JP5964463B2 - アノード端の燃料セルの燃料欠乏の回避 - Google Patents
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Description
燃料セルスタックにおけるアノード端の燃料セルのアノードが、スタックにおけるその他の燃料セルの燃料流れ場流路に比べて著しく深い、燃料流れ場流路を備える。それにより、低温ブートストラップ起動時の、アノード端のセルにおける燃料の欠乏を防ぐように、十分な燃料流れがもたらされる。
氷点下温度における燃料セルスタックの起動手順が、反応物流れ場内の氷の存在によって妨げられることが以前から指摘されている。その氷により、電極の触媒層表面の特定の部位または全体にまでの反応物ガスの到達が妨げられる。こうした状況を回避すべく、回復運転時に氷が存在する可能性がないようにするために、スタックのシャットダウン時にスタックから全ての水および水蒸気を除去するための多くの提案がなされている。このような装置は、高価かつ不便であり、多大な時間を必要とし、現時点では、乗物で使用される燃料電池発電装置には間違いなく適していない。優れた低温起動性能に必要なセルスタックアセンブリのドライアウトは、厳しい膜ストレスの原因となり、時宜を得ない膜の破損を招くおそれがある。
触媒／氷の問題に対するその他のアプローチはあらゆる加熱方法論を含むが、それらもまた、高価、不便、かつ多大な時間を必要とし、乗物用途には適していない。
この態様(modality)は、ａ）氷点下温度でのブートストラップ起動時の、およびそれに後続する、燃料セルスタックアセンブリの不十分な端セル性能、および、ｂ）凍結／解凍サイクルに起因する燃料セルスタックアセンブリの不十分な端セル性能が、フラッディングに起因するという認識に基づいている。凍結温度からの起動時、スタックのカソード端およびアノード端の両方の端セルは、最大限までフラッディングする。
ここで、「スタックのアノード端」および「アノード端」は、スタックの端部であって、端部に最も近い燃料セルのアノードのほうが、その端部に最も近い燃料セルのカソードよりもその端部に近い、スタックの端部として定義される。ここで、「ブートストラップ起動」とは、スタックまたは反応物を最初に加熱することなく反応物を通流させることにより、燃料セルスタック内で負荷を用いて電気の生成を開始することを意味する。
ここでの態様はまた、アノード端セルの燃料の欠乏が起動時の性能を大幅に低下させ、アノード端セルの炭素腐食を助長するという発見に基づいている。
意外にも、ここでの態様は、アノード端セルの燃料反応物流れ場流路の深さを、スタックにおけるその他のセル全ての燃料反応物流れ場流路の深さよりも著しく深くなるように設けることを含む。一例として、端セルの燃料流れ場流路の深さを約５５％増加させることにより、アノード端セルの燃料欠乏が回避される。この態様は様々な方法によって実現されてもよく、深さの増加は、通常の燃料流れ場流路の深さに関しての、（上記のような）割合に関する範囲で述べられてもよく、または距離の観点から述べられてもよい。例えば、アノード端セルの燃料流れ場流路の深さがスタックにおける残りの燃料セルの燃料流れ場流路の深さに比べて約３５％〜約６５％深い場合、アノード端セルの燃料欠乏が回避される。アノード端セルの燃料流路の深さは、その他のセルにおけるその他の燃料流路の深さよりも２倍以上深い。燃料セル全体の燃料流れ場流路の深さが約０．４ｍｍの燃料セルスタックでは、アノード端の燃料セルの燃料流れ場流路の深さを約０．１５ｍｍ〜約１．５ｍｍ、好ましくは約０．１５ｍｍ〜約０．５ｍｍ、より好ましくは約０．１５ｍｍ〜約０．２５ｍｍ増加することにより、アノード端の燃料セルの燃料欠乏が実質的に回避される。
添付の図面に図示の実施例の以下の詳細な説明を考慮して、その他の変型例がより明確に理解できるであろう。
図を参照すると、本発明の配置が有利に利用された一形態の一組の燃料セル９，９ａが、それぞれプロトン交換膜（ＰＥＭ）１０を含む。ＰＥＭ１０の一方の表面にはアノード触媒層１３が存在し、ＰＥＭ１０の反対側の表面にはカソード触媒層１４が存在する。アノード触媒層に隣接して多孔質アノードガス拡散層（ＧＤＬ）１６が存在し、カソード触媒層に隣接して多孔質カソードガス拡散層（ＧＤＬ）１７が存在する。アノード水輸送板（ＷＴＰ）２１，２１ａ内の燃料反応物ガス流れ場流路２０，２０ａにより、燃料がアノードへと供給され、ＷＴＰは、時には燃料反応物流れ場板とも称される。水輸送板２１，２１ａは多孔性であり、水流路２４と燃料流路２０，２０ａとの間に液体伝達を提供するように、少なくとも幾分、親水性である。水輸送板における燃料流路２０，２０ａと反対側の表面に水流路２４が形成される。
同様に、空気が酸化剤反応物ガス流れ場流路２７を通して提供され、これらの流路は、ここでは燃料流路２０，２０ａに対して直交するものとして図示される。空気流路２７がカソード水輸送板２８の一方の表面に形成され、これらの空気流路は、アノード水輸送板２１，２１ａの流路と同様の特徴を有する。
