(57)【要約】燃料電池（１０）に用いる装置では、少なくとも１つの制限付きインレット（３３）を有する複数のチャネル（３２）と、制限付きインレットに分配パターン（８４）を有するフローを導く導管と、導管（５０）と開口部（４０）との間に位置するフロー分配パターン（８４）を受ける開口部（４０）と、を備え、開口部は、分配パターンが開口部内で平均化し、各制限付きインレットへのフローが開口部に亘って平均化するような寸法（Ｌ，Ｗ）を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチャネル（３２）であって、少なくとも１つのチャネルがインレット（３３）を有する、複数のチャネル（３２）と、
前記インレットにフローを導く導管（５０）と、
前記導管と前記インレット（３３）との間に位置するギャップ領域（８６）と、
を備える燃料電池（１０）に用いる装置であって、
前記ギャップ領域（８６）は、各インレット（３３）に対する均等なフロー分配へと分配パターン（８４）を正常化するような寸法（Ｌ，Ｗ）を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記導管はマニホールドを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記チャネル（３２）は、少なくともいくつかの制限付きのインレット（３３）及び少なくともいくつかの制限付きのインレット（４２）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記チャネル（３２）は、少なくともいくつかの制限付きのインレット（３３）及び少なくともいくつかの制限付きのインレット（４２）を有し、制限はインレットの下流に位置することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ギャップ領域は、長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）を有し、長さの幅に対する比が約２０：１未満であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記開口部は、長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）を有し、長さの幅に対する比が約４：１未満であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
燃料電池（１０）に用いる方法であって、
分配パターン（８４）を有するフローを、導管（５０）を通してギャップ領域（８６）に向けて導くステップと、
導管とインレットとの間におけるギャップ領域において反応物のフローを受けるステップと、
を含み、
各インレットからチャネル（３２）へのフローが均等になるように分配パターンは、ギャップ内を平均化することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記チャネルは、少なくともいくつかの制限付きのインレット（３３）及び少なくともいくつかの制限付きのインレット（４２）を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記チャネル（３２）は、少なくともいくつかの制限付きのインレット（３３）及び少なくともいくつかの制限付きのインレット（４２）を有し、制限はインレットの下流に位置することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記開口部は、長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）を有し、長さの幅に対する比が約２０：１未満であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記開口部は、長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）を有し、長さの幅に対する比が約４：１未満であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【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、燃料電池の流れ場に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は広く周知であり、電気を生成するために種々の用途で用いられている。