JP2022552703A

JP2022552703A - 燃料電池

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Publication number: JP2022552703A
Application number: JP2022522916A
Authority: JP
Inventors: 珂金
Original assignee: 未勢能源科技有限公司
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2022-12-19
Anticipated expiration: 2039-10-16
Also published as: CA3155038A1; WO2021072676A1; JP7455202B2; KR20220083742A; DE112019007819T5; US20220238894A1; CN114830386A

Abstract

燃料電池であって、隣接して積み重ねられた少なくとも２つのセルを備え、一方のセルのカソード板（１）は隣接するセルのアノード板（２）に隣接して積み重ねられる燃料電池であって、カソード板（１）はカソード板本体（１１）を備え、カソード板本体（１１）にアノード板（２）に向かって突起したカソード流路山（１２）が設けられ、カソード流路山（１２）内にカソード流路（１２１）を形成し、アノード板（２）はアノード板本体（２１）を備え、アノード板本体（２１）にカソード板（１）に向かって突起したアノード流路山（２２）が設けられ、アノード流路山（２２）内にアノード流路（２２１）を形成し、カソード板（１）とアノード板（２）との間に冷却チャネル（３）を形成し、アノード流路山（２２）はカソード流路山（１２）に交差するように配置され、且つアノード流路山（２２）とカソード流路山（１２）との夾角範囲は６０°～１２０°である。【選択図】図１

Description

本発明は電気化学電池の分野に関し、具体的に、燃料電池に関する。

燃料電池は水素と空気中の酸素を反応させて電気を生成することができ、反応生成物は水である。カルノーサイクルに制限されず、効率が５０％以上に達することができ、環境にやさしいだけでなく、省エネにもなる。バイポーラプレート燃料電池はカソード板とアノード板を備え、カソード板の一側にカソード流路を形成し、酸化ガス（例えば酸素）はカソード流路にあるのに適し、アノード板の一側にアノード流路を形成し、還元ガス（例えば水素）はアノード流路にあるのに適し、カソード板とアノード板との間に冷却チャネルを形成し、冷却チャネルに冷却液が流れるのに適する。カソード板とアノード板はバイポーラプレート燃料電池の重要な構成部分であり、燃料電池を支持して、反応ガスと冷却チャネルを提供する役割を果たす。

燃料電池は、自動車、航空機等の分野で幅広い用途があり、この分野では、燃料電池の出力密度に対する要件が高く、燃料電池の出力密度を向上させる技術的ルートでは、カソード板とアノード板の厚さを薄くすることは、非常に顕著な効果を果たすことができる。

従来の燃料電池は、加工の利便性を考慮するために、そのカソード流路、アノード流路、冷却チャネルはいずれも並列関係（例えば特許文献１）であるため、流路両端の流体分配領域では、３種の流体を分配する必要があり、流体分配領域の複雑さが比較的集中している。厚さが１ｍｍ程度の従来のバイポーラプレート構造では、このような複雑さの集中はそれほど問題にならないが、厚さが０．６ｍｍ未満に減少すると、流体分配領域がセルのサイズを増加するボトルネックになる。従来のバイポーラプレートが薄い（例えば厚さがわずか０．６ｍｍ）燃料電池のセル電流は６００Ａに達するのが難しいため、自動車、航空機等の分野での超高出力の使用要件を満たすことが困難である。

独国特許出願公開第１０２０１３２０８４５０号明細書

これを鑑みて、本発明は、流体分配領域の複雑さを低減するように、燃料電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の技術的手段は以下のように実現される。

燃料電池であって、隣接して積み重ねられた少なくとも２つのセルを備え、一方のセルのカソード板は隣接するセルのアノード板に隣接して積み重ねられ、前記カソード板はカソード板本体を備え、前記カソード板本体に前記アノード板に向かって突起したカソード流路山が設けられ、前記カソード流路山内にカソード流路を形成し、前記アノード板はアノード板本体を備え、前記アノード板本体に前記カソード板に向かって突起したアノード流路山が設けられ、前記アノード流路山内にアノード流路を形成し、前記カソード板と前記アノード板との間に冷却チャネルを形成し、前記アノード流路山は前記カソード流路山に交差するように配置され、且つ前記アノード流路山と前記カソード流路山との夾角範囲は６０°～１２０°である。

本発明のいくつかの実施例によれば、前記アノード流路山は、前記カソード流路山に垂直に配置される。

本発明のいくつかの実施例によれば、前記アノード流路山と前記カソード流路山との交差点に溝が設けられ、前記アノード流路山は前記溝に嵌め合われ、前記溝は前記カソード流路の流動経路にあり、且つ前記カソード流路の内部へ凹んでおり、前記溝での前記カソード流路の流路深さは前記溝以外のカソード流路の流路深さより小さい。

