JP6886456B2 - 空気加湿を最適化する燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、その間にプロトン交換膜を含む膜電極接合体が配置されるバイポーラプレートを含む燃料電池に関する。
燃料電池は、将来大きな規模で生産される自動車用のエネルギー源として、又は航空産業における補助エネルギー源として、特に想定されている。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学装置である。燃料電池は、いくつかの直列のセルのスタックを含む。各セルは、典型的には約１ボルトの電圧を生成し、そのスタックは、例えば約１００ボルトのより高い供給電圧を生成することを可能にする。
既知のタイプの燃料電池の中で、低温で作動するＰＥＭとして知られているプロトン交換膜を含む燃料電池を特に挙げることができる。そのような燃料電池は、コンパクトさに特に有利な特性を示す。各セルは、プロトンのみを通過させることを許容し、電子は通過させない電解質膜を備える。当該膜は、膜電極接合体（Membrane/Electrode Assembly：ＭＥＡ）を形成するために、第１面上のアノードと、第２面上のカソードとを備える。膜は、一般に、その周囲に、この膜のそれぞれの面に取り付けられた２つの補強材を含む。
アノードでは、燃料として用いられる分子水素がイオン化され、膜を通過するプロトンが生成される。従って、膜はイオン伝導体を形成する。この反応によって生成された電子はフロープレート（flow plate）の方へ移動し、セルの外部の電気回路を通過して電流を形成する。カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。
燃料電池は、互いの上部の上に積層された、例えば金属製の、バイポーラプレートと呼ばれる、いくつかのプレートを備えていても良い。膜は、２つのバイポーラプレートの間に配置される。バイポーラプレートは、反応物及び生成物を膜の方へ／膜から連続的に導くための流路（flow channel）及び開口部（orifice）を含むことができる。バイポーラプレートは、更に、発生した熱を排出する冷却液を案内するための流路を備える。反応生成物及び非反応性物質は、流路のネットワークの出口に到達するまで流れによって運ばれることで排出される。異なる流れの流路は、特にバイポーラプレートにより分離される。
バイポーラプレートは、更に、アノードで生成された電子を収集するために、導電性である。バイポーラプレートはまた、電気接点の品質のために必要な、スタックの締め付けストレスを伝達する機械的役割も有する。ガス拡散層は、電極とバイポーラプレートとの間に配置され、バイポーラプレートと接触する。
電子伝導はバイポーラプレートを介して達成され、イオン伝導が膜を介して得られる。
特許文献１には
−プロトン交換膜と、膜の第１面と接触するカソードとを含む膜電極接合体と、
−その間に前記膜電極接合体が配置された２つのバイポーラプレートであって、前記バイポーラプレートは前記カソードと連通している少なくとも１つの第１フローコレクタによって横断されており、
−前記膜電極接合体は、前記カソードによって覆われた第１活性領域を含む、
燃料電池が記載されている。
−プロトン交換膜と、膜の第１面と接触するカソードとを含む膜電極接合体と、
−その間に前記膜電極接合体が配置された２つのバイポーラプレートであって、前記バイポーラプレートは前記カソードと連通している少なくとも１つの第１フローコレクタによって横断されており、
−前記膜電極接合体は、前記カソードによって覆われた第１活性領域を含む、
燃料電池が記載されている。
親水性要素はフローコレクタ内に配置される。
特許文献２には、カソードでの流れの逆流を伴う加湿装置と組み合わされた燃料電池スタックが記載されている。この文献は、逆流の間に放出されるべき水を貯留するために、流れの逆流及びスタックの外側に水を捕捉するための装置の組み込みを記載している。
特許文献３の文献は、バイポーラプレートの表面上に配置された親水性材料を記載している。
特許文献４は、親水性材料で被覆されたバイポーラプレートを記載している。
バイポーラプレートのいくつかの設計は、入口及び出口コレクタ（collector）をバイポーラプレートの異なる流路に接続するための均一化領域（homogenization zone）を用いる。反応物を入口コレクタ（input collector）を介して電極と接触させ、生成物を異なる流路に接続された出口コレクタ（output collector）を介して排出させる。入口及び出口コレクタは、一般的に、スタックの厚さを貫通する。入口及び出口コレクタは、通常、各バイポーラプレートをその周縁部において通るそれぞれの開口部、各膜及びその補強材をその周縁部において通る各開口部、バイポーラプレートと補強材との間に介在するシールにより得られる。