通常の燃料電池は、電流を生成するため、水素などの反応ガス及び空気からの酸素を用いる。通常、燃料電池は、燃料、酸化剤及び冷媒を受ける流れ場を有する。燃料及び酸化剤の流れ場は、電流を生成するため、電解質層に隣接するアノード触媒層又はカソード触媒層へと、隣接するガス分配層を通して反応ガスを分配する。電解質層は、イオンを効果的に移送するが電子を導電させない任意の層とし得る。一つの例示的な燃料電池電解質は、アルカリ溶液（例えば、ＫＯＨ）、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、リン酸、固体酸化物を含む。
【０００３】
１つのタイプの流れ場は、入口チャネルを有し、該チャネルは、出口チャネルと相互作用する。入口チャネルは、完全に開口した又は部分的に開口したインレット及び完全に閉口した又は部分的に閉口したアウトレットを有し、出口チャネルは、完全に閉口した又は部分的に閉口したインレット及び完全に開口した又は部分的に開口したアウトレットを有する。入口チャネルの完全に又は部分的に閉口したアウトレットは、入口チャネルに流入する反応ガスを、ガス分配層を通して隣接する出口チャネルへと流す。
【０００４】
通常の流れ場は、完全に開口したインレット及び完全に開口したアウトレットを有する平行チャネルを有する。チャネルを通って流入する反応ガスは、触媒へとガス分配層を通って拡散する。開口したチャネルは、相対的に制限されていない反応ガスフローを可能にし、相対的に低い反応ガスの圧力降下をもたらす。チャネル間の反応ガスの分配が不十分であると性能の低下につながる。積層された全てのセルと連通するインレットマニホールドは、全てのセルが実質的に同じフローを受けるように設計される必要がある。各セル内には、マニホールドとフローチャネルとの間に位置するインレット領域が設けられる。電流は、通常、このインレット領域を通過することを許容されるが、この領域は非作動とし得る。双方のケースにおいて、インレット領域は各セルにおける全てのチャネルが実質的に同じフローを受けるように設計される必要がある。異なる断面領域を有する各チャネルを設計することにより作動領域に亘ってフローを均質化することが可能である。
【０００５】
いくつかの流れ場は、均等に反応物を燃料電池チャネルに導くインレット及びマニホールドを有する。他の流れ場は、燃料電池流れ場内のフローを標準化するように変動する深さ及び／又は領域を含むチャネルを有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池の流れ場におけるチャネル間のフローの均等性を向上させる要求に応えるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つの例示的な燃料電池に用いる装置は、少なくとも１つが入口を有する複数のチャネルと、分配パターンを有するフローを入口に導く導管と、フロー分配パターンを受ける導管と入口との間に位置する開口部と、を備え、開口部は、分配パターンが開口部内で均等になり、各入口へのフローが平均になるような寸法を有する。
【０００８】
１つの例示的な燃料電池の流れ場を通る反応物を平均化する方法は、分配パターンを有するフローを、導管を通して、フローを受ける複数の入口を有する燃料電池の流れ場の一部に導くステップと、導管と入口との間における開口部においてフローを受けるステップと、を含み、分配パターンはギャップ内で均等になり、各開口部へのフローが平均化される。
【０００９】
上記の例は限定的なものではない。他の例については以下で説明する。本発明の種々の特徴及び利点は、発明を実施するための形態によって当業者に明らかになるであろう。詳細な説明に伴う図面について以下に簡単に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な燃料電池の断面図。
【図２】例示的な流れ場プレートを示す図。
【図３】流れ場プレートの流れ分配部分を示す図。
【図４】異なる大きさの流れ分配領域に対するチャネル間の予想流れ分配の比較図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、反応ガス間における周知の電気化学反応により電流を生成する例示的な燃料電池１０を部分的に展開したものを示している。開示した燃料電池１０の構成は例示的なものに過ぎず、本明細書に開示するコンセプトは燃料電池の他の構成にも適用され得ることを理解されたい。
