JP4969040B2 - 内部ガス制御燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、車両の駆動目的で使用される燃料電池に関する。これに関し、燃料電池セルは、スタックとして知られていられるものを形成するため積層される。

このタイプの燃料電池スタックを単純化し、その効率を増大させるために、加湿してない又は部分的に加湿された燃料電池が、しばしば高い運転温度及び低圧で使用される。これは、ガス／ガス加湿機器のための装置に関する経費をなくすこと、又は凝縮に必要となるラジエータ表面積をなしで済ますことを可能にする。燃料電池の高い運転温度、したがって冷却水温度の故に、車両ラジエータの大きさを縮小することができて、低い運転圧力の故に、圧縮機出力を小さくすることができる。

記載した運転条件の下で、膜電極組立体（ＭＥＡ）の電解質が、特にカソード入口で、そこに入る不飽和ガスによって（部分的に）ドライアウトする問題が、必然的に生じる。

従来技術は、反応物（一般にガス）がそこを通って連続して流れる複数の燃料電池スタックの特別な配置によって代表される。第１のスタックで電池反応によって形成された水が、例えば反応物によって次のスタックに伴出される。この種類の装置は、例えば、特許文献１に記載されており、そこでは、第１の（低温）スタックのカソード・ガスが、第２の（高温）スタックからのカソード・ガスと、調量されて入る新しい空気とで構成される混合ガスで供給される。しかし、これは、湿分を、第２のスタックへの入口で適合させるのを可能にするだけである。この装置では追加のガス混合機能が全くないので、湿気レベルも酸素又は水素分圧も、局所的に、例えばスタック内の個々の電池に対し設定することができない。この結果、酸素又は水素分圧は、通路出口に比べて通路入口で著しく大きい（しばしば１．５〜３倍）。このため、不均質な反応分布、及び局所的オーバーヒーティングの危険（ホットスポットとして知られている）に至る。さらに、カソード又はアノード入口のどちらもドライアウトの危険があり、あるいは、その出口での凝縮の危険、したがって、ＭＥＡの反応ゾーンへの出発原料の供給が妨げられる危険がある。

湿気分布に影響するもう一つの提案は、特許文献２の主題を形成している。図１に示すように、この従来の装置では、燃料電池のディストリビュータ・プレート（Ａ）が、複数の並列ガス通路（Ｃ）を備えたチャネル領域（Ｂ）を有する。これらのガス通路（Ｃ）は、ポート領域（Ｅ）にガスを供給するために使用されるポート領域（Ｄ）から通り、ポート領域（Ｅ）を経由してガスが排出される。接続通路（Ｆ）が、ポート領域（Ｄ）とガス通路（Ｃ）との間に通っている。これらの接続通路（Ｆ）を経由するポート領域（Ｄ）からガス通路（Ｃ）への新しい未使用ガスを、局所的に調量することは可能である。接続通路（Ｆ）の断面積が、ガス通路（Ｃ）に比較して縮小されているために、新しいガス流の体積流量は、ガス通路（Ｃ）に存在する局所的湿気が、ＭＥＡをドライアウトから防ぐのに十分であるような方法で調量される。接続通路（Ｆ）が共通フィードライン・ポート（Ｄ）に連結されているので、ガス組成に影響することは、常に電池全体に影響を及ぼす。

欧州特許第１００９０５０号明細書 独国特許出願公開第１００ ５５ ２５３ Ａ１号明細書

本発明は、最も近い従来技術としての上記装置に基づく。本発明は、電池の異なる領域において、ガス組成に個別に影響を与えることが可能である燃料電池を開発する目的に基づく。

請求項１の前文の特徴を有する燃料電池において、請求項１の特徴を特徴とすることによってこの目的は達成される。有利な実施形態のさらなる詳細は、従属項の主題を形成している。

本発明によれば、記載した課題は、燃料電池内の複数のフィールドを介した有益な流れガイダンスを用いて解決される。比較的少量の、かつ不飽和のガス流が、カソード又はアノード入口で電池に加えられる。このガス流は、従来技術とは異なり、両極性プレートにおける活性の電池表面全体にわたって消費されるガス流に比べて、少量にすることができる。少量のガス量の故に、湿気は、入口領域ではＭＥＡからほとんど抽出されない。さらに、ガス流は、電池での製造水の発生によってより速く加湿される、又は水蒸気で飽和される。再び電池に酸素又は水素を供給するために、それらが、ガス通路構造体の第１のフィールドを通過した後、一部消費されたアノード又はカソード・ガスは、活性の電池表面の外側のポートに誘導され、そこで、それを、定義された方法で新しいガスと混合させ、次いで、アノード又はカソードの後続のフィールド中に通される。このガス混合は、アノード及びカソード・ガス流の間で好都合にも個別に起こり、このガス混合を、両極性プレートのガス通路に沿って複数回使用することができる。これにより、カソード又はアノード・ガスの湿分を局所的に設定し、かつ最適化することが可能になる。

