(57)【要約】アノード電極と、カソード電極と、これらの間に挿入されたポリマー電解質膜と、該アノード電極に隣接するアノード流動場と、該カソード電極に隣接するカソード流動場とを備える燃料電池であって、該アノード流動場は、第一の表面上に少なくとも１つのアノードチャネルパスおよび少なくとも１つのアノードランディングを有する単一の蛇行したアノード流路を備えており、該カソード流動場は、第一の表面上に複数のカソード流路パスおよび複数のカソードランディングを有する少なくとも１つの蛇行したカソード流路を備えており、各アノードチャネルパスは、交互のカソードチャネルパスと整列し、重なり、該アノード流動場のピッチは該カソード流動場のピッチの少なくとも２倍である、燃料電池。
2010506360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、これらの間に挿入されたポリマー電解質膜と、該アノード電極に隣接するアノード流動場と、該カソード電極に隣接するカソード流動場とを備える燃料電池であって、
該アノード流動場は、該アノード電極に隣接する第一の表面上に少なくとも１つのアノードチャネルパスおよび少なくとも１つのアノードランディングを有し、アノード流動場のピッチを有する単一の蛇行したアノード流路を備えており、
該カソード流動場は、該カソード電極に隣接する第一の表面上に複数のカソード流路パスおよび複数のカソードランディングを有し、カソード流動場のピッチを有する複数のカソード流路を備えており、
各アノードチャネルパスは、カソードチャネルパスと整列し、重なり、該アノード流動場のピッチは該カソード流動場のピッチの少なくとも２倍である、燃料電池。
【請求項２】
前記少なくとも１つの蛇行したアノード流路の幅と前記少なくとも１つのアノードランディングの幅との比率は少なくとも約１：３である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード流動場は、アノード流路面積とアノード流動場活性面積とをさらに備え、該アノード流路面積と該アノード流動場活性面積との比率は約３：１０未満である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード流動場のピッチは、前記カソード流動場のピッチの２倍である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
各アノードチャネルパスの中心線は、交互に配置されるカソードチャネルパスの中心線と整列し、重なる、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
複数の請求項１に記載の燃料電池を備えている燃料電池スタック。
【請求項７】
アノード流動場とカソード流動場とを備えている燃料電池のための双極流動場プレートアセンブリであって、該アノード流動場は、第一の表面上に少なくとも１つのアノードチャネルパスおよび少なくとも１つのアノードランディングを有する単一の蛇行したアノード流路を備え、該カソード流動場は、第一の表面上に複数のカソードチャネルパスおよび複数のカソードランディングを有する少なくとも１つの蛇行したカソード流路を備え、各アノードチャネルパスは交互のカソードチャネルパスと整列し、重なる、双極流動場プレートアセンブリ。
【請求項８】
前記蛇行したアノード流路の幅と前記アノードランディングの幅との比率は、少なくとも約１：３である、請求項７に記載の双極流動場プレート。
【請求項９】
前記アノード流動場は、アノード流路面積とアノード流動場活性面積とをさらに備え、該アノード流路面積と該アノード流動場活性面積との比率は、約３：１０未満である、請求項７に記載の双極流動場プレート。
【請求項１０】
各アノードチャネルパスの中心線は、交互のカソードチャネルパスの中心線と整列し、重なる、請求項７に記載の双極流動場プレート。
【請求項１１】
前記プレートの材料が金属材料、炭素質材料、黒鉛材料またはポリマー材料である、請求項７に記載の双極流動場プレート。
【請求項１２】
前記アノード流動場および前記カソード流動場のうちの少なくとも１つの対向する第二の表面上に冷却材流動場をさらに備えている、請求項７に記載の双極流動場プレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は燃料電池および燃料電池のための流動場プレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の説明）
