JP6745920B2 - 活性領域の入口領域内の反応ガスチャネルにおいて幅が変化するバイポーラプレート、燃料電池スタック、このようなバイポーラプレートを有する燃料電池システム、および乗り物 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用のバイポーラプレートであって、バイポーラプレートが、輪郭が形成された２つのセパレータプレートを有し、各セパレータプレートが、活性領域と、反応ガスおよび冷却材の活性領域への供給および活性領域からの排出のための２つのマニホールド領域とを有し、セパレータプレートは、バイポーラプレートが、反応ガス用および冷却材用の別々のチャネルを有するように設計され、これらのチャネルが、両方のマニホールド領域の反応ガス用および冷却材用のポートを互いに接続し、これらのチャネルがそれぞれ、開いた溝状のチャネル構造として形成されており、輪郭が形成された２つのセパレータプレートは、冷却材チャネルがチャネル構造を用いて互いに隣接する側に形成されるように、互いの上に配置されている、バイポーラプレート、燃料電池スタック、燃料電池システム、および乗り物に関する。

燃料電池は、電気エネルギーを生成するために、水を形成する酸素との燃料の化学変換を利用する。この目的のために、燃料電池は、核心となる構成要素としていわゆる膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を含み、膜電極アッセンブリは、イオン伝導性特にプロトン伝導性の膜と、電極（アノードおよびカソード）との複合体であり、電極はそれぞれ、膜の両側に配置される。また、ガス拡散層（ＧＤＬ）が、膜とは反対側でかつ電極の側で膜電極アッセンブリの両側に配置可能である。通常、燃料電池は、スタックとして配置された複数のＭＥＡによって形成され、これらの電力出力は、加法的である。燃料電池の作動中に、燃料特に水素Ｈ₂または水素含有ガス混合物が、アノードに供給され、そこで、電子の喪失を伴ってＨ₂のＨ⁺への電気化学的酸化が生じる。反応室を互いに気密な仕方でかつ電気的に絶縁する仕方で分離する電解質または膜を介して、アノード室からカソード室内への（水の結合したまたは無水の仕方で）Ｈ⁺プロトンの輸送が生じる。アノードで提供された電子は、電気ラインを介してカソードに導かれる。電子の吸収を伴ってＯ₂のＯ^2-への還元が生じるように、カソードは、酸素または酸素含有ガス混合物を受け取る。同時に、これらの酸素陰イオンが、膜を横断して輸送されたプロトンとカソード室内で反応し、水を形成する。

燃料電池は、スタックとして配置された複数の膜電極アッセンブリによって形成され、それによってこれは、燃料電池スタックとも呼ばれる。２つの膜電極アッセンブリの間に、バイポーラプレートが配置され、バイポーラプレートは、個々の電池への作動媒体すなわち反応物および冷却材の供給を確実にする。また、バイポーラプレートは、膜電極アッセンブリへの電気伝導性接触を確実にする。さらに、それらは、アノード室とカソード室との間の漏れのない分離を確実にする。

バイポーラプレートは通常、輪郭が形成された２つの電気伝導性セパレータプレートから構成され、プレートは、プレートの両側に配置された隆起輪郭の形態での構造を有する。この輪郭は結果として、プレートの両側にある多少別個のチャネルとなり、チャネルは、作動媒体を供給するために形成される。作動媒体は次いで、プレートによって互いに分離され、それによって、冷却材が、プレートの内部を通って導かれる間に、反応ガスが、外部を通って導かれる。反応ガスのチャネルは、一方で各プレートによって画定され、他方でガス拡散層によって画定される。

バイポーラプレート内の反応ガスに関して水供給を制御し、それによって燃料電池の電力密度、効率および耐用寿命を増大させるために、ＷＯ２０１２／１４３７８１Ａ１およびＵＳ２００９０１９７３４Ａ１では、特に、反応ガスを加湿するようにチャネル内にチタン製の複数の金属ストリップを組み込むことが提案されているが、しかしながら、それらは、固定や配置が難しいため、製造が高価で複雑になり、または、チャネル内に多孔の金属プレートを組み込む必要があるが、それも、製造が高価で複雑になる。また、これらの解決策は、黒鉛製のバイポーラプレートと組み合わせて適用できない。

