(57)【要約】燃料電池組立体用分離板（１０８；３００；４００；４１０）は、第１の縁部（１１０、３１０）と、第２の対向する縁部（１１１、３１１）とを有する。燃料電池分離板は、第１の縁部と第２の縁部との間で長手方向に延びる一連の空気流チャネル（１１２、１１３、３１２、３１３、４０１、４１１を形成する。空気流チャネルは、対向するチャネル壁の対応するリセス（３２１）とは反対側の連結された一連のバンプ（３２０）から形成された非線形空気流路とすることができる。連結された一連のバンプおよびリセスは、チャネル長全体にあって良い。連結された一連のバンプおよびリセスは、振幅および周波数を有する正弦波として形成して良い。【選択図】図１
2021512474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）において、
第１の縁部（１１０；３１０）と、
対抗する第２の縁部（１１０；３１０）とを有し、
上記分離板（１０８；３００；４００；４１０）は、当該分離板（１０８；３００；４００；４１０）の上記第１および対抗する上記第２の縁部の間を長手方向に延びる一連の空気流チャネル（１１２；１１３；３１２、３１３；４０１；４１１）を形成し、
上記分離板（１０８；３００；４００；４１０）は、対面するチャネル壁において対応する複数のリセス（３２１）と対抗する連結された一連のバンプ（３２０）から形成された非線形空気流チャネルを有し、
上記連結された一連のバンプ（３２０）および上記複数のリセス（３２１）は、振幅ｈｂおよび周波数を有する正弦波として形成され、上記周波数は、上記正弦波の波長が上記チャネルの幅ｗの約１．０、約１．５、約２．０、約２．５、約３．０、約３．５、約４．０、約４．５、約５．０、約５．５、約６．０、約６．５、約７．０、約７．５、約８．０、約８．３３、約８．５、約９．０、約９．５、約１０．０、約１０．５、約１１．０、約１１．５、約１２．０、約１５．０、約２０、または約２５．０倍であるように選択されることを特徴とする燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）。
【請求項２】
上記分離板は、複数の波形（２０１）で上記一連の空気流チャネルを形成し、上記分離板の内部の上記波形２０１の各々は、上記空気流チャネル（１１２、１１３）を形成する頂部（２１３）および谷部（２１４）を有し、
一対の隣接する頂部（２１３）の間、または一対の隣接する谷部（２１４）の間の離間は、チャネル幅ｗに対応し、上記第１、および上記対抗する第２の縁部の間の距離（１１０、１１１；３１０、３１１）は、チャネル長ｌに対応する請求項１に記載の燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）。
【請求項３】
上記連結された一連の頂部（３２０）および谷部（３２１）は、上記チャネル長ｌの全体に及ぶ請求項２に記載の燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）。
【請求項４】
上記振幅ｈｂが、上記チャネル幅ｗの約０．２、約０．３、約０．４、約０．５、約０．６、約０．７、約０．８、約０．９、約１．０、約１．１、約１．２、約１．３、約１．４または約１．５倍である、請求項１に記載の燃料電池分離板。
【請求項５】
上記周波数は、上記チャネル長ｌに対して、上記正弦波の約１、約２、約２．５、約３、約３．５、約４、約４．５、約５、約５．５、約６、約６．５、約７、約７．５、または約８の完全なサイクルが存在するように選択されるになるように選択される請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項６】
上記周波数は、上記正弦波の接線が上記第１および第２の対向する縁部に垂直になるように選択される請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項７】
上記空気流チャネルの正弦波に対する接線の、上記第１および第２の対向する縁部の垂線からのオフセット角度が、約０度、約１度未満、約２度未満、約３度未満、約４未満、約５度未満、約１０度未満、または約１５度未満である請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項８】
上記周波数は、上記チャネル長ｌに対して上記正弦波が約３つの完全なサイクルがあるように選択される請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項９】
上記周波数は、上記チャネル長ｌに対して上記正弦波の約５つの完全なサイクルがあるように選択される請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項１０】
上記振幅ｈｂは、上記チャネル幅ｗの約０．５倍である請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項１１】
上記振幅ｈｂは、上記チャネル幅ｗの約１．０倍である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項１２】
上記周波数は、上記正弦波の波長が上記チャネルの幅ｗの約８．３３倍になるように選択される請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項１３】
上記周波数は、正弦波の波長が上記チャネルの幅ｗの約５．０倍になるように選択される請求項１に記載の燃料電池分離板。
【請求項１４】
アノードプレート（１０１）と、
アノード側拡散層（１０２）と、
