JP2006508494A - 高性能燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池における反応性ガスの冷却および分散を良好にすること
【解決手段】 少なくとも１つの表面に複数の開口面チャンネルが形成された電極プレートが提供される。種々の燃料電池タイプで使用するようになっている本発明の電極プレートは、燃料電池内での熱交換度およびそのレートを高めるように働き、よって電池の実用作動レンジを広げ、有効寿命を長くするように働くことが好ましい。これら本発明の電極プレートによって構成された高性能燃料電池および燃料電池スタックも提供されるだけでなく、（ｉ）酸または混酸電解質を吸収し、これを保持する吸収性セパレータ、または（ｉｉ）酸または混酸ゲル電解質を保持する非吸収性セパレータを使用する酸型燃料電池も提供される。

Description

本発明は燃料電池に関し、より詳細には、少なくとも１つの表面に複数の開口面チャンネルが形成された電極プレートから製造された高性能燃料電池に関する。好ましい実施例において、これらチャンネルは燃料電池内での熱交換度およびそのレートを高め、よって電池の実用的作動レンジを広げ、有効寿命を長くするように働く。本発明は更に、（ｉ）セパレータにより電解質を吸収し、これを保持する吸収性セパレータおよび電解質を使用するか、または（ｉｉ）セパレータによりゲル状電解液を保持する非吸収性セパレータおよびゲル状電解液を使用する、酸型燃料電池にも関する。

電気化学的燃料電池は燃料および酸化剤を電気および反応生成物に変換するように働く。

固定および移動発電用に有望な、特に重要な種類の燃料電池は低温Ｈ２／Ｏ２燃料電池である。これらの固体ポリマーの電気化学的燃料電池は２つの電極、すなわち多孔性導電性プレート（例えば膜と電極のアセンブリ、すなわちＭＥＡ）の間に配置されたイオン交換膜または固体ポリマーの電解質を一般に使用している。一般に貴金属触媒によって改質された電極は、所望する電気化学的反応を誘導するために、外部回路を介し、電極の間で電子を伝えるための回路を形成するように電気的に結合されている。

作動時に、正極には燃料（例えば水素）が供給され、負極には酸化剤（例えば空気／酸素）が供給される。燃料および酸化剤は次のように要約されるレドックス（酸化還元）反応、すなわち別々のハーフ反応により、電極において電気分解される。

正極反応
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
負極反応
1/2Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ

正極で発生したプロトンはイオン交換膜、すなわち固体ポリマーの電解質を通過するように移動し、一方、正極から外部回路を介して負極へ電子が移動する。負極において酸素はプロトンと結合し、反応生成物として水を形成する。

ＭＥＡは一般に導電性流体流プレート、すなわち集電プレートの間に配置される。複数の流れ通路を含む流体流プレートは燃料または酸化物をそれぞれの電極に向け、反応生成物を電池から排出するように向ける。流体流プレートは集電器としても働き、電極のためのサポートとなっている。かかる流れ通路を有すると共に、流れ通路を含まない集電プレートが使用されている。

従来の低温Ｈ_２／Ｏ_２燃料電池は、反応性ガスの冷却が適当でないこと、および反応性ガスの内部の分布が良好でないことに一部起因し、経年変化によりパワーが低下することが判っている。上記反応性ガスの冷却が適当でないこと、およびその内部の分布が良好でないことによって、高温スポットが生じ、この高温スポットによって燃料電池の故障等が生じる。

かかる従来のＨ_２／Ｏ_２燃料電池の性能を改善する試みは、主にイオン交換膜の高温性能を改善し、膜の湿潤化の程度を高め、複雑な流体流通路を使用することにより、電池内の反応剤および冷却剤の分散を高めることに向けられていた。

例えばネルソンに付与された米国特許第6,303,245号は、複数の第１燃料流の開口面チャンネルと、複数の第２水和開口面チャンネルが形成されている正面を有する流体流要素、すなわちプレートを開示している。この流体流要素、すなわちプレートは多部品電極アセンブリと共に使用されており、電池のアクティーブ領域内の水和水の分布の均一性を高め、流体流フィールドの冷却をより均一にし、燃料アセンブリの冷却負荷を低減し、スタック性能をより高くするように働くことが報告されている。例えばこの米国特許第6,303,245号のコラム３、４２〜５５行を参照されたい。

上記米国特許第6,303,245号に開示されている流体流要素またはプレートにおけるチャンネル構造が複雑になっていることにより、ホスト電池の製造コストが高くなり、より複雑なスタック制御が必要となっている。更に、このセル構造は定常状態（固定された負荷）条件下で働くが、バックアップ電源、無停電電源（ＵＰＳ）、自動車用および送電系を使用しない用途で一般に生じる可変負荷条件に対しては良好に適しているとは言えない。

上記従来技術の燃料電池に関連した欠点を克服した大電力密度燃料電池が求められている。

従って、本発明の目的はかかる燃料電池を提供することにある。

本発明のより特別な目的は、プラットフォームサイズおよび面積の点で制限されていない実用的作動レンジが広く有効寿命が長い、より効率的な大電力密度燃料電池を提供することにある。

本発明のより特別な別の目的は、冷却流体を分散させ、向きを定め、燃料電池内の熱交換度およびそのレートを高めるように働く、燃料電池内で使用するための電極プレートを提供することにある。

