(57)【要約】【課題】  アノード側ランド特徴がカソード側ランド特徴よりも広幅のランド特徴によって離間された多数の流れチャンネルを持つアノード流れ場プレート及びカソード流れ場プレートを含む燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池では、本発明の流れ場プレート構成により、高い出力が提供され（１ｋＷ当たりの費用が小さい）、丈夫さが改善され、アッセンブリの整合の厳密さが低下する。【選択図】  図１
2007507072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の流体流れプレートにおいて、
第１ランドによって離間された複数の第１チャンネルを含む第１流体流れプレートと、
第２ランドによって離間された複数の第２チャンネルを含む第２流体流れプレートと
を備え、
前記第２ランドのうちの少なくとも一つの断面幅が前記第１ランドのうちの少なくとも一つの断面幅よりも幅広である、一対の流体流れプレート。
【請求項２】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記流体プレートは、アノード側及びカソード側を持つ電気化学的電池用の流れ場プレートであり、前記第１流体流れプレートは前記カソード側用であり、前記第２流体流れプレートは前記アノード側用である、一対の流体流れプレート。
【請求項３】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第２流体流れプレートのピッチは前記第１流体流れプレートのピッチよりも大きい、一対の流体流れプレート。
【請求項４】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１チャンネルは、前記第２チャンネルが画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する、一対の流体流れプレート。
【請求項５】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１ランドは、前記第１流れ場プレートと平行な平面内で前記第２ランドに対して角度αで配向されている、一対の流体流れプレート。
【請求項６】
請求項５に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記角度は０°≦α≦９０°である、一対の流体流れプレート。
【請求項７】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１及び第２のランドのうちの少なくとも一方が、ウィッグル整合パターンで設けられている、一対の流体流れプレート。
【請求項８】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１及び第２のランドの各々がウィッグル整合パターンを有し、前記ウィッグル整合パターンの各々の位相が同期している、一対の流体流れプレート。
【請求項９】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１及び第２のランドの各々がウィッグル整合パターンを有し、前記ウィッグル整合パターンの各々の位相がずれている、一対の流体流れプレート。
【請求項１０】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１及び第２のランドは、各々、ウィッグル整合パターンで設けられており、前記第２流体流れプレートのピッチは前記第２流体流れプレートのピッチよりも大きい、一対の流体流れプレート。
【請求項１１】
請求項１に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１及び第２のチャンネルは主に直線状である、一対の流体流れプレート。
【請求項１２】
請求項７に記載の一対の流体流れプレートにおいて、前記第１及び第２のチャンネルは蛇行している、一対の流体流れプレート。
【請求項１３】
電気化学的電池を含む装置において、
前記電気化学的電池は、
前記電池のアノード側及び前記電池のカソード側を画成する膜電極アッセンブリと、
第１ランドによって離間された複数の第１チャンネルを含む、前記電池のカソード側用の第１流れ場プレートと、
第２ランドによって離間された複数の第２チャンネルを含む、前記電池のアノード側用の第２流れ場プレートと
を備え、
前記膜電極アッセンブリは前記第１及び第２の流れ場プレート間に挟まれ、
前記第１流れ場プレートが画成するピッチは、前記第２流れ場プレートが画成するピッチよりも小さい、装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置において、前記第２流れ場プレートが画成するピッチは、前記第１流れ場プレートが画成するピッチの約２倍である、装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置において、前記第２ランドのうちの少なくとも一つの断面幅は前記第１ランドのうちの少なくとも一つの断面幅よりも広幅である、装置。
【請求項１６】
