JP7686875B2

JP7686875B2 - バイポーラプレート及びバイポーラプレートを製造する方法

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Publication number: JP7686875B2
Application number: JP2024504537A
Authority: JP
Inventors: ツヴァーゼバスティアン; シュポンゼルトーマス
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-08-18
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2025-06-02
Anticipated expiration: 2042-07-11
Also published as: CN117546321A; JP2024524762A; WO2023020647A1; US20240372115A1; EP4388603A1; DE102021121404A1

Description

本発明は、燃料電池のための２つのエンボス加工されたハーフプレートからなるバイポーラプレートに関する。更に、本発明は、バイポーラプレートを製造する方法に関する。

燃料電池用の様々なバイポーラプレートは、例えば、独国特許出願公開第１０２０１７１３０４８９号明細書及び国際公開第２０１８／１４１３１９号から知られている。公知のバイポーラプレートは、穴パターンを有する第１の波形プレートと、波形プレート上に封止するように配置された第２のプレートとを備える。第１のプレートの穴パターンは、波形に対して実質的に横断方向にガスを通過させるために提供されている。こうして提供されるバイポーラプレートは、具体的には、流れ分配に関して最適化される。

電気化学システムのための更なるバイポーラプレートは、例えば、独国実用新案第２０２０１６１０７３０２号明細書から知られている。公知のバイポーラプレートは、セパレータプレートと称されるハーフプレートからなる。セパレータプレートは、媒体を通過させるための貫通孔を有する。セパレータプレートの分配領域又は収集領域には、貫通孔と流体連通するチャネルが形成される複数のウェブが提供されている。更に、セパレータプレートによって流れ場が形成され、この流れ場は、分配領域又は収集領域を介して貫通開口部と流体連通しており、流れ場を通して媒体を誘導するための誘導構造体を有する。加えて、分配領域又は収集領域と流れ場との間に配置された、連続的な低くなった遷移領域が存在する。独国実用新案第２０２０１６１０７３０２号明細書によるデバイスでは、遷移領域内の流れ誘導構造体は、流れ場内の構造体の高さよりも低い高さを有し、高さは、いずれの場合も、セパレータプレートの平坦な表面に垂直に測定されることになっている。

燃料電池のためのセパレータプレートを製造する方法は、欧州特許第３５２９８４２号明細書から知られている。この方法の一部として、主要構成要素としてカーボン粉末を含有する材料混合物が使用され、加えて、様々なプラスチック構成要素が使用される。

独国特許出願公開第１０２０１７１１８３１９号明細書は、燃料電池又は電解槽で使用することができるバイポーラプレートのためのコーティングを開示している。提案されるコーティングは、貴金属及び非金属化学元素を含有する均一又は不均一な固体金属溶液である。

本発明の課題は、燃料電池のためのバイポーラプレートを、上述の従来技術と比較して、流体技術的な観点又は流れ技術的な観点及び製造技術的な観点に関して更に発展させることである。

本課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有するバイポーラプレートによって解決される。同様に、本課題はまた、請求項７に記載のバイポーラプレートを製造するための方法によっても解決される。製造方法に関連して以下に説明する本発明の実施形態及び利点はまた、必要な変更を加えて、デバイス、すなわち、バイポーラプレートにも適用され、その逆もまた同様である。

バイポーラプレートは、２つのエンボス加工されたハーフプレートからなり、これらのハーフプレートは、互いに重なり合い、かつ矩形の細長い基本形状を有し、ハーフプレートによって、冷却剤ポート、及びハーフプレートの長手方向辺上に設置された媒体ポートが形成されている。ポートの隣には、ハーフプレートによって形成され、かつ冷却剤分配及び媒体分配のために提供された分配場、並びにバイポーラプレートの両側に配置された活性場も存在する。

分配場内には、それぞれのポートからバイポーラプレートの反対側の長手方向辺上に配置されており、かつ燃料電池の別の媒体の通過を意図したポートの方向に流れる媒体に対して、自由流れ断面の増加がもたらされるように、ハーフプレートのエンボス加工部が形成されている。このようにして達成される流れ断面の目標とする広がりは、燃料電池を通る媒体、すなわち、酸素含有ガス、具体的には、空気、及び水素を含有する更なるガスの特に均一な流れを達成することを可能にする。

