JP2011507210A - 燃料電池スタックで使用するためのフローフィールドプレート - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくは、例えば、燃料電池スタック内の流入口／流出口を経由して気体及び液体を分配するバイポーラ電極及び／又は分離板を構成するフローフィールドプレートであって、流入口／流出口（７、８、２７、２８）と、第１の流入口を第１の流出口に接続する片側の開放チャネル（３）と、第２の流入口を第２の流出口に接続する逆側の開放チャネル（２３）とが設けられたプレート（１）を備え、流量分配領域（１２、１３）が流入口／流出口（７、８、２７、２８）と前記開放チャネル（３、２３）との間に配置されて、流入口／流出口（７、８、２７、２８）への各チャネル（３、２３）の任意の接続を可能にする、フローフィールドプレートに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に燃料電池スタックに使用されるフローフィールドプレートに関し、このプレートは、導電性材料の少なくとも１つのバイポーラ電極と、バイポーラ電力の両側のイオン交換膜とを備える。

フローフィールドプレート（例えば、バイポーラ電極及び／又は分離板）は、開放チャネルを有する円盤／板であり、供給された反応物、気体、又は液体を分配する必要があり、機械的な強度を燃料／反応器電池（reactor cell）に付与し得る。チャネルは、片側で陽極反応物を分配し、電極の逆側で陰極反応物を分配する。例えば、金属、プラスチック、及びセラミックが材料として示唆されており、エッチングのみならず、レーザ除去、チップ除去、エンボス加工、プレス、又は打ち抜きによっても、チャネルを達成し得ることが示されている。一般に、見解は、陽極側のチャネルが陰極側のチャネルを横断する必要があるというものであり、これは、バイポーラ電極がかなりの厚さを有する必要があることを暗示し、そのため、製造時に材料が大量に消費されてきた。したがって、フローフィールドプレートは製造が高価であった。一般に、バイポーラ電極は、例えば、グラファイトからなってもよく、この場合、チャネルパターンは成形又はチップ除去により達成され、又は金属板からなってもよく、この場合、パターンはエッチング又はチップ除去により達成されてきた。また、プレスされたチャネルパターンを有する板金が使用されており、２枚のプレートが接続されて、バイポーラ電極が形成されてきた。例えば、フォトリソグラフィエッチングされたプレートが結合されて、いわゆるバイポーラセパレータが形成される（特許文献１）のみならず（特許文献２）も参照のこと。

国際公開第００／３１８１５号パンフレット 米国特許第６，０５１，３３１号明細書 国際公開第０１８３１３２号パンフレット

本発明の目的は、例えば、より小量の材料消費で製造でき、従来よりも低い重量及びかなりの低コストに繋がる、バイポーラ電極及び／又は分離板を構成するフローフィールドプレートを提供することである。

別の目的は、従来既知の電極と比較して低い構造高さ（電極に垂直する方向において）を与えるフローフィールドプレート／バイポーラ電極及び／又は分離板（以下、簡単にするために、電極という表記のみが使用される）を提供することである。

上述したタイプの電極及び／又は分離板を使用して、請求項１に記載の電極が設計された場合、上記目的が達成される。このようにして、材料及びコストを節減する製造プロセスを選択することができ、完成した電極の構造高さ及び重量は従来よりも低くなる。

本発明の好ましい態様のさらなる利点が以下の説明から明らかになる。

以下、本発明について、好ましい実施形態及び同封の図面を参照して詳細に説明する。

本発明による電極に含まれる正方形のチャネルパターン付きプレートの第１の好ましい実施形態の片側の平面図である。 図１の右下角の部分図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる断面図であり、部分的には流入口／流出口とチャネルパターンとの間の流通がどのように形成されたかを示し、部分的には両側の燃料電池スタック内の電極が陽子交換膜によりどのように囲まれるかを示す。 本発明による電極内に含まれる正方向のチャネルパターン付きプレートの第２の好ましい実施形態の片側の平面図である。 図４の線Ｖ−Ｖによる断面図であり、部分的には流入口／流出口とチャネルパターンとの間の流通がどのように形成されたかを示し、部分的には両側の燃料電池スタック内の電極が陽子交換膜によりどのように囲まれるかを示す。 図４の線ＶＩ−ＶＩによる断面図であり、部分的には流入口／流出口とチャネルパターンとの間の流通が封止枠内の溝を通ってどのように形成されたを示し、部分的には両側の燃料電池スタック内の電極が陽子交換膜によりどのように囲まれるかを示す。