請求項１３に記載の装置において、前記第１チャンネルは、前記第２チャンネルが画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する、装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載の装置において、前記第２ランドの大部分は、前記第１ランドの大部分が画成する断面幅よりも大きい断面幅を画成する、装置。
【請求項１８】
請求項１３に記載の装置において、前記第２チャンネルの大部分は、前記第１チャンネルの大部分が画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する、装置。
【請求項１９】
請求項１３に記載の装置において、前記第２ランドの大部分は、前記第１ランドの大部分が画成する断面幅よりも大きい断面幅を画成する、装置。
【請求項２０】
請求項１３に記載の装置において、前記第１チャンネルの大部分は、前記第２チャンネルの大部分が画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する、装置。
【請求項２１】
請求項１３に記載の装置において、前記第２ランドのほぼ全ては、前記第１ランドのほぼ全てが画成する断面幅よりも大きい断面幅を画成する、装置。
【請求項２２】
請求項１３に記載の装置において、前記第１チャンネルのほぼ全ては、前記第２チャンネルのほぼ全てが画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する、装置。
【請求項２３】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のチャンネルは、１．５ｍｍ又はそれ以下の断面幅を各々有する、装置。
【請求項２４】
請求項１３に記載の装置において、前記流れ場プレートの各々の厚さは、１ｍｍ又はそれ以下である、装置。
【請求項２５】
請求項１３に記載の装置において、前記第１ランドの各々の断面幅は、１ｍｍ又はそれ以下である、装置。
【請求項２６】
請求項１３に記載の装置において、前記第２ランドの各々の断面幅は、前記第１ランドの各々の断面幅よりも約３倍広幅である、装置。
【請求項２７】
請求項２６に記載の装置において、前記第１チャンネルは、前記第２チャンネルが画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する、装置。
【請求項２８】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のチャンネルは主に直線状である、装置。
【請求項２９】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のチャンネルの各々の深さは、約１ｍｍ又はそれ以下である、装置。
【請求項３０】
請求項１３に記載の装置において、前記第１流れ場プレートが画成するピッチは約２．５ｍｍ又はそれ以下である、装置。
【請求項３１】
請求項１３に記載の装置において、前記装置は、ＰＥＭ型の燃料電池を画成する構造を更に含む、装置。
【請求項３２】
請求項１３に記載の装置において、前記装置は、前記燃料電池を電源とする車輛を画成する構造を更に含む、装置。
【請求項３３】
請求項１３に記載の装置において、前記第２ランドは、前記第１ランドに対し、前記第２流れ場プレートと平行な平面内で所定の角度で配向されている、装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の装置において、前記角度は０°乃至９０°の範囲内にある、装置。
【請求項３５】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２の流体流れプレートは実質的に平行な平面内にあり、前記第１チャンネル、前記第１ランド、前記第２チャンネル、及び前記第２ランドは、前記第１及び第２の流れ場プレート間に挟まれた膜の表面に亘るランド−対−ランド接触が少なくとも約３０％であるように夫々のピッチを画成する、装置。
【請求項３６】
請求項３５に記載の装置において、前記夫々のピッチにより、前記第１ランドを前記第２ランドに対して整合する方法に拘わらず、少なくとも約３０％のランド−対−ランド接触が保証される、装置。
【請求項３７】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のチャンネルのうちの少なくとも一つは、多数の交互の角度で形成されている、装置。
【請求項３８】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のランドの各々がウィッグル整合パターンを有し、前記ウィッグル整合パターンの各々の位相が夫々同期している、装置。
【請求項３９】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のランドの各々がウィッグル整合パターンを有し、前記ウィッグル整合パターンの各々の位相が夫々ずれている、装置。
【請求項４０】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のチャンネルは主に直線状である、装置。
