JP7197697B2 - 燃料電池または電気分解装置のためのディストリビュータ構造体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池または電気分解装置のためのディストリビュータ構造体、ならびにディストリビュータ構造体の使用に関する。

燃料電池および電気分解装置は電気化学エネルギー変換器である。エネルギーを取得するために、燃料電池では水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）と電気エネルギーと熱に変換される。これに対して電気分解装置では、水が電流の助けによりＨ２とＯ２に分解される。高分子電解質燃料電池では１２０℃未満の作動温度が支配的である。高分子電解質燃料電池の構成は、基本構造に関して電気分解装置と同じである。しかし電気分解装置は冷却路を使用しない。ＰＥＭ燃料電池（高分子電解質燃料電池）は実質的に５つのコンポーネントを有している。プロトン伝導高分子膜は、微多孔質に形成されるグラファイト紙またはグラファイト織物からなる２つのガス拡散層間に埋設されている。膜または２つのガス拡散層が触媒材料との接触面においてコーティングされている。ガス拡散層の外側には両側にバイポーラプレートがある。積層もしくはこの構成の繰り返し単位はスタックとも呼ばれる。

用いられるバイポーラプレートは種々の機能を担い、ディストリビュータ構造体としても用いられる。バイポーラプレートは、活性面にわたって反応ガスを均一に分配し、電子をガス拡散層から最寄りのセルに伝導する。液体水、または反応生成物として生じる水蒸気、ならびにセルからの生成ガスは排出される。さらに熱が触媒層から冷却剤へ導出される。微多孔質の、典型的には適当なコーティングによって疎液性に形成されるガス拡散層は、膜への媒体の細かな分配および供給、あるいは膜からバイポーラプレートの構造への生成水の導出を担う。

圧力損失を伴う作動媒体の分配とそれほど高くないコストを保証するために、バイポーラプレートは、典型的には約０．１ｍｍ厚さの金属板にチャネル構造を刻設することによって製造される。その際、チャネル幅およびウェブ幅、あるいは一般に構造サイズは１～２ｍｍのオーダである。

特許文献１は、ＰＥＭ燃料電池もしくはＰＥＭ電気分解装置のためのバイポーラプレートを開示する。バイポーラプレートの形状は実質的に円錐形であり、円錐の底面は、任意のｎ個の角数または円形からなり得、外周面は直線であってもよいし、内に、外に、あるいは内および外に湾曲してもよい。流路は、外周面に沿って直線または螺旋状に任意の数および横断面形状で配置することができる。電気供給および電気導出は、バイポーラプレート自体を介して、あるいはこれに代えて金属の供給線または導出線を介して行われる。

特許文献２は、ＰＥＭ電気分解装置のためのバイポーラプレートを開示する。バイポーラプレートは、まず一領域と中央領域を包囲する縁領域とを有する。バイポーラプレートは、例えば表側と裏側としての各プレート面である向かい合う２つの側を有する。その際、中央領域と縁領域とは向かい合う２つの側間にプレートの全部分を含む。

特許文献３は、電気化学反応器のためのバイポーラプレートが組み込まれたフレームを開示する。同様に熱可塑性高分子を含む型枠の形の、熱可塑変形可能な炭素高分子複合材料からなる１つまたは複数の電気伝導性のバイポーラプレートが、フレームとプレートとから唯一の部材とする形状結合的および力結合的ならびに／あるいは少なくとも液密の接続が生じるように、射出成形により包囲されるか、加圧により包囲される。

独国特許出願公開第１０２００４０３９１１５号明細書 国際公開第２００９／０３３６４８号 独国特許出願公開第１０２０１２０２４７５３号明細書

本発明によれば、少なくとも１つの高分子膜と協働するチャネル構造を有する燃料電池または電気分解装置の積層構成のためのディストリビュータ構造体、特にバイポーラプレートが提案される。ディストリビュータ構造体は、電気伝導特性を有する射出成形部品として形成されている。この射出成形部品は、任意の形状ジオメトリで製作することができ、かつ最小限の数の接点で高分子膜の片側に触れるチャネル構造を備える。

本発明により提案されるディストリビュータ構造体は帯状に形成される支持体へのインサート部品として形成されるのが好ましく、これは、特に分離板に収容されている。

本発明により提案される解決策にさらに従えば、ディストリビュータ構造体が射出成形部品として形成され、グラファイト・プラスチック材料混合物から射出成形部品として射出成形されてもよいし、または射出成形部品がプラスチック材料から射出成形されてもよく、この射出成形部品に導電性コーティングが施される。

