JP4920133B2 - 燃料電池のためのバイポーラプレートおよびこのようなプレートを具備した燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のためのバイポーラプレートに関するものである。
【０００２】
本発明は、また、少なくとも１つのそのようなプレートを具備した、特に固体電解質タイプの、燃料電池に関するものである。
【０００３】
本発明の属する技術分野は、燃料電池の技術分野と規定することができ、特に、固体ポリマー電解質タイプの燃料電池の技術分野と規定することができる。
【０００４】
固体ポリマー電解質タイプの燃料電池は、特に、熱的エンジン自動車による汚染を解決するために現在多数の開発プログラムの主題となっている電気自動車に、応用することができる。
【０００５】
例えば水素やアルコールといったような車両搭載型エネルギータンクに関連した電気化学的エネルギー変換器として機能する固体ポリマー電解質燃料電池の場合には、電気自動車におけるバッテリの使用に関連した充電時間や充電コストといったような特にモータ車両に関連した問題点を克服することができる。
【０００６】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
電気エネルギーを生成するための燃料電池の概略構成が、図１に部分的に図示されている。
【０００７】
アノード隔室（２）とカソード隔室（３）とを隔離するために、イオン交換タイプのメンブランが使用されている。この場合、アノード隔室（２）においては、 ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- という反応式に従って、例えば水素Ｈ₂ （４）といったような燃料の酸化が起こり、カソード隔室（３）においては、
Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ という反応式に従って、例えば周囲雰囲気中の酸素Ｏ₂ （５）といったような酸化剤の還元が起こり、水（６）が生成される。アノードとカソードとは、外部回路（１０）を介して接続されている。生成された水は、電気浸透による拡散によって両隔室間を移動する（矢印１１，１２）。
【０００８】
イオン伝導性メンブランは、通常は、水素の酸化によってアノードに生成されたプロトン（９）を水の存在下において伝導させるようなイオングループを含有した過フッ素イオノマータイプの有機メンブランとされる。
【０００９】
このメンブランの厚さは、数十ミクロン〜数百ミクロンとされ、機械的強度と電気抵抗による電圧降下との妥協によって決められる。このメンブランは、また、気体の隔離を可能としている。メンブランの化学的耐性および電気化学的耐性により、通常、１，０００時間を超える期間にわたってのバッテリ動作がもたらされている。
【００１０】
メンブランの両サイド上に配置された両バルク電極（１３）は、通常、活性領域（１４）と拡散領域（１５）とを備えている。活性領域は、例えば白金といったような貴金属粒（１６）によってカバーされた多孔質グラファイトと、イオン導電性ポリマーから形成されるとともにメンブランと同様の構成とされていてイオン伝導性をもたらす薄いコーティング層と、を有している。拡散領域（１５）は、例えばＰＴＦＥによってコーティングされたグラファイトといったような、疎水性ポリマーを適用することによって疎水化された多孔質材料とされる。疎水性のために、液体水分が排出される。
【００１１】
白金粒の表面上における例えば水素の酸化によってアノードで生成されたプロトン（９）は、メンブランを通過して、カソードへと搬送される。カソードにおいては、プロトンは、例えば周囲雰囲気中の酸素の還元によって生成されたイオンと再結合して、水（６）を生成する。
【００１２】
このようにして生成された電子（１７）は、例えば外部回路（１０）内に配置された電気モータ（１８）に対しての、電力供給源となることができる。この反応の副生成物は、水だけである。
【００１３】
メンブランと電極とからなる組は、ミリメートルの程度の厚さを有した非常に薄いアセンブリであり、各電極には、例えば溝付きのプレートを通して、背面側から気体が供給される。
【００１４】
このような再結合によって得られる電力密度は、水素と酸素とを使用する場合には通常０．５〜２Ｗ／ｃｍ² の程度のものであるので、標準的な電気自動車にとって必要な例えば５０ｋＷという電力量を得るには、このようなバルク電極／メンブラン／バルク電極構造を、複数組み合わせる必要がある。
【００１５】
換言すれば、特に電気自動車において燃料電池を使用する場合、所望電力を得るためには、１個の構造あたりの表面積が２０×２０ｃｍ² であるような構造を、多数組み合わせる必要がある。
【００１６】
この目的のために、２つの電極とメンブランとから形成され燃料電池の基本電池構成を形成する各組が、２つの透過可能プレート（７，８）間に配置される。２つの透過可能プレートは、一方においては、アノード側における水素分散をもたらし、他方においては、カソード側における酸素分散をもたらす。これら両プレートは、バイポーラプレートと称される。
【００１７】
燃料電池において使用されるバイポーラプレートは、いくつかの要求を満たさなければならない。すなわち、バイポーラプレートは、次の基準すなわち要求に適合したものであるべきである。
−フィルタ／プレスタイプのアセンブリ内における複数のバルク電極／メンブラン組に対して機械的耐性を有していること。これと同時に、特に電気自動車への応用に際して、全体容積を許容可能なものとするために、数ミリメートルの厚さへと、厚さが制限されていること。
−電池の動作と効率とを低下させないよう（過度の加熱）電気抵抗による電圧降下を制限するため、可能な最大の電子伝導性と熱伝導性とが得られるよう、隣接しているバルク電極／メンブラン組どうしの間において電子伝導と熱伝導とをもたらし得ること。
−気体密封性をもたらし得ること。同時に、電池における特定の動作条件に関連した熱的腐食および電気化学的腐食に対して耐性を有していること。
−電極に対しての供給ガスの一様な分布をもたらすような拡散経路を備えていること。
−過剰の水を除去するための部材を備えていること。
−冷却部材を備えていること。
【００１８】
