JP2011082126A - 多孔質金属板を有する燃料電池構造 - Google Patents

Abstract

【課題】加湿機能を有する燃料電池構造を提供する。
【解決手段】膜電極接合体２０、第１の多孔質金属板３０、金属板４０およびエンドプレート５０から構成し、膜電極接合体２０は、アノードガス拡散層２４、カソードガス拡散層２５、プロトン交換膜２１、触媒層２２、２３からなる。
第１の多孔質金属板３０は、アノードガス拡散層２４に相対して配置され、金属板４０は、カソードガス拡散層２５に相対して配置され、それぞれアノードガス拡散層２４と接触する第１のガス流路３２及びカソードガス拡散層２５と接触する第２のガス流路４２を形成し、また、それぞれエンドプレートとの間に冷却水流路３１、４１を形成する。
第１の多孔質金属板３０は、冷却水路３１から冷却水を圧力差と毛細管現象により第１のガス流路３２中に進入させて燃料を加湿する。
【選択図】図３

Description

本発明は、多孔質金属板を有する燃料電池構造に関し、特に、燃料電池に応用され、自己加湿を行うことができる多孔質金属板を有する燃料電池構造に関する。

クリーンエネルギーを推進するために、近年、燃料電池技術は、各国政府および企業から重視されており、学術上の基礎研究においても、商品化に向けての開発においても、大きな進歩が見られる。例えば、燃料電池自動車は、すでに、世界中の自動車会社が開発競争を行っている。また、小型燃料電池は、コンピュータ、通信および消費者向け電子装置の産業に新たな活力を与えている。

燃料電池が十分な電力を発生するには、所定の反応効率を維持する必要がある。しかし、燃料電池が継続して反応したとき、内部の温度が高くなるため、内部の燃料ガスの相対湿度が低下する。これに伴い、燃料電池内部の膜電極接合体に含まれる水分も除々に蒸発する。この現象が軽微な場合には、燃料電池スタックの電圧が下降し、ひどい場合は、燃料ガス（例えば、水素ガス）が膜電極接合体のプロトン交換膜を通過し、空気と共に混合燃焼されることにより、燃料電池スタックの一部が破損してしまう。

上述の問題を解決するために、燃料ガスが燃料電池スタックに流入する前に、燃料ガスを加湿装置に通過させることにより、燃料ガスの湿度を高める技術が開発された。現在、燃料ガスを加湿する方式は、一般に、外部加湿方式および内部加湿方式が採用される。外部加湿方式は、燃料ガスが燃料電池システムに進入する前に、外付けされた加湿装置により、燃料ガスの加湿を行うものである。しかし、加湿装置の増設により、構造が複雑になる上、燃料電池の製造コストが増大する。さらに、加湿装置は、多くの電力を消費するため、燃料電池の発電効率が低下する。

このため、燃料電池内部のバイポーラプレートに多孔質グラファイト板を使用する技術が開発された。この技術は、燃料電池内部のガス流路と冷却水流路との間の自然な圧力差を利用することにより、冷却水を冷却水流路から多孔質グラファイト板上の孔隙を通過させてガス流路内部に流入させ、燃料ガスおよびプロトン交換膜を加湿するものである。しかし、多孔質グラファイト板は、親水性を有さないため、使用する前に、親水処理を行う必要がある。従って、多孔質グラファイト板の製造コストは高い。また、多孔質グラファイト板の構造は脆く、延性に劣るため、加工しにくい。従って、薄い多孔質グラファイト板を使用する必要がある場合、加工するとき、破損しやすいため、加工コストが高い。

また、多孔質グラファイトは、グラファイト粉またはグラファイト顆粒を焼結することにより構成されるため、燃料電池を長時間使用した場合、冷却水により、多孔質グラファイト板の孔隙辺縁のグラファイト粉またはグラファイト顆粒が浸食される。これにより、多孔質グラファイト板の孔隙が除々に大きくなる。また、冷却水中にグラファイト粉またはグラファイト顆粒が含まれるようになるため、グラファイト粉またはグラファイト顆粒を含む冷却水がガス流路に流入することにより、ガス流路が詰りやすくなる。従って、多孔質グラファイト板を使用する場合、水の品質を確保するために、フィルタ装置および脱イオン装置を増設する必要があるが、これらの装置は多くの電力を消費するため、燃料電池の発電効率が低下する。

