JP2005505115A - 燃料電池ブロック - Google Patents

Abstract

燃料電池（１０１）のための作動ガスの加湿時、加湿プロセス中に気化熱による損失で燃料電池の膜を傷めないようにするのに十分な湿気を作動ガスが受け入れられない程に作動ガスが冷却される問題がある。この問題を解決すべく、平形加熱要素（７）を有する加湿セルを備えた燃料電池ブロック（５０）を提案する。加湿セル（１）の形状、配置および材料を、燃料電池ブロックの燃料電池と同様に形成すると、加湿セルを含む燃料電池ブロックの企画、設計、製造および据付けが簡単になる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、平形燃料電池スタックと平形加湿セルスタックを備え、加湿セルが各々ガス室、加湿水室および両室間に配置された水透過性の膜を含む燃料電池ブロックに関する。
【０００２】
燃料電池では、電解質内での水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）の水（Ｈ₂Ｏ）への電気化学結合に伴い高効率で電流が発生する。この電流発生は、燃料ガスとして純粋な水素を使用する場合、有害物質や炭酸ガス（ＣＯ２）の放出なしに行なえる。燃料電池のこの原理の技術的な置き換えが種々の解決策をもたらし、しかも種々の電解質および６０℃〜１０００℃の作動温度のものをもたらした。その作動温度に関係して、燃料電池は低温燃料電池、中温燃料電池、高温燃料電池に分類され、これらは、更にまた種々の技術的実施形態により区分けされている。
【０００３】
各燃料電池は最大で約１．１Ｖの電圧を供給する。従って多数の燃料電池を積み重ね、燃料電池ブロックの構成部分である燃料電池スタックにまとめる。燃料電池ブロックの燃料電池の内部直列接続で、燃料電池ブロックの作動電圧は１００Ｖ以上になり得る。
【０００４】
平形燃料電池は平らな電解質を含み、電解質の一方の平らな面に平らな陽極が接し、電解質の他方の平らな面に同様に平らな陰極が接する。両電極は電解質と一緒に所謂電解質電極ユニットを形成する。陽極に接して陽極ガス室、陰極に接して陰極ガス室を配置している。１つの燃料電池の陽極ガス室と、該電池に隣接した燃料電池の陰極ガス室との間に、接合導体板を配置している。接合導体板は、一番目の燃料電池の陽極と二番目の燃料電池の陰極との間の電気的接続を形成する。燃料電池の種類に応じ、接合導体板は、例えば個別の金属板、或いは冷却要素として形成している。この冷却要素は互いに重ねた２つの板からなり、板間に冷却水室を備える。燃料電池の実施形態に応じ、燃料電池スタックに、例えば導電層、パッキング或いは圧力クッション等の他の構成要素が付属する。
【０００５】
燃料電池ブロックの燃料電池は、作動時に作動ガス、即ち水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを供給される。低温燃料電池の少なからぬ実施形態、特にポリマー電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）は、作動時に加湿された作動ガスを必要とする。これら作動ガスは、例えば液体リング圧縮機又は膜加湿器等の適切な装置で、水蒸気で飽和状態にされる。
【０００６】
作動ガスを長い作動ガス供給管を経て加湿装置から燃料電池ブロックへ導く場合、その途中で、加湿した作動ガスの温度が周囲への熱放出により低下する。これは加湿水の凝縮を起こす。それから作動ガスは燃料電池で再び加熱され、その結果相対湿度が低下する。このため、常に湿った状態に保つべき、乾燥に極端に敏感な電解質が損傷し、それに伴い電解質の寿命が低下する。従って加湿装置はできる限り燃料電池の近くに配置することが望ましい。
【０００７】
米国特許第５２００２７８号および第５３８２４７８号明細書から、平形燃料電池からなるスタックと平形加湿セルからなるスタックを備えた燃料電池ブロックが公知である。両スタックは直接隣接して燃料電池ブロック内に配置される。加湿セルは、作動ガス室、加湿水室および両室間に配置された水透過性の膜を備えた膜加湿器として構成される。作動ガスを燃料電池スタックの各電池に導く前に、作動ガスは加湿セルを貫流し、そこで加湿され、引き続き燃料電池ブロックを再び離れることなく燃料電池スタックへ流れる。
