JP2021077631A - 燃料電池スタックのバイポーラプレート - Google Patents

Abstract

【課題】セル内の水分量を適切に維持できる燃料電池用バイポーラプレートを提供する。【解決手段】積層方向を水平にして設置運転する燃料電池用バイポーラプレート７０であり、バイポーラプレート７０の左右方向、互いに対向する二辺の一辺側２２に冷却媒体入口側開口６１、空気入口側開口６３、水素出口側開口６６を設け、他辺側２４に空気出口側開口６４、水素入口側開口６５、冷却媒体出口側開口６２を設け、運転時の配置においてバイポーラプレート７０の一辺２２側の水素出口側開口６６は冷却媒体入口側開口６１、空気入口側開口６３の鉛直方向下に配置され、他辺側２４の空気出口側開口６４は冷却媒体出口側開口６２、水素入口側開口６５の鉛直方向下に配置され、冷却剤出口側開口６２は空気出口側開口６４、水素入口側開口６５の鉛直方向上に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックのバイポーラプレート、そのようなプレートを備える燃料電池スタックのセル、及びそのようなセルを備える燃料電池スタックに関する。本発明は、限定はしないが、スタックが使用位置にある場合に、セルが、鉛直平面に延在するバイポーラプレートを備える、燃料電池スタックに適用可能であることが特に有利である。

それ自体既知の方法において、燃料電池スタックは、燃料、通常は二水素と、酸化剤、通常は二酸素又は空気等の二酸素を含むガスとを用いて、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能な電気化学デバイスである。この反応による生成物は、水であり、それに伴って、熱が放出されるとともに電気が生成される。

燃料電池スタックは、例えば、車両内に収容された電気デバイスに電力を供給することによって自動車を駆動するのに用いることができる。

燃料電池スタックは、１つ以上のセルからなることができる。

従来技術の燃料電池スタックのセル１を示す図１を参照すると、そのようなセル１は、２つの多孔質のカソード電極３及びアノード電極４の間に挟まれ、これらの２つの電極３、４間でプロトンの移動をもたらす、プロトン伝導性電解質２を備える。

このために、電解質２は、特に２０μｍ〜２００μｍの厚さを有するポリマー製のプロトン交換膜とすることができ、結果として得られるスタックは、ＰＥＭ（「プロトン交換膜（proton exchange membrane）」の略）スタック又はＰＥＭＦＣ（「プロトン交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell）」の略）スタックとなる。

電解質２及び２つの電極３、４から作製されるアセンブリは、それ自体が第１のバイポーラプレート６と第２のバイポーラプレート７との間に挟まれた膜電極接合体（ＭＥＡ）５を形成する。第１のバイポーラプレート６及び第２のバイポーラプレート７は、電流を収集し、酸化剤及び燃料を電極３、４に分配し、伝熱流体を循環させる。

通常用いられるバイポーラプレート６、７は、機械加工又は成形によって形状付けされるグラファイト、ポリマー含浸グラファイト、又は可撓性グラファイトシート等の炭素系材料のような、良好な耐食性及び導電性をもたらす材料から作製される。

ステンレス鋼を含む、チタン、アルミニウム、及び鉄をベースとした合金等の金属材料を使用して、バイポーラプレート６、７を製造することも可能である。この場合、バイポーラプレートの形状付けは、厚さの小さいシートをプレス加工又は打抜き加工することによって達成することができる。

酸化剤、燃料、及び伝熱流体が、スタックを形成する全てのセルに分配されることを確実にするために、第２のバイポーラプレート７は、６つの開口７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆを有し、そのうちの３つの開口７ａ、７ｂ、７ｃが、このプレート７の上縁部８に設けられ、他の３つの開口７ｄ、７ｅ、７ｆが、対称的に、このプレート７の下縁部９に設けられる。

