JP2014167921A - 燃料電池用単極単板及びそれを含む燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】バイポーラプレートから構成されるプロトン交換膜利用の燃料電池において、経済的な方法で製造できる単極単板を提供する。
【解決手段】遮蔽板(４２)に取り付けられる単極ハーフプレート(４１)から構成される燃料電池の単極端板(４)であって、その中央部に陰極又は陽極の活性領域(４１１)を含むと共に、その周辺部に、酸化剤ボックスあるいは燃料ボックスを含む構造を持つ。各酸化剤ボックス又は燃料ボックスは、単極ハーフプレートの外側に酸化剤又は燃料の循環を可能にするために、活性領域(４１１)の外側にチャンネル(４１４)を含み、また、前記遮蔽板の中央部が燃料又は酸化剤で一掃されないように、遮蔽板の中央領域内に現れる開口部を含まない。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロトン交換膜（proton-exchange membrane）を有するタイプの燃料電池用
単極端板（monopolar end-plate）に関する。
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ている。この種の装置において、燃料が水素性のガ
スであって、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／膜接合体で構成される反応性セル、即ち基本セルの
スタック（stack;積み重ね）によって構成され、前記電極／膜接接合体は、一方において
燃料、他方において酸化剤、及び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（bipolar plates；双極板）間に挿入される。電極／
膜接合体は、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、前記活性層は、２つの外層と拡散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一般に２
つのターミナル板（terminal plate）間に固着された状態で保持され、前記ターミナル板
は、一方のターミナル板から他方に延び、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。
燃料電池の端部の一方には電流コレクタを備えた陽極単極プレートが位置し、反対側の
端部には別の電流コレクタを備えた陰極単極プレートが位置する。組立部品は、そのター
ミナル板及び引張り棒により機械的に支持される。一般に、単極端板は、例えば、グラフ
ァイト等の炭素含有材料、ポリマー含浸グラファイト、又はグラファイトの可撓性シート
等の耐腐食性に優れた特性を有し、かつ良好な導電性を有する材料から製造される。
これらの構成部材は、一方において、活性面に反応性のガスの循環チャンネルを、反対
面に電流収集板と接触する表面を画定するように、通常、機械加工又は成形加工（mouldi
ng）により成形される。この技術は、特に、セルのスタック組立部品用に製造されるバイ
ポーラ・プレートと区別される特定の単極端板の製造を必要とする、という不都合がある
。そのため、コストが著しく増大する。
本発明の目的は、バイポーラ・プレートを含むプロトン交換膜を有する燃料電池用単極
端板を提供することによって、上述の不都合を克服することにある。バイポーラ・プレー
トは、絞り加工（drawing）により得られ、かつ、単極端板を製造する公知の方法より経
済的な方法で製造され得るバイポーラ・ハーフプレートの組立部品から構成される。
この目的を達成するために、本発明は、プロトン交換膜を有するタイプの燃料電池の単
極端板に関するものであり、単極端板は遮蔽板に固着される陰極又は陽極の単極ハーフプ
レートによって構成され、単極ハーフプレートは、その中央部分に活性陰極又は陽極帯域
を含むと共に、その周辺部に、単極ハーフプレートが陰極である場合には少なくとも２つ
の酸化剤用ユニットを、あるいは単極ハーフプレートが陽極である場合には燃料用ユニッ
トを含み、各酸化剤又は燃料ユニットは、単極ハーフプレート側で単極プレートの外側に
酸化剤又は燃料の循環を許容するために、活性帯域の外側に開口する少なくとも１つのチ
ャンネルを含み、酸化剤又は燃料ユニットは、遮蔽板の中央部分に燃料又は酸化剤が接触
できないように、遮蔽板の中央帯域に開口するいかなる開口部も含まない。
