JP2005536839A - 導電性発泡体を冷却材層として有する燃料電池双極板 - Google Patents

Abstract

薄い金属箔層間の冷却材層として導電性発泡体を含む、燃料電池用の双極板を提供する。この薄い金属箔層は、その表面に曲がりくねった流れ領域パターンが設けられている。

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳しくは、導電性発泡体を冷却材層として有する、燃料電池スタックに使用する双極板に関する。

燃料電池は多くの応用分野で電源として使用されてきている。例えば、燃料電池は、内燃機関に置き換える電気車両動力装置への使用が提案されてきている。プロトン交換膜（proton exchange membrane）（ＰＥＭ）型の燃料電池では、水素が燃料電池のアノードに供給され、酸素が酸化剤としてカソードに供給される。典型的なＰＥＭ燃料電池、および、その膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）は、１９９３年１２月２１日および１９９４年５月３１日にそれぞれ発行され、General Motors Corporationに譲渡された、米国特許第５２７２０１７号および第５３１６８７１号明細書に記載されている。ＰＥＭ燃料電池は、薄い、陽子透過性の、その面の１つにアノード触媒を有し、その反対側の面にカソード触媒を有する、非導電性固体高分子電解質膜を備える膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む。ＭＥＡは、（１）アノードおよびカソード用の電流集電器として働き、（２）燃料電池のガス状の反応物をそれぞれのアノードおよびカソード触媒の表面上に分配するための適切な流路および／または開口をその中に含む、１対の導電性要素の間に挟まれている。

燃料電池という語は、文脈に応じて、単一セルまたは複数のセル（スタック）のどちらをも参照するのに通常使用される。複数の個々のセルは、燃料電池スタックを形成するように通常一緒に束ねられており、通常直列に配置されている。スタック内の各セルは、前に説明した膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を備え、そのようなＭＥＡの各々は、電圧のその増分を供給する。燃料電池は多くの応用分野で、電源として使用されてきている。ＰＥＭ燃料電池では、水素（Ｈ_２）がアノード反応剤（すなわち、燃料）であり、酸素がカソード反応剤（すなわち、酸化剤）である。スタック内の多重セルの典型的な配置は、General Motors Corporationに譲渡された、米国特許第５７６３１１３号明細書に開示されている。

ＭＥＡを挟んでいる導電性の要素は、燃料電池のガス状反応剤（すなわち、空気の形の水素および酸素）をそれぞれのカソードおよびアノードの表面上に分配するために、その面に流路または溝の配列を含むことができる。燃料電池スタックでは、複数のセルが電気的に直列に一緒に積み重ねられ、一方、１つのセルはすぐ隣のセルからガス不透過性の導電性の双極板によって分離されている。これまでは、この双極板は、（１）２つの隣り合うセル間の導電性ガス分離要素として、（２）膜の実質的に全表面にわたって反応ガスを分配するため、（３）スタック内の１つのセルのアノードと次の隣接するセルのカソードの間の電流を導通させるため、（４）自動点火を防止するため反応ガスを分離したままにしておくため、（５）プロトン交換膜の支持部を提供するため、（６）ほとんどの場合、その中に画定される内部冷却流路を設け、スタックから熱を取り除くためその流路を通り冷却材を流すためなどいくつかの機能を果たしてきている。双極板は、改質工程に関連するガス圧力、並びに板上の圧縮負荷にも対応する。双極板は、片側に複数の流路を、もう１つの側に複数の流路を含み、個々の側にある流路はランド（land）によって分離されている。両側のランドおよび流路の配置は、双極板が圧縮応力に耐え、それによって、双極板がつぶれたりまたはそったりしないようにランドおよび流路を配置するようなものでなければならない。双極板のこれらの流れの流路の一般配置は、双極板を覆っているプロトン交換膜アセンブリに水素および酸素を供給するための好ましい曲がりくねった流路を含む。Neutzlerの米国特許第５７７６６２４号明細書は、この流路形式の金属双極板およびＰＥＭアセンブリを開示している。

燃料電池システムの効率的な動作は、燃料電池の所与の寸法、重量およびコストに対し、かなりの量の電気エネルギーを発生させる燃料電池の能力に依存する。所与の寸法、重量およびコストに対し、燃料電池の電気エネルギー出力を最大化させることは、車両の全ての構成部品の寸法、重量およびコストが、特に、車両の効率的な製造および動作に対し極めて重要である、自動車への応用に対して特に重要である。したがって、特に自動車への応用に対しては、燃料電池の所与の寸法、重量およびコストに対し、さらに多量の電気エネルギーを発生する燃料電池構造を提供することが望まれている。

