JP5061121B2 - 燃料電池内で使用されるデバイス、および燃料電池流れ場を通流する流れを制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池の流れ場に関する。

燃料電池は、周知の技術であり、様々な用途において電気を発生させるために使用される。典型的な燃料電池は、電流を発生させるために、水素または天然ガスおよび酸素などの反応ガスを利用する。燃料電池は、典型的には、各々が反応ガスを受ける互いに隣接した流れ場を含む。各流れ場は、ガス分配層を介して、電解質層に隣接した燃料極触媒または酸素極触媒のそれぞれに反応ガスを分配し、電流を発生させる。電解質層は、イオンを効果的に運ぶことができるがイオンを伝導させることができない種々の層とすることができる。燃料電池の電解質としては、アルカリ水溶液形（例えば、ＫＯＨ）、陽子交換膜形（ＰＥＭ）、リン酸形および固体酸化物形などがある。

流れ場の一型式としては、出口チャネルと入口チャネルとが交差指型に構成されている。入口チャネルは、完全に開いた全開入口および完全に閉じた全閉出口を有し、出口チャネルは、完全に閉じた全閉入口および完全に開いた全開出口を有する。入口チャネルの全閉出口は、入口チャネルに流入してくる反応ガスを、強制的に、ガス分配層を介して隣接する出口チャネル内へ流入するようにさせる。これにより、触媒へ向かう反応ガスの強制対流が生じ、比較的多くの量の反応ガスが触媒に晒されるようになる。しかし、この強制対流は、流れ場に沿っての反応ガスの圧力降下を大きくし、従って、反応ガスの高い加圧を要求し、このことは、燃料電池によって発生した電気エネルギのいくらかを消費してしまい、全体の効率を低下させてしまう。

典型的な流れ場は、全開入口および全開出口を有するオープンチャネルないし平行チャネルを含む。このチャネルに流入する反応ガスは、ガス分配層を介して触媒へ向かって拡散する。オープンチャネルでは、比較的制限なく反応ガスが流れるので、反応ガスの圧力降下が比較的小さい。しかし、チャネルを通流する反応ガスのうち触媒へ拡散する割合が比較的小さいので、反応ガスの利用効率が望ましくないものとなる。

本発明は、反応ガスの圧力降下と利用効率とのバランスを改善する必要性に対処する。

燃料電池に使用されるデバイスの一例は、チャネル入口部およびチャネル出口部を有する燃料電池流れ場チャネルを含む。チャネル入口部またはチャネル出口部の少なくとも一方が、燃料電池流れ場チャネル内の流れを部分的に妨げる妨害部材を含む。

一実施例においては、細長いチャネル壁の間に流路を含む。燃料電池流れ場チャネルを通流する流れを部分的に妨げるように、細長いチャネルの間の流路内へ妨害部材が延在する。

他の実施例においては、封止部材がチャネル出口部またはチャネル入口部に隣接した位置で延在し、それぞれの出口流または入口流を部分的に妨げる。

一実施例においては、プレートを含み、このプレートには開口が貫通している。このプレートは、燃料電池流れ場チャネルを通流する流れを部分的に妨げるように、燃料電池流れ場チャネルに対して移動させることができる。

上記の例は限定するためのものではない。他の実施例について以下に説明する。当業者であれば、以下の詳細な説明から、本発明の様々な特徴および利点が明らかとなろう。

図１は、電気を発生させるための燃料電池セルスタック１０の選択された部分を概略的に示す。この例においては、燃料極側１２が反応ガスＲ₁を受けるとともに酸素極側１４が反応ガスＲ₂を受け、周知の態様で電流を発生させる。燃料極側１２および酸素極側１４の各々は、機械加工プレート、鋳造プレート、プレス加工プレート、ソリッドプレート、多孔質プレートまたは他の種類のプレートなどの流れ場プレート１６を含み、流れ場プレート１６は、それぞれの燃料極側１２および酸素極側１４の全体に反応ガスＲ₁およびＲ₂を配給するチャネル１８を有する。

