JP5063350B2 - オフセットを有するバイポーラプレート - Google Patents

Description

本発明は一般にＰＥＭ燃料電池に関し、より詳細には水の管理を強化するための千鳥形フィーチャを組み込んだＰＥＭ燃料電池のためのバイポーラプレートに関する。

燃料電池は、カソード、アノード、およびカソードとアノードの間にはさまれた、陽子のみを通過させる電解質という３つのコンポーネントを備えている。電極の各々は、通常、触媒によって一方の面にコーティングされている。動作中、アノード上の触媒によって水素が電子と陽子に分離される。電子は、電流としてアノードから電気負荷（たとえば駆動電動機）を介してカソードへ分配され、一方、陽子は、アノードから電解質を介してカソードへ移動する。カソード上の触媒によって、電気負荷（たとえば駆動電動機）から戻った電子および空気中の酸素と陽子が結合し、水が形成される。より大量の電気（つまり電圧）を生成するために、個々の燃料電池をまとめて直列に積み重ねることができる。

重合体電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池の場合、重合体電極膜は、カソードとアノードの間の電解質として作用している。燃料電池適用例に現在使用されている重合体電極膜には、陽子の伝導性を促進するための特定のレベルの湿度が必要である。したがって、燃料電池を適切に機能させ（つまり最適に機能させ）、かつ、燃料電池の耐久性を強化する（つまり寿命を長くする）ためには、湿度−水管理によって膜内の湿度を適切なレベルに維持することが望ましい。

電極に供給される水素ガスおよび酸素ガスの漏れを防止し、かつ、ガスの混合を防止するために、電極の周囲にガス封止材およびガスケットが配置されており、それらの間に重合体電解質膜がはさまれている。ガス封止材およびガスケットは、電極および重合体電解質膜と共に１つの部品にアセンブルされており、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を形成している。ＭＥＡの外側には、ＭＥＡを機械的に固着し、かつ、隣接するＭＥＡを直列に電気接続するための導電性セパレータプレートが配置されている。ＭＥＡと接触して配置されているセパレータプレートの一部は、電極表面に水素または酸素燃料ガスを供給し、かつ、生成された水を除去するためのガス通路を備えている。

車両用燃料電池における液体水の存在は、通常、燃料電池が動作している間に、電気化学反応の副産物としてかなりの量の水が生成されることによるものである。また、温度、相対湿度、動作条件および停止条件の急激な変化によって、燃料電池膜が水で飽和することもある。膜の過剰な水化作用は、出水および膜の過剰な膨張の原因になり、また、燃料電池スタックの両端間に差圧勾配が形成される原因になることがある。

電池の性能は、液体水の形成、あるいはイオン交換膜の脱水によって影響される。水の管理および反応物質の分配は、燃料電池の性能および耐久性に対して大きな影響力を有している。水の管理不足に起因する質量の輸送損失に伴う電池の劣化は、車両適用例および他の適用例にとって、依然として重要な関心事である。また、液体水への長期間にわたる膜の露出は、材料が不可逆的に劣化する原因になることがある。圧力降下（たとえば膜の両端間のガス流速および／または圧力降下）、温度勾配および向流操作などの水管理戦略が実施され、とりわけ高電流密度で質量輸送がある程度改善されることが分かっている。しかしながら、燃料電池スタックの最適性能および耐久性のためには、良好な水管理が依然として必要である。

本発明の一実施形態によれば、燃料電池のためのバイポーラプレートが提供される。バイポーラプレートは、プレート上に複数の通路を備えており、通路の端部は千鳥形になっている。

本発明の他の実施形態によれば、燃料電池のためのバイポーラプレートが提供される。バイポーラプレートは、プレート上に複数のトンネルを備えており、トンネルの端部は千鳥形になっている。

本発明のさらに他の実施形態によれば、燃料電池のためのバイポーラプレートが提供される。バイポーラプレートは、アノードプレートを備えている。バイポーラプレートは、さらに、カソードプレートを備えている。アノードプレートおよびカソードプレートのうちの一方の一部は、それぞれカソードプレートおよびアノードプレートのうちのもう一方の一部の上に張り出している。

