JPH1055805A - 高度に分配された接触面を有する多孔質平坦金属電流導体と接触するガス拡散電極を備えた膜電気化学電池 - Google Patents
高度に分配された接触面を有する多孔質平坦金属電流導体と接触するガス拡散電極を備えた膜電気化学電池Info
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- JPH1055805A JPH1055805A JP9169969A JP16996997A JPH1055805A JP H1055805 A JPH1055805 A JP H1055805A JP 9169969 A JP9169969 A JP 9169969A JP 16996997 A JP16996997 A JP 16996997A JP H1055805 A JPH1055805 A JP H1055805A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高度に分配された接触面を有する多孔質平坦
金属電流導体と接触するガス拡散電極を備えた膜電気化
学電池を提供することである。 【解決手段】 ２つの端板（７）、金属または金属合金
製の双極板（１）、ガス流透過性の金属分配器（２）、
金属集電装置（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の
反応体と縮合物とを排出するための溝を備えたガスケッ
トフレーム（４）、２つのガス拡散電極（５）およびイ
オン交換膜（６）を含む電気化学電池において、前記集
電装置（３）が、山および突出部のない、多孔質で、ガ
ス流透過性の高度に分配され、セグメント化された接触
面を有することを特徴とする電池。
金属電流導体と接触するガス拡散電極を備えた膜電気化
学電池を提供することである。 【解決手段】 ２つの端板（７）、金属または金属合金
製の双極板（１）、ガス流透過性の金属分配器（２）、
金属集電装置（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の
反応体と縮合物とを排出するための溝を備えたガスケッ
トフレーム（４）、２つのガス拡散電極（５）およびイ
オン交換膜（６）を含む電気化学電池において、前記集
電装置（３）が、山および突出部のない、多孔質で、ガ
ス流透過性の高度に分配され、セグメント化された接触
面を有することを特徴とする電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、２つの端板
（７）、金属または金属合金製の双極板（１）、ガス透
過性の金属分配器（２）、金属集電装置（３）、ガス状
の反応体を供給し、過剰の反応体と縮合物とを排出する
ための溝を備えたガスケットフレーム（４）、２つのガ
ス拡散電極（５）およびイオン交換膜（６）を含む電気
化学電池または電池スタックであり、前記電流導体が、
電極面上に、孤立した山を有することなく、高度に分配
され、セグメント化された接触面を提供し、凹凸のない
極めて平滑な表面を有し、それと同時に、多孔質で、ガ
ス流透過性を有する電池に関する。
（７）、金属または金属合金製の双極板（１）、ガス透
過性の金属分配器（２）、金属集電装置（３）、ガス状
の反応体を供給し、過剰の反応体と縮合物とを排出する
ための溝を備えたガスケットフレーム（４）、２つのガ
ス拡散電極（５）およびイオン交換膜（６）を含む電気
化学電池または電池スタックであり、前記電流導体が、
電極面上に、孤立した山を有することなく、高度に分配
され、セグメント化された接触面を提供し、凹凸のない
極めて平滑な表面を有し、それと同時に、多孔質で、ガ
ス流透過性を有する電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池は、燃料（例えば、水素または
その混合物）のコンビュレント(comburent)(例えば、純
粋な酸素、空気、塩素または臭素）との組み合わせによ
って生ずる反応力の自由エネルギーを熱エネルギーに完
全に変換するのではなく、直流の形の電気エネルギーに
変換する電気化学装置である。燃料は、負の極性を有す
るアノードに供給され、コンビュレントは、反対に、正
の極性を有するカソードに供給される。大部分の通常の
燃料電池、すなわち、水素および酸素またはそれらを含
有する混合物を供給される燃料電池の電気エネルギーの
発生は、その高効率および環境汚染が低いかまたは全く
ない（毒物放出および騒音なし）点で極めて興味深い。
その混合物）のコンビュレント(comburent)(例えば、純
粋な酸素、空気、塩素または臭素）との組み合わせによ
って生ずる反応力の自由エネルギーを熱エネルギーに完
全に変換するのではなく、直流の形の電気エネルギーに
変換する電気化学装置である。燃料は、負の極性を有す
るアノードに供給され、コンビュレントは、反対に、正
の極性を有するカソードに供給される。大部分の通常の
燃料電池、すなわち、水素および酸素またはそれらを含
有する混合物を供給される燃料電池の電気エネルギーの
発生は、その高効率および環境汚染が低いかまたは全く
ない（毒物放出および騒音なし）点で極めて興味深い。
【０００３】燃料電池は、アノード隔室とカソード隔室
とを仕切る電解質のタイプを参考にし、したがって、操
作温度の範囲によって、概略的に分類することができ
る。この分類は、これらシステムの特定または予想され
る使用を正に反映する。高温、すなわち、２００℃以上
で運転される燃料電池は、高熱レベルで許される熱−電
供給の興味深い可能性の観点においても、特に、巨大寸
法の電力プラントにおける電流源にとって代わるもので
ある。逆に、低温（２５〜２００℃）の範囲において、
１つの側で水素（その前駆体の触媒的な転化により生ず
る純粋または混合物としての）を、他の側で純粋な酸
素、または、より良好には、空気を供給される固体ポリ
マー電解質燃料電池に、ますます、関心が集まってい
る。
とを仕切る電解質のタイプを参考にし、したがって、操
作温度の範囲によって、概略的に分類することができ
る。この分類は、これらシステムの特定または予想され
る使用を正に反映する。高温、すなわち、２００℃以上
で運転される燃料電池は、高熱レベルで許される熱−電
供給の興味深い可能性の観点においても、特に、巨大寸
法の電力プラントにおける電流源にとって代わるもので
ある。逆に、低温（２５〜２００℃）の範囲において、
１つの側で水素（その前駆体の触媒的な転化により生ず
る純粋または混合物としての）を、他の側で純粋な酸
素、または、より良好には、空気を供給される固体ポリ
マー電解質燃料電池に、ますます、関心が集まってい
る。
【０００４】これらシステムは、多くの利点、例えば、
始動の早さ、ピークパワー出力、広範な範囲のパワー出
力における高い電気的効率を提供する。これら理由によ
り、固体ポリマー電解質燃料電池は、電力の自家発電、
小型のＤＣ発電機、化学および電気化学プラントよりの
副生物水素の回収、電気自動制御における最も望ましい
適用を見いだす。
始動の早さ、ピークパワー出力、広範な範囲のパワー出
