JP5828016B2 - 燃料電池の水和 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、燃料電池に関し、特に、燃料電池を水和することに関する。

燃料電池アッセンブリおよび発電装置は周知である。１つの例示的な燃料電池アッセンブリは、スタック内に配置された複数の個別の燃料電池を備えている。各個別の燃料電池は、高分子電解質膜の両側に位置決めされたアノードおよびカソードを備えている。燃料、例えば、水素が、高分子電解質膜のアノード側に供給される。酸化剤、例えば、空気が、高分子電解質膜のカソード側に供給される。燃料および酸化剤が、最初に、プレート内に画定されたチャネルを通して移動する。ガス拡散層が、チャネルから燃料電池の他の部分へといくらかの水素および空気を供給する。水素分子が、高分子電解質膜のアノード側に配置された触媒層において酸化される。酸化により生じた水素陽子が、高分子電解質膜を通してカソード側へと移動する。酸化により生じた電子が、電流を提供する外部回路を通してカソード側へと移動する。

燃料電池に流入するガスの湿度を増加させることにより、高分子電解質膜の伝導性が望ましく増加する。加湿器が、燃料電池に流入する空気を加湿するために用いられることが多い。ある動作環境、例えば、自動車の用途では、外部加湿器を無くして複雑性および重量を削減することが望ましい。理解できるように、加湿器を無くすことにより、燃料電池に流入する湿った空気がより少なくなる。高分子電解質の伝導性は、燃料電池に流入する空気の湿度が減少するにつれて低下し、これは、燃料電池の性能および耐久性に影響を及ぼし得る。

燃料電池内の流体の供給を制御する例示的な方法が、燃料電池の一部内の水の量を増加させるように燃料電池内を移動する反応物の体積流れを調節することを含む。

燃料電池内の流体の供給を制御する他の例示的な方法が、燃料流において燃料電池から流出する第１の水の量が、空気流において燃料電池から流出する第２の水の量と概ね等しくなるように、燃料電池に流入する燃料の体積流れ、燃料電池に流入する空気の体積流れ、またはこれらの流れの双方を調節することを含む。

例示的な燃料電池装置が、電極アッセンブリと、該電極アッセンブリに隣接し、燃料入口から燃料出口へと燃料を通流させるように構成されてなる第１のプレートとを備える。第１の量の水および少なくともいくらかの燃料が、燃料出口において燃料電池から排出される。第２のプレートが、第１のプレートとは反対の電極アッセンブリの側で電極アッセンブリに隣接している。第２のプレートは、酸化剤入口から酸化剤出口へと酸化剤を運ぶように構成されている。第２の量の水および少なくともいくらかの酸化剤が、酸化剤出口において燃料電池から排出される。一例では、第１の量の水が、第２の量の水と概ね等しい。

他の例示的な燃料電池装置が、燃料電池の電極アッセンブリと、該電極アッセンブリに隣接した第１のプレートとを備えている。第１のプレートは、燃料入口から燃料出口へと燃料を通流させるように構成された少なくとも１つの第１のチャネルを備えている。第１のチャネルを通流する燃料の体積流れが、燃料電池内で水を再供給するように増加される。第２のプレートが、第１のプレートとは反対の電極アッセンブリの側で電極アッセンブリに隣接している。第２のプレートは、酸化剤入口から酸化剤出口へと酸化剤を運ぶように構成された少なくとも１つの第２のチャネルを備えている。少なくとも１つの第２のチャネルを通流する酸化剤の体積流れが、燃料電池内で水を再供給するように調節可能とされている。

明細書および図により、開示した例のこれらの特徴および他の特徴を最も良く理解することができる。

例示的な燃料電池アッセンブリの概略的な斜視図である。 燃料再循環ループを有した他の例示的な燃料電池アッセンブリを示した図である。 図１のアッセンブリの燃料電池内の水の供給を非常に概略的に示した図である。 燃料電池性能対燃料使用率のグラフである。 例示的な燃料電池の断面図である。

図１には、例示的な陽子交換膜燃料電池１０が示されており、該陽子交換膜燃料電池１０は、スタック内に配置された複数の個別の燃料電池１４を備えている。各燃料電池１４は、膜電極アッセンブリ２６の両側にアノードプレート１８およびカソードプレート２２を備えている。膜電極アッセンブリ２６は、触媒層３２と触媒層３４との間に位置決めされた陽子交換膜３０を備えている。図示したような一般の電池パッケージは、アノードプレート１８とカソードプレート２２との間に中実の分離プレート２０を備えている。中実分離プレート２０は、個別の構成要素であってもよく、もしくはアノードプレート１８またはカソードプレート２２と一体化した部分であってもよい。簡潔のために図示していないが、各電池または多数の電池が冷却プレートを備えることができる。

