(57)【要約】燃料電池セルスタック（１１ａ）において、冷却プレートに隣接する燃料電池セル（１８〜２１）における流域チャネル（３０，３０ｂ）と比較して、冷却プレートから遠隔した燃料電池セル（３０〜３６）の深い空気流域チャネルで空気流が増える効果により、冷却プレートから遠隔した燃料電池セル（３３〜３６）内が過剰に高温となることなく、多数の燃料電池セル（１８〜２１、３３〜３６）を連続する冷却プレート（１３〜１５）間に配置することができる。空気流域プレート（２９ａ）の厚さは、深さを増した空気流チャネル（３０ａ）に適応するように厚くし得る。冷却プレートに隣接する燃料電池セル（１８ａ）は、通常の場合より浅い空気流域チャネル（３０ｂ）を有することにより、深い空気流チャネル（３０ａ）を有するセル（３３〜３６，３３ａ）における空気利用率を低減させることで、増大した内部の空気利用率を平衡させる。この場合、チャネル（３０ａ）は通常と同じ深さでも通常より深くてもよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷却プレート（１３〜１５）と、
連続する上記冷却プレートの間にグループで配置される複数の燃料電池セル（１８〜２１、３３〜３６）であって、上記冷却プレートの１つに隣接する第１の燃料電池セルのペア（１８と１９、２０と２１）が各グループに存在し、かつ、上記冷却プレートから離れて、２つの別の燃料電池セルに連続する１つまたは複数の第２の燃料電池セル（３３と３４、３５と３６）が各グループに存在する複数の燃料電池セルと、
を備え、
上記第１の燃料電池セルのペアは、第１の深さのチャネル（３０，３０ｂ）を有する親水性の多孔性酸化剤反応ガス流域プレートを備え、上記第２の燃料電池セルは、上記第１の深さよりも深いチャネル（３０ａ，３０）を有する親水性の多孔性酸化剤反応ガス流域プレートを備え、これにより、上記第２の燃料電池セル内に酸化剤ガス流の供給を増やして冷却を促進することを特徴とする、燃料電池セルスタック（１１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの第２の燃料電池セルの酸化剤反応ガス流域プレート（２９ｂ）が、前記第１の燃料電池セルの酸化剤反応ガス流域プレート（２９）よりも厚いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項３】
前記第２の燃料電池セルが、通常より深い流域チャネル（３０ａ）を有する酸化剤反応ガス流域プレート（２９ａ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【請求項４】
前記第１の燃料電池セルが、通常より浅い流域チャネル（３０ｂ）を有する酸化剤反応ガス流域プレート（２９ｂ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却プレートに隣接する燃料電池セルに比べて冷却プレートから離間した燃料電池セル内で、酸化剤流れチャネル深さを深くすることにより、平均燃料電池セルスタック温度プロファイルおよび空気利用率を維持しつつ、連続する冷却プレート間に、これまでより多くの燃料電池セルを置くことに関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な型の燃料電池セルスタックにおいて、燃料極と空気極の水管理が（ポンプの採用により）アクティブであるか、あるいは（ポンプのない）パッシブであるかのいずれか一方であり、スタックは、燃料電池セルグループによって分離される冷却プレートによって冷却される。ある燃料電池システム設計においては、連続する冷却プレート間に燃料電池セルが２つだけ存在する場合がある。冷却プレートは、燃料電池セルスタックの電圧または電力に寄与しないため、燃料電池システムの出力密度およびスタックの端から端までの電圧は、スタックに使用されている冷却プレートの数と反比例の関係にある。燃料電池セルスタック全体の寸法は、乗り物用途に設計された燃料電池では重要なことである。
【０００３】
