JP2012521070A

JP2012521070A - パージマニホルドを備えた燃料電池

Info

Publication number: JP2012521070A
Application number: JP2012500768A
Authority: JP
Inventors: バドリナラヤナン，パラバスツ; 一樹雨宮
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2012-09-10
Also published as: US10511032B2; WO2010107428A1; US20170346103A1; US9780388B2; US20120003551A1

Abstract

燃料電池が、電流および副生成水を発生させるアノードおよびカソードの間に電解質を有する電極アセンブリを含む。多孔板が電極に隣接して配置されるとともに、反応ガスを電極アセンブリへと供給する反応ガス流路を含む。多孔板が電極アセンブリと分離板との間に配されるように、分離板が多孔板に隣接して配置される。分離板は、反応ガス流路と流体連通する反応ガスインレットマニホルドおよび反応ガスアウトレットマニホルド、および、多孔板と流体連通するパージマニホルドを含み、反応ガスアウトレットマニホルドからの反応ガスの流れを制限し、かつ反応ガス流路内の反応ガスの圧力下でパージマニホルドを開放することにより、副生成水を燃料電池から排出させるように副生成水をパージマニホルドへと推進させる。

Description

本発明は電力を発生する燃料電池に関する。

通常の燃料電池は、一般に、水素や空気などの反応ガス間での周知の電気化学反応により電流を発生させる、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間の電解質と、を含む。この電気化学反応は副生成物として水を生成する。通常、水はプレートなどの隣接する構造体を用いてセルから除去される。

こうした燃料電池に関連する一つの問題点は、燃料電池のシャットダウン時に水が燃料電池内に残留しうることである。低温状態下では、水が氷結し、その後、燃料電池を再起動する際に反応ガスのアノードおよびカソードへの移動を妨げるおそれがある。一つの解決策は、シャットダウン後に燃料電池から水を排出させることである。しかしながら、水の排出は相当の時間を要し、補助ポンプもしくはその他の寄生電力装置を必要とする。

一例の燃料電池が、電流および副生成水を発生させるアノードおよびカソードの間に電解質を有する電極アセンブリを含む。多孔板が電極に隣接して配置されるとともに、反応ガスを電極アセンブリへと供給する反応ガス流路を含む。多孔板が電極アセンブリと分離板との間に配されるように、分離板が多孔板に隣接して配置される。分離板は、反応ガス流路と流体連通する反応ガスインレットマニホルドおよび反応ガスアウトレットマニホルド、および、多孔板と流体連通するパージマニホルドを含み、反応ガスアウトレットマニホルドからの反応ガスの流れを制限し、かつ反応ガス流路内の反応ガスの圧力下でパージマニホルドを開放することにより、副生成水を燃料電池から排出させるように副生成水をパージマニホルドへと推進させる。

燃料電池内の水除去の一例の管理方法が、反応ガスマニホルドからの反応ガスの流れを制限し、パージマニホルドを通して副生成水を通流させ、副生成水を燃料電池から排出させるべく、反応ガスが副生成水をパージマニホルドへと推進させるように、反応ガス流路内に反応ガス圧力を形成させることを含む。

開示の実施例の様々な特徴および利点が以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。

一例の燃料電池を示す図。燃料電池のカソード分離板、多孔板、および電極アセンブリの斜視図。通常運転時の反応ガスの流れを示すカソード分離板および多孔板の図。燃料電池中の水のパージングを示すカソード分離板および多孔板の図。

図１は一例の燃料電池１０の選択された部分の概略的な分解組立図を示す。この例では、燃料電池１０は電力を発生させるように周知の方法で作動する燃料セルユニット１２を含む。例えば、所望の電気出力量を供給するように複数の燃料セルユニット１２が周知のように積層される。しかしながら、本発明の開示は一例の燃料電池１０の配置を限定するものではなく、本明細書に記載の概念がその他の燃料セル配置にも適用しうることを理解されたい。