【請求項４１】
請求項１３に記載の装置において、前記第１及び第２のチャンネルは蛇行している、装置。
【請求項４２】
電気化学的電池を構成する装置において、
前記電気化学的電池は、
前記電池のアノード側及び前記電池のカソード側を画成する膜電極アッセンブリと、
第１ランドによって離間された複数の第１チャンネルを含む、前記電池のカソード側用の第１流れ場プレートと、
第２ランドによって離間された複数の第２チャンネルを含む、前記電池のアノード側用の第２流れ場プレートと
を含み、
前記膜電極アッセンブリは前記第１及び第２の流れ場プレート間に挟まれ、
前記第２チャンネルは、前記第２チャンネルが画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成し、
前記第２流れ場プレートは、前記第２流れ場プレートが画成するチャンネルピッチよりもかなり大きいチャンネルピッチを画成し、
少なくとも前記第２ランドは、前記第１ランドに対し、前記第２流れ場プレートと平行な平面内で多数の交互の角度で形成されており、前記夫々のチャンネルピッチ及び断面幅により、プレート対プレート位置の影響を受けない少なくとも３０％のランド対ランド接触が確保されるようにした、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として電気化学的電池の分野に関し、詳細には、燃料電池の膜電極アッセンブリ用の流れ場プレート装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池は、燃料からの水素を通常は空気からの酸素と化合して電気及び水を発生する電気化学的装置である。従来のプロセスでは、水素、天然ガス、メタノール、ガソリン、及び石炭から得られた合成燃料を含む広範な燃料を電力に変換できる。燃料電池は、ビルや家庭の定置の電力プラントとして、自動車、バス、及びトラックの車輛用動力源として、及びビデオカメラやコンピュータ等のポータブル電源として使用されてもよい。基本的プロセスは、高効率（４０％乃至７５％）で、無汚染で、静粛で、可動部品がなく（空気コンプレッサー、冷却ファン、ポンプ、及びアクチュエータを除く）、副生物として熱及び水素しか出さないように形成されている。単一の燃料電池を組み立てて様々な大きさのスタックにできるため、システムは広範なエネルギ出力レベルを発生するように、及び従って多くの種類の用途を満足させるように設計できる。
【０００３】
燐酸、アルカリ、溶融カーボネート、固体酸化物、及び陽子交換膜（ＰＥＭ）と呼ばれる幾つかの異なる種類の燃料電池がある。ＰＥＭ燃料電池の基本的構成要素は、ポリマー膜電解質によって離間された二つの電極である。各電極は一方の側が薄い触媒層でコーティングされている。これらの電極では、電極及び膜が一緒になって膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。代表的なＰＥＭ型燃料電池では、ＭＥＡは、「アノード」拡散媒体（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍｓ）（以下、「ＤＭｓ」と呼ぶ）と「カソード」拡散媒体との間に挟まれる。これらの拡散媒体は、カーボンファブリック又はカーボン紙等の弾性で導電性の材料で形成できる。アノード及びカソードのＤＭｓは、ＰＥＭの触媒場所と、「アノード」流れ場プレート及び「カソード」流れ場プレートの夫々に流入する燃料（例えば水素）及び酸化体（例えば空気／酸素）との間で多孔質導電体として役立つ。
【０００４】
流れ場プレートに形成されたチャンネルは、水素及び空気をＰＥＭのいずれかの側の電極に供給する。詳細には、水素はチャンネルを通ってアノードまで流れ、ここで触媒が陽子及び電子への分離を促進する。ＰＥＭの反対側では、空気がチャンネルを通ってカソードまで流れ、ここで空気中の酸素がＰＥＭを通して水素陽子を引きつける。電子は有用な電気として外部回路を通して捕捉され、陽子及び酸素と結合し、カソード側に水蒸気を発生する。
【０００５】
流れ場プレートを形成するチャンネルは、所定の断面幅を有し、ランドが隣接したチャンネルを離間する。流れ場プレートのピッチは、チャンネルの断面幅に隣接したランドの断面幅を加えた大きさを有する。本発明以前には、全ての流れ場プレートはアノード側及びカソード側の両方で同じピッチを使用していた。このように、圧縮負荷により電気接触抵抗を低下できるようにＭＥＡに亘ってランド−対−ランド整合を提供する必要があった。更に、このような従来技術の流れ場プレートについて、拡散媒体（ＤＭ）及びＭＥＡに局所的損傷が加わらないようにするために圧縮応力（単位接触面積当たりの力）を減少するように、できるだけ多くのランド−対−ランド接触を提供するのが望ましかった。しかしながら、良好な電池性能を得るため、ランドを狭幅にし拡散距離を最小にするのが望ましい。しかしながら、狭幅のランドは、正確なランド−対−ランド整合を必要とし、これは、製造誤差及び組み立て誤差により達成が困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明者は、電池性能を向上するために燃料電池の流入流れプレートの設計を提供する必要を認識していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一実施例では、第１ランドによって離間された複数の第１チャンネルを含む第１流体流れプレート、及び第２ランドによって離間された複数の第２チャンネルを含む第２流体流れプレートを含む改良流体流れプレート装置を提供する。第２ランドの少なくとも一つの断面幅が第１ランドの少なくとも一つの断面幅よりも広幅である。
