JP2006134866A - 燃料利用率の高い燃料電池の流れフィールド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの均一な性能及び効率の向上を助長するために最適化された流れフィールド構造及び流路構造を提供する。
【解決手段】固体酸化物燃料電池の流れフィールドプレートにある流路３６の一方の壁を形成する流れフィールド３８において、流れフィールドは、形状の異なる流れ障壁５２、６４、６６のパターン化アレイを有する平坦な基板４０を含み、流れ障壁は、基板から流路の内部へ突出する。流れフィールドの流路の横断面の面積は、流れの方向に減少し、形状の異なる流れ障壁は、丸形流れ障壁及び楕円形流れ障壁５２、６４、６６を含む構造。
【選択図】図２

Description

本発明は、高性能燃料電池に関し、特に、燃料電池システムの均一な性能及び効率の向上を助長するために最適化された流れフィールド構造及び流路構造に関する。

燃料電池は、反応物、すなわち、燃料及びオキシダントを変換して、電力と反応生成物を生成する。一般に、燃料電池は、２つの電極、すなわち、カソードとアノードの間に配置された電解質を採用する。好ましい燃料電池の種類は、固体酸化物電解質を含み相対的に高い温度で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む。一般に、ＳＯＦＣは、酸素イオン伝導体（安定化ジルコニア、不純物添加セリア及び不純物添加没食子酸ランタン）又は陽子伝導体（不純物添加灰チタン石Ｂａ（Ｓｒ）ＣｅＯ_３、Ｂａ（Ｓｒ）ＺｒＯ_３及び混合灰チタン石Ａ_３（Ｂ’Ｂ”）Ｏ_９）を電解質として採用する。現在、ＳＯＦＣは、ほぼ例外なく、電解質として、酸素イオン伝導イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を使用する。
酸素イオン電解質を使用する固体酸化物燃料電池の通常の動作中、オキシダント中の酸素は、カソードにおいて電気化学的に還元され、通常、その結果、酸素イオンと電子が生成される。酸素イオンは、反応場所から電解質を介して伝導され、アノードで燃料と電気化学的に反応して、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２を形成する。更に、採用される燃料に応じて、他の種が生成される可能性もある。

高性能の燃料電池を実現するためには、流れフィールドの均一性は、非常に重大な問題である。電池の電極面全体に、適切なアノード流れ及びカソード流れが到達しなければならない。従って、流れフィールドは、電池プレート全体に沿った流れが、できる限り均一であるように保証し、且つ電池における流れの圧力降下を自在に増減できる融通性を提供するように設計されるべきである。通常、燃料電池スタックにおける電池の数に基づいて、必要とされる電池の圧力降下を判定するのは、スタックのマニホルド構造である。

また、燃料電池の性能を最適化するために、燃料電池全体にわたり電流密度を均一にすることも要求される。電流密度が均一であれば、電池における望ましくない温度勾配は排除される。更に、電流密度は、アノード流れにおける活性燃料（水素など）の分圧及びカソード流れにおける酸素の分圧に直接に関連する。反応物入口から出口まで、燃料電池に沿って、活性反応物の分圧は、反応が起こるたびに、また、反応物が消費されるたびに低下する。分圧の低下は、極めて大きくなることがあり、その結果、電池のネルンスト電位は降下し、電極における反応速度は、流れに沿って著しく減少する。その結果、燃料電池全体の電流密度は、不均一になる。

流路構造及び流れフィールド構造を含めた代表的な燃料電池構造は、例えば、特許文献１；特許文献２；特許文献３；特許文献４；特許文献５；及び特許文献６に見ることができる。
米国特許第６，５８６，１２８号 米国特許第６，０９９，９８４号 米国特許第６，０９３，５０２号 特開平１１−５１１２８９号 米国特許第５，６８６，１９９号 特開平０３−２０５７６３号

