特許 6236436 燃料電池用流体チャネル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6236436

(24)【登録日】2017年11月2日

(45)【発行日】2017年11月22日

(54)【発明の名称】燃料電池用流体チャネル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/02 20160101AFI20171113BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20171113BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 R

   H01M8/02 C

   !H01M8/10

【請求項の数】18

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-516087(P2015-516087)

(86)(22)【出願日】2013年6月3日

(65)【公表番号】特表2015-522922(P2015-522922A)

(43)【公表日】2015年8月6日

(86)【国際出願番号】US2013043832

(87)【国際公開番号】WO2013184547

(87)【国際公開日】20131212

【審査請求日】2016年5月23日

(31)【優先権主張番号】13/489,452

(32)【優先日】2012年6月5日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】591006586

【氏名又は名称】アウディ アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＡＵＤＩ ＡＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】ジョナサン・ダニエル・オニール

(72)【発明者】

【氏名】ティモシー・ダブリュ・パターソン

(72)【発明者】

【氏名】クリストファー・ジョン・カーネヴェル

(72)【発明者】

【氏名】ループナリン・スクラム

【審査官】 山内 達人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２０７７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１４２１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１１４５５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−３０２８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６５９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２５１９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８１１０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０６４７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００８１４７７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プレートを備える燃料電池アセンブリであって、
前記プレートは、燃料電池の電気化学的活性領域に沿った流体の移動を容易にするように構成された複数のチャネルを有し、
前記プレート上の前記電気化学的活性領域に対応する領域には、流体がインレットからアウトレットへと移動するように流れる全てのチャネルが配置されており、
前記複数のチャネルは、さらに、変化する深さを有する部分を備え、
前記部分は、前記電気化学的活性領域に対応する領域の横方向外側に延在するとともに、深さが先細り状に漸減する端部を有する、燃料電池アセンブリ。

【請求項2】

前記電気化学的活性領域に対応する領域に配置された前記複数のチャネルは、一定の深さを有する、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項3】

第１の位置における前記部分の深さは、第２の位置における前記部分の深さよりも深い、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項4】

前記第１の位置は、前記第２の位置よりも、前記電気化学的活性領域に対応する領域に横方向に近接している、請求項３に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項5】

前記複数のチャネルは、第２の方向において位置合わせされた複数のチャネルのグループと重複している、第１の方向で位置合わせされた複数のチャネルのグループを備え、前記第２の方向は前記第１の方向に対して横断している、請求項１に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項6】

前記第１の方向において位置合わせされた複数のチャネルが前記第２の方向に位置合わせされた複数のチャネルと重複する、チャネル重複領域を含む、請求項５に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項7】

前記複数のチャネルは、第１のチャネル及び第２のチャネルを含み、前記第１のチャネル及び第２のチャネルの両方は前記部分を含み、前記部分は前記チャネル重複領域の横方向外側にある、請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項8】

前記チャネル重複領域は、前記電気化学的活性領域に対応する領域内に配置される、請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項9】

前記チャネル重複領域は、プレートを有する燃料電池の前記電気化学的活性領域の横方向外側境界に対応している、横方向外側境界を有する、請求項６に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項10】

第１の方向に延在する第１の複数のチャネルと、前記第１の方向に対して横断する第２の方向に延在する第２の複数のチャネルと、を有するプレートを備える燃料電池アセンブリであって、前記第１の複数のチャネルおよび前記第２の複数のチャネルは連通して、流体をインレットからアウトレットへと通流させるように配置されており、
前記第１の複数のチャネルは、前記プレートの重複領域において第２の複数のチャネルと重複しており、
前記第１の複数のチャネルは、さらに、変化する深さを有する部分を含み、
前記部分は、前記重複領域から前記第２の複数のチャネルのうちの最も横方向外側のチャネルを超えて延在するとともに、深さが先細り状に漸減する端部を有する、燃料電池アセンブリ。

【請求項11】

前記第２の複数のチャネルは、前記第１の複数のチャネルのうちの最も横方向外側のチャネルを超えて重複領域から延在する、請求項１０に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項12】

前記第１の方向は、前記第２の方向に対して垂直とされる、請求項１０に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項13】

