JP2007514286A - 同一面での循環を伴う燃料電池用のフィードプレート - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料、可燃ガス及び冷媒（４１）を同一面で同時に循環させるための通路（２１）を備える双極の厚さ低減のプレートに関する。本発明の出力供給プレートは、好ましくは複合材料からなり、プレートを貫通する供給孔（２，３）で燃料又は可燃ガスを循環するための回路ネットワークをそれぞれの面（１Ａ，１Ｂ）上に供給する。冷却は、燃料又は可燃ガス通路（２１）の部位間に設けられた冷却通路（４１）の供給孔（４）で行われる。循環を提供して冷媒を除去するように、貫通路（４３）によって通路が一面から他面に通ることができる。本発明は、プレートの両面に燃料及び可燃ガスを分配して、同時に冷却処理も行うことができる。本発明は、高出力及び中出力の燃料電池に使用できる。

Description

この発明は、大多数のステージのスタックを備える燃料電池の分野に関し、各々は、２極又は双極プレート間に位置する２つの電極間に配置されてこれらを離間させる膜を有する基本エレメントを備える。

この種類の燃料電池は、軍事用及び民生用部門のいずれにおいても、活動の多くの分野においてその応用を見出すことができる。軍事用の応用には、特に、バッテリの代用品として、水中推力のモバイル発電器及び低出力ユニットが含まれる。軍事用又は民生用の応用には、バス、地下鉄、トロリーバス等といった都市の公共輸送機関への推力用に、他のものとの間での輸送分野が含まれる。自動車、トラック及び列車への応用も見られる。他の定置物への応用、特に、電力供給の障害の可能性を排除する必要性のある病院や他のサービスビルディングで用いられるような、自立発電用の定置システムへの応用も、可能である。最後に、他の潜在的な応用は、携帯用及び小型化された装置の分野に存在する。

燃料電池は、一定の場合には再生可能な種類の燃料における化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電気化学的装置である。この電気化学発電器の作動原理は、水合成の電気化学反応に依存する。多くの燃料電池は、連続するステージを備え、２つの電極を有する各々は基本エレメントを備える。１つの電極は、空気からの酸素といった酸化剤を連続的に供給されるカソードで、もう１つの電極は、水素のような燃料を連続的に供給されるアノードであり、これらの電極は、電解質として作用するイオン交換膜によって離間されている。固体高分子型燃料電池の場合には、燃料は、アノードで触媒による酸化を経て、プロトンと電子が解放される。電子は、外部電気回路に沿って移動し、一方、プロトンは電解質中からカソードに移動されて電子及び燃料と再結合し、触媒による還元効果で水が生成される。これらの２つの動作は、２つの電極の電位差の構築によって達成される。

この燃料電池の効率は、理論的には１００％より僅かに低いが、内燃エンジンよりも大きい値に達している。さらに、燃料電池は、静隠性を有し、燃料が有機化合物であっても実質的に無害である。この高効率と低生産は、この分野における研究と発展の理由となっている。

燃料電池の様々な種類は、膜を構成する電解質の性質によって規定され得る。１００℃より下の温度領域において最も進歩的な燃料電池の１つは、ポリマー電解質を有する燃料電池である。この本発明は、ＰＥＭ（プロトン交換膜）型燃料電池の分野に関するものであり、電解質はプロトン交換膜である。

機械的には、燃料電池は、ステージを構成する電気化学的セルのスタックを備え、各セルは、基本的なＥＭＥ（電極、膜、電極）エレメントを介装してなる、極性又は双極（バイポーラ）の離間プレートを備える。このような燃料電池の核を構成する基本的なセルの配列は、当業者には“スタック”として知られている。

ＰＥＭ型の燃料電池セルのスタックにおいて、離間プレートは、双極プレートと呼ばれ、生成した電子の収集、反応生成物、特に水の除去と同様に、酸素又は空気及び水素を有する試薬ガスの分配機能も果たす。各双極プレートは、これらの面の１つで基本エレメントＮのアノードと接触し、他の面でランクＮ＋１の基本エレメントのカソードと接触する。

