(57)【要約】スタック内の燃料電池のアノード側およびカソード側に反応物を供給する燃料電池スタックで使用するための双極プレートアセンブリが提供される。この双極プレートアセンブリは、第１の面の表面内部に形成された冷却材流れ場を有する前記第１の面の表面および第２の面の表面内部に形成された反応物流れ場を有する前記第２の面の表面をそれぞれ備える第１および第２のサブプレートを備えている。上記第１および第２のサブプレートの冷却材の場は、その間にそれぞれの流れ抵抗を有し、流体量が異なる領域を備えている。この流体量が異なる領域により、燃料電池スタックをまたがる可変冷却が可能になり、これによって燃料電池スタック全体にわたって一定の温度を得ることが可能になる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に連結されてその間に冷却材流路を形成する第１のプレートと第２のプレートを備え、前記第１のプレートが、第１の面内に形成された冷却材流れ場を備えた前記第１の面を有し、前記冷却材流れ場が、
第１の拡散領域と、
第２の拡散領域と、
前記第１の拡散領域と第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第１の流体量領域と、
前記第１の拡散領域と第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第２の流体量領域とを含むプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池を通して冷却材を導くプレートアセンブリであって、
前記第１のプレートをまたがる冷却速度に変化を与えるように、前記第１の流体量領域を流れる冷却材の量が前記第２の流体量領域を流れる冷却材の量と異なるプレートアセンブリ。
【請求項２】
供給ヘッダーと前記第１の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための入口領域をさらに含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項３】
排出ヘッダーと前記第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための排出領域をさらに含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項４】
前記第１の拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項５】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項４に記載のプレートアセンブリ。
【請求項６】
前記第２の拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項７】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項６に記載のプレートアセンブリ。
【請求項８】
前記第１の流体量領域が前記第２の流体量領域より流体量が多い領域である請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項９】
前記第１の流体量領域が、前記第１のプレートの中央に配置された複数の経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１０】
前記第２の流体量領域が、前記第１のプレートのほぼ周辺に配置された複数の経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の流体量領域の前記経路がまっすぐである請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１２】
前記第２の流体量領域の前記各経路がそれぞれ少なくとも１つの曲がった移行区間を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１３】
前記第１のプレートが、第２の面内に形成された反応物流れ場を有する前記第２の面をさらに含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１４】
前記第２のプレートが、第１の面内に形成された第２の流体流れ場を備えた前記第１の面を有し、前記第２のプレートの前記第１の面が前記第１のプレートの前記第１の面に隣接して配置され、前記第２の冷却材流れ場が、
第３の拡散領域と、
第４の拡散領域と、
前記第３の拡散領域と第４の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第３の流体量領域と、
前記第３の拡散領域と第４の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第４の流体量領域とを含み、
前記第３の流体量領域を流れる冷却材の量が前記第４の流体量領域を流れる冷却材の量と異なり、これによって前記第２のサブプレートをまたがる冷却速度に変化を与えている請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１５】
前記第１および第２の各プレート間に配置された中間プレートをさらに含む請求項１４に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１６】
前記第２のプレートが、第２の面内に形成された反応物流れ場を有する前記第２の面をさらに含む請求項１４に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１７】