本発明の一態様によれば、燃料電池のためのバイポーラプレートを備えた燃料電池が提供される。バイポーラプレートは、前記プレートの表面に形成された少なくとも２つの通路を備えており、前記通路は末端部分を備えており、前記末端部分は、互いに対して千鳥形になっている。

本発明の他の態様によれば、（１）燃料電池のためのバイポーラプレートであって、前記バイポーラプレートが、前記プレートの表面に形成された少なくとも２つの通路を備え、前記通路が末端部分を備え、前記通路の前記末端部分が互いに対して千鳥形であるバイポーラプレートと、（２）前記プレートの前記表面に形成された少なくとも２つのトンネルであって、前記トンネルが末端部分を備え、前記トンネルの前記末端部分が互いに対して千鳥形であるトンネルとを備えた燃料電池が提供される。

本発明のさらに他の態様によれば、（１）燃料電池のためのバイポーラプレートであって、前記バイポーラプレートが、前記プレートの表面に形成された少なくとも２つの通路を備え、前記通路が末端部分を備え、前記通路の前記末端部分が互いに対して千鳥形であるバイポーラプレートと、（２）前記プレートの前記表面に形成された少なくとも２つのトンネルであって、前記トンネルが末端部分を備え、前記トンネルの前記末端部分が互いに対して千鳥形であるトンネルと、（３）アノード部分と、（４）カソード部分とを備え、前記アノード部分または前記カソード部分のいずれか一方の一部が、前記アノード部分または前記カソード部分のいずれか一方の他の部分の上に張り出している燃料電池が提供される。

本発明の他の適用可能分野については、以下に示す詳細な説明から明らかになるであろう。以下の詳細な説明および特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示したものであるが、本発明の例示を意図したものにすぎず、本発明の範囲を制限することを意図したものではないことを理解されたい。

本発明は、以下の詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されよう。

好ましい実施形態についての以下の説明は、単なる例示的なものにすぎず、本発明、本発明の適用例または用途を何ら制限するものではない。
図１を参照すると、非多孔性導電性バイポーラセパレータプレート８によって互いに分離された一対の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）４、６を有する部分ＰＥＭ燃料電池スタックが略図で示されている。ＭＥＡ４、６およびセパレータプレート８は、クランピングプレート１０、１２とモノポーラセパレータプレート１４、１６の間にまとめて積み重ねられている。クランピングプレート１０、１２は、それには限定されないが金属、たとえばそれには限定されないがステンレス鋼などの任意の数の材料からなっていてもよい。セパレータプレート８、１４、１６には、それぞれ、プレートの面に形成された、ＭＥＡ４、６の反応面に燃料ガスおよび酸化剤ガス（すなわちＨ_２およびＯ_２）を分配するための複数の通路を有する流れ場１８、２０、２２、２４が含まれている。非導電性ガスケットまたはシール２６、２８、３０、３２は、燃料電池スタックのプレート８、１４、１６を密閉し、かつ、電気的に絶縁している。一次電流コレクタ３４、３６、３８、４０は、ＭＥＡ４、６の反応面を押し付けている多孔性ガス透過性導電シートから形成されている。また、一次電流コレクタ３４、３６、３８、４０は、ＭＥＡ４、６の、とりわけ流れ場における流動通路全体にわたってＭＥＡがサポートされなくなる位置に機械的なサポートを提供している。適切な一次電流コレクタは、電極から電流を導き、燃料ガスおよび酸化剤ガスを通過させ、かつ、液体水および水蒸気を移動させる、炭素／黒鉛の紙／布、微細メッシュ貴金属スクリーン、連続気泡貴金属発泡体などを備えている。

