JP2018533829A - バイポーラプレートを有する燃料電池スタック、および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、各バイポーラプレート（１０）が活性領域（１６）と２つの分配領域（１８、２０）と有する２つのセパレータプレート（１２、１４）を備え、各分配領域が主ガスポート（２２、２４）と主冷却剤ポート（２６）とを備え、プレート（１２、１４）が互いの上に配置されて形成されて、各プレート（１０）が、両方の分配領域の反応ガス用の主ガスポート、主冷却剤ポートを互いに接続する反応ガス、冷却剤用の別々のチャネル（２８、３０、３２）を備える、バイポーラプレートを有する燃料電池スタックに関する。反応ガス用のチャネル（２８）は、活性領域（１６）の入口領域（４０）に非透過性の第１の仕切りプレート（３８）を有し、第１の仕切りプレートは、チャネル（２８）を２つの体積領域（５８、６０）に分割すること、反応ガスを供給するための第２の主ガスポート（２３）が、分配領域（１８）において第１の主ガスポート（２２）の隣に備えられることが提供される。本発明の主題はまた本発明による燃料電池スタックを有する燃料電池システムである。

Description

本発明は、バイポーラプレートを有する燃料電池スタックであって、各バイポーラプレートが、輪郭が形成された２つのセパレータプレートを備え、各セパレータプレートが、活性領域と、２つの分配領域と有し、各分配領域が、反応ガスの活性領域への供給および活性領域からの除去のための２つの主ガスポートと、冷却剤の活性領域への供給および活性領域からの除去のための主冷却剤ポートとを備え、セパレータプレートが、互いの上に配置されて形成され、それによって、各バイポーラプレートが、反応ガスおよび冷却剤のための別々のチャネルを有し、これらのチャネルが、両方の分配領域の反応ガスのための主ガスポートおよび主冷却剤ポートを互いに接続し、反応ガスのためのチャネルが各場合に、セパレータプレートの表面およびガス拡散層の表面によって画定されている、燃料電池スタック、および燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水の形成を伴う酸素を用いた燃料の化学変換を利用して電気エネルギーを生成する。この目的のために、燃料電池は、核心となる構成要素としていわゆる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含み、膜電極アッセンブリは、イオン伝導性特にプロトン伝導性の膜の複合材であり、各場合に膜は、電極（アノードおよびカソード）の両側に配置される。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）が、膜とは反対側でかつ電極の側で膜電極アッセンブリの両側に配置可能である。通常、燃料電池は、スタックとして配置された複数のＭＥＡによって形成され、これらの電力出力は、加法的である。燃料電池の作動中に、燃料特に水素Ｈ₂または水素含有ガス混合物が、アノードに供給され、そこで、Ｈ⁺の形成を伴うＨ₂の電気化学的酸化が、電子の損失を伴って生じる。互いに気密な反応空間を電気的に隔離する電解質または膜を介して、アノード区画からカソード区画への（水の結合したまたは無水の）プロトンＨ⁺の輸送が生じる。アノードで提供された電子は、電気ラインを介してカソードに供給される。Ｏ₂の水Ｈ₂Ｏへの還元が生じ、プロトンと電子を吸収するように、酸素または酸素含有ガス混合物が、カソードに供給される。

燃料電池は、燃料電池スタックとも呼ばれるスタックとして配置された複数の膜電極アッセンブリによって形成される。２つの膜電極アッセンブリの間に、バイポーラプレートが配置され、バイポーラプレートは各場合に、個々の電池への作動媒体すなわち反応物および冷却剤の供給を確実にする。また、バイポーラプレートは、膜電極アッセンブリへの電気伝導性接触を提供する。さらに、それらは、アノード区画とカソード区画との間の気密分離を確実にする。

バイポーラプレートは通常、輪郭が形成された２つの電気伝導性セパレータプレートから構成され、プレートは、プレートの両側に配置された高さ輪郭の形態での構造を有する。この輪郭は結果として、プレートの両側にある多少の別個のチャネルとなり、チャネルは、作動媒体を運ぶように形成される。作動媒体は次いで、プレートによって分離され、それによって、冷却剤が、プレートの内部を流れる間に、反応ガスが、外部を流れる。反応ガスのチャネルは、一方で各プレートによって画定され、他方でガス拡散層によって画定される。

