燃料電池および漏れを制限するバイポーラ・プレート

专利摘要:
燃料電池で使用される装置が、流れ場を取り囲む領域を有するバイポーラ・プレートと、上記領域の外側に配置され、燃料電池からの反応ガスの漏れを制限するシール流体を運ぶ少なくとも１つのチャネルと、を含む。
公开号:JP2011508948A
申请号:JP2010540624
申请日:2007-12-26
公开日:2011-03-17
发明作者:ニエゼルスキー，デービット，エー．；フィリップス，リチャード，アール．；ホイットン，ジョン，エイチ．
申请人:ユーティーシー パワー コーポレイション；
IPC主号:H01M8-02

专利说明:

[0001] 本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池からの反応ガスの漏れを制限することに関する。]
背景技術

[0002] 燃料電池は、周知の技術であり、様々な用途に対して発電するために使用される。一般に、燃料電池装置は、アノード、カソード、および該アノードとカソードとの間のイオン導伝性高分子交換膜（ＰＥＭ）を備えている。アノードとカソードは、バイポーラ・プレート（セパレータ・プレートとも呼ばれる）に挟まれており、バイポーラ・プレートは、周知の電気化学反応における電気の生成に用いる反応ガスをＰＥＭへ送るための流れ場を備えている。一般に、１つまたは複数のこれらのバイポーラ・プレートは、さらに、反対側に、燃料電池を所望の動作温度に維持するように水を循環させる冷却液流れ場を備えている。]
発明が解決しようとする課題

[0003] 燃料電池に関連する問題の１つは、プレート外への漏れを制限し或いは防ぐように、燃料電池内に反応物を封じ込めることに関連する。例えば、多孔質バイポーラ・プレート（水輸送プレートとも呼ばれる）を利用する燃料電池においては、反応ガスは、一般に、冷却水の圧力に対して、所望のガス圧力で供給される。しかし、圧力が所望の範囲内に維持されていない場合、反応ガスは、冷却水の圧力に打ち勝って、流れ場から漏れてしまうことがある。さらには、多孔質あるいは固体のバイポーラ・プレートについては、反応ガスは、燃料電池の製造に使用される材料内を拡散することがあり、あるいは、バイポーラ・プレートとＰＥＭとの間に生じた漏出経路を通って漏れることがある。従って、漏れをなくすことが重要なシステムにおいては、一般に、反応ガスの外部への漏れを防ぎ或いは制限する封じ込め方法を提供することが求められている。]
[0004] 反応ガスの漏れを封じ込めるための燃料電池の一例として、Ｓｃｈｒｏｌｌらに発行された米国特許第６，１８７，４６６号明細書に開示されている燃料電池は、漏れを制限するための湿潤エッジシールを含む。この湿潤エッジシールは、多孔質水輸送プレートの側面付近に形成されている。孔の大きさに関連する毛細管の力によって、水が、孔に含浸される。含浸された孔により、水冷却システム内への反応ガスの漏れを制限しかつ反応ガスの外部への漏れを制限する湿潤シールが提供される。]
[0005] 上記の湿潤シールは、漏れを導いてしまういくつかの問題を有し得る。例えば、孔の寸法が小さく、孔を通流する水の流量が比較的小さいことは、すべての種類の漏れを封じ込めるのに適当ではない。比較的大きな漏れ或いは継続的な漏れが、湿潤シールの封じ込め能力に打ち勝つことがある。また、プレートのすべての部分を湿潤状態に維持するように、孔を通して水を輸送することは難しいので、いくつかの多孔質水輸送プレートは「ドライアウト」し易いものとして知られている。湿潤シールの位置においてドライアウトが生じた場合、乾燥した部分が、湿潤シールを通り抜ける漏出経路を与えてしまうことがある。]
[0006] 従って、燃料電池およびバイポーラ・プレートにおいて、燃料電池からの反応ガスの漏れを制限することが必要とされている。]
課題を解決するための手段