アノードガスケット（１０３）と、
膜電極組立体（ＭＥＡ）（１０４）と、
カソードガスケット（１０５）と、
カソード側拡散層（１０６）と、
上述の請求項のいずれか１項に記載の燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）と、
一対のガスケット（１９０ａ、１０９ｂ）とを有することを特徴とする空冷燃料電池組立体（１００）。
【請求項１５】
空冷式燃料電池スタック組立体において、
第１のエンドプレートと、
複数の請求項１４に記載の空冷燃料電池組立体（１００）と、
第２のエンドプレートとを有し、
上記複数の空冷式電池組立体（１００）は上記第１の縁部（１１０）に一緒に整合されて上記燃料電池スタック組立体の入り口面を形成し、上記第２の縁部（１１１）に一緒に整合されて上記燃料電池スタック組立体の出口面を形成することを特徴とする空冷式燃料電池スタック組立体。
【請求項１６】
請求項１５に記載の空冷燃料電池スタック組立体を操作する方法において、上記燃料電池スタック組立体の上記入口面に空気流を供給するステップを有することを特徴とする上記方法。
【発明の詳細な説明】
【開示の分野】
【０００１】
本開示は、燃料電池用分離板の分野である。特に、本開示は、燃料電池の活性領域に冷却および／または酸化剤の空気流を提供する際に使用するための装置および方法に関する。
【背景】
【０００２】
開放カソード燃料電池スタックにおいて、空気流は、各燃料電池のカソード側に向けられ、各燃料電池の膜電極組立体（「ＭＥＡ」）のカソード側に酸化剤を供給する。酸化剤は、典型的には拡散層を介して供給される。複数の燃料電池を有する燃料電池スタック全体にわたって燃料電池に均一な空気流を達成するために、スタックの対向する面間で燃料電池スタックを横切って空気流を並列に提供して良い。したがって、セル（燃料電池）の一方の縁部からセルの反対側の縁部まで各セルを横切って空気流を供給して良い。
【０００３】
燃料電池スタックの複数の燃料電池にわたって十分な空気流レートを実現する一つの方法は、波形カソード分離板を通じて空気流を供給することである。このような分離板は、燃料電池電解質のカソード側との電気的接続を形成するように作用し、下にある拡散層を横切る気流のための経路を提供するように作用する。分離板は、板の各々の幅にわたって一組のフローチャネルを形成することができ、各フローチャネルは、板の各々の長さに沿って延在する。いくつかの燃料電池スタックは、冷却用空気流のみのために波形分離板を利用して良く、独立してカソード／酸化剤空気流を供給して良い。
【０００４】
燃料電池スタックの最適な性能のために、各燃料電池の全表面にわたって、各板の幅を横切る横方向、および、各板の各フローチャネルの長さに沿う長手方向の双方にわたって、適切な冷却を維持することが望ましい。空気流量を増加させるための追加の動力を使用すると、全体的なスタック性能に対して寄生電力損失を引き起こす可能性があり、これは、例えば、ファンを駆動するために増加された電力が、改善された燃料電池出力を介して得られるよりも多くの電力を使用するかもしれないからである。
【０００５】
さらに、最適な性能のために、各燃料電池へのＭＥＡの圧縮を十分に大きくしてオーム損失による高い接触抵抗、および、低い効率を避ければならない。また各燃料電池の表面にわたって各ＭＥＡに均等な圧縮を提供してＭＥＡに加わる剪断応力の形成を回避することが望まれ、この剪断応力はＭＥＡのピンホールによるセル障害につながる可能性がある。燃料電池スタック全体の圧縮の均一性は、スタック電気性能に重要であり、これはスタック内の電気的変動によって制限され、このスタックは、一対の終端板間に数トンの圧縮力を受ける数十又は数百個の燃料電池を含みことがある。製造プロセス、または組立プロセス中に招来される変動、または、各板の幅をわたる横方向もしくは各板の各フローチャネルの長さに沿う長さ方向の不均一な部品厚さに招来される変動は、どのようなものであれ、回避することが重要であり、なぜならば、これらの変動は、数十、または数百個の繰り返し成分層を有する燃料電池スタック全体の均一性の問題につながる可能性があるからである。
【０００６】
したがって、改良された燃料電池冷却用板が必要である。本開示は、これら、および、他の重要な必要性に応えるものである。
【開示】
【０００７】
本開示は、対抗する第１の縁部および第２の縁部を含む分離板の複数の側面を提供する。分離板は、当該分離板の対抗する第１の縁部および第２の縁部との間で長手方向に延びる一連の空気流チャネルを形成することができる。分離板は、対面するチャネル壁において対応するリセスに対向する連結された一連のバンプから形成された非線形空気流チャネルを含んで良い。分離板は、複数の波形を有する一連の空気流チャネルを形成することができ、当該分離板の各波形は、空気流チャネルを形成する峰部および谷部を含み、隣接する一対の峰部間または隣接する一対の谷部の間の分離が、チャネル幅ｗに対応し、対抗する第１および第２の縁部間の距離がチャネル長さｌに対応する。連結された一連のバンプおよびリセスは、チャネル長ｌ全体にわたって延在することができる。連結された一連のバンプおよびリセスは、振幅ｈｂおよび周波数を有する正弦波として形成することができる。
【０００８】
本開示は、アノード板と、アノード側拡散層と、アノードガスケットと、膜電極組立体（ＭＥＡ）と、カソードガスケットと、カソード側拡散層と、ここに記載される分離板と、一対のガスケットとを有する空冷式燃料電池組立体の複数の側面を提供する。
【０００９】
