JP7831729B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

通常、燃料電池スタックは、いわゆるバイポーラプレート（ＢＰＰ）によって分離された複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）からなる。バイポーラプレート自体は、通常、少なくとも２つの導電性金属プレート、いわゆる流れ場プレートからなっており、それらは互いの上に配置され、片側に反応物用の流れ場、反対側に冷却流体用の流れ場を有する。そのため、冷却流体流れ場は互いに向き合っており、反応物流れ場はＭＥＡに面している。燃料電池スタックの動作中にＭＥＡによって生じた電流は、バイポーラプレートアセンブリ間に電位差をもたらすことになる。それゆえ、短絡を回避するために、個々のバイポーラプレートは、いかなる状況でも互いに電気的に分離され続けなければならない。

理想的なケースでは、燃料電池スタックのすべてのセルが同等の電圧を供給しなければならない。しかしながら、別々のセルの出力電圧にはばらつきがあることが判明している。最も大きなずれは、通常、スタック方向における最初と最後のセルに関係する。この理由の１つは、スタック方向における最初と最後のセルである最も外側のセルは反応物流れが偏っている状態にあり、流れ方向における最初のセルは通常中間のセルよりも受け取る反応物が少ないが、流れ方向における最後のセルは通常中間のセルよりも受け取る反応物が多いからである。

これは、燃料電池スタックの始まりと終わりに非アクティブバイポーラプレートを設けることによって克服することができる。しかしながら、これには、燃料電池スタック自体の高さは、アクティブ単位燃料電池の数を増やさずに増加させられるが、電圧出力は減少するという欠点がある。さらに、追加の非アクティブバイポーラプレートによって、燃料電池スタックを取り付けるのに必要な作業量が増加する。

したがって、本発明の目的は、スタック全体にわたってより均一なエネルギー出力を有する燃料電池スタックを提供することである。

本目的は、請求項１に記載の燃料電池スタックによって解決される。

以下において、燃料電池スタックが提供されており、前記燃料電池スタックは少なくとも複数の単位燃料電池からなっており、各単位燃料電池はバイポーラプレートおよび膜電極アセンブリからなり、それらは、２つのバイポーラプレートがスタック方向において多層膜電極アセンブリを挟み込むようにしてスタックされている。各バイポーラプレートおよび／または膜電極アセンブリは、少なくとも１つの反応物入口マニホルドおよび少なくとも１つの反応物出口マニホルドを備えており、前記マニホルドはそれぞれ管状のチャネル入口およびチャネル出口を形成しており、前記チャネル入口およびチャネル出口は、前記スタックへ／から反応物流れを供給するために前記スタックを通って延在している。さらにまた、前記複数の単位燃料電池は、カバープレートおよび供給プレートによって挟まれており、前記供給プレートは、前記少なくとも１つの反応物入口マニホルドを反応物供給源に接続するように構成された反応物供給チャネルと、前記少なくとも１つの反応物出口マニホルドを反応物リザーバに接続するように構成された反応物出口チャネルとを備えている。前記カバープレートは、前記燃料電池スタックを覆うように構成され、通常は反応物チャネルを有していない。より詳細には、前記カバープレートは、前記少なくとも１つの反応物入口マニホルドおよび前記少なくとも１つの反応物出口マニホルドを流動的に終了させるように構成されてもよい。

前記燃料電池スタック全体にわたってより均一なエネルギー出力を達成するために、少なくとも１つの乱流要素が反応物の流れの中に配置されており、前記乱流要素は供給される流体の流れの中に少なくとも１つの乱流を発生させるように構成されている。前記少なくとも１つの乱流要素は、前記供給プレート上の、前記反応物がスタック方向に流れ込む、前記供給プレートの領域内に配置され、かつ／または、前記少なくとも１つの乱流要素は、前記カバープレート上の、前記スタック方向に対して垂直である前記カバープレートの、前記反応物が前記スタック方向に対して垂直に流れ込む領域内に配置される。

好ましくは、前記少なくとも１つの乱流要素は突起部または凹部として形成される。両形状とも、反応物流れ内の乱流を増加させることができる。

好ましい実施形態によれば、前記乱流要素には上流側および下流側があり、前記上流側の前記乱流要素の形状は前記下流側の前記乱流要素の形状とは異なっている。これにより、前記反応物流れの乱流を増加させることができる。好ましくは、前記下流側の前記乱流要素の傾斜は、前記乱流要素の前記上流側の傾斜よりも急勾配である。この形状は流れている反応物流内の乱流を向上させることができ、前記最初および／または最後のセルのエネルギー出力を増加させることもできる。より詳細には、前記少なくとも１つの乱流要素は、前記反応物流れの方向に対して、および／または、前記少なくとも１つの乱流要素が配置される、前記供給プレートの内壁の面法線に対して、傾斜していてもよい。

