JP2010533935A - プロトン交換膜式の燃料電池用のガスケットとバイポーラ板との改善 - Google Patents
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Abstract
前記シーラント(50,70)が流路(54a,54b,74a,74b)を有しており、前記流路(54a,54b,74a,74b)は、プロトン供与燃料又はプロトン受容流体が前記シーラントを横切ってかつ前記バイポーラ板に沿って移送されるように、前記シーラント(50,70)を横断していることを特徴とする。
Description
(1)陽極反応 H2→2H++2e-
(2)陰極での反応:O2+4H++4e-→2H2O+発熱
(3)2H2O+O2→2H2O+電力+発熱
前記シーラントが流路を有しており、前記流路は、プロトン供与燃料又はプロトン受容流体が前記シーラントを横切ってかつ前記バイポーラ板に沿って移送されるように、前記シーラントを横断していることを特徴としている。
a)前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池に流入するための流路を形成している貫通する入口穴を有していて、前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池から流出するための流路を形成している貫通する出口穴を有しており、および
b1)前記陰極側がオキシダントガス用の入口流路を形成している一つ以上の溝を備えている一つの縁部分を有していて、前記陰極側は、オキシダントガス用の出口流路を形成する一つ以上の溝を備えているもう一つの縁部分を有しており、前記入口流路の溝及び前記出口流路の溝はそれぞれの前記縁部分の縁に延在していて、前記陰極側がオキシダントガス用の流路を形成している一つ以上の溝を有していて、前記一つ以上の溝はオキシダントガス用の入口流路とオキシダントガス用の出口流路とを接続しており、及び/又は
b2)前記陽極側が、前記入口穴の内部から延伸している一つ以上の溝の形状である水素ガス用の入口流路を有していて、前記陽極側は、前記出口穴の内部から延伸している一つ以上の溝の形状である水素ガス用の入口流路を有していて、前記陽極側は、前記出口穴の内部から延伸している一つ以上の溝の形状である水素ガス用の出口流路を有しており、そして前記陽極側が水素用の流路を形成する一つ以上の溝を有していて、前記溝は、水素ガス用の入口穴から水素ガス用の出口穴への水素の流体連通を提供しており、そして、
c)前記バイポーラ板における、前記陽極側、又は陰極側、又は前記陽極側及び前記陰極側との両方が、シールを受け入れるシーラントの溝を備えていて、前記シーラントの溝は、ガスが前記チャンネル以外からは漏洩することを効率よく防止するためにシーラントを受け入れることができるように、前記バイポーラ板の前記縁に沿って延在しており、前記シーラントの溝が前記陰極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、オキシダントガス用の前記入口流路の溝及びオキシダントガス用の前記出口流路の溝と交差していて、前記シーラントの溝が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、溝により形成されている水素ガス用の前記入口流路を介して流入する水素の前記流路と交差しており、前記シーラントの溝が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、溝により形成されている水素ガスの出口流路を介して流出する水素ガスの流路と交差していることを特徴とする、
バイポーラ板。
部分72における前記シーラントは、前記入口流路の溝16と前記溝20とを接続している水素の前記流路と交差している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっていて、一つ以上の切り欠き74aを有しており、その切り欠きは水素ガスが前記水素用の入口流路を形成している前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしていて、
そして、
部分76における前記シーラントは、前記出口流路の溝と溝とを接続している水素用の流路と交差している前記シーラントの中へ受容されるようになっていて、一つ以上の切り欠きを備えており、切り欠きは、水素が水素用の出口流路を形成する前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしている。
本発明はプロトン交換膜の燃料電池スタックに使用するバイポーラ板を提供するものである。本発明によるバイポーラ板は単純な構造であって、製造が容易であって、従って製造コストが安価である。
図2におけるバイポーラ板1の陰極側は、二つの縁部分10a,10bを備えている。一方の縁部分10aは、オキシダントガス用の入口流路を形成する一つ以上の溝6を備えている。他方の縁部分10bは、オキシダントガス用の出口流路を形成する一つ以上の溝8を備えている。溝6,8は、縁部分10a,10bそれぞれの全体に延在するように配置されている。従って、バイポーラ板の縁部分における開口部が備えられていて、開口部は、バイポーラ板の陰極側における反応区画に酸素を供給する流路となっていて、さらに反応区画から酸素を排出する流路となっている。