燃料電池の電力密度、効率および耐用寿命を増大させるように、バイポーラプレート内の反応ガスに関して水バランスを制御するために、ＷＯ２０１２／１４３７８１Ａ１およびＵＳ２００９０１９７３４Ａ１では、反応ガスを加湿するようにチャネル内にチタン製の複数の金属ストリップを組み込むことが提案されているが、しかしながら、それらは、固定や配置が難しいため、製造が高価で複雑になり、また、チャネル内に多孔の金属プレートを組み込むことが提案されているが、しかしながら、それらも、製造が高価で複雑になる。また、これらの解決策は、黒鉛製のバイポーラプレートと組み合わせて使用できない。

従来技術では、燃料電池スタックの外部にすでにある加湿器を用いて反応ガスに所定の湿度を与えることも知られている。

本発明は、簡単かつ費用対効果の高い仕方で、反応ガスの水バランスを制御するとができる、バイポーラプレートを有する燃料電池、および燃料電池システムを提供する目的に基づいている。

この目的は、バイポーラプレートを有する燃料電池スタックであって、各バイポーラプレートが、輪郭が形成された２つのセパレータプレートを備え、各セパレータプレートが、活性領域と、２つの分配領域と有し、各分配領域が、反応ガスの活性領域への供給および活性領域からの除去のための２つの主ガスポートと、冷却剤の活性領域への供給および活性領域からの除去のための主冷却剤ポートとを備え、セパレータプレートが、互いの上に配置されて形成され、それによって、各バイポーラプレートが、反応ガスおよび冷却剤のための別々のチャネルを有している、燃料電池スタックによって、達成される。これらのチャネルは、両方の分配領域の反応ガスのための主ガスポートおよび主冷却剤ポートを互いに接続し、反応ガスのためのチャネルが各場合に、セパレータプレートの表面およびガス拡散層の表面によって画定されている。本発明によれば、反応ガスのうちの１つの反応ガスのためのチャネルは、活性領域の入口領域に非透過性の第１の仕切りプレートを有し、第１の仕切りプレートは、チャネルを各場合に２つの体積領域に分割しかつ反応ガスの流れの方向に延在しており、チャネルの１つの体積領域だけが、ガス拡散層に隣接する。さらに、本発明によれば、２つの体積領域に分割されたチャネルに反応ガスを供給するための第２の主ガスポートが、分配領域において第１の主ガスポートの隣に配置されることが、提供されており、ガス拡散層に隣接する体積領域は、第１の主ガスポートに接続され、ガス拡散層に隣接していない体積領域は、第２の主ガスポートに接続される。

反応ガス好ましくは空気のための２つの主ガスポートを有する１つの分配器領域の本発明による構成によれば、すでに加湿された空気をガス拡散層に隣接する体積領域に供給する間に、ガス拡散層と接触する加湿された空気が、最初から適切な湿度レベルを有するように、乾燥した加湿されていない反応ガス好ましくは空気が、他の主ガスポートを介して供給されることが有利に可能となる。

少なくとも１つの反応ガスのための少なくとも１つの加湿器を有する燃料電池システムも請求されており、使用される反応ガス全体の量の一部のみを加湿する必要があるだけなので、有利には、１つまたは複数の加湿器は、通常より小さく設計可能である。

有利には、加湿された反応ガスが、乾燥した反応ガスとは分離されたまま、または、加湿された空気が、乾燥した空気とは分離されたままとなるように、また、加湿器によって設定される湿度レベルが、活性領域の最初において維持されるように、仕切りプレートは好ましくは、対応するセパレータプレートに対して、またガス拡散層が一部となる膜電極アッセンブリ（ＭＡＥ）に対して、シールされる。