図１〜図６は、燃料電池スタック内に使用される電極を表すことを意図されるプレートの２つの異なる実施形態を示す。

この発明の大きな利点は、１つのみの同じタイプのエンボス加工プレート１、流量分配ゾーン１２、１３を使用すること、及びスタック内に所望のフローパターンに従って封止１５Ａ、１５Ｂにより二重の流入チャネル及び流出チャネル７、２７、８、２８（図１〜図３参照）を構成することを可能にすることである。

プレート１のパターン２は枠領域６、２６により囲まれ、枠領域内には、部分的にはプレートの両側のチャネルへの反応物の流入７、２７（平行の流れ）及び７、２８（逆流）のそれぞれのため、また部分的にはプレートの両側のチャネル３、２３からの形成された反応生成物の流出８、２８（平行の流れ）及び８、２７（逆流）のそれぞれのための装置７、８、２７、２８が配置される。図示されるプレート１の実施形態では、追加の装置、すなわち、循環媒体、例えば、冷却水を供給／排出する装置１９及び燃料電池スタックを一緒に軸方向において保持する示されていない引き込み棒を挿入する装置２０が、枠領域６、２６内に配置される。

枠領域６、２６は、バイポーラ電極の平面Ｐ（図３参照）に配置され、この平面は、電極の片側の山５のピークと逆側の山２５のピークとの間に配置される。この平面は、プレートの片側の山のピークと逆側の山のピークとの間の真ん中に配置される正中面からなり得る。所望の場合、この平面を一方の側の山のピークに向けて変位させて、プレートの片側での降圧を低減させるのと同時に、プレートの逆側での降圧の増大を達成することも可能である。この可能性は、特定の種類の燃料電池の場合に関心が持たれ得る。

図１に示し、１つの角のみを示す図２及び図３を参照してより詳細に後述する実施形態によれば、この解決策は、部分的に流量分配空間１３ａ、１３Ｂ及び封止１５Ａ、１５Ｂを、流入口及び流出口のそれぞれが配置される２つの領域（ここでは角領域）に配置することにより可能である。流量分配領域１３Ａ、１３Ｂは本質的に、電極の片側の山のピークと逆側の山のピークとの間の、好ましくはプレート１の正中面Ｐに配置される平坦部分１３からなる。封止１５Ｂを１つの流出口２８の縁に当接して部分１３の上側に配置することにより、流量分配空間１３Ａから延びるチャネル部分３Ａは、この流出口２８に向けてブロックされ、上部分配空間１３Ａに流入する気体（例えば、Ｏ_２））を受けられるようにする。図３から、平行流の実施形態では、「波形」プレートの上側に形成されたチャネル３、すなわち、底部（図１による上から見て）として谷４を有するチャネル３が、上部分配空間１３Ａに流入する気体（ここでは、Ｏ_２）を含むことがより明らかである。封止１５Ａにより、Ｏ_２の気体の流れは強制的に、チャネル部分３’Ｂを経由し他の流出開口８を通って流出させられる。チャネル部分３’Ａ、３’Ｂ、２３’Ａ、２３’Ｂを利用する利点は、これらチャネル部分により、分配ゾーン１２、１３と流入口／流出口７、２７、８、２８との間の領域内で山５’Ａ、２５’Ｂに平坦／気密的に当接する支持が膜に付与されることが保証されることである。

対応するように、封止１５Ａが底側に配置され、第２の流出口８に向けての流出をブロックする。それに代えて、プレート１の底側（図１による上から見て、山５の下）をチャネル２３内で移動する気体（例えば、Ｈ_２）は、まず、底部１の分配空間１３Ｂ内に流入し、そこから、分配板１３と流出口２８との間の山５’Ａの下に形成されたチャネル部分２３’Ａを経由して第１の流出口２８に流出する。

