(57)【要約】  本発明は、電極対向正面と、裏面と、少なくとも、冷却流体をそこに供給するための冷却流体マニホルド（１０２；２０２）とを有する燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ用の流れ場プレート（１００；２００）であって、前記裏面は、前記流れ場プレート（１００；２００）に冷却流体を略均一に分配するための冷却流体流れ場（１１０；２１０）を備え、前記流れ場プレート（１００；２００）は、冷却流体を前記冷却流体マニホルド（１０２；２０２）から冷却流体流れ場（２１０，１１０）に分配するように構成される冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）を更に備えている流れ場プレート（１００；２００）において、前記冷却流体サブマニホルド（１１２，２１２）は、前記冷却流体流れ場（１１０，２１０）、バイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ、流れ場プレート及び／又はバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリで構成される燃料電池又は燃料電池スタックから流体分離されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極対向正面と、裏面と、少なくとも、冷却流体をそこに供給するための冷却流体マニホルド（１０２；２０２）とを有する燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ用の流れ場プレート（１００；２００）であって、前記裏面は、前記流れ場プレート（１００；２００）に冷却流体を略均一に分配するための冷却流体流れ場（１１０；２１０）を備え、前記流れ場プレート（１００；２００）は、冷却流体を前記冷却流体マニホルド（１０２；２０２）から冷却流体流れ場（２１０，１１０）に分配するように構成される冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）を更に備えている流れ場プレート（１００；２００）において、
前記冷却流体サブマニホルド（１１２，２１２）は、前記流れ場プレート（１００，２００）の前記冷却流体流れ場（１１０，２１０）から流体分離されることを特徴とする、
流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項２】
その電極対向正面に、前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）の陰極構造として設計される反応物流体流れ場（１１８）を備える、請求項１に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項３】
少なくとも、前記流れ場プレート（１００；２００）の電極対向面上の前記反応物流体流れ場（１１８）に流体接続される第１の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）と、前記反応物流体流れ場（１１８）から流体分離される第２の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）とを更に備える、請求項１又は２に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項４】
その裏面に、好ましくは前記流れ場プレート（１００；２００）のトンネル状開口（１１６）によって、前記第１の反応物マニホルド（１０４；２０６）、及び前記流れ場プレート（１００；２００）の電極対向面上の前記反応物流体流れ場（１１８）に流体接続される第１の反応物サブマニホルド（１１４；２１４）を備え、且つ／又は、その裏面に、前記第２の反応物マニホルド（２０４；１０６）に流体接続される第２の反応物サブマニホルド（１１５，２１５）を備える、請求項３に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項５】
前記第１の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）及び／又は前記第１の反応物サブマニホルド（１１４；２１４）と、前記第２の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）及び／又は前記第２の反応物サブマニホルド（１１４；２１４）は、略軸対称寸法及び／又は略軸対称形状を呈し、且つ／又は、前記流れ場プレート（１００；２００）は、好ましくはその質量中心に関して、略回転対称を呈する、請求項３又は４に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項６】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）は、前記第２の反応物マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）と前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）の間の領域（１１３，２１３）に配設される、請求項３乃至５のいずれかに記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項７】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の長さは、少なくとも前記第２の反応物流体サブマニホルド（１１４；２１４）の長さにわたって実質的に延在する、請求項６に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項８】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の断面が前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の冷却流体流れ方向に沿って縮小する、請求項１乃至７のいずれかに記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項９】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の断面は、約１０％〜９０％、より好ましくは２０％〜８０％、最も好ましくは５０％〜７５％縮小する、請求項８に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項１０】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）はテーパ形状を有し、前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）は好ましくは楔形状又はブーメラン形状である、請求項８又は９に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項１１】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の体積は、前記第２の反応物マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）によって供給された反応物に対する熱交換能力を提供するように構成される、請求項３乃至１０のいずれかに記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項１２】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）は、少なくとも１つの冷却流体案内構造（１０８，２０８）を更に備える、請求項１乃至１１のいずれかに記載の流れ場プレート。
【請求項１３】
少なくとも、請求項１乃至１２のいずれかに記載の第１の流れ場プレート（１００）と、請求項１乃至１２のいずれかに記載の第２の流れ場プレート（２００）とからなる燃料電池又は燃料電池スタック用のバイポーラプレートアセンブリであって、前記第１及び前記第２の流れ場プレート（１００；２００）が互いに隣接して配設されるように構成されるため、前記第１及び第２の流れ場プレート（１００；２００）の前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）が冷却流体のチャネル状構造を形成するように構成されるバイポーラプレートアセンブリにおいて、
前記第１及び前記第２の流れ場プレート（１００；２００）が互いに接触して配置されている場合、前記第１の流れ場プレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）は前記第２の流れ場プレート（２００）の前記冷却流体流れ場（２１０）に流体接続されるように構成され、前記第２の流れ場プレートの前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は前記第１の流れ場プレート（１００）の前記冷却流体流れ場（１１０）に流体接続されるように構成されることを特徴とする、
バイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の流れ場プレート（１００）はカソードプレートとして設計され、前記第２の流れ場プレート（２００）はアノードプレートとして設計されており、好ましくは、前記カソードプレート（１００）は、第１の反応物流体マニホルドとしての酸化剤マニホルド（１０４）と、酸化剤、好ましくは空気を前記カソードプレート（１００）の電極対向面に提供するための反応物流れ場としての酸化剤流れ場（１１８）とを有し、且つ／又は、好ましくは、前記アノードプレート（２００）は、第１の反応物流体マニホルドとしての燃料マニホルド（２０６）と、燃料、好ましくは水素含有流体を前記アノードプレート（２００）の電極対向正面に提供するための反応物流れ場としての燃料流れ場とを有する、請求項１３に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１５】
カソード対向正面の酸化剤流れ場（１１８）と裏面の冷却流体流れ場（１１０）を備えたカソードプレート（１００）と、アノード対向正面の燃料流れ場と裏面の冷却流体流れ場（２１０）を備えたアノードプレート（２００）とを有する、燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレートアセンブリであって、前記カソードプレート（１００）及び前記アノードプレート（２００）は、少なくとも、
冷却流体を前記バイポーラプレートアセンブリに供給するための冷却流体マニホルド（１０２；２０２）と、冷却流体を前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）に分配するための冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）と、
酸化剤、好ましくは空気を前記バイポーラプレートアセンブリに提供するための酸化剤マニホルド（１０４；２０４）と、酸化剤を前記酸化剤流れ場（１１８）に分配するための酸化剤サブマニホルド（１１４）と、
燃料、好ましくは水素含有流体を前記バイポーラプレートアセンブリに提供するための燃料マニホルド（１０６；２０６）と、燃料を前記燃料流れ場に分配するための燃料サブマニホルド（２１４）とを更に備えているバイポーラプレートアセンブリにおいて、
前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体サブマニホルド（２１２）の体積は酸化剤の熱交換能力を提供するように構成され、前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）の体積は燃料の熱交換能力を提供するように構成されることを特徴とする、
バイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１６】
好ましくは、前記カソードプレート（１００）及びアノードプレート（２００）が互いに接触して配置される場合、前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）は、前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体流れ場（２１０）に流体接続されるように構成され、前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は、前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体流れ場（１１０）に流体接続されるように構成される、請求項１５に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１７】
