JP2019179759A - 電気化学反応器の電力アダプテーションのためのセル群 - Google Patents
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Abstract
【課題】最適動作点(電圧)を変更してもカソードの組成が流路にわたり均一で劣化の少ない電気化学セルの提供。【解決手段】次のものを備える第1の電気化学セル:プロトン交換膜の両側に第1のアノード(141)と第1のカソードを有する第1の膜/電極アセンブリ(14);第1のアセンブリ(14)の両側に配置された第1及び第2のフローガイド(5);次のものを備える第2の電気化学セル:プロトン交換膜の両側に第2のアノード(111)と第2のカソードを有する第2の膜/電極アセンブリ(110);第2の膜/電極アセンブリ(113)の両側にある第3及び第4のフローガイド(5)。第1及び第3のフローガイドは同一の幾何学的形状を有し;第1のアノード(141)及び第2のアノード(111)は、第1及び第2のプロトン交換膜のそれぞれの面上の電極触媒材料の表面密度の分布が異なるものとなっている。【選択図】図2
Description
本発明はプロトン交換膜電気化学反応器に関し、例えば水の電気分解によって二水素(dihydrogen)を生成するための電解槽、又は電気を供給するための燃料電池に関する。
プロトン交換膜電気化学反応器は300℃未満の運転温度で使用される。ここでプロトン交換膜は固体電解質を形成している。低温用途では、リン酸を添加した(loaded with phosphoric acid)ポリベンズイミダゾール型の膜が一般に使用される。
特に燃料電池は通常、基本となるセルの積み重ねを有しており、その中で連続的に導入される2つの反応物が電気化学反応を起こす。燃料をアノードと接触させ、さらに燃焼性物質をカソードと接触させる。
反応は2つの半反応に分けられ、一方はアノード/膜の界面で、他方はカソード/膜の界面で起こる。半反応は2つの電極と電子伝導体との間にイオン伝導体がある場合にのみ起こり得る。
流体を入口及び出口のコレクターから反応区域に接触させるが、それらは概ねスタックを直接通過する。流体は概ねバイポーラプレートの流路によってコレクターとその反応区域との間に導かれるが、このバイポーラプレートはまた、電気伝導機能及びセルの重ね合わせに対する締め付け力の伝達機能も有する。各コレクターは、燃料電池内を循環する様々な流体の混合を防ぐシールによって囲まれている。
電気化学反応器の寸法の決定は、積み重ねられたセルの数及びそれらの活性表面積を、最終用途を意図して事前に定めておくことが常である。動作中のセルの固有の性能は動作条件によって事前に決めておくことができる。基準となる電気化学セルで試験することによって分極曲線を決めることができる。セルの電圧は、所定の動作条件に応じた電流密度の関数としてこの分極曲線から特定することが可能である。積層された電気化学セルは同一であることから、この分極曲線からあらゆるセルの動作条件を見つけることが可能である。
所定の用途に対する最適動作点の選択は、エネルギー効率を目的としてなされることが常であり、これはセル電圧が電気化学反応の効率に直接影響することに依っており:すなわち電圧が低いほど熱の放出が大きくなり電気効率が低下する。このため、最適動作点を得るためにセル電圧と電流密度を決めることになる。
単位セルの最適動作点を得るための電圧に対する、企図した最終用途向けの総電圧の比によって積み重ねられるセルの数が決められる。積み重ねられた電気化学セルは同一であることから、最適動作点を得るための電力密度に対する、企図された最終用途向けの総電力の比によってセルの活性表面積が決められる。次いで、膜/電極アセンブリの活性表面の幾何学形状が決められ、さらにこれらのアノード及びカソードの幾何学形状を決めることができる。
一旦、活性表面の幾何学的形状を決めれば、バイポーラプレートの設計と寸法が決まる。特に、流体フローコレクター、フローガイドチャネル、及びシールの位置が決まる。
特定の用途向けの燃料電池を設計するために、膜/電極アセンブリ及びバイポーラプレートの既存の設計が一般に再利用されている。寸法を決めてこの活性表面積を得るために、本質的には、意図した用途に必要な活性表面積を決める必要があり、さらにスタックの有する電気化学セルの数を選択する必要がある。