力における高い電気的効率を提供する。これら理由によ
り、固体ポリマー電解質燃料電池は、電力の自家発電、
小型のＤＣ発電機、化学および電気化学プラントよりの
副生物水素の回収、電気自動制御における最も望ましい
適用を見いだす。
【０００５】最も典型的な固体ポリマー電解質は、Ｈ+
イオンの輸送における高効率、換言すれば、高イオン導
電率を特徴とするイオン交換膜である。このタイプの電
解質は、多孔質マトリックスに埋め込まれるが、２つの
隔室間の瞬時圧力不均衡に対してさえ厳格な制限を課す
液体電解質の使用に関する問題点を解決するために、従
来の酸またはアルカリ溶液（オルトリン酸または水酸化
カリウム）に対する変法として開発された。さらに、こ
れら電解質は、腐蝕性であり、極めて高価な材料の使用
を必要とする。しかし、電解質としての高分子膜は、例
えば、米国特許No. 4,647,359に記載されているよう
に、低温、酸環境下で作動する燃料電池に一般に使用さ
れるガス拡散電極に関して問題点を有する。事実、電極
と電解質との界面は、一方の側でプロセスを支持する電
荷キャリヤーが電子であり、前述したように、他方の側
で、Ｈ+イオンである、電流伝達に関して不連続面であ
る。したがって、同時に、 −電子消費およびプロトン発生の半反応、または、その
逆が生じ、電極が支持体に直接接触し、電子導電性を保
証する、電極を活性化する触媒粒子； −前記半反応を達成するために必要とされるガス状の反
応体を保証する疎水性の溝； −イオン輸送体として作用する電解質；に関して三重の
接触点を最大とすることが最も重要である。
イオンの輸送における高効率、換言すれば、高イオン導
電率を特徴とするイオン交換膜である。このタイプの電
解質は、多孔質マトリックスに埋め込まれるが、２つの
隔室間の瞬時圧力不均衡に対してさえ厳格な制限を課す
液体電解質の使用に関する問題点を解決するために、従
来の酸またはアルカリ溶液（オルトリン酸または水酸化
カリウム）に対する変法として開発された。さらに、こ
れら電解質は、腐蝕性であり、極めて高価な材料の使用
を必要とする。しかし、電解質としての高分子膜は、例
えば、米国特許No. 4,647,359に記載されているよう
に、低温、酸環境下で作動する燃料電池に一般に使用さ
れるガス拡散電極に関して問題点を有する。事実、電極
と電解質との界面は、一方の側でプロセスを支持する電
荷キャリヤーが電子であり、前述したように、他方の側
で、Ｈ+イオンである、電流伝達に関して不連続面であ
る。したがって、同時に、 −電子消費およびプロトン発生の半反応、または、その
逆が生じ、電極が支持体に直接接触し、電子導電性を保
証する、電極を活性化する触媒粒子； −前記半反応を達成するために必要とされるガス状の反
応体を保証する疎水性の溝； −イオン輸送体として作用する電解質；に関して三重の
接触点を最大とすることが最も重要である。
【０００６】この問題点に対する解決策は、米国特許N
o. 3,134,697に記載されているように、イオン交換膜上
に電極をホットプレスすることによって試みられてい
る。もう１つの解決策は、米国特許No. 4,876,115に記
載されているように、電極を電解質と接続させる前に、
触媒粒子をプロトン性導電体と密着させることを示唆す
るものである。
o. 3,134,697に記載されているように、イオン交換膜上
に電極をホットプレスすることによって試みられてい
る。もう１つの解決策は、米国特許No. 4,876,115に記
載されているように、電極を電解質と接続させる前に、
触媒粒子をプロトン性導電体と密着させることを示唆す
るものである。
【０００７】これら２つの技術の組み合わせは、電極−
膜アセンブリに所望される特性を付与するが、工業的用
途に対して完全に満足するものではない。特に、２つの
電極の固体ポリマー電解質へのホットプレスは、各電極
−膜アセンブリが構成部分間の緊密な接触を達成するた
めに十分な時間、典型的には、数分、熱および圧力に賦
す必要があるという事実により、自動化することのでき
ない極めて高価な処理法であり；この処理法は、市販さ
れているかまたは文献に記載されている膜の不可逆的崩
壊を避けるために、温度１００℃以上および相対湿度１
００％で行う必要がある。さらに、高コストの構成部分
は、捨てることが許されず、これは、この種の大量生産
において通常生ずる。これらの生産プロセスにおいて
は、数個のパラメータ（時間、温度、圧力、相対湿度）
は、厳密な許容範囲内で注意深く制御する必要がある。
さらに、熱サイクルおよび相対湿度の変化下の高分子膜
は激しい膨潤を受け、他方、電極は、膨張を経験しな
い。膜の膨潤に関するこの異なる挙動は、界面に危険な
内部応力を生じ、これが、熱プレスした試料を損傷す
る。したがって、試料は、電池に組み立てた後、厳密に
制御された条件下に保つ必要があり、かくして、この方
法の既存の高コストにさらにコストを上積みする。
膜アセンブリに所望される特性を付与するが、工業的用
途に対して完全に満足するものではない。特に、２つの
電極の固体ポリマー電解質へのホットプレスは、各電極
−膜アセンブリが構成部分間の緊密な接触を達成するた
めに十分な時間、典型的には、数分、熱および圧力に賦
す必要があるという事実により、自動化することのでき
ない極めて高価な処理法であり；この処理法は、市販さ
れているかまたは文献に記載されている膜の不可逆的崩
壊を避けるために、温度１００℃以上および相対湿度１
００％で行う必要がある。さらに、高コストの構成部分
は、捨てることが許されず、これは、この種の大量生産
において通常生ずる。これらの生産プロセスにおいて
は、数個のパラメータ（時間、温度、圧力、相対湿度）
は、厳密な許容範囲内で注意深く制御する必要がある。
さらに、熱サイクルおよび相対湿度の変化下の高分子膜
は激しい膨潤を受け、他方、電極は、膨張を経験しな
い。膜の膨潤に関するこの異なる挙動は、界面に危険な
内部応力を生じ、これが、熱プレスした試料を損傷す
る。したがって、試料は、電池に組み立てた後、厳密に
制御された条件下に保つ必要があり、かくして、この方
法の既存の高コストにさらにコストを上積みする。
【０００８】これら欠点は、それが固体ポリマー電解質
燃料電池の工業的な利用を実質的に妨げているが、米国
特許No. 5,482,792に記載されている電池で一部軽減さ
れている。この電池は、電極−膜アセンブリを含み、多
数の接触点上の両電極に締付圧を配分しつつ、高度に分
配された電気接触面を提供する残留変形能を有する導電
性のコレクタによって、異なる構成部分を整列させた
後、一旦組み立て、電池それ自体の内部でホットプレス
に賦される。しかし、この解決策は、なお未解決の幾つ
かの基本的な問題点を残しており、本発明は、それらを
克服せんとするものである。特に、本システムの効率お
よび電流密度を増大させ、それと同時に、貴重な構成部
分（膜および電極）のコストを低減することによっての
み、工業的な成果を収めることができるであろうことに
着眼する必要がある。
燃料電池の工業的な利用を実質的に妨げているが、米国
