JP2020521301A - 燃料電池を製造するための方法および燃料電池 - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池を製造するための方法に関し、前記燃料電池が、メンブレンによって互いに分離された第１の電極および第２の電極を備えた少なくとも１つのメンブレン電極ユニットと、少なくとも１つのバイポーラプレートとを有しており、前記バイポーラプレートが、燃料を前記第１の電極に分配するための第１の分配領域と、酸化剤を前記第２の電極に分配するための第２の分配領域とを有しており、前記方法が、ａ）平らな製織品（８０）を製造するステップと、ｂ）それぞれ１つのテクスチャ付与された表面（９３）を有する２つのローラ（９０）の間に前記製織品（８０）を通し、これにより前記製織品（８０）に複数の隆起部（３２）が生ぜしめられるように、前記製織品（８０）を成形するステップと、ｃ）このようにして生ぜしめられた分配ユニット（３０）を、少なくとも１つの前記バイポーラプレートの少なくとも１つの前記分配領域内に配置するステップと、を有している。本発明は、本発明による方法に従って製造された燃料電池に関するものでもある。【選択図】

Description

本発明は、燃料電池を製造するための方法であって、燃料電池が、メンブレンによって互いに分離された第１の電極および第２の電極を備えた少なくとも１つのメンブレン電極ユニットと、少なくとも１つのバイポーラプレートとを有しており、このバイポーラプレーが、燃料を前記第１の電極に分配するための第１の分配領域と、酸化剤を第２の電極に分配するための第２の分配領域とを有している方法に関する。本発明はまた、本発明による方法に従って製造された燃料電池にも関する。

燃料電池は、連続的に供給された燃料および酸化剤の化学的反応エネルギを反応させて電気エネルギに変換するガルヴァーニ電池である。つまり、燃料電池は電気化学的なエネルギ変換器である。公知の燃料電池においては、特に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とが、水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギおよび熱に変換される。

とりわけ、陽子交換膜（Ｐｒｏｔｏｎ−Ｅｘｃｈａｎｇｅ−Ｍｅｍｂｒａｎｅ＝ＰＥＭ）−燃料電池が公知である。陽子交換膜−燃料電池は、中央に配置されたメンブレンを有しており、このメンブレンは、陽子、つまり水素イオンを透過させる。これにより、酸化剤、特に空中酸素は、空間的に燃料、特に水素から分離されている。

陽子交換膜−燃料電池はさらに、アノードとカソードを有している。燃料は、燃料電池のアノードに供給され、触媒作用により電子を放出して陽子に酸化される。陽子はメンブレンを透過してカソードに達する。放出された電子は、燃料電池から導出されて、外部の電気回路を介してカソードに流れる。

酸化剤は、燃料電池のカソードに供給され、外部の電気回路から電子を取り込むことにより反応して、メンブレンを透過してカソードに達した陽子を水にする。このようにして発生した水は、燃料電池から導出される。全体反応は、次の通りである。
Ｏ_２+４Ｈ⁺+４ｅ^-→２Ｈ_２Ｏ

この場合、燃料電池のアノードとカソードとの間に電圧が印加する。電圧を高くするために、複数の燃料電池が機械的に直列的に１つの燃料電池スタックに配置され、かつ電気的に直列に接続されてよい。

アノードに燃料を均一に分配し、かつ酸化剤をカソードに均一に分配するために、バイポーラプレートが設けられている。バイポーラプレートは、燃料並びに酸化剤を電極に分配するための、例えば複数の流路状の構造を有している。流路状の構造はさらに、反応時に発生した水を導出するために用いられる。バイポーラプレートはさらに、水を導出するための、燃料電池を通って冷却液を貫流ガイドするための構造を有していてよい。

特許文献１から、２つのプレート半部より構成されたバイポーラプレートを有する燃料電池が公知である。この場合、２つのプレート半部のそれぞれは分配領域を有しており、この分配領域は反応ガスを分配するために設けられている。

独国特許出願公開第１０２０１２２２１７３０号明細書

燃料電池を製造するための方法が提案される。この場合、燃料電池は、メンブレンによって互いに分離された第１の電極および第２の電極を備えた少なくとも１つのメンブレン電極ユニットと、少なくとも１つのバイポーラプレートとを有しており、このバイポーラプレートが、燃料を第１の電極に分配するための第１の分配領域と、酸化剤を第２の電極に分配するための第２の分配領域とを有している。この場合、この方法は、以下に説明される複数のステップを有している。