【０００８】
別の実施例では、本発明は、電池のアノード側及び電池のカソード側を画成する膜電極アッセンブリ及び電池のカソード側用の第１流れ場プレートを含む、電気化学的電池を含む装置を提供する。第１流れ場プレートは、第１ランドによって離間された複数の第１チャンネルを含む。電気化学的電池は、更に、電池のアノード側用の第２流れ場を含む。第２流れ場プレートは、第２ランドによって離間された複数の第２チャンネルを含み、膜電極アッセンブリは第１及び第２の流れ場プレート間に挟まれ、第１流れ場プレートが画成するピッチは第２流れ場プレートが画成するピッチよりも小さい。
【０００９】
更に別の実施例では、本発明は、電池のアノード側及び電池のカソード側を画成する膜電極アッセンブリ及び電池のカソード側用の第１流れ場プレートを含む、電気化学的電池を含む装置を提供する。第１流れ場プレートは、第１ランドによって離間された複数の第１チャンネルを含む。電気化学的電池は、更に、電池のアノード側用の第２流れ場を含む。第２流れ場プレートは、第２ランドによって離間された複数の第２チャンネルを含み、膜電極アッセンブリは第１及び第２の流れ場プレート間に挟まれる。第２チャンネルは、第１チャンネルが画成する断面幅とほぼ等しい断面幅を画成する。第２流れ場プレートが画成するチャンネルピッチは第１流れ場プレートが画成するチャンネルピッチよりも大きく、少なくとも第２ランドは、第２流れ場プレートと平行な平面で第１ランドに対して多数の交互の角度で形成されている。チャンネルピッチ及び断面幅の夫々により、プレート−対−プレート位置の影響を受けない少なくとも３０％のランド−対−ランド接触を保証する。
【００１０】
本発明は、特定の利点又は機能に限定されないが、上掲の実施例に記載した流れ場プレート対により高い出力が得られ（ｋＷ当たりの費用が小さい）、丈夫さが向上し、アッセンブリ整合の厳密さが低くなる。カソード流れ場プレートの狭幅のランド領域は、これらのランドの下の反応領域へのガスのアクセスを改善し、高い電流密度での作動を可能にする。カソードプレート及びアノードプレートの両方の狭幅のチャンネルは、各チャンネル内の反応領域から隣接したランド領域への熱伝達を改善する。ガス拡散が制限されていないアノード流れ場プレートで広幅のランド領域を使用し、アノードランド領域をカソードランド領域に対して所定の角度で配向することによって、膜電極アッセンブリに亘って十分なランド−オン−ランド整合を提供するために隣接した流れ場プレートの重要な整合についての必要条件が緩和される。
【００１１】
本発明のこれらの及びこの他の特徴及び利点は、本発明の好ましい実施例の以下の説明を添付図面を参照して読むことにより更に完全に理解されるであろう。特許請求の範囲は、その記載によって定義されるのであって、本明細書中に記載した特徴及び利点の特定の議論によって定義されるものではない。
【００１２】
添付図面中のエレメントは、簡略化及び明瞭化を図るために示されたものであって、必ずしも等縮尺ではないということは、当業者には理解されよう。例えば、添付図面中の幾つかのエレメントの寸法は、本発明の実施例を良く理解する上での助けを提供するため、他のエレメントに対して誇張してあってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の新規な特徴を組み込んだ、及びこれらの特徴を使用する燃料電池アッセンブリの一例を図１乃至図８に示し、ここに詳細に説明する。
本明細書中で使用されているように、「主に真っ直ぐな」という用語は、入口から出口まで蛇行していないパターンで延びる実質的に平行なチャンネルを意味する。本明細書中で使用されているように、「拡散媒体」という用語は、活性触媒の場所と隣接した電気化学的電池の一つの層を意味する。この層により、反応体及び生成マス、及び電流を、好ましくは多孔質導電体である反応場所に及び反応場所から搬送できる。本明細書中で使用されているように、「流れ場プレート」という用語は、反応体、廃ガス、及び液体が反応ゾーンへ流入したり反応ゾーンから流出したりできるようにする電気化学的電池の構成要素に関する。
【００１４】
図１に示す第１例の実施例では、燃料電池アッセンブリ１００は端プレート１０２及び１０４、絶縁層１０６及び１０８、及び電流コレクタ／コンダクタプレート１１０及び１１２を含み、その間に作用区分１１４を画成する。作用区分１１４は、一つ又はそれ以上の反応区分を含み、当業者に理解されるように、選択された数の冷却区分を含んでもよい。１つの特徴では、一つ又はそれ以上の反応区分は、燃料電池アッセンブリの冷却を行うのに役立つ。端プレートの接合にタイボルト等の多くの構造部材１１６を使用できる。
【００１５】
