(57)【要約】本発明は、燃料電池システムおよび関連する製造方法に関する。燃料電池システムは、少なくとも第１表面領域と第２表面領域とを有し、第１表面領域は第２表面領域よりも親水性であり、第１および第２表面領域は燃料電池のパラメータ分布に従って配置される。【選択図】図４ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１表面領域および第２表面領域を有する燃料電池システムであって、前記第１表面領域は前記第２表面領域よりも親水性であり、前記第１表面および前記第２表面領域は、流体流を制御するために当該燃料電池システムのパラメータ分布に従って配列されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１表面領域および前記第２表面領域は、単一の構成要素上に設けられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１表面領域および前記第２表面領域は、前記構成要素の単一表面上に設けられる、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記構成要素が流体流プレートである、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流体流プレートは、流体分配プレナムを形成する折り畳み部分を含み、前記第２表面領域は、前記折り畳み部分に設けられる、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１表面領域は、流体流プレートのランド領域であり、前記第２表面領域は、前記流体フロープレートのトラック領域である、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記パラメータ分布は、温度分布であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記パラメータ分布がｐＨ分布である、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記パラメータ分布は流体流分布である、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記パラメータ分布は、電流密度、電界または電位の分布であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１表面領域は、前記第２表面領域に対して異なるパターン化表面を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記コンポーネントは、水分離器、凝縮器、熱交換器、ポンプまたは燃料電池システムの流体ラインのうちの１つである、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記構成要素は、カソード表面とアノード表面とを有するバイポーラフィールドフロープレートであり、前記第２表面領域は前記カソード表面上に設けられ、前記第１表面領域は前記アノード上に設けられる、請求項２に記載の燃料電池システム。表面。
【請求項１４】
前記第１表面領域は、前記構成要素の表面の通電領域上に設けられる、請求項２〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記第１表面領域は、前記第２表面領域とは異なる化学的性質を有する、請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第１表面領域と前記第２表面領域との間に疎水性の勾配を提供する第３の表面領域を含む、請求項１〜１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
燃料電池システムを製造する方法であって、前記方法は、流体流を制御するために前記燃料電池システムのパラメータ分布に従って少なくとも第１表面領域および第２表面領域を付与するステップを有し、前記第１表面領域は前記第２表面領域より親水性であることを特徴とする、上記方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、
フィールドフロープレートの周辺領域に第１および第２表面領域の一方または両方を設けるステップと、
フィールドフロープレートの周辺領域を折り曲げて流体分配プレナムを形成するステップとを有する、上記方法。
【請求項１９】