既存の設計と比較して電力を増大させた新しい燃料電池を設計したい場合、積み重ねて直列に接続した電気化学セルの数、または並列に接続したスタックの数を増やすことが一般に容易である。
対照的に、既存の設計と比較して電力が低減された新しい燃料電池を設計したい場合、この新しい燃料電池の動作点を修正することで、各セルによって生成される電流密度を減らし、その動作電圧を上げるのが一般的である。しかしながら、このような動作点の変更は、燃料電池の使われ方も変える。実際、各セルを通過する反応物のマスフローは、設計上の数値よりも低い。各電気化学セルで生成された水の排出によって、その後の問題として反応物の流路の閉塞につながる場合がある。また、1つの電気化学セルのみが異なる動作点を有する場合、この動作点を管理することは他の電気化学セルの動作点と比較して難しい。
米国特許第6911277号明細書では、この問題を解決するために、反応バッフル内に可動バッフルを挿入することが提案されている。この可動バッフルの位置を能動的に制御することによって、活性領域の異なる流路からの反応物の供給を圧力損失の関数として調整することが可能である。しかしながら、この能動的な制御の管理は複雑であり、燃料電池にとって追加的な故障要因となる。そのような解決策では、膜/電極アセンブリ及びバイポーラプレートの既知の設計を再利用しているにも関わらず、燃料電池の電力コストも悪化する。また電気化学セルの動作電圧の上昇により劣化が早まり、耐用年数が減少する。
特開2013−085999号公報には、ガス流を処理するためにいくつかの電気化学セルが直列に接続されたものが記載されている。
欧州特許出願公開第2337127号には電気化学セルが記載されている。カソードの組成は流路に渡り不均一なものとなっている。
国際公開第2012/130932号には電気化学セルが記載されている。カソードの組成は流路に渡り不均一なものとなっている。
本発明の目的は、上記の問題点のうちの1つ以上を解決することである。本発明は、請求項に記載されるような電気化学反応器用の組み立て済みの電気化学セルに関する。
本発明はまた、従属請求項に記載の変形例に関する。当業者の観点に則り、従属請求項及び明細書に記載の変形例の各特徴を独立請求項に記載の特徴と個別に組み合わせでもよく、また中間形態を一般化することまでは要しないと考えられる。
本発明はまた、添付の請求項に記載の電気化学反応器に関する。
本発明はさらに電気化学セルのスタックを備える燃料電池に関するものであり、前記スタックは上述したような組み立て済みの電気化学セルを備えるものである。
本発明の他の特徴及び利点を明らかにするため、添付の図面を以下の通り参照しつつ説明するが、これらはガイドに過ぎずまた発明を限定するものではない。
燃料電池用の膜/電極アセンブリの積層体及びバイポーラプレートの例の分解斜視図。
本発明の一実施形態に係る燃料電池用のスタックの断面図。
本発明の一実施形態に係る燃料電池のバイポーラプレート。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
本発明を実施するための膜/電極アセンブリの様々な構成の一つ。
図1は、燃料電池4のセル1の積層体の概略を示す分解斜視図である。燃料電池4は、複数のセル1を重ね合わせたものである。セル1の形式は、プロトン交換膜または高分子電解質膜を有するものである。
燃料電池4は、燃料供給源40を有する。ここで、燃料供給源40は、二水素を各セル1の入口に供給する。燃料電池4はまた燃焼ソース42を備える。ここで、燃焼ソース42は、空気を入口に供給するところ、各セル1において空気中の酸素が酸化剤として使用されている。各セル1は排気チャネルも備える。また1つ以上のセル1が反応区域の冷却回路を有する。
各セル1は、膜/電極接合体(membrane/electrode assembly)14またはMEA14を備える。膜電極接合体14は、固体電解質143を備えるが、カソード(図示せず)及びアノード141は電解質の両側に配置され、この電解質143上に固定されている。電解質層143は、セル内に存在するガスに対して不透過性でありながら、プロトン伝導が可能な膜となっている。電解質層はまた、アノード141とカソードとの間の電子の透過を防止する。電解質143は、例えば100℃を超える動作温度で使用されるように設計されているが、通常の動作温度は180℃である。前記電解質143は、例えば、リン酸をドープしたポリベンズイミダゾール(PBI)でもよい。