流れ断面の増加は、具体的には、ハーフプレートの横断方向においてハーフプレート間に形成された冷却剤チャネルの高さを減少させることによって実装される。追加的に又は代替的に、流れ断面の多様性は、流れを誘導するエンボス要素の異なる表面積によって達成することができる。異なるエンボス加工深さが提供される場合、媒体ポートに流体的に接続され、かつ最も遠く離れている縁部チャネルの高さは、例えば、分配場内に位置し、かつ同じポートによって供給される最も近い媒体チャネルの高さよりも少なくとも１５％大きい。

様々な可能な実施形態によれば、縁部チャネルと活性場に平行に延びるバイパスとの間に流体接続が提供される。バイパスは、電力の生成に寄与しない。それにもかかわらず、縁部チャネルの断面の拡大によって促進されるバイパスを通る流れが受け入れられており、これは、特に縁部チャネルへの流動媒体の低抵抗供給が、活性場の均一な利用に関して有利であると考えられるからである。

分配場は、必ずしもその表面全体にわたって均一な構造体を有するとは限らない。例えば、分配場は、ポートに隣接する横断方向分配領域と、この領域とアクティブ場との間に配置された長手方向分配領域とを備える。「横断方向分配領域」及び「長手方向分配領域」という用語は、媒体、すなわち、典型的にはガスが、細長いバイポーラプレート全体のそれぞれ主に横断方向又は長手方向に関連する領域に分配されることを表すことを意図している。

横断方向分配領域は、例えば、ディンプル加工された領域として構成することができ、これにより、特に良好な混合効果を特徴とすることができる。加えて、ディンプル加工された領域は、ハーフプレートの横断方向に流れることができ、これにより、特に低い抵抗でバイポーラプレート全体を流れることができるような様態で構成することができる。そのため、横断方向は、分配場の少なくともある区間の好ましい方向を表すことができる。一方、長手方向分配領域は、例えば、バイポーラプレートの長手方向に延び、任意選択的に活性場に向かって広がる実質的に直線状の溝を有する溝構造体を呈し、それを通して個々のチャネルが形成されている。

バイポーラプレートは、２つのハーフプレートを、各ハーフプレートがその全幅にわたって不均一なエンボス加工深さを有するような様態でエンボス加工し、ハーフプレート間に不均一な高さの冷却剤チャネルを有するバイポーラプレートを形成するために、互いに重なり合う２つのハーフプレートを接合することによって製造することができる。この点に関して、冷却剤の主流方向は、バイポーラプレートの動作中、ハーフプレートの長手方向に対応し、冷却剤チャネルから離れる方向に面するハーフプレートの２つの外面は、媒体チャネルを画定し、媒体チャネルは、同様に、ハーフプレートの不均一なエンボス加工深さに対応する不均一な高さを有し、かつ主流方向及び横断方向の両方に媒体を導くように構成される。ここで、媒体流れ断面は、ハーフプレート内に作製された開口部によって形成されるポートから始まる横断方向に連続的に又は不連続的に広がる。

製造方法の可能な実施形態の文脈において、典型的には互いに対して完全に鏡面対称ではない２つのハーフプレートは、第１の横断方向の流れ成分、すなわち、移動の成分を有して流れる第１の媒体のための流れチャネルが、第１のハーフプレートの外面上に形成され、同時に、反対側の横断方向の流れ成分を有して、具体的には、主流方向に流れる第２の媒体のための流れチャネルが第２のハーフプレートの反対側の外面上に形成され、互いに反対方向に延在する流れチャネルが、それぞれの他方の流れチャネルが始まる方向に増加する高さを有するような様態で互いに重ね合って設置される。

以下では、本発明のいくつかの例示的な実施形態が、図面を用いてより詳細に説明される。

燃料電池のバイポーラプレートの断面を平面図で示す。図１によるバイポーラプレート及び他の燃料電池構成要素の詳細を断面図で示す。更なるバイポーラプレートの詳細を概略図で示す。更なるバイポーラプレートの詳細を概略図で示す。

特に明記しない限り、以下の説明は、全ての例示的な実施形態に関する。全ての図において、相互に対応する部品又は基本的に同じ効果を有する部品には同じ参照符号が付されている。