本開示は、第１の終端板と、ここに記載される複数の空冷式燃料電池組立体と、第２の終端板とを有する空冷式燃料電池スタック組立体の複数の側面を提供する。複数の空冷式燃料電池組立体は、燃料電池スタック組立体の入口面を形成する第１の縁部と、燃料電池スタック組立体の出口面を形成する第２の縁部とを一緒に整列させることができる。
【００１０】
本開示は、ここで記載される空冷式燃料電池スタック組立体を運転する方法の複数の側面を提供する。これら方法は、空気流を燃料電池スタック組立体の入口面に供給することを含んで良い。
【００１１】
この一般的な説明および以下の詳細な説明は、例示的かつ説明的なものであり、添付の特許請求の範囲に定義されるような本開示を制限するものではない。本開示の他の側面は、ここに提供される開示の詳細な説明を考慮して当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
この概要は、以下の詳細な説明とともに、添付の図面と併せて読むことによってさらに理解される。この開示を説明する目的で、本開示の例示的な実装が図面に示されるけれども、本開示は、開示された特定の方法、組成物およびデバイスに限定されない。図面において、同様の参照番号は、種々の図面全体を通して対応する部品を示す。すべての参照および注釈は、参照して、ここに完全に記載されているようにここに組み込まれる。また、図面は必ずしも縮尺どおりに描かれていない。
【００１３】
【図１】燃料電池アセンブリの構成要素の分解斜視図の態様を示す図である。
【図２】図１の燃料電池組立体における分離板の斜視図の態様を示す図である。
【図３】本開示の分離板の斜視図の態様を示す図である。
【図４】本開示の分離板の斜視図の態様を示す図である。
【図５Ａ】本開示の分離板の態様の模式的な平面図である。
【図５Ｂ】本開示の分離板の態様の模式的な平面図である。
【図６】本開示の分離板の圧縮試験からのデータを示す図である。
【図７】本開示の分離板の圧縮試験からのデータを示す図である。
【図８】本開示の分離板の剛性試験からのデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示は、本開示の一部を形成する以下の詳細な説明を、添付の図面および例と関連して参照することにより、より容易に理解することができる。本開示は限定されるものではないことを理解すべきである。本開示は、ここに記載され、かつ／また、示された特定のデバイス、方法、アプリケーション、条件またはパラメータに限定されず、また、ここで使用される用語は、特定の見本を例として説明する目的のためのものであり、権利化対象の開示を限定することを意図するものではない。また、添付の特許請求の範囲を含む明細書に使用されているように、単数形は、複数のものを含み、特定の数値に対する参照は、文脈がそうでないことを明確に指示しない限り、少なくとも特定の値を含む。本明細書で使用される用語「複数の」は、２つ以上を意味する。値の範囲が表される場合、他の見本は、１つの特定の値および／または他の特定の値を含む。同様に、値が先行詞「約」を用いて近似値として表現される場合、特定の値が他の見本を形成することが理解されるであろう。すべての範囲は排他的でなく、組み合わせ可能である。
【００１５】
本開示の特定の特徴は、明確にするために、別個の見本との関連で本明細書に記載されており、単一の例示的な実装において組み合わせて提供されてもよいことを理解されたい。逆に、簡潔にするために、単一の例示的な実装に関連して説明される開示の様々な特徴は、別個にまたは任意のサブコンビネーションで提供されてもよい。さらに、範囲に記載された値を参照することは、その範囲内の各々の値、および、すべての値を含む。
【００１６】
図１は、説明のための空冷式燃料電池組立体１００の分解斜視図を示す。燃料電池組立体１００は、アノード板１０１、アノード側拡散層１０２、アノードガスケット１０３、膜電極組立体（ＭＥＡ）１０４、カソードガスケット１０５、カソード側拡散層１０６、波形カソード分離板１０８、および一対のガスケット１０９ａ、１０９ｂをこの順番で有している。波形カソード分離板１０８は第１の縁部１１０、および、これと対抗する第２の縁部１１１を具備し、一連の空気流チャネル１１２、１１３を形成し、これら空気流チャネル１１２、１１３は。空気供給チャネルとも呼ばれ、分離板１０８の第１の縁部および対抗する第２の縁部の間を長手方向に延びている。図１において、空気流チャネル１１２および１１３は、直線状チャネルとして模式的に示されているけれども、ここでさらに説明するように、他のチャネルプロファイルをいくつかの実施例で使用することができる。
【００１７】
図１の燃料電池組立体１００は、層状構造で何度も繰り返して燃料電池スタックを形成して良く、当該燃料電池スタックは、例えば、一対の終端板の間のスタック中に数十または数百個のセルを有して良い。
【００１８】
図２は、波形カソード分離板１０８の一部の拡大図を示す。分離板は、第１の面２０４および対抗する第２の面２０５を具備する。この板１０８は、第１の縁部１１０および対抗する第２の縁部１１１の間に延在する一連の空気流チャネル１１２、１１３を形成する一連の波形２０１を具備する。板１０８内の各波形２０１は、峰部２１３および谷部２１４を有し、これらが空気流チャネル１１２、１１３を形成する。板１０８の厚さ、すなわち、すべての峰部２１３の平面とすべての谷部２１４の平面との間の分離は、チャネル高さｈに対応する。隣接する一対の峰部２１３の間、または、隣接する一対の谷部２１４の間の分離は、チャネル幅ｗに対応する。第１の縁部１１０および対抗する第２の縁部１１１の間の距離は、チャネル長さｌに対応する（図１に示される）。
【００１９】