カソード側ガス拡散層３８が、カソードプレート２２と膜電極アッセンブリ２６との間に配置されている。膜電極アッセンブリ２６は、アノード触媒層３４、陽子交換膜３０およびカソード触媒層３２を備えている。アノード側ガス拡散層４２が、アノードプレート１８と膜電極アッセンブリ２６との間に配置されている。この例では、燃料電池１４のユニット化した電極アッセンブリ５８が、カソード側ガス拡散層３８、アノード側ガス拡散層４２および膜電極アッセンブリ２６を備えている。

燃料供給源４６が、燃料電池アッセンブリ１４に燃料、例えば、水素を供給する。コントローラ６４が、燃料の供給を制御するようにバルブ６２を制御する。図２の例では、供給源４６からの新しい燃料が、混合点４８において、燃料電池アッセンブリ１４の出口から再循環された燃料と混合され、結果的に生じる混合物は、アノードプレート１８内の燃料チャネル５０（または燃料流れ場）に供給される。バルブ６２は、供給源４６から混合点４８へと流れる燃料流を制御する。パージバルブ６３が、燃料電池アッセンブリ１４からの燃料流を制御する。図１の例では、再循環した燃料が用いられていない。

一例では、燃料４６は乾燥しており（水を含んでいない）、再循環した燃料は、燃料電池１４で生成された水の部分を含むことができる。可変速とすることができるエゼクタ（図示せず）または再循環ブロワ４９が、混合点４８に再循環燃料を戻すように用いられ得る。酸化剤供給源５３が、カソードプレート２２内の酸化剤チャネル５４（または酸化剤流れ場）に酸化剤、例えば、空気を供給する。空気は、可変速ブロワまたは圧縮機６６を用いて供給される。酸素が酸化剤供給源である場合には、流れは、一般に、バルブ（図示せず）によって制御される。

この例では、燃料は、燃料チャネル５０を通して燃料電池１４内を移動し、燃料チャネル５０は、複数の燃料入口５１から複数の燃料出口５２へと延びる。ガス拡散層４２は、燃料チャネル５０から触媒層４２へといくらかの燃料を供給する。酸化剤は、酸化剤チャネル５４を通して燃料電池１４内を移動し、酸化剤チャネル５４は、複数の酸化剤入口５５から複数の酸化剤出口５６へと延びる。ガス拡散層３８は、酸化剤チャネル５４から触媒層３４へといくらかの酸化剤を供給する。

図１の例示的な燃料電池１４は対向流型燃料電池である。即ち、燃料は、方向Ｘに燃料チャネル５０を通して移動し、この方向Ｘは、酸化剤チャネル５４を通して酸化剤が移動する方向Ｙとは概ね反対である。この例では、方向Ｘは、方向Ｙとは正反対である。例示的な燃料電池１４では、水素および空気が反応物である。反応物が燃料電池１４を通して移動するときには、触媒層３２は、水素を分離して陽子を提供し、触媒層３４は、空気中の酸素分子を分離し、反応性の酸素中間生成物を提供し、この酸素中間生成物は、カソード触媒の面上に存在する。分離した水素イオンからの電子は、負荷６０に電力を供給するように用いられる。陽子は、陽子交換膜３０を横切り、カソードにおいて酸素中間生成物と反応し、これにより、水が形成され、熱エネルギが生成される。

この例では、燃料チャネル５０を通して移動する燃料流と、酸化剤チャネル５４を通して移動する空気流とが、燃料電池１４内の水の量を増加させるように互いに調整される。燃料電池１４内の水の量は、燃料電池１４に流入する燃料流および空気流がほぼ等しいときにピークとなる。即ち、燃料電池１４内の水の量は、流入する燃料流を流入する空気流で割ることにより生じる割合が約１であるときにピークとなる。この割合が１よりも著しく小さいまたは１よりも著しく大きいときには、電池内の水の量が減少し、これにより、性能が低下する。この例が交差流の場合には、結果が、並流構成よりも効率が悪いものとなり、大幅に非効率的なものとなる。

ある例では、燃料電池は、燃料電池に流入する水素流が化学量論的な量の１．２倍とされた水素と、酸素流が化学量論的な量の２倍とされた空気のもとに動作する。上記の化学量論的な割合で供給される純粋な水素および空気について、流入する空気流に対する流入する燃料流の割合は、約０．２５である。これは、望ましい割合である１よりも非常に小さいものである。