セパレータプレート１４、１６は、それぞれ一次電流コレクタ３４、４０を押し付けており、一方、セパレータプレート８は、ＭＥＡ４のアノード面の一次電流コレクタ３６およびＭＥＡ６のカソード面の一次電流コレクタ３８を押し付けている。酸素は、適切な供給鉛管類４２を介して貯蔵タンク４６から燃料電池スタックのカソード側へ供給され、一方、水素は、適切な供給鉛管類４４を介して貯蔵タンク４８から燃料電池のアノード側へ供給される。Ｏ_２タンク４６を除去して周囲から空気をカソード側へ供給することも可能であり、また、Ｈ_２タンク４８を除去して、液体またはガス状の炭化水素（たとえばメタノール、天然ガスまたはガソリン）から触媒によって水素を生成するリフォーミングシステムから水素をアノードへ供給することも可能である。また、ＭＥＡ４、６のＨ_２側およびＯ_２／空気側の両方のための排気鉛管類（図示せず）が提供されており、アノード流れ場からＨ_２減損アノードガスが除去され、また、カソード流れ場からＯ_２減損カソードガスが除去される（また、両方の流れからＨ_２Ｏ副産物が除去される）。必要に応じて、プレート８、１４、１６を介して液体冷媒を循環させるための追加鉛管類５０、５２、５４が提供される。

燃料電池スタックのカソード側では、燃料電池によって触媒層中に水が生成されることは良く知られている。この水は、電極から除去しなければならない。通常、水は、エレメントすなわちバイポーラプレート８の多くの通路を介して電極から除去される。通常、空気が通路を通過し、通路から水が押し出される。生じる可能性のある問題は、水によって通路内にスラグが生成され、空気が電極に到達することができなくなることである。この問題が生じると、水スラグの近傍の触媒層が機能しなくなる。水スラグが形成されると、スラグの近傍の触媒層の効力が失われる。この状態は、しばしば燃料電池の出水と呼ばれている。この出水によって電圧が降下し、スタック内に低電圧セルが生成されることになる。

（燃料）電池のアノード側にも同様の現象が生じる。（燃料）電池のアノード側では、水素がエレメントすなわちバイポーラプレート８の通路を介して水を押し出すことができる。

一度電圧降下が生じると、その電圧降下は連続的に悪化することがしばしばである。プレート８内の複数の通路のうちの１つが詰まると、同じスタック内のそのセルまたは他のセルの他の通路を通過する酸素または水素の流量が増加する。最終的には燃料電池が水で飽和し、場合によっては出水することになる。スタックは電気的に直列であるため、最終的には燃料電池スタック全体が水で溢れ、最終的には燃料電池が損傷することになる。したがって、燃料電池の効率を高くするだけの十分なレベルまで燃料電池の水管理が改善されることが望ましい。

この問題を解決するための試行の１つは、通路を介して水を移動させるために、一方の側ではガス、空気の速度を速くし、あるいはもう一方の側では水素の速度を速くすることである。しかしながら、これは、通路から水を除去するには有効な方法ではない（システムのレベルでは）。以下でより詳細に説明するように、バイポーラプレートを通って移動する水の毛管メニスカスを大きくし、バイポーラプレートからの水を押し付けるために必要な毛管圧を小さくするためには、通路およびトンネル端部にオフセットフィーチャを組み込み、かつ、カソードの一部をアノードに対してオフセットさせる、つまりカソードの一部をアノードの上に張り出させることが望ましい。本明細書に使用されているように、「メニスカス」という用語は、水ビーズのリーディング表面のスパンまたは面積を意味している。

図２は、一括して６０で示すバイポーラプレートの平面図である。図３は、図２のセクション３の拡大図である。バイポーラプレート６０は、図３に最も良好に示すように、その表面に、隣接するライズ６６の間に画定された少なくとも２つおよび／または複数の通路６２を備えている。ガス供給開口６４は、通路６２の端部の近傍に提供されている。ガス供給開口６４は、スタックのヘッダー体積を備えている。

図３に最も良好に示すように、通路６２の端部は千鳥形になっている。つまり通路６２の端部はオフセットされている。これは、ライズ６６ａを隣接する隣のライズ６６ｂよりガス供給開口６４に比較的近い位置まで展開させることによって達成される。隣接する隣のライズ６６ｃは、再びガス供給開口６４に近い位置まで展開している。このパターンを繰り返すことにより、通路６２の端部を千鳥形にすることができる。通路の端部を千鳥形にすることにより、流動通路６２から除去される水滴またはスラグに対するより大きい毛管メニスカスが生成される。図３の６８は、大きくなった毛管メニスカスを略図で示したものである。図３の６９は、通路メニスカスを略図で示したものである。

