(57)【要約】【課題】主要反応物質フローチャネルの間での反応物質流れを促進するためのクロスフローチャネルを有する燃料電池システムのためのバイポーラプレートを提供するシステムおよび方法が開示される。【解決手段】いくつかの実施形態では、クロスフローチャネルが、燃料電池システムの触媒層の全体にわたる反応物質流れの分布を改善するのを可能にすることができる。別の実施形態では、クロスフローチャネルが燃料システム内の反応界面面積を増大させることができ、それによりシステムの性能を向上させることができる。【選択図】図１
2016042463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の主要カソードフローチャネルと、前記主要カソードフローチャネルの間にある複数のカソードクロスフローチャネルとを画定し、前記主要カソードフローチャネルおよび前記カソードクロスフローチャネルがカソード反応物質のための流れ経路を提供するように構成される、第１のバイポーラプレートと、
前記第１のバイポーラプレートに隣接して配置されるカソードと、
前記カソードに隣接して配置される陽子交換膜と、
前記陽子交換膜に隣接して配置されるアノードと、
前記アノードに隣接して配置される第２のバイポーラプレートであって、アノード反応物質のための流れ経路を提供するように構成される複数の主要アノードフローチャネルを画定する、第２のバイポーラプレートと、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２のバイポーラプレートが前記主要アノードフローチャネルの間に複数のアノードクロスフローチャネルをさらに画定し、前記アノードクロスフローチャネルが前記アノード反応物質のための別の流れ経路を提供するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数のカソードクロスフローチャネルが前記第１のバイポーラプイレートのランド領域内に画定される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記カソードが、前記複数の主要カソードフローチャネルおよび前記複数のカソードクロスフローチャネルに隣接して配置されるカソードガス拡散媒体を備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソードが、前記カソードガス拡散媒体に隣接して配置されるカソード多孔性層と、前記陽子交換膜に隣接して配置されるカソード触媒層とをさらに備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソードガス拡散媒体の複数の部分が前記複数のカソードクロスフローチャネルの中に侵入する、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記複数のカソードクロスフローチャネルの中に侵入する前記カソードガス拡散媒体の前記複数の部分が、前記第１のバイポーラプレートの別のランド領域に隣接して配置される前記カソードガス拡散媒体の別の部分と比較して、カソード反応物質に対してより高い透過性を有する、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記カソード反応物質が空気を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記カソード反応物質が酸素を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記複数のアノードクロスフローチャネルが前記第２のバイポーラプレートのランド領域内に画定される、請求項２に記載の燃料電池システム
【請求項１１】
前記アノードが、前記複数の主要アノードフローチャネルおよび前記複数のアノードクロスフローチャネルに隣接して配置されるアノードガス拡散媒体を備える、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記アノードガス拡散媒体の複数の部分が前記複数のアノードクロスフローチャネルの中に侵入する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記複数のアノードクロスフローチャネルの中に侵入する前記アノードガス拡散媒体の前記複数の部分が、前記第２のバイポーラプレートの別のランド領域に隣接して配置される前記アノードガス拡散媒体の別の部分と比較して、アノード反応物質に対して高い透過性を有する、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記アノード反応物質が水素を含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
複数の主要カソードフローチャネルと、前記主要カソードフローチャネルの間にある複数のカソードクロスフローチャネルとを画定し、前記主要カソードフローチャネルおよび前記カソードクロスフローチャネルがカソード反応物質のための流れ経路を提供するように構成される、第１のバイポーラプレートと、
前記第１のバイポーラプレートに隣接して配置されるカソードガス拡散層と、
前記カソードガス拡散層に隣接して配置される陽子交換膜と、
前記陽子交換膜に隣接して配置されるアノードガス拡散層と
アノードに隣接して配置される第２のバイポーラプレートであって、アノード反応物質のための流れ経路を提供するように構成される複数の主要アノードフローチャネルを画定する、第２のバイポーラプレートと、
を備える燃料電池システム
を備えるパワートレインシステム。
【請求項１６】
