(57)【要約】  本発明は、膜電極接合体（２０）と流れ領域（３０）とを備えた燃料電池スタック（８）用の反復ユニット（１０）であって、流れ領域（３０）が、膜電極接合体（２０）の活性表面（２２）にガス（３２）を供給するように設計され、かつ少なくとも１つのガス通過開口（３４）を備えた反復ユニット（１０）に関する。本発明によれば、気密気流障壁（３６）が、活性表面（２２）とガス通過開口（３４）との間に配設され、それにより、第１のガス通過開口（３４）を通過するガス（３２）が、気流障壁（３６）を迂回して流れ、活性表面（２２）の辺縁への気流障壁（３６）の投影が、活性表面（２２）の辺縁へのガス通過開口（３４）の投影の少なくとも半分の長さである。
2010527505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック（８）用の反復ユニット（１０）であって、
膜電極接合体（２０）と流れ領域（３０）とを備え、前記流れ領域（３０）が、前記膜電極接合体（２０）の活性表面（２２）にガス（３２）を供給するように設計され、かつ少なくとも１つのガス通過開口（３４）を備えた反復ユニット（１０）において、
気密気流障壁（３６）が、前記活性表面（２２）と前記ガス通過開口（３４）との間に設けられ、それにより、前記第１のガス通過開口（３４）を通過するガス（３２）が、前記気流障壁（３６）を迂回して流れ、前記活性表面（２２）の辺縁への前記気流障壁（３６）の投影が、前記活性表面（２２）の前記辺縁への前記ガス通過開口（３４）の投影の少なくとも半分の長さであることを特徴とする反復ユニット（１０）。
【請求項２】
前記気流障壁（３６）が、前記活性表面（２２）に向かう方向へ先細にされていることを特徴とする請求項１に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項３】
前記気流障壁（３６）が、実質的に、開いた側が前記活性表面（２２）とは反対に向けられた「Ｖ」または「Ｕ」の形状および向きを有することを特徴とする請求項２に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項４】
前記ガス通過開口（３４）が、前記活性表面（２２）に向かう方向へ先細にされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項５】
前記ガス通過開口（３４）が、実質的に、丸まった頂点を有する三角形の形状を有することを特徴とする請求項４に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項６】
前記ガス通過開口（３４）は、前記活性表面（２２）にガス（３２）を供給するように設計され、前記流れ領域（３０）が、前記活性表面（２２）からガス（３２）を排出するための第２のガス通過開口（３８）を備え、第２の気密気流障壁（４０）が、前記活性表面（２２）と前記第２のガス通過開口（３８）との間に設けられ、それにより、前記第２のガス通過開口（３８）を通って流入する、前記活性表面（２２）の少なくとも一部分にわたって流れたガス（３２）が、前記第２の気流障壁（４０）を迂回して流れ、前記活性表面（２２）の辺縁への前記第２の気流障壁（４０）の投影が、前記活性表面（２２）の前記辺縁への前記第２のガス通過開口（３８）の投影の少なくとも半分の長さであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項７】
前記ガス（３２）を排出するために設けられた前記第２のガス通過開口（３８）が、前記ガス（３２）を供給するために設けられた前記第１のガス通過開口（３４）よりも大きい断面積を有することを特徴とする請求項５に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項８】
前記活性表面（２２）が、実質的に長方形であり、１つまたは複数の実質的に長方形の供給領域（４４）に分割され、ガス（３２）を供給するための第１のガス通過開口（３４）と、ガス（３２）を排出するための第２のガス通過開口（３８）とが、各供給領域（４４）に割り当てられていることを特徴とする請求項４または５に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項９】
