JP2002530816A - 燃料電池のためのバイポーラプレートおよびこのようなプレートを具備した燃料電池 - Google Patents
燃料電池のためのバイポーラプレートおよびこのようなプレートを具備した燃料電池Info
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Abstract
Description
電解質タイプの、燃料電池に関するものである。
、固体ポリマー電解質タイプの燃料電池の技術分野と規定することができる。
染を解決するために現在多数の開発プログラムの主題となっている電気自動車に
、応用することができる。
た電気化学的エネルギー変換器として機能する固体ポリマー電解質燃料電池の場
合には、電気自動車におけるバッテリの使用に関連した充電時間や充電コストと
いったような特にモータ車両に関連した問題点を克服することができる。
されている。
イプのメンブランが使用されている。この場合、アノード隔室(2)においては
、 2H2 → 4H+ + 4e- という反応式に従って、例えば水素H2 (4
)といったような燃料の酸化が起こり、カソード隔室(3)においては、 O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O という反応式に従って、例えば周囲雰囲
気中の酸素O2 (5)といったような酸化剤の還元が起こり、水(6)が生成さ
れる。アノードとカソードとは、外部回路(10)を介して接続されている。生
成された水は、電気浸透による拡散によって両隔室間を移動する(矢印11,1
2)。
たプロトン(9)を水の存在下において伝導させるようなイオングループを含有
した過フッ素イオノマータイプの有機メンブランとされる。
電気抵抗による電圧降下との妥協によって決められる。このメンブランは、また
、気体の隔離を可能としている。メンブランの化学的耐性および電気化学的耐性
により、通常、1,000時間を超える期間にわたってのバッテリ動作がもたら
されている。
域(14)と拡散領域(15)とを備えている。活性領域は、例えば白金といっ
たような貴金属粒(16)によってカバーされた多孔質グラファイトと、イオン
導電性ポリマーから形成されるとともにメンブランと同様の構成とされていてイ
オン伝導性をもたらす薄いコーティング層と、を有している。拡散領域(15)
は、例えばPTFEによってコーティングされたグラファイトといったような、
疎水性ポリマーを適用することによって疎水化された多孔質材料とされる。疎水
性のために、液体水分が排出される。
トン(9)は、メンブランを通過して、カソードへと搬送される。カソードにお
いては、プロトンは、例えば周囲雰囲気中の酸素の還元によって生成されたイオ
ンと再結合して、水(6)を生成する。
された電気モータ(18)に対しての、電力供給源となることができる。この反
応の副生成物は、水だけである。
薄いアセンブリであり、各電極には、例えば溝付きのプレートを通して、背面側
から気体が供給される。
には通常0.5〜2W/cm2 の程度のものであるので、標準的な電気自動車に
とって必要な例えば50kWという電力量を得るには、このようなバルク電極/
メンブラン/バルク電極構造を、複数組み合わせる必要がある。
るためには、1個の構造あたりの表面積が20×20cm2 であるような構造を
、多数組み合わせる必要がある。
池構成を形成する各組が、2つの透過可能プレート(7,8)間に配置される。
2つの透過可能プレートは、一方においては、アノード側における水素分散をも
たらし、他方においては、カソード側における酸素分散をもたらす。これら両プ
レートは、バイポーラプレートと称される。
なければならない。すなわち、バイポーラプレートは、次の基準すなわち要求に
適合したものであるべきである。 −フィルタ/プレスタイプのアセンブリ内における複数のバルク電極/メンブ
ラン組に対して機械的耐性を有していること。これと同時に、特に電気自動車へ
の応用に際して、全体容積を許容可能なものとするために、数ミリメートルの厚
さへと、厚さが制限されていること。 −電池の動作と効率とを低下させないよう(過度の加熱)電気抵抗による電圧
降下を制限するため、可能な最大の電子伝導性と熱伝導性とが得られるよう、隣
接しているバルク電極/メンブラン組どうしの間において電子伝導と熱伝導とを
もたらし得ること。 −気体密封性をもたらし得ること。同時に、電池における特定の動作条件に関
連した熱的腐食および電気化学的腐食に対して耐性を有していること。 −電極に対しての供給ガスの一様な分布をもたらすような拡散経路を備えてい
ること。 −過剰の水を除去するための部材を備えていること。 −冷却部材を備えていること。
mとされているような正方形断面または長方形断面の複数の気体分散チャネル(
19)が、機械加工されている。これらチャネルは、電極に気体を供給するため
のものであって、できる限り一様に気体を供給できるよう、電極の表面全体にわ
たって曲折するように構成されている。これらチャネルは、また、生成された水
を、回収して外部に排出することができる。これらチャネルは、通常、互いに1
80°だけ隔離されており下向きに曲げられている、水平部分を備えている。
ランの両面間に過度に大きな圧力差が発生することを防止するために、1つのバ
