JP2015232997A

JP2015232997A - 燃料電池流動場のための付加製造

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Publication number: JP2015232997A
Application number: JP2015082313A
Authority: JP
Inventors: ギヨーム・エム・ブルソー; M Brousseau Guillaume
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2035-04-14
Also published as: US9444108B2; JP6574099B2; US20150295251A1; DE102015105568A1

Abstract

【課題】本願の目的は、比較的小さく、軽量の燃料電池の設計を提供することである。【解決手段】燃料電池のためのプレートは、第１の表面において第１の流動場チャネルを画定する第１のプレート本体を含む。第１の流動場チャネルは、プレート本体の第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として変化する断面積を有する。断面積は、第１の表面から対向する第２の表面に向かって増加および／または減少することができる。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池のための流動場プレートおよび流動場プレートを製造する方法に関する。

燃料電池は、酸素と水素または炭素系燃料等の別の酸化剤との間の化学反応を通じて、化学エネルギーを電気に変換するデバイスである。多くの種類の燃料電池が存在するが、それらは、典型的には、陽極、陰極、および電荷が燃料電池の両側を移動することを可能にする電解質から成る。電子は、陽極から陰極に引き出され、直流電気を生成する。典型的な燃料電池の各端部は、頑丈で軽量の電子伝導材料（多くの場合、黒鉛、金属、または複合体）から作られるプレートを含有する。これらのプレートは、（陽極側の）燃料および（陰極側の）酸素を燃料電池に供給することができるチャネルを含む。その後、単燃料電池は、積層されて、さらなる容量を生成する。

概して、流動場のチャネルは、バイポーラプレートに機械加工されるか、または成形される。その後、別々のプレートが、ガス拡散層に対して押され、膜電極接合体上へのガス拡散をも可能にする。流動場を機械加工する工程は、黒鉛プレートに対して特別な工具および処理を利用する。流動場を機械加工することは、構造的に適応されなければならない応力点をプレート内に生成し得、これは、典型的には、プレートを、所望を上回る厚さおよび／または重量にする必要がある。厚さおよび／または重量の追加は、比較的小さく、軽量の燃料電池を求める典型的な設計に反する。

そのような従来の方法およびシステムは、概して、それらの意図される目的に対して満足のいくものであるとみなされてきた。しかしながら、燃料電池およびその方法の向上に対する必要性が当技術分野で依然として存在する。本開示は、この必要性に対する解決策を提供する。

燃料電池のためのプレートは、第１の表面において第１の流動場チャネルを画定する第１のプレート本体を含む。第１の流動場チャネルは、プレート本体の第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として変化する断面積を有する。第１の流動場チャネルの断面積は、第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として、の関数として増加および／または減少することができる。

プレートは、第１の表面において第２の流動場チャネルを画定する第２のプレート本体を含むことができる。第１のプレート本体の第１の流動場チャネルと同様に、第２の流動場チャネルは、第２のプレート本体の第１の表面からその対向する第２の表面に向かった深さの関数として、の関数として変化する断面積を有することができる。第１の流動場チャネルおよび第２の流動場チャネルが、連続的な流動場経路を画定するように、第２のプレート本体の第１の表面を、第１のプレート本体の第１の表面に隣接して実装することができる。第２の流動場チャネルの断面積は、第２のプレート本体の第１の表面からその第２の表面まで増加および／または減少することができる。

第１の表面に垂直の流動場経路の断面積は、Ｉ字形であることができる。流動場経路の第１の端部の幅は、第２の端部の幅未満であることができる。

燃料電池のための流動場チャネルを形成する方法は、第１のプレート本体上に直接チャネル壁を付加的に形成することによって、第１のプレート本体上に流動場チャネルを形成するステップを含む。形成するステップは、チャネル壁を形成するように、連続的層の付加層製造をさらに含むことができる。

本開示のシステムおよび方法のこれらおよび他の特徴は、図面と併せて、続く発明を実施するための形態から当業者にはより容易に明らかとなる。

本開示が属する当業者が、不要な実験をすることなく、本開示のデバイスおよび方法を製作および使用する方法を容易に理解することができるように、発明を実施するための形態は、特定の図面を参照して本明細書で以下に詳細に説明される。

