JP6465802B2 - 伝導冷却した電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計 - Google Patents
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Description
[0002]本発明の開示は、電気化学セルを対象とし、より具体的には、伝導冷却した(conduction-cooled)電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計を対象とする。
[0013]本発明の開示の第一の態様は、第一の電極、第二の電極、第一の電極と第二の電極との間に配置された電解質膜、および第一の電極に隣接する第一のフロー構造を含む活性領域を有する電気化学セルである。本セルは、第一のフロー構造に隣接する少なくとも1つのバイポーラプレートをさらに含み、ここで少なくとも1つのバイポーラプレートは、活性領域の境界の外側に配置された複数の冷却流体表面を含む。少なくとも1つのバイポーラプレートは、セル作動中に活性領域で発生した熱を収集して、複数の冷却流体表面に熱伝導する吸熱器としての機能が提供されるように設計される。さらに、セル中の複数の冷却流体表面のうち少なくとも1つは、少なくとも1つのバイポーラプレートからの熱の除去を容易にするために放熱構造と共に提供される。
[1]第一の電極、第二の電極、第一の電極と第二の電極との間に配置された電解質膜、および第一の電極に隣接する第一のフロー構造を含む活性領域と;
活性領域の境界の外側に配置された複数の冷却流体表面を含む、第一のフロー構造に隣接する少なくとも1つのバイポーラプレートと
を含む電気化学セルであって、
少なくとも1つのバイポーラプレートは、セル作動中に活性領域で発生した熱を収集して、熱を複数の冷却流体表面に伝導する吸熱器として機能するように構成され;かつ、
複数の冷却流体表面のうち少なくとも1つには、少なくとも1つのバイポーラプレートからの熱の除去を促進する放熱構造が提供されている、上記電気化学セル。
[2]前記放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートから伸びるフィンを含む、[1]に記載の電気化学セル。
[3]前記放熱構造が、第一の複数の並べられた穴を含む、[1]に記載の電気化学セル。
[4]冷却流体チャネルの第一のセットが、第一の複数の並べられた穴を経由する、[3]に記載の電気化学セル。
[5]前記放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートの縁部に熱的に接続された縁部マニホールドを含み、冷却流体チャネルのセットが、縁部マニホールドを経由している、[1]に記載の電気化学セル。
[6]前記放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートの縁部から伸びるフィンをさらに含む、[5]に記載の電気化学セル。
[7]前記フィンが、縁部マニホールドを経由する冷却流体チャネルに隣接する、[6]に記載の電気化学セル。
[8]前記少なくとも1つのバイポーラプレートの厚さが、バイポーラプレートを形成するのに使用される材料の熱伝導率、第一のフロー構造と接するバイポーラプレート表面に対して直角の方向に沿った所定の温度勾配、およびバイポーラプレートの長さに沿った所定の熱流束量に基づく、[1]に記載の電気化学セル。
[9]前記少なくとも1つのバイポーラプレートの厚さが、約0.03mmから約3mmの範囲である、[1]に記載の電気化学セル。
[10]前記少なくとも1つのバイポーラプレートは、316ステンレス鋼の熱伝導率および電気伝導率より高い熱伝導率および電気伝導率を有する材料から作製される、[1]に記載の電気化学セル。
[11]前記少なくとも1つのバイポーラプレートが、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ni−Cr合金、およびインコネルから選ばれる材料から作製される、[10]に記載の電気化学セル。
[12]前記少なくとも1つのバイポーラプレートが、クラッド材料から作製される、[10]に記載の電気化学セル。
[13]前記クラッド材料が、アルミニウムのステンレス鋼とのクラッドを含む、[12]に記載の電気化学セル。
[14]非円形の外部圧力境界を含む、[1]に記載の電気化学セル。
[15]全体的に長方形の外部圧力境界を含む、[14]に記載の電気化学セル。
[16]円形の外部圧力境界を含む、[1]に記載の電気化学セル。
[17]第二のバイポーラプレートをさらに含む、[1]に記載の電気化学セル。
[18]第二の電極と第二のバイポーラプレートとの間に第二のフロー構造をさらに含む、[17]に記載の電気化学セル。
[19]第一および第二のフロー構造の少なくとも1つが、多孔質基板を含む、[18]に記載の電気化学セル。
[20]第一および第二のフロー構造の少なくとも1つが、圧縮された多孔質金属基板を含む、[19]に記載の電気化学セル。