[0007] 燃料電池において使用される一例の装置が、流れ場を取り囲む領域を有するバイポーラ・プレートを含む。少なくとも１つのチャネルが、上記領域の外側に配置され、燃料電池からの反応ガスの漏れを制限するシール流体を運ぶ。一例においては、複数のバイポーラ・プレートが、周知の方法での発電に用いられる少なくとも１つの電極に関連する。]
[0008] プレート外への漏れを制御する方法の一例が、チャネルを通流するシール流体の流れを確立し、このシール流体を使って、上記領域から漏れた反応ガスを捕捉し、これによって、燃料電池からの反応ガスのプレート外への漏れを制限すること、を含む。]
[0009] 本発明のさまざまな特徴および利点は、以下の好ましい実施例の詳細な説明から、当業者に明らかとなる。]
図面の簡単な説明

[0010] 少なくとも１つの単位セルアセンブリを有する燃料電池の一例を示す図。
燃料電池のバイポーラ・プレートを示す図。
燃料電池の他のバイポーラ・プレートの一方の側の面を示す図。
図３に示すバイポーラ・プレートの反対側の面を示す図。
燃料電池の単位セルアセンブリの要部を示す図。] 図３
実施例

[0011] 図１は、発電に用いる燃料電池１０の一例の要部を拡大して示す概略図である。図示した例においては、燃料電池１０は、少なくとも１つの単位セル１２を含む。例えば、発生させるべき所望の電気量に依存して、燃料電池セルスタックを形成するために、複数の単位セル１２を使用することができる。周知のように、単位セル１２、あるいは複数の単位セル１２からなる燃料電池セルスタックは、周知の方法で、圧力プレート間に固定され、燃料電池１０を形成する。さらに、燃料電池１０は、反応ガスや冷却水などの供給に関連する部品などの、図示していない様々な追加の部品を含み得る。当業者であれば、この説明が与えられれば、本開示例は、様々な燃料電池の構成に適用可能であることを理解されよう。] 図１
[0012] 開示例においては、単位セル１２は、第１のバイポーラ・プレート１６および第２のバイポーラ・プレート１８（これらは、ＭＥＡ１４電極に対する位置によって、アノード・バイポーラ・プレートおよびカソード・バイポーラ・プレートと呼ばれる）の間に配置された膜・電極接合体（ＭＥＡ）１４を備えている。バイポーラ・プレート１６，１８は、図示した例のように多孔質としてもよいし、あるいは、例えば、炭素複合材または金属からなる固体としてもよい。ＭＥＡ１４は、例えば、カソード触媒電極、アノード触媒電極、および高分子交換膜を含むが、どのような特定の構成にも限定されない。]
[0013] 図示した例においては、第１のバイポーラ・プレート１６と、第２のバイポーラ・プレート１８と、ＭＥＡ１４は、例えば、結合フィルム２０を使用して、一体に固定されている。結合フィルム２０は、例えば、低密度のポリエチレンからなる比較的薄い層である。]
[0014] 図２は、第１のバイポーラ・プレート１６を示す。図３は、第２のバイポーラ・プレート１８を示し、図４は、図１および図２では見えない第２のバイポーラ・プレート１８の反対側の面を示す。第１のバイポーラ・プレート１６の反対側の面も、図４に示すのと同様に構成することができる。バイポーラ・プレート１６，１８の各々は、多様な互いに異なるマニホールド２２および流れ場２４を備えている。さらに図５に示すように、開示例における第１のバイポーラ・プレート１６の流れ場２４は、第１の反応ガス（例えば、水素）をＭＥＡ１４に供給する。開示例における第２のバイポーラ・プレート１８の流れ場２４は、２種類の流れ場２４を含む。一方の側にある第１の流れ場２６は、冷却水を循環させ、反対側にあるもう一つの流れ場２８は、第２の反応ガス（例えば、酸素）をＭＥＡ１４に供給する。マニホールド２２は、周知の方法で、流れ場２４，２６，２８に冷却水または反応ガスのいずれかを供給する。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５
[0015] 流れ場２４，２６，２８の各々は、該流れ場２４，２６，２８を取り囲んでいる関連の領域２９（点線で示されている）を画定する。従って、各領域２９は、該領域２９の内側の領域（例えば、流れ場２４，２６，２８）を画定するとともに、マニホールド２２などの、該領域２９の外側の領域を画定する。]