本発明は、１つの面にアノード触媒を、もう１つの面にカソード触媒を有する、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含む燃料電池に関する。１対の双極板アセンブリが、膜電極アセンブリの両側に配置され、双極板アセンブリは各々導電性の多孔質の芯材料と導電性多孔質材料の第１および第２の表面に接合された第１および第２の金属箔層を有する。この導電性多孔質材料がその中に冷却材流れ通路を画成し、第１および第２の金属箔層は、その上に反応ガス流路を画成するように形成される。

本発明の別の特徴によれば、導電性多孔質材料は、第１および第２の金属箔層に拡散接合またはろう付けされる。
本発明の別の特徴によれば、第１および第２の金属箔層は、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）の厚さを有する。

本発明の別の特徴によれば、導電性多孔質材料は導電性黒鉛発泡体媒体または導電性金属発泡体媒体のどちらかを備える。これらの比較的安価な導電性発泡体媒体を使用することは、性能にいかなる犠牲も払わずに、燃料電池のコストおよび重量の削減にさらに寄与する。

本発明の別の特徴によれば、この双極板を製造する方法が提供される。その方法では、第１および第２の薄い金属箔層が多孔質の導電性材料に接合され、第１および第２の薄い金属箔層は、第１および第２の薄い金属箔層内に流れ領域パターン（flow field pattern）を形成するように型押しされる。

本発明の様々な特徴、利点および他の用途は、以下の説明および図面を参照することによって、より明らかになるであろう。

本発明は、燃料電池１０、特に、性能を犠牲にすることなく、より軽く、より小さく、かつ、より安価に製造することができる、燃料電池の構造に関する。この燃料電池１０を、図１に概略的にかつ斜視図で示す。大まかに考えると、リフォーメイト１２および空気１４が燃料電池スタックに供給され、酸素を消耗した空気１６および水素の流出ガス１８がスタックから排気される。

全体的に言えば、スタックは、各々が複数の双極板２２の間に配置された複数の膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）２０を含む。この技術分野で周知のように、スタックは、全て積み重ねられた関係で配置された、複数のガス供給層、複数のアノードマニホールド、複数のカソードマニホールド、複数の冷却材マニホールド、上端部および下端部板も含むことができる。ＭＥＡおよび双極板の順序は、燃料電池に対する所望の電圧出力により決まる出力を供給するに必要なだけ繰り返される。

各々のＭＥＡ２０（図２）は、薄いプロトン透過性の非導電性固体高分子電解質の形態の膜４６、膜の下面に向かって配置されたシールまたはガスケット架構部材４８、膜の上面に向かって配置された別のシールまたはガスケット４８、膜の上面上で上部ガスケット４８内のアノード触媒層５０、および膜の下面上で下部ガスケット４８内のカソード触媒層５２を含む。

図３に最もよく示すように、本発明の双極板２２は、金属や炭素発泡体などの、導電性多孔質材料７２に接合された第１の薄い金属箔７０を含む。この発泡体は、０．５０８ｍｍ（０．０２インチ）より小さい、約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）から０．２５４ｍｍ（０．０１インチ）が好ましい孔寸法を有する。この金属または炭素発泡体は、十分な熱除去を可能とする冷却材の圧力低下と、圧力低下と、厚みを最小限に保つのを許容する孔寸法および透過性を有する。第２の薄い金属箔７４が、導電性発泡体７２の第２の側に接合される。第１および第２の薄い箔層は、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）より薄い、好ましくは約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）の厚みを有する。これらの金属箔は、アノードおよびカソードの環境の相違に対応できるように異なる材料とすることができる。次いで、流れ領域パターンがアノードおよびカソードのガス流路７６、７８を設けるために材料に型押しされ、また、より高い密度になるようにアノード流れ流路７６のすぐ下で発泡体材料が局所的に圧縮される。このようにして、低い密度区域と高い密度の区域によって限定され、冷却材がそこを通って流れる冷却材流路８０が形成される。高密度の区域は、高密度区域の領域内の体抵抗を減少させることによって、双極板の導電性も増加させる。現在では好ましいとされているように、アノードおよびカソード流れ流路７６、７８は曲がりくねった形状で配置されている。しかしながら、熟練した実務者なら、平行、櫛形、同心などの別の流れ領域形状も本発明で使用することができることを理解するであろう。