特開２００４−３６３０２７号公報

本発明の第１の目的は、バイポーラプレートとして、高い剛性を有する多孔質金属板が使用されることにより、燃料電池を長時間使用した後でも、冷却水の浸食により、孔隙の大きさが変化することがない多孔質金属板を有する燃料電池構造を提供することにある。
本発明の第２の目的は、金属板は、延性に優れ、加工しやすいため、薄い多孔質金属板を簡単に製造することができる多孔質金属板を有する燃料電池構造を提供することにある。
本発明の第３の目的は、材料コストおよび製造コストが低い多孔質金属板が使用されることにより、燃料電池構造の製造コストを低減することができる多孔質金属板を有する燃料電池構造を提供することにある。
本発明の第４の目的は、親水性を有する多孔質金属板が使用されることにより、予め、親水性処理を行うステップおよびコストが必要ない多孔質金属板を有する燃料電池構造を提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明は、多孔質金属板を有する燃料電池構造を提供するものであり、
プロトン交換膜と、プロトン交換膜の両表面にそれぞれ配置される触媒層と、各触媒層の外表面にそれぞれ配置されるガス拡散層と、を含む膜電極接合体と、
ガス拡散層の第１の外表面に配置され、少なくとも１つの第１の冷却水流路と、一方のガス拡散層に接触する少なくとも１つの第１のガス流路と、を有する第１の多孔質金属板と、
ガス拡散層の第２の外表面に配置され、少なくとも１つの第２の冷却水流路と、他方のガス拡散層に接触する少なくとも１つの第２のガス流路と、を有する金属板と、
第１の多孔質金属板の第３の外表面および金属板の第４の外表面にそれぞれ配置されるエンドプレートと、から構成する。

本発明を実施することにより、以下の効果が達成される。
高い剛性を有する多孔質金属板が使用されることにより、燃料電池を長時間使用した後でも、冷却水の浸食により、孔隙の大きさが変化することがない。
多孔質金属板は、延性に優れ、加工しやすいため、簡単に薄い多孔質金属板を製造することができる。
多孔質金属板の材料コストおよび製造コストは、低いため、燃料電池構造の製造コストを低減することができる。
多孔質金属板は、親水性を有するため、予め、親水性処理を行うステップおよびコストが必要ない。

本発明の一実施形態による多孔質金属板を有する燃料電池スタックを示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による多孔質金属板を有する燃料電池構造を示す分解断面図である。 図２の組み立てた後の状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態による多孔質金属板のガス流路を示す模式図である。 本発明の一実施形態による多孔質金属板の冷却水流路を示す模式図である。 本発明の一実施形態による多孔質金属板を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による多孔質金属板を示す一部切開斜視図である。

本発明の目的、特徴および効果を示す実施形態を図面に沿って詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による多孔質金属板を有する燃料電池スタックを示す分解斜視図である。図２は、本発明の一実施形態による多孔質金属板を有する燃料電池構造を示す分解断面図である。図３は、図２の組み立てた後の状態を示す断面図である。図４は、本発明の一実施形態による多孔質金属板のガス流路を示す模式図である。図５は、本発明の一実施形態による多孔質金属板の冷却水流路を示す模式図である。図６は、本発明の一実施形態による多孔質金属板を示す斜視図である。図７は、本発明の一実施形態による多孔質金属板を示す一部切開斜視図である。

図１を参照する。図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セルが積層されて構成される。説明を行うのに都合が良いように、燃料電池スタック１００を簡素化し、１つの燃料電池セルを含む多孔質金属板を有する燃料電池構造１０の説明を行う。図２および図３を参照する。図２および図３に示すように、燃料電池構造１０は、膜電極接合体２０、第１の多孔質金属板３０、金属板４０および１対のエンドプレート５０から構成する。図１に示すように、実際に実施するとき、１対のエンドプレート５０の間に、順番に、第１の多孔質金属板３０、膜電極接合体２０、金属板４０および膜電極接合体２０が繰り返し積層される。即ち、隣り合う２つの膜電極接合体２０は、同一の金属板４０および同一の第１の多孔質金属板３０を共用する。

