(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のための流通領域構造を有するセパレータプレートにおいて、
複数の直線状の入口脚部、該複数の直線状の入口脚部は、少なくとも１つの中央の入口脚部と、該中央の入口脚部の各側の少なくとも１つの外側の入口脚部とを含み、該入口脚部は入口ヘッダから複数の分割ジャンクションへと伸び、該分割ジャンクションは各々の該入口脚部を１組の分枝脚部に分割し、該分枝脚部の数は、少なくとも１つの中央の分割ジャンクションから最も外側の分割ジャンクションへと行くに従い減少し、そして該入口脚部の長さは、少なくとも１つの中央の入口脚部から最も外側の入口脚部へと行くに従って減少する；
を含む、流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項２】
燃料電池で使用するためのセパレータプレートにおいて、
複数の直線状の入口脚部を備える流通領域、該複数の直線状の入口脚部は、少なくとも１つの中央の入口脚部と、該中央の入口脚部の各側の少なくとも１つの外側の入口脚部とを含み、該入口脚部は入口ヘッダから複数の分割ジャンクションへと伸び、該分割ジャンクションは各々の該入口脚部を１組の分枝脚部に分割し、該分枝脚部の数は、少なくとも１つの中央の分割ジャンクションから最も外側の分割ジャンクションへと行くに従い減少し、そして該入口脚部の長さは、少なくとも１つの中央の入口脚部から最も外側の入口脚部へと行くに従って減少する；
を含む、セパレータプレート。
【請求項３】
燃料電池であって、
膜電極アッセンブリ；及び
複数の直線状の入口脚部を備える流通領域を含むセパレータプレート、該複数の直線状の入口脚部は、少なくとも１つの中央の入口脚部と、該中央の入口脚部の各側の少なくとも１つの外側の入口脚部とを含み、該入口脚部は入口ヘッダから複数の分割ジャンクションへと伸び、該分割ジャンクションは各々の該入口脚部を１組の分枝脚部に分割し、該分枝脚部の数は、少なくとも１つの中央の分割ジャンクションから最も外側の分割ジャンクションへと行くに従い減少し、そして該入口脚部の長さは、少なくとも１つの中央の入口脚部から最も外側の入口脚部へと行くに従って減少する；
を含む、燃料電池。
【請求項４】
各入口脚部が平行であり、入口脚部が全体として３角形形状を構成し、少なくとも１つの中央の入口脚部が該３角形の頂点を形成するように、各入口脚部の長さが、該少なくとも１つの中央の入口脚部から最も外側の入口脚部へと行くに従って減少する、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項５】
外側の各分枝脚部の長さは、中央の各分枝脚部の長さよりも長い、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項６】
外側の各入口脚部の分割ジャンクションの分枝脚部は、分割ジャンクションで外側方向に伸びる、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項７】
最も外側の各入口脚部の分割ジャンクションの分枝脚部は、３本の直線状部分からなり、各々の該直線状部分は次いで分離されている、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項８】
複数の直線状の入口脚部は、２０の入口脚部を含む、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項９】
出口ヘッダから複数の合一ジャンクションへと伸びる複数の出口脚部を含み、該合一ジャンクションは複数の分割ジャンクションからの分枝脚部を接合させる、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項１０】
各出口脚部が平行であり、出口脚部が全体として３角形形状を構成し、少なくとも１つの中央の出口脚部が該３角形の頂点を形成するように、各出口脚部の長さが、該少なくとも１つの中央の出口脚部から最も外側の出口脚部へと行くに従って減少する、請求項９に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項１１】
複数の直線状の入口脚部は、第１の脚部、該第１の脚部より短く該第１の脚部から外側にオフセットした第２の脚部、及び該第１の脚部より短く該第１の脚部から外側にオフセットした、該第２の脚部とは反対側の第３の脚部を含み；そして
複数の分割ジャンクションは、該第１の脚部を第１組の分枝脚部に分割する第１ジャンクション、該第２の脚部を第２組の分枝脚部に分割する第２ジャンクション、及び該第３の脚部を第３組の分枝脚部に分割する第３ジャンクションを含み、該第１組の分枝脚部の数は、該第２組の分枝脚部の数、及び該第３組の分枝脚部の数よりも多い、請求項１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項１２】
