(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ膜電極アセンブリ（２０）および少なくとも１つのガス拡散層（２１）を有する複数の燃料セル（１８）を備えた燃料電池スタック（５）であって、前記複数の燃料セル（１８）は、該複数の燃料セル（１８）のうちの一部を含む少なくとも１つの第１の燃料セルセグメント（２２）と、該複数の燃料セル（１８）のうちの別の部分を含む第２の燃料セルセグメント（２３）と、に分割され、前記第１の燃料セルセグメント（２２）および前記第２の燃料セルセグメント（２３）は、共有の燃料電池カスケード部（２４）に配置され、前記第１の燃料セルセグメント（２２）が、作動媒体用の第１の回収入口ライン（２５）と、第１の回収出口ライン（２６）と、を備え、前記第１の回収出口ライン（２６）は、前記第２の燃料セルセグメント（２３）の第２の回収入口ライン（２７）と一体的に形成され、前記第２の燃料セルセグメント（２３）が、第２の回収出口ライン（２８）を備えており、前記第２の燃料セルセグメント（２３）内の膜電極アセンブリ（２０）および／またはガス拡散層（２１）は、前記第１の燃料セルセグメント（２２）内の膜電極アセンブリ（２０）およびガス拡散層（２１）よりも撥水性が高くなるように設計され、
前記第１の燃料セルセグメント（２２）のガス拡散層（２１）が、微孔質層およびマクロ孔質層を備え、前記第１の燃料セルセグメント（２２）のガス拡散層（２１）が、前記微孔質層および／または前記マクロ孔質層に親水性コーティングを備え、
前記第２の燃料セルセグメント（２３）のガス拡散層（２１）が、微孔質層およびマクロ孔質層を備え、前記第２の燃料セルセグメント（２３）のガス拡散層（２１）が、前記微孔質層および／または前記マクロ孔質層に疎水性コーティングを備えることを特徴とする、燃料電池スタック（５）。
【請求項２】
前記第1の燃料セルセグメント（２２）の膜電極アセンブリ（２０）の膜（１９）の当量が、前記第２の燃料セルセグメント（２３）の膜電極アセンブリ（２０）の膜（１９）の当量よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック（５）。
【請求項３】
前記第１の燃料セルセグメント（２２）の膜電極アセンブリ（２０）の膜（１９）の厚さが、前記第２の燃料セルセグメント（２３）の膜電極アセンブリ（２０）の膜（１９）膜の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック（５）。
【請求項４】
前記第１の燃料セルセグメント（２２）の膜（１９）の厚さが、４〜１２マイクロメートルであり、前記第２の燃料セルセグメント（２３）の膜（１９）の厚さが、１４〜３５マイクロメートルであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック（５）。
【請求項５】
前記第２の燃料セルセグメント（２３）のガス拡散層（２１）の孔隙率が、前記第1の燃料セルセグメント（２２）のそれよりも大きいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（５）。
【請求項６】
前記第２の燃料セルセグメント（２３）のガス拡散層（２１）は、疎水性コーティングを備え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燃料電池スタック（５）。
【請求項７】
前記膜電極アセンブリ（２０）および／または前記ガス拡散層（２１）が、前記第１の回収入口ライン（２５）と前記第２の回収出口ライン（２８）との間で進行する疎水性の勾配を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（５）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池スタック（５）を備えた、自動車用燃料電池システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極アセンブリおよび少なくとも１つのガス拡散層を含む複数の燃料セルを備えた燃料電池スタックに関する。好ましくは、少なくとも２つのガス拡散層がそれぞれの場合に提供される。それらの燃料セルは、複数の燃料セルのうちの一部を含む少なくとも１つの第１の燃料セルセグメントと、複数の燃料セルのうちの別のまたはさらなる部分を含む第２の燃料セルセグメントと、に分割される。第１の燃料セルセグメントおよび第２の燃料セルセグメントは、共有の燃料電池カスケード部に配置される。第１の燃料セルセグメントは、作動媒体用の第１の回収入口ラインと、第２の燃料セルセグメントの第２の回収入口ラインと一体に形成された第１の回収出口ラインと、を備える。第２の燃料セルセグメントは、第２の回収出口ラインをさらに備える。本発明はさらに、そのような燃料電池スタックを備えた対応する燃料電池システムに関する。第１の回収出口ラインは、第２の回収入口ラインと一体的にまたは一体に形成され、単一（回収）コンポーネントとして理解されてもよい。