図２および図３を参照する。図２および図３に示すように、膜電極接合体２０は、プロトン交換膜２１、１対の触媒層２２，２３および１対のガス拡散層２４，２５を有する。ガス拡散層２４，２５は、それぞれ、アノードガス拡散層２４とカソードガス拡散層２５となる。プロトン交換膜２１は、水素イオン（Ｈ⁺）がアノードガス拡散層２４からカソードガス拡散層２５に移動する通路として使用される。触媒層２２，２３は、プロトン交換膜２１の両表面にそれぞれ配置される。また、アノードガス拡散層２４とカソードガス拡散層２５とは、２つの触媒層２２，２３の外表面にそれぞれ配置される。

さらに詳細な説明を行う。燃料（水素ガス）および酸化剤（酸素ガスまたは空気）が燃料電池構造１０に進入した後、水素ガスは、アノードガス拡散層２４を通過し、アノード側の触媒層２２に到達する。その後、水素ガスは、正電荷を有する水素イオン（Ｈ⁺）と負電荷を有する電子（ｅ^-）に分解される。水素イオンがプロトン交換膜２１を通過し、カソード側の触媒層２３に到達し、電子がアノードの内部から外部に伝導された後、外部回路に沿って回路を形成することにより、電気エネルギを生成する。酸素は、カソード側の触媒層２３において、アノード側から分解された水素イオンおよび電子と電気化学反応をすることにより、熱および水を生成する。

第１の多孔質金属板３０は、少なくとも１つの第１の冷却水流路３１および少なくとも１つの第１のガス流路３２を有する。第１の多孔質金属板３０は、アノードガス拡散層２４の第１の外表面２４１に対して配置され、第１のガス流路３２とアノードガス拡散層２４とは、互いに接する。第１のガス流路３２は、燃料または酸化剤が流通する流路となり、燃料または酸化剤をアノードガス拡散層２４に直接接触させる。燃料電池構造１０は、電気化学反応をした後、熱を発生させるため、第１の冷却水流路３１を流通する冷却水により、燃料電池構造１０から熱が除去される。

図２および図３に示すように、金属板４０は、カソードガス拡散層２５の第２の外表面２５１に対して配置される。金属板４０は、少なくとも１つの第２の冷却水流路４１および少なくとも１つの第２のガス流路４２を有する。第２のガス流路４２とカソードガス拡散層２５とは、互いに接触する。第２のガス流路４２は、燃料または酸化剤が流通する流路となり、燃料または酸化剤をカソードガス拡散層２５に直接接触させる。また、第２の冷却水流路４１を流通する冷却水により、燃料電池構造１０から熱が除去される。

図４を参照する。図４に示すように、第１の多孔質金属板３０の第１のガス流路３２は、第１の多孔質金属板３０上に湾曲して設けられ、第１のガス流路３２を流通する燃料または酸化剤をアノードガス拡散層２４中に均一に進入させることができる。図５を参照する。図５に示すように、第１の冷却水流路３１は、第１の多孔質金属板３０上に湾曲して設けられる。即ち、第１の多孔質金属板３０の一方の面に第１のガス流路３２が設けられ、他方の面に第１の冷却水流路３１が設けられる。図６を参照する。好ましくは、図６に示すように、第１のガス流路３２の方向と第１の冷却水流路３１の方向とが垂直に交差する。ただし、上述の第１のガス流路３２および第１の冷却水流路３１の外形は、上述の実施形態のみに限定されない。また、金属板４０の第２の冷却水流路４１および第２のガス流路４２の設置方式は、第１の多孔質金属板３０の第１の冷却水流路３１および第１のガス流路３２の設置方式と同様である。

図２を参照する。図２に示すように、エンドプレート５０は、第１の多孔質金属板３０の第３の外表面３３および金属板４０の第４の外表面４３に相対してそれぞれ配置される。即ち、第１の多孔質金属板３０、膜電極接合体２０および金属板４０は、２つのエンドプレート５０の間に挟設される。図３を参照する。図３に示すように、エンドプレート５０は、第１の多孔質金属板３０の第１の冷却水流路３１および金属板４０の第２の冷却水流路４１に接して第１の冷却水流路３１および第２の冷却水流路４１をそれぞれ密封する。

