JP2006506778A

JP2006506778A - 液体冷却式燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2006506778A
Application number: JP2004551453A
Authority: JP
Inventors: ハードトレ，トーマス; アール．モータザビ，ハミッド; ジェイ．ステインバッハ，アンドリュー; ケー．デーベ，マーク; エー．シュレイフ，ラリー
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2004045013A2; CN100533832C; WO2004045013A3; EP1573844A2; ATE451730T1; US20040096715A1; CN101027809A; CA2505830A1; EP1573844B1; DE60330500D1; KR20050074611A; AU2003268403A1

Abstract

１つ以上の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む燃料電池モジュールと、冷却チャネルを含む冷却プレートと、各冷却チャネル入口と連通するマニホルドボックスと、冷却チャネル入口に対して一様に分配された複数のディフューザ出口を有する、マニホルドボックス内のディフューザとを含む、液体冷却式燃料電池スタックを提供する。典型的には、２チャンバマニホルドボックスを使用して、スタックの互いに反対側の冷却チャネル内の互いに反対方向の冷却剤の向流を可能にする。典型的には、スタックは、その外側の周りで絶縁される。

Description

本発明は、エネルギー省によって認められた協力協定ＤＥ−ＦＣ０２−９９ＥＥ５０５８２に基づき政府の援助でなされた。政府は、本発明における特定の権利を有する。

本発明は、スタック全体にわたって冷却されかつ均一に温度管理される、液体冷却式燃料電池スタックに関する。

当該技術において説明されておらず、かつ本発明によって提供されるのは、均一な冷却剤流、冷却剤向流、および外部絶縁をもたらすことによって、燃料電池スタック全体にわたって冷却し実質的に均一な温度を維持する装置である。

簡単に言えば、本発明は、１つ以上の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む燃料電池モジュールと、冷却チャネルを含む冷却プレートと、各冷却チャネル入口と連通するマニホルドボックスと、冷却チャネル入口に対して一様に分配された複数のディフューザ出口を有する、マニホルドボックス内のディフューザとを含む、液体冷却式燃料電池スタックを提供する。典型的には、２チャンバマニホルドボックスを使用して、スタックの互いに反対側の冷却チャネル内の互いに反対方向の冷却剤の向流を可能にする。典型的には、スタックは、その外側の周りで絶縁される。

本発明の利点は、燃料電池スタックの冷却をもたらし、一方、スタック全体にわたって実質的に均一な温度を維持することである。

燃料電池スタックの動作は、３つの寸法で延びた大きいブロックの形態をとり、かつ、全体にわたってかなりの熱を発生し、一方、ブロック全体にわたって均一な温度を維持する１つの電力発生設備を冷却するという問題を提示する。

本発明は、１つ以上の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む燃料電池モジュールと、冷却チャネルを含む冷却プレートと、各冷却チャネル入口と連通するマニホルドボックスと、典型的には、冷却チャネル入口に対して一様に分配された複数のディフューザ出口を有する、マニホルドボックス内のディフューザとを含む、液体冷却式燃料電池スタックを提供する。典型的には、２チャンバマニホルドボックスを使用して、スタックの互いに反対側の冷却チャネル内の互いに反対方向の冷却剤の向流を可能にする。典型的には、スタックは、その外側の周りで絶縁される。

燃料電池は、水素などの燃料、および酸素などの酸化剤を使用して、電流を発生する。２つの化学反応物、すなわち、燃料および酸化剤は、触媒を含有する２つの絶縁された電極で別々に反応する。２つの反応物の直接化学反応を防止し、イオンを伝導するために、イオン交換要素が電極間に配置される。典型的な水素燃料電池の場合、イオン交換要素はイオン伝導膜（ＩＣＭ）である。ＩＣＭは、水素電極から酸素電極にプロトン（Ｈ⁺）を伝導する。電子が別個の外部電気経路に従い、それにより、電流を発生する。ＩＣＭと電極との組合せは、一般に、「膜電極アセンブリ」すなわちＭＥＡと呼ばれる。触媒電極材料をＩＣＭ上に直接コーティングして触媒コーティング膜（ＣＣＭ）を形成してもよい。典型的には、流体輸送層がＩＣＭの各側に塗布され、これは、ガス拡散層（ＧＤＬ）、拡散体／集電体（ＤＣＣ）、または流体輸送層（ＦＴＬ）と呼んでもよい。ＧＤＬは、導電性であり、しかも、反応物流体および生成物流体の通過を可能にする多孔性材料の層である。典型的なガス拡散層は、しばしば紙または布の形態の、炭素繊維を含む。ＭＥＡという用語は、ＧＤＬが取付けられたまたは取付けられていないＣＣＭを説明する。５層ＭＥＡという用語は、特に、ＧＤＬが付着されたＣＣＭを説明する。触媒電極層は、完成したＭＥＡのＩＣＭとＧＤＬとの間に配置され、結果として生じる５層ＭＥＡが、ＧＤＬ、触媒、ＩＣＭ、触媒、ＧＤＬを順に含む限り、製造の間、ＩＣＭまたはＧＤＬに塗布してもよい。本発明の実施において、任意の適切なＭＥＡを使用してもよい。

