JP2006514404A - 分岐した中間部分を有する流界を備えたｐｅｍ燃料電池 - Google Patents

Abstract

ＰＥＭ燃料電池の電流収集プレートは、反応ガス流界を有し、反応ガス流界は、各々が燃料供給マニフォルドと連通する入口脚部と、燃料排出マニフォルドと連通する出口脚部と、入口および出口脚部の中間のブランチ中間部分を有する複数の流れチャネルを含む。

Description

この発明は、ＰＥＭ燃料電池およびさらに詳細には、反応体流界に関する。

これは、Ｊｅｆｆｒｅｙ Ｒｏｃｋの名義で２００３年１月３１日に出願され、本願の譲受人に譲渡された（現在放棄されている）米国特許出願第１０／３５６６７２号の一部継続出願である。

燃料電池は、多数の用途のための電源として提案されている。１つのこのような燃料電池は、ＰＥＭ（すなわち、プロトン変換膜）燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、従来技術で知られており、その各電池内に、その一面に形成されたアノード電極フィルム（すなわち、ｃａ．０．００５８ｃｍ（０．００２インチ））と、その反対面に形成されたカソード電極フィルム（すなわち、ｃａ．０．００５８ｃｍ（０．００２インチ））とを有する薄い（すなわち、０．００３８１ｃｍ（ｃａ．０．００１５インチ）から０．０１７７８ｃｍ（０．００７インチ））、プロトン導電性、ポリマーの膜電極を備えるいわゆる「膜電極組立体」（以降、ＭＥＡ）を含む。このような膜電極は、この技術分野でよく知られており、特に、米国特許第５，２７２，０１７号および米国特許第３，１３４，６９７号ならびにＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ、第２９巻（１９９０年）３６７〜３８７ページに開示されている。一般には、このような膜電極は、イオン交換樹脂、典型的には、Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏ．から市販されているＮＡＦＩＯＮ（商標）のようなパーフルオロネーテドスルフォン酸ポリマーを含む。他方、アノードおよびカソードフィルムは、一般に、（１）細かく分割された炭素粒子、炭素粒子の内面および外面上に支持された非常に細かく分割された触媒粒子、触媒および炭素粒子と混ざったプロトン導電材料（例えば、ＮＡＦＩＯＮ（商標））または（２）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤を通して分散された触媒粒子、サン炭素を含む。１つのこのようなＭＥＡおよび燃料電池は、１９９３年１２月２１日に発行され、本発明の譲受人に譲渡されている米国特許第５，２７２，０１７号に開示されている。

ＭＥＡは、「拡散層」として知られる多孔性、ガス透過性の導体性材料のシート間に挟まれており、拡散層は、ＭＥＡのアノード面およびカソード面を押さえ付け、（１）アノードおよびカソードのための主電流コレクタ、また（２）ＭＥＡのための機械的支持体として働く。好適なそのような主電流コレクタシートは、当技術分野で周知のように、炭素または黒鉛の紙または布、細かい網目状の貴金属スクリーンなどを含み、これらを介して、ランドの下にあるＭＥＡに接触するように、ガスが拡散する、またはガスを逐い込むことができる。

したがって、成形されたサンドイッチは、主な電流コレクタから電流を収集し、スタックの内側（すなわち、バイポーラプレートの場合）の隣接する電池とスタックの外側（すなわち、スタックの端部でのモノポーラプレートの場合）との間で電流を流すために二次電流コレクタとして作用する１対の導電性プレートの間で押される。二次電流収集プレートは各々が、アノードおよびカソードの表面上で燃料電池のガス反応体（例えば、Ｈ_２またはＯ_２／空気）を分配するいわゆる「流界」を含む少なくとも１つの活性領域を含む。流界は、複数のランドを含み、このランドは、主電流コレクタに係合し、その間に複数の溝または流れチャネルを画定し、この複数の溝または流れチャネルを通ってガス状反応体が、チャネルの一端のプレートのヘッダ領域の供給マニフォルドとチャネルの他端のプレートのヘッダ領域の排気マニフォルドとの間を流れる。