前記第１の複数のチャネル及び前記第２の複数のチャネルは、燃料電池に冷却剤を連通するように構成される、請求項１０に記載の燃料電池アセンブリ。

【請求項14】

燃料電池プレートの形成方法であって、
前記燃料電池プレートに複数のチャネルを形成し、
燃料電池アセンブリの電気化学的活性領域に沿った流体の移動を容易にするように、前記燃料電池プレートを燃料電池アセンブリ内に配置するステップを備え、
前記プレート上の前記電気化学的活性領域に対応する領域には、流体がインレットからアウトレットへと移動するように流れる全てのチャネルが配置されており、
前記複数のチャネルは、さらに、変化する深さを有する部分を有し、
前記部分は、前記電気化学的活性領域に対応する領域の横方向外側に延在するとともに、深さが先細り状に漸減する端部を有する、方法。

【請求項15】

前記複数のチャネルを寄せフライスにより加工することを含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記燃料電池プレートを横切って第１の方向に寄せフライスを移動させ、前記第１の方向に位置合わせされた第１の複数のチャネルを形成するステップと、
前記燃料電池プレートを横切って第２の方向に前記寄せフライスを移動させ、前記第２の方向に位置合わせされた第２の複数のチャネルを形成するステップと、
を含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記第１の方向に位置合わせされた前記第１の複数のチャネル及び前記第２の方向に位置合わせされた前記第２の複数のチャネルはそれぞれ、前記燃料電池プレートを前記燃料電池アセンブリ内に配置する場合に、前記プレート上の前記電気化学的活性領域に対応する領域内に配置される、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記チャネルは、燃料電池内に冷却剤を方向付けるように構成される、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載］
この発明は、アメリカ合衆国運輸省によって認められた契約番号第ＣＡ−０４−７００３−００号の下で、政府の支持により行われたものである。政府は、この発明における一定の権利を有する。

【0002】

この開示は、燃料電池流体の移動を容易にするプレートに関し、より具体的には、そのようなプレートにおけるチャネルに関する。

【0003】

燃料電池は一般的に、燃料及び酸化体などの反応物質の間で周知の電気化学反応から電流を発生させるために、アノード触媒、カソード触媒、及び、アノード触媒とカソード触媒との間の電解材料を含む。燃料電池は、反応物質を各触媒に方向付けるためのチャネルを有する流場プレートを含んでもよい。電解材料は、流場プレートの間に配置された高分子層とされてもよく、それは、一般的に、イオン交換膜又は高分子電解質膜（ＰＥＭ）として言及される。燃料電池は、燃料電池を通じて、冷却及び／又は加湿のための流体を移動させるためのチャネルを有する流場プレートを含んでもよい。燃料、酸化体、及び、冷却及び／又は加湿のための流体は、燃料電池流体の種類である。燃料電池流体のいくつかは気体とされてもよく、燃料電池流体の他のものは液体とされてもよい。

【0004】

例えば、複数の空気の気泡は、液体チャネル内に構築される場合がある。それらの気泡は不必要に、流場のチャネルを通過する流体の流れに影響を及ぼす場合がある。構築された複数の気泡は特に、多孔性プレートを乾かせる、過熱させる、又は乾かせ過熱させる。いくつかの製造技術は、気泡構築傾向があるチャネルを生み出す。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

例示的な燃料電池アセンブリは、燃料電池の能動的流れの領域に隣接する燃料電池流体の移動を容易にするために構成された複数のチャネルを有するプレートを含む。複数のチャネルは、能動的流れの領域の横方向外側に延在する、変化する深さを有する部分を含む。

【0006】

他の例示的な燃料電池アセンブリは、第１の方向に延在する第１の複数のチャネルと、第１の方向に対して横断する第２の方向に延在する第２の複数のチャネルと、を有する。第１の複数のチャネルは、プレートの重複領域において、第２の複数のチャネルと重複する。また、第１の複数のチャネルは、変化する深さを有する部分を含む。この部分は、第２の複数のチャネルの横方向最も外側のチャネルを超えて重複領域から延在する。

【0007】

燃料電池内に複数のチャネルを形成する例示的な方法は、燃料電池プレート内に複数のチャネルを形成するステップを含む。複数のチャネルは、変化する深さを有する部分を有する。この部分は、燃料電池プレートが燃料電池アセンブリ内に位置する場合に、燃料電池アセンブリ内の能動的流れの領域の横方向外側に延在する。

【0008】

開示された例示の複数の特徴及び利点は、当業者にとって詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明に添付した図面は簡単に、以下に記載されることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】例示的な燃料電池スタックアセンブリの非常に概略的な図である。