【背景技術】
【０００２】
請求項１のプリアンブルに記載のそのようなカスケード状のすなわちカスケード式燃料電池スタックは、例えば、ＵＳ２００７／０１２８４７９Ａ１に示されている。ここで、第１の燃料セルセグメントの回収出口ラインは、後続の第２の燃料セルセグメントの回収入口ラインも表す。そのようなカスケード式スタックの利点は、個々の燃料セルセグメントの化学量論が、燃料電池スタック全体または完全なスタックのそれよりも高いことである。最適な設計は、各セグメントに対して同じ化学量論を提供する。これは、２つの燃料セルセグメントにおける異なる数の燃料セルにより、既知のソリューションで実現される。作動媒体が第１の燃料セルセグメントに入るとき、作動媒体は、最適な反応プロセスを確実にするためにまず加湿されるべきであることがわかった。下流−２番目の燃料セルセグメントでは、水の蓄積のリスクがある。この水の蓄積により、動作が不安定になる。多くの場合、蓄積された水を除去するために、次いで化学量論の増加が使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明の目的は、水管理が最適化された安定した動作を達成するように、冒頭で述べたタイプの燃料電池スタックおよび燃料電池システムを改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
燃料電池スタックに関する目的は、請求項１の特徴を有する燃料電池スタックによって達成される。本発明の適切な改良を含む有利な実施形態は、従属クレームに記載されている。特に、本発明では、第２の燃料セルセグメント内の膜電極アセンブリおよび／またはガス拡散層は、第１の燃料セルセグメントよりも撥水性が高くなるように設計されている。これは、第２の燃料セルセグメントの構成要素が、第１の燃料セルセグメントの構成要素の場合よりも顕著な疎水性効果を有することを意味する。したがって、第１の燃料セルセグメントは、乾燥した入口条件および少量の水用に設計され、第２の燃料セルセグメントは、高ガス湿度および高水量用に設計される。
【０００５】
例えば、第２の燃料セルセグメントのものとは異なる膜を第１の燃料セルセグメントで使用することができる。プロトン伝導膜の使用が有利であることが証明されており、これはパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）ポリマーでできている。そのような膜は高い酸化安定性を有する。別法として、スルホン化炭化水素（ＨＣ）ポリマーを膜として使用してもよい。この膜は、膜の厚さを同じに保つ場合、パーフルオロスルホン酸ポリマー膜と比較して、気体透過が低いという特徴がある。このようにして、第１の燃料セルセグメントの膜電極アセンブリが第１のイオノマータイプの膜で作られ、第２の燃料セルセグメントの膜電極アセンブリの膜が第２のイオノマーで作られることが可能である。イオノマーの種類は、第１の燃料セルセグメントと比較してより撥水性の第２の燃料セルセグメントが作成されるように選択される。
【０００６】
燃料電池スタックの可能な一実施形態では、第１の燃料セルセグメントの膜電極アセンブリの膜の当量は、第２の燃料セルセグメントの膜電極アセンブリの膜の当量よりも低い。より低い当量を有するイオノマーは、より高い当量を有するイオノマーよりも高い水貯蔵能力を有する。
【０００７】
一般的には、膜電極アセンブリの電極（アノード／カソード）は、好ましくは骨格状の設計を有するイオノマーによって互いに接合された炭素ベースの担体を含む。それらの担体は、白金ナノ粒子などの触媒活性粒子を含むことができる。第１の燃料セルセグメントの電極のイオノマーの当量は、第２の燃料セルセグメントの電極のイオノマーの当量よりも低くてもよい。
【０００８】