第１の脚部が中央の入口脚部を含み、
各入口脚部が平行であり、入口脚部が全体として３角形形状を構成し、第１の脚部が該３角形の頂点を形成するように、各入口脚部の長さが、該中央の入口脚部から最も外側の入口脚部へと行くに従って減少する、請求項１１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項１３】
第１の出口脚部、該第１の出口脚部から外側にオフセットした第２の出口脚部、及び該第１の出口脚部から外側にオフセットした、該第２の出口脚部とは反対側の第２の出口脚部を含む複数の出口脚部；
該第１組の分枝脚部を該第１の出口脚部に接合させる第１の合一ジャンクション、該第２組の分枝脚部を該第２の出口脚部に接合させる第２の合一ジャンクション、及び該第３組の分枝脚部を該第３の出口脚部に接合させる第３の合一ジャンクションを含む複数の合一ジャンクション；及び
出口ヘッダ、ここで複数の出口脚部は該出口ヘッダから該複数の合一ジャンクションへと伸びる；
をさらに含む、請求項１１に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項１４】
第１の出口脚部が中央の出口脚部を含み、
各出口脚部が平行であり、出口脚部が全体として３角形形状を構成し、第１の出口脚部が該３角形の頂点を形成するように、各出口脚部の長さが、該中央の出口脚部から最も外側の出口脚部へと行くに従って減少する、請求項１３に記載の流通領域構造を有するセパレータプレート。
【請求項１５】
複数の直線状の入口脚部を通過するクーラント流をさらに含む、請求項２に記載のセパレータプレート。
【請求項１６】
最も外側の各入口脚部の端部でのクーラント流の速度は、中央の各入口脚部の端部でのクーラント流の速度よりも速い、請求項１５に記載のセパレータプレート。
【請求項１７】
中央の各分割ジャンクションの各分枝脚部でのクーラント流の速度は、外側の各分割ジャンクソンの各分枝脚部でのクーラント流の速度よりも遅い、請求項１５に記載のセパレータプレート。
【請求項１８】
複数の直線状の入口脚部を通過するクーラント流をさらに含む、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項１９】
クーラント流は、燃料電池の均一な冷却を提供する、請求項１８に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、更に詳細には、燃料電池の流通領域を通る流体の流れを調節することに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学的反応によって電気を発生し、多くの用途で電源として使用されてきた。燃料電池は、効率、信頼性、及び耐久性が高く、費用及び環境上で有利であるといった、他の電気エネルギ源を上回る顕著な利点を提供できる。燃料電池は、最終的には、自動車やトラックで使用されてもよい。燃料電池は、更に、家庭や企業に電力を提供することができる。
【０００３】
幾つかの異なる種類の燃料電池がある。これらの燃料電池の各々は、その燃料電池を所与の用途に特に適したものであるようにできるという利点を備えている。１つの種類は、陽子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池である。この燃料電池では、アノードとカソードとの間に膜が挟んである。電気化学的反応によって電気を発生するため、水素（Ｈ２）をアノードに供給し、空気又は酸素（Ｏ２）をカソードに供給する。
【０００４】
電池の第１の片側の反応では、水素（Ｈ２）を、水素陽子（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とに分ける。膜が陽子だけを通すため、陽子は膜を通って運ばれる。電子は、２つの隣接した燃料電池を分けるバイポーラプレートを通って、隣接した燃料電池のカソード半部に流入する。電池の第２の片側の反応では、酸素（Ｏ２）が、カソードのところで水素陽子（Ｈ＋）及び隣接した電池のアノード半部からの電子（ｅ−）と反応し、水（Ｈ２Ｏ）を発生する。スタックの第１の電池と最後の電池とが、外部負荷を介してループをなしている。燃料電池を効率的に作動するため、反応により発生する寄生熱を調節しなければならない。
【０００５】