[21]第一および第二のフロー構造の少なくとも1つが、圧縮された多孔質金属基板上にラミネートされた微孔性材料層を含む、[20]に記載の電気化学セル。
[22]2つまたはそれより多くの電気化学セルを含む電気化学セルスタックであって;
少なくとも1つのセルは、
第一の電極、第二の電極、第一の電極と第二の電極との間に配置された電解質膜、および第一の電極に隣接する第一のフロー構造を含む活性領域と;
活性領域の境界の外側に配置された複数の冷却流体表面を含む、第一のフロー構造に隣接する少なくとも1つのバイポーラプレートと
を含み、
各セルの少なくとも1つのバイポーラプレートは、セル作動中に活性領域で発生した熱を収集して、熱を複数の冷却流体表面に伝導する吸熱器として機能するように構成され;
複数の冷却流体表面のうち少なくとも1つには、少なくとも1つのバイポーラプレートからの熱の除去を促進する放熱構造が提供されている、上記電気化学セルスタック。
[23]前記放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートから伸びるフィンを含む、[22]に記載の電気化学セルスタック。
[24]前記放熱構造が、第一の複数の並べられた穴を含む、[22]に記載の電気化学セルスタック。
[25]冷却流体チャネルの第一のセットが、第一の複数の並べられた穴を経由する、[24]に記載の電気化学セルスタック。
[26]冷却流体が、2つまたはそれより多いセットの冷却流体チャネルを介して平行して流動し、冷却流体チャネルの各セットは、少なくとも1つのバイポーラプレートの別個の冷却流体表面に配置される、[25]に記載の電気化学セルスタック。
[27]冷却流体が、2つまたはそれより多いセットの冷却流体チャネルを介して連続的に流動し、冷却流体チャネルの各セットは、少なくとも1つのバイポーラプレートの別個の冷却流体表面に配置される、[25]に記載の電気化学セルスタック。
[28]前記放熱構造が、第二の複数の並べられた穴を含み、冷却流体チャネルの第二のセットが、第二の複数の並べられた穴を経由しており、第一の複数の並べられた穴は、少なくとも1つの冷却流体表面の外側の縁部の近くに配置されており、第二の複数の並べられた穴は、活性領域の境界の近くに配置されている、[25]に記載の電気化学セルスタック。
[29]冷却流体が、まず冷却流体チャネルの第二のセットに、続いて冷却流体チャネルの第一のセットに連続的に流動する、[28]に記載の電気化学セル。
[30]前記放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートの縁部に熱的に接続された縁部マニホールドを含み、冷却流体チャネルのセットが、縁部マニホールドを経由している、[22]に記載の電気化学セルスタック。
[31]前記2つまたはそれより多くの電気化学セルが、セルスタック中で連続して配置される、[22]に記載の電気化学セルスタック。
[32]前記セルスタックが、2つまたはそれより多くの電気化学セル間に流体チャネルをまったく含まない、[22]に記載の電気化学セルスタック。
4 ランドチャネル型の流れ場
5 導電性ガス拡散層(GDL)
7A アノード
7C カソード
8 電解質膜
10 PEM燃料電池
20 高差圧電気化学セル
22 高圧フロー構造
25 シール
28 低圧フロー構造
30、31 バイポーラプレート
30A 枠組み部品
30B 平坦なプレート
35 インターフェース
42、44、45 フィン
43 冷却チャネル、並べられたホール/穴
55 冷却領域
50 活性領域
56 流体ポンプ
57 熱交換器
60 領域
61 冷却されていない端部ゾーン
62 断熱用空隙
63 断熱ゾーン
65 冷却流体表面
Claims (26)
- 第一の電極、第二の電極、第一の電極と第二の電極との間に配置された電解質膜、および第一の電極に隣接する第一のフロー構造を含む活性領域、ならびに
第一のフロー構造に隣接する少なくとも1つのバイポーラプレート
を含む電気化学セルであって、
少なくとも1つのバイポーラプレートは、活性領域の境界の外側に配置された複数の冷却領域と、活性領域に垂直な方向に前記少なくとも1つのバイポーラプレートを貫通する複数の冷却チャネルとを含み、前記複数の冷却チャネルは、前記バイポーラプレートの相対する側の2つの長縁部に位置し、冷却領域において前記長縁部の長さに沿って間隔をあけて配置されており、
少なくとも1つのバイポーラプレートは、セル作動中に活性領域で発生した熱を収集して、熱を複数の冷却領域及び冷却チャネルに伝導する吸熱器として機能し、
前記複数の冷却チャネルは、隣接する冷却チャネル間の間隔が様々であり、冷却チャネル間の間隔は、前記少なくとも1つのバイポーラプレートの端部ゾーンに近づくにつれて大きくなる、上記電気化学セル。 - 前記複数の冷却領域に放熱構造が備えられており、放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートから伸びるフィンを含む、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記複数の冷却領域に放熱構造が備えられており、放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートの縁部に熱的に接続された縁部マニホールドを含む、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートの縁部から伸びるフィンをさらに含む、請求項3に記載の電気化学セル。
