JP2014038848A - 燃料電池構成要素、燃料電池および燃料電池の形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応物の膜電極アッセンブリへの供給を向上させる。
【解決手段】ガス拡散層２４およびガス拡散層２６が、膜電極アッセンブリ２２の両側に位置決めされる。第１の反応物供給プレート３０が、ガス拡散層２４の隣に位置している。反応物供給プレート３０は、ボディを通して液体を通過させる多孔質ボディを備える。複数のリブ３２および反応物流チャネル３４が、ガス拡散層２４を通して膜電極アッセンブリ２２へと反応物を供給するように配置される。多孔質反応物供給プレート３０は、該反応物供給プレート３０の少なくとも一部上に蒸気透過性層３６を備える。蒸気透過性層３６は、液体が多孔質反応物供給プレート３０と膜電極アッセンブリ２２との間で移動することを阻止する。また、蒸気透過性層３６は、蒸気、例えば、水蒸気が層３６を通過することを許容する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、燃料電池に関し、特に、燃料電池内の反応物の供給に関する。

燃料電池が、電気の供給源として用いられている。燃料電池により、電気を生成する電気化学反応が容易になる。反応物、例えば、水素および酸素が、膜アッセンブリに供給され、膜アッセンブリにおいて、電気化学反応が生じる。一般に、反応物は、供給プレートを用いて膜アッセンブリに供給され、供給プレートは、膜アッセンブリに向かって反応物を導くチャネルを備えている。

異なる形式の供給プレートが、反応物を供給するように、提案され、または用いられてきた。ある燃料電池は、中実供給プレートを有している。中実供給プレートに関連した１つの欠点は、高温で、膜が乾燥する傾向があり、これにより、性能が損なわれる。多孔質供給プレートにより、水分が、膜アッセンブリへ向かって移動することができ、これにより、膜が高温で乾燥する可能性が減少し易くなる。しかし、多孔質供給プレートに関連した欠点は、液体水が反応物供給チャネル内に蓄積することがあり、これは、特に、低温時に、反応物の膜への望ましい供給を妨害し得る。

例示的な燃料電池構成要素が、多孔質プレートを備えている。蒸気透過性層が、多孔質プレートの少なくとも一部上に設けられている。蒸気透過性層は、液体が蒸気透過性層を通過することに抵抗しつつ、多孔質プレート内の蒸気が蒸気透過性層を通過することを許容するように構成されている。

例示的な燃料電池が、電極アッセンブリを備えている。多孔質反応物供給プレートが、電極アッセンブリに隣接して位置決めされている。蒸気透過性層が、多孔質反応物供給プレートの少なくとも一部と電極アッセンブリとの間にある。蒸気透過性層は、多孔質反応物供給プレートと電極アッセンブリとの間の蒸気の通過を許容するように構成されている。また、蒸気透過性層は、多孔質反応物供給プレートと電極アッセンブリとの間の液体の通過に抵抗するように構成されている。

燃料電池の例示的な形成方法が、電極アッセンブリを設けるステップを含む。多孔質反応物供給プレートが、電極アッセンブリに隣接して位置決めされている。蒸気透過性層が、多孔質反応物供給プレートの少なくとも一部と電極アッセンブリとの間に位置決めされている。

本発明の実施例に従って設計された燃料電池の選択された部分を概略的に示した図である。 図１の例示的な実施例の選択された部分を概略的に示した図である。 他の例示的な実施例を概略的に示した図である。

図１には、燃料電池２０の選択された部分が概略的に示されている。膜電極アッセンブリ２２が、膜および２つの電極を備えている。膜電極アッセンブリ２２は、反応物、例えば、水素および酸素の間の電気化学反応を促進する周知の構成要素を備えている。ガス拡散層２４およびガス拡散層２６が、膜電極アッセンブリ２２の両側に位置決めされている。

第１の反応物供給プレート３０が、ガス拡散層２４の隣に位置している。第１の反応物供給プレート３０は、多孔質ボディを備えており、該多孔質ボディは、多孔質プレート３０のボディを通して液体を通過させる。複数のリブ３２および反応物流チャネル３４が、ガス拡散層２４を通して膜アッセンブリ２２へと反応物を供給するように配置されている。

多孔質反応物供給プレート３０は、該反応物供給プレート３０の少なくとも一部上に蒸気透過性層３６を備えている。この例では、蒸気透過性層３６は、リブ３２上および各チャネル３４内の面上に位置している。

