JP2005521219A - 燃料電池用の近付いたり離れたりする流れチャンネル - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ燃料電池は、蛇行流れ場チャンネル（６６）を有する。蛇行流れ場チャンネルは、各々、入口脚部（７６）、出口脚部（７８）、これらの脚部間の少なくとも一つの中間脚部（８０）、及び中間脚部（８０）をセクタ（Ａ−Ｈ）の他の脚部に連結するヘアピン状湾曲端を含む。各脚部は、次の隣接した脚部に近付いたり離れたりする（即ち、その長さ方向中心線が、隣接した脚部の長さ方向中心線と交差する）ように、テーパしたランド（６４）によって次の脚部から分離されている。

Description

本発明はＰＥＭ燃料電池に関し、更に詳細にはＰＥＭ燃料電池用の反応体流れ場に関する。

多くの用途用の電源として燃料電池が提案されてきた。一つの周知のこのような燃料電池は、ＰＥＭ（即ち陽子交換膜）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、いわゆる「膜電極アッセンブリ」（以下、ＭＥＡと呼ぶ）をその各セルに含む。ＭＥＡは、陽子を通す薄い（即ち約０．０３８１ｍｍ乃至０．１７７８ｍｍ（約０．００１５インチ乃至０．００７インチ））ポリマー製の膜−電解質を備えている。前記ポリマー製の膜−電解質は、その一方の面に形成されたアノード電極フィルム（即ち約０．０５０８ｍｍ（約０．００２インチ））と、その反対側の面に形成されたカソード電極フィルム（即ち約０．０５０８ｍｍ（約０．００２インチ））とを有している。このような膜−電極は当該技術分野で周知であり、とりわけ、米国特許第５，２７２，０１７号及び米国特許第３，１３４，６９１号、並びに電源誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ）第２９巻（１９９０年）の第３６７頁乃至第３８７頁に記載されている。一般的には、このような膜−電解質は、イオン交換樹脂でできており、代表的にはペルフルオロネーテッドスルホン酸ポリマー（例えば、デュポン社から入手できるナフィオン（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）は登録商標である））でできている。他方、アノードフィルム及びカソードフィルムは、代表的には、（１）カーボン微粒子と、これらのカーボン微粒子上に支持された触媒超微粒子と、触媒超微粒子及びカーボン微粒子と混合した陽子を通す材料（例えば、ナフィオン（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）は登録商標である））とを備え、または（２）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）バインダーに亘って分散したカーボンなしの触媒粒子を備える。一つのこのようなＭＥＡ及び燃料電池は、本発明の譲受人に譲渡された１９９３年１２月２１日に付与された米国特許第５，２７２，０１７号に記載されている。
[特許文献１] 米国特許第５，２７２，０１７号
[特許文献２] 米国特許第３，１３４，６９１号

ＭＥＡは、「拡散層」として公知の多孔質ガス透過性導電性材料のシート間に挟まれている。これらのシートは、ＭＥＡのアノード面及びカソード面に押し付けられており、（１）アノード及びカソード用の一次電流コレクタ（一次集電体）として、及び（２）ＭＥＡ用の機械的支持体として役立つ。適当なこのような一次電流コレクタシート（一次集電体シート）は、カーボン又はグラファイト製の紙又は布や細メッシュ貴金属スクリーン等でできており、当該技術分野で周知のように、これを通ってガスが移動し、ＭＥＡと接触できる。

かくして形成された積層体は、一次電流コレクタから電流を集めるための二次電流コレクタとして役立つ一対の導電性プレート間でプレスされ、これによって、単一のセルが画定される。複数の隣接したセルが、燃料電池のスタックを形成する。これらの導電性プレートは、双極プレートの場合、燃料電池スタック内部で、隣接したセルの間に電流を通し、また、単極プレートの場合、燃料電池スタックの外部で、隣接したセルの間にスタックの端部で電流を通す。二次集電プレートは、少なくとも一つのいわゆる「流れ場」を各々含む。流れ場は、燃料電池の気体状反応体（例えばＨ₂及びＯ₂／空気）をアノード及びカソードの表面に亘って分配する。流れ場は複数のランドを含んでいる。これらのランドは、一次電流コレクタと係合し、該ランド間に複数の流れチャンネル（流路）を形成する。前記複数の流れチャンネルを通って、気体状反応体が、流れチャンネルの一端の供給マニホールドと、流れチャンネルの他端の排気マニホールドとの間で流れる。蛇行の流れチャンネル（流路）は公知であり、多数のヘアピン状湾曲端を形成した後にのみ、供給マニホールドと排気マニホールドとを連結し、各蛇行流れチャンネル（蛇行流路）の各脚部が、同じ蛇行流れチャンネルの少なくとも一つの他の脚部を境界付けるように戻る（例えば、米国特許第６，０９９，９８４号を参照されたい）。
[特許文献３] 米国特許第６，０９９，９８４号

