JP6903575B2 - 電気化学セルスタックの中間モジュール - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題は、電気化学セルに関する。主題は、特に電気化学セルスタックのための中間モジュールに関する。

電気化学セルは、水素または炭化水素燃料からの発電、水素の生成および圧縮、酸素または酸素富化空気の生成および圧縮、または生成窒素富化空気などの様々な応用に対するスタック構造体に通常使用される。スタック構造体は様々であり得るが、共通の構成は、バイポーラプレートとも呼ばれる導電性セパレータプレートによって分離された積層可能なフレーム内に各々配置される一連の平面膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。バイポーラプレートは、積層されたＭＥＡを直列に接続し、各ＭＥＡのアノード側の流体を、スタック内の隣接するＭＥＡのカソード側の流体から分離するように機能する。セルからの流体の流れを送達するとともに受け入れる流体流チャネルは、積層された構成要素のフレームに通常組み込まれる。スタックは、典型的には、スタックの各端部にエンドプレートを有する。積層された構成要素は、スタックを通ってエンドプレート間を延びるボルトからの圧縮荷重下で組み立てられる。しかしながら、電気化学セルスタックの動作中に遭遇する複数の圧力サイクルにわたって、またはより高い作動圧力（例えば１００ｐｓｉ（約６８９．４７６ｋＰａ）よりも大きい）でこの圧縮負荷を維持することは困難であり得る。これらの課題に対する一般的に使用される対策には、ナットおよびボルト接続での圧縮バネの使用が含まれるが、そのような技術は、課題を低減するに留まり、排除するものではない。更に、作動圧力において正の電池スタックシーリングを保証するために必要とされる高いエンドプレート負荷はまた、圧縮負荷を受けたセル膜および他のプラスチック要素にクリープを誘発し得る。加えて、電気化学セルスタックは、スタックのアノード側とカソード側との間の差圧によって生じるセル構成要素の除荷のために、より高い内部圧力で導電性が低下することがある。

電気化学セルのいくつかの応用において、導電性を有する処理流体は、スタック内のＭＥＡの１つ以上の部分と接触している。例えば、いくつかのＰＥＭ電気化学セルスタックは、スタック内のＭＥＡユニットの両側に接触する塩化水素などの電解質を含む水を使用し、隣接するセル間の積層可能なフレームに流体接続を有する。しかし、処理液と接触するスタックの異なる部分間の電気陰性電位の差は、処理液中に形成されるシャント電流を生じ得る。そのようなシャント電流は、電気化学セルスタックの効率を低下させ、腐食を引き起こし、処理液中の電気化学反応からの望ましくないガス形成を招く可能性がある（例えば、ＨＣｌ溶液処理流体中の望ましくないＨ_２、Ｏ_２およびＣｌ_２ガスの生成）。

上記のような電気化学セルスタックの軸方向荷重を管理することに加えて（すなわち、積層された平面モジュールの平面を横断するスタックの軸に沿った荷重）、横方向荷重も、特に水素圧縮のための電気化学セルスタックの使用のような適用に遭遇するような、より高い作動圧力を必要とする事例において、課題となり得る。スタックの作動中に外側に向かう横方向の応力は、主要コンポーネントの変形、流体漏洩、および電気的異常を引き起こし得る。

本発明のいくつかの態様によれば、電気化学セルスタックは、電気化学セルを含む複数の積層された平面モジュールと、積層された平面モジュールの第１の端部にある第１のエンドプレートと、積層された平面モジュールの第２の端部にある第２のエンドプレートとを備える。スタックには、スタック内の隣接する電気化学セル間に配置された中間平面モジュールも含まれる。

本発明のいくつかの態様では、中間平面モジュールは、中間モジュール内に配置されたキャビティを備え、キャビティは、中間モジュールの両側にある電気化学セルスタックの作動圧力よりも高い圧力で流体源と流体連通している。

電気化学セルスタックがスタック内の複数の電気化学セルと流体連通する導電性処理液を含む本発明のいくつかの態様では、中間平面モジュールは、導電性処理液と流体連通する電気的に非伝導性のチャネルを含む。

本発明のいくつかの態様では、電気化学セルスタックは、電気化学セルを含む複数の積層された平面モジュールを含み、積層された平面モジュールは、外周面を有する。スタックは、積層された平面モジュールの外周面を超えて、積層された平面状モジュールの平面と平行な方向に延びる少なくとも１枚のプレートを更に含む。複数のアンカが、少なくとも１枚のプレートの外周部に沿って配置され、アンカは、プレートから積層された平面モジュールの平面に直交する方向に延びる。アンカは、積層された平面モジュールの平面に平行な方向の応力に対して、積層された平面モジュールの外周面に沿って構造的に支持する表面部を含む。