入口拡散領域と、排出拡散領域と、前記入口拡散領域と排出拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第１の流体量領域と、前記入口拡散領域と排出拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第２の流体量領域とを含む内部冷却材流れ場を有する双極プレートアセンブリと、
前記双極プレートアセンブリの前記入口拡散機領域に配給される液体冷却材の供給源とを備えるプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池であって、
前記双極プレートアセンブリをまたがる冷却速度に変化を与えるように、前記第１の流体量領域を流れる前記冷却材の量が前記第２の流体量領域を流れる前記冷却材の量と異なるＰＥＭ型燃料電池。
【請求項１８】
前記双極プレートアセンブリが、前記冷却材の供給源と前記入口拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための入口領域をさらに含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項１９】
前記双極プレートアセンブリが、前記冷却材の供給源と前記排出拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための排出領域をさらに含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２０】
前記入口拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２１】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項２０に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２２】
前記排出拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２３】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項２２に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２４】
前記第１の流体量領域が前記第２の流体量領域より流体量が多い領域である請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２５】
前記第１の流体量領域が、前記双極プレートアセンブリの中央に配置された複数の経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２６】
前記第２の流体量領域が、前記双極プレートアセンブリの周辺に配置された複数の経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２７】
前記第１の流体量領域の前記経路がまっすぐである請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２８】
前記第２の流体量領域の前記各経路がそれぞれ少なくとも１つの曲がった移行区間を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２９】
前記双極プレートアセンブリが、反応物ガスが流れる外部流れ場の境界を定めている請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にプロトン交換膜型燃料電池に関し、さらに詳細に述べると燃料電池スタック内の隣接する燃料電池を分離する双極プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は多くの用途で電源として用いられてきた。たとえば、燃料電池を、内燃機関に置き替わる電気自動車の動力装置に使用することが提案されている。プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池では、燃料電池のアノードに水素が供給され、カソードには酸化性物質として酸素が供給される。ＰＥＭ型燃料電池には、一方の面上にアノード触媒を有し反対面上にカソード触媒を有する薄い、プロトン透過性の非電導性固体高分子電解質膜を備えた膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）が含まれる。このＭＥＡは、（１）１つの燃料電池のアノードから燃料電池スタックの隣接する電池のカソードに電子を通し、（２）各アノードおよびカソード触媒の表面上に燃料電池のガス状反応物を分配するために適切な経路および／または経路内に形成された開口部を含み、（３）適切な冷却材を燃料電池スタック全体に分配して温度を保持するために適切な経路および／または経路内に形成された開口部を含む一対の非多孔質、電導性の素子またはプレートの間に挟まれている。
【０００３】
「燃料電池」の用語は一般に、背景に応じて単セルまたは複数セル（スタック）のいずれかに言及する場合に用いられる。複数の個別セルは、一般に１つに束ねられて燃料電池スタックを形成し、電気的に直列に配置されるのが普通である。スタック内の各セルは上記の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を備えており、このようなＭＥＡがそれぞれ電圧の増加をもたらしている。スタック内の隣接する一群のセルはクラスタと呼ばれている。例として、スタック内の複数セルのいくつかの代表的な配置が米国特許第５６６３１１３号に示され、説明されている。
【０００４】