ＭＥＡは、典型的には、分配プレートとして知られ、バイポーラプレート（ＢＰＰ）またはモノポーラプレートとしても知られている２つの剛性プレートの間に挟まれる。ＧＤＬと同様に、分配プレートは導電性でなければならない。分配プレートは、典型的には、炭素複合体材料、金属材料、またはめっき金属材料から製造される。分配プレートは、典型的には、ＭＥＡに面する表面に彫られるか、ミリングされるか、成形されるか、スタンピングされた１つ以上の流体伝導チャネルを通して、ＭＥＡ電極表面におよびＭＥＡ電極表面から反応物流体または生成物流体を分配する。これらのチャネルは、時にはフローフィールドと呼ばれる。分配プレートは、スタック内の２つの連続したＭＥＡに流体を分配しまたそれらから流体を分配されることができ、それにより一方の面が燃料を第１のＭＥＡのアノードに送り、他方の面が酸化剤を次のＭＥＡのカソードに送る（生成物水を除去する）。したがって、分配プレートは「バイポーラプレート」と呼ばれる。あるいは、分配プレートは、片側のみでチャネルを有して、その側のみのＭＥＡに流体を分配しまたその側のみのＭＥＡから流体を分配されてもよく、この分配プレートは「モノポーラプレート」と呼ばれる。当該技術において用いられるようなバイポーラプレートという用語は、典型的には、モノポーラプレートも網羅する。典型的な燃料電池スタックは、バイポーラプレートと交互に積重ねられたいくつかのＭＥＡを含む。

ＭＥＡは、使用中は圧縮下で維持される。圧縮の程度は、過剰な圧縮または圧縮不足を回避するように、所与のＭＥＡに対して選択される。圧縮不足は、さまざまな層の間の不十分な電気的接触、およびガスケットにおける不十分なシーリングをもたらすことがある。過剰な圧縮は、ＧＤＬの細孔を閉じることによって、または、ＧＤＬの、分配プレートのフローフィールドチャネル内への「テンティング（ｔｅｎｔｉｎｇ）」によって、ＭＥＡの損傷、およびガス経路の閉塞をもたらすことがある。ＭＥＡは、共通の圧力にスタック内のＭＥＡのすべてをまとめて圧縮する機構によって、たとえば、スタックの周囲に配置されるかスタックの中央を通って延びる、タイロッド、長いボルト、または締付けデバイスの使用によって、圧縮してもよい。あるいは、ＭＥＡは、本明細書と同日に出願された同時係属中の特許出願第１０／２９４，２２４号明細書に記載されているような機構の使用によって圧縮してもよい。そのシステムにおいて、燃料電池モジュールと交互の圧縮プレート、および各燃料電池モジュールは、対の圧縮プレートを接合する機械的リンクの作用によって個別に圧縮される。そこに記載された圧縮プレートは、以下で説明されるように、冷却プレートを兼ねてもよい。

ＭＥＡは、使用の間かなりの熱を発生し、したがって、熱の除去のための何らかの機構を必要とする。スタック全体にわたる温度の均一性が、低減した性能およびＭＥＡの損傷を含む、より熱いまたはより冷たいスポットの有害な影響を回避するために重要である。本発明は、液体冷却される燃料電池スタックを企図する。