添付の図４〜６を参照して本明細書に実質的に記載される構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池システムに関し、これに限定されないけれども、とくに、改善された流体流れ特性を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気化学燃料電池は、燃料および酸化剤を電気エネルギーおよび反応生成物に変換する。従来の燃料電池１０のレイアウトの一例が図１に示されており、明確にするために様々な層を分解して示している。アノード１２とカソード１３との間には、固体高分子イオン交換膜１１が挟まれている。アノード１２とカソード１３は、共に多孔質カーボンなどの導電性の多孔質材料から形成されており、または他の貴金属触媒が結合されている。アノード１２およびカソード１３は、多くの場合、膜１１のそれぞれの隣接する表面に直接結合される。この組み合わせは、一般に、膜電極組立体またはＭＥＡと呼ばれる。
【０００３】
ポリマー膜および多孔質電極層を挟むのは、アノード流体流フィールドプレート１４およびカソード流体フローフィールドプレート１５である。中間バッキング層１５ａおよび１３ａはまた、アノード流体流フィールドプレート１４とアノード１２との間で使用されてもよく、カソード流体流れフィールドプレート１５およびカソード１３を含む。裏打ち層１５ａは、多孔質であり、アノードおよびカソード表面への、また、そこからのガスの効果的な拡散を確実にするとともに、水蒸気および液体の水の管理を支援する。このため、バッキング層１５ａは、ガス拡散層（ＧＤＬ）とも呼ばれることがある。
【０００４】
流体流フィールドプレート１４、１５は、それぞれのアノード電極１２またはカソード電極１３に電気的に接触することができる導電性の非多孔質材料から形成される。同時に、流体流フィールドプレートは、流体燃料、酸化剤及び／又は反応生成物の多孔質電極１２、１３への搬送、または多孔質電極１２、１３への排出を可能にする。これは、従来、流体流フィールドプレートの表面に流体流路を形成することによって、例えば、多孔質電極１２、１３の表面に溝またはチャネルを形成することによって、実現されている。
【０００５】
図２ａも参照すると、流体流路の１つの従来の構成は、図２ａに示すように、入口マニホールド２１および出口マニホールド２２を有するアノード１４（またはカソード１５）の面に蛇行構造２０を形成する。従来の設計によれば、蛇行構造２０は、プレート１４（または１５）の表面にチャネル１６を含み、マニホールド２１および２２はそれぞれプレートを貫通する開口部を含み、その結果、図２ｂに示すＡ−Ａ断面の矢印で特に示されているように、プレートのスタックの深さ全体にわたって、プレートに直交する方向にチャネル２０と連通することができる。
【０００６】
図３を参照すると、従来の燃料電池組立体３０の例では、プレートのスタックが構築されている。この構成では、隣接するアノードおよびカソードの流体流フィールドプレートは、従来の方法で組み合わされて、一方の面にアノードチャネル３２を有し、対向する面にカソードチャネル３３を有する単一のバイポーラプレート３１を形成し、それぞれ対応する膜電極組立体（ＭＥＡ）３４に隣接する。入口マニホールド開口２１および出口マニホールド開口２２は、スタック全体に入口マニホールドおよび出口マニホールドを提供するために、すべて重ねられている。スタックの様々な要素は、明瞭にするためにわずかに分離して示されているが、本発明の目的のためには、それらがシールガスケットを用いて共に圧縮されることが理解されるであろう。あるいは、個々の燃料電池組立体３０を別々に、例えば一列に設けることができる。
【０００７】
水管理は、そのような燃料電池の運転における重要な考慮事項である。燃料電池の運転中に、水素と酸素との反応による生成水がＭＥＡの触媒部位に形成される。この水は、酸素がＭＥＡのカソード面に輸送されると同時に、カソード拡散構造を介してＭＥＡから排出されなければならない。しかしながら、ＭＥＡが適切に水和されたままであり、セルの内部電気抵抗が許容限界内にとどまることを確実にすることも重要である。ＭＥＡの加湿を制御できないと、ホットスポットおよび潜在的なセルの故障および／または不良なセルの性能につながる。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、少なくとも第１表面領域および第２表面領域を有する燃料電池システムであって、前記第１表面領域は前記第２表面領域よりも親水性であり、前記第１および第２表面領域は燃料電池システム内の流体の流れを制御するために、燃料電池システムのパラメータ分布に従って配置される。第１および第２表面領域の配置とパラメータ分布との間の相関は、燃料電池スタックの疎水性特性を、使用中に遭遇する条件をより良く満たすように調整することを可能にする。このように、システムの性能は、例えば、出力効率、冷却効率及び局部的な故障の防止の点で改善することができる。