燃料セルユニット１２は、多孔板１６とアノード分離板１８との間に配置された電極アセンブリ１４を含む。多孔板１６は、電極アセンブリ１４とカソード分離板２０との間に配置される。

電極アセンブリ１４は、カソード２４とアノード２６との間に配置された電解質２２を含みうる。任意選択的に、多孔板もしくは線維層などのガス拡散層２８が、電極アセンブリ１４と、アノード分離板１８および多孔板１６の各々と、の間に配置されうる。

この例では、多孔板１６は、酸化剤（例えば、空気）などの反応ガスを電極アセンブリ１４のカソード２４へと供給する反応ガス流路３０を含む。同様に、アノード分離板１８は、水素などの別の反応ガスを電極アセンブリ１４のアノード２６へと供給する流路３２を含む。この場合、アノード分離板１８はまた、反応ガス流路３２の反対側に、燃料電池１０を冷却するための冷却液流路３４を含む。

多孔板１６は、電極アセンブリ１４における電気化学反応からの液体副生成水などの水を、燃料電池１０を通して再配分しやすくさせる細孔４０を含む。例えば、細孔４０は０．１〜１０μｍ（３．９〜３９４マイクロインチ）の平均細孔半径を有する。さらに、多孔板１６は約５〜５０％の孔隙率を有し、約０〜９０°の水接触角を有する。一例の平均孔径および孔隙率により、例えば毛管力を用いることで電極アセンブリ１４から水を逃がすという利点を提供する。

多孔板１６、アノード分離板１８、およびカソード分離板２０は、一定の機能を達成するための任意の適切な材料から製造される。幾つかの限定されない例では、多孔板１６、アノード分離板１８、カソード分離板２０、もしくはその各々が、炭素、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、金、白金、もしくはその組合せを含む材料から製造される。

図２は、電極アセンブリ１４、多孔板１６、およびカソード分離板２０の斜視図を示す。カソード分離板２０は、多孔板１６の反応ガス流路３０と流体的に連通した反応ガスインレットマニホルド５０および反応ガスアウトレットマニホルド５２を含み、反応ガスインレットマニホルド５０を通して供給された反応ガスが反応ガス流路３０を通流して反応ガスアウトレットマニホルド５２を通して排出されるようにする。第２の反応ガスインレットマニホルド５０ａおよび第２の反応ガスアウトレットマニホルド５２ａも同様にアノード分離板１８の反応ガス流路３２に燃料を供給するように用いられる。カソード分離板２０はまた、アノード分離板１８の冷却液流路３４を通して冷却液を循環させる冷却液マニホルドを含みうる。

カソード分離板２０はまた多孔板１６と流体連通するパージマニホルド５６を含む。例えば、パージマニホルド５６は以下に詳述するように多孔板１６から水を回収するように多孔板１６に隣接する。任意選択的に、カソード分離板２０はパージマニホルド５６を多孔板１６から隔離する仕切り５８を含みうる。仕切り５８はカソード分離板２０の片側（すなわち、図２の裏側）に隣接する流路５９を含み、多孔板１６とパージマニホルド５６との間の仕切りを通して延在して水輸送を容易にする。例えば、多孔板１６の平面内における水の移動は孔径により制限される。カソード分離板２０の片側に流路を配置することにより、流路がカソード分離板２０の厚さを通しての水の移動（すなわち、面外の水の移動）を促進し、これはさほど制限されない。

図３を参照すると、燃料電池１０はまた、インレットマニホルド５０と関連するインレットバルブ６０と、反応ガスアウトレットマニホルド５２と関連するアウトレットバルブ６２と、を含む。例えば、インレットバルブ６０は反応ガスインレットマニホルド５０への反応ガスの流れを調節するように周知の方法で用いられ、アウトレットバルブ６２は反応ガスアウトレットマニホルド５２からの反応ガスの流れを制限するように用いられる。流れの矢印６６は、概してインレットバルブ６０およびアウトレットバルブ６２が開放されているときの反応ガスインレットマニホルド５０および反応ガスアウトレットマニホルド５２間の反応ガスの流れの方向を示す。同様に、反応ガスインレットマニホルド５０ａおよび反応ガスアウトレットマニホルド５２ａもまた、アノード分離板１８の反応ガス流路３２間の燃料の流れを調節するバルブを含む。