ある例では、蒸気透過性層３６は、多孔質反応物供給プレート３０の一部に塗布されたコーティングを備えている。ある例示的な実施例では、コーティング方法、例えば、浸漬コーティングまたは溶射が、層３６を塗布するように用いられる。他の例では、蒸気透過性層３６は、フィルムを備えており、該フィルムは、プレート３０に塗布されるか、またはプレート３０内に配置される。フィルム層３６を有した実施例は、プレート３０に結合されたフィルムを有することができる。

蒸気透過性層３６に用いられる例示的な材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＣ）、ポリプロピレンおよびポリエチレンを備えている。この説明を考慮すれば、当業者は、これらの材料（または他のポリマ）のどれが、材料の特定の状況の要求を最も良く満たすかを理解するであろう。ポリジメチルシロキサンは、好適な水蒸気透過性を有しており、この水蒸気透過性は、ある実施例では、ポリジメチルシロキサンを、蒸気透過性層３６の役立つポリマにする。また、ポリジメチルシロキサンは、比較的広い温度範囲にわたって好適な耐熱性（ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）を備えている。

ある例では、蒸気透過性層３６の材料は、少なくとも１つの導電性構成要素、例えば、カーボンを備えている。一例が、蒸気透過性層３６を形成するのに用いる材料に付加される充填剤としてカーボンブラックを備えている。また、付加構成要素、例えば、カーボンブラックは、燃料電池内の望ましい伝熱の達成を容易にする。カーボン添加剤の液体水を運ぶ傾向を相殺する（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ）カーボン添加剤を有したある実施例では、ポリテトラフルオロエチレンまたはＦＥＰのような疎水性添加剤により、液体水の輸送が最小化される。

他の多孔質反応物供給プレート４０が、膜電極アッセンブリ２２の反対側にガス拡散層２６に隣接して位置決めされている。多孔質反応物供給プレート４０は、膜電極アッセンブリ２２に反応物を供給する複数のリブ４２およびチャネル４４を備えている。多孔質反応物供給プレート４０は、蒸気透過性層４６を備えている。図示した例では、蒸気透過性層４６は、リブ４２上および各チャネル４４内の面上に設けられている。

図２には、例示的な多孔質反応物供給プレート３０の１つのチャネル３４および２つのリブ３２が示されている。反応ガスが、チャネル３４内に符号５０によって概略的に示されている。矢印が、膜電極アッセンブリ２２へと向かう反応ガスの移動を概略的に示している。蒸気透過性層３６は、プレート３０のボディの孔内の液体水（または他の冷媒）が層３６を通流することを阻止している。つまり、層３６は、液体が多孔質反応物供給プレート３０と膜電極アッセンブリ２２との間で移動することを阻止している。

符号５２により概略的に示されているように、蒸気透過性層３６は、蒸気、例えば、水蒸気が層３６を通過することを許容する。蒸気は、多孔質プレート３０内から膜電極アッセンブリ２２に向かう蒸気通路を示すように、図２において符号５２により概略的に示されている。符号５２により概略的に示した蒸気は、反応ガス５０を加湿するように作用する。ここで、加湿ガスは、図２において、符号５４により概略的に示されている。符号５４により概略的に示した加湿ガスが膜電極アッセンブリ２２へと供給されるときに、この加湿ガスは、ガス拡散層２４を通過する。加湿ガス５４により、高温条件時に膜の乾燥を避けることが容易になる。

図３には、多孔質プレート６０の他の例示的な実施例が示されている。この例では、複数のリブ６２およびチャネル６４が、燃料電池内の反応物の流れおよび供給を容易にするように設けられている。蒸気透過性層６６が、プレート６０のボディ内に埋め込まれている。これは、蒸気透過性層３６が多孔質プレートの外側面に塗布されている図１および図２の例とは異なる。プレート６０内の蒸気透過性層６６の位置は、特定の状況における要求に応じて変化し得る。

図３の例では、蒸気透過性層６６は、液体冷媒がプレート６０を完全に通過せず、プレート６０において、この液体冷媒がチャネル６４へと流入し得るように位置している。例えば、リブ７２およびチャネル７４が、燃料電池内の冷媒の流れを容易にするように設けられている。蒸気透過性層６６がチャネル６４へと向かう液体の通過に対し抵抗するので、チャネル７４内の液体冷媒は、多孔質プレート６０を自由に通過しない。しかし、同時に、液体冷媒に関連した蒸気は、チャネル６４内の反応物が加湿され得るように層６６を通過する。

上記の説明を考慮して、当業者は、燃料電池内の様々な位置で蒸気および液体の通過を制御するために、蒸気透過性層を多孔質プレートと関連づける種々の他の構成を実現するであろう。また、上記の説明を考慮して、コーティングを塗布することにより、またはフィルムを含むことにより蒸気透過性層を実現することが、当業者の特定の要求を最も良く満たすかどうかを当業者は決定することができるであろう。