好ましくは、少なくとも単極ハーフプレートはその周辺部に少なくとも２つの熱交換流
体ユニットを含み、単極ハーフプレートの中央部分及び遮蔽板の中央部分が、共同して、
接続チャンネルを介して熱交換流体ユニットに連通する熱交換流体の循環用空間を画定す
る。固着される単極ハーフプレートが陽極であるか又は陰極であるかに応じて、遮蔽板の
中央部分をそれぞれ陰極又は陽極の単極ハーフプレートの中央部分と同一とすることがで
きる。遮蔽板は電流収集板であってもよい。
好ましくは、少なくとも１つの端部組立部品は、本発明の単極端板と電流収集手段とを
含む。電流収集手段は、例えば、単極端板の遮蔽板と接触する電流収集板である。
端部組立部品は、単極端板と電流収集手段の間のシールを行う周辺間のシールと、ター
ミナル板とを更に含むことができる。
本発明が、更に明確に、しかし非限定的な方法で、添付の図面を参照して以下に説明さ
れるであろう。図１，２に示す燃料電池の端部組立部品は、ターミナル板１、電流収集板
２、周辺シール３、及び反応性電極／膜接合体と協同するための活性面４１と電流収集板
２に接触するための封鎖裏面４２とを有する単極端板４を含むスタックによって構成され
る。
単極端板４は、２枚のハーフプレート４１０，４２０の組立部品により構成される。活
性面４１に対応するハーフプレート４１０は、それぞれ、端部組立部品が燃料電池の陰極
端部に又は陽極端部に設置されるための組立部品であるかどうかによって、陰極又は陽極
の単極ハーフプレートとなる。この陰極又は陽極の単極ハーフプレートは、燃料電池にお
けるバイポーラ・プレートの陰極又は陽極の単極ハーフプレートと同一である。
陰極又は陽極の単極ハーフプレート４１０は、活性中央部分４１１及び開口部４１３を
含む。活性中央部分４１１は、絞り加工により得られるチャンネルによって構成され、か
つ周辺フレーム４１２によって囲まれている。開口部４１３は、単極ハーフプレートが陰
極ハーフプレートである場合は酸化剤であり、あるいはハーフプレートが陽極ハーフプレ
ートである場合は燃料である、活性流体を受け入れる。開口部４１３は、燃料電池の長手
方向に沿って活性流体を循環させるためのものであり、コレクタ開口部４１３を通って到
達する活性流体の循環を許容するために、チャンネル４１４によって、単極ハーフプレー
トの外側に開口する開口部４１５に接続しており、前記コレクタ開口部４１５は、単極ハ
ーフプレートの活性中央帯域４１１の表面に流体ユニットを構成する。
単極ハーフプレートは、また、流体ユニット４１３により供給される活性流体を補充す
る活性流体を有するユニットの形成のための周辺開口部４１６を含む。単極ハーフプレー
ト４１０が陰極である場合、流体ユニット４１６は燃料を有するセルの提供を目的とし、
逆に、単極ハーフプレートが陽極である場合、流体ユニット４１６は酸化剤の輸送を目的
とする。これらの流体ユニット４１６は単極ハーフプレートの表面に開口しておらず、こ
の配置のため、セルに流体が供給されると、当該単極端板のハーフプレートの性質に対応
した流体のみが単極ハーフプレート４１０の活性表面４１１に供給される。
単極端板４の第二の面４２は、活性面に位置する単極プレート４１０を補完する単極プ
レート４２０によって構成され、前記活性面はバイポーラ・プレートの活性中央帯域と同
一の中央帯域４２１を含む。この活性中央領域４２１は、単極ハーフプレート４１０の活
性中央帯域４１１が陽極であれば陰極タイプのものからなり、ハーフプレート４１０が陰
極であれば逆のタイプとなる。ハーフプレート４２０は中央領域４２１を囲む周辺部４２
２を有する。この周辺部４２２は、単極ハーフプレート４１０と同じように、単極ハーフ
プレート４１０の開口部４１３，４１６と協同するための対応する開口部４２３，４２６
を含み、活性流体ユニットを形成する。遮蔽板を構成する前記ハーフプレート４２０は、
流体ユニットを構成する開口部４２３，４２６のいずれもが中央帯域４２１の外側に開口
していないという事実によってのみ、単極ハーフプレートと区別される。
そのため、開口部４２３，４２６によって形成された流体ユニットにより輸送される活
性流体は、前記遮蔽板の中央帯域４２１の外面に接触することができない。単極ハーフプ
レート４１０及び遮蔽板４２０の２つの活性中央帯域４１１，４２１は、共同して、熱交
換流体の循環を許容する空間を画定している。この空間には、単極ハーフプレート４１０
及び遮蔽板４２０の周辺部に設けられ、かつ冷却流体用ユニットの形成を目的とした、開
口部４１７，４２７を通って熱交換流体が供給される。前記冷却流体ユニットは、単極ハ
ーフプレート及び遮蔽板の２つの中央帯域間を画定する空間と連絡チャンネルを介して連