通路出口の毛管半径を大きくすることにより、通路６２の出口を介してメニスカスを押し付けるために必要なガスの合成力すなわち圧力が小さくなる。これにより、通路の出口に対する水のピンニングポイント効果の抑制が促進される。

ライズ６６の長さは同じ長さであることが好ましい。ライズ６６の長さを等しくすることによって同じ長さの通路６２が生成され、等しい通路間圧力降下の維持が促進される。通路の各々は、その長さが同じであるため、通路の入口端（図示せず）も、上で説明した出口端と同様、同じく千鳥形である。しかしながら、通路の入口端が千鳥形ではない本発明を実践することも可能であることを理解されたい。また、ライズ６６の長さは同じ長さであることが好ましいが、交番するライズ６６の長さを隣接する隣のライズの長さより長くし、通路の出口を千鳥形にすることも可能であることは理解されよう。

図４は、一括して７０で示すバイポーラプレートの断面図を示したものである。このバイポーラプレートは、カソード７２およびアノード７４を備えている。ライズ６６は、カソード７２とアノード７４の間に配置されている。図に示すように、通路６２の端部は、上で説明したように千鳥形である。少なくとも２つおよび／または複数の流れ場開口７６が、通路６２の端部に隣接して配置されている。これらの流れ場開口７６は、通過する液体が図４および６に示すように上向きにのみ流れることができるように配置されている。流体は、アノード７４を通り越して下向きに通過することはできない。しかしながら、流体の方向を反転させることができること、つまり、流体は、通路６２／ライズ６６に隣接する領域から流れ場開口７６へガス供給開口６４まで流れることができ、あるいはガス供給開口６４から流れ場開口７６へ通路６２／ライズ６６まで流れることができることを理解されたい。流れの方向がいずれの方向であっても、アノード７４は、その方向に応じて流れを導く。

カソード７２には、図には示されていないが、ガスケットを受け取るための溝７８が含まれている。同様に、アノード７４には、図には示されていないが、ガスケットを受け取るための溝８０が含まれている。溝７８、８０に配置されたこれらのガスケットは、それぞれ、カソードとアノードの間、および隣接する隣の燃料電池エレメント間にシールを提供している。

図４に示すように、ガス供給開口６４は、流れ場開口７６から間隔をあけている。流体連絡は、流れ場開口７６とガス供給開口６４の間で維持されている。このような流体連絡を維持するために、少なくとも２つおよび／または複数のライズ８６が、カソード７２とアノード７４の間に配置されている。少なくとも２つおよび／または複数のトンネル８８が、隣接するライズ８６の間に配置されている。トンネル８８の端部は、上で説明した通路６２の端部をオフセットさせ、あるいは千鳥形にする方法と同じ方法でオフセットさせ、あるいは千鳥形にすることができる。トンネル８８の端部をこのように千鳥形にすることにより、トンネルから除去される水滴またはスラグに対するより大きい毛管メニスカスが生成される。より大きい毛管メニスカスが生成されるため、この場合も、トンネルの出口を介してメニスカスを押し付けるために必要な流体の合成力すなわち圧力を小さくすることができ、したがってトンネルの出口における水のピンニングポイント効果が抑制される。

図４に示すように、トンネル８８の入口端および出口端はいずれも千鳥形であることが好ましいが、場合によってはトンネルの入口を一様にし、出口を千鳥形に維持することが好ましい場合が存在することを理解されたい。これにより、さらに、通路間の圧力降下が同じ圧力降下に維持される。これは、同じ長さのライズ８６を使用し、かつ、上で示した方法でそれらをオフセットさせることによって達成される。しかしながら、ライズ８６の長さを異なる長さにすることも可能であることは理解されよう。

図５は、一部を破断して示すバイポーラプレート７０の平面図である。図６は、図５の線６−６に沿って取った断面図である。図５および６には、本発明の他の特徴が示されている。カソード７２とアノード７４の間の界面はオフセットされている。図に示すように、カソード７２の縁９０は、ガス供給開口６４に隣接しているアノード７４の縁９２からオフセットしている。つまり、カソード７２の縁９０は、アノード７４の縁９２の上に張り出している。図５および６の参照記号Ｏは、このオフセットを示したものである。