図示した実施例においては、流れ場プレート１６の各々に隣接してガス交換層２０が配置されている。これらのガス交換層２０の間において、燃料極触媒２４と酸素極触媒２６とが、電解質層２２によって離間されている。

図示した実施例においては、チャネル１８は、矩形の断面プロファイルを有する。他の実施例においては、チャネル１８は、符号２８の点線で示されるような曲線のプロファイルを有する。当業者であれば、この説明が与えられれば、どのようなチャネルの形状が特定の必要性を満たすかを理解されるであろう。

一実施例においては、燃料電池セルスタック１０の作動を示すために、それぞれの燃料極側１２および酸素極側１４のチャネル１８内へ、反応ガスＲ₁およびＲ₂が供給される。反応ガスＲ₁およびＲ₂は、ガス交換層２０を通って、それぞれの燃料極触媒２４または酸素極触媒２６に向かって拡散する、または強制対流によって移動する。電解質層２２は、燃料極触媒２４と酸素極触媒２６との間におけるイオン交換を可能にし、外部回路（図示せず）に電流を発生させるように、周知の態様で作用する。

図２は、図１の断面線２−２に沿って切り取った流れ場プレート１６の一実施例を示す。この実施例においては、チャネル１８は、両側の壁４０の間に延在する。チャネル１８の各々は、入口部４２および出口部４４を含む。反応ガスは、入口部４２へ流入し、チャネル１８を通流して、出口部４４から流出する。この例においては、チャネル１８ａおよびチャネル１８ｃの出口部４４と、チャネル１８ｂおよびチャネル１８ｄの入口部４２と、の各々は、妨害部材４６を含む。

図示した実施例においては、妨害部材４６は、細長いチャネル壁４０からチャネル１８内へ延びている。妨害部材４６は、チャネル１８ｂ，１８ｄへ流入する反応ガス流と、チャネル１８ａ，１８ｃから流出する反応ガス流と、を制限するようにチャネル１８を部分的に妨げる。

一実施例においては、妨害部材４６の少なくとも１つの寸法は、該妨害部材４８がチャネル１８の内部へ延びてチャネル１８の断面積（図１を参照）を妨げる割合として画定される。この割合が大きいほど多くの流れを妨げ、割合が小さいほど少ない流れを妨げる。

一実施例においては、妨害部材４６は、それぞれのチャネル１８の断面積の約０％よりも大きくかつ約１００％よりも小さな割合を妨げる。他の実施例においては、妨害部材４６は、チャネル１８の断面積の約７０％〜約９０％を覆う。他の実施例においては、妨害部材４６は、チャネル１８の断面積の約８０％を覆う。

上記の実施例の妨害部材４６は、様々な方法によって形成される。一実施例においては、周知の圧縮成形プロセスを用いて流れ場プレート１６を形成する。選択された入口部４２および出口部４４が完全に閉塞した端部を有するように成形される。次に、妨害部材４６は、選択された入口部４２および出口部４４の完全に閉塞したこれらの端部から機械加工される。他の実施例においては、妨害部材４６は、ネットシェイプ成形プロセスで形成され、ほとんど又はまったく機械加工を必要としない。当業者であれば、この説明が与えられれば、これらの特定の必要性に適した妨害部材４６をつくる方法が他にもあることを理解されるであろう。

妨害部材４６の寸法は、燃料電池セルスタック１０を横切る反応ガスの圧力降下と反応ガス利用効率とのバランスを調節する。チャネル１８ａおよびチャネル１８ｃは、全開入口部４２を介して反応ガスを受ける。チャネル１８ａおよびチャネル１８ｃの出口部４４における妨害部材４６は、反応ガスの流出流を制限する。流入流が制限されることなく流出流が制限されることにより、チャネル１８ａおよび１８ｃの内部で圧力が上昇し、上昇した圧力は、強制的に、ガス交換層２０内へ反応ガスを流入させ、触媒（燃料極側１２の触媒２４または酸素極側１４の触媒２６）へ向かわせる。反応ガスは、ガス交換層２０を通って、隣接するチャネル１８ｂまたは１８ｄに流入し、チャネル１８ｂおよびチャネル１８ｄの全開出口部４４を介して流出する。反応ガスの強制対流は、このように、触媒２４または２６に晒される反応ガスの量を大きくするという利点を与え、これによって、触媒２４または２６における反応物の濃度を高め、これによって、拡散過電圧として知られる性能の損失を低減する。しかし、反応ガス流を制限し、これに関連してチャネル１８ａおよび１８ｃ内において圧力が上昇することによって、燃料電池セルスタック１０を横切る反応ガスの圧力降下を大きくしてしまう。

