JP5275255B2 - 多孔質集電体が設けられる燃料電池のための双極ユニット - Google Patents

Description

燃料電池は、ガス状反応物、より具体的には、水素等の燃料および空気等の酸化体の組み合わせの化学エネルギーから電気エネルギーへの直接変換装置として昔から知られている。したがって、燃料電池は、既知のカルノーサイクルの制限を受けず、また、中間熱段階が存在する電気エネルギー生産のための従来の装置に比べると、顕著な高効率を特徴とする。

種々の既知の型の中で、イオノマー膜燃料電池（固体高分子型燃料電池：Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ））は、迅速な電力需要に応答する能力や、所要の補助装置の簡略化を特別に考慮しており、特に、電気自動車用途に有用である。ＰＥＭＦＣは、当技術分野において既知であり、かつ例えば、ＤｕＰｏｎｔ，ＵＳＡによりＮａｆｉｏｎ（登録商標）の登録商標名で市販されるペルフルオロ化型のイオノマー膜、あるいはポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリベンゾイミダゾール等のポリマー構造に由来する単量体に基づく炭化水素型のイオノマー膜を備える電気化学ユニットから成り、その面上に、適切な触媒を含む多孔質膜形状の２つの電極、つまり陰極（負電荷）および陽極（正電荷）が適用される。多孔質電極薄膜との膜の組み合わせは、通常、頭字語ＣＣＭ（触媒被覆膜（Ｃａｔａｌｙｓｔ−Ｃｏａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を表す）で示される。電極の外面は、拡散層として既知であり、ガス状反応物の触媒薄膜上の均一分配を確立するのに適切であるその伝導性多孔質層に接触している。拡散層（当分野の専門家には、膜電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を表す頭字語ＭＥＡで既知である）に連結されるＣＣＭから生じる要素全体は、２つの平面伝導性構造の間に挿入され、拡散層に対する電流の均一分配および反応物の供給の両方を確実にするように方向付けられ、このような構造は、当技術分野において集電体として既知であり、かつ製造技術に応じて、例えば、米国特許第６，２７４，２６２号に提案されるような適切な溝または突起を備える板から成り得、または米国特許第５，４８２，７９２号に請求されるような高多孔率を特徴とする層から成り得る。該ＭＥＡおよび関連の集電体は、適切な密封用ガスケットとともに、反応物に対して不浸透性であり、かつ電気伝導性に優れた２つの適切な成形シートから成る一対の双極板の間に最終的に封入される。いくつかの型の技術によると、双極板は、また、上に引用した文献の米国特許第６，２７４，２６２号に開示されるように、単体を形成するように集電体に一体型であってもよい。燃料および酸化体は、双極板に設けられる適切な開口部を介して供給され、集電体およびＭＥＡ要素の拡散層を介して、陰極および陽極にそれぞれ分配される。燃料、例えば水素は、酸化されて陽子および電子を生成する。陽子は、イオノマー膜を横断して移動し、空気の酸素の還元反応に加わり、水を生成する。還元に必要な電子は、外部電気エネルギー器具回路を介して陰極から発生する。陽子の移動は、イオノマー膜が十分に水和した状態で保持されることを必要とし、この状態は、その流入前にガス状反応物を加湿することによって、または積層電池の各々に水を直接注入することによって達成できる。化学エネルギーの反応の電気エネルギーへの変換効率は、主に１００％未満であるが、従来の発電器の変換効率よりも実質的に高く、電気エネルギーに変換されない化学エネルギーの一部は、熱エネルギーとして消散され、この熱エネルギーは、典型的には約６０℃〜１００℃の電池内部温度に維持するために、適切な冷却装置によって回収されなければならない。冷却装置は、好ましくは、小電力システム用の強制空気型であり、また、より高電力システム用の脱塩水または伝熱液（以下、総称して冷却剤として示される）循環型である。後者の事例において、冷却は、通常、双極板のうちの少なくとも１つに沿って冷却剤を流すことによって実行される。負荷時の単一電池の電圧は、適度であって約０．７ボルト〜０．８ボルトであり、電気器具システムによって通常必要とされる高電圧は、冷却装置にインターカレートされた多様な単一ＰＥＭＦＣをブロック（当分野における専門家に一般的に知られている、以下における積層）単位で組み立てることによって得られる。