特許No. 5,482,792に記載されている電池で一部軽減さ
れている。この電池は、電極−膜アセンブリを含み、多
数の接触点上の両電極に締付圧を配分しつつ、高度に分
配された電気接触面を提供する残留変形能を有する導電
性のコレクタによって、異なる構成部分を整列させた
後、一旦組み立て、電池それ自体の内部でホットプレス
に賦される。しかし、この解決策は、なお未解決の幾つ
かの基本的な問題点を残しており、本発明は、それらを
克服せんとするものである。特に、本システムの効率お
よび電流密度を増大させ、それと同時に、貴重な構成部
分（膜および電極）のコストを低減することによっての
み、工業的な成果を収めることができるであろうことに
着眼する必要がある。
【０００９】これら理由により、工業的に重要な燃料電
池は、それらの電気抵抗（および同一の比電力(specifi
c power）における効率ならびに単位重量および単位体
積当たりの電流密度）および単位活性面積当たりに使用
するポリマーの量（かくして、単位電力当たりのポリマ
ーのコスト）を最小とするために、既に市販されてい
る、極めて厚さの薄い膜を装備する必要がある。さら
に、実際の商業的に重要なシステムは、米国特許No. 5,
482,792に記載されているものとは本質的に異なる触媒
の高度に特異的な利用で電極を使用する必要がある。事
実、これら電極は、機械的な保護支持体、例えば、カー
ボン布またはグラファイト紙を含み、これらは、追加の
抵抗負荷を課し、触媒の高度利用を許さない。導入され
る構成部分は、コレクタが薄い膜を損傷する可能性のあ
る危険な突出終端部分を示すので、米国特許No. 5,482,
792に記載された電池内の保護支持体なしでは使用する
ことができない。これら終端部分の目的は、不動態化す
ることの可能な金属製の双極板との効率のよい電気接触
を提供するために、特に、特許請求されている。さら
に、その非活性面が本質的にグラファイトまたは導電性
カーボン製である電極の使用は、電極面上の電流が大き
くなり過ぎることによる抵抗負荷を避けるために、接点
が可能な限り非局在化されるのみならず、また、均一に
分配される必要があり、これは、かなり良好な導電性を
有するが、例えば、金属製のそれに匹敵する程ではな
い。米国特許No. 5,482,792に記載されたコレクタは、
高度に進歩した性能に要求されるような十分な均一性を
提供することはできない。
池は、それらの電気抵抗（および同一の比電力(specifi
c power）における効率ならびに単位重量および単位体
積当たりの電流密度）および単位活性面積当たりに使用
するポリマーの量（かくして、単位電力当たりのポリマ
ーのコスト）を最小とするために、既に市販されてい
る、極めて厚さの薄い膜を装備する必要がある。さら
に、実際の商業的に重要なシステムは、米国特許No. 5,
482,792に記載されているものとは本質的に異なる触媒
の高度に特異的な利用で電極を使用する必要がある。事
実、これら電極は、機械的な保護支持体、例えば、カー
ボン布またはグラファイト紙を含み、これらは、追加の
抵抗負荷を課し、触媒の高度利用を許さない。導入され
る構成部分は、コレクタが薄い膜を損傷する可能性のあ
る危険な突出終端部分を示すので、米国特許No. 5,482,
792に記載された電池内の保護支持体なしでは使用する
ことができない。これら終端部分の目的は、不動態化す
ることの可能な金属製の双極板との効率のよい電気接触
を提供するために、特に、特許請求されている。さら
に、その非活性面が本質的にグラファイトまたは導電性
カーボン製である電極の使用は、電極面上の電流が大き
くなり過ぎることによる抵抗負荷を避けるために、接点
が可能な限り非局在化されるのみならず、また、均一に
分配される必要があり、これは、かなり良好な導電性を
有するが、例えば、金属製のそれに匹敵する程ではな
い。米国特許No. 5,482,792に記載されたコレクタは、
高度に進歩した性能に要求されるような十分な均一性を
提供することはできない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術の欠点を解消することの可能な、少なくとも１つの
ガス隔室を含む膜電気化学電池、例えば、ポリマー燃料
電池の新しい仕様を提供することである。
技術の欠点を解消することの可能な、少なくとも１つの
ガス隔室を含む膜電気化学電池、例えば、ポリマー燃料
電池の新しい仕様を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための解決手段】特に、本発明は、金
属双極板によって仕切られ、電解質として機能するイオ
ン交換膜と、そのうちの少なくとも１つがガス拡散タイ
プである２つの電極とを備えた１個の電気化学電池また
は電気的に直列の多数の電気化学電池に係る。ガス拡散
電極で作動されるガス状の相を有する隔室において、電
極面と接触する集電装置およびガス状の流れに対する金
属導電性分配器は、仕切られ、かつ、識別されるもの
の、とはいえ、相互に接触し、電気連続性を生ずる。
属双極板によって仕切られ、電解質として機能するイオ
ン交換膜と、そのうちの少なくとも１つがガス拡散タイ
プである２つの電極とを備えた１個の電気化学電池また
は電気的に直列の多数の電気化学電池に係る。ガス拡散
電極で作動されるガス状の相を有する隔室において、電
極面と接触する集電装置およびガス状の流れに対する金
属導電性分配器は、仕切られ、かつ、識別されるもの
の、とはいえ、相互に接触し、電気連続性を生ずる。
【００１２】好ましい実施態様の幾つかにおいて、集電
装置は、孔の初期径０．０５〜５mmおよび初期厚さ約２
mmを有する網状金属材料製であり、商業的には、金属発
泡体として知られ、図２に示され、これは、材料内に最
初に存在する全ての三次元セルを圧潰するために十分な
圧力に賦される。最終製品は、本質的に、一定の厚さ
０．１〜０．５mmを有し、残留変形能はなく、突出部の
ない極めて平滑な表面を示し、多孔度約５０％を有す
る。集電装置の最終態様は図３に示す。
装置は、孔の初期径０．０５〜５mmおよび初期厚さ約２
mmを有する網状金属材料製であり、商業的には、金属発
泡体として知られ、図２に示され、これは、材料内に最
初に存在する全ての三次元セルを圧潰するために十分な
圧力に賦される。最終製品は、本質的に、一定の厚さ
０．１〜０．５mmを有し、残留変形能はなく、突出部の
ない極めて平滑な表面を示し、多孔度約５０％を有す
る。集電装置の最終態様は図３に示す。
【００１３】もう１つの実施態様において、集電装置
は、本質的に、平滑で、かつ、厚さ０．１〜０．３mmを
有し、多孔度約５０％を有する金網製である。いずれの
場合においても、集電装置の材料は、ステンレススチー
ル、高合金スチール、ハステロイ(Hastelloy)、ニッケ
ル、ニッケル−クロム、導電性の酸化物類で被覆された
チタン、貴金属を含む群に属する。
は、本質的に、平滑で、かつ、厚さ０．１〜０．３mmを
有し、多孔度約５０％を有する金網製である。いずれの