チャネル１８ａおよびチャネル１８ｃの出口部４４における妨害部材４６は、チャネル１８ａおよびチャネル１８ｃからの反応ガスの流出流を制限することができ、これにより、圧力上昇を低減させ、燃料電池セルスタック１０を横切る圧力降下を（入口または出口のいずれかで完全に妨げられた交差指型構成チャネルに対して）、小さくすることができる。こうして、制限された流出流は、燃料電池セルスタック１０を横切る（強制対流のための）圧力上昇と（大きな圧力上昇からの）圧力降下とのバランスをもたらす。

一実施例においては、妨害部材４６の寸法は、燃料電池セルスタック１０を横切る反応ガスの利用効率と圧力降下との所望のバランスを得るように設計されている。比較的小さな妨害部材４６を使用することにより、（強制対流が小さくなるので）利用効率が低下し、かつ、（圧力上昇が小さくなるので）燃料電池セルスタック１０を横切る圧力降下が小さくなる。比較的大きな妨害部材４６を使用することにより、（強制対流が大きくなるので）利用効率が上昇し、（高い利用率としたいくつかのチャネルにおいて圧力上昇が大きくなるので）燃料電池セルスタック１０を横切る圧力降下が大きくなる。当業者であれば、この説明が与えられれば、これらの特定の利用効率および圧力降下の要求を満たす適当な妨害部材４６の寸法があることを理解されるであろう。

図示した実施例における妨害部材４６は、矩形の形状で示されている。図３に示す他の実施例においては、妨害部材４６は、丸い形状を有する。当業者であれば、この説明が与えられれば、開示した利点を実現するとともに、これらの用途の特定の必要性を満たすために、様々な妨害部材４６の形状を使用することができることを理解されるであろう。

図４は、チャネル壁４０が互いに角度を有するように配置され、前述の実施例における比較的均等なチャネル幅とする代わりに、チャネル１８にテーパを付することを示す。テーパを付されたチャネル１８は、チャネル１８ｅおよび１８ｇの入口部４２から出口部４４へ向かう反応ガスの流れを制限する。この反応ガス流の制限により、チャネル１８ｅおよびチャネル１８ｇの内部で圧力が上昇する。上記のように、これにより、触媒２４または２６に向かう反応ガスの強制対流が生じ、隣接するチャネル１８ｆおよび１８ｈ内へ反応ガスを流入させる。この例における妨害部材４６は、上記の妨害部材と同様に、流出流を制限するとともに強制対流を促すように機能する。こうして、チャネル１８の妨害部材４６とテーパとが協働して、反応ガスの利用効率と圧力降下との望ましいバランスを実現する。

図５Ａおよび図５Ｂは、妨害部材４６の実施例を示し、この妨害部材４６は、プレート５６ａおよび５６ｂを含み、それぞれのプレート５６ａおよび５６ｂには、開口５８が貫通している。この例においては、チャネル１８ｉ，１８ｊ，１８ｋ，１８ｌ，１８ｍ，１８ｎの各々と、チャネル壁４０とは、幅がほぼ等しい。ソレノイドなどのアクチュエータ６０ａおよび６０ｂが、動きの方向Ｄに沿ってそれぞれのプレート５６ａおよび５６ｂを前後に動かす。一実施例においては、それぞれの軌道５９は、プレート５６ａおよび５６ｂの動きを誘導し、動きの方向Ｄと交差する方向の動きを制限する。