本発明の実施例によれば、両方の反応ガスのためのチャネルはそれぞれ、仕切りプレートを備えることができる。好ましくは、それらは、反応ガスが異なるとそれらの構成のための要求も異なるものになるので、異なる。従って、仕切りプレートによって形成される体積領域が、異なる主ガスポートによって供給されるように、第２の主ガスポートも、第２の反応ガスのために提供される。それに応じて、燃料電池システムの加湿器およびその相互接続を調節する必要がある。必要ならば、第２の加湿器を備える必要がある。

本発明によるこの構成を用いることによって、非透過性の仕切りプレートにより、ガス拡散層を通過する水が、すでに所望の湿度レベルを有する反応ガスのその部分のみを加湿することが有利に可能となる。この部分は当然に、ガス拡散層に隣接するチャネルの領域に配置される。

燃料電池スタックの本発明による構成は有利には、金属製または黒鉛製のバイポーラプレートの使用に適している。

好ましくは、仕切りプレートは、反応ガスのためのチャネルの長さの半分以下に亘って延在するが、その理由は、この距離を超えると通常、反応ガスの十分な加湿があるからである。

好ましい実施例によれば、少なくとも１つのさらなる非透過性の仕切りプレート、好ましくは２つ〜４つ、特に好ましくは２つ〜３つの仕切りプレートがチャネル内に配置される。それらは、互いに所定の距離、離間され、それによって、この点において、反応ガスの過剰な加湿、および生じる電気化学反応による反応物の過剰な消耗を防止するように、反応ガスの２つの体積の流れの混合が生じ得る。この距離または２つの仕切りプレートの隙間を過ぎると、湿度レベルは、次の隙間によって再び下へと調整される前に、再び上昇することができる。このように、チャネルの長さ全体に亘って、比較的均一な加湿が達成できる。２つの連続した仕切りプレートの間の距離は、２つの体積の流れの混合が生じ得るように、選択する必要がある。従って、この理由のため、この距離は、チャネル深さの倍数である。

後に続く仕切りプレートが好ましくは、それぞれの先行する仕切りプレートより短い長さを有するので、対応する効果が達成できる。

チャネル内に圧力差を生じさせないように、少なくとも１つの仕切りプレートは好ましくは、ガス拡散層と平行に整列される。

チャネルのための少なくとも１つの仕切りプレートの構成は、各燃料電池システムの特定の要求に依存する。

２つの体積領域の断面は、異なり得る。湿度プロファイル、圧力降下、および反応物（反応ガス）の消費を考慮すると、設計の目的に対応する少なくとも１つの仕切りプレートの形状および長さの構成は、重要である。ガス拡散層ＧＤＬに隣接する体積領域における体積の流れが小さくなればなるほど、仕切りプレートによって分割されるチャネル区域がより短くなる必要があることに留意されたい。

従って、少なくとも１つの仕切りプレートは、所望の仕方で体積領域を所定の形状または大きさとするために平坦にしまたは空間的な形状とすることができる。体積の流れは小さすぎないようにする必要があることに留意されたい。また、ガス拡散層に隣接する体積領域の高さは、できるだけ高い大きさとする必要があるが、その理由は、各セパレータプレートが、ある程度までその中に押し込まれて、それによって、体積領域の高さが再び低くなり得るからである。

同様に、少なくとも１つのセパレータプレートも、少なくとも１つの仕切りプレートの構成と協同して、（異なる水分含有量を有する）１つまたは複数の反応ガス、および冷却剤の体積の流れを調節するさらなる可能性が生じるように、形成可能である。

また、均一な加湿をひょっとしたら損ない得る、反応ガスの望ましくない乱流を防止するために、チャネルは、主として直線的であるのが好ましい。

本発明によりカソードガスの輸送のためのチャネルを構成し、また、第２の主ガスポートを提供するのが好ましい。このような構成は、既に述べたように、アノードガスの輸送のためのチャネルにも有利である。また、本発明によれば、全てのチャネルすなわちカソードガスおよびアノードガスの輸送のためのチャネルは、このように設計可能である。

