JP2011519467A - 燃料電池内の水分供給を管理するためのウィッキング層 - Google Patents

Abstract

燃料電池内の水分含有量を管理するための例示的な装置は、複数の部材を有した反応物供給プレートを備えており、上記複数の部材は、プレートの少なくとも一方の側において開いた燃料流チャネルを形成している。ウィッキング層が、プレートの一方の側に接触している。ウィッキング層は、少なくとも数個のチャネルを覆う連続的な第１の部分を備えている。第２の部分と共に延びるチャネルの区間がプレートの一方の側に向かって開くように、ウィッキング層の第２の部分は、少なくとも数個の部材の先端に沿って延びる。

Description

本発明は、燃料電池内の水分供給を管理することに関する。

種々の燃料電池構成が知られている。多くの燃料電池が、触媒層の間に高分子電解質膜（ＰＥＭ）を備えており、この高分子電解質膜において、電気を生成するために電気化学反応が生じる。高分子電解質膜型燃料電池には、種々の形式がある。ある高分子電解質膜型燃料電池は、触媒層の各々に関連した中実の反応物供給流れ場プレートを備えている。現在の中実反応物供給プレートは、例えば、金属またはカーボン複合材料から構成されている。

中実反応物供給プレートを有した高分子電解質膜型燃料電池についての１つの問題は、乾燥によって１つまたは複数の燃料電池構成要素が損傷する可能性があることである。この問題は、燃料電池スタックアッセンブリの燃料入口および空気入口の付近で特に生じる。入口のガス流を完全に飽和しないと、この入口の領域において、燃料電池構成要素が乾燥する可能性が高くなる。

したがって、燃料電池の乾燥を最小化するための経済的かつ効果的な解決手段が必要である。本発明は、これに取り組むためのものである。

燃料電池内の水分含有量を管理する例示的な装置が、反応物供給プレートを備えている。この反応物供給プレートは、反応物流チャネルを形成するための複数の部材を備えており、これらの部材によって、反応物供給プレートの少なくとも一方の側において開いた反応物流チャネルが形成されている。ウィッキング層は、反応物供給プレートの一方の側と接触している。ウィッキング層は、凝縮領域と呼ばれることもある領域において少なくとも数個の反応物流チャネルを覆う連続的な第１の部分を備えている。ウィッキング層の第２の部分は、第２の部分と共に延びる反応物流チャネルの区間が反応物供給プレートの一方の側へ向かって開くように少なくとも数個の部材の先端に沿って延びる。この開いたチャネルにより、触媒層へ反応ガスを輸送することができる。

燃料電池アッセンブリ内の水分供給を管理するための例示的な方法は、反応物供給プレートとガス拡散層との間にウィッキング層を配置するステップを含む。反応物供給プレートの少なくとも数個のガス流チャネルの一部が、ウィッキング層の第１の部分によって覆われている。ガス流チャネルの他の部分が、ウィッキング層の第２の部分に沿って露出するとともに開いている。

開示した実施例の種々の特徴および利点が、発明を実施するための形態を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。

本発明の実施例により設計された燃料電池アッセンブリを概略的に示した図である。 例示的なウィッキング層構成を概略的に示した図である。 他の例示的なウィッキング層構成を概略的に示した図である。 例示的な冷媒チャネル構成を概略的に示した図である。

開示された例は、燃料電池内の水分含有量を管理するように用いられるウィッキング層（ｗｉｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）を備えている。この開示された例では、ウィッキング層は、例えば、燃料電池の動作中に液体水を吸収し、燃料電池の乾燥した部分へこの液体水を輸送する即ちウィッキングするように用いられている。

図１には、例示的な燃料電池アッセンブリ２４の選択した部分が概略的に示されており、燃料電池アッセンブリ２４は、触媒層３２と触媒層３４との間に高分子電解質膜３０を備えている。１つの例では、触媒層３４は、カソード層であり、触媒層３２は、アノード層である。ガス拡散層３６が、触媒層３２の高分子電解質膜３０とは反対側に隣接して配置されている。同様に、ガス拡散層３８が、触媒層３４に隣接して配置されている。