気体分散のために、バイポーラプレートには、例えば一辺の長さが約１〜２ｍｍとされているような正方形断面または長方形断面の複数の気体分散チャネル（１９）が、機械加工されている。これらチャネルは、電極に気体を供給するためのものであって、できる限り一様に気体を供給できるよう、電極の表面全体にわたって曲折するように構成されている。これらチャネルは、また、生成された水を、回収して外部に排出することができる。これらチャネルは、通常、互いに１８０°だけ隔離されており下向きに曲げられている、水平部分を備えている。
【００１９】
気体導入部と気体導出部との間の圧力損失を最小化するために、また、メンブランの両面間に過度に大きな圧力差が発生することを防止するために、１つのバイポーラプレートすなわち分散プレートあたりに、複数のチャネルを、例えば互いに平行なものとして、配置することができる。
【００２０】
正方形断面または長方形断面の気体分散チャネルを備えたそのようなバイポーラプレートが設けられている場合であっても、電池の性能が、なおも不満足なものであることに注意されたい。特に、Ｈ₂ ／空気中で動作したときに得られる最大電圧が約０．５Ｖ〜０．７Ｖと低く、不満足なものである。
【００２１】
さらに、伝達される電圧は、時間的に著しい不安定性を示す。偶発的に大きなかつ全体的な予測不可能な変動が起こってしまうことが避けられないため、長期にわたって最大電圧を維持することが困難である。
【００２２】
このような問題点は、明らかに、燃料電池デバイス内を移動する、特にバイポーラプレートの気体分散チャネル内を移動する、様々な気体および液体流体の移動に関連しているものと考えられる。
【００２３】
他方、現在使用されているバイポーラプレートは、樹脂が含浸されているグラファイトであるか、あるいは、ステンレススチールであるか、のいずれかである。いずれの場合においても、バイポーラプレートにおける気体供給用のグルーブまたはチャネルまたは溝を形成するために、時間を要しさらにコストがかかりしかも複雑な機械加工を行うことが必要である。
【００２４】
このため、従来品の全コストのうちの６０〜７０％を、プレートのコストが占めることが示された。この場合、プレートのコストの本質的ではないけれども大きな部分が、機械加工に関連している。
【００２５】
よって、近年、数々の進歩がなされ、白金の使用量を低減することによって燃料電池のコスト低減がもたらされたけれども、メンブランの製造にかかるコストについては、プレートに関してさらなる進歩が実質的になされる必要がある。製造方法を簡略化する必要がある。特に、気体分散経路の形成に関しての機械加工操作を簡略化する必要がある。
【００２６】
プレートの製造コストの低減をもたらす製造に関してのそのような簡略化は、燃料電池のコストに影響を与え、燃料電池のコストを、熱エンジンのコストと同等の価格帯のものとする。
【００２７】
したがって、固体電解質燃料電池において使用されたときに、とりわけ得られる最大電圧に関して性能の向上をもたらし得るような、また、性能の予測不可能な突発的な変動を起こすことなく長期にわたって高性能を維持できるような、さらに、上述の様々な要求を満たすような、燃料電池用のバイポーラプレートが、特に固体電解質燃料電池用のバイポーラプレートが、要望されている。
【００２８】
加えて、少ないステップ数でもって低コストで簡単に製造でき、また、機械加工操作に要する時間やコストを低減することができてバイポーラプレートのコストを低減できこれによりバイポーラプレートを具備した燃料電池のコストを低減し得るような方法によって製造できるような、バイポーラプレートの製造方法が要望されている。
【００２９】
したがって、本発明の目的は、上述の様々な要求のすべてを満たし、また、従来技術の夜バイポーラプレートにおける欠点や不利や欠陥や制限を一切有しておらず、さらに、従来技術によるバイポーラプレートにおける問題点を解決し得るような、燃料電池用のバイポーラプレートを提供することである。
【００３０】
また、本発明の目的は、単純でありかつ低コストでありさらに短時間で行えるような、燃料電池用のバイポーラプレートの製造方法を提供することである。
【００３１】
最後に、本発明の目的は、特に得られる最大電圧について性能が向上されているような、また、そのような高性能が長期にわたって安定しているような、さらに、製造コストが低減されているような、燃料電池デバイスを提供することである。このような燃料電池デバイスは、特に、電気自動車において使用することが可能となる。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記のおよび他の目的は、本発明に基づき、燃料電池のためのバイポーラプレートであって、少なくとも１つの面に、隣接する電極表面と協働することによって少なくとも１つの気体分散チャネルを形成し得る少なくとも１つの溝を備え、気体分散チャネルが、気体分散チャネル内を移動する２相移動の中の液体を電極表面から離間する向きに移動させ得るような、形状とされているようなバイポーラプレートによって得られる。
【００３３】
一般に、隣接した電極表面は、実質的に鉛直方向を向いた面である。
【００３４】
好ましくは、チャネルの横断面が、気体分散チャネル内を移動する２相移動の中の液体を電極表面から離間する向きに移動させ得るような、形状を有したものとされる。
【００３５】
チャネルの形状すなわち特定形状により、特に、本発明による気体分散チャネルの横断面形状により、液体は、電極から離間する向きに移動する。あるいは、好ましくは、液体を、電極表面から離間した領域に向けて移動させることができる。例えば、溝またはチャネルの『底面』として定義することのできる領域に向けて移動させることができる。これにより、水フィルムといったような液体フィルムの電極表面上への形成が、防止される。
【００３６】
本発明による気体分散チャネルの特定形状により、電池の性能にとって好ましいような特別の移動状態が得られる。移動チャネルとして可能な多くの形状の中で、本発明による特定形状は、特定タイプの移動状態、つまり、すべての可能な移動状態の中で移動液体を電極から離間する向きに移動させ得るような特定タイプの移動状態、を可能とし得る唯一のものである。
【００３７】
驚くべきことに、このタイプの移動は、特に、燃料電池の最高性能が安定的に得られるような移動タイプである。この場合、とりわけ、突発的な予測不可能な時間変動をもたらすことなく長期にわたって最高電圧が安定的に得られる。
【００３８】
本発明によるバイポーラプレートにおいては、上記要求のすべてに適合することができ、正方形断面や長方形断面とされた気体分散チャネルを備えているような従来技術におけるバイポーラプレートに関する問題点を克服することができる。