イポーラプレートすなわち分散プレートあたりに、複数のチャネルを、例えば互
いに平行なものとして、配置することができる。
ラプレートが設けられている場合であっても、電池の性能が、なおも不満足なも
のであることに注意されたい。特に、H2 /空気中で動作したときに得られる最
大電圧が約0.5V〜0.7Vと低く、不満足なものである。
かつ全体的な予測不可能な変動が起こってしまうことが避けられないため、長期
にわたって最大電圧を維持することが困難である。
ーラプレートの気体分散チャネル内を移動する、様々な気体および液体流体の移
動に関連しているものと考えられる。
ファイトであるか、あるいは、ステンレススチールであるか、のいずれかである
。いずれの場合においても、バイポーラプレートにおける気体供給用のグルーブ
またはチャネルまたは溝を形成するために、時間を要しさらにコストがかかりし
かも複雑な機械加工を行うことが必要である。
めることが示された。この場合、プレートのコストの本質的ではないけれども大
きな部分が、機械加工に関連している。
料電池のコスト低減がもたらされたけれども、メンブランの製造にかかるコスト
については、プレートに関してさらなる進歩が実質的になされる必要がある。製
造方法を簡略化する必要がある。特に、気体分散経路の形成に関しての機械加工
操作を簡略化する必要がある。
燃料電池のコストに影響を与え、燃料電池のコストを、熱エンジンのコストと同
等の価格帯のものとする。
る最大電圧に関して性能の向上をもたらし得るような、また、性能の予測不可能
な突発的な変動を起こすことなく長期にわたって高性能を維持できるような、さ
らに、上述の様々な要求を満たすような、燃料電池用のバイポーラプレートが、
特に固体電解質燃料電池用のバイポーラプレートが、要望されている。
工操作に要する時間やコストを低減することができてバイポーラプレートのコス
トを低減できこれによりバイポーラプレートを具備した燃料電池のコストを低減
し得るような方法によって製造できるような、バイポーラプレートの製造方法が
要望されている。
来技術の夜バイポーラプレートにおける欠点や不利や欠陥や制限を一切有してお
らず、さらに、従来技術によるバイポーラプレートにおける問題点を解決し得る
ような、燃料電池用のバイポーラプレートを提供することである。
ような、燃料電池用のバイポーラプレートの製造方法を提供することである。
るような、また、そのような高性能が長期にわたって安定しているような、さら
に、製造コストが低減されているような、燃料電池デバイスを提供することであ
る。このような燃料電池デバイスは、特に、電気自動車において使用することが
可能となる。
ートであって、少なくとも1つの面に、隣接する電極表面と協働することによっ
て少なくとも1つの気体分散チャネルを形成し得る少なくとも1つの溝を備え、
気体分散チャネルが、気体分散チャネル内を移動する2相移動の中の液体を電極
表面から離間する向きに移動させ得るような、形状とされているようなバイポー
ラプレートによって得られる。
中の液体を電極表面から離間する向きに移動させ得るような、形状を有したもの
とされる。
ルの横断面形状により、液体は、電極から離間する向きに移動する。あるいは、
好ましくは、液体を、電極表面から離間した領域に向けて移動させることができ
る。例えば、溝またはチャネルの『底面』として定義することのできる領域に向
けて移動させることができる。これにより、水フィルムといったような液体フィ
ルムの電極表面上への形成が、防止される。
いような特別の移動状態が得られる。移動チャネルとして可能な多くの形状の中
で、本発明による特定形状は、特定タイプの移動状態、つまり、すべての可能な
移動状態の中で移動液体を電極から離間する向きに移動させ得るような特定タイ
プの移動状態、を可能とし得る唯一のものである。
得られるような移動タイプである。この場合、とりわけ、突発的な予測不可能な
時間変動をもたらすことなく長期にわたって最高電圧が安定的に得られる。
とができ、正方形断面や長方形断面とされた気体分散チャネルを備えているよう
な従来技術におけるバイポーラプレートに関する問題点を克服することができる
。
満たしているべき上記要求のすべてを満たすことができる。
れた気体分散チャネルを備えているような従来技術における燃料電池よりも、よ
り大きな最大電圧を得ることができる。
わち、電池によってもたらされる電圧は、恒久的に非常に大きいものであり、突
発的変動がなく大いなる時間安定性を有している。電池の信頼性が、向上する。
ネルを備えてなるバイポーラプレートと比較して、例えば電池の許容流速といっ
たような動作パラメータの範囲を拡大し得るという利点をもたらす。つまり、本
発明においては、従来技術よりも、電池の動作パラメータの設定の自由度が大き
く、誤差や不確定性に対しての余裕度が大きい。
も1つの溝を備えている。
断面における角度が、電極表面から遠い側よりも、電極表面によって形成された
側において、より大きく開いている。
電極表面によって形成された第1辺とこの第1辺とは反対側の第2辺と残りの2
つの辺とを備えてなる凸状四辺形形状とされ、第1辺と残りの2つの辺とがなす
角度が、第2辺と残りの2つの辺とがなす角度よりも、より大きく開いている。
領域におけるよりも、電極近傍領域において、より大きく開いている。角度が小