【００１２】
例示的な燃料電池１０は、周知の方法で積層され燃料電池１０のアッセンブリを構成する１つまたは複数の燃料電池ユニット１２を含む。各燃料電池ユニット１２は、電極アッセンブリ１４と、電極アッセンブリ１４に反応ガス（例えば、空気及び水素）を供給する流れ場プレート１６ａ，１６ｂと、を含む。流れ場プレート１６ａを空気を供給する空気プレートとし、流れ場プレート１６ｂを水素を供給する燃料プレートとすることができる。流れ場プレート１６ａ、流れ場プレート１６ｂ又は流れ場プレート１６ａ，１６ｂの双方は、燃料電池１０の所望の作動温度を維持するため、及び所望の温度範囲に電極アッセンブリ１４を維持することによって間接的に反応ガスを水和させるため、プレートの対向する側におけるプレート材によってガスチャネルから隔てられた冷媒チャネルにおける冷媒を循環させることができる。
【００１３】
電極アッセンブリ１４は、カソード触媒２０ａとアノード触媒２０ｂとの間に電解質１８を含む。ガス拡散層２２は、電極アッセンブリ１４と各流れ場プレート１６ａ，１６ｂとの間に用いられ、反応ガスの分配を促進する。
【００１４】
流れ場プレート１６ａ，１６ｂは、実質的に同一とし得る。したがって、流れ場プレート１６ａを参照して開示する実施例は、流れ場プレート１６ｂにも適用され得る。他の実施例では、流れ場プレート１６ｂは、流れ場プレート１６ａと異なっていてもよく、異なる特徴を有していてもよい。
【００１５】
流れ場プレート１６ａは、孔を有さないプレート本体３０（以下、無孔プレート本体という）を含む。孔を有さない（無孔）とは、プレート本体が中実であり、液体水や他の流動体を保持又は通過させるために多孔プレートが備える孔を有していないことを意味する。したがって、無孔プレート本体３０は流動体に対するバリアとなる。
【００１６】
無孔プレート本体３０は、反応ガスチャネル３２及び冷媒チャネル３４を含む。反応ガスチャネル３２は、燃料電池ユニット１２における電極アッセンブリ１４の方向に面する流れ場プレート１６ａの側に位置する。冷媒チャネル３４は、流れ場プレート１６ａの前記側と対向する側に位置する。
【００１７】
流れ場プレート１６ａは、スタンピング又は他の方法により所望の形状に形成される。このため、流れ場プレート１６ａの一方の側における凸形状は、他方の側においては凹形状となり、また一方の側における凹形状は、他方の側においては凸形状となる。スタンピングにより、例えば、機械加工の必要性を減少させることができ、比較的低コストで流れ場プレート１６ａを製造することができる。流れ場プレート１６ａは、ステンレス鋼などの綱、適切な合金又は他の適切な材料等から形成される。また、耐食性材料で流れ場プレート１６ａをコーティングしてもよい。
【００１８】
図２は、流れ場プレート１６ａの一方の側を示している。他の側は、可視側と反対の形状をなしていることを理解されたい。反応ガスチャネル３２（凸側）及び冷媒チャネル３４（凹側）は、流動体（反応ガス又は冷媒）を受けるインレット４２（図では制限を有するものとして示しているが、チャネルに制限を設けなくてもよい）と、流動体を排出するアウトレット４４と、を含む。任意選択的に、反応ガスチャネル３２は、いくつかのインレット４２及びアウトレット４４に閉塞物（障害物）４５を有していてもよい。閉塞物４５は、反応ガスチャネル３２が相互に作用するように所定のインレット４２及びアウトレット４４を完全にブロックするものとしてもよい。別の実施例として、閉塞物４５は、反応ガスチャネル３２が部分的に相互に作用するように所定のインレット４２及びアウトレット４４を部分的にブロックするものとしてもよい。ブロックされていないチャネルは完全に開いているインレット３３（以下、全開インレットという）を有する。閉塞物４５は、フローチャネルのインレットからアウトレットにおける流路に沿った任意の点に位置し得る。
【００１９】
流れ場プレート１６ａは、無孔プレート本体３０の第１の末端部３６と第２の末端部３８との間に延びており、フローの分配を向上させるためのギャップ領域８６（１つだけ示す）を有する。本明細書において用いる用語である流れ場は、空気、燃料及び冷媒を供給するためのチャネル３２，３４、チャネル３２，３４間の他の領域、空気、燃料及び冷媒を移送するためのマニホールドの一部又は全てを含み得る。反応ガスチャネル３２は、反応ガス（例えば、流れ場プレート１６ａの場合は空気であり、流れ場プレート１６ｂの場合は燃料）のための流れ場の一部とみなし、冷媒チャネル３４は冷媒のための流れ場の一部とみなすことができる。
