JP7060759B2 - 燃料電池用バイポーラプレート、および燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、プレート本体の複数のウェブの間に形成された反応物用の流れチャネルを有し、冷却剤用の流路（lines）を有し、かつ、プレート本体に割り当てられるとともに、勾配が形成された親水性構造を有する、燃料電池用のバイポーラプレートに関する。さらに本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、通常は水素である燃料と、通常は空気である酸素含有ガスとの間の電気化学反応による電気エネルギーを供給するために使用される。燃料電池は、アノードが膜の片側に形成され、カソードがその反対側に形成される膜電極配置を有する。水素ガスはアノードに供給され、空気はカソードに供給される。電極への反応物の整然とした供給を行うように、反応物のための流れチャネルに加えて冷却剤のための流路も有する、バイポーラプレートが使用される。

電気化学反応中に生成水が生成されることに留意する必要があり、これは、燃料電池に存在する機能層、すなわち膜電極配置、およびバイポーラプレートと膜電極との間に配置されたガス拡散層にフラッディングが生じた場合、燃料電池の性能を低下させる可能性がある。結果として、流れチャネル内の流れの断面積が減少し、反応物の均一な分布に対するガス拡散層の適合性も損なわれる。

機能層に溢れているその水を除去するために、操作条件を調整することによって、すなわち、例えば、ガスの体積流量を増やすことによって、水の溢れている機能層を解放するのが通例であったが、それは燃料電池効率の低下、または圧力や温度などの他の動作パラメータの調整時の劣化現象をもたらす。

特許文献１は、燃料電池用のバイポーラプレートを親水性にすることを提案しており、これは、親水性プレートがチャネル内の水に薄膜を形成させ、その膜はチャネルのグループ化（grouping）に沿った流れ分布を変化させる傾向が少ないためである。親水性は、外側の金属酸化物コーティングによって生成される。

特許文献２から、主請求項のプリアンブルによるバイポーラプレートが知られており、そのバイポーラプレートは、その平面に垂直に配向された親水性構造の勾配を有する。

特許文献３では、超親水性表面に関して、表面に落下した水滴が所定のマイクロチャネルに吸い込まれ、毛管力によってこれらのマイクロチャネルに沿って輸送されることが指摘されている。

独国特許第１１２００６０００６１３号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２２１１３９号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０３４５４６号明細書

本発明の目的は、機能層のフラッディングの防止が改善されるように、冒頭で述べた種類のバイポーラプレートを設計することである。本発明の別の目的は、改良された燃料電池を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有するバイポーラプレート、および請求項７の特徴を有する燃料電池によって達成される。本発明の便利なさらなる改良を伴う有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によるバイポーラプレートは、改善された水管理を特徴としており、その力は特に、水がバイポーラプレートの縁部（edge）から流れチャネルの底部へと移動することを確実にする、異なる物理的効果によって提供される。特にマイクロチャネルが、その割り当てられた流れチャネルの方向に先細り状になっている場合、毛管力が、水の流れチャネルへの直接的な輸送を生じさせることが特に認識される。

基本的に、バイポーラプレートは親水性材料で形成されている可能性がある。しかしながら、本発明は、バイポーラプレートが疎水性材料から形成される場合にも使用することが可能であり、すなわち、ウェブ上のコーティングとして親水性構造を形成することによって使用することができる。一例として、次に、金属酸化物の粒子の適切な配置を有する金属酸化物層を参照することができる。

複数のマイクロチャネルの開口部（mouths）の表面密度が流れチャネルの縁部から底部に向かって増加する場合、それによりバイポーラプレートの縁部領域から流れチャネルの底部への水の輸送が促進されるため、好都合である。複数のマイクロチャネルが流れチャネルの境界に対して垂直に配向されている場合、製造の観点から便利かつ好ましいことが示されている。

ウェブから流れチャネルへの液体の水の輸送を促進するために、流れチャネルの底部がそれらの隣接領域のウェブよりも親水性である場合、有利である。

燃料電池が本発明によるバイポーラプレートを備えている場合、バイポーラプレートに隣接する機能層、すなわち膜電極配置およびガス拡散層からの生成水は、迅速に運び去られるため、燃料電池の改善された水管理が利用可能であり、反応ガスの体積流量により流れチャネルから水を排出するように最適な動作条件から逸脱する必要がないため、燃料電池の効率が向上する。

水管理の改善はまた、ガス拡散層に面するそのウェブの領域において、バイポーラプレートがガス拡散層よりも高い親水性を有するという効果を有する。このような方法により、その後、本発明によるバイポーラプレートの改善された水管理を利用するために、水をガス拡散層からウェブへとターゲット方式で導くことができるためである。

本発明のさらなる利点、特徴、および詳細は、特許請求の範囲、好ましい実施形態の以下の説明、および図面に基づいて明らかとなる。

燃料電池の断面の概略図である。 図１に対応する従来技術の燃料電池を示す図である。 ウェブから流れチャネルへの親水性の増加を示す概略図である。 図３に対応するウェブに割り当てられた先細り状のマイクロチャネルを示す図である。

図１では、燃料電池が、燃料電池スタックの一部として示され、燃料電池スタックは、積層方向に積み重ねられた複数の燃料セルから形成されていることに留意されたい。

燃料セル１は、アノードおよびカソード、ならびにアノードをカソードから分離するプロトン伝導性膜２を含み、これらは、膜電極配置３に組み合わされる。膜２は、ポリマから形成され、好ましくはスルホン化テトラフルオロエチレンポリマ（ＰＴＦＥ）またはパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）のポリマから形成される。代替的に、膜２は炭化水素膜として形成されうる。