さいすなわち鋭角は、したがって、電極とは反対側において形成される。つまり
、チャネルまたは溝の『底面』において形成される。このような領域においては
、毛細管効果が大きく現れ、液体が留まる傾向がある。
台形の2つの底辺が、電極側に位置した第1辺と、これとは反対側に位置した第
2辺と、を形成している。
さは、互いに等しい。
断面が、正方形または長方形であり、チャネルを構成している複数の壁または面
のうちの、電極表面によって形成されている壁または面を除く少なくとも1つの
壁または面が、少なくとも1つのグルーブまたはノッチを有している。チャネル
を構成している複数の壁または面のうちの、電極表面によって形成されている壁
または面を除く3つの壁または面が、少なくとも1つのグルーブまたはノッチを
有することができる。
わち、チャネルを構成している複数の壁のうちの、電極表面によって形成されて
いる壁とこの壁とは反対側に位置している壁とを除く壁だけが、少なくとも1つ
のグルーブまたはノッチを有することができる。
て形成されている壁とは反対側に位置している壁(チャネルの底面壁)だけが、
少なくとも1つのグルーブまたはノッチを有することができる。
的には、好ましくは90°よりも小さな開口角度を有しているV字形横断面を有
しているものとすることができる。
、グルーブの深さおよび/または幅は、グルーブが形成されている壁のサイズに
対して例えば1/4〜1/10といった程度のものでしかない。
の気体分散チャネルの特定形状が、バイポーラプレートに新規な機能を組み込む
ことを容易とする。
うな、液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段がある。この機能は、
本発明においては、水のような液体を電極表面から離間した領域に局在化させる
ことによって、容易に行うことができる。
段は、例えば少なくとも1つの多孔質部材を備えて排出するおよび/または毛細
管的に吸収する手段を備えている。この場合、多孔質部材は、気体を分散させる
ための溝の内部または外部において、水が局在化する領域に配置される。すなわ
ち、電極表面からは遠い領域に配置される。好ましくは、電極表面によって形成
される壁とは反対側の壁の内外や、溝の少なくとも1つの側壁の内外、などに配
置される。
ることができ、水を再分散させるために使用し、例えば電池入口といったような
不足領域に再分散することができ、あるいは、電池から生成水を排出するために
使用することができる。
なる開放気泡を有した発泡体の形態とすることもできる。
ャネルを構成している複数の壁のうちの少なくとも1つの壁に、穴すなわち貫通
穴を備えることができる。好ましくは、溝の壁のうちの、多孔質材料と接触して
いる壁に、穴すなわち貫通穴を備えることができる。
とプレスされ曲げられたプレートから構成され、同じ深さとされた複数の溝が、
独自形状プレートの両側において交互に連続して形成されている。
/メンブラン/電極アセンブリ)とを組み合わせる際には、そのような溝は、独
自形状プレートの両側において、アノード用の気体分散チャネルとカソード用の
気体分散チャネルとをもたらす。
するものである。本発明による方法は、簡単かつ迅速かつ高精度なものであって
、 −バイポーラプレートの溝を形成するのに適した形状とされた1つまたは複数
のワイヤを準備し; −平面プレートの少なくとも一方の面上に前記ワイヤを固定することによって
、所望形状の溝を形成する; という方法である。
れ、ワイヤは、スポット溶接によってバイポーラプレートに対して固定される。
たような燃料電池に関するものである。
2相移動が電極表面から離間する向きに移動できるような、形状とされる。
動作時に発生し、この中の1つの移動状態が、電池に高性能をもたらすことを示
した。
バーする薄い液体フィルムによって特徴づけられる。 −断続移動。この断続移動は、気体ポケットと液体水プラグとの断続的通過に
よって特徴づけられ、そのため、電極表面も含めてすべての壁上に液体が連続的
に存在することによって特徴づけられる。 −層状移動、あるいは、二重層状移動。この移動においては、チャネルの水平
部分をなす上部および下部に少なくとも液体フィルムが形成される。
面およびカソード面上に、断続移動状態と、二重層状移動状態と、が存在する。
移動状態と、が存在する。窒素によって酸素が希釈されていることのために、空
気側では断続移動が不可能であり、非常に高速流速によって特徴づけられる動作
条件下では、環状移動が観測される。
驚くべきことに、二重層状移動が、他の環状移動状態や断続移動状態よりも、電
池に高性能化をもたらすことが示された。
て性能を最大電圧レベルに維持するためには、アノードチャネルおよびカソード
チャネルからの2相移動を二重層状移動状態に維持する必要があることは、明ら
かである。
いては、気体は、すべての周縁部にわたって液体フィルムによって囲まれている
。また、断続移動においては、気体ポケットが、また、液体水フィルムによって
囲まれている。電極は、反応ガスに対して直接的に接触することがなく、反応ガ
スは、電極へと到達するためには、例えば水フィルムといったような液体フィル
ムを通って拡散しなければならない。この拡散が、律速段階となる。層状移動の
場合には、反応ガスは、電極に対して直接的にアクセスすることができる。
