JP2008547181A - 接続チャンネルを有する燃料電池用バイポーラ・プレート - Google Patents

Abstract

本発明は、互いに結合された陰極バイポーラ・ハーフプレート及び陽極バイポーラ・ハーフプレートを含むタイプの燃料電池用バイポーラ・プレートに関する。各バイポーラ・ハーフプレート(１)は、その中央部分に活性領域(２)を含むと共に、その周辺部分に、少なくとも２つの酸化剤ボックスと、少なくとも２つの燃料ボックスと、少なくとも２つの冷却剤ボックスとを形成するように設計された複数のカットアウト(４)を含むプレートから構成され、バイポーラ・プレートは、各周辺部のカットアウトと活性領域の間に少なくとも１つの接続チャンネルを有する。本発明は、活性領域を備えた周辺部のカットアウトの各接続チャンネルが、バイポーラ・ハーフプレート内の少なくとも１つのリブ(８)から構成されることを特徴とする。

Description

本発明は、プロトン（proton；陽子）交換膜を有するタイプの燃料電池用バイポーラ・プレート（bipolar plate；双極板）に関する。バイポーラ・プレートは互いに固着された２枚のバイポーラ・ハーフプレート（bipolar half-plate）によって構成され、各バイポーラ・ハーフプレートは、(bipolar half-plate)概ね矩形状のプレートによって構成される。このプレートは、その中央部分に活性帯域、その周辺部分に流体ユニットを構成するための複数のカットアウト（cut-out；切り抜き）、及びシールを行うためのリブ（ribs；突出部）を含む。

プロトン交換膜を有する燃料電池は、例えば水素含有ガス等の燃料と例えば酸素含有ガス等の酸化剤との電気化学反応により発電する装置からなり、燃料と酸化剤とは固体電解質で構成される壁体によって分離される。この種の装置において、燃料が水素性のガスであり、酸化剤が酸素性のガスであると、水素性のガスと酸素性のガスが反応して、水を生成すると同時に各種の用途に利用可能な電流を発生する。

一般に、燃料電池は、各々が電極／膜組立体（electrode/membrane assembly）で構成される反応性セル又は基本セルのスタックによって構成され、上記組立体は、一方において燃料、他方において酸化剤、最終的に水等の熱交換流体の循環のためのチャンネルを有する２枚のバイポーラ・プレート間に挿入される。電極／膜組立体は、自体公知の多層材料からなり、２つの活性層間にそれ自身が配置された固体電解質の膜で構成される層を含み、上記活性層は、拡散層と称される２つの外層でそれ自身が被覆される一方において陰極、他方において陽極を構成する。基本セルのスタックは通常２つの端子板間に固着された状態で保持され、上記端子板は、一方の端子板から他方の端子板に延び、かつ、基本セルのスタックを貫通して延びるピンによってフランジが取り付けられている。

一般に、バイポーラ・プレートは、耐腐食性及び導電性に関して良好な特性を有する材料から製造される。例えば、グラファイト等の炭素含有材料、グラファイト含浸ポリマー、又は機械加工もしくは成形加工により成形されたグラファイトの可撓性シートから製造されるバイポーラ・プレートは、公知である。また、チタンベース、アルミニウム又は鉄ベースの合金等の金属材料から形成されるバイポーラ・プレートも、公知である。金属材料から製造されるこれらのバイポーラ・プレートは、通常、絞り加工（drawing）又はプレス加工（stamping）により成形された板からなる。絞り加工により成形された金属シートから製造されるバイポーラ・プレートにおいては、流体の取入れ及び副生成物の排出はバイポーラ・プレートの帯域で行われ、このバイポーラ・プレートは、局部的に平坦であって、適切な形状をなすフレームの使用が必要であると共に、バイポーラ・プレートの周辺部のシールにも利用され得る。

この技術は、同一のバイポーラ・プレートについて、２枚のバイポーラ・ハーフプレートに加えて、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間に接合部を設けるため並びに流体及び副生成物の供給及び排出をもたらすための補足部材を必要とする、という不都合がある。バイポーラ・プレートは、結果として比較的剛固な（solid）ものとなる。本発明の目的は、公知のバイポーラ・プレートより軽くて経済的な金属シートから製造され、同時に簡単な方法で流体を供給及び排出できるバイポーラ・プレートを提供することによって、前述の不都合を克服することにある。

この目的を達成するために、本発明は、互いに固着された陰極バイポーラ・ハーフプレート及び陽極バイポーラ・ハーフプレートを含む燃料電池用バイポーラ・プレートに関し、各バイポーラ・ハーフプレートが、その中央部分に活性帯域を含むと共に、その周辺部分に、少なくとも２つの酸化剤ユニットと、少なくとも２つの燃料ユニットと、少なくとも２つの熱交換流体ユニットとを構成するための複数のカットアウトを含むプレートによって構成され、バイポーラ・プレートが、各周辺部のカットアウトと、バイポーラ・ハーフプレート内の少なくとも１つのリブによって構成される活性帯域との間に、少なくとも１つの接続チャンネルを有する。

