JP2008515146A - カソード‐カソード燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

複数の燃料電池スタック（８，８ａ，９，９ａ）は、共通の集電体（１５ａ〜１５ｄ）と隣接するか、あるいは電気絶縁体（２７ａ，２７ｂ）によって隔離され得る各々の集電体（１５ａ，１５ｂ）と隣接する、カソード端（１１，１２）を有する。カソード‐カソード関係は、各スタックのカソードを低温の周囲環境から保護し、これにより低温での起動を改善し、低温起動ならびに冷凍／解凍サイクルによる性能損失を緩和することが可能となる。加熱器（３０，３０ａ〜３０ｄ）を集電体中か、または、電気絶縁体間に設けることができる。４つのスタックは１つの集電体を共有してもよく、または、それぞれが専用の集電体を有してもよい。

Description

本発明は、複数の燃料電池スタックに関し、このスタックは、それぞれのカソード端が、低温にさらされるのを軽減するよう相互に連続的に隣接しており、これにより、起動時および冷凍／解凍サイクル時の低温なカソードが原因となって生じる性能損失を軽減するのみならず起動時間を短縮することができるものであり、また、任意に加熱器を使用してもよい。

水の氷点下温度において、高分子電解質、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池は、起動時間が遅く燃料電池の性能（いずれかの電流密度における電圧）が損失することが知られている。性能損失の原因には、反応物ガスが膜電極アッセンブリの触媒面に接触するのを妨害する、膜電極アッセンブリ表面上およびガス拡散層内で凍結した水が含まれる。その他の原因は、カソードにおける電気化学反応によって生じた水（生成水）が凍結して、酸化物ガス経路を制限または完全に閉塞することであり、これにより、反応速度が非常に遅くなる。燃料電池の境界における氷は、セルの高い電気抵抗を引き起こして電流の流れと電力出力を低減するため、燃料電池スタックの加温プロセスを遅くする。

これら性能要因の全ては、燃料電池内の水の量と位置とに関連する。燃料電池内の水量を低減するための排水プロセスを含む停止手順を有することが知られているが、このプロセスでは膜電極アッセンブリ内ならびに（もし、使用される場合に）反応物ガスチャネルプレート内の冷却液チャネルに幾分かの水を残す。

２００４年６月２日出願の、同時係属のＰＣＴ特許出願番号第０４／１７９９７号は、温度勾配により、燃料電池を介してより高い温度のある位置から、より低い温度の別の位置へ水を移動させることを教示している。氷点下温度で不備のない起動を得るには、空気などの酸化物が触媒面に接触するのを促進し、かつ、新たに生じる生成水に対して利用可能な孔隙率を増大させるために、燃料電池のカソード端にある水の量を低減することが必要である。

同様の問題は、単に稼働していない燃料電池が冷凍／解凍サイクルを経ることにより生じる。

本発明の態様は、氷点下における燃料電池発電装置の起動の問題を減少させること、燃料電池発電装置を氷点下もしくは冷凍／解凍サイクルで起動させることによる性能損失を緩和すること、燃料電池発電装置の起動時の性能に対する低温の影響を軽減すること、起動時間を短縮すること、ならびに燃料電池発電の動作を改善することを含む。

本発明によれば、一対の燃料電池スタックを、それぞれのカソード端において連続して隣接するように相互接続することにより、燃料電池スタックのカソード端が低温にさらされるのを低減することによって、性能損失を緩和し、かつ起動時間を短縮することができる。

各スタックのカソード端における熱損失を低減するために、３つ以上の燃料電池スタックが、相互に近接して配置されたカソード端を有するものであってよい。

２つ以上のスタックのカソード端の間に配置された加熱器を有してもよく、あるいは、カソード端の集電体自体がそれぞれの内部に設けられた加熱器を有するものであってよい。

本発明は、２つのカソード間で単一の集電体を共有するカソード‐カソード燃料電池スタックに実施することができ、あるいは、各スタックが個別に集電体を有し、かつこれらの集電体が電気的に隔離された燃料電池スタックに実施することができる。本発明は、内部反応物ガスと冷却液マニホルド、あるいは外部マニホルド、またはそれらの組み合わせに実施することができる。