前記カソードプレート（１００）は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の流れ場プレートであり、且つ／又は、前記アノードプレート（２００）は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の流れ場プレートである、請求項１５又は１６に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１８】
前記燃料マニホルド（１０６；２０６）は前記酸化剤マニホルド（１０４；２０４）よりも小さく、且つ／又は、前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）よりも大きく、且つ／又は、前記酸化剤流れ場は前記燃料流れ場よりも多くのチャネル状構造を有し、且つ／又は、前記燃料流れ場の前記チャネル状構造の断面は前記酸化剤流れ場の前記チャネル状構造の断面よりも小さい、請求項１４乃至１７のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１９】
前記アノードプレート（２００）は前記カソードプレート（１００）と略同一である、請求項１４乃至１７のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項２０】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の少なくとも１つの流れ場プレート（１００；２００）及び／又は請求項１３乃至１９のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリを有する燃料電池及び／又は燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート用の流れ場プレート、燃料電池用のバイポーラプレートアセンブリ、並びにかかる流れ場プレート及び／又はかかるバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリを含む燃料電池又は燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池は、積み重ねられた電池を保持する２つのエンドアセンブリ単位間に複数の繰り返しの単位燃料電池を積み重ねることによって作られる燃料電池スタックとして配設される。燃料電池スタックには、燃料電池スタックへ様々な流体（反応物、冷却流体）を分配する機構が存在する。この機構は、マニホルド及び流れ場と呼ばれる。新しい反応物及び新しい冷却流体を導く機構は入口マニホルドと呼ばれ、未使用の反応物及び生成物を除去すると共に冷却流体を流出させる機構は出口マニホルドと呼ばれる。燃料電池の活性領域へ様々な流体を分配するために、流れ場が使用されるが、この流れ場は多くの場合チャネル状構造からなっている。燃料電池の活性領域は、反応が起こる領域として定義される。
【０００３】
燃料電池スタックは、酸化剤、好ましくは空気を燃料電池カソードに供給するための酸化剤入口と、燃料、好ましくは水素含有流体を燃料電池アノードに供給するための燃料入口と、冷却流体を冷却流体チャネルに供給するための冷却流体入口とを更に含む。燃料電池スタックは、通常、効率及び／又は耐久性を最大にすべく規定の温度間隔内で作動する。
【０００４】
繰り返し燃料電池単位は、通常、２つのサブアセンブリ、即ち、５層膜電極アセンブリ（５層ＭＥＡ）とバイポーラプレートアセンブリからなる。５層ＭＥＡは、その２つの主面に配置された２つの電極、アノード側の多孔質アノード電極と、カソード側の多孔質カソード電極とを備えた膜からなる。各電極、アノード及びカソードに、好ましくは多孔性導電性材料から作られるガス拡散層が適用されて、電極へ、そして電極から、電気及び熱を導くと共に、電極に反応物を供給して、電極から生成物を除去する。５層ＭＥＡ及びバイポーラプレートアセンブリの他に、更なる機構が存在してもよく、例えば、少なくとも５層ＭＥＡ及びバイポーラプレートアセンブリを密封するように構成される密封層である。
【０００５】
バイポーラプレートアセンブリは、少なくとも１つの流れ場プレートを備えており、その流れ場プレートの上には、反応物を燃料電池の入口マニホルドから活性領域に、未使用の反応物及び生成物を活性領域から出口マニホルドに導くための流路を形成するチャネル状構造が形成されている。バイポーラプレートアセンブリは、冷却流体入口マニホルドと、冷却流体を燃料電池に供給及び分配するための冷却流体流れ場とを更に備える。その後、加熱された冷却流体は冷却流体出口マニホルドによって除去される。
【０００６】
効果的な方法で冷却流体を分配するために、現状技術、例えば、特許文献１から、互いに隣接して配置され、それらの間に冷却流体の分配用の空間を形成し、またバイポーラプレートアセンブリを形成するように構成される流れ場プレートを使用することが知られている。各流れ場プレートの両面に、流れ場構造が配設されて、２つの流れ場プレートが互いに接触して配置された場合又は流れ場プレートが各５層膜電極アセンブリのガス拡散層と接触して配置された場合に流体チャネルを形成するように構成される。２つの流れ場プレート間のチャネルは、冷却流体を燃料電池スタックに分配して、燃料電池の温度を制御するために用いられており、電極対向面のチャネルは反応物を分配するために用いられる。
【０００７】
加えて、特許文献１は、冷却流体チャネルが反応物チャネルの陰極構造として配設され、反応物入口マニホルドに既に存在していることも開示している。このことにより、反応物がそれらの入口マニホルドで既に冷却流体の影響を受けており、それによって反応物の良好な冷却が可能になることが推定される。
【０００８】
不利なことに、冷却チャネルの単純な延長部によって行われる冷却は、アノードガス及びカソードガスが規定の温度範囲よりも著しく冷たい又は熱い状況では、温度を制御するのに不十分である。この温度の偏差は、追加の構成要素によって注意深く制御されないと、燃料電池スタックにとっての問題となり得る。その上、不十分な冷却は燃料電池内でホットスポットの発生を起こすことがあり、ひいてはそれが燃料電池スタックの動作不良を起こすことがある。そのため、特許文献１の提案された設計によっても、反応物の温度の制御には追加の熱交換器が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５４７４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、追加の熱交換器の省略が可能な、燃料電池に対する効果的な温度制御を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１に記載の流れ場プレート、請求項１３に記載のバイポーラプレートアセンブリ、請求項１５に記載のバイポーラプレートアセンブリ、及び請求項２０に記載の燃料電池又は燃料電池スタックによって解決される。
【００１２】
本発明は、電極対向正面及び裏面を有する燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ用の流れ場プレートを提供するという考えに基づいており、流れ場プレートは、少なくとも、冷却流体を流れ場プレートに供給するための冷却流体マニホルドと、その裏面にある、流れ場プレートの裏面に冷却流体を略均一に分配するための冷却流体流れ場とを備えており、流れ場プレートは、冷却流体を冷却流体マニホルドから冷却流体流れ場に提供するように構成される冷却流体サブマニホルドを更に備えている。本発明により、冷却流体サブマニホルドは、自らの流れ場プレートの冷却流体流れ場から流体分離される。
【００１３】
つまり、流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドに供給された冷却流体は、自らの流体流れ場には供給されないが、流れ場プレートに隣接して配置されるように構成される別の流れ場プレートの流体流れ場に供給される。この設計により、限られた体積の既知のチャネル構造の代わりに、寸法及び体積が増加した冷却流体サブマニホルドが可能になるため、効率的な冷却を行うことができる。
【００１４】
好ましくは、流れ場プレートは、その電極正面に、好ましくは冷却流体流れ場の陰極構造として設計される反応物流体流れ場を更に備える。流体流れ場を陰極構造として形成することにより、流れ場プレートの厚さを減少させることが可能になり、ひいては燃料電池スタックが所望の寸法に縮小されることになる。
【００１５】
有利なことに、流れ場プレートは、少なくとも、流れ場プレートの電極対向面上の反応物流体流れ場に流体接続される第１の反応物流体マニホルドと、反応物流体流れ場から流体分離される第２の反応物流体マニホルドとを更に備える。流れ場プレートを互いに隣接して配置すると、反応物マニホルドのこの構成により、自らの流れ場プレートへの第１の反応物の分配、及び隣接して配置された流れ場プレートへの第２の反応物の分配が可能になる。
【００１６】
反応物マニホルドのこの構成を考えると、要するに冷却流体サブマニホルドが隣接して配置された流れ場プレートの反応物流体を冷却することが可能であることが明らかである。もし冷却流体の温度が反応物流体の温度以上であれば、反応物流体を加熱することも可能であることは明白である。言い換えれば、流れ場プレートがアノードプレートとして用いられる場合、アノード流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドはカソード流れ場プレートに供給された酸化剤、好ましくは空気を冷却するように構成される。逆に、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドは、アノード流れ場プレートに供給された燃料、即ち水素含有ガスを冷却するように構成される。好ましくは、冷却流体サブマニホルドは、上記したように、反応物の温度が燃料電池の動作温度範囲外である状況であっても、燃料電池の温度を制御するのに必要な所望の熱交換能力を提供するのに十分な冷却流体で満たすことが可能な体積を形成する。以下では、この状況を温度臨界状況と記載する。
【００１７】
更なる好ましい実施形態によれば、冷却流体サブマニホルドは、第２の反応物マニホルドと冷却流体流れ場の間に配設される。そのため、冷却流体サブマニホルドは、反応物のより一層且つ十分な冷却／加熱を行うように構成される。
【００１８】
更なる好ましい実施形態によれば、冷却流体サブマニホルドの長さは、少なくとも第２の反応物サブマニホルドの幅にわたって実質的に延在する。このことにより、反応物サブマニホルド全体が冷却流体の温度影響を受けることになる。
【００１９】
更に、冷却流体サブマニホルドの断面の寸法が冷却流体サブマニホルドの冷却流体流れ方向に沿って縮小することが好ましい。この設計により、確実に冷却流体が冷却流体流れ場の各構造に均一に分配される。好ましくは、断面は約１０％〜９０％、より好ましくは２０％〜８０％、最も好ましくは５０％〜７５％縮小する。
【００２０】
そのため、冷却流体サブマニホルドの好ましい形状はテーパ形状であり、例えば、冷却流体サブマニホルドは楔形状又はブーメラン形状である。この文脈では、ブーメラン形状とは曲がった楔形状を意味する。冷却流体サブマニホルドのこの発明的設計によれば、個々の流体分配構造、例えば、チャネル状構造又はチャネル間の流速の広がりを最小にすることができる。好ましくは、流速は、流れ場プレート上で約２５％以上は変化せず、その変化はより好ましくは約２０％未満である。
【００２１】
上記したように、冷却流体サブマニホルドの体積を、第２の反応物マニホルドによって供給された反応物、即ち、各他方の流れ場プレートの流れ場構造を通って流れる反応物に対する所望の熱交換能力を提供するように構成することが好ましく、これにより、もし流体の相転移がなければ、好ましくは最大２００℃、より好ましくは約２０℃〜１２０℃の範囲、最も好ましくは約４０℃の温度の増減が可能になる。
【００２２】
更なる好ましい実施形態によれば、冷却流体サブマニホルドは、冷却流体サブマニホルド内の冷却流体を案内するための少なくとも１つの案内構造を更に備える。案内構造は、冷却流体サブマニホルドの全長にわたって冷却流体を導き、またほぼ同量の冷却流体を各チャネル状流れ場構造に案内するように構成される細長い平坦部であってよい。案内構造は更に、２つの隣接プレートを互いの間をほぼ同距離に保つための支持構造として用いてもよい。
