(57)【要約】燃料電池の反応物流れ場（１６）は、接続部分（２６）によって交互嵌合流れの流路（２１，２２）と接続される貫流流路（１８）を有する。接続部分は、流れ反転マニホールド（３５）により画定できるか、あるいは、流れ反転マニホールド（４３，４８）の間でそこから離れて配置できる。
2004523065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物流れ場プレートを有する燃料電池であって、
反応物入口および反応物出口と、
複数の貫流の反応物流れ場の流路と、
複数の交互嵌合の反応物流れ場の流路と、
前記貫流流路と前記交互嵌合流路の間にあり、流れを導く流れ移行部と、
を有し、前記流路と前記移行部は、前記入口と前記出口の間に延びている、ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記貫流流路の少なくとも一部が、前記入口に隣接し、前記交互嵌合流路の少なくとも一部が、前記出口に隣接することを特徴とする請求項１記載の流れ場プレート。
【請求項３】
前記貫流流路は、前記交互嵌合流路の上流に配置されることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレート。
【請求項４】
前記燃料電池は、流れ反転マニホールドを含み、この流れ反転マニホールドの上流にある前記流れ場プレートの少なくとも一部が、貫流の反応物流れ場の流路を備え、前記流れ反転マニホールドの下流にある前記流路の少なくとも一部が、交互嵌合の反応物流れ場の流路を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池は、流れ反転マニホールドを含み、前記移行部は、前記流れ反転マニホールドの流れの中にあるが、そこから少し離れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池は、複数の流れ反転マニホールドを有し、前記移行部は、一対の前記流れ反転マニホールドの間にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池は、複数の流れ反転マニホールドを有し、前記移行部は、前記流れ反転マニホールドのうちの１つの流れの中にあるが、そこから少し離れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池は、１つまたは複数の流れ反転マニホールドを有し、前記移行部は、流れ反転マニホールドによって画定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、部分的に低圧の貫流（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）の反応物流れ場の流路と、部分的に交互嵌合（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）の流れ場の流路とを有する、燃料電池内の反応物流れ場に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池内の電気化学反応は、よく知られている。アルカリ、酸、または固体高分子電解質型の燃料電池内の反応物は、アノードでは水素または水素に富んだ燃料であり、カソードでは酸素または空気酸化剤である。希薄反応物と共に作動する燃料電池内の濃度分極を最小限に抑えるように、交互嵌合の反応物の流れの場を使用することが知られている。
【０００３】
交互嵌合の反応物流れ場は、入口気体流れ流路が、出口気体流れ流路と直接接続しないので、強制的に反応物気体を燃料電池の隣接層内へ流入させる。この結果、反応物の電気触媒への強制対流が生じ、それによって、反応物流れ場を通って流れる反応物のより大きな割合が、より効率的に利用される。しかしながら、強制対流は、流れ場に渡る圧力降下の増大なしには効果的に達成できない。増大した圧力降下は、次には、反応物気体のより大きな加圧を必要とし、それによって、燃料電池によって生成された電気のより大きな割合が消費され、これは、寄生電力と呼ばれる。どのような特定の利用に対する燃料電池の適合性も、少なくとも部分的には、電気を生成する効率ばかりでなく電気を生成する（電力の）費用を含む、燃料電池全体の効率に依存する。従って、燃料電池の全体の効率は、特に、輸送装置などの移動式の装置において最も重要であり、この輸送装置では、負荷および燃料電池を輸送する必要があるばかりでなく、形態ごとに、利用される燃料を輸送する必要がある。
【０００４】
【発明の開示】
本発明は、圧力を上昇させる必要から生じる法外な寄生電力の必要なしに、交互嵌合の反応物流れ場を用いて達成できる反応物の利用率を利用する、燃料電池を提供できる。
【０００５】
本発明は、交互嵌合流れ場の反応物利用率の利点は、反応物濃度がほんのわずか減損したときには、必要ではないが、むしろ、交互嵌合流れ場の利点は、反応物濃度が大幅に減損したときに反応物流れ場を通る途中までは、効力がある、という発見に基づいている。さらに、本発明は、ほんの部分的に交互嵌合された反応物流れ場を利用する反応物濃度の低減が、全体の反応物流れ場が交互嵌合された場合の反応物濃度と実質的に同じになり得るとともに、同時に、そのような反応物利用率をもたらすのに必要な圧力がほぼ２分の１だけ低減する、という発見に基づいている。
【０００６】
本発明によれば、燃料電池の反応物流れ場は、部分的に貫流流れの流路で形成されるとともに、部分的に交互嵌合流れの流路で形成される。さらに、本発明によれば、貫流流れの流路は、交互嵌合流れの流路の上流にある。混成流れの流路は、直線状の流れ場に、または１回または複数回折り返された流れ場に、組み込むことができる。貫流の流れ場の流路と交互嵌合の流れ場の流路の接続部は、マニホールドに隣接させることができ、あるいは、マニホールドの中間とすることもできる。