供給マニホールドと排気マニホールドとの間の圧力降下は、燃料電池を設計する上で可なり重要である。望ましい圧力降下を提供する一つの方法は、供給マニホールドと排気マニホールドとの間を延びる流れチャンネル（流路）の長さを変化させることである。従来、流れチャンネルの長さを変化させるために蛇行チャンネル（蛇行路又は蛇行溝）が使用されてきた。蛇行チャンネルは、脚部を離間するランドと向き合ったＭＥＡを反応体に露呈するように、同じチャンネルの隣接した脚部間のランド間をガスが拡散層を通って移動することを或る程度制限できるように設計されている。これに関し、ガスは、上流脚部を流れチャンネル（流路）の下流脚部から離間するランドの上／下で拡散層を通って移動することによって、流れチャンネル（流路）の上流脚部（即ち、ここでは圧力が高い）から同じ流れチャンネルの下流脚部（即ち、ここでは圧力が低い）まで流れることができる。しかしながら、チャンネル（流路）の脚部が長いと、同じ流れチャンネル（流路）の隣接した脚部間で過度の圧力降下が生じてしまう。このような過度の圧力降下により、ガス状反応体は、チャンネル（流路）の全長を通って流れるのでなく、隣接した脚部間を過度に短絡してしまう。このような隣接した脚部間のガスのランドを横切る移動は、脚部間のランドに面するＭＥＡで反応できる反応体の量を越えたとき、過度であると考えられる。

本発明は、流れチャンネル（流路）の形態を提供し、同じ流れチャンネルの隣接した脚部間での反応体ガスの短絡を減少する。

本発明は、脚部が平行でない流れチャンネルを持つ流れ場を提供することによって、上述のランド間を横切る短絡の問題を解決する。平行でない前記脚部の長さ方向の中心線は、互いに近づいたりあるいは離れたりするようになっており、これによって、隣接した脚部の長さ方向中心線は、流れチャンネルの外で互いに交差する。更に詳細には、本発明は、（１）陽子交換膜であって、その両側に、対向するカソード面及びアノード面を備えた陽子交換膜と、（２）カソード面と係合するガス透過性導電性カソード電流コレクタと、（３）アノード面と係合するガス透過性導電性アノード電流コレクタと、（４）前記ガス透過性導電性カソード電流コレクタと前記ガス透過性導電性アノード電流コレクタとのうちの少なくとも一方と係合し、そのガス透過性コレクタと向き合ったガス流れ場を形成する集電プレートとを備えた、一般な種類のＰＥＭ燃料電池の改良に関するものである。この改良は、流れ場に適用できる。流れ場は、複数のランドを備えている。複数のランドは、前記集電体と係合しており、また、複数のガス流チャンネルを形成している。複数のガス流チャンネルの各々は、ガス供給マニホールドとガス排気マニホールドとを流れ連通する、少なくとも一つの蛇行セクタを備えている。各セクタは、第１圧力でガスをセクタ内に受け入れるための入口脚部と、第１圧力以下の又は第１圧力よりも小さい第２圧力で前記セクタから排気するための出口脚部と、入口脚部と出口脚部との間の少なくとも一つの中間脚部とを有する。チャンネルの一端から他端までの圧力降下を増大するために幾つかの中間脚部を使用してもよい。各チャンネルの入口脚部、出口脚部、及び中間脚部は、各脚部の長さ方向中心線が同じチャンネルの次の隣接した脚部の長さ方向中心線と交差するように、テーパしたランドによって分けられている。中間脚部の各端部のチャンネルの折り返し部（例えばヘアピンカーブ）が、中間脚部を同じチャンネルの隣接した脚部に連結する。本発明による流れ場は、このようなセクタを一つ備えていてもよいし、全体に供給マニホールドと排気マニホールドとの間の方向に延びるように直列に配置されたこのようなセクタを備えていてもよい。

本発明は、添付図面と関連して以下に説明するその特定の実施例の詳細な説明を読むことにより、更によく理解されるであろう。

［実施例］
図１は、２セル双極ＰＥＭ燃料電池スタックを示す。該２セル双極ＰＥＭ燃料電池スタックは、液冷式の導電性双極プレート８によって互いから分離された一対の膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）４及び６を有する。ＭＥＡ４及び６と双極プレート８は、ステンレス鋼製のクランププレート１０及び１２と間で、また、単極端接触プレート１４及び１６との間で互いに重なっている。単極端接触プレート１４及び１６並びに双極プレート８は、各々、流れ場１８、２０、２２、及び２４を含む。流れ場は、燃料及びオキシダントガス（即ちＨ₂及びＯ₂）をＭＥＡ４及び６のアノード面及びカソード面に分配するための、前記プレートの面に形成された複数の流れチャンネル（流れ溝又は流路）を備えている。