流入口２７及び７のそれぞれとの流通は、対応した方法で配置し得る。

図３に示すセクションには（図２のＩＩＩ−ＩＩＩ）、平行流の実施形態での本発明による想像上の例の機能が最もよく明らかにされ、プレート１は、下部ＭＥＡ（膜電極組立体）３９Ａ及び上部ＭＥＡ３９Ｂを含むスタックで示される。したがって、想像上の例では、水素Ｈ_２が、スタック内で流入口２７を通って流入し、下部チャネル２３に供給され、下部ＭＥＡ３９Ａとプレート１との間に形成されるこれらチャネル２３を通って流れる一方で、酸素Ｏ_２が、流入口７を経由して流入し、プレート１と上部ＭＥＡ３９Ｂとの間に形成されるチャネル３を通って流れることが示される。さらに、封止枠９、２９が、プレート１とＭＥＡ３９Ａ、３９ｂのそれぞれとの間の外枠領域で外側に封止し、それにより、上部分配空間１３Ａ及びサブチャネル３’Ｂを経由して供給された気体（ここでは、Ｏ_２）がそこを通って下方に供給され、他方の気体（ここでは、Ｈ_２）が第２の流出口２８を通って下方に供給されることが示される。

本発明によれば、フローフィールドプレートは、通常よりもはるかにより小さな金属厚さ、すなわち、０．１〜１ｍｍ、好ましくは最大で０．５ｍｍ、より好ましくは最大で０．２ｍｍの領域内の材料厚さを有する単一のプレート１からなり、これによっても重量及びコストの利点が与えられる。プレートの片側のパターンの谷４、２４が逆側の山２５、５を形成し、逆もまた同様であるように、それぞれ、開放チャネル３のパターン２がプレートの片側に配置され、開放チャネル２３のパターン２２がプレートの逆側に配置される。

プレートのパターン部分は、多くの異なる形状／外観、例えば、略正弦波の断面、又はこの実施形態のように、略等しく並んだ平行台形の断面の形態の山及び谷を有し得る。さらに、谷の幅は山の幅と異なってもよく、片側での広い谷及び狭い山は、逆側での広い山及び狭い谷に対応し、それにより、プレートの片側での流れを多くすることができる。この可能性は、例えば、特定の種類の燃料電池の場合に関心を持たれ得る。このように、材料及びコストを節減する製造プロセスを選択することができ、完成したバイポーラ電極の構造高さを従来よりも低くすることができる。さらに、チャネルパターンに異なる形状、例えば、図１による蛇行形状に配置された３つの平行するチャネルを与えてもよいことが示される。

パターン付きプレートを製造する異なる既知の方法も適するが、特定の態様によれば、金属材料内にチャネルパターン２、２２を達成する特に適したプレス方法は、例えば、参照により本明細書に援用される（特許文献３）による断熱プレスである。

代替の実施形態では、プレート１は、良好な導電性を有する非金属材料からなり、この種の材料はそれ自体、既知であり、その材料は、燃料電池スタックに供給されるか、又は燃料スタック内で形成される反応物に対して耐性を有する。代替として、それ自体既知のように、非導電性材料又は導電性の低い材料を使用してもよく、その材料は良好な導体、例えば、金がコーティングされる。

逆流を有する図１〜図３によるバイポーラ電極の実施形態では、
−反応物を流入させる装置が、対向する角に配置され、
−形成される反応生成物を流出させる装置も、対向する角に配置され、
−第１のパターンなし部分１２が、枠領域６、２６に隣接して平面Ｐ内に配置され、中間チャネル３’Ａ、３’Ｂ、２３’Ａ、２３’Ｂを経由して流出開口７及び２７のそれぞれに延び、流出開口７をプレートの片側のチャネル３に接続し、流出口２７をプレートの逆側のチャネル２３に接続するように配置され、
−第２のパターンなし部分１３が、枠領域６、２６に隣接して平面Ｐ内に配置され、中間チャネル３’Ａ、３’Ｂ、２３’Ａ、２３’Ｂを経由して第２の流出開口８及び流出開口２８に延び、プレートの片側のチャネル３を第２の流出開口８に接続し、プレートの逆側のチャネル２３を第２の流出開口２８に接続するように配置される。平行流の実施形態では、１つの流出開口７又は２７及び関連する流出開口８及び２８のそれぞれの場所が変わる。