本発明の更に特別な別の目的は、燃料電池内の反応性流体の向きを定め、これらを分散させるように働く電極プレートを提供することにある。

本発明のより特別な更に別の目的は、燃料電池で使用するための高性能の負極および正極電極プレートを提供することにある。

従って、本発明は、対向する第１表面と第２表面とを有し、少なくとも一方の表面が複数の開口面チャンネルを有し、各チャンネルが入口端部および出口端部を有する電極プレートを提供する。

本発明は、更に
（ａ）正極電極プレートと、
（ｂ）負極電極プレートと、
（ｃ）前記正極電極プレートと負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、
各電極プレートが対向する第１表面および第２表面を有し、各プレートの前記第１表面が前記電解質に隣接し、各プレートの少なくとも１つの表面が複数の開口面チャンネルを有し、各チャンネルが入口端部および出口端部を有する燃料電池も提供する。

本発明は、上記複数の燃料電池を協働するように組み合わせた燃料電池スタックも提供するものである。

本発明によれば、
（ａ）正極電極プレートと、
（ｂ）負極電極プレートと、
（ｃ）前記正極電極プレートと前記負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、
前記電解質が、（ｉ）吸収性セパレータにより電解液を吸収し、保持するようになっている吸収性セパレータおよび１つ以上の酸を含む電解質、ならびに（ｉｉ）非吸収性セパレータによりゲル状電解液を保持するようになっている非吸収性セパレータおよび１つ以上の酸のゲルを含むゲル状電解液の群から選択されたものである、酸型燃料電池も提供される。

次の説明および添付図面から、本発明の上記およびそれ以外の特徴および利点がより明らかとなろう。

本明細書に開示する発明の特別な特徴事項については添付図面を参照して説明する。

本発明の電極プレートは正極電極プレートまたは負極電極プレートのいずれかとして働くようになっているので、電気化学的燃料電池内の電気分解反応を生じさせ、これをサポートするように働く。

本発明の電極プレートは硫酸型燃料電池（ＳＡＦＣ）、プロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭタイプの燃料電池）、ダイレクトアルコール型燃料電池（ＤＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）および金属／空気型燃料電池を含む種々のタイプの燃料電池で使用するようになっているが、燃料電池のタイプは上記のものに限定されるわけではない。

以下、より詳細に説明するように、本発明の電極プレートは対抗する表面を有し、その少なくとも一方の表面は内部に複数の開口面チャンネルが形成されており、各チャンネルは入口端部および出口端部を有する。

一実施例では、これらチャンネルはホスト燃料電池の熱交換能力を高め、電池の実用的作動レンジを広げ、有効寿命を長くするように働く冷却チャンネルとなっている。この実施例によって提供される優れた熱交換能力によって、ホスト燃料電池のプラットフォームサイズまたは面積を大きくすることが可能となり、かかる電池は軽く、極めて小型の電源を必要とする運輸用途で使用できるだけでなく、より大重量で、より大きな電源を必要とし得る居住用、業務用および工業用で使用する場合でも、かかる電池を適したものにできる。

別の実施例では、これらチャンネルは電池のアクティブ領域に隣接する電極プレートの表面に形成された反応性チャンネルとなっている。これら反応性チャンネルは全アクティブ領域にわたって反応性流体を分散させ、よって触媒のアクティビティを高め、燃料電池の有効出力を大きくするように働く。

更に別の実施例では、本発明の電極プレートの１つの表面には冷却チャンネルが形成され、反対の面には反応性チャンネルが形成される。

図１〜５に示されるように、全体が番号１０で示された本発明の電極プレートは、対向する第１表面１２と第２表面１４とを有する。第１表面１２には触媒（例えば白金または白金／ルテニウム）をコーティングすることが好ましく、この第１表面は多数の異なる表面構造となることができる。例えば電極プレート１０の第１表面１２は平面構造でもよいし、または後により詳細に説明するように、チャンネル付き構造、リセス付き構造またはリセス付きチャンネル付き構造でもよい。

電極プレート１０の第２表面１４は平面状構造でもよいし、または熱交換を高めるための冷却剤流れフィールドとして働く、内部に形成された複数の開口面チャンネル１６を有することもできる。かかる各チャンネル１６は入口端部および出口端部を有し、任意の横断面プロフィルを有することができる。好ましい実施例では、各チャンネル１６の高さは約１００〜１００００ミクロンまでの範囲であり、幅は約５０〜３５００ミクロンの範囲であり、各チャンネルは隣接するチャンネルから約５０〜３５００ミクロンだけ離間している。これらチャンネル１６は、第２表面１４までに凹凸加工またはフライス加工してもよい。別の例では、チャンネル付き電極プレート１０を射出成形または圧縮成形してもよい。

図１に最良に示されるように、本発明の電極プレート１０の一実施例では、第１表面１２は平面状構造となっており、他方、第２表面１４はチャンネル付き構造となっている。

別の実施例（図示せず）では、電極プレート１０の第１表面１２もチャンネル付き構造となっている。より詳細には、表面１２にも複数の開口面チャンネルが形成されている。表面１２に形成されたこれら開口面チャンネルは反応性流れフィールドとして働き、各チャンネルは入口端部および出口端部を有し、任意の横断面プロフィルを有する。好ましい実施例では、表面１２に形成される各チャンネルの高さ、幅およびスペースはチャンネル１６に対してこれまで述べたものと同じである。