全体を参照符号１で示すバイポーラプレートは、複数の同様の燃料電池１１を備える、単にスタックとも称される燃料電池スタック１０の一部である。この点に関して、各バイポーラプレート１は、２つの燃料電池１１備えることを特徴付けることができる。燃料電池スタック１０の主たる機能に関しては、冒頭で引用した先行技術に言及されている。

バイポーラプレート１は、２つのハーフプレート２、３からなり、その各々は、エンボス構造部４を有する。全体として、バイポーラプレート１は細長い矩形の形状を有し、その長手方向はＬＲで示され、横断方向はＱＲで示されている。２つのハーフプレート２、３が互いに重なり合う中心平面は、ＭＥで示されている。典型的な用途では、バイポーラプレート１は垂直に位置合わせされている。

それ自体知られている基本概念では、バイポーラプレート１は、様々なポート５、６、７、すなわち冷却剤ポート５及び媒体ポート６、７を有する。本例では、冷却剤ポート５は、バイポーラプレート１の短辺に隣接し、一方、冷却剤ポート５に隣接して配置され、かつ、スタック１０を動作させる、すなわち電気エネルギーを生成するのに必要な物質が流れる媒体ポート６、７は、バイポーラプレート１の長手方向辺に隣接している。図１に見られるポート５、６、７は、冷却水又は媒体を導入するために使用される。加えて、冷却水又は媒体を排出するための３つの更なるポートがある。本例では、液体物質がポート６、７を通って流れる場合であっても、気体媒体が参照される。

様々なポート５、６、７は、媒体の流れ方向ＳＲにおいて、所望の電気化学反応が起こる活性場９に遷移する分配場８に隣接している。この目的のために、触媒被覆膜１３（ＣＣＭ）及びガス拡散層１４を備える、全体として１２で示される膜構成が活性場９に位置する。膜構成１２は、サブガスケットとも称されるフレーム１５を更に含む。フレーム１５をバイポーラプレート１に対して封止する封止部は、符号１６で示されている。

ハーフプレート２、３のエンボス構造部４は、大部分が互いに鏡映されるように構成され、かつ、通常のエンボス加工深さＴ_ｎのエンボス要素１９と、低減したエンボス加工深さＴ_ｒのエンボス要素１８と、増加したエンボス加工深さＴ_ｈのエンボス要素１９とを含む。第１のハーフプレート２のエンボス要素１７、１８、１９と第２のハーフプレート３のエンボス要素１７、１８、１９との間に、冷却剤チャネル２１が形成されている。同時に、様々な媒体、具体的には、酸素及び水素の流れのための流れチャネル２２、２３が、ハーフプレート２、３の外側に、すなわち、冷却剤チャネル２１から離れて面するハーフプレート２、３の表面上に形成されている。異なるエンボス加工深さＴ_ｒ、Ｔ_ｎ、Ｔ_ｈは、媒体チャネル２２、２３のチャネル高さＫ_ｎ、Ｋ_ｈに対して直接の影響を有し、Ｋ_ｎは、通常のチャネル高さを表し、Ｋ_ｈは、比較して増加したチャネル高さを表す。

燃料電池１１の動作中に使用することができるチャネル高さＫ_ｎ、Ｋ_ｈは、膜構成１２の幾何学的形状に更に依存し、図２では、膜構成１２の最小厚さはＤ_ｍｉｎで示され、膜構成１２の最大厚さはＤ_ｍａｘで示されている。

図１に示すように、分配場８は、２つの異なる構造の領域２５、２６、すなわち横断方向分配領域２５及び長手方向分配領域２６からなる。概してＧＳで示されるガス流は、横断方向分配領域２５において横断方向ＱＲの移動の実質的又は主たる構成要素を有し、一方、長手方向分配領域２６において、ガスは実質的に長手方向ＬＲに流れる。図１に概説される例では、横断方向分配領域２５におけるエンボス構造部４は、ディンプル加工されたエンボス加工部２０として構成されている。長手方向分配領域２６において、エンボス構造部４は溝形状を有し、エンボス構造部４によって形成された溝は、活性場９の方向に扇状に広がっている。