【００２３】
更なる好ましい実施形態によれば、流れ場プレートは、その裏面に、好ましくは流れ場プレートのトンネル状開口によって、第１の反応物マニホルド、及び流れ場プレートの正面の反応物流体流れ場に流体接続される第１の反応物サブマニホルドを更に備える。この構成により、流れ場プレート上での反応物の均一分布が可能になる。
【００２４】
有利なことに、第１の反応物流体マニホルド及び／又は第１の反応物サブマニホルドと、第２の反応物流体マニホルド及び／又は第２の反応物サブマニホルドは、略軸対称寸法及び／又は略軸対称形状を呈する。その上、流れ場プレートは、好ましくはその質量中心に関して、略回転対称を呈してもよい。
【００２５】
燃料流は酸化剤流よりも通常は小さいので、燃料マニホルドが酸化剤マニホルドよりも小さい非対称形状を有する流れ場プレートを設計することが有利になるであろう。その上、燃料流れ場もまた酸化剤流れ場とは異なるように設計してもよく、それにより、アノードプレートとして用いられる流れ場プレートとカソードプレートとして用いられる流れ場プレートとが異なる設計になる。例えば、アノードプレートの燃料流れ場は少なめのチャネル状構造を有してもよく、且つ／又は、燃料チャネル状構造は小さめの断面を有してもよい。有利なことに、燃料流れ場プレートを少ない燃料流に適応させることによって、小さな流れ場プレートが可能になり、ひいては燃料電池スタックの全体寸法が縮小する。加えて、燃料流れ場のチャネル状構造の小さな断面及び／又は少ない燃料チャネル状構造によって、燃料流速が酸化剤流速と同程度まで上昇するため、水滴を効率的に除去することができる。
【００２６】
しかしながら、非対称形状の正当な理由があったとしても、本発明者らは、対称的な流れ場プレートを使用することによって各流れ場プレート、従って燃料電池スタックに付与されるクランプ力をより均等に分配することが可能になることを本発明により発見した。その他にも、対称設計により、燃料電池の寿命を増やすために、燃料電池の動作方向を反転させる、即ち、入口及び出口を変化させることが可能である。これは、通常、燃料電池は、温度差及び／又は乾性ガスによって出口側よりも入口側がより摩耗するという事実に起因するものである。
【００２７】
加えて、流れ場プレートを製造するのに１つの工具しか必要とせず、１種類の流れ場プレートしか取り扱わず在庫に持つ必要がないので、工具費、物流費及び保管費を削減することができる。また、その工具によって実質的に同一の流れ場プレートが製造されるので、バイポーラプレートアセンブリの品質が向上することに留意されたい。
【００２８】
本発明の更なる態様によれば、少なくとも、上記した第１の流れ場プレートと、上記した第２の流れ場プレートとを備えており、好ましくは、第１及び第２の流れ場プレートが互いに接触して配設されるように構成されるバイポーラプレートアセンブリが提供される。本発明が更なるプレート又は層によって分離される流れ場プレートを有するバイポーラプレートに使用することもできることは、明白である。
【００２９】
第１及び第２の流れ場プレートの冷却流体サブマニホルド及び冷却流体流れ場は、冷却流体用のチャネル状冷却構造を形成するように構成される。本発明により、第１及び第２の流れ場プレートが互いに又は中間層に接触して配置されている場合、第１の流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドは、第２の流れ場プレートの冷却流体流れ場に流体接続されるように構成され、第２の流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドは、第１の流れ場プレートの冷却流体流れ場に流体接続されるように構成される。上記したように、この設計により、冷却流体サブマニホルドは各他方の反応物サブマニホルドの全域に延在することになり、ひいては上記の温度臨界状況であっても、各反応物の十分な冷却が可能になる。
【００３０】
好ましくは、第１の流体流プレートはカソードプレートとして設計され、第２の流体流プレートはアノードプレートとして設計されており、好ましくは、カソードプレートは、第１の反応物流体マニホルドとしての酸化剤マニホルドと、任意の酸化剤サブマニホルド及び／又は任意の燃料流れ場と、第２の流体マニホルドとしての燃料マニホルドと、酸化剤、好ましくは空気をカソードプレートの電極対向面に提供するための反応物流れ場としての酸化剤流れ場とを有する。個々に、アノードプレートは、第１の反応物流体マニホルドとしての燃料マニホルドと、任意の燃料サブマニホルド及び／又は任意の反応物サブマニホルドと、第２の反応物マニホルドとしての酸化剤マニホルドと、燃料、好ましくは水素含有流体をアノードプレートの電極対向面に提供するための反応物流れ場としての燃料流れ場とを有する。
【００３１】
本発明の更なる態様によれば、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドの体積は、酸化剤、好ましくは酸化剤サブマニホルド及び／又は酸化剤流れ場を通って流れる酸化剤に対する熱交換能力を提供するように構成される。同様に、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドの体積は、燃料、好ましくは燃料サブマニホルド及び／又は燃料サブマニホルドを通って流れる燃料に対する熱交換能力を提供するように構成される。上記したように、冷却流体サブマニホルドは各他方のプレートの各反応物（サブ）マニホルド上に延在する空間として設計されることになるので、熱交換能力は、反応物に対する更なる温度制御装置、特に熱交換器が省略することができるように適応させることができる。
【００３２】
上記したように、好ましくはカソードプレート及びアノードプレートが互いに又は中間層に接触して配置される場合、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドは、好ましくはアノードプレートの冷却流体流れ場に流体接続するように構成され、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドは、カソードプレートの冷却流体流れ場に流体接続されるように構成される。このことにより、冷却流体サブマニホルドの上記の体積が形成されることになる。
【００３３】
更なる好ましい実施形態によれば、バイポーラプレートアセンブリは非対称に成形されており、燃料マニホルドは酸化剤マニホルドよりも小さく、且つ／又は、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドはカソードプレートの冷却流体サブマニホルドよりも大きく、且つ／又は、カソードプレートの酸化剤流れ場はアノードプレートの燃料流れ場よりも多くのチャネル状構造を備え、且つ／又は、アノードプレートの燃料流れ場のチャネル状構造の断面はカソードプレートの酸化剤流れ場のチャネル状構造の断面よりも小さい。このことにより、非対称流れ場プレートの上記の利点を備えるバイポーラプレートアセンブリを実現することができる。
【００３４】
更なる好ましい実施形態によれば、バイポーラプレートアセンブリは対称に設計されており、燃料マニホルド及び／又は燃料サブマニホルド及び／又は燃料流れ場は、酸化剤マニホルド及び／又は酸化剤サブマニホルド及び／又は酸化剤流れ場と略等しく寸法設定され、且つ／又は、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドは、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドと略等しく寸法設定される。このことにより、対称流れ場プレートの上記の利点を有するバイポーラプレートが実現される。
【００３５】
本発明の更なる態様によれば、上記した少なくとも１つの流れ場プレートを有し、且つ／又は、上記した少なくとも１つのバイポーラプレート及び／又はバイポーラプレートアセンブリを有する燃料電池及び／又は燃料電池スタックが開示される。
【００３６】
更なる利点及び／又は好ましい実施形態は、明細書、図面及び特許請求の範囲に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
以下において、本発明を添付図面を参照してより詳細に説明する。このことにより、図面に示した実施形態は本発明の範囲を制限することを目的とするものではないことを明確に留意されたい。本発明の範囲は、単に特許請求の範囲によって決定される。
【図１】カソードプレートとして設計された本発明の流れ場プレートの好ましい実施形態の概略図である。
【図２】アノードプレートとして設計された本発明の流れ場プレートの好ましい実施形態の概略図である。
【図３ａ】図１に示す好ましい実施形態の酸化剤マニホルド及び酸化剤サブマニホルドの裏面からの拡大概略図である。
【図３ｂ】図１に示す好ましい実施形態の酸化剤マニホルド及び酸化剤サブマニホルドの正面からの拡大概略図である。
【図４】本発明の流れ場プレートの更なる好ましい実施形態の概略図である。
【図５】本発明のアノード流れ場プレート及び本発明のカソード流れ場プレートが接触して配置された場合に生じる流れパターンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下において、同一又は同様に作用する要素は同一参照番号で示す。
【００３９】
一般に、燃料電池スタックは、積み重ねられた電池を保持する２つのエンドアセンブリ単位間に複数の繰り返し燃料電池単位を積み重ねることによって作られる。繰り返し燃料電池単位は、主に２つのサブアセンブリ、即ち、５層膜電極アセンブリ（５層ＭＥＡ）とバイポーラプレートアセンブリからなる。任意で、密封層を５層ＭＥＡとバイポーラプレートアセンブリの間に配設して主構成要素の両方を密封してもよい。密封層は、５層ＭＥＡ及び／又はバイポーラプレートアセンブリの一体部分であってもよい。
【００４０】
５層ＭＥＡは、ガス拡散層によって両面が覆われた膜電極アセンブリからなる。膜電極アセンブリ自体は、その２つの主面に配置された２つの電極、アノード及びカソードを備えた膜からなる。アノード（電極）及びカソード（電極）はガス拡散層で覆われており、そのガス拡散層は、通常は多孔性導電性材料から作られ、電極へ、そして電極から、電気及び熱を導くと共に、電極に反応物を供給して、電極から生成物を除去するように構成される。電極、膜及びガス拡散層が５層膜電極アセンブリ（５層ＭＥＡ）を形成する。
【００４１】
燃料電池スタックでは、バイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリが上記の５層ＭＥＡの２つを分離する。このことにより、バイポーラプレートは、アノード対向面及びカソード対向面を有する。アノード対向面は、第１の５層ＭＥＡのアノードを覆うガス拡散層と接触して配置され、カソード対向面は、第２の５層ＭＥＡのカソードを覆うガス拡散層と接触して配置される。
【００４２】
バイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ自体は、単一のプレートか、互いに接触して配置される２つ以上のプレートからなる。バイポーラプレートの電極対向面上に、チャネル状流体分配構造が配設されて、それらが各ガス拡散層と接触して配置されると、反応物用のチャネル又はチャネル状構造を形成する。バイポーラプレート／バイポーラプレートアセンブリの電極面のチャネル状流れ場構造は、電極の活性領域への反応物の均一分布を確実にする。
【００４３】
バイポーラプレートアセンブリは、通常、少なくとも２つの流れ場プレートと、第１の５層ＭＥＡのアノード側に面するアノード流れ場プレートと、第２の５層ＭＥＡのカソードに面するカソード流れ場プレートとからなる。
【００４４】
通常、バイポーラプレート及び／又は流れ場プレートは、良好な電気及び熱伝導特性を持ち、気体又は液体の透過性がない又はごくわずかな材料から作られる。加えて、プレートは、電気及び熱伝導率を更に向上させるために良好な電気及び熱伝導特性を有する材料で被覆してもよい。上記したように、チャネル状構造又はチャネルは、バイポーラプレート又は流れ場プレートに形成されて、反応物を反応物入口マニホルドから活性領域に、且つ未使用の反応物及び生産水を活性領域から反応物出口マニホルドに導くための流路を形成する。
【００４５】
少なくとも２つの流れ場プレートからなるバイポーラプレートアセンブリでは、２つの流れ場プレートが互いに接触して配置された場合、冷却流体を分配して発生熱を除去するための領域が形成される。冷却流体の分配のため、流れ場プレートは、通常、それらの裏面に、流れ場プレート上に冷却流体を均一に分配するためのチャネル状構造からなる冷却流体流れ場を備える。
