JP2014210974A - 電解槽用の電流分配部材を統合したバイポーラプレート構成 - Google Patents

Abstract

【課題】電解槽用のバイポーラプレートの耐久性を変えずに、コーティングの削減と被着工程の必要性を小さくするバイポーラプレート製造方法を提供する。
【解決手段】複数の金属層を焼結により同時に結合するステップを含み、バイポーラ板１と媒体ポート７と封止フレーム８と多孔質の電流分配構造部４とを有する構造となっている。断面はセルセパレータ２および冷媒を通すための流路６を有するバイポーラ板１と、多孔質の電流分配構造部４と、封止フレーム８と、結合用の焼結面５となっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解槽用のバイポーラプレート、とりわけＰＥＭ電解槽用のバイポーラプレートの製造方法に関する。

水を酸素と水素とに分解する酸電解は、通常はプロトン交換膜電解槽（ＰＥＭ電解槽）中において行われる。このＰＥＭ電解槽内では、アノードとカソードとがプロトン伝導膜によって相互に隔絶されている。この膜材料としては通常、ポリフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）を強化材無しで、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）マトリクスにより強化して使用する。水を酸素と水素とに分解するアルカリ電気分解は、通常は電解液（濃縮化されたＫＯＨ水溶液）を用いて行われるが、陰イオン交換膜電解槽（ＡＥＭ電解槽）において実施することも可能である。

通常、ＰＥＭ電解槽用やＡＥＭ電解槽用のバイポーラプレートは、複数の個別プレートを積層したものから成る。従来技術からは、バイポーラプレートの個別プレートの以下の構成が知られている：
１．グラファイト個別プレートと金属個別プレートとを組み合わせた構成。両個別プレートは、別の金属セパレータプレートにより相互に隔絶することができる。
２．２つの金属個別プレートに媒体分配流路を型押し成形またはフライス成形して設けた構成、または、２つの金属個別プレートと多孔質の媒体分配構造体とを組み合わせた構成。これら２つの金属個別プレートも、別の金属セパレータプレートにより相互に隔絶することができる。
さらに高温ＰＥＭ電解槽では、冷媒分配部をバイポーラプレートに組み込むか、またはバイポーラプレートに直に接するように配置することができる。

上述のようなバイポーラプレートを製造する際には、典型的には各層を相互に積層し、場合によっては１つの封止フレーム内に射出により封止する。その際には、各層間のすべてのコンタクト面に、バイメタル板や電解槽の全寿命にわたって十分にパッシベーションを阻止し、ひいては接触抵抗の上昇を阻止するコーティングを施さなければならない。このことは、バイポーラ板に接するかまたはバイポーラ板に組み込まれる電流分配構造部にも関係する。

上記課題を解決するために、本発明では、
複数の金属層を焼結により同時に結合するステップを含む、電解槽の金属製のバイポーラ板の製造方法
を提供する。

本発明では、電解槽の金属製のバイポーラ板の上述のような製造方法により、バイポーラ板の耐久性を変えないかまたは改善させながら、少なくとも、コーティングの削減と被着の必要性の縮小とを実現し、これにより製造コストを削減することができる。

本発明のバイポーラ板の構成を示す。 本発明のバイポーラ板の構成を示す。 本発明のバイポーラ板の構成を示す。 バイポーラ板／電流分配構造部とともに封止フレームを同時に焼結した本発明の構成を示す。

本発明において焼結とは、表面拡散プロセスを経て粒界を共成長させることにより、すなわち共有の結晶を形成することにより、各部品を結合することを意味する。このプロセスは各部品の融点より低い温度で生じるので、融解させる必要はない。単成分系の場合には、上述のプロセスは通常、融点の６０〜８０％の温度で生じる。本発明の方法の焼結を行うことにより、非常に良好な電気伝導性かつ熱伝導性が実現される。このように各部品が本当の意味で結合されることにより、実現される伝導性は長期間にわたって安定的になる。本発明の方法は他に、各部材に腐食防止コーティングを施さなくてもよいという利点も奏する。