本発明は、簡単な例示的実施形態に基づき、図２の参照番号を使用して以下にさらに詳細に記載される。

本発明との関連で、反応物という用語は、電気化学反応に関与する全ての物質、すなわち、例えばＨ_２及びＯ_２などの出発原料、並びにＨ_２Ｏなどの生成物、並びに、これらの混合物を意味するものと理解されるべきである。

この場合、活性の電池表面（両極性プレート）は、最も簡単な変形として、ちょうど２つのフィールド（１、２）に分割されており、少なくとも１個のアノード側及びカソード側ガス通路構造体（図示せず）が、それぞれのフィールドに存在している。新しいカソード・ガスは、入口ポート（４ａ）を経由して第１のフィールド（１）に入り、燃料電池プロセスが起きた結果として第１のフィールドで一部消費され、次に、フィールド（１）の出口ポート（４ｂ）に通される。そこで、又は、それに続く次のフィールドの入口ポート（６ａ）で、カソード・ガスを、調節可能な吸気ポート（９）を介して新しいガスと混合させる。後者の二つのポート（４ｂ、６ａ）を一緒にすること、又は、新しいガスの供給を別のスペースで実行することもまた可能である。先行フィールドの消費されたガスと新しいガスとから形成される混合ガスは、今度は次のフィールド（２）の通路構造体を通り、そこで、混合ガスは、燃料電池プロセスが起こることによって一部消費され、フィールド（２）の出口ポート（６ｂ）に通される。次に、カソード・ガスがスタックから離れるか、又は、原則として、複数のフィールドがカソード側に可能である（図示せず）ので、次のフィールドのために上記方法でさらに新しいガスの濃厚化が起こる。

アノードへのガス供給は、上記のような流れガイダンス、及びカソード側でのガス混合に類似することができる。

新しいアノード・ガスは、入口ポート（３ａ）を経由して第１のフィールド（１）に入り、燃料電池プロセスが起きた結果として第１のフィールドで一部消費され、次に、フィールド（１）の出口ポート（３ｂ）に通される。そこで、又は、それに続く次のフィールド（２）の入口ポート（５ａ）で、アノード・ガスを、調節可能な吸気ポート（１０）を介して新しいガスと混合させる。後者の二つのポート（３ｂ、５ａ）を一緒にすること、又は、新しいガスの供給を別のスペースで実行することもまた可能である。先行フィールド（１）の消費されたガスと新しいガスとから形成される混合ガスは、今度は次のフィールド（２）の通路構造体を通り、そこで、混合ガスは、燃料電池プロセスが起こることによって再度一部消費され、フィールド（２）の出口ポート（５ｂ）に通される。次に、アノード・ガスがスタックから離れるか、又は、次のフィールドのために上記方法でさらに新しいガスの濃厚化が起こる。したがって、アノード側でも複数のフィールドが考えられる。

必要に応じて、フィールド（２）もしくは他のフィールドのアノード及び／又はカソードに、もっぱら未使用のガスを直接供給することができる。

さらにまた、複数フィールドの、出てくるカソード又はアノード・ガス流を、新しいガスの濃厚化の有無にかかわらず、後続のフィールドに部分的に又は完全に通すようなやり方で、個々のフィールドのガス流を一緒にすることができる。その結果、例えば、低い温度レベルのフィールドが、そこから出てくる湿ったガス流を、より高い温度レベルにあり、したがって、ドライアウトのより大きな危険性があるフィールドに供給することが可能である。

冷却媒体の経路割当に関して、図２は、電池の全てのフィールドに対して、単に１個の出口ポート（８）及び１個の入口ポート（７）を設けてあるだけである。しかし、個々のフィールド温度のより正確な制御を提供するために、冷却媒体用の追加の入口及び出口ポート（図示せず）を使用して、フィールドに供給することもまた可能である。この場合、アノード及びカソードの場合に述べたことと同様に、個々のフィールドの冷却媒体の流入及び流出流れを、互いに一緒にすることができる。アノード及びカソードの場合に述べたことと同様に、所定のフィールドの冷却媒体の流れを、一緒にするか、又は、分割し、次いで、後続のフィールドに完全にもしくは部分的に導入することが可能である。