好ましくは、前記燃料電池スタックは少なくとも１つの第２乱流要素を備えており、前記少なくとも１つの第１乱流要素および前記少なくとも１つの第２乱流要素は互いに隣り合って配置されている。さらに、前記第１および第２乱流要素は互いに対して傾斜していてもよい。これにより、さらに、前記反応物流れの乱流を増加させることによって前記燃料電池スタックの均一なエネルギー出力を向上させることができる。

さらなる好ましい実施形態によれば、前記第１および第２乱流要素は同一形状を有するか、または形状が異なっている。例えば、前記第１乱流要素は凹部として形成されてもよく、前記第２乱流要素は突起部として形成されてもよい。これには、前記反応物流れの中で発生した乱流が適合することができるという利点がある。

好ましくは、前記燃料電池スタックは複数の乱流要素を備えており、前記複数の乱流要素は均一に分配されている。これにより、さらに前記燃料電池スタック全体にわたって均一なエネルギー出力を向上させることができる。好ましくは、前記複数の乱流要素は、前記反応物供給チャネルの内壁上に構造体を形成する。好都合には、前記複数の乱流要素のすべての乱流要素は同一形状を有してもよい。あるいは、前記乱流要素または前記乱流要素のサブグループは形状が異なってもよい。例えば、前記複数の乱流要素の一部の前記乱流要素は突起部として形成されてもよいが、残りの部分は凹部として形成されてもよい。さらにまた、前記複数の乱流要素の全部または一部の乱流要素は寸法が異なってもよい。好都合には、前記複数の乱流要素は、前記供給プレートの製造工程の間に形成される。

さらなる好ましい実施形態によれば、前記少なくとも１つの反応物供給チャネルは、前記反応物の流れ方向に垂直な少なくとも１つの方向において第１寸法を有する第１部分を有し、前記少なくとも１つの反応物供給チャネルは、前記流れ方向に垂直な少なくとも１つの方向において第２寸法を有する第２部分を有しており、前記第１寸法は前記第２寸法よりも小さい。好ましくは、前記第２部分の寸法は、前記反応物供給チャネルの前記第２部分が前記反応物入口マニホルドと同一平面である、かつ／または、前記第１部分の形状が反応物供給チャネルに適合するように選択される。より詳細には、前記第１部分の形状／直径は円形であるが、前記第２部分は任意の形状を有してもよい。例えば、前記第１および第２部分の形状および／または直径の違いは、反応物流れにおける速度差につながる可能性がある。これらの速度差の範囲および／または分布によって、反応物流れの中での逆流、分離、および／または気泡等の様々な影響が増強または軽減される可能性がある。反応物流れにおける速度差を減少させることによって、反応物流れ自体がより層流になり得る、かつ／または、その気泡量が少なくもしくは全くなくなり得ることで、単位燃料電池のより均一なエネルギー出力につながる可能性がある。したがって、前記反応物供給チャネルの前記第１および第２部分間の寸法が異なることによって、反応物流れの中の乱流は、前記燃料電池スタックの単位燃料電池の均一なエネルギー出力がさらに向上され得るように、さらに適合され得る。

さらなる好ましい実施形態は、明細書および図面だけでなく、従属請求項においても規定されている。それに関して、他の要素と組み合わせて説明または図示される要素は、保護の範囲から逸脱することなく、単独でまたは他の要素と組み合わせて存在し得る。

以下に、図面に関連して本発明の好ましい実施形態を説明するが、図面は、例示目的であり、保護の範囲を限定することを目的としていない。保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ規定される。

第１実施形態による燃料電池スタックの部分断面図である。 第２実施形態による燃料電池スタックの部分断面図である。 第３実施形態による燃料電池スタックｋの部分断面図である。 第４実施形態による燃料電池スタックｋの部分断面図である。 図４の線Ａ－Ａに沿った断面図である。 第５実施形態による燃料電池スタックｋの部分断面図である。 第６実施形態による燃料電池スタックｋの部分断面図である。

以下では、同一または同様に機能する要素は同一参照番号で示される。

図１は、第１実施形態による燃料電池スタック１を示す。燃料電池スタック１は少なくとも複数の単位燃料電池２からなっており、各単位燃料電池はバイポーラプレート４および膜電極アセンブリ６からなり、それらは、２つのバイポーラプレート４－１，４－２がスタック方向８において多層膜電極アセンブリ６を挟み込むようにしてスタックされている。