好ましくは、本発明による燃料電池スタックに使用される膜は、高分子電解質膜である。

燃料電池スタックまたは燃料電池システムは、移動用途または据え付け用途に使用可能である。特に、乗り物の推進のためのモーターに電力を供給するのに役に立つ。従って、本発明の主題はまた、本発明による燃料電池スタックを有する燃料電池システム、およびそのようなシステムを有する乗り物である。

本発明による燃料電池スタックのバイポーラプレートは、カソードチャネルの直線性により、水の排出に好都合であり、従って、水の蓄積の結果としてのカソードチャネルの閉塞が大部分または完全に防止されるという、特別な利点を有する。さらに、全てのカソードチャネルは、本発明による配列により、同じ長さである。これは次いで、反応ガスの圧力および体積の流れの均一な分布に好都合である。

本発明による燃料電池スタックおよび本発明による燃料電池システムは有利には、個々のバイポーラプレートに亘りまた燃料電池スタック全体にも亘る、作動媒体特に冷却剤の低い圧力損失を有する最適な質量流量分布を有する。また有利には、燃料電池スタック内の水バランスが改善可能であり、結果として燃料電池の電力密度、効率および耐用寿命の増大が得られる。

本発明のさらに好ましい構成は、従属請求項に述べられる残りの特徴から明らかとなるであろう。

本願に記載された本発明のさまざまな実施例は有利には、個々の場合に特に明記しない限り、互いに組み合わせ可能である。

本発明は、添付の図面を参照して例示的な実施例において以下に説明される。

本発明によるバイポーラプレートの構造の概略平面図を示す。 断面での本発明によるバイポーラプレートの構造および反応ガスのためのチャネル内の水の含有量のプロファイルの概略図を示す。 膜電極アッセンブリ内の反応ガスの相対湿度のＣＦＤ（計算機流体力学）シミュレーションの表示を示す。 本発明による燃料電池システムの概略図を示す。

図１は、図示していない本発明による燃料電池スタックのための本発明により構成されたバイポーラプレート１０を示す。

バイポーラプレート１０は、輪郭が形成された２つのセパレータプレート１２、１４を有し、セパレータプレート１２、１４は一緒に、活性領域１６を形成し、隣接する分配領域１８、２０が両側に配置され、各分配領域は、活性領域１６に反応ガスおよび冷却剤を供給するために用いる、反応ガスのための２つの主ガスポート２２、２４と、冷却剤のための主ガスポート２６とを有する。また、反応ガスが供給される分配領域１８は、第１の主ガスポート２２と同じ反応ガスが供給される第２の主ガスポート２３を有するが、第１の主ガスポート２２のための反応ガスは、加湿されており、第２の主ガスポート２３のための反応ガスは、加湿されていない。反応ガスおよび冷却剤のための別々のチャネル２８、３０、３２が、バイポーラプレート１０内を走るが、ここでは詳細には図示しない。活性領域１６は次いで、２つの下位領域３４、３６に分割され、反応ガスのうちの１つの反応ガスのためのチャネル２８が、下位領域３４に提供されており、図１では詳細に図示しない仕切りプレート３８を有し、この下位領域３４は、活性領域１６において、２つの主ガスポート２２、２３を介して供給される対応する反応ガスの入口領域４０に対応する。

仕切りプレート３８は、破線で図示されるシール４２を用いてセパレータプレート１２、１４に対して、また点線で図示されるシール４４を用いてここでは図示しない膜電極アッセンブリ（ＭＥＳ）に対して、シールされる。また、供給される加湿されおよび加湿されていない反応ガスのためのセパレータプレート１２、１４は、実線で具体的に表現される、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）に対するさらなるシール４６を有する。

図２は、反応ガスのための本発明によって構成されたバイポーラプレート１０のチャネル２８のうちの１つのチャネル２８を通る長手方向断面を示し、流れの方向４８が、矢印で示される。以下に説明するように、ガス拡散層５２に隣接する、チャネル２８の１つの側５０から、矢印で象徴される生成水５４が、チャネル内に進入し、それによって、反応ガスが付加的に加湿される。