発泡体材料が、流れ領域流路を形成する薄い金属箔層７０、７４と、拡散接合、ろう付け、またはその他の方法で接合できるので、金属発泡体を使用することが好ましい。金属発泡体は、金属箔層７０、７４の型押し動作中に変形可能であり、流れを制御するのに望ましい発泡体７２内の密度差がその場で形成され得る。別法として、黒鉛または炭素発泡体も使用することができる。それらは、高い密度および低い密度区域を有する形状に切断されまたは形成され、次いで、金属箔が、黒鉛または炭素発泡体層の形に形成され、それに接合される。

管よせ８２が、反応ガスおよび冷却材をそれを通して受けるために、双極板の周りに配置される。管よせ８２は、ガスケット４８と協働して、反応ガスを流れ流路７６、７８に、冷却材を流路８０に連通させる。管よせ８２は、発泡体を薄い金属流路領域に接合させる工程で、別の薄い金属シートを、双極板の周囲の管よせ領域の、発泡体の外のしかるべき位置に置くことにより形成される。金属の第３のシートが、すでにその中に形成された流れ経路を有している。ガスケット４８は、それぞれの流れ経路を除き、すなわちアノード管よせは流れ流路７６に、カソード管よせは流れ流路７８に、冷却材管よせは流れ流路８０に、流れ流路７６、７８、８０から、管よせ８２を塞ぐよう機能する。

双極板を形成する代替の方法は、既に型押し成形された薄い金属箔の間の前駆発泡体（すなわち、金属化した表面を有するポリウレタン発泡体）を用いて開始することである。サンドイッチ構造物は、次いで、金属発泡体７２を金属箔層７０、７４間に接合させるために発泡体焼結温度に加熱する。この方法は、金属発泡体の金属箔層への焼結をその場でもたらし、強固なかつ接触抵抗を最小限にする接合を可能にし、結果的として境界面の電圧損失が本質的に全くなくなる。

別の方法は、結合材および金属粉末の懸濁液内に浸されたポリウレタン発泡体などの発泡体材料を用意することを含む。この材料は次いで、２枚の型押しされた箔層の間に置かれ、次いで、発泡体材料を追い出すように燃焼させ、発泡体の空孔の形状の中に結合材および金属微粒子が残るようにする。結合材は、次いで、さらに燃焼除去され、金属微粒子が互いに焼結し、箔層に焼結されて残る。

さらに別の方法は、第１および第２の箔層間に挟まれた発泡体材料の上に、めっき、または別の方法で（化学蒸着法などによって）金属を付着させることを含む。発泡体材料は、同様に、めっきまたは付着工程中に箔層に接合される。

本発明によれば、非常に軽い双極板が提供され、それは、試験済みの流れ領域設計、圧力低下、ＭＥＡ、拡散媒体、ガスケット設計などを使用する最近の技術のうちの多くを使用することができる。本発明は、別の最適化した流れ領域および管よせ設計にもさらに適合可能である。本発明の双極板設計は、現在の流れ領域／双極板設計と比較していくつかの利点を有している。本発明の双極板は、０．７６２ｍｍ（０．０３インチ）厚さの板材を使用する従来の設計に対して、約０．０２５４ｍｍ（０．００１インチ）厚さの金属拍を使用し、より軽い。単位面積あたり双極板と接触しているより多くの冷却材が存在するので、かつ、ずっと薄い金属であるために熱伝達がより良いためもあり、冷却効率が改善される。本発明の設計では、箔が非常に薄いので、ステンレス鋼やチタンなどの、燃料電池環境で本質的により高密度で、耐食性のある金属を使用することができる。繰り返しの距離が最小化され、したがって、容積電力密度が増加する。発泡体は箔の支持体として働き、したがって、非常に軽く、強く薄い板が形成される。重量が削減され、したがって、重量電力密度が増大する。さらに、この形式の設計を、管よせのない側が塞がれていない場合は、空冷スタックとして使用することが可能である。しかしながら空冷構造では、熱負荷に対処するためスタックを通る十分な空気流量を実現させるために、発泡体の厚さを増大させる必要があろう。

本発明は、燃料電池の電力エネルギー出力を何ら犠牲にすることなく、従来技術による同等の燃料電池よりも軽くかつ安価な燃料電池を提供する。特に、冷却材通路を画成する導電性発泡体芯層を有する双極板を、従来技術の金属双極板に代えて用いることにより、燃料電池の重量を軽減する。