【０００９】
第１表面領域および第２表面領域は、単一の構成要素上に提供されてもよい。構成要素の１つ以上の表面は、流体の流れを受けるように構成されてもよい。第１および第２の領域は、１つまたは複数の表面を横切る流体の流れを制御するように構成されてもよい。第１表面領域および第２表面領域は、単一成分の単一表面上に提供されてもよい。
【００１０】
第１表面領域は、第２表面領域とは異なる構成要素上に設けられてもよい。この場合、第１表面領域が設けられる第１の構成要素は、第２表面領域が設けられる第２の構成要素と同じ種類の構成要素または異なる種類の構成要素であり得る。第１および／または第２表面領域は、連続領域であってもよい。第１および／または第２表面領域は、不連続領域であってもよい。
【００１１】
構成要素は、ガス拡散層、または燃料電池システムの燃料電池の活性領域にわたって反応物を誘導するように構成された燃料電池プレートまたは流体流プレートのうちの１つであってもよい。構成要素が流体流プレートである例では、第１表面領域は、流体流プレートのランド領域であってもよく、第２表面領域は、流体フロープレートのトラック領域であってもよい。流体流プレートは、折り畳まれた部分を含んでよい。第２表面領域は、折り畳まれた部分の上または中に提供されてもよい。流体流プレートは、活性領域を含んで良い。活性領域は、折り畳まれた部分に対して隣接する部分を有することができる。活性領域は、折り畳まれた部分に対して遠位の部分を有することができる。構成要素がカソード表面およびアノード表面を有するバイポーラフィールドフロープレートである例では、第２表面領域がカソード表面上に提供され、第１表面領域がアノード表面上に提供され得る。第１表面領域は、部品の表面の通電領域上に設けられてもよい。第１表面領域は、使用時に実質的な電流を流すように構成されていない構成要素の表面の領域上に設けられてもよい。電流を流すのに使用されない領域のみに疎水性コーティングを適用することは、電池の抵抗性が影響を受けず、依然として有利な疎水性を提供することを意味する。
【００１２】
構成要素は、水分離器；熱交換器；ポンプまたは燃料電池システムの流体ラインに接続される。
【００１３】
パラメータ分布は、電流密度、電場または電位の分布、温度分布；ｐＨ分布；および表面を横切る反応物の流れの分布などの流体の流れの分布を含む。
【００１４】
第１表面領域は、第２表面領域に対して異なるテクスチャまたは表面パターンを有することができる。第２表面領域の表面パターンは、増加した疎水性を提供するように構成することができる。第１表面領域は、化学的に不活性であってもよい。第１表面領域は、疎水性化学物質を有さなくてもよい。
【００１５】
パターン化された表面は、微生物増殖を阻害するためのナノスケールまたはマイクロスケールの波形または隆起（連続または不連続）を含み得る。マイクロスケールの波形は、それぞれ１?１００ミクロン、１０?１００ミクロン、場合によっては２?２５ミクロンの幅を有することができる。マイクロスケールの波形は、その幅にわたって１?１００ミクロン、１０?１００ミクロン、場合によっては２?２５ミクロンの間隔で分離することができる。マイクロスケールの波形は、それぞれ１?１００ミクロン、１０?１００ミクロン、場合によっては２?２０ミクロンの深さを有することができる。パターン化された表面は、電池レリーフパターンを含むことができる。これは、ン形成された表面の反復電池が効率的な製造を実現するので有利である。
【００１６】
パターン化された表面は、２から３０の間の平均粗さ係数を有し得、平均粗さ係数は、幾何学的表面積に対する実際の表面積の比として決定される（いくつかの例では、平均粗さ因子は３０より大きくてもよい）。
【００１７】
パターン化表面は化学的に不活性であってもよい。有利には、表面は、特定の表面パターニングのために疎水性を有することができ、したがって、疎水性化学剤を含まない疎水性表面を提供する。これは、燃料電池システム内の燃料電池スタックへの純粋な冷却剤の供給を維持するために望ましいことがある。
【００１８】
第１表面領域は、第２表面領域とは異なる化学的性質を有してもよい。
【００１９】
表面は、第１表面領域と第２表面領域との間に疎水性の勾配を提供する第３表面領域を含むことができる。
