は折り返しセグメント又は部分は、プレートの平面からプレートの波形構造の高さまで上方へ折り曲げられる。これにより、折り曲げられたフラップ又は折り返しプレート部分は所望のバッフルを形成する。方向転換バッフル及び端部バッフルの双方をこのようにして形成できる。
【００７０】
尚、集電装置プレート１１６、１１８及び７０１はバイポーラプレート１００Ａと同様にステンレス鋼プレート材料から製造できる。ポケット部材１０４、１０６、１１０及び１１２もステンレス鋼プレート材料から製造できる。
【００７１】
図１、図２Ａ〜図２Ｃ及び図４のバッフル構体１２０及びバッフル構体１２２においては、方向転換構体の性能を改善し且つ製造費用を低減するために、バッフルの数及び形状を最適化できる。バッフルの数及び装着角度を最適化するために、計算流体力学を使用して構体の性能を解析できる。特に、各構体の性能は、バッフルの数によって変化するガスの流れ漏れ率によって直接影響を受ける。流れ漏れ率は次の式を使用して判定される。
【００７２】
流れ漏れ率  ＝  バイパス比  −  （バイパス比＊バッフル数）／スロット数  ・・・（１）
バイパス比  ＝  流入スロット／総入口流れ      ・・・（２）
式（１）において、バッフル数は使用されるバッフルの数であり、スロット数はバッフル間の空間の数を表す。
【００７３】
図１、図２Ａ及び図４Ａに示される構造を使用して、方向転換バッフルの数を種々に変えて燃料ガス方向転換構体及び酸化剤ガス方向転換構体の性能を試験した。それらの構造において、燃料ガスのバイパス比は約０．５％未満であり、酸化剤ガスのバイパス比は約０．８％未満であった。
【００７４】
図１１は、異なる数の方向転換バッフルを採用した図１、図２Ａ及び図４Ａのバッフル構体の性能を示すグラフである。特に、図１１のＸ軸は各方向転換構体において使用されたバッフルの数を表し、Ｙ軸は流れ漏れ率、すなわち、不活性ウェットシール領域の中へ流れたガスの割合（％）を表す。
【００７５】
図１１からわかるように、アノード側方向転換バッフルが使用されなかった場合、燃料ガスの約８％がアノード活性領域１０８をバイパスして不活性ウェットシール領域１０４ａ、１０６ａに流入した。アノード側方向転換バッフルの数が増すにつれて、燃料ガスの流れ漏れ率は減少した。特に、燃料方向転換バッフルの数が１０まで増加した場合、流れ漏れ率は約２．４％まで減少し、方向転換バッフルの数が１４又は１８まで増加した場合には、流れ漏れ率は１％未満まで更に減少した。
【００７６】
同様に、カソード側方向転換バッフルが使用されなかった場合、酸化剤ガスの約５．５％が、不活性ウェットシール領域１１０ａ、１１２ａに流入することによりカソード活性領域１１４をバイパスした。各方向転換構体１２２において１つの酸化剤ガス方向転換バッフルが使用された場合、酸化剤ガスの流れ漏れ率は２．７％まで減少した。酸化剤ガス方向転換バッフルの数が３に増加すると、酸化剤ガスの流れ漏れ率はわずかに１％を超えるまでに減少し、各酸化剤バッフル構体において４つ、５つ又は７つの方向転換バッフルが使用された場合には、酸化剤流れ漏れ率は１％未満まで更に減少した。
【００７７】
図１１からわかるように、燃料方向転換バッフルの最適な数は１４〜１８であり、酸化剤ガス方向転換バッフルの最適な数は３〜７である。先に説明した例とは異なる寸法を有する構体においては、方向転換バッフルの最適な数が異なることは明らかである。更に、ガスのバイパス比が増減した場合、方向転換バッフルの最適な数は異なる。
【００７８】
あらゆる例において、以上説明された構造は、本発明の適用用途を表す多くの可能な特定の実施形態の例示にすぎないことが理解される。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って多くの多様な他の構造を容易に考案できる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
本発明の上記の特徴及び面並びにその他の特徴及び面は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるであろう。
【図１】バッフルを有する燃料電池プレート構造を示す図である。
【図１Ａ】図１のプレート構造のアノード集電装置及びカソード集電装置をそれぞれ示す概略図である。
【図１Ｂ】図１のプレート構造のアノード集電装置及びカソード集電装置をそれぞれ示す概略図である。
【図２Ａ】図１のプレート構造のアノード集電装置の別の形態を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのプレート構造のアノード集電装置の端部分を示す展開図である。
【図２Ｃ】図２Ａのプレート構造のアノード集電装置の変形例を示す概略図である。
【図３】図１のプレート構造のアノード側の一部分を示す横断面図である。
【図４Ａ】図１のプレート構造のカソード集電装置の別の形態を示す概略図である。
【図４Ｂ】図１のプレート構造のカソード側の一部分を示す横断面図である。
【図５Ａ】図１に示される種類のプレート構造のアノード集電装置の側縁部に沿ったバッフルペーストを示す写真である。
【図５Ｂ】図１に示される種類のプレート構造のアノード集電装置の端部にあって側縁部に沿ったバッフルペーストを示す写真である。
【図６】鋸歯形バッフル及びバッフル材料を節約するバッフル製造方法を示す図である。
【図７Ａ】鋸歯形バッフル及びバッフル材料を節約するバッフル製造方法を示す図である。
【図７Ｂ】鋸歯形バッフル及びバッフル材料を節約するバッフル製造方法を示す図である。
【図８】バッフルが集電装置プレートのフラップ又は折り返し部分により形成されるプレート構造の集電装置の別の実施形態を示す図である。
【図９】バッフルが集電装置プレートのフラップ又は折り返し部分により形成されるプレート構造の集電装置の別の実施形態を示す図である。
【図１０】バッフルが集電装置プレートのフラップ又は折り返し部分により形成されるプレート構造の集電装置の別の実施形態を示す図である。
【図１１】図１のプレート構造の性能結果を示すグラフである。
【図１】
2009532832.tif 000003
【図１Ａ】
2009532832.tif 000004
【図１Ｂ】
2009532832.tif 000005
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2009532832.tif 000007
【図２Ｃ】
2009532832.tif 000008
【図３】
2009532832.tif 000009
【図４Ａ】
2009532832.tif 000010
【図４Ｂ】
2009532832.tif 000011
【図５Ａ】
2009532832.tif 000012
【図５Ｂ】
2009532832.tif 000013
【図６】
2009532832.tif 000014
【図７Ａ】
2009532832.tif 000015
【図７Ｂ】
2009532832.tif 000016
【図８】
2009532832.tif 000017
【図９】
2009532832.tif 000018
【図１０】
2009532832.tif 000019
【図１１】
2009532832.tif 000020
【国際調査報告】
2009532832.tif 000021
2009532832.tif 000022
2009532832.tif 000023