本発明による、燃料電池スタックの概略斜視図である。 本燃料電池に使用される、ＭＥＡの断面図である。 本発明の原理による双極板の断面図である。

Claims (23)

1. 導電性多孔質材料と、
   前記導電性多孔質材料の第１の表面に接合された第１の金属箔層と、
   前記導電性多孔質材料の第２の表面に接合された第２の金属箔層とを備え、前記導電性多孔質材料がその中に冷却材流れ通路を画定し、前記第１および第２の金属箔層がその上に反応ガス流路を画成するよう形成される、燃料電池に使用する双極板。
2. 前記導電性多孔質材料が金属発泡体である、請求項１に記載の双極板。
3. 前記第１および第２の金属箔層が、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）より薄い厚さを有する、請求項１に記載の双極板。
4. 前記導電性多孔質材料が、前記第１および第２の金属箔層に拡散接合される、請求項１に記載の双極板。
5. 前記導電性多孔質材料が、前記第１および第２の金属箔層にろう付けされる、請求項１に記載の双極板。
6. 前記導電性多孔質材料が黒鉛発泡体である、請求項１に記載の双極板。
7. 前記導電性多孔質材料が炭素発泡体である、請求項１に記載の双極板。
8. 前記導電性多孔質材料が、流れ流路を画成する低密度区域を有し、前記低密度区域が、前記冷却材流れ通路内で、高密度の導電性多孔質材料の区域によって接合される、請求項１に記載の双極板。
9. １つの面にアノード触媒を含み、もう１つの面にカソード触媒を含む膜電極アセンブリと、
   前記膜電極アセンブリの両側に配置された１対の双極板とを備え、前記双極板はそれぞれ導電性の多孔質材料を含み、第１の金属箔層が前記導電性多孔質材料の第１の表面に接合され、第２の金属箔層が前記導電性多孔質材料の第２の表面に接合され、前記導電性多孔質材料がその中に冷却材流れ通路を画成し、前記第１および第２の金属箔層がその上に反応ガス流路を画成するよう形成される、燃料電池。
10. 前記導電性多孔質材料が金属発泡体である、請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記第１および第２の金属箔層が、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）より薄い厚さを有する、請求項９に記載の燃料電池。
12. 前記導電性多孔質材料が、前記第１および第２の金属箔層に拡散接合される、請求項９に記載の燃料電池。
13. 前記導電性多孔質材料が、前記第１および第２の金属箔層にろう付けされる、請求項９に記載の燃料電池。
14. 前記導電性多孔質材料が黒鉛発泡体である、請求項９に記載の燃料電池。
15. 前記導電性多孔質材料が炭素発泡体である、請求項９に記載の燃料電池。
16. 第１の薄い金属箔を多孔質導電性材料の第１の側に接合する段階と、
    第２の薄い金属箔を多孔質導電性材料の第２の側に接合する段階と、
    それぞれの流れ流体パターンを形成するように、前記第１および第２の金属箔をパターン付けする段階とを含む、燃料電池に使用する双極板を形成する方法。
17. 前記多孔質導電性材料が金属発泡体である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記多孔質導電性材料が黒鉛発泡体である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記多孔質導電性材料が炭素発泡体である、請求項１６に記載の方法。
20. 前記第１および第２の金属箔層が、０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）より薄い厚さを有する、請求項１６に記載の方法。
21. それぞれの流れ領域パターンを形成するように、第１の薄い金属箔層をパターン付けし、第２の薄い金属箔層をパターン付けする段階と、
    金属化された表面を有する発泡体材料を、前記第１と第２の薄い金属箔層の間にサンドイッチ構造に置く段階と、
    前記サンドイッチ構造を、前記金属発泡体が前記第１と第２の金属箔層に焼結するに十分な温度に加熱する段階とを含む、燃料電池に使用する双極板を形成する方法。
22. 発泡体材料を結合材および金属粉末の懸濁液内に浸す段階と、
    前記発泡体材料を、２つの箔層の間に置く段階と、
    前記金属粉末が前記箔層に焼結されるまで、発泡体材料を間に有する前記２つの箔層を燃焼させる段階とを含む、燃料電池に使用する双極板を形成する方法。
23. 第１および第２の箔層の間に発泡体材料を設ける段階と、
    化学蒸着法によって、前記第１および第２の箔層の間の、前記発泡体材料の上に、金属を付着させる段階とを含む、燃料電池に使用する双極板を形成する方法。

Images