バイポーラプレート5が隣接するMEAの各組の間に配置されている。MEAの各面には、バイポーラプレート5が反応区域に対する反応物フローガイドが形成されている。ここで、各バイポーラプレート5によって、対向する外面上にアノード流路及びカソード流路が画定される。バイポーラプレート5はまた、2つの連続する膜/電極アセンブリ間にある、液体冷却剤のための流路を画定する。バイポーラプレート5はそれぞれ、それ自体公知の方法で2枚の組み立てられた導電性金属シートで形成されてもよく、係るシートは例えばステンレス鋼製またはチタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金またはタンタル合金製でもよい。さらに各シートがそれぞれの外面を画定する。バイポーラプレート5は他の方法によって作製してもよく、例えば、炭素−ポリマー複合材料からの成形または射出成形でもよい。さらにバイポーラプレート5を一体の部分として形成してもよい。バイポーラプレート5の外面は、前記一体の部分によって画定される。各セル1は、アノードとバイポーラプレートとの間に配置されたガス拡散層(図示せず)をさらに備えていてもよく、カソードと他のバイポーラプレートとの間に配置された他のガス拡散層を備えていてもよい。膜/電極アセンブリ14は補強材を備えていてもよいが、ここには示していない。
それ自体知られている方法であるが、燃料電池4の作動中、MEA14とバイポーラプレート5との間を空気が流れるとともに、このMEA14と他のバイポーラプレート5との間に二水素が流れる。バイポーラプレート5は特にMEA14の両側の反応物の流れを案内する機能を有する。アノードでは、二水素がイオン化されてプロトンが生成され、MEA14と交差する。この反応によって生成された電子がバイポーラプレート5によって集められる。次に生成された電子が、燃料電池4に接続されている電気負荷に供されて電流が形成される。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。アノード及びカソードでの反応は以下のように記述される。
アノードにおいて;
カソードにおいて。
動作中、燃料電池4のセル1はアノードとカソードとの間に1V程度の直流電圧を発生させることが典型的である。
燃焼ソース42は、セル1の入口に所定の圧力で空気を導入するための圧縮機を備えることが典型的である。係る圧縮機が例えば設定圧力の空気圧を受け取るが、さらに圧縮機の回転速度を可変とすることで空気圧を調整できる。
バイポーラプレート5及び膜/電極アセンブリ14を積み重ねるのは、複数の集電体を形成することを目的としている。この目的のためにそれぞれの孔がバイポーラプレート5を貫通しており、さらに膜/電極アセンブリ14を貫通している。バイポーラプレート5及び膜/電極アセンブリ14の孔を互いに対向して配置させることで様々な集電装置が形成される。
図3はバイポーラプレート5の例の概略を表す平面図であり、本発明の一実施形態に係る燃料電池用のものである。ここでバイポーラプレート5のシート50が平面視で示されている。図示されていないシールが図示されていないMEAに対して押し付けられている。図示されているシート50の面は、膜/電極アセンブリのアノードに面するように配置されている。
またバイポーラプレート5は、長手方向の第1の端部にある孔591及び592を備え、長手方向の第2の端部にある孔595及び596をさらに備える。中央区域54において、バイポーラプレート5は、孔591及び592の近くに孔593を備え、さらに孔595及び596の近くに孔594を備える。
孔591は、例えば燃料供給コレクターを形成するために用いられ、また孔596は、例えば、燃焼残留物及び未使用燃料を排出するためのコレクターを形成するために用いられる。孔593は、例えば液体冷却剤を供給するためのコレクターを中央領域54に対して形成するのに用いられ、また孔594は、例えば、この液体冷却剤を排出するためのコレクターを形成するのに用いられる。孔592は、例えば、燃焼性物質(combustive)を供給するためのコレクターを形成するのに用いられ、また孔595は、例えば、生成した水と未使用の燃焼性物質とを排出するためのコレクターを形成するのに用いられる。中央区域54は全体として燃料電池の反応区域に対応している。中央領域54は流路を備える。均質化区域52は、中央区域と孔591及び592との間に形成されることが好ましい。均質化区域55は、中央区域と孔595及び596との間に形成されることが好ましい。