入口及び出口コレクタを様々な流路に連通させるための様々な技術的解決法が知られている。特に、バイポーラプレートの２枚の金属シートの間に通路（passage）を形成することが知られている。これらの通路は、一方はそれぞれのコレクタの開口部内に、他方では注入開口部内に現れる。均一化領域は、注入開口部を流路と連通させる経路を含む。
均一化領域は、一般に、冷却液移送領域、酸化剤回路均一化領域及び燃料回路均一化領域を含み、それらは重ね合わされ、それぞれ冷却液コレクタ、酸化剤回路コレクタ及び燃料回路コレクタに向かって出現する。均一化領域の欠点は、電気化学反応に関与せずに占める表面積であり、均一化領域は、典型的には、反応物の流路を含む、活性領域の表面積の５％〜１０％をカバーする。
さらに、燃料電池の動作及び寿命を最適化するために、空気入口に十分なレベルの湿度が望ましい。膜の破裂の原因であるプロトン交換膜の加水ストレスを減少させるためには、十分な湿度が特に望ましい。空気加湿を得るために、空気加湿器を燃料電池に追加することが知られている。このような空気加湿器は、高価でエネルギーを消費するポンプシステムを前提としている。
本発明は、これらの欠点の１つ以上を解決することを目的としている。
従って、本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される燃料電池に関する。
本発明の他の特徴及び利点は、限定されない表示によって、添付された図面を参照して以下に与えられる説明からより明確になるであろう。
図１は、燃料電池１の個々のセル１１のスタックの分解斜視図である。燃料電池１は、いくつかの重ねられた個々のセル１１を備える。個々のセル１１は、プロトン交換膜又は高分子電解質膜を備えるタイプである。
燃料電池１は、燃料源１２を備える。燃料源１２は、この例では、各セル１１の入口に分子水素を供給する。燃料電池１は、更に、酸化剤源１３を備える。酸化剤源１３は、ここでは、各セル１１の入口に空気を供給し、空気の酸素が酸化剤として用いられる。各セル１１は排気経路を備える。１つ以上のセル１１は、更に、冷却回路を有する。
各セル１１は、膜電極接合体１４（又は、ＭＥＡ１４）を備える。膜電極接合体１４は、電解質２と、電解質の両側に配置され、この電解質２に固定された、カソード３１とアノード（図示せず）とを備える。電解質層２は、個々のセルに存在するガスに対して不透性である一方、プロトン伝導を可能にする半透性膜を形成する。電解質層は、更に、電子がアノードとカソード３１との間を通過するのを妨げる。
バイポーラプレート５は、隣接するＭＥＡの各対の間に配置される。各バイポーラプレート５は、アノード流路及びカソード流路を画定する。バイポーラプレート５は、更に、２つの連続する膜電極接合体間の冷却液流路を画定する。
それ自体知られている方法では、燃料電池１の動作中、空気がＭＥＡとバイポーラプレート５との間を流れ、分子水素がこのＭＥＡと他のバイポーラプレート５との間を流れる。アノードでは、分子水素がイオン化され、ＭＥＡを透過するプロトンが生成される。この反応によって生成された電子は、バイポーラプレート５によって収集される。生成された電子は、その後、電流を形成するために、燃料電池１に接続された電気負荷に印加される。 カソードでは、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。アノード及びカソードでの反応は、以下の通りである。
アノードにおいて、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソードにおいて、４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
アノードにおいて、Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソードにおいて、４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
燃料電池の個々のセルは、通常、その動作中に約１Ｖ程度のアノードとカソードとの間に直流電流を生成する。
図２は、燃料電池１のスタックに含まれるように意図された２つのバイポーラプレート５及び膜電極接合体の分解斜視図である。バイポーラプレート５及び膜電極接合体１４のスタックは、複数のフローコレクタを形成することを意図しており、その配置はこの例では単に概略的に示されている。この目的のために、各開口部はバイポーラプレート５を通り、膜電極接合体１４を通るように挿入される。ＭＥＡ１４はその周辺に補強材（図示せず）を含む。