第１のバイポーラプレート６は、バイポーラプレート７上と同じ場所に設けられた同じ
開口を有するが、図１には、３つの上側開口６ａ、６ｂ、６ｃ及び１つの下側開口６ｄのみが示されている。

第１のバイポーラプレート６の開口６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、第２のバイポーラプレート７の開口７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆとは、位置合わせされ、それにより、流体がスタックを形成する全てのセルを通って流れることを可能にするマニホールドを形成する。

これらの開口７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ、７ｆ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄのそれぞれにおいて、ダクト（図示せず）により、プレート６、７の表面上若しくはプレート６、７を通って流れる、又はこのために設けられた流体流れチャネルを通って流れる伝熱流体、燃料、又は酸化剤を供給又は回収することが可能である。

図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面である図２を参照すると、カソード電極３及びアノード電極４は、それぞれ、カソードの反応部位である活性層１０及びアノードの反応部位である活性層１１を有し、また、活性層１０、１１と対応するバイポーラプレート７、６との間に挿入されるそれぞれの拡散層１２、１３を有する。この拡散層１２、１３は、例えば、紙製基板又は炭素織物とすることが可能である。

拡散層１２、１３は、それぞれのバイポーラプレート７、６に設けられた溝によって形成されるそれぞれのチャネル１４、１５を通って流れる、二水素及び二酸素等の反応物の拡散を可能にする。

このようにして、拡散層１３を介してアノード電極４の活性層１１に二水素が供給され、この活性層１１内で以下の反応が起こる：Ｈ_２→２ｅ⁻＋２Ｈ^＋。同様に、拡散層１２を介してカソード電極３の活性層１０に酸素が供給され、この活性層１０内で以下の反応が起こる：１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ。これらの反応は、アノード４の活性層１１からカソード３の活性層１０へのプロトン移動を可能にする膜２の存在によって可能になる。

液体によって冷却される燃料電池スタックの場合、特に低温燃料電池スタック（「低温プロトン交換膜（low-temperature proton exchange membranes）」の略で「ＬＴ−ＰＥＭ」とも呼ばれる）の場合、バイポーラプレートは、スタックが使用位置にある場合に鉛直平面に延在する。流体の均一な循環を確実にするとともに、プレートの下部に位置するマニホールド及び／又はチャネル内での水の蓄積、並びに溶解したガスがプレートの下部に位置するマニホールド及び／又はチャネル内に閉じ込められることの双方を防ぐことが重要である。

さらに、燃料電池スタックを備えるシステムの性能及び耐用寿命は、反応物の搬送の質及び反応によって生成される水の管理に大きく左右される。反応物の分配は、可能な限り均一である必要があり、膜電極接合体は、良好な水和レベルを維持することが必要であり、また同時に、反応物が反応部位にアクセスすることが可能であるように、水を電極の多孔質部分から可能な限り多く正確に除去することが必要である。より具体的には、ガス入口における膜のプロトン伝導体のドライアウト（drying-out）と、ガス出口における電極のフラッディング（flooding）との間の折衷点に達する必要がある。

本発明は、燃料電池スタックのバイポーラプレートを提供することによって、これらの欠点を効率よく克服することを目的とし、このプレートは、スタックが使用位置にある場合に鉛直平面に延在し、鉛直の使用位置において、プレートは、第１の横断方向縁部と、
第１の横断方向縁部とは反対側の第２の横断方向縁部と、長手方向上縁部と、長手方向下縁部と、縁部の間に設けられた中央領域と、伝熱流体の入口のための第１の開口と、伝熱流体の回収用の第２の開口と、酸化剤、特に空気の入口のための第３の開口と、酸化剤の回収用の第４の開口と、燃料、特に二水素の入口のための第５の開口と、燃料の回収用の第６の開口とを有し、第１の開口、第３の開口、及び第６の開口は、第１の横断方向縁部に設けられ、互いに対して軸方向に配置され、第２の開口、第４の開口、及び第５の開口は、第２の横断方向縁部に設けられ、互いに対して軸方向に配置され、プレートは、少なくとも１つの分配チャンバーを有し、プレートの鉛直の使用位置において、第６の開口は、第１の開口及び第３の開口の下に配置され、第４の開口は、第２の開口及び第５の開口の下に配置され、第２の開口は、第４の開口及び第５の開口の上に配置されることを特徴とする。

