JP2014519165A - 腐食を抑制した燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも３つの膜／電極接合体（３１、３２、３３）と、前記膜／電極接合体の間に設けられた少なくとも第１および第２の金属製バイポーラプレート（２１、２２）とを備える燃料電池（１）に関し、これらのバイポーラプレートの各々は、それぞれの膜／電極接合体に対向し、かつ、溶接部（２１１、２２１、２３１）によって固定された２つの金属シート（４１、４２）を備えている。第１のバイポーラプレートの溶接部（２１１）の少なくとも一部は、第２のバイポーラプレートの溶接部（２２１）に重ね合わされていない。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、特に、プロトン交換膜型燃料電池に関する。

燃料電池は、将来の量産される自動車のエネルギー源であると考えられている。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学的装置である。燃料電池は、複数のプロトン交換膜を直列に接続した重合体からなっている。各交換膜（セルとも呼ぶ）は、約１ボルトの電圧を生成し、それらを積層することによって、例えば１００ボルトの高電圧の電力が生成される。

公知のタイプの燃料電池のセルの中でも、特に、ＰＥＭ（ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）と呼ばれる固体高分子膜に着目されている。このような燃料電池は、小型であるという興味深い特性を備えている。各交換膜は、プロトンだけは通過させるが、電子を通過させない電解膜を備えている。この膜によって、交換膜を２つの区画に分け、反応ガス間の直接反応を防いでいる。膜は、第１の面に陽極を、第２の面に陰極を備えており、この組立体は、通常、「膜／電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ／ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）」すなわちＭＥＡと呼ばれている。

陽極では、燃料として用いられる分子水素または水素（Ｈ_２）がイオン化され、膜を通過するプロトンが生成される。この反応によって生成された電子は、フロープレートへ移動し、次いで、交換膜の外側の電気回路を通過して電流を生成する。陰極では、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。

交換膜は、互いに積層された、例えば金属の複数のフロープレートを備えている。膜が、２つのフロープレートの間に配置されている。フロープレートは、膜との間で反応物質および生成物質をやりとりするための誘導用の流路と孔を備えていてもよい。また、プレートは、導電性であって、陽極で生成された電子のコレクタを形成している。ガス拡散層が、電極とフロープレートとの間に設けられ、フロープレートに接触している。

フロープレートは、強酸性溶液に接触している。陰極側では、プレートは、強酸化環境で加圧された空気にさらされている。陽極側では、プレートは、水素に接触している。このような条件下では、金属製のプレートは、腐食を起こす。プレートの腐食は、第１に、電解膜の作用を阻害する金属イオンの放出の原因となる。また第２に、金属上に絶縁酸化物を形成させ、従って、ガス拡散層に対する接触抵抗を増大させる。その結果、フロープレートとガス拡散層との間の電気抵抗が増加する。これらの現象により、燃料電池の性能は低下させられる。従って、フロープレートは、高い電導性を有すると同時に、酸化および腐食現象を回避しなければならない。

燃料電池を工業規模で生産することは、多様な構成部品の製造コストの大幅な増加を意味する。特に、フロープレートのコストは、今なお、大規模の利用には受け入れ難いものである。

コストを削減するため、フロープレートは、通常、２枚のフロープレートを有するバイポーラプレートとして形成される。工業的に試みられたある解決策では、ステンレススチールの２枚の金属シートが、レーザ溶接によって、背中合わせに押圧して接合され、隣り合った交換膜のためのフロープレートを形成している。溶接部は、流路の最下部に設けられており、２枚の背中合わせの金属シートの流路の最下部同士を接触させるようになっている。製造コストを削減するため、背中合わせの金属シートは、同じ幾何学的形状を有している。

特許文献１は、交換膜のスタックにかかる圧縮力の変動の影響を小とするようになっている燃料電池について記載している。バイポーラプレートは、２枚の金属シートを接合することによって形成されている。各金属シートには、ガスの流路が設けられている。多数の隣り合った流路が同じ方向に伸びている。２枚の金属シートは、これらのシートにおける流路の最下部を接触させ、次いでこれらの最下部を溶接して接合される。変動する圧縮力を吸収するため、２枚の接合される金属シートの適宜の流路の最下部の間に、スペースが設けられている。流路を横切る方向における圧縮力の変動を均一に吸収するために、連続するバイポーラプレート間の間隔はオフセットされている。

米国特許ＵＳ２００６０４６１３０

実際には、従来の燃料電池は、膜／電極接合体のレベルでは、作用は比較的不均一である。この不均一性は、膜／電極接合体の入力と出力との間におけるガスの湿度が高くなることに起因するものである。この不均一性によって、電流密度は局部的に大となり、炭素は局部的に腐食することとなる。