図２および３に最良に示されるように、好ましい実施例では、電極プレート１０の第２表面１２は内部にファイバー複合材料２０が形成されたリセス付き部分１８を含む。より好ましい実施例では、このファイバー複合材料２０は電極プレート１０の導電性を高めるように働くカーボンファイバー複合材料となっている。かかる材料はカーボン粉末を凝集性質量体に圧縮し、カーボン粒子を一体に結合する目的でこの質量体に高温処理を施し、結合された質量体の一部をグラファイトに変換することによって製造できる。この質量体はスライスにカットでき、このスライスを第１表面１２のリセス付き部分１８に成形できる。

より好ましい別の実施例では、カーボンファイバー複合材料２０は高透過性の剛性開放モノリシック構造体である。約１.５〜約１０ｍｍまでの厚みを有することが好ましいこの複合材料２０を流体は容易に通過することができ、活性化されると、このカーボンファイバーは吸収のための多孔質構造体となる。米国特許第5,827,355号および第6,030,698号にはかかる材料が記載されており、これら米国特許全体を本明細書で参考例として援用する。

より好ましい別の実施例では、ファイバー複合材料２０はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（例えばテフロン）ファイバー複合材料である。

図４に最良に示されるように、より好ましい別の実施例では、第１表面１２の溝付き部分１７８も内部に形成された複数の開口面チャンネル２２お含み、これらチャンネル２２は電極プレート１０のアクティブ面にわたって燃料または酸化剤を分散させるための流れフィールドと称して働く。各チャンネル２２は入口端部および出口端部を有し、任意の横断面プロフィルを採用できる。各チャンネルは約１００〜１００００ミクロン（より好ましくは約１００〜１５００ミクロン）のレンジの高さ、約５０〜３５００ミクロン（より好ましくは約５０〜７５０ミクロン）のレンジの幅を有することが好ましく、各チャンネルは隣接するチャンネルから約５０〜３５００ミクロン（より好ましくは約５０〜７５０ミクロン）だけ離間している。

チャンネル１６によって形成される熱交換流れフィールドは、例えばチャンネル２２によって形成される反応財流れフィールドに対して任意の配向となることができるが、熱交換流れフィールドは負極電極プレート内で実質的に平行な配向となることが好ましく、図５に最良に示されるように、正極電極プレート内に実質的に垂直な配向となることが好ましい。後に容易に理解できるように、これら流れフィールドの配向は正極上では交差した流れ配置となり、負極上では平行な流れ配置となり、これによって空気マニホールドは燃料電池、すなわちスタックに対し反応性空気および冷却用空気の双方を同時に提供することが可能となる。

当業者に周知のように、燃料電池またはスタックには反応剤および冷却剤の流体流を供給し、減損した冷却剤および冷却剤流並びに反応生成物が外部および／または内部マニホールドシステムを介して燃料電池またはスタックから排出される。

外部マニホールドシステムを採用する場合、マニホールドは電極プレート１０の周辺エッジ部分（図示せず）に配置することが好ましい。より詳細に説明すれば、この周辺エッジ部分は流れフィールドに垂直な電極プレート１０のエッジに位置し、シール面積を適当な面積とするように、配置されているマニホールドの厚みの少なくとも２倍広い幅となっていることが好ましい。

内部マニホールドシステムを使用する場合、電極プレート１０には更に貫通アパーチャーを含むフレーム部分が更に設けられ、かかる各アパーチャーは燃料、酸化剤または冷却剤流れ入口ポート、マニホールドもしくは減損反応剤、冷却剤または反応生成物流れマニホールド／出口部分の一部を形成する。

本発明の電極プレート１０は多孔質であり（例えば約６０〜９０％のレンジの多孔度を有し、これによって反応性流体（例えばガス分子）は拡散するか、または電極プレート１０を通過して触媒層まで進むことができ、更に電池組み立て中および作動中の変形に耐えることができるよう、所定の最低強度条件を満足させなければならない。

好ましい実施例では、電極プレート１０は良好な耐熱性および腐食性、導電性および機械的強度を示す多孔質のカーボン状プレート構造体となっている。かかる構造体は従来の製造方法および技術を使って製造できる。例えば電極プレート１０は（１）炭質材料（例えばグラファイト、カーボンブラック、カーボンファイバーおよびそれらの混合物を含む群から選択された、混合物の総重量をベースに約５０〜７０重量％の炭質材料）とバインダー（混合物の総重量をベースに約５０〜３０重量％のＰＴＦＥバインダー）とを混合し、（２）この結果得られた混合物をモールドに注ぎ、（３）モールド内の混合物に熱と圧力を加え、一体的で、かつ多孔質の構造体を形成することによって製造できる。

この結果得られるプレート構造体は（１）アクティブ領域、すなわち中心部分のメッキされた触媒（例えば白金もしくは白金／ルテニウム）であるか、または（２）ファイバー複合材料２０が取り付けられるかのいずれかである。

ファイバー複合材料２０が取り付けられたプレート構造体には、次に触媒（例えば白金もしくは白金／ルテニウム）がコーティングされ、好ましい実施例では更に電池の内部抵抗を低減するのを助けるためにポリマー材料（例えばＰＴＦＥ）がコーティングされる。

硫酸型燃料電池では、プレート構造体にはテフロンファイバー複合材料２０を取り付けることが好ましく、電池の内部抵抗を更に低減するのを助けるために複合材料２０に触媒コーティングが塗布された後に、このプレート構造体は硫酸に浸漬される。

