JP5833171B2 - 燃料電池用単極単板及びそれを含む燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、プロトン交換膜（proton-exchange membrane）を有するタイプの燃料電池用単極端板（monopolarend-plate）に関する。

プロトン交換膜を有する燃料電池は、例えば水素含有ガス等の燃料と例えば酸素含有ガス等の酸化剤との電気化学反応により発電する装置からなり、燃料と酸化剤とは固体電解質で構成される壁体によって分離されている。この種の装置において、燃料が水素性のガスであって、酸化剤が酸素性のガスであると、水素性のガスと酸素性のガスが反応して、水を生成すると同時に各種の用途に利用可能な電流を発生する。

一般に、燃料電池は、各々が電極／膜接合体で構成される反応性セル、即ち基本セルのスタック（stack;積み重ね）によって構成され、前記電極／膜接接合体は、一方において燃料、他方において酸化剤、及び最終的に水等の熱交換流体の循環のためのチャンネルを有する２枚のバイポーラ・プレート（bipolar plates；双極板）間に挿入される。電極／膜接合体は、自体公知の多層材料からなり、２つの活性層間にそれ自身が配置された固体電解質の膜で構成される層を含み、前記活性層は、２つの外層と拡散層でそれ自身が被覆される一方においてカソード、他方においてアノードを構成する。基本セルのスタックは一般に２つのターミナル板（terminal plate）間に固着された状態で保持され、前記ターミナル板は、一方のターミナル板から他方に延び、かつ、基本セルのスタックを貫通して延びるピンによってフランジが取り付けられている。

燃料電池の端部の一方には電流コレクタを備えたアノード単極プレートが位置し、反対側の端部には別の電流コレクタを備えたカソード単極プレートが位置する。組立部品は、そのターミナル板及び引張り棒により機械的に支持される。一般に、単極端板は、例えば、グラファイト等の炭素含有材料、ポリマー含浸グラファイト、又はグラファイトの可撓性シート等の耐腐食性に優れた特性を有し、かつ良好な導電性を有する材料から製造される。

これらの構成部材は、一方において、活性面に反応性のガスの循環チャンネルを、反対面に電流収集板と接触する表面を画定するように、通常、機械加工又は成形加工（moulding）により成形される。この技術は、特に、セルのスタック組立部品用に製造されるバイポーラ・プレートと区別される特定の単極端板の製造を必要とする、という不都合がある。そのため、コストが著しく増大する。

本発明の目的は、バイポーラ・プレートを含むプロトン交換膜を有する燃料電池用単極端板を提供することによって、上述の不都合を克服することにある。バイポーラ・プレートは、絞り加工（drawing）により得られ、かつ、単極端板を製造する公知の方法より経済的な方法で製造され得るバイポーラ・ハーフプレートの組立部品から構成される。

この目的を達成するために、本発明は、プロトン交換膜を有するタイプの燃料電池の単極端板に関するものであり、単極端板は遮蔽板に固着されるカソード又はアノードの単極ハーフプレートによって構成され、単極ハーフプレートは、その中央部分に活性カソード又はアノード帯域を含むと共に、その周辺部に、単極ハーフプレートがカソードである場合には少なくとも２つの酸化剤用ユニットを、あるいは単極ハーフプレートがアノードである場合には燃料用ユニットを含み、各酸化剤又は燃料ユニットは、単極ハーフプレート側で単極プレートの外側に酸化剤又は燃料の循環を許容するために、活性帯域の外側に開口する少なくとも１つのチャンネルを含み、酸化剤又は燃料ユニットは、遮蔽板の中央部分に燃料又は酸化剤が接触できないように、遮蔽板の中央帯域に開口するいかなる開口部も含まない。

好ましくは、少なくとも単極ハーフプレートはその周辺部に少なくとも２つの熱交換流体ユニットを含み、単極ハーフプレートの中央部分及び遮蔽板の中央部分が、共同して、接続チャンネルを介して熱交換流体ユニットに連通する熱交換流体の循環用空間を画定する。固着される単極ハーフプレートがアノードであるか又はカソードであるかに応じて、遮蔽板の中央部分をそれぞれカソード又はアノードの単極ハーフプレートの中央部分と同一とすることができる。遮蔽板は電流収集板であってもよい。

好ましくは、少なくとも１つの端部組立部品は、本発明の単極端板と電流収集手段とを含む。電流収集手段は、例えば、単極端板の遮蔽板と接触する電流収集板である。
端部組立部品は、単極端板と電流収集手段の間のシールを行う周辺間のシールと、ターミナル板とを更に含むことができる。

