JP2004516612A - 冷媒分配構造付きｐｅｍ燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

本発明は、アノード、カソードおよびそれらの間に配置される電解質膜から構成される少なくとも１つの膜電解質アセンブリ（ＭＥＡ）を具備し、アノード側のガス分配構造は、アノードガス入口領域、アノードガス出口領域、及びこれらの間にアノードガスを案内するチャネルを具備し、前記アノードガスは水素を含有し、無加湿性または部分加湿性であり、カソード側のガス分配構造は、カソードガス入口領域、カソードガス出口領域、及びこれらの間にカソードガスを案内するチャネルを具備し、カソードガスは酸素を含有し、無加湿性または部分加湿性であり、冷却液分配構造は、冷却液入口領域、冷却液出口領域、及びこれらの間に冷却液を案内するチャネルを具備する、電気化学燃料電池に関する。本発明によれば、冷却液入口領域およびカソードガス入口領域は部分的に重複し、冷却液出口領域およびカソードガス出口領域も部分的に重複するので、入口領域から出口領域に向かって上昇する温度の温度勾配を、入口および出口領域内の重複領域間の冷却液およびカソードガスチャネルに沿って形成できる。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前文による電気化学燃料電池スタックに関する。
【０００２】
従来技術による燃料電池スタックは、少なくとも１つの、通常は、隣り合わせに、または重なり合って互いに積層された複数の個々の燃料電池から構成される。単一電池は、流体を分配するための２枚の分配プレートと、それらのプレート間に配置された、略してＭＥＡとも呼ばれる、膜電極アセンブリとから構成される。ＭＥＡは、アノード、カソードおよびそれらの間に配置されたプロトン伝導電解質膜を具備する。アノードからカソードへのプロトン移動は、プロトン伝導電解質膜（ＰＥＭ）によって確実に行われる。分配プレートは、燃料含有アノードガス（例えば水素）、および酸素含有カソードガス（例えば空気）を供給、放出するためのアノードおよびカソード側（アノードおよびカソード通路）にガス通路を有する。
【０００３】
燃料電池の温度を制御するために、スタック内には、液状またはガス状冷媒が通過する冷却室がある。これらの冷却室は、スタック内や個々の電池内の任意所望場所にも配置可能である。一例として、各個々の電池が冷却室に割り当てられても良い。但し、複数の個々の電池を冷却室に割り当てることも可能である。
【０００４】
カソードにおいて、生産水は電気化学反応で形成される。但し、それがカソード通路に入ると、特にカソードガス入口において、ＭＥＡから、かなりの水分が除去される。この水分の除去は、電気化学的反応や導電中に生成される高温が原因で起こる水の蒸発によって生じる。この影響は、水をアノードからカソードに輸送する水素−水化合物、例えばヒドロニウムイオンＨ（Ｈ_２Ｏ）_＋の電気浸透輸送によってより強くなる。ＭＥＡが乾燥すると、プロトン伝導性の低下、ゆえにセル電圧、すなわち燃料電池効率が低下する。
【０００５】
カソードガスの湿度を制御するために、米国特許第４，９７３，５３０号は、他の媒体（例えば水）、つまりカソードガスの湿度を制御するための他の独立液回路を有する燃料電池スタックを提案する。この場合、隣接燃料電池の分配プレートは、互いに隣接し、流体連通している２つの通路領域を有する。第１の通路領域では、カソードガスはＭＥＡに通される。それが第１の通路領域を貫流した後、カソードガスは第２の通路領域に流入し、そこで水透過膜に通される。水はこの水透過膜の他方の側に沿って案内されるので、カソードガスをこの第２の通路領域内で加湿できる。他の実施形態では、米国特許第４，９７３，５３０号は、アノードガスの湿度の同時調整をも開示する。これは、カソードガスおよびアノードガス内に事実上均一な水濃度と、燃料電池スタック内に事実上均一な温度とを確保する。
【０００６】
この配置では、他の液回路が、カソードガスおよびアノードガスの連続的加湿に必要となる。これは、燃料電池スタックの小型化を達成することに関してさらに不利となる。従来型の燃料電池スタックと比べて、この概念も、ＭＥＡ表面積をより小さくした結果効率の低下をもたらす。
【０００７】
本発明の目的は、カソードガスの追加的加湿を行わずにＭＥＡの乾燥を防ぐことが可能な燃料電池を提供することである。
【０００８】
この目的は、請求項１に記載の燃料電池スタックによって達成される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態、および本発明による燃料電池スタックを動作させる方法に関する。