連続する冷却プレートの間に多くの燃料電池セルを配置する場合、特に冷却プレートから遠く離れた中央の燃料電池セルほど高温になり、燃料電池セルスタック全体の水バランスに影響を与えるため、膜やその他の感温性部品の寿命が低下する。スタック全体の水バランスは、酸化剤の出口温度によって変化する。これは、酸化剤のアウトフローとしてスタックから出て行く水蒸気分圧への影響と、スタックの全体的な酸化剤利用率への影響と、による。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の態様は、冷却プレート１つにつき多くの燃料電池セルを配置することでスタック全体の寸法を縮小することが可能な燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタック全体にわたり適した温度プロファイルを維持しつつ、燃料電池セルスタックの寸法を縮小させることと、燃料電池の出力密度および電圧密度を大きくすることと、乗り物用途に改善された燃料電池セルスタックと、を含む。
【０００５】
本発明によれば、燃料電池セルスタックが、燃料電池セルグループを間に挟む複数の冷却プレートを含み、冷却プレートから離れた位置にある燃料電池セルの酸化剤流れチャネルが、冷却プレートに隣接する燃料電池セルの酸化剤流れチャネルよりも深いチャネル深さを有することにより、冷却プレートから遠隔した燃料電池セルにおける冷却を改善する。冷却プレートから遠隔した燃料電池セルにおける気化冷却を増すことにより、遠隔した燃料電池セルの温度を、燃料電池の所望の動作温度に近似させて制御することができる。
【０００６】
本発明によれば、少ない冷却プレートを利用して、適した平均温度と平均空気利用率を維持しつつ、燃料電池セルスタックの寸法を縮小することができる。
【０００７】
本発明の他の実施例においては、冷却プレートに隣接する燃料電池セルにおける酸化剤流域チャネルの深さを浅めにしつつ、（冷却液を低温で流すことなどにより）冷却プレートによる冷却を増すことができるので、冷却プレートから遠隔した燃料電池セルから、多くの伝導熱を除去することができる。この場合に遠隔した冷却プレートは、通常の酸化剤流域チャネルより深くても、通常の酸化剤流域チャネルと同じ深さであってもよいが、現状では通常より深いチャネルであることが好ましい。
【０００８】
本発明を実施する際に、製造誤差の問題を避けるためや、脆くなりすぎないようにするために、冷却プレートから遠隔した燃料電池セルでは酸化剤ガス流域プレートを少し厚めにし、深めの酸化剤流域チャネルを有するようにすることが望ましいこともある。
【０００９】
本発明のその他の態様、特徴ならびに利点は、関連図面に示す実施例の詳細な説明を検討することにより、明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照すると、燃料電池セルスタック１１は、複数の冷却プレートと、図示する冷却プレート１３〜１５とを含む。スタック１１は、多数の燃料電池セルも含むが、燃料電池セル１８〜２１のみを示す。燃料電池セル１８〜２１のそれぞれは、冷却プレート１３〜１５のうちの１つに隣接しており、それぞれの冷却プレートの対の間には２つの燃料電池セルのみが存在する。
【００１１】
燃料電池セル１８は例であり、相対尺度や完全尺度で示されたものではない。各燃料電池セルは、親水性の多孔性燃料流域チャネル２５を内部に有する親水性の多孔性燃料ガス反応物流域プレート２４を備える。水素イオン交換膜高分子電解質形（ＰＥＭ）燃料電池が、膜および電解質を両側に備える場合、各燃料電池セルは、電解質アッセンブリ２７も備える。各燃料電池セルは、酸化剤ガス流チャネル３０を含む酸化剤ガス流域プレート２９も備える。各反応物ガス流域プレート２４，２９は、内部に溝３１を有し、これらの溝は共に水輸送チャネル３２を形成する。図２に部分的に示す燃料電池セル１８は、冷却プレート１３と燃料電池セル１９との間に配置される。
【００１２】
本発明によれば、図３に示す燃料電池セル３３は、チャネル３０よりも深い酸化剤流れチャネル３０ａを有する酸化剤ガス流域プレート２９ａを備える。燃料電池セル３３は、例えば、燃料電池セル１８と、燃料電池セル３３と同様に本発明による深いチャネル３０ａを有する別の燃料電池セル３４との間に配置することもできる。図４は、深い反応ガスチャネル３０ａを有する燃料電池セル３５，３６を燃料電池セル２０，２１の間に追加して、冷却プレート１３，１４や１４，１５などの各間に４つの燃料電池セルを配置し得ることを示している。
【００１３】