図２および図３を参照する。図２および図３に示すように、第１の多孔質金属板３０と金属板４０とは、２つのガス拡散層２４，２５の第１の外表面２４１と第２の外表面２５１とにそれぞれ配置される。金属板４０は、高密度金属板とすることができる。第１の多孔質金属板３０は、複数の孔隙３４を有する（図６および図７を参照）。図２および図３に示すように、第１の多孔質金属板３０は、アノードガス拡散層２４の第１の外表面２４１に相対して配置され、金属板４０は、膜電極接合体２０のカソードガス拡散層２５の第２の外表面２５１に相対して配置される。これにより、第１のガス流路３２には、燃料を流通させることができ、第２のガス流路４２には、酸化剤を流通させることができる。

燃料電池構造１０において、第１のガス流路３２内部の圧力は、第１の冷却水流路３１の圧力よりも低い。また、第１の多孔質金属板３０は、複数の孔隙３４を有する。従って、第１の冷却水流路３１を流れる冷却水は、圧力差および毛細管現象により、孔隙３４から第１のガス流路３２中に進入し、燃料を加湿する。従って、燃料電池構造１０が電気化学反応をしていないとき、冷却水は、第１のガス流路３２中に進入することができ、燃料を加湿し、さらには、プロトン交換膜２１を湿潤させる。

好ましくは、第１の多孔質金属板３０の孔隙３４が冷却水による浸食を受けて酸化するのを防止するために、各孔隙３４の表面上に、耐酸化層３４１（図６および図７を参照）が形成される。これにより、孔隙３４の腐食または発錆を防止する。耐酸化層３４１の材料は、高分子材料または表面が黒化処理された耐酸化金属層とすることができる。

アノード側に第１の多孔質金属板３０が配置されることにより、冷却水は、毛細管現象により、第１の冷却水流路３１から孔隙３４を通過し、第１のガス流路３２中に流入するため、冷却水は、燃料を加湿するだけでなく、プロトン交換膜２１も湿潤させる。これにより、燃料電池構造１０の反応効率が維持され、余った冷却水は、第２のガス流路４２中の酸化剤の流動と共に、燃料電池構造１０から流出する。

好ましくは、金属板４０は、第２の多孔質金属板４０’である。第２の多孔質金属板４０’の構造は、第１の多孔質金属板３０の構造と同一である。即ち、複数の孔隙４４を有し、孔隙４４の表面に、耐酸化層４４１が形成される。耐酸化層４４１の材料は、高分子材料または表面が黒化処理された耐酸化金属層とすることができる。

図３を参照する。図３に示すように、膜電極接合体２０中の冷却水が多すぎるとき、冷却水は、圧力差の影響を受け、膜電極接合体２０中のカソード側から第２のガス流路４２に流入し、毛細管現象により、第２の多孔質金属板４０’の孔隙４４に進入する。その後、冷却水は、第２のガス流路４２から第２の冷却水流路４１中に流入し、第２の冷却水流路４１を通じて燃料電池構造１０から流出する。従って、燃料電池構造１０のバイポーラプレートが第１の多孔質金属板３０および第２の多孔質金属板４０’のとき、燃料電池構造１０は、自己加湿機能を有するだけでなく、排水機能も有し、燃料電池構造１０中の圧力差により、冷却水の分布を調整することができる。

図６を参照する。図６に示すように、上述の第１の多孔質金属板３０および第２の多孔質金属板４０’は、何れも、多孔質金属板構造である。多孔質金属板構造は、金属板体６０と、金属板体６０の一方の表面６１上に形成される少なくとも１つのガス流路（第１のガス流路３２または第２のガス流路４２）と、を有する。ガス流路は、燃料または酸化剤を流通させるのに使用される。金属板体６０の他方の表面６２上には、少なくとも１つの冷却水流路（第１の冷却水流路３１または第２の冷却水流路４１）が形成される。冷却水流路は、冷却水を流通させるのに使用される。

図７を参照する。図７に示すように、多孔質金属板の金属板体６０は、複数の孔隙３４，４４を有する。また、各孔隙３４，４４の表面上には、耐酸化層３４１，４４１が設けられ、孔隙３４，４４が腐食または発錆し、多孔質金属板の冷却水を流通させる機能が影響を受けるのを防止する。

