JP2012512509A - 燃料電池スタック用の繰り返しユニット - Google Patents

Abstract

燃料電池スタック用の繰り返しユニット(10)には、活性表面(14)へおよびそれに沿って第１のガス(12)を誘導するためのガス誘導領域(8)が含まれる。バリア(16)が、ガス誘導領域に位置している。ガス誘導領域には、活性表面に沿って第１のガスを誘導するための複数のチャネル(20、22、24、26、28、30、32、34)が、少なくとも活性表面の上に含まれる。複数のチャネル中の少なくとも第１のチャネル(26)が、バリアに最も近く位置する第１のポイント(46)における第１の流れ方向、および第２のポイント(48)における第２の流れ方向を画定するが、第１のポイント(46)を通って延伸し、かつ第１の流れ方向と平行な第１の直線(50)がバリアを避け、一方で、第２のポイント(48)を通って延伸し、かつ第２の流れ方向と平行な第２の直線(52)がバリアと交差する。バリア(16)は、活性表面(14)の上流または下流に位置することができる。

Description

本発明は、活性表面へおよびそれに沿って第１のガスを誘導するためのガス誘導領域を含む、燃料電池スタック用の繰り返しユニットであって、バリアがガス誘導領域に位置し、ガス誘導領域が、活性表面に沿って第１のガスを誘導するための複数のチャネルを、少なくとも活性表面の両端にわたって含む繰り返しユニットに関する。

本発明は、さらに、本発明による繰り返しユニットを含む燃料電池スタックに関する。

本発明は、さらに、燃料電池スタックを含む車両と、同様に燃料電池スタックを含む熱電併給装置に関する。

バッテリおよび燃料電池は、化学エネルギを電力に変換する役割をする。燃料電池の不可欠なコンポーネントは、カソード、アノード、およびカソードをアノードから分離する膜とである。カソード、アノードおよび膜は、いわゆる膜電極アセンブリすなわちＭＥＡを形成する。燃料電池の動作中に、カソードは、酸化ガス（典型的には空気）を供給され、アノードは、燃焼ガス（典型的には水素リッチ改質油）を供給される。燃焼ガスおよび酸化ガスは互いに反応し、そうする際に、アノードとカソードとの間で電圧が発生する。この電圧が通常は低い（典型的には１ボルト未満である）ため、複数の燃料電池を直列に電気的に接続するのが慣例である。かかる直列接続は、いわゆる燃料電池スタックによって実現される。燃料電池スタックは、積み重ね方向に次々に周期的に積み重ねられた複数の同一の繰り返しユニットへと、理論的には分解可能である。

