JP2010521787A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

バイポーラ板（１）と高分子シート（２）のスタックを有する燃料電池であって、各高分子シートが隣接のバイポーラ板（１）から全ての側で突き出ている、燃料電池。

Description

本発明は、イオン交換高分子膜を備えた燃料電池に関する。

燃料電池は、電気的に直列に接続された個々の電気化学セルのスタックで構成されており、各セルは、一般に約１ボルトの或る特定の電圧を発生させる。したがって、スタックによって発生する全電圧は、個々の電圧の合計に等しく、例えば、約１００ボルト又は輸送機関分野への利用向けの燃料電池に関しては、数百ボルトである。

個々の電気化学セルは各々、通常、５つの層、即ち、１つのゾーンがイオン交換膜を形成する高分子膜、電気化学反応を生じさせるのに必要な化学元素、例えば白金から成る２つの電極及びバイポーラ板のネットワークによって運ばれたガスをイオン交換膜を形成する表面全体上に均一に拡散させることができる２つのガス拡散層の重ね合わせによって構成されている。

ガスの供給は、一般に「バイポーラ板」と呼ばれているプレートによって行われる。というのは、これらバイポーラ板は、１つのセルのアノードと接触状態にあると共にその隣りのセルのカソードと接触状態にあるからである。通常、バイポーラ板は、一方のセルから他方のセルへの導通を保証するのに必要なので、導電性材料で構成されており、燃料電池は、電気的に直列に接続された個々の電気化学セルによって形成されている。

国際公開第２００５／００６４７２号パンフレットは、上述した内容に一致した燃料電池を記載している。特にその図７を参照すると、この図は、個々のセルのスタックを示している。したがって、バイポーラ板の構成材料が、最も一般的な場合と同様、電気導体である場合、燃料電池の使用中、燃料電池の目に見える面には電圧がかかっている。スタックの一方の側部では、この電圧は、非常に高くなっている場合があり、最大電圧は、燃料電池の公称電圧、即ち典型的には１００ボルトよりも高い。したがって、かかる燃料電池との偶発的な接触の恐れを回避するためにかかる燃料電池を包封することが必要である。これは、安全目的と燃料電池の正しい機能発揮目的の両方にかなっている。というのは、もしセルが短絡した場合、燃料電池の機能発揮が損なわれるからである。

国際公開第２００５／００６４７２号パンフレット

本発明の目的は、燃料電池が包封されていない場合にバイポーラ板との電気的接触の恐れがあるというこの問題、更にセル相互間の短絡の恐れ及び異物との偶発的な接触に起因して生じる場合のある問題に対する別の実用的な解決策を提供することにある。

本出願人の想像するところによれば、燃料電池のイオン交換部分が設けられている高分子膜は、性質上、非導電性である基板を形成しているので、バイポーラ板の縁部の表面に実質的に垂直に差し向けられた多数のリップを得てバイポーラ板に対する突起を形成し、かくして燃料電池に上述した欠点及び恐れに対する第１の保護レベルを与えるためには、高分子膜をバイポーラ板に対して張り出すようにすれば十分である。変形例として、高分子膜の延長部によって形成されたリップに代えて、各高分子膜と関連した周囲補強材を形成し、バイポーラ板に対して張り出したインサートを植え付けても良く、これら補強材は、非導電性材料で作られる。

当然のことながら、これに加えて、所望ならば、燃料電池を一般的に行われているように包封しても良いが、リップによる保護は、特に燃料電池が通電状態にある間にオペレータが燃料電池に近づく保守作業にとって非常に有用である第１の保護レベルを提供する。本発明によって提供される燃料電池保護手段は又、その信頼性を向上させる上でも有用であることが分かる。

したがって、本発明は、流体分配板とイオン交換膜を形成するゾーンを備えた高分子膜のスタックを有する燃料電池であって、各高分子膜は、個々のセルを形成するために２枚の流体分配板相互間に介在して配置されている、燃料電池において、燃料電池は、少なくとも、或る特定の個々のセルの高さ位置に、非導電性材料で作られた張り出しリップを有し、張り出しリップは、隣接の流体分配板の少なくとも一端部に関して張り出していることを特徴とする、燃料電池を提案する。

以下に記載する実施形態の変形例の全てにおいて、各張り出しリップは、高分子膜と関連している。しかしながら、これは、本発明をいかなる点においても限定するものではなく、張り出しリップは、分配板と関連していても良い。