一実施例においては、プレート５６ａおよび５６ｂの作動を示すために、アクチュエータ６０ａおよび６０ｂがそれぞれのプレート５６ａおよび５６ｂを独立的に動かして、上記のような反応ガスの利用効率と圧力降下との所望のバランスを得る。図示した実施例においては、プレート５６ａは、チャネル１８ｉ，１８ｋ，１８ｍの入口部４２で、流路３８の約５０％を妨げる位置にある。プレート５６ｂは、チャネル１８ｊ，１８ｌ，１８ｎの出口部４４で、流路３８の約５０％を妨げる位置にある。アクチュエータ６０ａおよび６０ｂは、流路３８断面積の（例えば、０％〜１００％の間の）様々な割合を妨げ、反応ガスの利用効率と圧力降下とのバランスをシフトさせるように、それぞれのプレート５６ａおよび５６ｂを選択的に動かす。

他の実施例においては、プレート５６ａおよび５６ｂは、様々な条件に応じて流路３８を通流する反応ガス流を動的に適合させることができるという利点がある。一実施例においては、プレート５６ａおよび５６ｂは、燃料電池の始動時には、流路３８の断面積のごく小さな割合を妨げるように動かされる（例えば、ほぼ０％を妨げる）。他の実施例においては、チャネル１８ｉ，１８ｋ，１８ｍの入口部４２で流路３８の大きな割合を妨げる（例えば、ほぼ１００％を妨げる）ように、図における右の方向へプレート５６ａを移動させる。燃料電池の始動が済んだことに応じて、チャネル１８ｊ，１８ｌ，１８ｎの出口部４４で流路３８の大きな割合を妨げるように、図における左の方向へプレート５６ｂを移動させる。

一実施例においては、この特徴は、「ｓｔａｒｔ−ｓｔｏｐ ｌｏｓｓ」として知られる現象を低減するという利点がある。チャネル１８を封止することにより、燃料電池セルスタックが作動しないときに（例えば、停止したときに）、チャネル１８内へ空気が侵入しないようにする。これにより、燃料極側１２に空気および反応ガス燃料（例えば、Ｈ₂）の初期流が存在して、酸素極側１４における寄生的な電気化学反応、腐食、触媒の溶解および酸素の放散を導くような始動時の条件を最小にする。

図６に示す実施例においては、修正された燃料電池セルスタック１０が、交差指型構成の流れ場部７０を含む。図示した実施例においては、交差指型流れ場部７０は、入口チャネル７２および出口チャネル７４を含む。入口チャネル７２は、全開入口部７６および全閉出口部７８を含む。出口チャネル７４の各々は、全閉入口部８０および全開出口部８２を含む。反応ガスは、妨害部材４６を利用するチャネル１８から交差指型流れ場部７０へ流れる。

反応ガス濃度は、概して、触媒２４または２６によって消費されるとともに低下する。従って、チャネル１８の上流部において反応ガス濃度が比較的高く、交差指型流れ場部７０の下流部において反応ガス濃度が比較的低い。反応ガス濃度が比較的高い位置においては、（例えば、ガス交換層２０内への反応ガスの拡散による）高度な強制対流がなくても、触媒２４または２６に晒される反応ガスの量が顕著に大きい。反応ガス濃度が比較的低い位置においては、触媒２４または２６に晒される反応ガスの量が小さいので、晒される量を増やすために、高度な強制対流が有用である。

図示した実施例においては、妨害部材４６を有するチャネル１８は、（交差指型流れ場部７０と比較して）比較的程度の低い強制対流をもたらし、これは、上記の圧力低下を小さくする（いくつかの例においては、最小にすることもある）とともに、反応ガス濃度が比較的高い場合に適している。交差指型流れ場部７０は、チャネル１８から受けた比較的低い濃度の反応ガスを有効に利用するために、比較的程度の高い強制対流をもたらす。

図７は、他の実施例における修正した燃料電池セルスタック１０が、平行流れ場部９２を含むことを示す。この平行流れ場部９２は、各々が全開入口部９６および全開出口部９８を有するチャネル９４を含む。この全開入口部９６および全開出口部９８により、反応ガスが妨げられることなくチャネル９４を通流することができる。この結果、反応ガスの強制対流が生じることよりも、触媒２４または２６に向かう反応ガスの拡散が生じ易い。