電気化学燃料電池は、燃料およびオキシダントを電気に変換する。固体ポリマー電気化学燃料電池は、概して、膜電極アセンブリを用い、該膜電極アセンブリは、２つの電極間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマー電解質を含み、この２つの電極は典型的に、多孔性の電気伝導性シート材料（例えば、炭素繊維ペーパーまたはカーボン布）の層を備えている。膜電極アセンブリは、通常、各膜電極界面において、典型的には細かく微粉砕された白金の形式で触媒の層を含み、所望の電気化学反応を導出する。動作において、電極間を、外部回路を介して電子を導くために、電極は電気的に結合される。多数の膜電極アセンブリが、通常、電気的に直列に結合され、所望の電力出力を有する燃料電池スタックを形成する。
【０００３】
膜電極アセンブリは、典型的には、２つの電気的に伝導性のある双極流動場プレートまたはセパレータプレートの間に挿入される。これらの双極流動場プレートは、電流コレクタとして作用し、電極にサポートを提供し、反応体（例えば、燃料およびオキシダント）の供給を流動場に提供し、反応体および動作時に形成された生成物（例えば、生産水）の余剰物を除去する。一部の場合において、双極流動場プレートは、２つの流動場プレート（すなわち、アノード流動場プレートおよびカソード流動場プレート）を共に結合することによって形成され、その結果、アノード流動場は双極流動場プレートの１つの表面上に形成され、カソード流動場は双極流動場プレートの対向する表面上に形成され、冷却材流動場は、アノード流動場とカソード流動場との間に形成される。他の場合において、双極流動場プレートは、一方の表面上にアノード流動場を、そして対向する表面上にカソード流動場を有する単一のプレートであり得る。これらの双極流動場プレートは、金属材料、炭素質材料、黒鉛材料またはポリマー材料から形成され得る。
【０００４】
双極流動場プレートは、典型的には、燃料電池の動作間に、それぞれ、反応体および生成物の供給および排出を可能にするマニホールドを含む。これらのマニホールドは、内部マニホールドであり得る（すなわちマニホールドの開口部がプレートに形成される）か、または外部マニホールドであり得る（すなわちマニホールドの開口部がプレートまたは燃料電池スタックのエッジに取り付けられる）。
【０００５】
規則的な燃料電池の動作中、それぞれ、アノード流動場およびカソード流動場中の燃料とオキシダントとの間の水蒸気圧の差に起因して、カソード電極において生産された水は、アノード電極まで移動し得、反応体の流速が比較的低いか、そして／または燃料電池の温度が比較的低い場合には、電極および／または流動場において、水の液滴に凝縮され得る。余剰の水の液滴は望ましくない。なぜならば、凝縮された水の液滴は流動場における均一でない流体の流動および反応体の枯渇を引き起こし得（例えば、アノードおよび／またはカソードにおける水の「フラッディング」）、典型的には、不安定な燃料電池性能および燃料電池の劣化をもたらすからである。
【０００６】
この問題を解決する１つの方法は、流動場の圧力降下を増大させること、化学量論的に必要とされる量よりも大量の反応体流体を供給すること、および／またはより高い動作圧力において動作することによって、カソードおよび／またはカソード流動場における余剰の液体の水を除去することである。別の方法は、動作温度を増大させて燃料電池内の液体の水を蒸発させることによって液滴を除去することである。しかしながら、これらの方法の全ては望ましくない。なぜなら、これらの方法は寄生電力消費を増大させ、燃料効率を減少させるからである。
【０００７】
別の方法において、アノードおよびカソード流動場の幾何学形状は、比較的高い圧力降下を有して、燃料電池を通る反応体流体の流れおよび燃料電池からの生産水の除去を向上させるように設計され得る。しかしながら、このことは、動作圧力における増加をもたらし、流動場の圧力降下を補償し、結果として寄生電力消費を増大させ（すなわち、より大きなポンプまたはコンプレッサの使用を介して反応体を供給し）、燃料効率を減少させる。
【０００８】
増大した寄生負荷を避けるために、流動場は、（例えば、１５０ｍｂａｒ程度に小さい）小さな圧力降下動作のために、特に、約０．２１ｂａｒｇ未満で動作する低圧力燃料電池のために設計され得る。しかしながら、低電力において（例えば、約０．１Ａ／ｃｍ２未満の電流密度において）低圧力の燃料電池を動作するとき、比較的少ない量の反応体が燃料電池に送達されるので、不安定な燃料電池性能がしばしば観測され、このことによって、低圧力の燃料電池の流動場における超過した液体の水を取り除くことに対して不十分な反応体の流速をもたらす。このことは、アノード流動場に対して特に正しい。なぜならば、燃料は、通常、可能な限り小さい化学量論比（すなわち低い燃料流速）において供給され、所望の電力生成を維持しながら燃料効率を最大化するからである。さらに、低圧力および低電力の動作の間、燃料電池の温度は典型的に低く、このことがアノード流動場における水蒸気の凝縮をさらに増進させる。
【０００９】