セルを通って流れる際の伝熱流体の温度の上昇に起因して、カソードの入口では、過剰な空気によって、膜の活性層の一部を構成するアイオノマーのドライアウトが促進される。さらに、カソードの出口では、生成された水の蓄積によって、電極のフラッディングが促進される。したがって、本発明は、プレートが鉛直の使用位置にある場合、すなわち、スタックが水平の使用位置にある場合、流体の分配の均一性を損なうことなく、水の除去と、伝熱流体の脱気とを促進することを可能にする。

第２の開口の特定の配置により、冷却回路に閉じ込められた気泡が自然に抜け出すことが可能になる。具体的には、プレートが鉛直位置にある場合、この回路内で形成される気泡は、分配チャンバーの上部に位置し、それにより、同じ高さに位置する第２の開口を介して気泡が抜け出すことができる。

驚くべきことに、冷却回路のそのような配置によって得られる利点は、第６の開口と第５の開口との間に対称性がないことで生じる圧力損失（head losses）の不均衡を有利に補償する。

１つの実施の形態によれば、プレートの鉛直の使用位置において、第３の開口は、第１の開口及び第６の開口の上に配置される。

そのような構成は、燃料回収部の相対的な配置によってアノード区画のフラッディングを防止することを可能にし、一方、酸化剤／燃料が向流で酸化剤／伝熱流体が並流である状況は、より良好な水管理によってセルの動作条件を均質化する。

１つの実施の形態によれば、分配チャンバーは、第１の横断方向縁部において、プレートの表面に設けられ、分配チャンバーは、特に、少なくとも第３の開口、第１の開口、及び第６の開口に面して延在する。

１つの実施の形態によれば、分配チャンバーは、第２の横断方向縁部において、プレートの表面に設けられ、分配チャンバーは、特に、少なくとも第２の開口、第５の開口、及び第４の開口に面して延在する。

この構成は、（入口と回収部との間の）圧力損失を均衡させることを可能にするため、分配チャンバーは、流体流を均衡させるために特別に設計する必要がない。したがって、プレートの嵩及び圧力損失が低減される。

１つの実施の形態によれば、分配チャンバーは、流体の均一な分配を促進するように、突出パターン、特にはんだによるバンプ又は線を有する。

１つの実施の形態によれば、プレートは、中央領域において、特にプレートの表面に、例えば、当該表面の波形の形態で設けられた流れチャネルを有する。

１つの実施の形態によれば、流れチャネルは、プレートの長手方向軸において延在する。

そのような構成は、流体の分配における良好な均一度を保持しながら、プレートの嵩を低減することを可能にする。

１つの実施の形態によれば、各開口は、プレートの厚さを貫通する穴を有する。

本発明の別の主題は、燃料電池スタック、特にプロトン交換膜燃料電池スタックのセルであり、セルは、上述したような２つのバイポーラプレートと、膜電極接合体とを備え、プレートは、ともに協働するように配置され、膜電極接合体は、プレート間に挟まれる。

１つの実施形態によれば、膜電極接合体は、分配チャンバー内に触媒が存在しない。

本発明の別の主題は、上述したような少なくとも１つのセルを備える、燃料電池スタック、特にプロトン交換膜燃料電池スタックである。

１つの実施の形態によれば、スタックは、
伝熱流体取入口に接続され、流体が第１の開口を通って流れることを可能にするように意図された、伝熱流体の入口マニホールドと、
酸化剤取入口に接続され、酸化剤が第３の開口を通って流れることを可能にするように意図された、酸化剤の入口マニホールドと、
燃料取入口に接続され、燃料が第５の開口を通って流れることを可能にするように意図された、燃料の入口マニホールドと、
を備える。