先行技術で周知の燃料電池の断面図である。図１Ａの燃料電池の流動場プレートの平面図である。深さの関数として変化する断面積を示す、本開示に従って構成される燃料電池のためのプレートの例示的な実施形態の断面図である。図２のプレートのさらなる実施形態の断面図である。図２のプレートの別の実施形態の断面図である。縦位置の関数として断面が変化するチャネルを示す、プレートの別の例示的な実施形態の平面図である。

ここで、同様の参照番号が本開示の同様の構造的特徴または態様を特定する、図面が参照される。説明および例示の目的のためであって、限定する目的ではなく、本開示に従う燃料電池のためのプレート本体の例示的な実施形態の部分図が、図２に示され、全体が参照文字１００で表される。本開示またはその態様に従うプレート本体の他の実施形態は、後述されるように、図３〜５に提供される。

当技術分野で周知の燃料電池の構造は、図１Ａ〜１Ｂを参照して説明される。図１Ａは、単燃料電池１０の断面図を示す。燃料電池１０は、触媒電極１４および１６を含む膜電極接合体１２を含む。触媒電極１４および１６は、それぞれ燃料電池１０の陽極および陰極として機能し得る。燃料電池１０は、ガス拡散層２０および２２をさらに含む。ガス拡散層２０および２２は、反応のために触媒電極１４、１６へガスを拡散させるのに役立つように用いられる。酸素等のガスおよび水素または炭素系燃料等別の酸化剤は、流体流動場プレート３０および３２に沿って分布される。水素は、酸素と結合して、水を形成し、一方で、同時に電流を発生させる。ガスが均等に分布されることを確実にするために、流体流動場プレート３０および３２は、それぞれガス拡散層２０および２２の外側に配置される。所望される電圧を得るために、複数の燃料電池１０は、燃料電池スタックとして連続して共に積層されて、所望されるエネルギー生成を達成し得る。

図１Ｂは、流体流動場プレート３０の平面図を示す。流体流動場プレート３０は、表面にエッチングされるか、成形されるか、または機械加工されるチャネル１８を含む。これらのチャネル１８は、流体が、流体流動場プレート３０の反応表面上に均等に分布されるのに役立つ。チャネル上の流体流動の不均等な分布は、分散を導入し得、化学から電気エネルギーへの変換の損失につながるため、流体流動プレート３０を通じたガスの均等な分布が理想的である。さらに、不均等な流動分布は、均等な分布と比較すると、圧力低下を増加させる。典型的には、チャネルは、燃料電池のプレートに機械加工されるか、または成形され、その後、燃料電池スタック内のガス拡散層に対して押される。しかしながら、これらの技術は、所望されない費用を追加し得る特別な工具および燃料電池スタックに所望されない応力を生成し得る処理を必要とする。

図２は、本発明に従うプレート本体１００を例示する。プレート本体１００は、例えば、ガス拡散層は、その第１の表面１０４において第１の流動場チャネル１０２を画定する。第１の流動場チャネル１０２は、プレート本体１００の第１の表面１０４から対向する第２の表面１０６に向かった深さＤの関数として変化する断面積を有する。第１の流動場チャネル１０２は、付加製造によって製造されると考えられる。このように、第１の流動場チャネル１０２は、プレート本体１００上に直接チャネル壁１０３を層ごとに形成することによって生成される。この製造方法は、正確な量の材料、例えば、黒鉛をプレート本体１００上に直接適用して、比較的薄く、かつ燃料電池に必要な任意のチャネル高さおよび幅を有する第１の流動場チャネル１０２を生成することを可能にする。付加製造を用いることは、さらに、第１の流動場チャネル１０２を、特定の用途に対して任意の適切なパターンで生成することを可能にする。