（１）供給マニフォルドと排気マニフォルドとの間の差圧と、（２）同じ流れチャネルの隣接する流れチャネルまたはセグメントとの間の差圧は、燃料電池を設計する上で相当重要である。蛇行したチャネルは、所望のマニフォルド対マニフォルド差圧ならびに相互チャネル差圧を達成するために使用されてきた。蛇行した流れチャネルは、スタックの供給マニフォルドと排気マニフォルドとの間でサンドイッチスタイルで延びている奇数の脚部を有する。蛇行した流れチャネルは、供給マニフォルドと排気マニフォルドとの間の差圧を変化させるために種々の幅、深さ、長さを使用し、脚部を分離するランドに対向するＭＥＡを反応体に露出するために電流を収集する拡散層を介して隣接する流れチャネルの間、または同じ流れチャネルの隣接するセグメントの間の反応体ガストランスランドを駆動するために設計されるとよい。例えば、上流の脚部を平行な下流の脚部から分離するランドに係合する拡散層を通って移動することによって、流れチャネルの上流の脚部（すなわち、圧力がより高い）から同じ流れチャネルの平行な下流の脚部（すなわち、圧力がより低い）に、あるガスを流すことができる。供給マニフォルドと排気マニフォルドとの間で多少直接延びている、すなわち、中にヘアピン／スイッチバックタイプの曲がりがなく、したがって、蛇行した流れチャネルより短い長さで、蛇行していない流れチャネルが提案されている。

流界の設計者は、活性領域上に燃料／酸化体ガスを均一に分配するための複数の流れチャネルを有する二次電流コレクタの活性領域を提供しようとする。これまで、プレートの活性領域に設けられる流れチャネルの数は、Ｈ_２およびＯ_２マニフォルドに利用可能であるヘッダスペースによって制限された。この観点において、Ｈ_２およびＯ_２マニフォルドの各々を形成するために利用可能であるヘッダの部分は、比較的小さく（例えば、すべてのマニフォルドに利用可能なヘッダスペース全体の約１／２以下）、これは、供給および排気マニフォルドの近傍において（すなわち、流れチャネルおよびマニフォルドが一致する場所の近傍において）、流れチャネルが混み合うことから生じる。より少ない流れチャネルは、より大きなマニフォルド対マニフォルド圧力の低下を生じ、流界を通って反応体ガスを供給するのにより多くのエネルギーを必要とする。

本発明は、供給および排気マニフォルドに連通する入口および出口脚部に隣接して分岐した中間部分を有する流れチャネルを有し、それによって、より低いマニフォルド対マニフォルドの圧力低下が可能になるＰＥＭ燃料電池流界に関する。さらに、分岐した流れチャネルは、流れチャネルのブランチの１つが水でつまる場合、単一の流れチャネル内で流れるために反応体ガスの他の経路を提供する。さらに詳細には、本発明は、ＭＥＡの少なくとも一方の面に係合するガス透過性、導電性電流コレクタと、ガス透過性電流コレクタに係合し、ガス透過性電流コレクタに対向するガス流界を画定する電流収集プレートとを有するＰＥＭ燃料電池に関する。流界は、ガス透過性電流コレクタに係合する、また複数のガス流チャネルを画定する複数のランドを含み、流れチャネルの各々は、（ａ）ガス反応体供給マニフォルドに連通する入口脚部と、（ｂ）ガス反応体排出マニフォルドに連通する出口脚部と、（ｃ）入口および出口脚部の間の分岐中間部分とを有し、分岐中間部分は、入口脚部に連通する第１の端部と出口脚部に連通する第２の端部とを各々が有する第１のブランチおよび第２のブランチを備える。流れチャネルは、蛇行しているか、蛇行していない。ＭＥＡのカソード側に対向する３つほどのブランチを有するか、ＭＥＡのアノード側に対向する５つほどのブランチを有していてもよい。