前記第１のガス通過開口（３４）と、前記第２のガス通過開口（３８）とが、それらに割り当てられた前記供給領域（４４）の中心軸上に配設されていることを特徴とする請求項７に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項１０】
前記流れ領域（３０）の外周縁（４２）が、流線形にされていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の反復ユニット（１０）。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の少なくとも１つの反復ユニット（１０）を備えていることを特徴とする燃料電池スタック（８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体と流れ領域とを備えた燃料電池スタック用の反復ユニットであって、流れ領域が、膜電極接合体の活性表面にガスを供給するように設計され、かつ少なくとも１つの第１のガス通過開口を備えた反復ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料スタックは、電池と同様、化学的エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する。燃料スタックの中核部は、アノード層と、カソード層と、アノード層をカソード層から分離する電解質膜とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ）である。電力を発生するために、アノード層に、燃焼ガス、例えば水素が供給され、カソード層に、酸化ガス、例えば空気が供給される。これに関連して、アノードでの燃焼ガスの酸化が生じ、燃焼ガスから放出された電子が、アノードから導電接続を通ってカソードに移行し、カソードで、電子が酸化ガスを還元する。次いで、これに関連して発生される負の酸化ガス・イオンが、正に帯電された燃焼ガス・イオンと結合する。例えば、燃焼ガスとして水素Ｈ２が使用され、酸化ガスとして酸素Ｏ２が使用される場合、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）では、アノード層内および層上でのイオンＯ２−が、水素イオンＨ＋と結合して、水分子Ｈ２Ｏを生成する。それにより解放されるエネルギーは、アノードとカソードとの間に消費者負荷を接続することによって使用することができる。
【０００３】
燃焼ガスまたは酸化ガスが吸収されるアノード表面またはカソード表面の部分を、以下では「活性表面」と呼ぶ。
【０００４】
個々の燃料電池は、小さな電圧（典型的には０．１Ｖ〜１Ｖの間）しか提供しないので、複数の燃料電池を燃料電池スタックの形態で電気的に直列に接続することが一般的であり、それにより、スタックの個々の燃料電池の電圧が加算される。これに関連して、燃料電池のカソード層は、それぞれ、バイポーラ・プレートを介して、隣接する燃料電池のアノード層に接続される。バイポーラ・プレートの内部に、またはバイポーラ・プレートに隣接して、燃焼ガスおよび酸化ガスを２つの隣接する燃料電池に分散させるための流れ領域が配設される。したがって、燃料電池スタックは、複数の同一の反復ユニットを備え、各反復ユニットが、膜電極接合体（ＭＥＡ）と、好ましくは２つの流れ領域を形成または画定するバイポーラ・プレートとを備える。
【０００５】
従来技術から、活性表面全体へのできるだけ均一なガスの供給と、燃料電池スタック内部での最適な圧力分布および温度分布とが保証される、流れ領域の様々な実施形態が知られている。
【０００６】
燃料電池スタックの各燃料電池の電極表面での、かつスタックの内部でのガスの良好な均一な分散は、例えば以下のような様々な手段によって保証することができる。
−シャワー・ヘッドと同様の、動圧力を発生させるためのボトルネックの利用。しかし、これは、圧力損失が増加するという欠点を有し、したがって、動作に必要なファン出力が圧力損失に比例するので、燃料電池スタックの追加の消費が増加するという欠点を有する。
−非常に多数の入口開口の配設。それにより、入口領域（分散領域）が上流側にずらされる。
−通過するガスを徐々に拡げる拡散器を通したガスの導入。
【０００７】