【００４６】
図１及び図２は、カソード流れ場プレート１００（図１）及びアノード流れ場プレート２００（図２）の裏面を概略的に示す。
【００４７】
カソード流れ場プレート（カソードプレート）１００及びアノード流れ場プレート（アノードプレート）２００は共に、冷却流体入口マニホルド１０２，２０２と、酸化剤入口マニホルド１０４，２０４と、燃料入口マニホルド１０６，２０６とを備える。両流れ場プレート１００，２００の裏面が互いに接触して配置された場合、入口マニホルド１０２，２０２，１０４，２０４，１０６，２０６はそれぞれ共通のマニホルドを形成している。流れ場プレート１００，２００の裏面には、冷却流体流れ場１１０，２１０が形成される。冷却流体流れ場１１０，２１０は、流れ場プレート上に均一に冷却流体を分配するためのチャネル状構造１１１，２１１を備える。
【００４８】
これらの図は、カソードプレート１００の酸化剤サブマニホルド１１４及びアノードプレート２００の燃料サブマニホルド２１４を更に示す。燃料サブマニホルド２１４をカソードプレート１００だけに形成すること、且つ／又は、酸化剤サブマニホルド１１４をアノードプレートだけに形成することもまた可能であることに留意されたい。一方では、各流れ場プレート、カソードプレート及びアノードプレートは共に、酸化剤サブマニホルド１１４，２１５と、燃料サブマニホルド２１４，１１５とを備えることもまた可能である。酸化剤サブマニホルド１１４，２１５は両流れ場プレートに形成されるが、燃料サブマニホルド２１４は一方の流れ場プレートだけに形成される、又はその逆の非対称設計もまた可能であることは、明白である。
【００４９】
図１に示すように、カソードプレート１００は、燃料サブマニホルド２１４の全長に沿って延在する冷却流体サブマニホルド１１２を更に備える（図２参照）。更に、冷却流体サブマニホルド１１２は、参照番号２１３で示す領域内のアノードプレート２００の流れ場２１０に流体接続されるように構成される。
【００５０】
同様に、アノードプレート２００は、酸化剤サブマニホルド１１４の全長に沿って延在する冷却流体サブマニホルド２１２を有し、参照番号１１３で示す領域内のカソードプレート１００の冷却流体流れ場１１０に接続するように構成される。
【００５１】
冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体を案内するために、図１及び２の実施形態では細長い平坦部として設計される案内構造１０８，２０８を設けてもよい。冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体を案内する他に、案内構造１０８，２０８は、流れ場プレートが互いに接触して配置される場合、各他方の流れ場プレートの支持を行うことができる。図示の設計の案内構造の他に、案内構造は、上記の機構の少なくとも１つを提供するように構成される任意のその他の形状を有してもよいことは明白である。
【００５２】
冷却流体流れ場１１０，２１０への冷却流体の分配に加えて、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、他方の流れ場プレート２００，１００の各反応物を冷却又は加熱し、それによって燃料電池の温度制御を行うように更に構成される。つまり、カソードプレート１００の冷却流体サブマニホルド１１２は、燃料マニホルド１０６から燃料サブマニホルド２１４へ、更にアノードプレート２００のアノード側へ流れる燃料の温度を制御するように構成される。アノードプレート２００の冷却流体サブマニホルド２１２も同様であり、酸化剤マニホルド２０４から酸化剤サブマニホルド１１４へ、更にカソードプレート１００のカソード側へ流れる酸化剤の温度を制御するように構成される。
【００５３】
図３は、カソードプレート１００の裏面（図３ａ）及び正面（図３ｂ）の拡大詳細図を示す。それにより、図３ａは、酸化剤マニホルド１０４及びカソードサブマニホルド１１４を備えたカソードプレート１００の裏面を示している。図３ａでわかるように、酸化剤サブマニホルド１１４は、カソードプレート１００の正面に延在する複数のトンネル状開口１１６を更に備えている（図３ｂ参照）。トンネル状開口１１６は、酸化剤サブマニホルド１１４でカソードプレート１００の裏面に入る酸化剤を正面に、更に、カソードプレートが５層ＭＥＡのカソード側のガス拡散層と接触して配置される場合に、酸化剤流れチャネルを形成するチャネル状構造１２０からなる酸化剤流れ場１１８に案内するように構成される。酸化剤流体流れ場１１８及び冷却流体流れ場１１０は、好ましくは互いの陰極として設計される。
【００５４】
図には示されていないが、アノードプレート２００は、同様に、燃料サブマニホルド２１４でアノードプレート２００の裏面に入る燃料をアノード対向面に、更に燃料流れ場のチャネル状構造に案内するように構成されるトンネル状開口を備えてもよい。
【００５５】
各反応物流れ場１１８の陰極として冷却流体流れ場１１０，２１０を設計することによって、確実に流れ場プレート１００，２００を非常に薄くし、ひいては燃料電池スタックの全体寸法を縮小することができる。
【００５６】
図１及び２に更に示すように、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体の流れ方向の方へ減少する断面を呈する（矢印参照）。断面の減少により、冷却流体流れ場１１０，２１０への等流分布が確実になる。好ましくは、断面は、約１０％〜９０％、より好ましくは２０％〜８０％、最も好ましくは５０％〜７５％減少する。加えて、減少した断面により、バイポーラプレートの冷却流体マニホルド及び反応物マニホルド領域のよりコンパクトな設計が容易になる。有利なことに、冷却流体サブマニホルドの全体積は、熱交換能力が反応物に影響を与えるのに十分なほど大きくなるように構成される。好ましくは、体積は、もし流体の相転移がなければ、最大約２００℃、より好ましくは約２０℃〜１２０℃の範囲、最も好ましくは約４０℃、反応物を冷却又は加熱することができるように構成される。
【００５７】
見てわかるように、図１及び図２の冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、図示の実施形態では異なる長さを有している。燃料流は酸化剤流よりも通常は小さいので、燃料入口マニホルド１０６，２０６は酸化剤入口マニホルド１０４，２０４よりも小さくしてもよい。このことは、粘度の低い純粋な水素で作動する燃料電池を使用する場合に特に有効である。小さな燃料入口マニホルド１０６，２０６を用いても、圧力降下が増大することはない。加えて、小さな燃料入口マニホルド１０６，２０６により、燃料流れ場１００，２００の全体寸法を小さくすることが可能であり、よりコンパクトな設計になる。
【００５８】
加えて、アノード側の流れはカソード側の流れよりも通常は小さいので、流れ場は通常それに合わせて設計される。例えば、アノードプレート２００は少なめのチャネル状構造を有してもよく、或いは、チャネル状構造の断面は、水滴が効率的に除去されるように酸化剤流速とほぼ同程度まで燃料流速を上昇させるために期待される燃料流に適応される。
【００５９】
図１，２及び３に示した設計の他に、カソード及びアノードプレート１００，２００を対称的に設計することもまた可能である。その際、カソードマニホルド１０４，２０４、アノードマニホルド１０６，２０６及び各サブマニホルド１１４，２１４は、略等しく寸法設定される。本実施形態では、冷却流体サブマニホルド１１２及び２１２もまた略等しく寸法設定される。対称的な燃料流れ場が図４に概略的に示されている。
【００６０】
対称設計の流れ場プレート１００，２００は、両プレートが同一のスタンピング工具で細工できるので工具費又は製造費が削減されるという利点がある。このことにより、流れ場プレートが略同一であるので高品質の流れ場プレートを製造することもできる。更に、対称設計の流れ場プレートを有することにより、バイポーラプレートへのクランプ圧力のより均等な分配が可能になる。加えて、対称設計により、燃料電池スタックの動作方向が所定の動作期間の後に反転することができるので、燃料電池スタックの寿命を向上させることが可能になる。通常、燃料電池は、温度差及び／又は乾性ガスによって出口側よりも入口側がより摩耗する。一定の動作時間の後に動作方向を反転させることによって、摩耗は燃料電池の全ての部分により均等に分布することになる。
【００６１】
アノードプレート及びカソードプレート１００，２００が対称又は非対称に設計されているかにかかわらず、冷却流体流れ場サブマニホルド１１２，２１２の長さは、好ましくは、それぞれ反応物サブマニホルド１１４，２１４以上である。このことにより、温度が上昇し、ホットスポットによる燃料電池の故障につながることがある、冷却が最適ではない領域が避けられる。好ましくは、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体の流れが反応物サブマニホルド１１４，２１４からの反応物の流れに略垂直であるように配向される。
【００６２】
カソードプレート１００及びアノードプレート２００が互いに接触して配置されると、本発明の流れ場構造は図５に示すような流れパターンを発生させる。発生した流れパターンは、平均速度が約０．３０ｍ／秒〜０．６０ｍ／秒、好ましくは０．４０ｍ／秒〜０．５０ｍ／秒の範囲内である場合、方向ｘ（図５参照）にわたる個々の冷却チャネル間の冷却流体速度の分布がせいぜい約２０％、好ましくは約１５％しか変化しないようにすることができる。そのため、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２の設計の１つの重要な特徴は、冷却流体流れ場の個々の流れチャネル間の流速の広がりを最小限にすることである。これは、本発明により、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２及び任意の案内構造１０８，２０８の断面が減少することによって達成される。しかしながら、図示の形状の他に、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、上記の機構の少なくとも１つを実質的に提供する任意のその他の形状を有してもよい。
【００６３】
一般に、本発明を用いると、各燃料電池単位の活性領域が最大限活用される。本発明では、特別なインサート又は追加のプレートを必要としない効率的な流動分布によって、薄肉成形金属バイポーラプレートアセンブリを形成することができる。これにより、燃料電池スタックの体積出力密度が増大し、燃料電池スタックアセンブリの複雑さが減少し、その費用効率が上昇する。更に、冷却流体サブマニホルドは、追加の熱交換器を排除することができる、反応物の十分な熱交換能力を有する冷却及び／又は加熱領域を提供するように構成される。このことにより、燃料電池システムの体積出力密度を増大させることができ、システム費用を削減することができる。本発明はまた、工具投資費が減少し、燃料電池スタック内の略均一な接触圧力分布を形成する対称流れ場プレートの利用が可能であり、それによって流体漏れの危険性を低下させる。
【符号の説明】
【００６４】
１００          カソードプレート  −  第１の流れ場プレート
２００          アノードプレート  −  第２の流れ場プレート
１０２，２０２  冷却流体マニホルド
１０４，２０４  酸化剤マニホルド
１０６，２０６  燃料マニホルド
１０８，２０８  冷却流体案内構造
１１０，２１０  冷却流体流れ場
１１１，２１１  冷却流体のチャネル状構造
１１２，２１２  冷却流体サブマニホルド
１１３，２１３  冷却流体サブマニホルド接触領域
１１４，２１５  酸化剤サブマニホルド
２１４，１１５  燃料サブマニホルド
１１６          トンネル状開口
１１８          酸化剤／燃料流れ場
１２０          酸化剤／燃料のチャネル状構造
【図１】
2015521788.tif 000003
【図２】
2015521788.tif 000004
【図３ａ】
2015521788.tif 000005
【図３ｂ】
2015521788.tif 000006
【図４】
2015521788.tif 000007
【図５】