【０００７】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、従来の交互嵌合流れ場の簡略図である。例示するように、流れ場プレート９は、端部隆起部１０と、流れ場プレート９を入口流路１３と出口流路１４に分離する付加的隆起部１１とを有する。流れは、図１の矢印で示すように、入口流路から、中間リブ１１の下を通り、次に、出口流路１４を通って流出する。流れ場プレート９は、反応物が中間リブ１１の下を流れる間に対流により押し込まれる燃料電池の付加的な多孔質プレート、通常は反応物保持プレート、に隣接して配置される。単に貫流の流れ場の流路からの気体の拡散により通常達成されるより高い濃度の反応物気体が、交互嵌合流れ場により生成される強制対流によって、隣接する多孔質電気触媒保持プレートに到達する。
【０００８】
より低い圧力降下を達成するために、本発明は、図２に極端に単純化して例示した、混成の反応物酸化剤流れ場の構成を備える。混成の反応物流れ場プレート１６は、平行した貫流の流れ場の流路１８を画定するリブ１７と、入口流路２１と出口流路２２を画定する曲がりくねったリブ２０とを含む。図示した曲がりくねったリブ２０の代わりに、他の構造（図１に示したものなど）も、交互嵌合の流れ場の流路を画定するのに利用できる。反応物が空気の場合は、入口マニホールド２５に流入する空気は、実質的に通常の量の酸素（約２１％）を含むことになるが、空気中の酸素は、空気が流れ場に沿って移動する間に消耗されることになり、酸素は、拡散し、処理過程によって消費される。空気が、貫流の流れ場の流路１８と交互嵌合する流路２１、２２の間の移行部２６に到達するまでには、空気は、交互嵌合流れ場が、曲がりくねったリブ２０の下を通り隣接電気触媒保持プレート内へ流入する空気の強制対流によって、実質的な酸素濃度の向上を与えることになるので、十分消耗される。次に、空気は、出口流路と出口マニホールド２７を通って、適切な排気口へと、あるいは、所望によりどのような形態の回収または再利用装置へも、流される。燃料電池の大きさ、その全体構成、使用される圧力、望ましい圧力降下、および圧力誘起機構（ファン、送風機、圧縮機など）の性質を含む燃料電池の他の全てのパラメータに依存して、貫流の反応物流れ場の流路と交互嵌合の流れ場の流路の間の相対的な平衡が、さまざまに決定されるものである。貫流の流路は、本発明のどのような利用においても設計目標に依存して、数パーセントより多くは反応物濃度を低減せずに、できるだけ多くの割合の流れ経路の長さを占める必要がある。反応物濃度の低減の程度と必要な圧力降下の低減の間の平衡は、本発明の具体的な実施に適合するように達成されるものである。
【０００９】
図２では、混成流路構成は、縦一列に示されており、移行部２６は、電池を通るほぼ中間にある。しかしながら、移行部２６の位置は、他のパラメータに依存して場合ごとにかなり変わることになる。図３では、燃料電池の反応物流れ場プレート３１が、折り返された構成で示されており、この構成では、酸化剤が、入口マニホールド３２を通って流入し、貫流の反応物流れ場の流路を有するプレート３１の部分３４を通って流れ、次に、流れ反転マニホールド３５によって向きを変えられて、交互嵌合の反応物流れ場の流路を有するプレート３１の部分３７を通って流れ、その後、反応物は、排気されるように出口マニホールド３８を通って流れる。しかしながら、部分３４、３７の間の移行部は、マニホールド３５において生じる必要はなく、図４に示すように、マニホールド３５と、マニホールド３２、３８の一方との間の中間とすることができる。そこでは、反応物は、入口マニホールド４０を通り、貫流の反応物流れ場の流路を備える第１の部分４１を通り、反転マニホールド４３、さらに貫流の反応物流れ場の流路を有する第２の部分４５を通り、そこから、交互嵌合の反応物流れ場の流路を有する部分４６を通り、反転マニホールド４８、さらに交互嵌合の流れ場の流路を有する部分４９を通り、そこから、排気されるように出口マニホールド５０を通って流れる。貫流流路と交互嵌合流路の間の移行部５２は、本発明のどのような利用にも適合するようにマニホールドの間のいずれに配置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来の交互嵌合の燃料電池反応物流れ場の簡略断面側立面図。
【図２】
本発明による混成の反応物流れ場の様式化された簡略断面側立面図。
【図３】
本発明による折り返された反応物流れ場の簡略概略図。
【図４】
貫流の流れ場の流路と交互嵌合の流れ場の流路の間にある移行部が、流れマニホールドから離れている、３回折り返された反応物流れ場の簡略概略図。
【国際公開パンフレット】
2004523065.tif 000003
2004523065.tif 000004
2004523065.tif 000005
2004523065.tif 000006
2004523065.tif 000007
2004523065.tif 000008
2004523065.tif 000009
2004523065.tif 000010
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2004523065.tif 000012
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004523065.tif 000013
2004523065.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成14年10月9日(2002.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物流れ場プレートを有する燃料電池であって、