本発明の内容は、添付の図面に示された実施形態についての詳細な説明により良好に理解されよう。

本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す図である。 物体を第１の実施形態としての燃料電池に密接して動かしているときの第１の実施形態を示す図である。 本発明の燃料電池の第２の実施形態を示す図である。 物体を第２の実施形態としての燃料電池に密接して動かしているときの第２の実施形態を示す図である。 本発明の燃料電池の第３の実施形態を示す図である。

図１には、燃料電池を形成する組立体の一部が示されており、この組立体は、外部から接近可能な縁部１０を備えたバイポーラ板１及び高分子膜２を有する。個々の電気化学セルは、通常、５つの層、即ち、高分子膜２上に形成されたイオン交換高分子膜、電気化学反応を生じさせるのに必要な化学元素、例えば白金から成る２つの電極（これら電極は、高分子膜の両側に被着された被膜によって形成される）及びバイポーラ板１のネットワークによって運ばれたガスをイオン交換膜を形成する表面全体上に均一に拡散させることができる２つのガス拡散層の重なり合いから形成される（このことは、いかなる意味においても本発明を限定するものではない）が知られている。バイポーラ板１の厚さは、“ｅ”に等しい。第１の実施形態（図１及び図２）では、各高分子膜２の延長部が、張り出しリップ３を形成し、これらリップは、図１において“ｄ”に等しい値だけバイポーラ板１に対して張り出している。

バイポーラ板１は、事実上、流体分配板である。これらをバイポーラ板と称している理由は、このスタックの各端部のところのバイポーラ板を除き、バイポーラ板は各々、或る１つのセルのアノードと接触状態にあると共にその互いのセルのカソードと接触状態にあるからである。

各バイポーラ板１は、等電位線を形成している。或る１つのバイポーラ板と次のバイポーラ板の電圧差は、約１ボルトである。燃料電池が使用されているとき、最も一般的な場合におけるバイポーラ板の材料（黒鉛、鋼等）が導電性であれば、バイポーラ板の縁部１０は、通電状態にある。１組の張り出しリップ３は、バイポーラ板の縁部１０との接触を極めて困難にする一種の機械的バリヤを形成している。特に、導電性異物がバイポーラ板の厚さよりも大きなサイズを有している場合、或る１枚のバイポーラ板とその隣りのバイポーラ板との間の導通路を形成する際、導電性異物の偶発的侵入が起こることはないであろう。好ましくは、請求項のうちの１つに記載された燃料電池は、高分子膜の各々の高さ位置に張り出しリップを有する。

各高分子膜の高さ位置に張り出しリップが存在しているか否かにかかわらず、燃料電池は、周囲全体にわたってではなく、オペレータによる接触の恐れ又は異物による短絡の恐れが高いために絶縁体を補強することが望ましい場所にのみリップを備えるのが良い。かくして、例えば、燃料電池の上面及び側面は保護されるが、内面はそうではない。

以上のことをまとめて言えば、張り出しリップは、バイポーラ板の縁部と接触しないよう保護することは望ましい、即ち、燃料電池の側面を保護することが望ましい流体分配板の周囲に対して張り出す。

通常、高分子膜２に用いられる高分子材料は、軟質又は可撓性であることが知られている。図２で理解されることとして、物体４（又はオペレータの指）が燃料電池に近づいた場合、これにより、可撓性高分子膜２のリップ３、即ち、バイポーラ板１に対して張り出している部分の曲げが生じる。好ましくは、各高分子膜は、各バイポーラ板１の厚さ“ｅ”よりも大きな値“ｄ”だけ張り出している。このように、高分子膜２のリップ３が各バイポーラ板１の縁部１０で曲げられると、これらリップ３は、縁部１０を完全に覆う。

誰かがその手又は工具を作業中に燃料電池に載せた場合であっても、そのことにより、非導電性バリヤが自動的に形成される。かくして、オペレータとバイポーラ板の電気的接触又は工具と２枚の隣り合うバイポーラ板の電気的接触の恐れが大幅に減少する。

さらに、各可撓性高分子膜２のこれらリップ３の存在により、或る１枚のバイポーラ板１とその互いのバイポーラ板１との間の漏れ経路が長くなる。これによっても、２枚の隣り合うバイポーラ板相互間の電気的絶縁具合が向上する。