動圧力を発生させるためのボトルネックの導入は、固体酸化物燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）では実現が難しい。ボトルネックは、その断面積のわずかなずれでさえ、圧力損失、したがってガスの分散に関して大きな相違をもたらす可能性があるので、特に正確に製造しなければならない。さらに、燃料スタックでの大きな圧力損失は、上述したように、ファン出力の増加が必要となるので望ましくない。
【０００８】
一般的な反復ユニットでは、活性表面（ここでは水平に配設されると仮定する）に供給されるガスは、初めに、垂直方向に、電極層に隣接する円形ガス通過開口から、電極層の活性部分に隣接する領域に流れ、次いで、水平方向に活性表面に沿って流れ、その後、垂直方向に、電極層に隣接する他の円形ガス通過開口を通して送出される。この場合、ガスは、入口開口から出口開口に迂回せずに直接流れ、これは、入口開口と、反対側の出口開口との間にいわゆるガス短絡が生じることがあるという欠点を有し、すなわち、ガスのかなりの部分が活性表面によって吸収されずに、ガスは、少なくとも一部、使用されないまま入口から出口開口に流れる。そのようなガス短絡を回避するために、活性表面に隣接する非常に多数の入口および出口開口と、それに対応する大きな封止面とを設けることが既に企図されているが、これは、故障の危険を高める。
【０００９】
燃料電池スタック内でのできるだけ均一な温度分布を得るために、いわゆる逆流および並流構成が使用されることがある。この場合、燃料電池内の燃焼ガス／酸化ガスが、隣接する電池とは逆方向に、アノード／カソード層に沿って流れる。このために、酸化ガスのための供給部および解放部は、燃焼ガスのための供給部および解放部と同じ領域内に配設されなければならず、これは、特に、ガスを均一に分散させるために非常に多数の入口開口および出口開口が必要とされるとき、実現が簡単でない。
【００１０】
さらなる問題は、スタックの全ての（典型的には３０または６０の）層への均一なガス分散である。計算によれば、ガス分散は、入口開口と出口開口とが同一の断面積である場合には最適でない。例えば、スタックの下側の層でのガス供給が上側の層よりも良好である場合がある。これもまた、燃焼ガスの使用を減少させ、したがって燃料電池スタックの効率を低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、活性表面にわたる、かつ燃料電池スタック全体にわたる、特に均一なガス分散を可能にする燃料電池スタック用の反復ユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的は、請求項１に記載の特徴によって解決される。
【００１３】
本発明の有利な実施形態およびさらなる発展形態は、従属項から明らかになる。
【００１４】
本発明による反復ユニットは、一般的な従来技術を基にして、気密気流障壁が、活性表面とガス通過開口との間に配設され、それにより、ガス通過開口を通るガスが、気流障壁を迂回して流れ、活性表面の縁端への気流障壁の投影が、活性表面の縁端へのガス通過開口の投影の少なくとも半分の長さを有する（係数０．５以外に、係数０．７５、１、および１．２５も好ましい）。本発明は、そのような障壁により、供給されるガスが入口開口から出口開口に直接流れるのを防止することによって、ガス短絡を回避することができるという知見に基づく。障壁により、導入されるガスは、初めに、燃料電池の外周縁の方向に流れ、次いで、周縁および障壁によって活性領域に向けて偏向される。この場合、特に幅広の障壁、すなわち活性表面の縁端への投影が入口開口よりも大きい障壁が、ガス短絡からの特に安全な保護を提供する。例えば、気流障壁は、いわゆる挿入スペーサによって実現されることがある。しかし、例えば、流れ領域プレートの対応する圧印加工によって実現されることもある。
【００１５】
気流障壁が、活性表面に向かう方向へ先細にされることが、特に有利と考えられる。これは、活性表面の縁端に向かう特に均一なガス分散を可能にする。特に、気流障壁の「影」内に配設される活性表面の区域内でも、良好なガス供給が保証される。
【００１６】
これに関して、気流障壁は、本質的に、開いた側が活性表面とは反対に向けられた「Ｖ」または「Ｕ」の形状および向きを有することが有利である。ＵまたはＶ形状で先細にされた障壁は、鏡映対称であり、したがって、ガスは、少なくともほぼ対称に障壁を迂回して流れることができる。