さらに、ＤＥ１０２００８０３３２１１Ａ１には、反応ガスのチャネルおよびそれらの間に配置されたロッドの幅が連続的に変化するバイポーラプレートが開示されている。同様に、連続的に拡張された反応ガスチャネルを有するように設計されたバイポーラプレートが、ＪＰ２００４０７９２４５ＡおよびＵＳ２００７／２２４４７４Ａ１に開示されている。
不連続に拡張された反応ガスチャネルを有するバイポーラプレートが、ＥＰ２０２６３９３Ａ１およびＵＳ２００３／０７７５０１Ａ１に記載されており、そこでは、チャネル断面の突然の拡大を用いて圧力差が生成され、この圧力差は、凝縮水を入口領域から追い出すことが意図されている。

本発明が基づく目的は、反応ガスチャネル内のガス組成および質量流量が活性領域の長さに関連して考慮されるバイポーラプレートおよび燃料電池スタックの提供にある。

本発明によれば、燃料電池用のバイポーラプレートが提供され、バイポーラプレートが、輪郭が形成された２つのセパレータプレートを有し、各セパレータプレートが、活性領域と、反応ガスおよび冷却材の活性領域への供給および活性領域からの排出のための２つのマニホールド領域とを有し、セパレータプレートは、バイポーラプレートが、反応ガス用および冷却材用の別々のチャネルを有するように設計され、これらのチャネルが、両方のマニホールド領域の反応ガス用および冷却材用のポートを互いに接続し、これらのチャネルがそれぞれ、開いた溝状のチャネル構造として形成されている。輪郭が形成された２つのセパレータプレートは、冷却材チャネルがチャネル構造に起因して互いに隣接する側に形成されるように、互いの上に配置されている。本発明によるバイポーラプレートは、以下のチャネル構造の形態によって特徴付けられる：
・ 一方または両方の反応ガス用のチャネルが、活性領域の入口領域において活性領域の残りの下位領域におけるより狭い幅を有し、チャネルの幅が、入口領域の始めから終わりまで連続的に増大する；
・ チャネル間のロッドが、入口領域において活性領域の残りの下位領域におけるより広い幅を有する；
・ チャネルおよびロッドの合計の幅が、一定である；
・ チャネルの幅およびロッドの幅が、残りの下位領域全体で一定である；
入口領域が、活性領域の５〜３０％を占める。
従って、膜は、活性領域の始めで十分に加湿されており、同時に過剰な加湿が、活性領域の残りで防止される。

チャネルの幅およびロッドの幅の合計が、チャネル・ロッドユニットを表し、チャネルピッチとも呼ばれる。

本発明によるバイポーラプレートの設計に起因して、燃料電池スタック内のバイポーラプレートを１つの反応ガスまたは複数の反応ガスの入口領域において使用する時、カソードガスの入口湿度が低い場合ですら、有利なことには膜の加湿の増大が生じる。

この最適化された加湿を達成するために、反応ガスチャネルの幅が、活性領域へのガス入口の領域において、それが他の活性領域内で提供されるよりも、低減され、従って、反応ガスチャネル間のロッドの幅は、増大され、それによって、生成水を含む反応ガスは、より小さい範囲までＧＤＬを通って拡散し、従って、より高い湿度差が、膜と反応ガスチャネルとの間に設定される。

好ましい実施例によれば、入口領域は、活性領域の１０〜２５％、好ましくは２０％を占める。

それぞれの燃料電池システムに基づいて湿度を最適に調整するために、チャネルおよび／またはロッドの幅は、入口領域の始めから終わりまで連続的に増大するように設計可能である。

本発明によるバイポーラプレートの設計は有利には、金属製または黒鉛製のバイポーラプレートで実施できる。

本発明は好ましくは、カソードガスの加湿を制御するために使用できるが、アノードガスの湿度を制御するのにも適している。同様な仕方で、両反応ガスの加湿は同時に、本発明によるバイポーラプレートの入口領域の設計に影響を受けることができる。