この例では、反応物質の流れの一般的な方向(矢印592と595を接合する矢印によって識別される)は、液体冷却剤の流れの方向(矢印593と594を接合する矢印によって定義される)に対して直角である。無論、本発明は、反応物の流れの方向と冷却流体の流れの方向とが異なる燃料電池にも適用される。
図2は、本発明の一実施形態に係る燃料電池4の電気化学セルのスタックの部分断面図である。係るスタックでは、燃料電池4が、少なくとも2種類の電気化学セルの集合体を備える。
燃料電池4は、第1の種類の電気化学電池をいくつか備える。これらの電気化学セルは、それらの動作点において公称単位電力を供給するように設計されている。第1の種類の各電気化学セルは、アノード141、カソード142及びプロトン交換膜143を有する膜/電極アセンブリ14を備える。アノード141及びカソード142はそれぞれ、それ自体既知の様式の電極触媒材料を有する。第1の種類の各電気化学セルは、反応領域内の2つのフローガイドの間に配置されており、ここではバイポーラプレート5の面によって画定されている。
燃料電池4は、第2の種類の電気化学セルをさらに備える。第2の種類の電気化学セルの供給する電力が、第1の種類の電気化学セルよりも低くなるように設計されている。第2の種類の電気化学セルは、アノード111を有する膜/電極アセンブリ110を備え、さらにカソード112及びプロトン交換膜113を備える。アノード111及びカソード112はそれぞれ、それ自体既知の様式の電極触媒材料を備える。第2の種類の電気化学セルは反応区域内の2つのフローガイドの間に配置されており、ここではバイポーラプレート5の面によって画定されている。
バイポーラプレート5のそれぞれは、アノードに面して配置された流路541と、カソードに面して配置された流路542と、流体を冷却するための流路543とを備える。
バイポーラプレート5における孔並びに膜/電極アセンブリ14及び110における孔が対向して配置されていることで、様々な集電体を形成することができる。
燃料電池4の製造コストを低減できるように、反応区域内の流れを画定するバイポーラプレートのフローガイドが、第1の種類の電気化学セルと第2の種類の電気化学セルとで、同じ幾何学的形状及び同じ組成を有する。反応区域の外側では、バイポーラプレート5が、異なる幾何学的形状及び組成を有していてもよい。バイポーラプレート5は、第1の種類の電気化学セルと第2の種類の電気化学セルとで同じ幾何学的形状及び同じ組成を有することが好ましい。同様に、製造コストを削減するために、プロトン交換膜113は、プロトン交換膜143と同じ幾何学的形状及び同じ組成を有する。このような構成によってもまた、燃料電池4のスタックの機械的挙動を変えることを回避できる。
第1の種類のセルと第2の種類のセルとの間の電力に差があることで、燃料電池4の電力を、第1の種類の電気化学セルの公称電力の倍数とは異なる所望の値に微調整できる。ここでは、電極触媒材料の表面密度の分布がアノード111(及び/又はカソード112)のそれとは異なるアノード141(及び/又はカソード142)を用いることで第1の種類のセルと第2の種類のセルとの間の電力の差を得る。アノード111及び141は、同一の(全く同一の、one and the same)電極触媒材料で構成される。カソード112及び142は、同一の(全く同一の、one and the same)電極触媒材料を使用する。そのような構成によって、さらにアノード111(及び/またはカソード112)に使用される電極触媒材料の量を減らせるため、一般に高価な上記材料のコストを削減できる。
特に、アノード111とアノード141との間(及び/またはカソード112とカソード142との間)の電極触媒材料の表面密度の分布の差は、アノード141(及び/またはカソード142)を、それらのプロトン交換膜143の中心部を完全に覆うように形成することで作られるが、一方、プロトン交換膜113は、アノード111(及び/またはカソード112)によって覆われていない区域を有する中央部分を備える。