図１は、本発明の例示的な実施形態による中間モジュールの概略分解図である。 図２は、本発明の例示的な実施形態による中間モジュールの概略組立図である。 図３は、本発明の例示的な実施形態による中間モジュールを含む電気化学セルスタックの概略図である。 図４は、本発明の例示的な実施形態による複数の中間モジュールを含む電気化学セルスタックの概略図である。

本発明と見なされる主題は、本明細書の結論にある特許請求の範囲において特に指摘されるとともに明確に請求されている。本発明の上記および他の特徴、並びに効果は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかとなる。

詳細な説明は、図面を参照して例として、本発明の実施形態を効果および特徴とともに説明する。
図１を参照すると、例示的な中間モジュール１０が示されている。中間モジュール１０は、中間モジュールの外側プレート１２および１４を含み、中間モジュールの内側プレート１６および１８は、中間モジュールのエンドプレート１２および１４の間に配置される。プレート１２、１４、１６、および１８のフロースルーポート１９は、中間モジュール１０のいずれかの側の電気化学セル間で電気化学処理流体を輸送するための通路をなす。電気導体インサート１７は、スタック内の隣接する電気化学セル間の中間モジュール１０を介した電気的接続を提供する。

いくつかの実施形態では、中間モジュールの内側プレート１６および１８は、それらが一体的に組み立てられたときにそれらの間にキャビティ２０が設けられるように構成されている。キャビティ２０は、圧力ポート２１および圧力チャネル２２を介して流体源との流体連通を維持する。作動中、圧力源からの流体は、中間モジュールの両側のスタックの作動圧力よりも高い圧力でキャビティ２０を加圧する。キャビティ２０を形成する中間モジュールの内側プレート１６および１８の平面は、それらの外周に沿ってシールされるが、薄壁の中央部を含み、中間モジュール１０は、キャビティ２０内の圧力からの応力がこれらの薄壁部を通して作動中にスタック内の隣接する構成要素に伝達され得る圧力パッドとして機能する。いくつかの実施形態では、エラストマ・パッド２０’のような任意のエラストマ・パッドをキャビティ２０内に配置して、追加の圧力パッド特性および機能をスタックに提供することができる。

いくつかの実施形態では、中間モジュール１０は、中間モジュールの内側プレート１８に示される非導電性チャネル２４および２６などの１つ以上の電気的に非伝導性のチャネルを含む。作動中、非伝導性チャネル２４および２６は、ポート２３および２５を介して、中間モジュール１０の各側の電気化学セルと流体連通している処理液（例えば、電解質を含む水）と流体連通している。中間モジュール１０は、冷却液ポート２７’を介して導入される冷却液の流れのためのチャネル２７などの追加の要素を任意に含む。

いくつかの実施形態では、中間モジュール１０は、中間モジュールエンドプレート１２および１４の外周部に沿って配置された任意のアンカ２８を含むことができる。例示を容易にするために、図１に中間モジュールエンドプレート１２上のみのアンカ２８を示す。図２は、組み立てられた状態の図１の中間モジュール１０を示す。図２に示すように、アンカ２８は、中間モジュールのエンドプレート１２および１４の間を通って、電気化学セルスタックの平面モジュールの平面に直交する方向に延びている。

図３を参照して、中間モジュール１０が、電気化学セルスタック３０に組み立てられて示される。個別の電気化学セルは、スタック内に電流を流すためにセル間の電気的接続だけでなく、流場構造を提供することができる相互接続によって分離された、スタックのモジュールとして配置することができる。典型的には、スタック内のセルは電気的に直列に接続され、スタック流入口および流出口と流体連通するヘッダ通路によって流体流がスタックに分配され、またはスタックから集められる。電気化学セルまたはスタックのそれぞれは、当技術分野で周知のような更なる構成要素を含むことができることを理解されたい。これらの追加の構成要素は、例えば、ガス拡散層、電流コレクタなどを含むことができる。

