JPH0654672B2

JPH0654672B2 - 燃料電池およびその製法

Info

Publication number: JPH0654672B2
Application number: JP60185958A
Authority: JP
Inventors: ハイム・フアイゲンバウム; シエルドン・プデイツク; チウ・リン・ワン
Original assignee: US Government
Current assignee: US Government
Priority date: 1984-08-27
Filing date: 1985-08-26
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: US4605602A; CA1250016A; EP0176247A1; JPS61114477A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景本発明は燃料電池スタックにおいて使用するための改良
した要素、さらに詳細には内部に耐腐食性、電気伝導
性、液体不透過性の境界面を有するスタックに関するも
のである。

しばしば、燃料電池及び燃料電池のスタックは、特に、
たとえば遠隔地域における一次動力源のような、ある種
の応用に対して、動力供給源としてきわめて有利となる
可能性があることは既に知られている。このような燃料
電池組立物は著るしい信頼性を有することがきわめて望
まれている。従来から、このような目的を達成するため
に種々の燃料電池系が考案されている。このような従来
の燃料電池の例は米国特許第３，７０９，７３６号、
３，４５３，１４９号及び４，１７５，１６５号中に示
し且つ説明されているものである。多数の異なる種類の
燃料電池を比較する燃料電池の技術についての詳細な分
析は、マックグローヒルブックカンパニーから１９７７
年に出版されたダグラスＭ．コンサダインによる“エネ
ルギー技術ハンドブック”中の４−５９乃至４−７３頁
に記されている。

本発明の譲受け人に対して譲渡された、米国特許第３，
７０９，７３６号、交互する燃料電池積層物と電気的及
び熱的に伝導性の非透過性電池板を含んで成る、積み重
ねた形態を包含する燃料電池系を記している。積層物は
固定化した酸電解質から成る電解質の両側に、燃料及び
酸素電極を包含する。本発明の譲受け人に譲渡された、
米国特許第３，４５３，１４９号は、このような固定化
した酸電解質を例である。

本発明の譲受け人に譲渡された、米国特許第４，１７
５，１６５号においては、燃料電池の積み重ねた配列体
が記されているが、その中で気体分配板は多数の気流チ
ャンネルすなわち溝を包含しており、水素ガス分配用の
溝は酸素分配用の溝に対して直交的に配置してある。気
体分配板自体は、ガスの一方または他方のためのそれぞ
れの末端板であるか又はこの開示に従がって両方のガス
を分配するための双極板の何れにおいても、電気的に伝
導性の不透過性材料から成っている。

燃料電池の比較的大きなスタックにおいては、電池の動
作からの熱の消散が考慮すべき問題となる。この問題を
解決するために、スタックの熱平衡を保つようにスタッ
ク中で冷却板が用いられている。このような冷却板は、
たとえばアルミニウムのような金属から成ることが多
い。金属板は燃料電池スタック中の電流収集要素に対し
ても使用されている。

燃料電池スタック中の冷却板及び電流収集板に関して生
じる問題の一つは、それらが酸性電解質による腐食的な
攻撃にさらされるということである。腐食を防ぐために
は、たとえばグラフォイル（ユニオンカーバイドコーポ
レーション製）のような導電性炭素層及び冷却又は集電
板と次の末端板の間に配置した銅網から成る境界面層が
用いられている。境界面層は少なくとも部分的に酸によ
る攻撃に耐える、高度に圧延し、緻密に押し固めた炭素
繊維材料とすることができる。

さらに最近、カウフマンらにより１９８４年４月６日に
出願され本発明の譲受け人に対して譲渡された特許願０
６／５９７，５５９号においては、境界面層は２導電性
層から成っており、その中の一層は穴があけてあり、両
導電性層の間で熱プレスした樹脂によって相互に且つ金
属要素に対して結合させてある。提供される境界面形態
は耐腐食性の向上の点でそれ以前のものよりも進歩して
いるけれども、燃料電池スタック設計における前記の考
慮を行なって、スタックの製造及び保守のコストをでき
る限り低く保ちながら、耐腐食性をさらに改良するため
の連続的な要望が存在している。