前記第２のバイポーラプレートが前記主要アノードフローチャネルの間に複数のアノードクロスフローチャネルをさらに画定し、前記アノードクロスフローチャネルが前記アノード反応物質のための別の流れ経路を提供するように構成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記カソードガス拡散層が、前記複数の主要カソードフローチャネルおよび前記複数のカソードクロスフローチャネルに隣接して配置されるカソードガス拡散媒体を備え、前記複数のカソードクロスフローチャネルが前記第１のバイポーラプレートのランド領域内に画定され、前記カソードガス拡散媒体の複数の部分が前記複数のカソードクロスフローチャネルの中に侵入する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記複数のカソードクロスフローチャネルの中に侵入する前記カソードガス拡散媒体の前記複数の部分が、前記第１のバイポーラプレートの別のランド領域に隣接して配置される前記カソードガス拡散媒体の別の部分と比較して、カソード反応物質に対してより高い透過性を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記アノード拡散層が、前記複数の主要アノードフローチャネルおよび前記複数のアノードクロスフローチャネルに隣接して配置されるアノードガス拡散媒体を備え、前記複数のアノードクロスフローチャネルが前記第２のバイポーラプレートのランド領域内に画定され、前記アノードガス拡散媒体の複数の部分が前記複数のアノードクロスフローチャネルの中に侵入する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
燃料電池システムを組み立てる方法であって、
前記燃料電池システムの燃料電池スタックの構成要素を組み立てるステップであって、
第１のバイポーラプレートを提供するステップであって、前記第１のバイポーラプレートが、複数の主要カソードフローチャネルと、前記主要カソードフローチャネルの間にある複数のカソードクロスフローチャネルとを画定し、前記主要カソードフローチャネルおよび前記カソードクロスフローチャネルがカソード反応物質のための流れ経路を提供するように構成される、ステップ、
前記複数の主要カソードフローチャネルおよび前記複数のカソードクロスフローチャネルに隣接させてカソードガス拡散媒体を配置するステップ、
前記カソードガス拡散媒体に隣接させてカソード多孔性層を配置するステップ、
前記カソード多孔性層に隣接させてカソード触媒層を配置するステップ、
前記カソード触媒層に隣接させて陽子交換膜を配置するステップ、
前記陽子交換膜に隣接させてアノード触媒層を配置するステップ、
前記アノード触媒層に隣接させてアノード多孔性層を配置するステップ、
前記アノード多孔性層に隣接させてアノードガス拡散媒体を配置するステップ、ならびに
前記アノードガス拡散媒体に隣接させて第２のバイポーラプレートを配置するステップであって、前記第２のバイポーラプレートが、複数の主要アノードフローチャネルと、前記主要アノードフローチャネルの間にある複数のアノードクロスフローチャネルを画定し、前記主要アノードフローチャネルおよび前記アノードクロスフローチャネルがアノード反応物質のための流れ経路を提供するように構成される、ステップ、
を含むステップと、
前記燃料電池スタックの組み立てられた構成要素を固定するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は燃料電池システムに関する。限定しないがより詳細には、本開示は、燃料電池システム内の反応物質分布を向上させるためにクロスフローチャネルを利用する燃料電池スタック組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]乗物は、乗物の電気系統および駆動系統のいくつかの特徴に動力供給するための燃料電池（ＦＣ：ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）システムを有することができる。例えば、燃料電池システムは、直接におよび／または中間的なバッテリシステムを介して、乗物の電気トライブトレイン構成要素（例えば、電気駆動モータなど）に動力供給するのに乗物内で利用され得る。燃料電池システムは単一の電池を有することができ、または別法として、積層構造として構成される複数の電池を有することができる。
【０００３】
[0003]燃料電池システムは、燃料電池スタック内でバイポーラプレート−セパレータの間に設けられる１つまたは複数の個別の燃料電池を有することができる。バイポーラプレートが、燃料電池スタックセル内で反応物質流れが触媒層領域全体に分布するのを促進するための複数の平行な主要フローチャネルを画定することができる。いくつかの実施形態では、これらのフローチャネルの設計には、チャネル／ランド構成（すなわち、リブチャネル構成）が含まれてよい。フローチャネルは燃料電池の活性領域内に反応物質を分布させるのを促進することができ、対して、フローチャネルを分離するリブエリアおよび／またはランド領域が、ガス拡散層を含めた燃料電池スタック内のいくつかの要素を機械的に支持することができる。いくつかの実施形態では、フローチャネルには、蛇行チャネル構造、インタデジタル形チャネル構造、および／または、直線チャネル構造が含まれてよい。
【０００４】
[0004]従来のチャネルランド構成は、主要フローチャネルを通る反応物質流れの均一性を確保するが、反応物質と触媒層との間の界面面積を縮小させる可能性があり、それにより潜在的に達成可能な性能を低下させる可能性がある。さらに、反応に係る触媒領域が縮小することで、燃料電池システムに関連する動作に不利に影響する可能性がある（例えば、局所的な過剰流量密度が増大すること、および／または、耐久性を低下させ得るように反応物質の分布に影響を及ぼすことによる）。例えば、直線フローチャネル構造では、ランド領域の下に配置されるガス拡散層を介する反応物質の対流が減少する可能性がある。これにより、圧縮ガス拡散層（ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）を介しての拡散が減少することを原因として、リブの下の触媒に反応物質が接近することが制限される可能性がある。燃料電池システムが低温で動作する場合、水がランド領域の下のガス拡散層内で凝結し、それにより局所的な気体透過率が低下し、それによりさらに利用される活性触媒の表面積が縮小され、また、高流量密度でのこのような流れ場のパフォーマンスが低下する。