【００１７】
さらに、ガス通過開口が、活性表面に向かう方向へ先細にされることが有利であることがある。したがって、特に、先細にされた気流障壁と組み合わせて、ガス通過開口を通過する気流は、連続的に幅を広げられる、または（流れの方向によっては）狭められる。
【００１８】
特に好ましい実施形態では、活性表面に向かう方向へのガス通過開口の狭まりは、ガス通過開口が、丸まった頂点を有する実質的に三角形の形状を有することによって実現される。この形状は、幾何的に特に単純である。
【００１９】
上述したガス通過開口が、活性表面にガスを供給するように設計されること、および流れ領域が、活性表面からガスを排出するための第２のガス通過開口を備えることが特に有用であり、第２の気密気流障壁が、活性表面と第２のガス通過開口との間に設けられ、それにより、第２のガス通過開口を通過する、活性表面の少なくとも一部分にわたって流れたガスが、第２の気流障壁を迂回して流れ、活性表面の縁端への第２の気流障壁の投影が、活性表面の縁端への第２のガス通過開口の投影の少なくとも半分の長さである。このようにすると、活性表面からのガスの供給に関しても排出に関しても流れ領域が本発明に従って設計される実施形態が実現され、上述した本発明の利点は、供給に関しても排出に関しても有用である。
【００２０】
これに関連して、ガスを排出するために設けられる第２のガス通過開口が、ガスを供給するために設けられる第１のガス通過開口よりも大きな断面積を有することが望ましい。それにより、流体力学計算によれば、燃料電池スタック全体にわたるより良い圧力分布が得られる。
【００２１】
本発明による反復ユニットの特に好ましい実施形態は、活性表面が実質的に長方形であり、１つまたは複数の実質的に長方形の供給領域に分割されることを特徴とし、ガスを供給するための第１のガス通過開口と、ガスを排出するための第２のガス通過開口とが、各供給領域に割り当てられる。このようにすると、有利には、本発明による複数のガス通過開口と、割り当てられた気流障壁とが組み合わされて、より大きな流れ領域を形成する。長方形分割は、特に単純な様式で、活性表面全体への均一なガス供給を可能にする。
【００２２】
これに関連して、第１のガス通過開口と第２のガス通過開口とが、それらに割り当てられた供給領域の中心軸上に配設されることが有用である。これは、この構成が、特に幾何的に単純であり、ガスが、第１の気流障壁を迂回して流れた後、実質的に直進方向で、燃料スタックの反対側にある対応する気流障壁に流され、それと同時に、場合によっては渦流として混ざり合う部分流によって引き起こされうる擾乱効果が避けられるからである。
【００２３】
本発明による反復ユニットの好ましい実施形態では、流れ領域の外周縁は、例えば図３に示されるように流線形にされるように設計される。このようにすると、流れ領域の外縁領域でさえ、できるだけ層流の流れが保証される。
【００２４】
次に、本発明を、例として、添付図面を参照しながら特に好ましい実施形態を引用して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】それぞれ従来技術に対応する２つの同様の流れ領域の概略平面図である。
【図１ｂ】それぞれ従来技術に対応する２つの同様の流れ領域の概略平面図である。
【図２】ガス通過開口を備える本発明の好ましい実施形態による流れ領域の部分領域の概略平面図である。
【図３】交線Ａ−Ａに沿った図２に示される部分の概略断面図である。
【図４】活性領域の縁端へのガス通過開口の投影と、割り当てられた気流障壁の投影とを示す図である。
【図５】２つのガス通過開口を備える本発明の好ましい実施形態による実質的に長方形の流れ領域の概略平面図である。
【図６】図４に示される流れ領域の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図面において、同一または同様の参照番号（例えば、１００ずつずらした参照番号）は、同一または同様の構成要素を表し、それらは、少なくとも一部は、繰返しを避けるために一回しか説明しない。
【００２７】