波形カソード分離板１０８の機能は全般的に一連の空気流チャネル１１２、１１３を形成するものとして説明されて良く、これらチャネル１１２、１１３の各々は、当該チャネル１１２、１１３の長さ方向に沿う任意の長手方向上の点における空気流断面を形成する。図１および図２の例において、空気流チャネル１１２、１１３は、断面が長方形であり、その長さに沿って幅または深さが変化せず、またチャネルごとに変化しない。いくつかの実施例において、長方形以外の断面プロファイルを使用してもよく、空気流チャネル１１２、１１３の断面プロファイルを、それらの長さに沿って、または隣接するチャネルからチャネルへ、またはその両方に変更することも可能である。
【００２０】
酸化剤空気流チャネル１１２は、図１および図２に描かれているように「下向き」であり、すなわち、カソード拡散体１０６および下にあるＭＥＡに向かって開放し、それによって、燃料電池の活性領域への酸化剤および冷却の双方として空気を供給する。燃料電池の活性領域は、板１０１、１０８および拡散体１０２、１０６を介してアノードおよびカソードの流体の流れ（燃料および酸化剤）に曝されるＭＥＡの領域として定義することができる。対照的に、冷却剤空気流チャネル１１３は、図１および図２に描かれているように「上向き」であり、隣接するセルのアノード板１０１の下面に隣接して頂部で閉鎖される。したがって、冷却剤空気流チャネル１１３は、冷却空気流のみを提供し、ＭＥＡに酸化剤を供給しない。
【００２１】
酸化剤および冷却剤の空気流チャネル１１２、１１３の両方の重要な機能は、流入する空気が分離板から熱を抽出することを可能にすることである。分離板は、好ましくは、ステンレス鋼のような適切な電気的および熱伝導性の材料から形成される。活性領域において燃料電池によって発生された熱は、ＭＥＡ１０４への損傷を防止するために、燃料電池スタックから抽出されなければならない。図１および図２に示されるような直線状の均一な断面のチャネル１１２、１１３は急速な空気流を提供し、これは低インピーダンス、低い圧力降下、および高い冷却空気のスループットを実現する。
【００２２】
均一な断面の直線チャネルは高いスループットを実現するけれども、それらはほぼ層流状態に向かう傾向があり、その結果、チャネル断面にわたってかなりの温度勾配が生じることが観察された。熱境界層または勾配は、直壁チャネルを通るほぼ層流状態のために形成され、空気流の冷却能力を抑制することとなる。チャネル１１２／１１３をより小さなチャネルに分割して断面サイズを減少させ、熱伝達を潜在的に改善することは、空気流スループットを維持するために、チャネル入口からチャネル出口へのより大きな空気流抵抗および圧力差を作り出すという欠点を有する。これにより、より高い容量のファンを必要とすることになり、この結果、燃料電池システムにおける寄生損失を大きくすることになる。
【００２３】
空気流がチャネル１１２、１１３の長さｌに沿って移動すると、空気流の温度が、燃料電池から吸収された熱のために上昇し、燃料電池の活性領域をわたる熱勾配が生じることが観察された。したがって、チャネル１１２、１１３における空気流への熱の伝達は、空気流の温度が入口縁部（第１の縁部１１０）から出口縁部（第２の縁部１１１）まで上昇するので、より非効率的になる。そして、局所的なホットスポット、具体的には分離板１０８の出口縁部１１１に向かってオーバーヒートが起こる。熱勾配およびオーバーヒート領域は、燃料電池スタックの電力出力を減少させる。空気流またはチャネル容積を増加させることなく、チャネルからより多くの熱を除去することができるようになれば、燃料電池スタックは、チャネル容積を比例的に増大させることなく、より高い電流レベルで動作することが可能になる。これにより、燃料電池の単位体積当たりの電流容量を向上させることができる。
【００２４】
いくつかの側面において、本開示は、板１０８からチャネル１１２／１１３を通る空気流への熱伝達を増大させる構造的特徴を有する分離板を提供する。
【００２５】
図３は、図１および図２に関して上述したチャネル１１２／１１３に機能的に対応するチャネル３１２／３１３を有する分離板３００を模式的に示す。空気流を変更することによって熱伝達を向上させ、また、チャネル３１２／３１３は、強化された剛性および圧縮負荷容量を実現する、構造的な特徴および幾何学的形状を伴って形成されるので、直壁チャネル１１２／１１３とは異なる。板３００は、対面するチャネル壁において対応するリセス３２１に対抗する一連の連結したバンプ３２０から形成された非線形チャネルを伴って形成されて良く、これによって、チャネル空気流の少なくとも一部を他の直線状の流路から逸脱するように強制する障害物経路状（ｃｈｉｃａｎｅ−ｌｉｋｅ）の構造体を形成する。連結された一連のバンプ３２０／リセス３２１は、入口縁部３１０から出口縁部３１１までの長手方向長さｌ全体に延在する。各バンプは、各チャネルの幅ｗに対する横方向の広がり「高さ」ｈｂを有する。これらの構造的特徴は、板から、チャネルに沿って通過する空気流への熱伝達の有効性を、チャネルの幅ｗを変えることなく増加させることができる。これは、チャネル幅を変更することが、下にある拡散層１０６の局所的な圧縮に悪影響を及ぼす可能性がある場合に有利であろう。図３において、分離板３００の縁部に沿った流れチャネル３１２は、対応するバンプ３２０およびリセス３２１を有さない直線状の壁を有することが示されている。直線状の壁は、ガスケット１０９ａ、１０９ｂとして図１に示されるような長方形のガスケットと合致させるために使用することができるけれども、他の実施例においては、図示しないけれども、本開示の分離板の縁部に沿う流れチャネル３１２の最も外側の壁部が、対応するバンプ３２０およびリセス３２１を具備して、分離板３００の他のチャネル３１２、３１３と整合して良く、矩形のガスケット１０９ａ、１０９ｂの代わりに、バンプおよびリセスを伴う整合形状のガスケットを使用することができる。