【０００５】
[0005]インタデジタル形チャネル構造では（例えば、その中で、１つおきのチャネルが入口マニホルドに接続されて、残りのチャネルが出口マニホルドに接続されるチャネル構造）、ランドの下での入口チャネルと出口チャネルとの間の反応物質の対流が制御されないことにより、ランド領域の下にくることになる利用される活性触媒の表面積の一部が増大する。しかし、この場合、圧力低下の有意な増大および／または容積出力密度の低下が発生する可能性もある。
【０００６】
[0006]明確なランドパターンおよび／またはチャネルパターンのない流れ場の設計では、反応物質流れが導電性発泡体および／または導電性メッシュの層を介して分配され得る。このような設計は反応物質にとって接近可能な活性触媒の表面積を増大させることができるが、何らかの設計上の譲歩（ｄｅｓｉｇｎ  ｃｏｎｃｅｓｓｉｏｎ）を伴う可能性がありおよび／または反応物質流れの分布をより均一にするためのコストが増大する可能性がある。上記を考慮して、性能問題を軽減しながらおよび／またはコストを低減しながら、燃料電池スタックの触媒層全体にわたって反応物質流れの分布を改善するのを促進するシステムおよび方法が望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]本明細書で開示されるシステムおよび方法の実施形態は、反応物質流れのうちの少なくとも１つの反応物質流れのためのランドチャネル流れ場構成を有するバイポーラプレートによって互いに分離される複数の燃料電池（例えば、アノードガス拡散層とカソードガス拡散層との間に挟まれる、一方側にあるアノード触媒層と、もう一方側にあるカソード触媒層とを備える陽子交換膜を有する陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ＦＣ）システム）を備える燃料電池スタック組立体（ＦＣ  ｓｔａｃｋ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を提供する。本明細書で使用される場合、流れ場のこのようなランドおよびチャネルは、一部の例では、主要ランドおよび主要チャネルとも称される。いくつかの実施形態が主要フローチャネルの間にクロスフローチャネルを備えることができる。いくつかの実施形態では、クロスフローチャネルが、燃料電池スタックの触媒層全体にわたっての反応物質流れの分布を改善するのを促進することができ、および／または、反応物質と触媒層との間の界面面積を増大させることができ、それにより燃料電池システムの性能が向上する。例えば、一部の実施形態では、クロスフローチャネルを用いて隣接する主要フローチャネルを接続することで、触媒層領域の利用性を向上させること、燃料電池システム内の局所的な過剰流量密度を減少させること、および／または、燃料電池システムの耐久性を向上させることにより、燃料電池システムの性能を向上させることができる。本明細書で開示される実施形態はさらに、低温での燃料電池の性能と、付加的なウェットオペレーション（ｅｘｔｒａ  ｗｅｔ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）時の燃料電池の性能と、低白金担持量時での燃料電池の性能と、ならびに／あるいは、より薄いガス拡散媒体材料（ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｍｅｄｉａ  ｍａｔｅｒｉａｌ）および／または別の膜電極組立体の材料との適合性と、をさらに向上させることができる。
【０００８】
[0008]一部の実施形態では、クロスフローチャネルが、燃料電池スタックのバイポーラプレートの、アノードまたはカソードのいずれかの側のあるいは両側の流れ場によって画定され得る。例えば、いくつかの実施形態では、クロスフローチャネルは、少なくとも部分的に、燃料電池スタックのバイポーラプレートに付随する１つまたは複数のランド領域内に画定され得る。いくつかの実施形態では、バイポーラプレートのランド内に画定されるクロスフローチャネルの部分は、バイポーラプレートとガス拡散媒体との間で反応物質がクロスフローチャネルを通過するのを可能にするくらいに十分に深くてよい。つまり、反応物質は、バイポーラプレートによって画定される平行な主要フローチャネルの間でクロスフローチャネルを通って自由に流れることができる。別の実施形態では、ガス拡散媒体の複数の部分が、バイポーラプレートのランド領域内に画定されるクロスフローチャネルの中に侵入することができる。ガス拡散媒体のこれらの部分は、バイポーラプレートのランドの下に配置されるガス拡散媒体の他の部分と比較して、圧縮が少ない、および／または別の形でより透過性が高いものとなり得る。したがって、反応物質は、主要フローチャネルの間のクロスフローチャネル内で、圧縮が少ない、および／または別の形でより高い透過性を有するガス拡散媒体を通って流れることができる。
【０００９】
[0009]図を参照しながら、本開示の種々の実施形態を含めて、本開示の非限定的かつ非包括的な実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0010]本明細書で開示される実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図である。
【図２】[0011]本明細書で開示される実施形態に係るクロスフローチャネルを有するバイポーラプレートのシートの一部分を示す斜視図である。
【図３】[0012]本明細書で開示される実施形態に係る複数の例示のクロスフローチャネルを示す断面図である。
【図４】[0013]本明細書で開示される実施形態に係るクロスフローチャネル構造を示す上面図である。