図３に示すように、電気化学セルスタック３０は、エンドプレート３２および３４と、エンドプレートの間に電気化学セルおよび関連付けられる構成要素（例えば、フレーム型膜電極アセンブリ、バイポーラまたはセパレータプレート、ガスケット、流場、電流コレクタなど） を含む複数の積層された平面モジュール３６とを備える。タイロッド３８は、エンドプレート３２および３４の間に延び、圧縮荷重下でエンドプレートおよび介在する積層された平面モジュールを一体的に締め付けて電気化学セルスタック３０を形成することに使用される。流体連通ポート４２および４３は、カソード供給物および／またはアノード供給物をスタックに供給し、スタックからカソード排気および／またはアノード排気を受け取り、また、ポリマ電解質膜を水和するか電解供給原料を提供するために使用される処理液 （例えば、水またはＨＣｌのような電解質を有する水）と流体連通する。加圧流体ポート４４は、中間モジュールのキャビティ２０に供給するために、流体源（図示しない）から加圧流体を受け取る。クーラント流体ポート２１’は、中間モジュールの冷却ポート２１および冷却流チャネル２２に供給するための冷却液体の流れを受ける。図３に示すように、アンカ２８上の平坦面は、積層された平面モジュール３６の外周面に係合して、スタックの作動中に生じる外側の横方向の応力に対して支持する。

図１に、加圧流体源と導電性処理流体のための電気的に非伝導性のチャネル２４および２６との両方に流体連通するキャビティ２０を有する中間モジュール１０を示すが、本発明の範囲内の中間モジュールは、これらの２つの要素のうちの一方または他方と組み合わされて構成されてもよい。キャビティ２０などのキャビティを含む実施形態の場合、キャビティは、電気化学セルスタックの作動中に流体源からの流体で加圧される。キャビティ圧力は、中間モジュールのいずれかの側のスタック作動圧力よりも高くなければならず、加圧されたキャビティからの応力は、中間モジュール内側プレート１６および１８の薄壁部を通ってスタック内の隣接する構成要素に伝達され、効果的なセル間の接触圧（および付随する低い接触電気抵抗）、並びにスタックシールの完全性を促進する。いくつかの実施形態では、キャビティ２０内の圧力は、中間モジュールのいずれかの側のスタック作動圧力よりも５乃至１５０ｐｓｉ（約３４．４７４ｋＰａ乃至約１．０３４ＭＰａ）高い。

スタックの作動中にキャビティ２０内の圧力から選択的に応力を加える能力を提供することにより、タイロッド３８からの組み立て中に加えられる高い圧縮荷重の必要性を低減することができる。いくつかの実施形態では、キャビティ２０を加圧するための流体源は、圧縮ガスの外部供給源とすることができる。いくつかの実施形態では、流体源は、電気化学セルスタックによって生成された圧縮水素であってもよい。流体源が電気化学セルスタックによって生成された水素を圧縮することができるいくつかの実施形態では、キャビティ２０を加圧するのに十分な加圧された水素を生成するまで、加圧流体の外部源をスタックの起動中に使用することができる。加圧ガスの外部供給源の例は、電気化学セルスタックの前の作動サイクルによって生成された貯蔵された圧縮水素、窒素のような貯蔵された不活性加圧ガス、または水のような加圧液体を挙げることができる。

中間モジュール内のチャネル２４および２６などの電気的に非伝導性のチャネルを含む実施形態では、寄生シャント電流は、スタック内の処理液の流体連絡路を非導電性チャネル２４および２６に通すことによって管理することができる。寄生シャント電流は、異なる電圧電位で異なるセルと流体連通している導電性処理液から電気化学セルスタックに形成することができる。本明細書で使用されるように、導電性処理流体または液体は、少なくとも０．００５ジーメンス／ｍの電気伝導率を有する任意の流体または液体を意味する。水性処理液は、イオン性ポリマ膜の水和や水の電気分解による酸素および水素の供給源の提供のような目的のために、プロトン電解質膜（ＰＥＭ）セルスタックでしばしば使用され、処理液は、典型的には、スタック内の複数のセルと流体連通する。いくつかのスタック設計では、水性酸（例えば、ＨＣｌ）のような電解質を有する処理液が使用される。そのような場合、作動電圧が異なるセルまたはセル電極間の導電性液体を通る導電性経路は、処理液中に寄生電流を生じさせる可能性がある。チャネル２４および２６などの非導電性チャネルは、この経路に付加的な長さを追加し、経路に沿った全体の抵抗を高め、これにより望ましくないシャント電流の量を低減する。電気的に非伝導性の経路は、膜電極アセンブリのフレーム内の流体流路のような他のスタック構成要素においても使用することができる。しかし、中間モジュールは、より長くまたはより戦略的に配置された経路を提供することができ、経路長または膜電極アセンブリなどの構成要素の設計要件によって課される構成の制約によって制約されない。

