JP2011517838A - マニホルド・サンプを備えたバイポーラプレートおよび燃料電池 - Google Patents
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Abstract
燃料電池で使用される装置であって、この装置はバイポーラプレートからなり、該バイポーラプレートが、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように流れ場チャネルと連通したマニホルドと、このマニホルドと連通したサンプと、を備える。
Description
この発明は、燃料電池に関する。より詳しくは、マニホルドと、このマニホルド内の水の量を低減すべく水を集めるように該マニホルドに接続されたサンプと、を備えてなるバイポーラプレートおよび燃料電池に関する。
燃料電池は広く知られており、種々の用途で発電を行うために用いられている。一般に、燃料電池の単位セルは、アノードと、カソードと、これらアノードとカソードとの間における高分子イオン交換膜(PEM)と、を備えている。アノードおよびカソードは、バイポーラプレート(輸送プレートとも呼ばれる)の間に位置しており、このバイポーラプレートは、流れ場チャネルおよびマニホルドを具備し、流れ場チャネルを通してPEMへと反応ガスを循環させ、周知の電気化学反応により電気を生成している。
燃料電池に関連する一つの問題は、反応ガス中の水である。反応ガスによって運ばれた水蒸気が凝縮し、マニホルド内に集まることがある。供給側のマニホルドにおいては、燃料反応ガスの流れ場チャネルへの流入が凝縮水によって阻害され、燃料電池の「燃料欠乏」を招くことがある。出口側のマニホルドにおいては、流れ場チャネルからの酸素反応ガスの流出を水が阻害し、燃料電池セルにおける圧力損失の増加ひいては運転効率の損失の増加を招くことがある。
例示するバイポーラプレートおよび燃料電池は、反応ガスマニホルド内に水が溜まることに起因した反応ガス流れ場の水による閉塞を低減する。
1つの例では、バイポーラプレートは、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、反応ガスからの水を集めるために上記マニホルドと連通したサンプと、を備える。
このバイポーラプレートとしては、少なくとも1つの電極を含む燃料電池内で用いられる複数のバイポーラプレートの中の1つでもよい。複数のバイポーラプレートの各々が反応ガスからの水を集めるためにサンプを備えていてもよい。また複数のバイポーラプレートの中のいくつかが、内部に溜まった水の移動を抑制するためのバッフルを備えていてもよい。
例示する燃料電池の制御方法は、燃料電池が少なくとも1つのバイポーラプレートを有し、該バイポーラプレートが、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、を備えたものであって、マニホルドと連通したサンプを構成し、このサンプ内に水を集め、これによりマニホルド内の水の量を制御する。
図1は、一実施例の発電用燃料電池10の要部を示す分解斜視図である。図示例のように、燃料電池10は、少なくとも1つの単位セル12を含んでいる。例えば、発電すべき所望の電気量に応じた複数個の単位セル12が燃料電池スタックを構成するために用いられる。周知のように、単位セル12、あるいはこの単位セル12を複数含む燃料電池スタックは、プレッシャプレート間に周知の形で固定され、燃料電池10を構成する。さらに、燃料電池10は、図示していない種々の付加的な構成要素、例えば、反応ガスや冷却水の供給および戻りに関連した構成要素など、を含み得る。当業者には、以下の説明により、開示した実施例が種々の異なる燃料電池の構成に適用できることを認識できるであろう。
図示例においては、単位セル12は、第1バイポーラプレート16と第2バイポーラプレート18との間に位置する膜・電極アッセンブリ(MEA)14を備えており、上記のバイポーラプレート16,18は、MEA14の電極に対する位置に応じて、アノード側バイポーラプレートあるいはカソード側バイポーラプレートとも呼ばれる。例えば、MEA14は、カソード触媒電極とアノード触媒電極と高分子交換膜とを含むが、特定の構成に限定されるものではない。
第1バイポーラプレート16および第2バイポーラプレート18は、水の通流が許容されるグラファイトなどの多孔質材料から構成することができる。あるいは、燃料電池10の形式によっては、第1バイポーラプレート16および第2バイポーラプレート18の一方あるいは双方が中実状のものとなることもある。
図示例では、第1バイポーラプレート16と第2バイポーラプレート18とMEA14とが、接合フィルム20を用いて一体に固定されている。例えば、接合フィルム20は、低密度ポリエチレンの比較的薄い層からなる。