本発明は、以下の記載を読むとともに添付図面を検討することで、よりよく理解される。これらの図は、単に例示として与えられ、本発明をいかようにも限定しない。

従来技術のセルを示す概略図である。 図１の軸ＩＩ−ＩＩに沿った図である。 本発明に係るセルのバイポーラプレートの正面図である。

同一、同様、又は類似の要素は、１つの図面から別の図面にわたって同じ参照符号を保持する。

本発明に係る燃料電池スタックのセルは、図１及び図２に関して記載されるタイプのものである。このセルは、図３に示されているタイプの２つのバイポーラプレート７０と、図１及び図２を参照して記載されるものと同じタイプの膜電極接合体とを備える。バイポーラプレート７０は、膜電極接合体がプレート７０間に挟まれるように、ともに協働して配置される。

本発明に係る燃料電池スタックは、上述したようなセルのスタックを含む。

図３を参照すると、本発明のバイポーラプレート７０の断面形状は、矩形である。１つ
の例示的な実施形態において、バイポーラプレート７０の長さは、幅の約２倍である。

スタックが使用位置にある場合、バイポーラプレート７０は、鉛直平面に延在し、第１の横断方向縁部２２と、第１の横断方向縁部２２とは反対側の第２の横断方向縁部２４と、長手方向上縁部２０と、長手方向下縁部２６と、縁部２０、２２、２４、２６の間に設けられた中央領域３０とを有する。

バイポーラプレート７０は、第１の横断方向縁部２２に設けられた、酸化剤の入口のための第３の開口６３を有する。

酸化剤の導入用のチャネル５０がプレート７０に形成され、それにより、第３の開口６３から、プレート７０の第１の横断方向縁部２２に設けられた酸化剤の分配用のチャンバー４２内に酸化剤を導入することが可能である。

酸化剤の分配用のチャンバー４２は、はんだによるバンプ又は線を有し、それにより、そうして導入された酸化剤の均一な分配を促進することが可能であり、それにより、酸化剤が中央領域３０を通って流れ、より詳細には、バイポーラプレート７０の一方の面に当接する膜電極接合体のカソード電極を通って流れるようにする。分配チャンバー４２は、鉛直方向に中央領域３０の全高にわたって延在する。

酸化剤の循環用の流れチャネル４４が、中央領域３０において、プレート７０の表面の片側に設けられ、それにより、酸化剤の循環を可能にする。これらの流れチャネル４４は、プレート７０の長手方向軸に沿って延在し、第２の横断方向縁部２４に位置する酸化剤の分配用の別のチャンバー４２に開口する。

バイポーラプレート７０は、第２の横断方向縁部２４に設けられた酸化剤の回収用の第４の開口６４も有する。

酸化剤の回収用のチャネル５４がプレート７０に形成され、それにより、第２の横断方向縁部に位置する分配チャンバー４２から第４の開口６４内に、酸化剤を回収することが可能である。したがって、これらの回収チャネル５４は、流れチャネル４４を通って流れ、分配チャンバー４２によって分配された酸化剤を回収することを可能にする。

図３では、プレート７０の片面のみが見えており、この面において、酸化剤の分配用のチャンバー４２と、流れチャネル４４と、導入チャネル５０と、回収チャネル５４とが見えている。

スタックが組み立てられると、全てのプレートの酸化剤の入口のための第３の開口６３及び酸化剤の回収用の第４の開口６４は、重なり合って、スタックを通して酸化剤を運ぶマニホールドを形成する。スタックが使用位置にある場合、マニホールドは、プレート７０の幅に直交する軸に沿って延在する。