【図５】[0014]本明細書で開示される実施形態に係る種々の例示のクロスフローチャネルのアスペクト比での燃料電池スタックの例示の正規化された性能向上を示すグラフである。
【図６】[0015]本明細書で開示される実施形態に係る燃料電池スタックを組み立てる例示の方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0016]本開示の実施形態に係るシステムおよび方法を以下で詳細に説明する。いくつかの実施形態を説明するが、本開示が任意の１つの実施形態のみに限定されず、多数の代替形態、修正形態および均等物を包含することを理解されたい。加えて、本明細書で開示される実施形態を完全に理解することができるようにするために以下の説明には多数の具体的な細部が記載されるが、一部の実施形態はこれらの細部のうちの一部またはすべてを用いずに実施され得る。さらに、本開示が不必要に不明瞭になるのを回避することを目的として、簡潔にするために、関連技術で既知のある種の技術的材料を詳細には説明していない。
【００１２】
[0017]本開示の実施形態は図面を参照することにより最も良好に理解され得、これらの図面では同様の部分は同様の参照符号で示されてよい。開示される実施形態の構成要素は、本明細書の図で概略的に説明および図示されるように、多種多様な異なる構造となるように構成および設計され得る。したがって、本開示のシステムおよび方法の実施形態の以下の詳細な説明は特許請求される本開示の範囲を限定することを意図されず、単に、本開示の可能な実施形態を表すことを意図される。加えて、特に明記しない限り、方法のステップは任意特定の順序でまたはさらには順番に実行される必要はなく、また、ステップは一度のみ実行される必要があるというわけでもない。
【００１３】
[0018]本明細書で開示されるシステムおよび方法の実施形態は、主要フローチャネルの間にクロスフローチャネルを有するバイポーラプレート・セパレータを備える燃料電池スタック組立体を提供する。いくつかの実施形態では、クロスフローチャネルは、燃料電池スタックの触媒層全体にわたっての反応物質流れの分布を改善するのを促進することができ、および／または、反応物質と触媒層との間の界面面積を増大させることができ、それにより燃料電池システムの性能が向上する。クロスフローチャネルの多様な適切な幅、深さ、向き（例えば、主要チャネルに対して垂直であるかまたは角度をつけられる）および／または周波数が、開示される実施形態に関連して利用され得る。一部の実施形態では、クロスフローチャネルの具体的な構造は、少なくとも部分的に、付随する主要フローチャネルの幾何形状に基づいてよい。
【００１４】
[0019]いくつかの実施形態がＰＥＭ燃料電池システムと共に利用され得るが、別のタイプの燃料電池システムが利用されてもよい。ＰＥＭ燃料電池システムでは、水素が燃料電池のアノードで供給され得、酸素が酸化剤として燃料電池のカソードに供給され得る。ＰＥＭ燃料電池が、その面のうちの一方の面にあるアノード触媒と、反対側の面にあるカソード触媒とを有する、電子伝導性ではなく陽子伝導性の固体重合体電解質膜を有する膜電極組立体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有することができる。膜はアノードガス拡散層とカソードガス拡散層との間に挟まれてよく、それによりＭＥＡが形成される。ＭＥＡは、バイポーラプレートの複数の部分を形成してアノードおよびカソードのための集電装置として機能する一対の電気伝導性要素の間に配置され得る。バイポーラプレートは、それぞれのアノード触媒層およびカソード触媒層の表面上に気体反応物質を分布させるための１つまたは複数の主要フローチャネルおよび／またはクロスフローチャネルを画定することができる。
【００１５】
[0020]燃料電池システムは単一の電池を有することができ、または別法として、積層構造として構成される複数の電池を有することができる。例えば、いくつかの実施形態では、複数の電池が燃料電池スタックを形成するように直列に配置され得る。燃料電池スタック内では、複数の電池が電気的に直列に一体に積層され、気体不透過性で電気伝導性のバイポーラプレートによって分離され得る。バイポーラプレートは様々な機能を実行することができ、多様な形で構成され得る。いくつかの実施形態では、バイポーラプレートは、１つまたは複数の熱交換面を有する１つまたは複数の内部冷却通路および／または内部冷却チャネルを画定することができ、それらを介して、冷却液がその動作中に発生する燃料電池スタックからの熱を除去するように流れることができる。
【００１６】
[0021]図１が、本明細書で開示される実施形態に係る燃料電池スタック１００の斜視図を示す。燃料電池スタック１００は、とりわけ、乗物内に含まれる燃料電池システムの燃料電池スタック１００であってよい。乗物は、自動車、海上船舶、航空機、および／または、別の種類の乗物であってよく、本明細書で開示されるシステムおよび方法を組み込むための任意適切な種類のドライブトレインおよび／または静止電源を有することができる。燃料電池システムは、乗物のいくつかの構成要素、および／または、本明細書では燃料電池により動力供給される設備（ＦＣ  ｐｏｗｅｒｅｄ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＦＣＰＥ：ＦＣ  ｐｏｗｅｒｅｄ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ））としてまとめて説明される別の電力供給を受けるデバイス（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｐｏｗｅｒｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ）に電力を提供するように構成される。例えば、燃料電池システムは、乗物の電気ドライブトレイン構成要素に動力を提供するように構成され得る。燃料電池スタック１００は、単一の電池、または、積層構造として構成される複数の電池を有することができ、上で説明したいくつかの燃料電池システム要素および／または特徴を有することができる。具体的には、図１は単一の燃料電池を有する燃料電池スタック１００の一部分の断面を示す。