反応物供給プレート４０，４２が、ガス拡散層３６，３８に隣接して配置されている。１つの例では、反応物供給プレート４０，４２は、中実のプレートとして構成されており、この中実プレートは、非多孔質の少なくとも１つの中実層を有している。１つの例では、少なくとも１つの反応物供給プレートは、金属から構成されている。他の例では、少なくとも１つの反応物供給プレートは、カーボン複合材料から構成されている。

図１に示した例では、反応物供給プレート４２は、周知の方法で空気を通流させることができる複数のチャネル４４を備えている。反応物供給プレート４２は、チャネル４４を形成する複数の部材４８を備えている。この例では、部材４８は、例えば、図から認識できるように、反応物供給プレート４２の横方向の寸法の１つと長さが実質的に等しいリブである。

ウィッキング層４６は、反応物供給プレート４２とガス拡散層３８との間に配置されている。この例では、ウィッキング層４６は、電導性である。１つの例のウィッキング層４６は、親水性のカーボンから構成されている。他の例では、ウィッキング層４６は、酸化スズを用いて処理したＴＯＲＡＹ（例えば、カーボン繊維）ペーパから構成されている。

図２には、１つの例のウィッキング層４６の構成が示されている。この例では、ウィッキング層４６は、第１の部分５０を備えており、該第１の部分５０は、反応物供給プレート４２の幅全体（例えば、図において一方の側部から他方の側部）にわたって実質的に広がるとともに延びる。第１の部分５０は、反応物供給プレート４２の凝縮領域５２を覆っている。この例では、第１の部分５０は、凝縮領域５２においてチャネル４４を覆っている。この例では、第１の部分５０は、ウィッキング層４６のために選択された材料からなる連続的なシートである。

ウィッキング層４６の第２の部分５４は、チャネル４４を覆うことなく、部材４８（例えば、リブ）の先端に沿って実質的に延びる分離つまり離間した複数の区間からなる。図１においても、ウィッキング層４６の第２の部分５４を認識することができる。第２の部分５４の各区間は、部材４８の先端に沿って配置されており、ウィッキング層４６は、その位置において空気チャネル４４を覆うことはなく、もしくは該空気チャネル４４と干渉することもない。上記の構成によって、少なくともチャネル４４の反応領域５６に沿った箇所において、ウィッキング層４６が、触媒層へのガスのアクセスを阻害することがない。反応物供給プレート４２の反応領域５６は、チャネル４４の長さに沿った領域であり、この領域において、触媒層へのガスのアクセスを含む電気化学反応が生じる。このように、ウィッキング層４６は、反応領域においては、燃料電池を効率的に動作させるのに必要である触媒層への反応物のアクセスを許容するように構成されている。

凝縮領域５２は、反応領域５６の一部となり得る。このような例では、ウィッキング層４６の第１の部分５０は、凝縮領域が存在する反応領域５６の一部を覆っている。あるいは、ウィッキング層の第２の部分５４が、反応領域５６内の凝縮領域の部分を含む反応領域の全体にわたって延びる。

反応物供給プレート４２の幅を横切る方向（例えば、チャネル４４を通流する空気流を横切る方向）から見たときに、第２の部分５４が非連続的で断続的である点で、第２の部分５４は、第１の部分５０とは異なる。凝縮領域５２において第１の部分５０を連続的に形成するとともに、反応領域において第２の部分５４を非連続的に形成することにより、ウィッキング層４６に沿った水分供給量が増加し、かつ触媒層へのガスのアクセスが妨害されなくなる。

