JP2004520692A - フローフィールドプレートジオメトリ - Google Patents

Abstract

１つ以上のガス送出流路、及びそこに接続する幅０．２ｍｍ未満の複数のガス拡散流路を含む流路アセンブリを少なくとも一面に備える、燃料電池もしくは電解槽用のフローフィールドプレートを提供する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池及び電解槽に関し、特に、限定はされないが、プロトン交換膜型燃料電池及び電解槽に適用され得るものである。
【０００２】
燃料電池とは、燃料及び酸化剤を制御混合して直接電力を発生させる装置である。中間燃焼や発電段階を経ずに直接電力を発生させるため、従来の発電機において燃料を使用するより燃料電池の発電効率が高いことは公知である。燃料電池は単純で望ましいが、実用的な燃料電池システムの開発には近年多数の人員と年月の労力が費やされてきた。電解槽は事実上燃料電池の逆であり、電気を用いて水を水素と酸素に分解する。
【０００３】
燃料電池と電解槽は共にいわゆる「水素経済」の主要部になり得ると考えられる。以下では燃料電池について言及するが、同様の原理は電解槽にもあてはまることを忘れてはならない。量産されている燃料電池の１つの型は、いわゆるプロトン交換膜型（ＰＥＭ）燃料電池［時おり高分子電解質または固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）とも言われる］である。かかる電池は水素を燃料として用い、両面に多孔質電極を配置した絶縁性（但しイオン伝導性）高分子膜を備える。膜は通常フルオロスルホン酸ポリマーであり、電極は通常、炭素質粉末基板に分散させた貴金属触媒から構成される。この電極と膜の組み合わせは、しばしば膜電極接合体（ＭＥＡ）と呼ばれる。
【０００４】
水素燃料は一方の電極（陽極）に供給され、そこで酸化され陽極に電子を、電解質に水素イオンを放出する。酸化剤（通常空気または酸素）はもう一方の電極（陰極）に供給され、そこで陰極からの電子が酸素及び水素イオンと結合し水を生成する。プロトン交換膜型燃料電池の派生はメタノールを燃料として供給する直接メタノール燃料電池である。本発明はそのような燃料電池及びプロトン交換膜を用いるあらゆる他の燃料電池を対象とすることを目的とする。
【０００５】
商業用ＰＥＭ燃料電池ではそのような複数の膜がフローフィールドプレート（二極プレートとも言われる）で隔てられて積層されている。フローフィールドプレートは通常、膜の陽極と隣接膜の陰極間の電子移動を良好にするために金属又は黒鉛でできている。フローフィールドプレートは流体（燃料または酸化剤）を供給し、燃料電池の反応生成物として生成した水を除去するために、それら表面に溝パターンを有する。
【０００６】
溝形成にはさまざまな手法が報告されており、例えば、機械加工、エンボス加工、成形（ＷＯ００／４１２６０）、また（本発明に特に有用である）レジストを通じてサンドブラスト法（ＷＯ０１／０４９８２）によりこれら溝を形成することが提案されている。
【０００７】
国際特許出願第ＷＯ０１／０４９８２号はプレートにレジスト又はマスクをあてがい、サンドブラスト法（または移動粒子の運動量を表面の研磨に利用するウォータージェット加工等の他のエッチング方法）によりフローフィールドプレートを加工し、マスクまたはレジストで形成されたパターンに対応する形状を形成する方法を開示している。
【０００８】
そのようなプロセスはＷＯ０１／０４９８２が示すようにフローフィールドプレートを貫通する孔、フローフィールドプレートにくぼみや流路を形成することが可能である。本発明を可能にするために充分な背景を提供するとして、ＷＯ０１／０４９８２のプロセス全体を本明細書に援用する。
【０００９】
実際には、これまでの大半のプレートは流路を切削して形成されてきた。
【００１０】
ＷＯ００／４１２６０は、幅約０．２５ｍｍ未満の略直線的な並行流路が提供されるフローフィールドジオメトリを開示している。
【００１１】
