JP5781168B2 - 蒸発冷却される燃料電池用のハイブリッドバイポーラプレート - Google Patents

Description

互いに接合された、中実の水平方向の燃料流れ場と、多孔質の垂直方向の酸化剤流れ場と、を含んだハイブリッドバイポーラプレートが、その中実の燃料流れ場部分の上縁のみに冷却水流路を含み、多孔質の酸化剤流れ場板を通して冷却水を供給して、酸化剤流路に浸透させ、それにより、燃料流れ場板部分の流路に供給された水を用いて燃料電池を蒸発冷却する。

燃料電池を通流する循環水や、冷却液プレートを通流する冷却液に顕熱を伝達するのとは対照的に、燃料電池を蒸発冷却し、それにより蒸発熱の利点を得ることが燃料電池分野において知られている。

図１を参照すると、特許文献１の蒸発冷却式の燃料電池発電装置３６が、垂直に配置された複数の燃料セル３８のスタック３７を含む。

供給源４１からの燃料が燃料入口４２に供給され、太い矢印４３で示されるように、燃料が第１の燃料通路内を右側へと流れて、燃料ターンマニホルド４４へと流れる。次いで燃料ガスが下方へと流れて、燃料流れ場の第２の燃料通路へと流入し、そこで太い矢印４５で示されるように燃料ガスが左側へと流れる。燃料出口４７から、燃料が、リサイクルポンプ４８（おそらく図示されていないバルブを有する）を通して燃料入口４２へと戻され、当技術分野で周知のように、バルブ４９を通して周囲に定期的にパージされてもよい。単一の通路、３重の通路、またはその他の燃料流れ構成を用いてもよい。

図１では、プロセス空気がポンプ５２により空気入口５３へと供給され、中空の矢印５４で示されるように、その空気が燃料電池３８の酸化剤反応ガス流路を通して上へと流れる。プロセス空気出口５７から、空気が導管５８を流れてコンデンサ５９へと流れ、このコンデンサは乗物では従来のラジエータでもよい。ドライヤ出口空気が排出口６２を通流する。コンデンサ５９からの凝縮液は、水戻し導管６５により水入口６６に連結された貯水槽６４に蓄積されるように導かれてもよい。その水は次いで流体管、一般に微細な通路６７を通流して、燃料セル３８の各々へと流入する。通路６７はベントマニホルド６８で終端し、そこから多孔質の疎水性プラグベント６９などの通気口を通して通路からのガス除去が行われる。あるいは、所定の条件において適切な場合、その通路が行き止まりであってもよく、あるいは周知のようにベント６９でマイクロポンプに連結されてもよい。

水入口６６があるにもかかわらず、基本的に水出口はなく、図２を参照しながら詳述するように、水は単に各燃料セル内に存在している。図２では、燃料セル３８が、それぞれ、公知の膜電極アセンブリ７２を備え、この膜電極アセンブリは、両側にアノード触媒およびカソード触媒を有する電解質を含み、電極の一方または両方にガス拡散層を含んでも含まなくてもよい。

図２では、燃料反応ガスが燃料反応ガス流れ場板７５内の流路７４を通流しており、その流れ場板は溝７６を含み、隣接する燃料セルの溝７７とともに、微細な水流路７８を形成する。カソード側では、酸化剤反応ガス流れ場板８１がプロセス空気流路８２と、溝８３と、を備え、その溝８３は、隣接する燃料セルの溝８４とともに、微細な水流路８５を形成する。

フラッディングを防止するように、反応ガスは通常、流路内の水の圧力よりも数キロパスカル（約１／２ｐｓｉ）高い。これは概ね空気を大気圧よりもそれだけ高く圧力上昇させる空気ポンプ５２の結果として必然的に生じ、燃料の圧力は周知のように簡単に調節される。図１では、導管６５内の水は大気圧であってもよいが、反応ガスのほうが僅かに高い圧力を有するという条件で、大気圧以外の圧力でもよい。