さらに、前記溝での前記カソード流路の流路深さは０．２ｍｍであり、前記溝以外のカソード流路の流路深さは０．４ｍｍである。

本発明のいくつかの実施例によれば、前記アノード流路山は複数であり、且つ複数の前記アノード流路山は平行に間隔をあけて配置され、前記カソード流路山は複数であり、且つ複数の前記カソード流路山は平行に間隔をあけて配置される。

本発明のいくつかの実施例によれば、前記アノード流路山は複数の副流路山を備え、前記副流路山内に前記アノード流路に連通する副流路を形成し、前記副流路山は前記カソード流路山に平行である。

さらに、隣接する２つの前記アノード流路山の副流路山は交互に配置される。

さらに、前記副流路山は隣接する２つの前記カソード流路山の間にある。

さらに、前記副流路山は、前記冷却チャネルに連通するように、前記カソード板本体から離間しており、前記カソード流路山は前記アノード板本体に貼り付けられる。

さらに、前記カソード板は酸素側極板であり、前記アノード板は水素側極板である。

従来の技術と比べて、本発明に記載の燃料電池は以下の利点を有する。

本発明の燃料電池によれば、アノード流路山はカソード流路山に交差して配置されるため、流体分配領域の複雑さを低減するのに役立ち、さらに、カソード板とアノード板の厚さを減少するのに役立ち、燃料電池の出力密度を向上させ、燃料電池の最大放電電流を増加することを実現するようにする。

本発明の一部を構成する添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために使用され、本発明の例示的な実施例及びその説明は本発明を解釈するためのものであり、本発明の不適切な制限を構成しない。

カソード板とアノード板を積み重ねた模式図である。冷却チャネルに向かうアノード板の一側の模式図である。ＭＥＡ（膜電極）に向かうカソード板の一側の模式図である。図１のＣでの拡大図である。図４のＡ－Ａでの断面図である。図４のＡ’－Ａ’での断面図である。図１のＢ－Ｂでの断面図である。図６のＤでの拡大図である。カソード流路、アノード流路、冷却チャネルのレイアウト模式図である。

なお、矛盾がない場合、本発明における実施例及び実施例における特徴を互いに組み合わせることができる。

以下、図１－図９を参照しながら実施例を組み合わせて、本発明を詳細に説明する。

図１－図３、図７に示すように、本発明の実施例による燃料電池は隣接して積み重ねられた少なくとも２つのセルを備え、一方のセルのカソード板１は隣接するセルのアノード板２に隣接して積み重ねられる。

カソード板１はカソード板本体１１を備え、カソード板本体１１にアノード板２に向かって突起したカソード流路山１２が設けられ、カソード流路山１２内にカソード流路１２１を形成し、カソード流路１２１内に酸化ガスが流れ、酸化ガスは空気であってもよく、燃料電池内の電気化学反応に参加するのは空気中の酸素である。

アノード板２はアノード板本体２１を備え、アノード板本体２１にカソード板１に向かって突起したアノード流路山２２が設けられ、アノード流路山２２内にアノード流路２２１を形成し、アノード流路２２１に還元ガスが流れ、還元ガスが水素であってもよい。

カソード板１とアノード板２との間に冷却チャネル３を形成し、具体的に、カソード板１とアノード板２は非貼付部分に冷却チャネル３を形成し、冷却チャネル３に冷却液または冷却剤が流れる。

酸化ガス、還元ガス、冷却液の分配を実現するように、カソード流路１２１、アノード流路２２１、冷却チャネル３の両端には流体分配領域を設置する必要がある。

カソード流路１２１とアノード流路２２１の流体分配領域（即ち図１の水素入口マニホールドチャンバー２０、水素出口マニホールドチャンバー３０、酸素入口マニホールドチャンバー４０、酸素出口マニホールドチャンバー５０）を個別に配置することを実現するように、アノード流路山２２はカソード流路山１２に交差するように配置され、且つアノード流路山２２とカソード流路山１２との夾角範囲は６０°～１２０°であり、これにより、流体分配領域の複雑さを低減するのに役立ち、さらに、極薄カソード板１と極薄アノード板２は、セルのサイズを拡大する場合、流体分配領域を配置できないことによるボトルネックを解消し、燃料電池の出力密度の向上を実現する。