【０００８】
加湿セルでは、作動ガスは燃料電池からの冷却水により加湿される。燃料電池の温度迄加熱された冷却水が加湿水室を通って流れ、水透過性の膜を透過し、ほぼ１００％の湿度迄作動ガスを加湿する。しかし加湿水の膜からガス室への気化に伴い、気化熱として作動ガスから熱が奪われる。このためガス室を貫流する作動ガスの温度が著しく低下する。従って、加湿セルにおいて１００％迄加湿された作動ガスは、燃料電池において改めて加熱され、その結果作動ガスの湿度が低下し、電解質を劣化させる。
【０００９】
本発明の課題は、燃料電池の温度レベルにおいて、作動ガスのほぼ１００％の加湿が可能な燃料電池ブロックを提供することにある。
【００１０】
この課題は、本発明に従って、各燃料電池が、ガス室に隣接する平らな過熱要素を含む冒頭に述べた如き燃料電池ブロックによって解決される。
【００１１】
加熱要素は、作動ガスが加湿中に加熱要素に沿って流れるように構成する。その際、作動ガスは気化熱の放出にもかかわらず、ほぼ燃料電池ブロックの燃料電池の温度とされるか、又はその温度に保たれる。この結果、作動ガスは、燃料電池への入口で殆ど加熱されず、１００％の湿度をそのまま保持する。
【００１２】
加熱要素は、燃料電池からの冷却水が貫流することで、特に簡単な方法で燃料電池の温度とされる。このため、燃料電池ブロックは燃料電池から加湿セルの加熱要素への冷却水管又は冷却水通路を有する。冷却水は燃料電池を貫流する間に燃料電池の温度に加熱される。冷却水が加熱要素を貫流する際に、加熱要素に沿って流れる作動ガスはほぼ燃料電池の温度に加熱される。燃料電池への入口での作動ガスの更なる加熱は非常に僅かなので、これに基づく加湿水の凝縮が電解質の動作および寿命を阻害することはない。加湿セルでの加熱水として燃料電池からの冷却水を使用することで、外部から供給される加熱水循環路を節減できるのみならず、加熱水温度の自動的な調整が行え、それに伴い作動ガス温度が燃料電池温度に達する。
【００１３】
燃料電池からの冷却水の一部を加熱要素のための加熱水として使用し、かつ冷却水の他の部分を加湿要素における加湿水として使用すれば、特に簡単な方法で、加湿水の温度を燃料電池の温度に合わせ得る。そのため、燃料電池ブロックは、燃料電池の冷却要素から加湿要素の加熱要素および加湿水室への冷却水管又は冷却通路を有すると望ましい。
【００１４】
特に占有場所の小さな加熱要素は２つの金属薄板を有し、両薄板間に加熱水室が配置される。燃料電池ブロックの各加湿セルへの加熱要素の追加挿入により、加湿セルスタックの体積、それ故燃料電池ブロックの体積が些細とは言えない程に増大する。しかし低温燃料電池および特にＰＥＭ燃料電池は、一般に車両又は携帯用やラップトップ型等の小型機器に使用される。従って、加熱要素の挿入による燃料電池ブロックの体積増大はできるだけ僅かにすべきである。加熱水室を間に配置した２つの金属薄板からなる加熱要素は非常に薄く形成できる。この結果、燃料電池ブロックは高い性能密度をそのまま保持する。
【００１５】
加熱要素は、１つの加湿セルのガス室と、この加湿セルに隣接する加湿セルの加湿水室との間に配置される。このため、作動ガスが加熱要素よって加熱されるのみならず、同様に加熱要素に沿って流れる加湿水もほぼ燃料電池の温度に保持される。
【００１６】
非常に平らな加湿セルの特に簡単な構成は、一方の金属薄板がガス室を形成する型押し構造を有し、他方の金属薄板が加湿水室を形成する型押し構造を持つことで達成される。かかる型押し構造は、例えば丸い丘状の高まりと凹みにより得られ、これらの周りでは加湿セルの作動中に薄板の一方の面側に沿って作動ガス又は加湿水が流れ、他方の面側に沿って加熱水が流れる。この際、水透過性の膜が型押し構造に直接に接すると望ましい。更に型押し構造は、切削加工した橋構造や通路と違って、軟らかく機械的に敏感な膜を傷つける鋭い角を待たないという利点を有する。
【００１７】
燃料電池が、構造・形状的に加熱要素と同一の冷却要素を各々有すれば、燃料電池ブロックを特に低コストで製造できる。冷却要素と加熱要素を同じ形状にすることで、これら要素の製造とそれらの燃料電池ブロックへの組立を簡単化し、安価にできる。要素の同じ構造により、燃料電池ブロックの組立が容易となり、結果的に安価となる。