好ましくは、イオン伝導膜または電極のイオノマーの当量は、６００グラムから１２００グラムの間である。例えば、第１の燃料セルセグメントのイオン伝導膜または電極のイオノマーの当量は、６００グラムから８３０グラムの間である。第２の燃料セルセグメントのイオン伝導膜または電極のイオノマーの当量は、好ましくは８３０グラムから１１００グラム、さらに好ましくは９００グラムから１０００グラムである。
【０００９】
別の好ましい実施形態では、第１の燃料セルセグメントの膜の厚さは、第２の燃料セルセグメントの膜の厚さよりも薄い。別の有利な実施形態では、第１の燃料セルセグメントの膜の厚さは４マイクロメートル（μｍ）〜１２マイクロメートルであり、第２の燃料セルセグメントの膜の厚さは１４マイクロメートル〜３５マイクロメートルである。より薄い膜により、乾燥した使用条件下で水のバランスが改善され、水の輸送が促進される。
【００１０】
別の代替実施形態は、第２の燃料セルセグメントのガス拡散層の孔隙率（porosity）が第１の燃料セルセグメントのそれよりも大きいことを特徴とする。孔隙率が高いほど、燃料電池スタック、特に第２の燃料セルセグメントからの、したがってより高い湿度が発生する場所での水の除去が促進される。例えば、第１の燃料セルセグメントのガス拡散層の平均孔径は５マイクロメートル未満であり、好ましくはさらに１マイクロメートル未満である。その場合、第２の燃料セルセグメントの平均孔径は、５マイクロメートルより大きく、例えば１０マイクロメートルである。これにより、第２燃料セルセグメント内での水の吸収と、結果として生じる可能性のあるフラッディングを防止することができる。代替または追加として、第１の燃料セルセグメントのガス拡散層の厚さは、第２の燃料セルセグメントのガス拡散層の厚さよりも薄くすることができる。
【００１１】
第２の燃料セルセグメントからの水の除去をさらに促進するために、第２の燃料セルセグメントのガス拡散層が疎水性コーティングを含むことが有利であることが証明された。この疎水性コーティングは、例えば、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、エチレン、プロピレンおよびヘキサフルオロプロピレンから作られたポリマーおよびコポリマーであり得る。例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、またはポリ（テトラフルオロエチレン−ＣＯ−エチレン）の溶液または分散液を使用して、ガス拡散層をコーティング、処理、または含浸することができる。
【００１２】
ガス拡散層はまた、マルチピース設計を有することができ、微孔質層（microporous layer）とマクロ孔質層（macroporous layer）を備えうる。微孔質層は、５マイクロメートル未満、好ましくは１マイクロメートル未満の平均孔径を有することができる。マクロ孔質層は、５マイクロメートルを超える平均孔径を有する。第２の燃料セルセグメントにおけるガス拡散層の微孔質層および／またはマクロ孔質層は、疎水性コーティングを備えうるが、第１の燃料セルセグメントにおけるガス拡散層の微孔質層および／またはマクロ孔質層は、別の実施形態では、親水性コーティングを備えうる。典型的な親水性コーティングは、酸化スズ（ＳｎＯ2）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、カーボンブラック（BlackPearls（登録商標）1000または2000など）、またはそれらの混合物から形成される。これにより、第２の燃料セルセグメントの構成要素は、第１の燃料セルセグメントの構成要素よりも撥水性が高くなる。
【００１３】
代替または追加として、燃料電池は、反応媒体を供給するための流れ場を含む１つまたは複数のバイポーラプレートを含むことができる。好ましくは、第１の燃料セルセグメントのバイポーラプレートは親水性コーティングを備えており、これらをより親水性（water-attracting）にする。代替または追加として、第２の燃料セルセグメントのバイポーラプレートには疎水性コーティングが施され、これらの撥水性を高めている。
【００１４】
代替または追加として、燃料電池スタックは、膜電極アセンブリおよび／またはガス拡散層が、第１の回収入口ラインと第２の回収出口ラインとの間で進行する疎水性の勾配を有するように設計することもできる。この疎水性の勾配の結果として、入口側により近接して位置するカスケード式燃料電池スタックのセクションは、出口側により近接して位置するセクションよりも多くの水を引き付ける。言い換えれば、入口側は出口側よりも水を引き付ける。
【００１５】
自動車用の燃料電池システムに関する目的は、請求項１０に記載の燃料電池システムによって達成される。