本発明は、新たな流れフィールド構造及び流路構造により、燃料電池全体の性能を向上しようとするものである。この目的のために、本発明は、燃料電池の流れフィールドに要求される２つの課題、すなわち、１）燃料電池における流れの均一性を向上するために、流れ抵抗を一様にし、且つ２）燃料電池における流れの圧力降下を自在に増減できる融通性を持たせるという課題に対応する。

また、本発明は、流れに沿った活性反応物の分圧の減少率を緩和するのを助け、その結果として、燃料電池の電流密度及び性能の均一性を向上するために、流速を増加することを可能にする流れフィールドプレートの構造を提供するという課題にも対応する。

実施形態においては、燃料電池システムの燃料利用率を向上し、それにより、燃料の利用を増加するように設計された一連の代替流れフィールドも開示される。それらの流れフィールド構造では、打ち抜き加工又は機械加工された流れフィールドに、複数のディンプル又は突起が、選択されたパターンに従って形成される。それらのディンプル又は突起は、流れ障壁として作用し、様々な流れ経路に沿って、均一な流れ抵抗を発生させる。

一実施形態においては、燃料流れは、燃料電池の一方の側面の中央にある開口部から、流れフィールドに導入される。流れの方向に、開口部を通して、「中央通路」が配置される。中央通路は、流れを中央通路の両側へ方向転換させる２つの流れ障壁列から構成される。中央通路の幅は、流れの方向に沿って変化（すなわち、減少）してもよい。これは、流れが燃料電池の反対側に近づくにつれて、流れの量が徐々に少なくなるからである。中央通路の両側の流れフィールドは、円形又は楕円形の流れ障壁（すなわち、ディンプル）から成るいくつかの列を具備する。それらの障壁は、互いに整列されても良いし、位置がずれていてもよい。障壁の位置をずらして配列すると、流れの混合が改善されるため、電極への燃料の拡散が向上し、それにより、燃料電池の性能の向上は、更に助長される。先に述べた通り、流れは、中央通路から両方向に自在に方向転換でき、燃料電池の両端部にある一連の小さな穴を通って、燃料電池から流出する。流れ抵抗を増減させ、その結果、流れの一様性を確保するための適切な総流れ抵抗を得るために、それらの穴の直径は、側面に沿って変化してもよい。上述の流れフィールド構造の変形例においては、流れは、燃料電池の一端部からのみ流出する。

別の実施形態では、アノード流れ又はカソード流れは、燃料電池の一端部から流入し、燃料電池の反対側の端部から流出する。この場合、電池の両側面は、閉鎖される。流れの方向に沿って設けられる流れ障壁は、前述したように、１列に整列されてもよいし、位置がずれていてもよい。流れは、また、前述したように、一連の小さな穴を通って、燃料電池の反対側から流出する。

更に別の実施形態においては、カソード流れ又はアノード流れは、燃料電池の一端部にある第１のマニホルドを通して、流れフィールドに導入される。この構造の変形例によれば、燃料電池から流出する流れは、電池の反対側の端部にある第２のマニホルドを介して回収される。

燃料電池の流路の構造に関しては（上述の流れフィールドは、管状流路の一方の面に形成される）、下流側で流速を増すために、流路の高さ又は幅を流れの方向に徐々に減少させてもよい。一実施形態においては、蛇行流れに、可変幅流路が組み込まれる。

従って、１つの面においては、本発明は、固体酸化物燃料電池の流れフィールドプレートにある流路の一方の壁を形成する流れフィールドであって、形状の異なる流れ障壁のパターン化アレイを有する平坦な基板を具備し、流れ障壁は、基板から流路の内部へ突出するような流れフィールドに関する。

別の面においては、本発明は、固体酸化物燃料電池で使用するための流れフィールドであって、複数の流路を具備し、各流路は、形状の異なる流れ障壁のパターン化アレイを有する平坦な基板を含み、流れ障壁は、基板から流路の内部へ突出し、形状の異なる流れ障壁は、流れの方向に互いに位置のずれた列として配列された丸形流れ障壁及び楕円形流れ障壁を含むような流れフィールドに関する。