手短に言えば必然的であるが、提供される説明によって、ＰＥＭＦＣ積層構造がいかに複雑であるかが明示され、車両用途に必要とされる小型積層を入手することがいかに困難であるかについて立証され、車両用途では、ｋＷ／ｌ単位だけでなくｋＷ／ｋｇ単位の高電力密度問題に達する。ＭＥＡユニットの容積および重量は大幅に減少するため、本目標は、双極板および集電体の生産に用いられる設計および材料によって実質的に影響を受ける。

車両用途に関して典型的であるさらなる複雑性は、高電流強度生成に相当するピーク出力需要によりもたらされる。このような状態で発生する触媒薄膜活性に対するこのような損傷を回避するために、このような電流がＭＥＡユニットの表面に均一分配されることが必須である。これに関し、従来技術は、十分な電力密度を有する、具体的には、車両で使用するのに適切な電力密度を有する積層を製造すること、および／または電流分配における所望の均一性を達成することを可能にしない双極板および集電体構造を提案している。

米国特許第６，１３２，８９５号は、典型的な厚さが１〜２ｍｍであり、かつフォトリソグラフィ、レーザ照射エッチング、またはマイクロアブレーションによって得られる溝または両側面を備える金属双極板を開示する。板は、インターカレートしたＭＥＡユニットに連結され、反応ガスは溝を流れる。全容積を減少させるために、結果として生じる積層には、冷却装置が存在せず、動作温度制御は、反応化学量論の必要性を超過して空気を供給することによって得られ、生成された熱は、気流によって吸収され、積層から抽出される。

記載される解決策は、容積を減少させるが、単に部分的であり、双極板の製造に必要な任意の場合における厚さ、および高ガス流速によって誘発される容易な膜脱水に関連する強力な動作臨界を犠牲にする任意の流速における厚さを考慮し、特に、動作中に生成された熱を回収するために冷却剤を用いることが慣習である高出力状態において、このようなリスクは高くなる。さらに、外部溝の頂点のみが、積層の組み立て中に、ＭＥＡユニットの拡散層の表面と接触する。この型の組み立て体は、いくつかの極めて深刻な問題を暗示する。まず、電流分配における所望の均一性は、達成されない。実際、拡散層だけでは、厚さの減少および比較的適度な電気伝導性の観点から、このような重要な機能を確実にすることが不可能である。次に、溝の頂点における局所的接触により、積層が締め付けられる際に機械的要請の増加が暗示され、イオノマー膜および拡散層自体等の繊細な構成要素を損傷する大幅なリスクを有する。最後に、ガス状反応物が、拡散層および溝頂点の間の接触帯において滞留することが明白であり、この接触帯において、触媒薄膜への新鮮ガス供給が、必要な側方拡散によって減速し、これは、高圧縮によって生成される低多孔率の観点からは無視できない。

米国特許出願第２００２／０１６８５６１号は、より安価な機械的成型過程によって得られる波形によって溝が形成される金属薄双極板の使用を提案する。この発見は、米国特許第６，１３２，８９５号に悪影響を及ぼす費用問題を解決するが、電流分配の不均一性に関する問題およびＭＥＡユニットの波形頂点との接触帯における減速拡散に関する問題を確実に克服しない。

米国特許出願第２００１／０００８７１９号は、連続機械的深絞りの過程によって得られる突起を有する両側面上にそれぞれ設けられる陽極および陰極の金属板を開示する。陽極板および陰極板は、それぞれ、対向する突起が接触するように対になって締結されて、動作中に適切な冷却剤が横切る内部空間が画定される。このように形成された物体は、簡略化するために、双極ユニットとして画定可能であり、その外部突起は、積層の組み立て中に、ＭＥＡユニットの拡散層と接触する。したがって、この型の構築物が、優れた電力密度を得ることを可能にするが、所望の電流分配の均一性を達成するように既に論じられたような能力がないため、ＭＥＡユニットおよび突起頂点間の接触帯における減速拡散を防止しないことが明らかである。