出口縁９０、９２をオフセットさせることにより、同じく縁と縁の間のより長い距離を生成することができ、延いては水滴またはスラグがセルの主要領域からスタックのヘッダー体積へ移動する際のより長いメニスカス距離を許容する張出しが生成される。図６の９４は、小滴メニスカスを比喩的に示したものである。これにより、メニスカスをスタックのヘッダー体積へ押し込むために必要な圧力の大きさを小さくすることができる。

また、ガス、蒸気および／または液体の流れは、凹んだ縁９２から張り出した縁９０に向かって導かれることが好ましい。これにより、水滴に対するせん断縁が効果的に生成される。

図５および６に示すように、カソード７２の縁９０は、アノード７４の縁９２の上に張り出している。逆方向にオフセットさせることも可能であることは理解されよう。つまり、アノード７４の縁９２をカソード７２の縁９０の上に張り出させることができる。また、いずれの場合においても流れの方向を逆にすることも可能であることを理解されたい。

以上、千鳥形フィーチャまたはオフセットフィーチャについて、それぞれ通路６２の端部、トンネル８８の端部、カソード７２およびアノード７４の縁９０、９２に関連して説明した。このフィーチャは、ピンニングポイントが生じる可能性のあるすべての部分に実施することができることは理解されよう。

以上、様々な特定の実施形態の形で本発明を開示し、かつ、説明したが、これらの好ましい実施形態は、特許請求の範囲に示されている本発明を制限するものではない。

本発明の一般的な教示によるＰＥＭ燃料スタックを示す略分解図である。 本発明の一般的な教示によるバイポーラプレートを示す部分破断平面図である。 本発明の一般的な教示による、図２のセクション３の拡大図である。 本発明の一般的な教示によるバイポーラプレートを示す部分破断断面図である。 本発明の一般的な教示によるバイポーラプレートを示す部分破断平面図である。 本発明の一般的な教示による、図５の線６−６に沿って取った断面図である。

Claims (3)

1. 燃料電池のためのバイポーラプレートを備えた燃料電池であって、前記バイポーラプレートが、前記プレートの表面に形成された複数の第１のライズ、及び隣接する第１のライズの間に画定された複数の通路を備え、
   前記第１のライズがそれぞれ末端部分を備え、
   隣接する前記第１のライズの前記末端部分が互いに対して千鳥形であり、
   前記プレートの前記表面に形成された複数の第２のライズ、及び隣接する第２のライズの間に画定された複数のトンネルをさらに備え、
   前記第２のライズがそれぞれ末端部分を備え、
   隣接する前記第２のライズの前記末端部分が互いに対して千鳥形であり、
   ガス流路が、前記バイポーラプレート上に形成されたガス供給開口から前記通路へと、前記トンネルを経由して形成される、燃料電池。
2. 前記プレートが、
   アノード部分と、
   カソード部分とをさらに備え、
   前記アノード部分または前記カソード部分のうちのいずれか一方の一部が、前記アノード部分または前記カソード部分のうちのいずれか一方の他の部分の上に張り出している、請求項１に記載の発明。
3. 燃料電池のためのバイポーラプレートを備えた燃料電池であって、前記バイポーラプレートが、前記バイポーラプレートの表面に形成された複数の第１のライズ、及び隣接する第１のライズの間に画定された複数の通路を備え、
   前記第１のライズがそれぞれ末端部分を備え、
   隣接する前記第１のライズの前記末端部分が互いに対して千鳥形であり、
   前記プレートの前記表面に形成された複数の第２のライズ、及び隣接する第２のライズの間に画定された複数のトンネルをさらに備え、
   前記第２のライズがそれぞれ末端部分を備え、
   隣接する前記第２のライズの前記末端部分が互いに対して千鳥形であり、
   アノード部分とカソード部分とをさらに備え、
   前記アノード部分または前記カソード部分のいずれか一方の一部が、前記アノード部分または前記カソード部分のいずれか一方の他の部分の上に張り出しており、
   ガス流路が、前記バイポーラプレート上に形成されたガス供給開口から前記通路へと、前記トンネルを経由して形成されている燃料電池。

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