【００２０】
本発明のさらなる態様によれば、燃料電池システムを製造する方法が提供され、この方法は、燃料電池システムのパラメータ分布に従って少なくとも第１表面領域および第２表面領域を提供して、流体を制御する第１表面領域は第２表面領域よりも親水性である。
【００２１】
この方法は、フィールドフロープレートの周辺領域に第１表面領域を設けるステップを含むことができる。この方法は、フィールドフロープレートの周辺領域に第２表面領域を設けるステップを含むことができる。本方法は、流体分配プレナムを形成するために、フィールドフロープレートの周辺領域を折り畳むステップを含むことができる。折り畳み工程は、フィールドフロープレート上に表面領域を設けた後に行うことができる。
【００２２】
また、少なくとも第１表面領域と第２表面領域とを有する流体流プレートが開示され、第１表面領域は第２表面領域よりも親水性であり、第１表面領域と第２表面領域の一方または両方は、流体の流れを制御するために、流体の流れのプレートの折り畳まれた部分に配列されている。
【００２３】
本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の燃料電池の一部を示す概略断面図である。
【図２】（Ｆｉｇ．２ａ）および（Ｆｉｇ．２ｂ）はそれぞれ図１の燃料電池の流体流フィールドプレートの単純化された平面図および断面図を示す。
【図３】バイポーラプレートを有する従来の燃料電池スタックの断面図である。
【図４ａ】燃料電池システム内の表面配置の例を示す図である。
【図４ｂ】燃料電池システム内の表面配置の例を示す図である。
【図５ａ】例示的な疎水性パターン化表面の概略図を示す。
【図５ｂ】例示的な疎水性パターン化表面の概略図を示す。
【図６】（Ｆｉｇ．６ａ）は、第１表面に形成されたチャネルを有する流体流場プレートの一部の斜視図を示し、（Ｆｉｇ．６ｂ）は、プレート上の折り畳み操作の後の（Ｆｉｇ．６ａ）の流体流れ場プレートの一部の斜視図を示す。
【図７】様々な疎水性領域を有する流体流動場プレートの単純化された平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態は、水と種々の燃料電池構成要素との間の相互作用、例えば表面の濡れ挙動を調節するための化学的コーティングまたはパターン化表面の使用に関する。燃料電池システムには、第１表面領域および第２表面領域が設けられている。第１表面領域は、第２表面領域よりも親水性である。換言すれば、第２表面領域は、第１表面領域よりも疎水性である。なぜなら、疎水性の特性は、親水性の引力の欠如であると考えることができるからである。いくつかの例では、第２の領域は、超疎水性材料を含むことができる。
【００２６】
燃料電池システムは、例えば、図１?図３に示す燃料電池組立体と同様の１つ以上の燃料電池組立体を備えてもよく、さらに、必要に応じて、アノードまたはカソード回路に追加のコンポーネントを備えてもよい。追加の構成要素は、当該技術分野で知られているように、水分離器、熱交換器、様々なポンプまたは流体ラインを含むことができる。第１表面領域および第２表面領域は、単一の構成要素上および／または単一の表面上に設けられてもよい。たとえば、コンポーネントの片面に表示されます。あるいは、第１表面領域は、第２表面領域に対して異なる構成要素および／または異なる表面上に設けられてもよい。
【００２７】
第１および第２表面領域は、システム内の流体の流れを制御するために、燃料電池システムのパラメータ分布に従って配置される。パラメータ分布は、構成要素の表面にわたる特定の燃料電池システムパラメータの１次元または２次元分布、またはより一般的に燃料電池システム内のパラメータの１次元、２次元または３次元分布であり得る。このように、パラメータ分布は、表面全体またはシステム内の特定の特性のマップを提供するとみなすことができる。
【００２８】
パラメータ分布のタイプの例は：
電流密度、電場または電位の分布；
温度分布；
ｐＨ分布；そして
表面を横切る反応物質の流れのような流体の流れの分布
を含む。
【００２９】
当業者は、いくつかの燃料電池構成要素について、上記のパラメータが相互に関連していることを理解するであろう。例えば、いくつかの構成要素の電流密度と温度分布との間には相関関係が存在し得る。パラメータ分布は、モデル／予測から導かれてもよく、またはシステムの実験的観察、または使用中の特定の構成要素から決定されてもよい。
【００３０】