かくして、本発明は燃料電池スタックの要素間の改良し
た境界面設計形態を提供する。この境界面形態は電解質
による腐食に対する耐性を付与し且つ良好な電気的及び
熱的伝導性を提供するように、ガス又は液体不透過性で
ある。本発明は該改良された境界面形態の少なくとも一
つを包含する燃料電池スタックをも提供する。

本発明は上記のような改良された境界面形態及び燃料電
池スタックの製造方法をも提供する。

本発明の要約本発明に従って、燃料電池スタックの要素間で使用する
ための改良された境界面形態を提供する。この境界面形
態は腐食を生じるおそれのある電池中で用いる酸電解質
の移行に耐えるためにガス及び液体不透過性である。腐
食性物質は燃料電池電極に逆流して電池の動作を害する
か又は触媒を毒する可能性がある。燃料電池スタック中
の隣接要素間の橋渡しをする電気的な接触を提供するた
めに各要素を電気的に相互に連絡することもまた肝要で
ある。本発明による境界面形態は、ガス分配板と隣接す
る電流収集板の間又はガス分配板と隣接する冷却板の間
で有用である。

少なくとも一つの耐腐食性導電性境界面が、相互に隣接
する２要素間に配置してある、複数の積層した該要素を
有する燃料電池スタックが提供される。この境界面は２
要素の少なくとも一つの上に形成させた非銅金属被覆と
熱プレスした樹脂によってそれに結合させた導電性層か
ら成っている。導電性層と樹脂は、ガス分配板と電流収
集板又は冷却板の間に電気的な接続を与えるように配置
され、樹脂は導電性層中の細孔を実質的に充填する。

本発明に従って、燃料電池スタックの隣接する要素間に
境界面形態を形成させるための方法は、電流収集板又は
冷却板上に金属被覆を形成させ、且つ電流収集板又は冷
却板とガス分配板の間に導電性の層を配置し且つ導電性
層と金属被覆板の間に樹脂層を配置することから成って
いる。この複合体を熱プレスし、それによって導電性の
層の導電性に悪影響を与えることなしに導電性の層の細
孔中への樹脂の流入を生じさせる。

次いで図面を参照することによって本発明を説明する
が、これらの図面中で類似の要素は共通の参照番号で示
している。

好適実施態様の詳細な説明本発明に従って多数の燃料電池１１を使用する燃料電池
スタック組立物１０の１例を、第１図及び第２図を参照
して以下に説明する。水素ガス導入マニホルド１２が、
スタック組立物１０の一方の側に沿って配置している。
図中には燃料電池１１の各グループに対して複数のマニ
ホルド１２が示されているが、望むならば、単一のマニ
ホルド配置を用いてもよい。マニホルド１２は水素ガス
源１４に接続している。ガス導入マニホルド１２に対応
してスタックの反対側に沿って水素ガス収集マニホルド
１５が配置してある。この場合もまた複数のマニホルド
１５が示されているが、場合によっては単一のマニホル
ドを使用してもよい。収集マニホルド１５は、一方、水
素ガス排出系１７に接続している。導入マニホルド１２
からの水素ガスは、ガス分配板１８を通じて収集マニホ
ルド１５へと流れる。

同様にして、複数の酸素又は空気導入マニホルド（図中
に示してない）がスタックの一方の側と他の側を接続し
てスタック線（図中に示してない）に沿って配置してあ
る。これらの酸素マニホルドは酸素源１９に接続してい
る。酸素は、望むならば、純酸素ではなく空気の形態で
供給してもよい。同様な具合に、複数の収集マニホルド
が酸素導入マニホルドを有するスタックの縁とは反対側
のスタックの縁（図中に示してない）に沿って配置して
あって、それぞれ一方のスタックの縁と反対側のスタッ
クの縁をつないでいる。これらのマニホルドは同様に酸
素貯蔵又は再循環系（図中に示してない）に接続させる
ことができる。導入マニホルド（図中に示してない）か
らの酸素又は空気は、酸素ガス分配板２０中を、それぞ
れの収集マニルホルド（図中に示してない）へと流れ
る。