不電導性のガスケット２６、２８、３０、及び３２が、燃料電池スタックの幾つかのプレート間でシール及び電気絶縁を提供する。拡散層として公知の多孔質ガス透過性導電性シート３４、３６、３８、及び４０が、ＭＥＡ４及び６の電極面に押し付けられる。これらのシートは、電極用の一次電流コレクタ（一次集電体）として役立ち、また、特にＭＥＡ４及び６が流れ場の流れチャンネルを橋渡しする場所で、さもなければＭＥＡが支持されていない場所で、ＭＥＡ用の機械的支持体として役立っている。適当な一次電流コレクタには、電流を電極から導くと同時に電極上で反応させるためにガスを通過させる、カーボン／グラファイト製の紙／布、細メッシュ貴金属スクリーン、連続気泡貴金属フォーム（ｏｐｅｎ ｃｅｌｌ ｎｏｂｅｌ ｍｅｔａｌ ｆｏａｍｓ）、等が含まれる。端接触エレメント１４及び１６は、一次電流コレクタ３４及び４０に夫々押し付けられ、双極プレート８は、ＭＥＡ４のアノード面の一次電流コレクタ３６と、ＭＥＡ６のカソード面の一次電流コレクタ３８とに押し付けられる。酸素は、貯蔵タンク４６から適当な供給配管４２を介して燃料電池スタックのカソード側に供給することができる。一方、水素は、貯蔵タンク４８から適当な供給配管４４を介して燃料電池のアノード側に供給することができる。好ましくは、Ｏ₂タンク４６をなくし、空気を大気からカソード側に供給してもよい。同様に、Ｈ₂タンク４８をなくし、水素を、改質器又は他の形態の燃料処理装置（燃料プロセッサ）から、アノードに供給してもよい。改質器又は他の形態の燃料処理装置は、メタノール、メタン、又は液体炭化水素（例えばガソリン）から触媒作用で水素を発生する。Ｈ₂を消費したアノードガスをアノード流れ場から除去し、Ｏ₂を消費したカソードガスをカソード流れ場から除去するため、ＭＥＡのＨ_２側及びＯ_２／空気側の両方に排気配管（図示せず）が設けられている。必要に応じて、液体クーラントを双極プレート８及び端プレート１４及び１６に供給するため、追加の配管５０、５２、及び５４が設けられている。クーラントをプレート８及び端プレート１４及び１６から排出するための適当な配管もまた設けられているが、図示していない。

図２は、双極プレート５６、第１一次多孔質電流コレクタ５７、ＭＥＡ５９、及び第２の一次多孔質電流コレクタ６１の分解斜視図であり、双極プレート５６、第１一次多孔質電流コレクタ５７、ＭＥＡ５９、及び第２の一次多孔質電流コレクタ６１は、燃料電池で互いに積み重ねられている。第２双極プレート（図示せず）が第２一次多孔質電流コレクタ６１の下に設けられ、一つの完全な電池を形成する。同様に、一次電池コレクタ及びＭＥＡ（図示せず）の別の組が上シート５８の上に置かれる。双極プレート５６は、外側の第１の金属シート５８と、外側の第２の金属シート６０と、随意の内スペーサ金属シート６２とを備えている。内スペーサ金属シート６２は、第１金属シート５８と第２金属シート６０の間に設けられている。金属シート５８、６０、及び６２はできるだけ薄く（例えば約０．０５０８ｍｍ乃至０．５０８ｍｍ（約０．００２インチ乃至０．０２インチ）の厚さを持つ）作られており、型押し、フォトエッチング（即ち写真平板マスクを使用する）、又はシート金属を賦形するための任意の他の従来のプロセスによって形成できる。外側の第１の金属シート５８は、複数の蛇行ガス流チャンネル６６を間に形成する複数のテーパしたランド６４を含む反応体ガス流れ場を提供するように形成されている。これらのガス流チャンネル６６を通って、燃料電池反応体ガス（即ちＨ₂又はＯ₂）が、双極プレートの一つの縁部６８の近くからその反対側の縁部７０の近くまでの曲がりくねった経路を流れる。燃料電池が完全に組み立てられたとき、ランド６４が一次電流コレクタ６１に押し付けられ、この一次電流コレクタがＭＥＡ５９に押し付けられる。作動では、電流が一次電流コレクタからランド６４を通って、従ってスタックを通って流れる。反応体ガスは、ヘッダー即ち供給マニホールド溝７２からチャンネル６６に供給される。ヘッダー即ち供給マニホールド溝７２は、流れ場の一端のプレート５６の縁部６８と隣接している。反応体ガスは、排気マニホールド溝７４を通って、チャンネル６６を出る。排気マニホールド溝７４は、流れ場の他端の燃料電池の反対側の縁部７０と隣接している。別の態様では、供給マニホールド及び排気マニホールドは、プレート５６の同じ縁部（即ち６８又は７０）と隣接して設けられていてもよい。金属シート５８の下側（図示せず）は、燃料電池の作動中にこの下側に亘ってクーラントを流すことができるように形成されている。