【００３９】
本発明によるバイポーラプレートは、燃料電池のためのバイポーラプレートが満たしているべき上記要求のすべてを満たすことができる。
【００４０】
本発明によるバイポーラプレートを使用すれば、正方形断面や長方形断面とされた気体分散チャネルを備えているような従来技術における燃料電池よりも、より大きな最大電圧を得ることができる。
【００４１】
時間的な電圧変動がなく長期にわたって大きな電圧レベルが維持される。すなわち、電池によってもたらされる電圧は、恒久的に非常に大きいものであり、突発的変動がなく大いなる時間安定性を有している。電池の信頼性が、向上する。
【００４２】
本発明によるバイポーラプレートは、さらに、正方形または長方形断面のチャネルを備えてなるバイポーラプレートと比較して、例えば電池の許容流速といったような動作パラメータの範囲を拡大し得るという利点をもたらす。つまり、本発明においては、従来技術よりも、電池の動作パラメータの設定の自由度が大きく、誤差や不確定性に対しての余裕度が大きい。
【００４３】
本発明においては、好ましくは、バイポーラプレートの双方の面が、少なくとも１つの溝を備えている。
【００４４】
本発明におけるバイポーラプレートの第１実施形態においては、チャネルの横断面における角度が、電極表面から遠い側よりも、電極表面によって形成された側において、より大きく開いている。
【００４５】
好ましくは、この第１実施形態においては、チャネルの横断面は、実質的に、電極表面によって形成された第１辺とこの第１辺とは反対側の第２辺と残りの２つの辺とを備えてなる凸状四辺形形状とされ、第１辺と残りの２つの辺とがなす角度が、第２辺と残りの２つの辺とがなす角度よりも、より大きく開いている。
【００４６】
この形状においては、角度は、水といったような液体が必要に応じて導かれる領域におけるよりも、電極近傍領域において、より大きく開いている。角度が小さいすなわち鋭角は、したがって、電極とは反対側において形成される。つまり、チャネルまたは溝の『底面』において形成される。このような領域においては、毛細管効果が大きく現れ、液体が留まる傾向がある。
【００４７】
この第１実施形態においては、凸状四辺形は、好ましくは、台形であり、この台形の２つの底辺が、電極側に位置した第１辺と、これとは反対側に位置した第２辺と、を形成している。
【００４８】
言い換えれば、第１辺とこれとは反対側の辺とは、互いに平行である。
【００４９】
より好ましくは、台形は、二等辺の台形であり、両底辺以外の側辺どうしの長さは、互いに等しい。
【００５０】
本発明におけるバイポーラプレートの第２実施形態においては、チャネルの横断面が、正方形または長方形であり、チャネルを構成している複数の壁または面のうちの、電極表面によって形成されている壁または面を除く少なくとも１つの壁または面が、少なくとも１つのグルーブまたはノッチを有している。チャネルを構成している複数の壁または面のうちの、電極表面によって形成されている壁または面を除く３つの壁または面が、少なくとも１つのグルーブまたはノッチを有することができる。
【００５１】
あるいは、チャネルを構成している複数の壁のうちの２つの側壁だけが、すなわち、チャネルを構成している複数の壁のうちの、電極表面によって形成されている壁とこの壁とは反対側に位置している壁とを除く壁だけが、少なくとも１つのグルーブまたはノッチを有することができる。
【００５２】
あるいは、また、チャネルを構成している複数の壁のうちの、電極表面によって形成されている壁とは反対側に位置している壁（チャネルの底面壁）だけが、少なくとも１つのグルーブまたはノッチを有することができる。
【００５３】
グルーブまたはノッチの形状は、任意の形状とすることができるものの、一般的には、好ましくは９０°よりも小さな開口角度を有しているＶ字形横断面を有しているものとすることができる。
【００５４】
グルーブのサイズは、一般的には、チャネルのサイズよりも小さい。すなわち、グルーブの深さおよび／または幅は、グルーブが形成されている壁のサイズに対して例えば１／４〜１／１０といった程度のものでしかない。
【００５５】
本発明の特徴点に有利な見地においては、本発明におけるバイポーラプレートの気体分散チャネルの特定形状が、バイポーラプレートに新規な機能を組み込むことを容易とする。
【００５６】
このような例としては、例えば、液体の排出や気体の内部での湿潤化を行うような、液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段がある。この機能は、本発明においては、水のような液体を電極表面から離間した領域に局在化させることによって、容易に行うことができる。
【００５７】
液体を再分散させるための、液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段は、例えば少なくとも１つの多孔質部材を備えて排出するおよび／または毛細管的に吸収する手段を備えている。この場合、多孔質部材は、気体を分散させるための溝の内部または外部において、水が局在化する領域に配置される。すなわち、電極表面からは遠い領域に配置される。好ましくは、電極表面によって形成される壁とは反対側の壁の内外や、溝の少なくとも１つの側壁の内外、などに配置される。
【００５８】
多孔質部材は、例えば、チャネルどうしの間に挿入されたプレートの形態とすることができ、水を再分散させるために使用し、例えば電池入口といったような不足領域に再分散することができ、あるいは、電池から生成水を排出するために使用することができる。
【００５９】
多孔質部材は、また、例えば、台形状インサートの形態とすることもできる。
【００６０】
多孔質部材は、例えば金属やポリマー材料とさえいったような様々な材質からなる開放気泡を有した発泡体の形態とすることもできる。
【００６１】
液体抽出と液体供給との一方または双方を行う手段は、また、分散溝またはチャネルを構成している複数の壁のうちの少なくとも１つの壁に、穴すなわち貫通穴を備えることができる。好ましくは、溝の壁のうちの、多孔質材料と接触している壁に、穴すなわち貫通穴を備えることができる。
【００６２】
本発明の特に有利な実施形態においては、バイポーラプレートは、独自形状へとプレスされ曲げられたプレートから構成され、同じ深さとされた複数の溝が、独自形状プレートの両側において交互に連続して形成されている。