【００１６】
本発明のさらなる利点、特徴および詳細は、特許請求の範囲、以下の説明から、および図面に基づいて明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】カスケード式燃料電池スタックを含む、本発明に係る燃料電池システムの概略図である。
【図２】カスケード式燃料電池スタックの概略図である。
【図３】燃料セル（ユニットセル）の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、カソード側に加湿器２を備えた燃料電池システム１を示す。加湿器２は、そのカソード側出口３により、カソード供給ライン４を介してカスケード式燃料電池スタック５のカソード室に接続されている。さらに、加湿器２は、カソード側入口６により、カソード排気ガスライン７を介してカソード室に接続されており、それにより未反応のカソードガスまたは湿ったカソード排気ガスが加湿器２に再循環される。カソード室を通して、カソードガス（空気または酸素など）をカスケード式燃料電池スタック５に配置された複数の燃料セル１８のカソード３０に再循環させることができる。カソードガスは、圧縮機１３を介して吸い込まれ、次いで供給ライン１４に導入される。図示の例では、流入する圧縮カソードガスは、加湿のために加湿器２のカソードガス入口１５に供給される前に（伝熱式）熱交換器１６を通して冷却される。加湿器２は、多数の水蒸気透過性加湿器膜で形成されており、カソード排気ガスから水分を回収するように設計されている。水分は、圧縮機側の加湿器２に流入するカソードガスに供給される。残りの排気ガスは、排気ガスライン１７を介して加湿器２から放出される。プロトン伝導膜１９は、カソード３０を燃料セル１８のアノード３１から分離し、アノード室を介してアノード３１へと燃料（水素など）を供給することができる。この目的のために、アノード室はアノード供給ライン８を介して燃料貯蔵タンク９に接続される。アノード３１で反応しなかった燃料は、アノード再循環ライン１０を介して再びアノード室に供給される。好ましくは、詳細には示されていない再循環ファンが、アノード再循環に割り当てられる、すなわちアノード再循環ライン１０に流体機械的に結合される。燃料の供給を調節するように、燃料制御要素１１がアノード供給ライン８に割り当てられる、すなわちアノード供給ライン８に配置される。この燃料制御要素１１は、好ましくは圧力制御弁として設計される。図示の例では、燃料の温度を加熱または制御するように、復熱装置の形態の熱交換器１２が圧力制御弁の上流に設けられる。
【００１９】
図２は、カスケード式燃料電池スタック５をより詳細に示す。「カスケード式（cascaded）」とは、燃料電池スタック５の翼列状すなわちカスケード状の組成物またはカスケード状の構造を意味すると理解されるものとする。燃料電池スタック５は、複数の燃料セル１８の一部を含む第１の燃料セルセグメント２２（図の下部）と、複数の燃料電池１８の異なる、好ましくは相補的な一部を含む第２の燃料セルセグメント２３（図の上部）と、に分割される。第１の燃料セルセグメント２２および第２の燃料セルセグメント２３は、共有する燃料電池カスケード部２４に配置される。燃料電池スタック５は、カソードガス（空気または酸素など）、アノードガス（水素など）、またはその両方の作動媒体に関してカスケード構造を有する。
【００２０】
図２は、作動媒体またはガス質量流の流れ３３を示しており、カスケード状の設計の結果として複数の偏向（deflection）を受ける。燃料電池スタック５に作動媒体を供給することができるように、第１の燃料セルセグメント２２は、第１の回収入口ライン２５を備える。第１の回収入口ライン２５に供給される作動媒体は、複数の燃料電池セル１８に、特に側面または横方向に（またはバイポーラプレート３４によって提供される作動媒体室へと流れ場を通して）供給され、そこで作動媒体は、第１の回収入口ライン２５の反対側に配置された第１の燃料セルセグメント２２の側において再び燃料セル１８を出る前に、少なくとも部分的に消費され、第１の回収出口ライン２６へと流入する。第１の回収出口ライン２６は、第２の燃料セルセグメント２３の第２の回収入口ライン２７と一体的にまたは一体に形成される。次に、作動媒体は、第２の燃料セルセグメント２３の複数の燃料電池セル１８に、特に側面または横方向に（または、バイポーラプレート３４によって提供される作動媒体室へと流れ場を介して）供給され、そこで作動媒体の別の部分が消費される。その後、−少なくとも部分的にさらに消費された−作動媒体は、第２燃料セルセグメント２３の複数の燃料セル１８を出て、第２の回収出口ライン２８へと流入する。第２回収出口ライン２８から、作動媒体排気ガスは、次いで、例えば燃料電池スタック５を出て、別の隣接する燃料セルセグメント２２，２３に流入しうる。