国際特許出願第ＷＯ００／２６９８１号は、幅８００μｍ未満の流路間ランドで隔てられた幅８００μｍ未満の高度並列パターンを有する流路を用いる類似ジオメトリを開示している。このジオメトリはガス分布を向上することで、ＭＥＡ（国際特許出願第ＷＯ００/２６９８１号ではＤＣＣ［拡散電流コレクター（diffusion current collectors）］と呼ぶ）を通過する横方向のガス分散の必要性を低減すると記載されている。かかるジオメトリはまた、ランド領域への電気的な経路長を低減するため、電気抵抗も低減すると記載されている。国際特許出願第ＷＯ００／２６９８１号に記載された電気特性及びガス物性には、縮小されたランド領域は電気抵抗を増加するという、不一致がある。国際特許出願第ＷＯ００／２６９８１号には、これら相反する必要条件は最適化することができると記載されている。国際特許出願第ＷＯ００／２６９８１号には、高度並列微細流路パターンは網掛け及び格子パターンのような相互連絡点または分岐点を含むことができると記載されている。狭い流路を用いる利点として、水滴の生成が促進され、流路から効率的に水分除去することができると記載されている。しかしながら、水滴両側の圧力が実質的に同等になりうるため、格子パターンの使用においてはこの利点は得られない。
【００１２】
国際特許出願第ＷＯ００／２６９８１号に対して引用された従来の文献は、以下の通りである。
・米国特許第３，８１４，６３１号は、枠体に設置され、一電極面の突起が他方の電極面のくぼみと一致し且つ加工電極へつながる幅０．３ｍｍより大きい微細流路を具備した電極構成を開示している。
・米国特許第５，１０８，８４９号は、幅０．７６ｍｍ（０．０３インチ）以上の蛇行行路を有し、ランド幅が０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）以上のプレートを開示している。
・国際特許出願第ＷＯ９４／１１９１２号は、幅及び深さが０．７６ｍｍ（０．０３インチ）の不連続行路を有するプレートを開示している。上記行路はインターディジテイティッドされていてもよい。
・国際特許出願第ＷＯ９８／５２２４２号は膜の給湿手段を開示している。
【００１３】
狭い流路は他の装置でも知られており、例えば国際特許出願第ＷＯ９４／２１３７２号は、隣接ディスクの複数の部分流路を一列に並べ形成した３次元曲がり流路を備える化学処理のための装置を開示している。このような構成は燃料電池には用いられていない。
【００１４】
どの燃料電池関連特許も大きいガス送出流路から細いガス拡散流路につながる構造を開示していない。
【００１５】
流体がそれぞれの電極表面に均一に分散されることを保証するため、いわゆるガス拡散層（ＧＤＬ）が、電極とフローフィールドプレートとの間に設置される。ガス拡散層は多孔質材料であり、通常カーボン紙または布からなり、その一面にしばしば炭素粉末の結合層を有し、水混入を防ぐために疎水性材料で被覆されている。ガス拡散層のサイズ低減のために孔径範囲が２０〜１００μｍの連結空孔率（connected porosity）を有するマクロ孔質材料（米国特許第５，６４１，５８６号）の下方にインターディジテイティッドフローフィールドプレートを提供することが提案されている。かかる配置は塞がれた孔周囲のガス流れを可能にするため、不都合である。反応生成物（水など）の蓄積がこれらの孔に生じる可能性があり、ガス輸送効率を低下する。さらに、このような構造はフローフィールドプレートの厚みを増加する。
【００１６】
本発明者は燃料電池で何が起こるかを分析し、ガス拡散層はその名前が意味することをしないという結論に至った。膜の大部分が電池反応中に活性であるよう、ガス拡散層は全膜表面上のガス拡散を可能にするという理論であった。本発明者は単純なモデルにおいて、ガスは流路間のランド全てに到達するようではなく、流路の上部の領域及び流路周囲の狭い縁のみに到達し、発電の大部分もこの限られた領域で起こることに気づいた。これはガスが強制的にランド上方の領域を通過するため、インターディジテイティッド流路が高い発電効率を示すという観察からも立証される。ガス拡散層はしかしながら実際に流路上方の膜電極領域からランドへ電流を通し、膜電極の機械的支援を行い、流路内に電極が押し込まれるのを防ぐという有用な目的を果している。複数の発明者が膜電極の硬化を提案している。
【００１７】
ガス拡散層は発電領域からランドに電流を通す際に、ガス拡散層の電気抵抗により当然電気損失を招く。今日のガス拡散層は機械的強度、導電性、ガス透過性の需要の繊細なバランスにより選択される。
【００１８】
米国特許第６，０３７，０７３号にフローフィールドプレートとガス拡散層との複合系が記載されており、プレートの一部を密封するため、多孔質炭素材料の選択的含浸体を備える。このような配置は、複製するには複雑であり、米国特許第５，６４１，５８６号のように塞がれた孔周囲のガス流れを可能にするという欠点がある。
【００１９】