【００６３】
バイポーラプレートと電極（あるいはむしろ、ＥＭＥアセンブリすなわち電極／メンブラン／電極アセンブリ）とを組み合わせる際には、そのような溝は、独自形状プレートの両側において、アノード用の気体分散チャネルとカソード用の気体分散チャネルとをもたらす。
【００６４】
本発明は、また、上記のようなバイポーラプレートを製造するための方法に関するものである。本発明による方法は、簡単かつ迅速かつ高精度なものであって、
−バイポーラプレートの溝を形成するのに適した形状とされた１つまたは複数のワイヤを準備し；
−平面プレートの少なくとも一方の面上に前記ワイヤを固定することによって、所望形状の溝を形成する；
という方法である。
【００６５】
好ましくは、ワイヤは、適切な形状とされたダイを通しての押出によって得られ、ワイヤは、スポット溶接によってバイポーラプレートに対して固定される。
【００６６】
さらに、本発明は、本発明によるバイポーラプレートを少なくとも１つ具備したような燃料電池に関するものである。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明についてさらに詳細に説明する。
【００６８】
本発明においては、気体分散チャネルの横断面形状は、チャネル内を移動する２相移動が電極表面から離間する向きに移動できるような、形状とされる。
【００６９】
本発明者らは、燃料電池の２相移動の特徴づけを行い、いくつかの移動状態が動作時に発生し、この中の１つの移動状態が、電池に高性能をもたらすことを示した。
【００７０】
ここで、主要な３つの移動状態は、以下のようなものである。
−環状移動。この環状移動は、電極表面も含めてチャネルのすべての表面をカバーする薄い液体フィルムによって特徴づけられる。
−断続移動。この断続移動は、気体ポケットと液体水プラグとの断続的通過によって特徴づけられ、そのため、電極表面も含めてすべての壁上に液体が連続的に存在することによって特徴づけられる。
−層状移動、あるいは、二重層状移動。この移動においては、チャネルの水平部分をなす上部および下部に少なくとも液体フィルムが形成される。
【００７１】
例えば、水素／酸素で動作する場合には、通常的動作条件下におけるアノード面およびカソード面上に、断続移動状態と、二重層状移動状態と、が存在する。
【００７２】
水素／空気で動作する場合には、アノード面上に、断続移動状態と、二重層状移動状態と、が存在する。窒素によって酸素が希釈されていることのために、空気側では断続移動が不可能であり、非常に高速流速によって特徴づけられる動作条件下では、環状移動が観測される。
【００７３】
したがって、気体流速だけを可変として他の実験条件を同じとした場合には、驚くべきことに、二重層状移動が、他の環状移動状態や断続移動状態よりも、電池に高性能化をもたらすことが示された。
【００７４】
さらに、断続移動は、電圧の時間的不安定性を誘起する。
【００７５】
したがって、上記により、気体がチャネルを通して分散される燃料電池において性能を最大電圧レベルに維持するためには、アノードチャネルおよびカソードチャネルからの２相移動を二重層状移動状態に維持する必要があることは、明らかである。
【００７６】
以降においては、移動状態の実際の性質について説明する。環状移動状態においては、気体は、すべての周縁部にわたって液体フィルムによって囲まれている。また、断続移動においては、気体ポケットが、また、液体水フィルムによって囲まれている。電極は、反応ガスに対して直接的に接触することがなく、反応ガスは、電極へと到達するためには、例えば水フィルムといったような液体フィルムを通って拡散しなければならない。この拡散が、律速段階となる。層状移動の場合には、反応ガスは、電極に対して直接的にアクセスすることができる。
【００７７】
実際には、チャネルの数およびサイズは、断続移動状態の発生に対して、何らの予測可能な影響をもたらさない。気体流速は、二重層状移動を維持するためには、重要なパラメータである。しかしながら、例えばリフォーマー（reformer）や湿潤器といったような補助部材のかさ高さを低減するために、気体流速を低減する傾向がある。このことは、二重層状移動状態の維持に関して、気体流速の影響を緩和する。二重層状移動状態の利点は、双方の気体に関して維持されるべきである。つまり、流速パラメータによって影響されずに、電極上に液体フィルムがない状態が維持されるべきである。
【００７８】
このことは、正に本発明において得られる。本発明においては、電池性能を左右するあらゆる様々なパラメータの中で、チャネルの形状が基本的パラメータであるという驚くべきことが示された。
【００７９】
チャネル内を移動する２相移動の中の液体を電極表面から離間する向きに移動させ得るようなすべての形状が、本発明の概念に含まれる。つまり、電極表面上における液体フィルムの形成を防止し得るよう好ましくは電極から離間する向きに液体を移動させ得るようなチャネル形状であれば、本発明の概念に含まれる。
【００８０】
そのような形状は、例えば、電極表面から離間する向きに液体を移動させるという要求に適合するために表面張力を利用したような形状である。好ましくは、この形状は、チャネルの横断面形状を特定の形状とすることにより、得られる。
【００８１】
本発明のバイポーラプレートの第１実施形態においては、チャネルの横断面における角度が、電極表面から遠い側（例えば、電極とは反対側）よりも、電極表面によって形成された側において、より大きく開いている。この要求を満たす多数の形状の中で、分散チャネルの横断面は、好ましくはこの第１実施形態における分散チャネルの横断面は、実質的に、電極表面によって形成された第１辺とこの第１辺とは反対側の第２辺と残りの２つの辺とを備えてなる凸状四辺形形状とされ、第１辺と残りの２つの辺の各々とがなす両角度が、第２辺と残りの２つの辺の各々とがなす両角度よりも、より大きく開いている。すなわち、最初の角度は、『鈍角』とされ、例えば、９０°〜１３５°の範囲とされ、２つめの角度は、『鋭角』とされ、例えば、９０°〜４５°の範囲とされる。
【００８２】
このような形状が、従来のチャネルにおける正方形横断面や長方形横断面と相違していること、および、このような形状が、電極から離れた反対側における鋭角による大きな毛細管効果に基づいて、液体を電極から離間させる向きに移動させ得ること、に注意されたい。
【００８３】