本発明は、以降いくつかの図面に関連して与えられたある特定の実施形態の次の詳細な説明によって考えたときにさらによく理解できるであろう。

簡単にするために、以降、２つの電池スタックのみ（すなわち、１つのバイポーラプレート）が示され、説明される。典型的なスタックは、さらにこのような電池およびバイポーラプレートを有することを理解すべきである。図１は、導電性、液冷のバイポーラプレート８によって互いに分離された１対の膜電極組立体（ＭＥＡ）４および６を有する２電池式のバイポーラ型ＰＥＭ燃料電池スタックを示す。ＭＥＡ４および６およびバイポーラプレート８は、ステンレススチールクランピングプレート１０および１２とモノポーラ端部プレート１４および１６との間に一緒に積み重ねられている。クランピングプレート１０、１２は、ガスケットまたは誘電コーティング（図示せず）によって端部プレート１４、１６から電気的に絶縁されている。モノポーラ端部プレート１４および１６ならびにバイポーラプレート８の双方の作業面は、ＭＥＡ４および６の面上に燃料およびオキシダントガス（すなわち、Ｈ_２およびＯ_２）を供給するためのいわゆる「流界」を画定する複数の溝またはチャネル１８、２０、２２および２４を含む。非導電性ガスケット２６、２８、３０および３２は、燃料電池スタックのいくつかの部品の間に密封および電気絶縁を提供する。ガス透過性炭素／グラファイト拡散紙３４、３６、３８および４０は、ＭＥＡ４および６の電極を押す。端部プレート１４および１６は、炭素／グラファイト紙３４および４０をそれぞれ押すが、バイポーラプレート８はＭＥＡ４のアノード面の炭素／グラファイト紙３６およびＭＥＡ６のカソード面の炭素／グラファイト紙３８を押す。

バイポーラプレート８は、グラファイト、グラファイト充填ポリマーまたは金属を含むことができる。好ましくは、バイポーラプレートは、間に冷却剤流通路を形成するように一緒に結合された２つの分離した金属シート／パネルを含む。結合は、この技術分野でよく知られているような、例えば、ブレージング、拡散結合、または導電性接着剤による糊付けによって行われてもよい。