全ての例示的な実施形態では、分配場８内のエンボス構造部４は、１つの媒体ポート６、７から反対側の媒体ポート７、６への、すなわち主に横断方向ＱＲのガス流ＧＳが、電気化学機器の従来の構造化プレートと比較して的を絞った方法で促進されるような様態で構成されている。図２及び図３の両方の例では、ガスは主に左から右に流れている。図２に示すように、チャネル高さＫ_ｎ、Ｋ_ｈは、封止部１６に近づくまで、左から右に、すなわち流れ方向ＳＲに著しく増加する。このようにして、縁部チャネル２７が形成され、縁部チャネル２７は、媒体ポート６に沿って近接して延び、これにより、流動媒体が導入される媒体ポート７から特に離れている。縁部チャネル２７から、活性場９を迂回するバイパス２４への開放接続が存在する。バイパス２４を流れるガスは、電気エネルギーの生成に寄与しない。これは、本発明の全ての例において許容される。縁部チャネル２７を通る促進されたガス流の主な利点は、活性場９の縁部領域における最適化された媒体供給である。

活性場９の縁部領域における媒体供給の改善に関する限り、分配場８内のガス流ＧＳの分配を概略的に示す図３も参照される。ここで、細い矢印は、流れ抵抗の高いガス流ＧＳを示し、太い矢印は、流れ抵抗の低いガス流ＧＳを示している。図３に示すように、媒体ポート７から活性場９までの距離が遠くなるほど、ガスはより容易に流れる。図３の最も太い矢印の領域、すなわち、右側領域の分配場８内に位置する縁部チャネル２７の拡大された流れ断面は、これに著しく寄与する。その結果、活性場９を通るガス流がその全幅にわたって均一になる。

これは、図３とは対照的に、ガスが右から左に流れる、すなわち、最初に右側の媒体ポート６に導入される、図４に示される変形形態にも当てはまる。図４の場合、分配場８内に様々なサブフィールド２８、２９、３０、３１があり、これらは、流動性、すなわち、燃料電池１１の動作中に生じる圧力降下に関して互いに異なる。ここでは、分配場８のほぼ全幅にわたって延在し、特に横断方向ＱＲの流れのために構成されたサブフィールド２８内に低い圧力降下が提供される。

サブフィールド２８と比較して、サブフィールド２８に隣接し、かつ同時に媒体ポート７の縁部に平行に延びる縁部チャネル２７内の流れ抵抗は、再び低減する。このようにして、ガスは、媒体ポート６から、媒体ポート６から最も遠い活性場９の縁部まで、低い圧力降下で移動する。サブフィールド２９、３０、３１は、記載された順序で、すなわちサブフィールド２９からサブフィールド３１へと流れ抵抗の増加が提供されるような様態で、エンボス構造部４によって構成されている。サブフィールド２９、３０、３１間の連続的な遷移も可能である。いずれの場合も、サブフィールド３１の領域には、流れる長さに対して最大の圧力降下が存在する。これは、ガスが媒体ポート６から活性場９の最も近い領域に過剰な量で到達しないことを確実にする。また、図３及び４の例では、分配場８は、ここでは詳細に示されない様々なエンボス要素１７、１８、１９の構造体を有する。

１バイポーラプレート
２ハーフプレート
３ハーフプレート
４エンボス構造部
５冷却剤ポート
６媒体ポート
７媒体ポート
８分配場
９活性場
１０燃料電池スタック、スタック
１１燃料電池
１２膜構成
１３ＣＣＭ、触媒被覆膜
１４ガス拡散層
１５フレーム、サブガスケット
１６封止部
１７通常の深さのエンボス要素
１８低減した深さのエンボス要素
１９増加した深さのエンボス要素
２０ディンプル加工されたエンボス加工部
２１冷却剤チャネル
２２媒体チャネル、流れチャネル
２３媒体チャネル、流れチャネル
２４バイパス
２５横断方向分配領域
２６長手方向分配領域
２７縁部チャネル
２８サブフィールド
２９サブフィールド
３０サブフィールド
３１サブフィールド
Ｄ_ｍａｘ膜構成の最大厚さ
Ｄ_ｍｉｎ膜構成の最小厚さ
Ｄ_Ｓサブガスケット厚さ
ＧＳガス流
Ｋ_ｎ媒体チャネルの通常のチャネル高さ
Ｋ_ｈ媒体チャネルの増加したチャネル高さ
ＬＲ長手方向
ＭＥ中心平面
ＱＲ横断方向
ＳＲ流れ方向
Ｔ_ｈ増加したエンボス加工深さ
Ｔ_ｎ通常のエンボス加工深さ
Ｔ_ｒ低減したエンボス加工深さ