図２は、本発明の第１実施形態によるチャネルの好ましい形状を示している。チャネル（１９）（図１参照）は、上底（２２）や下底（２３）ではなく両側辺（２１）が互いに等しいような二等辺の台形形状とされた横断面形状を有している。この場合、短い方の上底（２２）は、電極（１３）の面によって規定されている。
【００８４】
この形状は、また、『鳩の尾形状』とも称される。これは、２つの平行な底辺（２２，２３）と互いに長さの等しい２つの側辺（２１）とを備えてなる凸状四辺形の断面の特殊なケースである。当然のことながら、すべての形状において、上述の角度のための条件が満たされているべきである。
【００８５】
図のチャネルの寸法は、例えば、高さまたは深さＨが１．５ｍｍであり、チャネルの底辺の長さすなわち台形形状の長い方の底辺（２３）の長さＬが１．５ｍｍであり、一方、電極（１３）の厚さｅは、例えば０．４ｍｍである。
【００８６】
これらの値が例示の目的のためだけのものであって、所定範囲内で変更することができることは、極めて明らかである。例えば、Ｈは、１〜４ｍｍの範囲のものとすることができ、Ｌは、１〜４ｍｍの範囲のものとすることができる。
【００８７】
図２においては、電極近傍における角度（２４，２５）は、共に、１０５°とされている。すなわち、これら角度は、７５°という値とされている反対側の角度（２６，２７）よりも、より開いている。
【００８８】
この場合も、これらの値は、例示の目的のためだけのものであって、電極近傍の角度が鈍角をなしかつ反対側の角度が鋭角をなすようなすべての値とすることができる。
【００８９】
図３には、本発明におけるチャネルの第１実施形態の好ましい形状が示されている。この場合には、チャネル（１９）の断面は、図２と同様に実質的に二等辺の台形形状とされている。しかしながら、台形形状のコーナーは、丸められている。寸法Ｈ、Ｌ、ｅは、図２のチャネルに関して例示したものと同じである。
【００９０】
図４および図５には、本発明の第２実施形態によるバイポーラプレートにおける分散チャネルの２つの形態が示されている。チャネルの断面は、長方形（図４の場合）または正方形（図５の場合）であって、チャネルの壁上には、小さなノッチまたはグルーブが機械加工されている。
【００９１】
図４においては、チャネルは、長方形断面のものとされており、電極とは反対側に位置したチャネル壁上にのみ、例えば２個の、ノッチまたはグルーブ（４１）を有している。
【００９２】
図５においては、チャネルは、正方形断面のものとされており、電極表面（５５）以外の３つのチャネル壁（５２，５３，５４）上に、それぞれ２個のノッチまたはグルーブ（５１）を有している。図４および図５に図示されているノッチまたはグルーブは、６０°という角度とされたＶ字形のものとされている。これらノッチは、小さなものであって、深さが０．５ｍｍのものである。
【００９３】
図４および図５のチャネルの寸法は、正方形横断面チャネルの場合には、深さＨおよび辺長さＬが共に１．５ｍｍであり、長方形横断面チャネルの場合には、辺長さＬが２．０ｍｍおよび深さＨが１．０ｍｍである。
【００９４】
これらの値が例示の目的のためだけのものであって、所定範囲内で変更することができることは、極めて明らかである。正方形の辺長さは、１〜４ｍｍの範囲内で変更することができ、長方形形状における深さＨは、１〜４ｍｍの範囲内で変更することができ、長方形形状における長さＬは、１〜４ｍｍの範囲内で変更することができる。
【００９５】
また、グルーブの数や形状や寸法が、例示の目的のためだけのものであって、他の可能な形状として、例えば台形形状や底面が丸められた三角形形状があり、このようなグルーブの深さが、一般的に、チャネル幅の数分の１とされることは、極めて明らかである。
【００９６】
本発明によるバイポーラプレートは、任意の公知方法によって製造することができる。しかしながら、本発明のバイポーラプレートの好ましい製造方法においては、平面プレート上に分散チャネルまたは溝を形成するに際して適切な形状の少なくとも１つのワイヤを準備し、このワイヤをプレート上に固定して分散チャネルを形成する。
【００９７】
好ましくは、ワイヤは、適切な形状の特別のダイを通した押出によって得られる。明らかなように、本発明における特殊形状をワイヤに対して付与する際しては、押出以外の技術も使用することができる。例えば、２つのサイズのフライス盤で機械加工された研磨面を有するものとして、このようなワイヤを製造することができる。
【００９８】
いずれの製造方法にしても、プレート上にワイヤを配置する前に、ワイヤを所望形状とすることができる。
【００９９】
図６には、そのようなワイヤが示されている。このワイヤは、二等辺の台形形状とされた横断面を有してなる分散チャネルを形成することとなる溝を備えたバイポーラプレートを製造するのに好適なものである。したがって、このワイヤの断面も、互いに平行な下底（６１）および上底（６２）と、互いに長さの等しい両側辺（６３）と、を備えてなる二等辺の台形形状とされている。
【０１００】
ワイヤは、例えばステンレススチールといったような、バイポーラプレートの構成材料として通常的に使用される材料の中から選択された材料から形成されている。
【０１０１】
ワイヤは、その後、適切な材料から形成された平面プレートの少なくとも一面上に好ましくは両面上に、固定される。平面プレートの構成材料は、燃料電池の使用に適合した材料の中から選択されている。
【０１０２】
ワイヤは、好ましくはスポット溶接によって、平面プレート上に固定される。そのような簡単で迅速な固定方法は、プレート上へのワイヤの固定に際しては十分なものであり、燃料電池を形成するために各々が電極／メンブラン／電極（ＥＭＥ）によって隔離された２つのバイポーラプレートを備えてなる複数の電池の取付に対応した圧縮時には、相対的シールがもたらされる。
【０１０３】
この製造方法は、簡単であり、迅速であり、さらに、分散チャネルの形状やサイズに関しての精度が高いものである。
【０１０４】
得られるアセンブリが、図７に示されている。
【０１０５】
所定形状のワイヤ（７２）（図６参照）が、スポット溶接（７３）によって２つの平面プレート（７１）上に固定されている。ＥＭＥ組が、このようにして形成され分散チャネルをなす溝（７４，７５）を備えたバイポーラプレートどうしの間に配置される。分散チャネルに関しては、例えば、アノード側のチャネル（７５）は、水素分散をもたらし、カソード側のチャネル（７４）は、酸素分散をもたらす。
【０１０６】