上記の図３は、単一の中間モジュール１０を有する電気化学セルスタック３０を説明する目的で描かれている。しかしながら、本発明は、このようなモジュールを１つ有するスタックに限定されるものではなく、図４は、内部に配置された４つの個別の中間モジュール１０を有する電気化学セルスタック５０を示す。複数の中間モジュールを使用することにより、単一の中間モジュール１０では不十分な、より大きなスタックにおけるタイロッドおよびシャント電流からの圧縮荷重を管理することができる。例えば、シャント電流は、より多くのセルを有するスタックにおいて、スタック全体の電圧差が、より少ないセルを有するスタックよりも大きい場合、より問題となり得る。アンカ２８による横方向の支持に関して、図４に、中間モジュールの間隔およびアンカ２８の寸法（中間モジュール１０の平面に対する横方向の長さ）は、積層された平面モジュール３６の外周面に沿って連続的に支持するように協働する。本明細書に記載のアンカは、本明細書に記載の中間モジュールのみならず、電気化学セルスタック内の任意のモジュールと組み合わせて使用できることにも留意すべきである。例えば、図４に示す中間モジュール１０各々の中間モジュールのエンドプレート１２および１４は、これに代えて、他の積層された平面モジュール３６の表面を超えて横方向に延びる特別のＭＥＡフレームまたはセパレータプレートフレームであってもよく、明細書に開示されるような任意の中間モジュールを伴わないアンカ２８を有する電気化学セルスタックを提供する。

上述したように、電気化学セルスタックは、典型的には、積層可能な平面フレーム内に平面ＭＥＡを含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）モジュールを含む。典型的なＭＥＡは、その両側に配置されたアノードおよびカソードを有するプロトン電解質膜（ＰＥＭ）のような電解質膜を含む。アノード側流場構造およびカソード側流場構造は、典型的には、ＭＥＡのいずれかの側に配置される。これらの流場構造は、典型的には、ＭＥＡよりも遠位側に配置され、ＭＥＡおよび流場構造がそれぞれフレームアセンブリ（図示しない）に取り付けられ、ＭＥＡと接触する流体の流れのための空間を提供する。プロトン交換膜は、電気化学セルの作動条件下で固体である電解質を含むことができる。膜を製造するのに有用な材料には、プロトン伝導イオノマおよびイオン交換樹脂が含まれる。プロトン伝導材料として有用なイオン交換樹脂には、炭化水素系およびフルオロカーボン系の樹脂が含まれる。フルオロカーボン系樹脂は、典型的には、ハロゲン、強酸および塩基による優れた耐酸化性を示す。スルホン酸基官能性を有するフルオロカーボン系樹脂の１つのファミリーは、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）樹脂（デラウェア州ウィルミントンのＥ． Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから販売されている）である。

アノードおよびカソードは、必要とされる電気化学反応（例えば、水または水素ガスの解離）を行うのに適した触媒材料から製造することができる。適切な触媒材料としては、白金、パラジウム、ロジウム、炭素、金、タンタル、タングステン、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、これらの合金など、並びにこれらの材料の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されるものではない。アノードおよびカソードは、それらのそれぞれの電解質膜に隣接して、好ましくは接触して配置され、多孔性基材上に吸着された個別の触媒粒子を含む構造を有することができる。基材上への触媒粒子の付着は、噴霧、浸漬、塗装、吸収、蒸着、およびこれらの方法の組み合わせなどを含むが、これらに限定されない任意の方法によって行うことができる。これに代えて、触媒粒子は、プロトン交換膜の対向する面上にまたは支持部材上に直接堆積されてもよい。

本発明を限定された数の実施形態に関連して詳細に説明したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、これまでに記載されていないが、本発明の趣旨および範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換または等価な構成を組み込むように変更することができる。加えて、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の態様は記載された実施形態のうちのいくつかのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は上記の説明によって限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (18)