触媒をアノードおよび／またはカソードにさらに添加することができ、膜２は、好ましくは、その第１の側および／またはその第２の側に、貴金属、または白金、パラジウム、ルテニウムなどの貴金属を含む混合物から構成される触媒層がコーティングされ、それぞれの燃料電池の反応において反応促進剤として機能する。

水素含有燃料が、燃料セル１のアノードコンパートメントに供給される。高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）では、水素がアノードでプロトンと電子とに分かれる。膜２はプロトンを通過させるが、電子は透過しない。プロトンが膜２を通過してカソードに到達する一方、電子はカソードに伝達されるか、または外部回路を介してエネルギー貯蔵部に伝達される。

酸素または酸素を含む空気が燃料セル１のカソードコンパートメントに供給され、それによりカソード側で次の反応が生じる：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→Ｈ₂Ｏ。

燃料セル１で発生する電気化学反応により、生成水が生じる。

膜電極配置３の両側において、燃料セル１は、一方ではガス拡散層４を有するとともに他方ではバイポーラプレート５を有しており、そのバイポーラプレートには、反応物のための流れチャネル６および冷却剤のための流路７が形成される。したがって、バイポーラプレート５は、水素および酸素を膜電極配置３に伝達し、ガス拡散層４の助けを借りてそれらを均一に分配するために使用される。

本発明の根底にある問題を説明するために、従来技術から知られている燃料セル１を図２に概略的に示しており、ここではドットとして記号化された液体水９がバイポーラプレート５のウェブ８の下に蓄積し、それによりガス拡散層４でのガス輸送が遮断されている。

図１は、本発明によるバイポーラプレート５が使用された燃料セル１を示しており、そのバイポーラプレートには、ウェブ８に割り当てられた、勾配（gradient）に形成された親水性構造が存在する。この文脈において、図３は、ウェブ８からチャネル６への親水性の増加を示しており、その結果、液体水９に作用する力が生じ、液体水９を流れチャネル６の底部へと導く。

この勾配は、対応する酸化物をプレートブランクに吹き付けるときに、金属バイポーラプレート５に生成することができる。グラファイトバイポーラプレート５の場合、成形されたバイポーラプレート５への対応する酸化物の化学的堆積（chemical deposition）の際に、異なる湿潤時間が用いられる。

図４は、たとえ親水性が一定であっても、ウェブ８から流れチャネル６へと向かう力が提供されることを示しており、これはすなわち、マイクロチャネル１０を先細り状にすることによって提供され、それらのマイクロチャネルは、レーザーによる機械的除去、機械加工、または、鋳造またはプレス機械の対応する幾何学的特徴により、バイポーラプレート５に形成される。

本発明は、図３および４に示されるそれらの２つの効果の重ね合わせを提供し、図４は、マイクロチャネル１０が、そのマイクロチャネル１０の開口部（mouths）の一定の表面密度で、流れチャネル６の境界に対して垂直に配向されることを示す。また、水輸送に有利な方向を特徴付けるために、マイクロチャネル１０の開口部の表面密度が、流れチャネル６の縁部から底部に向かって増加する可能性も考えられる。

図１に象徴的に示されるように、流れチャネル６の底部は、それらの隣接領域のウェブ８よりも親水性であり、それにより、ガス流と共に水の排出を促進するために、液体水９が流れチャネル６の底部に輸送されることももたらされる。

ガス拡散層４に面するそれらのウェブ８の領域において、バイポーラプレート５は、フラッディングのリスクのある機能層の的を絞ったリスクの軽減を行ない、かつ改良されたバイポーラプレート５の利点を水管理に合わせて利用することができるように、ガス拡散層４よりも高い親水性を有することにも留意されたい。

１…燃料セル
２…膜
３…膜電極配置
４…ガス拡散層
５…バイポーラプレート
６…流れチャネル（flow channel）
７…流路（line）
８…ウェブ（web）
９…液体水
１０…マイクロチャネル

Claims (8)

1. 燃料電池（１）用のバイポーラプレートであって、プレート本体の複数のウェブ（８）の間に形成された反応物用の流れチャネル（６）を有し、冷却剤用の流路（７）を有し、かつ、プレート本体に割り当てられるとともに勾配が形成された親水性構造を有しており、
   前記親水性構造の勾配は、流れチャネル（６）の底部に向かって親水性が増加するように、ウェブ（８）に割り当てられており、
   流れチャネル（６）へと開口するとともに毛管力を生成するように配置された、流れチャネル（６）への複数のマイクロチャネル（１０）が、ウェブ（８）の境界面に形成された、バイポーラプレート。
2. 親水性材料から形成されることを特徴とする、請求項１に記載のバイポーラプレート。
3. 前記親水性構造が、前記ウェブ（８）上のコーティングとして形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のバイポーラプレート。
4. 前記複数のマイクロチャネル（１０）の開口部の表面密度が、前記流れチャネル（６）の縁部から底部に向かって増加することを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
5. 前記マイクロチャネル（１０）が、前記境界に対して垂直に配向されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
6. 前記流れチャネル（６）の底部が、それらの隣接領域における前記ウェブ（８）よりも親水性であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
7. 膜電極配置（３）を有し、反応物用の流れチャネル（６）および冷却剤用の流路（７）を有するバイポーラプレート（５）と、前記膜電極配置（３）および前記バイポーラプレート（５）の間に配置されたガス拡散層（４）と、を備え、
   前記バイポーラプレート（５）が、請求項１～６のいずれかに従って設計された、燃料電池。
8. 前記バイポーラプレート（５）は、その複数のウェブ（８）における、ガス拡散層（４）と面した領域において、前記ガス拡散層（４）よりも高い親水性を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。

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