この実施態様において、隣接する燃料電池１１の間に、
それぞれ冷却板２１が配置してある。それぞれ４個の電
池１１の配列体の中間に配置された３個の冷却板２１が
示されている。冷却板２１中を流れる冷却流体は、たと
えば、“サーミノール”の商品名下にモンサントによっ
て製造されている誘電性の高温油のような、適当な材料
とすることができる。ポンプ２２が冷却流体を導管２３
及び入口マニホルド２４を経て各冷却板２１中に循環さ
せる。この誘電流体は次いで収集マニホルド２５へと流
れる。後者は誘電流体の温度を望ましい導入温度まで低
下させるための熱交換器２６に接続している。次いで導
管２７が熱交換器をポンプ２２に接続し、それによって
流体を各冷却板２１中に再循環させることができる。

燃料電池１１と冷却板２１は導電性であり、それ故図示
のようにそれらを積み重ねるときに燃料電池１１は直列
に接続される。スタック組立物１０を望ましい電気的負
荷に結合させるためには、スタック組立物１０の各端に
おける電流収集板２８を使用する。アノード端子２９と
カソード端子３０を図示のように集電板２８に接続し且
つそれらの端子を通常の手段によって所望の電気的負荷
に接続すればよい。

各燃料電池１１は複数の要素から成っており且つ水素ガ
ス分配板１８と酸素又は空気分配板２０を包含してい
る。各ガス分配板１８及び２０の間には水素ガス分配板
１８から出発する以下の要素が配置してある：アノード
３１、アノード触媒３２、電解質３３、カソード触媒３
４及びカソード３５。燃料電池１１のこれらの要素３１
〜３５は、一般的な慣例に従うが適当な材料から形成せ
しめることができる。

水素ガス分配板１８はアノード３１と接触させて配置す
る。一般には、アノードは、水素燃料ガスをアノードを
通じてアノード触媒３２へと送ることを可能とする細孔
を有する炭素材料から成っている。アノード３１は、固
定化した酸であることが好ましい電解質３３がアノード
の区域中に逆に流れるのを防ぐために、ポリテトラフル
オロエチレンで処理してあることが好ましい。逆の流れ
が生じるときには、電解質はアノード３１中の細孔を閉
塞して、電池１１中の水素燃料の流れを低下させる。ア
ノード触媒３２は白金含有触媒であることが好ましい。

電池１１は、電池を導いてはならないが水素イオンは導
びく固定化した酸電解質層を除けば、たとえば炭素に基
づく材料のような、導電性の材料から成っている。各要
素、１８、３１〜３５及び２０を正の圧力下に相互に対
してプレスする。たとえば燐酸のような電解質３３は、
酸が自由な液体とはならないように、ゲル又はペースト
基質中に分散させることによって固定化する。電解質基
質の一例は、燐酸、炭化珪素粒子及びポリテトラフルオ
ロエチレン粒子の混合物から成ることができる。

カソード触媒３４とカソード３５は、アノード触媒３２
とアノード３１のそれぞれと同一種の材料から成ってい
る。それ故、アノード３１とカソード３５は多孔性炭素
から成り且つアノード触媒３２とカソード触媒３４は白
金含有触媒から成ることができる。カソード３５もま
た、電解質が多孔性の炭素から成るカソード中に逆流す
るのを防ぐために、やはりポリテトラフルオロエチレン
によって処理することができる。

電池１１の全要素を、第２図に示すように、緊密に接触
させて配置する。電気的に相互に結合させたスタック組
立物１０を提供するためには、双極組立物３６を用いて
隣接する燃料電池１１を相互に結合する。双極組立物３
６は水素ガス分配板１８及び酸素又は空気分配板２０並
びにそれらの間に配置した不透過性境界面層又は板３７
から成っている。それ故、双極組立物３６は一つの電池
１１の水素ガス分配板１８と次の隣接する電池１１の酸
素又は空気ガス分配板２０から成っている。境界面層又
は板３７は気体不透過性の炭素板から、あるいは所望に
応じて他の何らかの通常の境界面から成ることができ
る。双極組立物３６においては、中間に境界面３７を有
している各板１８及び２０を良好な導電性を有するよう
に強固に相互に結合させる。