本発明は、これらの欠点の１つ以上を解消させようとするものである。特に本発明は、膜／電極接合体を通る電流密度の均一性にすぐれ、かつ低コストの燃料電池を得ることを目的としている。すなわち本発明は、燃料電池の改良に関するものである。

本発明の上記した以外の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら、本発明の範囲を決して制限しない実施態様に関する以下の説明から、一層明確になると思う。

本発明の燃料電池の一実施形態の分解斜視図である。 図１の燃料電池の拡大縦断面図である。 ２枚の重ね合わされたバイポーラプレートの溶接部の配置を示す略図である。 本発明による燃料電池の交換膜における電流密度を、従来技術による燃料電池と比較して示すグラフである。 ３枚の重ね合わされたバイポーラプレートの溶接部の配置を示す略図である。

発明者らは、バイポーラプレートのローカルな導電性が部分的に相違することにより、膜／電極接合体の作用の均一性に影響を与えることに留意した。特に、発明者らは、２枚の背中合わせの金属シート間の溶接部、およびその配置が、この不均一性にかなりの影響を与えることに留意した。

本発明は、第１および第２の金属製バイポーラプレートによって分離されている３つの隣り合った膜／電極接合体を備える燃料電池を提案するものである。バイポーラプレートは、溶接によって結合された２枚の対向する金属シートを備えている。

第１のバイポーラプレートの溶接部の少なくとも一部は、第２のバイポーラプレートの溶接部に重ね合わされておらず、第１のバイポーラプレートの溶接部は、第２のバイポーラプレートの溶接部に対して、縦方向および横方向にオフセットされている。

本発明では、バイポーラプレートおよび膜／電極接合体を横断する電流を、曲がりくねった経路に沿って通過させる。本発明は、固体高分子膜を通じて、電流密度の均一性を最適化する（従って、耐腐食性を高め、燃料電池のサービス寿命を延ばす）ものであり、しかも溶接部の密度の増加を必要とせず、従って、余計な生産コストも必要としない。本発明は、同じ場所でローカライズされた溶接部をシステマティックに使用して、バイポーラプレートを極限まで標準化するという、当業者の通常の手法に逆行するものである。さらに、バイポーラプレートを通じて交換膜を直列接続する場合、電気抵抗の最小化と、従って、電路の短縮化の探索とが行われるため、溶接のスペースを開けるように促されることがない。

図１は、本発明の一実施形態による燃料電池１の一部の概要を示す分解斜視図である。燃料電池１は、固体高分子膜または高分子電解質膜タイプのものである。燃料電池１は、積層された複数の交換膜５を備えている。燃料電池１は、個々の交換膜５の吸気口に水素（Ｈ_２）を供給する燃料源１１０を備えている。また、燃料電池１は、酸化体として用いられる酸素を含む空気を、個々の交換膜の吸気口に供給する空気源１１２を有している。また、各交換膜５は、図示しない排気流路を有している。また、各交換膜５は、図示しない冷却回路を有していてもよい。

各交換膜５は、膜／電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。図示の燃料電池１は、膜／電極接合体、すなわちＭＥＡ３１、３２、３３を備えている。各膜／電極接合体は、例えば高分子膜からなる電解質の層（接合体３１、３２、３３に対し、それぞれ３１１、３２１、３３１）を備えている。

また、膜／電極接合体は、電極のいずれか一方の側に置かれて、この電解質に固定されている（図１には示されていない）陰極と陽極（接合体３１、３２、３３に対して、それぞれ３１２、３２２、３３２）とを備えている。

電解質層は、プロトンの伝導を可能にするけれども燃料電池１の中に存在するガスを通さない、半透膜を形成している。また、電解質層は、陽極と陰極との間における電子の通過を阻止している。

各交換膜５は、それぞれ陽極と陰極とに対向するように配置されたフローガイドプレートを有している。各交換膜５は、さらに、陽極とガイドプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）を有している。さらに各交換膜５は、陰極とガイドプレートとの間に配置されたガス拡散層（図示せず）を有している。