【００２６】
すべての目的のためにその全体が参照してここに組み込まれる米国特許出願番号ＵＳ２０１７／０１１００７４０Ａ１に詳細に記載されている、以前の研究は、分離板８００の配列を特定した。この構成において、チャネル８１２／８１３はバンプ８２０の携帯で熱電動構造体を含み、これがチャネル８１２／８１３の断面においてチャネルに横方向に延びていた。図４に示されるように、バンプ８２０は好ましくはチャネルチャネル８１２／８１３の出口端部８１１に向かって、チャネル長の２番目の長さ方向半分、または、チャネル長の最後の３分の１部分に位置付けられており、これは、この領域は、従来の直線状の分離板システムにおいて、熱の蓄積が増加することが観察されたからである。各バンプ８２０は、対向するチャネル壁の対応するリセス８２１に対向している。
【００２７】
図３の対称構造が、図４の可変構造に対していくつかの利点を実現することが、後述の試験および実験によって発見された。圧縮荷重試験は、直壁チャネルを具備する分離板に対して、入口縁部から出口縁部までの長手方向長さｌのうちの部分にわたって、連結された一連のバンプ／リセスを具備するチャネルを有する分離板に対して、および、入口縁部から出口縁部まで長手方向長さｌ全体に沿って延びる連結された一連のバンプ／リセスを具備するチャネルを有する分離板に対して実施された。入口縁部から出口縁部までの長手方向長さｌの全体に沿って延びる、連結された一連のバンプ／リセスを具備るチャネルを有するプレートは、直壁チャネルを具備するプレートよりも、初期荷重下で、より大きな変形を受けることが観察された。したがって、縦方向長さの２分の１または３分の１が障害物経路状構造のバンプ／リセスを具備して複数の整列された分離板を有する燃料電池スタックは、その２分の１または３分の１のスタック部分において荷重下でより多くの変形を受け、直壁のチャネル部分を有する領域と比較して、関連するＭＥＡの圧縮を低下させる。その結果生じる、セルにわたる、ＭＥＡの圧縮は、ＭＥＡに剪断応力を生じさせ、これにより、ピンホールによるセル不良のリスクが増大する。さらに、直壁チャネルを有する分離板は、長手方向長さｌの全体に沿って入口縁部から出口縁部に沿って延びる連結された一連のバンプ／リセスを有する分離板に比べて、より低い圧縮荷重で破損することが確認された。これにより、障害物経路状の構造のバンプ／リセスを具備する長手方向長さｌの半分または３分の１のみを有する分離板は、所与の材料厚さに対して、入口縁部から出口縁部まで長手方向長さｌ全体に沿って延びる連結された一連のバンプ／リセスを具備するチャネルを有する分離板と同じ程度の圧縮に耐えられることができない。スタックの圧縮は、導電目的のために十分にＭＥＡを圧縮するのに必要なレベルに設定されるので、入口縁部から出口縁部まで長手方向長さｌ全体に沿って延びる、連結された一連のバンプ／リセスを具備するチャネルを有する分離板を形成するために、より少ない材料が必要である。したがって、燃料電池スタックの重量電力密度を向上させることができる。さらに、分離板の製造および形成は、長手方向長さｌの全体にわたって延在する連結された一連のバンプ／リセスを組み込むことによって改善される。バンプ／リセスを具備するチャネルの部分を形成するために、直壁チャネルの形成に必要とされる材料に較べて、ツールを介して、異なる量の材料が引き出される必要がある。その結果、均一な厚さの板を形成するために、台形状の材料を使用して、直壁とバンプ／リセス壁の双方の領域を有する分離板を形成しなければならない。好ましい製造方法は、０．１ｍｍ鋼板のような矩形状の板金素材を利用し、これは、直線壁およびバンプ／リセス壁の材料の不均一な引き出しによって歪みが生じてしまい、正確な平行アライメントを必要とする燃料電池スタック内に使用できない分離板をもたらす。また、直線チャネルと波状チャネルとの間の遷移領域において、増大した応力の領域が導入されることも予測される。最後に、入口縁部から出口縁部までの長手方向長さｌ全体に沿って延びる連結された一連のバンプ／リセスを有するチャネルを有する分離板は対称的な部分として形成でき、このため、組立中に、燃料電池スタック全体の構成要素の適切な整列を確実にするために、入口／出口縁部の割出しを必要としないようにすることができる。これは、組立を簡素化し、コストを低減するのに有利である。
【００２８】
連結された一連のバンプ／リセスのための典型的な幾何学的形状が、図５Ａ〜５Ｂに示されている。いくつかの実装においては、連結された一連のバンプ／リセスは、振幅および周波数を有する正弦波として作ることができる。いくつかの実装において、振幅ｈｂは、チャネルの幅ｗの約０．２、約０．３、約０．４、約０．５、約０．６、約０．７、約０．８、約０．９、約１．０、約１．１、約１．２、約１．３、約１．４、または約１．５倍であって良い。所定の実装において、周波数は、分離板の長手方向長さｌに対して、約１、約２、約２、約３、約３．５、約４、約４．５、約５、約５．５、約６、約６．５、約７、約７．５、または約８個の完全なサイクルの正弦波が存在するように選択して良い。いくつかの好ましい実装において、周波数は、正弦波パターンに対する接線が、入口端部（図１に示される第１の縁部１１０に類似）および出口端部（（図１に示す第２の縁部１１１に類似する）に対して垂直であり、スタックに出入りする空気流は、燃料電池スタックの入口面および出口面に直接垂直にできるように選択されることが観察された。正弦波の接線が入口端部または出口端部の垂線に対してずれる角度であるように、正弦波のパターンを配置することにより、熱伝達容量の利得なしに、分離板を横切る圧力降下が大きくなる。所定の実装において、フローチャネルの正弦波の接線の、入口端部または出口端部の垂線にからのオフセット角度は、約０度、約１度未満、約２度未満、約３度未満、約４度未満、約５度未満、約１０度未満、または約１５度未満である。所定の実装において、周波数は、正弦波の波長がチャネルの幅ｗの約１．０、約１．５、約２．０、約２．５、約３．０、約３．５、約４．０、約４．５、約５．０、約５．５、約６．０、約６．５、約７．０、約７．５、約８．０、約８．３３、約８．５、約９．０、約９．５、約１０．０、約１０．５、約１１．０、約１１．５、約１２．０、約１５．０、約２０、または約２５．０倍であるように選択して良い。