反応ガス中の水の割合（Ｈ₂Ｏ／ｖｏｌ．）が、活性領域１６の長さｌに対して曲線５６によって図中で示される。

加湿された反応ガスは、図２では図示しない第１の主ガスポート２２を介して活性領域１６内に、もっぱら仕切りプレート３８とガス拡散層５２との間の体積領域５８内に導入される。乾燥した反応ガスは、ここでは同様に図示しない第２の主ガスポート２３を介して活性領域１６内に、もっぱら仕切りプレート３８とセパレータプレート１２、１４との間の体積領域６０内に導入される。

この構成は結果として、曲線５６の分裂になる。これは結果として、加湿された反応ガスが流入する、チャネル２８の体積領域５８と関連する下位曲線５６ａになる。チャネル２８のもう一方の体積領域６０は、下位曲線５６ｂ（破線）による曲線プロファイルを示す。

体積領域５８の下位曲線５６ａは、加湿によって予め定められた水の含有量からの生成水５４の進入による急な増加を示しながら、もう一方の体積領域５８の曲線５６ｂによる水の含有量は、生成水５４による加湿がなく、反応ガスはとにかく乾燥したままで導入されているので、一貫して低いレベルのままである。

チャネル２８の反応ガスが仕切りプレート３８を通り去るとすぐ、水の含有量が反応ガスの体積全体に亘って分配されるので、下位曲線５６ａ、５６ｂは速やかに結合する。その後、曲線４８は再び、反応ガス中に生成水５４を包含することによる水の含有量の連続的な増加を示す。

図３は、ＣＦＤシミュレーションに基づく隣接するチャネル２８、３０を有する膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）６２内の反応ガスの流れプロファイルまたは相対湿度のプロファイルを概略的に示す。このシミュレーションの結果は、図２の曲線５６に対応する。

加湿された反応ガスは、第１の主ガスポート２２を介して活性領域１６内に導入され、仕切りプレート３８とガス拡散層５２との間の体積領域５８に流入する。最初に与えられた相対湿度は連続的に上昇し、ＭＥＡ６２のその他の層内の湿度プロファイルに一致する。

仕切りプレート３８を有する入口領域４０の末端の後で、加湿された反応ガスは、体積領域６０からの乾燥した反応ガスと混合される。その結果、活性領域１６と接触しているガスの相対湿度は低下する。図３のＣＦＤシミュレーションでは、乾燥したまたは加湿されていない反応ガスを混合するにもかかわらず、活性領域１６内（すなわち、ＭＥＡ６２の層内）の相対湿度は、反応ガスの変換の高効率に必要な、高いレベルのままであることが示される。

図４は、燃料電池システム６６内の反応ガスのための経路６４を概略的に示す。反応ガスは、バイパス弁６８を用いて２つの体積の流れに分割され、反応ガスの一方の体積の流れは最初、加湿器７０に供給され、そこで加湿される。その後、加湿された反応ガスは、第１の主ガスポート２２内に供給される。同時に、加湿されていない分離された体積の流れは、仕切りプレート３８によって分離された両方の体積の流れが活性領域１６に流入するように、第２の主ガスポート２３に供給される。活性領域１６を通過した後、反応ガスの除去のための分配領域２０の主ガスポート２２から排出される反応ガスは次いで、湿度交換を実行するために、加湿器７０に供給される。その後、反応ガスは、排出ガスに供給される。上に記載した反応ガスの供給および除去は、特定していないパイプシステムを介して行なわれる。

１０…バイポーラプレート
１２、１４…セパレータプレート
１６…活性領域
１８、２０…分配領域
２２、２３…加湿されおよび加湿されていない反応ガスのための主ガスポート
２４…反応ガスのための主ガスポート
２６…冷却剤のための主ガスポート
２８、３０、３２…作動媒体のためのチャネル
３４、３６…下位領域
３８…仕切りプレート
４０…入口領域
４２、４４、４６…シール
４８…流れの方向
５０…側
５２…ガス拡散層
５４…生成水
５６…曲線
５８、６０…体積領域
６２…膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）
６４…経路
６６…燃料電池システム
６８…バイパス弁６８
７０…加湿器
ｌ…長さ

Claims (10)