特許文献１は、改良された流動場プレート配置を説明し、該改良された流動場プレート配置は、複数の第一のランドによって隔てられた複数の第一のチャネルを備える第一の流動場プレートと、複数の第二のランドによって隔てられた複数の第二のチャネルを備える第二の流動場プレートとを備えている。複数の第二のランドのうちの少なくとも１つは、複数の第一のランドのうちの少なくとも１つの断面の幅よりも広い断面の幅を有する。しかしながら、低電力における低圧力の動作によって、流速（またはチャネルごとの単位長さ当たりの体積流量）は、まっすぐな流路から液体の水を除去するためには小さすぎる。流路の各々の断面積をさらに減少させることは、流速を増大させるが、このことはまた流路の圧力降下を増大させ、それにより、動作圧力を増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００６４２６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特に低圧力および低電力条件において動作するときに、燃料電池スタックの不安定な性能を最小化するような新たな流動場設計を開発する必要性が残っている。本発明は、これらの問題を解決し、さらに関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（発明の簡単な概要）
一実施形態において、本発明は、アノード電極と、カソード電極と、これらの間に挿入されるポリマー電解質膜と、該アノード電極に隣接するアノード流動場と、該カソード電極に隣接するカソード流動場とを備えている燃料電池に関し、該アノード流動場は第一の表面上に少なくとも１つのアノードチャネルパスと少なくとも１つのランディングとを有する単一の蛇行したアノード流路を備え、該カソード流動場は第一の表面上に複数のカソードチャネルパスとカソードランディングとを有する少なくとも１つの蛇行したカソード流路を備え、各アノードチャネルパスは交互のカソードチャネルパスと整列し、重なる。
【００１３】
さらなる実施形態において、アノード流路の幅と、アノードランディングの幅との比率は、約１：３以上である。他の実施形態において、全アノード流路面積カバレッジは、全アノード流動場プレート活性面積の約３０％未満である。
【００１４】
別の実施形態において、本発明は、燃料電池のための双極流動場プレートアセンブリに関し、該双極流動場プレートアセンブリは、アノード流動場とカソード流動場とを備え、該アノード流動場は、第一の表面上に少なくとも１つのアノードチャネルパスと少なくとも１つのアノードランディングとを有する単一の蛇行したアノード流路と、第一の表面上に複数のカソードチャネルパスとカソードランディングとを有する少なくとも１つの蛇行したカソード流路とを備え、各アノードチャネルパスは交互のカソードチャネルパスと整列し、重なる。
【００１５】
本発明のこれらの局面およびその他の局面が添付の図面および以下の詳細な説明を考慮すると明らかになる。
【００１６】
図面において、同一の参照番号は、同様な要素または動作を識別する。図面における要素のサイズおよび相対的な位置は、必ずしも縮尺を合わせて描かれていない。例えば、様々な要素の形状および角度は、縮尺を合わせて描かれておらず、これらの要素のうちの一部は、図面の見やすさを向上させるために、任意に拡大され、配置される。さらに、描かれるような要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関するいかなる情報をも伝えることを意図されず、図面における認識の容易さのためだけに選択されている。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、従来技術の双極流動場プレートアセンブリのアノード流路構成の平面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、従来技術の双極流動場プレートアセンブリのカソード流路構成の平面図である。
【図２】図２は、図１Ａおよび図１Ｂの従来技術の双極流動場プレートアセンブリの線分Ａ−Ａに沿った断面図であり、燃料電池が従来技術の双極流動場プレートアセンブリを組み込んでいる。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施形態に従った、双極流動場プレートアセンブリのアノード流路構成の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の実施形態に従った、双極流動場プレートアセンブリのカソード流路構成の平面図である。
【図４】図４は、図３Ａおよび図３Ｂの双極流動場プレートアセンブリの線分Ｂ−Ｂに沿った断面図であり、燃料電池が双極流動場プレートアセンブリを組み込んでいる。
【図５】図５は、従来技術に従う流動場プレートを用いる燃料電池スタックの性能の、平均的な電池電圧対時間のグラフである。