本発明によるバイポーラプレートの他の製造方法においては、所定形状のすなわち独自形状の金属シートプレートを形成し（例えば、ポリマーまたはステンレススチール）、それをプレスし、それを曲げることによって、バイポーラプレートを直接的に形成する。これにより、カソード側の気体分散チャネル（８２）とアノード側の気体分散チャネル（８３）とに対応した複数の溝が、プレスされ曲げられた独自形状のプレート（８１）の両側に同時に形成され、プレートの両面において交互に位置するようにして形成される。図８に示すように、３つの電極／メンブラン／電極組（８４）を備えて構成されたアセンブリは、２つの単位電池を形成する。
【０１０７】
あるいは、図９においては、プレスされ曲げられたプレートは、平面プレート（９２）上に固定され、バイポーラプレートを形成するためのシールがもたらされる。このようにして、電極／メンブラン／電極組（８４）の両サイドに、例えば水素といったようなアノード気体を分散させるためのチャネル（８３）と、例えば酸素といったようなカソード気体を分散させるためのチャネル（８２）と、が交互に形成される。チャネル（８５）は、電池の熱的観測のために使用することができる。
【０１０８】
多孔質プレート（９０）が、プレート（９２）に接触して配置されている。多孔質プレートは、多孔質材料（９０）に接触する面にすなわち溝（８２，８３）をなす面のうちの電極表面とは反対側に位置した『底面』に穴（９６）（図９Ａ参照）が形成されている曲げ金属シート溝（８２，８３）を支持している。
【０１０９】
チャネル（８２，８３）の底面に配置された多孔質部材（９０）は、水の毛細管的吸収を行うことができ、および／または、水の分散や、例えば気体の湿潤化といったような水の再分散を行うことができる。
【０１１０】
図９Ａは、図９のプレスされ曲げられたシート金属製バイポーラプレート（８１）における溝（８２，８３）を詳細に断面図でもって示している。チャネルすなわち溝（８２，８３）の底面には、穴すなわち貫通穴（９６）が形成されている。
【０１１１】
図１０は、図９のアセンブリに実質的に類似したアセンブリを示している。このアセンブリは、電極／メンブラン／電極からなる２つの組と、プレスされさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による２つのバイポーラプレート（８１）と、分散チャネル（８２，８３）の両側面に配置され液体水分を排出して再分散させるための多孔質材料と、を備えてなるアセンブリを示している。
【０１１２】
図１０のアセンブリにおいては、多孔質部材（９０ａ）が充填されているのは、図９において定義されたチャネル（８５）である。そのため、穴開けされていて穴（９６）が形成されているのは、図９における溝の底面ではなく、溝（８２，８３）の側壁である。
【０１１３】
言い換えれば、図１０においては、多孔質材料（９０ａ）は、チャネル（８５）内に配置されている。この場合、チャネル（８５）は、図９において言及したように熱観測のために使用されるのではない。溝をなす壁面のうち、多孔質材料に面した壁には、横方向穴（９６）が形成されている。
【０１１４】
図１０Ａは、図１０におけるプレスされさらに曲げられた金属シート状バイポーラプレート（８１）における溝（８２，８３）を拡大して示す断面図である。チャネルの側壁には、穴すなわち貫通穴（９６）が開けられている。
【０１１５】
また、本発明の目的は、本発明によるバイポーラプレートを少なくとも１つは備えている燃料電池デバイスである。
【０１１６】
例えば、燃料電池は、図１に関して上述したものに対応したものとすることができる。すなわち、メンブラン（１）が、２つの電極（１３）間に配置されたものとすることができる。この場合、電極は、バルク電極を形成し得るよう、白金が添加されたカーボン織物（または、他の貴金属によって処理されたもの）とされ、好ましくは、例えばNafion（登録商標）等といったような化合物が含浸されたものとされる。
【０１１７】
この組は、その後、例えば本発明による２つのバイポーラプレート（７，８）間に配置される。アノード側のバイポーラプレートは、水素といったようなアノード気体（４）の分散をもたらし、カソード側のバイポーラプレートは、酸素といったようなカソード気体（５）の分散をもたらす。
【０１１８】
酸素だけでなく、カソード気体は、空気や、酸素を含有した混合気体、とすることもできる。
【０１１９】
燃料電池は、また、例えば単一電池内の加熱ペンシルによってまたはモジュール内の熱交換器によって温度調節される銅プレートといったような、温度調節のための手段（図示せず）を備えることができ、また、外部回路（１０）に対して接続され電池の動作を制御するための手段を備えることができる。このような手段には、例えば、流速制御器や、温度制御器や、圧力制御器や、電流制御のための電気的負荷、がある。
【０１２０】
本発明による燃料電池は、気体分散チャネル（１９）の形状を除いては、図１に示す従来構成と基本的に同じである。本発明による気体分散チャネル（１９）の形状であれば、燃料電池の性能向上がもたらされ、水を回収するための多孔質材料の挿入が可能とされる。その他にも、本発明に基づいて製造されたプレートのなす特殊形状、および、そのようなプレートを備えてなるアセンブリや燃料電池のための積層化は、添付図面に示されている。
【０１２１】
本発明による燃料電池は、電気自動車において電気モータを駆動するためのエネルギー貯蔵において使用することに、特に興味がある。あるいは、バックアップ電力を供給するためのエネルギー生成モジュールという範疇において、また、アクセスが困難な地域に対しての電力供給のためのエネルギー生成モジュールという範疇において、特に興味深い。
【０１２２】
以下、本発明の例示であって本発明を限定するものではないいくつかの実験例を参照して、本発明について説明する。
【０１２３】
［実験例１］
この実験例においては、２５０ｃｍ² の電池であって水素／空気および水素／酸素で動作するアノード側およびカソード側における燃料電池の２相移動について検証した。この場合、カソード側においては４つのチャネルがあり、アノード側においては２つのチャネルがあり、各チャネルは、１．５×１．５ｍｍ² という同一断面積である。
【０１２４】
分散チャネルと同じ高さ位置の観測ポートから移動を観測した。主要な３つの移動状態が明らかにされ観測された。これらは、上記において定義した３つの移動状態、すなわち、環状移動、断続移動、および、層状移動または二重層状移動、である。