の予測可能な影響をもたらさない。気体流速は、二重層状移動を維持するために
は、重要なパラメータである。しかしながら、例えばリフォーマー(reformer)
や湿潤器といったような補助部材のかさ高さを低減するために、気体流速を低減
する傾向がある。このことは、二重層状移動状態の維持に関して、気体流速の影
響を緩和する。二重層状移動状態の利点は、双方の気体に関して維持されるべき
である。つまり、流速パラメータによって影響されずに、電極上に液体フィルム
がない状態が維持されるべきである。
右するあらゆる様々なパラメータの中で、チャネルの形状が基本的パラメータで
あるという驚くべきことが示された。
させ得るようなすべての形状が、本発明の概念に含まれる。つまり、電極表面上
における液体フィルムの形成を防止し得るよう好ましくは電極から離間する向き
に液体を移動させ得るようなチャネル形状であれば、本発明の概念に含まれる。
いう要求に適合するために表面張力を利用したような形状である。好ましくは、
この形状は、チャネルの横断面形状を特定の形状とすることにより、得られる。
おける角度が、電極表面から遠い側(例えば、電極とは反対側)よりも、電極表
面によって形成された側において、より大きく開いている。この要求を満たす多
数の形状の中で、分散チャネルの横断面は、好ましくはこの第1実施形態におけ
る分散チャネルの横断面は、実質的に、電極表面によって形成された第1辺とこ
の第1辺とは反対側の第2辺と残りの2つの辺とを備えてなる凸状四辺形形状と
され、第1辺と残りの2つの辺の各々とがなす両角度が、第2辺と残りの2つの
辺の各々とがなす両角度よりも、より大きく開いている。すなわち、最初の角度
は、『鈍角』とされ、例えば、90°〜135°の範囲とされ、2つめの角度は
、『鋭角』とされ、例えば、90°〜45°の範囲とされる。
違していること、および、このような形状が、電極から離れた反対側における鋭
角による大きな毛細管効果に基づいて、液体を電極から離間させる向きに移動さ
せ得ること、に注意されたい。
チャネル(19)(図1参照)は、上底(22)や下底(23)ではなく両側辺
(21)が互いに等しいような二等辺の台形形状とされた横断面形状を有してい
る。この場合、短い方の上底(22)は、電極(13)の面によって規定されて
いる。
(22,23)と互いに長さの等しい2つの側辺(21)とを備えてなる凸状四
辺形の断面の特殊なケースである。当然のことながら、すべての形状において、
上述の角度のための条件が満たされているべきである。
ネルの底辺の長さすなわち台形形状の長い方の底辺(23)の長さLが1.5m
mであり、一方、電極(13)の厚さeは、例えば0.4mmである。
とができることは、極めて明らかである。例えば、Hは、1〜4mmの範囲のも
のとすることができ、Lは、1〜4mmの範囲のものとすることができる。
されている。すなわち、これら角度は、75°という値とされている反対側の角
度(26,27)よりも、より開いている。
の角度が鈍角をなしかつ反対側の角度が鋭角をなすようなすべての値とすること
ができる。
いる。この場合には、チャネル(19)の断面は、図2と同様に実質的に二等辺
の台形形状とされている。しかしながら、台形形状のコーナーは、丸められてい
る。寸法H、L、eは、図2のチャネルに関して例示したものと同じである。
る分散チャネルの2つの形態が示されている。チャネルの断面は、長方形(図4
の場合)または正方形(図5の場合)であって、チャネルの壁上には、小さなノ
ッチまたはグルーブが機械加工されている。
側に位置したチャネル壁上にのみ、例えば2個の、ノッチまたはグルーブ(41
)を有している。
5)以外の3つのチャネル壁(52,53,54)上に、それぞれ2個のノッチ
またはグルーブ(51)を有している。図4および図5に図示されているノッチ
またはグルーブは、60°という角度とされたV字形のものとされている。これ
らノッチは、小さなものであって、深さが0.5mmのものである。
Hおよび辺長さLが共に1.5mmであり、長方形横断面チャネルの場合には、
辺長さLが2.0mmおよび深さHが1.0mmである。
とができることは、極めて明らかである。正方形の辺長さは、1〜4mmの範囲
内で変更することができ、長方形形状における深さHは、1〜4mmの範囲内で
変更することができ、長方形形状における長さLは、1〜4mmの範囲内で変更
することができる。
他の可能な形状として、例えば台形形状や底面が丸められた三角形形状があり、
このようなグルーブの深さが、一般的に、チャネル幅の数分の1とされることは
、極めて明らかである。
できる。しかしながら、本発明のバイポーラプレートの好ましい製造方法におい
ては、平面プレート上に分散チャネルまたは溝を形成するに際して適切な形状の
少なくとも1つのワイヤを準備し、このワイヤをプレート上に固定して分散チャ
ネルを形成する。
る。明らかなように、本発明における特殊形状をワイヤに対して付与する際して
は、押出以外の技術も使用することができる。例えば、2つのサイズのフライス
盤で機械加工された研磨面を有するものとして、このようなワイヤを製造するこ
とができる。
望形状とすることができる。
状とされた横断面を有してなる分散チャネルを形成することとなる溝を備えたバ