作用区分１１４は、多くの層対１１８及び１２０を含む。一実施例では、複数の層対１１８及び１２０は、一つ又はそれ以上のＰＥＭ型燃料電池４００（図４参照）の構成要素である。ＰＥＭ燃料電池の構造及び使用は当該技術分野で周知である。外部負荷（図示せず）を電流コレクタ／コンダクタプレート１１０及び１１２の電気接点（図示せず）間に接続することによって、一つ又はそれ以上のＰＥＭ型燃料電池が発生した電流を使用するための回路を完成できる。
【００１６】
作用区分１１４の第１層１１８の一例を図２に第１流れプレート２００として示す。このプレート２００は、実質的に平行な複数の流れチャンネル２０４が設けられた流体流れ面２０２を有する。これらの流れチャンネル２０４は、一つ又はそれ以上の流体をポート２０６及び２０８を通して受け取り、伝達する。これらのポートは、対応する流体マニホールド２１０及び２１０’と流体連通している。当業者に理解されるように、第１層１１８の対応する層は、全体として、流体を作用区分１１４に供給し、この区分から流体を除去し、及び他の態様で流体を区分に所望の通りに連通し及び／又は供給するための流体マニホールド２１０及び２１０’を形成する。例えば、流れチャンネルは、対応する入口マニホールド２１０及び出口マニホールド２１０’と流体連通した一つ又はそれ以上の入口２０６及び一つ又はそれ以上の出口２０８を夫々含んでいてもよい。ガスケット材料又はガスケット（図示せず）は、周囲穴２１２の周り即ち流れ面２０２をシールするのに使用してもよく、流体マニホールド２１０及び２１０’の形成で層１１８の長さ方向延長部と協働してもよい。
【００１７】
作用区分１１４及び第２層１２０の一例を流体流れプレート３００として図３に示す。このプレート３００は、実質的に平行な複数の流れチャンネル３０４が設けられた流体流れ面３０２を有する。これらの流れチャンネル３０４は、一つ又はそれ以上の流体をポート３０６及び３０８を通して受け取り、伝達する。これらのポートは、対応する流体マニホールド３１０及び３１０’と流体連通している。当業者に理解されるように、第２層１２０の対応する層は、全体として、流体を作用区分１１４に供給し、この区分から流体を除去し、及び他の態様で流体を区分に所望の通りに連通し及び／又は供給するための流体マニホールド３１０及び３１０’を形成する。例えば、流れチャンネルは、対応する入口マニホールド３１０及び出口マニホールド３１０’と流体連通した一つ又はそれ以上の入口３０６及び一つ又はそれ以上の出口３０８を夫々含んでいてもよい。ガスケット材料又はガスケット（図示せず）は、周囲穴３１２の周り即ち流れ面３０２をシールするのに使用してもよく、流体マニホールド３１０及び３１０’の形成で層１２０の長さ方向延長部と協働してもよい。
【００１８】
図２及び図３を参照すると、一実施例の流体流れプレート２００及び３００は、高さが約５００ｍｍ又はそれ以下であり、幅が約５００ｍｍ又はそれ以下である。更に、流体流れプレート２００及び３００の厚さは１ｍｍ又はそれ以下である。流体流れプレート２００及び３００は、有利には、金属等の導電体でできている。変形例では、導電性のカーボン材料を使用してもよい。更に、めっき、スパッタリング、又は他の方法で導電層が湿式法でコーティングされた材料を使用してもよい。別の態様では、単一の材料層がＤＭ及び流れ場の両方として役立つように、本発明の流体流れプレート２００及び３００を切断等の方法でＭＥＡの拡散媒体層に形成してもよい。
【００１９】
各流体流れプレート２００及び３００の夫々の流れチャンネル２０４及び３０４は、一実施例において、流体マニホールド１２２と１２２’との間を主に直線的に流れるように描いてある。別の実施例では、流れチャンネル２０４及び３０４は、図６に示すウィッグル（ｗｉｇｇｌｅ）態様で方向が交互であってもよい。ウィッグル流れパターンについての更に詳細な議論は、後に説明する。狭幅のランドと狭幅のチャンネルを組み合わせることにより、細ピッチ流れ場（ピッチは、ランド及びチャンネルの幅のワイヤである）が形成される。型押しした流体流れプレートについては、ピッチは材料の伸び形成プロセスにより制限される。許容可能な形成限度内に保持するため、細ピッチプレートは、チャンネル深さが比較的浅いことを必要とし、これにより、圧力降下が上昇する。従来の蛇行パターンでなく、直線的なチャンネル形状又はウィッグルチャンネル形状を使用することによって圧力降下の必要条件を満たすことができる。しかしながら、狭幅のカソードランドを広幅のアノードランドと交差させるという本発明の考えは、蛇行パターンを持つ流体流れ場にも適当に適用できるということは理解されるべきである。
【００２０】
型成形複合流体流れプレートについては、チャンネル深さについての制限なしに更に細いピッチを形成できる。しかしながら、繰り返し距離を最小にするため、浅いチャンネル深さを可能にしつつ圧力降下の必要条件を満たすため、直線状流路を使用することもまた望ましい。流れ場チャンネルは、入口ヘッダ及び出口ヘッダの夫々から及びこれらの夫々に末広がりになっていてもよいし先細になっていてもよいが、そうでない場合には、圧力降下を最小にするため、流れ場の大部分内で直線状チャンネルであってもよいということに着目されたい。流れ場は、その場合、入口及び出口の夫々から及びこれらの夫々にチャンネルが枝分かれしていてもよい。更に、圧力降下を減少するため、広幅の反応領域を使用してもよい。