欧州特許第１ ５０４ ４８１号において、平滑な陽極金属板および陰極金属板の使用および高伝導性多孔質層から成る別々の集電体の使用が開示される。先行文献の事例での報告と同様に、構成要素の連結によって、第１の外部集電体（例えば、陽極集電体）、板、内部集電体（冷却剤循環のための内部空間を画定するように方向付けられる）、板、第２の外部集電体（例えば陰極集電体）から連続して成る双極ユニットの形成がもたらされる。多様な双極ユニットおよびＭＥＡを組み立てて積層を生成する際に、外部集電体および内部集電体の両方は、金属板表面およびＭＥＡユニット表面との均一接触を確実にするため、上に開示された双極ユニットを備える積層が、構成要素が直接市販されているという前提において機械的成形手順が排除されることに加え、高出力状態においても改善された電流分配を特徴とすると言える。それにもかかわらず、この積層は、電力密度の観点に基づくと、完全に十分ではないことが分かり、電力密度は、含まれる基本的な部品の量の観点から、所要の値にほとんど到達しない。さらに、動作中に、各双極ニットにおいて、６つ以上の接触面（それぞれ、ＭＥＡ／第１の集電体、第１の集電体／板、板／内部集電体、板／第２の集電体、第２の集電体／ＭＥＡ）が存在するため、効果的な性能は、低伝導性酸化物の形成によって、機能時間とともに悪影響を受け、同様に、板および集電体の生産のために現在使用されるステンレス鋼、ニッケル合金、およびチタンでも発生する。

上に引用された米国特許第６，２７４，２６２号は、外面上に溝が設けられる陽極板および陰極板と、両面上に溝を有する中央板とを備える双極ユニットを提案し、３つの要素の締め付けによって、冷却剤の通路用の内部流路の形成が可能になる。この型の多様な双極ユニットは、そこにインターカレントされる所要のＭＥＡ要素とともに組み立てられて、動作中に、ガス状反応物が、陽極板および陰極板の外面上に存在する溝によって、および対向するＭＥＡ要素によって画定される流路を流れる積層を形成する。

内部流路の密封は、商業的用途、特に自動車分野に適合しない生産コストを特徴とする精密な手順によって、および達成可能な電力密度値に対して負の結果をもたらす合理的な厚さを用いる必要性によってのみ入手可能である極めて厳密な平面性耐性を、表面が有することを必要とする。さらに、ＭＥＡユニットと接触する溝を備える双極ユニット設計によって、上で参照したように、特に高出力状態において深刻である電流分配に関する問題および接触帯における減速拡散に関する問題がもたらされる。最後に、接触面の数によって、表面酸化物成長に関連する性能崩壊に関する前述のリスクがもたらされる。

米国特許出願第２００５／０１７０２３２号は、接着薄膜を溝頂点に適用することを特徴とする先行文献のうちの１つに同等である双極ユニット構造を提案する。このように、積層組み立て段階において取り扱い易いモノリシック体が得られるだけでなく、ＭＥＡおよび双極ユニット間の電気接触も、溝頂点および対向するＭＥＡ要素表面間の剥離を接着剤が防止し、かつ攻撃剤の作用を保護するために安定する。この発見によって、性能を経時的により安定して維持することが可能になるが、電流分配の不均一性に関する問題およびＭＥＡユニットおよび溝頂点間の接触帯における減速拡散に関する問題に関して有利であることが決して証明されたわけではない。

米国特許出願第２００３／００４９５１５号は、両面における深絞りによって突起がその上に生成される金属シートから得られる陽極板および陰極板と、中央金属板とから成る双極ユニットを開示する。３つの構成要素の組み立て体によって、冷却剤の通路用の内部空間を形成することが可能になる。双極ユニットの形成のために３つの板を使用することによって、高電力密度の達成が複雑になり、さらに、突起およびＭＥＡ要素間の点接触によって、電流分配の不均一性、減速拡散、および界面の数に関連する性能の経時的な起こり得る遅延に関する上記問題が再びもたらされる。