【００１８】
加熱要素と冷却要素が１つ以上の同一材料からなることで別の利点が生ずる。燃料電池の冷却要素と加湿セルの加熱要素は燃料電池ブロックの作動中に同じ要求を受ける。即ちそれらは、燃料電池ブロックに必要な安定度を与えるべく機械的に十分安定でなければならず、かつ作動中、例えば加湿された純酸素や純水素の如き化学的に非常に攻撃的なガスが周囲を流れることから化学的に十分に安定でなければならない。同じ要求は、同じ材料選択を許容し、それによって加熱要素および冷却要素の製造が安価になる。加熱要素と冷却要素は、例えば金属合金からなる同じ材料又は１つ以上の金属被膜を有する導電性プラスチックからなる同じ材料で作成できる。
【００１９】
冷却要素は加熱要素に対し付加的に金属被膜を持つ。冷却要素は、加湿セルの加熱要素と異なり、接合導体板、即ち燃料電池の陽極と隣りの燃料電池の陰極との間の電気接続部として役立つ。かかる電気接触は、特に容易に、例えば貴金属からなる金属被膜で行なえる。加熱要素の製造時、この付加的な被膜を省き、加熱要素の製造コストを削減できる。
【００２０】
燃料電池ブロックの企画、設計、製造および据付の簡単化は、燃料電池の外側形状と外形寸法を加湿セルのそれらと同じにすることで達成できる。それにより、燃料電池と加湿セルの製造を標準化できる。更に、この結果燃料電池ブロックの構造が簡単になる。何故なら、縛り部材、ケーシング或いはカバー等のセルを取り囲む燃料電池ブロック構成要素を、加湿セルおよび燃料電池の個々の大きさに合わせずに済むからである。
【００２１】
加熱要素と冷却要素は外側の縁に沿って各々同じ材料からなる枠で囲われる。枠は燃料電池又は加湿セルを互いに接続し、燃料電池ブロックを外気に対し密封する。これら枠の材料には、燃料電池においても加湿セルにおいても同じことが要求される。従って、加熱要素用の密封材料として、冷却要素用の密封材料と同じものを選ぶことが望ましい。
【００２２】
本発明の実施例を８つの図に基づき更に詳しく説明する。これらの図において、同じ対象には同じ符号を付している。
【００２３】
図１は方形の平形加湿セル１を概略平面図で示す。加湿セル１は、枠３に埋め込まれた膜５を有し、該膜５は破断表示している。膜５の下に、枠３で囲まれた加熱要素７を配置している。加熱要素７は丸い凸部又は凹部を形成した型押し構造９を持つ。枠３には第１の軸方向通路口１１ａがあり、この口を経て加湿セル１の作動時加湿水が流れる。
【００２４】
図２は、加湿水を導く軸方向通路１１ｂに沿う加湿セル１の断面図を示す。加湿セル１の作動時、加湿水が第１の軸方向通路口１１ａを経て第１の軸方向通路１１ｂへ流れる。加湿水は、第１の軸方向通路１１ｂから加湿セル１の加湿水室１５への第１の放射方向通路１３ａへ流れる。加湿水室１５の貫流時、加湿水は水透過性の膜５に沿って流れ、その際加湿水の一部が膜５を透過し、加湿セル１のガス室１７に達する。残りの加湿水は更に第２の放射方向通路１３ｂへ流れ、それから同様に加湿水を導く第２の軸方向通路１１ｃに達する。第２の軸方向通路口１１ｄを経て加湿水が加湿セル１を離れる。
【００２５】
加湿すべき作動ガスは、加湿セル１の作動中に第３の軸方向通路口２１ａを経て流れ、それゆえ図３に示す第３の軸方向通路２１ｂに達する。作動ガスは、そこから各々第３の放射方向通路２３ａを経て、加湿セルスタックにまとめた加湿セル１のガス室１７へ流れる。これら加湿セルのうち図には１つのみを示す。加湿セル１のガス室１７で、作動ガスは、膜５を透過した加湿水により加湿される。加湿された作動ガスは、第４の放射方向通路２３ｂを経てガス室１７を去り、第４の軸方向通路２１ｃに入り、そして図１および図３に示す第４の軸方向通路口２１ｄを経て加湿セル１から流出する。
【００２６】