ＰＥＭ型燃料電池では、水素（Ｈ2）がアノード反応物（すなわち、燃料）であり、酸素がカソード反応物（すなわち、酸化性物質）である。酸素は純粋な形態（Ｏ2）または空気（Ｏ2およびＮ2の混合物）の形態のどちらでも可能である。
【０００５】
ＭＥＡを挟んでいる電導性のプレートは、各カソードおよびアノードの表面上に燃料電池のガス状反応物（すなわち、水素および空気の形の酸素）を分配するための反応物流れ場の境界を定める数多くの溝をその面内に含むことができる。これらの反応物流れ場は一般に複数の流れ経路をその間に形成する複数の山の部分を備えており、その流れ経路を通って、流れ経路の一端にある供給ヘッダーから流れ経路の反対端にある排出ヘッダーにガス状反応物が流れる。
【０００６】
燃料電池スタック内では、複数のセルが、ガス透過性の電導性双極プレートによって分離されたままで電気的に直列に積層されている。ある例では、この双極プレートは、外面表面上に反応物流れ場が形成された一対の薄い金属板を固定することによって形成されるアセンブリになっている。一般に、内部冷却材流れ場は双極プレートアセンブリの金属プレート間に設けられている。燃料電池冷却を向上するために、この金属プレート間にスペーサプレートを配置して伝熱特性を最適化することも知られている。ＰＥＭ型燃料電池で用いられるこのタイプの双極プレートアセンブリの様々な例が、一般所有の米国特許第５７６６６２４号に示され記載されている。
【０００７】
一般に、燃料電池スタックに付随する冷却システムは、燃料電池スタックを通って熱交換器まで液体冷却材を循環させる循環ポンプを備えており、熱交換器において廃熱エネルギー（すなわち、熱）が周囲環境に熱移動する。代表的な液体冷却材の熱特性から、特に最大出力条件下でスタックの温度を許容範囲内に保持するために比較的多くの量をシステムを通して循環させて廃エネルギーを十分に廃棄することが要求される。この目的に対して、燃料電池スタックの運転効率およびスタック構成部品の耐久性を向上するために各燃料電池の全長にわたって一定の運転温度を保持することが望ましい。しかしながら、大部分の双極プレート（および単極のエンドプレート）は、プレートアセンブリ全体を通して均一な流量の冷却材を供給するように構成されている冷却材流れ場を有しており、これによって燃料電池のある部分は過冷却になり、一方、他の部分は冷却不足になる。スタックの周辺では輻射伝熱および対流伝熱が起こるので燃料電池の活性区域の中心部ではより多くの冷却を要求することが好ましい。
【０００８】
したがって、産業界において燃料電池スタック全体にわたって全体的に均一な冷却を提供する機構を提供することが望ましい。このようにして、一定で均一な燃料電池スタックの運転温度を達成することができ、これにより燃料電池スタックの効率と耐久性が向上する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池を通して冷却材を導くプレートアセンブリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このプレートアセンブリは、反応物流れ場の境界を定める第１の側と冷却材流れ場の境界を定める第２の側とを有するプレートを備えている。この冷却材流れ場は、第１の拡散領域と流れが連絡している入口供給領域と、第２の拡散領域と流れが連絡している出口排出領域と、上記第１の拡散領域と第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために上記各拡散領域を相互に連結する低抵抗領域と、上記第１の拡散領域と第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために上記各拡散領域を相互に連結する高抵抗領域とを含むいくつかの別個の流れ領域に分割されている。この低抵抗領域を流れる冷却材の量は高抵抗領域を流れる冷却材の量とは異なり、これによってプレートアセンブリをまたがる冷却速度に変化を与えている。
【００１１】
本発明により燃料電池スタック全体にわたって均一な温度を達成することが可能になり、これによって活性領域全体にわたって反応の最適化を図ることが可能になり、これにより当然のことながら燃料電池スタックの効率が増加する。
【００１２】
本発明により、必要なポンプ電力を低減させて燃料電池スタック温度の制御に必要なエネルギー量を低減することも可能になり、これによって、全体的なシステム効率がさらに増加し、コストが低減される。
【００１３】
本発明の別の応用分野は、本明細書に記載の詳細な説明から明白になるであろう。この詳細な説明および具体的な実施例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、単に例示のためのものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではないことを理解すべきである。
【００１４】
本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の好ましい実施形態についての説明は、例示的なものに過ぎず、決して本発明、その応用先または用途を限定しようとするものではない。