また、そのような構成により、全ての電気化学セルに対して同一の(全く同一の、one and the same)動作点(セル電圧及び電流密度)を使用できる。したがって、燃料電池4の電力は、最も正確に定められ(dimensioned most correctly)、この時、膜/電極アセンブリ110を含む電気化学セルのために個々の動作点の管理を必要とせず、またこの電気化学セルの劣化が加速することもない。さらに、バイポーラプレート5並びにプロトン交換膜143及び113の幾何学的形状が保持されているので、第1の種類の電気化学セルを通した場合も、第2の種類の電気化学セルを通した場合も同一の流動条件が得られる。
図4は、第1の種類の電気化学セル用の膜/電極アセンブリ14の一例の概略を表す平面である。プロトン交換膜143の中央部90はアノード141によって完全に覆われている。この中央部90は、図2に示すように、バイポーラプレート5の中央部54に重なるように設計されている。ここで、プロトン交換膜143はさらに穴91〜96を備えており、バイポーラプレート5の孔591〜596とそれぞれ重なるように設計されている。プロトン交換膜143と反対側の面では、カソードが中央部分90を完全に覆っている。プロトン交換膜143の法線方向に投影したときに、アノード141とカソード142は同一の幾何学的形状を有することが好ましく:実際には、膜/電極アセンブリの電気化学反応の表面積は、アノードとカソードとの間の重なりに依っているので、アノードとカソードとの間の重なりを最大にすることによってこの反応領域を最適化することが望ましい。
本例では、アノード141及びカソード142の電極触媒材料の組成が均一であるため、それぞれの表面密度が均一である。簡便にするためにアノード141の幾何学的形状は長方形である。
図5〜図14は、第2の種類の電気化学セル用の膜/電極アセンブリ113の異なる例の概略を示す平面図である。プロトン交換膜113の中央部90は、アノード111によって部分的に覆われている。中央部分90の区域97は、アノード111によって覆われていない。プロトン交換膜113の反対面では、カソードが中央部分90の区域を部分的に覆う。中央部分90の区域97はこのカソードによって覆われていない。プロトン交換膜113の法線方向に投影したときに、アノード111及びカソード112は同一の幾何学的形状を有することが好ましい。したがって、以下の実施例では、アノード111の幾何学的形状のみを説明する。
図5〜7に示す例では、アノード111が一体として形成されている。ここで、膜113が覆っている区域において、アノード111の均一な組成を有しており、その電極触媒材料はアノード141の表面密度と同一の表面密度を有している。このように構成することで、電気化学反応のために導入された空気が均一に寄与し、さらにこの空気中での完全な燃焼反応が起きるのに有利である。実際には、導入された空気の酸素をすべて消費することで、反応しない酸素を圧縮するために不必要にエネルギーを失うことがないようにすることが好ましい。そのような構成はまた、アノードにおける電気化学反応を均質化することで、特定のフロー区域で溢れる危険性を減らすことを可能にする。
図5の例では、アノード111は、排気口95、96の近傍に形成されている。アノード111は反応領域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。幅方向を孔591及び596を結ぶ線に対して垂直な方向とし、長さをこの線接合孔591、592に平行な方向とする。区域97は入口穴91及び92の近くに配置されている。
図6の例では、アノード111が導入孔91、92の近傍に形成されている。アノード111は反応領域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。区域97は排気口95及び96の近くに配置されている。
図7の例ではアノード111がプロトン交換膜113の中央部に形成されており、区域97はアノード111の両側に形成されており、一方は吸気孔91及び92の近くに、他方は排気孔またはポート95及び96の近くにある。アノード111は反応領域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。
図8〜図10の例では、アノード111がいくつかの別々の要素から形成されている。ここで、膜113が覆っている区域上で、アノード111は均一な組成を有しており、アノード141の表面密度と同一の表面密度の電極触媒材料からなっている。このような構成は、発生する熱の集中または発生する電力の集中を回避する上で特に好ましい。そのような構成により反応によって生成された熱の熱勾配を広げることで電気的損失を減らすことができ、または運転が均質化される。