本発明の燃料電池によれば、アノード流路山２２はカソード流路山１２に交差するように配置されるため、流体分配領域の複雑さを低減するのに役立ち、さらに、カソード板１とアノード板２の厚さを減少するのに役立ち、燃料電池の出力密度を向上させ、燃料電池の最大放電電流を増加することを実現する。

図１に示すように、アノード流路山２２はカソード流路山１２に垂直に配置され、カソード流路１２１とアノード流路２２１の流体分配領域の離間距離を最大化する配置を実現し、これにより、カソード板１とアノード板２の厚さを減少するのに役立ち、燃料電池の出力密度を向上させ、燃料電池の最大放電電流を増加するのに役立つ。

図４、図６、図８に示すように、アノード流路山２２とカソード流路山１２の交差点に溝１２２が設けられ、アノード流路山２２は溝１２２に嵌め合われ、溝１２２はカソード流路１２１の流動経路にあり、且つカソード流路１２１の内部へ凹んでおり、溝１２２でのカソード流路１２１の流路深さｅは溝１２２以外のカソード流路１２１の流路深さｆより小さい。

具体的に、カソード流路山１２には、酸化ガスの流れ方向に沿ってカソード流路１２１の内部へ凹んだ複数の溝１２２が設けられ、溝１２２の位置及び数はアノード流路山２２とカソード流路山１２の交差点の位置及び数に対応し、カソード流路山１２上の溝１２２がアノード流路山２２に咬み合うことを実現し、これにより、カソード板１とアノード板２の組立に役立ち、カソード板１とアノード板２の相対位置が正確であるのを確保する。

溝１２２は、カソード流路１２１の空気抵抗をわずかに増加させるが、アノード板２の流路の数がより少なく、深さがより浅く、つまり、各カソード流路１２１上の溝１２２の数はより少なく、空気抵抗の増加は明らかではないと同時に、酸化ガスが溝１２２を通って流れるときにいくらかの乱流も発生し、これにより、物質移動交換の促進に役立つ。

さらに、図８に示すように、本発明のいくつかの実施例において、溝１２２でのカソード流路１２１の流路深さｅは０．２ｍｍであり、溝１２２以外のカソード流路１２１の流路深さｆは０．４ｍｍであり、カソード板１の成形前の厚さｇは０．１ｍｍであり、アノード板２の成形前の厚さｈは０．１ｍｍであり、アノード流路２２１の深さｉは０．２ｍｍであり、つまり、カソード板１とアノード板２を組み立てた総厚さは０．６ｍｍであり、これにより、燃料電池の出力密度の向上に役立ち、セル電流は１００００Ａに達でき、超高出力の使用要件を満たすことができる。

図２に示すように、アノード流路山２２は複数であり、且つ複数のアノード流路山２２は平行に間隔をあけて配置され、これにより、水素をアノード流路２２１内にできるだけ均一に分布させ、タイムリにアノード生成物を排出することを確保するのに役立つ。

図３に示すように、カソード流路山１２は複数であり、且つ複数のカソード流路山１２は平行に間隔をあけて配置される。これにより、空気をカソード流路１２１内にできるだけ均一に分布させ、タイムリにカソード生成物を排出することを確保するのに役立つ。

図２に示すように、アノード流路山２２は複数の副流路山２３を有し、副流路山２３内にアノード流路２２１に連通する副流路２３１を形成し、副流路山２３がカソード流路山１２に平行である。

さらに、隣接する２つのアノード流路山２２の副流路山２３は交互に配置される。

さらに、副流路山２３は隣接する２つのカソード流路山１２の間に位置する。

つまり、アノード流れ場は、アノード流路２２１と副流路２３１によって形成される交互指流れ場に二次フラクタル交互指流れ場を重ね合わせたものであり、具体的に、図２に示すように、複数のアノード流路２２１は交互指流れ場を形成し、複数のアノード流路２２１の副流路２３１は二次フラクタル交互指流れ場を形成し、且つ図１に示すように、副流路山２３は隣接する２つのカソード流路山１２にあり、これにより、高電流密度の場合、酸素の十分な供給を確保するのに役立ち、さらに、燃料電池の性能を確保するのに役立つ。

本発明のいくつかの実施例において、図５に示すように、副流路山２３は、冷却チャネル３に連通するように、カソード板本体１１から離間しており、図６に示すように、カソード流路山１２はアノード板本体２１に貼り付けられ、図７に示すように、隣接する２つのカソード流路山１２の間のカソード板本体１１とアノード板本体２１との間に冷却チャネル３を形成し、冷却チャネル３に冷却液が流れる。