場合においても、集電装置の材料は、ステンレススチー
ル、高合金スチール、ハステロイ(Hastelloy)、ニッケ
ル、ニッケル−クロム、導電性の酸化物類で被覆された
チタン、貴金属を含む群に属する。
【００１４】幾つかの実施態様において、ガス分配器
は、網状金属製、すなわち、前述した金属スポンジ製で
あり、機械的な処理法によってはつぶれなく、かくし
て、残留変形能特性、および、金属双極板上に形成され
た酸化物層に侵入することのできる山および突出部を有
する表面を示す。
は、網状金属製、すなわち、前述した金属スポンジ製で
あり、機械的な処理法によってはつぶれなく、かくし
て、残留変形能特性、および、金属双極板上に形成され
た酸化物層に侵入することのできる山および突出部を有
する表面を示す。
【００１５】その他の実施態様において、分配器は、メ
ッシュ、または、対角線１〜１０mmを有する空隙を有す
る平坦化されていないエキスパンデッドメタル製であ
る。全ての場合において、分配器は、厚さ１〜５mmを有
し、ステンレススチール、高合金スチール、ニッケルお
よびその合金、銅およびその合金を含む群において選択
される材料製である。
ッシュ、または、対角線１〜１０mmを有する空隙を有す
る平坦化されていないエキスパンデッドメタル製であ
る。全ての場合において、分配器は、厚さ１〜５mmを有
し、ステンレススチール、高合金スチール、ニッケルお
よびその合金、銅およびその合金を含む群において選択
される材料製である。
【００１６】さらなる実施態様において、分配器は、双
極板上への十分な接触圧を保証し、それと同時に、ガス
を供給し、生成した水および縮合物を排出するための溝
を形成するメッシュまたは平坦でないタイプのエキスパ
ンデッドシート製であってもよい。
極板上への十分な接触圧を保証し、それと同時に、ガス
を供給し、生成した水および縮合物を排出するための溝
を形成するメッシュまたは平坦でないタイプのエキスパ
ンデッドシート製であってもよい。
【００１７】さて、写真および図面を参考としつつ、本
発明を説明するが、同一の参照符号は、同一の素子を特
定するために使用した。図１は、本発明の電気化学電池
の概略図である。図２は、金属スポンジとして特定さ
れ、圧潰されていない、ガス分配器として使用される網
状材料の拡大写真である。図３は、集電装置として使用
した三次元セルの完全な圧潰の際の同材料の拡大写真で
ある。図４は、本発明の燃料電池スタックの概略図であ
る。
発明を説明するが、同一の参照符号は、同一の素子を特
定するために使用した。図１は、本発明の電気化学電池
の概略図である。図２は、金属スポンジとして特定さ
れ、圧潰されていない、ガス分配器として使用される網
状材料の拡大写真である。図３は、集電装置として使用
した三次元セルの完全な圧潰の際の同材料の拡大写真で
ある。図４は、本発明の燃料電池スタックの概略図であ
る。
【００１８】図１を参照すると、本発明の電池は、２つ
の双極板（１）、１対の分配器（２）、１対の集電装置
（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の反応体および
縮合物を排出するための溝を備えた１対のガスケットフ
レーム（４）、１対のガス拡散電極（５）、イオン交換
膜（６）を含む。
の双極板（１）、１対の分配器（２）、１対の集電装置
（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の反応体および
縮合物を排出するための溝を備えた１対のガスケットフ
レーム（４）、１対のガス拡散電極（５）、イオン交換
膜（６）を含む。
【００１９】これとは別に、電池は、２つの双極板
（１）、唯一の集電装置（３）に結合した唯一の分配器
（２）、および、ガス拡散電極（５）を含み、全てが、
第１の実施態様についてのように、膜（６）の同一側に
組み立てられ；さらに、図に示さなかったが、１対のガ
スケット（４）、および、膜（６）の他の側に、いずれ
かの構成の電解半電池を含んでもよい。
（１）、唯一の集電装置（３）に結合した唯一の分配器
（２）、および、ガス拡散電極（５）を含み、全てが、
第１の実施態様についてのように、膜（６）の同一側に
組み立てられ；さらに、図に示さなかったが、１対のガ
スケット（４）、および、膜（６）の他の側に、いずれ
かの構成の電解半電池を含んでもよい。
【００２０】図２は、いわゆる金属発泡体、すなわち、
金属網状材料製であり、そのセルが閉鎖または開放ジオ
メトリーを有し、その表面に、鋭い山が統計学的に均一
に分布して突出し、それが、典型的には、電池の締付後
に典型的に作用する圧力５〜２５kg/cm2下、典型的に
は、不動態化可能な金属、例えば、アルミニウム、チタ
ンおよびそれらの合金またはステンレススチール製の双
極板（１）上に形成される酸化物表面層を破壊すること
のできるガス分配器の詳細を示す。網状材料は、双極板
の可能な凹凸に従うために十分な変形能と弾性とを有
し、双極板との無視可能な電気接触抵抗、発生した熱を
分散させるための十分な熱伝導性、反応体の縦流(longi
tudinal flow)に対する低い抵抗降下およびカソード半
反応によって生ずる水を容易に放出するための良好な水
圧透過性を有する。
金属網状材料製であり、そのセルが閉鎖または開放ジオ
メトリーを有し、その表面に、鋭い山が統計学的に均一
に分布して突出し、それが、典型的には、電池の締付後
に典型的に作用する圧力５〜２５kg/cm2下、典型的に
は、不動態化可能な金属、例えば、アルミニウム、チタ
ンおよびそれらの合金またはステンレススチール製の双
極板（１）上に形成される酸化物表面層を破壊すること
のできるガス分配器の詳細を示す。網状材料は、双極板
の可能な凹凸に従うために十分な変形能と弾性とを有
し、双極板との無視可能な電気接触抵抗、発生した熱を
分散させるための十分な熱伝導性、反応体の縦流(longi
tudinal flow)に対する低い抵抗降下およびカソード半
反応によって生ずる水を容易に放出するための良好な水
圧透過性を有する。
【００２１】図３の写真は、図２と同様の構造を有する
集電装置の詳細を示すが、２つの完全に平坦なシート間
にプレスされた集電装置の平面に垂直圧を加えることか
らなる機械加工に賦され、かくして、三次元構造物を製
造し、圧潰し、一定厚さを有する多孔質シートが得られ
る。かくして得られる集電装置の厚さは、機械加工の間
に作用する圧力に大きく依存することはなく、材料を形
成する繊維の幾何学的な特性にのみ依存する。
集電装置の詳細を示すが、２つの完全に平坦なシート間
にプレスされた集電装置の平面に垂直圧を加えることか
らなる機械加工に賦され、かくして、三次元構造物を製
造し、圧潰し、一定厚さを有する多孔質シートが得られ
る。かくして得られる集電装置の厚さは、機械加工の間
に作用する圧力に大きく依存することはなく、材料を形
成する繊維の幾何学的な特性にのみ依存する。
【００２２】かくして得られる集電装置は、反応体流を
許す優れた残留多孔度、正しく１点上ではなく、限られ
たセグメントに沿って、電気接点の分布を許す本質的に