下記において、積み重ね方向はまた、垂直方向またはｚ方向とも呼ばれる。この点に関し、積み重ね方向は、地球表面に対して任意の方向を有してもよいことを理解されたい。

図１は、最新技術の例示的な実施形態による繰り返しユニット１０の概略上面図を示す。繰り返しユニット１０には、活性表面１４へおよびそれに沿って第１のガス１２を誘導するためのガス誘導領域８が含まれる。図示の実施形態において、第１のガス１２は空気であり、活性表面１４はカソード層の表面である。代替実施形態（図示せず）において、活性表面１４はアノード層の表面であり、第１のガス１２は燃焼ガスである。空気１２は、ガス誘導領域８の横断面５６を通ってガス誘導領域８に、均一な層流で流れ込む。空気１２は、引き続き活性表面１４を横切って流れ、その過程で、空気１２の一部は、繰り返しユニット１０のアノード層（図示せず）に供給された燃焼ガスと反応する。残りの空気１２は、ガス誘導領域８の第２の横断面５８を通って、ガス誘導領域８から流れ出る。特に活性表面１４のエリアにおいて、ガス誘導領域８は、ｘ方向２へ、ならびに活性表面１４の上流および／または活性表面１４の下流のエリアにおいて延伸する複数の並列チャネルを含んでもよい。ガス誘導領域８における並列線形チャネルは、例えば、ガス誘導領域８が「上部」（ここにではｚ方向６）に向けた波形のシート状バイポーラプレートによって画定され、前記バイポーラプレートが燃焼ガスをアノード誘導するための領域から図示のガス誘導領域８を分離する場合、設計ゆえに出現する。活性表面１４の上流において、ガス誘導領域８は、バリア１６を示す。バリア１６は、例えば、燃焼ガスを誘導するためにｚ方向６に延伸するチャネル（マニホールド）によって形成してもよい。特に、マニホールドは、バイポーラプレートおよびシールによって留められた収集または分配チャネルであってもよい。バリア１６は、バリア１６からｘ方向２に延伸するデッドゾーンを示す。それは、すなわち、横断面５６における、ガス誘導領域８への空気１２の等流の場合には、流れ場が、バリア１６の背後の領域で、特に活性表面１４において、もはや均一ではないことを意味する。バリア１６の背後のデッドゾーンにおいて、空気１２の流れ密度は、より低い。これは、ガス誘導領域８の３つの流れ矢印１２のうち、より小さな１つによって図面に概略的に示されている。活性表面１４の下流では、第２のバリア１８、すなわち、その前で流入する空気１２が滞留する第２のバリア１８が、ガス誘導領域８に位置している。したがって、ガスバリア１８は、バリア１８が存在しなかった場合よりも空気１２の流れ密度がより低い滞留ゾーンを生成する。しかしながら、原則的には、できる限り均一な流量分布が活性表面１４では望ましい。一方では、活性表面におけるできる限り均一な流量分布によって燃料電池の効率を最適化できることが予想され、他方では、活性表面１４の様々な領域上の等流が、活性表面および恐らく燃料電池スタック全体における、より均一な温度分布に帰着する。したがって、燃料電池スタックにおける熱歪みは、回避され得るか、または少なくとも低減され得る。導入された空気１２が、特に、活性表面１４と、同様に隣接または近接しているバイポーラプレートを冷却する（図３および４を参照）ので、空気１２の流れ密度は、少なくとも活性表面１４の中央領域において、活性表面１４の外側領域におけるよりも著しく低くならないはずである。

本発明の目的は、活性表面の中央部への不十分なフローを回避するために、一般的な繰り返しユニットをさらに発展させることである。前記目的は、請求項１の特徴的な機構によって解決される。本発明のさらなる発展および有利な実施形態は、従属クレームから明らかになろう。

本発明による繰り返しユニットは、次の点で一般的な最新技術に基づいている。すなわち、複数のチャネル中の少なくとも第１のチャネルが、バリアに最も近く位置する第１のポイントにおける第１の流れ方向と、第２のポイントにおける第２の流れ方向とを画定し、第１のポイントを通って第１の流れ方向と平行に延伸する第１の直線がバリアを避け、一方で、第２のポイントを通って第２の流れ方向と平行に延伸する第２の直線が、バリアと交差する点である。したがって、第１のチャネルは、少なくとも、バリアのデッドゾーンまたは滞留ゾーン内のセクションにおいて延伸する。第１のチャネルが、バリアに最も近く位置するポイント（すなわち、第１のポイント）でバリアの方へ向けられないので、チャネルは、流れ密度が比較的高い領域から流動ガスを「分岐させる」ように構成される。第１のポイントおよび第２のポイントは、バリアのデッドゾーンにおける内側または外側に位置していると考え得る。あるいは、第１および第２のポイントが、バリアの滞留ゾーンにおける内側または外側に位置していると考え得る。

バリアは、活性表面の上流および／または下流に位置してもよい。バリアが、上流に位置する場合には、第１のポイントが第２のポイントの上流に位置することが、特に有利であり得る。他方において、バリアが活性表面の下流に位置する場合には、第１のポイントが第２のポイントの下流に位置することが特に有利であり得る。

第１のチャネルの断面エリアが、断面エリアに直角な方向でバリア上に完全に突き出ると考え得る。このようにして、第１のチャネルが、少なくとも、言及した断面エリアの領域において、完全にバリアのデッドゾーンまたは滞留ゾーン内に位置することが達成可能である。

少なくとも第１のチャネルが活性表面を越えて延伸することが可能である。このようにして、また、ガス分配の向上を、活性表面のエリアで達成することができる。少なくとも第１のチャネルは、第１のチャネルに関連する燃料電池全体を越えて延伸することさえも可能である。