望ましい流れの割合を達成するための１つの例示的な技術は、空気流を一定に維持しながら燃料流を増加させることを含む。この例示的な調整により、電池の空気出口５５の領域近傍の水が、高分子電解質膜３０を通して燃料入口５１へ向かって移動する。

空気が２０％のみの酸素を含むため、流れの割合の１を生じさせるために燃料流を一定に維持しながら空気流を減少させることは、酸素不足により性能を著しく失うので、この場合には可能ではない。したがって、燃料流を増加させることが、一般に、望ましいアプローチとなる。燃料流が希釈した水素混合物である場合には、空気の調整は、より大きな役割を果たし得る。

この例では、可変速の再循環ブロワ４９が、コントローラ６５に連結されている。可変速再循環ブロワ４９は、混合点４８および後続の燃料入口５１へと再循環される燃料流を制御するように用いられる。再循環ブロワ４９の速度は、例えば、より多くの燃料を燃料入口５１に移動させるように増加し、これにより、燃料チャネル５０を通して移動する燃料流が増加する。燃料チャネル５０を通して移動する燃料流が増加するときには、より多くの水が、ユニット化した電極アッセンブリ５８から燃料チャネル５０へと移動し易くなる。そして、水が燃料電池１４の他の領域へと循環することが、さらに容易なものとなる。

水が膜電極アッセンブリ２６のカソード側で生成され、さらに電気浸透ドラッグによる水もあるので、より多くの水が、一般に、酸化剤出口５６において燃料電池１４から流出する。周知のように、酸化剤チャネル５４は、酸化剤出口５６への水の移動を容易にする。

この例では、コントローラ６８に連結された可変速空気圧縮機６６が、酸化剤供給源５３から酸化剤入口５５への酸化剤流を制御するように用いられる。空気圧縮機６６は、酸化剤チャネル５４を通して、燃料電池１４への酸化剤流を一定の使用率に維持するように調節する。酸化剤チャネル５４を通して移動する酸化剤流が燃料流と概ね等しいときには、より多くの水が、酸化剤チャネル５４を通して移動し続けるのではなく、燃料電池１４の領域へと供給され易くなる。

一般に、一定の使用率を保つように酸化剤チャネル５４を通して移動する空気流を維持しつつ、空気流に対する燃料流の概ね等しい割合を達成するために燃料チャネル５０を通して移動する燃料流を増加させることにより、水が、燃料電池１４全体にわたって循環する。図３には、燃料電池１４を通る水の循環経路の例が示されている。この循環は、酸化剤供給源５３が燃料電池１４へと流入する前に加湿されていないとき、例えば、燃料電池アッセンブリ１０が外部加湿器に接続されておらず、燃料電池が少なくとも１つの中実分離プレートを含むときに特に恩恵を受ける。

図１および図２を参照しながら図４を参照すると、特定の例において、燃料電池１４は、冷媒出口温度が８０℃で動作し、かつ水素燃料および酸化剤空気が４０ｋＰａｇで燃料電池１４から流出
する中実プレート付燃料電池である。燃料入口５１での露点は、５３℃である。カソード用加湿器の温度は室温（約２５℃）であり、酸化剤入口５５での相対湿度は約７％である。

酸化剤チャネル５４を通して移動する空気流を維持しつつ、燃料チャネル５０を通して移動する燃料流を増加させるために、空気使用率を６７％に固定して、燃料電池１４内の燃料使用率が下げられた。

燃料の使用率が９０％から３０％に低下したときに、電池の性能は、この例では約３０％の使用率である、予想した最高性能に使用率が達するまで、予想通りに増加する。これにより、膜を有した電池パッケージを用いた水の供給が向上する。この３０％の水素使用率よりも低い場合には、水の不均衡が増加するので、性能は再び低下する。

図５には、例示的な燃料電池１１４の概略的な断面図が示されており、燃料電池１１４は、複数の燃料チャネル１５０および複数の酸化剤チャネル１５４を備えている。燃料チャネル１５０は、ユニット化した電極アッセンブリから水を輸送するための、空気チャネルよりも短い通路長さを有するように構成されている。この構成は、空気流に水を輸送することよりも、燃料流に水を輸送することにとって有利である。このように輸送の際の抵抗を減少させることは、燃料流へ水を移動させることに寄与し、また、最適な流れ戦略と組み合わせられ得る。