米国特許第５，８５８，５６７号は、その表面上に溝が適切に設けられ、かつ真空下で溶接することによってモノリシック体に一体化される金属リーフレットの組み立て体から成る双極ユニットを用いて、種々の表面間の単純な機械的接触によって生成される問題を克服するように提案する。高電力密度の目標を達成するために必要な双極ユニットの厚さおよび重量を制限するために、リーフレットは、薄シートから得られ、その上に種々の型の溝が、フォトリソグラフィと続いて化学エッチングによって得られる。結果として生じる双極ユニットの厚さは、典型的には、２．５ｍｍであり、これによって、優れた電力密度の積層を生産することが可能になる。この場合においても、外部溝の頂点およびＭＥＡ要素表面間に接触が実現されるため、米国特許第５，８５８，５６７号の双極ユニットも、依然として、電流分配ならびに接触帯における減速拡散に関連する問題によって影響を受ける。

結論として、従来技術の概説によって、現在までに提案された建設的な解決策が、特に高出力状態時の高電力密度および均一な電流分配に関する２つの問題を同時に解決不可能であることが立証される。

第１の態様によると、本発明は、従来技術の制限を克服する燃料電池双極ユニットを提供する範囲を有する。

第２の態様によると、本発明は、従来技術の制限を克服する一対の双極ユニットによって画定された燃料電池を提供する範囲を有する。

これらの目的および他の目的は、本発明を限定するものとして解釈されない以下の説明および添付の図面によって明確になる。

本発明は、外面および内面が各々に設けられる一対の金属板によって画定される燃料電池双極ユニットからなり、その内面は、関連の連結部によって相互接触を保持し、また、双極ユニットの板には、ガス状反応物、関連の生成物、および冷却剤の循環を確実にするのに適切な波形および開口部も設けられる。本発明の双極ユニットは、板の２つの外面のうちの各々が、伝導性かつ多孔質の平面集電体と均一かつ連続的に電気接触していることを特徴とする。本発明の一好適な実施形態によると、板には、電池活性領域の外部の外周帯において波形が設けられ、ここで、適切な平面ガスケットと連結することによって油圧密閉が達成される。

さらなる態様によると、本発明は、ＭＥＡ組み立て体が介挿される一対の上記双極ユニットを備える燃料電池から成り、電池は、ＭＥＡ組み立て体の拡散層表面と、板外面と接触する多孔質集電体の表面との間の均一な電気接触を特徴とする。

本発明の一好適な実施形態によると、双極ユニットを画定する金属板のうちの１つのみに波形が設けられる。

本発明の別の好適な実施形態によると、双極ユニットの片方または両方の板の波形は、平面シートの圧力成型によって得られ、波形の厚さは、好ましくは、０．１ｍｍから０．５ｍｍの間に含まれる。

一好適な実施形態において、双極ユニットの板のそれぞれの内面の間の連結部は、冷却剤の通路用の流路を画定する。このような連結部は、任意に、連続的であり、ガス状反応物、生成物、および冷却剤の循環用の流路および開口部の外周を油圧不浸透性に
し、連続的な連結部は、例えば、レーザ溶接またはブレイズ溶接によって得られる。

一好適な実施形態において、双極ユニットを画定する板の外面と接触する多孔質集電体は、対向する板の波形に相互貫入され、任意に、レーザ溶接によって、または任意に伝導性接着剤によって固定される。

相互貫入された集電体は、多孔質平面集電体を波形板対向表面に押圧することによって、または対向板の平面シートおよび平面集電体の圧力成型によって得ることができ、板波形の形成および波形を有する集電体の相互貫入を同時に形成する。

双極ユニットの多孔質集電体は、燃料電池構築の分野で既知である材料であり、発泡体、布、メッシュおよび膨張シート、焼結粉末の群から選択でき、単体または種々の積層体および組み合わせとして考えられ、集電体および板の構成材料は、ステンレス鋼、ニッケル合金、およびチタンの群から選択することが好ましい。

本発明の一好適な実施形態において、双極ユニット板の平面シートは、０．０５ｍｍから０．２ｍｍの間に含まれる厚さを有し、一方、多孔質集電体の発泡体は、０．５ｍｍおよび５ｍｍの間に含まれる初期厚さを有し、０．２ｍｍから０．５ｍｍの間に含まれる最終厚さまで圧縮され、平均直径が０．２ｍｍから０．５ｍｍである細孔を有する。