【０１２５】
二重層状移動に関してのこの実験例における検証においては、観測ポートの壁に対しての水滴の存在が、環状移動が存在していないことを意味していることに注意されたい。なぜなら、水滴は、壁を湿潤する水フィルム上には、保持され得ないからである。二重層状移動における上フィルムの形成は、１８０°曲げにおける通過によって説明される。
【０１２６】
［実験例２］
この実験例においては、燃料電池の性能に関しての、実験例１において定義されたような移動状態の影響が、検証された。
【０１２７】
実験条件は、移動状態の決定を可能とする気体流速（Ｏ₂ ）以外については、実験全体にわたって同じとされた。
【０１２８】
この実験は、水素／酸素の気体流速を様々なものとして、２００ｃｍ² 電池に対して直列接続された５０ｃｍ² 電池に関して、４ｂａｒｓかつ８０℃で行われた。課された電流密度値は、２００ｃｍ² 電池に関しては１．１Ａ／ｃｍ² であり、５０ｃｍ² 電池に関しては２．０Ａ／ｃｍ² である。
【０１２９】
アノード側における二重層状移動を維持するために、水素出力流速を１００Ｎｌ／ｈに維持した。この実験例における結果は、図１１に示されている。図１１は、Ｎｌ／ｈという単位で表した酸素流速ＱＯ₂ （破線で示す曲線）と、５０ｃｍ² 電池における、ボルトという単位で表した電圧Ｕ（実線で示す曲線）とを、時間という単位で表した時間ｔの関数として示すグラフである。さらに、移動の様子が、実験例１と同様に、ポートを通して目視により観測された。
【０１３０】
したがって、５０Ｎｌ／ｈという酸素出力流速であると、カソード側における移動が二重層状流であって、電池電圧が０．４２Ｖであることがわかる。流速を４００Ｎｌ／ｈに切り換え、さらにその後、８００Ｎｌ／ｈへと切り換えると、移動状態の変化のために、第２電池の性能低下が引き起こされる。移動状態は、環状状態となる。この環状状態は、水の小波によって特徴づけられるものであり、ポートの表面において容易に確認することができる。初期の頃の性能レベルは、流速を５０Ｎｌ／ｈへと戻すことによって、回復することができる。
【０１３１】
その後、断続移動状態へと移行させるために、酸素流速を１０Ｎｌ／ｈへと引き下げた。この移動状態の性質は、目視観測によって確認することができた。電池電圧は、０．４０Ｖ付近となり、層状移動の場合よりも低下した。また、断続移動において典型的な不安定性が現れた。
【０１３２】
図１１は、気体流速だけを変化させて他の実験条件を同一とした場合には、二重層状移動が、他の２つの移動状態よりも、良好な電池特性が得られることを明瞭に示している。
【０１３３】
［実験例３］
この実験例においては、断続移動状態による時間的不安定性を明らかにすることによって、長期にわたっての燃料電池の電圧時間依存特性が、調査された。
【０１３４】
実験例２と同様に、水素／酸素が供給される５０ｃｍ² の電池が使用された。ただし、２００ｃｍ² の電池には直列接続されなかった。
【０１３５】
圧力は４ｂａｒｓであり、電池温度は８０℃であり、湿潤化温度は９０℃であり、気体入力温度は２０℃であった。水素流速および酸素流速は、それぞれ１０Ｎｌ／ｈおよび４０Ｎｌ／ｈという値に実験全体にわたって一定に維持された。課された電流密度は、１００Ａであった。すなわち、２Ａ／ｃｍ² であった。
【０１３６】
図１２は、ボルトという単位で表した電池電圧Ｕ（実線で示す曲線）と、光増倍管の出力電圧をボルトという単位で表したもの（破線で示す曲線）とを、秒という単位で表した時間の関数として示すグラフである。
【０１３７】
光増倍管を、電池のカソード側の複数の気体分散チャネルのうちの１つの気体分散チャネル内に配置したレーザーと連携させることにより、チャネルの内容物が、水であるか気体であるかを決定することができる。実際、水で充填されたチャネルと気体で充填されたチャネルとの間におけるレーザービームの反射の違いが、断続移動における液体水プラグの通過を検出するために使用された。レーザービームの反射光強度が、光増倍管へと戻される。
【０１３８】
図１２の光増倍管電圧を示している曲線により、液体水プラグの通過に対応している光増倍管電圧の各ピークが、電池電圧レベルにおける急峻な性能低下と完全に対応していることがわかる。
【０１３９】
この実験例により、良好な性能を得るためには、また、突発的な変動を防止して長期にわたって良好な性能を維持するためには、本発明による特定の移動状態が適切であること、そのため、本発明による特定の形状構成が適切であること、が確証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 電極／メンブラン／電極からなるアセンブリとバイポーラプレートとを備えて構成された複数の単位燃料電池を具備した燃料電池を概略的に示す図である。
【図２】 本発明によるバイポーラプレートにおける気体分散チャネルの第１実施形態による好ましい実施形態を示す図である。
【図３】 本発明によるバイポーラプレートにおける気体分散チャネルの第１実施形態に基づく実施形態を示す図である。
【図４】 本発明によるバイポーラプレートにおける気体分散チャネルの第２実施形態を示す図であって、チャネルまたは溝は、長方形断面のものとされていて、ノッチまたはグルーブを有している。
【図５】 本発明によるバイポーラプレートにおける気体分散チャネルの第２実施形態を示す図であって、チャネルまたは溝は、正方形断面のものとされていて、ノッチまたはグルーブを有している。
【図６】 本発明によるバイポーラプレートの製造方法において使用される所定形状ワイヤを示す図である。
【図７】 電極／メンブラン／電極（ＥＭＥ）からなる組と、図６のワイヤを使用して本発明による方法によって製造された２つのバイポーラプレートと、を備えて構成された単位電池をなすアセンブリを示す図である。
【図８】 電極／メンブラン／電極（ＥＭＥ）からなる２つの組と、プレスされさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による２つのバイポーラプレートと、を備えてなるアセンブリを示す図である。
【図９】 図９は、電極／メンブラン／電極（ＥＭＥ）からなる２つの組と、プレスされさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による２つのバイポーラプレートと、チャネルの底面に配置され液体水分を排出して再分散させるための多孔質材料と、を備えてなるアセンブリを示す図であり、図９Ａは、図９におけるプレスされさらに曲げられた金属シート状バイポーラプレートにおける溝を拡大して示す断面図であって、電極表面とは反対側に位置した底面上に穴が開けられている様子が示されている。