隣り合う一対のＭＥＡの間に、１対のフローガイドが存在する。対を成すフローガイドは、固定的に結合されてバイポーラプレートを形成している。従って、燃料電池１は、（ＭＥＡ３１と３２との間に配置された）バイポーラプレート２１と、（ＭＥＡ３２と３３との間に配置された）バイポーラプレート２２と、バイポーラプレート２３とを有している。各フローガイドは、金属シートからなっている。従って、バイポーラプレート２１は、ＭＥＡ３１の陰極の方向に向かう金属シート４１と、ＭＥＡ３２の陽極の方向に向かう金属シート４２とを備えている。金属シート４１は、流路４１２を画定する彫り込み面４１１を備えている。金属シート４２は、流路４２２を画定する彫り込み面を備えている。金属シート４１と金属シート４２とは、バイポーラプレート２１、２２、２３についてそれぞれ溶接部２１１、２２１、２３１によって、固定的に結合されている。見やすいように、溶接部の数を減らして図示されており、これらの溶接部は非常に概略的に示されている。

本質的に公知のやり方で、燃料電池１の動作中に、空気は、ＭＥＡと金属シート４１との間を空気が流れ、水素（Ｈ_２）がＭＥＡと金属シート４２との間を流れる。陽極では、水素（Ｈ_２）がイオン化されてプロトンが生成され、プロトンはＭＥＡを通過する。この反応によって生成された電子は、金属シート４１によって集められる。次いで、生成された電子が、燃料電池１に接続された電気負荷に適用され、電流が形成される。陰極では、酸素が還元され、プロトンと反応して水が生成される。陽極および陰極における反応は、次の如くである。
陽極では、 Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
陰極では、 ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

動作中、燃料電池スタック１の交換膜は、陽極と陰極の間で、１ＶのオーダのＤＣ電圧を生成する。

本発明によれば、２つの隣り合ったバイポーラプレートの溶接部の少なくとも一部は、重ね合わされていない。２つの隣り合ったプレートの溶接部の表面の少なくとも５０％は、重ね合わされないと、有利である。従って、バイポーラプレート２１の溶接部２１１は、バイポーラプレート２２の溶接部２２１にはまったく重ね合わされていない。同様に、バイポーラプレート２３の溶接部２３１は、バイポーラプレート２２の溶接部２２１にはまったく重ね合わされていない。２つの隣り合ったバイポーラプレートの溶接部は、後に詳しく説明するように、縦方向と横方向とのいずれにもオフセットされている。従って、ＭＥＡを通るプロトン電流は、ＭＥＡに対してだけ垂直なのではなく、従って、ＭＥＡの表面上のプロトン電流密度は均一化される。

図２は、燃料電池１の変形例の略断面図である。ＭＥＡ３１は、陽極３１２および陰極３１３にそれぞれ配置されたガス拡散層３１４および３１５を備えている。ＭＥＡ３２は、陽極３２２および陰極３２３にそれぞれ配置されたガス拡散層３２４および３２５を備えている。ＭＥＡ３３は、陽極３３２および陰極３３３にそれぞれ配置されたガス拡散層３３４および３３５を備えている。ガス拡散層３１４、３２４、３３４は、水素（Ｈ_２）をそれらの陽極へ向かって拡散させる働きをする。ガス拡散層３１５、３２５、３３５は、酸素（Ｏ_２）をそれらの各々の陰極へ向かって拡散させる働きをする。ガス拡散層は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンのような疎水性物質が固定されているファイバ、フェルトまたはグラファイトの膜組織の形状として、本質的に公知のやり方で作ることができる。ガス拡散層３１５は、バイポーラプレート２１の金属シート４１に接触している。ガス拡散層３２４は、バイポーラプレート２１の金属シート４２に接触している。ガス拡散層３２５は、バイポーラプレート２２の金属シート４１に接触している。ガス拡散層３３４は、バイポーラプレート２２の金属シート４２に接触している。

金属シート４１は、長手方向に延びる連続的な流路４１２がその中に形成される彫り込みを有している。流路４１２は、横方向に分散している。金属シート４２は、縦方向に延びる連続的な流路４２２がその中に形成される彫り込みを有している。流路４２２は、横方向に分散している。流路４１２と４２２とは、重ね合わされている。金属シート４１および４２は、このように結合されていて、冷却液用の流路４３を相互に画定している。流路４１２は、最下部４１３によって境界を定められている。同様に、流路４２２は、最下部４２３によって境界を定められている。最下部４１３および４２３は、接触するようにレイアウトされている。理解しやすいように、図２は、縦方向のレベルに存在する溶接部を示す、平行面を持つ、分割した断面図である。バイポーラプレート２１では、溶接部２１１は、流路の最下部４１３および４１４に局部的に設けられている。バイポーラプレート２２では、溶接部２２１は、流路の最下部４１３および４１４に局部的に設けられている。簡単にするために、流路４１２および４２２に通じている金属シート４１および４２に設けられる吸気口および排気口は、示していない。