イポーラプレートを製造するのに好適なものである。したがって、このワイヤの
断面も、互いに平行な下底(61)および上底(62)と、互いに長さの等しい
両側辺(63)と、を備えてなる二等辺の台形形状とされている。
構成材料として通常的に使用される材料の中から選択された材料から形成されて
いる。
上に好ましくは両面上に、固定される。平面プレートの構成材料は、燃料電池の
使用に適合した材料の中から選択されている。
そのような簡単で迅速な固定方法は、プレート上へのワイヤの固定に際しては十
分なものであり、燃料電池を形成するために各々が電極/メンブラン/電極(E
ME)によって隔離された2つのバイポーラプレートを備えてなる複数の電池の
取付に対応した圧縮時には、相対的シールがもたらされる。
イズに関しての精度が高いものである。
つの平面プレート(71)上に固定されている。EME組が、このようにして形
成され分散チャネルをなす溝(74,75)を備えたバイポーラプレートどうし
の間に配置される。分散チャネルに関しては、例えば、アノード側のチャネル(
75)は、水素分散をもたらし、カソード側のチャネル(74)は、酸素分散を
もたらす。
わち独自形状の金属シートプレートを形成し(例えば、ポリマーまたはステンレ
ススチール)、それをプレスし、それを曲げることによって、バイポーラプレー
トを直接的に形成する。これにより、カソード側の気体分散チャネル(82)と
アノード側の気体分散チャネル(83)とに対応した複数の溝が、プレスされ曲
げられた独自形状のプレート(81)の両側に同時に形成され、プレートの両面
において交互に位置するようにして形成される。図8に示すように、3つの電極
/メンブラン/電極組(84)を備えて構成されたアセンブリは、2つの単位電
池を形成する。
(92)上に固定され、バイポーラプレートを形成するためのシールがもたらさ
れる。このようにして、電極/メンブラン/電極組(84)の両サイドに、例え
ば水素といったようなアノード気体を分散させるためのチャネル(83)と、例
えば酸素といったようなカソード気体を分散させるためのチャネル(82)と、
が交互に形成される。チャネル(85)は、電池の熱的観測のために使用するこ
とができる。
孔質プレートは、多孔質材料(90)に接触する面にすなわち溝(82,83)
をなす面のうちの電極表面とは反対側に位置した『底面』に穴(96)(図9A
参照)が形成されている曲げ金属シート溝(82,83)を支持している。
管的吸収を行うことができ、および/または、水の分散や、例えば気体の湿潤化
といったような水の再分散を行うことができる。
1)における溝(82,83)を詳細に断面図でもって示している。チャネルす
なわち溝(82,83)の底面には、穴すなわち貫通穴(96)が形成されてい
る。
のアセンブリは、電極/メンブラン/電極からなる2つの組と、プレスされさら
に曲げられた金属シート状とされた本発明による2つのバイポーラプレート(8
1)と、分散チャネル(82,83)の両側面に配置され液体水分を排出して再
分散させるための多孔質材料と、を備えてなるアセンブリを示している。
、図9において定義されたチャネル(85)である。そのため、穴開けされてい
て穴(96)が形成されているのは、図9における溝の底面ではなく、溝(82
,83)の側壁である。
)内に配置されている。この場合、チャネル(85)は、図9において言及した
ように熱観測のために使用されるのではない。溝をなす壁面のうち、多孔質材料
に面した壁には、横方向穴(96)が形成されている。
ーラプレート(81)における溝(82,83)を拡大して示す断面図である。
チャネルの側壁には、穴すなわち貫通穴(96)が開けられている。
備えている燃料電池デバイスである。
できる。すなわち、メンブラン(1)が、2つの電極(13)間に配置されたも
のとすることができる。この場合、電極は、バルク電極を形成し得るよう、白金
が添加されたカーボン織物(または、他の貴金属によって処理されたもの)とさ
れ、好ましくは、例えばNafion(登録商標)等といったような化合物が含浸され
たものとされる。
間に配置される。アノード側のバイポーラプレートは、水素といったようなアノ
ード気体(4)の分散をもたらし、カソード側のバイポーラプレートは、酸素と
いったようなカソード気体(5)の分散をもたらす。
こともできる。
ル内の熱交換器によって温度調節される銅プレートといったような、温度調節の
ための手段(図示せず)を備えることができ、また、外部回路(10)に対して
接続され電池の動作を制御するための手段を備えることができる。このような手
段には、例えば、流速制御器や、温度制御器や、圧力制御器や、電流制御のため
の電気的負荷、がある。
に示す従来構成と基本的に同じである。本発明による気体分散チャネル(19)
の形状であれば、燃料電池の性能向上がもたらされ、水を回収するための多孔質
材料の挿入が可能とされる。その他にも、本発明に基づいて製造されたプレート
のなす特殊形状、および、そのようなプレートを備えてなるアセンブリや燃料電
池のための積層化は、添付図面に示されている。
ネルギー貯蔵において使用することに、特に興味がある。あるいは、バックアッ
プ電力を供給するためのエネルギー生成モジュールという範疇において、また、
アクセスが困難な地域に対しての電力供給のためのエネルギー生成モジュールと