図8の例では、アノード電極111が、排気口95、96の近傍に形成された要素と、吸気口91、92の近傍に形成された要素とからなる。アノード111の要素は区域97によって分離されている。要素111は、反応領域の幅方向に延びる三角形の形をしている。
図9の例では、アノード電極111が、排気口95、96の近傍に形成された要素と、吸気口91、92の近傍に形成された要素とからなる。アノード111の要素は区域97によって分離されている。一方では排気口95、96の近くに、他方では吸気孔91、92の近くに三角形の区域97が形成されている。要素111は、反応領域の幅の方向に延びる台形の形をしている。
図10の例では、アノード111は、入口孔91、92と排気口95、96との間に分配された、いくつかの別々の矩形帯によって形成されている。アノード111は、反応区域の幅方向に沿って延びる矩形帯の形状を有する。アノード111の各バンドは区域97によって分離されている。
図11〜14の例では、アノード111のパターンに従って分布する複数の区域97を挿入することによってアノード111が形成される。区域97は、例えば長方形または円形の、アノード111内の小さな凹部で形成することができる。凹部は、アノード111内に均一に分布していることが好ましい。各凹部は同じ形状を有することが好ましい。
図11の例では、凹部の表面密度は比較的低い。ここで、アノード111の有効な表面は、アノード141の表面の80%を占める。アノード111は、吸気口91、92の近傍から排気口95、96の近傍まで延びている。
図12の例では、凹部の表面密度が比較的高い。ここで、アノード111の有効な表面は、アノード141の表面の50%を占める。アノード電極111は、吸気口91、92の近傍から排気口95、96の近傍まで延びている。
図13の例では、アノード111のいくつかのバンド114〜116が、入口孔91、92と排気口95、96との間に連続して配置されている。バンド114〜116は、区域97の凹部とは異なる割合となっている。本例において、バンド114は、凹部の割合20%からなり(図11の例と同じ構造)、バンド115は、凹部の割合50%からなり(図12の例と同じ構造)、バンド116は、凹部の割合80%からなる。上記構成により、例えば、電気化学反応及び熱の放出を適切な場所に局在化させることができる。アノード111の各バンド114〜116は反応区域の幅の方向に延びる。
図14の例ではアノード111が排気口95、96の近傍に形成されている。アノード111は反応区域の幅方向に沿った長方形の帯の形をしている。ここで、アノード111は、図11の例と同じ凹部の構造を有する。矩形区域97もまた、これらの入口孔とアノード111との間であって、入口孔91及び92の近くに配置されている。
図3〜図14の例では、様々な流路541を通る反応物の流れが、同一の(全く同一の、one and the same)長さを有するアノード111に沿っているため、電気化学反応は、これらの異なる流路541に対して同等である。
アノード111及び141及び/またはカソード112及び142の形成はそれ自体公知の方法によって行ってもよく、例えば、スクリーン印刷または電極触媒インクを用いた印刷で行ってもよい。そのようなプロセスは、例えば、図11〜14を参照して説明したようなパターンを有する凹部を作るのに特に適していることがわかる。
アノード141の厚さに対してアノード111の厚さを調節することを考慮してもよく、これによりそれらの電極触媒材料の表面密度を区別してもよい。またアノード111を形成するために堆積されたインクとアノード141を形成するために堆積されたインクとの間で電極触媒材料の濃度を異なるものとしてもよい。
アノード111を備える電気化学セルがスタックの一端に配置されていることが好ましい。実際には、スタックの端に自然対流が起きるため、そのようなセルは、スタックの中央にあるセルよりもよく冷却されることが通常である。この種の電気化学セルでは、より高い電力密度及びより低いエネルギー効率に修正された動作点を有することがあるため、自然対流によって、より多くの熱を発生するこのセルの冷却を行うことができる。
本発明について、アノード及びカソードの流路を構成するバイポーラプレートについて以上の通り説明した。しかしながら、反応物の流れに対して障害物を形成する多孔質型のネットワークを有するバイポーラプレートを使用することも想定してもよい。