更に別の面においては、本発明は、固体酸化物燃料電池の流れフィールドプレートであって、プレートには、複数の流路が形成され、各流路の横断面の面積は、流れ方向に減少し、流路の壁の少なくとも一方に、流路の内部へ突出し、形状の異なる流れ障壁のパターン化アレイが設けられるような流れフィールドプレートに関する。

更に別の面においては、本発明は、カソードとアノードとの間に挟まれた固体酸化物電解質と、カソード及びアノードとそれぞれ動作可能に関連する一対の対向する流れフィールドプレートとを具備する固体酸化物燃料電池であって、各々の流れフィールドプレートには、複数の流路が形成され、流路の少なくとも一方の壁に、流路の内部へ突出し、形状の異なる流れ障壁のパターン化アレイが形成されるような燃料電池に関する。

次に、添付の図面に関連させて、本発明を詳細に説明する。

典型的な固体酸化物燃料電池スタックの概略図が、図１に示される。しかし、図示を簡潔にするため、図１は、スタック中の１つの燃料電池のみを示す。燃料電池１０は、カソード１４とアノード１６との間に挟まれた固体酸化物電解質１２を含む電解質‐電極構体を具備する。動作中、オキシダント（通常は空気）は、入口２２を経て流れフィールドプレート１８に供給され、燃料（通常は水素）は、入口２４を経て流れフィールドプレート２０に供給される。オキシダントの流れは、出口２６において燃料電池１０から排出され、燃料の流れは、出口２８において燃料電池１０から排出される。動作中、電力は、抵抗器３０として示される負荷へ送り出される。

反応物を流出方向にカソード及びアノードの表面へ直接に送り出すために、流れフィールドは、流れフィールドプレート１８、２０に形成された分配経路又は流路３２、３４に組み込まれる。

図２を参照すると、流れフィールドプレート１８又は２０に形成された１つの燃料電池流路３６の流れフィールド構造が概略的に示される。流れフィールド３８は、平坦な基板４０を含む。カソード又はアノードに対向して、流路内に複数の流れ障壁を挿入するために、基板４０は、エンボス加工されるか、又は他の適切な形状に形成される。一般に、空気又は燃料の流れ（あるいは、単に流れ）は、流路３６の側面４４の中央に位置する開口部又は入口４２から、流路の内部へ導入される。流れフィールドプレート３８には、互いに離間して配置される楕円形の流れディンプル又は流れ障壁５２から成る２つの列４８、５０により、「中央通路」４６が形成又は規定される。流れ障壁５２は、流路の中へ突出する。中央（又は流れ）通路は、流れ方向に沿って、均一な幅を有してもよいし、幅は変化してもよい。中央の２つの列４８、５０の流れ障壁５２が互いに離間して配置されることにより、流れは、中央通路の両側へ、ほぼ９０°方向転換する。流れは、ディンプル６４と楕円部分６６との間の空間を通って蛇行し、流路の両端部５８、６０にそれぞれ設けられた小さな穴５４、５６の形態をとる複数の出口を経て流出する。出口５４、５６の開口部の大きさは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。側面６２は閉鎖され、側面４４は、入口４２が形成されている場所を除いて閉鎖される。従って、全ての流れは、入口４２における流れの方向に対して横の方向に、流路３６の両端部から出るように誘導される。

中央通路４６の両側の流れフィールドは、円形の流れ障壁６４から成るいくつかの列と、楕円形の流れ障壁６６から成るいくつかの列とから構成される。中央通路４６に隣接して位置する流れ障壁又はディンプル６４は、丸形であり、流出方向に位置をずらして配列される。それらの流れ障壁より大きい楕円形の流れ障壁（又は楕円部分）６６は、長軸が流出方向と平行になるように向きを定められ、同様に、流出方向に位置をずらして配列される。障壁の位置をずらすことにより、流れは、更によく混合されるようになり、その結果、電極内への流れ拡散が向上し、燃料電池の性能を更に高める。図２に示されるような障壁の形状及びパターンは、単なる一例であり、必要条件に適合するように変更されてもよい。