2015521788.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月31日(2013.5.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート用の流れ場プレート、燃料電池用のバイポーラプレートアセンブリ、並びにかかる流れ場プレート及び／又はかかるバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリを含む燃料電池又は燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、燃料電池は、積み重ねられた電池を保持する２つのエンドアセンブリ単位間に複数の繰り返しの単位燃料電池を積み重ねることによって作られる燃料電池スタックとして配設される。燃料電池スタックには、燃料電池スタックへ様々な流体（反応物、冷却流体）を分配する機構が存在する。この機構は、マニホルド及び流れ場と呼ばれる。新しい反応物及び新しい冷却流体を導く機構は入口マニホルドと呼ばれ、未使用の反応物及び生成物を除去すると共に冷却流体を流出させる機構は出口マニホルドと呼ばれる。燃料電池の活性領域へ様々な流体を分配するために、流れ場が使用されるが、この流れ場は多くの場合チャネル状構造からなっている。燃料電池の活性領域は、反応が起こる領域として定義される。
【０００３】
燃料電池スタックは、酸化剤、好ましくは空気を燃料電池カソードに供給するための酸化剤入口と、燃料、好ましくは水素含有流体を燃料電池アノードに供給するための燃料入口と、冷却流体を冷却流体チャネルに供給するための冷却流体入口とを更に含む。燃料電池スタックは、通常、効率及び／又は耐久性を最大にすべく規定の温度間隔内で作動する。
【０００４】
繰り返し燃料電池単位は、通常、２つのサブアセンブリ、即ち、５層膜電極アセンブリ（５層ＭＥＡ）とバイポーラプレートアセンブリからなる。５層ＭＥＡは、その２つの主面に配置された２つの電極、アノード側の多孔質アノード電極と、カソード側の多孔質カソード電極とを備えた膜からなる。各電極、アノード及びカソードに、好ましくは多孔性導電性材料から作られるガス拡散層が適用されて、電極へ、そして電極から、電気及び熱を導くと共に、電極に反応物を供給して、電極から生成物を除去する。５層ＭＥＡ及びバイポーラプレートアセンブリの他に、更なる機構が存在してもよく、例えば、少なくとも５層ＭＥＡ及びバイポーラプレートアセンブリを密封するように構成される密封層である。
【０００５】
バイポーラプレートアセンブリは、少なくとも１つの流れ場プレートを備えており、その流れ場プレートの上には、反応物を燃料電池の入口マニホルドから活性領域に、未使用の反応物及び生成物を活性領域から出口マニホルドに導くための流路を形成するチャネル状構造が形成されている。バイポーラプレートアセンブリは、冷却流体入口マニホルドと、冷却流体を燃料電池に供給及び分配するための冷却流体流れ場とを更に備える。その後、加熱された冷却流体は冷却流体出口マニホルドによって除去される。
【０００６】
効果的な方法で冷却流体を分配するために、現状技術、例えば、特許文献１から、互いに隣接して配置され、それらの間に冷却流体の分配用の空間を形成し、またバイポーラプレートアセンブリを形成するように構成される流れ場プレートを使用することが知られている。各流れ場プレートの両面に、流れ場構造が配設されて、２つの流れ場プレートが互いに接触して配置された場合又は流れ場プレートが各５層膜電極アセンブリのガス拡散層と接触して配置された場合に流体チャネルを形成するように構成される。２つの流れ場プレート間のチャネルは、冷却流体を燃料電池スタックに分配して、燃料電池の温度を制御するために用いられており、電極対向面のチャネルは反応物を分配するために用いられる。
【０００７】
加えて、特許文献１は、冷却流体チャネルが反応物チャネルの陰極構造として配設され、反応物入口マニホルドに既に存在していることも開示している。このことにより、反応物がそれらの入口マニホルドで既に冷却流体の影響を受けており、それによって反応物の良好な冷却が可能になることが推定される。
【０００８】
不利なことに、冷却チャネルの単純な延長部によって行われる冷却は、アノードガス及びカソードガスが規定の温度範囲よりも著しく冷たい又は熱い状況では、温度を制御するのに不十分である。この温度の偏差は、追加の構成要素によって注意深く制御されないと、燃料電池スタックにとっての問題となり得る。その上、不十分な冷却は燃料電池内でホットスポットの発生を起こすことがあり、ひいてはそれが燃料電池スタックの動作不良を起こすことがある。そのため、特許文献１の提案された設計によっても、反応物の温度の制御には追加の熱交換器が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０５４７４４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、追加の熱交換器の省略が可能な、燃料電池に対する効果的な温度制御を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１に記載の流れ場プレート、請求項１３に記載のバイポーラプレートアセンブリ、請求項１５に記載のバイポーラプレートアセンブリ、及び請求項２０に記載の燃料電池又は燃料電池スタックによって解決される。
【００１２】
本発明は、電極対向正面及び裏面を有する燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ用の流れ場プレートを提供するという考えに基づいており、流れ場プレートは、少なくとも、冷却流体を流れ場プレートに供給するための冷却流体マニホルドと、その裏面にある、流れ場プレートの裏面に冷却流体を略均一に分配するための冷却流体流れ場とを備えており、流れ場プレートは、冷却流体を冷却流体マニホルドから冷却流体流れ場に提供するように構成される冷却流体サブマニホルドを更に備えている。本発明により、冷却流体サブマニホルドは、自らの流れ場プレートの冷却流体流れ場から流体分離される。
【００１３】
つまり、流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドに供給された冷却流体は、自らの流体流れ場には供給されないが、流れ場プレートに隣接して配置されるように構成される別の流れ場プレートの流体流れ場に供給される。この設計により、限られた体積の既知のチャネル構造の代わりに、寸法及び体積が増加した冷却流体サブマニホルドが可能になるため、効率的な冷却を行うことができる。それに関し、サブマニホルドの体積は、サブマニホルドの長さ、幅及び深さによって定められ、好ましくは流れ場プレート内の連続空間又は凹部として設計される。
【００１４】
好ましくは、流れ場プレートは、その電極正面に、好ましくは冷却流体流れ場の陰極構造として設計される反応物流体流れ場を更に備える。流体流れ場を陰極構造として形成することにより、流れ場プレートの厚さを減少させることが可能になり、ひいては燃料電池スタックが所望の寸法に縮小されることになる。
【００１５】
有利なことに、流れ場プレートは、少なくとも、流れ場プレートの電極対向面上の反応物流体流れ場に流体接続される第１の反応物流体マニホルドと、反応物流体流れ場から流体分離される第２の反応物流体マニホルドとを更に備える。流れ場プレートを互いに隣接して配置すると、反応物マニホルドのこの構成により、自らの流れ場プレートへの第１の反応物の分配、及び隣接して配置された流れ場プレートへの第２の反応物の分配が可能になる。
【００１６】
反応物マニホルドのこの構成を考えると、要するに、反応物が実際の反応物流れ場、そしてそれによって燃料電池の活性領域に入る前に、冷却流体サブマニホルドの冷却流体が隣接して配置された流れ場プレートの反応物流体を冷却することが可能であることが明らかである。もし冷却流体の温度が反応物流体の温度以上であれば、反応物流体を加熱することも可能であることは明白である。言い換えれば、流れ場プレートがアノードプレートとして用いられる場合、アノード流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドはカソード流れ場プレートに供給された酸化剤、好ましくは空気を冷却するように構成される。逆に、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドは、アノード流れ場プレートに供給された燃料、即ち水素含有ガスを冷却するように構成される。好ましくは、冷却流体サブマニホルドは、上記したように、反応物の温度が燃料電池の動作温度範囲外である状況であっても、燃料電池の温度を制御するのに必要な所望の熱交換能力を提供するのに十分な冷却流体で満たすことが可能な体積を形成する。以下では、この状況を温度臨界状況と記載する。
【００１７】
更なる好ましい実施形態によれば、冷却流体サブマニホルドは、第２の反応物マニホルドと冷却流体流れ場の間に配設される。そのため、冷却流体サブマニホルドは、反応物のより一層且つ十分な冷却／加熱を行うように構成される。
【００１８】
更なる好ましい実施形態によれば、冷却流体サブマニホルドの長さは、少なくとも第２の反応物サブマニホルドの幅にわたって実質的に延在する。このことにより、反応物サブマニホルド全体が冷却流体の温度影響を受けることになる。
【００１９】
更に、冷却流体サブマニホルドの断面の寸法が冷却流体サブマニホルドの冷却流体流れ方向に沿って縮小することが好ましい。この設計により、確実に冷却流体が冷却流体流れ場の各構造に均一に分配される。好ましくは、断面は約１０％〜９０％、より好ましくは２０％〜８０％、最も好ましくは５０％〜７５％縮小する。
【００２０】
そのため、冷却流体サブマニホルドの好ましい形状はテーパ形状であり、例えば、冷却流体サブマニホルドは楔形状又はブーメラン形状である。この文脈では、ブーメラン形状とは曲がった楔形状を意味する。冷却流体サブマニホルドのこの発明的設計によれば、個々の流体分配構造、例えば、チャネル状構造又はチャネル間の流速の広がりを最小にすることができる。好ましくは、流速は、流れ場プレート上で約２５％以上は変化せず、その変化はより好ましくは約２０％未満である。
【００２１】
上記したように、冷却流体サブマニホルドの体積、即ち、長さ、幅及び深さを、第２の反応物マニホルドによって供給された反応物、即ち、各他方の流れ場プレートの流れ場構造を通って流れる反応物に対する所望の熱交換能力を提供するように構成することが好ましく、これにより、もし流体の相転移がなければ、好ましくは最大２００℃、より好ましくは約２０℃〜１２０℃の範囲、最も好ましくは約４０℃の温度の増減が可能になる。
【００２２】
更なる好ましい実施形態によれば、冷却流体サブマニホルドは、冷却流体サブマニホルド内の冷却流体を案内するための少なくとも１つの案内構造を更に備える。案内構造は、冷却流体サブマニホルドの全長にわたって冷却流体を導き、またほぼ同量の冷却流体を各チャネル状流れ場構造に案内するように構成される細長い平坦部であってよい。案内構造は更に、２つの隣接プレートを互いの間をほぼ同距離に保つための支持構造として用いてもよい。
【００２３】
更なる好ましい実施形態によれば、流れ場プレートは、その裏面に、好ましくは流れ場プレートのトンネル状開口によって、第１の反応物マニホルド、及び流れ場プレートの正面の反応物流体流れ場に流体接続される第１の反応物サブマニホルドを更に備える。この構成により、流れ場プレート上での反応物の均一分布が可能になる。
【００２４】
有利なことに、第１の反応物流体マニホルド及び／又は第１の反応物サブマニホルドと、第２の反応物流体マニホルド及び／又は第２の反応物サブマニホルドは、略軸対称寸法及び／又は略軸対称形状を呈する。その上、流れ場プレートは、好ましくはその質量中心に関して、略回転対称を呈してもよい。
【００２５】
燃料流は酸化剤流よりも通常は小さいので、燃料マニホルドが酸化剤マニホルドよりも小さい非対称形状を有する流れ場プレートを設計することが有利になるであろう。その上、燃料流れ場もまた酸化剤流れ場とは異なるように設計してもよく、それにより、アノードプレートとして用いられる流れ場プレートとカソードプレートとして用いられる流れ場プレートとが異なる設計になる。例えば、アノードプレートの燃料流れ場は少なめのチャネル状構造を有してもよく、且つ／又は、燃料チャネル状構造は小さめの断面を有してもよい。有利なことに、燃料流れ場プレートを少ない燃料流に適応させることによって、小さな流れ場プレートが可能になり、ひいては燃料電池スタックの全体寸法が縮小する。加えて、燃料流れ場のチャネル状構造の小さな断面及び／又は少ない燃料チャネル状構造によって、燃料流速が酸化剤流速と同程度まで上昇するため、水滴を効率的に除去することができる。
【００２６】
