JP4970007B2 - 表面活性剤を使用したｐｅｍ燃料電池スタックの水管理 - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃料電池スタックの流れ場チャンネル内の水の管理を提供するシステム及び方法に係り、より詳しくは、流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させて水を逃がすことを可能にするため、カソード入力空気流れ及びアノード入力水素ガスを加湿するため使用される加湿水に表面活性剤を結合させる工程を備える、燃料電池スタックの流れ場チャンネル内の水の管理を提供するシステム及び方法に関する。

水素は、非常に魅力的な燃料である。それは、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができる。水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、カソードに送られる前に仕事を実施するため負荷を通して向けられる。この仕事は、車両を作動させるように機能する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合された細かく分割された触媒粒子を含んでおり、これらの粒子は、通常ではプラチナ（Ｐｔ）等を含んでいる。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。

幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。例えば、車両のための典型的な燃料電池スタックは、２百個以上も積み重ねられた燃料電池を持ち得る。燃料電池スタックは、カソード反応ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素反応ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。

燃料電池スタックは、スタック中の幾つかのＭＥＡの間に配置された、一連の流れ場即ち二極式プレートを備える。二極式プレートは、スタック内の隣接する燃料電池のためアノード側部及びカソード側部を備える。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側部に設けられ、アノードガスが膜電極アッセンブリのアノード側部へと流れることを可能にする。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側部上に設けられ、カソードガスが膜電極アッセンブリのカソード側部へと流れることを可能にする。二極式プレートは、冷却流体が流れる流れチャンネルを備えている。

図１は、上述された種類の燃料電池スタックの一部である燃料電池１０の断面図である。燃料電池１０は、カソード側部１２と、アノード側部１４とを備え、両側部は、過フッ化スルホン酸膜１６によって分離されている。カソード側部の拡散媒体層２０は、カソード側部１２上に設けられ、カソード側部の触媒層２２は、膜１６と拡散媒体層２０との間に設けられている。同様に、アノード側部の拡散媒体層２４は、アノード側部１４上に設けられ、アノード側部の触媒層２６は、膜１６と拡散媒体層２４との間に設けられている。触媒層２２及び２６並びに膜１６は、膜電極アッセンブリを形成する。拡散媒体層２０及び２４は、膜電極アッセンブリへの導入ガス輸送及び膜電極アッセンブリからの水輸送を提供する。拡散媒体層２０及び２４又は膜１６上に、触媒層２２及び２６を形成させるための様々な技術が当該技術分野で知られている。

カソード側部の流れ場プレート即ち二極式プレート１８は、カソード側部１２上に設けられ、アノード側部流れ場プレート即ち二極式プレート３０は、アノード側部１４得に設けられている。二極式プレート１８及び３０は、燃料電池スタック内の燃料電池の間に設けられている。二極式プレート３０内の流れチャンネル２８からの水素反応ガスの流れは、触媒層２６と反応して、水素イオンと電子とに分解される。二極式プレート１８の流れチャンネル３２からの空気流れは、触媒層２２と反応する。水素イオンは、膜１６を通って伝搬することができ、該膜では、水素イオンは膜を通してイオン電流を運搬する。最終的な生成物は水であり、水は環境に何ら負の影響を有していない。プレート１８と拡散媒体層２０との間並びにプレート３０と拡散媒体層２４との間の接触抵抗を減少させるように、伝導性コーティング５０を二極式プレート１８上に形成することができ、伝導性コーティング５２を二極式プレート３０上に形成することができる。

これに限定されない実施例では、二極式プレート１８は、打ち抜き加工され、一緒に溶接された２つのシート３４及び３６を備えている。シート３６は、流れチャンネル３２を形成し、シート３４は、隣接する燃料電池１０の間のアノード側部のための流れチャンネル３８を形成する。冷却流体流れチャンネル４０は、図示のように、シート３４及び３６の間に設けられる。同様に、二極式プレート３０は、流れチャンネル２８を形成するシート４２と、隣接する燃料電池のカソード側部のための流れチャンネル４６を形成するシート４４と、冷却流体流れチャンネル４８と、を備えている。本願で説明される実施例では、シート３４、３６、４２及び４４は、例えば、ステンレス鋼、チタニウム、アルミニウム、ポリマーカーボン複合物等の導電性材料から作られている。