【０００９】
本発明による燃料電池スタックでは、第一に、冷媒が燃料電池スタックに流入する領域と、カソードガスが燃料電池スタックに流入する領域の間に少なくとも部分的重複部がある。さらに、本発明による燃料電池スタックでは、第二に、冷媒が燃料電池スタックから流出する領域と、カソードガスが燃料電池スタックから流出する領域の間にも少なくとも部分的重複部がある。これは、温度が入口領域から出口領域に向かって冷媒およびカソードガスを分配するための通路に沿って上昇する温度勾配となる。ゆえに、本発明による燃料電池スタックでは、いかなる任意の他の製造技術手段の必要もなくカソードガスの十分な加湿を確実に行うことが可能となる。その結果、本発明による燃料電池スタックは、ＭＥＡが乾燥するのを防ぐことができる。特に、カソードガスおよびＭＥＡは、燃料電池反応で生成される生産水によって加湿される。さらなる利点は、燃料電池の効率の改善および長期安定性能の上昇である。
【００１０】
本発明の有利な実施形態では、アノードガスが燃料電池スタックに入る領域と、冷媒およびカソードガスの入口領域とを追加的に少なくとも部分的に重複させることも可能である。さらに、アノードガスの出口領域は、カソードガスおよび冷媒の出口領域を追加的に少なくとも部分的に重複させても良い。
【００１１】
当然、入口領域と出口領域の間に配置され、冷媒およびカソードガスが流れる領域が、互いに重複させることも可能である。
【００１２】
本発明による燃料電池スタックは、通常使用される、例えば、水またはグリコールのような、液状冷媒よりもかなり低い熱容量を有するガス状冷媒、好ましくは空気で稼働されると好都合である。使用される冷媒が、例えば、水であった場合、これは、燃料電池スタックに要する空間や製造コストの面での欠点を伴う冷却技術（例えば、大きな冷却器表面積）に関してかなりの費用を伴うこととなろう。さらに、温度勾配は、高熱容量を有する液状冷媒におけるよりも低熱容量を有するガス状冷媒においてより速やかに確立される。結果的に、燃料電池スタック内の温度についてより高速且つ精密な制御がゆえに可能となる。ガス状冷媒のさらなる利点は、冷却容量がスタックの個々の燃料電池のそれぞれで同じであるということにある。これは、ガス状冷媒の高容量の生産性が、冷媒の入口領域と出口領域の間に高温度差があっても可能であるという事実から生じる。さらに、ガス状冷媒を用いると、液状冷媒で達成されるセル電圧に匹敵するかまたはそれよりも優れたセル電圧を達成することが可能である。
【００１３】
冷媒およびカソードガスは、本発明による燃料電池スタックを並流すると好都合である。液流に関し、本文脈における並流は、２種類の液が並流して流れる少なくとも１つの三次元方向成分を冷媒の流れおよびカソードガスの流れが有することを意味すると理解すべきである。
【００１４】
本発明の理解を深めるために、現時点では、カソードガスが燃料電池スタックに入る入口領域内で燃料電池反応における材料の主変換が起こることに留意すべきである。それはカソードガスが最も強く加熱されるところでもある。但し、本発明による燃料電池スタック内では、冷媒とカソードガスのそれぞれの入口領域間の本発明の重複部の結果として、ほとんどの熱が発生され、非常に強く冷却されるのがまさにこの領域である。
【００１５】
従って、低温、好ましくは大気温度（典型的に２３℃）で燃料電池スタックに流入する冷媒は、それが燃料電池反応で発生される熱によって冷却通路に沿って流れるとき加熱される。冷媒が燃料電池スタックから流出する温度は、典型的に６５℃である。
【００１６】
燃料電池スタックに流入する無加湿または部分加湿されたカソードガスは、低露点を有し、カソードガス入口が高温（燃料電池反応に因り）であったならばＭＥＡをかなりの程度まで乾燥させるであろう。本発明による重複部分は、しかしながら、燃料電池スタックに流入するカソードガスが冷媒によって入口領域内のかなりの範囲まで冷却されるため低温レベルに保たれる。これによって、カソードガスの入口領域内のＭＥＡの乾燥が防止される。
【００１７】
燃料電池反応において増加する程度まで形成される生産水は、それがカソードガス通路を通って前方に進むにつれて、カソードガスの露点を上昇させる。カソードガスの均一な加湿、ゆえにカソードガス通路に沿ってのＭＥＡの均一な加湿を確保するために、本発明の有利な実施形態では、冷媒の局部温度は、カソードガスの局部露点温度の範囲内にあれば良い。これは、例えば、燃料電池スタックからの入口と出口の間に冷媒分配構造を適当な方法で配置することで達成できる。