図１ａは、従来技術による燃料電池の流れ領域３０’を例示する。長方形活性表面２２’の向かい合う２つの側（ここでは水平であると仮定する）に、それぞれ、ガス３２’を導入するための２つの第１のガス通過開口３４’と、ガス３２’を排出するための２つの第２のガス通過開口３８’とが配設され、それにより、燃料スタックの通常動作中に、ガスは、初めに、垂直方向に第１のガス通過開口３４’から放出され、次いで、水平方向に活性表面２２’にわたって流れ（通常、ガス３２’の組成は、吸収によって、かつ活性表面から放出されるガスとの混合によって変えられる）、最後に、垂直方向に第２のガス通過開口３８’を通して排出される。図示される構成では、２つの第１のガス通過開口の間の相互距離がそれらの直径よりも大きく、そのため、矢印によって例示される第１のガス通過開口３４’と反対側の第２のガス通過開口３８’との間でのガス短絡の危険に関連して、ガス分散が不十分になる。
【００２８】
活性表面２２’全体にわたってできるだけ均一なガス分散を実現するために、ガス通過開口は、比較的短い相互距離で構成されることがある。活性表面２２’の各側に４つのガス通過開口３４’、３８’を備える対応する幾何形状が、図１ｂに図示されている。
【００２９】
さらに、図１ａおよび図１ｂに示される、ガスを供給および除去するためのガス通過開口３４’、３８’は、同一の断面積を有する。
【００３０】
図２は、外周縁４２と、活性表面２２にガスを供給するためのガス通過開口３４とを備える流れ領域３０の一部分を通る、図３の破線に沿った水平断面図である。ガス通過開口３４と活性表面２２とが、共通の水平面内に構成される。ガス通過開口３４の輪郭は、実質的に、丸まった頂点を有する二等辺三角形の輪郭である。二等辺三角形は、この場合、その頂角が活性表面２２に向けられるように向きを定められる。同一の長さを有する三角形の２辺に沿って、壁状の垂直気流障壁３６、すなわちガス通過開口３４によって画定される平面に垂直に構成された気流障壁が延在し、活性領域２２に向かう方向でのその投影は、活性領域２２に向かう方向でのガス通過開口３４の投影よりもわずかに長い。下からガス通過開口３４を通って流れ領域３０内に流れるガス３２は、気流障壁３６により、活性表面２８上に直接流れるのを妨げられる。気流障壁３６により、ガス３０は、初めに、周縁４２の方向に流れる。次いで、周縁４２により、ガス３２は、気流障壁３６を迂回し、その２辺に沿って流れて、活性表面２２に達する。ガス通過開口３４の三角形状および向きと、ガス通過開口３４の輪郭に部分的に沿った気流障壁３６の形状とにより、気流障壁３６の狭い部分のみが活性表面２２を遮蔽する。活性表面２２の遮蔽された辺縁部分は、活性表面２２の辺縁でのガス通過開口３４の投影よりも小さいことが分かる。短い、遮蔽された辺縁部分を除けば、ガス３０は、活性部分に辺縁全体で入ることができ、それにより、実質的に活性表面２２全体にガス３２を供給することができる。
【００３１】
図３は、図２の破線に沿ったＡ−Ａで示される、構成を通る断面図である。活性表面２２は、アノード層２４の表面である。アノード層２４は、電解質膜２６によってカソード層２８から分離される。アノード層２４と、電解質膜２６と、カソード層２８とは、一体となって、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０を形成する。ＭＥＡに隣接して、ガス通過開口３４が配設され、そこを通って、流入するガス３２が流れ領域３０に入り、流れ領域３０で、ガス３２は、気流障壁３６を迂回して（断面平面外に）流れた後、活性表面２２に達する。
【００３２】
図４は、ガス通過開口３４、および活性領域２２の辺縁へのその投影Ｐ３４と、気流障壁３６、および活性領域２２の辺縁へのその投影Ｐ３６とを示す。本発明によれば、気流障壁３６の投影Ｐ３６は、ガス通過開口３４の投影Ｐ３４の長さの少なくとも半分である。図示される実施形態では、気流障壁３６の投影Ｐ３６は、ガス通過開口３４の投影Ｐ３４よりもさらに長い。
【００３３】