【００２９】
図５Ａは、本開示の分離板４００の実装のフローチャネルの態様を示す。平面模式図は、正弦波パターンで作られた一連のバンプ／リセスを連結した４つの隣接するフローチャネル４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄを示す。フローチャネル４０１ａ、４０１ｃは、図の平面に対する出入りに対して同一の向きを有し、フローチャネル４０１ｂ、４０１ｄは、同一配向であるが、４０１ａ、４０１ｃの向きとは反対の向きを有する。したがって、フローチャネル４０１ａ、４０１ｃはフローチャネル３１２に類似して良く、フローチャネル４０１ｂ、４０ｄはフローチャネル３１３に類似しており、あるいはその逆であってもよい。図５Ａの実装は、チャネルの幅ｗに等しい振幅ｈｂを有する正弦波を組み込む。破線は、同じ幅ｗの類似の直壁フローチャネルの壁４０２の位置を表すために示されている。図５Ａに示すフローチャネル４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ、４０１ｄは、分離板の長手方向長さｌに対する正弦波の完全なサイクルを有するけれども、他の実装では、より多くの、または、より少ないサイクルを提供して良い。
【００３０】
図５Ａに示されるようないくつかの実装においては、振幅は、チャネルの幅ｗの少なくとも約１．０倍である。連結された一連のバンプ／リセスの正弦波の振幅を少なくとも幅ｗと同じ大きさにすることにより、あらゆる直線状の空気流チャネルを排除することにより、伝熱が改善されたことが観察された。いずれかの特定の理論に束縛されることなく、任意の直線状の空気流チャネルは、空気流の特定の部分が、分離板を通過する程度が急速すぎて最適な熱伝達に適さないと考えられる。
【００３１】
図５Ｂは、本開示の分離板４１０の実装のフローチャネルの態様を示す。平面模式図は、正弦波パターンで作られた一連のバンプ／リセスを連結した４つの隣接するフローチャネル４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｄを示す。フローチャネル４１１、４１１ｃは、図の平面に対する出入りに対して同一の向きを有し、、流路４１１ｂ、４１ｄは、同一の配向を有するが、４１１ａおよび４１１ｃとは反対の向きを有する。したがって、フローチャネル４１１、４１１ｃはフローチャネル３１２に類似してもよく、フローチャネル４１１ｂ、４１ｄはフローチャネル３１３に類似しているか、あるいはその逆であってもよい。示された実装は、チャネルの幅ｗよりも小さい振幅ｈｂを有する正弦波を組み込んでいる。破線は、同じ幅ｗの類似の直壁流路の壁４１２の位置を表すために示されている。図５Ｂに示されるフローチャネル４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４０１ｄは、分離板の長手方向長さｌに対する正弦波の３個の完全なサイクルを有するけれども、他の実装では、より多くの、または、より少ないサイクルを提供することができる。振幅ｈｂはチャネルの幅ｗよりも小さいので、直線状の空気流経路４１４は、分離板のチャネル内に存在し、ドット線４１３で示され、これが直線状の空気流チャネル４１２の第１の縁部を形成し、他方、ドット線４１２が直線状の空気流経路４１２を形成する。
【００３２】
いくつかの実装において、周波数は、長手方向長さｌに対する正弦波の約３−約６個の完全なサイクルを提供するように選択される。いくつかの好ましい実装において、周波数は、長手方向長さｌに対する正弦波の約３個の完全なサイクルを提供するように選択される。
【００３３】
試験および実験においては、空気流を減速させて熱伝達を改善することと、入口縁部から出口縁部までの圧力差が増大するために生じる寄生損失が生じることとのバランスをとらなければならないこと観察された。いくつかの実装において、連結された一連のバンプ／リセスの正弦波の波長は、チャネルの幅ｗの約３、約４、約５、約６、約７、約８、約９、約１０、約１１、約１２、約１３、または約１４倍であって良い。所定の実装において、波長は、幅ｗの約６〜約１０倍であって良い。いくつかの好ましい実装において、波長は、幅ｗの約８倍である。
【００３４】
いくつかの実装において、チャネル壁の表面は、壁面近傍の層流境界層をさらに抑制するために、追加のテクスチャ化または構造的特徴を備えることができる。所定の実装において、チャネル壁の表面は、表面粗さを有することができる。他の実装において、チャネル壁の表面は、分離板材料に一体的に形成されるか、またはオーバーモールディングまたはコーティングプロセスを介して形成される、バンプまたは突起を備えることができる。バンプまたは突起は、チャネル高さｈまたはその一部よりも小さい名目フィーチャ・サイズを有して良い。
【００３５】