図示した例示的な構成は、膜電極アッセンブリ２２への加湿反応ガスの供給を容易にするので、多孔質反応物供給プレートの積極的な特徴を実現する能力を提供する。また、図示した例示的な構成は、反応物供給チャネル３４内に水が蓄積することを阻止するので、中実反応物供給プレートの積極的な特徴も実現する。同時に、図示した例示的な構成は、中実反応物供給プレートに他の点で関連した膜の乾燥を阻止する。つまり、図示した例示的な構成は、これらの形式の反応物供給プレートのいずれにも関連した欠点を経験することなく、多孔質反応物供給プレートを用いる。

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。本発明の真意を逸脱することなく、開示した例に変更および修正が加えられ得ることが当業者に明らかになるであろう。本発明に与えられる法的保護の範囲は、付記の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 (22)

1. 多孔質プレートと、
   前記多孔質プレートの少なくとも一部上の蒸気透過性層と、
   を備え、
   前記蒸気透過性層は、液体が前記蒸気透過性層を通過することに抵抗しつつ、蒸気が前記蒸気透過性層を通過することを許容するように構成されていることを特徴とする燃料電池構成要素。
2. 前記多孔質プレートは、複数のチャネルを有した反応物供給プレートであり、該複数のチャネルは、燃料電池内で電気を生成する電気化学反応においてガス反応物が用いられ得るように前記ガス反応物の流れを容易にするようにして構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成要素。
3. 前記蒸気透過性層は、前記チャネルを有した前記多孔質プレートの側にあることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池構成要素。
4. 前記蒸気透過性層は、前記多孔質プレート内に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成要素。
5. 前記蒸気透過性層は、コーティングまたはフィルムの少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成要素。
6. 前記蒸気透過性層は、ポリジメチルシロキサンを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成要素。
7. 前記蒸気透過性層は、導電性添加剤を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池構成要素。
8. 前記導電性添加剤は、カーボンと、液体水の輸送を最小化する疎水性添加剤とを備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池構成要素。
9. 前記蒸気透過性層は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレンまたはポリエチレンの１つを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成要素。
10. 前記蒸気透過性層は、ポリマおよびカーボンを有した複合材料を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池構成要素。
11. 電極アッセンブリと、
    前記電極アッセンブリに隣接した多孔質反応物供給プレートと、
    前記多孔質反応物供給プレートの少なくとも一部と前記電極アッセンブリとの間の蒸気透過性層と、
    を備え、
    前記蒸気透過性層は、前記多孔質反応物供給プレートと前記電極アッセンブリとの間の液体の通過を阻止しつつ、前記多孔質反応物供給プレートと前記電極アッセンブリとの間の蒸気の通過を許容するように構成されていることを特徴とする燃料電池。
12. 前記蒸気透過性層は、前記多孔質反応物供給プレート上にあることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記蒸気透過性層は、前記電極アッセンブリに面する前記多孔質反応物供給プレートの側にあることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池。
14. 前記多孔質反応物供給プレートは、複数の反応物供給チャネルと、該反応物供給チャネルの間の複数のリブを備え、前記蒸気透過性層は、前記リブ上および前記チャネル上にあることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
15. 前記蒸気透過性層は、前記多孔質プレート内に埋め込まれるか、またはガス流れ場と冷媒流れ場とを分離する境界部に位置することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
16. 前記蒸気透過性層は、コーティングまたはフィルムの少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。
17. 前記蒸気透過性層は、ポリジメチルシロキサンを備えることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
18. 前記蒸気透過性層は、導電性添加剤を備えることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池。
19. 前記導電性添加剤は、カーボンと、液体水の輸送を最小化する疎水性添加剤とを備えることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池。
20. 前記蒸気透過性層は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリプロピレンまたはポリエチレンの１つを備えることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
21. 電極アッセンブリを設けるステップと、
    前記電極アッセンブリに隣接して多孔質反応物供給プレートを位置決めするステップと、
    蒸気透過性層を前記多孔質反応物供給プレートの少なくとも一部に関連づけるステップと、
    を含み、
    前記蒸気透過性層は、前記多孔質反応物供給プレートと前記電極アッセンブリとの間の液体の通過に抵抗しつつ、前記多孔質反応物供給プレートと前記電極アッセンブリとの間の蒸気の通過を許容するように構成されていることを特徴とする燃料電池の形成方法。
22. 前記多孔質反応物供給プレートに蒸気透過性フィルムを結合すること、または蒸気透過性材料で前記多孔質反応物供給プレートの少なくとも一部をコーティングすることの少なくとも一方によって前記蒸気透過性層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池の形成方法。

Images