最終的に、高出力の燃料電池において、これらの極性又は双極プレートの最終的な機能は、燃料電池の異なる基本セル間における冷媒の循環によるスタック全体の冷却である。冷媒は、極性又は双極プレート中に特に設計され組み込まれた通路中を流れる。この冷却は、全てのステージに適用されなくてもよく、むしろスタックにおいて周期的（断続的）な方法で適用され得ることが理解され得る。

番号ＦＲ−２ ８１０ ７９５号で公開された仏国特許出願には、酸化剤及び燃料の分配を２つの循環通路によって２つの面に行う双極プレートが記載されている。２つの金属プレート間における、この双極プレートのスケルトン中間部で、冷媒の循環は組織化されている。これらの双極プレートは、第一に燃料及び酸化剤の循環に必要とされ、第二に冷媒が干渉しないための、設計上による実質的な厚さを有している。これが、異なるそれぞれの平面に配置されている理由である。

それ故、この双極プレートの厚さは、多くの他のセルのように、大きくなる。

本発明の目的は、異なる種類の極性又は双極プレートを提案することによって、この障害を改善することである。

この目的のため、本発明の主題は、少なくとも１つの燃料電池のセルへのフィードプレート（流通板）であり、以下の構成を含む。
燃料、酸化剤、冷媒を送るための開口部と；
少なくとも１つの面に燃料又は酸化剤の循環用の通路を有する２つの対向面と；
燃料又は酸化剤の循環通路と同一面になるように、燃料又は酸化剤の循環用の通路が形成された単数又は複数の同一面上に位置する少なくとも１つの冷却通路と；を有し、
これにより、フィードプレートの厚さは、最小化され、活性領域の中心部で冷却が発生する。それ故、冷却がより効果的になる。

本発明によれば、燃料及び酸化剤のそれぞれの循環用の第一通路は、プレートの２つの面上に位置して、冷却がプレートの両面で発生し、従ってプレートが双極プレートを構成する場合には、単一の冷却通路が両面に同時に位置し、その結果、分岐路（ブランチ）と同様に、一面から他の面にプレートを貫通して複数の通路が備えられる。

本発明の主要な実施の形態において、冷却通路の入口及び出口は、この冷却通路が位置する面と反対側の面に位置し、この冷却通路はプレートを厚さ方向に貫通する。

酸化剤、燃料及び冷媒を送るための開口部と、循環の入口及び出口と、冷却通路とを、プレート上の一組の位置にまとめることが有利であると思われる。

プレートにおける単数又は複数の面上の異なる通路を共有することに関し、循環通路及び単数又は複数の冷却通路の軌道は、互いに交互に配列されて、それ故同一の経路をたどるように配置し得る。

本発明によるプレートの循環通路の軌道は、ジグザグの経路となるように設計されることが好ましい。

循環通路の軌道に関し、これらの循環通路は、くし形構造を形成するように互いに平行していることも可能である。

単数又は複数の冷却通路の実施の形態において、プレートの長さの大部分に亘って入口及び出口が配置される分岐路を有していることが好ましい。

この実施における特徴として、一面での通路の方向が他の面での通路の方向と互いに９０度でオフセットしていてもよい。

これらの場合において、冷却通路によってプレートを貫通する経路が各分岐路の端部で発生し、プレートを貫通する経路で冷却通路に対して９０度の方向変化を有するように、配置される。

本発明によるプレートの一実施の形態において、第一面上の平行な冷却通路に交互に配置される第一面上の燃料循環用第一通路と、冷却通路に平行に交互に配置される酸化剤循環用通路を形成するため、第一面上の通路が第二面上の通路に対して分離されてその逆も同様となり、全ての通路が同一面上に位置して、プレートが双極プレートを構成するように、波形プレートの形態をとる。

この場合、プレートは、流通開口部によってせん孔されたフレームによって囲まれ得る波形シートで主に構成される。

異なる実施の形態において、冷却通路又はその分岐路は、酸化剤又は燃料の循環用の複数の通路間に配置される。

本発明によるプレートを用いた燃料電池の作動方法において、冷媒は水であることが好ましい。

プレートの実施の形態において、ポリマーグラファイト複合材料からなることが好ましい。

本発明及びその変形の技術的特徴は、図面を参照して、下記の説明を読むことによってより詳細に理解されるであろう。

図１によって、本発明によるフィールドプレートの好ましい実施の形態の断面を観察することで、このフィードプレートの設計を理解することが可能となる。この場合において、このプレートは、グラファイトから作製され、この作製が完了する前に、２つの面１Ａ、１Ｂを形成するために切削（機械加工）された２つの面を有する。