１つの有利な実施形態では、前記金属層はバイポーラ板の一部を含む。ここで特に有利なのは、前記金属層はさらに少なくとも１つの電流分配層を含むことである。この構成により、特に高効率の工程で、安定的なバイポーラ板‐電流分配層ユニットを実現することができる。

処理ユニットと処理コストとを削減するのに特に有利なのは、少なくともいずれか１つの電流分配層を含めたバイポーラ板のすべての部分を同時に焼結することである。その際にはバイポーラ板は、２つの半板から成るか、またはそれ以上の数の部分から構成することができる。前記半板はたとえば、型押し加工された２つの半板である。バイポーラ板を構成するこれらの半板または部分を構成する金属は、典型的には異なる金属とすることができる。本発明において金属とは、たとえば鉄、アルミニウム、チタンおよび銅、これら金属の混合物、ならびに、これら金属の、当業者に知られている通常の合金である。材料の選定および焼結温度の調整で留意すべき点は、一緒に焼結される層が両立可能な焼結特性を有すること、すなわち、同等の温度領域で焼結するようにすることである。複数の材料を焼結させる融点がそれぞれ格段に異なる場合、典型的には、使用される材料のうち最低融点を超えることになる。このような関係は当業者に知られており、本発明の方法でも、部材の成形および配置時には留意すべき点である。

セパレータ、電流分配構造体、媒体分配構造部、封止フレーム等といった、バイポーラプレートの各部材を同時焼結する本発明の方法は、これら部材のうちいずれか１つの部材を製造すると同時に前記部材のうち少なくとも１つの他の部材に結合することを含むことができ、また、２つの部材間に焼結層を介在させて両部材を結合することを含むこともできる。通常、焼結プロセスにより部材を製造する一般原理には、金属粉末または粉末混合物から部材を成形して押し固めることを含むか、または、成形（たとえば型に鋳込むこと）を行った後に乾燥および焼結させることを含むことができる。

さらに、１００℃を格段に上回る温度で動作する高温ＰＥＭは、冷媒流路を有する付加的な中間層も有し、この中間層は通常は金属製である。このような媒体分配構造部ないしは冷媒分配部はたとえば、バイポーラプレートの両個別プレートのうち一方にのみ成形することができ、その場合には、他方の個別プレートの裏面を平坦にする。その際には、冷媒分配部がプレートの内側に来て、ガス分配部が外側の方を向き、相互に隣接する電解セルのアノードとカソードとに当該冷媒分配部が供給するように、両個別プレートが冷媒側の面にて、ここでは平坦な面にて相互に重なるように配置される。

典型的には、電解槽のアノード側すなわち酸素側の電流分配構造体は微細孔質の金属構造体として、たとえばワイヤ織編物、延伸金属、または金属焼結体として形成される。電解質のカソードすなわち水素側の電流分配構造体も同様に、通常は、ＰＥＭ燃料電池でも用いられるような微細孔質のグラファイト構造体から成る。また、たとえば特殊鋼合金から成る微細孔質の金属構造体を使用することもでき、この金属構造体は典型的には、ワイヤ織編物、延伸金属または金属焼結体とされる。本発明の１つの有利な実施形態では、バイメタル板および前記少なくとも１つの電流分配層のうち焼結すべき部分は、板金、および／または、開放細孔を有する３次元構造体から選択されたものであり、前記開放細孔を有する３次元構造体はとりわけ、ワイヤ織編物、延伸金属、焼結金属および発泡金属である。１つの有利な実施形態では、電流分配層はバイポーラプレートの片面または両面に、焼結により被着させることができる。

焼結工程を行った後は、バイポーラプレート、ないしは、前記少なくとも１つの電流分配層を含めたバイポーラプレートを構成するのは、それ自体で固定的に結合した１つの部材となる。必要に応じて、この１つの部材に１つまたは複数のシーリングを１工程または複数工程で、たとえば接着または射出等により設けることができる。