第１および第２表面領域の配置とパラメータ分布との間の相関は、燃料電池スタックの疎水性特性を、使用中に遭遇する条件をより良く満たすように調整することを可能にする。このように、システムの性能は、例えば、出力効率、冷却効率及び局部的な故障の防止の点で改善することができる。
【００３１】
図４ａおよび４ｂは、異なる親水性／疎水性表面特性が水／表面相互作用を調節するために使用される燃料電池システム内の表面配置の例を示す。
【００３２】
図４ａは、第１表面領域４０２ａが第１の成分４０４ａ上に提供され、より高い疎水性の第２表面領域４０６が異なる第２の成分４０８上に提供される例を示す。この実施例では、２つの成分４０４ａ、４０８は同じ種類であり、両方とも燃料電池プレートである。あるいは、２つの構成要素４０４ａ、４０８は、例えば、ガス拡散層（ＧＤＬ）であってもよい。
【００３３】
第１表面領域４０２ａと第２表面領域４０４ａとの間に疎水性レベルを有する第３の表面領域４１０が、第１の成分４０４ａと第２の成分４０８との間に位置する第３の成分４１２上に設けられる。第１表面領域４０２ａと第２表面領域４０６との間に提供される。
【００３４】
バイポーラプレートまたはＧＤＬに疎水性コーティングを施すことにより、セル内のフラッディングを低減することによって燃料電池性能を改善することができる。フラッディングの可能性は、セル配置に依存して、出口よりもスタックの入口に近いほど高い反応物レベルが存在する可能性があるため、燃料電池スタックの厚さ（およびいくつかの非積層配置）によって異なる。このようにして、領域４０２ａ、４０４、４０６の配置は、スタックを通る反応物流れを制御するために、スタックを通る反応物流れ分布に従う。反応物の流れ分布は、燃料電池プレートの平面に対して垂直な１次元分布として表すことができる。このような配置は、例えばスタックを通る温度またはセル電圧／電流分布に関連していてもよい。
【００３５】
図４ａは、また、別の第１表面領域４０２ｂおよび第２表面領域４０６が、両方とも同じ構成要素４０８の異なる対向表面上に設けられている例を示している。疎水性層の適用は、セルの溢れを減らすために、カソード面のような、このように、領域４０２ａ、４０４、４０６の配置は、プレートおよび流体流チャネルの配置に依存するより複雑な幾何形状ではあるが、スタックを通る反応物の流れ（または電圧）分布にも一致する。
【００３６】
図４ｂは、第１表面領域４２２および第２表面領域４２６の両方が、単一の構成要素４２８の単一の表面上に設けられている例を示す。この例では、構成要素４２８も流体流プレートである。構成要素４２８の表面は、流体の流れを受けるように構成され、第１および第２の領域は、表面を横切る流体の流れを制御するように構成される。
【００３７】
第１表面領域４２２は、流体フロープレートの「ランド」領域に設けられる。第２表面領域４２６は、流体フロープレートの「トラック」領域に設けられる。トラックは、入口と出口との間の燃料電池の活性領域上に反応物を導くように構成される。フラッディングし易い構成要素の領域にのみ疎水性コーティングを適用することは、構成要素のコストを低減し、潜在的に流体の流れ性能を改善することもできる。
【００３８】
いくつかの例では、第１表面領域４２２が設けられているランド領域は、ＭＥＡによって生成された電流を伝導するように構成することができる。トラック領域に設けられた第２表面領域４２６は、使用中に実質的な電流を流すように構成されていない。この例では、第１および第２表面領域は、プレートの表面にわたる反応物の流れを制御するために、プレートの表面上の電流密度の２次元分布に従って配置される。電流を流すのに使用されない領域にのみ疎水性コーティングを適用することは、セルの抵抗が影響を受けず、依然として有利な疎水性を提供することを意味する。
【００３９】
図４ｂに示す例の代替として、第３の表面領域が、入口の第２表面領域と出口の第１表面領域との間に提供されてもよい。このようにして、疎水性の勾配を、トラックに沿った第１表面領域と第２表面領域との間に提供することができる。勾配は、成分の疎水性が、図４ａに関連して説明した反応物流分布と同様に、トラックを通る２次元反応物流分布に従うようなものであってもよい。
【００４０】
第１および第２表面領域の１つまたは複数を含むことができる構成要素の他の例には、燃料電池システムの水分離器、熱交換器、凝縮器、ポンプまたは流体ラインなどの燃料電池システム構成要素が含まれる。
【００４１】