射出成形部品として形成される本発明により提案されるディストリビュータ構造体は、ディストリビュータ構造体の、高分子膜の方を向いた側にチャネル構造を有する。チャネル構造はフローフィールド（Flowfield）とも呼ばれ、個々の直立する先端も有し得る。

本発明により提案されるディストリビュータ構造体では、チャネル構造は、高分子膜の下面または高分子膜の上面と接触する複数の小さい接点を備える。これらの接点は非常に小さく形成される接触面を介して高分子膜に触れ、それにより発生するプロセス水がより良好に運び出され得る。接点は、０．１ｍｍ^２～１ｍｍ^２のオーダの面積を有する。最近用いられるディストリビュータ構造体では、特に最近使用されるバイポーラプレートでは、チャネル構造は同時に接触部をなし、１ｍｍの幅を有している。変形成形法（Umformverfahren）により製造される最近製造されるチャネル構造は、このように小さく形成される接触面をなし得ない。

本発明により提案されるディストリビュータ構造体の展開形態では、射出成形部品が載置面（Auflageflaeche）を有し、この載置面により射出成形部品が支持体の、特に分離板の底上に収容されている。分離板は、射出成形部品が十分に密でない場合に冷却液流に対して確実な密封をなす。さらに、分離板はさらに別の金属板と材料結合的に接合、特に溶接され得るので、電気抵抗を低減する機能を有する。これに代えて、アセンブリ全体を射出成形部品として設計すること、および第２アセンブリを接続工程により射出成形部品につなぐことが可能である。

本発明により提案される、射出成形部品として形成されるディストリビュータ構造体では、射出成形部品を高分子膜に対して密封する取り囲むシールがディストリビュータ構造体に射出成形により取り付けられる。シールを異なった部材に、例えば分離板に、または射出成形部品に取り付けることが可能である。２成分射出成形法の範囲で、この作業工程においてすでにシールを一緒に射出成形して取り付けることができる。射出成形部品に２成分射出成形法でシールを作製することの他に、用いられる分離板にシールを取り付けることも当然可能である。

バイポーラプレートの別の実施形態では、接点が最適化される流れジオメトリ、例えば滴状に形成される。接点を滴形に形成する他に、接点を別のジオメトリで形成すること、例えば円錐形に形成することも可能である。

本発明は、さらに、プロトンまたは水酸化物に対して伝導性の高分子膜を有する燃料電池の積層構成内でのディストリビュータ構造体の使用に関する。

さらに、本発明は、プロトンまたは水酸化物に対して伝導性の高分子膜を有する電気分解装置の積層構成における先行請求項のいずれか１項に記載のディストリビュータ構造体の使用に関する。

本発明により提案されるプラスチック射出成形部品として形成されるディストリビュータ構造体、特にバイポーラプレートは様々に射出成形することができる。射出成形による形状付与によって、小さい載置点（Auflagepunkt）が得られるように射出成形部品のチャネル構造を最適化することができ、それによりプロセス水による閉塞を回避することができ、さらに圧力損失を著しく低下させることができることから電力密度が高められる。

小さい載置点によって、燃料電池であれ電気分解装置であれ、積層構成の作動中にプロセス水がたまり得る領域が低減される。プロセス水のたまりは、燃料電池内であれ電気分解装置内であれ、高分子膜の活性面に、それに伴い積層構成の全効率に悪影響を及ぼす。

さらに、プラスチック射出成形の方法によってチャネル構造の流れ設計（Stroemungsdesign）を最適に形づくることができる。

ディストリビュータ構造体を最適に形づくることによって、少ない圧力損失が期待できる。例えば、製造方法によって、本発明により提案されるディストリビュータ構造体を全部そろったプラスチック部材として形成することができ、このプラスチック部材にシールを、例えば一緒に射出成形して取り付けることができ、それによりさらなる作業工程を省略することができる。電気伝導性が小さすぎる場合、相応の表面コーティングによってこの特性を最適化することができる。

チャネル構造間の接点を最小限にすることによって、高分子膜が載置点を十分に具備する、もしくは電気抵抗を過度に上昇させない範囲で高分子膜との接点の数、すなわち接触の数を低減することができる。接点の数は、高分子膜における横導管（Querleitung）によって決まる。さらに、チャネル構造の先端、すなわち高分子膜との射出成形部品の小さい接点が、流れが最適な輪郭に形成され得ることが有利である。小さい接点の流れが最適な輪郭は、例えば滴形であり、例えばカソード経路にこの滴形で小さい接点が形成され得る。それによって燃料電池であれ電気分解装置であれ、圧力損失を最小化することができ、積層構成の全効率を著しく向上させることができる。