板および多孔質集電体には、任意にニオブ、チタン、タンタル、およびジルコニウムの群から選択される接着促進剤が添加される、白金群金属またはその酸化物を含む群から選択される電気伝導性の腐食保護薄膜が任意に設けられる。一好適な実施形態において、護薄膜は、ルセニウムまたはルセニウム酸化物を含む。

本発明の一好適な実施形態において、保護薄膜は、０．１マイクロメータから１マイクロメータの間に含まれる厚さを有し、５０％未満の多孔率を有する。

本発明の発見について、以下の図面を参照して説明するが、本図面の目的は、単に例示目的である。

波形を備える本発明の双極ユニットを画定する第１の板に関する実施形態の正面図である。 波形が存在しない本発明の双極ユニットを画定する第２の板に関する実施形態の正面図である。 図１の波形を備える第１の板の線Ｘ−Ｘに沿った側方断面図である。 線Ｘ−Ｘに沿った図１の第１の波形板と、線Ｙ−Ｙに沿った図２の第２の平滑板との当接に関する側面図である。 図４ａの当接によって形成される組み立て体の側面図であり、レーザ溶接またはブレイズ溶接によって得られる固定点を示す。 図４ｂの組み立て体の平滑板側面からの正面図であり、点線は、開口部の密封ならびにガス状反応物および冷却剤の通路用の内部流路（図示せず）の密封を確実にするレーザ溶接またはブレイズ溶接の軌道を示す。 図４ｂの組み立て体が、伝導性かつ多孔質の集電体に連結される双極ユニット一式に関する側面図であり、第１の板の波形は、対向する集電体に相互貫入される。 図６に示す型の２つの双極ユニットを備える燃料電池に関する側面図であり、介挿されるＭＥＡ要素を備える。

本説明によって明確になるように、燃料電池、具体的には膜燃料電池の構築のためにＭＥＡ要素と併用するのに適切な本発明の双極ユニットは、第１の波形板および第２の平滑板もしくは任意に波形板から成る組み立て体を備え、該板には、外面および内面と、関連の対向内面間の連結部と、一対の多孔質集電体とが設けられ、第１の板の波形は、相対的な集電体に相互貫入される。板および集電体は、プロセス流体の腐食作用に不活性である電気導電性材料により生成される。

本発明の双極ユニットを画定する第１の波形板について図１に示し、本図面は、適切な第２の板によって接触される板の内面（１）と、冷却剤の流入用の開口部（２）と、平面シート（５）の圧力成型によって得られる波形に対応する冷却剤の通路用の流路（３）であって、その非成型部分（４）が流路の壁を形成する通路用の流路（３）と、２つのガス状反応物（酸化体および燃料）用の開口部（６）および（７）と、平面シートの圧力成型によって得られる波形に対応する第１および第２のガス状反応物のそれぞれの分配流路（８）および（１０）と、第１のガス状反応物を、その輪郭を画定する点線（１２）を有する板の外面（図示せず）に接触する関連の第１の多孔質集電体に分配するのに適切な孔（９）と、多様な個々の電池の組み立てに必要な圧力タイロッドを収容するのに必要な孔（１１）とを示す。

該シートは、通常、ステンレス鋼シートまたはニッケル合金シートまたはチタンシートであり、０．０５ｍｍから０．２ｍｍの間に含まれる厚さを有し、成型によって得られる波形は、０．１ｍｍから０．５ｍｍの範囲にある高さを有する。

図２は、平滑板バージョンの本発明の双極ユニットを画定する第２の板の正面図を示し、第２の板は、単純な押し抜きによって平面シートから得られ、かつ第１の板の内面に接触するように方向付けられる内面（図示せず）と外面（１３）とを特徴とし、第２のガス状反応物を、上記外面に接触する関連の第２の多孔質集電体に分配するのに適切な孔（１４）を備える。第１の板と共通する他の詳細については、同一の参照番号で示す。