また燃料電池１０は、パージマニホルド５６を通流する周囲環境への流れを調節する、パージマニホルド５６に関連するパージ弁６４を含む。図３に示すように、インレットバルブ６０が開状態にあり、アウトレットバルブ６２が開状態にあり、パージ弁６４が閉状態にあるとき、反応ガスは反応ガスインレットマニホルド５０から反応ガスアウトレットマニホルド５２に向かって流れる。

一方、図４に示すように、例えばシャットダウン時には、燃料電池１０から水を除去するようにアウトレットバルブ６２は閉じられ、パージ弁６４が開放される。例えば、反応ガスアウトレットマニホルド５２を通る反応ガスの流れを制限するように、アウトレットバルブ６２は少なくとも部分的に閉じられるか、もしくは完全に閉じられる。多孔板１６の反応ガス流路３０内の反応ガスが反応ガスアウトレットマニホルド５２ではなく、流れ矢印６６で示すようにパージマニホルド５６に向かって流れるように、アウトレットバルブ６２が閉にされるとともにパージ弁６４が開放される。反応ガス流路３０内の反応ガスの圧力により、例えば多孔板１６の細孔４０内の水や、ガス拡散層２８内の水、もしくはその他の領域の水などの、燃料電池１０内の水が追い出されて、シャットダウン後の凍結を回避しやすくする。

一例では、反応ガスインレットマニホルド５０を通して燃料電池１０内に流入する反応ガスの流れはあらゆる残余の水をパージするように調節される。例えば、水を追い出すべく（周囲環境に対して）高圧に安定させるように流れが調節される。この圧力は約１０〜２００ｋＰａｇ（１．４５〜２９ｐｓｉ）である。別の例では、多孔板１６の細孔４０内の毛管圧に打ち勝ち、それにより細孔４０から水を追い出すように、圧力が約１００〜２００ｋＰａｇ（１４．５〜２９ｐｓｉ）でもよい。このように、燃料電池１０を反応ガスで与圧することにより燃料電池１０は水を急速に追い出すことができる。反応ガスの圧力を用いることにより、水を除去するために重力だけに任せることを排除し、また水を汲み出すための付随的な補助装置を用いる必要性を排除する。例えば、燃料電池１０は、シャットダウン時、シャットダウンの直前もしくは直後に水を急速に追い出すことができる。

パージマニホルド５６はカソード分離板２０の任意の場所に配置されうる。図示の例では、水の除去に重力を付加的に利用するように、パージマニホルド５６は、カソード分離板２０の底部に向かって、かつ、反応ガスインレットマニホルド５０の下流側に配置される。更なる例では、カソード分離板２０は（垂直に向けたとき符号５９で示すように）上半部および下半部を含み、パージマニホルド５６は重力を利用して水の除去を容易にするようにその下半部に配置される。その他の例では、パージマニホルド５６はカソード分離板２０の底部にあってもよい。

特徴部の組合せを図示の例に示したが、本発明の様々な実施例の利益を供与するようにそれらの全てを組み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装置は必ずしも図面のいずれかに示される特徴の全てもしくは図面に概略的に示される部分の全てを含む必要はないであろう。さらに、一実施例の選択された特徴部はその他の実施例の選択された特徴部と組合せてもよい。

上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する種々の変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は付記の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。