[0016] 図示した例においては、単位セル１２は、該単位セル１２をシールして反応ガスと冷却水との混合を防ぐガスケットシステム３０を利用している。例えば、ガスケットシステム３０は、第２のバイポーラ・プレート１８の周縁に沿って或いは様々なマニホールド２２の周囲に沿って延在するガスケットチャネル３４内に配置された１つまたは複数のガスケット３２を含む。他の例においては、燃料電池１０の特定の構成に応じて、追加のガスケットが使用される。]
[0017] 例示したバイポーラ・プレート１６，１８の各々は、該バイポーラ・プレート１６，１８における領域２９の外側に配置されたチャネル４４を備えている。開示例においては、チャネル４４は、流れ場２４，２６，２８の領域２９の周囲全体を取り囲んでいるが、他の例においては、チャネル４４は、流れ場２４，２６，２８の周囲の一部のみに沿って延びている。]
[0018] チャネル４４は、燃料電池１０からの反応ガスの漏れを制限するシール流体を循環させる。図示した例においては、チャネル４４は、対応するバイポーラ・プレート１６，１８内へと形成されている。例えば、チャネル４４は、機械加工、型成形または他の適当な方法によって、流れ場２４，２６，２８のチャネルと同様に形成することができる。]
[0019] 図示した例においては、第１のバイポーラ・プレート１６のチャネル４４は、周縁に沿って延在し、かつ冷却水を供給する少なくとも１つのマニホールド２２と流体的に接続している。第２のバイポーラ・プレート１８は、各側に１つずつ、２つのチャネル４４を備えている。第２のバイポーラ・プレート１８のチャネル４４もまた、冷却水を供給するマニホールド２２の１つと流体的に接続している。選択的に、いずれのチャネル４４も、１つまたは複数のマニホールド２２に隣接するように該チャネル４４から延びている、ブランチチャネル４４ａ（図４）のような１つまたは複数のブランチチャネルを含み得る。図示した例においては、ブランチチャネル４４ａは、以下に詳しく説明するように、マニホールド２２の１つ（燃料反応ガス出口マニホールドなど）を取り囲み、マニホールドからの種々の漏れを制限する。また、第１のバイポーラ・プレート１６は、第２のバイポーラ・プレート１８と同様に、第２のチャネル４４をさらに含み得る。] 図４
[0020] 動作中には、マニホールド２２からの冷却水は、第２のバイポーラ・プレート１８の第２の流れ場２６を通って流れ、冷却を提供する。また、多孔質型のバイポーラ・プレート１６，１８が使用される場合には、冷却水が孔に浸透することによって、バイポーラ・プレート１６，１８が湿潤状態に維持される。]
[0021] 冷却水は、また、チャネル４４を通って流れ、シール流体として機能する。以下に詳しく説明するように、流れ場２４から漏出した種々の反応ガスは、チャネル４４を通流している冷却水によって捕捉されて運び去られ、これによって、燃料電池１０からの外部への漏れが防止され或いは制限される。]
[0022] 開示例においては、各バイポーラ・プレート１６，１８におけるチャネル４４は、ガスケットチャネル３４と、領域２９の各々と、の間に配置されている。従って、チャネル４４内を流れている冷却水は、漏出防止の第１の段となり、反応ガスがこの冷却水およびチャネル４４を通り抜けた場合には、ガスケット３２が、漏出防止の第２の段となる。代替的に、チャネル４４と領域２９との間にガスケット３２を配置してもよい。]
[0023] 一例においては、第１のバイポーラ・プレート１６あるいは第２のバイポーラ・プレート１８、またはこれらの双方が多孔質であり、冷却水が周知のように孔に浸透する。しかし、ある状況の下では、孔がドライアウトすることがあり、これによって、反応ガスの漏出経路を形成してしまう。例えば、図５に示すように、気泡４６が、第２のバイポーラ・プレート１８の乾燥した部分を通って拡散することがある。この気泡４６は、単位セル１２の端縁に向かって拡散する過程で、チャネル４４の一つに接近する。チャネル４４内を流れている冷却水が気泡４６を捕捉し、これによって、気泡４６が燃料電池１０から外部へ漏れることが防止される。同様に、第１のバイポーラ・プレート１６または第２のバイポーラ・プレート１８と結合フィルム２０との境界に漏出経路が形成されている場合、漏出した反応ガスが、チャネル４４を通流している冷却水によって捕捉されることによって、反応ガスが外部へ漏れることが防止される。] 図５