ガス分配板１８及び２０中の気体の流れを容易にするた
めに、それぞれチャンネルすなわち溝３８又は３９を使
用する。水素ガス分配板１８中の溝３８は酸素又は空気
ガス分配板２０中の溝３９に対して直交的に配置してあ
る。これによって、たとえば電池スタック組立物１０の
両側上の入口及び出口マニホルド１２及び１５に対し
て、容易に溝を接続させることが可能となる。

たとえば板１８又は２０のような個々の板内の溝は第２
図中で一方向的な具合にのびているように示されている
けれども、流体反応物材料の分配を助けるために、これ
らの溝の間に交差するチャンネルを与えることもでき
る。このような交差チャンネルを用いる場合にも、反応
物の主な流れはやはり第２図に示す溝３８及び３９の方
向、すなわち、反応物の導入及び収集マニホルド間に反
応物が流れる方向にある。

ガス分配板１８及び２０は、それぞれ水素及び酸素又は
空気ガスを、それらのそれぞれのアノード３１又はカソ
ード３５の表面に供給する。各ガスをアノード３１又は
カソード３５板表面にいっそう均一に分配するために、
ガス分配板１８及び２０は、多孔性炭素のような多孔性
材料から形成せしめることが好ましい。それによって、
それぞれのガスが各チャンネル３８又は３９の間で板１
８及び２０の細孔中を流れることが可能となり、それぞ
れアノード３１又はカソード３５の面上におけるいっそ
う均一なガスの分布が提供される。

電流収集板２８は、第２図に示すように、組立物４０中
でガス分配板１８と組合わせることができる。電流収集
板２８は通常は、たとえばアルミニウムのような、不透
過性の材料から形成せしめるから、層又は板６０の目的
は板２８の腐食を防止するためである。第１図中で２１
として示した冷却板組立物は、同様に、中間に境界面層
又は板を伴なう気体分配板及び冷却板から成るものとす
ることができる。

次いで第３及び４図を参照して、改良した境界面層６０
を説明する。境界面層６０は一般にガス分配板１８又は
２０及び冷却板２１または電流収集板２８間で使用す
る。冷却板及び電流収集板は一般に電解質の酸３３によ
って腐食を受ける金属から成っている。

従来の燃料電池スタック１０においては、燃料電池１１
から境界面層６０を通じて銅被覆した冷却板２１の区域
中に浸透する燐酸が、それを腐食する傾向がある。冷却
板２１の腐食は燃料電池スタック１０の抵抗を増大させ
る傾向がある。この過程において、腐食生成物もまた結
局は触媒へ逆もどりして、それを毒する可能性がある。
冷却板２１は導電性且つ非腐食性でなければならない
が、しかし、これは達成の困難な組合わせである。

グラフォイルを使用した従来の境界面層は、電池が長期
の間に老化するときに電解質３３による浸透を受けるお
それがある。またこれは高価な材料であり且つ時間と共
に、電解質への暴露によっていっそう多孔性となる可能
性がある。

本発明に従って、燃料電池スタック１０中で、ガス分配
板１８又は２０及び冷却板２１又は電流収集板２８の中
間で使用するための新規な改良された境界面層形態６０
は、電解質３３の酸による腐食を防止するために働ら
く。その結果として、境界面６０を通じる電気伝導が保
存され且つ腐食生成物による触媒層３２又は３４の中毒
が避けられる。

改良された境界面層６０は、好ましくは多孔性炭素繊維
紙、もっとも好ましくはフルオロポリマー処理した炭素
紙から成る導伝性層５２から成る。冷却板２１又は電流
収集板２８は、約２．５乃至約２５ミクロン（約０．１
ミル乃至約１．０ミル）の厚さであることが有利な非銅
金属被覆（図中に示してない）を備えている。金属は
銀、金、ルテニウム、白金、ロジウム、イリジウム、ル
テニウム−ニッケル又はパラジウム−ニッケル又はそれ
らの混合物から成るグループから選ぶことが好ましい。
非銅金属被覆は、たとえば電気めっきなどのような、便
利な方法によって冷却板２１又は電流収集板２８上に形
成せしめる。