本発明のいくつかの実施例において、カソード板１は酸素側極板であり、アノード板２は水素側極板である。

図１、図３－図４に示すように、カソード板１の一端は酸素入口マニホールドチャンバー４０であり、他端は酸素出口マニホールドチャンバー５０であり、酸素は酸素入口マニホールドチャンバー４０からカソード流路１２１に入り、余分な酸素はカソード流路１２１から流出し、酸素出口マニホールドチャンバー５０に入る。図１－図２、図４に示すように、アノード板２の一端は水素入口マニホールドチャンバー２０であり、他端は水素出口マニホールドチャンバー３０であり、水素は水素入口マニホールドチャンバー２０からカソード流路１２１に入り、余分な水素はアノード流路２２１から流出し、水素出口マニホールドチャンバー３０に入る。

図１から分かるように、水素入口マニホールドチャンバー２０と水素出口マニホールドチャンバー３０はアノード板２の両端に配置され、酸素入口マニホールドチャンバー４０と酸素出口マニホールドチャンバー５０はカソード板１の両端に配置され、且つ水素入口マニホールドチャンバー２０と水素出口マニホールドチャンバー３０との間の接続線と、酸素入口マニホールドチャンバー４０と酸素出口マニホールドチャンバー５０との間の接続線との夾角範囲は６０°～１２０°であり、好ましくは９０°であり、即ち水素入口マニホールドチャンバー２０と水素出口マニホールドチャンバー３０との間の接続線は酸素入口マニホールドチャンバー４０と酸素出口マニホールドチャンバー５０との間の接続線に垂直である。水素入口マニホールドチャンバー２０、水素出口マニホールドチャンバー３０、酸素入口マニホールドチャンバー４０、酸素出口マニホールドチャンバー５０を個別に配置することにより、流体分配領域（即ち各マニホールドチャンバー）の複雑さを低減するのに役立ち、さらに、極薄カソード板１と極薄アノード板２は、セルのサイズを拡大する場合、流体分配領域を配置できないことによるボトルネックを解消し、燃料電池の出力密度の向上を実現する。

図９に示すように、カソード流路１２１内の酸素とアノード流路２２１内の水素は反応領域６０に反応し、冷却チャネル３に冷却液が流れ、燃料電池に遷移領域７０も存在し、カソード流路１２１内の酸素とアノード流路２２１内の水素を緩衝し、水素と酸素との十分な反応に役立つ。

以上で本発明の好ましい実施例だけであり、本発明を制限するためのものではなく、本発明の精神と原則から逸脱しない限り、行った任意の修正、等価置換、改善等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれるべきである。

［付記］
［付記１］
隣接して積み重ねられた少なくとも２つのセルを備え、一方のセルのカソード板（１）は隣接するセルのアノード板（２）に隣接して積み重ねられる燃料電池であって、前記カソード板（１）はカソード板本体（１１）を備え、前記カソード板本体（１１）に前記アノード板（２）に向かって突起したカソード流路山（１２）が設けられ、前記カソード流路山（１２）内にカソード流路（１２１）を形成し、前記アノード板（２）はアノード板本体（２１）を備え、前記アノード板本体（２１）に前記カソード板（１）に向かって突起したアノード流路山（２２）が設けられ、前記アノード流路山（２２）内にアノード流路（２２１）を形成し、前記カソード板（１）と前記アノード板（２）との間に冷却チャネル（３）を形成し、前記アノード流路山（２２）は前記カソード流路山（１２）に交差するように配置され、且つ前記アノード流路山（２２）と前記カソード流路山（１２）との夾角範囲は６０°～１２０°であることを特徴とする燃料電池。

［付記２］
前記アノード流路山（２２）は前記カソード流路山（１２）に垂直に配置されることを特徴とする付記１に記載の燃料電池。

［付記３］
前記アノード流路山（２２）と前記カソード流路山（１２）との交差点に溝（１２２）が設けられ、前記アノード流路山（２２）は前記溝（１２２）に嵌め合われ、前記溝（１２２）は前記カソード流路（１２１）の流動経路にあり、且つ前記カソード流路（１２１）の内部に向かって凹んでおり、前記溝（１２２）での前記カソード流路（１２１）の流路深さは前記溝（１２２）以外のカソード流路（１２１）の流路深さより小さいことを特徴とする付記１に記載の燃料電池。

［付記４］
前記溝（１２２）での前記カソード流路（１２１）の流路深さは０．２ｍｍであり、前記溝（１２２）以外のカソード流路（１２１）の流路深さは０．４ｍｍであることを特徴とする付記３に記載の燃料電池。