[0024] さらに、漏出した反応ガスの捕捉を容易にするように、チャネル４４を流れる冷却水の圧力を、反応ガスの圧力に対して制御しても良い。例えば、反応ガスと冷却水との圧力差によって、漏出した反応ガスがチャネル４４内へ引き込まれるように、反応ガスの圧力を、冷却水の圧力よりも高くすることができる。圧力差の大きさに応じて、領域２９あるいはマニホールド２２から漏出反応ガスを引き込むことができる影響範囲が、チャネル幅の数倍の範囲に亘って生じ得る。]
[0025] 開示例においては、チャネル４４を流れる冷却水の質量流量は、漏れを防ぐための所望の量を供給するように制御することができる。例えば、比較的大きな質量流量とすることによって、これに対応するさらに多量の漏出反応ガスを運び去る能力が得られる。従って、所望の程度の外部への漏出防止を提供するために、予測される反応ガスの漏出量に基づいて、冷却水の所望の質量流量を確定することができる。一例として、チャネル４４を通流する冷却水の流量は、冷却水を循環させることに関連するポンプなどを使って、周知の方法で制御される。]
[0026] 選択的に、図５に示すように、第１のバイポーラ・プレート１６の端縁あるいは第２のバイポーラ・プレート１８の端縁あるいはこれらの双方には、漏出をさらに制限するために、エッジシール５８を設けても良い。この例においては、エッジシール５８は、第１のバイポーラ・プレート１６あるいは第２のバイポーラ・プレート１８における孔の内部に含浸された固体シール材料６０を含む。例えば、固体シール材料６０は、低密度のポリエチレンあるいは他の種類のシール材料を含む。] 図５
[0027] 開示例においては、エッジシール５８は、固体シール材料を含んでいないある程度の量の孔を囲むようなＵ字形の形状を形成している。他の例においては、エッジシール５８は、別の構成を有し得る。囲まれた部分の孔と、Ｕ字形の開口付近の移行部６２における孔は、固体シール材料６０が冷却水のアクセスを妨げるので、ドライアウトし易い。さらには、固体シール材料６０の疎水性によって、エッジシール５８付近の孔への冷却水の輸送が妨げられることがある。しかし、図示した例においては、チャネル４４が、エッジシール５８に隣接して配置されており、これが冷却水の源となって、エッジシール５８付近の孔を湿潤状態に維持する。従って、チャネル４４は、また、バイポーラ・プレート１６，１８のドライアウトを制限するという利点がある。]
[0028] さらには、チャネル４４は、酸素反応ガスの入口として機能するマニホールド２２の１つの付近に配置することができる。これにより、チャネル４４からの冷却水は、また、反応ガスが燃料電池１０内へ入るときに、該反応ガスを所望の程度にまで水和させるように機能する。]
[0029] 図示した例に特徴の組み合わせが示されているが、本開示の様々な実施例の利点を実現するために、これらの特徴のすべてを組み合わせる必要はない。換言すれば、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必ずしも含んでいない。さらに、一実施例における選択された特徴と、他の実施例における選択された特徴と、を組み合わせることができる。例えば、図示した例においては、チャネル４４内を流れるシール流体として、冷媒マニホールドからの既存の冷却水を都合よく利用しているが、シール流体は、また、窒素などのガスとすることができ、あるいは、不凍剤などの別個の流体とすることができる。このような場合、シール流体は、燃料電池内で他の流体システムから独立して動作させることができ、あるいは、図示した例に示すように、燃料電池システムと統合させることができる。]
[0030] 上記の説明は、性質を限定するためのものではなく、例示するためのものである。当業者には、本発明の範囲を必ずしも逸脱することなく、開示した例に対して、いくつかの変形および変更がなされ得ることが明らかであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は、特許請求の範囲を検討することのみによって確定される。]