図４は、線ＩＶ−ＩＶに沿い、且つ第５の軸方向通路３１ｂおよび第６の軸方向通路３１ｃに沿った加湿セル１の断面図を示す。これら軸方向通路３１ｂと３１ｃを経て、加湿セル１の作動中に加熱水が流れる。加熱水は第５の軸方向通路口３１ａを経て第５の軸方向通路３１ｂへ案内され、そこから加熱水は第５の放射方向通路３３ａに達し、それから加熱要素７の加熱室３７に達する。加熱水は加熱要素７の加熱室を貫流し、そして第６の放射方向通路３３ｂを経て加熱要素７を離れ、第６の軸方向通路３１ｃに達する。加熱水は、第６の軸方向通路口３１ｄを経て流れ、加湿セル１を離れる。加熱要素７は２つの金属薄板からなり、両者間に加熱室３７を配置している。両金属薄板３９は各々型押し構造９を有し、これらと水透過性の膜５との組み合わせで、加熱要素７の一方の側には加湿水室１５、加熱要素７の他方の側には隣の加湿水室１のガス室１７が生ずる。平形加湿セル１から構成される加湿セルスタックの内部では、各々１つの加熱要素７と１つの膜５が交互に積み重ねられ、その際膜５も加熱要素７も弾性プラスチックの密封材料からなる同様に積み重ねた枠３で囲われている。従って、加湿セルスタック内に各々水透過性の膜５、加湿水室１５、加熱要素７の金属薄板３９、加熱水室３７、加熱要素７の第２の金属薄板３９、ガス室１７および他の膜５が交互の順序で並べて配置されている。
【００２７】
膜５を透過する加湿水によりガス室１７を貫流する作動ガスに加湿することで、膜５は気化熱損失に伴い冷却される。しかし、この熱損失は作動ガスの冷却としては僅かな程度しか表れない。何故ならば、作動ガスはガス室を貫流する際に加熱要素７の金属薄板３９に沿って流れるからである。加湿セルの作動中、加熱要素７は燃料電池ブロック５０の燃料電池１０１からの冷却水で持続的に貫流され、燃料電池１０１の温度に加熱される。金属薄板３９により、加熱水として働くこの冷却水から熱が作動ガスに伝わり、それ故作動ガスはほぼ燃料電池１０１の温度迄加熱されて再びガス室１７を離れる。従って次のことが保証される。即ち、作動ガスが加湿中にガス室１７で十分に多くの水を受け入れるので、次の過程で作動ガスが流れる燃料電池１０１の電解質膜は乾燥せず、従って損傷しない。この結果、燃料電池ブロック５０の燃料電池１０１の作動寿命は顕著に伸びる。
【００２８】
図５は、順次積層した平形燃料電池１０１のスタックと、該スタックに隣接し平形加湿セルからなるスタックとを備えた燃料電池ブロック５０を示す。該ブロック５０の燃料電池１０１は、燃料電池ブロック５０の加湿セルスタックの加湿セル１と同じ構造を持つ。
【００２９】
図６、７および８は、各々燃料電池ブロック５０の燃料電池１０１の断面を示し、燃料電池１０１のこれらの断面図は、図２、図３および図４における加湿セル１の断面図と同様の方法で配置されている。
【００３０】
燃料電池１０１は、膜を有する電解質電極ユニット１０５と、該ユニット１０５の平らな両面の各々に配置した冷却要素１０７とからなる。冷却要素１０７は、加湿セル１の加熱要素７と同様に、各々型押し構造１０９を持つ２つの金属薄板１３９を含む。両金属薄板１３９は冷却室１３７を包囲し、燃料電池１０１の作動中、冷却室１３７を経て燃料電池冷却用の冷却水が流れる。燃料電池１０１の型押し構造１０９は、電解質電極ユニット１０５と共に、該ユニットの両側に隣接して第１のガス室１１５と第２のガス室１１７とを形成する。燃料電池１０１の作動中、酸素を含む第１の作動ガスが軸方向通路１１１と放射方向通路１１３を経て第１のガス室１１５に流れ、そして水素を含む第２の作動ガスが図７に示す軸方向通路１２１と放射方向通路１２３を経て燃料電池１０１の第２のガス室１１７に流れる。加熱水が加湿セル１の加熱要素７を通って流れるのと同じ方法で、冷却水も燃料電池１０１の冷却要素１０７を通って流れる。
【００３１】
燃料電池１０１の冷却要素１０７は、加湿セル１の加熱要素７と構造・形状が同じである。加熱要素７も冷却要素１０７も、通水室３７又は１３７を形成する２つの金属薄板３９、１３９からなり、両薄板は各々型押し構造９、１０９を持つ。金属薄板３９と１３９は同じ材料からなるが、冷却要素１０７はその両外側面に付加的に金の被膜を持つ。この被膜は、冷却要素１０７と電解質電極ユニット１０５との間の電気的接触に役立つ。加湿セルの内部ではこのような電気接触は不要なので、加熱要素７の製造時にはかかる金属被膜を省略できる。加湿セル１と同様に、燃料電池１０１も弾性プラスチック等の密封材料からなる枠１０３を有し、その中に冷却要素１０７も電解質電極ユニット１０５も狭い周囲縁部分に沿って埋め込まれる。加湿セル１の枠３と燃料電池１０１の枠１０３は同じ弾性プラスチックからなる。枠３と１０３の外側形状と外形寸法が同じ故、加湿セル１の形状・寸法も燃料電池１０１の形状・寸法と同じである。加湿セル１の水透過性の膜５は、燃料電池１０１の電解質電極ユニット１０５内の電解質と同じ材料、例えば米国デラウェア州ウィミングトン所在のDupont社の、商品名"NAFION"の如きポリマーからなる。