Claims

電流および副生成水を発生する、アノードおよびカソードの間に電解質を含んだ電極アセンブリと、
前記電極に隣接するとともに、前記電極アセンブリに反応ガスを供給する反応ガス流路を含んだ多孔板と、
分離板であって、前記多孔板が前記電極アセンブリと該分離板との間に配されるように、前記多孔板に隣接して配された分離板と、
を備えた燃料電池であって、
前記分離板は、前記反応ガス流路と流体連通する反応ガスインレットマニホルドおよび反応ガスアウトレットマニホルド、および、前記多孔板と流体連通するパージマニホルドを含み、前記反応ガスアウトレットマニホルドを通る前記反応ガスの流れを制限し、かつ前記反応ガス流路内の反応ガス圧力下で前記パージマニホルドを開放することにより、前記燃料電池から前記副生成水を排出させるように前記副生成水を前記パージマニホルドへと推進させる、燃料電池。
前記多孔板は、前記カソードに直接隣接することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記反応ガスアウトレットマニホルドを通る前記反応ガスの流れを制限するように前記反応ガスアウトレットマニホルドに関連したアウトレットバルブと、
前記パージマニホルドを通る前記反応ガスの流れを選択的に制限するように前記パージマニホルドに関連したパージ弁と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記多孔板は、約０．１〜１０μｍ（３．９〜３９４マイクロインチ）の平均孔径を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記多孔板は、約５〜５０％の孔隙率を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記多孔板は、約０〜９０°の水接触角を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記多孔板もしくは前記分離板のうち少なくとも一つが、炭素、鉄、ニッケル、クロム、アルミニウム、チタン、金、白金、およびそれらの組合せからなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記分離板が垂直に向けられたとき、前記パージマニホルドは前記反応ガスインレットマニホルドの下側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記分離板が垂直に向けられたとき、前記パージマニホルドは前記分離板の下半部に配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
電流および副生成水を発生する電極アセンブリと、前記電極に隣接するとともに、前記電極アセンブリに反応ガスを供給する反応ガス流路を含んだ多孔板と、分離板であって、前記多孔板が前記電極アセンブリと該分離板との間に配されるように前記多孔板に隣接して配された分離板と、を備え、前記分離板が、前記反応ガス流路と流体連通する反応ガスインレットマニホルドおよび反応ガスアウトレットマニホルド、および、前記多孔板と流体連通するパージマニホルドを含んだ、燃料電池内の水除去の管理方法であって、
前記反応ガスアウトレットマニホルドからの前記反応ガスの流れを制限し、
前記パージマニホルドを通して前記副生成水を通流させ、
前記副生成水を前記燃料電池から排出させるべく、反応ガスが前記副生成水を前記パージマニホルドへと推進させるように、前記反応ガス流路内に反応ガス圧力を形成させることを備えた燃料電池内の水除去の管理方法。
前記反応ガスアウトレットマニホルドからの前記反応ガスの流れを制限するステップが、前記反応ガスアウトレットマニホルドに関連するアウトレットバルブを少なくとも部分的に閉じることを含むことを特徴とする請求項１０に記載の管理方法。
前記パージマニホルドを通して前記副生成水を通流させるステップが、前記パージマニホルドに関連するパージ弁を少なくとも部分的に開放することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の管理方法。
前記反応ガス圧力を形成させるステップが、前記反応ガスインレットマニホルドからの前記反応ガスを前記多孔板の前記反応ガス流路へと通流させるように、前記反応ガスインレットマニホルドに関連するインレットバルブを開状態に設定することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の管理方法。
前記反応ガス圧力を形成させるステップが、前記多孔板の細孔内の毛管圧よりも大きい圧力を形成させることを含むことを特徴とする請求項１０に記載の管理方法。
前記パージマニホルドの前記開放が、前記燃料電池のシャットダウンに連動することを特徴とする請求項１０に記載の管理方法。
前記反応ガスの前記圧力を約１０〜２００ｋＰａｇ（１．４５〜２９ｐｓｉ）に選択することを特徴とする請求項１０に記載の管理方法。
前記圧力を約１００〜２００ｋＰａｇ（１４．５〜２９ｐｓｉ）に選択することを特徴とする請求項１６に記載の管理方法。