第１の板の構造は、図１の線Ｘ−Ｘに沿った側面図を示す図３を用いてさらに容易に理解され、本図面において、点線矢印は、数字（４）で表示され、かつ対応する流路を特定する波形の成型過程における押し抜き方向を示す。図１と共通する詳細については、同一の参照番号で示す。

図４ａは、図１および図２のＸ−ＸおよびＹ−Ｙに沿った側面図において、流路および開口部の固定および密封の動作の直前の、第１の波形板の内面と第２の平滑板の内面との当接を示し、２つの点線矢印によって図式化される。

図４ｂは、点線矢印によって示される点（１６）において、流路および開口部の固定および密封の動作の後の、図４ａの当接によって得られる組み立て体（１５）を示す。

図５は、組み立て体（１５）の正面図を示し、本図面において、２つの板の固定軌道は、参照番号（１７）で示される。組み立て体（１５）の利用によって構築される燃料電池を正確に機能させるためには、流路自体の間、開口部の間、ならびに流路および開口部の間のガスまたは冷却剤の漏出を防止するために、流路および開口部を密封することが不可欠である。ゆえに、軌道（１７）は、図面に示すように連続的であり、かつミクロ多孔等の欠陥が存在しないことが必要である。十分な結果は、レーザ溶接法によって達成可能であり、レーザ溶接法によって、顕著な生産速度に関連する高再現性を保証可能な自動装置によって高度に精密に配置される超薄軌道を得ることが可能になる。興味深い代替は、板熱交換器の生産に現在使用されるブレイズ溶接法の適切な適合によって示される。

図４ｂの組み立て体（１５）は、本発明の双極ユニットをもたらす最終製造ステップの基礎を構成する。図６に図式化する本段階は、特に、各対の隣接波形間の間隙（１９）に相互貫入されて、組み立て体（１５）の波形外面全体と集電体自体の本体との間の連続的な電気接触を特徴とする単一の物体を形成するように、点線矢印によって概説されるように組み立て体（１５）の表面に対して、特に外部波形表面に対して第１の多孔質集電体（１８）を押圧することをもたらす。このようにして得られた物体は、最終的に、平滑板の表面（１３）で表されるその外面上において、任意に不連続軌道である溶接軌道によって固定される第２の多孔質集電体（２０）と、代替的には、好ましくは伝導型接着剤である接着剤と連結され、この接着剤として、例えば、スポット的に塗布される、または代替的に接触面全体に薄いベールとして塗布される黒鉛充填エポキシセメントが挙げられる。また、固定を十分に確立するために、類似の方法を第１の多孔質集電体に押圧後に適用できる。組み立て体（１５）における第１の集電体の圧縮および第２の集電体の固定に関する動作全体によって、図６の参照番号（２１）で示される本発明の双極ユニットを構成する最終的なモノリシック体を得ることが可能になる。任意の代替として、平面集電体に接触する平面シートの圧力成型を同時に実行することによって、集電体および波形を相互貫入することも可能である。このようにして得られた部品は、その後、第２の板に固定され、次いで、得られた物体は、第２の集電体に固定されることによって、図６の双極ユニットが得られる。

本発明の双極ユニットの形成に適切な集電体は、優れた電流伝達のための電気伝導性、容易な流れおよび均一なガス状反応物分配を可能にするのに十分な多孔率、ならびに組み立て体（１５）の波形との完全な相互貫入を達成するための十分な変形能を特徴としなければならない。これらの必要性は、オーステナイト型およびフェライト型のステンレス鋼、ニッケルクロム合金、またはチタンから生成され、かつ波形板および平滑板の製造に使用される固体シートの材料として用いられる発泡体、布、焼結粉末、ならびに薄メッシュおよび膨張シートの多層パッケージによって提示される。このような材料は、燃料電池内部に存在する流体の攻撃性に対する優れた慣性を特徴とし、通常、劣化に関する特定の問題も、有害金属イオンの有害放出に関する特定の問題ももたらさない。いずれの場合においても、特に重要な用途のために、任意に、ニオブ、チタン、タンタル、および酸化ジルコニウムの群から選択される接着促進剤が添加される、例えば、ルテニウムまたは酸化ルテニウム等の白金またはその酸化物の群からの金属に基づいて、保護伝導性薄層を塗布することによって、化学的慣性をさらに増加させることが可能である。費用を抑えるために、保護薄膜の厚さは、０．１〜１マイクロメータまで薄く、この最小厚さによって、薄膜が、いずれの場合も、低接触抵抗を確実にするタスクおよび多孔率が５０％を越えない場合に、金属イオン放出を高度に制限する、そうでない場合は取り消すタスクを実行することが可能であることが発見された。

