JP5385371B2 - 燃料電池の分離プレート構成 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の分離プレート構成に関する。

１つの形式の燃料電池は、カソードとアノードとの間に配置された陽子交換膜（ＰＥＭ）を備えている。陽子交換膜燃料電池では、水素含有燃料および酸化剤が、周知のように、一般に、反応物用通路および／またはガス拡散層によって膜の両側に導入される。互いに隣接したセルのアノードとカソードの間に配置された分離プレートが、反応ガスの混合を阻止している。分離プレートは、一般に、アノード側部分およびカソード側部分から構成され、これらの部分は、個別なものとして、または組み合わせたものとして形成されるが、便宜的に、アノード側分離プレートおよびカソード側分離プレートの各々として個別に呼ばれることが多い。本明細書では、後者のものを用いている。生成水が、電気化学反応により燃料電池のカソード側に生成されるが、この生成水を、燃料電池のカソード側から排出する必要がある。さもないと、生成水が電気化学反応領域を塞ぐことになり、これはフラッディングとして知られている。

さらに、固体高分子電解質膜を有した通常の陽子交換膜燃料電池では、膜が、電気化学反応から生じた熱により乾燥し、これにより、電気抵抗が高くなり、性能が低下する。燃料電池の動作時の重要な課題は、膜の湿度を維持することである。一般に、ある量の補給水を燃料電池に供給し、陽子交換膜が乾燥しないようにする必要がある。補給水は、反応ガスの外部加湿や内部加湿によって供給され得る。

あるシステムは、互いに隣接したセルの間に配置された多孔質分離プレートを用いており、この多孔質分離プレートは、水輸送プレート（ＷＴＰ）として一般に知られている。１つの構成では、反応ガスは、各プレートの一方の側のチャネルを通して通流しており、冷媒水は、各プレートの他方の側のチャネルを通して通流している。細孔内の水の毛管圧力がウェットなシールを形成することにより、反応ガスがプレートを横切って冷媒流へと流入することはないが、液体が、差圧が生じているときにプレートを横切ることができるように、プレートの細孔の大きさが決定されている。上記の多孔質プレートは、泡圧力および水の透過性といった特性を有しており、これらの特性は、プレートを横切る水の流れを制御するように使用される。多孔質分離プレートを用いた従来技術の燃料電池は、アノードやカソードとの関連に関係なく、泡圧力および水透過性について同じ特性と、同じ孔の大きさと、を有したプレートを一般に用いている。泡圧力および水透過性は、互いが反比例の関係にあり、水輸送プレートの製造時に、これらの泡圧力および水透過性のバランスを取る必要がある。一般に、許容することができる上限まで、泡圧力および水透過性の双方を最大限に利用すると、製造が困難となり、コストが高くなる。これは、一般に、Ｇｏｒｍａｎが所有する米国特許第６，１９７，４４２号明細書において説明されている。

上述した分離プレートは、冷却のための完全水管理（ＴＷＭ）に依存した燃料電池システムにおいて一般に使用されており、この完全水管理においては、ポンプが冷媒を循環し、プレートの前後に差圧が生じる。他の形式の燃料電池では、プレートを横切る水の流れを阻止する非多孔質（本明細書では、「中実」と呼ばれている）分離プレートを用いることもできる。多孔質分離プレートと同様に、中実の分離プレートには、一方の側に反応物流れ場が設けられており、他方の側には冷媒流れ場が設けられている。

低コストで望ましい燃料電池性能を実現し提供するための特性を有した分離プレート、即ち水輸送プレートが、必要である。

燃料電池は、陽子交換膜（ＰＥＭ）つまり高分子電解質膜の両側にアノード触媒およびカソード触媒をそれぞれ備えてなる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を有している。アノード側構造体およびカソード側構造体が、互いに反対側に位置するように膜電極アッセンブリに隣接して配置されており、これにより、燃料電池の反応部分の大部分が、全体として形成される。アノード側構造体およびカソード側構造体は、アノード側分離プレートおよびカソード側分離プレートとしてより厳密にそれぞれ識別されており、該アノード側分離プレートおよびカソード側分離プレートは、それぞれ両側面を有し、該側面の一方は、膜電極アッセンブリと連通した燃料流れ場および酸化剤流れ場をそれぞれ有している。アノード側分離プレートおよびカソード側分離プレートの一方は、その両側面の間とその流れ場とを水が通過することができるように構成された水透過性構造体を備えている。アノード側分離プレートおよびカソード側分離プレートの他方は、もう一方よりも水透過性が比較的低い水透過性構造体を有しており、プレートの両側面の間における水の通過を、透過性が高い水透過性分離プレートよりも減少させるか、もしくは阻止するように構成されている。１つの例では、アノードは、多孔質分離プレートとして設けられており、カソードは、比較的多孔性が低い多孔質分離プレートとして設けられるか、もしくは非多孔質つまり「中実」の分離プレートとして設けられる。水透過性が異なる上記の分離プレートを使用することは、完全水管理システムと比べて、蒸発冷却を含む自然水管理に依存した燃料電池システムにおいて特に有利である。