例示的なウィッキング層４６は、反応物供給プレート４２の凝縮領域５２から空気入口側６０へ水分（例えば、水）を運ぶように構成されている。周知のように、触媒側の反応物供給プレート４２へ供給される空気は乾燥している。一般に、凝縮領域５２を含む反応物供給プレートの側においてチャネル４４から流出する空気の水分濃度は、反応物供給プレートの入口における空気の水分濃度よりも高い。入口の水分が少ないことにより、少なくとも反応物供給プレート４２の対応した部分が乾燥する。

凝縮領域は、流出する空気流の水分が、液体水として凝縮されてガス流から取り除かれる場所であるので、このように呼ばれている。ウィッキング層４６は、反応物供給プレート４２の空気入口側６０へ上記の液体水を輸送するように配置されている。第１の部分５０は、ウィッキング層４６を通して反応物供給プレート４２の空気入口側６０へ輸送される水の量を増加させる、もしくは最大化するように、実質的に凝縮領域の全体にわたって延びる。

図４に示した例では、冷媒入口７０および冷媒流チャネル７２が、流出する空気を冷却し、凝縮を促進するように配置されている。この例では、冷媒入口７０は、電池へ、一般に６５℃よりも低い温度の冷媒を導入するように用いられている。冷媒流チャネル７２は、空気流チャネル４４から分離している。図２および図３のように見たときに、冷媒流チャネル７２は、空気流チャネル４４よりも下側に位置している。

この例では、冷媒流チャネル７２は、凝縮領域５２において始まり、ここから、乾燥した流入空気を冷却するために、空気入口側６０の下側へ冷媒を導いている。そして、冷媒流チャネルは、反応領域５６において蛇行しながら延び、凝縮領域５２と反応領域５６との間の境界部７３の付近に達する。冷媒出口は、符号７４によって示されている。

電池内の水の圧力勾配の結果として、水がウィッキング層４６に沿って移動する。１つの例では、入口側６０と凝縮領域５２付近の出口側との間の圧力差が大きすぎると、ウィッキング層４６の毛管作用が機能できなくなるので、圧力差を最小化するように設計された構成が取られている。１つの例では、空気チャネル４４が反応領域５６を横切る最短の通路を形成してなる単一の空気流通路構成が取られている。空気チャネル４４の通路の長さは、実際には、ガス相および液体相の圧力降下を減少させるために縦横比を高くして電池を設計することによって最小化される。１つの例では、反応領域５６に必要な面積は２００ｃｍ²であり、チャネルに必要な長さは７１ｍｍであり、反応領域に必要な幅は、２８３ｍｍである。上記の例により、圧力降下が最小化し、十分な毛管作用（例えば、凝縮領域５２から入口側６０への水の輸送）を得ることが容易となる。

図３には、他の例示的なウィッキング層４６が示されている。この例では、ウィッキング層４６は、図２の例と同様に、第１の部分５０および第２の部分５４を備えている。しかし、この例では、第１の部分５０から見て末端となるウィッキング層４６の先端に、第３の部分８０を備えている。この例では、第３の部分８０は、チャネル４４を覆うウィッキング層の材料からなる連続的なシートである。ここで、反応領域５６は、覆われていないチャネル４４を有したままであり、これにより、チャネル４４内のガスが、触媒層へアクセスすることができる。

図３に示した例では、燃料流チャネル８２は、チャネル４４の空気流の方向とは反対の燃料流の方向をもたらすように配置されている。この方向に燃料流を導入することにより、膜を横切る水の交換を最大にすることができる。この例では、燃料供給チャネル８４は、空気入口側６０付近の非反応領域と、凝縮領域５２近傍の出口側付近の非反応領域とにわたって配置されている。図３に示した例では、ウィッキング層の第１の部分５０および第３の部分８０は、対応した非反応領域に配置されている。

ある例では、ウィッキング層４６の外周部が、水分を供給することが望ましい領域から水が漏れないようにシールされている。上記の例の１つには、望ましいシールを達成するように、反応物供給プレート４２にウィッキング層の外周部を結合することが含まれる。