バイポーラプレート５は、このように、第１端部に開口部５９１、５９３、５９５を備え、第１端部に対向する第２端部に開口部５９２、５９４、５９６を備える。開口部５９１は、例えば燃料を供給するコレクタを形成するために用いられ、開口部５９２は、例えば、燃焼残渣を排出するコレクタを形成するために用いられ、開口部５９４は、例えば、冷却液を供給するコレクタを形成するために用いられ、開口部５９３は、例えば冷却液を排出するコレクタを形成するために用いられ、開口部５９６は、例えば酸化剤を供給するコレクタを形成するために用いられ、開口部５９５は、例えば反応水を排出するためのコレクタを形成するために用いられる。
バイポーラプレート５及び膜電極接合体１４の開口部（すなわち、図示されていない補強材に挿入された開口部）は、様々なフローコレクタを形成するために互いに向き合って配置される。
図３は、本発明の例示的な実施形態に係る燃料電池用の膜電極接合体の側断面図である。膜電極接合体１４は、膜２と、膜２の両側に一体的に取り付けられているカソード３１及びアノード３２とを含む。カソード３１又はアノード３２の組成及び構造は当業者に公知であり、詳細な説明は省略する。膜電極接合体１４は、補強材６１、６２を更に含む。補強材６１、６２は、膜２の各面の周囲に取り付けられる。ガス拡散層６３は、補強材６１に挿入された中央開口部を介してカソード３１に接触している。ガス拡散層６４は、補強材６２に挿入された中央開口部を介してアノード３２に接触している。
バイポーラプレートは、ガス拡散層６３に面しており、空気等の酸化剤を上方矢印で示される方向に沿って案内するための流路を備えている。カソード３１は、カソード電気化学反応が生じる活性領域２１を画定する。接続領域又は均一化領域２２は、活性領域２１とフローコレクタ５９２、５９４、５９６との間に挿入される。接続領域２２は、それ自体公知の方法で、コレクタ５９６とカソード流路との間の酸化剤の流れを均一化することを意図している。
他のバイポーラプレートは、ガス拡散層６４に面しており、分子水素等の燃料を下方矢印で示される方向に沿って案内するための流路を備えている。アノード３２は、アノード電気化学反応が生じる活性領域２３を画定する。接続領域又は均一化領域２４は、活性領域２３とフローコレクタ５９２、５９４、５９６との間に挿入される。接続領域２４は、それ自体公知の方法で、アノード流路とコレクタ５９２との間の燃料の流れを均一化することを意図している。
図示されていないが、シールは、フローコレクタ５９３、５９４内の流れに対して、アノード流路及びカソード流路を絶縁する。
カソード流路をたどると、化学反応によって水が生成され、流れの湿度が上昇する。 しかしながら、カソード３１の入口に存在する空気は潜在的に非常に低いレベルの湿度を示す。
この実施形態によれば、親水性要素７１が挿入されて、接続領域２４と接続領域２２との間に水分接合部（hydric junction）が形成される。このような水分結合（hydric connection）により、点線で描かれた矢印によって示されるように、アノード流出口に存在する水分が、カソード流入口に向かって通過することを可能にする。このようにカソード流入口で回収された水分は、酸化剤流の加湿のための外部回路がない場合であっても、膜２を加湿し、膜２の応力を低減することを可能にする。カソード流のこの加湿は、電気化学反応に対して活性でない領域で行われ、この領域における追加的な役割の恩恵を受けることができる。接続領域２２の使用を最適化するために、親水性要素７１は、有利には、接続領域の表面積の少なくとも半分を占める。
水の消失及びカソード流の乾燥を招くおそれのある親水性要素７１中の電気化学反応を回避するために、カソード３１は接続領域２２を覆わない。同様に、アノード３２は、接続領域２４を覆わない。接続領域２２、２４における電気化学反応を回避又は制限するために、親水性要素７１は触媒材料を欠いているか、せいぜい１μｇ／ｃｍ２に等しい量の触媒しか示さない。
図示された例では、有利には、接続又は均一化領域が活性領域２１とフローコレクタ５９１、５９３、５９５との間に挿入され、他の接続又は均一化領域が活性領域２３とフローコレクタ５９１、５９３、５９５との間に挿入される。親水性要素７２は、これらの最後の接続領域間に水分接合部を形成するために有利に挿入される。このような水分結合は、カソード流出口に存在する水分がアノード流入口に向かって通過することを可能にし、水分は再び親水性要素７１を通過してカソード流入口に到達することができる。
接続領域の間に挿入された親水性要素７１、７２にわたる分子水素又は分子酸素の弊害をもたらす補助流を回避するために、これらの親水性要素７１、７２は気体に対して不透性である。