本発明のこれらの特徴や他の特徴は、明細書および図面から最も理解することができる。

例示的な蒸発冷却式燃料電池システムの概略図である。 燃料電池セルスタック内の燃料電池セルの組立分解図である。

図１には、蒸発冷却式燃料電池システム１０が、概略的に示されている。水を循環させるためのポンプに依存して、分離プレートの前後の差圧、もしくは分離プレートの厚さを介した差圧を向上させる完全水管理（ＴＷＭ）冷却システムではなく、蒸発冷却式燃料電池システム１０は、除熱のための蒸発に依存するとともに、一般に圧力差が非常に小さい状態で動作する自然水管理（ＮＷＭ）システムと呼ばれている。これにより、完全水管理システムとは異なる泡圧力および水透過性を有し、アノードやカソードとの関連によって構成される分離プレートを使用することができる。

システム１０は、数個の燃料電池セル１１から構成された燃料電池セルスタック１２を備えている。燃料電池セル１１は、膜電極アッセンブリ６０を備えており、該膜電極アッセンブリ６０は、陽子交換膜（ＰＥＭ）１９の両面に、カソード１５つまりカソード触媒と、アノード１７つまりアノード触媒とを各々配置させて構成されている。また、（図１および図２に詳細には図示されていない）薄いガス拡散層（ＧＤＬ）が、一体化した電極アッセンブリ（ＵＥＡ）を形成するようにカソード１５およびアノード１７の各々に隣接して配置されている。本明細書でさらに説明されるように、膜電極アッセンブリ６０は、上記のガス拡散層を備えた一体化した電極アッセンブリと同等なものとみなされる。

カソード１５は、入口１４を通して、酸化剤、例えば、空気を受ける。この空気は、例えば、ブロワ１６を用いてカソード１５へ輸送される。アノード１７は、燃料入口１８から、燃料、例えば、水素を受ける。

燃料電池セル１１の各々は、冷媒水と、燃料電池内の電気化学反応の一部として生成された生成水と、を含む。水輸送プレート（ＷＴＰ）と呼ばれることもある分離プレート３８，４４が、燃料電池セル１１内に配置されている。カソード側分離プレート３８は、膜電極アッセンブリ６０のカソード１５の面に隣接して配置されており、アノード側分離プレート４４は、膜電極アッセンブリ６０のアノード１７の面に隣接して配置されている。微孔性シート２１が、燃料電池内の水からガスを集めて除去するように、分離プレート３８および分離プレート４４に隣接して配置されており、一般に、これらの分離プレート３８，４４の間に配置されている。

燃料電池システム１０は、燃料電池セルスタックの熱管理システムの一部として冷却ループ２３を利用している。電気化学反応の生成物として形成された水と、陽子によって引きずられて陽子交換膜１９を通過した水とが、カソード１５へ蒸発しカソード側分離プレート３８のカソード空気流へと流入し、該カソード側分離プレート３８において、湿った空気として、燃料電池セル１１およびスタック１２の空気出口２０から冷却ループ２３へと流入する。

空気出口２０の湿った空気は、ループ２３内を循環し熱交換器２２へと流入し、熱交換器２２において、この湿った空気は、本技術分野で周知のように、ファン２４を用いて凝縮される。冷媒水と空気とからなる二相混合物２６が、熱交換器２２を出て水用分離器／リザーバ２８へと循環し、該分離器／リザーバ２８において、冷媒水が集まる。蒸発冷却ループ２３によって吸い込まれたガスは、冷媒の入口圧力を制御するための背圧弁３０を通して排出される。冷媒水は、水用分離器／リザーバ２８から冷媒入口３２を通して燃料電池セルスタック１２へと通流する。

例示の蒸発冷却式燃料電池システム１０では、燃料電池セル１１は、冷媒水を循環させるためのポンプに依存する（「顕熱冷却」と呼ばれることもある）のではなく、除熱のための蒸発に依存している。蒸発冷却システムでは、ある燃料電池構成のように、冷媒へと向かう生成水用の通路を設ける必要がないので、燃料電池のカソード側は、カソード側分離プレート３８の水透過性に依存していない。一方、この形式の例示的な燃料電池のアノード分離プレートの前後で圧力差が大きくないので、燃料電池のアノード側は、アノード側分離プレート４４の泡圧力および水透過性に依存していない。

図２には、膜電極アッセンブリ６０の周囲に配置された分離プレート３８，４４および多孔質シート２１の組立分解図が示されている。カソード側分離プレート３８は、膜電極アッセンブリ６０のカソード面の側に空気流れ場４０を備えており、カソード側分離プレート３８の反対側に冷媒流れ場４２を備えている。多孔質シート２１は、冷媒中に閉じ込められた、もしくは一緒に運ばれた気泡を図１のベント部３６を介して除去することができるように、冷媒流れ場４２に隣接して配置されている。燃料電池セル１１は、カソード側分離プレート３８とアノード側分離プレート４４との間に多孔質シート２１を配置し、冷媒流れ場４２の冷媒がアノード側分離プレート４４にも接触するように構成されている。