集電体は、まず、０．２ｍｍから０．５ｍｍの間であることが好ましい平均相当直径と、組み立て体（１５）の波形表面に対して圧縮された後に、指示的に０．２ｍｍ〜０．５ｍｍに減少される０．５ｍｍ〜５ｍｍの厚さとを有する細孔を特徴とする。

図７に示すように、図６の一対の双極ユニット（２１）をＭＥＡ要素と併用して、基本的な燃料電池を形成する。ＭＥＡ要素は、当技術分野において既知であるように、イオノマー膜（２３）、触媒微小粒子および任意に適切な結合剤から成る２つの薄膜（２４）、２つのガス拡散層（２５）を備える。ＭＥＡ要素は、ガスおよび冷却剤の外部環境への漏出および開口部自体の間の漏出を防止するために、種々の開口部を密封するように方向付けられる一体型周辺ガスケット（２６）のシステムによって完成する。図７に示す構成要素を隣接することによって形成される基本的な電池において、波形によって形成され、かつ冷却剤が横断する流路は、動作温度の最適制御を確実にする。ガス状反応物は、第１の集電体および第２の集電体を通って流れ、ガス拡散層に均一に分配される。このような状態は、触媒薄膜上の電流の均一分配を得るためにも重要であるが、十分ではない。最良な電圧性能を得るため、ならびに長い動作寿命を達成するために必須である電流分配の均一性は、双極ユニットおよびＭＥＡ要素間の電気接触が均一かつ連続的であることを必要とする。溝または波形のみを備える双極ユニットを使用する従来技術において、電気接触は、溝または波形の頂点とＭＥＡ要素と間で常に確立されるため、電流分配に対して悪影響を及ぼす不連続型であるが、本発明の双極ユニットは、双極ユニットの表面間、多孔質集電体およびＭＥＡ要素間の両方の完全な電気接触の均一性および連続性を確実にする。

図７の分析により、膜、触媒薄膜、ガス拡散層、およびガスケット枠を備えるＭＥＡ要素を本発明のモノリシック型双極ユニットと併用することが、低コスト大量生産手順と確実に適合する多様な超簡略化燃料電池を含む積層組み立て体手順をいかにもたらすかが最終的に立証される。さらに、本発明に従うＭＥＡ要素および双極ユニットから成る積層は、典型的に１ｍｍから２ｍｍの間の個々の基本電池を特徴とする厚さ減少の結果として、最終的に非常に小型になる。このような小型積層は、重量および特に容積が非常に重要である全ての自動車用途にとって多大な利益となる。

当業者に明白であるように、他の変更または修正を、本発明を限定するものとして意図されないものとする前述の開示に取り入れ得、本発明は、その範囲を逸脱することなく異なる実施形態に従って使用され得、本発明の範囲は、付属の請求項によって一義的に定義される。

本出願の説明および請求項において、用語の「備える」およびその変化形は、他の要素および付加物の存在を除外することを意図しない。

Claims (25)

