JP2005142163A - 燃料電池用の電気接触エレメント - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 導電性非金属多孔質媒質は、一つ又はそれ以上の金属化領域の、表面に沿って付着させた導電性金属を含む。金属化領域は、金属基材と流体分配媒質との間の接触領域での導電性を改善する。
【選択図】
図1
Description
図1は、2セル双極燃料電池スタック2を示す。2セル双極燃料電池スタック2は、一対の膜電極アッセンブリ(MEA)4及び6を有する。一対の膜電極アッセンブリ(MEA)4及び6は、下文において双極プレート8と呼ぶ導電性流体分配エレメント8によって互いから分離されている。MEA4及び6と双極プレート8は、ステンレス鋼製のクランププレート即ち端プレート10及び12の間で、また、端接触エレメント14及び16の間で、互いに積み重ねられている。端接触エレメント14、16並びに双極プレート8の両作用面には、燃料ガス及び酸化体ガス(即ちH2及びO2)をMEA4及び6に分配するため、複数の溝即ちチャンネル18、20、22、及び24が夫々設けられている。非導電性ガスケット26、28、30、及び32が、燃料電池スタックの幾つかの構成要素間に、シール及び電気絶縁を提供する。ガス透過性材料は、代表的には、炭素/グラファイト拡散紙34、36、38、及び40であり、これらはMEA4及び6の電極面に押し付けられる。端接触エレメント14及び16は、炭素/グラファイト拡散紙34及び40に夫々押し付けられる。一方、双極プレート8は、MEA4のアノード面の炭素/グラファイト拡散紙36と、MEA6のカソード面の炭素/グラファイト拡散紙38とに押し付けられる。酸素が、貯蔵タンク46から適当な供給配管42を介して燃料電池スタックのカソード側に供給される。一方、水素が、貯蔵タンク48から適当な供給配管44を介して燃料電池スタックのアノード側に供給される。別の態様では、コンプレッサー又はブロワーを使用して、周囲空気をカソード側に酸素源として供給してもよく、水素をメタノール又はガソリンの改質器等からアノードに供給してもよい。MEA4及び6のH2側及びO2側の用の排気配管(図示せず)もまた設けるようにしてもよい。液体クーラントを双極プレート8及び端プレート14及び16に供給するため、追加の配管50、52、54が設けられている。クーラントを双極プレート8及び端プレート14及び16から排出するための適当な配管もまた設けられているが、これは図示していない。
102 膜
104 アノード
106 カソード
107 多孔質流体分配媒質
108 第1流体分配媒質層
110 第2流体分配媒質層
112 基材
113 電流コレクタセパレータープレート
114 第2セパレータープレート表面
115 電流コレクタセパレータープレート
116 電気接触領域
117 第1外面
118 第2外面
120 小孔
121 本体
122 内部小孔
124 外部小孔
126 チャンネル
128 媒質内部
131 ランド
Claims (57)
- 燃料電池で使用するための導電性エレメントであって、
導電性金属基材と、
前記金属基材に面する表面を持つ導電性非金属多孔質媒質層と、
前記層の前記表面に設けられた、一つ又はそれ以上の金属化領域とを備え、
前記各金属化領域は導電性金属を含み、前記導電性金属基材は、前記層と前記導電性金属基材との間に導電路を形成するため、前記金属化領域と接触した状態で配置される、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記金属化領域の各々は、非金属化領域と比較して高い導電性を提供する、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記一つの金属化領域は、前記層の前記表面をほぼ全体的に覆っている、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記導電性金属基材は、前記層に面した表面を有しており、該表面には、複数の溝及びランドからなるパターンが設けられており、前記ランドが、前記金属化領域の夫々と接触している、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記各ランドのほぼ全面が、対応する前記金属化領域と接触している、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記導電性金属基材は、前記金属化領域及び前記非金属化領域と接触している、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記金属基材は、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンからなる群から選択される、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記導電性金属基材は、ステンレス鋼を備える、導電性エレメント。 - 請求項8に記載の導電性エレメントにおいて、
前記ステンレス鋼は、316L、317L、256 SMO、合金276、及び合金904Lからなる群から選択される、導電性エレメント。 - 請求項8に記載の導電性エレメントにおいて、
前記ステンレス鋼は、前記電気接触領域の反対側に形成された表面酸化物領域を有する、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記多孔質媒質は、前記層を通る流路を形成する孔を画成する、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記導電性金属は、前記金属化領域において前記孔の表面に付着している、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記媒質は炭素を備えた、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記媒質は、炭素を備えており、紙、織布、不織布、ファイバ、及びフォームからなる群から選択される、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を備える、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を含有する化合物を備える、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、Cr、CrN、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Os、Au、及びその混合物からなる群から選択される、導電性エレメント。 - 請求項17に記載の導電性エレメントにおいて、
前記導電性金属はAuを備える、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記各金属化領域の前記導電性金属の厚さは、15nmと等しいか或いはそれよりも薄い、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記各金属化領域の前記導電性金属の厚さは、金属原子の2つの原子モノレイヤーの深さと等しいか或いはそれよりも薄い、導電性エレメント。 - 請求項1に記載の導電性エレメントにおいて、
前記各金属化領域の前記導電性金属の厚さは、約2nm乃至約10nmである、導電性エレメント。 - 燃料電池で使用するためのアッセンブリであって、
主面を持つ導電性金属基材と、
第1表面及び第2表面を持つ導電性多孔質流体分配媒質層とを備え、前記第1表面は、前記主面と電気的に接触しており、前記第2表面は、膜電極アッセンブリと対面しており、
また、前記アッセンブリは、
前記層の前記第1及び第2の表面に設けられた、一つ又はそれ以上の金属化領域を備えており、前記各金属化領域は、導電性金属を含んでおり、