電気伝導性は射出成型部品の材料によって実現され、材料は、例えば充填剤を添加することにより電気伝導性にすることができる。例えば、射出成型部品がグラファイト・プラスチック材料コンパウンド（Kunststoffmaterial Compound）から形成されてもよい。電気抵抗が高すぎる場合には、プラスチック材料が追加的または金属材料でのみコーティングされてもよい。

本発明により提案されるディストリビュータ構造体、特にバイポーラプレートでは、チャネル構造をプラスチックコンパウンドとして、インサート部品として、さらに全部そろったバイポーラプレートとして製造することができる。

全体として見ると、本発明により提案される、特にバイポーラプレートとして形成されるディストリビュータ構造体は水の放出を著しく改善し、かつ流れ損失を最適化するための設計自由な（gestaltungsfrei）空間の可能性を開く。部材がプラスチックコンパウンドであるため、耐食性が著しく改善される。さらに、特に２成分射出成形により、または相応に長持ちするコンパウンドによりシール機能を部材に組み込むことができる。

燃料電池または電気分解装置の積層構成の原理概略図である。 射出成形インサート部品として製作されたディストリビュータ構造体、例えばバイポーラプレートの図である。 ディストリビュータ構造体、特にシールが一体成形された射出成形部材としてのバイポーラプレートの図である。 プラスチック部品の拡大図である。 ディストリビュータ構造体の詳細図である。 ディストリビュータ構造体の詳細図である。

以下、図面をもとにして本発明を詳しく説明する。

図１の図示から燃料電池または電気分解装置内で用いる積層構成１０の概略図が見て取れる。

図１における図示による積層構成１０は、第１ディストリビュータ構造体１２、特にバイポーラプレートと第１ガス拡散層１４とを備えている。積層構成１０内の第１ガス拡散層１４の下方に高分子膜１６がある。さらに、積層構成１０は、第２ガス拡散層１８と第２ディストリビュータ構造体２０、特に第２バイポーラプレートとを備えている。燃料電池の範囲内および電気分解装置の範囲内で用いることができるこの積層構成１０は実質的にこれらの５つの層からなる。燃料電池ではエネルギーを取得するために水素Ｈ２と酸素Ｏ２が水Ｈ２Ｏ、電気エネルギー、および熱に変換されるのに対して、電気分解装置内では水が電流の助けによりＨ２とＯ２に分解される。

図１は、積層構成１０を繰り返してスタックを作成することができる積層構成１０を示す。

図１による図示からさらに、想定される分離線（Trennlinie）３６が見て取れ、５つの上記のコンポーネントからなる積層構成１０がこの分離線の上方にある。

図１がさらに示すように、第１ディストリビュータ構造体１２内にＯ２のための流路２６と、例えばＨ２Ｏなどの冷却媒体のための冷却路とが形成されている。これと同様に、第２ディストリビュータ構造体２０、特に第２バイポーラプレートにおける想定される積層境界（Stapelgrenze）３６の上方の積層構成１０の下端にガス状のＨ２のための流路２８と、例えばＨ２Ｏなどの冷却媒体を収容するための流路３０とがある。積層構成１０は、ここに完全には示されていない別のガス拡散設備（Gasdiffusionsanlage）２３および別の高分子膜２４を有する別の積層構成の別のディストリビュータ構造体２２上の接触面３２に沿って収容されていることを念のため言及しておく。異なる媒体のための流路２６、２８、３０は壁面３４によって画定されている。

図２による図示からプラスチック部品として製作されたディストリビュータ構造体２０の一実施変形形態が見て取れる。

図２が示すように、この実施変形形態では第１ディストリビュータ構造体１２または第２ディストリビュータ構造体２０がプラスチック部品４０として製作されている。プラスチック部品４０は、グラファイト・プラスチック材料・コンパウンド混合物から射出成形され、プラスチック成分組成によってすでに導電特性を有するものであり得る。他方、プラスチック部品４０をプラスチック材料から製作すること、および続いてこのプラスチック部品を電気伝導性の、例えば金属のコーティング３８で覆うことも可能である。