フローフィールドプレート、膜、及び関連する燃料及び酸化剤供給マニホルドの集合体は、しばしば燃料電池スタックと呼ばれる。
【００２０】
上記技術は試作品や限定された幾つかの商業用途において有用であることが認められているが、幅広く商業的に支持されるために現在、燃料電池スタックの物理的サイズの低減及び燃料電池スタックの価格の低減が要求されている。従って、部品数の低減はサイズ及び価格に有益な結果をもたらす（両者とも原料及び組み立ての価格により）。
【００２１】
また、先行技術のフローフィールドプレートは蛇行形状、線形、またはインターディジテイティッド形状のフローフィールドを提案しているが、ガス流通経路を向上するための他の物理システムには目を向けていない。これら既存フローフィールドパターンは一つの流路から著しく低圧の隣接流路へ通過するガスの「短絡」が生じるという問題がある。
【００２２】
本発明者はフローフィールドプレート面に充分に微細な流路を形成することで別個のガス拡散層を用いずに電極上にガスを均等に流通する目的を達成できることに気づいた。必要に応じて硬化膜または低い固定圧力を用いることで、膜の流路への落下を防ぐことができる。
【００２３】
本発明者は生理化学的なシステム（肺）を模倣することで、より短いガス流通経路による小さい寄生損失を有しうる改良されたフローフィールドジオメトリが得られることをさらに気づいた。本発明者はまた、そのようなジオメトリはガス短絡の影響を受けにくいことにも気づいた。
【００２４】
本発明者はさらに、狭い行路の使用の結果、膜電極の電気的活性領域と電極間ランド間の経路がより短くなり、ガス拡散層中の抵抗電力損失が低減できることに気づいた。逆に言うと、膜電極の電気的活性領域と電極間ランド間の経路が短いなら、高抵抗ガス拡散層が許容されるため、幅広い範囲の材料がガス拡散層への適用に検討される。
【００２５】
したがって、本発明は、一つ以上のガス送出流路、及びそこへ接続する幅０．２ｍｍ未満の複数のガス拡散流路を含む流路アセンブリを少なくとも一面に備える、燃料電池用フローフィールドプレートを提供する。
【００２６】
上記ガス送出流路は一つ以上の幅１ｍｍより大きい一次流路及びそこへ接続する幅１ｍｍ未満の複数の二次ガス送出流路を含み得る。
【００２７】
上記ガス拡散流路は枝分かれ構造を形成し得る。
【００２８】
ガス拡散流路は様々な幅を有してよく、血管や肺の気管支の枝分かれ構造に類似した、幅が徐々に縮小する流路からなる枝分かれ構造を形成する。
【００２９】
本発明は制限されない例を用いて、図面を参照して以下の説明により示す。
【００３０】
ガス送出流路及びガス拡散流路の両方を形成するには、好ましい流路ジオメトリに対応するパターンを有するテンプレート又はレジストをプレート表面に配置するサンドブラスト処理等の技術が用いられてもよい。このような技術はＷＯ０１／０４９８２に記載されており、本発明を可能にするためＷＯ０１／０４９８２の全体を本明細書に援用する。この技術では、プレートは黒鉛／樹脂複合材料または用いる反応物と著しく反応しない他の無孔な導電性材料から形成される。
【００３１】
本技術では異なる流路幅のプロファイルはマスクの影により変化することが明らかとなった。図１は狭い流路２を表面に形成したフローフィールドプレート１を示す。流路形成に用いるレジストの付影効果により、流路は真上のみからのサンドブラスト粗粒子に効果的にさらされる。この場合、流路のほぼ半円プロファイル及び流路の浅い切削につながる。
【００３２】
さらに大きい流路（３及び４）にはレジストの影は小さく、さらに広範囲の角度からフローフィールドプレート表面にサンドブラスト粗粒子が衝突し、そのため表面の深い切削及びさらに平らな流路底が得られる。
【００３３】
従って、プレートに異なる流路幅のレジストをあてがい、プレート及びレジストを微粒子のサンドブラストにさらすことで、異なる幅及び深さを有する流路パターンの適用が可能である。
【００３４】
異なる幅及び深さを有する流路パターンの適用には利点がある。従来法によるフローフィールドプレート上流路の本来の目的は、反応材料の電極への均一供給を保証し、反応生成物の迅速除去を保証することである。しかしながら、通常、蛇行経路が用いられるため、材料が移動する行程長は長い。
【００３５】
反応物を反応表面に均一に供給し、反応生成物を除去することを目的とする別のシステムは肺である。肺では徐々に縮小する流路が配置されており、空気は肺内の反応場への短い経路を有し、二酸化炭素は肺外への短い経路を有する。フローフィールドプレート内に徐々に縮小する流路のネットワークを備えることで、反応ガスは反応場への短い流路を有することになる。