本発明について、二水素燃料を供給される燃料電池について以上の通り説明した。無論、本発明は例えばメタノールのような他の種類の燃料を使用する燃料電池にも適用可能である。
本発明について、燃料電池への適用を以上の通り説明した。無論、本発明は例えば電解槽のような他のプロトン交換膜電気化学反応器にも適用可能である。このような場合には、バイポーラプレート5を、それぞれの電解電圧で分極されたフローガイドと置き換えてもよい。
本発明について、第1の種類の電気化学セルと第2の種類の電気化学セルとのアセンブリが同一の(全く同一の、one and the same)電気化学反応器内に備わる例を用いて上記の通り説明した。なおまた、第1の一連の電気化学反応器に第1の種類の電気化学セルを使用し、さらに相異なる第2の一連の電気化学反応器に第2の種類の電気化学セルを使用することを考慮してもよい。したがって、製造ユニットでは、大きく異なる動作性能を有するこれら2つの一連の反応器を形成してもよく、一方でこれにより同一の設計のプロトン交換膜及びフローガイドを用いることで利益を得てもよい。これら2種類の電気化学反応器では、それらの動作点及びそれらの流体の流れの状態を規定するための同等の試験から利益を得ることができる。
この場合、同一の(全く同一の、one and the same)一連の電気化学反応器における電気化学セルは同一である。実際には、電極触媒材料の表面密度が全く同一の分布になっている電気化学セルを重ね合わせると、反応に関する電流密度はセルのスタック内に同一であり、これは、バイポーラプレートの平面内に電気的損失を生じる電流を発生させることを回避するものである。
第2の種類の電気化学セルを備える電気化学反応器に関して、これらのセルの動作条件が、実用上、第1の種類の電気化学セルのものとは異なっていてもよい。第1の種類の電気化学セルの動作は、温度、圧力、相対湿度、化学量論比及び電流密度の特定の動作条件の関数として流動条件を得るために特に規定されている。これらの運転条件によって、セル内を循環する反応物の流れを計算することができる。セルは、燃料電池内で電気化学反応によって生成された液体の水を正しく排出するように設計されており、これがアノードとカソードの両方に存在してもよい。流路内の液体の水の排出能力を評価するための主な基準は、流れ内の圧力損失である。流路内の圧力損失がしきい値を下回ると、液体の水はもはや反応物の流れによって排出することはできない。流路の通路断面積に応じるが、圧力損失のしきい値は通常10〜100 mbarである。
同一の動作条件を有する、第2のタイプの電気化学セルに関して、同一の(全く同一の、one and the same)電流密度に対する反応物の質量流量も同じ割合で減少する。その結果、第2の種類の電気化学セルと第1の種類の電気化学セルに対する同一の水準の体積流量と圧力損失とを維持するように動作パラメータを変更することが可能である。例えば、第1の種類の電気化学セルが反応物の圧力2バールに対して設計されており、第2の種類の電気化学セルのアノードの表面積が第1の種類の電気化学セルのアノードの表面積の60%にまで減らされている場合、第2のタイプの電気化学セル用の反応物の圧力は1.2バールに減らすことができ、これにより同じ割合で質量流量を減らすことができ、一方で体積流量と圧力損失を維持することができる。
Claims (13)
- 電気化学反応器(4)用の組み立て済みの電気化学セル(1)であって、
−次のものを備える第1の電気化学セル:
−第1のプロトン交換膜(143)と、前記プロトン交換膜の各側に配置されているとともに、それぞれ電極触媒材料を含む第1のアノード(141)及び第1のカソードとを有する第1の膜/電極アセンブリ(14);
−前記第1の膜/電極アセンブリ(14)の両側に配置された第1及び第2のフローガイド(5);
−次のものを備える第2の電気化学セル:
−第2のプロトン交換膜(113)と、前記プロトン交換膜の各側に配置されているとともに、それぞれ電極触媒材料を含む第2のアノード(111)及び第2のカソードとを有する第2の膜/電極アセンブリ(110);
−第2の膜/電極アセンブリ(113)の両側に配置された第3及び第4のフローガイド(5);
−を備え、次のことを特徴とする:
−前記第1及び第3のフローガイドは同一の幾何学的形状を有する;
−前記第2及び第4のフローガイドは同一の幾何学的形状を有する;