導電性層５２に隣接して樹脂材料の層５４がある。次い
で組立物を金属被覆した冷却板２１又は金属被覆した電
流収集板２８上に熱プレスする。樹脂材料５４は炭素紙
中のすべての細孔を実質的に充填する。この過程は電解
質３３又は空気の境界面区域への接近を防止する。この
ようにして、腐食を禁止又は予防しながら電気伝導が達
成される。

好適な樹脂材料はポリエーテルスルホンから成り且つ熱
プレスは約６９０乃至約２０６９ＫＰａ（約１００乃至
約３００ｐｓｉ）において且つ約２６０乃至約３９９℃
（約５００乃至７５０゜F）において行なうことが好ま
しい。このようにして得られる構造物は第３図に示すよ
うなものであり、その中で炭素紙が冷却板２１に対し強
固に結合し且つ電気的に接続され、またガス分配板１８
に対して圧搾されている。

種々の金属被覆がそれらの耐腐食性について評価された
が、それらの金属は銀、金、ルテニウム、ルテニウム−
ニッケル及びパラジウム−ニッケルであった。これらの
被覆のすべてが銅（従来用いられていたもの）と比較し
て優れた耐腐食性を示した。しかしながら、５年又はそ
れ以上の範囲というような耐久性を確実にするために
は、フルオロポリマー処理した炭素紙の追加の層を与え
ることによって腐食に対する一層の保護が達成される。
フルオロポリマーは腐食性電解質による炭素紙の湿潤を
防止又は抑制し、それによって金属部分と電解質の間の
接触の可能性を制限する。

フルオロポリマー処理した炭素紙は、前記のフィルム結
合方法により、予め上記の金属被覆の一つで被覆してあ
る金属部分（冷却板２１又は電流収集板２８）に対して
結合させる。このような方法の１例は、約１３７９ＫＰ
ａ（２００ｐｓｉ）の圧力と約３７１℃（７００゜F）
の温度における４５分の熱プレスとその後の同じ圧力に
おける約２０４℃（４００゜F）までの冷却及びさらに
無圧力下の室温までの冷却を包含する。

この改良構造の使用によって、従来用いられていた銅網
の使用は不必要となり排除することができる。その理由
は、銀及びその他の貴金属は通常は、多くの環境条件下
に、銅又はアルミニウムにおけるようにそれらの表面上
に電気絶縁性の皮膜を形成することがないということで
ある。網の機能は、少なくとも部分的に、絶縁皮膜を破
るためであるから、網の必要はもはやなくなる。これは
一方腐食に対する相手をなくすことにより、酸性電解質
に対する比較的弱いシールを帰着する。本発明に従って
過剰の樹脂が直接に処理炭素紙の細孔中に圧入され、か
くしてその多孔性がさらに低下し且つ電解質と金属部分
の間の接触の可能性が制限される。

比較的安価であるという理由で金属被覆として銀を用い
ることが好ましい。銀被覆とフルオロポリマー処理した
紙を用いて調製した試料は、銅被覆とフルオロポリマー
処理紙を用いる試料と比較するときに最低の腐食電流を
示した。ルテニウムもまた、その比較的低い価格と試験
において認められるすぐれた腐食保護能力の点で、好適
である。

本発明に従って約０．１８６m²（２ft²）の電流収集板
を製造した。この集電板は約６．４ミクロン（０．２５
ミル）の厚さを有する電気めっきした銀の被覆を有して
いた。フルオロポリマー処理した炭素紙を、樹脂として
ポリエーテルスルホンを使用し、熱プレスを用いて集電
板に結合させた。熱プレスには前記と同様な条件を用い
た。電流収集板と境界面を燃料電池スタック中に組込ん
で、１５００時間試験した。この試験の完了後に電流収
集板を再調査した。腐食は認められなかった。