【００２０】
流れ場４０は、第１の流れ分配部分５０と、第２の流れ分配部分５２と、を有する。反応ガスの流れ場は、作動領域をカバーしており、かつ電気化学反応のため電極アッセンブリ１４に反応ガスを供給するための、電極アッセンブリ１４と並列する非作動シール領域を含んでいてもよい。したがって、第１の流れ分配部分５０及び第２の流れ分配部分５２は、電極アッセンブリ１４の一部と並列をなしている。図示した実施例では、第１の流れ分配部分５０は、第１の末端部３６からチャネルのインレット４２へと拡散し、第２の流れ分配部分５２は、チャネルのアウトレット４４から第２の末端部３８へと収束する。
【００２１】
流れ場プレート１６ａは、冷媒チャネル３４から冷媒を供給するため、流れ場プレート１６ａの背面側に他の第１の流れ分配部分５０及び他の第２の流れ分配部分５２を有する。
【００２２】
図示した実施例では、流れ場プレート１６ａは、拡散・収束形状を実現するために不規則な八角形状を有する。しかし、形状は八角形に限定されず、他の実施例では、流れ場プレート１６ａは、拡散・収束形状を実現するように異なる多角形状を有していてもよいし、多角形でない形状（例えば、楕円形）を有していてもよい。
【００２３】
第１の流れ分配部分５０及び第２の流れ分配部分５２は、１つの直線状の端部壁５４と、直交せず端部壁５４から延在する２つの直線状の側壁５６と、を有する。端部壁５４と側壁５６との間の角度により、拡散・収束形状がもたらされる。図示した角度は、所望とする拡散及び収束の程度に応じて異なる。
【００２４】
第１の流れ分配部分５０及び第２の流れ分配部分５２の拡散・収束形状は、チャネルを含んだ流れ場の一部への流動体の分配を促進する。例えば、第１の流れ分配部分５０に供給される流動体のフローは、側壁５６に沿って流れ場プレート１６ａのエッジ近傍の外側チャネルへと流れる。側壁５６が端部壁５４に直交する場合には、角部付近では流動体は円滑に流れず、外側チャネルへのフローが抑制されることとなる。端部壁５４に対して側壁５６を傾斜させることにより、拡散形状が形成され、第１の流れ分配部分５０はより均等に流動体をチャネルに分配することができる。同様に、第２の流れ分配部分５２は収束しているため、これによりチャネルから流れる流動体を漏斗状に通流させ、流動体の回収を促進させる。
【００２５】
燃料電池１０は、反応ガス及び冷媒を流れ場４０へと供給しかつ流れ場から回収するようにマニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０を含む。マニホールド６０，６４は、第１の流れ分配部分５０の側壁５６の近傍に位置し、マニホールド６２は、端部壁５４の近傍に位置する。マニホールド６６，７０は、第２の流れ分配部分５２の側壁５６の近傍に位置し、マニホールド６８は、端部壁５４の近傍に位置する。
【００２６】
各マニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０は、流動体の分配を促進するため又は燃料電池の他の目的を実現するため、燃料、空気又は冷媒を所望の流れ場４０に供給するインレットとして用いてもよいし、燃料、空気又は冷媒を所望の流れ場４０から回収するアウトレットとして用いてもよい。
【００２７】
図３を参照すると、第１の流れ分配部分５０、第２の流れ分配部分５２又は第１および第２の流れ分配部分５０，５２の双方は、所定のマニホールド６０，６２，６４，６６，６８，７０とチャネルとの間に所望のフロー分配を確立するフローガイド７８を含む。例えば、フローガイド７８は、第１の流れ分配部分５０及び第２の流れ分配部分５２の少なくとも一方に突起８０を有する。突起８０の形状、突起８０の配列又はこれらの双方は、所定の反応ガスチャネル３２へのフロー又は所定の反応ガスチャネル３２からのフローを制限すること、及び他の反応ガスチャネル３２へのフロー又は他の反応ガスチャネル３２からのフローを促進することにより、所望のフロー分配を確立する。上記の記載により、当業者であれば特定の要求を満たす特定の形状及び配列を理解されるであろう。
【００２８】
突起８０は、等軸でない断面形状を有してもよいし、他の形状を有していてもよい。一実施例では、第１の流れ分配部分５０における突起８０は、流れ場に亘るインレットフローが拡散し、該フローがギャップ領域８６に達するときにフローの分配が均等となるように配設される。第２の流れ分配部分５２における突起８０は、マニホールド６８に向けてフローを収束させる。突起８０は、実質的に列をなして配設されるが、他の構成であってもよい。本実施例では、突起８０は、長円形の断面形状を有する。他の実施例では、突起８０は、等軸でない断面形状を有してもよいし、等軸の断面形状を有してもよい。