特に、第一面１Ａは、部分的ではあるが、示されている。実際には、第一面１Ａの四隅部に、酸化剤又は燃料用の供給孔２、３が存在している。この第一面１Ａ上で、酸化剤供給孔２は酸化剤循環通路２１に接続され、この管路は最大の中心部を通るように領域１Ａに亘って蛇行する。加えて、冷媒供給孔４もプレートの表面に位置し、酸化剤供給通路２１によって形成された空隙に沿って通る冷媒通路４１に接続される。

ほとんどの場合、２つの面のうち一面又は他の面のどちらに、酸化剤又は燃料のいずれを流すべきかという選択は、何ら重要ではないということが理解されるであろう。

第二面１Ｂは、第一面１Ａと同様の設計であるが、第一面１Ａ上の通路方向に対して９０度の方向に向けられており、これがこの第二面１Ｂに示された通路の不足を説明している。この図は断面を示しているからである。実際、第二燃料循環通路２２は象徴的に示されているが、実際の方向とは垂直な方向に向けられている。冷却通路４１の分岐路４２は、プレートの中央部に示され、第二面１Ｂ上に開口している。これは、第一面１Ａ上に位置する通路４１の一部に連通させるオリフィス（開口）４３によって２つの先端部で供給される。

図２Ａ、図２Ｂを参照すると、２つの面１Ａ、１Ｂの相対的な構成の理解が容易になる。実際、図２Ａにおいて、プレートの第一面１Ａは概略的に示されている。酸化剤循環通路２１、冷媒通路４１と同様に、酸化剤２、燃料３、冷媒４供給用の開口部が示されている。これらの循環通路は、プレートの大部分を通り、１又は２以上のジグザグを形成する。２つの反対方向のジグザグの中央部で、冷媒通路４１の分岐の始端及び終端が位置しており、循環通路２１の向き方向と平行に横たわっている。冷媒通路４１の分岐路は、孔４３を介して形成されていることが理解されるであろう。

図１及び図２Ａに示した本発明によるプレートを裏返すと、図２Ｂで示されたレイアウトが見られる。しかしながら、循環通路２２は、燃料に関するものであり、入口端で燃料供給孔に接続され、出口端で燃料供給孔３０に接続されている。供給開口部２、２０は、図２Ｂにおいて示されているが、第一循環通路に接続されていない。

これらの循環通路２２の軌道を構成するジグザグの方向は、第一面１Ａ上におけるものに比して、９０度でオフセットされているということが理解されるであろう。

分岐路４２は、図１の面１Ｂ上に既に示されているが、第一循環通路２２のジグザグ間に位置しているということが理解されるであろう。これらの端部のそれぞれに、これらの分岐路４２を冷媒通路４１の残りの部位に接続できる貫通路４３が存在している。

図２Ａ及び図２Ｂは、ジグザグ形状の通路のレイアウトを示すが、冷媒通路４１の分岐路４２を用いることで、循環通路２２の軌道がジグザグ形態ではなくてもよく、互いにそして冷媒通路４１の分岐路４２に関して平行な、単数又は複数の通路２２の異なる分岐路を有する、くし形形態であってもよいということが考えられる。

図１、図２Ａ、図２Ｂを参照して示されたフィードプレートは、それ故、その２つの面上でそれぞれ酸化剤及び燃料を循環させることが可能である。それ故、このフィードプレートは、双極型である。

図３Ａ、図３Ｂを参照すると、フィードプレートは単極型のみからなることも可能である。図３Ａ、図３Ｂに示された例で、単一の面、ここでは面５１Ａには、単に循環通路６１が形成されている。この同一の面５１Ａには、冷媒用の供給孔５４の形態での冷媒回路と、ジグザグ形態で流れる第一循環通路６１の平行な部分に平行な、複数の分岐路５５を有する２つの側部の冷却通路５３も形成されている。分岐路５５のそれぞれは、循環通路６１のジグザグ通路のループによって形成されるスペース中を通り、プレートの片側上に交互に形成される。この実施例では、各分岐路５５は、プレートの幅全体に１つの復路を形成し、その端部５６で貫通する。