例示的なウィッキング層４６の１つの特徴は、該ウィッキング層４６が、個別の加湿装置を必要とせずに、水圧を用いて電池内に水を供給することである。

例示的なウィッキング層４６の細孔は、ガス拡散層３８の細孔よりも小さく形成することができる。ウィッキング層４６の細孔は、ガス拡散層３８の細孔よりも親水性が高い。これにより、ウィッキング層４６がガス拡散層３８から水を吸い上げることが容易となる。上記の構成の１つの特徴は、この構成により、電極への酸素の拡散が向上することである。

上述した例示的なウィッキング層４６は、例示的な電池のカソード側において反応物供給プレート４２とガス拡散層３８との間に配置されている。一般に、カソード側では、より多量の水が生じる。例示したウィッキング層４６を、電池のアノード側において使用することもできる。

上記の説明は、例示的なものであって、限定的なものではない。当業者は、本発明の真意を逸脱することなく、開示された実施例に種々の変更および修正がなされ得ることを理解するであろう。したがって、本発明の法的保護の範囲は、特許請求の範囲を検討することによって決定されるのみである。

Claims (16)

1. 反応物供給プレートであって、反応物流チャネルを形成するための複数の部材を備え、これらの部材によって反応物供給プレートの少なくとも一方の側において開いた反応物流チャネルが形成されてなる反応物供給プレートと、
   前記反応物供給プレートの一方の側と接触するウィッキング層であって、少なくとも数個の前記反応物流チャネルを覆う連続的な第１の部分と、共に延びる該反応物流チャネルの部分が前記反応物供給プレートの一方の側へ向かって開くように、少なくとも数個の前記部材の先端に沿って延びる第２の部分と、を有したウィッキング層と、
   を備える燃料電池内の水分含有量を管理する装置。
2. 前記ウィッキング層の第１の部分は、概ね前記反応物供給プレートの凝縮領域とともに延びることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記ウィッキング層の第２の部分は、前記反応物供給プレートの反応領域に沿って配置されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記反応物流チャネルの付近に入口を有する、前記凝縮領域を形成するための冷媒流チャネルをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記ウィッキング層の第２の部分は、前記反応物供給プレートの反応領域に沿って配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記ウィッキング層は、前記反応物供給プレートの少なくとも数個の前記チャネルを覆う連続的な第３の部分を備え、前記第１の部分および前記第３の部分は、前記第２の部分の両端部の付近にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の部分は、前記反応物供給プレートの凝縮領域の付近に配置され、前記第２の部分は、前記反応物供給プレートの反応領域の付近に配置され、前記第３の部分は、前記反応物供給プレートのチャネルのガス入口側の付近に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. ガス拡散層をさらに備え、前記ウィッキング層は、前記ガス拡散層と前記反応物供給プレートとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 前記ウィッキング層は、親水性のカーボンから構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
10. 前記ウィッキング層は、酸化スズを用いて処理したカーボン繊維からなるペーパであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
11. 反応物供給プレートとガス拡散層との間にウィッキング層を配置し、
    前記ウィッキング層の第１の部分によって前記反応物供給プレートの少なくとも数個のガス流チャネルの一部を覆い、
    前記ガス流チャネルの他の部分は前記ウィッキング層の第２の部分に沿って露出かつ開いた状態のままとする、燃料電池アッセンブリ内の水分供給を管理する方法。
12. 前記ウィッキング層の第３の部分によって少なくとも数個の前記ガス流チャネルの別の部分を覆うことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記ウィッキング層の第２の部分は、前記第１の部分と前記第３の部分との間に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記反応物供給プレートの凝縮領域の付近に前記第１の部分を配置することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記凝縮領域を形成するように、ガスを受ける前記ガス流チャネルの一部の付近に冷媒を導入することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記反応物供給プレートの反応領域に沿って前記第２の部分を配置することを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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