燃料電池スタックは、クーラントが通って流れるクーラント流通領域を備えている。クーラントは熱伝達流体であり、クーラントと燃料電池スタックの構成要素との相対的温度に応じて、燃料電池スタックを加熱したり冷却したりできる。従来のクーラント流通領域は、クーラントを燃料電池スタックに亘って様々な流量で分配した。その結果、燃料電池スタックに亘る温度分布が不均等であった。このような不均等な温度分布により、燃料電池スタックの作動が非効率になり、燃料電池に応力負荷が不均等に加わり、その結果、燃料電池スタックの有効寿命を低下させてしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明は、燃料電池のセパレータプレートに形成される流通領域形状を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本流通領域形状は、第１入口脚部から外側にオフセットした第１外側入口脚部を含む複数の直線状の入口脚部と、これらの複数の直線状の入口脚部の各々と関連した分割ジャンクションとを含む。分割ジャンクションは、直線状の入口脚部を複数の分枝脚部に分割する。第１外側入口脚部と関連した第１組の分枝脚部の数は、第１入口脚部と関連した一組の分枝脚部の数よりも多い。
【０００８】
一つの特徴では、流通領域形状は、複数の直線状の入口脚部に第２外側入口脚部を含む。第２外側入口脚部は、第１入口脚部から、第１外側入口脚部の反対側で、外側にオフセットしている。分割ジャンクションは、第２外側入口脚部と関連している。第２外側入口脚部と関連した第１組の分枝脚部の数は、第１入口脚部と関連した一組の分枝脚部の数よりも多い。
【０００９】
別の特徴では、三角形形状の長さプロファイルを形成するため、複数の直線状の入口脚部の各々と所定の長さが関連している。
別の特徴では、流通領域形状は、更に、第１出口脚部から外側にオフセットした第１外側出口脚部を含む複数の直線状の出口脚部を備えている。合一ジャンクションが、複数の直線状の出口脚部の各々と関連している。合一ジャンクションは、複数の分枝脚部を、一つの直線状の出口脚部に合一する。
【００１０】
別の特徴では、第１外側出口脚部と関連した第１組の分枝脚部の数は、中央出口脚部と関連した一組の分枝脚部の数よりも多い。
更に別の特徴では、流通領域形状は、更に、複数の直線状の出口脚部に第２外側出口脚部を含む。第２外側出口脚部は、第１出口脚部から、第１外側出口脚部の反対側で、外側にオフセットしている。合一ジャンクションが、第２外側出口脚部と関連している。第２外側出口脚部と関連した第２組の分枝脚部の数は、第１出口脚部と関連した組をなした分枝脚部組の数よりも多い。
【００１１】
更に別の特徴では、三角形形状の長さプロファイルを形成するため、複数の直線状の出口脚部の各々と所定の長さが関連している。
本発明のこの他の適用領域は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施例を示すけれども、単に例示を目的としたものであって、本発明の範囲を限定しようとするものではないということは理解されるべきである。
【００１２】
本発明は、詳細な説明及び添付図面から、更に完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
好ましい実施例の以下の説明は、単なる例示であって、本発明、その用途、及び使用を限定しようとするものではない。
次に図１を参照すると、この図には、燃料電池スタック１０の一部の断面が示してある。燃料電池スタック１０は、一連の燃料電池１２を含む。各燃料電池１２は、セパレータプレート１６間に挟まれた膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）１４を含む。拡散媒体１８が、ＭＥＡ１４と各セパレータプレート１６との間に配置してある。ＭＥＡ１４を横切って反応するため、アノード反応体（即ち水素）及びカソード反応体（即ち酸素）がセパレータプレート１６によって分配される。
【００１４】
一つの場合には、セパレータプレート１６は、バイポーラプレート２０として組み合わせられる。各バイポーラプレート２０は、アノードセパレータプレート１６及びカソードセパレータプレート１６を含む。アノードセパレータプレート１６は、アノード面２２及びクーラント面２４ａを有する。アノード流通領域２６が、アノード面２２に形成され、部分クーラント流通領域２８ａがクーラント面２４ａに形成される。カソードセパレータプレート１６は、カソード面３０及びクーラント面２４ｃを含む。カソード流通領域３２がカソード面３０に形成され、部分クーラント流通領域２８ｃがクーラント面２４ｃに形成される。アノードセパレータプレート１６及びカソードセパレータプレート１６は、クーラント面２４ａ、２４ｃが互いに隣接して置かれるように、互いに積み重ねられる。クーラント面２４ａ、２４ｃの部分クーラント流通領域２８ａ、２８ｃは、整合することにより、本発明による流通領域形状を持つチャンネルを形成できる。
【００１５】