平坦な面を有する。総表面積は、図２の圧潰しない材料
で得られるそれよりも少なくとも一桁大きい。したがっ
て、通常の締付荷重を加えることによって、電極の種々
の点に作用する圧力は、それを穿孔するのに十分ではな
く、膜が非常に薄い場合でさえ、また、電極が支持布、
フェルトまたはグラファイトもしくはカーボン紙によっ
て保護されておらず、非常に薄い付着層からなるか、ま
たは、膜が触媒粒子で直接金属化（活性化）される時
も、膜を損傷する。三次元網状構造物に先に配置された
一定数の層を圧潰することによって最終製品を得ると、
最終多孔度が非常に狭く、分配器（２）の鋭い山による
侵入が回避される。膜の結合性を保護する以外に、その
製品は、たまたま分配器（２）を集電装置として使用す
ることに関しては、電界が電極平面上で従う必要のある
通路をそれが最小とするので、電極側上の電気接触を著
しく改良し、その接触は、点により、セグメントによら
ない、すなわち、エキスパンデッドメッシュまたはシー
トであり、その空隙率は、むしろ制限される。
許す優れた残留多孔度、正しく１点上ではなく、限られ
たセグメントに沿って、電気接点の分布を許す本質的に
平坦な面を有する。総表面積は、図２の圧潰しない材料
で得られるそれよりも少なくとも一桁大きい。したがっ
て、通常の締付荷重を加えることによって、電極の種々
の点に作用する圧力は、それを穿孔するのに十分ではな
く、膜が非常に薄い場合でさえ、また、電極が支持布、
フェルトまたはグラファイトもしくはカーボン紙によっ
て保護されておらず、非常に薄い付着層からなるか、ま
たは、膜が触媒粒子で直接金属化（活性化）される時
も、膜を損傷する。三次元網状構造物に先に配置された
一定数の層を圧潰することによって最終製品を得ると、
最終多孔度が非常に狭く、分配器（２）の鋭い山による
侵入が回避される。膜の結合性を保護する以外に、その
製品は、たまたま分配器（２）を集電装置として使用す
ることに関しては、電界が電極平面上で従う必要のある
通路をそれが最小とするので、電極側上の電気接触を著
しく改良し、その接触は、点により、セグメントによら
ない、すなわち、エキスパンデッドメッシュまたはシー
トであり、その空隙率は、むしろ制限される。
【００２３】別の実施態様において、集電装置は、非常
に薄いゲージであってもよく、好ましくは、圧延によっ
て平坦化されているのがよく、空隙率は、ユニットに近
く、いずれの場合にも、メッシュで達成されるよりもは
るかに高い。ゲージは、また、電極表面の可能な凹凸に
適合する可能性を有する。
に薄いゲージであってもよく、好ましくは、圧延によっ
て平坦化されているのがよく、空隙率は、ユニットに近
く、いずれの場合にも、メッシュで達成されるよりもは
るかに高い。ゲージは、また、電極表面の可能な凹凸に
適合する可能性を有する。
【００２４】図４は、燃料電池のスタック配列を示し；
端板（７）は、外部電力回路に接続され、その回路は、
スタックによって発生した電流を取り出す。
端板（７）は、外部電力回路に接続され、その回路は、
スタックによって発生した電流を取り出す。
【００２５】
【実施例】幾つかの実施例を用いて、本発明をさらに例
示するが、これら実施例は、本発明をそれらに限定する
ことを意図するものではない。
示するが、これら実施例は、本発明をそれらに限定する
ことを意図するものではない。
【００２６】実施例 １ 電気的に直列に接続した６個の燃料電池を図４に示した
スキームに従い組み立てた。１対の双極板（図４におけ
る参照符号１）、１対のガス分配器（２）、１対の集電
装置（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の反応体お
よび縮合物を排出するための溝を備えた１対のガスケッ
ト（４）、１対のガス拡散電極（５）、イオン交換膜
（６）および２つの端板（７）を含む各電池を、発生し
た電流を取り出すために、外部回路に接続した。
スキームに従い組み立てた。１対の双極板（図４におけ
る参照符号１）、１対のガス分配器（２）、１対の集電
装置（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の反応体お
よび縮合物を排出するための溝を備えた１対のガスケッ
ト（４）、１対のガス拡散電極（５）、イオン交換膜
（６）および２つの端板（７）を含む各電池を、発生し
た電流を取り出すために、外部回路に接続した。
【００２７】試験の間一定に保たれるおおよその操作条
件は、以下の通りである： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．０６mmを有するNafionR 112 ●電極： −Solution Technology, USAより商品名Nafion Solutio
n 5の下に市販されている、膜と同一のポリマーよりな
る水−アルコール懸濁液 −白金担持炭素を基体とする電気触媒粉末 −Du Pont de Nemours, USAより市販されているTeflon
30 NRの水性懸濁液を含有するインキより得られる薄膜 かくして得られたペイント（インキ）は、白金荷重２g/
m2を得るまで膜の２つの側に直接はけ塗りした。 ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝備えたフレ
ームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemour
s, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板 ●アノード隔室（負）に、絶対圧３５００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、反応の化学量論量の１．
５倍の流速を有する純粋な水素を供給すること ●カソード隔室（正）に、絶対圧４０００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、精製合成空気を供給する
こと ●平均電池温度：７０℃ ●合計電流密度：８０００アンペア/m2活性面積 ●合計運転時間：４００時間
件は、以下の通りである： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．０６mmを有するNafionR 112 ●電極： −Solution Technology, USAより商品名Nafion Solutio
n 5の下に市販されている、膜と同一のポリマーよりな
る水−アルコール懸濁液 −白金担持炭素を基体とする電気触媒粉末 −Du Pont de Nemours, USAより市販されているTeflon
30 NRの水性懸濁液を含有するインキより得られる薄膜 かくして得られたペイント（インキ）は、白金荷重２g/
m2を得るまで膜の２つの側に直接はけ塗りした。 ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝備えたフレ
ームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemour
s, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板 ●アノード隔室（負）に、絶対圧３５００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、反応の化学量論量の１．
５倍の流速を有する純粋な水素を供給すること ●カソード隔室（正）に、絶対圧４０００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、精製合成空気を供給する
こと ●平均電池温度：７０℃ ●合計電流密度：８０００アンペア/m2活性面積 ●合計運転時間：４００時間
【００２８】各電池は、以下の別個の構成部分を備えて
いた： Ａ．平均孔径約０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５
０−５０クロム−ニッケル合金製の図２に示した網状三
次元材料製のガス分配器。このタイプの材料は、金属発
泡体の商品名の下に、種々の供給元より市販されてお
り、入手可能である。 Ｂ．合計厚さ１．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールシート製のガス分配器 Ｃ．２つの平坦な板の間に圧力を加えることによって先
に圧潰し、孔の平均径約０．１mmを有する多孔質シート
厚さ０．３mmを得た、Ａのガス分配器と同一材料製の集
電装置 Ｄ．径０．１５mm、合計厚さ約０．３mmを有するワイヤ
ーより得られるAISI 316-Lステンレススチール製の薄い
ゲージからなる集電装置 Ｅ．合計厚さ０．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールエキスパンデッドシートからな
る集電装置 Ｆ．径０．１５mmを有するワイヤーを編成することによ
って得られる、合計厚さ０．３mmを有する平坦なAISI 3
04ステンレススチールメッシュからなる集電装置 単一の電池についての平均電池電圧は、ミリボルトで表
し、表１に報告する。
いた： Ａ．平均孔径約０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５
０−５０クロム−ニッケル合金製の図２に示した網状三
次元材料製のガス分配器。このタイプの材料は、金属発
泡体の商品名の下に、種々の供給元より市販されてお
り、入手可能である。 Ｂ．合計厚さ１．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールシート製のガス分配器 Ｃ．２つの平坦な板の間に圧力を加えることによって先
に圧潰し、孔の平均径約０．１mmを有する多孔質シート
厚さ０．３mmを得た、Ａのガス分配器と同一材料製の集
電装置 Ｄ．径０．１５mm、合計厚さ約０．３mmを有するワイヤ
ーより得られるAISI 316-Lステンレススチール製の薄い
ゲージからなる集電装置 Ｅ．合計厚さ０．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールエキスパンデッドシートからな
る集電装置 Ｆ．径０．１５mmを有するワイヤーを編成することによ
って得られる、合計厚さ０．３mmを有する平坦なAISI 3
04ステンレススチールメッシュからなる集電装置 単一の電池についての平均電池電圧は、ミリボルトで表
し、表１に報告する。
【００２９】
【表１】
【００３０】実施例 ２ 各々が、１対の双極板（図４における参照符号１）、１
対のガス分配器（２）、１対の集電装置（３）、ガス状
の反応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を排出す
るための溝を備えた１対のガスケット（４）、１対のガ
ス拡散電極（５）、イオン交換膜（６）を含む６個の燃
料電池を電気的に直列に接続した。１対の双極板
（１）、網状集電装置（３）（金属発泡体）、ガス状の
反応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を排出する
ための溝を備えた１対のガスケット（４）、１対のガス
拡散電極（５）、イオン交換膜（６）を含むもう１つの
燃料電池を第１の６個の電池に電気的に直列に接続し
た。全ての電池を図４の組み立てスキームに従いスタッ
クに組み立て、両端に２つの端板（７）を配し、発生し
た電流を取り出す外部回路に接続した。
対のガス分配器（２）、１対の集電装置（３）、ガス状
の反応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を排出す
るための溝を備えた１対のガスケット（４）、１対のガ
ス拡散電極（５）、イオン交換膜（６）を含む６個の燃
料電池を電気的に直列に接続した。１対の双極板
（１）、網状集電装置（３）（金属発泡体）、ガス状の
反応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を排出する
ための溝を備えた１対のガスケット（４）、１対のガス
拡散電極（５）、イオン交換膜（６）を含むもう１つの
燃料電池を第１の６個の電池に電気的に直列に接続し
た。全ての電池を図４の組み立てスキームに従いスタッ
クに組み立て、両端に２つの端板（７）を配し、発生し
た電流を取り出す外部回路に接続した。
【００３１】試験の間一定に保たれるおおよその操作条
件は、以下の通りである： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．１５mmを有するNafionR 115 ●電極：Ｅ−ＴＥＫ，ＵＳＡにより商標ＥＬＡＴTMの下
に供給されている、厚さ０．５mmおよび白金荷重１０g/
m2を有する、膜と接触する側を活性炭に担持された電気
触媒粒子を含有するフィルムで被覆された可撓性のカー
ボン布。活性化された表面は、続いて、Solution Techn
ology, USAにより商品名“Nafion Solution 5”の下に
市販されているポリマーを含有する懸濁液を噴霧するこ
とによって、膜のそれと類似のポリマーで被覆した。電
極は、スタックを組み立てる前に、膜に加熱プレスしな
かった。 ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備えたフ
レームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemou
rs, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板 ●アノード隔室（負）に、絶対圧３５００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、反応の化学量論量より
１．５倍速い流速で純粋な水素を供給すること ●カソード隔室（正）に、絶対圧４０００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、精製合成空気を供給する