図３は、バイポーラプレートと直交する面に投影された、図２の燃料電池１の溶接部２１１および２２１の位置を示している。方向Ｘは、縦方向、すなわち、流路４１２および４２２の方向に相当する。方向Ｙは、横方向、すなわち、流路４１２および４２２の方向に相当する。実線で示す溶接部は、バイポーラプレート２１の溶接部２１１に相当する。点線で示す溶接部は、透過的に見たバイポーラプレート２２の溶接部２２１に相当する。図３に示すように、バイポーラプレート２１および２２の溶接部２１１および２２１は、まったく重ね合わされていない。溶接部２１１および２２１は、長手方向および横方向の双方に対してオフセットされている。溶接部２１１および２２１は、前記の投影面上に分散されている。溶接部２１１および２２１は、電流の経路をできるだけ曲がりくねらせるために、従って、その均一化を最適化するために、縦方向と横方向との両方にオフセットされている。バイポーラプレートの溶接部は、隣り合ったバイポーラプレートに属する最も近い溶接部の重心位置に配置されていると有利である。従って、この例では、各溶接部２２１は、４つの溶接部２１１の重心位置に配置されている。

図示の流路４１２は、略示である。多数のバイポーラプレートが存在する場合、別のバイポーラプレートが間に入れられている２枚のバイポーラプレートは、溶接の配置が同じである可能性がある。この例では、溶接部２１１と溶接部２２１とは、それぞれ同じ位置にある。

このような溶接部２１１は、典型的にはレーザによって形成される。これは、特に自動車の製造においては、広く用いられている手法である。

隣り合ったバイポーラプレートの溶接部の投影は、これらのプレートに垂直な方向に沿った同一平面上で、相互に、少なくとも５ｍｍ、好適には少なくとも１０ｍｍ、有利には少なくとも５０ｍｍ離れている。同じバイポーラプレート上の溶接部の分散を最適化するには、このプレートの溶接部は、相互に、少なくとも１０ｍｍ、好適には少なくとも２０ｍｍ、有利には少なくとも１００ｍｍ離れている。

溶接部の密集度は、本質的に、バイポーラプレートのシート４１と４２との間の結合の機械抵抗によって画定される。この溶接部の密集度は、ｃｍ^２当たりの溶接部が、０．１〜１の範囲であると有利である。また、溶接部の密集度は、溶接部の表面とバイポーラプレートの断面との比率によって規定することもできる。溶接部は、スポット溶接であってもよいし、共通部分を持つ直線継目溶接部、または曲線継目溶接部であってもよい。バイポーラプレート上に形成される溶接部は、電流密度の均一化に利するように、バイポーラプレート上に分散されていると有利である。また、溶接部は、動作中にバイポーラプレート内の温度分布に従って、バイポーラプレート上に配置することもできる。溶接部の位置は、バイポーラプレートに特別に適合され、その設計、その流路の形状に関連づけられ、また燃料電池１の中のＭＥＡの数に関連づけられている。

金属シート４１および４２は、ステンレススチールからなっていると有利である。ステンレススチールは、産業上の進歩に応じて普及した多くの方法に適合し、非常によく利用される材料である。金属シート４１および４２の彫り込み、特に流路４１２および４２２は、例えば、平らな金属シートを加圧成形するか、または打抜加工することによって形成される。燃料電池１の製造のためのコンポーネントの規模の効果を高める目的で、さまざまなバイポーラプレートの金属シートは、同一であってもよい。

図４は、シミュレーションによって得られた比較グラフである。このグラフは、ＭＥＡを通ったプロトン電流密度を、軸縦方向の位置の関数として比較したものである。点線は、先行技術における電流密度に相当し、実線は、本発明に基いて配置された溶接部における電流密度に相当する。本発明によって配置された溶接部により、電流密度の均一性に、顕著な改善が見られる。

図５は、図１の燃料電池１の概略断面図である。異なる金属からなるバイポーラプレート２１、２２、２３における流路は、重ね合わされて長手方向に伸びている。ここでは、流路４１２とバイポーラプレート２１とだけを示してある。図５は、バイポーラプレート２１、２２、２３における金属シートの溶接部を、バイポーラプレート２１上に投影した際の位置を示している。バイポーラプレート２１の溶接部を実線で示し、バイポーラプレート２２の溶接部を破線で示し、バイポーラプレート２３の溶接部を点で示している。本明細書で上記した変形形態の場合のように、２つの隣り合ったバイポーラプレートの溶接部は、縦方向および横方向にオフセットされている。