親水性要素７１及び／又は親水性要素７２は、コロイド状シリカ（colloidal silica）、ベントナイト（bentonite）、又はペルフルオロスルホン酸型（perfluorosulfonic acid type）のポリマーのうちの１つ（典型的には５０重量％以上）を含むことができる。親水性要素７１及び／又は親水性要素７２は、有利には、膜２と同じ材料で形成することができる。親水性要素７１及び／又は親水性要素７２は、カルボキシメチルセルロース又はポリビニルアルコール等のバインダを用いて有利に形成することができる。
親水性要素７１及び／又は親水性要素７２は、少なくとも０．１ｍｇ／ｓ・ｃｍ２、多くて０．５ｍｇ／ｓ・ｃｍ２の水の拡散を示す材料で形成することができる。
親水性要素７１、７２は、有利には、膜２の厚さよりも大きい厚さを示す。
有利には、要素７１、７２の間の水分の通過を促進するために、要素７１及び／又は要素７２は、ガス拡散層６３、６４で覆われない。
図４は、図３の膜電極接合体に用いられうる補強材６１の一例の平面図である。図５は、ガス拡散層がない膜電極接合体１４の上面図である。図６は、ガス拡散層６３が設けられた膜電極接合体１４の上面図である。補強材６２は、補強材６１と同一の構造を示すことができる。補強材６１は、ここでは、透かし層（openwork layer）の形態で設けられる。補強材６１は、例えば、それ自体公知のポリマー材料で形成される。補強材６１は、それ自体公知の方法で、カソード３１の大部分を露出させるための中央開口部６１０を含む。補強材６１は、このカソード３１をさらに取り囲んでいる。
補強材６１は更に、中央開口部６１０に対して一方の側に挿入された開口部６１１、６１３、６１５を備える。開口部６１１、６１３、６１５は、バイポーラプレート５の開口部５９１、５９３、５９５に面して配置されることが意図されている。開口部６１８は、開口部６１１、６１３、６１５と中央開口部６１０との間に挿入される。開口部６１８は、親水性要素７２によって横切られることが意図されている。補強材６１は、中央開口部６１０に対して、開口部６１１、６１３、６１５とは反対側に挿入された開口部６１２、６１４、６１６を備える。開口部６１２、６１４、６１６は、開口部５９２、５９４、５９６に面して配置されることが意図されている。開口部６１７は、開口部６１２、６１４、６１６と中央開口部６１０との間に挿入される。開口部６１７は、親水性要素７１によって横切られることが意図されている。
この例に示すように、親水性要素７１は、有利には、開口部６１７を画定する補強材６１の縁部を覆う。
図７は、本発明の他の実施形態の一例に係る燃料電池用の膜電極接合体の側断面図である。図８は、後に詳細に説明する装置８と組み合わせた膜電極接合体１４の上面図である。
膜電極接合体１４は、膜２、カソード３１、アノード３２を含み、それらは先の実施形態のものと同一であり得る。膜電極接合体１４はまた、膜２の各面の周辺に取り付けられた補強材６１、６２を含む。膜電極接合体１４は、先の実施形態のものと同一であり得るガス拡散層６３、６４をさらに備える。
バイポーラプレートは、ガス拡散層６３に面しており、空気等の酸化剤を案内するための流路を備えている。カソード３１は、カソード電気化学反応が生じる活性領域２１を画定する。接続領域又は均一化領域２２は、活性領域２１とフローコレクタ５９２、５９４、５９６との間に挿入される。
他のバイポーラプレートは、ガス拡散層６４に面しており、分子水素等の燃料を案内するための流路を備えている。アノード３２は、アノード電気化学反応が生じる活性領域２３を画定する。接続領域又は均一化領域２４は、活性領域２３とフローコレクタ５９２、５９４、５９６との間に挿入される。
図示されていないが、シールは、フローコレクタ５９３、５９４内の流れに対して、アノード流路及びカソード流路を絶縁する。
親水性要素７１、７２は、活性領域２１の両側のカソード接合領域に位置する。この実施形態では、親水性要素７１、７２は、補強材６１、６２を通過しない。従って、補強材６１、６２は親水性要素７１、７２に気密に封止されている。親水性要素７１、７２は、この場合、それぞれの流れ方向に対して水分を貯留することを意図しており、この水分をそれぞれの逆の流れ方向に戻すことを意図している。
この目的のために、装置８は、フローコレクタ５９１からフローコレクタ５９６に向かう酸化剤の流れと、フローコレクタ５９６からフローコレクタ５９１に向かう酸化剤の流れとを交互に発生させるように構成されている。酸化剤がフローコレクタ５９１からフローコレクタ５９６に向かって流れるとき、親水性要素７１は流れ出口で水分を吸収し、親水性成分７２は流れ入口でそれを復元させる。酸化剤がフローコレクタ５９６からフローコレクタ５９１に向かって流れるとき、親水性要素７２は流れ出口で水分を吸収し、親水性要素７１は流れ入口でそれを復元させる。