本発明についてさらに説明する前に、本発明が内部で動作する模範的な燃料電池システムを理解することが有用である。具体的に述べると、図１は、非多孔質、電導性の液冷却型双極プレートアセンブリ８によって互いに分離された一対の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４および６を有するプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池スタックを示している。ＭＥＡ４および６はそれぞれ、対応するカソード面４ａ、６ａおよびアノード面４ｂ、６ｂを有している。ＭＥＡ４および６および双極プレートアセンブリ８は、非多孔質、電導性の液冷却型単極エンドプレートアセンブリ１４および１６の間に一緒に積層されている。この模範的な燃料電池スタックを密閉するために鋼鉄製のクランププレート１０および１２が設けられている。クランププレート１０および１２にはコネクタ（図示してない）が取り付けられて燃料電池の正と負の端子を形成している。双極プレートアセンブリ８およびエンドプレートアセンブリ１４および１６は、それに対応する流れ場２０、２２、１８および２４を備え、各流れ場は燃料および酸化性物質の各ガス（すなわち、Ｈ2およびＯ２）をＭＥＡ４および６の反応面に分配するため各プレートの面内に形成された複数の流れ経路を有している。非導電性のガスケットないしはシール２６、２８、３０および３２が燃料電池スタックのいくつかのプレート間を封止し、電気的に絶縁している。
【００１６】
図１の説明を続けると、ＭＥＡ４および６の電極面に押し付けられ、電極の一次集電板の役割を果たす多孔質でガス透過性の電導性シート３４、３６、３８および４０が示されている。一次集電板３４、３６、３８および４０はまた、それがないと流れ場においてＭＥＡの支えがない場所において特に、ＭＥＡ４および６に対する機械的支持物を提供する。好適な一次集電板には炭素／グラファイトの紙／布、細かいメッシュの貴金属網、連続気泡発泡貴金属等があり、これらはガスを通過させながら電極から電流を伝える。
【００１７】
エンドプレート１４および１６は、ＭＥＡ４のカソード面４ｂ上の一次集電板３４におよびＭＥＡ６のアノード面６ａ上の一次集電板４０にそれぞれ押し付けており、一方、双極プレートアセンブリ８はＭＥＡ４のアノード面４ａ上の一次集電板３６におよびＭＥＡ６のカソード面６ｂ上の一次集電板３８にそれぞれ押し付けている。酸素または空気等の酸化性物質ガスが、貯蔵タンク４６から適当な供給配管４２を経由して燃料電池スタックのカソード側に供給される。同様に、水素等の燃料が、貯蔵タンク４８から適当な供給配管４４を経由して燃料電池のアノード側に供給される。好ましい実施形態では、酸素タンク４６は取り除いてもよく、その結果、大気中の空気が周囲環境からカソード側に供給される。同様に、水素タンク４８を取り除いてもよく、水素は、触媒作用によってメタノールまたは液体炭化水素（たとえば、ガソリン）から水素を発生する改質装置からアノード側に供給される。図示してないが、アノード反応物流れ場から水素を消費したアノードガスを、カソード反応物流れ場から酸素を消費したカソードガスを、それぞれ除去するためにＭＥＡ４および６の水素（Ｈ2）側および酸素（Ｏ2）／空気側両方にも排出配管が設けられている。燃料電池スタックの入口ヘッダー（図示してない）から双極プレートアセンブリ８およびエンドプレート１４および１６の冷却材流れ場に液体冷却材を供給するために冷却材供給配管５０、５２および５４が設けられている。図示してないが、燃料電池スタックの双極プレートアセンブリ８およびエンドプレート１４および１６から排出ヘッダーへ吐出される加熱された冷却材を配給するために冷却材排出配管が設けられている。連続的に液体冷却水を循環させ、スタックから廃熱を除去して周囲環境に廃棄するように動作可能な燃料電池冷却システムが、従来のとおり、スタック入口と排出ヘッダーの間に連結されている。
【００１８】
改質油を作る方法に関係なく水素に富んだ改質油が図示された燃料電池に燃料を供給している。本明細書で実現された原理は、メタノール、エタノール、ガソリン、アルケン、またはその他の脂肪族炭化水素ないしは芳香族炭化水素等の改質可能な炭化水素または酸素含有燃料を含め、任意の供給源から、または水素等の乗り物に積んだ貯蔵燃料から得られた水素によって燃料が供給される燃料電池に適用可能であることを理解すべきである。
【００１９】
図２は、燃料電池内で積み重ねた関係で配置される双極プレートアセンブリ８、一次集電板３８、ＭＥＡ６および一次集電板４０の分解図を示している。（図１に示すように）第２の一次集電板４０の下にエンドプレートアセンブリ１６が置かれて燃料電池を形成するであろう。別組の一次集電板３４および３６、ＭＥＡ４およびエンドプレートアセンブリ１４が、（図１に示すように）双極プレートアセンブリ８の上に重なって燃料電池を形成するであろう。後で詳細に説明するように、本発明は、双極プレートアセンブリ８およびエンドプレートアセンブリ１４および１６に付随した独特の冷却材流れ場構成に関するものである。
【００２０】
本発明の双極プレートアセンブリ８およびエンドプレートアセンブリ１４および１６は液冷却型であり、（１）ＰＥＭ型燃料電池スタック１０の隣接する燃料電池を分離する、（２）燃料電池にＨ2および空気／Ｏ2を分配し、（３）ＰＥＭ型燃料電池スタックの隣接する燃料電池間で電流を伝え、（４）ＰＥＭ型燃料電池スタックを冷却する各機能を与えるものである。図２および３に示すように、双極プレートアセンブリ８は、それぞれ耐腐食性の金属板で作られた第１のサブプレート６０および第２のサブプレート６２を備えている。第１のサブプレート６０は、外部反応物流れ場の範囲を定めている複数の溝すなわち流れ経路６８をその間に形成する複数の山の部分６６を備えるように形成された外面表面６４を有している。第１のサブプレート６０はさらに、内部冷却材流れ場の範囲を定めている複数の溝すなわち流れ経路７４の境界を定める複数の山の部分７２を有する内面表面７０を備えている。
【００２１】