図２に示されるプラスチック部品４０は、実質的に浴槽形状（Wannenform）を有する支持体、例えば分離板４２上に収容されている。プラスチック部品４０は、その載置面４４でこの支持体の、特に分離板４２の底４６上に収容されているか、または単にこの板に挿入されている。

プラスチック部品４０は、チャネル構造４８を有するか、またはチャネル構造４８のチャネルに代わるフローフィールドを有する。プラスチック部品４０の、高分子膜１６の方を向いた側５４に形成されているチャネル構造４８は複数の円錐形の先端５６を有し、これらの先端の端には小さい接点６０がある。チャネル構造４８の小さい接点６０は、０．１ｍｍ^２～１ｍｍ^２であり得る接触面積３０を有し、それにより高分子膜１６の下面５０との面接触が形成され得る。プラスチック部品４０におけるチャネル構造４８の個々の、例えば円錐形に形成される先端５６に、図４に大きく拡大した図示で示唆される電気伝導性コーティング３８でコーティングすることもできる。

プラスチック部品４０のチャネル構造４８は、このチャネル構造の、高分子膜１６の方に向いた側５４で高分子膜１６の下面５０に接触する。高分子膜１６の上面は参照符号５２で識別される。チャネル構造４８の先端５６は、最低限に抑えられた数の小さい接点６０へと延びる。小さい接点６０は、０．１ｍｍ^２～１ｍｍ^２のオーダである接触面積を有することが好ましい。小さい接点６０の数および大きさによって、積層構成１０の運転中にプロセス水がたまり得る領域が低減される。この領域は、それが燃料電池において用いられるものであれ、電気分解装置において使用されるものであれ、高分子膜１６の活性面を低減し、それに伴い積層構成１０の全効率を低下させる。この低下は、とりわけ活性面の低減に起因する。

小さい接点６０の数は、高分子膜１６が十分な載置点を具備し、電気抵抗が過度に大きくならない範囲内で低減することができる。チャネル構造４８の先端５６の小さい接点６０は、例えば流れが最適な構造、例えば滴形５８のカソード経路に形成することができる。それによって、積層構成１０における圧力損失を低減することができ、それに伴い燃料電池においてであれ電気分解装置においてであれ、積層構成１０の全効率を著しく向上させることができる。

図２による図示から、特に分離板４２として形成される支持体の底４６の下方に生成水のための流路３０があることがさらに見て取れる。図２は、特に分離板４２として形成される支持体が図２に示された第２ディストリビュータ構造体２０、特にバイポーラプレートの接触面３２に置かれていることをさらに示す。

図３による図示には、ディストリビュータ構造体１２、２０として、特にバイポーラプレートとして用いられるプラスチック部品４０の別の実施可能性が示されている。

図３に示されるプラスチック部品４０の実施可能性では、プラスチック部品が、例えば取り囲んで形成されるシール６４を備え、このシールは、プラスチック４０の製造時にこのプラスチック部品に例えば射出成形により取り付けることができる。

チャネル構造４８は、個々の、例えば円錐形に形成される先端５６を備え、これらの先端の端には小さい接点６０が形成されている。小さい接点６０の数は、最小限の小さい接点６０が存在する一方で、高分子膜１６がプラスチック部品４０と接触するための載置点をなお十分に有するように量定されている。さらに、図３による図示にはシール６６が示されている。特に分離板４２として形成される支持体の底４６の各側にあるシール６６により、支持体がその下に位置するディストリビュータ構造体１２、２０、特にバイポーラプレートに対して密封されている。特に分離板４２として形成される支持体は、分離板４２として形成される支持体の下に配置された第２ディストリビュータ構造体２０、特にバイポーラプレートの個々の接触面３２に置かれている。この接触面において、発生する生成水のための流路３０が延びている。

図３による図示において示される取り囲むシール６４、もしくは第１または第２ディストリビュータ構造体１２、２０、特にバイポーラプレートに対するシール６６は、２成分射出成形法で、プラスチック部品４０の製造時に直接製造することができ、それにより取り囲むシール６４、もしくは第１または第２ディストリビュータ構造体１２、２０、特にバイポーラプレートに対するシール６６を製造する別の作業工程が不要になる。

プラスチック部品４０に関して、その電気伝導性は、選択されるグラファイトおよびプラスチックとの材料混合物によって生成され、この場合、電気伝導性は、グラファイトを加えて混合することによって達成される。電気抵抗が高すぎる場合には、プラスチック材料が、要求される電気抵抗に応じて追加的または金属でのみコーティングされ得る。