ここに示す分離板は、酸化剤空気供給チャネル１１２と冷却空気供給チャネル１１３との両方を組み合わせたカソード分離板を例示している。本明細書に記載される分離板は、代替的には、組み合わされたカソード酸化剤のみを提供し、ＭＥＡに流体的に結合されたチャネルに冷却空気を供給する分離板として、またはＭＥＡから分離された冷却空気のみを提供する分離板として構成することができる。
【００３６】
本開示は、燃料電池スタックを操作する方法を提供し、この方法は、複数の空冷式燃料電池を具備する燃料電池スタックの入口面への空気流を供給することを有する。各空冷式燃料電池は、図１に模式的に示すように、酸化剤空気供給チャネルと冷却空気供給チャネルを有する燃料電池用分離板を備えて良い。この方法は、隣接するフローチャネルにおいて連結された一連の対応するリセスに対抗するバンプを各々有する複数のフローチャネルを具備する少なくとも１つの分離板に空気流を供給することを有して良く、当該連結された一連のバンプおよびリセスは、燃料電池スタックの入り口面から出口面までの長手方向の長さｌの全体に沿って正弦波パターンで形成される。いくつかの実装において、当該方法は、少なくとも１つの分離板に空気流を供給することを含むことができ、当該少なくとも１つの分離板は、幅ｗ以上の振幅ｈｂを具備するフローチャネルを有し、それは少なくとも１つの分離板の長手方向長さｌに対して正弦波の約３〜約６個の完全なサイクルが存在するような周波数を有する。所定の実装において、振幅ｈｂは、流路の幅ｗに等しい。他の実装において、周波数は、少なくとも１つの分離板の長手方向長さｌに対して正弦波の約３個の完全なサイクルが存在するようなものである。
［例１］
【００３７】
本開示の燃料電池分離板は、圧縮および剛性について試験された。各分離板は、長さｌが５０．０ｍｍであり、全体が約６４ｃｍ２であり、直交寸法が約１２．８ｃｍであり、２．００ｍｍの同じ幅ｗを有する６４個のフローチャネルがあり、同一の全体的な寸法を有していた。第１の分離板は、図１および図２に示されるように、直線状で均一な断面チャネルを有していた。他の分離板６０２、６０３、６０４は、正弦波パターンで作られた一連のバンプ／リセスを有するフローチャネルを有していた。分離板６０２、６０３は、チャンネルの幅ｗに等しい振幅ｈｂと、分離板の長手方向長さｌに対して３つの正弦波の完全なサイクルがあるに選択された周波数とを有する正弦波を有する正弦波パターンで形成されていた。分離板６０４は、振幅ｈｂがチャネル幅ｗの０．５倍に等しい正弦波を有する正弦波パターンと、離板の長手方向長さｌに対して５．０の正弦波の完全なサイクルが存在するように選択された周波数とを有する正弦波パターンで形成されていた。したがって、分離板６０４は、正弦波パターンの振幅ｈｂがチャネルの幅ｗよりも小さいので、直進空気流経路を具備していた。離板６０１、６０２、６０３、および６０４に対して圧縮試験が行われ、その結果は図６および図７に示され、これらの図は、正弦波パターニングされたフローチャネルを具備する分離板６０２、６０３、６０４が、直線状の均一な断面チャネルの分離板６０１と比較して著しく高い故障荷重を有することを示す。分離板６０１、６０２、６０３、および６０４について剛性試験が実施され、その結果は図８に示され、これは、低い圧縮力において、分離板６０１および６０４が、分離板６０２および６０３に較べて、高い剛性を有することを示す。分離板６０１、６０２、６０３、および６０４は、また、熱伝達能力についても試験した。ここではデータを示さないけれども、分離板６０２および６０３は、直線状の分離板６０１、および、幾分かまっすぐな空気流経路を有する分離板６０４の両方に較べて著しく良好な熱伝達を示した。
【００３８】
当業者は、本明細書に開示された装置およびシステムにおける構成要素の製造に様々な材料を使用することができることを理解するであろう。任意の適切な構造および／または材料を、ここに本明細書に記載された様々な機構に使用することができ、当業者は、ここで開示されたシステムの意図された使用、それらが使用される意図された分野、およびそれらが使用されることが意図される機器および／または付属品を含む、様々な考察に基づいて、適切な構造および材料を選択することができる。従来のポリマー、金属−ポリマー複合体、セラミックス、および金属材料は、様々な構成要素に使用するのに適している。ここに記載された機構および要素に使用するのに適していると決定される、以下に発見および／または開発された材料も、許容可能であると見なされるであろう。
【００３９】
ここでは、分子量または化学式のような化学的性質のような物理的性質のための範囲が使用される場合、特定の標本のための範囲のすべての組み合わせ、およびサブコンビネーションが含まれることが意図される。
【００４０】
この文献に引用または記載されている各特許、特許出願および刊行物の開示は、その全体がここに参照して組み入れられる。
【００４１】
当業者は、本開示の例示に多数の変更および修正を行うことができ、そのような変更および修正が開示の精神から逸脱することなくなされ得ることを理解するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、添付の特許請求の範囲に定義された本開示の真の範囲内に入るようなすべての均等は変形を包含することが意図される。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年12月24日(2020.12.24)
【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】
燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）において、