図５から理解することができるように、酸化剤チャネル１５４のチャネル深さは、燃料チャネル１５０の深さの３倍である。特に、この例では、酸化剤チャネル１５４の深さは０．７５ｍｍであり、燃料チャネル１５０の深さは０．２５ｍｍである。酸化剤チャネル１５４の幅は、燃料チャネル１５０の幅とほぼ同じである。したがって、燃料チャネル１５０の断面は、酸化剤チャネル１５４の断面よりも小さい。よって、均等なガス流が、酸化剤チャネル１５４内を通すよりも速く燃料チャネル１５０を通して移動し得る。燃料のより高い流速およびより浅いチャネル深さにより、燃料入口における比較的乾燥した燃料ガスへと膜を通して流入する水の移動が向上する。この例では、酸化剤チャネル深さ対燃料チャネル深さの比が約３：１であることが最も良い。また、他の例は、他の比を備えている。

他の例では、酸化剤チャネル１５４、燃料チャネル１５０またはこれらの双方の幅は、ユニット化した電極アッセンブリから燃料チャネルまたは空気チャネルへと移動する水にかかる輸送抵抗を変化させるように調節される。

別の例では、酸化剤チャネル１５４、燃料チャネル１５０またはこれらの双方の幅または深さは、燃料電池１１４を通して移動する反応物の水のための相対的な輸送長さを変化させるように調節される。

図２の例を再び参照すると、再循環ブロワ４９の速度は、燃料流および空気流に依存している。この例では、再循環ブロワ４９の速度は、燃料流が空気流に調和するように調節される。この方法は、膜を乾燥させ得る条件に燃料電池１４があるときに、再循環ブロワ４９を起動することができる。上記条件は、例えば、計算によって、または膜の抵抗を計測することによって識別される。

また、上記方法は、いつ再循環ブロワ４９を作動させるかを決定するために、水の容量を計測することができる。例えば、燃料電池１４から流出する酸化剤によって運ばれる水の量が、燃料電池から流出する燃料によって運ばれる水の量と概ね等しい場合には、調節はなされない。酸化剤によって運ばれる水の量が、燃料によって運ばれる水の量と概ね等しくない場合には、上記方法は、燃料電池１４を通して移動する燃料流を調節する。燃料チャネル５０を通して移動する燃料流は、酸化剤出口５６において燃料電池１４から流出する空気によって運ばれる水の量が、燃料出口において流出する燃料によって運ばれる水の量とほぼ調和するように調節される。

他の例では、燃料チャネル５０を通して移動する燃料流は、燃料電池１４から流出する燃料によって運ばれる水の量が、燃料電池１４から流出する酸化剤によって運ばれる水の量と調和するように調節される。調節により性能が低下し、一般の燃料流を補償するほど調節を下げることができないので、ある例では、酸化剤流の調節は用いられない。

本発明の特徴は、比較的複雑でない方法でより乾燥した反応物を用いて燃料電池スタックアッセンブリを動作することを含む。本発明の他の特徴は、外部加湿器を必要とすることなく、燃料電池スタックアッセンブリを動作することである。

したがって、燃料電池へと比較的乾燥した燃料流を増加させることにより、予想に反しており、かつ並流の燃料および空気を有した燃料電池では生じ得ない膜の水和が向上することが見出される。

望ましい実施例を開示したが、当業者であれば、特定の修正が本発明の範囲に属することを理解するであろう。上記の理由のために、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲および内容を決定するために検討されるべきである。

Claims (4)

1. 対向流型燃料電池の電極アッセンブリと、
   前記電極アッセンブリに隣接し、燃料入口から燃料出口へと第１の方向に燃料を通流させるように構成された少なくとも１つの第１のチャネルを備えてなる第１のプレートと、
   前記第１のプレートとは反対の前記電極アッセンブリの側で前記電極アッセンブリに隣接し、酸化剤入口から酸化剤出口へと第２の方向に酸化剤を運ぶように構成された少なくとも１つの第２のチャネルを備えてなる第２のプレートと、
   を備え、
   前記少なくとも１つの第２のチャネルを通流する酸化剤の体積流れが、対向流型燃料電池内で水を再供給するように一定に維持され、前記少なくとも１つの第１のチャネルを通流する燃料の体積流れが、酸化剤に対する燃料の等しい流量の割合を達成するようにして、対向流型燃料電池内で水を再供給するように増加されることを特徴とする対向流型燃料電池。
2. 前記第１の方向は前記第２の方向とは反対であることを特徴とする請求項１に記載の対向流型燃料電池。
3. 前記第１のプレートまたは前記第２のプレートの一方は中実プレートであることを特徴とする請求項１に記載の対向流型燃料電池。
4. 前記第１のチャネルの深さ対前記第２のチャネルの深さの比が、１対３であることを特徴とする請求項１に記載の対向流型燃料電池。

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