ステップａ）で、平らな製織品が製造される。製織品とは、本発明の意図では、互いに織り合わされたワイヤ、糸または繊維から構成された構造のことである。この場合、製織品は比較的平らに構成されている。従って、製織品は、一つの面が、この面上で直角に位置する方向におけるよりも著しく広く延在している。

ステップｂ）で、製織品は、テクスチャ付与されたそれぞれ１つの表面を有する２つのローラの間を通される。この際に、製織品はローラによって成形される。これにより、特に製織品は、製織品の複数の隆起部が生ぜしめられるように、成形される。このようにして複数の隆起部を有する製織品が、分配ユニットを形成する。

ステップｃ）で、このようにして生ぜしめられた分配ユニットが、少なくとも１つのバイポーラプレートの少なくとも１つの分配領域内に配置される。好適な形式で、分配ユニットは第２の分配領域内に配置され、この第２の分配領域は、酸化剤を第２の電極に分配するために、並びに反応により発生した水を導出するために用いられる。分配ユニットは、選択的にまたは追加的に、燃料を第１の電極に分配するために第１の分配領域内に配置されてもよい。

製織品を通してガイドするための２つのローラは、それぞれ１つの回転軸線を中心にして回転し、この場合、２つのローラの回転軸線は互いに平行に延びている。この場合、２つのローラは同じ回転速度で逆方向に回転する。特に２つのローラは、製織品を通してガイドするための領域内で、テクスチャ付与された表面が製織品と同じ搬送方向で移動するように、回転する。

２つのローラは、好適には概ね円筒形であって、ひいてはローラの回転軸線に対して回転対称的に構成されている。回転軸線に沿って延びる方向は、以下では軸方向と呼ばれる。回転軸線から表面に向かって外方に延びる方向は、以下では半径方向と呼ばれる。表面に沿って接線方向に延びる方向は、以下では周方向と呼ばれる。この場合、半径方向は、軸方向に対して直角、かつ周方向に対して直角に向けられている。

本発明の好適な実施態様によれば、２つのローラのテクスチャ付与された表面は複数の突起を有している。突起とは、これに関連して、半径方向で局所的に制限された大きさであると解釈されてよい。

本発明の好適な発展形態によれば、２つのローラのテクスチャ付与された表面の前記複数の突起は、軸方向に直線状に延在している。

本発明の別の好適な発展形態によれば、２つのローラの前記テクスチャ付与された表面の前記複数の突起は、軸方向に対して傾斜してかつ周方向に対して傾斜して、直線状に延在している。

本発明の別の好適な発展形態によれば、２つのローラのテクスチャ付与された表面の前記複数の突起は、周方向で往復しながら軸方向に延在している。簡単に表現すれば、２つのローラのテクスチャ付与された表面の複数の突起は、蛇行状若しくはジグザグ状に延在している。

好適には、分配ユニットが形成される製織品は、多孔性かつ導電性に構成されている。これによって、分配ユニットは、酸化剤並びに燃料のためにも、また導出しようとする水のためにも透過性である。さらに、分配ユニットは、電極との導電接続を形成する。これにより、分配ユニットは、電気化学反応により燃料電池内で解放された電子を誘導することができる。

分配ユニットが形成される製織品は、好適には、少なくとも１つの金属を含有する繊維を有している。金属を含有する繊維は、特に分配ユニットの導電性を保証する。金属を含有する繊維のための可能な材料としては、例えばチタン、銅、ニッケル、アルミニウムまたは特殊鋼が適している。

分配ユニットが形成される製織品は、好適には少なくとも１つの炭素を含有する繊維を有している。炭素を含有する繊維は特に耐食性であって、分配ユニットの必要とされる機械的安定性を追加的に高める。

分配ユニットが形成される製織品は、好適には少なくとも１つのプラスチックを含有する繊維を有している。プラスチックを含有する繊維は、別の材料より成る繊維と比べて比較的軽量であり、従って分配ユニットの重量を低減させる。さらに、プラスチックを含有する繊維は安価であり耐食性である。

本発明の好適な発展形態によれば、分配ユニットが形成される製織品は、少なくとも２つの異なる種類の繊維を有している。これにより、分配ユニットの好適な特性は、用途に応じて最適化され得る。これに関連して、繊維とは、ワイヤともまたは糸とも解釈されてよい。

本発明の好適な実施態様によれば、分配ユニットは、製織品の隆起部が、電極の一方に接触するように、バイポーラプレートの分配領域内に配置されている。分配ユニットが、酸化剤を分配するために並びに反応時に発生する水を導出するために用いられる第２の分配領域内に配置されていれば、隆起部は第２の電極と接触する。分配ユニットが、燃料を分配するための第１の分配領域内に配置されていれば、隆起部は第１の電極に接触する。