第１の縁部（１１０；３１０）と、
対抗する第２の縁部（１１０；３１０）とを有し、
上記分離板（１０８；３００；４００；４１０）は、当該分離板（１０８；３００；４００；４１０）の上記第１および対抗する上記第２の縁部の間を長手方向に延びる一連の空気流チャネル（１１２；１１３；３１２、３１３；４０１；４１１）を形成し、
上記分離板（１０８；３００；４００；４１０）は、対面するチャネル壁において対応する複数のリセス（３２１）と対抗する連結された一連のバンプ（３２０）から形成された非線形空気流チャネルを有し、
上記第１、および上記対抗する第２の縁部の間の距離（１１０、１１１；３１０、３１１）は、チャネル長ｌに対応し、
上記連結された一連のバンプ（３２０）およびリセス（３２１）は、上記チャネル長ｌの全体に及び、上記連結された一連のバンプ（３２０）および上記複数のリセス（３２１）は、振幅ｈｂおよび周波数を有する正弦波として形成されることを特徴とする燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）。
【請求項２】
上記分離板は、複数の波形（２０１）で上記一連の空気流チャネルを形成し、上記分離板の内部の上記波形（２０１）の各々は、上記空気流チャネル（１１２、１１３）を形成する頂部（２１３）および谷部（２１４）を有し、
一対の隣接する頂部（２１３）の間、または一対の隣接する谷部（２１４）の間の離間は、チャネル幅ｗに対応する請求項１に記載の燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）。
【請求項３】
上記振幅ｈｂが、上記チャネル幅ｗの０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４または１．５倍である、請求項２に記載の燃料電池分離板。
【請求項４】
上記周波数は、上記チャネル長ｌに対して、上記正弦波の１、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６、６．５、７、７．５、または８個の完全なサイクルが存在するように選択される請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項５】
上記周波数は、上記正弦波の接線が上記第１および第２の対向する縁部に垂直になるように選択される請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項６】
上記空気流チャネルの正弦波に対する接線の、上記第１および第２の対向する縁部の垂線からのオフセット角度が、０度、１度未満、２度未満、３度未満、４未満、５度未満、１０度未満、または１５度未満である請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項７】
上記周波数は、上記正弦波の波長が上記チャネルの幅ｗの１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０、６．５、７．０、７．５、８．０、８．３３、８．５、９．０、９．５、１０．０、１０．５、１１．０、１１．５、１２．０、１５．０、２０、または２５．０倍であるように選択される請求項２記載の燃料電池分離板。
【請求項８】
上記周波数は、上記チャネル長ｌに対して上記正弦波が３つの完全なサイクルがあるように選択される請求項４〜７のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項９】
上記周波数は、上記チャネル長ｌに対して上記正弦波の５つの完全なサイクルがあるように選択される請求項４〜７のいずれか１項に記載の燃料電池分離板。
【請求項１０】
上記振幅ｈｂは、上記チャネル幅ｗの約０．５倍である請求項２に記載の燃料電池分離板。
【請求項１１】
上記振幅ｈｂは、上記チャネル幅ｗの約１．０倍である請求項２に記載の燃料電池分離板。
【請求項１２】
上記周波数は、上記正弦波の波長が上記チャネルの幅ｗの８．３３倍になるように選択される請求項７に記載の燃料電池分離板。
【請求項１３】
上記周波数は、正弦波の波長が上記チャネルの幅ｗの約５．０倍になるように選択される請求項７に記載の燃料電池分離板。
【請求項１４】
アノードプレート（１０１）と、
アノード側拡散層（１０２）と、
アノードガスケット（１０３）と、
膜電極組立体（ＭＥＡ）（１０４）と、
カソードガスケット（１０５）と、
カソード側拡散層（１０６）と、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池分離板（１０８；３００；４００；４１０）と、
一対のガスケット（１９０ａ、１０９ｂ）とを有することを特徴とする空冷燃料電池組立体（１００）。
【請求項１５】
空冷式燃料電池スタック組立体において、
第１のエンドプレートと、
複数の請求項１４に記載の空冷燃料電池組立体（１００）と、
第２のエンドプレートとを有し、
上記複数の空冷式電池組立体（１００）は上記第１の縁部（１１０）に一緒に整合されて上記燃料電池スタック組立体の入り口面を形成し、上記第２の縁部（１１１）に一緒に整合されて上記燃料電池スタック組立体の出口面を形成することを特徴とする空冷式燃料電池スタック組立体。
【請求項１６】
請求項１５に記載の空冷燃料電池スタック組立体を操作する方法において、上記燃料電池スタック組立体の上記入口面に空気流を供給するステップを有することを特徴とする上記方法。
【国際調査報告】
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