図３は、図２の構造に類似する別の流れフィールド構造を示すが、図３の場合、流路６８は、実質的に、流路３６の半分になるように構成される。従って、流れは、流路の一方の端部７０からのみ流出できる。流れは、入口７４を経て流路の側面７２に入り、この構造においては閉鎖されている端部７６に沿って進む。流れは、端部７６に沿って誘導されるが、端部７０に向かって向きを変え、横方向に流れる。その後、流れは、端部７０の複数の出口（小さな穴）７８を通って流出する。流れフィールド障壁は、互いに離間して配置された楕円形の流れ障壁８４と端部７６との組み合わせで、入口通路８２が形成されるという意味で、前述した実施形態に類似する態様で、基板８０に形成される。円形のディンプル８６から成る互いに位置のずれた列と、楕円形のディンプル８８から成る互いに位置のずれた列は、通路８２から出口穴７８に至る、横方向、すなわち、流出方向の複数の流れ経路を規定する。

図４に示される別の実施形態においては、流路９０は、ほぼまっすぐな流れフィールドを有するように設計される。側面９２及び９４は閉鎖され、端部９６は、入口流れに対して開いている。反対側の端部９８は、複数の穴又は出口１００を除いて、閉鎖される。端部９６及び９８の間には、丸形の流れ障壁１０２から成る互いに位置のずれた列と、楕円形の流れ障壁１０４から成る互いに位置のずれた列が、基板１０６に形成される。尚、小さい丸形流れ障壁１０２は、入口に近接し、それより大きい楕円形の流れ障壁１０４は、入口の下流側に位置し、楕円の長軸は、流れ方向と平行に配列される。

流れ抵抗を増減し、その結果として、流れの一様性を確保する適切な総流れ抵抗を得るために、穴１００、並びに図２の穴５４及び図３の穴７８の直径を変えてもよい。また、所定の流量及び要求される燃料電池出力に合わせて、所望の均一な流れを得るために、流れ障壁１０２及び１０４、並びに図２の障壁５２、６４及び６６及び図３の障壁８４、８６及び８８の大きさ、形状及び密度を変えてもよい。

図５は、図４の流路９０に類似するが、カソード流れ又はアノード流れがマニホルドを経て導入されるような、更に別の流路及び流れフィールド構造を示す。従って、流路１０６の側面１０８、１１０は閉鎖され、一方の端部１１２は、複数の出口穴１１４を除いて閉鎖される。しかし、流路の入口１１６は、ほぼ円錐を反転させた形状の壁により形成され、その中心に、アノード流れ又はカソード流れを流れフィールド内へ導入するための入口マニホルド１１８が形成される。流れフィールドは、基板１２４に形成された相対的に小さい丸形の流れ障壁１２０及び相対に大きい楕円形の流れ障壁１２２から構成される。それらの流れ障壁は、図４の流れ障壁とほぼ同じように配列される。すなわち、流れの方向に、互いに位置をずらして配列される。

図６においては、基板１３１に形成された流路１３０及び流れフィールド構造は、図５の流路１１２に類似しているが、この場合、流れの導入と回収は、共に、マニホルドを経て行われる。特に、流路１３０の側面１３２、１３４は閉鎖され、流路の入口１３６は、ほぼ円錐形を反転させた形状の端壁により形成される。入口１３６の中心には、アノード流れ又はカソード流れを流路内へ導入するための入口マニホルド１３８が形成される。出口１４０も、同様の円錐形の端壁により形成され、その中心に、出口マニホルド１４２が設けられる。内部流路端壁１４６にある出口１４４は、出口流れをマニホルドに供給する。この構成は、カソード流れ又はアノード流れが流路の出口で回収される場合に望ましい。他の点では、流れ障壁１４８、１５０は、形状及びパターンの双方に関して、図５の障壁１２０、１２２とほぼ同一である。