反応物入口および反応物出口と、
複数の貫流の反応物流れ場の流路であって、この貫流流路を通って流れるように反応物気体が前記入口からすぐに分配される、貫流流路と、
複数の交互嵌合の反応物流れ場の流路と、
前記貫流流路と前記交互嵌合流路の間にあり、流れを導く流れ移行部と、
を有し、前記流路と前記移行部は、前記入口と前記出口の間に延びている、ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記貫流流路の少なくとも一部が、前記入口に隣接し、前記交互嵌合流路の少なくとも一部が、前記出口に隣接することを特徴とする請求項１記載の流れ場プレート。
【請求項３】
前記貫流流路は、前記交互嵌合流路の上流に配置されることを特徴とする請求項１記載の流れ場プレート。
【請求項４】
前記燃料電池は、流れ反転マニホールドを含み、この流れ反転マニホールドの上流にある前記流れ場プレートの少なくとも一部が、貫流の反応物流れ場の流路を備え、前記流れ反転マニホールドの下流にある前記流路の少なくとも一部が、交互嵌合の反応物流れ場の流路を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池は、流れ反転マニホールドを含み、前記移行部は、前記流れ反転マニホールドから流出する流れの中にあるが、前記流れ反転マニホールドから少し離れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池は、複数の流れ反転マニホールドを有し、前記移行部は、一対の前記流れ反転マニホールドの間にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池は、複数の流れ反転マニホールドを有し、前記移行部は、前記流れ反転マニホールドのうちの１つから流出する流れの中にあるが、前記１つの流れ反転マニホールドから少し離れていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池は、１つまたは複数の流れ反転マニホールドを有し、前記移行部は、流れ反転マニホールドであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
より低い圧力降下を達成するために、本発明は、図２に極端に単純化して例示した、混成の反応物酸化剤流れ場の構成を備える。混成の反応物流れ場プレート１６は、平行した貫流の流れ場の流路１８を画定するリブ１７と、入口流路２１と出口流路２２を画定する曲がりくねったリブ２０とを含む。図示した曲がりくねったリブ２０の代わりに、他の構造（図１に示したものなど）も、交互嵌合の流れ場の流路を画定するのに利用できる。反応物が空気の場合は、入口マニホールド２５に流入する空気は、実質的に通常の量の酸素（約２１％）を含むことになるが、空気中の酸素は、空気が流れ場に沿って移動する間に消耗されることになり、酸素は、拡散し、処理過程によって消費される。空気が、貫流の流れ場の流路１８と交互嵌合流路２１、２２の間の移行部２６に到達するまでには、空気は、交互嵌合流れ場が、曲がりくねったリブ２０の下を通り隣接電気触媒保持プレート内へ流入する空気の強制対流によって、実質的な酸素濃度の向上を与えることになるので、十分消耗される。次に、空気は、出口流路と出口マニホールド２７を通って、適切な排気口へと、あるいは、所望によりどのような形態の回収または再利用装置へも、流される。燃料電池の大きさ、その全体構成、使用される圧力、望ましい圧力降下、および圧力誘起機構（ファン、送風機、圧縮機など）の性質を含む燃料電池の他の全てのパラメータに依存して、貫流の反応物流れ場の流路と交互嵌合の流れ場の流路の間の相対的な平衡が、さまざまに決定されるものである。貫流の流路は、本発明のどのような利用においても設計目標に依存して、数パーセントより多くは反応物濃度を低減せずに、できるだけ多くの割合の流れ経路の長さを占める必要がある。反応物濃度の低減の程度と必要な圧力降下の低減の間の平衡は、本発明の具体的な実施に適合するように達成されるものである。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図２では、混成流路構成は、縦一列に示されており、移行部２６は、電池を通るほぼ中間にある。しかしながら、移行部２６の位置は、他のパラメータに依存して場合ごとにかなり変わることになる。図３では、燃料電池の反応物流れ場プレート３１が、折り返された構成で示されており、この構成では、酸化剤が、入口マニホールド３２を通って流入し、貫流の反応物流れ場の流路を有するプレート３１の部分３４を通って流れ、次に、流れ反転マニホールド３５によって向きを変えられて、交互嵌合の反応物流れ場の流路を有するプレート３１の部分３７を通って流れ、その後、反応物は、排気されるように出口マニホールド３８を通って流れる。図３において、貫流流路と交互嵌合流路の間の移行部は、流れ反転マニホールド３５によって画定される。しかしながら、部分３４、３７の間の移行部は、マニホールド３５において生じる必要はなく、図４に示すように、マニホールド３５と、マニホールド３２、３８の一方との間の中間とすることができる。そこでは、反応物は、入口マニホールド４０を通り、貫流の反応物流れ場の流路を備える第１の部分４１を通り、反転マニホールド４３、さらに貫流の反応物流れ場の流路を有する第２の部分４５を通り、そこから、交互嵌合の反応物流れ場の流路を有する部分４６を通り、反転マニホールド４８、さらに交互嵌合の流れ場の流路を有する部分４９を通り、そこから、排気されるように出口マニホールド５０を通って流れる。貫流流路と交互嵌合流路の間の移行部５２は、本発明のどのような利用にも適合するようにマニホールドの間のいずれに配置できる。




【国際調査報告】
2004523065.tif 000015