【００２１】
例示の目的で、図４は本発明の一実施例による燃料電池４００を示す。図２及び図３で使用されたのと同じ参照番号は同じ構成要素を表す。この実施例では、流体流れプレート２００及び３００は流れ場プレートとして役立つ。詳細には、流れ場プレート２００は燃料電池のカソード側として役立ち、流れ場プレート３００は燃料電池のアノード側として役立つ。即ち、面２０２はカソード面を含み、面３０２はアノード面を含む。流れ場プレート２００及び３００の夫々の流れチャンネル２０４及び３０４は、燃料電池アッセンブリ１００用の反応体流体を含む流体を導く。
【００２２】
本発明による一実施例では、流れチャンネル３０４は水素等の燃料を搬送し、流れチャンネル２０４は空気／酸素等の酸化体を搬送する。当業者に理解されるように、流れチャンネル２０４及び３０４は、更に、蒸気及び／又は液体（例えば湿潤及び／又は生成水）を搬送する。一実施例では、温度の影響を受け易い膜の丈夫さを改善するためにランドとチャンネルとの間の温度差を最小にするため、各流れ場プレート２００及び３００の向き合った表面にクーラントが、更に、提供される。
【００２３】
図示のように、燃料電池４００は膜又は固体電解質４０２を含む。一実施例では、固体電解質４０２は、Ｅ．Ｉ．デュポン社が製造し、ナフィオン（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）は登録商標である）の商標で販売している材料等のポリマーを使用して形成された固体ポリマー電解質を含む。更に、スルホン酸基等の活性電解質がこのポリマーに含まれていてもよい。別の実施例では、固体ポリマー電解質４０２は、Ｗ．Ｌ．ゴア＆アソシエーツ（Ｅｌｋｔｏｎ，Ｍｄ．）が製造し、ゴア−セレクト（ゴア−セレクト（ＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴ）は登録商標である）の商標で販売している製品で形成される。更に、化学反応を促進する触媒４０４及び４０４’（例えばプラチナ）が固体ポリマー電解質のアノード側及びカソード側の夫々に適用される。このユニットは、「膜電極アッセンブリ」（以下、「ＭＥＡ」）４０６と呼ばれる。一実施例では、ＭＥＡ４０６は、Ｗ．Ｌ．ゴア＆アソシエーツが製造し、ＰＲＩＭＥＡ５５１０−ＨＳの表示で販売されている製品で形成される。
【００２４】
ＭＥＡ４０６をカソード及びアノードの拡散媒体（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｅｄｉｕｍｓ）（以下、「ＤＭｓ」と呼ぶ）間に挟む。これらのＤＭｓは、好ましくは、弾性で導電性のカーボンファブリック、カーボンファイバ紙、カーボン布、又はカーボン紙等の材料で形成される。一実施例では、ＤＭｓ４０８、４０８’は呼称厚さが１ｍｍ又はそれ以下である。
【００２５】
カソード及びアノードのＤＭｓ４０８、４０８’は、ＭＥＡ４０６の触媒場所と酸化体（例えば空気／酸素）及び燃料（例えば水素）との間で多孔質導電体として役立つ。酸化体及び燃料の各々は、カソード流れチャンネル２０４及びアノード流れチャンネル３０４の夫々内を流れる。更に、ＤＭｓ４０８、４０８’により、反応体ガス分子を流れチャンネル２０４及び３０４からＭＥＡ４０６の夫々の表面までほぼ長さ方向に通過させることができる。ＤＭ４０８により、触媒粒子が水浸しにならないようにするため、ＭＥＡ４０６のカソード面に形成された生成水をカソード流れチャンネル２０４内にほぼ長さ方向に流すことによって除去できる。更に、ＤＭ４０８’により、燃料流に加えられた水を流れチャンネル２０４’からほぼ長さ方向に通して膜４０２を湿潤させることができる。
【００２６】
図４に最もよく示すように、流れ場プレート２００及び３００の間を比較するため、面２０２に設けられた各流れチャンネル２０４、及び面３０２に設けられた各流れチャンネル３０４の幅の断面寸法は、１．５ｍｍ又はそれ以下である。このような狭幅のチャンネル２０４及び３０４を設けることにより、熱伝達が改善する。これは、各チャンネル内の反応領域から隣接したランドまでの伝導路が短いためである。更に、各流れチャンネル２０４及び３０４の深さの断面寸法は、１．０ｍｍ又はそれ以下である。しかしながら、ＭＥＡ４０２及びＤＭｓ４０４、４０４’を間に挟むのに使用される従来技術の流体流れプレートとは異なり、アノードプレート３００の隣接した流れチャンネル３０４を離間するアノードランド４１０の幅の断面寸法は、カソードプレート２００の隣接した流れチャンネル２０４を離間するカソードランド４１２の幅の断面寸法よりも広幅である。
【００２７】
本発明者は、燃料電池の性能を高めるためには、カソード流れ場プレート２００のランドをアノード流れ場プレート３００のランドよりも狭幅にするのが望ましいということを発見した。空気中の酸素の減少によりカソードの挙動が制限される場合、高い電流密度を得るため、カソード流れ場プレート２００のランドを狭幅にすることにより、酸素をＭＥＡ４０６に十分に拡散できるということがわかった。水素は拡散性が高いため、ＭＥＡ４０６のアノード側でのマス輸送は制限要因ではなく、そのため、燃料電池４００の性能を損なうことなく、アノード流れ場プレート３００で広幅のランドを使用できる。