一例として、そこで電池を低温度レベルに保持するために、別々の冷却媒体ポートを備えた２つのフィールドを運転することが好都合である。これらの位置では、加湿してない、又は相対的に加湿してない電池の運転が可能だろう。次に、第３のフィールドでは、出てくる今や暖かい冷却媒体と、２つのより冷たいフィールドから出てくるカソード・ガス流が使用されるだろう。これには、この第３のフィールドでは、上流側フィールドからのカソード・ガスが一部消費されているが、しかしすでに加湿されているために、より高い電池温度にもかかわらず、ドライアウトの危険性が低減されるという利点がある。次に、フィールド３から最終的に出てくる冷却媒体は、３つ全てのフィールドが、冷却媒体の独立した流れによって供給される場合に比べて、かなり高温になる。その時、より高い冷却媒体温度により、車両ラジエータのサイズが、同じ熱輸送容量に対して縮小される。

入口及び出口ポート間に概略的に示したこの通路構造体は、通路構造体のうちのまさに１つの可能な形態を代表している。原理的には、蛇行状、並列、分岐、及び／又は点在構造が考えられる。

本発明では、電池を複数のフィールドに分割されるという事実により、カソード及びアノード・ガスの湿気レベル、並びに酸素及び／又は水素含量が、電池領域全体にわたって均一に分布することが可能になる。これにより、ドライアウト現象を減らす、又はなくすことが可能になる。さらに、目標のガス混合によって、局所的ホットスポットの形成を大体回避することができるように、電池の反応分布に影響を与えることもまた可能である。この目的のために、本発明の拡大された実施形態では、個々のフィールドにはそれぞれ温度センサが備えられる。これにより、それぞれのガス組成及び／又は冷却材の流れを、広く行き渡るフィールド温度の関数として最適運転値に設定することが可能になる。

従来技術（特許文献２）による燃料電池スタックを示す図。 本発明による２つのフィールドを有する電池の流れフィールド構造、並びに、反応物及び冷却媒体の入口及び出口用のポートの対応する配置を示す図。

Claims (9)

1. 膜電極組立体（ＭＥＡ）、並びに、反応物用の通路構造体及び冷却媒体用の通路構造体を備えたアノード側及びカソード側両極性プレートを有する燃料電池であって、
   前記アノード及び／又はカソードの反応物用の通路構造体が、前記両極性プレートにおいて少なくとも２つのフィールド（１、２）に分割され、それぞれのフィールド（１、２）が、アノード反応物用の入口ポート（３ａ、５ａ）及び出口ポート（３ｂ、５ｂ）、並びに／又は、カソード反応物用の入口ポート（４ａ、６ａ）及び出口ポート（４ｂ、６ｂ）を有し、あるフィールド（１）におけるアノード反応物用の出口ポート（３ｂ）が新しいアノード反応物用の調節可能な吸気ポート（１０）を介して他のフィールド（２）のアノード反応物用の入口ポート（５ａ）に連結され、前記フィールド（１）のアノード反応物用の出口ポート（３ｂ）から出てくる一部消費されたアノード反応物が、吸気ポート（１０）から導入される新しいアノード反応物と混合され、前記他のフィールド（２）のアノード反応物用の入口ポート（５ａ）を経由して、前記他のフィールド（２）のアノードに供給されること、及び／又は、あるフィールド（１）におけるカソード反応物用の出口ポート（４ｂ）が新しいカソード反応物用の調節可能な吸気ポート（９）を介して他のフィールド（２）のカソード反応物用の入口ポート（６ａ）に連結され、前記フィールド（１）のカソード反応物用の出口ポート（４ｂ）から出てくる一部消費されたカソード反応物が、吸気ポート（９）から導入される新しいカソード反応物と混合され、前記他のフィールド（２）のカソード反応物用の入口ポート（６ａ）を経由して、前記他のフィールド（２）のカソードに供給されることを特徴とする燃料電池。
2. 少なくとも２つのフィールド（１、２）が、冷却媒体用の別々の入口及び出口ポートを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 少なくとも２つのフィールド（１、２）のために冷却媒体の流量及び／又は条件を個別に設定するのに使用できる手段を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 一方のフィールドの少なくとも１個の冷却媒体出口ポートが、他方のフィールドの冷却媒体入口ポートに連結されることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
5. 少なくとも２つのフィールド（１、２）のために前記アノード及び／又カソードの反応物の流量及び／又は組成を個別に設定するのに使用できる手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 少なくとも１つのフィールドが、温度センサを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 少なくとも２つのフィールド（１、２）を、異なる温度及び／又は流速を有する冷却媒体で運転することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池の運転方法。
8. 異なる特性を有するアノード及び／又はカソード反応物が、少なくとも２つのフィールド（１、２）のために使用されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の運転方法。
9. それぞれのフィールド（１、２）の温度を測定し、それを使用して、アノード及び／又はカソード反応物の組成及び／又は流量を変化させることによって、燃料電池を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池の運転方法。

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