【図2】図１の燃料電池スタックアセンブリの燃料電池ユニットの断面図である。

【図3】図２の燃料電池から例示的な流場プレートの正面図である。

【図4】図３の流場プレートの一部分の拡大斜視図である。

【図5】チャネル形成工程の一部の間における、図３の流場プレートを示す図である。

【図6】図５におけるライン６−６で切断された断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、例えば、反応ガスの間で周知の電気化学反応から電流を発生させるための燃料電池アセンブリ１０を示す。燃料電池アセンブリ１０の開示された配置構成が例示としてのみであり、本願に開示されたコンセプトが他の燃料電池配置構成にも適用されることができることは理解されるべきである。

【0011】

例示的な燃料電池アセンブリ１０は、１つ又は複数の燃料電池ユニット２０を含み、当該１つ又は複数の燃料電池ユニット２０は、燃料電池アセンブリ１０を提供するために積み重ねられることができる。燃料電池ユニット２０は、軸ｙに沿って互いに対して積み重ねられる。

【0012】

図２に示されるように、燃料電池ユニット２０のそれぞれは、電極アセンブリ２４と、反応ガス（例えば、空気及び水素）を電極アセンブリ２４に供給するための流場プレート（ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）２６ａ及び２６ｂと、を含む。流場プレート２６ａは、空気を供給するための空気プレートと考えられてもよく、流場プレート２６ｂは、水素を供給するための燃料プレートとして考えられてもよい。

【0013】

電極アセンブリ２４は、カソード触媒３０ａとアノード触媒３０ｂとの間に、イオン交換膜としても言及される高分子電解質膜（ＰＥＭ）２８を含む。示されていないけれども、ガス拡散層は、反応ガスの拡散を容易にするために、流場プレート２６ａ及び２６ｂと電極アセンブリ２４との間に使用されてもよい。

【0014】

燃料電池ユニット２０は、軸ｙに沿って延在する能動的流れ（ａｃｔｉｖｅ ｆｌｏｗ）Ａの領域を含む。能動的流れＡの領域の横方向外側の境界は、この例において、高分子電解質膜（ＰＥＭ）２８の周囲と位置合わせされる。この能動的流れＡの領域は、この例において、燃料電池ユニット２０の電気化学活性領域（ａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）に対応する。能動的流れＡの領域はしばしば、化学反応が起こる燃料電池ユニット２０の部分として言及される。

【0015】

流場プレート２６ａ及び２６ｂのそれぞれは、各反応ガスをカソード触媒３０ａ又はアノード触媒３０ｂに供給するためのチャネル３２を含む。流場プレート２６ａ及び２６ｂのそれぞれは、反応ガスを流場プレートに供給するためのインレットと、使用されていない反応ガスを流場プレートから排出するためのアウトレットと、を含むことができる。

【0016】

流場プレート２６ａ、流場プレート２６ｂ、又はその両方は、冷却剤チャネル３６内で、水などの冷却剤を循環させることができる。冷却剤は、燃料電池ユニット２０の所望の動作温度を維持すること及び反応ガスを水酸化させることを手助けする。チャネル３６はまた、酸化体（ｏｘｉｄａｎｔ）又は反応物質の流れを案内するために使用されることができる。

【0017】

この例において、冷却剤チャネル３６は、チャネル３２の反対側の流場プレート２６ａの側面に位置する。この例において、チャネル３２は、能動的流れＡの領域内にある。しかしながら、冷却剤チャネル３６は、能動的流れＡの領域の横方向外側に延在する部分４４を含む。この例において、横方向は、軸ｙに関する位置又は場所を記載するために使用される。プレートの周囲に近接するチャネルは、より中央に位置した他のチャネルより横方向外側である。

【0018】

流場プレート２６ａは、この例において多孔性プレートとされる。多孔性プレートは、水蒸気が冷却剤チャネル３６からチャネル３２へ複数の孔を通じて移動することを可能にするので、反応ガスを水酸化することを容易にする。

【0019】

示された配置構成において、電極アセンブリ２４は、流場プレート２６ａと２６ｂとの間に挟持される（例えば、チャネル３２を形成するリブの間に）。挟持力は、流場プレート２６ａ及び２６ｂに対する高分子電解質膜（ＰＥＭ）２８の移動を制限する。