本発明は又、張り出しリップ、特に以下に説明する張り出しリップの種々の実施形態に及ぶ。

変形例として、張り出しリップは、非導電性材料で作られた１つ又は２つ以上のインサート６（図３及び図５参照）から作られても良い。例えば、かかるインサート６は、例えば樹脂／ガラス繊維型の複合材料又はかなり硬質のポリマーから作られる。かかる場合（図４参照）、上述の電気的保護も又提供される。

図３には、イオン交換膜を形成する化学的に活性のゾーンの両側にガス拡散層７を備えた高分子膜２が示されている。バイポーラ板（図示せず）は、ガス拡散層と同一の表面上に延びている。また、高分子膜２の延長部の両側には、軟質ポリマー、硬質ポリマー又は複合材料で作られたインサート６が見える。インサート６は、図示のように隣接のガス拡散層７の端部に嵌め込まれても良く、或いはこのガス拡散層の端部と面一をなしているに過ぎないものであっても良い。ガス拡散層７は、インサート６と一線をなして僅かに大きめの厚さに適合するために押しつぶし可能であるような組成を有する。図３及び図４に示された組立体は、ガス拡散層に対し、したがって、隣接のバイポーラ板に対して張り出した剛性リップ３Ｂを形成している。リップ３Ｂは、その組成を考慮すると、物体４が燃料電池に近づいたとき、曲がらない。変形例として、インサート６を高分子膜２の一方の側にのみ植え付けても良い。

図５に示された変形例は、高分子膜２がガス拡散層７に対して張り出していないという点において、先の実施例とは異なっている。この時点で、高分子膜２のところに延びているのは、インサート６である。インサート６は、図５に示されているように、隣接のガス拡散層７の端部に必然的に嵌め込まれる。製造上の理由で、インサートは、高分子膜２の周囲全体に追加される。変形例として、インサート６を高分子膜２の一方の側にのみ植え付けても良い。図５に示された組立体は、ガス拡散層及びかくして隣接のバイポーラ板に対して張り出した剛性リップ３Ｃを形成し、この剛性リップは、物体が燃料電池に近づいたとき、曲がらない。

また、後に述べた２つの変形例では、インサート６は、好ましくは、高分子膜２を包囲していて、リップ３Ｂ，３Ｃの剛性に寄与するフレームを形成することが指摘される。

かくして、本発明により、或る特定の仕方で張り出したリップは、バイポーラ板の外側を絶縁し、リップが可撓性である場合、これらリップは、各バイポーラ板の自由端部を覆い、かくしてかなり効果的な電気的絶縁を提供できる。２枚の隣り合うバイポーラ板相互間の短絡に関する安全性が向上し、電撃の恐れが大幅に減少する。

Claims (9)

1. 流体分配板とイオン交換膜を形成するゾーンを備えた高分子膜（２）のスタックを有する燃料電池であって、各高分子膜は個々のセルを形成するために２枚の流体分配板相互間に介在して配置されている燃料電池において、前記燃料電池は少なくとも或る特定の個々のセルの高さ位置に非導電性材料で作られた張り出しリップ（３）を有し、前記張り出しリップは隣接の流体分配板の少なくとも一端部に対して張り出している燃料電池。
2. 各張り出しリップ（３）は高分子膜と関連している請求項１記載の燃料電池。
3. 前記リップは少なくとも或る特定の高分子膜の高さ位置で隣接の流体分配板の周囲全体に対して張り出している請求項２記載の燃料電池。
4. 各張り出しリップは高分子膜の延長部によって形成されている請求項２又は３記載の燃料電池。
5. 各高分子膜は可撓性である請求項４記載の燃料電池。
6. 各張り出しリップは非導電性材料で作られたインサートによって形成されている請求項２又は３記載の燃料電池。
7. 高分子膜の各々のところに張り出しリップを有する請求項２〜６のうちいずれか一に記載の燃料電池。
8. 各リップは前記隣接の流体分配板の厚さ“ｅ”よりも大きな長さ“ｄ”だけ前記隣接の流体分配板に対して張り出している請求項１〜７のうちいずれか一に記載の燃料電池。
9. 前記流体分配板は前記スタックの各端部のところの流体分配板を除きバイポーラ板（１）を形成している請求項１〜８のうちいずれか一に記載の燃料電池。

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