水流路は、図示のように溝を組み合わせる以外の方法で形成されてもよい。水流路６７は、反応ガス流れ場板７５，８１の片方のみに設けられてもよい。

反応ガス流れ場板７５，８１は、一見、特許文献２に記載のように、外部の水処理により水輸送板を通る相当量の水流を利用する燃料電池発電装置内の、時として細孔板と呼ばれる水輸送板と同様に見える。しかしながら、特許文献２の顕熱水流冷却と比較して、蒸発冷却を用いる場合、水の体積当たりの冷却効果の向上がほとんどないため、従来技術の水流路は図１の水流路７８，８５の数十倍大きい断面を有する。さらに、（図２の燃料セルの各接合部分に示される）水流路７８，８５の水平部分の間隔は、特許文献２の顕熱水流冷却装置における水流路の水平部分の間の間隔よりも数倍大きい間隔で離間される。水流路７８，８５の小さい断面積と、連続するそれらの水平部分の間の大きい距離と、により、反応ガス流れ場板７５，８１の厚さが約１／３縮小される。

米国特許第７５７９０９８号明細書 米国特許第５７００５９５号明細書

図１，２に関して記載した当該技術の蒸発冷却式の燃料電池は、以来、更なる改良や変更を受けている。こうした燃料電池の組合せは上述のように非常に有利である。しかしながら、それらのプレートの製造、特に両側に溝を有するプレートの製造は、使用される材料や、許容誤差内の適切なプレートを得るために必要な機械加工の両方の点で、高価となる。燃料セルが互いに離間され、それにより燃料の、酸化剤プレートへのクロスオーバおよび／または酸化剤の、燃料プレートへのクロスオーバが防止されるため、水はプレートを通流するがガスはプレートを通流しないように、燃料および酸化剤プレート８１，７５内の気泡圧力を慎重に調節しなければならない。したがって、孔隙率、孔径、および孔隙の体積もまた重要である。反応ガスへの水の流れが防止されるのを保障するように、冷却水は通常、反応ガス圧力よりも１ｐｓｉまたは数ｐｓｉ（０．７または１．５ｋＰａ）低い。

製造工程を緩和し、無駄な材料のコストを軽減し、燃料セルの適切な分離と、アノード側およびプロトン交換膜の加湿と、を実現するように、エンドミル削りの使用が一般的である。

より簡単に製造でき、気泡圧力耐性を必要としない流れ場板または分離板が有利である。

本発明のハイブリッド分離板が、中実の燃料流れ場板を備え、その上部裏面に形成された複数の水平方向の水流路を有しており、裏側に流路が設けられていない多孔質、親水性の垂直方向流れの酸化剤流れ場板に接合される。燃料流れ場部分の上縁の複数の冷却水流路内の水が、多孔質、親水性の酸化剤流れ場部分に浸透し、冷却水が垂直方向の酸化剤流路へと浸透して、その流路内を流れ落ち、そこで冷却水が蒸発して燃料セルスタックを冷却する。

ハイブリッド分離板は、その分離板の各部分の主に片側のみに形成される流路を必要とし、ごく少数の水流路が燃料流れ場部分の上縁の裏側に形成される。エンドミル削りを要する代わりに、ガングミリング（ｇａｎｇ ｍｉｌｌｉｎｇ）が利用され、一つの燃料セルの燃料をその隣接する燃料セルの酸化剤から分離するための手段としての気泡圧力を調節する必要がないため、許容誤差が緩和される。

ハイブリッド流れ場板は、蒸発冷却型の燃料セルに従来使用されていた流れ場板に比べて、著しく安価であり、反応ガスのクロスオーバを回避する確実な手段である。

添付図面に示した例示的な実施形態についての以下の詳細な説明から、本発明のその他の変形例がさらに明らかになるであろう。

従来技術の蒸発冷却を有する水輸送板を使用する燃料電池発電装置の概略斜視図。 明確にするために切断線を省略した従来技術の一対の燃料セルの部分的な側断面図。 ハイブリッド分離板を使用する一対の燃料セルの部分的な側断面図。 図３の燃料セルバイポーラプレートの部分的な概略斜視図。 ハイブリッド分離板を使用する燃料電池発電装置の概略斜視図。