上述の各実施形態は、本発明の特徴を示すものであり、その目的は、当該技術に熟知するものが本発明の内容を理解し、実施することであり、本発明の範囲を限定することではない。従って、本発明の主旨を逸脱しない範囲における修飾または変更は、全て本発明の特許請求の範囲に含まれる。

１００ 燃料電池スタック
１０ 多孔質金属板を有する燃料電池構造
２０ 膜電極接合体
２１ プロトン交換膜
２２ 触媒層
２３ 触媒層
２４ アノードガス拡散層
２４１ 第１の外表面
２５ カソードガス拡散層
２５１ 第２の外表面
３０ 第１の多孔質金属板
３１ 第１の冷却水流路
３２ 第１のガス流路
３３ 第３の外表面
３４ 孔隙
４４ 孔隙
３４１ 耐酸化層
４４１ 耐酸化層
４０ 金属板
４０’ 第２の多孔質金属板
４１ 第２の冷却水流路
４２ 第２のガス流路
４３ 第４の外表面
５０ エンドプレート
６０ 金属板体
６１ 表面
６２ 表面

Claims (12)

1. プロトン交換膜と、前記プロトン交換膜の両表面にそれぞれ配置される触媒層と、前記各触媒層の外表面にそれぞれ配置されて第１及び第２の該表面を形成するガス拡散層と、を備える膜電極接合体と、
   前記ガス拡散層の第１の外表面に相対して配置されて前記ガス拡散層の一方のガス拡散層に接触する少なくとも１つの第１のガス流路を形成すると共に、その反対側に少なくとも１つの第１の冷却水流路を形成する第１の多孔質金属板と、
   前記ガス拡散層の第２の外表面に相対して配置されて、前記ガス拡散層の他方のガス拡散層に接触する少なくとも１つの第２のガス流路を形成すると共に、その反対側に少なくとも１つの第２の冷却水流路を形成する金属板と、
   前記第１の多孔質金属板の外表面および前記金属板の外表面にそれぞれ配置されるエンドプレートと、を備えることを特徴とする多孔質金属板を有する燃料電池構造。
2. 前記第１の多孔質金属板は、複数の孔隙を有し、前記各孔隙の表面上には、耐酸化層が形成されることを特徴とする請求項１記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
3. 前記耐酸化層の材料は、高分子材料または表面が黒化処理された耐酸化金属層であることを特徴とする請求項２記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
4. 前記金属板は、高密度金属板または第２の多孔質金属板であることを特徴とする請求項１記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
5. 前記第２の多孔質金属板は、複数の孔隙を有し、前記各孔隙の表面上には、耐酸化層が形成されることを特徴とする請求項４記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
6. 前記耐酸化層の材料は、高分子材料または表面が黒化処理された耐酸化金属層であることを特徴とする請求項５記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
7. 前記ガス拡散層は、それぞれ、カソードガス拡散層およびアノードガス拡散層であり、前記第１の多孔質金属板は、前記アノードガス拡散層の前記第１の外表面に相対して配置され、前記金属板は、前記カソードガス拡散層の前記第２の外表面に相対して配置されることを特徴とする請求項１記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
8. 前記金属板は、第２の多孔質金属板であり、複数の孔隙を有し、前記各孔隙の表面上には、耐酸化層が形成されることを特徴とする請求項７記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
9. 前記耐酸化層の材料は、高分子材料または表面が黒化処理された耐酸化金属層であることを特徴とする請求項８記載の多孔質金属板を有する燃料電池構造。
10. 燃料電池中に応用されるものであって、金属板体をなし、該金属板体の一方の表面上には、少なくとも１つのガス流路が形成され、前記金属板体の他方の表面上には、少なくとも１つの冷却水流路が形成されたことを特徴とする燃料電池用多孔質金属板。
11. 前記金属板体は、複数の孔隙を有し、前記各孔隙の表面上には、耐酸化層が形成されたことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池用多孔質金属板構造。
12. 前記耐酸化層の材料は、高分子材料または表面が黒化処理された耐酸化金属層であることを特徴とする請求項１１記載の多孔質金属板構造。

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