Claims

互いに重なり合い、かつ矩形の細長い基本形状を有する２つのエンボス加工されたハーフプレート（２、３）を有するバイポーラプレート（１）であって、前記ハーフプレート（２、３）によって、冷却剤ポート（５）、及び前記ハーフプレート（２、３）の長手方向辺上に設置された媒体ポート（６、７）と、前記冷却剤及び媒体ポート（５、６、７）の隣に配置されており、かつ冷却剤分配及び媒体分配のために提供されている分配場（８）と、活性場（９）とが形成されており、それぞれの前記媒体ポート（６、７）から、反対側の長手方向辺上に配置された前記媒体ポート（７、６）の方向に流れる酸素ガスまたは水素ガスである媒体に対して、自由流れ断面の増加がもたらされるように、エンボス構造部（４）が前記分配場（８）内に形成されており、
前記自由流れ断面の増加が、前記ハーフプレート（２、３）の横断方向において前記ハーフプレート（２、３）間に形成された冷却剤チャネル（２１）の高さを減少させることによって実装され、
関連付けられた前記媒体ポート（６、７）から最も遠い縁部チャネル（２７）の高さが、前記分配場内に位置し、かつ同じ媒体ポート（６、７）によって供給される隣の媒体チャネル（２２、２３）の高さよりも少なくとも１５％高いことを特徴とする、バイポーラプレート（１）。
前記縁部チャネル（２７）が、前記活性場（９）の側面に位置するバイパス（２４）に遷移す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（１）。
前記分配場（８）が、前記冷却剤及び媒体ポート（５、６、７）に隣接する横断方向分配領域（２５）と、この横断方向分配領域（２５）と前記活性場（９）との間に配置された長手方向分配領域（２６）と、を備え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（１）。
前記横断方向分配領域（２５）が、ディンプル加工された領域として構成されていることを特徴とする、請求項３に記載のバイポーラプレート（１）。
バイポーラプレート（１）を製造するための方法であって、第１及び第２のハーフプレート（２、３）が、前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）の各々がその幅にわたって不均一なエンボス加工深さを有するような様態でエンボス加工され、かつ前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）が、前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）間に不均一な高さの冷却剤チャネル（２１）を有するバイポーラプレート（１）を形成するために互いに重なり合って接合され、冷却剤である冷却水の主流方向が、前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）の長手方向に対応し、前記冷却剤チャネル（２１）から離れる方向に面する前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）の外面が、媒体チャネル（２２、２３）を画定し、前記媒体チャネル（２２、２３）が、同様に、前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）の前記不均一なエンボス加工深さに対応する不均一な高さを有し、かつ前記主流方向及び横断方向の両方に媒体を導くように構成され、媒体流れ断面が、前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）内に作製された開口部によって形成されるポート（６、７）から始まる前記横断方向に広がり、
前記媒体流れ断面が増加するように、前記冷却剤チャネル（２１）の高さが減少するように形成され、
前記ポート（６、７）の隣に配置されており、かつ冷却剤分配及び媒体分配のために提供されている分配場（８）と、活性場（９）とが形成されており、関連付けられた前記ポート（６、７）から最も遠い縁部チャネル（２７）の高さが、前記分配場内に位置し、かつ同じポート（６、７）によって供給される隣の媒体チャネル（２２、２３）の高さよりも少なくとも１５％高いことを特徴とする、方法。
前記第１及び第２のハーフプレート（２、３）が、前記横断方向の流れ成分を有して流れる第１の媒体のための流れチャネル（２２）が、前記第１のハーフプレート（２）の外面上に形成され、同時に、反対側の横断方向の流れ成分を有して流れる第２の媒体のための流れチャネル（２３）が、前記第２のハーフプレート（３）の反対側の外面上に形成され、互いに反対方向に延在する前記流れチャネル（２２、２３）が、それぞれの他方の前記流れチャネル（２３、２２）が始まる方向に増加する高さを有するような様態で互いに互いに重なり合って設置されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。