【００１７】
[0022]燃料電池は、陽子交換膜（ＰＥＭ：ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）１０２によって分離されるカソードおよびアノードを備えることができる。カソードは、陽子交換膜１０２の第１の側に接するように配置されるカソード側触媒層１０４と、カソード側触媒層１０４に接するように配置されるカソード側微細多孔性層１０６と、カソード側微細多孔性層１０６に接するように配置されるカソード側拡散媒体層１０８と備えることができる。燃料電池のアノードが、陽子交換膜１０２の第２の側に接するように配置されるアノード側触媒層１１０と、アノード側触媒層１１０に接するように配置されるアノード側微細多孔性層１１２と、アノード側微細多孔性層１１２に接するように配置されるアノード側拡散媒体層１１４とを備えることができる。
【００１８】
[0023]燃料電池スタック１００の燃料電池が電気的に直列に一体に積層され、気体不透過性で電気伝導性のバイポーラプレートによって分離され得る。バイポーラプレートは複数のシートを備えることができる。例えば、第１のバイポーラプレートがシート１１６、１１８を備えることができ、第２のバイポーラプレートがシート１２０、１２２を備えることができる。いくつかの実施形態では、シート１１６〜１２２は、機械加工、成形および／または打ち抜き加工などを含めた多様な手法で製造され得る。シート１１６〜１２２はさらに、溶接および／または任意の別の接着プロセスを介して一体に付着され得る。例えば、シート１１６および１１８はいくつかの接合位置で一体に溶接されてよい。同様に、シート１２０および１２２はいくつかの接合位置で一体に溶接されてよい。
【００１９】
[0024]バイポーラプレートおよび／または構成シート１１６〜１２２は、例えば、鋼、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、カーボンおよび／またはグラファイトなどを含めた、任意適切な材料を含むことができる。別の実施形態では、バイポーラプレートおよび／または構成シート１１６〜１２２は、関連の燃料電池システムの動作中でのバイポーラプレートおよび／または構成シート１１６〜１２２の劣化を軽減するように構成される導電性保護コーティングを有する材料を備えることができる。
【００２０】
[0025]いくつかの実施形態では、第１のバイポーラプレートのカソード側がシート１１６によって画定され得る。同様に、第２のバイポーラプレートのアノード側がシート１２０によって画定され得る。シート１１６が複数の主要カソード側フローチャネル１２４を画定することができる。同様に、シート１２０が複数の平行な主要アノード側フローチャネル１２６を画定することができる。カソード反応物質（例えば、酸素および／または空気）が平行な主要カソード側フローチャネル１２４を通って流れることができ、アノード反応物質（例えば、水素）が平行な主要アノードフローチャネル１２６を通って流れることができる。カソード反応物質（例えば、酸素および／または空気）がカソード側拡散媒体層１０８およびカソード側微細多孔性層１０６を介して拡散してカノード側触媒層１０４と反応することができる。アノード反応物質（例えば、水素）がアノード側拡散媒体層１１４およびアノード側微細多孔性層１１２を介して拡散してアノード側触媒層１１０と反応することができる。水素イオンが陽子交換膜１０２を介して伝播することができ、それにより電流が作られる。
【００２１】
[0026]いくつかの実施形態では、第１のバイポーラプレートのシート１１８が、燃料電池スタック１００の隣接する燃料電池（図示せず）のアノード側の複数の平行な主要フローチャネルを画定することができる。同様に、第２のバイポーラプレートのシート１２２が、燃料電池スタック１００の別の隣接する燃料電池（図示せず）のカソード側の複数の平行な主要フローチャネルを画定することができる。一部の実施形態では、第１のバイポーラプレートのシート１１６、１１８および第２のバイポーラプレートのシート１２０、１２２が、燃料電池スタック１００の動作中に液体冷却剤の流れを促進するための複数の冷却流体フローチャネル１２８を画定することができる。
【００２２】
[0027]一部の実施形態では、シート１１６〜１２２が複数のランド領域およびチャネル領域を備えることができる。例えば、示されるように、シート１１８が複数のランド領域１３２および複数のチャネル領域１３０を備えることができる。チャネル領域は、少なくとも部分的に、関連のバイポーラプレートの１つまたは複数の平行な主要フローチャネルを画定することができる。例えば、シート１１８のチャネル領域１３０が、少なくとも部分的に、燃料電池スタック１００の隣接する燃料電池（図示せず）のアノード側の複数の平行な主要アノード側フローチャネルを画定することができる。ランド領域が、燃料電池のアノードおよび／またはカソード、ならびに／あるいは、燃料電池に付随するガス拡散媒体にインターフェース接続され得る。ランド領域は、とりわけ、隣接して配置されるガス拡散媒体および／または隣接するチャネル領域を支持することができる。例えば、シート１１８のランド領域１３２が燃料電池スタック１００の隣接する燃料電池（図示せず）のアノード側ガス拡散媒体層にインターフェース接続され得る。
【００２３】