この例においては、平行流れ場部９２は、殆どまたは全く強制対流をもたらさず、このことは、反応ガス濃度が比較的高い場合に適しており、圧力低下を小さくする（いくつかの例においては、最小にすることもある）。チャネル１８および妨害部材４６は、平行流れ場部９２から受けた比較的低い濃度の反応ガスを有効に利用するために、程度が制限された強制対流をもたらす。

図６および図７に示す構成の他の利点は、入口領域１８，９２における反応ガスの流速が、流れ場の下流部などに程度の大きな妨害物が配置された場合と比較して、低速であることである。ガスの流速が低速であることは、入口ガスが水で完全には飽和されていないことが多い入口領域において、乾きってしまうリスクを低減するので、利点となり得る。入口ガス流速が低速であることにより、加湿区域を比較的小さくすることができる。

図８に示す一例としてのグラフ１００は、縦軸１０２に（１３００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で測定された）セル電圧を表し、横軸１０４に圧力降下を表す。点Ｘは、（図７の平行流れ場部９２のような）平行流れ場における圧力降下に対するセル電圧を表している。点Ｙは、（図６の交差指型流れ場部７０のような）交差指型流れ場における圧力降下に対するセル電圧を表している。これら２つのセルの他の条件は同じである。このグラフから、これら周知の種類の２つの流れ場において、セルの性能と圧力降下との間にトレードオフの関係があることが分かるであろう。

ライン１１０は、妨害部材の寸法を、０％（点Ｘ）〜１００％（点Ｙ）の範囲とした場合の圧力降下とセル電圧との予想される関係を表す。ライン１１２は、この妨害部材４６の寸法の範囲に亘って、圧力降下とセル電圧との実際のデータに基づいた特性を示している。驚くべきことに、ライン１１２とライン１１０とを比較すると、同じ圧力降下に対して、ライン１１２の方が大きなセル電圧を示している。このように、本明細書中に教示する流れ場の設計を実行することにより、完全交差指型流れ場の性能上の利点を確保しつつ、この種の流れ場に付随する圧力降下をごくわずかにできる。

図示した実施例に特徴の組合せが示されているが、本発明の様々な実施例の利点を確保するために、これらの特徴のすべてを組合わせる必要はない。言い換えれば、本発明の実施例に従って設計されたシステムは、いずれかの１つの図に示される特徴のすべて、または各図に概略的に示される部分のすべてを含む必要はない。さらに、一実施例の選択された特徴を他の実施例の選択された特徴と組合わせることができる。

前述の記述は、例示するためのものであり、本質を限定するためのものではない。当業者であれば、本開示の本質を逸脱することなく、いくつかの変更および修正がなされ得ることを理解されるであろう。

燃料電池セルスタックの選択された部分を概略的に示す図。 チャネル内の流れを部分的に妨げる一例としての妨害部材を有するチャネルを示す、図１の線２−２に沿って切り取った断面図。 曲線の形状を有する他の実施例の妨害部材を示す図。 一例としての妨害部材およびテーパを付されたチャネルを示す図。 プレート内に延在し、開口を有する一例としての妨害部材プレートを示す図（この妨害部材プレートは、チャネル内の流れを部分的に妨げるようにチャネルに対して移動可能である）。 図５Ａの例示的な障害部材プレートの斜視図。 妨害部材を有するチャネルが交差指型流れ場の上流に連続して配置されている実施例を示す図。 妨害部材を有するチャネルが交差指型流れ場の下流に連続して配置されている実施例を示す図。 妨害部材の寸法の範囲に亘る圧力降下に対する見込みセル電圧および実際のセル電圧を示す図。

Claims (20)