後に容易に理解できるように、電極プレート１０の全体のサイズ、すなわち寸法はホスト燃料電池のサイズおよびその作動条件に応じて決まる。

次に図６を詳細に検討する。本発明の燃料電池の好ましい実施例の全体を表示するのに、番号２４が使用されている。上記のように、燃料電池２４は基本的には正極電極プレート２６と、負極電極プレート２８と、電解質３０とを基本的に含む。この好ましい実施例では、電極プレート２６、２８は電解質３０から若干離間されており、これら電極プレートは、対向する側面に形成された触媒層３３、３５を有し、各電極プレート２６、２８の第２表面３６、３８は内部に形成された複数の開口面チャンネル４０、４２を有する。

電解液３０のタイプは一般に燃料電池のタイプによって決定される。例えばダイレクトアルコールタイプおよびＰＥＭタイプの燃料電池では、電解質３０は水素および酸素の化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換するように働くイオン交換膜または固体ポリマーの電解液を含む。この固体ポリマー電解液によって反応性流体、例えば水素ガスおよび酸素ガスの通過を防止しながら、プロトンが燃料電池の正極側から燃料電池の負極側へ通過することが可能となっている。

かかるイオン交換膜は、商品表示ＮＡＦＩＯＮイオン交換膜として、19898デラウェア州ウィルミントン、1007マーケットストリートのデュポン社、および商品表示ＧＯＲＥ−ＳＥＬＥＣＴとして、19711デラウェア州、ニューアーク、555ペーパーミルロードのＷ.Ｌ.ゴア＆アソシエイツ社から入手できる。電解液としてポリマー膜を使用しないアルカリ型、リン酸型および硫酸型燃料電池では、電解質３０は液状電解液で満たされた多孔質マトリックスを含む。この電解質マトリックスにより、マトリックスの一方の側に配置された燃料ガスと反対側に配置された酸化剤とが混合することを防止しながら、燃料電池の正極側から燃料電池の負極側へプロトンが通過できるようになっている。したがって、マトリックスはガスに対して極めて不透性であり、容易にイオンを伝えるものでなければならない。更に、このマトリックスは電解質に対して耐腐食性でもなければならない。かかるマトリックスの一例は電極プレート１０に関してこれまで説明したような従来の製造方法および技術にしたがって製造される多孔質の炭質マトリックスである。

好ましい実施例では、燃料電池２４は酸燃料電池であり、電解質３０は吸収性またはスポンジ状セパレータと、このセパレータによって吸収され、保持される酸性または混酸電解液とを含む。酸性または混酸電解液は液状電解液および／またはゲル状電解液でよい。より好ましくは、電解質３０は指定された順序の次の層、すなわち第１ガス拡散層と、第１触媒、例えば白金または白金／ルテニウム層と、吸収性セパレータと、第２触媒層と、第２ガス拡散層とを含む多層構造体となっている。

適当な吸収性セパレータとは、燃料電池２４内に存在する液状酸性または混酸電解質の実質的にすべてを移動できないようにし、電解質３０の片側に配置された燃料ガスと反対側に配置された酸化剤との混合を防止しながら、固定された電解質をプロトンが通過できるように働くセパレータのことである。吸収性セパレータとは、親水性にされた微細グラスファイバーおよび／または無機（例えばポリプロピレン）ファイバーなどのファイバーから形成された不織シートであることが好ましい。これら微細グラスファイバーセパレータは商品表示ＨＯＶＯＳＯＲＢ（登録商標）ＩＩマイクログラスセパレータとして02032-1008メリーランド州イーストウォルポール、112ワシントンストリートのホリングワース＆ヴォーズ社から入手できる。シングルトン外に付与された米国特許5,922,417号およびチョイに付与された米国特許第6,384,100号には、セパレータを親水性にするようにビニールモノマー（例えばアクリル酸モノマー）とグラフト重合された無機ファイバー（例えばポリプロピレンおよび／またはポリエチレンファイバー）から製造された不織セパレータが記載されており、これらセパレータは商品表示ＨＯＶＯＳＯＲＢ（登録商標）バッテリー用セパレータとしてホリングワース＆ヴォーズ社から入手できる。

かかる別の好ましい実施例では、吸収性セパレータは非吸収性セパレータに置換され、酸または混酸電解質は酸燃料電池２４を満たす酸または混酸ゲル状電解質に置換される。この実施例では、ゲル化された電解質をセパレータ内に（もしくはこれを通過するように）圧入することが好ましい。

適当な非吸収性セパレータは電解質３０の片側に配置された燃料ガスと反対側に配置された酸化剤との混合を防止しながら、内部に収納されたゲル状電解液をプロトンが通過できるように働く。この非吸収性セパレータはグラスファイバーセパレータ、ポリ塩化ビニール（ＰＶＣ）セパレータ、セルローシックセパレータおよび合成パルプセパレータの群から選択されたリーフタイプのセパレータであることが好ましい。非吸収性セパレータは低酸素排除量、低電気抵抗、不活性、酸化安定性、機械的安定性および望ましい寸法を有する多孔質セパレータ（例えば両側に大きいリブを有するセパレータ）であることがより好ましい。これらより好ましいセパレータの例としては、（１）商品表示ＤＡＲＡＫバッテリーセパレータとして、28273ノースカロライナ州シャーロット、13800 サウスレイクスドライブのダラミック社から入手できるフェノール−ホルムアルデヒド−レソルシノール樹脂内に埋め込まれたポリエステルマット、（２）商品表示S-PVCポリ塩化ビニールセパレータとしてダラミック社から入手できるＰＶＣリーフタイプセパレータ、および（３）商品表示ＡＲＭＯＲＩＢ−ＬおよびＡＲＭＯＲＩＢ−ＬＳセルロース系セパレータとしてダラミック社から入手できるセルロース系リーフタイプセパレータが挙げられる。上記セパレータはセパレータの構造上の完全性を高めるためのガラスマットのような取り付けサポートと組み合わせて使用できる。