有利には、装置８は、フローコレクタ５９１、５９６の間の流れの方向を１０秒から３０秒の間で反転させるように構成されている。このような期間は、酸化剤流れ出口で水分を吸収するのに十分であることが分かる。
Claims (9)
- プロトン交換膜（２）と、前記プロトン交換膜の第１面と接触するカソード（３１）とを含む膜電極接合体（１４）と、
その間に前記膜電極接合体（１４）が配置され、前記カソードと連通する少なくとも１つの第１フローコレクタ（５９６）によって横切られる２つのバイポーラプレート（５）と、
を備える燃料電池であって、
前記膜電極接合体（１４）は、前記カソード（３１）によって覆われた第１活性領域（２１）と、前記カソード（３１）によって覆われていない、前記第１フローコレクタ（５９６）と第１活性領域との間に配置された第１接続領域（２２）とを含み、
前記膜電極接合体（１４）は、第１接続領域（２２）に配置された第１親水性要素（７１）をさらに含み、
前記バイポーラプレート（５）は、第２フローコレクタ（５９２）によって横切られており、
前記膜電極接合体（１４）は、前記プロトン交換膜（２）の第２面と接触するアノード（３２）を含み、前記膜電極接合体（１４）は、前記アノード（３２）によって覆われた第２活性領域と、前記アノードによって覆われていない、前記第２フローコレクタ（５９２）と第２活性領域との間に配置された第２接続領域とを含み、
前記第１親水性要素（７１）は、気体に対して不透性であり、前記第１接続領域（２２）と前記第２接続領域（２４）との間に水分接合部を形成し、
前記第１フローコレクタ（５９６）から供給された酸化剤の流れと、前記第２フローコレクタに向かう燃料の流れとは対向し、
前記プロトン交換膜（２）及び前記第１親水性要素（７１）に取り付けられた補強材（６１）をさらに備え、前記補強材は、前記第１親水性要素（７１）がアクセス可能な第１開口部（６１７）と、前記カソード（３１）がアクセス可能な第２開口部（６１０）とを含み、
前記補強材（６１）は、前記プロトン交換膜（２）を前記第１親水性要素（７１）から分離する、
燃料電池（１）。 - 前記バイポーラプレート（５）は、前記カソードと連通する第３フローコレクタ（５９５）によって横切られており、
前記膜電極接合体（１４）は、前記カソード（３１）によって覆われていない、前記第３フローコレクタ（５９５）と第１活性領域（２１）との間に配置された第３接続領域を含み、
前記膜電極接合体（１４）は、第３接続領域に配置された第２親水性要素（７２）をさらに含み、
前記燃料電池は、前記第１フローコレクタ（５９６）から前記第３フローコレクタ（５９５）に向かい、そして、前記第３フローコレクタから前記第１フローコレクタに向かう酸化剤の流れを連続的に生成するように構成された装置（８）を備える、
請求項１に記載の燃料電池（１）。 - 前記装置は、第1及び第３フローコレクタ間の流れの方向を１０秒から３０秒の間で反転させるように構成されている、
請求項２に記載の燃料電池（１）。 - 前記第１親水性要素（７１）は、前記第１開口部（６１７）を画定する前記補強材（６１）の縁部を覆う、
請求項１に記載の燃料電池（１）。 - 前記第１親水性要素（７１）は、コロイド状シリカ、ベントナイト及びペルフルオロスルホン酸型のポリマーを含む群から選択される材料を含む、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池（１）。 - 前記第１親水性要素（７１）は、少なくとも０．１ｍｇ／ｓ・ｃｍ２、多くても０．５ｍｇ／ｓ・ｃｍ２の水の拡散を示す、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池（１）。 - 前記カソード（３１）と接触するガス拡散層（６３）を含み、前記ガス拡散層（６３）は、前記第１親水性要素（７１）上まで延びている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池（１）。 - 前記第１親水性要素（７１）が、多くとも１μｇ／ｃｍ２に等しい量の触媒材料を含む、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池（１）。 - 前記第１親水性要素（７１）が、前記第１接続領域（２２）の表面積の少なくとも半分を占める、
請求項１〜8のいずれか１項に記載の燃料電池（１）。
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