第２のサブプレート６２は、第１のサブプレート６０と鏡像の関係になり、その結果、外面表面６４’が外部反応物流れ場の範囲を定めている一連の流れ経路６８’の境界を定める山の部分６６’を備えることが好ましい。第２のサブプレート６２の内面表面７０’は、冷却材流れ場の範囲を定めている一連の流れ経路７４’の境界を定める複数の山の部分７２’を有する。サブプレート６０および６２は、プレス加工、フォトエッチングにより（すなわち、フォトマスクにより）またはその他の板金を形削りする従来法によって成形することが好ましい。しかしながら、当業者は、サブプレート６０および６２を成形するために他の適切な材料および製造方法を利用することができることを理解するであろう。運転において例を挙げると、第１のサブプレート６０の反応物流れ場は燃料電池にＨ2を分配し、一方、第２のサブプレート６２の反応物流れ場は燃料電池に空気／Ｏ2を分配する。エンドプレートアセンブリ１４および１６は、サブプレート６０および６２とほぼ同様の反応物および冷却材の各流れ場を有する電導性プレートを含むことが好ましい。そういうものとして、サブプレート６０および６２の以下の説明、およびそれらの独特な冷却材流れ場構成は、単極エンドプレートアセンブリ１４および１６に付随する電導性プレートの構造および機能を同じように扱うことを意図している。
【００２２】
図３から最もよく分かるように、第１および第２のサブプレート６０および６２の内面表面７０および７０’は互いに向かいあっており、その結果、冷却材流れ経路７４および７４’は共同で、実質的に誘電性の液体冷却材を受け入れるように構成された冷却材流路７８の境界を定めている。サブプレート６０および６２は、これに限定はしないがろう付けを含め、従来技術で知られたいくつかの接合方法のうちのいずれか１つを使用して結合されている。しかしながら、サブプレート６０および６２は互いに直接接合することもできるが、それらをそれぞれ、この冷却材流路７８を副通路７８ａおよび７８ｂに仕切る個別の、中間金属スペーサプレート８０に接合することができることも予測される。スペーサプレート８０は、ある限られた冷却材横断流を受け入れるために開口部を設けてもよい。この仕切りによる分割配置の様子は図４に最もよく示されている。各サブプレート６０、６２および中間プレート８０は、チタン、またはその合金を含んでもよいが、これに限定はしないが貴金属、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウムおよびクロム等の他の耐腐食性金属を含むこともできる。
【００２３】
上記したように、第２のサブプレート６２の冷却材流れ場は一般に、流れ抵抗が異なるいくつかの個別領域を形成するように配向された一連の経路７４’および山の部分７０’を備えている。これらの領域は、図５に想像線で輪郭を描いたように、供給領域８２、第１の拡散領域８４、中央高流体量領域８６、一対の周辺低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂ、第２の拡散領域９０、および排出領域９２を含んでいる。供給領域８２によって冷却材の第１の拡散領域８４への流れが可能になり、拡散領域８４が次にこの冷却材を高流体量領域８６および低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂを通るように振り向ける。高流体量および低流体量の各領域８６および８８Ａ、８８Ｂを流れる冷却材は、第２の拡散領域９０において再び集められ、双極プレートアセンブリ８から排出領域９２を経由して排出ヘッダーに吐出される。
【００２４】
図６Ａおよび７から最もよく分かるように、供給領域８２は、一連の平行な供給流れ経路９６の境界を定めている一連のまっすぐな、一般には短い山部９４を備えている。第１の拡散領域８４は、入口山部９４と位置を揃えた等しい間隔の柱群の形で配列した一連の四角い突出部すなわちブロック９８によって境界が定められている。このようにして、ブロック９８は、入口流れ経路９６と軸を揃えた第１の一連の拡散体流れ経路１００、および第１の拡散体流れ経路１００に対して一般に直交するように揃えた第２の一連の拡散体流れ経路１０２の境界をそれぞれ定めている。
【００２５】
主に図５および８について説明すると、排出領域９２が、一連の平行な排出流れ経路１０６の境界を定めている一連のまっすぐな、一般には短い山部１０４を備えているという点で供給領域８２の構成とほぼ類似の構成になっている状態が示されている。第２の拡散領域９０は、排出山部１０４と位置を揃えた等しい間隔の柱群の形で配列した一連のブロック１０８によって境界が定められている。このようにして、ブロック１０８は、排出流れ経路１０６と軸を揃えた第１の一連のコレクタ流れ経路１１０、および第１のコレクタ流れ経路１１０に対して一般に直交するように揃えた第２の一連のコレクタ流れ経路１１２の境界をそれぞれ定めている。
【００２６】
第１の拡散領域８４と第２の拡散領域９０の間には、図６Ｂに最もよく示されている一連の長くてまっすぐな山部１１４を含む高流体量領域８６が直接配置されている。山部１１４は一般に、一連の高容量流れ経路１１６の境界を定めるように入口山部９４、ブロック９８および１０８の柱群および排出山部１０４と位置が揃えられている。それゆえに、入口流れ経路９６から拡散体流れ経路１００、高容量流れ経路１１６およびコレクタ流れ経路１１０を通って排出流れ経路１０６まで低抵抗の流体流路が確立されている。
【００２７】