図1に図示するように、流路の陽極側は、水素ガス用の入口流路1bを備えていて、入口流路16は一つ以上の溝16の形状であって、それらの溝16は水素用の入口穴2の内部から延伸している。同様に、陽極側はさらに出口流路を備えていて、出口流路は一つ以上の溝18の形状であって、それらの溝18は水素用の出口穴4の内部から延伸している。
本発明における第二の観点は、バイポーラ板の製造方法である。
i)バイポーラ板の所望する寸法に一致する寸法を有している材料を準備する段階と
ii)例えばCNC研削機械で余分な材料を研削し所望する構造にする段階と、
iii)耐蝕性被膜をバイポーラ板にコーティングする段階と、
を含んでいる。
i)成形及び/又は鋳造に適切な材料を準備する段階と、
ii)材料をバイポーラ板の所望する構造に成形する段階と、
iii)選択的に耐蝕性の被膜をバイポーラ板にコーティングする段階と、
を含んでいる。
本発明における第三の観点は、本発明における陰極側をシールするためのシーラントに関するものである。シーラントは、バイポーラ板の陰極側における溝による流路を効率的にシールするために、バイポーラ板の陰極側のシーラントの溝14aの中に取り付けるようになっている。部分52a,52bにおけるシーラントは、縁部分10a,10bに沿って延在しているシーラントの溝の部分に適合するものであって、酸素ガス用の入口流路の溝と出口流路の溝とを備えており、そして一つ以上の切り欠き54a,54bを備えていて、切り欠きは、酸素がそれぞれの酸素用の入口流路と出口流路とを介してシーラントを通過することを可能にしている。
本発明におけるバイポーラ板に使用されるプロトン交換膜につき図5を参照して説明する。プロトン交換膜は従来技術において使用されているいずれの適切な材料で作られていてもよい。当業者はそれをよく知っている。プロトン交換膜は、一方の側面に陽極反応触媒するための触媒を備えていて、他方の側面に陰極反応を触媒する触媒を備えている。使用される触媒は従来のタイプのものでよい。プロトン交換膜の陽極側及び陰極側における触媒として使用する適切な材料は、当業者においては公知なものである。プロトン交換膜がバイポーラ板の表面の寸法に一致寸法を有していることが望ましい。さらに、プロトン交換膜は、水素が流路を出入りすることを可能にする穴を有していることが望ましい。
本発明における第六の観点は、プロトン交換膜式の燃料電池スタックに関するものであって、プロトン交換膜式の燃料電池スタックは一つ以上のバイポーラ板と一つ以上のシーラントとを備えている。
本発明における第八の観点は、本発明によるプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は本発明によるプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を使用した発電方法及び/又は発熱方法に関する。
Claims (29)
- プロトン交換膜式の燃料電池用の、シーラント(50,70)とバイポーラ板(1)との組立体であって、前記バイポーラ板(1)が陽極側又は陰極側又は陽極側と陰極側とを有していて、前記陽極側はプロトン供与燃料を移送するための第一の流路(20)を備えており、前記陰極側はプロトン受容流体を移送するための第二の流路(12)を備えていて、前記シーラント(50,70)が前記バイポーラ板と隣接する電解膜との間のシールをするために、前記バイポーラ板(1)にお互いに平行して備えられているシーラント(50,70)とバイポーラ板(1)との組立体において、
前記シーラント(50,70)が流路(54a,54b,74a,74b)を有しており、前記流路(54a,54b,74a、74b)は、プロトン供与燃料又はプロトン受容流体が前記シーラントを横切ってかつ前記バイポーラ板に沿って移送されるように、前記シーラント(50,70)を横断していることを特徴とするシーラント(50,70)とバイポーラ板(1)との組立体。 - 前記シーラントがエラストマーである、請求項1に記載の組立体。
- 前記第一の流路(20)又は前記第二の流路(12)又は前記第一の流路(20)及び前記第二の流路(12)とが前記シーラント(50,70)により囲まれている、請求項1又は2に記載の組立体。
- 前記バイポーラ板が前記シーラント(50,70)を受容するための溝(14a,14b)を備えている、請求項1−3のいずれか一項に記載の組立体。
- 前記溝(14a,14b)が前記バイポーラ板(1)の縁全体に沿っている、請求項3に記載の組立体。
- 請求項1−3のいずれか一項に記載の組立体のためのバイポーラ板(1)であって、陽極側と陰極側とを有しているバイポーラ板(1)において、
a)前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池に流入するための流路を形成している貫通する入口穴(2)を有していて、前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池から流出するための流路を形成している貫通する出口穴(4)を有しており、および