実施例においては、単位セル12は、該単位セル12をシールするとともに反応ガスや冷却水の内部混合を防止するために、ガスケットシステム22を用いている。例えば、上記ガスケットシステム22は、第2バイポーラプレート18のガスケット溝26内に収容される1つあるいは複数のガスケット24を備えている。他の例では、ガスケット24は第1バイポーラプレート16のガスケット溝内に収容されている。燃料電池10の個々の構成に応じて、付加的なガスケットが用いられる場合もある。
第1バイポーラプレート16は、図2にも示すように、MEA14に燃料反応ガスを分配するための流れ場36を備えている。また、第1バイポーラプレート16は、供給マニホルド38と、反転マニホルド40と、出口マニホルド42と、を備える。上記供給マニホルド38は、矢印44で示すように燃料反応ガスを分配するものである。この燃料反応ガスは、矢印46で示すように、流れ場36を通して流れる。反転マニホルド40は、この燃料反応ガスの流れを、矢印48で示すように流れ場36を通る第2の経路へと反転させる。出口マニホルド42は、使用されなかった燃料反応ガスを流れ場36から排出する。
上記第1バイポーラプレート16は、さらに、酸素反応ガスを第2バイポーラプレート18へ供給するための供給マニホルド50を備えている。出口マニホルド52は第2バイポーラプレート18から酸素反応ガスを排出し、冷媒マニホルド54は冷媒(例えば水)を第2バイポーラプレート18へと循環させる。上記供給マニホルド50、出口マニホルド52および冷媒マニホルド54は、流れ場36に直接には連通していない。
この実施例では、上記反転マニホルド40および上記出口マニホルド42は、各々のマニホルド40,42から水を集めるサンプ64を各々備えている。水は、例えば、燃料反応ガスから凝縮する。代替として、燃料電池の設計によっては、マニホルド40,42の一方のみにサンプ64を備えることが望ましい場合もある。
また、サンプ64は、マニホルド40,42内の水量の減少を促進すべく水を集めるのに適した適宜な形状とすることができる。いくつかの例では、流れ場36のチャネルの入口ないし出口を水が閉塞することがないように、全ての水を集めるのに適した大きさとなっている。従って、サンプ64は、燃料欠乏や流れ場36を介した圧力損失の抑制に寄与するという利点もある。
図3は、図2に示す断面線に沿った第1バイポーラプレート16の断面を示しているが、サンプ64は、第1バイポーラプレート16の厚み内に部分的に延びた溝から構成されている。燃料電池10内に組み込まれた状態では、サンプ64は、(図3を基準として)左側および底部が第1バイポーラプレート16の壁によって仕切られ、かつ右側が第2バイポーラプレート18(隣の単位セル12のもの)によって仕切られ、頂部がスロート部66を介して反転マニホルド40(あるいは代わりに出口マニホルド42)に開口している。
一実施例においては、溝の形成は、流れ場36のチャネルの形成に用いる方法と同様の方法でもって、例えば機械加工や成形プロセスを利用することによって、行われる。
開示した実施例では、サンプ64の各々は、スロート部66と、リザーバ部68と、これらのスロート部66とリザーバ部68とを接続する曲がり溝部70と、を備えてなる。明らかなように、マニホルド40,42内の液体の水は、重力によってスロート部66を介してサンプ64内へ流れ落ちる。そして、この水は、曲がり溝部70を通ってリザーバ部68へ流れ、これによってサンプ64内に保持される。
開示した実施例では、曲がり溝部70はスロート部66とリザーバ部68との間で約90°方向変換しており、水をサンプ64内に拘束することに寄与している。従って、仮に第1バイポーラプレート16が傾斜(例えば燃料電池10を用いた自動車の傾斜)した場合でも、サンプ64は水を保持している。例えば、図2において反時計回り方向に第1バイポーラプレート16が回転したとすると、反転マニホルド40に接続されているサンプ64内の水はリザーバ部68の左端へ向かって流れ、従ってサンプ64内に拘束される。出口マニホルド42に接続されているサンプ64内の水はスロート部66へ向かって流れ、もし比較的多量の水が存在している場合には、スロート部66へ向かうとともに出口マニホルド42の左側の壁へ向かうので、流れ場36のチャネルの出口を閉塞することはない。
さらに、サンプ64を有する第1バイポーラプレート16が燃料電池スタックの中で複数用いられる場合には、このサンプ64は、マニホルド40,42内の水が揺動することを抑制するバッフルとして機能する。このようにサンプ64は水を拘束し、あるいは、流れ場36のチャネルの入口・出口が水に晒されることを規制し、これによってその閉塞を制限する。
また上記サンプ64の形状は、既存のバイポーラプレートに適したものであり、バイポーラプレートの小型化を損なうことがない。すなわち、上記サンプ64は、既存のバイポーラプレートで使われていないスペース、つまり冷媒チャネルやガスケット溝を備えていないスペースなど、の中に形成されている。これに関し、上記サンプ64は、機械加工や他の適当な形成プロセスを用いて、既存のバイポーラプレートに「レトロフィット(後付け)」することができる。