【図６】図６は、本発明の実施形態に従う流動場プレートを用いる燃料電池スタックの性能の、平均的な電池電圧対時間のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（発明の詳細な説明）
以下の説明において、本発明の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、特定の具体的な詳細が記述される。しかしながら、当業者は、本発明がこれらの詳細なしで実施され得ることを理解する。他の事例において、本発明の実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、燃料電池、燃料電池スタックおよび燃料電池システムに関連付けられる周知の構造は、詳細には示されないか、または説明されない。
【００１９】
文脈がその他のように必要としない限り、明細書および特許請求の範囲を通じて、語「備える、包含する」およびそれらの変形（例えば、「備える、包含する」および「備えている、包含している」）は、開いた包括的な意味として解釈されるべきであり、すなわち「〜を含むがこれらに限定されない」として解釈されるべきである。
【００２０】
本明細書全体にわたる、「１つの実施形態」または「一実施形態」への参照は、この実施形態と関連して説明される特定の機構、構造または特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味している。従って、本明細書全体にわたる、様々な位置における、句「１つの実施形態において」または「一実施形態において」が現れることは、必ずしも全てが同一の実施形態を参照していない。さらに、特定の機構、構造または特徴は、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされ得る。
【００２１】
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、従来技術の双極流動プレートアセンブリ１０のアノード流路構成およびカソード流路構成の平面図を示す。
【００２２】
アノード側からのプレートアセンブリ１０の平面図を示す図１Ａを参照すると、プレートアセンブリ１０は、蛇行した構成の単一のアノード流路１２を備える（実線がアノード流路１２の中心線を表す）。この構成において、アノード流路１２は、プレートアセンブリにわたり（例えば、プレートアセンブリの幅にわたり）折り重なって、前後に横断し、プレートアセンブリ１０の一方の端部からプレートアセンブリ１０の反対側の端部まで、この流路１２を流れる流体を導くために各折り返し（ｔｕｒｎ）を有する複数のアノードチャネルパス１６を作り出す。カソード側からのプレートアセンブリの平面図を示す、図１Ｂを参照すると、プレートアセンブリ１０は、蛇行した構成の３つのカソード流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃを備えている（実線がカソード流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃの中心線を表す）。この構成において、カソード流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、プレートアセンブリにわたり（例えば、プレートアセンブリの幅にわたり）折り重なって、前後に横断し、プレートアセンブリ１０の一方の端部からプレートアセンブリ１０の反対側の端部まで、このカソード流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃを流れる流体を導くために各折り返しを有する複数のカソードチャネルパス１８を作り出す。この従来技術の双極流動場プレートアセンブリにおいて、各カソード流動パス１８は、アノード流動パス１６と整列し、重なる。
【００２３】
図２は、燃料電池の構成において、図１Ａおよび図１Ｂの線分Ａ−Ａにおける双極流動場プレートアセンブリ１０の断面図を示す。燃料電池２８は、アノード流動場プレート２０ａ（該アノード流動場プレート２０ａはアノード流路１２を有するアノード流動場を備える）と、カソード流動場プレート２２（該カソード流動場プレート２２はカソード流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃを有するカソード流動場を備える）と、膜電極アセンブリ（以後「ＭＥＡ」という）２４とを含み、該膜電極アセンブリ２４はアノード流動場プレート２０ａとカソード流動場プレート２２との間に挿入される。この従来技術の燃料電池の構成において、カソード流動場プレート２２の各カソード流動パス１８は、アノード流動場プレート２０ａのアノード流動パス１６と整列し、重なる。燃料電池スタック構成において、隣接する燃料電池の隣接するアノード流動場プレート２０ｂは、カソード流動場プレート２２の対向する表面に対して（すなわち、冷却材流路２６に対して）配置される。