次に、図７〜図１０を参照すると、本発明の第２の特徴は、流れフィールドプレートにおける流路の形状に関し、特に、燃料電池全体にわたる均一な性能の実現を助けるために、流路の横断面が徐々に狭くなるように設計された構成に関する。流速を増すことにより、流れに沿った分圧の減少率が緩和され、その結果として、燃料電池の電流密度の均一性が向上する。図７には、周知の流路構成が示される。図７の構成の場合、流路１５６の壁１５２及び１５４は、アノード／電解質／カソード構体１５８と組み合わされて、アノード流れに対応する流路１６０と、カソード流れに対応する流路１６２とを形成する。それら２つの流路の横断面は、一様である。

図８においては、本発明の一実施形態による流路１６４は、中央に配置されたアノード／電解質／カソード構体１７０の両側に、一対の壁又は側面１６６及び１６８を含む。流れ方向に、流路の少なくとも２つの対向する壁を傾斜させることにより、アノード流れに対応する流路１７２及びカソード流れに対応する流路１７４の横断面は、徐々に縮小され、その結果、下流方向、すなわち、流れ方向における流速が増加する。図２〜図６の流れフィールド構造を、この流路１６４に取り入れてもよく、その場合、流れ障壁は、壁１６６、１６８の内側に形成される。

図９においては、本発明の別の実施形態は、管状燃料電池１７６における流路構造に関する。この実施形態では、アノード１７８、電解質１８０及びカソード１８２は、Ｃ字形構成で形成され、内部の流路壁１８４、１８６は、空気入口通路１８８と、一対の出口通路１９０、１９２とを規定する。流れの方向に、出口通路の面積を縮小するために、壁１８４、１８６は傾斜している。横断面の面積が縮小されることにより、下流方向の流速は増加する。壁１８４、１８６の、カソードに隣接する側面に、前述の流れフィールド障壁構造を設けてもよい。

図１０には、図９の流路１７６に類似するが、空気がカソード１９６に沿って流れ、燃料は、内部で、入口通路２０６及び出口通路２０８、２１０を通って流れるように、カソード１９６、電解質１９８及びアノード２００が、内壁２０２、２０４を挟んで配列されるという意味で、図９の流路とは逆の配置である流路１９４が示される。出口通路の横断面の面積は、流れ方向に縮小する。この場合にも、壁２０２、２０４の、アノードに対向する面に、流れフィールドプレート構造が形成されてもよい。

図１１には、上述の実施形態の場合と同様に、下流方向に流速を増すために、幅が徐々に縮小される燃料電池２１２が示される。特に、燃料電池２１２は、アノード流路２２４（側面２２０、２２２及び上面２１４により形成される）と、カソード流路２２６（側面２２８、２３０及び底面２１６により形成される）とを含む。それら２つの流路は、アノード／電解質／カソード構体２１８を挟んで、縦に積み重ねられる。上面２１４及び底面２１６の幅は、流れの方向に徐々に縮小されるため、流路２２４及び２２６における流速は、下流方向に、電池の面積が狭くなっている部分に向かって増加される。従って、幅が一定の流路と比較して、燃料電池の性能が向上することが期待される。アノード及びカソードにそれぞれ面する内面２１４及び２１６に、図１〜図６に関連して説明したような流れフィールド構造が形成されてもよい。

図１２は、本発明の更に別の実施形態を示す。しかし、この場合、流路２３２は、平行な側面２３４、２３６と、平行な端部２３８、２４０とから構成され、内壁２４２、２４４及び２４６は、隣接する側面２３４、２３６に対して傾斜している。従って、内壁は、側面２３８の上部に入口２４６を有する蛇行流路を形成する。蛇行流路の各部分の横断面は、流れ方向に、一方の端部から他方の端部まで縮小する。この蛇行流路は、平坦な基板２４８に、ディンプル又は突起などの流れ障壁を含んでもよい。下流方向に流速が増すことによって、燃料電池の性能は向上することが期待される。