权利要求:

請求項1
流れ場を取り囲む領域を有するバイポーラ・プレートと、上記領域の外側に配置され、燃料電池からの反応ガスの漏れを制限するシール流体を運ぶ少なくとも１つのチャネルと、を備える、燃料電池内で使用される装置。
請求項2
上記流れ場が冷却液流れ場を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項3
上記流れ場が反応ガス流れ場を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項4
上記少なくとも１つのチャネルは、上記バイポーラ・プレートの第１の面上にある第１のチャネルと、反対側の第２の面上にある第２のチャネルと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項5
上記少なくとも１つのチャネルは、少なくとも一部が上記バイポーラ・プレート内へ延びていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項6
上記少なくとも１つのチャネルは、上記領域を取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項7
上記少なくとも１つのチャネルは、矩形の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項8
上記バイポーラ・プレートは、上記領域の周囲の一部に延びているガスケットを含み、上記少なくとも１つのチャネルが、上記ガスケットと上記領域との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項9
上記バイポーラ・プレートは、多孔質構造体であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項10
上記バイポーラ・プレートは、少なくとも一部が固体シーラントで充填された孔を有する、シールされた端縁部を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項11
上記バイポーラ・プレートは、上記バイポーラ・プレートのシールされた端縁部と、上記バイポーラ・プレートの残りの部分と、の間の移行部を含み、上記少なくとも１つのチャネルが、上記移行部に隣接していることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
請求項12
上記バイポーラ・プレートは、マニホールドを含み、上記少なくとも１つのチャネルが、上記マニホールドを取り囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項13
上記マニホールドは、冷却液マニホールドおよび反応ガスマニホールドの少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
請求項14
上記領域の周囲の一部に延びているガスケットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
請求項15
少なくとも１つの電極と、上記少なくとも１つの電極に関連する複数のバイポーラ・プレートであって、流れ場を取り囲む領域を各々有する複数のバイポーラ・プレートと、上記領域の外側に配置され、燃料電池からの反応ガスの漏れを制限するシール流体を運ぶチャネルと、を備える燃料電池。
請求項16
上記バイポーラ・プレートの各々は、上記バイポーラ・プレートに冷却液を供給するための冷却液マニホールドを含み、上記チャネルが、上記冷却液マニホールドと流体的に接続していることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
請求項17
各冷却液マニホールドは、対応するバイポーラ・プレートの一端部付近における第１のマニホールドと、対応するバイポーラ・プレートの他の端部付近における第２のマニホールド部と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池。
請求項18
上記流れ場は、冷却液流れ場および反応物流れ場の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
請求項19
上記少なくとも１つの電極は、アノード触媒、カソード触媒、および高分子交換膜を備えることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
請求項20
複数のバイポーラ・プレートを含む燃料電池からの反応ガスの外部への漏れを制御する方法であって、各バイポーラ・プレートが、流れ場を取り囲む領域と、該流れ場の周囲の少なくとも一部に沿って延びているチャネルと、を備えるものにおいて、上記チャネルを通してシール流体の流れを確立し、上記領域の１つから漏出した反応ガスを上記シール流体によって捕捉し、上記燃料電池からの反応ガスの外部への漏れを制限する方法。
請求項21
予測される反応ガス漏出速度に基づいて、シール流体の所望の流量を確定することをさらに含む請求項２０に記載の方法。
請求項22
上記複数のバイポーラ・プレートにおいて冷却液を供給する冷却液マニホールドからシール流体の流れを得ることをさらに含む請求項２０に記載の方法。
請求項23
上記バイポーラ・プレートの１つの周縁に沿って延びているガスケットと、流れ場の１つと、の間にシール流体を流すことを含む請求項２０に記載の方法。
請求項24
上記領域から漏出した反応ガスが上記シール流体内へ引き込まれるように、上記シール流体の第１の圧力と、この第１の圧力よりも大きい反応ガスの第２の圧力と、を確定することを含む請求項２０に記載の方法。