【００２４】
この実施形態において、カソードプレート２２は、プレート２２の対向する表面上に冷却材流路２６を有する冷却材流動場をさらに含み、燃料電池を通る冷却材（例えば、水、グリコールまたはこれらの混合物）の流動を可能にし、アノード流路およびカソード流路内の反応体および生産流体から熱を除去し、それにより燃料電池の動作中に最適な温度に燃料電池を維持し、ＭＥＡに損傷を与えることを防ぐ。さらに、または代替的に、冷却材流動場は、アノード流動場プレートの対向する表面上に形成され得る（図示せず）。アノード流動場プレート２０ｂおよびカソード流動場プレート２２は、双極流動場プレートアセンブリ２８を形成し、ここでカソード流動場プレート２２の各カソード流動流路１８は、アノード流動場プレート２０ｂのアノード流動流路１６と整列し、重なる。
【００２５】
アノードプレート２０ａのアノード流動場における各アノードチャネルパス１６は、アノードランディング３０によって隔てられ、同様に、カソードプレート２２のカソード流動場における各カソードチャネルパス１８は、カソードランディング３２によって隔てられる。この従来技術のプレートにおいて、アノード流動場のピッチ３４は、カソード流動場のピッチ３６と同一である。当該分野で一般的に公知のように、流動場のピッチは、１つの流路またはチャネルパスの中心（または中心線）から隣接するランディングの中心（または中心線）までの間の距離として定義される。換言すると、ピッチは、隣接する流路またはチャネルパスの間の距離の半分である。
【００２６】
燃料電池または燃料電池スタックの動作中に、燃料電池（または燃料電池中の双極流動場プレートの流路）に反応体流体を送達するため、そして他の燃料電池システム構成要素（これら全ては燃料電池の動作圧力を管理する）を実行させるために、特定の量の圧力が典型的に必要とされる。従って、反応体の流れは、典型的に、コンプレッサ、ポンプ、ブロワ、ファンなどによって動作圧力まで加圧される。ほとんどの場合には、寄生電力の量を最小化するために、より低い動作圧力が望ましく、この寄生電力の量はアノードおよびカソードの反応体の流れを加圧するために必要とされる。さらに、化学量論的に必要とされる量、または化学量論的に必要とされる量に近い量の燃料のみをアノード流路に供給することが望ましい。なぜならば、このことは燃料電池から排出される余剰の燃料の量を減少させ、それにより燃料の有用性および効率を増大させるからである。
【００２７】
しかしながら、図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示される構成において流動場プレートを組み込む燃料電池または燃料電池スタックを、低圧力および低電力の動作条件下で動作するとき、不安定な性能が観測される。理論によって制限されることなしに、アノード流路を流れる流体が、これらの動作条件においてカソードからアノードまで移動してきた水を除去するために不十分な流速において供給されると考えられる。
【００２８】
驚くべきことに、燃料電池の低圧力の動作は、アノード流路の長さを減少させながら、同時にその断面積を減少させることによって、向上し得ることが発見されている。このことはアノード流路が、従来技術の双極流動場プレート内の単一の比較的長い蛇行したアノード流路と同一の全流路圧力降下を有することが可能である。結果として、単位長さ当たりの圧力降下が増大し得、動作（特に、低圧力および低電力動作）の間にアノード流路および／またはアノード電極において生成される水の液滴を除去するために十分な駆動力を生成する。
【００２９】
図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、本発明に従う、双極流動場プレートアセンブリ６２のアノード流路構成およびカソード流路構成の平面図を示す。
【００３０】
図３Ａにおいて、アノード流動場４２は、蛇行した構成の単一のアノード流路４４を有するアノード流動場を含む（再び、この線は流路の中心線を表す［？］）。アノード流路４４は、燃料インレットマニホールド開口部４６から供給された燃料（例えば、水素含有燃料）を方向付け、余剰の燃料を排出し、燃料アウトレットマニホールド開口部４８に送られる（ｉｎｅｒｔｓ）。再び、アノード流路４４の蛇行した構成は、流路が、アノード流動場プレート４２を前後に横断する（この場合には、プレートの幅にわたり燃料インレットマニホールド開口部４６から燃料アウトレットマニホールド開口部４８まで横断する）際に、複数のアノードチャネルパス５０を作り出す。単一の蛇行したアノード流路の使用は、燃料の最大流速を可能にし、低圧力の動作中に該アノード流路内で形成／凝縮されたいかなる液体の水も除去する。
【００３１】