1. 外面および内面と、前記それぞれの内面間の連結部と、ガス状反応物および冷却剤の伝達用の開口部とが各々に備えられた一対の金属板を備える燃料電池のための双極ユニットであって、前記板のうちの少なくとも１つには波形が設けられ、前記波形は、前記冷却剤の通路を確実にするために前記内面間に備えられた第１の流路を形成し、前記外面の各々は、対向する伝導性かつ多孔質の集電体と連続的かつ均一に電気接触し、波形が設けられた前記少なくとも１つの板の外面と、前記対向する多孔質集電体との間の前記連続的かつ均一な電気接触は、前記波形および前記集電体間の相互貫入によってもたらされる、双極ユニット。
2. 波形が設けられた前記少なくとも１つの板の前記波形は、さらに、ガス状反応物の分配を確実にするために前記内面間に備えられた第２の流路を形成し、前記ガス状反応物の分配は、前記第２の流路と流体連通する少なくとも１つの孔を通して行われる、請求項１に記載の双極ユニット。
3. 前記波形の高さが、０．１ミリメートル以上０．５ミリメートル以下である、請求項１または２に記載の双極ユニット。
4. 前記多孔質集電体は、発泡体、布、メッシュ、膨張シート、および焼結粉末から成る群から単体またはこれらのうち少なくとも２つの積層体として選択される、請求項１に記載の双極ユニット。
5. 前記多孔質集電体は、発泡体を備えており、前記発泡体は、０．５ミリメートル以上５ミリメートル以下の初期厚さを有し、０．２ミリメートル以上０．５ミリメートル以下の最終厚さまで圧縮される、請求項４に記載の双極ユニット。
6. 前記多孔質集電体は、発泡体を備えており、前記発泡体は、平均初期直径が０．２ミリメートル以上０．５ミリメートル以下の細孔を有する、請求項４に記載の双極ユニット。
7. 前記板または前記集電体の材料は、ステンレス鋼、ニッケルクロム合金、およびチタンからなる群から選択される、請求項１に記載の双極ユニット。
8. 前記板の前記内面間の前記連結部は、前記第１の流路および前記開口部を密封する、請求項１に記載の双極ユニット。
9. 前記板の前記内面間の前記連結部は、前記第１の流路および第２の流路ならびに前記開口部を密封する、請求項２から８のいずれか１項に記載の双極ユニット。
10. 前記連結部は、レーザ溶接またはブレイズ溶接によって得られる、請求項８または９に記載の双極ユニット。
11. 前記多孔質集電体は、レーザ溶接によって、または接着剤によって前記一対の板の前記外面に固定される、請求項１から１０のいずれか１項に記載の双極ユニット。
12. 前記接着剤は、伝導性である、請求項１１に記載の双極ユニット。
13. 前記板または前記多孔質集電体には、白金系金属、白金系金属の酸化物、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化チタン、酸化ジルコニウムおよびこれらの組み合わせまたは混合物の群から選択される材料から成る電気伝導性の腐食保護薄膜が設けられる、請求項１に記載の双極ユニット。
14. 前記保護薄膜は、ルテニウムまたは酸化ルテニウムを含む、請求項１３に記載の双極ユニット。
15. 前記保護薄膜厚さが、０．１マイクロメータ以上１マイクロメータ以下である、請求項１３または１４に記載の双極ユニット。
16. 前記保護薄膜は、５０％と等しいまたは５０％未満の多孔率を有する、請求項１３から１５のいずれか１項に記載の双極ユニット。
17. 平面シートの圧力成型による前記波形の形成を含む、請求項１から１６のいずれか１項に記載の双極ユニットを製造する方法。
18. 前記平面シートの厚さが、０．０５ミリメートル以上０．２ミリメートル以下である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記相互貫入を、波形が設けられる前記少なくとも１つの板上の前記多孔質集電体の圧力成型によって得ることを含む、請求項１に記載の双極ユニットを製造する方法。
20. 前記相互貫入を、平面シートおよび前記多孔質集電体の同時圧力成型によって得ることを含む、請求項１に記載の双極ユニットを製造する方法。
21. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の一対の双極ユニットを備えるポリマー膜燃料電池。
22. ＭＥＡ要素にインターカレートされた請求項１から１６のいずれか１項に記載の対の双極ユニットによって画定される複数のポリマー膜燃料電池を備える燃料電池積層体。
23. 前記一対の金属板の前記内面間の前記連結部が、前記内面間の少なくとも１つの相互接触点を備える、請求項１または８に記載の双極ユニット。
24. 前記一対の金属板の前記内面間の前記連結部が、前記第１および第２の流路と前記開口部とを密封する、請求項２３に記載の双極ユニット。
25. 前記連結部が、レーザ溶接またはブレイズ溶接によって得られる、請求項２４に記載の双極ユニット。

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