上記したように、冷却材は、一対の低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂ経由で第１の拡散領域８４から第２の拡散領域９０に経路を設定されている。図７に示すように、領域８８Ａは、第１の一連の流れ経路１２０の境界を定める複数のＬ字形山部１１８を有している。各流れ経路１２０は、第１の拡散体流れ経路１００のうちの１つと流れが連絡しており、第２のコレクタ流れ経路１１２のうちの１つと流れが連絡している横断経路部分１２４を備えている。図で分かるように、第１の経路部分１２２は一般に流れ経路１１６に平行であり、一方、第２の経路部分１２４は流れ経路１１６に対して一般に垂直に向いている。さらに、領域８８Ａは、第２の一連の流れ経路１２６の境界を定める複数のＣ字形山部１２５を有している。各流れ経路１２６は、第２の拡散体流れ経路１０２（図７）のうちの１つと流れが連絡している第１の経路部分１２８、流れ経路１２０の経路部分１２２と一般に平行な第２の経路部分１３０およびコレクタ流れ経路１１２（図８）のうちの１つと流れが連絡している第３の経路部分１３２を有している。低流体量領域８８Ｂは、同じだがダッシュ符号の付いた参照数字によって表される対応した経路部分を備える同様の流れ経路１２０’、１２６’を有している。
【００２８】
一般に、高流体量領域８６は、より低い流体量領域８８Ａおよび８８Ｂの流れ抵抗に対してより低い流れ抵抗を有している。基本的に、より大きい流れ抵抗を有する経路は、流れ抵抗がより小さい経路と比較して、そこを通って移動する流体の容量が小さくなる。冷却について、経路をより大量の冷却材が流れると、冷却能力の向上をもたらす。それゆえに、高流体量領域８６は、低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂと比べて冷却能力の増加をもたらす。
【００２９】
運転において、冷却材は、供給領域８２の入口経路９４を通って冷却材流れ場に入り、第１の拡散領域８４に流入する。第１の拡散領域８４の幾何学的形状（なすわち、ブロック９８および垂直な流れ経路１００および１０２）によってそこの流れ抵抗が高くなっている。結果として、冷却材が分散され、高流体量および低流体量の領域８６および８８Ａ、８８Ｂの流れ経路のすべてを経由して送られる。この冷却材は高流体量および低流体量領域８６および８８Ａ、８８Ｂを流れ、排出領域９２を通して吐出するために第２の拡散領域９０に集まる。
【００３０】
冷却材の流れのパターンは、いくつかの設計変数のどれか１つを変更することにより変えることができる。これらの設計変数には、これに限定するものではないが、冷却材流れ場の様々な領域のブロック９８、１０８および流れ経路の寸法、形状およびピッチ等がある。ピッチを減少させること、障害物の寸法を増加させることおよび／または経路寸法を減少させることはすべて各領域の流れ抵抗を増加させる。第１および第２の拡散領域の流れ抵抗を増加させると分散作用が増加し、より多量の冷却材が低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂを流れることが可能になる。低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂの流れ抵抗を変える効果は、相対的な流れ抵抗に依存する。高流体量領域８６の流れ抵抗を増加させ、低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂの流れ抵抗を低減するか一定に保った場合は、より大きなパーセンテージの合計冷却材流が低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂを流れることになる。同じように、高流体量領域８６の流れ抵抗を減少させ、低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂの流れ抵抗を増加させるか一定に保った場合は、より小さなパーセンテージの合計冷却材流が低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂを流れることになる。
【００３１】
流れ経路の相対長さもまた各領域を通る冷却材の流れの割合に影響を及ぼす。高流体量領域８６の流れ経路の長さに対して低流体量領域８８Ａおよび８８Ｂの流れ経路の長さが長くなればなるほど、高流体量領域８６を流れる冷却材の分が多くなる。
【００３２】
高流体量および低流体量領域間の流れ抵抗に差異がある結果として、低流体量領域よりもより多量の冷却材が高流体量領域８６を流れることができる。それゆえに、本発明の双極プレートアセンブリ８によって、周辺部よりも燃料電池スタックの中央部分で冷却速度をより高くすることが可能になる。この要領で、燃料電池スタック全体にわたる冷却の釣り合いを取ることによって燃料電池スタック全体にわたって均一な温度を達成することができる。燃料電池スタック全体にわたって均一な温度を達成することによって、燃料電池スタックの性能を最適化し、燃料電池スタックの冷却に必要なエネルギーを低減することが可能になる。
【００３３】
図９は、車両推進システム１５４と一緒に、図１に示すように構成された燃料電池スタック１５２を用いる燃料電池システム１５０の好ましい実施形態を示している。バッテリ１５６、電気モーター１５８、およびインバータ１６０を含めその関連した駆動エレクトロニクスを含む推進システム１５４が示されている。インバータ１６０は、燃料電池システム１５０に付随するＤＣ／ＤＣコンバーター１６２から、特に燃料電池スタック６２から、電気エネルギーをモーター１５８が生成する機械エネルギーに変換するために電気エネルギーを受け入れる。バッテリ１５６が組み立てられて燃料電池スタック６２から供給される電気エネルギーを受け入れ貯蔵し、かつ回生式のブレーキ作動時にモーター１５８から供給される電気エネルギーを受け入れ貯蔵し、かつモーター１５８に電気エネルギーを供給するように構成される。モーター１５８は駆動アクスル１６４に結合されて車両（図示してない）の車輪に移動の回転出力を供給する。電気化学的エンジン制御モジュール（ＥＥＣＭ）１６６およびバッテリパックモジュール（ＢＰＭ１６８）が、これに限定はしないが燃料電池スタック１５２の電圧および電流を含め様々な運転パラメータを監視する。たとえば、このことはＢＰＭ１６８によって、またはＢＰＭ１６８とＥＥＣＭ１６６の両方によって行われ、ＢＰＭ１６８がモニタした状態に基づいて出力信号（メッセージ）を車両制御器１７０に送信する。車両制御器１７０は、電気モーター１５８、インバータ１６０とＤＣ／ＤＣコンバーター１６２を含む駆動エレクトロニクスの作動を制御し、ＥＥＣＭ６６から出力レベルを要求する。前に述べたように、燃料電池システム１５０は、閉ループの再循環冷却システム１７２をさらに含む。