【００３２】
加湿セル１と燃料電池１０１の要素に同じ材料、形状および大きさを適用することで、加湿セル１を簡単、迅速かつ低コストで製造できる。更に加湿セル１と燃料電池１０１との類似性に伴い燃料電池ブロック５０の企画と設計を簡単化できる。更に加湿セルと燃料電池を同様に設計した燃料電池ブロックを、非常に簡単かつ柔軟に企画し製造でき、その結果燃料電池ブロックの製造者は極めて柔軟にかつ顧客指向で製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】加湿セルの一部破断平面図
【図２】図１の加湿セルのＩＩ−ＩＩ断面図
【図３】図１の加湿セルのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図
【図４】図１の加湿セルのＩＶ−ＩＶ断面図
【図５】燃料電池ブロックの概略を示す斜視図
【図６】燃料電池の断面図
【図７】燃料電池の他の断面図
【図８】燃料電池の他の断面図
【符号の説明】
【００３４】
１ 加湿セル、３ 枠、５ 膜、７ 加熱要素、９ 型押し構造、１１ａ、１１ｄ、２１ａ、２１ｄ、３１ａ、３１ｄ、１２１ 軸方向通路口、１１ｂ、１１ｃ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、３１ｂ、３１ｃ 軸方向通路、１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、３３ａ、３３ｂ、１２３ 放射方向通路、１５ 加湿水室、１７、１１５、１１７ ガス室、３７ 加熱水室、３９、１３９ 金属薄板、５０ 燃料電池ブロック、１０１ 燃料電池、１０３ 枠、１０５ 電解質電極ユニット、１０７ 冷却要素、１０９ 型押し構造、１３７ 冷却水室

Claims (7)

1. 平形燃料電池（１０１）のスタックと平形加湿セル（１）のスタックとを備え、加湿セル（１）が、各々ガス室（１７）、加湿水室（１５）および両室間に配置された水透過性の膜（１５）を含む燃料電池ブロック（５０）において、各加湿セル（１）が、ガス室（１７）に隣接する平らな加熱要素（７）を有することを特徴とする燃料電池ブロック。
2. 加熱要素（７）が２つの金属薄板（３９）からなり、両金属薄板間に加熱水室（３７）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ブロック。
3. 一方の金属薄板（３９）がガス室（１７）を形成する型押し構造（９）を有し、他方の金属薄板（３９）が加湿水室（１５）を形成する型押し構造（９）を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池ブロック。
4. 燃料電池（１０１）が各々１つの冷却要素（１０７）を含み、冷却要素（１０７）の構造および形状が加熱要素（７）と同じであることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の燃料電池ブロック。
5. 加熱要素（７）および冷却要素（１０７）が１つ以上の同じ材料からなり、冷却要素（１０７）が加熱要素（７）に対し付加的な金属被膜を有することを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の燃料電池ブロック。
6. 燃料電池（１０１）の外側形状と外形寸法が、加湿セル（１）の外側形状と外形寸法と同一であることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の燃料電池ブロック。
7. 加熱要素（７）と冷却要素（１０７）が、各々同じ材料からなる枠（３、１０３）によって囲われたことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の燃料電池ブロック。