一例では、第１および第２表面領域は、氷形成を防止または管理するように構成することができる。親水性の第１表面領域を使用して、水を引き付けて、第１表面領域上の氷形成を促進することができる。凍結しないままにすることが有利である領域または材料内の氷の形成を防止するために、疎水性の第２の領域を使用することができる。これらの場合、第１および第２表面領域の配置は、例えば燃料電池システムの温度または化学分布に従うことができる。これらの原理は、燃料電池システムの空気、水、熱または水素モジュール内のどこにでも適用することができる。
【００４２】
第１および第２表面領域が熱交換器（凝縮器）の内部に設けられている例では、熱伝達を最大化するのに有利な領域および凝縮速度を疎水性の第２表面領域として提供することができる。水が排出されることが必要とされる領域は、親水性の第１表面領域として提供されてもよい。このような配置は、液膜の蓄積を防ぎ、コンデンサ内の凝縮を制限することがある。この例では、第１および第２表面領域の配置は、凝縮器の流体流、温度、圧力または熱伝達分布に従うことができる。第１および第２の領域の所望の配置は、凝縮器内で、凝縮器の意図された動作範囲に応じて変化して良い。なぜならば、例えば、加湿ガスの凝縮の変化率は、９０−９５℃と７０−７５oＣとでは異なるからである。
【００４３】
第１および第２表面領域が水分離器に設けられる例では、水分離を助けるために疎水性の第２表面領域が提供され、水抽出を補助する親水性の第１表面領域が提供され得る。この例では、第１および第２表面領域の配置は、水分離器の液体流、圧力または温度分布に従うことができる。
【００４４】
表面パターニングおよび／または表面化学の変化を用いて、第１表面領域、第２表面領域、および第１表面領域と第２表面領域との間の疎水性の勾配を提供する任意の第３の表面領域を提供することができる。
【００４５】
第１表面領域を提供するために使用され得る化学物質の例には、例えば、親水性カルボン酸塩、ピロディン誘導体およびポリ酢酸ビニル分子が含まれる。いくつかの例では、第１表面領域は化学的に不活性であってもよい。
【００４６】
第２表面領域を提供するために使用され得る化学物質の例は、例えば、疎水性アルキル鎖、シラン、シロキサンおよびフルオロカーボン分子を含む。
【００４７】
図５ａおよび図５ｂは、第２表面領域での使用に適した例示的な疎水性パターン化表面の概略図を示す。第１表面領域は、例えば、第２表面領域に対して滑らかな表面によって提供されてもよい。
【００４８】
図５ａには、例示的な表面５０の上面図が示されている。図５ｂには、図５ａの例示的な表面の３つのリッジ５４を通る断面図が示されている。表面５０は、細胞の反復パターンで表面の基底レベル５６から持ち上げられた複数のナノスケールまたはマイクロスケールの波形５４を含むと考えることができる。波形は、一連の不連続な隆起部、隆起部または突起部などの非連続的なものであってもよい。したがって、表面は、不連続な波形の行／領域を有する波形の外観を有することができる。
【００４９】
図５ａは、六角形／菱形の単位セル５２を有するセル状反復パターンを含むパターン形成された疎水性表面を示す。各単位セル５２は、リッジ５６の間の空間に対して隆起した様々な長さの６つの平行なリッジ５４を含む。シャークスキンの構造を模倣すると考えられ、各単位セル５２は、シャークスキンスケールを表し、各単位セル５２は、シャークスキンスケールのものと同様のリッジ５４を含む。
【００５０】
図５ａに示す表面は、不連続な波形隆起部５４の細胞性反復パターンを示しているが、疎水性を高めるための基準を満たす他の表面パターンを使用してもよい。例えば、表面は、表面のトップダウン図から、実質的に円形、楕円形、三角形、正方形、長方形、五角形、および／または六角形である構造を含むことができる。別の例として、疎水性パターン化表面は、表面を横切って延びるバンド内の構造を含むことができる。構造体は、表面の基底レベルから持ち上げられてもよく、および／または表面の基底レベルに沈む／押し込まれてもよい。パターン形成された疎水性表面は、１つ以上の異なる形状、構造の高さ、構造の分離、および／または構造の幅を含み得る。
【００５１】
図５ｂは、そのようなパターン化された疎水性表面について定義され得る異なる寸法を示す。この例では、リッジ５４およびリッジ５６間の間隔は、ナノスケールまたはマイクロスケールの寸法を有する。例えば、隆起部５４の各々は、２〜２５ミクロンの幅５７を有することができる。マイクロスケールの隆起部は、２〜２５ミクロンの間隔５８でそれらの幅を横切って分離することができる。マイクロスケール隆起部５４は、それぞれ、２?２０ミクロンの深さ５９を有することができる。いくつかの例では、幅５７は２５ミクロンよりも大きく、間隔５８は２５ミクロンより大きくてもよく、および／または深さ５９は２０ミクロンより大きくてもよい。いくつかの例では、幅５７は２ミクロン未満であり、間隔５８は２ミクロン未満であり、および／または深さ５９は２ミクロン未満であり得る。寸法５７、５８、５９は、必要とされる疎水性のレベルに応じて調整することができる。寸法５７、５８、５９は、疎水性の勾配を提供するために、第３表面領域にわたる距離の関数として変化させることができる。