【００３６】
極微小流路は、フローフィールドプレートの外へは単に幅広なガス除去流路に開放してもよく、もしくは肺と同様、対応する徐々に拡大する流路のネットワークを備えてもよい。後者の場合、徐々に縮小する流路と徐々に拡大する流路の二つのネットワークは両端で接続してもよく、もしくはガス拡散層中または電極材料中の拡散により接続性を有するインターディジテイティッド(interdigitated)ネットワークとして配置されてもよい。両端での接続は閉塞除去を補助するため、流路内で高圧状態が維持されるという利点がある。
【００３７】
図２はフローフィールドプレートの概略的な部分平面図を示し、幅広な一次ガス送出流路４は二次ガス送出流路３に分岐し、さらにそれぞれはガス拡散流路２に分岐する。必要に応じて一次ガス送出流路４からガス拡散流路５が分岐してもよい。一次及び二次ガス送出流路及びガス拡散流路はそれぞれ徐々に縮小する流路のネットワークを形成してもよく、また流路配置はフラクタル配置と類似してもよい。
【００３８】
一次ガス送出流路は、１ｍｍより大きい、例えば約２ｍｍの幅を有する。このような流路の深さは、流路形成後のフローフィールドプレートの充分な強度の必要性のみに制限される。典型的な流路深さはプレート厚みの約４０％である。現行プレート（６ｍｍ厚み）では流路深さは大体２．５ｍｍである。プレートが薄くなるほど、流路深さも減少する。しかしながら、触媒及びＧＤＬは軟質な材料であるため低アスペクト比（浅く広い）の流路に侵入する。従って好ましくは流路のアスペクト比は通常０．５〜２の間である。二次ガス送出流路は、１ｍｍ未満、例えば０．５ｍｍの幅を有し、一次ガス送出流路より浅くてもよい。ガス拡散流路幅は、０．２ｍｍ未満、例えば約１００μｍであり、さらに浅くてもよい。
【００３９】
そのような構造では、従来のプレート形状と比較して反応生成物は短い距離を移動し、効率的に除去できる。その上、典型的な二極プレートのガス流路は正方形または長方形の断面で、ミリメートルサイズである。例えばＢａｌｌａｒｄ（登録商標）プレートは２．５ｍｍ角断面の流路を有する。ＡＰＳ（登録商標）プレートは幅０．９ｍｍ、深さ０．６ｍｍの流路を有する。より小さい流路は、単位長さ当たりの圧力降下が大きく、この圧力降下が反応物を拡散媒体に動かす駆動力となるものであるため、有益である。
【００４０】
図３に示す従来のフローフィールドプレート６では、ガス（燃料若しくは酸化剤）が第一ポート７に入り、第二ポート８から出る。ガスはポート７からポート８までの蛇行流路９を流れる。圧力は流れに従って低下する。行路のある部分１０においては隣接行路間の差圧が高く、その結果流路のガス短絡をもたらし他の部分１１が燃料若しくは酸化剤を欠乏すると理解されたい。このガス短絡は膜電極とフローフィールドプレート表面間をガスが流通することで生じる。最近のプレートのほとんどは空気側にて１００ｍｂａｒ未満の入口と出口間の差圧（ΔＰ）を有する。インターディジテイティッドプレートは、通常大気圧の約３倍にあたる、高いΔＰを有する。
【００４１】
対照的に、本発明では、短絡の危険性を低減するため、略同等の圧力を有するよう隣接行路を設計できる。
【００４２】
国際特許出願第ＷＯ００／４１２６０号ではフローフィールド形状について詳細に議論されているが、非常に細い流路（０．２ｍｍ未満）を備え、流路幅が徐々に縮小するネットワークの一部として上記流路を備えることで、隣接流路間の圧力降下が最小化されるためフローフィールドの短絡が回避できることは理解されていない。
【００４３】
一次流路（複数可）は電池に必要な作用ガス容量を供給できる充分な大きさでないとならない。これはｋＷ当たり約２５Ｌ／ｍｉｎである。
【００４４】
フローフィールドプレートはガス拡散層と併用してよく、若しくはフローフィールドプレート表面上に充分な密度で存在し、充分なガス送出を提供するガス拡散流路を備えることでガス拡散層を省く、または厚みを著しく減少してもよい。ＧＤＬ構成部分は電池の抵抗損失の大きな原因であるため、このような減少は有利と考えられる。
【００４５】
流路幅の限界値はサンドブラスト処理に用いるマスク厚さの関数である。Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏ（登録商標）材料（Ｃｈｒｏｍａｌｉｎｅ Ｃｏｒｐ．米国）は非常に厚く１２５μｍである。これらのマスクは行路幅を約１００μｍに制限する。他のマスク材料は基板にスプレーコートし、その場で曝露することができる。これら材料は大きな弾性を有し、そのためより薄くできる。Ｃｈｒｏｍａｌｉｎｅ ＳＢＸ（登録商標）は１０〜２０μｍ幅までの形状のエッチングに使用できる。