図２は、燃料電池内に一緒に積み重ねられたときのバイポーラプレート８、第１の主要な多孔性電流コレクタ４２、ＭＥＡ４３および第２の主要な多孔性電流コレクタ４４の分解斜視図である。二次バイポーラプレート（図示せず）は、第２の主要な電流コレクタ４４を下にして１つの完全な電池を形成する。同様に、主要な電流コレクタおよびＭＥＡ（図示せず）の他の組は、上方シート５８の上になる。バイポーラプレート８は、第１の外部金属シート５８と、第２の外部金属シート６０と、選択的な穿孔された内側金属シート６２を含み、内側金属シート６２は、第１の金属シート５８と第２の金属シート６０との間でブレージングされる。金属シート５８、６０および６２は、できるだけ薄く形成され（例えば、約０．００５０８〜０．０５０８ｃｍ（約０．００２〜０．０２インチ）、スタンピングによって、フォトエッチング（すなわち、フォトリソグラフマスクを通して）によって、またはシート金属を形成するために他の従来の処理によって形成されることができる。外部シート５８は、複数のランド６４によって特徴づけられる反応体ガス流界を提供するように形成され、複数のランド６４は、燃料電池の反応体ガス（すなわち、空気からＯ_２）の１つがその他端７０の近傍にバイポーラプレートの一端６８の近傍から流れる複数の蛇行していないガス流チャネル６６を画定する。燃料電池が完全に組み立てられるとき、ランド６４は、その上にある主要な電流コレクタを押し（図示せず）、それは、次に、それが関連するＭＥＡを押す（図示せず）。動作において、電流は、ランド６４を通って、したがって、スタックを通って主要な電流コレクタから流れる。Ｏ_２ガスは、いくつかのプレート、ガスケット等の整列した開口７２によって形成されたヘッダまたは供給マニフォルドから流れチャネル６６に送られ、いくつかのプレート、ガスケット等の整列した開口７４によって形成された排気マニフォルドを介してチャネル６６を出る。Ｈ_２は、いくつかのプレート、ガスケット等の整列した開口７６によって形成されたヘッダまたは供給マニフォルドからプレート６０の下側の流れチャネルに送られ、いくつかのプレート、ガスケット等の整列した開口７８によって形成された排気マニフォルドを通って排出される。冷却剤は、いくつかのプレート、ガスケット等の整列した開口７５によって形成された入口マニフォルドからいくつかのプレート、ガスケット等の開口７７によって形成された出口マニフォルドにシート５８および６０の間を通過する。この観点において、バイポーラプレート８（例えば、図２参照）は、主要な電流コレクタに係合する中央活性領域「Ａ」を有し、不活性ヘッダ領域「Ｂ」および「Ｃ」によって境界づけられている。不活性領域Ａは、それが対向するＭＥＡ４３の面上にＯ_２／空気を分配するために複数の流れチャネル６６を含むカソード流界を有する作業面を有する。バイポーラプレート８の反対（すなわち、アノード）側（図示せず）の同様の作業面２２は、それが対向する面上にＨ_２を分配するために作用する。バイポーラプレート８の活性領域Ａは、いくつかの開口７２、７４、７５、７６、７７および７８を含む２つの不活性領域ＢおよびＣが側面にある。プレートが一緒に積まれるとき、１つのバイポーラプレートの開口は、他のバイポーラプレートの同様な開口に整列する。ガスケット２６、２８、３０および３２のようなスタックの他の部品ならびにＭＥＡ４および６の膜および端部プレート１４、１６は、スタック内のバイポーラプレートの開口７２、７４、７５、７６、７７および７８に整列する対応する開口（図１参照）を有し、それとともにスタックに／スタックからガス状反応体および液体冷却剤を供給しそれを排出するための前述したマニフォルドを形成している。図１を参照すると、酸素／空気は、適当なＯ_２供給配管８２を介してスタックの空気供給マニフォルド７２に送られ、水素は、Ｈ_２供給配管８０を介して水素供給マニフォルド７６に供給される。Ｈ_２（８６）およびＯ_２／空気（８４）の双方のための排気配管は、Ｈ_２および空気排気マニフォルドのために設けられる。他の配管８８および９０は、それぞれ、冷却剤入口７５および出口７７マニフォルドに液体冷却剤を送り、そこから、冷却剤を除去するために設けられている。

金属シート６０は、シート５８と同様である。シート５８と同様、シート６０の下側は、第１の電流コレクタ４２に係合する作業面２２を有する。選択的に、穿孔を有し、内側の金属シート６２は、外側シート５８および６０の間で使用されることができ、外側シート５８および６０とさらに有効に熱交換するために冷却剤の乱流を生じる複数の開口９２を含む。

図３は、プレート５８の平面図であり、本発明の１つの実施形態による、分岐した蛇行していない流れチャネルをさらにはっきりと示す。各流れチャネルは、Ｏ_２供給マニフォルド７２に連通している入口脚部９６と、Ｏ_２排出マニフォルド７４に連通している出口脚部１００と、入口および出口脚部９６および１００と連通している流れチャネルの中間部分において中間脚部／ブランチ１０４および１０６を有する。入口脚部９６は、複数の開口１０８およびスロット１１０を介して供給マニフォルド７２と連通し、スロット１１０は、プレート５８の部分１１２の下になる通路（図示せず）を介してマニフォルド７２に連通している。同様に、出口脚部１００は、複数の開口１１４を介して出口マニフォルド７４に連通しており、複数の開口１１４は、次に、スロット１１６を介して出口マニフォルド７４に連通しており、スロット１１６は、プレート５８の部分１１８の下の通路（図示せず）を介してマニフォルド７４と連通している。いくつかの流れリストラクタ９４、９８および１０２（例えば、流れチャネル内の制限部分）は、必要に応じて中の所望の差圧を達成するために分岐した流れチャネル６６のいくつかの入口（９６）、出口（１００）および中間（１０４）脚部内に有利に位置決めされ／配置される。流れリストラクタは、同時係属の米国特許出願ＵＳＳＮ（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ ＧＰ−３０１４２９）内にさらに詳細に説明されており、これは、同時に出願されており、参照によりこの明細書に組み込まれる。