本発明のさらなる好ましい実施例は、従属請求項に述べられるさらなる特徴から明らかとなるであろう。

本願に述べる本発明のさまざまな実施例は有利には、個々の場合に反対のことが示されていないならば、互いに組み合わせ可能である。

バイポーラプレートおよび／またはバイポーラプレートのアノードプレートおよびカソードプレートの本発明による設計によれば、バイポーラプレートの活性領域内のアノードガスチャネルおよびカソードガスチャネル内の圧力分布、湿度分布、および速度分布が最適化される。この文脈における最適化は、均一な圧力比、反応物と膜の均一な湿度、および同じ流量が好ましくは、活性領域の全体に亘って存在するということを意味する。また従って、燃料電池スタックの性能および耐用寿命が有利には増大する。

本発明による燃料電池スタックは、交互に配置された、膜電極アッセンブリと、上述のように設計されたバイポーラプレートとのスタックから成る。

本発明の別の態様は、本発明による燃料電池スタックを有する燃料電池システム、および本発明による少なくとも１つの燃料電池スタックを有する乗り物に関する。乗り物は好ましくは、燃料電池システムによって生成される電気エネルギーが牽引用電気モータおよび／または牽引用バッテリに供給するために使用される、電気自動車である。

本発明は、添付の図面を参照して例示的な実施例によって以下に説明される。

従来技術によるバイポーラプレートの構造の概略図を示す。 膜の最小湿度と比較した、バイポーラプレートの活性領域に沿った膜の相対湿度の勾配および反応ガスチャネル内の相対湿度の勾配を有する図を示す。 本発明によるバイポーラプレートの構造の概略図を示す。 活性領域に関連した、図３によるバイポーラプレートのロッド−チャネル比の図である。 膜の最小湿度と比較した、図３によるバイポーラプレートの活性領域に沿った膜の相対湿度の勾配および反応ガスチャネル内の相対湿度の勾配の図を示す。 反応ガス用のチャネルの未分割領域内の本発明によるバイポーラプレートの構造および従来技術による金属製バイポーラプレートの構造を概略断面図で示す。 図３によるバイポーラプレートの概略断面図Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂで、金属製実施例の構造を示す。 さまざまなチャネル幾何学的形状用の電流／電圧特性曲線の図である。 本発明による、第２の実施例によるバイポーラプレートの構造の概略図を示す。 活性領域に関連した、図９によるバイポーラプレートのロッド−チャネル比の図である。 膜の最小湿度と比較した、図９によるバイポーラプレートの活性領域に沿った膜の相対湿度の勾配および反応ガスチャネル内の相対湿度の勾配の図を示す。

図１は、従来技術によるバイポーラプレート１０を示す。

バイポーラプレート１０は、輪郭が形成された２つのセパレータプレート１２、１４を有し、１つのセパレータプレート１２、１４のみが平面図に見えている。一緒にセパレータプレート１２、１４は、活性領域１６を形成し、両端で活性領域に隣接したマニホールド領域１８、２０を有し、マニホールド領域１８、２０のそれぞれは、反応ガス用の２つのポート２２、２４と、冷却材用の１つのポート２６とを有し、これらのポートを介して、反応ガスおよび冷却材が、活性領域１６に供給され、次いで活性領域１６から排出される。反応ガス用および冷却材用の別々のチャネル２８、３０、３２が、バイポーラプレート１０内に延在し、これらのチャネルは、開いた溝状の構造であり、そのうちの反応ガス用のチャネル２８のみを水平方向の太線で象徴的に示す。

また、図１は、反応ガス用のチャネル２８のうちの１つを通る長手方向の断面を示し、流れの方向４２を矢印で示す。バイポーラプレート１０を燃料電池スタック（図示せず）内に配置する場合、ガス拡散層に隣接するチャネル２８の一方の側４４から電池反応の生成水４６が矢印に示すように、反応ガスを加湿するようにスタックに進入する。

図２において、反応ガス中の水含有量（曲線４８ａ）および燃料電池の膜中の水含有量（曲線４８ｂ）を、活性領域１６の長さｌに関連した膜の許容最小湿度（曲線４８）の図中で比較する。