b1)前記陰極側が、オキシダントガス用の入口流路を形成している一つ以上の溝(6)を備えている一つの縁部分(10a)を有していて、前記陰極側は、オキシダントガス用の出口流路を形成する一つ以上の溝(8)を備えているもう一つの縁部分(10b)を有しており、前記入口流路の溝および前記出口流路の溝はそれぞれの前記縁部分の縁に延在していて、前記陰極側がオキシダントガス用の流路を形成している一つ以上の溝(12)を有していて、前記一つ以上の溝(12)はオキシダントガス用の入口流路とオキシダントガス用の出口流路とを接続しており、又は
b2)前記陽極側が、前記入口穴(2)の内部から延伸している一つ以上の溝(16)の形状である水素ガス用の入口流路を有していて、前記陽極側は、前記出口穴(4)の内部から延伸している一つ以上の溝(18)の形状である水素ガス用の出口流路を有しており、そして前記陽極側が水素用の流路を形成する一つ以上の溝(20)を有していて、前記溝(16,20,18)は、水素ガス用の入口穴(2)から水素ガス用の出口穴(4)への水素の流体連通を提供しており、又は
b1)及びb2)である、ことを特徴としていて、そして
c)前記バイポーラ板における、前記陽極側、又は陰極側、又は前記陽極側及び前記陰極側との両方が、シールを受け入れるシーラントの溝(14)を備えていて、前記シーラントの溝は、ガスが前記チャンネル以外からは漏洩することを効率よく防止するためにシーラントを受け入れることができるように、前記バイポーラ板の前記縁に沿って延在しており、前記シーラントの溝(14a)が前記陰極側に設けられている場合、前記シーラントの溝(14a)は、オキシダントガス用の前記入口流路の溝(6)及びオキシダントガス用の前記出口流路の溝(8)と交差していて、前記シーラントの溝(14b)が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝(14b)は、溝(16)により形成されている水素ガス用の前記入口流路を介して流入する水素の前記流路と交差しており、前記シーラントの溝が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、溝(18)により形成されている水素ガスの出口流路を介して流出する水素ガスの流路と交差していることを特徴とする、
バイポーラ板。 - 特徴a)、特徴b1)、特徴b2)及び特徴c)を備えた、請求項6に記載のバイポーラ板。
- 前記特徴a)、前記特徴b1)及び前記特徴c)のうち前記陰極側だけに関する特徴を備えている、請求項6に記載のバイポーラ板。
- 前記特徴a)、前記特徴b1)及び前記特徴c)のうち前記陽極側だけに関する特徴を備えている、請求項6に記載のバイポーラ板。
- 前記バイポーラ板が前記特徴b1)を備えていて、オキシダントガス用の前記入口流路を形成する前記溝(6)の数が、2−20、又は4−18、又は5−15、又は7−14、又は8−12、好ましくは9,10若しくは11である請求項6−8のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
- 前記バイポーラ板が前記特徴b1)を備えていて、オキシダントガス用の前記出口流路を形成する前記溝(8)の数が、2−30、又は4−28、又は5−25、又は7−24、又は8−22、又は10−20、又は12−18、好ましくは13,14,15,16若しくは17である請求項6−10のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
- 前記バイポーラ板が前記特徴b2)を備えていて、水素用の前記入口穴(2)から前記溝(20)への流路を提供する溝(16)の数が、1−10、又は2−9、又は3−8、又は4−7、又は5若しくは6である請求項6−11のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
- 前記バイポーラ板が前記特徴b2)を備えていて、水素用の前記出口穴(4)から前記溝(20)への流路を提供する溝(18)の数が、1−10、又は2−9、又は3−8、又は4−7、又は5若しくは6である請求項6−12のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
- 前記特徴a),b1),b2)及びc)を備えていて、前記特徴c)が、前記バイポーラ板における前記陽極側と前記陰極側とにシーラントの溝を含んでいる、請求項6−7,10−13のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
- 前記バイポーラ板は、炭素、結合剤を含んでいる炭素粉末、金属、耐蝕性のコーティングを備えた金属、合金、耐蝕性のコーティングを備えた合金、導電性のエラストマー配合物、及び導電性のセラミック材料のグループから選択された材料で作られている、請求項6−14のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
- 請求項6−15のいずれか一項に記載のバイポーラ板の製造方法であって、
i)前記バイポーラ板の所望する寸法に一致する寸法を有している材料を準備する段階と
ii)例えばCNC研削機械で余分な材料を研削し、所望する構造にする段階と、
iii)耐蝕性被膜をバイポーラ板のコーティングする段階と、
を含んでいる、バイポーラ板の製造方法。 - 請求項6−15のいずれか一項に記載のバイポーラ板の製造方法であって、
i)成形及び/又は鋳造に適切な材料を準備する段階と、
ii)前記材料を前記バイポーラ板の所望する構造に成形する段階と、