【0020】

シール４０は、燃料電池アセンブリ１０の周囲の周りに延在する。シール４０は、燃料電池アセンブリ１０内に反応ガス及び水副産物（ｗａｔｅｒ ｂｙｐｒｏｄｕｃｔ）を維持する。周囲のシールはまた、高分子電解質膜（ＰＥＭ）２８の移動をさらに制限する。

【0021】

図２を参照しつつ図３及び図４を参照すると、流場プレート２６ａのチャネル３６は、第１のチャネル３６ａ及び第２のチャネル３６ｂを含む。第１のチャネルは方向Ｄ_ａにおいて延在しており、第２のチャネルは少なくとも１つの方向Ｄ_ｂにおいて延在する。方向Ｄ_ａは、方向Ｄ_ｂに対して横断している。この例において、方向Ｄ_ａは、方向Ｄ_ｂに対して垂直である。

【0022】

プレート２６ａは、第１のチャネル３６ａが第２のチャネル３６ｂと重複する重複領域４２ａ及び４２ｂを含む。重複領域４２ａおよび４２ｂの横方向外側の周囲は、横方向外側の複数のチャネル３６ａ’及び横方向外側の複数のチャネル３６ｂ’によって確立される。横方向外側のチャネル３６ｂ’を超えて延在する複数のチャネル３６ａ及び３６ａ’の部分は、重複領域４２ａ及び４２ｂ内に存在しない。同様に、横方向外側のチャネル３６ａ’を超えて延在する複数のチャネル３６ｂ及び３６ｂ’の部分は、重複領域４２ａ及び４２ｂ内に存在しない。

【0023】

能動的流れＡの領域は、燃料電池流体がインレット６６からアウトレット６８へ移動するようにそれを通じて流れる全てのチャンネルからなる。この例において、それは、インレットチャネル５８、アウトレットチャネル６０、重複領域４２ａ及び４２ｂ、及び重複領域４２ａ及び４２ｂの間に直接的に位置する矩形状領域を含む。

【0024】

チャネル３６ａ及び３６ａ’は、能動的流れＡの領域の横方向外側に延在する部分４４を含む。それらの部分４４は、プレート２６ａの横方向外側縁部４８まで延在しない。各部分４４は、他のチャネル又はプレート縁部に接続しない一の端部を有する。それ故に、燃料電池流体は、部分４４を通じて能動的に流れることなく、部分４４を満たすことができる。

【0025】

複数のチャネル３６ｂ及び３６ｂ’のいくつかは、能動的流れＡの領域の横方向外側に延在する部分５２を含む。これらの部分５２は、プレート２６ａの横方向外側縁部５６まで延在しない。各部分５２は、他のチャネル又はプレート縁部と接触しない一の端部を有する。それ故に、燃料電池流体は、部分５２を通じて能動的に流れることなく、部分５２を満たすことができる。

【0026】

複数のチャネル３６ｂ及び３６ｂ’の他のいくつかは、能動的流れＡの領域の横方向外側に延在する部分５８を含む。これらの部分５８は、この例において、プレート２６ａの横方向外側縁部５６まで延在する。

【0027】

複数のチャネル３６ｂ及び３６ｂ’の他のいくつかは、能動的流れＡの領域の横方向外側に延在する部分６０を含む。部分６０は、プレート２６ａの横方向外側縁部６４まで延在する。

【0028】

燃料電池ユニット２０の動作中に、流体は、部分５８を通じて入り、チャネル３６の残りの部分を通じて移動し、部分６０を通じて排出される。部分５８はそれ故に、プレート２６ａに対するインレット６６を提供し、部分５８はアウトレット６８を提供する。流体は経路Ｐに実質的に従う。

【0029】

チャネル３６を通じて移動する流体内に入り込んだ気泡は、交差しているチャネルの両方が変化する深さ又は先細を有する場合に、チャネル３６の交差部で妨げる（ｈａｎｇ−ｕｐ）傾向がある。妨げられた気泡は、プレートのその領域における孔内における全ての水を蒸発させ、気体漏出経路を生み出す。妨げられた気泡（Ｂｕｂｂｌｅ ｈａｎｇ−ｕｐ）はまた、効果的ではない冷却を引き起こす場合がある。開示された複数の例の特徴は、変化する深さを有するチャネルの一部分である。この部分は、チャネルの重複領域及び燃料電池ユニットの能動的流れの領域の横方向外側である。変化する深さを有する部分を、能動的流れＡの領域の外側に位置付けることは、妨げられた気泡に関連した効率的ではない冷却領域が能動的流れＡの外側であることを確実にする。このプレートは、変化する深さを有する部分を収容するために、先行技術のプレートに対して横方向に大きくなってもよい。変化する深さを有する部分は、能動的流れＡの領域の全体的外側に又は部分的外側に位置付けられてもよい。