しかしながら、非対称形状の正当な理由があったとしても、本発明者らは、対称的な流れ場プレートを使用することによって各流れ場プレート、従って燃料電池スタックに付与されるクランプ力をより均等に分配することが可能になることを本発明により発見した。その他にも、対称設計により、燃料電池の寿命を増やすために、燃料電池の動作方向を反転させる、即ち、入口及び出口を変化させることが可能である。これは、通常、燃料電池は、温度差及び／又は乾性ガスによって出口側よりも入口側がより摩耗するという事実に起因するものである。
【００２７】
加えて、流れ場プレートを製造するのに１つの工具しか必要とせず、１種類の流れ場プレートしか取り扱わず在庫に持つ必要がないので、工具費、物流費及び保管費を削減することができる。また、その工具によって実質的に同一の流れ場プレートが製造されるので、バイポーラプレートアセンブリの品質が向上することに留意されたい。
【００２８】
本発明の更なる態様によれば、少なくとも、上記した第１の流れ場プレートと、上記した第２の流れ場プレートとを備えており、好ましくは、第１及び第２の流れ場プレートが互いに接触して配設されるように構成されるバイポーラプレートアセンブリが提供される。本発明が更なるプレート又は層によって分離される流れ場プレートを有するバイポーラプレートに使用することもできることは、明白である。
【００２９】
第１及び第２の流れ場プレートの冷却流体サブマニホルド及び冷却流体流れ場は、冷却流体用のチャネル状冷却構造を形成するように構成される。本発明により、第１及び第２の流れ場プレートが互いに又は中間層に接触して配置されている場合、第１の流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドは、第２の流れ場プレートの冷却流体流れ場に流体接続されるように構成され、第２の流れ場プレートの冷却流体サブマニホルドは、第１の流れ場プレートの冷却流体流れ場に流体接続されるように構成される。上記したように、この設計により、冷却流体サブマニホルドは各他方の反応物サブマニホルドの全域に延在することになり、ひいては上記の温度臨界状況であっても、各反応物の十分な冷却が可能になる。
【００３０】
好ましくは、第１の流体流プレートはカソードプレートとして設計され、第２の流体流プレートはアノードプレートとして設計されており、好ましくは、カソードプレートは、第１の反応物流体マニホルドとしての酸化剤マニホルドと、任意の酸化剤サブマニホルド及び／又は任意の燃料サブマニホルドと、第２の流体マニホルドとしての燃料マニホルドと、酸化剤、好ましくは空気をカソードプレートの電極対向面に提供するための反応物流れ場としての酸化剤流れ場とを有する。個々に、アノードプレートは、第１の反応物流体マニホルドとしての燃料マニホルドと、任意の燃料サブマニホルド及び／又は任意の反応物サブマニホルドと、第２の反応物マニホルドとしての酸化剤マニホルドと、燃料、好ましくは水素含有流体をアノードプレートの電極対向面に提供するための反応物流れ場としての燃料流れ場とを有する。
【００３１】
本発明の更なる態様によれば、カソード対向正面の酸化剤流れ場と裏面の冷却流体流れ場を備えたカソードプレートと、アノード対向正面の燃料流れ場と裏面の冷却流体流れ場を備えたアノードプレートとを有する、燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレートアセンブリが提供される。カソードプレート及びアノードプレートは、少なくとも、冷却流体をバイポーラプレートアセンブリに供給するための冷却流体マニホルド及び冷却流体を冷却流体流れ場に分配するための冷却流体サブマニホルドと、酸化剤、好ましくは空気をバイポーラプレートアセンブリに提供するための酸化剤マニホルド及び酸化剤を酸化剤流れ場に分配するための酸化剤サブマニホルドと、燃料、好ましくは水素含有流体をバイポーラプレートアセンブリに提供するための燃料マニホルド及び燃料を燃料流れ場に分配するための燃料サブマニホルドとを更に備えてもよい。本発明により、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドは、実質的に酸化剤サブマニホルドの長さにわたって延在する空間として設計され、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドは、実質的に燃料サブマニホルドの長さにわたって延在する空間として設計される。このことにより、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドの体積は、酸化剤、好ましくは酸化剤サブマニホルド及び／又は酸化剤流れ場を通って流れる酸化剤に対する熱交換能力を提供するように構成される。同様に、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドの体積は、燃料、好ましくは燃料サブマニホルド及び／又は燃料サブマニホルドを通って流れる燃料に対する熱交換能力を提供するように構成される。上記したように、冷却流体サブマニホルドは各他方のプレートの各反応物（サブ）マニホルド上に延在する空間として設計されることになるので、熱交換能力は、反応物に対する更なる温度制御装置、特に熱交換器が省略することができるように適応させることができる。このことにより、冷却流体サブマニホルドの熱交換の影響は流れ場プレートの活性領域ではなく、活性領域の上流の反応物サブマニホルドに及ぼされる。上記したように、反応物サブマニホルドは、反応物を対応する流れ場に分配するように構成され、その流れ場は、反応物をそこから燃料電池の活性領域に案内するように構成される。
【００３２】
上記したように、好ましくはカソードプレート及びアノードプレートが互いに又は中間層に接触して配置される場合、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドは、好ましくはアノードプレートの冷却流体流れ場に流体接続するように構成され、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドは、カソードプレートの冷却流体流れ場に流体接続されるように構成される。このことにより、冷却流体サブマニホルドの上記の体積が形成されることになる。
【００３３】
更なる好ましい実施形態によれば、バイポーラプレートアセンブリは非対称に成形されており、燃料マニホルドは酸化剤マニホルドよりも小さく、且つ／又は、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドはカソードプレートの冷却流体サブマニホルドよりも大きく、且つ／又は、カソードプレートの酸化剤流れ場はアノードプレートの燃料流れ場よりも多くのチャネル状構造を備え、且つ／又は、アノードプレートの燃料流れ場のチャネル状構造の断面はカソードプレートの酸化剤流れ場のチャネル状構造の断面よりも小さい。このことにより、非対称流れ場プレートの上記の利点を備えるバイポーラプレートアセンブリを実現することができる。
【００３４】
更なる好ましい実施形態によれば、バイポーラプレートアセンブリは対称に設計されており、燃料マニホルド及び／又は燃料サブマニホルド及び／又は燃料流れ場は、酸化剤マニホルド及び／又は酸化剤サブマニホルド及び／又は酸化剤流れ場と略等しく寸法設定され、且つ／又は、アノードプレートの冷却流体サブマニホルドは、カソードプレートの冷却流体サブマニホルドと略等しく寸法設定される。このことにより、対称流れ場プレートの上記の利点を有するバイポーラプレートが実現される。
【００３５】
本発明の更なる態様によれば、上記した少なくとも１つの流れ場プレートを有し、且つ／又は、上記した少なくとも１つのバイポーラプレート及び／又はバイポーラプレートアセンブリを有する燃料電池及び／又は燃料電池スタックが開示される。
【００３６】
更なる利点及び／又は好ましい実施形態は、明細書、図面及び特許請求の範囲に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
以下において、本発明を添付図面を参照してより詳細に説明する。このことにより、図面に示した実施形態は本発明の範囲を制限することを目的とするものではないことを明確に留意されたい。本発明の範囲は、単に特許請求の範囲によって決定される。
【図１】カソードプレートとして設計された本発明の流れ場プレートの好ましい実施形態の概略図である。
【図２】アノードプレートとして設計された本発明の流れ場プレートの好ましい実施形態の概略図である。
【図３ａ】図１に示す好ましい実施形態の酸化剤マニホルド及び酸化剤サブマニホルドの裏面からの拡大概略図である。
【図３ｂ】図１に示す好ましい実施形態の酸化剤マニホルド及び酸化剤サブマニホルドの正面からの拡大概略図である。
【図４】本発明の流れ場プレートの更なる好ましい実施形態の概略図である。
【図５】本発明のアノード流れ場プレート及び本発明のカソード流れ場プレートが接触して配置された場合に生じる流れパターンの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下において、同一又は同様に作用する要素は同一参照番号で示す。
【００３９】
一般に、燃料電池スタックは、積み重ねられた電池を保持する２つのエンドアセンブリ単位間に複数の繰り返し燃料電池単位を積み重ねることによって作られる。繰り返し燃料電池単位は、主に２つのサブアセンブリ、即ち、５層膜電極アセンブリ（５層ＭＥＡ）とバイポーラプレートアセンブリからなる。任意で、密封層を５層ＭＥＡとバイポーラプレートアセンブリの間に配設して主構成要素の両方を密封してもよい。密封層は、５層ＭＥＡ及び／又はバイポーラプレートアセンブリの一体部分であってもよい。
【００４０】
５層ＭＥＡは、ガス拡散層によって両面が覆われた膜電極アセンブリからなる。膜電極アセンブリ自体は、その２つの主面に配置された２つの電極、アノード及びカソードを備えた膜からなる。アノード（電極）及びカソード（電極）はガス拡散層で覆われており、そのガス拡散層は、通常は多孔性導電性材料から作られ、電極へ、そして電極から、電気及び熱を導くと共に、電極に反応物を供給して、電極から生成物を除去するように構成される。電極、膜及びガス拡散層が５層膜電極アセンブリ（５層ＭＥＡ）を形成する。
【００４１】
燃料電池スタックでは、バイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリが上記の５層ＭＥＡの２つを分離する。このことにより、バイポーラプレートは、アノード対向面及びカソード対向面を有する。アノード対向面は、第１の５層ＭＥＡのアノードを覆うガス拡散層と接触して配置され、カソード対向面は、第２の５層ＭＥＡのカソードを覆うガス拡散層と接触して配置される。
【００４２】
バイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ自体は、単一のプレートか、互いに接触して配置される２つ以上のプレートからなる。バイポーラプレートの電極対向面上に、チャネル状流体分配構造が配設されて、それらが各ガス拡散層と接触して配置されると、反応物用のチャネル又はチャネル状構造を形成する。バイポーラプレート／バイポーラプレートアセンブリの電極面のチャネル状流れ場構造は、電極の活性領域への反応物の均一分布を確実にする。
【００４３】
バイポーラプレートアセンブリは、通常、少なくとも２つの流れ場プレートと、第１の５層ＭＥＡのアノード側に面するアノード流れ場プレートと、第２の５層ＭＥＡのカソードに面するカソード流れ場プレートとからなる。
【００４４】
通常、バイポーラプレート及び／又は流れ場プレートは、良好な電気及び熱伝導特性を持ち、気体又は液体の透過性がない又はごくわずかな材料から作られる。加えて、プレートは、電気及び熱伝導率を更に向上させるために良好な電気及び熱伝導特性を有する材料で被覆してもよい。上記したように、チャネル状構造又はチャネルは、バイポーラプレート又は流れ場プレートに形成されて、反応物を反応物入口マニホルドから活性領域に、且つ未使用の反応物及び生産水を活性領域から反応物出口マニホルドに導くための流路を形成する。
【００４５】
少なくとも２つの流れ場プレートからなるバイポーラプレートアセンブリでは、２つの流れ場プレートが互いに接触して配置された場合、冷却流体を分配して発生熱を除去するための領域が形成される。冷却流体の分配のため、流れ場プレートは、通常、それらの裏面に、流れ場プレート上に冷却流体を均一に分配するためのチャネル状構造からなる冷却流体流れ場を備える。
【００４６】
図１及び図２は、カソード流れ場プレート１００（図１）及びアノード流れ場プレート２００（図２）の裏面を概略的に示す。
【００４７】