図５は、特に好ましい実施形態による燃料電池スタックの流れ領域３０の平面図である。長方形活性表面２２が、２つの同一の供給領域４４ａおよび４４ｂに分割され、各供給領域に、ガス３２を導入するための当該のガス通過開口３４と、ガス３２を除去するための当該のガス通過開口３８とが割り当てられ、開口３４および３８は、長方形供給領域４４ａまたは４４ｂの対称軸上に配設される。流れ領域３０は、外周縁４２によって画定され、外周縁４２は、流れ領域内で、できれば層流での、乱流を含まない流れを保証するように、流線形にされる。活性表面２２とは反対の方向へのガス通過開口３４からのガス３２の放出は、入口ガス通過開口３４と出口ガス通過開口３８との間のガス短絡の危険を大幅に低減する。気流障壁３６および４０と組み合わせて、上述したガス通過開口３４および３８の幾何形状により、活性表面にわたって均一なガス分散が生じ、これは、従来技術では、同一サイズの活性表面の場合、ガス通過開口の数をほぼ倍にすることによってしか実現することができない。本発明による例示された幾何形状は、封止面の数の減少、空間要件の減少、ならびに活性表面２２の全ての区域へのほぼ妨げのない空気の進入により、有利である。さらに、活性表面２２からガスを排出するために設けられるガス通過開口３８は、ガスを導入するために設けられるガス通過開口３４よりも大きい断面積を有し、それにより、燃料電池スタックの反復ユニットにわたるより均一なガス分散がさらに保証される。
【００３４】
図６は、図５の上側の破線に沿った断面図である。これは、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０、１２０をそれぞれ備える少なくとも２つの反復ユニット１０、１１０を備える本発明による燃料電池スタックの可能な垂直設計を例示する。第１の反復ユニット１０は、第２の反復ユニット１１０につながるバイポーラ・プレート１８によってカバーされる。例示される実施形態は、燃焼ガス３２が、それぞれ同じ方向に（図面の左から右に）反復ユニット１０および１１０を通されるように設計される。しかし、逆流構成（図示せず）も、技術的には実現可能である。例示される実施形態（並流構成）では、活性表面２２、１２２にわたって燃焼ガス３２を分散させるために、燃焼ガス３２は、上述した本発明によるガス通過開口３４、１３４を通って、上述した本発明による気流障壁３６、１３６を備える流れ領域３０、１３０に入る。燃焼されなかった燃焼ガス３２の一部と、アノード層２４、１２４によって放出されるガスとが、上述した、より大きなガス通過開口３８、１３８を通して排出される。第１の反復ユニット１０のバイポーラ・プレート１８と、第２の反復ユニット１１０のカソード層１２８との間に、酸化ガス／空気５２を分散するための現時点で従来技術から得られる流れ領域１５０が存在し、これは、本明細書では詳細には説明しない。しかし、燃焼ガスを分散するための流れ領域と酸化ガスを分散するための流れ領域とが本発明に従って設計された、または後者のみが本発明に従って設計された燃料電池スタックも実現可能である。
【００３５】
上の説明、図面、および特許請求の範囲で開示される本発明の特徴は、個別に、および任意の組合せで、本発明の実現に重要となりうる。
【符号の説明】
【００３６】
８  燃料電池スタック
１０  反復ユニット
２０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
２２  活性表面
２４  アノード層
２６  電解質膜
２８  カソード層
３０  流れ領域
３２  燃焼ガス
３４  ガス通過開口
３６  気流障壁
３８  ガス通過開口
４０  気流障壁
４２  周縁
４４  供給領域
５０  流れ領域
５２  酸化ガス
１１０  反復ユニット
１２０  膜電極接合体（ＭＥＡ）
１２２  活性表面
１２４  アノード層
１２６  電解質膜
１２８  カソード層
１３０  流れ領域
１３２  燃焼ガス
１３４  ガス通過開口
１３６  気流障壁
１３８  ガス通過開口
１４０  気流障壁
１４２  周縁
１５０  流れ領域
【図１ａ】
2010527505.tif 000003
【図１ｂ】
2010527505.tif 000004
【図２】
2010527505.tif 000005
【図３】
2010527505.tif 000006
【図４】
2010527505.tif 000007
【図５】
2010527505.tif 000008
【図６】
2010527505.tif 000009
【国際調査報告】
2010527505.tif 000010
2010527505.tif 000011
2010527505.tif 000012
2010527505.tif 000013
2010527505.tif 000014
2010527505.tif 000015