引き続き図２を参照して、第１の流動場チャネル１０２の断面積は、第１の表面１０４から対向する第２の表面１０６の方向に増加する。したがって、断面積は、プレート本体１００のより深部で広がって、外側に先細りする。第１の流動場チャネル１０２のこの先細りは、先細りのないチャネルの場合の流速と比べて流量を制御することによって、プレート本体を通じたガス流速を制御することによって、制御された圧力低下を可能にする。先細りは、プレート本体１００が生成する制限の大きさおよび電極への所望されるガス流に応じて調整することができる。付加製造の技術を用いることは、燃料電池内の流量も最大にするように、第１の流動場チャネル１０２の特定のチャネルプロファイルを生成することを可能にする。加えて、第１の流動場チャネル１０２は、任意に、第１の流動場チャネル１０２とプレート本体１００との間の所望されない接触応力を低減するように、斜角の角１０８を含むことができる。

ある実施形態において、図３に示されるように、チャネルの断面積は、第１の表面３０４から対向する第２の表面３０６に向かって減少する。この実施形態において、第１の流動場チャネルの断面積は、プレート本体３００のより深部にいくにつれて内側に先細りする。図３において、複数の第１の流動場チャネル３０２が示される。第１の流動場チャネル３０２は、内側に先細りするチャネルおよび外側に先細りするチャネルを含むことによってパターン形成される。このパターンは、プレート本体を通じた流量を制御することによって、燃料電池内の圧力低下も制御することができる。

加えて、第１の表面２０４において第２の流動場チャネル２０２を画定する第２のプレート本体２００は、付加製造を用いて製造することができる。第２の流動場チャネル２０２は、第２のプレート本体の第１の表面２０４から対向する第２の表面２０６に向かった深さの関数として変化する断面積を有する。第２のプレート本体２００の第１の表面２０４は、第１の流動場チャネル１０２および第２の流動場チャネル２０２が、連続的な流動場経路１１０を画定するように、第１のプレート本体１００の第１の表面１０４に隣接する。より具体的には、第２のプレート本体２００、例えば、第２の流動場チャネル２０２を有する水輸送プレートは、第１のプレート本体１００の第１の表面１０４および第２のプレート本体２００の第１の表面２０４が隣接するように、第１のプレート本体１００と共に押され得る。第１の表面１０４、２０４はそれぞれ共に押されるにつれて、、第１および第２の流動場チャネル１０２、２０２は、１つの連続的な流動場経路１１０を生成する。図２および３に示されるように、複数の流動場経路１１０は、第１および第２のプレート本体１００、２００に階層化されて、燃料電池１０のもの等の流動場プレート３０、３２と似ることができる。さらに、階層化される流動場経路１１０を有する第１および第２のプレート本体１００、２００は、スタックの費用と併せて燃料電池スタックの高さを著しく低減することを可能にする。

図４は、連続的な流動場経路４１０を有する第１および第２のプレート本体４００、５００のさらなる実施形態を例示する。この実施形態において、流動場経路４１０の断面は、第１の表面４０４、５０４に垂直に見たときに、Ｉ字形であり、例えば、Ｉビーム形構造の少なくとも一部の断面形状に似る。この設計は、燃料電池の接触表面を向上させ、燃料電池における圧力低下を低減させる。チャネル断面の第１の端部４２０は、対向する第２の端部５２０より幅が狭くなることができる。図２〜４に例示される設計および／またはパターンのそれぞれは、それぞれのチャネル壁を形成することによって、付加製造を用いて各それぞれのプレート本体に第１および第２の流動場チャネルを形成することにより生成することができる。これは、特別な工具の必要性なく、プレート本体を生成することを可能にする。当業者であれば、応力および燃料電池の処理費用を低減する流動場チャネルを可能にし、かつ流動分布を最大にすることを可能にするように、さらなる設計および／またはパターンが生成され得ることを認識するであろう。

図５は、第１のプレート本体６００内の第１の流動場チャネル６０２が、縦方向に断面積が変化する本開示の別の例示的な実施形態を例示する。図５に示されるように、流動場チャネル６０２の断面積は、長さＬの関数として増加および／または減少する。この断面積の変化は、深さＤに応じた断面積の変化に追加されるか、または代わりに行われる。