【００３４】
制御器１７０は、記憶装置に保存した制御プログラムおよびデータを実行できる中央データ処理装置を有する任意の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータ等を含むことができる。制御器１７０が作動した場合は、エンジン制御、診断および保守整備動作を実現するために、段階を追った指示の形で記憶に保存した一連の動作を実行する。制御器１７０は本発明に特有の専用制御器でもよく、または主要車両電子制御モジュールに保存されたソフトウェアで実施してもよい。また、上に説明したように、様々な運転モードにおいてシステム構成部品を制御するために、制御プログラムに基づくソフトウェアを使用することができるが、この制御は専用の電子回路によって一部または全体を遂行することもできることが理解されよう。
【００３５】
この本発明の説明は、模範的な性格のものに過ぎず、それゆえに、本発明の要旨から逸脱しない変形形態は本発明の範囲内に入るものである。このような変形形態は本発明の精神と範囲から逸脱するものとはみなされない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池スタックの分解斜視図である。
【図２】図１に示すＰＥＭ型燃料電池スタックに関連した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）および双極プレートアセンブリの分解斜視図である。
【図３】図１に示す双極プレートアセンブリの部分断面図である。
【図４】導電性プレート間に配置された分離版を有する双極プレートアセンブリの別の構成の断面図である。
【図５】双極プレートアセンブリに関連した、冷却材流れ場の構成を示す伝導性プレート素子の平面図である。
【図６】図６ａは図５の円Ａの部分をとった拡大部分図である。  図６ｂは図５の円Ｂの部分をとった拡大部分図である。
【図７】図４に示すプレート素子の部分斜視図である。
【図８】図４に示すプレート素子の部分斜視図である。
【図９】本発明の燃料電池スタックの好ましい応用の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月7日(2003.10.7)
【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】
相互に連結されてその間に冷却材流路を形成する第１のプレートと第２のプレートを備え、前記第１のプレートが、第１の面内に形成された冷却材流れ場を備えた前記第１の面を有し、前記冷却材流れ場が、
第１の拡散領域と、
第２の拡散領域と、
前記第１の拡散領域と第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第１の流体量領域と、
前記第１の拡散領域と第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第２の流体量領域とを含むプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池を通して冷却材を導くプレートアセンブリであって、
前記第１のプレートをまたがる冷却速度に変化を与えるように、前記第１の流体量領域を流れる冷却材の量が前記第２の流体量領域を流れる冷却材の量と異なるプレートアセンブリ。
【請求項２】
供給ヘッダーと前記第１の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための入口領域をさらに含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項３】
排出ヘッダーと前記第２の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための排出領域をさらに含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項４】
前記第１の拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項５】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項４に記載のプレートアセンブリ。
【請求項６】
前記第２の拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項７】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項６に記載のプレートアセンブリ。
【請求項８】
前記第１の流体量領域が前記第２の流体量領域より流体量が多い領域である請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項９】
前記第１の流体量領域が、前記第１のプレートの中央に配置された複数の経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１０】