図１を参照すると、本発明による燃料電池発電装置６は、共通の集電体１５と連続して隣接するカソード端１１，１２と、電流出力母線１６と、を有する一対の燃料電池スタック８，９を備える。スタック８，９のそれぞれには、対応する加圧プレート１９，２０（「エンドプレート」と呼ばれる場合もある）がある。この構成においては、これら加圧プレート１９，２０もまた、集電体としても機能し、それぞれがアノード電流出力母線２２を有する。この構成において、（明瞭化のために示していない）タイロッドを、加圧プレート１９，２０に対してしっかり締め付けることによって、両方のスタックアッセンブリを一緒にする。

この構成において、内部マニホルド用の取り付け具２４が示されている。明瞭化のために示していないが、外部マニホルドは、例えば、スタックの頂部または底部、あるいは、スタックの前部または後部のいずれか、または両方にあってよい。内部マニホルドと外部マニホルドの様々な組み合わせは本発明に包含される。

スタック８，９の２つのカソード端１１，１２が連続的に隣接しているため、カソード端は、それらがカソード‐カソード間で接続されなかった場合ほどには周囲環境にはさらされない。典型的なツインスタックの構成は、反応物ガス取り入れマニホルドにおいて隣接した２つのスタックを有する（図１に示すような、燃料電池スタック８，９の前部および／または後部と同等である）。これにより、２００３年１１月１３日出願の、同時係属の米国特許出願番号第１０／７１３，７９９号に例示の形態において、カソードは一方の側において露出され、アノードはもう一方の側において露出されることになる。

低温の周囲環境への露出が軽減されることにより、スタック８，９のカソード端１１，１２は、前述した水の移動とカソードの凍結ならびにフラッディングの問題が低減される。

図２において、本発明の別の態様は、スタック８，９のそれぞれに対して集電体１５ａ，１５ｂを使用している。各集電体は、カソードの電流出力母線１６ａ，１６ｂを有する。図２においては、２つの集電体１５ａ，１５ｂは、剛性絶縁体などの電気絶縁体２７によって互いに電気的に隔離されており、上述したようなタイロッドの圧力に耐えることができる。

図３において、電気絶縁体は２つの部品２７ａ，２７ｂであり、それらの間には加熱器３０が設けられている。図４においては、各エンドプレート１５ｃ，１５ｄは、加熱器３０ａ，３０ｂをそれぞれ有する。図５において、電気絶縁体２７ａは、その内部に設けられた加熱器３０ｃを有する。

図６は、共通の集電体１５に隣接したカソードを有するよう配置された４つの燃料電池スタック８，８ａ，９，９ａを例示している。この配置において、反応物ガスの１つに対して、外部マニホルドはスタック８，９の頂部とスタック８ａ，９ａの底部にのみ用いることができ、他方の反応物ガスは内部マニホルド２４を介して供給される。

図７において、４つの燃料電池スタック８，８ａ，９，９ａは、各スタックのカソード端が、２つの隣接するスタックの端部と隣接するよう配置されている。図７の実施態様において、集電体１５ａ〜１５ｄのそれぞれは、それらに隣接して設けられた加熱器３０ｄ〜３０ｇをそれぞれ有する。この実施態様により、外部反応物ガスマニホルドを各スタックの両側に用いることが可能となる。