【００５２】
疎水性パターン化表面は、幾何学的表面積に対する実際の表面積の比として決定される２?３０の平均粗さ係数を有することができる。例えば、完全に滑らかな１ｃｍ２領域は、１ｃｍ２の実際の幾何学的表面積を有し、したがって１の粗さ係数を有する。表面が例えば波形および表面パターニングにより粗くなるにつれて、粗さ因子が増加する。例えば、１ｃｍ２の表面がパターン化され、露出した全表面が２ｃｍ２の面積を有する場合、粗さ係数は２となる。
【００５３】
表面粗さは、他の測定基準を用いて定量化してもよい。例えば、算術平均粗さ係数Ｒａは、表面に対して決定されてもよく、微生物増殖を阻害するのに役立つ特定の範囲にあってもよい。算術平均粗さ係数Ｒａは、平均線からの断面粗さプロファイルの絶対逸脱の算術平均である。したがって、断面がパターン化された表面を通る場合、この断面の平均線からの差の算術平均が算術平均粗さ係数Ｒａを与える。勿論、粗さを測定する他の方法を用いてもよく、これらの方法の１つ以上を用いて決定されたパターン化された疎水性表面の粗さは、特定のレベルの疎水性に寄与する特定の範囲にあってもよい。
【００５４】
図５ｂは、隆起高さ５９、幅５７および分離５８が表面５０にわたって同一であることを示しているが、他の例では、これらの寸法の１つ以上が表面５０にわたって変化してもよい。構造体がむしろ表面に押し込まれる構造体の高さは、表面の基底レベルから構造体によって形成されたくぼみ／溝の底部までの距離であると考えることができる。
【００５５】
疎水性パターン化表面は、Ｓｈａｒｋｌｅｔ（登録商標）技術を有するＴａｃｔｉｖｅｘ（登録商標）表面であり得る。他の表面も使用できる。
【００５６】
いくつかの例では、疎水性パターン化表面は化学的に不活性である。そのような非化学的系の使用は、その化学的活性が経時的に枯渇した場合に化学的活性成分が必要であり得るため、表面が「リフレッシュ」する必要がない場合があるため、有利であり得る。パターン化された表面は、化学的に活性な疎水性成分よりも長い時間疎水性を提供することができる。
【００５７】
他の例では、疎水性パターン化表面は化学的に活性であり得る。これは、化学的活性および非化学的表面特性の両方を介して（すなわち、表面レリーフの物理的構造のために）疎水性領域を提供するのに有利であり得る。
【００５８】
図６ａは、その第１表面６７上に設けられた複数のチャネル６３を有する流体流フィールドプレート６１ａを示す。流体流路板６１ａの周縁の第１面６７には、第１折り曲げ面６４ａと第２折り曲げ面６４ｂとが設けられている。折り畳み領域６５ａは、第１の折り畳み面６４ａと第２の折り畳み折り畳み面６４ｂとの間の第１の面６７に設けられている。第１の折り畳み面６４ａ、第２の折り畳み面６４ｂおよび折り畳み領域６５ａのうちの１つまたは複数は、疎水性表面領域を含むことができる。疎水性表面領域は、図５に関して先に説明したように、化学的に活性なまたは疎水性のパターン化表面として提供することができる。
【００５９】
図６ａの流体流プレート６１ａは、折り畳み領域６５ａに沿って折り畳み操作を受けると、図６ｂに示すように折り畳み部分６２がプレート６１ｂに形成された折り畳まれた流体流れフィールドプレート６１ｂに変形する。折り畳まれた部分６２の少なくとも一部は、流体流プレート６１ｂのチャネル６３に対して増大した疎水性の領域を提供する。プレートが折り畳まれる前に疎水性表面領域を適用することにより、囲まれた折り畳まれた領域内で均一な層または特定の幾何学的配置を有する層を提供することの困難性を低減することができる。
【００６０】
折り畳まれた部分６２は、プレート６１ｂの縁６８に平行に延びる縦軸を有するプレナム６５ｂと、折り畳み面６４ａ、６４ｂによって形成された界面領域６６とが互いに近接して近接して対向して対向している。プレナム６５ｂ内に疎水性表面領域を設けることにより、燃料電池プレートへの流体注入に対する抵抗を低減することができる。界面領域６６は、プレナムから第１表面６７のチャネル６３に向かって延びる流体接続を形成する。プレナム６５ｂからチャネル６３への流体の流れに対する抵抗は、折り畳まれた部分６２の界面領域６６に疎水性表面。燃料または酸化剤流体は、折り畳まれた領域の反対側の流体流プレート６１ａの縁部に沿ったポートを介してチャネル６３に供給されてもよい。