【００１８】
これは、カソードガスの均一飽和となる。これは、特に、冷媒およびカソードガスのそれぞれの入口領域の発明の重複部、および冷媒とカソードガスの間での関連熱交換によって達成されるが、これは、カソードガス通路内の局部温度がカソードガスの露点温度の範囲内にあるからである。
【００１９】
高い水保持能力を備えたＭＥＡ、すなわち、あまり乾燥する傾向のないＭＥＡが使用される場合、カソードガスおよびＭＥＡの局部温度も局部露点温度よりも高くなる。この場合、使用される冷媒は液状冷媒であっても良いが、この場合、冷媒の温度レベルはガス状冷媒の場合よりも高くなければならない。
【００２０】
但し、燃料電池スタックに入るアノードガスの露点温度が冷媒の入口温度よりも高くなることもあり得る。その結果、液状の水が特にアノードガス通路の冷却器入口領域内に形成され、そのためにＭＥＡが湿潤されることが出来る。
【００２１】
さらに、カソードガス通路に沿うセル内部温度勾配を最適化するために、カソードガスと冷媒の間の熱交換を燃料電池の多様な動作状態に一致させることも可能である。この調和は、冷媒入口領域とカソードガス入口領域における重複部の領域内、または冷媒出口領域とカソードガス出口領域における重複部の領域内、または補足的手段として、セルの残留領域内での、局部的に限定された手段で実行可能である。これらの手段は、例えば、通路に関わる形状を一致させることから成る。この場合、特に通路断面、単位面積当たりの通路本数、または通路の配列を空間的に変更することも可能である。さらに予想される形状調和手段は、流路内にリブ、ウエブ、溝またはニードルなどを使用することで接触表面積に影響を与えることを含む。
【００２２】
他に予想される手段としては、特有の熱伝導特性を有する材料の目標とする三次元手法から成る。例として、優れた熱伝導性を有する材料が冷媒の入口領域内の強冷却の領域内に存在し、または熱伝導性の低い材料がセルの残留領域内に存在しても良い。これらの材料は、通路の表面に層状に適用されるか、またはキャリア材料それ自体に導入されても良い。
【００２３】
記載された手段の１つまたは組合せを使用することで、例えば、カソードガスと冷媒の間での高度な熱交換が可能で、ゆえに、冷媒の入口領域内の燃料電池の比較的強い冷却を確保することも可能である。さらに、このようにして、カソードガスの局部温度をカソードガスの局部露点に一致させることができる。
【００２４】
本発明を、典型的実施形態に基づき、添付の図を参照してより詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明による燃料電池スタックの第１の実施形態を例示する。図は、例えば、カソードガス用のカソード側ガス分配構造を表面に加工した、金属製プレートを例示する。ガス分配構造は、この図では図式的に示されている。それは、当業者には本来公知の、曲がりくねった、すなわち蛇行形状の１本またはそれ以上の通路を具備する。カソードガスは、開口部を介してセルに流入し、流路を通過し、再びセルの斜め向かいの開口部から流出する。
【００２６】
本発明において、流体についての用語である「入口領域」および「出口領域」は、開口部の直ぐ近くだけでなく、特に流体の流れ方向に測定したときのそれらの周囲範囲をも意味することは理解されるべきである。例えば、示された例では、開口部への最終方向転換からの流路の断面もカソードガス入口領域に属する。
【００２７】
図からも分かるように、この実施形態では、冷媒は、実質的にプレートの縁部の全長にわたってセルに入り、カソードガスに対して横流に流れる（冷媒が例示されたプレートの後ろ側の分配構造を流れる）。その結果生じるカソードガスおよび冷媒の流れの方向は、この場合それでも同じであり、結果的にこの場合も、カソードガスと冷媒との並流がある。冷媒入口領域とカソードガス入口領域との有効な部分は互いに重複する。カソードガスと冷媒の間での大体の熱移動が生じるところである重複部の領域は、円で囲まれている。例示された円形は、単に例として示され、熱移動が最も強くなる領域を示すものである。当然、熱移動は重複する他の領域（図示せず）でも起こる。この実施形態では、使用される冷媒は外気である。
【００２８】
入口および出口におけるカソードガスおよび冷媒の典型的温度もまた図に示されている。入口と出口の間の温度差は、公知燃料電池と比べても両方の流体において比較的高いことが分かる。これらの温度差は、それぞれの場合で３０〜４５℃の範囲内である。
【００２９】