その際に有利なのは、以下の層構成のうち１つによりバイポーラプレートを構成することである：
ａ）金属板を型押し成形またはフライス成形したもの：
ｂ）たとえば冷間圧延に製造されたバイメタル板を型押し成形またはフライス成形したもの：
ｃ）多孔質の金属製の２つの媒体分配層が両面に設けられた平坦な金属板。この金属板は有利にはバイメタル板として形成されたものである。
電流分配層と、バイポーラプレートのうち当該電流分配層に接する材料とが焼結により結合可能である場合、有利には、上述のようなバイポーラプレートの片面または両面に、それぞれ電流分配層が焼結により被着される。したがって本発明の他の有利な実施形態では、１つまたは複数の金属封止フレームを同時に、または別個の焼結工程で、バイポーラプレートの片面または両面に被着させる。

その際に有利なのは、本発明のバイポーラプレートおよび本発明の製造方法において、セパレータないしはセルセパレータを、チタン板および鋼板から成るバイメタル板として形成することである。本発明においてチタンとしては、市販されているチタン板と、市販されているチタン合金、たとえばＴｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ（すなわち、アルミニウム６％とバナジウム４％を含むチタン合金）等との双方を用いることができる。その他にも、当業者に知られており一般的に用いられている適切なチタン合金がある。

一般的にバイメタルとは、異なる金属または金属合金の２層から成る金属ストリップを指す。これら２層は、大抵は形状接続および材料接続されている。

ここで有利なのは、使用される鋼を特殊鋼とすること、有利には、ＡＩＳＩ記号３１６，３１６Ｌ，４１０，３０４，３０３，３０４Ｌ，３０１，Ｐ２０００および３２１の特殊鋼の群のうちいずれかの特殊鋼とすることであり、特に有利なのはＡＩＳＩ記号３１６および３１６Ｌである。ＡＩＳＩ記号は、特殊鋼の組成を表す米国鉄鋼協会の規格記号であり、当業者に周知である。ここで挙げた特殊鋼は単なる例であると解すべきであり、当業者であればこれらの例を参酌すれば、本発明にて使用するのに適した他の特殊鋼を選定することができる。

本発明のセルセパレータのバイメタル板は、鋼板とチタン板とを結合することにより形成することができる。この結合は、リベット結合、スポット溶接、ねじ留め、接着、特に有利には金属被膜により行うことができる。

当業者であれば、本発明における上述の有利な金属被膜とは一般的に、双方の板金を相互に重ねて高圧でプレスしながら、各部材の再結晶温度未満の温度で圧延する冷間圧延法または常温圧接法を指すと解する。双方の接触面を非常にきつくコンタクトさせることにより、障害となる表面層を破壊し、これにより作用するようになった原子間結合力により、両ワークが安定的に結合される。このようにして、鋼板とチタン板との接触領域に分離不能な結合が生じる。このような結合は特に、電流を流す部材に適している。他の種類のコーティングと比較すると、上述の金属被膜はさらに、後続の型押し成形工程中に、たとえば本発明のセルセパレータのバイメタル板に流路構造を型押し成形するときに、ひびが入らないという利点も奏し、このように流路構造を型押し成形するのが有利である。

バイメタルセルセパレータの全厚は１０〜２０００μｍの間であり、有利には２０〜１０００μｍの間であり、特に有利には５０〜５００μｍの間である。

ここで有利なのは、鋼板がチタン板より厚いことである。鋼板の厚さが大きいほど、かつ、相対的にチタン板の厚さが小さくなるほど、高コストのチタン板の削減によってコストをより大きく削減することができる。それゆえ１つの有利な実施形態では、本発明のバイメタルセルセパレータの全厚に対する鋼板の厚さの割合は少なくとも５５％であり、有利には少なくとも６０％であり、さらに有利には少なくとも６５％であり、特に有利には少なくとも７０％であり、さらに特に有利には少なくとも７５％である。その際には、バイメタルセルセパレータの全厚のうち残りの部分は、鋼板の上述の厚さに対応するチタン板の厚さであることは明らかである。