適当なガス拡散層とは導電性で不活性であり、反応性ガスがこの層を通して各酸できるようにする層のことである。これら層で使用するのに適した材料の例として、多孔質のカーボンファイバーペーパーおよび布、およびカーボンファイバー複合材料が挙げられる。このガス拡散層は商品表示ＴＯＲＡＹカーボンファイバーシートとして、日本国東京都中央区日本橋２丁目２−１の東レ株式会社から入手できる多孔質カーボンファイバーペーパーを使用して製造することが好ましい。

より好ましい実施例では、燃料電池２４は硫酸型燃料電池であり、電解質３０は微細なグラスファイバー（または吸収性ガラスマット）のセパレータと約１５〜３５重量％の硫酸を含む硫酸液状電解液とを含む。このより好ましい実施例では、吸収性ガラスマットセパレータは硫酸の液状電解液を吸収し、これを保持する。

より好ましい別の実施例では、燃料電池２４は硫酸型燃料電池であり、電解質３０はフェノール−ホルムアルデヒド樹脂セパレータと、硫酸ゲル電解液または硫酸／リン酸混酸ゲル電解液のいずれかとを含む。このより好ましい実施例では、セパレータ内へ（またはこれを通過するように）ゲル状電解液が圧入される。

本発明の硫酸型燃料電池は水素／空気で作動することが好ましい。

別の好ましい実施例では、燃料電池２４はＰＥＭタイプの燃料電池であり、この燃料電池は（ａ）正極電極プレートと、（ｂ）負極電極プレートと、（ｃ）正極電極プレートと負極電極プレートとの間に設けられたイオン交換膜とを含む。

ダイレクトアルコール型燃料電池では、正極電極プレート内でファイバー複合材料、すなわちモノリシック体を使用することによって他の触媒をモノリシック体に添加し、この結果、正極に解放される水素の量を増加させることが可能になっている。

アルカリ型および金属／空気型燃料電池では、供給された空気から二酸化炭素（ＣＯ２）を除くために、ファイバーモノリシック体に水酸化カリウム（ＫＯＨ）をコーティングしてもよい。

次に図７を詳細に参照すると、本発明の燃料電池のより好ましい実施例全体を表示するのに、参照番号４４が使用されている。この燃料電池４４は基本的には
（ａ）正極電極プレート４６と、
（ｂ）負極電極プレート４８と、
（ｃ）これら電極プレート４６と４８との間に設けられた電解質５０とを備える。

正極電極プレート４６および負極電極プレート４８は対向する第１表面５２、５６と、第２表面５４、５８とを有し、プレート４６、４８の第１表面５２、５６の各々は（ｉ）電解質５０に隣接し、（ｉｉ）内部に形成された複数の開口面チャンネル６６、７２を有し、かかる各チャンネルは入口端部および出口端部を有し、（ｉｉｉ）リセス付き部分６４、７０にそれぞれ形成されたファイバー複合材料６８、７４をそれぞれ有する。このより好ましい実施例では、開口面チャンネル６６によって形成された反応剤流れフィールドは開口面チャンネル７２によって形成された反応剤流れフィールドに対して実質的に垂直となっている。

電極プレート４６、４８の第２表面５４、５８は内部に形成された複数の開口面チャンネル６０、６２を有し、各チャンネルは入口端部および出口端部を有する。このより好ましい実施例では、開口面チャンネル６０によって形成される冷却剤流れフィールドは開口面チャンネル６２によって形成される冷却剤流れフィールドに対して実質的に平行である。

本発明の燃料電池２４、４４は、作動中に燃料電池から燃料ガス（水素、酸素または同等物）および液体、液状電解質または電気化学的反応で生じる水）が漏れないようにシールしなければならない、層状に製造された燃料電池となっている。ガスまたは液体が漏れないようにするために、ガスケットのような種々のシール手段（例えばゴムまたはプラスチックのエラストマータイプのガスケット、例えばＶＩＴＯＮゴムタイプガスケットおよびＧＯＲＥ ＴＥＸ ＰＴＦＥタイプのガスケット）、上部にセル状ゴム層を有するゴムプレートおよびＰＴＦＥ樹脂のようなシール材料が使用されている。これらガスケット、プレートおよび／または樹脂材料は各燃料電池部品とシールに影響するように例えばタイロッドおよびエンドプレートを使って圧縮された電池部品との間に挟持される。

好ましい実施例では、燃料電池２４、４４の部品はエポキシ接着剤を使って一体に接合されている。より好ましい実施例では、燃料電池スタックの分解、修理およびアップグレードを容易にするように、剥離温度が比較的低い、取り除き可能なエポキシ接着剤が使用されている。最も好ましい実施例では、任意のサイズおよび厚みに製造できる取り除き可能なエポキシ製造は、片面に取り付け、塗布し、溶融する表面にマッチするようなサイズにされるか、またはカットされる。この接着は溶融状態の接着剤を他方の表面に接触させ、室温から６０℃の間で硬化させることによって行う。この接着剤は９０〜１３０℃で除去できる。