図４に示す実施形態では、プレートは正方向であり、上記２つのパターンなし部分１２、１３は、等しく大きく、略三角形の形状を有するものとして示される。しかし、部分１２、１３の形状はそれぞれの機能に対していかなる効果も有さず、任意の形状、例えば、菱形等を有し得る。図１〜図３とは対照的に、サブチャネルはない。すなわち、プレート１は、平行チャネル部分を通る流れのいかなる特別な制御及び／又は流量分配空間１２、１３と流入口／流出口７、８、２７、２８との間のこの領域内で膜に対するいかなる特別な支持を与えるためにも使用されない。しかし、２つのパターンなし部分１２、１３は、一緒になって、個々のそれぞれのチャネル内の流れに対して本質的に同じ効果を与えるような形状であるべきである。

平行流の想像上の方法では、流入開口７が、パターンなし領域１２を経由して直線で、プレートの片側のチャネル３への流入口を形成することが適用される。流入口７は第１の角に隣接してであるが、角自体の片側に配置される。関連する流出開口８が、対角線上で対向する角に隣接して配置される。さらに、それぞれ、パターンなし領域１２を経由してチャネル２３に垂直流入させる第２の流出開口２７が、プレートの逆側に配置され、チャネル２３から垂直流出させる第２の流出開口２８が、プレートの上記逆側に配置される。開口７、８、２７、２８を用途／状況に応じて様々な方法で位置決めし得ることが認識される。

図５及び図６では、特に両側の燃料電池スタック内のバイポーラ電極が、どのようにして陽子交換膜３９Ａ、３９Ｂにより囲まれるかが示される。膜自体は３３で示され、燃料電池内で実行される反応に適合された触媒の薄膜キャリア３４、３５が両面に設けられる。キャリア３４、３５は導電性であり、例えば、炭素繊維ウェブ又はグラファイト紙からなり得る。膜３３それ自体及び触媒キャリア３４、３５からなるユニット３９Ａ、３９Ｂは、ＭＥＡ（膜電極組立体）と呼ばれることもある。また、３９Ａ、３９Ｂは、封止枠の形態の枠領域３６を有し得る。膜ユニットの枠領域３６（例えば、封止枠）は、バイポーラ電極の封止枠９、２９に当接して封止する。さらに、一方の膜ユニットは、バイポーラ電極の片側の山５のピークに当接して、山５の間に谷４を区切り、他方の膜ユニットは、バイポーラ電極の逆側の山２４のピークに当接して、山２５の間に谷２４を区切る。当然ながら、膜ユニットにも、バイポーラ電極内の開口に対応する開口が設けられる。

図５では、形成された反応生成物は、チャネル２３を通り、第２のパターンなし部分１３に流出し、第２のパターンなし部分１３において、反応生成物は直角で側方にターンし、封止枠２９内の窪み３１（断面Ｖ−Ｖの背後の開口２８で終わる）を経由して流出開口２８に到達する。図６では、形成された反応生成物は、対応するように、チャネル３を通り、第１のパターンなし部分１３に流出し、第１のパターンなし部分１３において、反応生成物は直線で続き、封止枠９内の窪み１１（断面ＶＩ−ＶＩの前の開口８で終わる）を経由して流出開口８に到達する。

プレート１が、反応物又は形成される反応生成物により腐食する材料からなる場合、プレート１の両側に、腐食しない材料の薄い保護層が適宜設けられる。

封止枠９、２９及びプレート１は、膜ユニット３３〜３６は山５、２５のピークに当接して良好な電気接触を有し、ＭＥＡ３９Ａ、３９Ｂに対して良好な封止を生み出す必要があるため、膜ユニット３３〜３６に適合する必要がある総厚を有する。

封止枠９、２９の材料は、使用される反応物及び形成される反応生成物に対して十分な耐性を有し、導電性を有さない群から選択される。

上述した本発明によるバイポーラ電極は主に、燃料電池及び電気分解電池等の電気化学電池で使用されることを意図されるが、当然ながら、当業者は、単純に、いかなる発明的作業なしで、同様の用途で使用できるように、以下の特許請求の範囲内で本発明を変更可能である。

例えば、チャネルパターンが多くの異なる方法で達成可能であり、そのうち、断熱プレスが可能な一方法であることが認識される。

さらに、原理上、プレート１及び電極のそれぞれに任意の形状（例えば、正方形、楕円形、六角形等）を付与してよく、本発明の主要目的を達成し得ることが認識される。さらに、枠領域の任意の部分、本事例では、中央部分に、流出入のための開口を設けてもよく、例えば、冷却チャネルの位置は電極のどこの場所であってもよい。