前記金属基材を横切って前記金属化領域を通って前記層までの電気接触抵抗は、同様の金属基材及び前記金属化領域がない同様の流体分配媒質層を横切る比較接触抵抗よりも低い、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記電気抵抗は、約2700kPaの圧縮力が加わった状態で、15mΩ−cm2よりも低い、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記金属基材は、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンからなる群から選択される、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記金属基材はステンレス鋼を備える、アッセンブリ。 - 請求項25に記載のアッセンブリにおいて、
前記ステンレス鋼は、前記電気接触領域の反対側に形成された表面酸化物領域を有する、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記層は炭素を備える、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記層は、炭素を備え、紙、織布、不織布、ファイバ、及びフォームからなる群から選択される、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を備える、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を含有する化合物を備える、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、Cr、CrN、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Os、Au、及びその混合物からなる群から選択される、アッセンブリ。 - 請求項31に記載のアッセンブリにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属はAuを備える、アッセンブリ。 - 請求項22に記載のアッセンブリにおいて、
前記各金属化領域の前記導電性金属の厚さは、15nmと等しいか或いはそれよりも薄い、アッセンブリ。 - 燃料電池用の導電性流体分配エレメントであって、
導電性多孔質媒質層を備えており、
該導電性多孔質媒質層は、炭素と、該層の表面に沿って設けられた、一つ又はそれ以上の超薄金属化領域とを備えており、
前記一つ又はそれ以上の金属化領域は、導電性金属を備えている、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記一つ又はそれ以上の金属化領域を有する前記表面は、導電性不透過性セパレーターエレメントと向かい合っている、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記超薄金属化領域の前記導電性金属の厚さは、40nmよりも薄い、導電性流体分配エレメント。 - 請求項35に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記金属化領域を持つ前記表面は、前記不透過性セパレーターエレメントと接触し、その間に導電路を形成する、導電性流体分配エレメント。 - 請求項35に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記超薄金属化領域と接触して配置された前記不透過性セパレーターエレメントは、前記層と前記不透過性セパレーターエレメントとの間に導電路を形成しており、
前記セパレーターエレメントを横切って前記金属化領域を通り、前記層に至る全電気抵抗は、2700kPaの圧縮力が加わった状態で、15mΩ−cm2よりも低い、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記セパレーターエレメントは、ステンレス鋼、アルミニウム、及びチタンからなる群から選択される、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記層の前記多孔質媒質は、該層を通る流路を形成する複数の孔を有する、導電性流体分配エレメント。 - 請求項40に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記導電性金属は、前記金属化領域において前記孔の表面に付着している、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記多孔質媒質は、紙、織布、不織布、ファイバ、及びフォームからなる群から選択される、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を備えている、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、貴金属を含有する化合物を備えている、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記金属化領域の前記導電性金属は、Cr、CrN、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Os、Au、及びその混合物からなる群から選択される、導電性流体分配エレメント。 - 請求項45に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記導電性金属はAuを備えている、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記超薄金属化領域の前記導電性金属の厚さは、金属原子の2つの原子モノレイヤーの深さと等しいか或いはそれよりも薄い、導電性流体分配エレメント。 - 請求項34に記載の導電性流体分配エレメントにおいて、
前記超薄金属化領域の前記導電性金属の厚さは、約2nm乃至約10nmである、導電性流体分配エレメント。 - 燃料電池用の導電性エレメントの製造方法であって、
導電性多孔質媒質の表面に導電性金属を付着させ、これによって、超薄の厚さを持つ一つ又はそれ以上の金属化領域を形成する工程と、
前記金属化領域を持つ前記表面を、金属製の導電性基材と隣接して位置決めする工程と、
前記基材を、前記金属化領域を持つ前記表面と接触させ、これによって、前記基材と前記多孔質媒質との間に導電路を形成する工程とを備える、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記付着工程は、電子ビーム蒸着法、マグネトロンスパッタリング、物理蒸着法、電着、及び無電解めっきからなる群から選択されたプロセスによって行われる、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記導電性金属は、Cr、CrN、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Os、Au、及びその混合物からなる群から選択される、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記導電性金属は、貴金属又は貴金属を含有する化合物を備える、製造方法。 - 請求項52に記載の製造方法において、
前記導電性金属はAuを備える、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記付着は、15nmと等しいか或いはそれよりも薄い前記超薄の厚さを提供するように行われる、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記付着は、金属原子の2つの原子モノレイヤーの深さと等しいか或いはそれよりも薄い前記超薄の厚さを提供するように行われる、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記付着は、約2nm乃至約10nmの前記超薄の厚さを提供するように行われる、製造方法。 - 請求項49に記載の製造方法において、
前記接触は、燃料電池スタックの組み立てで前記燃料電池に加えられる圧縮力によって行われる、製造方法。
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