いう範疇において、特に興味深い。
を参照して、本発明について説明する。
酸素で動作するアノード側およびカソード側における燃料電池の2相移動につい
て検証した。この場合、カソード側においては4つのチャネルがあり、アノード
側においては2つのチャネルがあり、各チャネルは、1.5×1.5mm2 とい
う同一断面積である。
移動状態が明らかにされ観測された。これらは、上記において定義した3つの移
動状態、すなわち、環状移動、断続移動、および、層状移動または二重層状移動
、である。
に対しての水滴の存在が、環状移動が存在していないことを意味していることに
注意されたい。なぜなら、水滴は、壁を湿潤する水フィルム上には、保持され得
ないからである。二重層状移動における上フィルムの形成は、180°曲げにお
ける通過によって説明される。
れたような移動状態の影響が、検証された。
実験全体にわたって同じとされた。
対して直列接続された50cm2 電池に関して、4barsかつ80℃で行われ
た。課された電流密度値は、200cm2 電池に関しては1.1A/cm2 であ
り、50cm2 電池に関しては2.0A/cm2 である。
l/hに維持した。この実験例における結果は、図11に示されている。図11
は、Nl/hという単位で表した酸素流速QO2 (破線で示す曲線)と、50c
m2 電池における、ボルトという単位で表した電圧U(実線で示す曲線)とを、
時間という単位で表した時間tの関数として示すグラフである。さらに、移動の
様子が、実験例1と同様に、ポートを通して目視により観測された。
移動が二重層状流であって、電池電圧が0.42Vであることがわかる。流速を
400Nl/hに切り換え、さらにその後、800Nl/hへと切り換えると、
移動状態の変化のために、第2電池の性能低下が引き起こされる。移動状態は、
環状状態となる。この環状状態は、水の小波によって特徴づけられるものであり
、ポートの表面において容易に確認することができる。初期の頃の性能レベルは
、流速を50Nl/hへと戻すことによって、回復することができる。
き下げた。この移動状態の性質は、目視観測によって確認することができた。電
池電圧は、0.40V付近となり、層状移動の場合よりも低下した。また、断続
移動において典型的な不安定性が現れた。
重層状移動が、他の2つの移動状態よりも、良好な電池特性が得られることを明
瞭に示している。
とによって、長期にわたっての燃料電池の電圧時間依存特性が、調査された。
ただし、200cm2 の電池には直列接続されなかった。
り、気体入力温度は20℃であった。水素流速および酸素流速は、それぞれ10
Nl/hおよび40Nl/hという値に実験全体にわたって一定に維持された。
課された電流密度は、100Aであった。すなわち、2A/cm2 であった。
倍管の出力電圧をボルトという単位で表したもの(破線で示す曲線)とを、秒と
いう単位で表した時間の関数として示すグラフである。
分散チャネル内に配置したレーザーと連携させることにより、チャネルの内容物
が、水であるか気体であるかを決定することができる。実際、水で充填されたチ
ャネルと気体で充填されたチャネルとの間におけるレーザービームの反射の違い
が、断続移動における液体水プラグの通過を検出するために使用された。レーザ
ービームの反射光強度が、光増倍管へと戻される。
ている光増倍管電圧の各ピークが、電池電圧レベルにおける急峻な性能低下と完
全に対応していることがわかる。
て長期にわたって良好な性能を維持するためには、本発明による特定の移動状態
が適切であること、そのため、本発明による特定の形状構成が適切であること、
が確証される。
トとを備えて構成された複数の単位燃料電池を具備した燃料電池を概略的に示す
図である。
1実施形態による好ましい実施形態を示す図である。
1実施形態に基づく実施形態を示す図である。
2実施形態を示す図であって、チャネルまたは溝は、長方形断面のものとされて
いて、ノッチまたはグルーブを有している。
2実施形態を示す図であって、チャネルまたは溝は、正方形断面のものとされて
いて、ノッチまたはグルーブを有している。
所定形状ワイヤを示す図である。
を使用して本発明による方法によって製造された2つのバイポーラプレートと、
を備えて構成された単位電池をなすアセンブリを示す図である。
されさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による2つのバイポーラプレ
ートと、を備えてなるアセンブリを示す図である。
、プレスされさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による2つのバイポ
ーラプレートと、チャネルの底面に配置され液体水分を排出して再分散させるた
めの多孔質材料と、を備えてなるアセンブリを示す図であり、図9Aは、図9に
おけるプレスされさらに曲げられた金属シート状バイポーラプレートにおける溝
を拡大して示す断面図であって、電極表面とは反対側に位置した底面上に穴が開
けられている様子が示されている。
スされさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による2つのバイポーラプ
レートと、分散チャネルの両側面に配置され液体水分を排出して再分散させるた