カソード流れ場プレート（カソードプレート）１００及びアノード流れ場プレート（アノードプレート）２００は共に、冷却流体入口マニホルド１０２，２０２と、酸化剤入口マニホルド１０４，２０４と、燃料入口マニホルド１０６，２０６とを備える。両流れ場プレート１００，２００の裏面が互いに接触して配置された場合、入口マニホルド１０２，２０２，１０４，２０４，１０６，２０６はそれぞれ共通のマニホルドを形成している。流れ場プレート１００，２００の裏面には、冷却流体流れ場１１０，２１０が形成される。冷却流体流れ場１１０，２１０は、流れ場プレート、そしてそれによって燃料電池の活性領域上に均一に冷却流体を分配するためのチャネル状構造１１１，２１１を備える。
【００４８】
これらの図は、カソードプレート１００の酸化剤サブマニホルド１１４及びアノードプレート２００の燃料サブマニホルド２１４を更に示す。燃料サブマニホルド２１４をカソードプレート１００だけに形成すること、且つ／又は、酸化剤サブマニホルド１１４をアノードプレートだけに形成することもまた可能であることに留意されたい。一方では、各流れ場プレート、カソードプレート及びアノードプレートは共に、酸化剤サブマニホルド１１４，２１５と、燃料サブマニホルド２１４，１１５とを備えることもまた可能である。酸化剤サブマニホルド１１４，２１５は両流れ場プレートに形成されるが、燃料サブマニホルド２１４は一方の流れ場プレートだけに形成される、又はその逆の非対称設計もまた可能であることは、明白である。
【００４９】
図１に示すように、カソードプレート１００は、燃料サブマニホルド２１４の全長に沿って延在する冷却流体サブマニホルド１１２を更に備える（図２参照）。更に、冷却流体サブマニホルド１１２は、参照番号２１３で示す領域内のアノードプレート２００の流れ場２１０に流体接続されるように構成される。
【００５０】
同様に、アノードプレート２００は、酸化剤サブマニホルド１１４の全長に沿って延在する冷却流体サブマニホルド２１２を有し、参照番号１１３で示す領域内のカソードプレート１００の冷却流体流れ場１１０に接続するように構成される。
【００５１】
冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体を案内するために、図１及び２の実施形態では細長い平坦部として設計される案内構造１０８，２０８を設けてもよい。冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体を案内する他に、案内構造１０８，２０８は、流れ場プレートが互いに接触して配置される場合、各他方の流れ場プレートの支持を行うことができる。図示の設計の案内構造の他に、案内構造は、上記の機構の少なくとも１つを提供するように構成される任意のその他の形状を有してもよいことは明白である。
【００５２】
冷却流体流れ場１１０，２１０への冷却流体の分配に加えて、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、他方の流れ場プレート２００，１００の各反応物を冷却又は加熱し、それによって燃料電池の温度制御を行うように更に構成される。つまり、カソードプレート１００の冷却流体サブマニホルド１１２は、燃料マニホルド１０６から燃料サブマニホルド２１４へ、更にアノードプレート２００のアノード側へ流れる燃料の温度を制御するように構成される。つまり、燃料の温度は、燃料が燃料電池の活性領域に案内される前に制御されることになる。アノードプレート２００の冷却流体サブマニホルド２１２も同様であり、酸化剤マニホルド２０４から酸化剤サブマニホルド１１４へ、更にカソードプレート１００のカソード側へ流れる酸化剤の温度を制御するように構成される。そのため、酸化剤の温度も、酸化剤が燃料電池の活性領域に案内される前に制御される。
【００５３】
図３は、カソードプレート１００の裏面（図３ａ）及び正面（図３ｂ）の拡大詳細図を示す。それにより、図３ａは、酸化剤マニホルド１０４及びカソードサブマニホルド１１４を備えたカソードプレート１００の裏面を示している。図３ａでわかるように、酸化剤サブマニホルド１１４は、カソードプレート１００の正面に延在する複数のトンネル状開口１１６を更に備えている（図３ｂ参照）。トンネル状開口１１６は、酸化剤サブマニホルド１１４でカソードプレート１００の裏面に入る酸化剤を正面に、更に、カソードプレートが５層ＭＥＡのカソード側のガス拡散層と接触して配置される場合に、酸化剤流れチャネルを形成するチャネル状構造１２０からなる酸化剤流れ場１１８に案内するように構成される。酸化剤流体流れ場１１８及び冷却流体流れ場１１０は、好ましくは互いの陰極として設計される。
【００５４】
図には示されていないが、アノードプレート２００は、同様に、燃料サブマニホルド２１４でアノードプレート２００の裏面に入る燃料をアノード対向面に、更に燃料流れ場のチャネル状構造に案内するように構成されるトンネル状開口を備えてもよい。
【００５５】
各反応物流れ場１１８の陰極として冷却流体流れ場１１０，２１０を設計することによって、確実に流れ場プレート１００，２００を非常に薄くし、ひいては燃料電池スタックの全体寸法を縮小することができる。
【００５６】
図１及び２に更に示すように、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体の流れ方向の方へ減少する断面を呈する（矢印参照）。断面の減少により、冷却流体流れ場１１０，２１０への等流分布が確実になる。好ましくは、断面は、約１０％〜９０％、より好ましくは２０％〜８０％、最も好ましくは５０％〜７５％減少する。加えて、減少した断面により、バイポーラプレートの冷却流体マニホルド及び反応物マニホルド領域のよりコンパクトな設計が容易になる。有利なことに、冷却流体サブマニホルドの全体積は、熱交換能力が反応物に影響を与えるのに十分なほど大きくなるように構成される。好ましくは、体積は、もし流体の相転移がなければ、最大約２００℃、より好ましくは約２０℃〜１２０℃の範囲、最も好ましくは約４０℃、反応物を冷却又は加熱することができるように構成される。
【００５７】
見てわかるように、図１及び図２の冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、図示の実施形態では異なる長さを有している。燃料流は酸化剤流よりも通常は小さいので、燃料入口マニホルド１０６，２０６は酸化剤入口マニホルド１０４，２０４よりも小さくしてもよい。このことは、粘度の低い純粋な水素で作動する燃料電池を使用する場合に特に有効である。小さな燃料入口マニホルド１０６，２０６を用いても、圧力降下が増大することはない。加えて、小さな燃料入口マニホルド１０６，２０６により、燃料流れ場１００，２００の全体寸法を小さくすることが可能であり、よりコンパクトな設計になる。
【００５８】
加えて、アノード側の流れはカソード側の流れよりも通常は小さいので、流れ場は通常それに合わせて設計される。例えば、アノードプレート２００は少なめのチャネル状構造を有してもよく、或いは、チャネル状構造の断面は、水滴が効率的に除去されるように酸化剤流速とほぼ同程度まで燃料流速を上昇させるために期待される燃料流に適応される。
【００５９】
図１，２及び３に示した設計の他に、カソード及びアノードプレート１００，２００を対称的に設計することもまた可能である。その際、カソードマニホルド１０４，２０４、アノードマニホルド１０６，２０６及び各サブマニホルド１１４，２１４は、略等しく寸法設定される。本実施形態では、冷却流体サブマニホルド１１２及び２１２もまた略等しく寸法設定される。対称的な燃料流れ場が図４に概略的に示されている。
【００６０】
対称設計の流れ場プレート１００，２００は、両プレートが同一のスタンピング工具で細工できるので工具費又は製造費が削減されるという利点がある。このことにより、流れ場プレートが略同一であるので高品質の流れ場プレートを製造することもできる。更に、対称設計の流れ場プレートを有することにより、バイポーラプレートへのクランプ圧力のより均等な分配が可能になる。加えて、対称設計により、燃料電池スタックの動作方向が所定の動作期間の後に反転することができるので、燃料電池スタックの寿命を向上させることが可能になる。通常、燃料電池は、温度差及び／又は乾性ガスによって出口側よりも入口側がより摩耗する。一定の動作時間の後に動作方向を反転させることによって、摩耗は燃料電池の全ての部分により均等に分布することになる。
【００６１】
アノードプレート及びカソードプレート１００，２００が対称又は非対称に設計されているかにかかわらず、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２の長さは、好ましくは、それぞれ反応物サブマニホルド１１４，２１４以上である。このことにより、温度が上昇し、ホットスポットによる燃料電池の故障につながることがある、冷却が最適ではない領域が避けられる。好ましくは、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２内の冷却流体の流れが反応物サブマニホルド１１４，２１４からの反応物の流れに略垂直であるように配向される。
【００６２】
カソードプレート１００及びアノードプレート２００が互いに接触して配置されると、本発明の流れ場構造は図５に示すような流れパターンを発生させる。発生した流れパターンは、平均速度が約０．３０ｍ／秒〜０．６０ｍ／秒、好ましくは０．４０ｍ／秒〜０．５０ｍ／秒の範囲内である場合、方向ｘ（図５参照）にわたる個々の冷却チャネル間の冷却流体速度の分布がせいぜい約２０％、好ましくは約１５％しか変化しないようにすることができる。そのため、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２の設計の１つの重要な特徴は、冷却流体流れ場の個々の流れチャネル間の流速の広がりを最小限にすることである。これは、本発明により、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２及び任意の案内構造１０８，２０８の断面が減少することによって達成される。しかしながら、図示の形状の他に、冷却流体サブマニホルド１１２，２１２は、上記の機構の少なくとも１つを実質的に提供する任意のその他の形状を有してもよい。
【００６３】
一般に、本発明を用いると、各燃料電池単位の活性領域が最大限活用される。本発明では、特別なインサート又は追加のプレートを必要としない効率的な流動分布によって、薄肉成形金属バイポーラプレートアセンブリを形成することができる。これにより、燃料電池スタックの体積出力密度が増大し、燃料電池スタックアセンブリの複雑さが減少し、その費用効率が上昇する。更に、冷却流体サブマニホルドは、追加の熱交換器を排除することができる、反応物の十分な熱交換能力を有する冷却及び／又は加熱領域を提供するように構成される。このことにより、燃料電池システムの体積出力密度を増大させることができ、システム費用を削減することができる。本発明はまた、工具投資費が減少し、燃料電池スタック内の略均一な接触圧力分布を形成する対称流れ場プレートの利用が可能であり、それによって流体漏れの危険性を低下させる。
【符号の説明】
【００６４】
１００          カソードプレート  −  第１の流れ場プレート
２００          アノードプレート  −  第２の流れ場プレート
１０２，２０２  冷却流体マニホルド
１０４，２０４  酸化剤マニホルド
１０６，２０６  燃料マニホルド
１０８，２０８  冷却流体案内構造
１１０，２１０  冷却流体流れ場
１１１，２１１  冷却流体のチャネル状構造
１１２，２１２  冷却流体サブマニホルド
１１３，２１３  冷却流体サブマニホルド接触領域
１１４，２１５  酸化剤サブマニホルド
２１４，１１５  燃料サブマニホルド
１１６          トンネル状開口
１１８          酸化剤／燃料流れ場
１２０          酸化剤／燃料のチャネル状構造
【手続補正２】
【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】
電極対向正面と、裏面と、少なくとも、冷却流体をそこに供給するための冷却流体マニホルド（１０２；２０２）とを有する燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレート又はバイポーラプレートアセンブリ用の流れ場プレート（１００；２００）であって、前記裏面は、前記流れ場プレート（１００；２００）に冷却流体を略均一に分配するための冷却流体流れ場（１１０；２１０）を備え、前記流れ場プレート（１００；２００）は、冷却流体を前記冷却流体マニホルド（１０２；２０２）から冷却流体流れ場（２１０，１１０）に分配するように構成される冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）を更に備えている流れ場プレート（１００；２００）において、