同様に、図３Ｂにおいて、カソード流動場プレート５２は、蛇行した構成で、カソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃを有するカソード流動場を含む。カソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、オキシダント供給マニホールド開口部５６から供給されたオキシダントを方向付け、余剰のオキシダントおよび生成物をオキシダントアウトレットマニホールド開口部５８に排出する。再び、カソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃの蛇行した構成は、流路が、アノード流動場プレート５２を前後に横断する（この場合には、プレートの幅にわたりオキシダントインレットマニホールド開口部５６からオキシダントアウトレットマニホールド開口部５８まで横断する）際に、複数のアノードチャネルパス６０を作り出す。
【００３２】
図４は、燃料電池の構成において、図３Ａおよび図３Ｂの線分Ｂ−Ｂにおける双極流動場プレートアセンブリ６２の断面図を示す。燃料電池４０は、アノード流路４４（このアノード流路４４は複数のアノードチャネルパス５０を形成する）を有するアノード流動場を備えているアノード流動場プレート４２ａと、カソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃ（これらのカソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃは複数のチャネルパス６０を形成する）を有するカソード流動場を備えているカソード流動場プレート５２と、アノード流動場プレート５０ａとカソード流動場プレート５２との間に挿入されたＭＥＡ２４とを備えている。アノードチャネルパス５０の各々は、交互のカソードチャネルパス６０と整列し、重なり、燃料電池に適切な気体間アクセスを提供する。例えば、アノードチャネルパス５０の各々の中心（または中心線）は、交互のカソードチャネルパス６０の中心（または中心線）と整列し、重なる。従って、アノードのピッチ３４はカソードのピッチ３６の２倍である。これは、図１に示される従来技術の燃料電池構成とは対照的であり、ここでは１つ１つのカソードチャネルパス１８がアノードチャネルパス１６と整列し、重なる。さらに、本発明のそれぞれ重なっているアノード流動パスおよびカソード流動パスにおける流体の流れの方向は、同一方向流（ｃｏ−ｆｌｏｗ：同一の方向に流れている）または逆方向流（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｆｌｏｗ：反対の方向に流れている）のいずれかであり得、隣接する重なったアノード流動パスおよびカソード流動パスと同一であったり、なかったりする。１つの実施形態において、重なったアノード流動パスおよびカソード流動パスのうちの少なくとも一部分は同一方向流であり、重なったアノード流動パスおよびカソード流動パスの残りの部分は逆方向流である。
【００３３】
本発明における低圧力動作をさらに容易にするために、アノード流路４４およびカソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、例えば、約１５０ｍｂａｒ以下の小さな圧力降下を有するように設計され得る。
【００３４】
一部の実施形態において、アノード流路４４の幅とアノードランディング３０の幅との比率は約１：３以上である。他の実施形態において、全アノードチャネル面積対全アノード流動場プレート活性面積の比率は約３：１０未満である（または、換言すると、全アノード流路面積は、全アノード流動場プレート活性面積の約３０％未満である）。このコンテキストにおいて、全アノード流路面積は、アノード流路の幅に、燃料インレットマニホールドから燃料アウトレットマニホールドまでのアノード流路の全長を掛けたものであると定義され、一方で、全アノード流動場プレート活性面積は、ＭＥＡのアノード電極と隣接するアノード流動場プレートの全面積として定義される。
【００３５】
アノード流路４４において形成された液体の水の除去をさらに向上するために、アノード流路１２の流体からよりも多くの熱がカソード流路５４ａ、５４ｂ、５４ｃの流体から除去されるように、各燃料電池のアノード流動場プレートおよびカソード流動場プレートの熱伝導率が存在し得、その結果、カソードにおける水の凝縮を向上する。低圧力および低電力動作条件において、カソードに水を保持することが望ましい。なぜならば、アノード流路に送達される燃料の体積量よりも相対的に大きい体積量のオキシダントが、（空気は２１％の酸素のみを含むから）空気をオキシダントとして使用する場合にカソード流路に供給されるからである。
【００３６】