こと ●平均電池温度：７０℃ ●合計電流密度：８０００アンペア/m2活性面積 ●合計運転時間：４００時間
件は、以下の通りである： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．１５mmを有するNafionR 115 ●電極：Ｅ−ＴＥＫ，ＵＳＡにより商標ＥＬＡＴTMの下
に供給されている、厚さ０．５mmおよび白金荷重１０g/
m2を有する、膜と接触する側を活性炭に担持された電気
触媒粒子を含有するフィルムで被覆された可撓性のカー
ボン布。活性化された表面は、続いて、Solution Techn
ology, USAにより商品名“Nafion Solution 5”の下に
市販されているポリマーを含有する懸濁液を噴霧するこ
とによって、膜のそれと類似のポリマーで被覆した。電
極は、スタックを組み立てる前に、膜に加熱プレスしな
かった。 ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備えたフ
レームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemou
rs, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板 ●アノード隔室（負）に、絶対圧３５００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、反応の化学量論量より
１．５倍速い流速で純粋な水素を供給すること ●カソード隔室（正）に、絶対圧４０００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、精製合成空気を供給する
こと ●平均電池温度：７０℃ ●合計電流密度：８０００アンペア/m2活性面積 ●合計運転時間：４００時間
【００３２】第１の６個の電池は、以下の別個の構成部
分を備えていた： Ａ．平均孔径約０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５
０−５０クロム−ニッケル合金製の図２に示した網状三
次元材料製のガス分配器。このタイプの材料は、金属発
泡体の商品名の下に種々の供給元より市販されており、
入手可能である。 Ｂ．合計厚さ１．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールシート製のガス分配器 Ｃ．２つの平坦な板の間に圧力を加えることによって先
に圧潰し、孔の平均径約０．１mmを有する多孔質シート
厚さ０．３mmを得た、Ａのガス分配器と同一材料製の集
電装置 Ｄ．径０．１５mm、合計厚さ約０．３mmを有するワイヤ
ーより得られるAISI 316-Lステンレススチール製の薄い
ゲージからなる集電装置 Ｅ．合計厚さ０．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールエキスパンデッドシートからな
る集電装置 Ｆ．径０．１５mmを有するワイヤーを編成することによ
って得られる、合計厚さ０．３mmを有する平坦なAISI 3
04ステンレススチールメッシュからなる集電装置第７番
目の電池は、Ａと類似であるが厚さ１．６mmを有するＧ
を備えており、ガス分配器として機能し、それと同時
に、集電装置として、電極に直接接触する。単一の電池
についての平均電池電圧は、ミリボルトで表し、表２に
報告する。
分を備えていた： Ａ．平均孔径約０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５
０−５０クロム−ニッケル合金製の図２に示した網状三
次元材料製のガス分配器。このタイプの材料は、金属発
泡体の商品名の下に種々の供給元より市販されており、
入手可能である。 Ｂ．合計厚さ１．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールシート製のガス分配器 Ｃ．２つの平坦な板の間に圧力を加えることによって先
に圧潰し、孔の平均径約０．１mmを有する多孔質シート
厚さ０．３mmを得た、Ａのガス分配器と同一材料製の集
電装置 Ｄ．径０．１５mm、合計厚さ約０．３mmを有するワイヤ
ーより得られるAISI 316-Lステンレススチール製の薄い
ゲージからなる集電装置 Ｅ．合計厚さ０．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールエキスパンデッドシートからな
る集電装置 Ｆ．径０．１５mmを有するワイヤーを編成することによ
って得られる、合計厚さ０．３mmを有する平坦なAISI 3
04ステンレススチールメッシュからなる集電装置第７番
目の電池は、Ａと類似であるが厚さ１．６mmを有するＧ
を備えており、ガス分配器として機能し、それと同時
に、集電装置として、電極に直接接触する。単一の電池
についての平均電池電圧は、ミリボルトで表し、表２に
報告する。
【００３３】
【表２】
【００３４】実施例 ３ 各々が、１対の双極板（図４の符号１）、平均孔径約
０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５０−５０ニッケ
ル−クロム合金製の図２の網状三次元材料からなる１対
のガス分配器（２）、平均孔径約０．１mmを有する厚さ
０．３mmの多孔質シートを得るために、２つの平坦な板
間に圧力を加えることによって先に圧潰した図３におけ
ると同一の材料製の１対の集電装置（３）、ガス状の反
応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を排出するた
めの溝を備えた１対のガスケット（４）、１対のガス拡
散電極（５）、イオン交換膜（６）を含む３個の燃料電
池（Ｘタイプと定義する）を電気的に直列に接続した。
０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５０−５０ニッケ
ル−クロム合金製の図２の網状三次元材料からなる１対
のガス分配器（２）、平均孔径約０．１mmを有する厚さ
０．３mmの多孔質シートを得るために、２つの平坦な板
間に圧力を加えることによって先に圧潰した図３におけ
ると同一の材料製の１対の集電装置（３）、ガス状の反
応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を排出するた
めの溝を備えた１対のガスケット（４）、１対のガス拡
散電極（５）、イオン交換膜（６）を含む３個の燃料電
池（Ｘタイプと定義する）を電気的に直列に接続した。
【００３５】１対の双極板（１）、平均孔径約０．２mm
および厚さ１．６mmを有する５０−５０クロム−ニッケ
ル合金製の図２の網状三次元材料からなる図２の素子、
ガス状の反応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を
排出するための溝を備えた１対のガスケット（４）、１
対のガス拡散電極（５）、イオン交換膜（６）を含む３
個の追加の燃料電池（Ｙタイプと定義する）を第１の３
個の電池に直列に接続した。