好ましくは、周辺部のカットアウトを活性帯域に接続する各チャンネルが互いに対向する少なくとも２つのリブによって構成され、一方のリブが一方のバイポーラ・ハーフプレートに設けられ、他方のリブが他方のバイポーラ・ハーフプレートに設けられる。カットアウトが熱交換流体ユニットを構成することを目的とするとき、カットアウトと活性帯域の間に接続チャンネルを構成する少なくとも１つのリブは、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の活性帯域に開口する。酸化剤ユニットと活性帯域の間の接続チャンネルは、例えば陰極バイポーラ・ハーフプレートに設けられたカットアウトを介して、陰極バイポーラ・ハーフプレート外面の活性帯域の領域に開口し、燃料ユニットと活性帯域の間の接続チャンネルは、例えば陽極バイポーラ・ハーフプレートに設けられたカットアウトを介して、陽極バイポーラ・ハーフプレート外面の活性帯域の領域に開口する。

好ましくは、バイポーラ・プレートは、傾斜し又は広げられ（inclined or flared）、かつ、酸化剤ユニットを形成するための少なくとも１つのカットアウトの低い箇所に配置された、少なくとも１つの接続チャンネルを有する。また、好ましい方法では、バイポーラ・プレートは、傾斜し又は広げられ、かつ、燃料ユニットを形成するための少なくとも１つのカットアウトの低い箇所に配置された、少なくとも１つの接続チャンネルを有する。好ましくは、バイポーラ・プレートは、燃料ユニット及び酸化剤ユニットの低くなり得る箇所に配置された、傾斜した又は広げられた接続チャンネルを有する。少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートは、例えばレーザーを用いた切断加工と絞り加工とにより成形された例えばステンレス鋼等の金属板とすることができる。

本発明は、また、少なくとも１枚のバイポーラ・プレートを含む膜／電極組立体によって構成される少なくとも１個のセルを有するタイプの燃料電池に関する。

本発明が、更に詳細に、しかし添付の図面を参照して非限定的な方法で以下に説明されるであろう。一方の面のみが見える図１に示すバイポーラ・プレートは、それぞれ、陰極又は陽極のバイポーラ・ハーフプレート１と陽極又は陰極のバイポーラ・ハーフプレート（図面には見えない）とから構成され、２枚のバイポーラ・ハーフプレートはそれらの内面が互いに固着されている。形状が完全に同等である２枚のハーフプレートは、各々が概ね矩形状の例えばステンレス鋼等の金属板で構成される。各バイポーラ・ハーフプレートの中央部分は、各バイポーラ・ハーフプレート外面の流体及び２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の熱交換流体の流れの良好な分配を与えることを目的とした、活性帯域を構成する。その周辺部に、２枚のバイポーラ・ハーフプレートは、概ね細長く、電池の作動に必要な各種流体の供給・排出用流体ユニットのための通路を設けておくことを目的とした、カットアウト４，５，６を含んでいる。

特に（図面に示すように）上部及び下部に、バイポーラ・プレートは、熱交換流体ユニットを構成するためのカットアウト４を含む。上部のカットアウトは、例えば、熱交換流体供給ユニットの形成を目的とし、下部のカットアウトは熱交換流体排出ユニットの形成を目的とする。２辺の側縁に、バイポーラ・ハーフプレートは、概ね細長く、一方で酸化剤用供給・排出ユニット及び他方で燃料用供給・排出ユニットを形成するためのカットアウト５，６を含んでいる。

熱交換流体ユニットを形成するためのカットアウト４は、各バイポーラ・ハーフプレート１の外面に突出し、かつシールを行うためのリブ７で囲まれている。活性帯域２に向かうハーフプレートの縁部に、各カットアウト４は、熱交換流体ユニットの内側と２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の空間との連通を可能にするリブ８を含む。熱交換流体は、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の空間内を循環するために用いられる。従って、熱交換流体は、熱交換流体ユニットの１つを経由して流入した後、２枚のプレート間を循環し、最後に第二の熱交換流体ユニットを経由して排出されなければならない。図２に示すように、各リブ８（又はリブ８に対向する第二のバイポーラ・プレートの８′）は、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の活性帯域２に開口するチャンネルを構成している。

同じように、酸化剤ユニット５又は燃料ユニット６を形成するためのカットアウトは、一方においてそれぞれシールを行うためのリブ９，１１で、他方において、一方で酸化剤又は燃料用供給・排出ユニットと他方でバイポーラ・プレートの外面との間をそれぞれ連通させるためのリブ１０，１２で囲まれている。酸化剤及び燃料は、バイポーラ・プレートの外面と２枚の連続したバイポーラ・プレート間に介在する活性膜との間を循環しなければならず、酸化剤は陰極バイポーラ・ハーフプレートの外面を循環し、燃料は陽極バイポーラ・ハーフプレートの外面を循環する。

酸化剤ユニット又は燃料ユニットとバイポーラ・プレートの外面との間を連通させるためのリブは、一方で酸化剤ユニット又は燃料ユニットの内側に開口し、他方で適合するバイポーラ・ハーフプレートに設けられた開口部１００を介して他端が開口するリブからなる。リブの一方は陰極バイポーラ・ハーフプレート外面の酸化剤に対応し、リブの他方は陽極ハーフプレート外面の燃料に対応している。