バイポーラプレート２１、２２、２３の間で電流の経路をできるだけ曲がりくねらせるために、異なるプレートにおける溶接部は、互いに重ね合わされておらず、２つの別個のプレートの溶接部は、縦方向および横方向にオフセットされている。経路を曲がりくねらせるために、バイポーラプレート２１とバイポーラプレート２３との間に配置されているバイポーラプレート２２の溶接部２２１は、バイポーラプレート２１またはバイポーラプレート２３かいずれかにおける４つの最も近い溶接部の共通重心位置に設けられている。従って、溶接部２２１は、２つの溶接部２１１と２つの溶接部２３１との間の共通重心位置に配置され、溶接部２２１に最も近い４つの溶接部は、バイポーラプレート２１とバイポーラプレート２３との間に分散されている。

１ 燃料電池
５ 交換膜
２１〜２３ バイポーラプレート
３１〜３３ 膜／電極接合体、すなわちＭＥＡ
４１、４２ 金属シート
４３ 流路
１１０ 燃料源
１１２ 空気源
２１１、２２１、２３１ 溶接部
３１１ 電解質の層
３１２ 陽極
３１３ 陰極
３１４、３１５ ガス拡散層
３２１ 電解質の層
３２２ 陽極
３２３ 陰極
３２４、３２５ ガス拡散層
３３１ 電解質の層
３３２ 陽極
３３３ 陰極
３３４、３３５ ガス拡散層
４１１ 彫り込み面
４１２ 流路
４１３、４１４ 最下部
４２２ 流路
４２３ 最下部

Claims (10)

1. −少なくとも３つの膜／電極接合体（３１、３２、３３）と、
   −前記膜／電極接合体の間に配置された少なくとも第１および第２のバイポーラ金属プレート（２１、２２）とを備え、
   各バイポーラプレートは、それぞれの膜／電極接合体に対向し、かつ、溶接部（２１１、２２１、２３１）によって固定的に結合されている、２枚の金属シート（４１、４２）を備え、
   前記２枚の金属シートは、同じ方向に伸びる、ガスを誘導するための連続的な流路（４１２、４２２）を備え、
   前記誘導用流路は、側方向に分散され、
   前記溶接部は、前記誘導用流路の最下部（４１３、４２３）に形成されており、
   前記第１のバイポーラプレートの溶接部（２１１）の少なくとも一部は、前記第２のバイポーラプレートの溶接部に重ね合わされておらず、前記第２のバイポーラプレートの溶接部（２２１）に対して、縦方向および横方向にオフセットされていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１のバイポーラプレートの溶接部（２１１）は、前記第２のバイポーラプレートの溶接部（２２１）にまったく重ね合わされていないことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１および第２のバイポーラプレートの溶接部の、これらのプレートに垂直な方向の同一面上での投影は、相互に、少なくとも５ｍｍ、好適には少なくとも１０ｍｍ、有利には少なくとも５０ｍｍ離れていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記第１のバイポーラプレートの前記溶接部は、それぞれ、前記第２のバイポーラプレートの最も近い溶接部の共通重心に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. さらに第３のバイポーラプレートを備え、
   前記第２のバイポーラプレートが、前記第１のバイポーラプレートと第３のバイポーラプレートとの間に配置され、
   前記第３のバイポーラプレートは、溶接部によって固定的に結合された２つの金属シートを備え、
   前記第２の金属シートは、同一の縦方向に沿って伸びる、ガスを誘導するための連続的な流路を備え、
   前記誘導用流路は、横方向に分散され、
   前記溶接部は、前記誘導用流路の最下部に設けられ、
   前記第３のバイポーラプレートの溶接部の少なくとも一部は、前記第１および第２のバイポーラプレートの溶接部に対して縦方向および横方向にオフセットされ、
   前記第２のバイポーラプレートの前記溶接部は、それぞれ、前記第１または第３のバイポーラプレートにおける前記４つの最も近い溶接部の共通重心に配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記第１および第２のバイポーラプレートの溶接部の密集度は、１ｃｍ^２当たり０．１〜１の範囲にあることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記バイポーラプレートの溶接部は、前記バイポーラプレート上に均一に分散されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記金属シート（４１、４２）は、ステンレススチールからなることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 前記金属シート（４１、４２）は、冷却液用の流路（４３）を画定していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
10. 前記溶接部は、スポット溶接部または直線シーム溶接部であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。

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