前記第２の流体量領域が、前記第１のプレートのほぼ周辺に配置された複数の経路を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の流体量領域の前記経路がまっすぐである請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１２】
前記第２の流体量領域の前記各経路がそれぞれ少なくとも１つの曲がった移行区間を含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１３】
前記第１のプレートが、第２の面内に形成された反応物流れ場を有する前記第２の面をさらに含む請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１４】
前記第２のプレートが、第１の面内に形成された第２の流体流れ場を備えた前記第１の面を有し、前記第２のプレートの前記第１の面が前記第１のプレートの前記第１の面に隣接して配置され、前記第２の冷却材流れ場が、
第３の拡散領域と、
第４の拡散領域と、
前記第３の拡散領域と第４の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第３の流体量領域と、
前記第３の拡散領域と第４の拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第４の流体量領域とを含み、
前記第３の流体量領域を流れる冷却材の量が前記第４の流体量領域を流れる冷却材の量と異なり、これによって前記第２のサブプレートをまたがる冷却速度に変化を与えている請求項１に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１５】
前記第１および第２の各プレート間に配置された中間プレートをさらに含む請求項１４に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１６】
前記第２のプレートが、第２の面内に形成された反応物流れ場を有する前記第２の面をさらに含む請求項１４に記載のプレートアセンブリ。
【請求項１７】
入口拡散領域と、排出拡散領域と、前記入口拡散領域と排出拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第１の流体量領域と、前記入口拡散領域と排出拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するために前記各拡散領域を相互に連結する第２の流体量領域とを含む内部冷却材流れ場を有する双極プレートアセンブリと、
前記双極プレートアセンブリの前記入口拡散領域に配給される液体冷却材の供給源とを備えるプロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池であって、
前記双極プレートアセンブリをまたがる冷却速度に変化を与えるように、前記第１の流体量領域を流れる前記冷却材の量が前記第２の流体量領域を流れる前記冷却材の量と異なるＰＥＭ型燃料電池。
【請求項１８】
前記双極プレートアセンブリが、前記冷却材の供給源と前記入口拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための入口領域をさらに含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項１９】
前記双極プレートアセンブリが、前記冷却材の供給源と前記排出拡散領域間で流れが連絡している状態を形成するための排出領域をさらに含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２０】
前記入口拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２１】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項２０に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２２】
前記排出拡散領域が、第２の複数の流れ経路と交差する第１の複数の流れ経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２３】
前記第１および第２の複数の流れ経路が互いに直交している請求項２２に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２４】
前記第１の流体量領域が前記第２の流体量領域より流体量が多い領域である請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２５】
前記第１の流体量領域が、前記双極プレートアセンブリの中央に配置された複数の経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２６】
前記第２の流体量領域が、前記双極プレートアセンブリの周辺に配置された複数の経路を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２７】
前記第１の流体量領域の前記経路がまっすぐである請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２８】
前記第２の流体量領域の前記各経路がそれぞれ少なくとも１つの曲がった移行区間を含む請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【請求項２９】
前記双極プレートアセンブリが、反応物ガスが流れる外部流れ場の境界を定めている請求項１７に記載のＰＥＭ型燃料電池。
【国際調査報告】
2005522856.tif 000012