通している。
得られるプレートの全ては所望の形状を得るために切断及び絞り加工された金属から製
造されるプレートであり、遮蔽板に固着される単極ハーフプレートは、例えば、特にプレ
ートの周辺部で行われるレーザー溶接等の溶接により遮蔽板と共に組み立てられる。
更に、組立部品のシールを行うシール３を受け入れることができるように、先に述べた
単極端板の周辺部が設けられていることに気付くであろう。電流収集板２は、燃料電池に
より発生する電流を集めるために、遮蔽板４２０の裏面に接触するための平坦な金属板か
らなる。この収集板は、その中央部分に、操作回路への燃料電池の接続を許容する接続ピ
ン２２を含んでいる。
最後に、ターミナル板１はその作用が実質的に機械的であるプレートからなる。ターミ
ナル板１は、その周辺部に、燃料電池を構成するスタックの固着に役立つ例えば引張り棒
を陰極側のターミナル板と陽極側のターミナル板の間に受け入れるための複数の開口１０
を有する。また、このターミナル板は、その中央に、外側に向けて燃料電池を電気接続で
きるように電気接続ピン２２の通過を許容するための穴１１を含む。
様々な変形を用いて先に述べたスタックを製造することができ、特に、単極プレートの
周辺部に設けられるが、このプレートに活性流体の供給を目的としない開口部は、封鎖さ
れていてもよい。更に、例えば、燃料電池の外側の接続ピンを単極端板の遮蔽板に直接固
定してもよい。この場合、遮蔽板自体は電流収集板を構成する。
プロトン交換膜を有する燃料電池における端部組立部品の斜めから見た分解裏面斜視図である。 図１に示すものと同じ燃料電池における端部組立部品の斜めから見た分解正面斜視図である。

Claims (7)

  1. プロトン交換膜を有するタイプの燃料電池の単極端板（４）であって、単極端板は遮蔽
    板（４２）に固着される陰極又は陽極の単極ハーフプレート（４１）によって構成され、
    単極ハーフプレートが、その中央部分に活性陰極又は陽極帯域（４１１）を含むと共に、
    その周辺部に、単極ハーフプレートが陰極である場合には少なくとも２つの酸化剤用ユニ
    ット（４１３）を、単極ハーフプレートが陽極である場合には燃料用ユニットを含み、各
    燃料又は酸化剤ユニットは、単極ハーフプレート側で単極プレートの外側に酸化剤又は燃
    料の循環を許容するために、活性帯域（４１１）の外側に開口する少なくとも１つのチャ
    ンネル（４１４）を含み、酸化剤ユニット又は燃料ユニットは、遮蔽板の中央部分に燃料
    又は酸化剤が接触できないように、遮蔽板の中央帯域に開口するいかなる開口部も含まな
    いことを特徴とする単極端板。
  2. 少なくとも前記単極ハーフプレート（４１）がその周辺部に少なくとも２つの熱交換流
    体ユニット（４１７）を含み、単極ハーフプレート（４１）の中央部分（４１１）及び遮
    蔽板（４２）の中央部分（４２１）が、共同して、接続チャンネルを介して熱交換流体ユ
    ニットに連通する熱交換流体の循環用空間を画定することを特徴とする請求項１記載の単
    極端板。
  3. 固着される単極ハーフプレートが陽極であるか又は陰極であるかに応じて、前記遮蔽板
    （４２）の中央部分（４２１）がそれぞれ陰極又は陽極の単極ハーフプレートの中央部分
    と同一であることを特徴とする請求項２記載の単極端板。
  4. 前記遮蔽板が電流収集板であ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
    の単極端板。
  5. 陰極端部組立部品と陽極端部組立部品の間に固着される電極／膜とバイポーラ・プレー
    トとの交互スタックを含むタイプの燃料電池において、少なくとも１つの端部組立部品が
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の単極端板（４）と電流収集手段を含むことを特徴
    とする燃料電池。
  6. 前記電流収集手段が、単極端板の遮蔽板（４２）と接触する電流収集板（２）であるこ
    とを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
  7. 前記端部組立部品が、単極端板（４）と電流収集手段（２）の間のシールを行う周辺間
    のシール（３）と、ターミナル板（１）とを更に含むことを特徴とする請求項５又は６記
    載の燃料電池。
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