さらに、本発明の１つの有利な実施形態では、片面または両面に金属封止フレームを同一の焼結工程で、または別個の焼結工程で、多層構造体に焼結により被着させることができる。このことにより、バイポーラプレートの両面にそれぞれ、各封止フレームに対する封止面が形成され、それと同時に各封止フレームによってセル厚さが調整される。他の有利な実施形態では、媒体分配構造部のみを電流分配構造体とともに焼結する。

統合された電流分配層も含めてバイポーラプレートのうち焼結すべき部分は、有利には板金、および／または、開放細孔を有する３次元構造体であり、この３次元構造体はたとえば、ワイヤ織編物、延伸金属、焼結金属または発泡金属を任意に組み合わせたものである。その際には、バイポーラプレートの前記部分の同時焼結は、コンタクト面の全部または一部において行うことができる。

前記焼結工程はバッチ方式で、または連続方式で行うことができる。バッチプロセスの場合、典型的には１〜１０００個の部品を一緒に炉内にて焼結する。連続プロセスの場合には、複数の個別のバイポーラプレート、または複数の繋がったバイポーラプレートを連続炉内にて、たとえばベルト式焼結炉内にて焼結する。

このようにして、セルセパレータと、型押し成形またはフライス成形されたかまたは多孔質の媒体分配構造部と、少なくとも片側が焼結されて被着された多孔質の電流分配構造体とを有する電解槽用バイポーラプレートであって、各部材が焼結面により結合された電解槽用バイポーラプレートが実現される。有利にはセルセパレータは、チタン板または鋼板を含むバイメタル板を含み、前記バイメタル板は有利には冷間圧延されたバイメタル板であり、前記鋼板は有利には特殊鋼板である。

本発明の製造方法の上述の焼結ステップにより、特にプロセス時間および腐食防止層の削減によって、製造コストを削減することができる。その上、たとえばレーザ接合またははんだ接合等の他の接合手段と比較して、焼結は低コストでありかつ量産に特に適したプロセスである。したがって、本発明のバイポーラプレートの製造コストは低くなり、耐久性が特に高く、機械的および化学的に安定的であり、よって、通常の電解槽にて使用するのに優れている。

図１ａ〜１ｃは、本発明のバイポーラ板１ａ；１ｂ；１ｃの複数の異なる構成を示しており、各バイポーラ板１ａ；１ｂ；１ｃはそれぞれセルセパレータ２ａ；２ｂ；２ｃと、媒体分配構造部３ａ；３ｂ；３ｃと、焼結された多孔質の電流分配構造部４ａ；４ｂ；４ｃとを有する。同図では各部材はそれぞれ焼結面５ａ；５ｂ；５ｃにより相互に結合されている。図１ａに示したバイポーラ板１ａは、セルセパレータ２ａと、２つの媒体分配構造部３ａと、両面が焼結された多孔質の電流分配構造部４ａとを有し、前記２つの媒体分配構造部３ａは型押し加工またはフライス加工されて、媒体を通すための流路６ａを有する。前記媒体はとりわけ冷媒である。これらの各部材は焼結面５ａによって相互に結合されている。図１ｂには、セルセパレータ２ｂと、多孔質の媒体分配構造部３ｂと、両面が焼結された多孔質の電流分配構造部４ｂと、これら各部材を相互に結合する焼結面５ｂとから成るバイポーラ板１ｂを示しており、前記多孔質の媒体分配構造部３ｂはその細孔により媒体を透過させるように、とりわけ冷媒を透過させるようになっている。図１ｃには、波形に型押し成形されたセルセパレータ２ｃと、両面が焼結された多孔質の電流分配構造部４ｃと、これら各部材を相互に結合する焼結面５ｃとを有する、型押し成形されたバイポーラ板１ｃを示す。前記波形のセルセパレータ２ｃと電流分配構造部４ｃとが、媒体を通すための、特に冷媒を通すための流路６ｃを形成する。セルセパレータのこのような形状により、たとえば図１ａや１ｂの実施形態にて設けられるような媒体分配構造部は不要となる。