他の発明の実施形態が図２で示される。これは、実質的に異なるガス分配構造を有することで図１で例示された実施形態と異なる。この構造は、この場合、並列ガス分配構造として設計される。ガス状冷媒（例えば、大気）は、実質的にプレートの縁部の全長にわたってセルに入り、カソードガスに対して並流する（冷媒は、例示されたプレートの後側の分配構造に流れる）。冷媒の入口領域とカソードガスの入口領域との有効部分は互いに重複し、冷媒の出口領域とカソードガスの出口領域との有効部分は互いに重複する。
【００３０】
図１または図２に示された実施形態で提供されるような空気冷却は、放熱器によって有利に実行可能である。この目的に適した構造は図３に示される。放熱器は、燃料電池スタックの直ぐ正面に配置され、空気を燃料電池スタックの冷却通路または冷却室内に吹き込む。他の実施形態（図示せず）では、スタックに供給される冷気は、放熱器からラインを介してスタックに輸送されても良い。
【００３１】
図４は、本発明による燃料電池スタックの入口から出口への冷媒の温度の推移例を示す。この場合、冷媒温度は、燃料電池スタックからの入口と出口の間の冷却通路長の割合に対しプロットされる。温度の推移は、実質的に、上述した燃料電池反応で、ＭＥＡにおいて発生した熱の吸収から生じる。温度の推移は、冷媒分配構造を変えることによって変更できる。冷媒の温度推移に影響を与える更なる可能な方法は、冷媒の熱容量を変えることである。
【００３２】
図５は、本発明による燃料電池スタックのカソードガス通路に沿った露点温度の推移例を示す。図表は、燃料電池スタックの入口から燃料電池スタックの出口までのカソードガス通路長の割合に対する温度をプロットする。明細書の始めに記述したように、露点温度の上昇は、カソードガス通路に沿って形成される生産水によって生じる。
【００３３】
冷媒の温度が通路長の全体にわたってカソードガスの露点温度の範囲内にあることは、図４および図５の比較から明白である。これは、冷媒入口領域とカソードガス入口領域との発明の重複部によって達成できる。両温度曲線はほぼ対数形状をしている。例えば、６０％の通路長の割合で、冷媒の局部温度はほぼ６３℃となり、カソードガスの局部露点温度は、ほぼ６４℃となる。２０％の通路長の割合で、冷媒の局部温度は、ほぼ４５℃となり、カソードガスの局部露点温度も同様にほぼ４５℃となる。
【００３４】
図６は、本発明による他の実施形態を示す。この図は、図を見たとき不可視である側に、図１または図２に例示されたカソードガスを案内するためのガス分配構造を有するプレートを例示する。冷媒の分配構造は、図において可視である側に例示されている。ウエブによって互いに分離される個々の並列通路を見ることができる。カソードガスは、プレート内の開口部を介してセルに入り、ここでは見えない流路を通過し、セルの斜め向かいの開口部から再び流出する。冷媒は、プレートの底縁部で冷却通路に入り、それらから反対縁部において出て行く。ほとんどの熱交換が起こる領域である、冷媒入口領域とカソードガス入口領域の間の重複部の領域は、円で囲まれる。この重複領域内には、接触表面積を増加するために通路内部に追加のリブがある。その結果、冷媒とカソードガスの間の熱交換がこの領域内で増加する。
【００３５】
図７は、追加的手段を利用することによってセル表面積上での局部熱交換を変える本発明の一実施形態を示す。プレートの構造は、熱交換の領域内にリブがないことを除いて、図６に示されたものに相当し、それゆえに、反復を避けるべく図６を参照する。追加的手段として、冷媒入口領域とカソードガス入口領域の間の重複部の領域内の通路表面上に熱絶縁層がある。この領域内では、温度勾配の形成をこのように最適化するために、層の厚さおよび層材料を適切に選択することによって熱交換を増加することができる。この層は、例えば、表面に接着される自律式層またはフィルムであっても良い。但し、被膜を施すか、またはキャリア層に直に付加材料を導入することも可能である。
【００３６】
他の実施形態（図示せず）では、図６に示された装置において、熱伝導性の優れた材料が、この領域内のカソードガスと冷媒の間の熱交換をさらに改良するために、冷媒入口領域とカソードガス入口領域の間の重複部の領域内に存在しても良い。
【００３７】
他の実施形態では、図６または図７に示された装置において、熱絶縁材料を、冷媒入口領域とカソードガス入口領域の間における重複部の外側の領域内に挿入することができる。
【００３８】
先に記述した手段は、冷媒の温度をカソードガスの露点温度と一致させることができるので、カソードガスの最適加湿が確保され、それによってＭＥＡの乾燥を防ぐことができる。