さらに、枠領域以外の位置での流入チャネル及び流出チャネルの原理は、すべての形状のプレートに適用することができ、同様に、円形のプレートの外側領域のみにチャネルを配置してもよい。

Claims (13)

1. 燃料電池スタック又は電気分解電池内の流入口／流出口を経由して気体及び液体を分配するバイポーラ電極及び／又は分離板を構成するフローフィールドプレートであって、流入口／流出口（７、８、２７、２８）と、第１の流入口を第１の流出口に接続する片側の開放チャネル（３）と、第２の流入口を第２の流出口に接続する逆側の開放チャネル（２３）とが設けられたプレート（１）を備え、流量分配領域（１２、１３）が、流入口／流出口（７、８、２７、２８）と前記開放チャネル（３、２３）との間に配置され、
   前記流量分配領域（１２、１３）が、二重になった流入チャネル及び流出チャネル（７、８、２７、２８）のそれぞれに接続して配置されること、及び別個の封止要素（１５Ａ、１５Ｂ）が、前記チャネル（３、２３）のそれぞれ及び流入口／流出口（７、８、２７、２８）のに任意の接続を可能にするように配置されることを特徴とする、フローフィールドプレート。
2. 前記プレートが、該プレートの片側のパターン（２）の谷（４、２４）が逆側の山（２５、５）を形成し、またその逆になるように、開放チャネル（３、２３）のパターン（２）が設けられた単一のプレート（１）からなることを特徴とする、請求項１に記載のフローフィールドプレート。
3. 前記プレート（１）が、最大で２ｍｍ、好ましくは０．１〜１ｍｍ、より好ましくは最大で０．８ｍｍの厚さを有する金属材料からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフローフィールドプレート。
4. 前記チャネルパターン（２）が、プレス、好ましくは断熱プレスを通して達成されることを特徴とする、請求項２に記載のフローフィールドプレート。
5. 前記チャネルパターン（２）が前記プレート（１）の中央部分に配置され、枠領域（６、２６）により囲まれ、前記枠領域（６，２６）内に流入及び流出のための開口（７、２７、８、２８）が設けられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
6. 前記プレート（１）が、良好な導電性ならびに供給される反応物及び形成される反応生成物に対する耐性を有する非金属材料からなることを特徴とする、請求項１に記載のフローフィールドプレート。
7. 前記枠領域（６、２６）が該フローフィールドプレート（１）の平面に配置され、この平面は、前記電極の片側の前記山（５）のピークと逆側の前記山（２５）のピークとの間に配置されることを特徴とする、請求項５、６に記載のフローフィールドプレート。
8. 前記流量分配領域（１２、１３）の数が少なくとも２つであること、及び前記流入口／流出口（７、８、２７、２８）のうちの２つが、一方の流場分配領域（１２）に隣接して配置され、他の２つの流入口／流出口（７、８、２７、２８）が、他方の領域（１３）に隣接して配置されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
9. 前記少なくとも２つの流量分配領域（１２、１３）が、前記チャネル（３、２３）により形成される前記パターン（２）に関して互いに本質的に正反対に配置されることを特徴とする、請求項８に記載のフローフィールドプレート。
10. 各流量分配領域（１２、１３）が、前記プレート（１）の正中面（Ｐ）に配置されること、及び各流量分配領域（１２、１３）の各側の前記プレート（１）内に、少なくとも２つの隣接する流入／流出開口（７、８、２７、２８）への流通があることを特徴とする、請求項９に記載のフローフィールドプレート。
11. 前記流通（３’Ａ、３’Ｂ、２３’Ａ、２３’Ｂ）に山（５、２５）及び谷（４、２４）が設けられることを特徴とする、請求項１０に記載のフローフィールドプレート。
12. 前記枠領域（１２）に、冷却が必要とされる際に、例えば、反応物に代えて、前記プレート（１）の片側の前記チャネル内を流れることを意図される冷却媒体の流入及び流出のための開口が設けられることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。
13. 各対のバイポーラ電極間の封止（９、２９）及び膜電極組立体（ＭＥＡ）（３９Ａ、３９Ｂ）と共に、燃料電池スタック、電気分解電池、又は任意の同様の装置内に含まれ、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の少なくとも２つのフローフィールドプレート（１）を備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のフローフィールドプレート。

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