次に、図２、図３、及び図４を参照し、本発明の流通領域形状を詳細に説明する。図２、図３、及び図４のプレートは、バイポーラプレート２０のクーラントチャンネル２８を例示するものである。バイポーラプレート２０は、クーラント入口ヘッダ３４及びクーラント出口ヘッダ３６を含む。クーラントは、入口ヘッダ３４を通ってクーラントチャンネル２８に流入し、出口ヘッダ３６を通ってバイポーラプレート２０から排出される。入口中央軸線（Ａｉ）は、入口ヘッダ３４の中央に沿って形成される。以下に更に詳細に説明するように、入口中央軸線と全体に隣接した入口脚部３８を中央入口脚部と呼び、入口中央軸線から外側にオフセットした入口脚部を外側入口脚部と呼ぶ。同様に、出口中央軸線（Ａｏ）は、出口ヘッダ３６の中央に沿って形成される。出口中央軸線と全体に隣接した出口脚部４６を中央出口脚部と呼び、出口中央軸線から外側にオフセットした入口脚部を外側出口脚部と呼ぶ。
【００１６】
各流体チャンネルは、直線状の入口脚部３８と、分割ジャンクション４０と、分枝脚部４２と、合一ジャンクション４４と、直線状の出口脚部４６とを含む。更に詳細には、流体が入口ヘッダ３４から流体チャンネルに直線状の入口脚部３８を通って流入する。流体の容積は、分割ジャンクション４０のところ（即ち、単一の直線状の入口脚部が多数の分枝脚部に分割される場所）で分枝脚部４２に分割される。分割された流体容積が分枝脚部４２を通って流れ、合一ジャンクション４４のところ（即ち、多数の分枝脚部がまとめられて単一の直線状の出口脚部になる場所）で再度組み合わせられる。流体容積が直線状の出口脚部４６を通って流れ、出口ヘッダ３６を通って排出される。
【００１７】
特に図３を参照すると、クーラント流通領域２８の入口脚部３８は、全体に三角形形状の脚部プロファイルを形成する。更に詳細には、入口脚部３８の長さは、中央に配置された入口脚部３８（即ち、中央軸線と整合しているか或いは隣接している入口脚部）から、外側に配置された入口脚部３８（即ち、中央軸線と隣接しておらず、即ち中央軸線からオフセットした入口脚部）に亘って減少する。このようにして、中央軸線に最も近い入口脚部３８は、中央軸線からオフセットした入口脚部よりも長い。
【００１８】
所与の流体流路の長さは、流体流路を通って移動する流体の圧力降下に直接的影響を及ぼす。更に詳細には、流体圧力は、流体が流体流路を通って移動するに従って低下する。従って、比較的長い流体流路では、比較的短い流体流路よりも圧力降下（即ち、入口から出口までの圧力差）が大きくなる。圧力差と流体の流量との間には直接的な関係がある。更に詳細には、圧力差が増大するにつれて、流体の流量が低下する。中央軸線に最も近い入口脚部３８は、中央軸線からオフセットした入口脚部よりも長いため、入口脚部３８は、中央に近い程、圧力差が大きい。そのため、中央に近い入口脚部３８を通る流体の流量は、外側に近い入口脚部３８の端部での流体の流量よりも少ない。このようにして、入口脚部３８は、対応する三角形形状の流通領域プロファイルを形成する。これは、外側の流れチャンネルを通る流量を、中央の流れチャンネルに対して高くするように機能する。
【００１９】
分割ジャンクション４０は、入口脚部３８の端部に配置されている。これらの分割ジャンクション４０は、各入口脚部３８を多数の分枝脚部４２に分割する。各分割ジャンクション４０は、入口脚部３８を様々な数の分枝脚部４２に分割する。更に詳細には、中央に近い入口脚部３８と対応する分割ジャンクション４０は、入口脚部３８を、外側に近い入口脚部３８と対応する分割ジャンクション４０よりも多くの分割脚部４２に分割する。一般的には、多数の分枝脚部４２の数は、中央に配置された分枝ジャンクション４０から、外側に配置された分枝ジャンクション４０に亘って減少する。
【００２０】
添付図面に示す例示の流れチャンネルについて、２０個の入口脚部３８が７５個の分枝脚部４２に分割される。最も外側の分割ジャンクション４０は、入口脚部３８を２個の分枝脚部４２に分割する。中央の分割ジャンクション４０は、入口脚部３８を、夫々、６個及び７個の分枝脚部４２に分割する。最も中央の分割ジャンクション４０と、最も外側にある分割ジャンクション４０との間に配置された分割ジャンクション４０は、入口脚部３８を、様々な数の分枝脚部４２に分割する。分枝脚部４２の数には、６個、５個、４個、及び３個が含まれる。入口の、分枝脚部４２への特定の分割は、流通領域の特定の用途に基づいて行われる。しかしながら、分枝脚部４２の数は、全体として、中央の分割ジャンクション４０から最も外側の分割ジャンクション４０まで減少する。添付図面に示す流体チャンネルは、単なる例であるということは理解されよう。
【００２１】