図３Ｂを参照すると、第二面５２Ｂには、単一の通路として冷却通路５３の端部及び出口が形成され、特に、第一面５１Ａ上の冷却通路５３の他の部分に通路５８を介することで接続できる２つの分岐路５７が形成されていることが理解されるであろう。それ故、冷媒は、プレートの表面に位置する供給孔５８で除去されうる。この場合、スタックにおける異なる極性プレートを使用することで、各プレートに燃料及び酸化剤が交互に供給されている。

これらの場合のいずれもにおいて、各プレートは、３種類の供給開口部、すなわち、燃料用孔、酸化剤用孔、冷媒用孔によって縦断されていることが理解されるであろう。

それ故、図４は、フィードプレートの中央部分が波形シート１０１で構成されている場合における本発明によるフィードプレートの１つの特定の実施を示している。この実施では、波形は、直線的で平行であるが、これは波形シートの一部だけが示され、実際の循環通路は、曲線状又はジグザグな軌道をとりうる。

実際には、波形シートの各領域１０１Ｓ、１０１Ｉを考慮すると、波形形状の循環通路１０２、１０３、１０４は、互い違い（交互）に設計されている。換言すれば、循環通路１０２は、下側表面１０１Ｉ上に形成されている２つの通路１０３、１０４の離間に対応して上側表面１０１Ｓ上に形成されている。換言すれば、循環通路は、これらを分離する波形と交互に形成されている。

この図４において、２つの第一循環通路１０２は、上側表面１Ｓ上に示されている。これらは、水素Ｈ_２の循環のため、燃料循環通路の役割を担っている。下側表面１０１Ｉに関する循環通路の場合、同図は、酸化剤１０３の循環のため、すなわち酸素Ｏ_２を通すための、２つの第一の交互通路と、水Ｈ_２Ｏである冷媒４の循環のための第二通路とを示す。同様に、上側表面１Ｓは、冷媒、すなわち水の循環のためのいくつかの第二通路を示す。

この実施の形態の波形シート形態は、図４には示されていないが、先の実施の形態と同様の方法で、燃料、酸化剤、及び冷媒を送るための開口部を有するフィードプレートがフレームにより完成されなければならないことを意味している。

図４における波形シートの使用により、本発明によるフィードプレートの形成のために金属の使用が想定されることが理解されるであろう。しかしながら、膨張黒鉛などによる実施は十分に想定されうる。

全ての実施例において循環通路の軌跡の経路は、ジグザグ形態をとっている。しかしながら、本発明の原理によって、互いに平行な通路の配置に影響させて、同様な方法で方向を変化させる場合、上述のジグザグ形態は実施の一形態に過ぎない。従って、本発明によって各フィードプレートの両面の大部分を覆うようにすることも可能である。

本発明の実施の形態において、これらの全循環通路は同一面に位置している。さらに、酸化剤通路、燃料通路及び冷媒通路は、基本ＥＭＥエレメントに直接接続されるように全て位置している。換言すれば、冷媒のため、又は、燃料及び酸化剤ガスの分配のために、特定の平面が反転（リバース）されてはいない。一方、１つの単一の領域又は層が、酸化剤又は燃料、及び冷媒を分配するという２つの機能を行う。さらに、入口及び出口をまとめる（集める）ことで、入口及び出口に接続するためのフィード通路が通過し得るフレーム２０における２つのフィードゾーンを設計することが可能である。

本発明によるフィードプレートの一実施の形態の斜視断面図である。 図１に示したような、本発明によるフィードプレート上の通路のレイアウトを示す線図である。 図１に示したような、本発明によるフィードプレート上の通路のレイアウトを示す線図である。 本発明によるフィードプレートの第二の実施の形態における通路のレイアウトを示す。 本発明によるフィードプレートの第二の実施の形態における通路のレイアウトを示す。 本発明によるプレートの一実施の形態を示す斜視図である。