【図１０】 図１０は、電極／メンブラン／電極からなる２つの組と、プレスされさらに曲げられた金属シート状とされた本発明による２つのバイポーラプレートと、分散チャネルの両側面に配置され液体水分を排出して再分散させるための多孔質材料と、を備えてなるアセンブリを示す図であり、図１０Ａは、図１０におけるプレスされさらに曲げられた金属シート状バイポーラプレートにおける溝を拡大して示す断面図であって、側面上に穴が開けられている様子が示されている。
【図１１】 Ｎｌ／ｈという単位で表した酸素流速ＱＯ₂ （破線で示す曲線）と、２００ｃｍ² 電池と直列接続され水素／酸素が供給された５０ｃｍ² 電池における、ボルトという単位で表した電圧Ｕ_cel （実線で示す曲線）とを、時間という単位で表した時間ｔの関数として示すグラフである。
【図１２】 ５０ｃｍ² 電池におけるボルトという単位で表した電圧Ｕ_cel （実線で示す曲線）と、電池の気体分散チャネル内の水プラグの通過量の光増倍管による検出値をボルトという単位で表したもの（破線で示す曲線）とを、秒という単位で表した時間ｔの関数として示すグラフである。
【符号の説明】
１３ 電極
１９ チャネル（溝またはチャネル、気体分散チャネル）
２１ 側辺（残りの２つの辺）
２２ 上底（底辺、第１辺）
２３ 下底（底辺、第２辺）
２４ 角度（第１辺と残りの２つの辺とがなす角度）
２５ 角度（第１辺と残りの２つの辺とがなす角度）
２６ 角度（第２辺と残りの２つの辺とがなす角度）
２７ 角度（第２辺と残りの２つの辺とがなす角度）
４１ ノッチまたはグルーブ
５１ ノッチまたはグルーブ
５２ チャネル壁
５３ チャネル壁
５４ チャネル壁
５５ 電極表面
７１ 平面プレート
７２ ワイヤ
７３ スポット溶接
７４ 溝（気体分散チャネル）
７５ 溝（気体分散チャネル）
８１ 独自形状のバイポーラプレート
８２ 溝（気体分散チャネル）
８３ 溝（気体分散チャネル）
９０ 多孔質プレート
９０ａ 多孔質部材
９６ 穴

Claims (13)

1. 燃料電池のためのバイポーラプレートであって、
   少なくとも１つの面に、隣接する電極表面と協働することによって少なくとも１つの気体分散チャネルを形成し得る少なくとも１つの溝を備え、
   前記チャネルの横断面が、前記電極表面によって形成された第１辺と該第１辺とは反対側の第２辺と残りの２つの辺とを備えてなる凸状四辺形形状とされ、
   前記第１辺と前記残りの２つの辺の各々とがなす両角度が、前記第２辺と前記残りの２つの辺の各々とがなす両角度よりも、より大きく開いており、これにより、前記気体分散チャネル内を移動する生成液体を電極表面から離間する向きに移動させることを特徴とするバイポーラプレート。
2. 請求項１記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記バイポーラプレートの双方の面が、少なくとも１つの溝を備えていることを特徴とするバイポーラプレート。
3. 請求項１記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記凸状四辺形が、台形であり、この台形の２つの底辺が、前記第１辺および前記第２辺を形成していることを特徴とするバイポーラプレート。
4. 請求項３記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記台形が、二等辺の台形であることを特徴とするバイポーラプレート。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のバイポーラプレートにおいて、
   液体排出と液体供給との一方または双方を行う手段を具備していることを特徴とするバイポーラプレート。
6. 請求項５記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記液体排出と液体供給との一方または双方を行う手段が、少なくとも１つの多孔質部材を備えていることを特徴とするバイポーラプレート。
7. 請求項６記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記多孔質部材が、前記気体分散チャネル内の、前記電極表面から離間していて前記液体が局在化するところに配置されていることを特徴とするバイポーラプレート。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記液体排出と液体供給との一方または双方を行う手段が、前記チャネルを構成している複数の壁のうちの、前記電極表面によって形成されている壁を除く少なくとも１つの壁に、穴すなわち貫通穴を備えていることを特徴とするバイポーラプレート。
9. 請求項８記載のバイポーラプレートにおいて、
   前記液体排出と液体供給との一方または双方を行う手段が、少なくとも１つの多孔質部材を備え、
   前記穴が、前記溝をなす前記壁のうちの、前記多孔質部材と接触している部分に形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のバイポーラプレートにおいて、
    プレスされ曲げられた単一のプレートから構成され、
    同じ深さとされた複数の溝が、前記プレートの両側において交互に連続して形成されていることを特徴とするバイポーラプレート。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載されたバイポーラプレートを製造するための方法であって、
    −前記バイポーラプレートの溝を形成するのに適した形状とされた１つまたは複数のワイヤを準備し；
    −平面プレートの少なくとも一方の面上に前記ワイヤを固定することによって、所望形状の溝を形成する；
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項１１記載の方法において、
    前記ワイヤを、スポット溶接によって固定することを特徴とする方法。
13. 燃料電池であって、
    請求項１〜１０のいずれかに記載のバイポーラプレートを少なくとも１つ具備していることを特徴とする燃料電池。

Images