一例において、アノード流動場プレートの心厚が、カソード流動場プレートの心厚よりも大きくなり、その結果、アノード流路よりも多くの熱が、カソード流路から除去されるように、プレートの心厚を変更することによって、アノード流動場プレートおよびカソード流動場プレートの熱伝導特性は変更され得る。このコンテキストにおいて、心厚は、流路の底部から、それぞれの流動場プレートの対向する表面（または裏面）までの断面の距離として定義される。アノード流動場プレートまたはカソード流動場プレートの対向する第二の表面が、冷却材流路を有する冷却材流動場を備えている場合には、心厚は、アノード流路またはカソード流路の底部から冷却材流路の底部までの距離として定義される。別の例において、アノード流動場プレートおよびカソード流動場プレートのための流動場プレート材料は、異なり得、その結果、アノード流動場プレートの熱伝導性は、カソード流動場プレートの熱伝導性よりも小さくなる。結果として、アノード流路よりも多くの熱がカソード流路から除去される。
【００３７】
上記された実施形態において、３つの蛇行したカソード流路がカソード流動場プレートに示されている。しかしながら、１つ、２つ、４つまたはそれ以上のカソード流路が、カソード流路長および／または断面積を変更することによって使用され得ることが理解される。さらに、まっすぐなカソード流路が一部の場合において使用され得、本発明の範囲内である。さらに、動作中に適切な流速を確実にするために、アノード流路の圧力降下を増大させることによって、２つ以上の蛇行したアノード流路を用い得る。さらに、一部の実施形態において、アノードチャネルパスおよびカソードチャネルパスは、各アノードチャネルパスが交互のカソードチャネルパスの代わりに、全ての第三のカソードチャネルパスまたは全ての第四のカソードチャネルパスに整列し、重なるように構成され得、この場合には、アノード流動場のピッチは、カソード流動場のピッチの２倍より大きい。さらに、インレットマニホールド開口部およびアウトレットマニホールド開口部のサイズ、形状および位置が上述の図面に示されるものに限定されないことが理解される。
【００３８】
以下の実施例は、本発明の特定の局面および実施形態を示すために提供されるが、いかなる場合にも限定するものとして解釈されるべきではない。
【実施例】
【００３９】
（実施例１）
（双極流動場プレートアセンブリ）
２つの双極流動場プレートアセンブリを、表１に明示された寸法で作製した。
【００４０】
【表１】
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第一の双極流動場アセンブリ（従来技術）を、表１のアノード＃１流動場プレートをカソード流動場プレートと共に結合して形成した。この従来技術の双極流動場プレートアセンブリにおいて、全てのカソードチャネルパスを、アノードチャネルパスと整列させ、重ねた。従って、アノード＃１アノード流動場プレートのピッチは、カソード流動場プレートのピッチと同一であった。
【００４１】
本発明の実施形態に従って、第二の双極流動場プレートアセンブリを、表１のアノード＃２流動場プレートをカソード流動場プレートと共に結合して形成した。この双極流動場プレートアセンブリにおいて、各アノードチャネルパスを、交互のカソードチャネルパスと整列させ、重ねた。従ってアノード流動場プレートのピッチは、カソード流動場プレートのピッチの二倍である。
【００４２】
（実施例２）
（燃料電池の試験）
上記の実施例１において説明された双極流動場プレートアセンブリを用いた２つの４４個の電池の（４４−ｃｅｌｌ）燃料電池スタックを組み立て、表２に列挙された条件下で試験した。
【００４３】
【表２】
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この試験の結果を図５および図６に提示する。図５は、従来技術の双極流動場プレートアセンブリを用いて４４個の電池の燃料電池スタックの平均的な性能を示している。燃料電池スタックの平均的な電池電圧は、７時間の動作の間、不安定であり、その時間の間にゆっくりと減少していった。電池電圧の標準偏差はまた、かなり変動し、これは不安定な性能を示している。明確に対照的に、図６は、本発明の双極流動場プレートアセンブリを用いた４４個の電池の燃料電池スタックの平均的な性能を示している。性能は平均的な電池電圧において、２４時間の間、小さな標準偏差を有して安定していた。従って、図７および図８に示された結果は、本発明のアノード流路構成およびカソード流路構成が、低圧力および低電力動作条件における燃料電池性能および安定性を大きく向上させたことを示している。
【００４４】
本発明の特定の要素、実施形態および用途が示され、説明されてきたが、特に、前述の教示を考慮して、本開示の精神および範囲から逸脱することなしに、修正がなされ得るので、本発明はそれらに限定されないことが理解される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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