- 前記少なくとも1つのバイポーラプレートの厚さが、バイポーラプレートを形成するのに使用される材料の熱伝導率、第一のフロー構造と接するバイポーラプレート表面に対して直角の方向に沿った所定の温度勾配、およびバイポーラプレートの長さに沿った所定の熱流束量に基づく、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記少なくとも1つのバイポーラプレートの厚さが、0.03mmから3mmの範囲である、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記少なくとも1つのバイポーラプレートは、316ステンレス鋼の熱伝導率および電気伝導率より高い熱伝導率および電気伝導率を有する材料から作製される、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記少なくとも1つのバイポーラプレートが、アルミニウム、鋼、ステンレス鋼、チタン、銅、Ni−Cr合金、およびインコネルから選ばれる材料から作製される、請求項7に記載の電気化学セル。
- 前記少なくとも1つのバイポーラプレートが、クラッド材料から作製される、請求項7に記載の電気化学セル。
- 前記クラッド材料が、アルミニウムのステンレス鋼とのクラッドを含む、請求項9に記載の電気化学セル。
- 非円形の外形を有する、請求項1に記載の電気化学セル。
- 全体的に長方形の外形を有する、請求項11に記載の電気化学セル。
- 第二のバイポーラプレートをさらに含む、請求項1に記載の電気化学セル。
- 第二の電極と第二のバイポーラプレートとの間に第二のフロー構造をさらに含む、請求項13に記載の電気化学セル。
- 第一および第二のフロー構造の少なくとも1つが、多孔質基板を含む、請求項14に記載の電気化学セル。
- 第一および第二のフロー構造の少なくとも1つが、圧縮された多孔質金属基板を含む、請求項15に記載の電気化学セル。
- 第一および第二のフロー構造の少なくとも1つが、圧縮された多孔質金属基板上にラミネートされた微孔性材料層を含む、請求項16に記載の電気化学セル。
- 2つまたはそれより多くの電気化学セルを含む電気化学セルスタックであって;
少なくとも1つのセルは、
第一の電極、第二の電極、第一の電極と第二の電極との間に配置された電解質膜、および第一の電極に隣接する第一のフロー構造を含む活性領域ならびに
第一のフロー構造に隣接する少なくとも1つのバイポーラプレート
を含み、
少なくとも1つのバイポーラプレートは、活性領域の境界の外側に配置された複数の冷却領域と、活性領域に垂直な方向に前記少なくとも1つのバイポーラプレートを貫通する複数の冷却チャネルとを含み、前記複数の冷却チャネルは、前記バイポーラプレートの相対する側の2つの長縁部に位置し、冷却領域において前記長縁部の長さに沿って間隔をあけて配置されており、
少なくとも1つのバイポーラプレートは、セル作動中に活性領域で発生した熱を収集して、熱を複数の冷却領域及び冷却チャネルに伝導する吸熱器として機能するように構成されており、
前記複数の冷却チャネルは、隣接する冷却チャネル間の間隔が様々であり、冷却チャネル間の間隔は、前記少なくとも1つのバイポーラプレートの端部ゾーンに近づくにつれて大きくなる、上記電気化学セルスタック。 - 前記複数の冷却領域に放熱構造が備えられており、放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートから伸びるフィンを含む、請求項18に記載の電気化学セルスタック。
- 冷却流体が、前記冷却チャネルに平行して流動する、請求項18に記載の電気化学セルスタック。
- 冷却流体が、前記冷却チャネルを介して連続的に流動する、請求項18に記載の電気化学セルスタック。
- 前記複数の冷却領域に放熱構造が備えられており、放熱構造が、少なくとも1つのバイポーラプレートの縁部に熱的に接続された縁部マニホールドを含む、請求項18に記載の電気化学セルスタック。
- 前記2つまたはそれより多くの電気化学セルが、セルスタック中で連続して配置される、請求項18に記載の電気化学セルスタック。
- 前記セルスタックが、2つまたはそれより多くの電気化学セル間に流体チャネルをまったく含まない、請求項18に記載の電気化学セルスタック。
- 前記複数の冷却チャネルは、様々な直径を有する、請求項1に記載の電気化学セル。
- 前記冷却チャネルの直径は、前記少なくとも1つのバイポーラプレートの端部ゾーンに近づくにつれ小さくなる、請求項25に記載の電気化学セル。
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