本発明が、更に明確に、しかし非限定的な方法で、添付の図面を参照して以下に説明されるであろう。図１，２に示す燃料電池の端部組立部品は、ターミナル板１、電流収集板２、周辺シール３、及び反応性電極／膜接合体と協同するための活性面４１と電流収集板２に接触するための封鎖裏面４２とを有する単極端板４を含むスタックによって構成される。

単極端板４は、２枚のハーフプレート４１０，４２０の組立部品により構成される。活性面４１に対応するハーフプレート４１０は、それぞれ、端部組立部品が燃料電池のカソード端部に又はアノード端部に設置されるための組立部品であるかどうかによって、カソード又はアノードの単極ハーフプレートとなる。このカソード又はアノードの単極ハーフプレートは、燃料電池におけるバイポーラ・プレートのカソード又はアノードの単極ハーフプレートと同一である。

カソード又はアノードの単極ハーフプレート４１０は、活性中央部分４１１及び開口部４１３を含む。活性中央部分４１１は、絞り加工により得られるチャンネルによって構成され、かつ周辺フレーム４１２によって囲まれている。開口部４１３は、単極ハーフプレートがカソードハーフプレートである場合は酸化剤であり、あるいはハーフプレートがアノードハーフプレートである場合は燃料である、活性流体を受け入れる。開口部４１３は、燃料電池の長手方向に沿って活性流体を循環させるためのものであり、コレクタ開口部４１３を通って到達する活性流体の循環を許容するために、チャンネル４１４によって、単極ハーフプレートの外側に開口する開口部４１５に接続しており、前記コレクタ開口部４１５は、単極ハーフプレートの活性中央帯域４１１の表面に流体ユニットを構成する。

単極ハーフプレートは、また、流体ユニット４１３により供給される活性流体を補充する活性流体を有するユニットの形成のための周辺開口部４１６を含む。単極ハーフプレート４１０がカソードである場合、流体ユニット４１６は燃料を有するセルの提供を目的とし、逆に、単極ハーフプレートがアノードである場合、流体ユニット４１６は酸化剤の輸送を目的とする。これらの流体ユニット４１６は単極ハーフプレートの表面に開口しておらず、この配置のため、セルに流体が供給されると、当該単極端板のハーフプレートの性質に対応した流体のみが単極ハーフプレート４１０の活性表面４１１に供給される。

単極端板４の第二の面４２は、活性面に位置する単極プレート４１０を補完する単極プレート４２０によって構成され、前記活性面はバイポーラ・プレートの活性中央帯域と同一の中央帯域４２１を含む。この活性中央領域４２１は、単極ハーフプレート４１０の活性中央帯域４１１がアノードであればカソードタイプのものからなり、ハーフプレート４１０がカソードであれば逆のタイプとなる。ハーフプレート４２０は中央領域４２１を囲む周辺部４２２を有する。この周辺部４２２は、単極ハーフプレート４１０と同じように、単極ハーフプレート４１０の開口部４１３，４１６と協同するための対応する開口部４２３，４２６を含み、活性流体ユニットを形成する。遮蔽板を構成する前記ハーフプレート４２０は、流体ユニットを構成する開口部４２３，４２６のいずれもが中央帯域４２１の外側に開口していないという事実によってのみ、単極ハーフプレートと区別される。

そのため、開口部４２３，４２６によって形成された流体ユニットにより輸送される活性流体は、前記遮蔽板の中央帯域４２１の外面に接触することができない。単極ハーフプレート４１０及び遮蔽板４２０の２つの活性中央帯域４１１，４２１は、共同して、熱交換流体の循環を許容する空間を画定している。この空間には、単極ハーフプレート４１０及び遮蔽板４２０の周辺部に設けられ、かつ冷却流体用ユニットの形成を目的とした、開口部４１７，４２７を通って熱交換流体が供給される。前記冷却流体ユニットは、単極ハーフプレート及び遮蔽板の２つの中央帯域間を画定する空間と連絡チャンネルを介して連通している。

得られるプレートの全ては所望の形状を得るために切断及び絞り加工された金属から製造されるプレートであり、遮蔽板に固着される単極ハーフプレートは、例えば、特にプレートの周辺部で行われるレーザー溶接等の溶接により遮蔽板と共に組み立てられる。