iii)選択的に耐蝕性の被膜を前記バイポーラ板にコーティングする段階と、
を含んでいる、バイポーラ板の製造方法。 - 請求項6−8,10−15のいずれか一項に記載のバイポーラ板の前記陰極側をシールするためのシーラント(50)において、前記バイポーラ板が前記特徴b1)を備えていて、前記シーラントは前記バイポーラ板の前記陰極側の前記シーラントの溝(14a)の中に受容されるようになっていて、そして前記縁部分(10a,10b)に沿って延在している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっている部分(52a,52b)における前記シーラントが、オキシダントガス用の前記入口流路の溝とオキシダントガス用の前記出口流路の溝とを有しており、一つ以上の切り欠き(54a,54b)を有していて、オキシダントガスがオキシダントガス用の前記入口流路と出口流路それぞれを介して前記シーラントを通過できるようになっている、
シーラント。 - 前記シーラントにおける前記切り欠き(54a,54b)の数が、オキシダントガス用の前記入口流路を形成する前記溝(6)の数及びオキシダントガス用の前記出口流路を形成する前記溝(8)の数それぞれに一致している、請求項18に記載のシーラント。
- 請求項6−7,9−15のいずれか一項に記載の前記陽極側をシールするためのシーラントにおいて、前記バイポーラ板が前記特徴b2)を備えていて、前記シーラントが前記バイポーラ板の前記陽極側の前記シーラントの溝(14b)の中に受容されるようになっていて、
部分72における前記シーラントは、前記入口流路の溝16と前記溝20とを接続している水素の前記流路と交差している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっていて、一つ以上の切り欠き74aを有しており、その切り欠きは水素ガスが前記水素用の入口流路を形成している前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしていて、
そして、
部分76における前記シーラントは、前記出口流路の溝(18)と前記溝(20)とを接続している水素用の流路と交差している前記シーラントの中へ受容されるようになっていて、一つ以上の切り欠き(74b)を有しており、切り欠きは、水素が水素用の出口流路を形成する前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしている、
シーラント。 - 前記シーラントの前記切り欠き(74a,74b)の数は、水素ガス用の前記入口流路を形成している溝(16)の数と一致している、請求項20に記載のシーラント。
- 前記シーラントは、炭化水素ゴムのような、又はフルオロ炭化水素ゴムのようなエラストマー、又はシリコンゴムのグループから選択された材料で作られている請求項18−21のいずれか一項に記載のシーラント。
- 前記シーラント材料が耐蝕性にすぐれ及び/又は水素の通過を防ぐことにすぐれている、請求項22に記載のシーラント。
- 請求項18−23のいずれか一項に記載のシーラントの製造方法であって、
前記シーラント材料が前記シーラントの所望する構造に成形される段階を含んでいる、製造方法。 - 請求項6−15のいずれか一項に記載の一つ以上のバイポーラ板と、請求項18−23のいずれか一項に記載の一つ以上のシーラントとを備えている、プロトン交換膜式の燃料電池スタック(90)。
- 請求項25に記載の燃料電池スタックを備えているプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置(100)において、
前記プロトン交換膜式の燃料電池スタックは、二つの独立した部屋(104,106)が形成されている容器102に格納されており、前記第一の部屋(104)は、燃料電池スタックの酸素用の入口流路(6)を有している縁部分(10a)を備えている側に設けられていて、前記第二の部屋(10b)は、燃料電池スタックの酸素用の前記出口流路8を有している縁部分(10b)を備えている側に設けられていて、前記第一の部屋及び第二の部屋は、それぞれ酸素用の入口マニホールド及び酸素用の出口マニホールドを形成している、
プロトン交換膜式の燃料電池スタック装置。 - 請求項25に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は請求項26に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を使用した発電方法及び/又は発熱方法。
- 請求項25に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は請求項26に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を予備電源装置として使用する方法。
- 請求項25に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は請求項26に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を連続的な発電装置として使用する方法。
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