活性表面は、膜電極アセンブリの一部の表面であってもよい。この場合に、少なくとも第１のチャネルが、膜電極アセンブリを越えて延伸すると考え得る。膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）において、活性表面は、ＭＥＡの表面全体から区別される。活性表面は、両電極によって覆われた電解質の表面である。表面全体は、電解質支持燃料電池（ＥＳＣ）において電解質表面であり、アノード支持燃料電池（ＡＳＣ）においてアノード表面である。第１のチャネルは、特に、ＭＥＡの表面全体を越えて延伸してもよい。

チャネルは、特に、流線型で延伸してもよい。これは、チャネルのどれも、エッジまたは「屈曲部」を有しないことを意味する。換言すれば、各チャネルの方向は、問題のチャネルに沿って連続的に変化する。チャネルにおける乱れおよび結果としての摩擦損失は、このようにして低減することができる。

バリアには、第２のガスを誘導するためのダクトの少なくとも１つのセクションを含んでもよい。特に、ダクトは、燃料電池スタックのアノードへ、またはアノードから燃焼ガスを誘導するために設けてもよい。ダクトは、例えば、活性表面の平面と直角に延伸するマニホールドとして形成してもよい。

活性表面は、カソードの活性表面であってもよい。この場合には、第１のガスは、例えば空気または別の酸素含有ガスであってもよい。

繰り返しユニットは、ガス誘導領域への第１のガスの均一な層流のために設計してもよい。

チャネルは、互いに対して気密性であってもよい。しかしながら、代替として、チャネルはまた、開いた溝、トレンチまたはシュートとして形成してもよい。

複数のチャネルが、第２のチャネルおよび第３のチャネルを含むこと、および活性表面の第１のエッジが、第２のチャネルおよび第３のチャネルに対して、活性表面の最も近いエッジを構成し、第３のチャネルが、第２のチャネルよりも第１のエッジにより近く延伸し、かつより小さな断面面積を有することを考え得る。したがって、エッジにより近く位置する第３のチャネルは、第２のチャネルより小さな断面面積を有する。これは、ガス流速の低減、およびしたがって活性表面のエッジ領域における冷却の低減に帰着する。したがって、活性表面上の均一な温度分布を促進することができる。

しかしながら、チャネルはまた、ガス誘導領域への第１のガスの等流の場合には同じ量の第１のガスがチャネルのそれぞれを通過するように、形成してもよい。このようにして、活性表面における異なる領域の特に均一な使用を達成することができる。

好ましい実施形態によれば、チャネルは、バイポーラプレートによって少なくとも部分的に画定される。したがって、バイポーラプレートは、燃料電池スタックの２つの隣接する燃料電池間の電気接触を確立するために用いられるだけでなく、チャネルを提供するためにも用いられる。

本発明による燃料電池スタックは、それが、本発明による少なくとも１つの繰り返しユニットを含むことを特徴とする。

本発明による車両は、本発明による燃料電池スタックを提供される。車両は、特に、自動車、例えば乗用車またはトラックであってもよい。

本発明による熱電併給装置にもまた、本発明による燃料電池スタックが含まれる。

ここで、添付の図面に関連し、例として本発明を説明する。同一または同様の数字は、同一または同様のコンポーネントを示す。かかるコンポーネントは、繰り返しを避けるために、少なくとも部分的に一度だけ説明される。

第１の繰り返しユニットの概略平面図を示す。 第２の繰り返しユニットの概略平面図を示す。 第１の直線に沿った、第２の繰り返しユニットの概略断面図を示す。 第２の直線に沿った、第２の繰り返しユニットの概略断面図を示す。