図１を参照すると、本発明の実施に有用な燃料電池スタックは、燃料電池モジュール（２０）と交互に積重ねられた冷却プレート（１０）を含む。燃料電池モジュール（２０）は、少なくとも１つの膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（３０）を含み、２つ以上のＭＥＡ（３０）を収容してもよい。ＭＥＡ（３０）は、分配プレート（４０）と交互に挟まれて、燃料電池モジュール（２０）を形成する。冷却プレート（１０）は、任意の適切な材料から製造してもよい。冷却プレート（１０）は、典型的には、金属またはめっき金属材料などの熱伝導性材料から製造される。典型的には、冷却プレートは、導電性材料から製造される。付加的な考慮事項は、重量、コスト、および製造性を含む。典型的には、冷却プレートはアルミニウムである。冷却プレート（１０）は、典型的にはプレートの両側に、入口および出口を有する液体冷却チャネル（１１１）を含む。冷却チャネルは、円形、矩形、楕円形などの任意の適切な断面形状を有してもよい。典型的には、燃料電池モジュール（２０）は、各ＭＥＡ（３０）が少なくとも１つの冷却プレート（１０）に隣接するように、１つまたは２つのＭＥＡ（３０）を含む。

冷却プレート（１０）は、外部マニホルド（１２１、１２２、１２３、１２４）と相互作用するように構成された入口および出口を含んでもよく、反応物流体または生成物流体を、分配プレート（４０）におよび分配プレート（４０）から送出し、分配プレート（４０）は、反応物流体または生成物流体を、ＭＥＡ（３０）におよびＭＥＡ（３０）から送出する。したがって、入口および出口は、前記分配プレートへのおよび／または前記分配プレートからの流体の輸送のための反応物／生成物経路を構成する。冷却プレート（１０）の入口および出口は、Ｏリングシールを介して、分配プレート（４０）のポートと相互作用してもよい。入口および出口が、冷却プレート（１０）の材料に対して腐食性を有する流体を搬送する場合もあるので、入口および出口は、それらの内面上に耐腐食性コーティングを有してもよいし、冷却プレートの材料以外の材料、典型的には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ポリマーを含んでもよい、中に輸送される反応物または生成物に対して不活性の材料を含むインサートピースを取付けてもよい。あるいは、反応物／生成物マニホルドが燃料電池スタックの内部に配置されてもよい。内部マニホルディングの場合、各マニホルドは、連続した燃料電池モジュール（２０）および冷却プレート（１０）を通る一連の一致する開口部を、典型的には各プレートまたはモジュールの平面に直交する方向に含む。典型的には、Ｏリングまたは他のシールが、燃料電池モジュール（２０）と冷却プレート（１０）との間に配置されて、シールされたマニホルド経路を形成する。反応物および生成物マニホルドは、分配プレート（４０）の適切なチャネル内に開口する、各燃料電池モジュール（２０）の経路と連通する。

図１は、本明細書と同日に出願された同時係属中の特許出願第１０／２９５，５１８号明細書に記載されているような、冷却プレートが圧縮プレートを兼ねるシステムを示す。対の圧縮プレート（１０）が、ボルト（６０、６１）によって所定位置に保持されたラッチ（５０）を含む機械的リンクによって接合される。ラッチ（５０）は、燃料電池モジュール（２０）の短絡を回避するように、非導電性でなければならず、典型的には、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの強いポリマー不導体を含む。

図２および図３を参照すると、本発明の実施に有用な流体送出機構は、マニホルドボックス（２００、２０１、２０２）を含む。示されたマニホルドボックスは、本体（２００）と、スクリュ穴（２０５）を通してスクリュによってガスケット（２０２）とともに本体に接合されたカバー（２０１）とを含む。マニホルドボックスは、マニホルドボックスおよび冷却プレート（図１を参照）のスクリュ穴（２１０、２１１）を通してスクリュによってスタックに接合してもよい。マニホルドボックス本体（２００）は、非導電性材料から製造しなければならないか、スタックから電気的に絶縁しなければならず、そうでなければ、燃料電池モジュールの短絡が生じる。マニホルドボックス出口（２２０）が、冷却プレート（図１を参照）の冷却チャネル（１１１）の入口と連通する。冷却流体ポンプに連結するホースまたはパイプなどの冷却流体の外部源が、マニホルドボックス入口（２３０）に連結する。ディフューザ（２４０）が、マニホルドボックス内に位置決めされる。ディフューザ（２４０）は、マニホルドボックス入口（２３０）への液体冷却剤のすべての流れを受けるようにマニホルドボックス入口（２３０）と連通するディフューザ入口（２５０）を有する。ディフューザ（２４０）は、その長さに沿って分配された複数のディフューザ出口（２６０）を有する。実質的に均一な冷却剤流体圧力がディフューザの外側のマニホルドボックス内で維持されるように、ディフューザ出口（２６０）の任意の適切な分配を用いてもよい。典型的には、ディフューザ出口（２６０）は、マニホルドボックス出口（２２０）の位置に対して一様に分配され、したがって、冷却プレート（図１を参照のこと）の冷却チャネル（１１１）の位置に対して一様に分配される。典型的には、ディフューザ出口（２６０）は、流れ方向に垂直に、ディフューザ（２４０）内にカットされる。ディフューザ（２４０）は、その遠い端部で閉じている。あるいは、ディフューザは、ディフューザの外側のマニホルドボックス内で実質的に均一な冷却剤流体圧力を維持することができる、メッシュ、布、または他の浸透性構造を含んでもよい。