[0028]従来の設計では、燃料電池スタック１００内の反応物質流れが、バイポーラプレートによって画定される主要フローチャネル１２４、１２６内に実質的に含有され得る。このような設計では、反応物質流れが、バイポーラプレートによって画定されるランド領域に隣接して配置されるガス拡散媒体の複数の部分内で大幅に減少するおよび／または排除される可能性がある。例えば、いくつかの状況では、バイポーラプレートによって画定されるランド領域に隣接して配置されるガス拡散媒体が実質的に圧縮される可能性があり、それにより、反応物質流れに対するガス拡散媒体の透過性が大幅に低下する。これにより、とりわけ、燃料電池スタック１００および／または主要フローチャネル１２４、１２６を通る反応物質流れの均質性が低下する可能性があり、ならびに／あるいは、反応界面面積を減少させる可能性があり、それにより関連の燃料電池システムの性能が不利に影響を受ける。
【００２４】
[0029]本明細書で開示される実施形態に従って、燃料電池スタック１００のバイポーラプレートが、複数のクロスフローチャネル１３４をさらに画定してもよい。いくつかの実施形態では、クロスフローチャネル１３４が、燃料電池スタック１００の触媒層１０４、１１０の全体にわたる反応物質流れを改善するのを促進することができる。具体的には、クロスフローチャネル１３４が、バイポーラプレートの隣接する平行な主要フローチャネル１２４、１２６の間の反応物質の流れを増大させるのを可能にする。例えば、示されるように、クロスフローチャネル１３４は、平行なチャネル領域１３０の間でシート１１８のランド領域１３２の全体にわたる反応物質の流れ経路を画定することができ、それにより、シート１１８によって画定される隣接する平行な主要フローチャネルの間の反応物質の流れを増大させることが可能となり、また、反応界面面積を増大させることが可能となる。
【００２５】
[0030]一部の実施形態では、クロスフローチャネル１３４がバイポーラプレートのランド領域１３２内に画定され得、それにより、ランド領域１３２の全体にわたる反応物質流れを改善することが促進される。別の実施形態では、クロスフローチャネル１３４は、チャネル領域１３０の中に、および／または、バイポーラプレートのチャネル領域１３０とランド領域１３２との間の接合領域（すなわち、チャネル壁）の中に画定されてもよい。
【００２６】
[0031]一部の実施形態では、クロスフローチャネル１３４が、平行な主要フローチャネルの間で反応物質を自由に流れさせるのを可能にすることができる。つまり、クロスフローチャネル１３４は、クロスフローチャネル１３４内に配置されるガス拡散媒体を一切透過することなく、クロスフローチャネル１３４内で反応物質を流れさせるのを可能にすることができる。別の実施形態では、ガス拡散媒体がクロスフローチャネル１３４の中に侵入することができ、それでも、ガス拡散媒体を通るクロスフローチャネル１３４内での反応物質流れを促進することができる。例えば、クロスフローチャネル１３４の中に侵入するガス拡散媒体は、別のランド領域１３２に隣接して配置されるガス拡散媒体の別の部分と比較して、圧縮が少ない、および／または別の形でより透過性が高いものとなり得、それにより、ガス拡散媒体を通るクロスフローチャネル１３４内で反応物質が流れることが可能となる。
【００２７】
[0032]いくつかの実施形態では、クロスフローチャネル１３４が、主要カソード側フローチャネル１２４および主要アノード側フローチャネル１２６の両方の間に組み込まれ得る。別の実施形態では、クロスフローチャネル１３４は、主要カソード側フローチャネル１２４または主要アノード側フローチャネル１２６のいずれかの間に組み込まれ得る。
【００２８】
[0033]一部の実施形態では、主要フローチャネル１２４、１２６の間にクロスフローチャネル１３４を組み込むことが、関連付けられる反応物質の拡散係数に依存する場合がある。例えば、酸素および／または空気などのカソード反応物質が水素などのアノード反応物質より低い拡散係数を有する場合がある。したがって、いくつかの実施形態では、クロスフローチャネル１３４が主要カソード側フローチャネル１２６の間のみに含まれる場合がある。別の実施形態では、より多くの数のクロスフローチャネル１３４が、もう一方の燃料電池の側に関連付けられる反応物質より低い拡散係数を有する反応物質に関連付けられる一方の燃料電池の側（すなわち、アノードまたはカソード）において、主要反応物質フローチャネルの間に含まれる場合がある。さらに別の実施形態では、クロスフローチャネル１３４の幾何形状が、関連付けられる反応物質の拡散係数に依存する場合がある。例えば、低い拡散係数を有する反応物質に関連付けられるクロスフローチャネル１３４が、高い拡散係数を有する反応物質に関連付けられるクロスフローチャネル１３４より大きい幾何形状を有する場合がある。この場合、クロスフローチャネル１３４の介在と、クロスフローチャネル１３４の数および／または位置と、ならびに／あるいは、クロスフローチャネル１３４の幾何形状とが、関連付けられる反応物質（例えば、空気、酸素、水素、リフォーメートなど）の拡散率に依存する場合がある。
【００２９】
[0034]上で考察したように、いくつかの実施形態では、開示されるクロスフローチャネル１３４の幾何形状（例えば、チャネル壁の深さ、ピッチおよび／または角度、間隔、幅など）は、少なくとも部分的に、関連付けられる反応物質の拡散率に依存する場合がある。別の実施形態では、クロスフローチャネル１３４の幾何形状が、少なくとも部分的に、関連のバイポーラプレートおよび／またはその構成シート１１６〜１２２を形成するのに使用される材料、ならびに／あるいは、関連するその製造プロセスに依存する場合がある。例えば、クロスフローチャネル１３４および／または主要反応物質フローチャネル１２４、１２６を画定するバイポーラプレートのシートが、１つまたは複数の曲げ部分を導入して所望の形状を達成するように打ち抜き加工、成形および／または機械加工され得る。いくつかの実施形態では、シート１１６〜１２２内に曲げ部分を導入すること（例えば、打ち抜き加工を介する）により溝入れ（ｎｅｃｋｉｎｇ）することができ、それにより、導入される曲げ部分に近似するまでシート１１６〜１２２の厚さを縮小させることができる。溝入れは、限定しないが、曲げ半径および／またはシート材料を含めた種々のファクタの影響を受けてよい。例えば、曲げ半径を減少させることにより、より大きい溝入れを行うことができる。本明細書で開示される実施形態に係るクロスフローチャネル１３４の幾何形状は、バイポーラプレートを形成するのに使用されるいくつかの材料の溝入れの効果を得るように設計され得る。