図３，４を参照すると、ハイブリッド分離板１００が、燃料セル１０２を形成するように膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０１の両面に配置されている。ＭＥＡ１０１は、カソードおよびアノード触媒層支持体に加えてガス拡散層を有しても有していなくてもよい。各分離板１００は、ＭＥＡ１０１のアノード側に中実の燃料流れ場板１０５を含み、その表面上に、ＭＥＡ１０１に隣接かつ接触する燃料流路１０６を有する。燃料流路１０６の反対側の面の（地軸における）上端に複数の冷却水流路１０８が形成される。水流路１０８は、ＭＥＡ１０１の上部１１１における非活性な部分と同一の範囲のみに亘って、燃料流れ場流路１０６のプラットフォームへと下方に延在しており、非活性な部分とは、すなわち、活性部分であるプラットフォーム１１２の実体部分とは対照的に、プロトン交換膜のいずれの側においてもカソードおよびアノード触媒層を有していない部分である。冷却水流路１０８の範囲は、例えば流れ場板１０５の垂直長さの１５％未満、好ましくは１０％未満のオーダーの、燃料流れ場板１０５のプラットフォームの相対的に小さい部分となる。

燃料流れ場板１０５の背面は、それぞれ、多孔質、親水性の酸化剤流れ場板１１５の平坦な背面に接合部１１４で接合される。酸化剤流れ場板１１５は、接合部１１４において接合される表面とは反対側の表面から内側に延在する垂直方向の酸化剤反応ガス流路を有する。

プレートの接合は、有利なスタック電圧を維持するように、好ましくは最小限の電気抵抗で実現される。２つのプレートを接合する一つの方法は、（図面のフレームのような）燃料流れ場板の背面の周縁部分に低密度ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂の非常に薄いコートを設け、次いで、多孔質、親水性の酸化剤流れ場板１１５の形成に利用される熱可塑性樹脂が燃料流れ場板１０５に設けられた薄い層と融合するように、例えば、約４０ｐｓｉ（２７６ｋＰａ）〜約１００ｐｓｉ（６９０ｋＰａ）の圧力で、約２４５°Ｆ（１１８°Ｃ）〜約２８０°Ｆ（１３８°Ｃ）といった適切な温度に加熱することである。

冷却水流路１０８は、燃料流れ場板１０５の、燃料流れ場流路１０６とは異なる部位にあるため、これまで可能であった燃料流れ場板よりも薄くすることができ、それにより燃料セルスタックの出力密度をより大きく向上させる。燃料流れ場板１０５の右上面の切欠きは従来の界面シールを収容するためのものである。

冷却水流路１０８は、本発明のハイブリッド流れ場板の所定の実装では、好ましくは燃料流れ場板１０５の裏側に設けられるが、必要もしくは望ましいと認められる場合には、代わりに冷却水流路１０８を酸化剤流れ場板１１５に、または両方の流れ場板に設けてもよい。一方、最も単純かつ安価な製造は、冷却水流路１０８を中実の燃料流れ場板１０５に設けることであろう。

図５に示すように、燃料セル自体は燃料セルスタック３７内に垂直に取付けられる。ハイブリッド分離板１００は、酸化剤流れ場流路１１８が点線／破線の矢印６７で示すように垂直となるのに対し、燃料流路１０６が矢印４３，４５で示すように水平となるように、スタック内に取付けられる。

燃料電池発電装置３６では、燃料セルの各々が、一つのハイブリッド分離板１００を隣接する燃料セルと共有する（勿論、スタックの両端部の収容部を除く）。垂直方向の酸化剤流路１１８と、水平方向の冷却水流路１０８と、を有する垂直に指向された燃料セルでは、冷却水流路１０８内の水がハイブリッドプレートの多孔質、親水性の酸化剤流れ場部分１１５に浸透して、酸化剤流路１１８内部に流入し、その内部を流れ落ちて、下方へ流れる空気中に蒸発する。反応熱は多量の水を蒸発させ、それにより燃料電池を約１７６°Ｆ（８０°Ｃ）〜約１８０°Ｆ（８５°Ｃ）の所望の温度範囲に維持する。

図５を参照すると、本発明のハイブリッド分離板を利用する燃料電池発電装置が、図３，４に関して上述したタイプの燃料セル１０２のスタック３７を含む。ポンプ５２からの空気が空気入口５３を通して下へと流れ、中空の矢印５４で示すように燃料セルを通流する。空気出口５７が導管５８によりコンデンサ５９に連結され、そのコンデンサは、実質的に乾燥空気用の出口６２と、貯水槽６４と、を有する。燃料セル１０２を通して下方へと流れる空気中の水は燃料セルの熱によって蒸発して水蒸気を生じさせ、この水蒸気は、コンデンサ５９内で湿潤空気から凝縮されて、貯水槽に集められる。貯水槽は、図３，４に示す冷却水流路１０８に水を供給する水入口マニホルド１２５の入口６６に、導管６５によって連結される。