1. バイポーラプレート（１０）を有する燃料電池スタックであって、各バイポーラプレートが、輪郭が形成された２つのセパレータプレート（１２、１４）を備え、各セパレータプレートが、活性領域（１６）と、２つの分配領域（１８、２０）と有し、各分配領域が、反応ガスの活性領域（１６）への供給および活性領域（１６）からの除去のための２つの主ガスポート（２２、２４）と、冷却剤の活性領域（１６）への供給および活性領域（１６）からの除去のための主冷却剤ポート（２６）とを備え、セパレータプレート（１２、１４）が、互いの上に配置されて形成され、それによって、各バイポーラプレート（１０）が、反応ガスおよび冷却剤のための別々のチャネル（２８、３０、３２）を有し、これらのチャネルが、両方の分配領域（１８、２０）の反応ガスのための主ガスポート（２２、２４）および主冷却剤ポート（２６）を互いに接続し、反応ガスのためのチャネル（２８、３０）が各場合に、活性領域においてセパレータプレート（１２、１４）の表面およびガス拡散層（５２）の表面によって画定されている、燃料電池スタックにおいて、反応ガスのためのチャネル（２８）は、活性領域（１６）の入口領域（４０）に非透過性の第１の仕切りプレート（３８）を有し、第１の仕切りプレートは、チャネル（２８）を各場合に２つの体積領域（５８、６０）に分割しかつ流れの方向（４８）に延在しており、チャネル（２８）の１つの体積領域（５８）だけが、ガス拡散層（５２）に隣接しており、２つの体積領域（５８、６０）に分割されたチャネル（２８）に反応ガスを供給するための第２の主ガスポート（２３）が、分配領域（１８）において第１の主ガスポート（２２）の隣に備えられており、ガス拡散層（５２）に隣接する体積領域（５８）は、第１の主ガスポート（２２）に接続され、ガス拡散層（５２）に隣接していない体積領域（６０）は、第２の主ガスポート（２３）に接続されることを特徴とする、燃料電池スタック。
2. １つまたは複数のさらなる非透過性の仕切りプレート、好ましくは２つまたは３つ、特に好ましくは３つの仕切りプレート（５４）が、第１の仕切りプレート（３８）の下流でチャネル（２８）内に配置され、全ての仕切りプレート（３８）は、互いに離間して配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. チャネル（２８）の入口領域（４０）から始めて、第１の仕切りプレート（３８）の後に続く各仕切りプレートは、それぞれの先行する仕切りプレート（３８）より短い長さを有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. １つの仕切りプレート（３８）または複数の仕切りプレート（３８）は、ガス拡散層（５２）と平行に延在することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
5. １つの仕切りプレート（３８）または複数の仕切りプレートによって与えられる領域（５８、６０）は、反応ガスの同じ体積の流れを可能にするように形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
6. チャネル（２０、３０、３２）は、直線的であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
7. 活性領域（１６）の入口領域（４０）における両方の反応ガスのためのチャネル（２８、３０）は、非透過性の第１の仕切りプレート（３８）を有し、第１の仕切りプレートは、チャネル（２８、３０）を各場合に２つの体積領域（５８、６０）に分割しかつ流れの方向（４８）に延在しており、チャネル（２８、３０）の１つの体積領域（５８）だけが、ガス拡散層（５２）に隣接しており、２つの体積領域（５８、６０）に分割されたチャネル（２８、３０）に２つの反応ガスを供給するための第２の主ガスポート（２３）が、分配領域（１８、２０）において第１の主ガスポート（２２、２４）の隣に備えられており、ガス拡散層（５２）に隣接する体積領域（５８）は、第１の主ガスポート（２２、２４）に接続され、ガス拡散層（５２）に隣接していない体積領域（６０）は、第２の主ガスポート（２３）に接続されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
8. 燃料電池スタックは、高分子電解質膜（６０）を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の燃料電池スタックを備える、燃料電池システム。
10. 燃料電池システムは、少なくとも１つの反応ガスの一部を加湿するように構成された少なくとも１つの加湿器（７０）を有することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

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