【００４６】
国際特許出願第ＷＯ００／２６９８１号には、網掛け及び格子パターンのような分岐点または相互連絡点を含むことができる並列流路を有するフローフィールドの使用が議論されている。そのようなパターンは重大な欠点を有し、図４に概略的に示す。図４に示すように、流路１２の格子が提供されている。もし水滴１３が一流路を塞ぐならば、反応ガスは水滴周りを矢印１４のように容易に流れることができる。その結果、水滴の下流側圧力（Ａ）は上流側圧力（Ｂ）と非常に類似したものとなり、水滴除去のための原動力が小さくなる。
【００４７】
一方、図５に示す分岐フローフィールドでは、分岐パターン１５において、反応ガスの水滴１３の上流側から水滴１３の下流側までの経路が長く、ガスはフローフィールドの端まで及び元のところまで効果的に流れる。これは、水滴の上流側圧力（Ｂ）は下流側圧力（Ａ）より著しく高くなり、水滴除去のための原動力が生じることを意味する。
【００４８】
公知のように（例として国際特許出願第ＷＯ００／４１２６０号を参照のこと）、同じ溝パターンはフローフィールドプレートの両面に適用される必要はなく、本発明はこのようには限定されない。
【００４９】
導電性コア及び絶縁性外枠を有するフローフィールドプレートの提供は公知である（例えばＷＯ９７／５０１３９、ＷＯ０１／８９０１９、及び米国特許第３，２７８，３３６号）。本発明のフローフィールドはかかる配置にも用いられる。フローフィールド全体が導電性コア上、若しくは部分的に絶縁性外枠上に、また部分的に導電性コア上に配置される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】サンドブラスト法により形成されたガス送出流路及びガス拡散流路が組み込まれた流体フローフィールドプレートの一部を概略的に示した部分断面図である。
【図２】ガス送出流路及びガス拡散流路が組み込まれた流体フロープレートの一部を概略的に示した部分平面図である。
【図３】短絡の問題を説明するためのフローフィールドプレートにおける先行技術の設計の概略図である。
【図４】流路配置における先行技術の概略図である。
【図５】本発明に係る枝分かれしたフローフィールドパターンの部分断面図である。

Claims (11)

1. 一つ以上のガス送出流路とこのガス送出流路に接続される幅０．２ｍｍ未満の複数のガス拡散流路とを含む流路アセンブリを少なくとも一面に備える燃料電池用フローフィールドプレート。
2. 一つ以上のガス送出流路とこのガス送出流路に接続される幅０．２ｍｍ未満の複数のガス拡散流路とを含む流路アセンブリを少なくとも一面に備える電解槽用フローフィールドプレート。
3. 前記ガス送出流路は、１ｍｍより大きい幅の一つ以上の一次流路とこの一次流路に接続される幅１ｍｍ未満の複数の二次ガス送出流路とを含む請求項１または２に記載のフローフィールドプレート。
4. 前記ガス拡散流路は枝分かれ構造を形成する請求項１〜３のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
5. 前記ガス拡散流路は、種々の流路幅を有し、徐々に縮小する流路幅を有する枝分かれ構造を形成する請求項４に記載のフローフィールドプレート。
6. ガス送出用の第一流路アセンブリ及び反応生成物除去用の第二流路アセンブリを含む請求項１〜５のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
7. 前記第一及び第二流路アセンブリはインターディジテイティッドされている請求項６に記載のフローフィールドプレート。
8. 流路は縮小する幅に伴って深さが減少する請求項１〜７のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
9. 前記ガス拡散流路はフローフィールドプレート表面上に充分な密度で存在し、一体的なガス拡散層を形成する請求項１〜８のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
10. 導電性コア及び絶縁枠を含む請求項１〜９のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
11. 請求項９に記載の複数のフローフィールドプレートを含む燃料電池スタック。