符号の説明

１Ａ 第一面
１Ｂ 第二面
２ 酸化剤供給孔
３ 燃料供給孔
２１ 酸化剤循環通路
２２ 第二燃料循環通路
４１ 冷却通路
４２ 分岐路
４３ 孔
５１Ａ 面
５３ 冷却通路
５４ 供給孔
５５、５７ 分岐路
６１ 循環通路
１０１ 波形シート

Claims (14)

1. 少なくとも１つの燃料電池のフィードプレートであり；
   燃料（３，３０）、酸化剤（２，２０）、冷媒（４，４０，５４，５９）を送るための開口部と；
   少なくとも１つの面に燃料又は酸化剤の循環用の通路（２１，２２，６１）を有する２つの対向面（１Ａ，１Ｂ，５１Ａ，５１Ｂ）と；
   燃料又は酸化剤の循環用の通路が形成された、単数又は複数の同一面側に位置して、これら燃料又は酸化剤の第一循環通路と同一面になるようにする、少なくとも１つの冷却通路（４１，５３）と；を有し、
   燃料（２２）及び酸化剤（２１）のそれぞれの循環用の第一通路は、プレートの両面（１Ａ，１Ｂ）上に位置して、冷却がプレートの両面で発生し、従ってプレートが双極プレートを構成して、単一の冷却通路（４１）が両面（１Ａ，１Ｂ）に位置して、結果として、分岐路（４２）と同様に、一面から他の面にプレートを貫通して複数の通路が備えられることを特徴とする、フィードプレート。
2. 前記冷却通路の入口及び出口は、この冷却通路が位置する面と反対側の面に位置し、この冷却通路はプレートを厚さ方向に貫通する、ことを特徴とする、請求項１に記載のフィードプレート。
3. 異なる循環通路は、プレート上の１組の位置にまとまっている入口及び出口を有し、酸化剤、燃料及び冷媒を送るための開口部も同様に形成されている、ことを特徴とする、請求項１に記載のフィードプレート。
4. 前記循環通路（２１，２２，６１）及び単数又は複数の冷却通路（４１，５３）の軌道は、互いに交互に配列されて、それ故同一の経路をたどることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフィードプレート。
5. 前記プレートの循環通路（２１，２２，６１）の軌道は、ジグザグ形態であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のフィードプレート。
6. 単数又は複数の前記冷却通路は、プレートの長さの大部分に亘って入口及び出口が配置される分岐路（４２，５５）を有していることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のフィードプレート。
7. 前記燃料、酸化剤、及び冷媒用の循環通路の軌道は、くし形構造を形成するように互いに平行していることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のフィードプレート。
8. 一面における通路の方向が、他の面の通路の方向に対して９０度でオフセットしていることを特徴とする、請求項１または請求項７に記載のフィードプレート。
9. 前記冷却通路（４１）によってプレートを貫通する経路が各分岐路（４２）の端部で貫通経路（４３）によって発生し、プレートの貫通経路で冷却通路に対して９０度の方向変化を有することを特徴とする、請求項６または請求項８に記載のフィードプレート。
10. 第一面上の平行な冷却通路（１０４）に交互に配置される第一面上の燃料循環用第一通路（１０２）と、第二面上の平行な冷却通路（１０４）に交互に配置される酸化剤循環用通路（１０３）を形成して、第一面上の通路が第二面上の通路に対して分離されて、その逆も同様となり、全ての通路が同一面上に位置して、プレートが双極プレートを構成するように、波形プレートの形態をとることを特徴とする、請求項１に記載のフィードプレート。
11. 前記プレートは、流通開口部がせん孔されたフレームによって囲まれ得る波形シートであることを特徴とする、請求項１０に記載のフィードプレート。
12. 単数又は複数の前記冷却通路（４１，５３）又はこれらの分岐路（４２）は、酸化剤又は燃料の循環用の複数の通路（２１，２２，６１）間に配置されることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のフィードプレート。
13. 前記冷媒は水であることを特徴とする、請求項１に記載のフィードプレート。
14. 前記プレートは、ポリマーグラファイト複合材料からなることを特徴とする、請求項１から請求項９、及び請求項１２及び／又は請求項１３、のいずれか１項に記載のフィードプレート。

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