【００２９】
第１の流れ分配部分５０における突起８０は、フローを反応ガスチャネル３２に均等に分配することを意図しているが、第１の流れ分配部分５０から流出するフローは、ギャップ領域８６において縦線８４で示したように不均等なフローパターンを形成することがある。図示した縦線８４は、突起８０が他の形状を有し、マニホールド６２が他の形状を有する場合があり、また第２の流れ分配部分５２が異なる形状を有し、異なる形状の突起８０を有する場合があるため、例示的なものに過ぎない。
【００３０】
ギャップ領域８６は、長さＬ及び幅Ｗを有する。ギャップ領域８６により、矢印８８で示すフローがより均等なフロー分配で反応ガスチャネル３２に流入することができる。幅Ｗに亘るより低い抵抗は、ギャップ領域の長さＬに沿ったフローを均等にする傾向にある。チャネルに沿った反応フローは、チャネル３２への又はチャネルからの混合により、流れ場でガス拡散層２２に亘って、均質化されたままとなる。このフローパターンにより、チャネル３２の長さに沿ったフローの均等性が向上する。
【００３１】
図４は、ギャップ領域８６の幅に応じたチャネルを通る酸化剤フローを分析したグラフを示している。左側の棒９０の各々は、開口部つまりギャップ領域８６を有していない各チャネルにおけるフローを示している。中央の棒９２の各々は、５ｍｍのギャップ領域を有する各チャネルにおけるフローを示している。右側の棒９４の各々は、２５ｍｍのギャップ領域を有する各チャネルにおけるフローを示している。Ｘ軸９６は、流れ場の中央平面（ｍｉｄ−ｐｌａｎｅ）からエッジにおけるチャネルの数を示している。Ｙ軸９８は、各チャネルを通る相対的なフローを示している。１ｍｍの幅を有する各チャネル、０．７ｍｍ幅を有する各リブ及びエッジからエッジまで設けられた６０個のチャネルを想定しており、燃料電池１０の幅は約１０２ｍｍである。ギャップ領域が０から２５ｍｍまで広がると、チャネル内のフローが均等化する傾向にあることが見て分かる。ここで、中央平面にあるチャネル１におけるフローは、約１．３から約１．２に下降し、エッジ１００に近接するチャネル３０におけるフローは、約０．５から約０．６３まで上昇する。予想どおり、チャネル１６は、概ね平均的なフローとなり、ギャップ領域が大きくなると、チャネルの端部及び中央平面におけるフローは、増加し、縮小する傾向にある。ギャップ領域の長さの幅に対する比が２０：１程度になると、向上した均等なフローが生じ得る。より望ましい均等は４：１及びこれより低い比の結果として生じる。
【００３２】
フローが均等でない場合、チャネルを通るフローは平均化されず、燃料電池は最適の効率で作動し得ない。反応フローが不均等に分配されると、燃料電池は、チャネルを通して反応フローを移動させるために寄生性電力（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｐｏｗｅｒ）が必要となり、燃料電池の効率が低下する。いくつかのチャネルが反応ガスに同伴する水分を十分に得られず、これにより、膜が乾燥して機能しなくなると、燃料電池はより早く不具合が生じ得る。
【００３３】
図示の実施例では特徴部を組み合わせたものを示したが、これら全てを組み合わせることなく本発明の種々の実施例の利益を得ることができる。換言すると、本発明の実施例により設計されたシステムは、任意の一の図に示された全ての特徴又は図に概略的に示した全ての部分を含む必要はない。さらに、一つの例示的な実施例の一部の特徴部分を他の例示的な実施例の一部の特徴部分と組み合わせるようにしてもよい。
【００３４】
上記記載は例示的なものであり、限定的なものではない。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、開示した実施例に対して種々の変形や修正がされ得ることを理解されるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は以下の特許請求の範囲を検討することにより決定され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2013528908.tif 000008
2013528908.tif 000009