図３に示すように、バイポーラ・ハーフプレート１の穴１００を介して開口するリブ１０と、ハーフプレート１に対向して、リブ１０に対向する第二のバイポーラ・ハーフプレート１′に設けられたリブ１０′とを設けることが可能である。リブ１０′は、しかし、関連する流体をバイポーラ・プレートの的確な壁部に向けて導くために、第二のバイポーラ・ハーフプレートにいかなる開口部をも含まない。これらのリブ１０，１０′，１２，１２′は、活性流体用の供給又は排出チャンネルを構成する。

図４に示すように、流体ユニット５は、これが酸化剤又は燃料用排出ユニットである場合、その下部に、電池内での反応により生成する水を排出するための傾斜した又は広げられたリブ１１０を含む。一般に、燃料又は酸化剤の供給又は排出用流体ユニットの全ては、反応により生成する水を排出するための傾斜した又は広げられた少なくとも１つのリブを含むことができる。これらのリブは、バイポーラ・プレートの接合方向が水平面に対応して考慮されるとき、低い箇所とすることができる箇所の全てに配置される。

バイポーラ・プレートの正面図である。 冷却流体ユニットと活性帯域間の接続帯域内のバイポーラ・プレートの拡大斜視図である。 活性流体ユニットと活性帯域間の接続帯域内のバイポーラ・プレートの拡大図である。 酸素性流体を排出するための流体ユニット下部のバイポーラ・プレートの拡大図である。

Claims (9)

1. 燃料電池用バイポーラ・プレートであって、
   互いに固着された陰極バイポーラ・ハーフプレート及び陽極バイポーラ・ハーフプレートを含み、
   各バイポーラ・ハーフプレート（１）が、その中央部分に活性帯域（２）を含むと共に、その周辺部分に、少なくとも２つの酸化剤ユニットと、少なくとも２つの燃料ユニットと、少なくとも２つの熱交換流体ユニットとを構成するための複数のカットアウト（４，５，６）を含むプレートによって構成され、
   前記バイポーラ・プレートは、各周辺部のカットアウトと活性帯域の間に少なくとも１つの接続チャンネルを含み、
   周辺部のカットアウトを活性帯域に接続する各チャンネルが、バイポーラ・ハーフプレート内の少なくとも１つのリブ（８，８′，１０，１０′，１２）によって構成されることを特徴とするバイポーラ・プレート。
2. 前記周辺部のカットアウトを活性帯域に接続する各チャンネルが互いに対向する少なくとも２つのリブによって構成され、一方のリブ（８，１０，１２）が一方のバイポーラ・ハーフプレートに設けられ、他方のリブ（８′，１０′）が他方のバイポーラ・ハーフプレートに設けられていることを特徴とする請求項１記載のバイポーラ・プレート。
3. 前記カットアウト（４）が熱交換流体ユニットを構成することを目的とするとき、カットアウトと活性帯域の間に接続チャンネルを構成する少なくとも１つのリブ（８）が、２枚のバイポーラ・ハーフプレート間の活性帯域（２）に開口することを特徴とする請求項１又は２記載のバイポーラ・プレート。
4. 前記酸化剤ユニット（５）と活性帯域（２）の間の接続チャンネルが、陰極バイポーラ・ハーフプレートに設けられたカットアウト（１００）を介して陰極バイポーラ・ハーフプレート外面の活性帯域の領域に開口し、燃料ユニットと活性帯域の間の接続チャンネルが、陽極バイポーラ・ハーフプレートに設けられたカットアウトを介して陽極バイポーラ・ハーフプレート外面の活性帯域の領域に開口することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイポーラ・プレート。
5. 前記バイポーラ・プレートが、傾斜し又は広げられ、かつ、酸化剤ユニットを形成するための少なくとも１つのカットアウト（５）の低い箇所に配置された、少なくとも１つの接続チャンネル（１１０）を有することを特徴とする請求項４記載のバイポーラ・プレート。
6. 前記バイポーラ・プレートが、傾斜し又は広げられ、かつ、燃料ユニットを形成するための少なくとも１つのカットアウト（６）の低い箇所に配置された、少なくとも１つの接続チャンネルを有することを特徴とする請求項４記載のバイポーラ・プレート。
7. 前記バイポーラ・プレートが、燃料ユニット及び酸化剤ユニットの低くなり得る箇所に配置された、傾斜した又は広げられた接続チャンネルを有することを特徴とする請求項５又は６記載のバイポーラ・プレート。
8. 少なくとも１枚のバイポーラ・ハーフプレートが、例えばレーザーを用いた切断加工と絞り加工とにより成形された金属板からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のバイポーラ・プレート。
9. 少なくとも１枚のバイポーラ・プレートを含む膜／電極組立体によって構成される少なくとも１個のセルを有するタイプの燃料電池において、少なくとも１枚のバイポーラ・プレートが請求項１乃至８のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする燃料電池。

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