図２および図３に示された本発明の一実施形態において、マニホルドボックス（２００、２０１、２０２）は、２つのチャンバ、すなわち、入口チャンバ（２７０）および出口チャンバ（２８０）に分けられる。入口チャンバ（２７０）は、上述のように機能する。出口チャンバ（２８０）は、マニホルドボックス収集口（２８１）を介して冷却プレート（図１を参照）の冷却チャネル（１１１）の出口と連通し、冷却流体が、マニホルドボックス出口（２８２）を通って、典型的には冷却流体の外部溜めまたは冷却流体ポンプへのホースまたはパイプを介して、出ることを可能にする。出口チャンバ（２８０）にディフューザは必要ない。第１の複数の冷却チャネルが、冷却プレートの第１の面上の冷却チャネル入口と、冷却プレートの第２の面上の冷却チャネル出口とを有し、第２の複数の冷却チャネルが、第２の面上の入口と、第１の面上の出口とを有するので、スタックの各側で２チャンバマニホルドボックスを使用することは、スタックの互いに反対側のチャネルを通って互いに反対方向に移動する冷却剤の向流を生じさせる。実際には、第１の複数の冷却チャネルの冷却チャネル入口、第１の複数の冷却チャネルの冷却チャネル出口、第２の複数の冷却チャネルの冷却チャネル入口、および第２の複数の冷却チャネルの冷却チャネル出口の各々に供給するために、４つのマニホルドが設けられる。結果として生じる向流を用いて、スタック全体にわたって温度の均一性を向上させてもよい。

本発明の実施において、スタックは、典型的には、スタックの外側部分および内側部分が同様の温度で維持されるように、熱絶縁材料で巻かれる。ガラス繊維絶縁体などの任意の適切な熱絶縁材料を使用してもよい。熱絶縁材料のＲ値は、典型的には少なくとも３、より典型的には少なくとも５、より典型的には少なくとも８である。スタックは、典型的には、少なくとも２つの側の実質的にすべてにおいて絶縁され、より典型的には、４つの側の実質的にすべてにおいて絶縁される。

本発明は、燃料電池スタックおよびシステムの設計、製造、および動作に有用である。

本発明の目的および利点を、次の実施例によってさらに例示するが、これらの実施例に記載された特定の材料およびそれらの量、ならびに他の条件および詳細は、本発明を不当に限定するように解釈されるべきではない。

図１に実質的に従う燃料電池スタックに、ディフューザ（２４０）を使用して、ディフューザ（２４０）を使用せずに、図２および図３に実質的に従うマニホルドボックスを取付けた。両方のケースにおいて、スタックをガラス繊維絶縁材料で巻いた。図４は、ディフューザ（トレースＡ）のケースおよびディフューザのない（比較のためのトレースＢ）ケースにおける、さまざまな電力レベルで測定された最も上の冷却プレートと最も下の冷却プレートとの間の測定温度の差を報告する。冷却剤流量が、ディフューザを使用した場合４．５Ｌ／分であり、ディフューザを使用しなかった場合３．１Ｌ／分であった以外は、すべての変数は各ランにおいて同一であった。

本発明のさまざまな修正および変更が、本発明の範囲および原理から逸脱することなく、当業者には明らかになるであろう。また、本発明は、上述された例示的な実施形態に不当に限定されるべきではないことが理解されるべきである。

本発明の実施に有用な燃料電池スタックの正投影を表す等角図である。本発明の実施に有用なマニホルドボックスおよびディフューザの分解図である。本発明の実施に有用なマニホルドボックスおよびディフューザの分解図である。本発明による燃料電池スタック（トレースＡ）および比較のための燃料電池スタック（トレースＢ）の熱発生の関数としてのスタック温度変化を表すグラフである。