【００３０】
[0035]本発明の一連の工作物の範囲内で、図１に関連して提示される開示の燃料電池スタック１００の実施形態に対して多数の変形形態が作られ得ることを認識されたい。例えば、本明細書で開示される実施形態に係るクロスフローチャネル１３４は、様々な別の幾何形状および／または構造を有する燃料電池スタック１００に統合され得る。したがって、図１が限定のためではなく例示および説明のために提供されていることが認識されよう。
【００３１】
[0036]図２が、本明細書で開示される実施形態に係るクロスフローチャネル１３４を有するバイポーラプレートのシート１１８の一部分２００の斜視図を示す。示されるように、シート１１８は複数のランド領域１３２および複数のチャネル領域１３０を備えることができる。チャネル領域１３０は、少なくとも部分的に、関連のバイポーラプレートの１つまたは複数の主要フローチャネルを画定することができる。本明細書で開示される実施形態に従って、１つまたは複数のクロスフローチャネル１３４がランド領域１３２に含まれてよく、隣接する主要フローチャネルの間の反応物質の流れを増大させることおよび／または活性触媒領域の表面積の利用性を向上させることを可能にする。例えば、示されるように、クロスフローチャネル１３４は、平行なチャネル領域でシート１１８のランド領域１３２の全体にわたる反応物質の流れ経路を画定することができ、それにより、シート１１８によって画定される隣接する平行な主要フローチャネルの間の反応物質の流れを増大させることが可能となり、また、反応界面面積を増大させることが可能となる。
【００３２】
[0037]図３が、本明細書で開示される実施形態に係る複数の例示のクロスフローチャネル１３４ａ、１３４ｂの断面図３００を示す。上で考察したように、本明細書で開示される実施形態に係るランド領域１３４内に形成されるクロスフローチャネル１３４ａ、１３４ｂは様々な幾何形状を有することができる。例えば、クロスフローチャネル１３４ａ、１３４ｂの深さは、関連の拡散媒体層１１４の局所的な圧縮を低減して局所的な拡散を向上させることができる比較的浅い深さから、クロスフローチャネル１３４ａ、１３４ｂを通るクロスランド（ｃｒｏｓｓ  ｌａｎｄ）のいくらかの隙間によりクロスフローチャネルを通して反応物質を対流させるのを可能にする比較的深い深さまで、多様であってよい。
【００３３】
[0038]示される例示のクロスフローチャネル１３４ａ、１３４ｂでは、クロスフローチャネル１３４ａは比較的浅くてよく、それにより、局所的な圧縮が少ないクロスフローチャネル１３４ａ内に拡散媒体層１１４の複数の部分を侵入させることが可能となる。したがって、反応物質が、クロスフローチャネル１３４ａ内に配置される圧縮が少ない、および／または別の形で透過性がより高いガス拡散媒体１１４を通って流れることができる。クロスフローチャネル１３４ｂは比較的深くてよく、それにより、関連の平行な主要フローチャネルの間のクロスフローチャネル１３４ｂを通るように反応物質を対流させることが可能となる。
【００３４】
[0039]図４が、本明細書で開示される実施形態に係るクロスフローチャネル構造の上面図４００を示す。本明細書で開示される実施形態に従って、１つまたは複数のクロスフローチャネル１３４がシート１１８のランド領域１３２に配置されてよく、反応物質流れ（例えば、主要フローチャネル１２４の間の反応物質流れ）の分布を改善するのを促進することができる。いくつかの実施形態では、クロスフローチャネル１３４は、隣接する主要フローチャネル１２４に対して垂直に配置され得る。示される実施形態では、クロスフローチャネル１３４は隣接する主要フローチャネル１２４に対して任意適切な角度となるように配置され得る（例えば、主要フローチャネル１３０に対して４５度〜９０度の角度）。クロスフローチャネル１３４の間隔および／またはクロスフローチャネルの別の幾何形状（例えば、幅、ピッチ、および／または、深さ）は、主要フローチャネル１２４に沿って均一に離間されるように示されているが、別の実施形態では主要フローチャネル１２４の長さに沿って変化してもよい（例えば、最初の流れ場の第１の部分では大きい間隔を有し、流れ場の第２の部分では小さい間隔を有することにより、拡散経路（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ａｃｃｅｓｓ）を増大させるのを促進し、この場合、反応物質をより多く使い果たすことができる）。
【００３５】
[0040]別の実施形態では、クロスフローチャネル１３４を通る対流流れを増大させるのを促進する特徴が主要フローチャネル１２４内に導入され得る。一部の実施形態では、ボトルネック特徴部分が主要フローチャネル１２４内に導入され得、これは、少なくとも部分的に、クロスフローチャネル１３４を通るようにおよび／またはランド領域の全体にわたって反応物質の流れを誘導することができる。別の実施形態では、いくつかの主要フローチャネル１２４（例えば、１つおきのチャネル）が、ランド領域１３２の全体にわたって反応物質がクロスフローチャネル１３４を通って流れるのを促進するための閉鎖端部を備えることができる。
【００３６】
[0041]図５が、本明細書で開示される実施形態に係る種々の例示のクロスフローチャネルのアスペクト比５０２での燃料電池スタック５０４の例示の正規化された性能向上を示しているグラフ５００を示す。例示のグラフ５００に示されるように、一部の実施形態では、燃料電池スタック５０４の正規化された性能向上は、クロスフローチャネルのアスペクト比５０２を増加させるにつれて増大する。
【００３７】