金属シート６０は、シート５８と同様である。図２には、シート６０の内側（即ちクーラント側）が示してある（詳細には示してない）。シート５８及び６０のクーラント側は、それらの間に薄いチャンバを形成しており、この薄いチャンバを通って、クーラントが、双極プレートの一方の縁部６９から反対側の縁部７１まで流れる。シート５８と同様に、シート６０の外（即ち反応体）側（図示せず）には、反応体ガスが通過する複数のチャンネル（図示せず）を形成する複数のテーパしたランドが設けられている。孔が設けられた（有孔の）内側のスペーサ金属シート６２が、外側のシート５８と６０との間にこれらと隣接して位置決めされている。スペーサ金属シート６２は、外シート５８及び６０の夫々の内側面との熱交換を更に効果的にするため、シート６０のクーラント側とシート５８のクーラント側との間にクーラントの乱流を発生する。幾つかのシート５８、６０及び６２は、好ましくは互いに鑞付けされる。

図３は、反応体流れチャンネル６６を形成するランド６４を示す、図２のプレート５８の３−３方向での断面図である。
図４は、本発明による流れ場の形態を、本発明の譲受人に譲渡されたＵＳＰＮ Ｒｏｃｋ（ロック）第６，３０９，７７３号の要旨である発明とともに最も良く示す。図４は、図２のプレート５８の平面図である（更に、図４の丸で囲った部分の拡大図である図５を参照されたい）。流れ場は、複数のテーパしたランド６４を備えている。かかるテーパした複数のランド６４は、複数の流れチャンネル６６ａ乃至６６Ｌを形成している。これらの流れチャンネルの一端は、入口供給マニホールド７２に連結されている。入口供給マニホールド７２は、ガス状の反応体（例えば空気）を、流れチャンネル６６ａ乃至６６Ｌに分配する。複数の流れチャンネル６６ａ乃至６６Ｌの他端は、排気マニホールド７４に連結されている。排気マニホールド７４は、流れチャンネル６６ａ乃至６６Ｌを出るガス状の反応体を集めるためのものである。各流れチャンネル６６ａ乃至６６Ｌは、複数のセクタＡ−Ｅを備えている。複数のセクタＡ−Ｅは、互いに直列にリンクしており、概ね、入口供給マニホールドと排気マニホールドとの間の方向に延びる。それによって、入口供給マニホールド７２から所定のチャンネル６６ａ乃至６６Ｌに進入したガスは、流れチャンネル６６ａ乃至６６Ｌから排気マニホールド７４内に出るまで、直列にリンクしたセクタＡ−Ｅの全てを通って順次流れる。各セクタＡ−Ｅは、それ自体、蛇行形態を有しており、ガスがセクタＡ−Ｅに流入する入口脚部７６と、ガスがセクタＡ−Ｅから流出する出口脚部７８と、入口脚部７６及び出口脚部７８の夫々の間の少なくとも一つの中間脚部８０とを備えている。所定のチャンネルの各脚部（即ち入口脚部、中間脚部、又は出口脚部）は、同じチャンネルの少なくとも一つの他の脚部を境界付ける（すなわち、同じチャンネルの少なくとも一つの他の脚部と隣接する）。中間脚部は、同じチャンネルの二つの脚部を境界付ける（すなわち、同じチャンネルの二つの脚部と隣接する）。中間脚部８０の各端の折り返し部８２、８６、８８、及び９０が、中間脚部８０を同じ流れチャンネルの次の隣接した脚部に、それが入口脚部７６、出口脚部７８、又は別の中間脚部８０のいずれであろうと、連結する。各セクタの幾つかの脚部（即ち入口脚部、中間脚部、及び出口脚部）は、テーパしたランド６４によって次の脚部から分離されている。そのため、隣接した脚部は、それらの長さ方向中心線６５、６７、６９、７１、７３、７５、７７、７９、８１及び８３が、適切であるように、チャンネルの外で互いに交差するように、互いに近付き、又は互いから離れている。テーパしたランド６４は、隣接した脚部間の圧力降下が最大のところで最も広幅になっており、圧力降下が最小のところで最も狭幅になっている。これによって、圧力降下が最大の場所で、不都合なランド間及び脚部間のガスの短絡が起こらないようにする。