電極プレート１０、２６、２８、４６、４８は、冷却流体（例えば水、空気）および／または反応剤および反応剤生成物がプレートを横断するように、これらの向け、分散させる他に、集電器として働き、隣接する燃料電池の部品のための支持体となっている。

単一面チャンネルまたはマイクロチャンネル電極プレートでは、燃料電池またはスタックを冷却するか、または反応剤および反応生成物の向きを定め、分配するためにマイクロチャンネルを使用できる。反応剤および反応生成物の向きを定め／分配するためにだけ、これらマイクロチャンネルを使用するとき、または更にスタックの冷却をしたい場合、熱を除去するために燃料電池２４、４４に別個の冷却プレートを追加してもよいし、またはスタック内の１つ以上の燃料電池に別個の冷却プレートを追加してもよい。かかる冷却プレートは導電性であり、かつ電池の作動環境と適合できなければならない。

両側マイクロチャンネル電極プレートと共に、片側反応剤マイクロチャンネル電極プレートを使用するときには、両側マイクロチャンネルプレートによって適当なレベルの冷却を行い、別個の冷却プレートを不要にする。かかる構造によって、より小型のスタックでも、燃料電池またはスタックを、軽量で極めて小型の電源を必要とする運輸用途で使用するのに適したものにできる。

燃料電池またはスタックを冷却し、燃料または酸化剤を電極に供給するための流れフィールドとしてマイクロチャンネルを使用する両側マイクロチャンネル電極プレートでは、冷却容量を大きくすることによって電力出力を大きくし、重量およびサイズを大きくすることを可能にしながら、燃料電池またはスタックを、大きい容量を必要とする居住用、業務用および工業用の使用に適したものにできる。

図８では、本発明の燃料電池スタックの好ましい実施例の全体を表示するのに参照番号７６が使用されている。かかるスタックでは、エンドプレート７８と８０との間に直列に接続された燃料電池２４ａ〜ｅが設けられており、これあ燃料電池は、例えばタイロッドおよびエンドプレート（図示せず）または接着剤により一体に保持されている。この好ましい実施例では、隣接する電極プレート（例えばチャンネル８２、８４）内で開口面チャンネルによって形成される冷却剤流れフィールドが整列し、よって容積および冷却容量が倍になった流れフィールドが設けられている。

当業者であれば容易に理解できるように、正極電極プレートおよび負極電極プレートが互いに隣接している燃料電池スタック構造では、この燃料電池スタック７６は不透性かつ導電性のセパレータプレート（図示せず）を更に含み、これらセパレータプレートは燃料ガスと酸化剤との混合を防止するために隣接する正極電極プレートと負極電極プレートとの間に挟持されている。

図９では、本発明の燃料電池スタックのより好ましい実施例の全体を表示するために参照番号８６が使用されている。このより好ましい実施例では、燃料電池スタック８６は空気冷却式であり、複数の燃料電池４４ａ〜ｅを使用している。外部マニホールドシステム８８は、ポート８０および９２を通してそれぞれ水素および空気を導入するように働くが、他方、ポート９４および９６を通って減損反応剤および冷却剤流並びに反応生成物が出るようになっている。

スタック（またはこのスタック内の燃料電池の組）が内部マニホールドシステムを介して燃料、酸化剤および冷却剤の流れに接続されているときは、スタックは一般に（１）燃料および冷却剤の流れを個々の燃料電池の反応剤流れ通路に燃料および冷却剤の流れを供給し、これらの向きを定めるための入口ポートおよびマニホールドと、（２）個々の燃料電池の冷却剤の流れ通路に冷却剤の流れ（例えば空気、水）を供給し、これらの向きを定めるための入口ポートおよびマニホールドと、（３）減損した反応剤の流れおよび反応生成物を排出するための排出マニホールドおよび出口ポートと、（４）このスタックから出る減損した冷却剤の流れのための排出マニホールドおよび出口ポートを含む。

本発明の詳細な実施例に関連して、本発明について示し、説明したが、当業者であれば請求項に記載の発明の要旨から逸脱することなく、形状および細部について種々の変形が可能であることが理解できよう。