図２に概略的に示す繰り返しユニット１０には、活性表面１４およびガス誘導領域８が含まれる。ガス誘導領域８は、酸化ガス１２、例えば空気を、活性表面１４へおよびそれに沿って誘導するように意図されている。活性表面１４の上流において、第１のバリア１６および第２のバリア１７が、ガス誘導領域８に配置される。活性表面１４の下流において、第３のバリア１８および第４のバリア１９がガス誘導領域８に位置している。バリア１６、１７、１８および１９は、それぞれ、画像平面（ｘ、ｙ平面２、４）に垂直に延伸する方向（ｚ方向６）に燃焼ガスを誘導するためのマニホールドによって形成される。各個別バリア１６、１７、１８および１９は、流れ障害物を構成するが、それは、各個別バリアが、ｘ方向において、活性表面に沿った酸化ガス１２の直線流を妨げることを意味している。活性表面１４に沿って酸化ガス１２を誘導するための非線形チャネル２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４が、活性表面１４上に位置している。チャネル２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４は、最新技術から周知の直線（線形）チャネルを含む構成と比較して、酸化ガス１２が活性表面１４により均一に供給されるように形成される。特に、チャネル２６は、流れ場の従来の、すなわち線形設計では十分に供給されないままであろう活性表面１４の領域に通じている。チャネル２６の中央セクションにおける活性表面１４での供給の改善は、次の事実によって説明することができる。すなわち、チャネル２６の２つの自由端が、第１のバリア１６の真後ろにも、第３のバリア１８の真ん前にも位置せず、その代わりに、より高い流れ密度を期待できる第１のバリア１６または第３のバリア１８に隣接する領域に位置しているという事実である。第１のバリア１６に対するチャネル２６の経路は、次のように、より詳細に説明することができる。バリア１６に最も近いポイント４６において、第１のチャネル２６は第１の流れ方向を画定する。第２のポイント４８において、チャネル２６は第２の流れ方向を画定する。ここで、第１のポイント４６を通って延伸し、かつ第１の流れ方向と平行な第１の直線がバリア１６を避け、一方で第２のポイント４８を通って延伸し、かつ第２の流れ方向と平行な第２の直線５２がバリア１６と交差する。第３のバリア１８に対するチャネル２６の経路は、同様に説明することができる。

活性表面１４は、矩形であり、かつ特に下側エッジ５４を示す。活性表面１４におけるほぼ均一な流入フローの場合には、活性表面１４の中央が、活性表面１４のエッジ領域よりも熱くなることが予想できるため、エッジ近くに位置するチャネル（例えば、チャネル２０、２２）が、エッジ５４からより遠くに移動したチャネル（例えば、チャネル２４、２６、２８、３０、３２、３４）より小さな断面およびしたがってより低い冷却効率を有することが有利になり得る。

図３は、図２のラインＣＤに沿った繰り返しユニット１０の概略断面図を示す。図４は、図２のラインＡＤに沿った繰り返しユニット１０の対応する断面図を示す。図２に関連して既に説明した活性表面１４は、カソード層３８の表面である。カソード層３８は、アノード層４２、およびカソード層３８とアノード層４２との間に位置する膜４０と共に、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４４を形成する。繰り返しユニット１０に割り当てられたＭＥＡ４４は、バイポーラプレート３６を介して、図に完全には示してない隣接する繰り返しユニットのＭＥＡ１４４に電気的に接続される。ＭＥＡ１４４は、ＭＥＡ４４と同一である。ラインＣＤに沿った断面図（図３を参照）において、バイポーラプレート３６は、波状にｙ方向４に延伸する。同時に、バイポーラプレート３６は、酸化ガス１２を誘導するためのチャネル２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４（図２を参照）、およびアノード層１４２の活性表面に沿って燃焼ガスを誘導するためのチャネル２１、２３、２５、２７、２９、３１、３３を画定する。断面ＣＤ（図３）において、酸化ガスを誘導するためのチャネル２０〜３４と、同様に燃焼ガスを誘導するためのチャネル２１〜３３は、均等に離間され、かつ同一の断面を有する。他方で、断面ＡＤ（図４）において、チャネル２０〜２６と、同様にチャネル２８〜３４は、それぞれ、チャネル２７によって分離されたチャネルグループを形成するが、チャネル２７の幅は、図２で見られるバリア１６の幅に対応する。

図３および４に関連して説明した設計において、酸化ガスチャネル２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４の経路は、酸化ガスチャネルが、燃焼ガスチャネルと効果的に交互配置されているので、燃焼ガスチャネル２１、２３、２５、２７、２９、３１、３３の経路と強く相関関係にある。しかしながら、代替として、酸化ガス１２を誘導するために設けられるガス誘導領域８の形状から完全に独立して、アノード１４２に沿って燃焼ガスを誘導するためのガス誘導領域を設計することもまた可能である。