【００３９】
図６および図７に示し、冷媒を案内するための通路に関して、これらの図で説明してきた手段の全てを、同様にカソードガスを案内するための通路に適用しても良い。
【００４０】
燃料電池スタック内のアノードガスの通路の形状については、明瞭化のため図示しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池スタックの実施形態を示す。
【図２】本発明による燃料電池スタックの実施形態を示す。
【図３】本発明による燃料電池スタックの実施形態を示す。
【図４】本発明による燃料電池スタックの入口から出口までの冷媒温度の推移例を示す。
【図５】本発明による燃料電池スタックのカソード通路に沿った露点温度の推移例を示す。
【図６】入口領域内の通路形状を局部的に一致させた、本発明による燃料電池スタックの実施形態を示す。
【図７】熱伝導性／熱絶縁性材料を局部的に一致させて使用する、本発明による燃料電池スタックの実施形態を示す。

Claims (9)

1. アノード、カソードおよびそれらの間に配置された電解質膜から構成される少なくとも１枚の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、
   アノードガス入口領域、アノードガス出口領域、および水素を含有し、無加湿または部分加湿されているアノードガスをアノードガス入口領域からアノードガス出口領域に案内するための通路を有する少なくとも１つのアノード側ガス分配構造と、
   カソードガス入口領域、カソードガス出口領域、および、酸素を含有し、無加湿または部分加湿されているカソードガスをカソードガス入口領域からカソードガス出口領域に案内するための通路を有する少なくとも１つのカソード側ガス分配構造と、
   冷媒入口領域、冷媒出口領域、および冷媒を冷媒入口領域から冷媒出口領域に案内するための通路を有する冷媒分配構造と、を備えた電気化学燃料電池スタックであって、
   冷媒入口領域とカソードガス入口領域とは少なくとも部分的に重複し、さらに冷媒出口領域とカソードガス出口領域とは少なくとも部分的に重複するので、温度が入口領域から出口領域に向かって上昇する温度勾配を入口および出口領域内の重複領域間の冷媒およびカソードガスの通路に沿って形成されることを特徴とする、電気化学燃料電池スタック。
2. 入口領域内の重複部と出口領域内の重複部の間の通路に沿う冷媒の局部温度は、カソードガスの露点温度の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の電気化学燃料電池スタック。
3. アノードガス入口領域は、入口領域間の重複部の領域内に追加的に配置され、アノードガス出口領域は、出口領域間の重複部の領域内に追加的に配置されることを特徴とする、請求項１あるいは２に記載の電気化学燃料電池スタック。
4. 入口領域間の重複部の領域内、および／または出口領域間の重複部の領域内の通路における形状が、重複部の外側の領域における通路の形状と異なることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気化学燃料電池スタック。
5. 入口領域間の重複部の領域内、および／または出口領域間の重複部の領域内の通路における形状が、通路配置、通路断面、単位面積当たりの通路数、追加リブ、ウエブ、溝またはニードルに関して重複部の外側の残留領域と異なることを特徴とする、請求項４に記載の電気化学燃料電池スタック。
6. 入口領域間の重複部の領域内、および出口領域間の重複部の領域内の、冷媒とカソードガスの間の熱移動路に、重複の外側に使用される材料と熱伝導性が異なる材料があることを特徴とする、請求項４あるいは５に記載の電気化学燃料電池スタック。
7. カソード側ガス分配構造と冷媒ガス分配構造とは、カソードガスと冷媒とが並流して通るように形成されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気化学燃料電池スタック。
8. アノード側ガス分配構造は、アノードガスがカソードガスおよび冷媒に対して並流して通るように形成されることを特徴とする、請求項７に記載の電気化学燃料電池スタック。
9. 使用される冷媒がガスであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気化学燃料電池スタックを動作させる方法。

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