本発明による方法に従って製造された燃料電池も提案される。特に、燃料電池は、メンブレン電極ユニットの両側にそれぞれ１つのバイポーラプレートが接続し、この場合、バイポーラプレートの少なくとも１つの分配領域内に分配ユニットが配置されているように、構成されている。

隆起部を有する製織品から形成された分配ユニットによって、バイポーラプレートの分配領域内に反応ガスを分配するための適切な構造が形成され得る。製織品は、特に発泡材と比較して、非常に簡単かつ安価に製造することができる。分配ユニットを通ってガス、特に燃料または酸化剤が貫流する際に、バイポーラプレート内に比較的僅かな圧力損失が生じるだけである。この場合、テクスチャ付与された表面を有するローラによって、平らな製織品を成形することは、その他の成形技術、例えばエンボシングと比較して、特に簡単かつ安価である。特に、製織品は２つのローラの間を連続的に通して案内され得る。この場合、製織品は、例えばエンボシングにおけるように締め付けられておらず、次の製織品を増締めすることによって成形が得られる。これにより、可能な幾何学形状の選択は、エンボシングと比較して明らかに広げられている。２つのローラの回転軸線の間隔を互いに変化させることによって、隆起部の形状および大きさをさらに調整することができる。

複数の燃料電池を備えた燃料電池スタックの概略図である。 分配ユニットの製造の概略図である。 第１変化例によるローラの斜視図である。 第１変化例による分配ユニットの斜視図である。 第２変化例によるローラの斜視図である。 第２変化例による分配ユニットの斜視図である。 第３変化例によるローラの斜視図である。 第３変化例による分配ユニットの斜視図である。 図１に示した燃料電池スタックのバイポーラプレートの断面図である。

本発明の実施例を、図面および以下の説明を用いて詳しく説明する。

本発明の実施例の以下の説明において、同じまたは類似の構成要素には同じ符号が付けられており、この場合、これらの構成要素の繰り返しの説明は個別のケースにおいて省かれる。図面は、本発明の対象を概略的に示すだけである。

図１は、複数の燃料電池２を備えた燃料電池スタック５の概略図を示す。各燃料電池２はメンブレン電極ユニット１０を有しており、このメンブレン電極ユニット１０は、第１の電極２１、第２の電極２２およびメンブレン１８を有している。２つの電極２１，２２は、メンブレン１８の互いに反対側に配置されていて、従ってメンブレン１８により互いに分離されている。第１の電極２１は以下ではアノード２１とも呼ばれ、第２の電極２２は以下ではカソード２２とも呼ばれる。メンブレン１８は、高分子電解質膜として構成されている。メンブレン１８は、水素イオン、つまりＨ^＋イオンを透過させる。

各燃料電池２はさらに２つのバイポーラプレート４０を有しており、これらのバイポーラプレート４０はその両側がメンブレン電極ユニット１０に接続している。燃料電池スタック５内における複数の燃料電池２のここに示した配置において、各バイポーラプレート４０は、互いに隣接し合って配置された２つの燃料電池２に属していると見なされてよい。

バイポーラプレート４０は、アノード２１に面した、燃料を分配するためのそれぞれ１つの第１の分配領域５０を有している。バイポーラプレート４０は、カソード２２に面した、酸化剤を分配するためのそれぞれ１つの第２の分配領域６０も有している。第２の分配領域６０は同時に、燃料電池２内での反応時に生成された水を導出するために用いられる。第２の分配領域６０内に分配ユニット３０が配置されている。

バイポーラプレート４０は、ここでは第３の分配領域７０を有しており、この第３の分配領域７０は、第１の分配領域５０と第２の分配領域６０との間に配置されている。第３の分配領域７０は、バイポーラプレート４０を通して冷却剤を貫流させるために用いられ、ひいては燃料電池２および燃料電池スタック５を冷却するために用いられる。

第１の分配領域５０と第３の分配領域７０とは、第１の分離プレート７５によって互いに分離されている。第２の分配領域６０と第３の分配領域７０とは、第２の分離プレート７６によって互いに分離されている。バイポーラプレート４０の分離プレート７５，７６は、ここでは薄い金属薄板として構成されている。