当該技術分野でより良く知られているように、燃料電池スタック内の膜は、膜を横切るイオン抵抗が陽子を効果的に伝達するのに十分に低くなるように一定の相対湿度を持つ必要がある。燃料電池の作動中には、膜電極アッセンブリからの湿気及び外部湿度は、アノード及びカソードの流れ場チャンネルに入ることができる。低い電池パワー要求、典型的には０．２Ａ／ｃｍ^２では、ガス速度は比較的低く、水は流れチャンネル内に蓄積し得る。反応ガスの流速は、非常に低く、水をチャンネルから流れ出すことができないからである。水が蓄積するにつれて、該水は、プレート材料の相対的な疎水性特性の故に、膨張し続ける液滴を形成する。液滴が反応ガスの流れに実質的に垂直な流れチャンネル内に形成され、チャンネル内の流れ抵抗を増大させる働きがあるという点で、水滴の接触角度は一般に約９０°である。液滴のサイズが増大するにつれて、流れチャンネルは、閉鎖され、反応ガスは、他の流れチャンネルへと逸らされる。チャンネルは、共通の入口及び出口マニホルドの間で平行になっているからである。反応ガスが、水でせき止められたチャンネルを通って流れることができないので、反応ガスは、水をチャンネルの外部に押し出すことはできない。チャンネルがせき止められた結果として反応ガスを受け取らない膜のこれらの領域は、電気を発生せず、よって、非均質な電流分布を形成し、燃料電池全体の効率を減少させる。水によりせき止められる流れチャンネルが多くなればなるほど、燃料電池により生成される電気は減少し、２００ｍＶより低い電池電位は電池の故障とみなされる。燃料電池は一般に電気的に直列に連結されているので、燃料電池の一つが実行停止されるならば、燃料電池スタック全体が実行停止し得る。

通常、より高い流速で流れチャンネルを通して反応ガスを周期的に押し出すことにより、流れチャンネル内に、蓄積した水を追い出すことができる。しかし、カソード側部では、これは、空気コンプレッサに適用された寄生的なパワーを増大させ、これによって、システムの全体的な効率を減少させる。その上、経済効率の減少、システム効率の減少、排気ガス流れ内の水素の上昇した濃度を処理するためにシステムの複雑さの増大を始めとした、パージガスとして水素燃料を使用しない多数の理由が存在する。

チャンネル内に蓄積した水を減少させることは、入口の加湿を減少することによって達成することもできる。しかし、燃料電池内の膜が水和したままであるように、アノード反応ガス及びカソード反応ガス内で相対湿度を提供することが望ましい。乾燥した入口ガスは、膜上に乾燥効果を持ち、該効果は、電池のイオン抵抗を増大させ、膜の長期間の耐久性を制限し得る。

本発明の教えによれば、燃料電池システムが開示される。該燃料電池システムは、流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させる表面活性剤を用いている。燃料電池システムは、カソード入口空気流れ及び水素アノードガスを加湿する加湿手段を備える。表面活性剤は、該表面活性剤が流れ場チャンネルに入って該チャンネル内の水の表面張力を減少させるように加湿手段内の加湿水と混合される。これは、水がチャンネルを通って逃げることを可能にし、従って、水をチャンネル外部へと押し出すためにより少ない力で済むこととなる。これに限定されない実施態様では、表面活性剤はエタノールである。エタノールの酸化生成物によるプラチナへの有害な影響を軽減するため燃料電池の触媒層でプラチナにルテニウムを添加することもできる。

本発明の追加の特徴は、添付図面と関連付けて、次の説明及び添付した請求の範囲から明らかとなろう。

燃料電池スタックの流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させるため表面活性剤を使用するためのシステム及び方法に関する、本発明の実施例に関する次の説明は、その本質上単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途若しくは使用法を限定するものではない。

図２は、燃料電池スタック６２を備える燃料電池システム６０の概略図である。コンプレッサ６４は、スタック６２のカソード側部へのライン６６に圧縮空気流れを提供する。ライン６６上のコンプレッサ６４からの空気流れは、膜１６が乾燥し切ることを防止するため空気流れを加湿するため加湿器７０を通して差し向けられる。同様に、水素ガス源７４は、水素ガスを、ライン７６上のスタック６２のアノード側部へと提供する。水素ガスは、上述されたように、膜１６が乾燥し切ることを防止するため水素ガスを加湿するため加湿器７８を通して差し向けられる。加湿器７０及び７８は、本明細書で記載された目的のための任意の適切な加湿器であってもよい。一つの知られた設計では、加湿器７０及び７８内の脱イオン水は、水が空気流れ及び水素ガス流れと混合されるべく蒸発されるように、スタック６２を通って循環する冷却流体によってスタック作動温度へと加熱される。一実施例では、加湿器７０及び７８は、当業者に周知された、水蒸気トラップである。

本発明は、加湿器７０及び７８内で脱イオン水に追加される湿り剤又は表面活性剤の使用を提案する。該加湿器７０及び７８は、カソード側部の流れ場チャンネル３２及びアノード側部流れ場チャンネル２８へと輸送され、水の表面張力を減少させるように機能する。特に、源８０からの適切な表面活性剤は、加湿器７０に提供され、その内部の水と混合され、ライン６６上の空気流れによって運搬される。加湿器７０及び７８に追加された源８０及び８２からの表面活性剤の量は、流れ場チャンネル２８及び３２に形成された水の所望の接触角度を提供するため流れ場チャンネル２８及び３２に導入される。予備的な結果は、流れ場チャンネル内の水の接触角度が、適切な表面活性剤によって、炭素複合物及び金属二極式プレートの両方に対して１０°未満とすることができることを示した。