この図は、燃料電池が従来技術によるバイポーラプレート１０を有する場合、反応ガスは、不十分な水含有量で活性領域１６に流入する、すなわち、水含有量は、膜の必要な最小湿度より低い。従って、活性領域１６の始めにおける膜の実際の水含有量は、反応ガスの最適な変換には不十分である。反応ガスが活性領域１６を通って流れる間に、反応ガスは生成水４６を連続的に吸収し、それによって、反応ガスおよび膜の水含有量は、必要な最小湿度を超えるまで増大する。

図３は、本発明による燃料電池スタック（ここでは図示せず）用の本発明に従って設計されたバイポーラプレート１０を示す。本発明によるバイポーラプレート１０の構造は、図１によるバイポーラプレート１０の構造に対応するが、その差は、本発明によれば、活性領域１６が、反応ガスが活性領域１６に流入する入口領域３４と、残りの下位領域３６とに分割されていることである。入口領域３４では、反応ガス用のチャネル２８が、下位領域３６におけるより小さい幅Ｂ２を有しながら、チャネル２８間に配置されたロッド５４は、より大きい幅Ｂ１を有する。これは、図５、図７により詳細に示す。

入口領域３４は、下位領域３６を通る垂直方向の線によって視覚的に画定されるが、他の点では、技術的な意義を持たない。これは、図９内の垂直方向の線にも同様に当てはまる。

図４による図は、曲線４９で、ロッド５４の幅Ｂ１と反応ガスチャネル２９の幅Ｂ２との間の比を示す。入口領域３４では、この比は、例えば、２：１（参照符号４９ａ）であり、活性領域１６の残りの下位領域３６に入ると１：１（参照符号４９ｂ）に低下する。

図５は、図中で図２に示したように、活性領域１６の長さｌに関連した反応ガス中（曲線４８ａ）、燃料電池の膜中（曲線４８ｂ）の水含有量の推移および膜の許容最小湿度（曲線４８）を示す。入口領域３４では、膜のある湿度が、本発明による設計に起因して達成され、この湿度は、必要な最小湿度より大きく、それによって、最適化された電池反応が入口領域においてでさえも起こり得る。湿度は次いで、入口領域３４が終わるまで増大し、次いで突然、必要な最小湿度まで低下する。入口領域３４の延長は結果として、湿度のさらなる増大になるであろうが、不利益は、狭いチャネル２８への／狭いチャネル２８を通る反応ガスの流れが妨げられることになるであろう。

図６、図７は、断面図Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂで図３によるバイポーラプレート１０を示し、断面Ａ−Ａは、入口領域３４内であり、断面Ｂ−Ｂは、活性領域１６の残りの下位領域３６内に位置する。これらの図では、開いた溝状の反応ガスチャネル２８、３２が、ＧＤＬ５０に隣接し、ＧＤＬ５０は、膜５２を含む。また、図７、断面Ａ−Ａは、冷却材用のチャネル３０によって形成されたロッド５４についての幅Ｂ１と、反応ガスチャネル２８についての幅Ｂ２とを示しており、これらの幅は一緒にチャネル−ロッドユニットについての幅Ｂ３を形成する。

図８は、反応ガスチャネル２８内の異なるように調整された相対湿度レベル（６０％対１００％）で、異なるチャネル幾何学的形状、すなわち、広いロッド５４に比較して狭いもの、または、対応して狭いまたは広いチャネル２８をとる局所的電流／電圧特性曲線のシミュレーション結果を示す。曲線は、広いロッド５４についての１００％相対湿度（５６ａ）、狭いロッド５４についての１００％相対湿度（５８ａ）、広いロッド５４についての６０％相対湿度（５６ｂ）、狭いロッド５４についての６０％相対湿度（５８ｂ）を示す。結果は、狭いロッド５４は高湿度で有利であり（点線）、より低い湿度では広いロッド５４がより増大した性能に繋がり得る（実線）ということを示す。従って、入口領域３４内で広いロッド５４であり、活性領域１６の残りの下位領域３６内でより狭いロッド５４である本発明による活性領域１６の設計は、有利である。

図９は、第２の実施例による本発明により設計されたバイポーラプレート１０を示す。図３による実施例とは異なり、入口領域３４は、チャネル２８の幅Ｂ２が入口領域３４の始めから残りの下位領域３６まで連続的に増大し、次いでその幅Ｂ２を保持するように、設計される。