多孔質、親水性の酸化剤流れ場部分１１５を通る水の浸透を助け、容易に酸化剤流路１１８に到達することができるように、必要であれば、冷却水の圧力をポンプ１２１および弁体（図示せず）によって調節してもよい。その圧力は、例えば気圧よりも０．５ｐｓｉ（３．５ｋＰａ）高くてもよい。

燃料流れ場流路１０６は、約０．７ｍｍ〜約２．２ｍｍの幅であり、それらの間に約０．７ｍｍ〜約１．５ｍｍの溝間のリッジ部１０７を有しており、約０．６ｍｍ〜約１．０ｍｍの厚さの燃料流れ場板部分１０５に、どの場合においても、約０．２ｍｍ〜約１．０ｍｍの深さを有する。空気流れ場流路１１８は、約０．９ｍｍ〜約２．５ｍｍの幅であり、約０．７ｍｍ〜約１．５ｍｍの幅の溝間のリブ１１９を有しており、約０．６ｍｍ〜約１．０ｍｍの厚さの酸化剤流れ場板部分１１５に約０．３ｍｍ〜約０．６ｍｍの深さを有する。

本発明の要旨を逸脱しない範囲で開示の実施例の変更および変形を行うことができるため、本発明は付記の特許請求の範囲の要求以外の開示に限定することを意図するものではない。

Claims (9)

1. 垂直に配置された燃料セル（１０２）のスタック（３７）を備え、各燃料セルが、両側にカソード触媒とアノード触媒とが配置された電解質を有する膜電極アセンブリ（１０１）を含み、前記膜電極アセンブリの各々が、前記スタック内において隣り合う膜電極アセンブリと、ハイブリッド分離板（１００）を介して離間されており、
   前記ハイブリッド分離板（１００）の各々が、第１の表面から内部に延在する水平方向の燃料反応ガス流路（１０６）を有する中実の燃料流れ場板（１０５）と、第１の表面から内部に延在する垂直方向の酸化剤流路（１１８）を有する多孔質、親水性の酸化剤流れ場板（１１５）と、を備え、前記酸化剤流れ場板の前記第１の表面の反対側の第２の表面が、前記燃料流れ場板の前記第１の表面の反対側の第２の表面と接合されて、それらの２つの流れ場板の前記第２の表面に隣接した水平方向の水流路（１０８）が形成され、
   前記水流路（１０８）は、前記膜電極アセンブリにおける触媒を有していない不活性な部分と隣接する、前記燃料流れ場板（１０５）の限定的な上部に亘って配置されることを特徴とする、一体型の前記ハイブリッド分離板を形成する、燃料電池発電装置。
2. 前記水平方向の水流路（１０８）が、前記燃料流れ場板の前記第２の表面の上部において内側に延在することをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記水流路が、前記燃料流れ場板の垂直長さの１５％未満の上縁部に亘って延在することをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記水流路が、前記燃料流れ場板の垂直長さの１０％未満の上縁部に亘って延在することをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
5. 前記膜電極アセンブリの各々の垂直長さの１５％未満の上縁部が不活性となるように、前記触媒が、該膜電極アセンブリの各々の垂直長さの８５％を上回る下部に亘って配置され、
   前記燃料流れ場板の上部であって、その燃料流れ場板が隣接する前記膜電極アセンブリの前記不活性な部分と同一の広がりをもつとともに前記不活性な部分と互いに近接して並置された前記燃料流れ場板の上部のみに、前記水流路が配置されることをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
6. 前記膜電極アセンブリの前記不活性な部分が、前記膜電極アセンブリの各々の垂直長さの１０％未満の上縁部であることをさらに特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電装置。
7. 前記第２の表面が、熱可塑性樹脂の薄い周縁層により互いに接合されることをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
8. 前記燃料反応ガス流路は、前記燃料流れ場板の前記第２の表面における水流路を有していない部分に対応する、その反対側の前記第１の表面における対応部分のみに延在することをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
9. 前記燃料電池発電装置が、前記燃料セルの前記酸化剤流れ場の出口に接続されたコンデンサ（５９）をさらに備え、前記コンデンサの凝縮液が前記水流路と流体連通しており、それにより水が前記水流路から前記多孔質、親水性の酸化剤流れ場板を通して前記酸化剤流路へと浸透し、その水が蒸発して、前記燃料セルを冷却することをさらに特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。

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