導電性の層材料としては炭素紙が好適であるけれども、
使用することができる他の材料は、防湿した炭素紙、ガ
ラス質炭素、成形炭素板、及びたとえば金のような耐腐
食性箔を包含する。ポリエーテルスルホンが好適樹脂層
材料であるけれども、使用することができる他の樹脂材
料は、ポリフェニルスルホン、たとえばＰＴＦＥ、フッ
素化エチレンプロピレン及びパーフルオロアルコキシポ
リマーのようなフッ素化ポリマー及びその他の耐腐食性
熱可塑性材料を包含する。

本発明は本発明の精神又はその本質的な特性から逸脱す
ることなく他の形態で実施し又は他の方式で遂行するこ
とができる。それ故、ここに示した実施態様はすべての
点で例証としてのものであって限定的なものとみなすべ
きではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって規
定されるのみであり、且つ等価の意味及び範囲内に入る
すべての変更は本発明に包含すべきものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、中間の冷却板と末端の電流収集板を伴なう多
数の積み重ねた燃料電池から成る燃料電池組立物の概念
図である。第２図は、個々の燃料電池をさらに詳細に示している、
第１図の燃料電池組立物の一部分の遠近図である。第３図はガス分配板と冷却板の間の耐腐食性境界面配置
を示している、部分的断面としての遠近図である。第４図は第３図の境界面を形成する配置の概念的分解図
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス分配板間に電解質層および電極層が挟
持された複数個の燃料電池と、前記ガス分配板とのあい
だに耐腐食性、電気伝導性および流体不透過性を有する
境界面を介して隣接する少なくとも１個の冷却板および
／または電流収集板とを有しており、前記境界面は冷却板および／または電流収集板の上に形
成された非銅金属被覆及び少なくとも該金属被覆の面に
対して熱プレスされた樹脂によって結合された導電性層
から成り、該導電性層はその中のすべての細孔が前記樹
脂によって実質的に充填されているとともに、実質的に
樹脂で充填された細孔以外の部位において前記金属被覆
面と接触して成る燃料電池スタック。
【請求項２】該導電性層は炭素紙から成り且つ該樹脂は
ポリエーテルスルホンから成る、特許請求の範囲第１項
記載の燃料電池スタック。
【請求項３】該導電性層はフルオロポリマーで処理した
炭素紙から成る、特許請求の範囲第２項記載の燃料電池
スタック。
【請求項４】該金属被覆は銀、金、ルテニウム、ルテニ
ウム−ニッケル及びパラジウム−ニッケル及びそれらの
組合わせから成る群から選択される、特許請求の範囲第
１項記載の燃料電池スタック。
【請求項５】ガス分配板間に電解質層および電極層が挟
持された燃料電池と、前記ガス分配板とのあいだに耐腐
食性、電気伝導性、流体不透過性の境界面を介して隣接
する冷却板および／または電流収集板とを有する燃料電
池スタックを製造するに際し、 (a)前記冷却板および／または電流収集板を非銅金属で
被覆し、 (b)前記非銅金属被覆面とガス分配板とのあいだに導電
性層を配置し、且つ該導電性層と前記金属被覆面との間
に樹脂層を配置し、 (c)それらの間に前記導電層および樹脂層を介在させた
前記ガス分配板と冷却板または電流収集板とを一緒に熱
プレスすることによって前記境界面を形成する工程を含
んでおり、前記熱プレスが、前記樹脂を前記導電性層の細孔に実質
的に充填することによって導電性層を前記金属被覆面に
結合しかつ電気的接触せしめるものである燃料電池スタ
ックの製法。
【請求項６】該熱プレスは約690 乃至約2069KPa の圧力
と約260 乃至約399 ℃の温度において行なう、特許請求
の範囲第５項記載の製法。
【請求項７】該導電性の層は炭素紙から成り且つ該樹脂
はポリエーテルスルホンから成る、特許請求の範囲第６
項記載の製法。
【請求項８】該金属は銀、金、ルテニウム、ルテニウム
−ニッケル及びパラジウム−ニッケル及びそれらの組合
わせから成る群から選択される、特許請求の範囲第５項
記載の製法。