[0042]図６が、本明細書で開示される実施形態に係る燃料電池スタックを組み立てる例示の方法６００の流れ図を示す。具体的には、方法６００は、本明細書で開示される実施形態に係る燃料電池スタック内に燃料電池を組み立てるのに使用され得る。ステップ６０２で、方法６００が開始され得る。ステップ６０４で、複数の主要カソードフローチャネルと、主要カソードフローチャネルの間にある複数のカソードクロスフローチャネルを画定する第１のバイポーラプレートが提供され得る。いくつかの実施形態では、主要カソードフローチャネルおよびクロスフローチャネルは、カソード反応物質のための流れ経路を提供するように構成され得る。
【００３８】
[0043]ステップ６０６で、種々のカソード構成要素が組み立てられ得る。例えば、カソードガス拡散媒体が複数の主要カソードフローチャネルおよび複数のクロスフローチャネルに隣接して配置され得、カソード多孔性層がカソードガス拡散媒体に隣接して配置され得、カソード触媒層がカソード多孔性層に隣接して配置され得る。ステップ６０８で、陽子交換膜がカソード触媒層に隣接して配置され得る。
【００３９】
[0044]ステップ６１０で、種々のアノード構成要素が組み立てられ得る。例えば、アノード触媒層が陽子交換膜に隣接して配置され得、アノード多孔性層がアノード触媒層に隣接して配置され得、アノードガス拡散媒体がアノード多孔性層に隣接して配置され得る。ステップ６１２で、第２のバイポーラプレートがアノードガス拡散媒体に隣接して配置され得る。いくつかの実施形態では、第２のバイポーラプレートが、複数の主要アノードフローチャネルと、主要アノードフローチャネルの間にある複数のアノードクロスフローチャネルとを画定することができる。一部の実施形態では、主要アノードフローチャネルおよびアノードクロスフローチャネルは、アノード反応物質のための流れ経路を提供するように構成され得る。ステップ６１４で、方法６００が終了され得る。
【００４０】
[0045]簡潔にするために上記では一部の細部を説明してきたが、その原理から逸脱することなく何らかの変更形態および修正形態が作られ得ることは明白である。例えば、いくつかの実施形態では、本明細書で開示されるシステムおよび方法は、乗物内に含まれない燃料電池システムに関連して利用されてもよい。本明細書で説明されるプロセスおよびシステムの両方を実装するのに多くの代替的手法が存在することに留意されたい。したがって、本実施形態は限定的ではなく例示的であるとみなされ、本発明は本明細書で与えられる細部のみに限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内および均等物の範囲内で修正され得る。
【００４１】
[0046]種々の実施形態を参照しながら上記の明細書の説明してきた。しかし、本開示の範囲から逸脱することなく様々な修正形態および変更形態が作られ得ることが当業者には認識されよう。例えば、種々の動作ステップ、さらには、動作ステップを実行するための構成要素は、いくつかの用途に応じて、または、システムの動作に付随する任意の数のコスト関数を考慮して、別の形でも実装され得る。したがって、これらのステップのうちの任意の１つまたは複数のステップが、削除され得るか、修正され得るか。または、別のステップと組み合わされ得る。また、本開示は限定的な意味ではなく例示的な意味であるとみなされ、このようなすべての修正形態は本発明の範囲に包含されることを意図される。同様に、上記では、種々の実施形態に関連させて、利益、別の利点、および、問題に対する解決策を説明してきた。しかし、利益、利点、問題に対する解決策、および、任意の利益、利点または解決策を思い付かせるかまたはより顕著にし得る任意の要素は、重要な特徴または要素、必要な特徴または要素、あるいは、必須の特徴または要素であると解釈されない。
【００４２】
[0047]本明細書で使用される「備える」および「有する」という用語ならびにそれらの任意の別の変形形態は非排他的包含を含むことを意図され、したがって、要素の一覧を含むプロセス、方法、物品、または、装置は、そのような要素のみを有するわけではなく、明確には列記されない別の要素、または、これらのプロセス、方法、システム、物品または装置に固有の別の要素も含むことができる。また、本明細書で使用される「結合される」、「結合する」という用語、およびそれらの任意の別の変形形態は、物理的接続、電気的接続、磁気的接続、光学的接続、通信的接続、機能的接続、および／または、任意の別の接続を包含することを意図される。本発明の基本的な原理から逸脱することなく、上述の実施形態の細部に対して多くの変更形態が作られ得ることを当業者であれば認識するであろう。したがって、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲のみによって決定されるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１００  燃料電池スタック
１０２  陽子交換膜
１０４  カソード側触媒層
１０６  カソード側微細多孔性層
１０８  カソード側拡散媒体層
１１０  アノード側触媒層
１１２  アノード側微細多孔性層
１１４  アノード側拡散媒体層
１１６  シート
１１８  シート
１２０  シート
１２２  シート
１２４  主要カソード側フローチャネル
１２６  主要アノード側フローチャネル
１２８  冷却流体フローチャネル
１３０  チャネル領域
１３２  ランド領域
１３４  クロスフローチャネル
４００  クロスフローチャネル構造の上面図
５００  グラフ
５０２  クロスフローチャネルのアスペクト比
５０４  燃料電池スタック
６００  方法
６０２  ステップ
６０４  ステップ
６０６  ステップ
６０８  ステップ
６１０  ステップ
６１２  ステップ
６１４  ステップ
【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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【外国語明細書】
2016042463000001.pdf