めの多孔質材料と、を備えてなるアセンブリを示す図であり、図10Aは、図1
0におけるプレスされさらに曲げられた金属シート状バイポーラプレートにおけ
る溝を拡大して示す断面図であって、側面上に穴が開けられている様子が示され
ている。
)と、200cm2 電池と直列接続され水素/酸素が供給された50cm2 電池
における、ボルトという単位で表した電圧Ucel (実線で示す曲線)とを、時間
という単位で表した時間tの関数として示すグラフである。
(実線で示す曲線)と、電池の気体分散チャネル内の水プラグの通過量の光増倍
管による検出値をボルトという単位で表したもの(破線で示す曲線)とを、秒と
いう単位で表した時間tの関数として示すグラフである。
を特徴とするバイポーラプレート。
前記第2辺を形成していることを特徴とするバイポーラプレート。
て形成されている壁または面を除く3つの壁または面が、少なくとも1つのグル
ーブまたはノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート。
れている壁とは反対側に位置している壁だけが、少なくとも1つのグルーブまた
はノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート。
れている壁と該壁とは反対側に位置している壁とを除く壁だけが、少なくとも1
つのグルーブまたはノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート。
レートにおいて、 前記グルーブまたはノッチが、V字形横断面を有していることを特徴とするバ
イポーラプレート。
するバイポーラプレート。
トにおいて、 液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段を具備していることを特徴
とするバイポーラプレート。
多孔質部材を備えていることを特徴とするバイポーラプレート。
て前記液体が局在化するところに配置されていることを特徴とするバイポーラプ
レート。
ートにおいて、 前記液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段が、前記チャネルを構
成している複数の壁のうちの、前記電極表面によって形成されている壁を除く少
なくとも1つの壁に、穴すなわち貫通穴を備えていることを特徴とするバイポー
ラプレート。
に形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
トにおいて、 独自形状へとプレスされ曲げられたプレートから構成され、 同じ深さとされた複数の溝が、前記独自形状プレートの両側において交互に連
続して形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
レートを製造するための方法であって、 −前記バイポーラプレートの溝を形成するのに適した形状とされた1つまたは
複数のワイヤを準備し; −平面プレートの少なくとも一方の面上に前記ワイヤを固定することによって
、所望形状の溝を形成する; ことを特徴とする方法。
していることを特徴とする燃料電池。
Claims (22)
- 【請求項1】 燃料電池のためのバイポーラプレートであって、 少なくとも1つの面に、隣接する電極表面と協働することによって少なくとも
1つの気体分散チャネルを形成し得る少なくとも1つの溝を備え、 前記気体分散チャネルが、該気体分散チャネル内を移動する2相移動の中の液
体を前記電極表面から離間する向きに移動させ得るような、形状とされているこ
とを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項2】 請求項1記載のバイポーラプレートにおいて、 前記バイポーラプレートの双方の面が、少なくとも1つの溝を備えていること
を特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項3】 請求項1記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルの横断面が、前記気体分散チャネル内を移動する前記2相移動の
中の液体を前記電極表面から離間する向きに移動させ得るような、形状を有して
いることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項4】 請求項3記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルの横断面における角度が、前記電極表面から遠い側よりも、前記
電極表面によって形成された側において、より大きく開いていることを特徴とす
るバイポーラプレート。 - 【請求項5】 請求項4記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルの横断面が、実質的に、前記電極表面によって形成された第1辺
と該第1辺とは反対側の第2辺と残りの2つの辺とを備えてなる凸状四辺形形状
とされ、 前記第1辺と前記残りの2つの辺の各々とがなす両角度が、前記第2辺と前記
残りの2つの辺の各々とがなす両角度よりも、より大きく開いていることを特徴
とするバイポーラプレート。 - 【請求項6】 請求項5記載のバイポーラプレートにおいて、 前記凸状四辺形が、台形であり、この台形の2つの底辺が、前記第1辺および