当業者であれば、示され、説明された燃料場経路を、１つの燃料電池または燃料電池スタック内に生成することができることを認識する。例えば、図２および３に示された流動場経路は、図４に示された流動場経路と混合することができる。流動場経路を付加的に製造する技術は、特別な工具の必要性なく、特有のパターンの生成を可能にする。加えて、プレート本体の組成を変化させるために、様々な材料が用いられ得る。例えば、付加製造を用いて、異なる材料を階層化して、半分疎水性および半分親水性である流動場経路を生成して、流動場経路内の水分収集を管理し得る。

上記で説明され、図面に示された本開示の方法およびシステムは、向上したチャネル形状を含む優れた特性を有する燃料電池のための流動場チャネルを提供する。本開示の装置および方法は、好ましい実施形態を参照して示され、説明されているが、一方で、当業者であれば、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、変更および／または修正がなされ得ることを容易に理解する。

１０単燃料電池
１２膜電極接合体
１４、１６触媒電極
１８チャネル
２０、２２ガス拡散層
３０、３２流体流動場プレート
１００プレート本体
１０２第１の流動場プレート

Claims

第１の表面において第１の流動場チャネルを画定する第１のプレート本体を備える、燃料電池のためのプレートであって、前記第１の流動場チャネルは、前記プレート本体の前記第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として変化する断面積を有する、燃料電池のためのプレート。
前記第１の流動場チャネルの前記断面積は、前記第１の表面から対向する第２の表面に向かって増加する、請求項１に記載のプレート。
前記第１の流動場チャネルの前記断面積は、前記第１の表面から前記対向する第２の表面に向かって減少する、請求項１に記載のプレート。
第１の表面において第２の流動場チャネルを画定する第２のプレート本体をさらに備え、前記第２の流動場チャネルは、前記第２のプレート本体の前記第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として変化する断面積を有し、前記第２のプレート本体の前記第１の表面は、前記第１の流動場チャネルおよび前記第２の流動場チャネルが、連続的な流動場経路を画定するように、前記第１のプレート本体の前記第１の表面に隣接する、請求項１に記載のプレート。
前記第２の流動場チャネルの前記断面積は、前記第１の表面から前記対向する第２の表面に向かって増加する、請求項４に記載のプレート。
前記第２の流動場チャネルの前記断面積は、前記第１の表面から前記対向する第２の表面に向かって減少する、請求項４に記載のプレート。
前記第１のプレート本体の前記第１の表面および前記第２のプレート本体の前記第１の表面に垂直の前記流動場経路の前記断面積は、Ｉ字形である、請求項４に記載のプレート。
前記流動場経路の第１の端部の幅は、第２の端部の幅未満である、請求項７に記載のプレート。
燃料電池のための流動場チャネルを形成する方法であって、
第１のプレート本体上および／または第１のプレート本体内に直接チャネル壁を付加的に形成することによって、前記第１のプレート本体上に流動場チャネルを形成するステップを含む、方法。
前記形成するステップは、前記チャネル壁を形成するように、連続的層の付加層製造をさらに含む、請求項９に記載の方法。
第１の表面において前記第１のプレート本体内に第１の流動場チャネルを形成するステップをさらに含み、前記第１の流動場チャネルは、前記プレート本体の前記第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として変化する断面積を有する、請求項９に記載の方法。
前記形成するステップは、前記第１の表面から前記対向する第２の表面に向かって増加する前記断面積をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
前記形成するステップは、前記第１の表面から前記対向する第２の表面に向かって減少する前記断面積をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
第１の表面において第２のプレート本体内に第２の流動場チャネルを形成するステップをさらに含み、前記第２の流動場チャネルは、前記第２のプレート本体の前記第１の表面から対向する第２の表面に向かった深さの関数として変化する断面積を有し、前記第２のプレート本体の前記第１の表面は、前記第１の流動場チャネルおよび前記第２の流動場チャネルが、連続的な流動場経路を画定するように、前記第１のプレート本体の前記第１の表面に隣接する、請求項９に記載の方法。
前記第１のプレート本体の前記第１の表面および前記第２のプレート本体の前記第１の表面に垂直の前記流動場経路の前記断面積は、Ｉ字形であり、前記流動場経路の第１の端部の幅は、第２の端部の幅未満である、請求項１４に記載の方法。