［付記５］
前記アノード流路山（２２）は複数であり、且つ複数の前記アノード流路山（２２）は平行に間隔をあけて配置され、前記カソード流路山（１２）は複数であり、且つ複数の前記カソード流路山（１２）は平行に間隔をあけて配置されることを特徴とする付記１に記載の燃料電池。

［付記６］
前記アノード流路山（２２）は複数の副流路山（２３）を有し、前記副流路山（２３）内に前記アノード流路（２２１）に連通する副流路（２３１）を形成し、前記副流路山（２３）は前記カソード流路山（１２）に平行であることを特徴とする付記１に記載の燃料電池。

［付記７］
隣接する２つの前記アノード流路山（２２）の副流路山（２３）は交互に配置されることを特徴とする付記６に記載の燃料電池。

［付記８］
前記副流路山（２３）は隣接する２つの前記カソード流路山（１２）の間にあることを特徴とする付記６に記載の燃料電池。

［付記９］
前記副流路山（２３）は、前記冷却チャネル（３）に連通するように、前記カソード板本体（１１）から離間しており、前記カソード流路山（１２）は前記アノード板本体（２１）に貼り付けられることを特徴とする付記６に記載の燃料電池。

［付記１０］
前記カソード板（１）は酸素側極板であり、前記アノード板（２）は水素側極板であることを特徴とする付記１乃至９のいずれか１つに記載の燃料電池。

カソード板１、カソード板本体１１、カソード流路山１２、カソード流路１２１、溝１２２、アノード板２、アノード板本体２１、アノード流路山２２、アノード流路２２１、副流路山２３、副流路２３１、冷却チャネル３、水素入口マニホールドチャンバー２０、水素出口マニホールドチャンバー３０、酸素入口マニホールドチャンバー４０、酸素出口マニホールドチャンバー５０、反応領域６０、遷移領域７０。

Claims

隣接して積み重ねられた少なくとも２つのセルを備え、一方のセルのカソード板（１）は隣接するセルのアノード板（２）に隣接して積み重ねられる燃料電池であって、前記カソード板（１）はカソード板本体（１１）を備え、前記カソード板本体（１１）に前記アノード板（２）に向かって突起したカソード流路山（１２）が設けられ、前記カソード流路山（１２）内にカソード流路（１２１）を形成し、前記アノード板（２）はアノード板本体（２１）を備え、前記アノード板本体（２１）に前記カソード板（１）に向かって突起したアノード流路山（２２）が設けられ、前記アノード流路山（２２）内にアノード流路（２２１）を形成し、前記カソード板（１）と前記アノード板（２）との間に冷却チャネル（３）を形成し、前記アノード流路山（２２）は前記カソード流路山（１２）に交差するように配置され、且つ前記アノード流路山（２２）と前記カソード流路山（１２）との夾角範囲は６０°～１２０°であることを特徴とする燃料電池。
前記アノード流路山（２２）は前記カソード流路山（１２）に垂直に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。
前記アノード流路山（２２）と前記カソード流路山（１２）との交差点に溝（１２２）が設けられ、前記アノード流路山（２２）は前記溝（１２２）に嵌め合われ、前記溝（１２２）は前記カソード流路（１２１）の流動経路にあり、且つ前記カソード流路（１２１）の内部に向かって凹んでおり、前記溝（１２２）での前記カソード流路（１２１）の流路深さは前記溝（１２２）以外のカソード流路（１２１）の流路深さより小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記溝（１２２）での前記カソード流路（１２１）の流路深さは０．２ｍｍであり、前記溝（１２２）以外のカソード流路（１２１）の流路深さは０．４ｍｍであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
前記アノード流路山（２２）は複数であり、且つ複数の前記アノード流路山（２２）は平行に間隔をあけて配置され、前記カソード流路山（１２）は複数であり、且つ複数の前記カソード流路山（１２）は平行に間隔をあけ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。
前記アノード流路山（２２）は複数の副流路山（２３）を有し、前記副流路山（２３）内に前記アノード流路（２２１）に連通する副流路（２３１）を形成し、前記副流路山（２３）は前記カソード流路山（１２）に平行であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
隣接する２つの前記アノード流路山（２２）の副流路山（２３）は交互に配置されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
前記副流路山（２３）は隣接する２つの前記カソード流路山（１２）の間にあることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
前記副流路山（２３）は、前記冷却チャネル（３）に連通するように、前記カソード板本体（１１）から離間しており、前記カソード流路山（１２）は前記アノード板本体（２１）に貼り付けられることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
前記カソード板（１）は酸素側極板であり、前記アノード板（２）は水素側極板であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池。