「上部」、「底部」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」などの用語は、用いられる場合には、単に、説明される物体のコンポーネントの相対的位置または方向を示すだけである。これらの用語は、本出願において言及されない本体または基準システムに関連して、特に地球表面に対して、位置または方向を指定しない。

２ ｘ方向
４ ｙ方向
６ ｚ方向
８ ガス誘導領域
１０ 繰り返しユニット
１２ ガス
１４ 活性表面
１６ バリア
１７ バリア
１８ バリア
１９ バリア
２０ チャネル
２２ チャネル
２４ チャネル
２６ チャネル
２８ チャネル
３０ チャネル
３２ チャネル
３４ チャネル
３６ バイポーラプレート
３８ カソード
４０ 膜
４２ アノード
４４ 膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
４６ ポイント
４８ ポイント
５０ 直線
５２ 直線
５４ エッジ
５６ 横断面
５８ 横断面
１３６ バイポーラプレート
１３８ カソード
１４０ 膜
１４２ アノード
１４４ 膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）

Claims (16)

1. 活性表面（１４）へおよびそれに沿って第１のガス（１２）を誘導するためのガス誘導領域（８）を含む、燃料電池スタック用の繰り返しユニット（１０）であって、バリア（１６）が、前記ガス誘導領域に位置し、前記ガス誘導領域が、前記活性表面に沿って前記第１のガスを誘導するための複数のチャネル（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）を、少なくとも前記活性表面の両端にわたって含み、前記複数のチャネル中の少なくとも第１のチャネル（２６）が、前記バリアに最も近く位置する第１のポイント（４６）における第１の流れ方向、および第２のポイント（４８）における第２の流れ方向を画定することであって、前記第１のポイント（４６）を通って延伸し、かつ前記第１の流れ方向と平行な第１の直線（５０）が前記バリアを避け、一方で、前記第２のポイント（４８）を通って延伸し、かつ前記第２の流れ方向と平行な第２の直線（５２）が前記バリアと交差することを特徴とする、繰り返しユニット（１０）。
2. 前記バリア（１６）が、前記活性表面（１４）の上流および／または下流に位置することを特徴とする、請求項１に記載の繰り返しユニット（１０）。
3. 前記第１のチャネル（２６）の断面エリアが、前記断面エリアに直角な方向（５２）において前記バリア（１６）上に完全に突き出ることを特徴とする、請求項１または２に記載の繰り返しユニット（１０）。
4. 少なくとも前記第１のチャネル（２６）が、前記活性表面（１４）を越えて延伸することを特徴とする、請求項１、２または３に記載の繰り返しユニット（１０）。
5. 前記活性表面（１４）が、膜電極アセンブリ（４４）の一部の表面であり、少なくとも前記第１のチャネル（２６）が、前記膜電極アセンブリ（４４）を越えて延伸することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
6. 前記チャネル（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）が、流線型で延伸することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
7. 前記バリア（１６）が、第２のガスを誘導するためのダクトの少なくとも１つのセクションを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
8. 前記活性表面（１４）が、カソード（３８）の活性表面であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
9. 前記繰り返しユニット（１０）が、前記ガス誘導領域（８）への前記第１のガス（１２）の均一な層流のために設計されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
10. 前記チャネル（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）が、互いに対して気密性であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
11. 前記複数のチャネル（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）が、第２のチャネル（２２）および第３のチャネル（２０）を含み、前記活性表面（１４）の第１のエッジ（５４）が、前記第２のチャネル（２２）および前記第３のチャネル（２０）に対して、前記活性表面（１４）の最も近いエッジを構成し、前記第３のチャネル（２０）が、前記第２のチャネル（２２）よりも、前記第１のエッジ（１４）のより近くに延伸し、かつより小さな断面面積を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
12. 前記チャネル（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）が、前記ガス誘導領域（８）への前記第１のガス（１２）の等流の場合には時間単位当たり同じ量の前記第１のガス（１２）が前記チャネルのそれぞれを通過するように形成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
13. 前記チャネル（２０、２２、２４、２６、２８、３０、３２、３４）が、バイポーラプレート（３６）によって少なくとも部分的に画定されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の繰り返しユニット（１０）を含む燃料電池スタック。
15. 請求項１４に記載の燃料電池スタックを備えた車両。
16. 請求項１４に記載の燃料電池スタックを含む熱電併給装置。

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