更に、組立部品のシールを行うシール３を受け入れることができるように、先に述べた単極端板の周辺部が設けられていることに気付くであろう。電流収集板２は、燃料電池により発生する電流を集めるために、遮蔽板４２０の裏面に接触するための平坦な金属板からなる。この収集板は、その中央部分に、操作回路への燃料電池の接続を許容する接続ピン２２を含んでいる。

最後に、ターミナル板１はその作用が実質的に機械的であるプレートからなる。ターミナル板１は、その周辺部に、燃料電池を構成するスタックの固着に役立つ例えば引張り棒をカソード側のターミナル板とアノード側のターミナル板の間に受け入れるための複数の開口１０を有する。また、このターミナル板は、その中央に、外側に向けて燃料電池を電気接続できるように電気接続ピン２２の通過を許容するための穴１１を含む。

様々な変形を用いて先に述べたスタックを製造することができ、特に、単極プレートの周辺部に設けられるが、このプレートに活性流体の供給を目的としない開口部は、封鎖されていてもよい。更に、例えば、燃料電池の外側の接続ピンを単極端板の遮蔽板に直接固定してもよい。この場合、遮蔽板自体は電流収集板を構成する。

プロトン交換膜を有する燃料電池における端部組立部品の斜めから見た分解裏面斜視図である。 図１に示すものと同じ燃料電池における端部組立部品の斜めから見た分解正面斜視図である。

Claims (7)

1. プロトン交換膜を有するタイプの燃料電池の単極端板（４）であって、
   前記単極端板（４）は、ハーフプレート（４２０）、及び該ハーフプレート（４２０）に固着されるカソード用又はアノード用の単極ハーフプレート（４１０）によって構成され、
   前記単極ハーフプレート（４１０）は、その中央部分に活性カソード帯域又は活性アノード帯域（４１１）を含むと共に、その周辺部に、少なくとも２つの酸化剤用の開口部（４１３）及び少なくとも２つの燃料用の開口部（４１６）を含み、
   単極ハーフプレート（４１０）がカソード用である場合には、酸化剤の循環を許容するために、各酸化剤用の開口部（４１３）が、活性カソード帯域（４１１）の外側に開口する少なくとも１つのチャンネル（４１４）を含み、
   単極ハーフプレート（４１０）がアノード用である場合には、燃料の循環を許容するために、各燃料用の開口部（４１６）が、活性アノード帯域（４１１）の外側に開口する少なくとも１つのチャンネル（４１４）を含み、
   前記ハーフプレート（４２０）は、中央部分（４２１）と、その周辺部（４２２）に、前記酸化剤用の開口部（４１３）と連通する開口部（４２３）及び前記燃料用の開口部（４１６）と連通する開口部（４２６）とを含み、
   前記ハーフプレート（４２０）の開口部（４２３、４２６）のいずれもが、中央部分（４２１）の外側に開口しておらず、
   前記ハーフプレート（４２０）に固着される単極ハーフプレート（４１０）がアノード用であるか又はカソード用であるかに応じて、前記ハーフプレート（４２０）の中央部分（４２１）がそれぞれカソード用又はアノード用の単極ハーフプレート（４１０）の中央部分と同一の形状であることを特徴とする単極端板（４）。
2. 前記単極ハーフプレート（４１０）が、その周辺部に少なくとも２つの熱交換流体用の開口部（４１７）を含み、単極ハーフプレート（４１０）の中央部分とハーフプレート（４２０）の中央部分（４２１）との間に、熱交換流体の循環用空間が画定されており、該循環用空間が連絡チャンネルを介して前記熱交換流体用の開口部（４１７）に連通することを特徴とする請求項１記載の単極端板（４）。
3. 前記ハーフプレート（４２０）が電流収集板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の単極端板（４）。
4. カソード端部組立部品とアノード端部組立部品の間に固着される電極／膜とバイポーラ・プレートとの交互スタックを含むタイプの燃料電池において、少なくとも１つの端部組立部品が、請求項１又は２に記載の単極端板（４）及び電流収集手段を含むことを特徴とする燃料電池。
5. 前記電流収集手段が、単極端板（４）のハーフプレート（４２０）と接触する電流収集板（２）であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記端部組立部品が、単極端板（４）と電流収集板（２）の間のシールを行う周辺間のシール（３）と、ターミナル板（１）とを更に含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 前記開口部（４１３）は、燃料電池の長手方向に沿って活性流体を循環させるためのものであることを特徴とする請求項１記載の単極端板（４）。