−前記第1のアノード(141)及び前記第2のアノード(111)は、前記第1及び第2のプロトン交換膜のそれぞれの面上の電極触媒材料の表面密度の分布が異なるものとなっているか、又は前記第1のカソード(142)及び前記第2のカソード(112)は、前記第1及び第2のプロトン交換膜(143、113)のそれぞれの面上の電極触媒材料の表面密度の分布が異なるものとなっており、前記第1のプロトン交換膜(143)は、前記第1のアノード(141)及び前記第1のカソード(142)によって完全に覆われた中央部分(90)を有しており、前記第2のプロトン交換膜(113)は、前記第2のアノード(111)及び前記第2のカソード(112)によって覆われていない区域(97)を有する中央部分(90)を有している、
組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記第1のアノード及び前記第2のアノードは同一の電極触媒材料を含み、前記第1のカソード及び前記第2のカソードは同一の電極触媒材料を含む、
請求項1に記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記第2のアノード(111)及び前記第2のカソード(112)は、前記第2のプロトン交換膜(113)の法線に沿って投影した時に同一の形状を有する、
請求項1又は2に記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記覆われていない区域の少なくとも一部(97)は、前記第2のアノード及び第2のカソードの複数の凹部によって画定され、前記凹部は、前記第2のアノード内及び前記第2のカソード内に均一に分布している、
請求項1〜3のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記各凹部は同一の幾何学的形状を有する、
請求項4に記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記覆われていない区域(97)は、前記第2のアノードの少なくとも1つの陥凹部と前記第2のカソードの1つの陥凹部とによって画定される、
請求項1〜3のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記第1のアノードによる前記第1のプロトン交換膜に対する重なり領域の10〜80%にあたる前記第2のプロトン交換膜の表面積を前記第2のアノードが覆っている、
請求項1〜6のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記第2のアノードは一体のものとして形成されており、また前記第2のカソードは一体のものとして形成されている、
請求項1〜7のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記第2のアノードはいくつかの別々の部品で構成されており、また前記第2のカソードはいくつかの別々の部品で構成されている、
請求項1〜7のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - −前記第1及び第3のフローガイドはフローチャネルを有し、これらの異なるフローチャネルを通る流れが前記アノードと同一の長さに渡っており;又は
前記第2及び第4のフローガイドはフローチャネルを有し、これらの異なるフローチャネルを通る流れが前記カソードと同一の長さに渡っている、
請求項8又は9に記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 前記第2のアノードは、前記第1のアノードと同じ幅にわたって延びる少なくとも1つの部分を有する、
請求項1〜10のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)。 - 電気化学セルのスタックを備える電気化学反応器(4)であって、前記スタックは請求項1〜11のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セル(1)を有する、
電気化学反応器(4)。 - 電気化学セルのスタックを備える燃料電池であって、前記スタックは請求項1〜11のいずれかに記載の組み立て済みの電気化学セルを有する、
燃料電池。
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