【００２１】
この例では、第１の回収入口ライン２５および第２の回収出口ライン２８は共用のラインとして形成されるが、ここでは、第１の燃料セルセグメント２２を第２の燃料セルセグメント２３から分離するための遮断部２９すなわち隔壁を含む。第１の燃料セルセグメント２２内の燃料セル１８の数および第２の燃料セルセグメント２３内の燃料セル１８の数は、この隔壁２９の位置の関数として確立することができる。
【００２２】
図２に示されるカスケード式燃料電池スタック５では、燃料セル１８の、約７０パーセント（の第１の燃料セルセグメント２２）に対する約３０パーセント（の第２の燃料セルセグメント２３）の分割を例として示す。しかしながら、他の分割が可能であり、他の分割は、特に隔壁２９の位置に起因して生じる。
【００２３】
図３は、カスケード式燃料電池スタック５のセグメントで使用される例としての燃料セル１８を示す。この例では、２つのガス拡散層２１が割り当てられた膜電極アセンブリ２０を含む。しかしながら、それらのガス拡散層２１は、膜電極アセンブリ２０の電極を直接形成することもできる。いずれの場合でも、膜電極アセンブリ２０は、第１の電極（カソード３０）および第２の電極（アノード３１）を含み、それらの電極は互いにプロトン伝導膜１９によって離間される。２つの電極にはそれぞれ、ガス拡散層２１の１つが割り当てられており、電極、ひいては膜１９の表面全体に亘ってそれぞれの作動媒体を均一に分配している。作動媒体の分配を向上させるように、ガス拡散層２１は、電極に隣接してまたは電極の近くに配置された微孔質層３２と、微孔質層３２に隣接するマクロ孔質層３３と、を備える。微孔質層３２の孔径はマクロ孔質層３３の孔径に比べて著しく小さい。それらの流れ場により、ガス拡散層２１の隣に配置されたバイポーラプレート３４が、燃料セル１８のカソードまたはアノード室を提供する。明確にするために、これらをガス拡散層２１からオフセットして示すが、圧縮時にはその上に載る。
【００２４】
この例では、第１の燃料セルセグメント２２の燃料セル１８は、実質的に撥水性の構造を有することにより、第２の燃料セルセグメント２３の燃料セルとは異なる。第１の燃料セルセグメント２２の燃料セル１８および第２の燃料セルセグメント２３の燃料セル１８の異なる構造は、図２において異なる線の太さで示されている。２つのセグメントの燃料セル１８は、膜１９の当量に関して、膜１９に使用されるイオノマーの種類に関して、膜１９の厚さに関して、ガス拡散層２１の厚さに関して、ガス拡散層２１内および／または膜１９内の孔径に関して、および、それらの熱伝導率または水輸送および貯蔵能力に関して、互いに異なり得る。
【００２５】
一方、設計パラメーターは常に、燃料電池スタック５全体で化学量論を増加させることなく安定した動作を確保できるように選択される。
【符号の説明】
【００２６】
１…燃料電池システム
２…加湿器
３…出口
４…カソード供給ライン
５…燃料電池スタック
６…入口
７…カソード排気ガスライン
８…アノード供給ライン
９…燃料貯蔵タンク
１０…アノード再循環ライン
１１…燃料制御要素
１２…熱交換器
１３…圧縮機
１４…供給ライン
１５…カソードガス入口
１６…熱交換器
１７…排気ガスライン
１８…燃料セル
１９…膜
２０…膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）
２１…ガス拡散層
２２…第１の燃料セルセグメント
２３…第２の燃料セルセグメント
２４…燃料電池カスケード部（fuel cell cascade）
２５…第１の回収入口ライン（collection inlet line）
２６…第１の回収出口ライン（collection outlet line）
２７…第２の回収入口ライン
２８…第２の回収出口ライン
２９…遮断部（隔壁）
３０…カソード
３１…アノード
３２…微孔質層（microporous layer）
３３…マクロ孔質層（macroporous layer）
３４…（流れ場を有する）バイポーラプレート
３５…作動媒体の流れ
【図１】
0006861293.tif 000002
【図２】
0006861293.tif 000003
【図３】
0006861293.tif 000004