各バイポーラプレート４および／または膜電極アセンブリ６は、少なくとも１つの反応物入口マニホルドおよび少なくとも１つの反応物出口マニホルドを備えており、前記マニホルドはそれぞれ管状のチャネル入口１０およびチャネル出口（図示せず）を形成している。チャネル入口１０およびチャネル出口は、スタック１へ／から、矢印１２で示される、反応物流れを供給するためにスタック１を通って延在する。さらにまた、複数の単位燃料電池は、燃料電池スタック１を覆うように構成されたカバープレート（図３）と供給プレート１４によって挟まれており、供給プレート１４は、少なくとも１つの反応物入口マニホルドを反応物供給源に接続するように構成された反応物供給チャネル１６と、少なくとも１つの反応物出口マニホルドを反応物リザーバ（図示せず）に接続するように構成された反応物出口チャネル（図示せず）とを備えている。

燃料電池スタック１全体にわたってより均一なエネルギー出力を達成するために、乱流要素１８が反応物の流れ１２の中に配置される。図１の乱流要素１８は、供給される反応物流体の流れ１２の中に少なくとも１つの乱流（曲がった矢印２０で示される）を発生させるように構成された凹部として形成される。乱流要素１８は、反応物がスタック方向８に流れ込む、供給プレート１４の領域内に配置される。

乱流要素１８には上流側２２および下流側２４がある。図１でわかるように、上流側２２の乱流要素１８の形状は下流側２４の乱流要素１８の形状とは異なる。これにより、反応物流れの乱流を増加させることができる。

図２は、第２実施形態による燃料電池スタック１を示す。燃料電池スタック１は、図２の燃料電池スタック１が、内壁２６から凹んでいて、互いに隣り合って配置された３つの乱流要素１８を備えている点において、図１の燃料電池スタック１とは異なる。さらに、それらは長方形を有する。さらにまた、乱流要素１８は均等に分布されて、反応物供給チャネル１６の内壁２６上に構造体を形成する。乱流要素１８の数は３つに限定されないことに留意すべきである。燃料電池スタック１は、３つ以上の乱流要素１８を備えていてもよい。

図１および２に対比して、図３は第３実施形態による燃料電池スタック１の上部を示す。燃料電池スタック１は、少なくとも１つの反応物入口マニホルド１６および少なくとも１つの反応物出口マニホルド（図示せず）を流動的に終了させるように構成されたカバープレート２８で覆われている。図３では、燃料電池スタック１は、突起部として形成された乱流要素１８を備えている。図３の乱流要素１８は、スタック方向８に対して垂直であるカバープレート２８の、反応物流れ１２がスタック方向８に対して垂直に流れ込む領域に配置される。

図４は第４実施形態による燃料電池スタック１の断面図を示し、図５は図４の線Ａ－Ａに沿った断面図を示す。図４の燃料電池スタック１は、燃料電池スタックが突起部として形成された４つの乱流要素１８を備えている点において、図１の燃料電池スタックとは異なる。乱流要素の各々には上流側２２および下流側２４があり、下流側２４の乱流要素１８の傾斜は、乱流要素１８の上流側２２の傾斜よりも急勾配である。図５でより明らかにわかるように、乱流要素１８は互いに対して傾斜して対で配置される。図５では、各対の乱流要素１８の第１および第２乱流要素は同一形状を有する。あるいは、乱流要素は形状が異なっていてもよい。

図６は、第５実施形態による燃料電池スタック１を示す。図６の燃料電池スタック１は、反応物供給チャネル１６が、反応物の流れ方向１２に垂直な少なくとも１つの方向において第１寸法Ｄ１を有する第１部分３０と、第２寸法Ｄ２を有する第２部分３２とを有しており、第１寸法Ｄ１は第２寸法Ｄ２よりも小さいという点において、図１の燃料電池スタック１とは異なる。反応物供給チャネル１６の第１および第２部分３０，３２間の寸法が異なることによって、曲がった矢印２０で示される乱流を反応物流れ１２の中で発生させることができる。

図７は、第６実施形態による燃料電池スタック１を示す。図７の燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１が、反応物供給チャネル１６の第１部分３０の内壁２６上に配置された乱流要素１８をさらに備えている点において、図６の燃料電池スタック１とは異なる。図７では、乱流要素１８は突起部として形成される。しかしながら、乱流要素１８を図２に示すように凹部として形成することも可能である。図７の乱流要素１８には、第１部分３０および第２部分３２間の直径の違いによって生じ得る反応物流れにおける速度差を軽減することができるという利点がある。より詳細には、反応物流れにおける速度差は、反応物流れの中の逆流、分離、および／または気泡等の様々な影響を招く可能性がある。乱流要素１８が反応物流れにおける速度差を減少させるので、反応物流れ自体がより層流になり得る、かつ／または、その気泡量が少なくもしくは全くなくなり得る。

要約すると、反応物供給チャネル１６内で通常は層流である反応物の流れにおいて乱流を増加させることにより、燃料電池スタック１全体にわたってより均一なエネルギー出力を達成することができる。