燃料電池２の運転中に、燃料は第１の分配領域５０を介してアノード２１に導かれる。同様に、酸化剤は、分配ユニット３０を有する第２の分配領域６０を介してカソード２２に導かれる。燃料、ここでは水素は、アノード２１において、触媒作用により電子を放出して陽子、つまり水素イオンに酸化される。陽子はメンブレン１８を通ってカソード２２に達する。放出された電子は、燃料電池２から導出され、外部の電気回路を介してカソード２２に流れる。酸化剤、ここでは空中酸素は、外部の電気回路から電子を取り込むことにより反応して、メンブレン１８を透過してカソード２２に達した陽子を水にする。

図２は、分配ユニット３０の製造の概略図を示す。金属含有繊維８１、炭素含有繊維８２およびプラスチック含有繊維８３が、ウェブ装置８５に供給される。ウェブ装置８５内で、金属含有繊維８１、炭素含有繊維８２およびプラスチック含有繊維８３を織ることによって、平らな製織品８０が製造される。

平らな製織品８０は２つのローラ９０間を通され、これらのローラ９０はそれぞれ１つのテクスチャ付与された表面９３を有している。２つのローラ９０はそれぞれ回転軸線Ａを中心にして回転し、この場合、２つのローラ９０の回転軸線Ａは互いに平行に延びている。２つのローラ９０は、２つの方向矢印Ｂにより示されているように、逆方向に同じ回転速度で回転する。

２つのローラ９０は、概ね円筒形であり、従ってその回転軸線Ａに対して概ね回転対称的に構成されている。回転軸線Ａに沿って延びる方向は、以下では軸方向Ｘと呼ばれる。回転軸線Ａから表面９３に向かって外方に延びる方向は、以下では半径方向Ｒと呼ばれる。表面９３に沿って接線方向に延びる方向は、以下では周方向Ｕと呼ばれる。この場合、半径方向Ｒは、軸方向Ｘに対して直角、かつ周方向Ｕに対して直角に向けられている。

２つのローラ９０のテクスチャ付与された表面９３は、周方向Ｕに沿って複数の突起９５を有している。突起９５とは、これに関連して、半径方向Ｒで局所的に制限された大きさのことであると解釈されてよい。製織品８０を２つのローラ９０の間に通す際に、製織品８０は、該製織品８０の複数の隆起部３２が生ぜしめられるように複数の突起９５によって成形される。これにより、複数の隆起部３２を有する製織品８０は、分配ユニット３０を形成する。

次のステップで、分配ユニット３０の、所望の若しくは必要とされる寸法への裁断が行われる。分配ユニット３０の裁断は、例えば打ち抜き成形またはレーザカットによって行われる。

図３は、第１の変化例によるローラ９０の斜視図を示す。ローラ９０のテクスチャ付与された表面９３は複数の突起９５を有しており、これらの突起９５は軸方向Ｘに直線状に延在している。

図４は、第１の変化例による２つのローラ９０を用いて製造された、第１の変化例による分配ユニット３０の斜視図を示す。分配ユニット３０の複数の隆起部３２は、真っすぐにかつ互いに平行に延在している。

図５は、第２の変化例によるローラ９０の斜視図を示す。ローラ９０のテクスチャ付与された表面９３は複数の突起９５を有しており、これらの突起９５は、周方向Ｕで往復しながら軸方向Ｘに延在している。簡単に表現すれば、複数の突起９５は、表面９３上で蛇行状またはジグザグ状に延在している。

図６は、第２の変化例による２つのローラ９０を用いて製造された、第２の変化例による分配ユニット３０の斜視図を示す。分配ユニット３０の複数の隆起部３２は、蛇行状に、かつ互いに同じ間隔を保って延在している。

図７は、第３の変化例によるローラ９０の斜視図を示す。ローラ９０のテクスチャ付与された表面９３は複数の突起９５を有しており、これらの突起９５は、軸方向Ｘに対して傾斜して、かつ周方向Ｕに対して傾斜して真っすぐに延在している。

図８は、第３の変化例による２つのローラ９０を用いて製造された、第３の変化例による分配ユニット３０の斜視図を示す。分配ユニット３０の複数の隆起部３２は、真っすぐに、かつ互いに平行に延在している。この場合、分配ユニット３０の複数の隆起部３２は、分配ユニット３０を仕切る縁部に対して傾いて延びている。

図９は、２つのメンブレン電極ユニット１０の間に配置された、図１に示した燃料電池スタック５のバイポーラプレート４０の断面図を示す。分離プレート７５，７６は、平らな薄い金属薄板として構成されていて、これらの分離プレート７５，７６間に、冷却剤を通すための第３の分配領域７０を形成する。隣接するメンブレン電極ユニット１０の第１の分離プレート７５とアノード２１との間に、第１の分配領域５０が位置している。