図４による大きく拡大された図示から、プラスチック部品４０が、任意に連続する例えば円錐形の先端５６によって実質的に与えられるチャネル構造４８を有することが見て取れる。図４による大きく拡大された図示で示されるように、プラスチック部品４０の、高分子膜１６の方を向いた側５４、特にチャネル構造４８の先端５６には、電気抵抗に影響を及ぼすために電気伝導性コーティング３８、特に金属コーティングが施され得る。高分子膜１６は下面５０および上面５２を有し、高分子膜１６の下面５０はプラスチック部品４０の、高分子膜の方を向いた側５４に向いている。

図５および図６は、ディストリビュータ構造体１２、２０、２２、特にバイポーラプレートの詳細を示す。例えば図５から見て取れるように、チャネル構造４８は、実質的に互いに平行に延在する複数のチャネルから形成され得る。さらに、チャネル構造４８はネップ状の（noppenfoermig）隆起６２を備えることができ、同様に図５に模式的に示唆される。図６による切断して示される図示から、ここに大きく拡大した図で示される、小さい接点６０が流体技術的に特に有利な滴形状５８を有することがわかる。図５および図６に示されるディストリビュータ構造体１２、２０、２２の面と比較して、チャネル構造４８とネップ６２と滴形状５８の接点６０とが大きく拡大した描写で示されている。

本発明は、本明細書中に記載される実施例、およびその中で強調される態様に限定されない。むしろ、請求項によって記載される範囲内で当業者が通常行う範囲の多数の変更が可能である。

１０ 積層構成
１２、２０、２２ ディストリビュータ構造体
１６ 高分子膜
２６、２８、３０ 流路
３２ 接触面
３４ 壁面
３８ コーティング
４０ プラスチック部品
４２ 分離板
４４ 載置面
４６ 底
４８ チャネル構造
５０ 下面
５２ 上面
５４ プラスチック部品４０の、高分子膜の方を向いた側
５６ 先端
５８ 滴形状
６０ 接点
６２ ネップ、ネップ状隆起
６４、６６ シール

Claims (10)

1. 少なくとも１つのプロトンまたは水酸化物に対して伝導性の高分子膜（１６）と協働するチャネル構造（４８）を有する燃料電池または電気分解装置の積層構成（１０）のためのバイポーラプレートであるディストリビュータ構造体（１２、２０）において、導電特性を有するプラスチック部品（４０）として形成されていて、
   前記プラスチック部品（４０）は、前記高分子膜（１６）の方を向いた側（５４）にチャネル構造（４８）を有し、
   前記チャネル構造（４８）は複数の円錐形の先端（５６）を有することを特徴とする、ディストリビュータ構造体（１２、２０）。
2. 浴槽状に形成される支持体である分離板（４２）に挿入部品として収容されていることを特徴とする、請求項１に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
3. 前記プラスチック部品（４０）は、グラファイト・プラスチック・材料混合物から射出成形されている、または前記プラスチック部品（４０）はプラスチック材料から射出成形され、前記プラスチック部品に導電性コーティング（３８）が施されていることを特徴とする、請求項１に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
4. 前記チャネル構造（４８）は、高分子膜（１６）の下面（５０）または高分子膜（１６）の上面（５２）に接触する複数の小さい接点（６０）を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
5. 前記プラスチック部品（４０）が載置面（４４）を有し、これにより前記プラスチック部品が分離板（４２）上に収容されていることを特徴とする、請求項２に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
6. 前記接点（６０）は、０．１ｍｍ^２～１ｍｍ^２の接触面積（３２）を有することを特徴とする、請求項４に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
7. プラスチック部品（４０）は、前記プラスチック部品を前記高分子膜（１６）に対して密封する少なくとも１つの取り囲むシール（６４）を有することを特徴とする、請求項１に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
8. 前記接点（６０）は、滴形（５８）または円錐形に形成されていることを特徴とする、請求項４に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）。
9. プロトンまたは水酸化物に対して伝導性の高分子膜（１６）を有する燃料電池の前記積層構成（１０）における請求項１～８のいずれか１項に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）の使用。
10. プロトンまたは水酸化物に対して伝導性の高分子膜（１６）を有する電気分解装置の前記積層構成（１０）における請求項１～８のいずれか１項に記載のディストリビュータ構造体（１２、２０）の使用。
    
    

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