現時点で最も実用的で、好ましい実施形態であると考えられるものに関連して、本発明を説明したが、本発明は、開示される実施形態に限定されてはならず、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる様々な変形及び等価の構成を含むことが意図されていると理解すべきである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

典型的な燃料電池の概略図。 本発明の一実施形態に従った流れフィールドの構造を取り入れた燃料電池の概略図。 本発明の別の実施形態に従った流れフィールド構造の概略図。 本発明の第３の実施形態に従った流れフィールド構造の概略図。 本発明の第４の実施形態に従った流れフィールド構造の概略図。 本発明の第５の実施形態に従った流れフィールド構造の概略図。 横断面が均一である流路を含む周知の燃料電池構造の概略図。 本発明の一実施形態に従った可変横断面の流路を含む燃料電池を示す概略図。 本発明の別の実施形態に従った可変横断面の流路を含む管状燃料電池の概略図。 図９に示される管状燃料電池の変形例を示す図。 本発明の別の実施形態に従って、流路の幅が流れ方向に沿って徐々に縮小されるような流路の概略図。 本発明の別の実施形態に従った可変幅流路を含む蛇行流れフィールドの概略図。

符号の説明

１０…燃料電池、１２…固体酸化物電解質、１４…カソード、１６…アノード、１８、２０…流れフィールドプレート、３６…流路、３８…流れフィールド、４０…基板、４２…入口、４６…中央通路、４８、５０…流れ障壁の列、５２…流れ障壁、５４、５６…小さな穴（出口）、６４…ディンプル、６６…楕円形の流れ障壁、６８…流路、７４…入口、７８…出口、８０…基板、８２…入口通路、８４…楕円形の流れ障壁、８６…円形ディンプル

Claims (10)

1. 固体酸化物燃料電池（１０）の流れフィールドプレート（１８）にある流路（３６）の一方の壁を形成する流れフィールド（３８）において、前記流れフィールドは、形状の異なる流れ障壁（５２、６４、６６）のパターン化アレイを有する平坦な基板（４０）を具備し、前記流れ障壁は、前記基板から前記流路の内部へ突出する流れフィールド。
2. 前記形状の異なる流れ障壁は、丸形流れ障壁及び楕円形流れ障壁（５２、６４、６６）を含む請求項１記載の流れフィールド。
3. 前記楕円形流れ障壁（５２）のうちの少なくともいくつかは、長軸が前記プレートに沿った流れの方向と平行になるように配列される請求項２記載の流れフィールド。
4. 前記丸形流れ障壁及び楕円形流れ障壁（６４、６６）は、前記流れの方向に互いに位置をずらした列として配列される請求項３記載の流れフィールド。
5. 前記流路に、前記流路の一方の側面（４４）の中央に配置された入口（４２）と、前記流路の少なくとも一方の端部（５８）に沿った複数の出口（５４）とが形成される請求項１記載の流れフィールド。
6. 前記流路に、前記流路の前記少なくとも一方の端部（５８）及び反対側の端部（６０）に沿って、複数の出口（５４）が形成される請求項５記載の流れフィールド。
7. 前記出口（５４）は、同一の開口部サイズ又は異なる開口部サイズを有する請求項５記載の流れフィールド。
8. 前記流路に、前記流路の反対側の端部（７６）に隣接し且つその端部と平行して、流れ通路（８２）が規定され、前記流れ通路の一部は、前記複数の出口に向かって流れの方向を転換させるように互いに離間して配置される前記流れ障壁の第１のグループ（８４）により規定される請求項５記載の流れフィールド。
9. 前記流れ通路（４６、８２）の幅は、前記流れの方向に沿って同一であるか、又は変化する請求項８記載の流れフィールド。
10. 前記流れ障壁の前記第１のグループ（８４）は、楕円形の形状であり、その長軸は、前記流れ通路（８２）と平行に配置される請求項８記載の流れフィールド。
    

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