図4に示すように、任意選択的に、第1バイポーラプレート16のサンプ64の近くに位置する冷媒チャネル72を設けるようにしてもよく、この冷媒チャネル72は、冷却水が循環するように少なくとも1つの冷媒マニホルド54と連通している。図示例では、冷媒チャネル72は、バイポーラプレート16のサンプ64とは反対側に形成されている。この例では、冷媒チャネル72とサンプ64とが共通の壁74を共用しており、この壁74が、サンプ64の面76aおよび冷媒チャネル72の面76bを形成している。
第1バイポーラプレート16が多孔質材料からなる実施例では、冷媒チャネル72がサンプ64からの水の除去に寄与する。例えば、冷媒チャネル72内の水の圧力は、サンプ64の水の圧力よりも低く、これにより、サンプ64内の水は、矢印78で示すように多孔質の共通の壁74を通してサンプ64から冷媒チャネル72へと移動するように付勢される。従って、サンプ64内に水が集められたとしても、冷媒チャネル72が水を除去し、これにより、水の蓄積が制御される。圧力差の大きさは、ポンプやバルブ等を用いて、冷媒チャネル72を通る水の流れの制御ならびに反応ガス圧力の制御を介して、周知の方法により制御することができる。
また、第2バイポーラプレート18が図5に示されており、図1や図5では見えていない第2バイポーラプレート18の反対の側が図6に示されている。第2バイポーラプレート18は、一方の側に冷媒流れ場84を有し、反対側に酸素流れ場86を有している。第1バイポーラプレート16と同様に、第2バイポーラプレート18は、反応ガスや冷媒の供給や排出のためのマニホルドとして機能する種々の開口部を備えている。例えば、第2バイポーラプレート18は、冷媒を冷媒流れ場84へ供給するための冷媒マニホルド54を備える。
図6のように、供給マニホルド50および出口マニホルド52は、酸素反応ガスを酸素流れ場86へと矢印87のように循環させるために、第2バイポーラプレート18を貫通して延びている。供給マニホルド50は、酸素反応ガスを酸素流れ場86のチャネルの入口へ分配する。同様に、これらの酸素流れ場86のチャネルは出口を有し、この出口から、使用されなかった酸素反応ガスが出口マニホルド52へと排出される。
さらに、供給マニホルド38、反転マニホルド40、および出口マニホルド42が、上述したように燃料反応ガスを第1バイポーラプレート16へ循環させるために、第2バイポーラプレート18を貫通して延びている。これらの供給マニホルド38、反転マニホルド40、出口マニホルド42は、冷媒流れ場84や酸素流れ場86のチャネルには直接には連通していない。
図示例では、出口マニホルド52の各々が凝縮水を集めるためのサンプ90を備えている。図7から明らかなように、サンプ90は出口マニホルド52の底部付近に位置しており、出口マニホルド52内の水が重力でもってサンプ90内へ流れ、これにより流れ場86のチャネルの出口を閉塞することが回避される。従って、サンプ90によって、上述したサンプ64と同様の利点が得られる。
図示例では、サンプ90は、第2バイポーラプレート18の厚み内に部分的に延びた溝からなる。燃料電池10内に組み込まれた状態では、サンプ90は、(図7を基準として)左側および底部が第2バイポーラプレート18の壁によって仕切られ、かつ右側がMEA14によって仕切られ、頂部が出口マニホルド52に開口している。代替例として、サンプ90を第2バイポーラプレート18の反対側に形成し、該サンプ90の左側が隣の単位セル12の第1バイポーラプレート16によって仕切られるようにすることもできる。さらに、図4に示した冷媒チャネル72と同様に、サンプ90からの水の除去を促進するように、隣接した冷媒チャネルを第2バイポーラプレート18に設けるようにしてもよい。サンプ64と同様に、サンプ90も、閉塞を回避すべく水を集めるのに適した形状および大きさとすることができ、かつ既存のバイポーラプレートに「レトロフィット」することができる。
開示した実施例では、サンプ90は、出口マニホルド52の下方に位置する略矩形の溝からなる。しかしながら、他の例では、サンプ90は、同程度の水収容のために、サンプ64と同様に、曲がり溝部を備えることが望ましい。しかし、酸素反応ガス流れの閉塞は燃料欠乏を招来するものではなく主に圧力損失および効率の損失を引き起こすものであるから、いくつかの燃料電池の設計では、流れ場86のチャネルの出口の閉塞は、流れ場36の燃料チャネルの閉塞に比べて、問題の重大性がやや低い。
上述したように本質的にバッフルとして機能するサンプ64に加えて、図1〜図4に示すように、バイポーラプレート16が別個のバッフル部材164を備えるようにしてもよい。これらのバッフル164は、マニホルド40,42に入り込むようにスロート部66を越えて短い距離だけ上方へ延びたバイポーラプレート16の延長部によって構成されている。このバッフル164は、マニホルド40,42内でのセル10の厚さに沿った長手方向への水の流れを妨害する役目を果たし、水の揺動をさらに抑制する。バイポーラプレート16におけるマニホルド40,42と組み合わせたバッフル164についてのみ説明したが、同様の機能を有する追加のバッフル164をマニホルド52に設けることもできることは理解できるであろう。