1. 電気化学セルスタックであって、
   電気化学セルを含む複数の積層された平面モジュールと、
   前記積層された平面モジュールの第１の端部にある第１のエンドプレートと、
   前記積層された平面モジュールの第２の端部にある第２のエンドプレートと、
   前記スタック内の隣接する前記電気化学セル間に配置された中間平面モジュールとを備え、
   （ｉ）前記中間平面モジュールは、同中間モジュールの内側に配置されかつ前記中間モジュールのいずれかの側の前記電気化学セルスタックの作動圧力よりも高い圧力で流体源と流体連通するキャビティを備えるか、（ｉｉ）前記電気化学セルスタックは、同スタック内の複数の電気化学セルと流体連通した導電性処理液を含み、前記中間平面モジュールは、異なる作動電圧を有する前記電気化学セル間の前記処理液のための流体連通経路に沿って、電気的に非伝導性のチャネルを含むかのうちの少なくともいずれかであり、
   前記中間モジュールは、同中間モジュールの両側の前記スタック内に配置された中間モジュールのエンドプレートの間に配置されることを特徴とする電気化学セルスタック。
2. 前記中間平面モジュールは、同中間モジュール内に配置されたキャビティを備え、前記キャビティは、前記中間モジュールのいずれかの側上の前記電気化学セルスタックの前記作動圧力よりも高い圧力で流体源と流体連通することを特徴とする請求項１に記載の電気化学セルスタック。
3. 前記流体源は、前記電気化学セルスタックによって生成された加圧された水素を含むことを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルスタック。
4. 前記流体源は、前記電気化学セルスタックの始動中に使用するための貯蔵された加圧流体を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の電気化学セルスタック。
5. 前記流体源は、貯蔵された加圧流体を含むことを特徴とする請求項２に記載の電気化学セルスタック。
6. 前記中間平面モジュールは、その内部に配置されるエラストマ・パッドを更に備えることを特徴とする請求項２乃至５のうちのいずれか一項に記載の電気化学セルスタック。
7. 前記電気化学セルスタックは、同スタック内の複数の電気化学セルと流体連通する導電性処理液を含み、前記中間平面モジュールは、異なる作動電圧を有する前記電気化学セル間の前記処理液の流体連通経路に沿って電気的に非伝導性のチャネルを含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の電気化学セルスタック。
8. 前記中間モジュールのエンドプレートは、前記積層された平面モジュールの前記平面と平行な方向に前記積層された平面モジュールの外周を越えて延び、それぞれのエンドプレートの外周部に沿って複数のアンカを含み、前記複数のアンカは、前記積層された平面モジュールの前記平面に直交する方向に前記中間モジュールのエンドプレートの間に延びることを特徴とする請求項１に記載の電気化学セルスタック。
9. 前記アンカは、前記積層された平面モジュールの外側に沿って前記中間モジュールから離れるように前記エンドプレートを超えて延びることを特徴とする請求項８に記載の電気化学セルスタック。
10. 前記アンカは、前記積層された平面モジュールの前記平面に平行な方向の応力に対して、前記スタックの外面に沿って構造的に支持する表面部を含むことを特徴とする請求項９に記載の電気化学セルスタック。
11. 前記アンカの前記表面部は平坦であることを特徴とする請求項１０に記載の電気化学セルスタック。
12. 前記中間モジュール間に電気化学セルを含む１つ以上の平面モジュールによって分離された複数の前記中間モジュールを備えることを特徴とする請求項１乃至１１のうちのいずれか一項に記載の電気化学セルスタック。
13. 前記電気化学セルスタックを作動させる間、前記キャビティを前記流体源からの流体で加圧する工程を含むことを特徴とする請求項２乃至６のうちのいずれか一項に記載の電気化学セルスタックを作動させる方法または請求項２乃至６のうちのいずれか一項に従属する請求項７乃至１２のうちのいずれか一項に記載の電気化学セルスタックを作動させる方法。
14. 前記電気化学セルスタックが少なくとも１００ｐｓｉ（約６８９．４７６ｋＰａ）の圧力で作動されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 異なる電圧で作動する２つの電気化学セル間の経路に沿って導電性処理液を流体連通状態に維持する工程を含み、前記経路は、前記中間モジュールの電気的に非伝導性のチャネルを含むことを特徴とする請求項７または請求項７に従属する請求項８乃至１２のうちのいずれか一項に記載の電気化学セルスタックを作動させる方法。
16. 電気化学セルスタックであって、
    電気化学セルを含む複数の積層された平面モジュールであって、前記積層された平面モジュールは、外周面を含む、平面モジュールと、
    前記積層された平面モジュールの前記外周面を越えて前記積層された平面モジュールの平面に平行な方向に延びる前記スタック内に配置された少なくとも１枚のプレートと、
    前記少なくとも１枚のプレートの外周部に沿って、前記少なくとも１枚のプレートから、前記積層された平面モジュールの前記平面に直交する方向に延びる複数のアンカと、を備え、前記アンカは、前記積層された平面モジュールの前記平面に平行な方向の応力に対して、前記積層された平面モジュールの前記外周面に沿って構造的に支持する平面部を更に含むことを特徴とする電気化学セルスタック。
17. 前記アンカの前記平面部は平坦であり、前記積層された平面モジュールの前記外周面と平面的に係合することを特徴とする請求項１６に記載の電気化学セルスタック。
18. 前記電気化学セルが、プロトン電解質膜をそれぞれ含み、同膜は、その反対側に配置された電極を有することを特徴とする請求項１乃至１２、１６、および１７のうちのいずれか１項に記載の電気化学セルスタック。

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