図４は、電流収集プレート１１９を示す本発明の他の実施形態の平面図であり、電流収集プレート１１９は、各々が入口脚部１２２、出口脚部１２４および第１のブランチ１２６および第２のブランチ１２８を含む分岐した中間部分を有する分岐し蛇行した流れチャネル１２０を有する。入口脚部１２２は、複数の開口１３２およびプレート１１９の部分１３６の下になる通路（図示せず）を介してマニフォルド１３０に連通するスロット１３４を介してＨ_２供給マニフォルド１３０と連通している。同様に、出口脚部１２４は、複数の開口１４０およびプレート１１９の部分１４４の下になる通路（図示せず）を介して出口マニフォルド１３８に連通するスロット１４２を介してＨ_２供給マニフォルド１３８と連通している。

本発明を２つのみのブランチを有する分岐した流れチャネルのコンテキストで上述したが、それには制限されない。むしろ、Ｈ_２の流れチャネルの場合、５つまでのブランチ（すなわち５分岐）が有効であり、空気の流れチャネルの場合、３つのブランチ（すなわち、３分岐）が有効である。この観点において、入口および出口脚部は、流れチャネルのいくつかのブランチを通って流れるガスすべてを通さなければならない。ブランチの数が多すぎると、入口および出口脚部内の過大な圧力低下を招く。

本発明をその特定の実施形態に関して説明したが、それに制限されるものではなく、添付の特許請求の範囲内において説明する程度のみ制限されるものである。

ＰＥＭ燃料電池スタック（２つの電池のみが示されている）の概略分解斜視図である。 ＭＥＡおよびＰＥＭ燃料電池スタックのバイポーラプレートの分解斜視図である。 図２のバイポーラプレートの平面図である。 本発明の他の実施形態の平面図である。

Claims (6)

1. （１）両側に対向するカソードおよびアノード面を有するプロトン交換膜と、
   （２）前記面の少なくとも一方に係合するガス透過性導電性電流コレクタと、
   （３）前記ガス透過性電流コレクタに係合し、前記ガス透過性電流コレクタに対向するガス流界を画定する電流収集プレートとを含み、前記流界は、前記ガス透過性電流コレクタに係合し、複数のガス流チャネルを画定する複数のランドを含み、
   前記流れチャネルの各々は、（ａ）反応体ガスを前記流れチャネルすべてに供給する供給マニフォルドに連通する入口脚部と、（ｂ）前記流れチャネルすべてから前記反応体ガスを受ける排出マニフォルドに連通する出口脚部と、（ｃ）各々が、前記入口脚部に連通する第１の端部および前記出口脚部に連通する第２の端部を有する第１のブランチおよび第２のブランチを含む前記脚部の間の分岐した中間部分とを有するＰＥＭ燃料電池。
2. 前記流れチャネルは、蛇行していない請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。
3. 前記流れチャネルは、蛇行している請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。
4. 前記中間部分は、分岐している請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。
5. 前記流界は、Ｈ_２を前記膜のアノード面に供給するようになっており、前記分岐した中間部分は、５つまでの前記ブランチを含む請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。
6. 前記流界は、空気を前記膜のカソード面に供給するようになっており、前記分岐した中間部分は、３つまでの前記ブランチを含む請求項１に記載のＰＥＭ燃料電池。

Images