図示例では、複数の特徴を組み合わせたものを示しているが、本発明の種々の実施例の利点を得るために、必ずしも全てを組み合わせる必要はない。換言すれば、本発明の実施例に沿って設計されたシステムは、図に示した特徴の全てあるいは図に示した部分の全てを必要とするものではない。さらに、1つの実施例から選択した特徴と他の実施例から選択した特徴とを組み合わせることもできる。
以上の説明は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明の要旨を逸脱せずに、開示した実施例の変更ないし修正は当業者には明らかであろう。本発明の法的保護の範囲は、後述の請求範囲によってのみ定まる。
Claims (16)
- 燃料電池で使用される装置であって、
この装置はバイポーラプレートからなり、
上記バイポーラプレートは、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、このマニホルドと連通したサンプと、を備えることを特徴とする装置。 - 上記マニホルドは、反応ガス供給マニホルドからなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記マニホルドは、反応ガス反転マニホルドからなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記マニホルドは、反応ガス排出マニホルドからなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記サンプは、バイポーラプレートの厚み内に部分的に延びた溝からなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記溝は、曲がり溝部を有することを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 上記曲がり溝部は約90°方向変換していることを特徴とする請求項6に記載の装置。
- 上記マニホルドは頂部端部と底部端部とを有し、上記サンプは上記底部端部から延びていることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記バイポーラプレートは、上記サンプに隣接して冷媒チャネルを有することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記冷媒チャネルと上記サンプとが共通の壁を共用し、この壁がサンプの1つの面および冷媒チャネルの1つの面を形成していることを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 上記バイポーラプレートが多孔質材料からなることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記バイポーラプレートは、液体の移動を妨害するために、サンプ付近に位置しかつマニホルド内に延びたバッフルを備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 少なくとも1つの電極と、
この少なくとも1つの電極と組み合わされた複数のバイポーラプレートと、
を備えた燃料電池であって、
上記バイポーラプレートの各々は、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、を備え、かつこの複数のバイポーラプレートは、上記マニホルドと連通したサンプを備えることを特徴とする燃料電池。 - 複数のバイポーラプレートの中の少なくとも1つは、燃料電池内での液体の移動を妨害するために、サンプ付近に位置しかつマニホルド内に延びたバッフルを備えることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。
- 少なくとも1つのバイポーラプレートを有し、該バイポーラプレートが、流れ場チャネルと、反応ガスを運ぶように上記流れ場チャネルと連通したマニホルドと、を備えてなる燃料電池の制御方法であって、
マニホルドから延びたサンプを構成し、
このサンプ内に水を集め、これによりマニホルド内の水の量を制御する、ことを特徴とする燃料電池の制御方法。 - さらに、上記サンプと該サンプに隣接して位置する冷媒チャネルとの間の圧力差を制御し、これにより、サンプ内の水をバイポーラプレートの多孔質を通してサンプから冷媒チャネルへと付勢することを特徴とする請求項15に記載の燃料電池の制御方法。
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