別の隣接するメンブレン電極ユニット１０の第２の分離プレート７６とカソード２２との間に第２の分配領域６０が位置しており、この第２の分配領域６０内に分配ユニット３０が配置されている。分配ユニット３０は、製織品８０の複数の隆起部３２がカソード２２に接触するように配置されている。さらに、分配ユニット３０は第２の分離プレート７６にも接触する。

燃料、ここでは水素は、第１の流れ方向４３で第１の分配領域５０内に導かれる。酸化剤、ここでは空中酸素は、第２の流れ方向４４で第２の分配領域６０内に導かれる。この実施例では、第１の流れ方向４３と第２の流れ方向４４とは互いに平行に延在している。第１の流れ方向４３と第２の流れ方向４４とが、逆向きにまたは互いに直交して延在することも考えられる。

本発明は、ここに説明した実施例およびこの実施例中で強調された態様に限定されるものではない。むしろ、請求項によって提示された範囲内で、当業者による取り扱いの範囲内にある多くの変化例が可能である。

２ 燃料電池
５ 燃料電池スタック
１０ メンブレン電極ユニット
１８ メンブレン
２１ 第１の電極、アノード
２２ 第２の電極、カソード
３０ 分配ユニット
３２ 隆起部
４０ バイポーラプレート
４３ 第１の流れ方向
４４ 第２の流れ方向
５０ 第１の分配領域
６０ 第２の分配領域
７０ 第３の分配領域
７５ 第１の分離プレート
７６ 第２の分離プレート
８０ 製織品
８１ 金属含有繊維
８２ 炭素含有繊維
８３ プラスチック含有繊維
８５ ウェブ装置
９０ ローラ
９３ 表面
９５ 突起
Ａ 回転軸線
Ｂ 方向矢印
Ｒ 半径方向
Ｕ 周方向
Ｘ 軸方向

Claims (10)

1. 燃料電池（２）を製造するための方法であって、前記燃料電池（２）が、メンブレン（１８）によって互いに分離された第１の電極（２１）および第２の電極（２２）を備えた少なくとも１つのメンブレン電極ユニット（１０）と、少なくとも１つのバイポーラプレート（４０）とを有しており、前記バイポーラプレート（４０）が、燃料を前記第１の電極（２１）に分配するための第１の分配領域（５０）と、酸化剤を前記第２の電極（２２）に分配するための第２の分配領域（６０）とを有している方法において、
   前記方法が、
   ａ）平らな製織品（８０）を製造するステップと、
   ｂ）それぞれ１つのテクスチャ付与された表面（９３）を有する２つのローラ（９０）の間に前記製織品（８０）を通し、これにより前記製織品（８０）に複数の隆起部（３２）が生ぜしめられるように、前記製織品（８０）を成形するステップと、
   ｃ）このようにして生ぜしめられた分配ユニット（３０）を、少なくとも１つの前記バイポーラプレート（４０）の少なくとも１つの前記分配領域（５０，６０）内に配置するステップと、
   を有している、燃料電池（２）を製造するための方法。
2. 前記ローラ（９０）をそれぞれ、互いに平行に延びる回転軸線（Ａ）を中心にして回転させ、この際に、前記ローラ（９０）を同じ回転速度で逆方向に回転させる、請求項１記載の方法。
3. 前記テクスチャ付与された表面（９３）が、軸方向（Ｘ）に直線状に延びる複数の突起（９５）を有している、請求項２記載の方法。
4. 前記テクスチャ付与された表面（９３）が、直線状に、軸方向（Ｘ）に対して傾斜して、かつ周方向（Ｕ）に対して傾斜して延在している複数の突起（９５）を有している、請求項２記載の方法。
5. 前記テクスチャ付与された表面（９３）が複数の突起（９５）を有しており、これらの突起（９５）が、周方向（Ｕ）で往復しながら軸方向（Ｘ）に延在している、請求項２記載の方法。
6. 前記製織品（８０）を多孔性で導電性に構成する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記製織品（８０）が、少なくとも１つの金属含有繊維（８１）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記製織品（８０）を、少なくとも２つの異なる種類の繊維から製造する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記分配ユニット（３０）を、前記製織品（８０）の前記複数の隆起部（３２）が前記電極（２１，２２）の一方に接触するように、前記分配領域（５０，６０）内に配置する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 燃料電池（２）であって、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法に従って製造された燃料電池（２）。

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