触媒は、通常、ペルフルオロポリマと混合された一般的なＰＥＭ支持の貴金属コーティングであり、ペルフルオロポリマは、例えばＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の商品名で販売されるものであり、これはＴｅｆｌｏｎ（登録商標）を含有する場合も含有しない場合もある。ＰＥＭ１０は、プロトン伝導性材料、通常は、例えばＮＡＦＩＯＮ（登録商標）の商品名で販売されるペルフルオロポリマから構成される。水流路２４から多孔質、親水性の水輸送板２１，２１ａおよびアノードガス拡散層１６を通して水が輸送され、プロトン交換膜を湿潤する。
触媒層では、２つの二原子分子の水素が触媒作用により、４つの陽イオン水素（プロトン）と、４つの電子とに変換される反応が生じる。プロトンがＰＥＭを通してカソード触媒へと移動する。電子が、燃料セルスタックを通して電気的接続の外へと流れ、外部負荷を通流して実質的な仕事を行う。カソードに到達した電子は、２つの酸素原子および４つの水素イオンと結合して、２つの水分子を形成する。アノードにおける反応は、アノード触媒への水の注入が必要であるが、カソードにおける反応は、生成水の除去が必要であり、この生成水は、移動するプロトンにより、そして浸透によりＰＥＭを通してアノードから引き込まれた水だけでなく、電気化学的プロセスによっても生じる。
カソード触媒層１４は同様に多孔質であり、ガス拡散層１７は、流路２７からの空気をカソード触媒に到達させ、かつ、生成水およびプロトンによって引き込まれた水をカソード水輸送板へと移動させるように多孔質であり、そのカソード水輸送板において水が最終的に水流路２４に到達する。外部水管理システムを有する発電装置では、水は、可能な冷却用にスタックを出て、貯蔵され、必要に応じてスタックへと戻る。
端部３４では、通常のある種の端板３５（縮尺なし）が、スタックのアノード端における冷却液流路２４の提供を容易にする。アノード水輸送板２１ａは、残りのアノード水輸送板２１の厚さとほぼ同じものとして図示される。一方、一般的な場合では、より深い流路２０ａとの安定性を維持するように水輸送板２１ａはより厚手に形成される。
本発明の態様によれば、アノード端３４の燃料セル９ａの燃料流れ場板２１ａが、燃料セルスタックの残りの燃料セル９の燃料流れ場流路２０に比べて著しく深い燃料流れ場流路２０ａを備える。この流路２０ａは、燃料流路２０よりも約０．１５ｍｍ〜約１．５ｍｍ、好ましくは約０．１５ｍｍ〜約０．５ｍｍ、より好ましくは約０．１５ｍｍ〜約０．２５ｍｍ深い。あるいは、燃料流路２０ａは、スタックにおける残りの燃料セル９の燃料流れ場流路２０よりも約４５％〜約６５％、または１００％を上回るほど深い。それにより、氷点下起動時のアノードおよび燃料セルにおける燃料欠乏が回避される。
深さを増加しても同じ程度の氷で塞がれ、それにより起動時の燃料の流れがブロックされて、各流路内の氷がほぼ同じ量だけ残ることが見て取れるが、それにより増加した深さが、実質的に燃料反応物ガスの通流する体積に充てられることは驚くべきことである。
性能の向上は、寒冷時の起動の結果としてのアノード端セルにおける炭素腐食の低減、または本質的な回避を伴う。
開示の実施例の変更および変型例は本発明の概念の趣旨を逸脱することなくなされるため、付記の特許請求の範囲によって定められるもの以外の開示に限定することを意図するものではない。
Claims (2)
- 一組の端板（３５）の間に圧縮された複数の連続した燃料セル（９）を含んだ燃料セルスタックを備えた装置であって、
前記燃料セルの各々が、一方の面にアノード触媒層（１３）を有するとともに第２の面にカソード触媒層（１４）を有する電解質（１０）と、前記アノード触媒層に隣接したアノードガス拡散層（１６）と、前記カソード触媒層に隣接したカソードガス拡散層（１７）と、前記アノードガス拡散層に隣接する燃料流れ場を有するアノード水輸送板（２１）と、前記カソードガス拡散層に隣接する酸化剤流れ場を有するカソード水輸送板（２８）と、を備え、前記スタックが、アノード端（３４）を有するものにおいて、
前記スタックにおける前記アノード端の燃料セルの前記燃料流れ場における燃料流れ場流路の深さが、ａ）前記スタックにおける残りの燃料セルの前記燃料流れ場における燃料流れ場流路に比べて３５％〜６５％深い、または、ｂ）前記スタックにおける残りの燃料セルの前記燃料流れ場における燃料流れ場流路に比べて０．１５ｍｍ〜１．５ｍｍ深いことを特徴とする装置。 - 前記スタックにおける前記残りの燃料セルの前記燃料流れ場における前記燃料流れ場流路が、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの深さであり、前記スタックにおける前記アノード端の前記燃料セルの前記燃料流れ場流路の深さが、前記スタックにおける前記残りの燃料セルの前記燃料流れ場における前記燃料流れ場流路に比べて０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍ深いことをさらに特徴とする請求項１に記載の装置。
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