図１０による図は、ロッド５４の幅Ｂ１と反応ガスチャネル２８の幅Ｂ２との間の比を示す。入口領域３４では、この比は、例えば、２：１（参照符号４９ａ）であり、活性領域１６の残りの下位領域３６の入口まで１：１（参照符号４９ｂ）へと絶え間なく低下する。

図１１は、活性領域１６の長さｌに関連した反応ガス中４８ａ、燃料電池の膜中４８ｂの水含有量の推移および膜の許容最小湿度４８を示す。入口領域３４では、膜のある湿度が、本発明による設計に起因して達成され、この湿度は、必要な最小湿度より大きく、それによって、最適化された電池反応が入口領域においてでさえも起こり得る。しかしながら、狭いチャネル２８を通る反応ガスの流れが妨げられることになるであろうように、湿度は増大しない。

１０…バイポーラプレート
１２、１４…セパレータプレート
１６…活性領域
１８、２０…マニホールド領域
２２、２４…反応ガス用のポート
２６…冷却材用のポート
２８、３０、３２…作動媒体用のチャネル
３４…入口領域
３６…下位領域
４２…流れの方向
４４…側
４６…生成水
４８、４８ａ、４８ｂ…曲線
４９…チャネル／ロッド比
４９ａ、４９ｂ…入口領域および下位領域におけるチャネル／ロッド比
５０、５２…領域
５４…ロッド
５６ａ…曲線、広いロッド、１００％
５８ａ…曲線、狭いロッド、１００％
５６ｂ…曲線、広いロッド、６０％
５８ｂ…曲線、狭いロッド、６０％
ｌ…長さ
Ｂ１…ロッド幅
Ｂ２…チャネル幅
Ｂ３…チャネル幅＋ロッド幅

Claims (6)

1. 燃料電池用のバイポーラプレート（１０）であって、バイポーラプレート（１０）が、輪郭が形成された２つのセパレータプレート（１２、１４）を有し、各セパレータプレート（１２、１４）が、活性領域（１６）と、反応ガスおよび冷却材の活性領域（１６）への供給および活性領域（１６）からの排出のための２つのマニホールド領域（１８、２０）と有し、セパレータプレート（１２、１４）は、バイポーラプレート（１０）が、反応ガス用および冷却材用の別々のチャネル（２８、３０、３２）を有するように設計され、これらのチャネル（２８、３０、３２）が、両方のマニホールド領域（１８、２０）の反応ガス用および冷却材用のポート（２２、２４、２６）を互いに接続し、これらのチャネル（２８、３０、３２）がそれぞれ、開いた溝状のチャネル構造として形成されており、互いに隣接する２つのセパレータプレート（１２、１４）の輪郭の間に冷却材チャネル（３０）が形成されており、
   一方の反応ガス用または両方の反応ガス用のチャネル（２８、３２）が、活性領域（１６）の入口領域（３４）において、活性領域（１６）の残りの下位領域（３６）において有する幅よりも小さい幅（Ｂ２）を有し、チャネル（２８、３２）の幅（Ｂ２）が、入口領域（３４）の始めから終わりまで連続的に増大し、
   チャネル（２８、３２）間に位置するロッド（５４）が、入口領域（３４）において、活性領域（１６）の残りの下位領域（３６）における幅よりも大きい幅（Ｂ１）を有し、
   チャネルの幅（Ｂ２）およびロッド（５４）の幅（Ｂ１）の合計が、一定であり、
   チャネル（２８、３２）の幅（Ｂ２）およびロッド（５４）の幅（Ｂ１）が、残りの下位領域（３６）全体で一定であり、
   入口領域（３４）が、活性領域（１６）の５〜３０％を占める、燃料電池用のバイポーラプレート（１０）。
2. 入口領域（３４）が、活性領域（１６）の１０〜２５％を占めることを特徴とする請求項１に記載のバイポーラプレート（１０）。
3. バイポーラプレート（１０）が、金属製または黒鉛製であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のバイポーラプレート（１０）。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のバイポーラプレート（１０）を有する燃料電池スタック。
5. 請求項４に記載の燃料電池スタックを有する燃料電池システム。
6. 請求項４に記載の燃料電池スタックを有する燃料電池システムを有する乗り物。

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