【００６１】
好ましくは、境界領域６６は、境界領域６６に沿って通過する流体が出口端６６ａから出て、それに近接して設けられたチャネル６３に入るように、チャネル６３に向かって延びる。出口縁部６６ａは、任意選択的に、流体が例えばチャネル６３の上に部分的に重なる第１の折り畳み面６４ａまたは外縁部６６ａの適切な成形によって選択された数だけ、流路に直接的に流入するように設けられてもよい。出口エッジ６６ａは、チャネル６３に対応する水の濃縮点を促進するために配置された、異なるレベルの疎水性を有する第１および第２表面領域を有してもよい。
【００６２】
図７は、流体流れ場プレート７０の単純化した平面図を示す。流体流プレート７０は、流体分配プレナムを形成する折り畳まれた部分７２と、複数の流体流れチャネル７８を含む活性領域７４、７６とを有する。複数の流体流路７８および流体分配プレナムは、図６を参照して先に説明した構成を使用して達成することができる。活性領域は、折り畳まれた部分７２に対して隣接する部分７４および折り畳まれた部分に対して遠位の部分７６部分７２。
【００６３】
一例では、図６ａおよび図６ｂに関して前述したように、活性領域７４、７６は、折り畳まれた部分７２の少なくとも一部によって提供される第２表面領域よりも親水性である第１表面領域を有する。
【００６４】
別の例では、折り畳まれた部分７２の少なくとも一部は、活性領域７４、７６に形成された第２表面領域より親水性の高い第１表面領域を提供する。このような例は、燃料電池スタック。第２表面領域は、活性領域の遠位部分７６のみによって、または活性領域７４、７６の隣接部分および遠位部分の両方によって、活性領域の隣接部分７４のみによって提供され得る。第２表面領域は、例えば、疎水性コーティングによって提供される。疎水性コーティングが活性領域の全てより少ない領域に適用される場合、マスクの使用は、活性領域の必要な部分へのコーティングの適用を導くために使用され得る。
【００６５】
流体フロープレート７０のカソード側およびアノード側は、疎水性表面領域の同じまたは異なる配置を有してもよい。例えば、流体流プレート７０のアノード側の実質的に全てが第２表面領域で覆われ、流体流プレート７０のカソード側の一部のみが第２表面領域で覆われてもよい。流体フロープレート７０のカソード側の残りの部分は、第１表面領域を提供することができる。
【００６６】
この例では、第１および第２表面領域は、燃料電池の形状に合わせて配置することができる。蒸発冷却された燃料電池システムの場合、４７℃から７２℃の温度差は、背圧のような動作条件に応じて、活性領域と燃料分配プレナムのような非活性領域との間に存在し得る。受動的に冷却された平面燃料電池システムの場合、活性領域と非活性領域との間の温度差は約９℃であり得る。したがって、蒸発冷却されたシステムおよび受動的に冷却されたシステムでは、燃料電池の形状は、システム内の動作温度分布に関係する。液体冷却燃料電池システムの場合、活性領域と非活性領域との間の温度差は実質的に低くなり、いくつかの用途では約５℃となり得る。したがって、いくつかの液体冷却燃料電池システムの用途における温度勾配が比較的低いので、揮発性表面領域を温度の関数として配置することは、蒸発冷却燃料電池システムまたは受動冷却平面燃料電池システムにより適している。
【００６７】
本発明はまた、少なくとも第２表面領域よりも親水性である第１表面領域を有する燃料電池システムを製造する方法に関する。この方法は、システム内の流体の流れを制御するために、燃料電池システムのパラメータ分布に従って第１表面領域および第２表面領域を提供することを含む。本方法はまた、フィールドフロープレートの周辺領域に第１および第２表面領域の一方または両方を設け、流体フロープレナムを形成するためにフィールドフロープレートの周辺領域を折り畳むステップを含むことができる。このようにして、上記の例に関連して説明したような燃料電池システムを得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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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【国際調査報告】
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