【００２８】
一実施例では、各アノードランド４１０の幅の断面寸法は、各カソードランド４１２の幅の断面寸法よりも約３倍広幅である。一実施例では、各カソードランド４１２の幅の断面寸法は１ｍｍ又はそれ以下である。別の実施例では、対をなした流れ場プレート２００及び３００の各々のピッチは２．５ｍｍ又はそれ以下である。更に、アノードピッチはカソードピッチよりも大きくてもよいが、便宜的にこの態様だけが示してあるということは理解されるべきである。
【００２９】
適当なランド−オン−ランド接触応力（＜２８．１２ｋｇ／ｃｍ2 （４００ｐｓｉ））で所望の接触抵抗（＜３０ｍΩ／ｃｍ2 ）を得るためには、多くの実施例について、ＭＥＡ４０６に亘る３０％乃至５０％のランド−対−ランド整合が適当である。例えば、一つの例示の実施例では、ランド４１２がカソード流れ場２００の４０％をカバーするように設けられており且つ、ランド４１０がアノード流れ場３００の７５％をカバーするように設けられており、これにより、交差したランドについて３０％のランド−対−ランド整合が得られる。
【００３０】
更に、圧縮データによれば、広幅のチャンネル（例えば１．５ｍｍ以上）について、電気及び熱の伝達に必要なＤＭｓ４０８及び４０８’とＭＥＡ４０６との間の接触をチャンネルの中央に維持するのは困難である。更に、圧縮負荷が電気接触抵抗を減少できるように、及びＤＭｓ及びＭＥＡが局所的に損傷することがないようにするために圧縮応力（接触面積当たりの力）を減少するように、ＭＥＡ４０６に亘ってランド−対−ランド整合を提供することが必要である。アノードランド４１０の断面がカソードランド４１２よりもかなり広幅であるため、同じピッチを持つ従来技術の流れ場プレートにおける製造及び組み立ての許容差に起因した正確なランド−対−ランド整合を提供する上での困難が緩和される。
【００３１】
一実施例では、例えば図４に示すように、狭幅（例えば幅が約１．５ｍｍ又はそれ以下）のランド４１０及び４１２のランド−対−ランド整合を維持するため、例えばピン（図示せず）等の整合特徴をプレート２００と３００との間に設けてもよい。狭幅のランドをチャンネルと整合させる（僅かなプレート−プレート不整合により）のは望ましくないということに着目されたい。これは、プレートがその領域で「入れ子になり」、ＭＥＡ４０６又はＤＭ４０８を引き裂いてしまうことがあるためである。これは、ランドが互いに入れ子にならないようにランドを互いに対して所定角度で配置することによって回避される。その実施例を以下に論じる。
【００３２】
図５を参照すると、ＭＥＡ４０６と面２０２及び３０２の接触位置との間に適当な導電性を提供する、入れ子の問題点をなくす変形例が示してある。この実施例では、アノードランド４１０はカソードランド４１２に対して角度αで形成されているか或いは配向されており、そのため、適切なランド−対−ランド整合を提供するために正確に整合することを必要としない。図５に示すように、流れ場プレート２００及び３００は互いに直交するように配置されている。しかしながら、ランド４１０及び４１２を互いに対して０°乃至９０°傾けることによっても本発明の利点が得られるということは理解されるべきである。
【００３３】
図６を参照すると、更に別の実施例では、一方又は両方の流れ場のチャンネルは多数の交互の角度即ち「ウィッグル」を備えて形成されている。整合感度は、アノードランド６１０とカソードランド６２０との間の頂部の重なりの数を数えることによって評価でき、カソードランドに従った変化は、スタックの組み立て中に起こるようにずれるということは理解されるべきである。これらのウィッグルランドの頂部領域で一貫したランド−オン−ランド整合を得るため、及び入れ子の問題点をなくすため、アノードランドの幅及びウィッグルの大きさを以下に説明するように選択する。これらのウィッグルは位相が同期していてもよいし位相がずれていてもよい。
【００３４】
ウィッグル整合パターンを持つ流れプレートでは、一対の頂部が非整合ランド−対−ランド状態になるとき、別の対が整合するのが望ましい。これは、以下の方程式（１）に従って達成される。
【００３５】
（Ａｃ＋Ａｆ）＝Ｎ＊ｐ±Ｗｃ（位相がずれたウィッグルについて）    （１）
ここで、Ａｃは幅広のランドの振幅であり、Ａｆは狭幅のランドの振幅であり、Ｎは整数であり、ｐはピッチであり、Ｗｃは幅広のランドのランド幅である。両方の解（±Ｗｃ）は、Ｗｃ＝Ｎ／２＊ｐのときに満たされる。Ｗｃ＝Ｎ＊ｐのとき、換言すると、ランド幅がピッチと等しいとき、独自の解が存在し、パターンが単一のランドで周期的である。      
【００３６】
位相が同期したウィッグルについて、以下の方程式（２）が提供される。
（Ａｃ−Ａｆ）＝±Ｎ＊ｐ±Ｗｃ      （２）
ここでは、両解は、Ｗｃ＝Ｎ／２＊ｐのときに満たされる。別の態様では、対をなした頂部によって整合感度抑制が行われる別の実施例では、位相がずれたウィッグルについて方程式（３）を使用してもよく、位相が同期したウィッグルについて方程式（４）を使用してもよい。
【００３７】