本願は２００２年３月４日に出願された米国仮特許出願第60/361,680号に基づく優先権を主張するものである。

表面に複数の開口面チャンネルが形成された本発明の電極プレートの好ましい実施例の平側面図である。 １つの表面が内部に形成されたファイバー複合材料によるリセス付き部分を有し、反対の表面が内部に形成された複数の開口面チャンネルを有する本発明の電極プレートの別の好ましい実施例の平側面図である。 図２の電極プレートの軸のずれた底面図である。 （ｉ）１つの表面が内部に形成された複数の開口面チャンネルを有し、（ｉｉ）反対の表面が複数の開口面チャンネルおよび内部に形成されたファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、（ｉｉｉ）一方の表面の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが反対の表面の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに対して実質的に平行となっている、本発明の電極プレートの好ましい実施例の平側面図である。 （ｉ）１つの表面が内部に形成された複数の開口面チャンネルを有し、（ｉｉ）反対の表面が複数の開口面チャンネルおよび内部に形成されたファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、（ｉｉｉ）一方の表面の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが反対の表面の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに対して実質的に垂直となっている、本発明の正極電極プレートのより好ましい実施例の、軸のずれた平側面図である。 （ｉ）各電極プレートが一方の表面だけに複数の開口面チャンネルを有し、（ｉｉ）一方の電極プレートの開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが他方の電極プレートの開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに対して実質的に平行となっている、本発明の燃料電池の好ましい実施例の軸のずれた平面図である。 両側チャンネル付き正極および負極電極プレートを使用しており、各電極プレートが内部に形成された複数の開口面チャンネルを有する１つの表面および内部に形成された複数の開口面チャンネルおよびファイバー複合材料を有するリセス付き部分を備えた反対の表面を有し、（ｉ）一方の電極プレートの外側開口面チャンネルによって形成された流れフィールドは他方の電極プレートの外側開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行であり、（ｉｉ）一方の電極プレートの内側開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、他方の電極プレートの内側開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に垂直である、本発明の燃料電池のより好ましい実施例の軸のずれた平面図である。 複数の、図６の燃料電池を使用した本発明の電気化学的燃料電池スタックの好ましい実施例の斜視図である。 複数の、図７の燃料電池を使用した本発明のスタックのより好ましい実施例の斜視図およびこのスタックと共に使用する外部マニホールドシステムの一部切り欠き図である。

符号の説明

１０ 電極プレート
１２ 第１表面
１４ 第２表面
１６ 開口面チャンネル
１８ リセス付き部分
２０ ファイバー複合材料
２２ 開口面チャンネル
２４ 燃料電池
２６ 正極電極プレート
２８ 負極電極プレート
３０ 電解質
３３、３５ 触媒層
３６、３８ 第２表面
４０、４２ 開口面チャンネル
４４ 燃料電池
４６ 正極電極プレート
４８ 負極電極プレート
５２、５６ 第１表面
５４、５８ 第２表面
６４、７０ リセス付き部分
６６、７２ 開口面チャンネル
６８、７４ ファイバー複合材料

Claims (39)