前記冷却流体サブマニホルド（１１２，２１２）は、前記流れ場プレート（１００，２００）の前記冷却流体流れ場（１１０，２１０）から流体分離されることを特徴とする、
流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項２】
その電極対向正面に、前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）の陰極構造として設計される反応物流体流れ場（１１８）を備える、請求項１に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項３】
少なくとも、前記流れ場プレート（１００；２００）の電極対向面上の前記反応物流体流れ場（１１８）に流体接続される第１の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）と、前記反応物流体流れ場（１１８）から流体分離される第２の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）とを更に備える、請求項１又は２に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項４】
その裏面に、好ましくは前記流れ場プレート（１００；２００）のトンネル状開口（１１６）によって、前記第１の反応物マニホルド（１０４；２０６）、及び前記流れ場プレート（１００；２００）の電極対向面上の前記反応物流体流れ場（１１８）に流体接続される第１の反応物サブマニホルド（１１４；２１４）を備え、且つ／又は、その裏面に、前記第２の反応物マニホルド（２０４；１０６）に流体接続される第２の反応物サブマニホルド（１１５，２１５）を備える、請求項３に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項５】
前記第１の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）及び／又は前記第１の反応物サブマニホルド（１１４；２１４）と、前記第２の反応物流体マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）及び／又は前記第２の反応物サブマニホルド（１１４；２１４）は、略軸対称寸法及び／又は略軸対称形状を呈し、且つ／又は、前記流れ場プレート（１００；２００）は、好ましくはその質量中心に関して、略回転対称を呈する、請求項３又は４に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項６】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）は、前記第２の反応物マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）と前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）の間の領域（１１３，２１３）に配設される、請求項３乃至５のいずれかに記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項７】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の長さは、少なくとも前記第２の反応物流体サブマニホルド（１１４；２１４）の長さにわたって実質的に延在する、請求項６に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項８】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の断面が前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の冷却流体流れ方向に沿って縮小する、請求項１乃至７のいずれかに記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項９】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の断面は、約１０％〜９０％、より好ましくは２０％〜８０％、最も好ましくは５０％〜７５％縮小する、請求項８に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項１０】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）はテーパ形状を有し、前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）は好ましくは楔形状又はブーメラン形状である、請求項８又は９に記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項１１】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）の長さ、幅及び深さは、前記冷却流体サブマニホルド及び／又は前記冷却流体流れ場内で所定の冷却流体流速を提供し、且つ／又は、冷却流体と、前記第２の反応物マニホルド（１０４；２０４；１０６；２０６）によって供給された反応物との間に所定の熱交換領域を提供するように設計される、請求項３乃至１０のいずれかに記載の流れ場プレート（１００；２００）。
【請求項１２】
前記冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）は、少なくとも１つの冷却流体案内構造（１０８，２０８）を更に備える、請求項１乃至１１のいずれかに記載の流れ場プレート。
【請求項１３】
少なくとも、請求項１乃至１２のいずれかに記載の第１の流れ場プレート（１００）と、請求項１乃至１２のいずれかに記載の第２の流れ場プレート（２００）とからなる燃料電池又は燃料電池スタック用のバイポーラプレートアセンブリであって、前記第１及び前記第２の流れ場プレート（１００；２００）が互いに隣接して配設されるように構成されるため、前記第１及び第２の流れ場プレート（１００；２００）の前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）が冷却流体のチャネル状構造を形成するように構成されるバイポーラプレートアセンブリにおいて、
前記第１及び前記第２の流れ場プレート（１００；２００）が互いに接触して配置されている場合、前記第１の流れ場プレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）は前記第２の流れ場プレート（２００）の前記冷却流体流れ場（２１０）に流体接続されるように構成され、前記第２の流れ場プレートの前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は前記第１の流れ場プレート（１００）の前記冷却流体流れ場（１１０）に流体接続されるように構成されることを特徴とする、
バイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１４】
前記第１の流れ場プレート（１００）はカソードプレートとして設計され、前記第２の流れ場プレート（２００）はアノードプレートとして設計されており、好ましくは、前記カソードプレート（１００）は、第１の反応物流体マニホルドとしての酸化剤マニホルド（１０４）と、酸化剤、好ましくは空気を前記カソードプレート（１００）の電極対向面に提供するための反応物流れ場としての酸化剤流れ場（１１８）とを有し、且つ／又は、好ましくは、前記アノードプレート（２００）は、第１の反応物流体マニホルドとしての燃料マニホルド（２０６）と、燃料、好ましくは水素含有流体を前記アノードプレート（２００）の電極対向正面に提供するための反応物流れ場としての燃料流れ場とを有する、請求項１３に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１５】
カソード対向正面の酸化剤流れ場（１１８）と裏面の冷却流体流れ場（１１０）を備えたカソードプレート（１００）と、アノード対向正面の燃料流れ場と裏面の冷却流体流れ場（２１０）を備えたアノードプレート（２００）とを有する、燃料電池又は燃料電池スタックのバイポーラプレートアセンブリであって、前記カソードプレート（１００）及び前記アノードプレート（２００）は、少なくとも、
冷却流体を前記バイポーラプレートアセンブリに供給するための冷却流体マニホルド（１０２；２０２）と、冷却流体を前記冷却流体流れ場（１１０；２１０）に分配するための冷却流体サブマニホルド（１１２；２１２）と、
酸化剤、好ましくは空気を前記バイポーラプレートアセンブリに提供するための酸化剤マニホルド（１０４；２０４）と、酸化剤を前記酸化剤流れ場（１１８）に分配するための酸化剤サブマニホルド（１１４）と、
燃料、好ましくは水素含有流体を前記バイポーラプレートアセンブリに提供するための燃料マニホルド（１０６；２０６）と、燃料を前記燃料流れ場に分配するための燃料サブマニホルド（２１４）とを更に備えているバイポーラプレートアセンブリにおいて、
前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は、実質的に前記酸化剤サブマニホルドの長さにわたって延在する空間として設計され、前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）は、実質的に前記燃料サブマニホルドの長さにわたって延在する空間として設計されることを特徴とする、
バイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１６】
好ましくは、前記カソードプレート（１００）及びアノードプレート（２００）が互いに接触して配置される場合、前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）は、前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体流れ場（２１０）に流体接続されるように構成され、前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は、前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体流れ場（１１０）に流体接続されるように構成される、請求項１５に記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１７】
前記カソードプレート（１００）は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の流れ場プレートであり、且つ／又は、前記アノードプレート（２００）は、請求項１乃至１２のいずれかに記載の流れ場プレートである、請求項１３乃至１６のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１８】
前記燃料マニホルド（１０６；２０６）は前記酸化剤マニホルド（１０４；２０４）よりも小さく、且つ／又は、前記アノードプレート（２００）の前記冷却流体サブマニホルド（２１２）は前記カソードプレート（１００）の前記冷却流体サブマニホルド（１１２）よりも大きく、且つ／又は、前記酸化剤流れ場は前記燃料流れ場よりも多くのチャネル状構造を有し、且つ／又は、前記燃料流れ場の前記チャネル状構造の断面は前記酸化剤流れ場の前記チャネル状構造の断面よりも小さい、請求項１４乃至１７のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項１９】
前記アノードプレート（２００）は前記カソードプレート（１００）と略同一である、請求項１４乃至１７のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリ。
【請求項２０】
請求項１乃至１２のいずれかに記載の少なくとも１つの流れ場プレート（１００；２００）及び／又は請求項１３乃至１９のいずれかに記載のバイポーラプレートアセンブリを有する燃料電池及び／又は燃料電池スタック。
【国際調査報告】
2015521788.tif 000009
2015521788.tif 000010