図４に示すように、蛇行しているセクタＡ−Ｅは、下流セクタの出口脚部を上流セクタの入口脚部に連結するブリッジ区分９２によって、次のセクタに直列に連結される。図示の実施例では、ブリッジ区分９２は、流れチャンネルが（入口マニホールドから出口マニホールドまで）延びる全体方向に対して横方向に延びる。中間脚部の折り返し端８２、８６、８８、及び９０は、上掲のＵＳＰＮロック第６，３０９，７７３号に更に詳細に記載されているように、その場所での短絡を更に起こり難くするため、ブリッジ区分９２からの間隔が各々異なっている。

図６は、本発明の別の実施例を示す。該別の実施例においては、各チャンネルが、直列に整合したセクタを、図４に示す５つ（Ａ−Ｅ）でなく、Ｆ及びＧの二つしか備えていない。同様に、図７は、本発明の更に別の実施例を示す。この更に別の実施例においては、各チャンネルが、図４及び図６に示す多数のセクタでなく、一つのセクタＨしか備えていない。セクタＡ−Ｅと同様に、セクタＦ及びＧ、及びＨは、全て、本発明の互いに近付く又は互いから離れるチャンネル脚部の特徴を備えている。

本発明を一つの特定の実施例に関して開示したが、本発明をこの実施例に限定しようとするものではなく、本発明は、特許請求の範囲に記載の範囲によってのみ限定される。

図１は、ＰＥＭ燃料電池の概略分解斜視図である。 図２は、本発明による流れ場を持つＭＥＡ及び双極プレートの分解斜視図である。 図３は、図２の３−３線での拡大図である。 図４は、図２の双極プレートの平面図である。 図５は、図４の丸で囲った部分の拡大図である。 図６は、本発明の変形例を示す図４と同様の平面図である。 図７は、本発明の別の変形例を示す図４と同様の平面図である。

符号の説明

５６ 双極プレート
５７ 第１一次多孔質電流コレクタ
５８ 第１外金属シート
５９ ＭＥＡ
６０ 第２外金属シート
６１ 第２一次多孔質電流コレクタ
６２ 内スペーサ金属シート
６４ ランド
６６ ガス流チャンネル
６８、７０ 縁部
７２ 供給マニホールド溝
７４ 排気マニホールド溝

Claims (3)

1. ＰＥＭ燃料電池であって、
   （１）両側にカソード面及びアノード面を持つ陽子交換膜と、
   （２）前記カソード面と係合するガス透過性導電性カソード電流コレクタと、
   （３）前記アノード面と係合するガス透過性導電性アノード電流コレクタと、
   （４）前記ガス透過性導電性カソード電流コレクタ及び前記ガス透過性導電性アノード電流コレクタのうちの少なくとも一方と係合し、この一方のガス透過性コレクタと向き合ったガス流れ場を形成する集電プレートとを備えており、前記流れ場は、複数のランドを備えており、該複数のランドは、前記一つの電流コレクタと係合し、複数の蛇行ガス流れチャンネルを形成しており、
   前記チャンネルの各々は、ガス供給マニホールドをガス排気マニホールドと流れ連通する少なくとも一つの蛇行セクタを備えており、
   前記セクタは、ガスを前記セクタ内に第１圧力で受け入れるための入口脚部と、前記ガスを前記セクタから前記第１圧力以下の第２圧力で排気するための出口脚部と、前記入口脚部と前記出口脚部との間の少なくとも一つの中間脚部とを有しており、
   前記チャンネルの各々の前記入口脚部、前記出口脚部、及び前記中間脚部は、各々、長さ方向中心線を有しており、前記長さ方向中心線は、同じチャンネルの次の隣接した脚部の長さ方向中心線と交差しており、
   前記中間脚部の各端の折り返し部が、前記中間脚部を、同じチャンネルの隣接した脚部に連結する、ＰＥＭ燃料電池。
2. 請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池において、
   前記セクタの各々は、前記入口脚部と前記出口脚部との間に複数の前記中間脚部を含む、ＰＥＭ燃料電池。
3. 請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池において、
   前記チャンネルの各々は、直列的につながれた複数の前記セクタを備えた、ＰＥＭ燃料電池。

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