1. 対向する第１表面および第２表面を有し、少なくとも一方の表面が複数の開口面チャンネルを有し、各チャンネルが入口端部および出口端部を有する電極プレート。
2. 前記第２表面が複数の開口面チャンネルを有する、請求項１記載の電極プレート。
3. 前記第１表面が平面状表面である、請求項２記載の電極プレート。
4. 前記平面状第１表面に触媒がコーティングされている、請求項３記載の電極プレート。
5. 前記第１表面が複数の開口面チャンネルを有する、請求項２記載の電極プレート。
6. 前記チャンネル付き第１表面に触媒がコーティングされている、請求項５記載の電極プレート。
7. 前記第１表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが前記第２の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行である、請求項５記載の電極プレート。
8. 前記第１表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが前記第２表面の開口チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に垂直である、請求項５記載の電極プレート。
9. 前記第１表面が内部にファイバー複合材料が形成されたリセス付き部分を有する、請求項２記載の電極プレート。
10. 前記ファイバー複合材料がカーボンファイバー複合材料である、請求項９記載の電極プレート。
11. 前記カーボンファイバー複合材料が透過性の大きい剛性の開放モノリシック構造体である、請求項１０記載の電極プレート。
12. 前記ファイバー複合材料がポリテトラフルオロエチレンファイバー複合材料である、請求項９記載の電極プレート。
13. 前記第１表面のリセス付き部分が複数の開口面チャンネルを有する、請求項９記載の電極プレート。
14. 前記第１表面の前記リセス付き部分の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行である、請求項１３記載の電極プレート。
15. 前記第１表面の前記リセス付き部分の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に垂直である、請求項１３記載の電極プレート。
16. 前記電極プレートが約６０〜９０％の範囲の多孔度を有する、請求項１記載の電極プレート。
17. 前記電極プレートが多孔質の炭質プレートである、請求項１６記載の電極プレート。
18. 対向する第１表面と第２表面とを有し、前記第１表面が複数の開口面チャンネルおよびファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、前記第２表面が複数の開口面チャンネルを有し、負極電極プレートの前記第１表面の前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記負極電極プレートの前記第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行である、負極電極プレート。
19. 対向する第１表面および第２表面を有し、前記第１表面が複数の開口面チャンネルおよびファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、前記第２表面が複数の開口面チャンネルを有し、正極電極プレートの前記第１表面の前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記正極電極プレートの前記第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に垂直である、正極電極プレート。
20. （ａ）正極電極プレートと、
    （ｂ）負極電極プレートと、
    （ｃ）前記正極電極プレートと負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、各電極プレートが対向する第１表面および第２表面を有し、各プレートの前記第１表面が前記電解質に隣接し、各プレートの少なくとも１つの表面が複数の開口面チャンネルを有し、各チャンネルが入口端部および出口端部を有する燃料電池。
21. 前記正極電極プレートの前記第２表面および前記負極電極プレートの前記第２表面が複数の開口面チャンネルを有する、請求項２０記載の燃料電池。
22. 前記正極電極プレートの前記第２表面の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記負極電極プレートの第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行である、請求項２１記載の燃料電池。
23. 前記正極電極プレートの前記第１表面および前記負極電極プレートの前記第１表面が平面状表面である、請求項２２記載の燃料電池。
24. 前記正極電極プレートの前記第１表面および前記負極電極プレートの前記第１表面が複数の開口面チャンネルを有する、請求項２２記載の燃料電池。
25. 前記正極電極プレートの前記第１表面の開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記負極電極プレートの第１表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的垂直である、請求項２４記載の燃料電池。
26. 前記正極電極プレートの前記第１表面および前記負極電極プレートの前記第１表面が、内部に形成されたファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有する、請求項２２記載の燃料電池。
27. 前記正極電極プレートの前記第１表面の前記リセス付き部分および前記負極電極プレートの前記第１表面の前記リセス付き部分が複数の開口面チャンネルを有する、請求項２６記載の燃料電池。
28. 前記正極電極プレートの前記第１表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された前記流れフィールドが、前記負極電極プレートの前記第１表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された前記流れフィールドに実質的に垂直である、請求項２７記載の燃料電池。
29. 正極電極プレートと、負極電極プレートと、前記正極電極プレートと前記負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、
    各電極プレートが対向する第１表面および第２表面を有し、各プレートの前記第１表面が前記電解質に隣接し
    各プレートの前記第１表面が複数の開口面チャンネルおよびファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、
    前記正極電極プレートの前記第１表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記負極電極プレートの前記第１表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に垂直であり、
    各プレートの前記第２表面が複数の開口面チャンネルを有し、前記正極電極プレートの前記第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記負極電極プレートの前記第２表面の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行である燃料電池。
30. （ａ）正極電極プレートと、
    （ｂ）負極電極プレートと、
    （ｃ）前記正極電極プレートと前記負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備えた、複数の燃料電池を協働するように組み合わせた燃料電池スタックであって、
    前記燃料電池スタック内の各燃料電池内の各電極プレートが対向する第１表面および第２表面を有し、各プレートの前記第１表面が電解質に隣接し、各プレートの少なくとも１つの表面が複数の開口面チャンネルを有し、各チャンネルが入口端部および出口端部を有する燃料電池スタック。
31. 燃料電池スタック内の各燃料電池内の前記正極電極プレートの前記第２表面および前記負極電極プレートの前記第２表面が内部に形成された複数の開口面チャンネルおよびファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、
    前記燃料電池スタック内の各燃料電池内の前記正極電極プレートの前記第２表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記燃料電池スタック内の各燃料電池内の前記負極電極プレートの前記第２表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に平行である、請求項３０記載の燃料電極スタック。
32. 燃料電池スタック内の各燃料電池内の前記正極電極プレートの前記第１表面および前記負極電極プレートの前記第１表面が内部に形成された複数の開口面チャンネルおよびファイバー複合材料を有するリセス付き部分を有し、
    前記燃料電池スタック内の各燃料電池内の前記正極電極プレートの前記第１表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドが、前記燃料電池スタック内の各燃料電池内の前記負極電極プレートの前記第１表面の、前記リセス付き部分の前記開口面チャンネルによって形成された流れフィールドに実質的に垂直である、請求項３１記載の燃料電極スタック。
33. （ａ）正極電極プレートと、
    （ｂ）負極電極プレートと、
    （ｃ）前記正極電極プレートと前記負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、
    前記電解質が、（ｉ）吸収性セパレータにより電解液を吸収し、保持するようになっている吸収性セパレータおよび１つ以上の酸を含む電解質、ならびに（ｉｉ）非吸収性セパレータによりゲル状電解液を保持するようになっている非吸収性セパレータおよび１つ以上の酸のゲルを含むゲル状電解液の群から選択されたものである、酸型燃料電池。
34. 前記電解質が吸収性セパレータと電解質とを含む、請求項３３記載の酸型燃料電池。
35. 前記吸収性セパレータが微細なグラスファイバー、親水性とされた無機ファイバーおよびこれらの配合物の群から選択されたファイバーから形成された不織シートである、請求項３４記載の酸型燃料電池。
36. 前記電解質が非吸収性セパレータとゲル状電解質とを含む、請求項３３記載の酸型燃料電池。
37. 前記非吸収性セパレータがグラスファイバーのリーフタイプのセパレータ、ポリ塩化ビニールのリーフタイプのセパレータ、セルロースリーフタイプのセパレータ、合成パルプリーフタイプのセパレータ、およびフェノールホルムアルデヒド樹脂セパレータの群から選択されたものである、請求項３６記載の酸型燃料電池。
38. （ａ）正極電極プレートと、
    （ｂ）負極電極プレートと、
    （ｃ）前記正極電極プレートと前記負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、
    前記電解質が吸収性セパレータと、約１０〜３５重量％の硫酸を含む液体電解液とを備え、前記吸収性セパレータが微細なグラスファイバー、親水性とされた無機ファイバーおよびこれらの配合物の群から選択されたファイバーから形成された不織シートであり、前記吸収性セパレータが液体電解液を吸収し、保持するようになっている、硫酸型燃料電池。
39. （ａ）正極電極プレートと、
    （ｂ）負極電極プレートと、
    （ｃ）前記正極電極プレートと前記負極電極プレートとの間に設けられた電解質とを備え、
    前記電解質が非吸収性セパレータと、１つ以上の酸のゲルを含むゲル状電解液とを備え、前記非吸収性セパレータがグラスファイバーのリーフタイプのセパレータ、ポリ塩化ビニールのリーフタイプのセパレータ、セルロースリーフタイプのセパレータ、合成パルプリーフタイプのセパレータ、およびフェノールホルムアルデヒド樹脂セパレータの群から選択されたものであり、前記非吸収性セパレータが前記ゲル状電解液を保持する、硫酸型燃料電池。

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