分割ジャンクション４０は、クーラントを分割し、クーラントを対応する分枝脚部４２に案内する。上文中に詳細に論じたように、最も外側の入口脚部３８の端部での流体の流量は、中央の入口脚部３８の端部での流体の流量よりも大きい。中央に近い入口脚部３８と対応する分割ジャンクション４０は、入口脚部３８を、外側に近い入口脚部３８と対応する分割ジャンクション４０よりも多くの分枝脚部４２に分割するため、外側に近い分割ジャンクション４０では、流体流量が比較的大きい流体が、中央の分割ジャンクション４０での流体流量が比較的低い流体よりも、少数の分枝脚部４２に分割される。その結果、中央の分割ジャンクション４０の分枝脚部４２内の流体流量は、外側の分割ジャンクション４０の分枝脚部４２内の流体流量よりも少ない。次に図５を参照すると、この図には、左から右まで、番号を順次付したチャンネルの各々を通る流量がグラフで示してある。流体の流量は、中央の分枝脚部４２から外側の分枝脚部４２まで増大し、分枝脚部に亘って全体にＵ形状の流量分布を提供する。
【００２２】
次に、図２、図５、及び図６を参照すると、外側に近い分枝脚部４２の長さは、中央に近い分枝脚部４２の長さよりも長い。外側に近い分枝脚部４２の流体流量は、中央に近い分枝脚部４２の流体流量よりも大きい。所与の分枝脚部４２の流体流量を分枝脚部４２の長さで除することによって、単位長さ当たりの流量が得られる。本発明の流れチャンネル形状は、分枝脚部４２についての単位長さ当たりの流量がほぼ等しい。換言すると、単位長さ当たりの流量は、分枝脚部４２に亘ってほぼ均等である。流量が均等であることにより、燃料電池１２の冷却が、燃料電池スタック１０に亘って均等になる。図６に示すように、温度上昇プロファイルは、スタックに亘って比較的均等である。
【００２３】
次に、図４を参照すると、分枝脚部４２は、合一ジャンクション４４のところでまとめられて単一の出口脚部４６になる。出口脚部４６の数は、入口脚部３８の数と対応すると考えられる。しかしながら、出口脚部４６の数が入口脚部３８の数と異なっていてもよいということは理解されよう。一般的には、中央の入口脚部３８と関連した分枝脚部４２は、中央の出口脚部４６にまとめられる。同様に、外側の入口脚部３８と関連した分枝脚部４２は、対応する外側の出口脚部４６にまとめられる。分枝脚部４２の特定の組の分けられた流体は、合一ジャンクション４４のところで組み合わせられる。その結果、特定の出口脚部４６を通る流体の流量は、対応する分枝脚部４２を通る流体流量を超えて上昇する。
【００２４】
更に、出口脚部４６は、入口脚部３８と同様の三角形形状のプロファイルを有すると考えられる。更に詳細には、出口脚部４６の長さは、中央の出口脚部４６から外側の出口脚部４６に亘って減少する。その結果、入口脚部について上文中に説明したのと同様に、中央の出口脚部４６に沿った圧力降下が、外側の出口脚部４６に沿った圧力降下よりも大きくなる。。
【００２５】
本明細書中、クーラント流通領域に関して流通領域形状を説明したが、流通領域形状は、他の流通領域の用途で実施できるものと考えられる。このような用途には、アノード流通領域２６及びカソード流通領域３２等の反応体流通領域が含まれるが、これに限定されない。本発明の流通領域形状を反応体流通領域で実施することにより、反応体を、燃料電池スタック１０に亘って均等に分配できる。このようにして、燃料電池スタック１０の活性領域を更に効率的に使用できる。
【００２６】
本発明の説明は単なる例示であり、及びかくして本発明の要旨から逸脱しない変更は、本発明の範囲内に含まれる。このような変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱しないものとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、燃料電池スタックの一部の断面図である。
【図２】図２は、本発明によるクーラント流通領域の平面図である。
【図３】図３は、図２のクーラント流通領域の入口部分の詳細図である。
【図４】図４は、図２のクーラント流通領域の出口部分の詳細図である。
【図５】図５は、クーラント流通領域に亘る例示の公称流量プロファイルを示すグラフである。
【図６】図６は、クーラント流通領域に亘る例示の流体温度上昇プロファイルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１０  燃料電池スタック
１２  燃料電池
１４  膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
１６  セパレータプレート
１８  拡散媒体
２０  バイポーラプレート
２２  アノード面
２４ａ、２４ｃ  クーラント面
２６  アノード流通領域
２８ａ、２８ｃ  部分クーラント流通領域
３０  カソード面
３２  カソード流通領域
３４  クーラント入口ヘッダ
３６  クーラント出口ヘッダ
３８  入口脚部
４０  分割ジャンクション
４２  分枝脚部
４４  合一ジャンクション
４６  出口脚部
【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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