１ 燃料電池スタック
２ 単位燃料電池
４ バイポーラプレート
６ 膜電極アセンブリ
８ スタック方向
１０ チャネル入口
１２ 反応物流れ
１４ 供給プレート
１６ 反応物供給チャネル
１８ 乱流要素
２０ 乱流
２２ 上流側
２４ 下流側
２６ 内壁
２８ カバープレート
３０ 第１部分
３２ 第２部分

Claims (10)

1. 燃料電池スタック（１）であって、
   前記燃料電池スタック（１）は少なくとも複数の単位燃料電池（２）からなっており、
   各単位燃料電池（２）はバイポーラプレート（４）および膜電極アセンブリ（６）からなり、それらは、２つのバイポーラプレート（４）がスタック方向（８）において多層膜電極アセンブリ（６）を挟み込むようにしてスタックされており、
   各バイポーラプレート（４）および／または膜電極アセンブリ（６）は、少なくとも１つの反応物入口マニホルドおよび少なくとも１つの反応物出口マニホルドを備えており、
   前記マニホルドはそれぞれ管状のチャネル入口（１０）およびチャネル出口を形成しており、
   前記チャネル入口（１０）およびチャネル出口は、前記燃料電池スタック（１）へ／から反応物流れ（１２）を供給するために前記燃料電池スタック（１）を通って延在しており、
   前記複数の単位燃料電池（２）は、カバープレート（２８）および供給プレート（１４）によって挟まれており、
   前記供給プレート（１４）は、前記少なくとも１つの反応物入口マニホルドを反応物供給源に接続するように構成された反応物供給チャネル（１６）と、前記少なくとも１つの反応物出口マニホルドを反応物リザーバに接続するように構成された反応物出口チャネルとを備えており、
   前記カバープレート（２８）は前記燃料電池スタック（１）を覆うように構成されている、前記燃料電池スタック（１）において、
   少なくとも１つの乱流要素（１８）が反応物の流れの中に配置されており、前記乱流要素（１８）は供給される流体の流れ（１２）の中に少なくとも１つの乱流を発生させるように構成されており、前記少なくとも１つの乱流要素は、前記供給される流体の流れ（１２）を前記スタック方向（８）における最初の単位燃料電池および／または最後の単位燃料電池の方へ方向転換させており、
   前記少なくとも１つの乱流要素（１８）は、前記反応物が前記スタック方向（８）に流れ込む、前記供給プレート（１４）の領域内に配置され、かつ
   前記少なくとも１つの乱流要素（１８）は、前記スタック方向（８）に対して垂直である前記カバープレート（２８）の、前記反応物が前記スタック方向（８）に対して垂直に流れ込む領域に配置されていることを特徴とする、前記燃料電池スタック（１）。
2. 前記供給プレート（１４）の乱流要素（１８）は凹部として形成される、請求項１に記載の燃料電池スタック（１）。
3. 前記少なくとも１つの乱流要素（１８）には、上流側（２２）および下流側（２４）があり、前記上流側の前記少なくとも１つの乱流要素（１８）の形状は前記下流側の前記乱流要素（１８）の形状とは異なっている、請求項１または２に記載の燃料電池スタック（１）。
4. 前記下流側（２４）の前記乱流要素（１８）の傾斜は、前記乱流要素（１８）の前記上流側（２２）の傾斜よりも急勾配である、請求項３に記載の燃料電池スタック（１）。
5. 前記燃料電池スタック（１）は少なくとも１つの第２乱流要素（１８）を備えており、前記少なくとも１つの第１乱流要素（１８）および前記少なくとも１つの第２乱流要素（１８）は互いに隣り合って配置される、請求項１または２に記載の燃料電池スタック（１）。
6. 前記第１および第２乱流要素（１８）は互いに対して傾斜している、請求項５に記載の燃料電池スタック（１）。
7. 前記第１および第２乱流要素（１８）は同一形状を有するか、または形状が異なっている、請求項５に記載の燃料電池スタック（１）。
8. 前記燃料電池スタック（１）は複数の乱流要素（１８）を備えており、前記複数の乱流要素は均等に分布される、請求項１または２に記載の燃料電池スタック（１）。
9. 前記複数の乱流要素（１８）は、前記反応物供給チャネル（１６）の内壁（２６）上に構造体を形成する、請求項８に記載の燃料電池スタック（１）。
10. 前記少なくとも１つの反応物供給チャネル（１６）は、前記反応物の流れ方向（１２）に垂直な少なくとも１つの方向において第１寸法（Ｄ１）を有する第１部分（３０）と、前記流れ方向（１２）に垂直な少なくとも１つの方向において第２寸法（Ｄ２）を有する第２部分（３２）とを有しており、前記第１寸法（Ｄ１）は前記第２寸法（Ｄ２）よりも小さい、請求項１または２に記載の燃料電池スタック（１）。