前記第2辺を形成していることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項7】 請求項6記載のバイポーラプレートにおいて、 前記台形が、二等辺の台形であることを特徴とするバイポーラプレート。
- 【請求項8】 請求項1記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルの横断面が、正方形または長方形であり、 前記チャネルを構成している複数の壁または面のうちの、前記電極表面によっ
て形成されている壁または面を除く少なくとも1つの壁または面が、少なくとも
1つのグルーブまたはノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート
。 - 【請求項9】 請求項8記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルを構成している複数の壁または面のうちの、前記電極表面によっ
て形成されている壁または面を除く3つの壁または面が、少なくとも1つのグル
ーブまたはノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項10】 請求項8記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルを構成している複数の壁のうちの、前記電極表面によって形成さ
れている壁とは反対側に位置している壁だけが、少なくとも1つのグルーブまた
はノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項11】 請求項8記載のバイポーラプレートにおいて、 前記チャネルを構成している複数の壁のうちの、前記電極表面によって形成さ
れている壁と該壁とは反対側に位置している壁とを除く壁だけが、少なくとも1
つのグルーブまたはノッチを有していることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項12】 請求項8〜11のいずれかに記載のバイポーラプレートに
おいて、 前記グルーブまたはノッチが、V字形横断面を有していることを特徴とするバ
イポーラプレート。 - 【請求項13】 請求項12記載のバイポーラプレートにおいて、 前記V字形横断面が、90°よりも小さな開口角度を有していることを特徴と
するバイポーラプレート。 - 【請求項14】 請求項1〜13のいずれかに記載のバイポーラプレートに
おいて、 液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段を具備していることを特徴
とするバイポーラプレート。 - 【請求項15】 請求項14記載のバイポーラプレートにおいて、 前記液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段が、少なくとも1つの
多孔質部材を備えていることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項16】 請求項15記載のバイポーラプレートにおいて、 前記多孔質部材が、前記気体分散チャネル内の、前記電極表面から離間してい
て前記液体が局在化するところに配置されていることを特徴とするバイポーラプ
レート。 - 【請求項17】 請求項14〜16のいずれかに記載のバイポーラプレート
において、 前記液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段が、前記チャネルを構
成している複数の壁のうちの、前記電極表面によって形成されている壁を除く少
なくとも1つの壁に、穴すなわち貫通穴を備えていることを特徴とするバイポー
ラプレート。 - 【請求項18】 請求項17記載のバイポーラプレートにおいて、 前記穴が、前記溝をなす前記壁のうちの、前記多孔質部材と接触している部分
に形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項19】 請求項1〜18のいずれかに記載のバイポーラプレートに
おいて、 独自形状へとプレスされ曲げられたプレートから構成され、 同じ深さとされた複数の溝が、前記独自形状プレートの両側において交互に連
続して形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。 - 【請求項20】 請求項1〜18のいずれかに記載されたバイポーラプレー
トを製造するための方法であって、 −前記バイポーラプレートの溝を形成するのに適した形状とされた1つまたは
複数のワイヤを準備し; −平面プレートの少なくとも一方の面上に前記ワイヤを固定することによって
、所望形状の溝を形成する; ことを特徴とする方法。 - 【請求項21】 請求項20記載の方法において、 前記ワイヤを、スポット溶接によって固定することを特徴とする方法。
- 【請求項22】 燃料電池であって、 請求項1〜19のいずれかに記載のバイポーラプレートを少なくとも1つ具備
していることを特徴とする燃料電池。
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