湿り剤は、固体基板上の水の表面張力を減少させる可能性を持ち、燃料電池環境と両立できる。これらの材料として、洗浄剤、ハイパーブランチポリマーを基にした湿り剤、又は、コートオシル（CoatOSil）、表面活性剤、エンバイロジェム（EnviroGem）AD01、フォトマー（Photomer）8127、フレキシテイン（Flexitane）CA 6000、アルコールエトキシラート、ロウリル（Lauryl）ジメチルベンゼン、アルキルリン酸エステル、スルホコハク酸ラウリルニナトリウム、アルキルジメチルベタイン等の他の非発泡剤が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

一実施例では、表面活性剤は、ほとんど任意の材料に付いた水の表面張力を減少させることが周知されているエタノールである。エタノールは、スタック６２の作動温度付近で蒸発するので、水の表面張力を減少させることによって流れ場チャンネル表面上に形成された水滴の接触角度を減少させるように機能する。従って、エタノールは、スタック６２の作動温度で有意には蒸発しないが、幾らかは蒸発する。

アルコールが、スタック６２のカソード側部内の燃料電池条件の下で酸化することが知られている。アルコールの酸化は、触媒層２２及び２６に有害な影響を及ぼし得る一酸化炭素を解放する。この問題を軽減するため、本発明は、ルテニウムを触媒層２２及び２６内のプラチナと混合する工程を備えている。ルテニウムも、触媒層２２及び２６内のプラチナの負荷を減少させる。自然に発生するプラチナ鉱石は、ルテニウムの約１／１０を含むことが示された。

前記した説明は、本発明の単なる一実施例のみを開示し、記載したに過ぎない。当業者は、請求の範囲に定義されたような本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く様々な変更、改良及び変形をなすことができることを、上記のような説明並びに添付図面や請求の範囲から容易に理解するであろう。

図１は、燃料電池スタック内の燃料電池の断面図である。 図２は、燃料電池スタック内の流れ場チャンネルへと送られるガスを加湿する加湿水に表面活性剤を混合する燃料電池システムの平面図である。

Claims (8)

1. 燃料電池システムであって、
   カソード側部及びアノード側部を備える燃料電池スタックと、
   圧縮された空気流れを前記燃料電池スタックの前記カソード側部に提供するコンプレッサと、
   前記コンプレッサから前記空気流れを受け取り、カソードの前記空気流れを加湿する、カソード側加湿手段と、
   表面活性剤を前記カソード側加湿手段に提供するための表面活性剤源であって、該表面活性剤は、該表面活性剤が前記スタックの前記カソード側部上の流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させるように前記カソード側加湿手段内の水と混合される、前記表面活性剤源と、
   を備え、
   前記表面活性剤は、ハイパーブランチポリマーを基にした表面活性剤である、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を備え、該燃料電池の各々は、触媒層を備え、該触媒層はルテニウム及びプラチナの混合物を含んでいる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の前記アノード側部に水素ガスを提供する水素源と、該水素ガスを受け取って加湿するアノード側加湿手段と、前記表面活性剤を該アノード側加湿手段に提供する表面活性剤の源と、を更に備え、該表面活性剤は、該表面活性剤が前記スタックの前記アノード側部上の流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させるように、前記アノード側加湿手段内の水と混合される、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムは車両に搭載されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池システムであって、
   カソード側部及びアノード側部を備える燃料電池スタックと、
   圧縮された空気流れを前記燃料電池スタックの前記カソード側部に提供するコンプレッサと、
   前記コンプレッサから前記空気流れを受け取り、カソードの前記空気流れを加湿する、カソード側加湿手段であって、該カソード側加湿手段は、前記スタックの前記カソード側部上の流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させる表面活性剤を備える、前記カソード側加湿手段と、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側部に水素ガスを提供する水素ガス源と、
   前記水素ガス源から前記水素ガスを受け取り、該水素ガスを加湿する、アノード側加湿手段であって、該アノード側加湿手段は、前記スタックの前記アノード側部上の流れ場チャンネル内の水の表面張力を減少させる表面活性剤を備える、前記アノード側加湿手段と、
   を備え、
   前記表面活性剤は、ハイパーブランチポリマーを基にした表面活性剤である、燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を備え、該燃料電池の各々は、触媒層を備え、該触媒層はルテニウム及びプラチナの混合物を含んでいる、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池スタックに導入された、カソード空気流れ及びアノード水素ガスを加湿するための方法であって、
   カソード側流れチャンネル内の水の表面張力を減少させるため前記カソード空気流れを加湿する加湿水にカソード側加湿手段の内部で表面活性剤を混合し、
   アノード側流れチャンネル内の水の表面張力を減少させるため前記水素ガスを加湿する加湿水にアノード側加湿手段の内部で表面活性剤を混合する、各工程を備え、
   前記表面活性剤は、ハイパーブランチポリマーを基にした表面活性剤である、方法。
8. 前記燃料電池スタック内の触媒層にルテニウムを添加する工程を更に備える、請求項７に記載の方法。

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