1. 燃料電池内で使用されるデバイスであって、
   底壁、細長い側壁、開口した頂部、前記細長い側壁の一方の端部におけるチャネル入口部、および前記細長い側壁のもう一方の端部におけるチャネル出口部と、の間に流路を有する燃料電池流れ場チャネルを備え、
   前記チャネル入口部および前記チャネル出口部のうちの少なくとも一方が、前記壁の１つから前記流路内へ部分的に延びる第１の突出部を含む妨害部材を含むとともに、
   妨害されないチャネル入口および妨害されないチャネル出口を有する平行燃料電池流れ場部を含み、前記燃料電池流れ場チャネルが前記平行燃料電池流れ場部から流体を受けるように流体連通することを特徴とするデバイス。
2. 前記突出部が、前記細長い側壁の一方から延びていることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
3. 前記妨害部材が、前記細長い側壁のもう一方から前記流路内へ部分的に延びる第２の突出部をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
4. 前記流路が公称断面積を有し、前記妨害部材が前記公称断面積の０％より大きく１００％未満の面積を妨げることを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
5. 前記妨害部材が前記公称断面積の７０％〜９０％の面積を妨げることを特徴とする請求項４に記載のデバイス。
6. 前記妨害部材が、前記公称断面積の８０％を妨げることを特徴とする請求項５に記載のデバイス。
7. 前記チャネル出口部が前記妨害部材によって少なくとも部分的に形成された出口開口を含み、かつ、前記チャネル入口部が前記出口開口より大きな入口開口を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
8. 前記燃料電池流れ場チャネルが曲線状のチャネル表面を含むことを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
9. 請求項１に記載のデバイスを用いて燃料電池流れ場を通流する流れを制御する方法であって、
   流路内の流体の流れに関連した効率と圧力を含む燃料電池流れ場の流れ特性の関係に所望のバランスをもたらすように、燃料電池流れ場流路の壁から燃料電池流路内へ部分的に延在する第１の突出部を含む妨害部材を使って燃料電池流れ場流路を妨げることを含む方法。
10. 前記燃料電池流れ場の流れ特性が、反応ガスの利用効率と、前記燃料電池流れ場流路を通流する反応ガスの圧力降下と、を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 燃料電池内で使用されるデバイスであって、
    底壁、細長い側壁、開口した頂部、前記細長い側壁の一方の端部におけるチャネル入口部、および前記細長い側壁のもう一方の端部におけるチャネル出口部と、の間に流路を有する燃料電池流れ場チャネルを備え、
    前記チャネル入口部および前記チャネル出口部のうちの少なくとも一方が、前記壁の１つから前記流路内へ部分的に延びる第１の突出部を含む妨害部材を含むとともに、
    全開入口および全閉出口を有する入口チャネルと、全開出口および全閉入口を有する出口チャネルと、を有する交差指型燃料電池流れ場部を含み、前記交差指型燃料電池流れ場部が前記燃料電池流れ場チャネルから流体を受けるように流体連通することを特徴とするデバイス。
12. 前記突出部が、前記細長い側壁の一方から延びていることを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記妨害部材が、前記細長い側壁のもう一方から前記流路内へ部分的に延びる第２の突出部をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記流路が公称断面積を有し、前記妨害部材が前記公称断面積の０％より大きく１００％未満の面積を妨げることを特徴とする請求項１２に記載のデバイス。
15. 前記妨害部材が前記公称断面積の７０％〜９０％の面積を妨げることを特徴とする請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記妨害部材が、前記公称断面積の８０％を妨げることを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
17. 前記チャネル出口部が前記妨害部材によって少なくとも部分的に形成された出口開口を含み、かつ、前記チャネル入口部が前記出口開口より大きな入口開口を含むことを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
18. 前記燃料電池流れ場チャネルが曲線状のチャネル表面を含むことを特徴とする請求項１１に記載のデバイス。
19. 請求項１１に記載のデバイスを用いて燃料電池流れ場を通流する流れを制御する方法であって、
    流路内の流体の流れに関連した効率と圧力を含む燃料電池流れ場の流れ特性の関係に所望のバランスをもたらすように、燃料電池流れ場流路の壁から燃料電池流路内へ部分的に延在する第１の突出部を含む妨害部材を使って燃料電池流れ場流路を妨げることを含む方法。
20. 前記燃料電池流れ場の流れ特性が、反応ガスの利用効率と、前記燃料電池流れ場流路を通流する反応ガスの圧力降下と、を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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