Claims

各々が少なくとも１つの膜電極アセンブリを含む１つ以上の燃料電池モジュールと、
各々が複数の冷却チャネルを含む１つ以上の冷却プレートであって、前記冷却チャネルの各々が冷却チャネル入口と冷却チャネル出口とを有する、冷却プレートと、
第１のマニホルドボックス入口を有し、かつ１つ以上の第１のマニホルドボックス出口を介して冷却チャネル入口と連通する第１のマニホルドボックスと、
ａ）前記第１のマニホルドボックス入口への液体冷却剤のすべての流れを受けるように前記第１のマニホルドボックス入口と連通する第１のディフューザ入口、及びｂ）複数の第１のディフューザ出口を有する、前記第１のマニホルドボックス内に位置決めされた第１のディフューザと、
を含む、液体冷却式燃料電池スタックであって、
実質的に均一な冷却剤流体圧力が、前記第１のディフューザの外側の前記第１のマニホルドボックス内で維持される、液体冷却式燃料電池スタック。
第２のマニホルドボックスをさらに含み、前記第１および第２のマニホルドボックスが、前記液体冷却式燃料電池スタックの互いに反対側に取付けられる、請求項１に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
前記第１および第２のマニホルドボックスは、各々が入口チャンバと出口チャンバとを含む２チャンバマニホルドボックスである、請求項２に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
前記出口チャンバが、マニホルドボックス収集口を介して冷却チャネル出口と連通する、請求項３に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項１に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項２に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項３に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項４に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
各々が少なくとも１つの膜電極アセンブリを含む１つ以上の燃料電池モジュールと、
各々が複数の冷却チャネルを含む１つ以上の冷却プレートであって、前記冷却チャネルの各々が冷却チャネル入口と冷却チャネル出口とを有する、冷却プレートと、
第１のマニホルドボックス入口を有し、かつ１つ以上の第１のマニホルドボックス出口を介して冷却チャネル入口と連通する第１のマニホルドボックスと、
ａ）前記第１のマニホルドボックス入口への液体冷却剤のすべての流れを受けるように前記第１のマニホルドボックス入口と連通する第１のディフューザ入口、及びｂ）前記冷却チャネル入口に対して一様に分配された複数の第１のディフューザ出口を有する、前記第１のマニホルドボックス内に位置決めされた第１のディフューザと、
を含む、液体冷却式燃料電池スタック。
第２のマニホルドボックスをさらに含み、前記第１および第２のマニホルドボックスが、前記液体冷却式燃料電池スタックの互いに反対側に取付けられる、請求項９に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
前記第１および第２のマニホルドボックスは、各々が入口チャンバと出口チャンバとを含む２チャンバマニホルドボックスである、請求項１０に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
前記出口チャンバが、マニホルドボックス収集口を介して冷却チャネル出口と連通する、請求項１１に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項９に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項１０に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項１１に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
少なくとも４つの側の実質的にすべてにおいて熱絶縁材料を有する、請求項１２に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
１つ以上の冷却プレートを含み、各冷却プレートが、各々が冷却チャネル入口と冷却チャネル出口とを有する第１の複数の冷却チャネルと、各々が冷却チャネル入口と冷却チャネル出口とを有する第２の複数の冷却チャネルとを含む、液体冷却式燃料電池スタックであって、前記第１の複数の冷却チャネルの冷却チャネル入口および前記第２の複数の冷却チャネルの冷却チャネル出口が前記冷却プレートの第１の面上にあり、前記第１の複数の冷却チャネルの冷却チャネル出口および前記第２の複数の冷却チャネルの冷却チャネル入口が前記冷却プレートの第２の面上にある、液体冷却式燃料電池スタック。
前記第１の複数の冷却チャネルの前記冷却チャネル入口と連通する第１のマニホルドと、前記第１の複数の冷却チャネルの前記冷却チャネル出口と連通する第２のマニホルドと、前記第２の複数の冷却チャネルの前記冷却チャネル入口と連通する第３のマニホルドと、前記第２の複数の冷却チャネルの前記冷却チャネル出口と連通する第４のマニホルドとをさらに含む、請求項１７に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
前記冷却プレートが圧縮プレートである、請求項１７に記載の液体冷却式燃料電池スタック。
前記冷却プレートが圧縮プレートである、請求項１８に記載の液体冷却式燃料電池スタック。