（Ａｃ＋Ａｆ）＝Ｎ＊ｐ±２＊Ｗｃ    （３）
（Ａｃ−Ａｆ）＝±Ｎ＊ｐ±２＊Ｗｃ  （４）
ここで、方程式（３）及び（４）はＷｃ＝Ｎ／４＊ｐのときに満たされる。
【００３８】
図７は、本発明による燃料電池についての分極曲線（曲線Ｂ）及び一つの比較燃料電池についての分極曲線（曲線Ａ）を示す、電流密度に対する電圧のグラフである。電池の性能に及ぼされるランド幅の影響を確認するため、これらの電池を同じ作動条件で及び圧縮レベルで試験した。試験では、細ピッチプレートのピッチは１．６ｍｍ（アノード及びカソードのランド領域が約０．７ｍｍ、チャンネルが０．９ｍｍ）であり、粗ピッチプレートのピッチは２．９ｍｍ（アノード及びカソードのランド領域が１．５ｍｍ、チャンネルが１．４ｍｍ）である。
【００３９】
燃料電池分極曲線は、以下の試験パラメータで得られた。アノードガスは水素、カソードガスは空気、電極面積は約５０ｃｍ2 、電池圧縮は約２０％、電池温度は約８０℃、圧縮電池ガス圧力は約０．１ＭＰａ（絶対圧力）、アノードガス流量は化学量論的量の２倍、アノード湿潤は温度での飽和量の約１倍に等しく、カソード出口ガス圧力は約０．１ＭＰａ（絶対圧力）、カソード流量は化学量論的量の２倍、カソード湿潤は温度での飽和量の約１倍に等しい。データは、本発明による流れ場プレート構成を持つ燃料電池が、粗ピッチプレートの標準的流れ場を持つ燃料電池よりも性能が優れていることを示す。
【００４０】
上掲の実施例で説明したような流れ場プレート対を提供することにより、高い出力が得られ（ｋＷ当たりの費用が小さい）、丈夫さが向上し、アッセンブリ整合の厳密さが低くなる。図４を再度参照すると、カソード流れ場プレート２００の狭幅ランド領域４１２は、これらのランドの下の反応領域へのガスのアクセスを改善し、高電流密度での作動を可能にする。カソードプレート２００の狭幅チャンネル２０４及びアノードプレート３００の狭幅チャンネル３０４は、各チャンネル内の反応領域から隣接したランド領域への熱伝達を改善する。ガス拡散が制限されていないアノード流れ場プレート３００で広幅のランド領域４１０を使用し、アノードランド領域をカソードランド領域４１２に対して所定の角度で配向することによって、ランド−オン−ランド接触を提供するために隣接した流れ場プレート２００及び３００の重要な整合についての必要条件が緩和される。
【００４１】
次に図８を参照すると、本発明による燃料電池は、車輛８００用の電源として作動するように形成されていてもよいということに着目されたい。詳細には、燃料貯蔵ユニット８１０からの改質ガス製品流を、燃料、例えばＨ２を電気に変換するように形成された燃料電池アッセンブリ８２０に差し向けてもよい。次いで、発生した電気を車輛８００に対する原動力供給として使用し、車輛で電気をトルク及び車輛の並進運動に変換する。
【００４２】
本発明を特定の好ましい実施例を参照して説明したが、記載した本発明の概念の精神及び範囲内で多くの変更を行うことができるということは理解されるべきである。従って、本発明は開示の実施例に限定されず、特許請求の範囲の文言が許す全範囲を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の原理による流れ場プレートが組み込んであり且つこれらのプレートを使用する燃料電池アッセンブリの一実施例の側断面図である。
【図２】本発明の原理による燃料電池アッセンブリのカソード流れ場プレートの一実施例の外面を示す平面図である。
【図３】本発明の原理による燃料電池アッセンブリのアノード流れ場プレートの一実施例の外面を示す平面図である。
【図４】本発明の原理による図１の燃料電池アッセンブリの燃料電池の流れ場プレートとして役立つ流れ場プレートの一実施例の部分断面側面図である。
【図５】本発明の原理による燃料電池アッセンブリの燃料電池の流れ場プレート面に設けられた流れチャンネル間にオフ軸線配向を持つ実施例を示す、図２及び図３の流れ場プレートの平面図である。
【図６】本発明の原理による図１の燃料電池アッセンブリの燃料電池の流れ場プレートとして役立つ流体流れプレートの別の実施例を示す、ランド−対−ランド整合の部分断面平面図である。
【図７】本発明の原理による燃料電池及び一つの比較燃料電池についての分極曲線を表す、電流密度に対する電圧のグラフである。
【図８】車輛用の動力源として作動するように形成された、本発明の原理による燃料電池実施例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１００  燃料電池アッセンブリ
１０２、１０４  端プレート
１０６、１０８  絶縁層
１１０、１１２  電流コレクタ／コンダクタプレート
１１４  作用区分
１１６  構造部材
１１８  第１層
１２０  第２層
２００  第１流れプレート
２０２  流体流れ面
２０４  流れチャンネル
２０６、１０８  ポート
２１０、２１０’  流体マニホールド
２１２  周囲穴
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2007507072.tif 000012
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