加熱器３０，３０ａ〜３０ｇは、２００４年５月５日出願の、同時係属特許出願番号第１０／８３９，６６７号に開示された適当な形態を取りうる。

共通の集電体を共有する２つのカソード−カソード燃料電池スタックを有する燃料電池発電装置の簡略化され、様式化された透視図。 それぞれが専用の集電体を備えた２つのカソード−カソード燃料電池スタックを有する燃料電池発電装置の簡略化され、様式化された透視図。 連続して隣接した燃料電池スタックのエンドプレート間に加熱器を備える燃料電池発電装置の簡略化され、様式化された透視図。 それぞれのスタックの集電体のそれぞれが加熱器を備える燃料電池発電装置の簡略化され、様式化された透視図。 それぞれのスタック間において電気絶縁体に設けられた加熱器を有する燃料電池発電装置の簡略化され、様式化された透視図。 カソード端において共通の集電体を共有する４つの燃料電池スタックの簡略化され、様式化された透視図。 それぞれが集電体と加熱器を有する、連続したカソード端を備えた４つの燃料電池スタックを有する燃料電池発電装置の簡略化され、様式化された透視図。

Claims (13)

1. 各々がカソード端（１１，１２）を有する複数の燃料電池スタック（８，８ａ，９，９ａ）を備えた燃料電池発電装置（６）であって、
   １つもしくは複数の集電体（１５，１５ａ〜１５ｄ）が、前記複数のスタックのカソード端の間に配置され、かつ
   前記カソード端の各々が、前記カソード端のうち少なくとも別の１つと対向して設けられ、かつ、前記カソード端の各々が、（Ａ）前記カソード端の別の１つと連続的に隣接しているか、あるいは、（Ｂ）（ｉ）前記集電体の１つか、（ｉｉ）（ａ）１つの電気絶縁体もしくは（ｂ）複数の電気絶縁体および１つもしくは複数の加熱器によって隔離された複数の前記集電体か、のいずれかから選択される装置によって前記カソード端の別の１つから隔離されているか、のいずれかであることを特徴とする燃料電池発電装置（６）。
2. ２つのスタック（８，９）を備え、かつ、
   １つの集電体（１５）を有し、両方のスタックの前記カソード端（１１，１２）が該集電体と連続的に隣接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. ２つのスタックを備え、かつ、
   前記スタックの各々は、対応する集電体（１５ａ，１５ｂ）を有し、
   前記集電体の間に隣接して設けられた電気絶縁体（２７，２７ａ，２７ｂ）をさらに備えてなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記電気絶縁体内に設けられた加熱器をさらに備えてなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
5. 各々が前記集電体の対応する１つと隣接するとともに前記集電体の間に配置された２つの電気絶縁体（２７ａ，２７ｂ）と、前記電気絶縁体の間に配置された加熱器と、を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電装置。
6. ４つのスタック（８，８ａ，９，９ａ）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記４つのスタック全てのカソード端が１つの集電体と隣接していることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置。
8. 各々が前記スタックの各カソード端と隣接する４つの集電体（１５ａ〜１５ｃ）を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電装置。
9. 前記カソード端の間に配置された少なくとも１つの加熱器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
10. 前記加熱器が、前記少なくとも１つの集電体内部に配置されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電装置。
11. 複数の集電体を有し、かつ、
    前記少なくとも１つの加熱器が、前記集電体間に配置されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電装置。
12. 複数の集電体を有し、かつ、
    前記少なくとも１つの加熱器の各々が、前記集電体の対応する１つに隣接して配置されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電装置。
13. 燃料電池発電装置（６）中の複数の燃料電池スタック（８，８ａ，９，９ａ）のカソード端（１１，１２）であって、それら複数のスタックのカソード端の間に配置された１つもしくは複数の集電体（１５，１５ａ〜１５ｄ）を備えた燃料電池において、該カソード端（１１，１２）が露出されるのを低減する方法であって、
    前記カソード端の各々を、それぞれが（Ａ）前記カソード端の別の１つと連続的に隣接しているか、あるいは（Ｂ）（ｉ）前記集電体の１つか、（ｉｉ）（ａ）１つの電気絶縁体もしくは（ｂ）複数の電気絶縁体および１つもしくは複数の加熱器によって隔離された複数の前記集電体か、のいずれかから選択される装置によって、前記カソード端の別の１つから隔離されているか、のいずれかとなるように、該カソード端の少なくとも別の１つに対向して配置することを特徴とする方法。

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