【0030】

図２及び３を参照しながら図５及び図６を参照すると、複数のチャネル３６を確立するための工程は、プレート２６ａに複数のチャネル３６を形成するために、寄せフライスアセンブリ７０を使用する。寄せフライスアセンブリ７０は、ハブ７４に取り付けられた複数のブレード７２を含む。電気式モータ７６は、複数のブレード７２を回転させるためにハブ７４を回転させる。回転しているハブ７４及び複数のブレード７２は、複数のチャネル３６を形成するために、プレート２６ａの表面を横切るように移動する。

【0031】

この例において、寄せフライスアセンブリ７０は、複数のチャネル３６ａを形成するために、第１の方向においてプレート２６ａを横切って移動する。ブレード７２のそれぞれは、シングルパス中に、チャネル３６の１つを切断する。プレート２６の他の領域における追加のパスは、チャネル３６の所望された数及びブレードの数に応じて必要とされてもよい。ハブ７４及びブレード７２はその後、チャネル３６ｂを形成するために、第２の方向（例えば、第１の方向に対して９０度回転させた方向）においてプレート２６ａの同じ表面を横切って移動する。

【0032】

寄せフライスアセンブリ７０は、チャネル３６ａのいくつかの部分４４を形成するように示される。チャネル３６ａがプレート２６ａの横方向外側縁部４８まで延在するように意図されていないので、ブレード７２は、ブレード７２が横方向外側縁部４８に到達する前に、プレート２６ａから引き離される。ブレード７２は円形状であり、それは、チャネル３６ａの端部が先細の底部（ｔａｐｅｒｅｄ ｆｌｏｏｒ）７８（又は、変化した深さの領域）を有することを引き起こす。

【0033】

部分４４以外において、チャネル３６ａは、ブレード７２の選択された深さがそれらの領域を通過するので、比較的一定の深さを有する。いくつかの例示において、重複領域４２ａにおけるチャネルのいくつかの領域は、先細の底部を有する。これは、寄せフライスアセンブリ７０がチャネル３６ａを切断し始める場所であるからである。例えば、重複領域４２ａにおいて、チャネル３６ａの部分は、先細の底部を有してもよい。しかし、交差しているチャネル３６ｂは、先細の部分５２が重複領域４２ａの外側にあるので、先細の底部を有していない。同様に、重複領域４２ｂにおいて、チャネル３６ｂの部分は、先細の底部を有してもよい。しかし、交差しているチャネル３６ａは、先細の部分４４が重複領域４２ｂの外側にあるので、先細の底部を有していない。重複領域４２ａ及び４２ｂの外側における先細の部分５２及び４４の位置は、先細の部分が互いに交差することがないことを確実にすることによって、妨げられた気泡のリスクを軽減する。チャネル３６ａに沿った流れの方向における部分４４の長さは、以下の式で記載される。
ｂ＝√［ｃ^２−（ｃ−ｄ）^２］
ここで、ｂは長さであり、ｃはブレード７２の半径であり、ｄは、チャネル３６ａの選択された深さである。

【0034】

他の例示的なプレート（示されていない）は、プレートを横切って前後に、冷却剤経路に沿って流体流れを方向付け、且つ流れがインレットから出口まで移動する場合の複数倍である複数のチャネルを含んでもよい。非重複部分４４は、そのようなプレートにおいて位置してもよい。

【0035】

前述の説明は本質的に、制限というよりむしろ例示である。開示された例示に対する変形及び修正は、この発明の本質から必ずしも逸脱することなく、当業者に明確になることができる。それ故に、この発明に付与された法律的保護の範囲は、以下の特許請求の範囲を考慮することのみによって決定されることができる。

【符号の説明】

【0036】

１０ 燃料電池アセンブリ
２０ 燃料電池ユニット
２４ 電極アセンブリ
２６ 流場プレート
２８ 高分子電解質膜（ＰＥＭ）
３０ａ カソード触媒
３０ｂ アノード触媒
３２ チャネル
３６ 冷却剤チャネル
４０ シール
４２ａ、４２ｂ 重複領域
４８ 横方向外側縁部
６６ インレット
６８ アウトレット
７２ 複数のブレード
７４ ハブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】