ここでは各セルセパレータ２ａ；２ｂ；２ｃは、型押し加工またはフライス加工された金属板とするか、または、バイメタル板をまず最初に冷間圧延により形成した後に型押し加工またはフライス加工したものとすることができる。

図２には、バイポーラ板／電流分配構造部とともに封止フレームを同時に焼結した本発明の構成を示す。図２ａには、バイポーラ板１と媒体ポート７と封止フレーム８と多孔質の電流分配構造部４とを有する上述の構造を、上から見た様子を示す。図２ｂには、図２ａに示した構造の断面を示しており、図２ｂからは、セルセパレータ２および流路６を有するバイポーラ板１と、多孔質の電流分配構造部４と、封止フレーム８と、結合用の焼結面５とが見えるようになっている。

Claims (10)

1. 電解槽の金属製のバイポーラプレート（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）の製造方法であって、
   複数の金属層を焼結により同時に結合するステップ
   を有することを特徴とする、製造方法。
2. 前記複数の金属層が１つのセルセパレータ（２；２ａ；２ｂ；２ｃ）を形成する、
   請求項１記載の製造方法。
3. 前記金属層はさらに、少なくとも１つの電流分配層（４；４ａ；４ｂ；４ｃ）も成す、
   請求項２記載の製造方法。
4. 前記電流分配層（４；４ａ；４ｂ；４ｃ）を、前記セルセパレータ（２；２ａ；２ｂ；２ｃ）の少なくとも片面に、焼結により被着する、
   請求項３記載の製造方法。
5. 型押し成形もしくはフライス成形されたかまたは多孔質である少なくとも１つの媒体分配層（３；３ａ；３ｂ；３ｃ）を、前記セルセパレータ（２；２ａ；２ｂ；２ｃ）と前記電流分配層（４；４ａ；４ｂ；４ｃ）との間に設置し、各部材を相互に焼結により結合させる、
   請求項３記載の製造方法。
6. 前記バイポーラプレート（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）の焼結すべき前記金属層を、板金として、および／または、開放細孔を有する３次元構造体として形成し、
   前記３次元構造体はとりわけ、ワイヤ織編物、延伸金属、焼結金属、発泡金属である、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の製造方法。
7. 前記焼結をバッチ方式または連続方式のプロセスで行う、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の製造方法。
8. さらに同時に、または別個の焼結工程で、１つまたは複数の金属封止フレーム（８）を前記バイポーラプレート（１；１ａ；１ｂ；１ｃ）の片面または両面に焼結により被着させる、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の製造方法。
9. セルセパレータ（２；２ａ；２ｂ；２ｃ）と、
   少なくとも１つの多孔質の電流分配構造体（４；４ａ；４ｂ；４ｃ）と、
   場合によっては、前記セルセパレータ（２；２ａ；２ｂ；２ｃ）と前記多孔質の電流分配構造体（４；４ａ；４ｂ；４ｃ）との間に配置された、型押し成形またはフライス成形されたかまたは多孔質である少なくとも１つの媒体分配構造部（３；３ａ；３ｂ；３ｃ）と
   を有する、電解槽用のバイポーラプレートにおいて、
   各部材が焼結面（５；５ａ；５ｂ；５ｃ）により相互に結合されている
   ことを特徴とする、バイポーラプレート。
10. 前記セルセパレータ（２；２ａ；２ｂ；２ｃ）は、チタン板と鋼板とを有するバイメタル板を含み、
    前記バイメタル板は有利には冷間圧延されたバイメタル板であり、有利には特殊鋼板である、
    請求項９記載のバイポーラプレート。

Images