バイポーラプレート７０は、第１の横断方向縁部２２に設けられた、伝熱流体の入口のための第１の開口６１を有する。

同様に、伝熱流体の導入用のチャネルがプレート７０に設けられ、それにより、第１の開口６１から、プレート７０の第１の横断方向縁部に設けられた分配チャンバー内に伝熱流体を導入することが可能になる。分配チャンバーは、はんだによるバンプ又は線を有し、それにより、そうして導入された伝熱流体の均一な分配を促進することが可能であり、それにより、伝熱流体がバイポーラプレート７０の中央領域３０内を流れるようにする。
伝熱流体の分配用のチャンバーは、酸化剤又は燃料の分配用のチャンバーに施されるパターンに対して相補的なパターンによって形成することができることが有利である。分配チャンバーは、鉛直方向に中央領域３０の全高にわたって延在する。

伝熱流体の循環用の流れチャネル（図示せず）が、中央領域３０に設けられ、それにより、流体の循環を可能にする。これらのチャネルは、プレート７０の長手方向軸に沿って延在し、第２の横断方向縁部に位置する伝熱流体の分配用のチャンバーに開口する。

バイポーラプレート７０は、第２の横断方向縁部２４に設けられた伝熱流体６２の回収用の第２の開口も有する。

伝熱流体の回収用のチャネルがプレート７０に形成され、それにより、第２の横断方向縁部に位置する分配チャンバーから第２の開口６２内に、伝熱流体を回収することが可能である。したがって、これらの回収チャネルは、流れチャネルを通って流れ、伝熱流体の分配チャンバーによって分配された伝熱流体を回収することを可能にする。

スタックが組み立てられると、全てのプレートの伝熱流体の入口のための第１の開口６１及び伝熱流体の回収用の第２の開口６２は、重なり合って、スタックを通して伝熱流体を運ぶマニホールドを形成する。スタックが使用位置にある場合、マニホールドは、プレート７０の幅に直交する軸に沿って延在する。

バイポーラプレート７０は、第２の横断方向縁部２４に設けられた、燃料の入口のための第５の開口６５を有する。

同様に、燃料の導入用のチャネルがプレート７０に形成され、それにより、第５の開口６５から、プレート７０の第２の横断方向縁部２４に設けられた燃料の分配用のチャンバー内に燃料を導入することが可能になる。

燃料の分配用のチャンバーは、はんだによるバンプ又は線を有し、それにより、そうして導入された燃料の均一な分配を促進することが可能であり、それにより、燃料が中央領域３０を通って流れ、より詳細には、バイポーラプレート７０の他方の面に当接する膜電極接合体のアノード電極を通って流れるようにする。分配チャンバーは、鉛直方向に中央領域３０の全高にわたって延在する。

燃料の循環用の流れチャネルが、中央領域３０において、プレート７０の表面の片側に設けられ、それにより、燃料の循環を可能にする。これらの流れチャネルは、プレート７０の長手方向軸に沿って延在し、第１の横断方向縁部２２に位置する燃料の分配用の別のチャンバーに開口する。

バイポーラプレート７０は、第１の横断方向縁部２２に設けられた燃料の回収用の第６の開口６６も有する。

燃料の回収用のチャネルがプレート７０に形成され、それにより、第１の横断方向縁部２２に位置する分配チャンバーから第６の開口６６内に、燃料を回収することが可能である。したがって、これらの回収チャネルは、流れチャネルを通って流れ、分配チャンバーによって分配された燃料を回収することを可能にする。

スタックが組み立てられると、全てのプレートの燃料の入口のための第５の開口６５及び燃料の回収用の第６の開口６６は、重なり合って、スタックを通して燃料を運ぶマニホールドを形成する。スタックが使用位置にある場合、マニホールドは、プレート７０の幅
に直交する軸に沿って延在する。

Claims (10)