アノード側分離プレート４４は、膜電極アッセンブリ６０のアノード面の側に燃料流れ場４６を備えている。上述したように、カソード側分離プレート３８とアノード側分離プレート４４には、特定の燃料電池設計のための要求を満足することのみが必要とされている。したがって、泡圧力および水透過性の一方の特性のみが他方の特性よりも重要である場合に、泡圧力および水透過性を最大限に利用するようにしないことによって、より効率的にかつ安価にカソード側分離プレート３８とアノード側分離プレート４４を形成することができる。このために、例示的な燃料電池セルスタック１２の燃料電池セル１１は、異なる特性をそれぞれ有したカソード側分離プレート３８とアノード側分離プレート４４を用いている。

一般的な例では、アノード側分離プレート４４は、非常に透過性に優れた微孔性シート２１および冷媒流れ場４２から水を吸収し、これにより、プレート内において、陽子交換膜１９の水の分配および水和が容易となる。任意選択的に、多孔質シート２１と、カソード側分離プレート３８の冷媒流れ場４２とからの水の一部が、分離プレート３８を通して移動し、空気流れ場４０へと蒸発し得る。この後、この水の一部は、空気出口２０を通して冷却ループ２３へと運ばれ、凝縮されてからスタックへと戻される。また、水の一部は、陽子交換膜１９を通して逆流し、これにより、アノード側も加湿される。

１つの例では、カソード側分離プレート３８は、アノード側分離プレート４４よりも多孔性が低い、即ち水透過性が低い。例えば、極端な例としては、カソード側分離プレート３８は、非多孔質であり、アノード側分離プレート４４は、多孔質である。ここで、上記「非多孔質」は、本明細書では、「中実」（プレートを横切る水を阻止する）と呼ばれている。他の例では、水がプレートの両側面の間を通過する際のカソード側分離プレート３８の水透過性は、アノード側分離プレートよりも低い。さらに、高い泡圧力および高い水透過性を必要としない多孔質プレートは、高価ではない。

一般に、分離プレート３８，４４は、少なくとも、グラファイト化した粉末およびポリマ基樹脂から形成されており、付加的に、必要な繊維および他の材料を含んでいてもよい。さらに、カソード側分離プレート３８およびアノード側分離プレート４４の種々のパラメータ、例えば、細孔の構造、抵抗性、粒子の大きさ、樹脂の含有量および降伏強さが、各プレートに望ましい泡圧力特性および水透過特性を有するように選択される。重要なことは、上記の泡圧力特性および水透過特性は、カソード側分離プレート３８とアノード側分離プレート４４とでは、異なってもよく、一般には異なることになる。ここで、特徴としては、カソード側分離プレート３８の水透過性は、アノード側分離プレート４４の水透過性よりも低い。これらの特性の値や該特性の相互間での相違は、燃料電池システムの特定の仕様および要求に応じてシステム毎に異なる。

本発明の好ましい実施例を説明してきたが、当業者であれば、特定の修正が本発明の範囲内であることが理解できるであろう。例えば、一般に、シート２１を配置しているが、全ての構成において必要なわけではない。このために、本発明の真の範囲および意義を画定するために付記の特許請求の範囲を検討すべきである。

Claims (7)

1. 膜電極アッセンブリと、
   互いに反対側に位置するように前記膜電極アッセンブリに隣接して配置されたアノード側分離プレートおよびカソード側分離プレートと、
   を備え、
   前記アノード側分離プレートおよび前記カソード側分離プレートは、それぞれ両側面を有し、前記各々の側面の一方は、前記膜電極アッセンブリと連通した燃料流れ場および酸化剤流れ場を有し、前記カソード側分離プレートは、他方の側面に冷媒流れ場を有し、多孔質シートが、前記冷媒流れ場に隣接して配置され、前記アノード側分離プレートは、前記燃料流れ場において第１の水の透過性を有し、水が前記アノード側分離プレートの両側面の間ならびに該アノード側分離プレートの流れ場を通過できるように構成され、前記カソード側分離プレートは、前記酸化剤流れ場において前記カソード側分離プレートの両側面の間に前記アノード側分離プレートの第１の水の透過性よりも低い第２の水の透過性を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記カソード側分離プレートは、水が該カソード側分離プレートの両側面の間を通過することを阻止する中実プレートであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記多孔質シートは、前記アノード側分離プレートと前記カソード側分離プレートとの間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。
4. 少なくとも前記アノード側分離プレートは、前記第１の水の透過性を少なくとも部分的にもたらすように多孔質とされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記アノード側分離プレートおよび前記カソード側分離プレートは、互いに異なる泡圧力を有するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記燃料電池は、蒸発冷却式であり、該燃料電池は、前記酸化剤流れ場を有した冷却ループをさらに備え、前記酸化剤流れ場は、該酸化剤流れ場と水用分離器との間に配置されたコンデンサと連通し、前記水用分離器は冷媒入口と連通し、該冷媒入口は、前記アノード側分離プレートおよび前記カソード側分離プレートの少なくとも一方の冷媒流れ場と連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記アノード側分離プレートは、多孔質分離プレートからなり、前記カソード側分離プレートは、中実分離プレートからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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