本発明によれば、冷却プレート１３〜１５から離れた燃料電池セル３３〜３６は、冷却プレート１３〜１５からは小さな冷却しか伝えられないが、冷却プレートに隣接し、浅い酸化剤流域チャネル３０を有する燃料電池セル１８〜２１と比較して、大きくて深い酸化剤流域チャネル３０ａに空気などの酸化剤流が増えることにより、気化冷却が追加される。この方法で、燃料電池セル３３〜３６の温度は、所望する最適な動作温度範囲内となるよう制御することができる。図４における寸法Ｘと図１における寸法Ｙとの比較により、４つの燃料電地１８，１９，３３，３４および付随する冷却プレート１４が、４つの燃料電池セル１８〜２１および付随する冷却プレート１４，１５の場合よりも、小さい空間を占めることが明らかである。この例においては、４つの燃料電池セルごとの差異は、冷却プレート１つ分の幅である。
【００１４】
本発明は、乗り物用途に適しているＰＥＭ燃料電池の実施例において開示しているが、他の型の燃料電池システムにも使用することができる。従ってここまでは、本開示は従来技術における冷却プレート１つごとに２つの燃料電池セルと、本発明による冷却プレート１つごとに４つの燃料電池セルとを想定している。しかしこれらは一例であり、冷却プレート間に燃料電池セルを追加するために、本発明による深さを増した酸化剤流域チャネルを利用することで、冷却プレート間にその他の数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックを改良することができる。
【００１５】
図５は、燃料電池セル３３ａ内の代替的な冷却プレート２９ｂを示している。図５においては、酸化剤流域プレート２９ｂの溝のない部分４０は、図３のプレート２９ａの溝のない部分４１よりも厚い。これは、プレート２９ｂをプレート２９ａよりも、溝３０ａが溝３０よりも深いのと同程度に厚くなるように作製した結果である。より厚いプレート２９ｂを選択して用いることにより、本発明による空間の節約性を低くするものではあるが、空気極酸化剤ガス流域プレート２９ｂの各々の安定性を保つと考えられる。
【００１６】
図６に、本発明のさらなる実施例を示す。この実施例では、燃料電池セル１８ａは流域チャネル３０より浅い流域チャネル３０ｂを有する酸化剤流域プレート２９ｂを備える。これは、凝結による内部冷却を低減させ、低温において冷却プレートが動作することを可能にするため、所望の温度平衡を維持することができる。さらに低温の冷却プレートを有する浅いチャネルは、冷却プレートに隣接する燃料電池セル１８ａなどからだけでなく、冷却プレートから離れている燃料電池セル３３〜３６からも、多くの伝導熱を除去する。
【００１７】
燃料電池セル１８ａ（および冷却プレートに隣接し、同様に変更された燃料電池セル）における空気流を小さくすることにより、これらの燃料電池セルで空気利用率が高くなるため、冷却プレートから隔てられた燃料電池セル３３〜３６における空気利用率を低く（流れを大きく）することができる。
【００１８】
本発明は、「通常の」燃料電池セルとの比較において理解され得る。ここで用いる「通常の」という語は、酸化剤反応ガス流域チャネルの深さがすべて同じ型の燃料電池セルを意味し、従来技術において周知のように所望の長さよりも大きい燃料電池セルスタックとなることを意味する。通常のものとの対比では、冷却プレートから遠隔した燃料電池セルは、深めの酸化剤流域チャネルを有し、冷却プレートに隣接する燃料電池セルは、通常のものより深くても、深くなくてもよいということである。冷却プレートに隣接する酸化剤流域プレートで通常のチャネルより浅いものを用いた場合、通常の燃料電池セルは、冷却プレートから遠隔した位置で使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来既知の燃料電池セルスタックの断片的側面図。
【図２】冷却プレートに隣接させ得る、従来既知の燃料電池セルの側面図。
【図３】本発明による、深い酸化剤流域チャネルを有する燃料電池セルの断片的側面図。
【図４】本発明を導入した燃料電池セルスタックの断片的側面図。
【図５】本発明による、厚さおよび酸化剤流域チャネル深さを増した酸化剤流域プレートを有する燃料電池セルの部分的側面図。
【図６】冷却プレートに隣接させ得る、本発明による低減された深さの酸化剤流域チャネルを有する燃料電池セルの断片的側面図。
【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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【国際調査報告】
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