1. 燃料電池スタックのバイポーラプレート（７０）であって、該プレート（７０）は、前記スタックが使用位置にある場合に鉛直平面に延在し、前記鉛直の使用位置において、該プレート（７０）は、第１の横断方向縁部（２２）と、該第１の横断方向縁部（２２）とは反対側の第２の横断方向縁部（２４）と、長手方向上縁部（２０）と、長手方向下縁部（２６）と、前記縁部（２０、２２、２４、２６）の間に設けられた中央領域（３０）と、伝熱流体の入口のための第１の開口（６１）と、前記伝熱流体の回収用の第２の開口（６２）と、酸化剤、特に空気の入口のための第３の開口（６３）と、前記酸化剤の回収用の第４の開口（６４）と、燃料、特に二水素の入口のための第５の開口（６５）と、前記燃料の回収用の第６の開口（６６）とを有し、前記第１の開口（６１）、前記第３の開口（６３）、及び前記第６の開口（６６）は、前記第１の横断方向縁部（２２）に設けられ、互いに対して軸方向に配置され、前記第２の開口（６２）、前記第４の開口（６４）、及び前記第５の開口（６５）は、前記第２の横断方向縁部（２４）に設けられ、互いに対して軸方向に配置され、該プレート（７０）は、少なくとも１つの分配チャンバー（４２）を有し、該プレートの前記鉛直の使用位置において、
   前記第６の開口（６６）は、前記第１の開口（６１）及び前記第３の開口（６３）の下に配置され、
   前記第４の開口（６４）は、前記第２の開口（６２）及び前記第５の開口（６５）の下に配置され、
   前記第２の開口（６２）は、前記第４の開口（６４）及び前記第５の開口（６５）の上に配置されることを特徴とする、バイポーラプレート。
2. 請求項１に記載のプレート（７０）であって、該プレートの前記鉛直の使用位置において、前記第３の開口（６３）は、前記第１の開口（６１）及び前記第６の開口（６６）の上に配置されることを特徴とする、プレート。
3. 請求項１又は２に記載のプレート（７０）であって、前記分配チャンバー（４２）は、前記第１の横断方向縁部（２２）において、該プレート（７０）の表面に設けられ、前記分配チャンバー（４２）は、特に、少なくとも前記第３の開口（６３）、前記第１の開口（６１）、及び前記第６の開口（６６）に面して延在することを特徴とする、プレート。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレート（７０）であって、前記分配チャンバー（４２）は、流体の均一な分配を促進するように、突出パターン、特にはんだによるバンプ又は線を有する、プレート。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート（７０）であって、該プレート（７０）は、前記中央領域（３０）において、特に該プレート（７０）の表面に、例えば、該表面の波形の形態で設けられた流れチャネル（４４）を有することを特徴とする、プレート。
6. 請求項５のいずれか１項に記載のプレート（７０）であって、前記流れチャネル（４４）は、該プレート（７０）の長手方向軸において延在することを特徴とする、プレート。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のプレート（７０）であって、各開口（６１、６２、６３、６４、６５、６６）は、該プレート（７０）の厚さを貫通する穴を有する、プレート。
8. 燃料電池スタック、特にプロトン交換膜燃料電池スタックのセルであって、該セルは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の２つのバイポーラプレート（７０）と、膜電極接合体とを備え、前記プレート（７０）は、ともに協働するように配置され、前記膜電極接合
   体は、前記プレート（７０）間に挟まれることを特徴とする、セル。
9. 請求項８に記載の少なくとも１つのセルを備える、燃料電池スタック、特にプロトン交換膜燃料電池スタック。
10. 伝熱流体取入口に接続され、流体が前記第１の開口（６１）を通って流れることを可能にするように意図された、前記伝熱流体の入口マニホールドと、
    酸化剤取入口に接続され、酸化剤が前記第３の開口（６３）を通って流れることを可能にするように意図された、前記酸化剤の入口マニホールドと、
    燃料取入口に接続され、燃料が前記第５の開口（６５）を通って流れることを可能にするように意図された、前記燃料の入口マニホールドと、
    を備えることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池スタック。

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