および厚さ１．６mmを有する５０−５０クロム−ニッケ
ル合金製の図２の網状三次元材料からなる図２の素子、
ガス状の反応体を供給し、過剰の反応体および縮合物を
排出するための溝を備えた１対のガスケット（４）、１
対のガス拡散電極（５）、イオン交換膜（６）を含む３
個の追加の燃料電池（Ｙタイプと定義する）を第１の３
個の電池に直列に接続した。
【００３６】６個の燃料電池は、図４の組み立てスキー
ムに従いスタックに組み立て、２つの端板（７）を両端
に配し、電流を取り出すための外部回路に接続した。
ムに従いスタックに組み立て、２つの端板（７）を両端
に配し、電流を取り出すための外部回路に接続した。
【００３７】以下のパラメータを一定に保った： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．０６mmを有するNafionR 112 ●電極： −Solution Technology, USAより商品名Nafion Solutio
n 5の下に市販されている、膜と同一のポリマーよりな
る水−アルコール懸濁液 −白金担持炭素を基体とする電気触媒粉末 −Du Pont de Nemours, USAより市販されているTeflon
30 NRの水性懸濁液を含有するインキより得られる薄膜 かくして得られたインキは、白金荷重２g/m2を得るまで
膜の２つの側に直接はけ塗りした ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備えたフ
レームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemou
rs, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．０６mmを有するNafionR 112 ●電極： −Solution Technology, USAより商品名Nafion Solutio
n 5の下に市販されている、膜と同一のポリマーよりな
る水−アルコール懸濁液 −白金担持炭素を基体とする電気触媒粉末 −Du Pont de Nemours, USAより市販されているTeflon
30 NRの水性懸濁液を含有するインキより得られる薄膜 かくして得られたインキは、白金荷重２g/m2を得るまで
膜の２つの側に直接はけ塗りした ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備えたフ
レームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemou
rs, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板
【００３８】スタックを始動させる前に、アノード隔室
を窒素で相対圧力５００００Paに加圧して漏れ試験を行
った；目視可能なガス泡立ちがカソード隔室の出口のウ
オーターヘッド(water head）で観測され、２つの隔室
間の物理的仕切りとして機能する素子である少なくとも
１つの膜（６）の破壊を示唆した。
を窒素で相対圧力５００００Paに加圧して漏れ試験を行
った；目視可能なガス泡立ちがカソード隔室の出口のウ
オーターヘッド(water head）で観測され、２つの隔室
間の物理的仕切りとして機能する素子である少なくとも
１つの膜（６）の破壊を示唆した。
【００３９】燃料電池スタックを分解し、膜が仕切りと
して機能する、水圧緊密システムの内部の水平位置で水
に浸漬し、膜の底部を窒素で加圧するすることによっ
て、各々の膜を漏れ試験に賦した。
して機能する、水圧緊密システムの内部の水平位置で水
に浸漬し、膜の底部を窒素で加圧するすることによっ
て、各々の膜を漏れ試験に賦した。
【００４０】その結果は、以下の通りである： −Ｘタイプの電池に収容された３つの膜を介する漏れは
観測されず、 −実質的な漏れは、Ｙタイプの電池に先に組み立てられ
た３つの膜において生じ、全面にわたって小さなピンホ
ールの形の損傷を有する。
観測されず、 −実質的な漏れは、Ｙタイプの電池に先に組み立てられ
た３つの膜において生じ、全面にわたって小さなピンホ
ールの形の損傷を有する。
【００４１】上記実施例は、高効率である場合には、電
極よりの電流の取り出しと、膜電気化学電池のガス隔室
内部への反応体の分配との２つの機能の間の分離が絶対
に必要であり、かくして、極めて薄い電極および膜が使
用されるべきであることを示す。上記集電装置（実施例
１において、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆとして特定した）は、ガス
分配器（ＡおよびＢとして特定した）と組み合わせた場
合、膜を孔より保護するのに最適である。
極よりの電流の取り出しと、膜電気化学電池のガス隔室
内部への反応体の分配との２つの機能の間の分離が絶対
に必要であり、かくして、極めて薄い電極および膜が使
用されるべきであることを示す。上記集電装置（実施例
１において、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆとして特定した）は、ガス
分配器（ＡおよびＢとして特定した）と組み合わせた場
合、膜を孔より保護するのに最適である。
【００４２】しかし、抵抗率に関しては、ＣおよびＤと
して特定した集電装置が、抵抗率負荷(resistivity pen
alties)によってマイナスの影響を受ける非金属材料製
である電極面上の平均的により短い電流系統路を特徴と
する電気接点のより良好な分布により、ＥおよびＦに勝
り著しい利点を提供する。
して特定した集電装置が、抵抗率負荷(resistivity pen
alties)によってマイナスの影響を受ける非金属材料製
である電極面上の平均的により短い電流系統路を特徴と
する電気接点のより良好な分布により、ＥおよびＦに勝
り著しい利点を提供する。
【００４３】これは、また、集電装置ＣおよびＤを従来
の膜および電極を有する実施例２に示したような集電装
置および分配器の両方として機能する図２の素子と比較
する場合に当てはまる。
の膜および電極を有する実施例２に示したような集電装
置および分配器の両方として機能する図２の素子と比較
する場合に当てはまる。
【００４４】表面全体に均一、かつ、統計学的分布を有
する鋭い山との接触は、なお、アルミニウム双極板上の
ガス分配器によって提供され、実質的により低い抵抗率
を有するこれら負荷によっては影響を受けず、その上
に、その表面に自然に形成された不動態酸化物層を局所
的に破壊するのに十分な圧力を加えることがさらに必要
である。
する鋭い山との接触は、なお、アルミニウム双極板上の
ガス分配器によって提供され、実質的により低い抵抗率
を有するこれら負荷によっては影響を受けず、その上
に、その表面に自然に形成された不動態酸化物層を局所
的に破壊するのに十分な圧力を加えることがさらに必要
である。
【００４５】実施例 ４ 電気的に直列に接続した４個の燃料電池を図４に示した
スキームに従いスタックに組み立てた。１対の双極板
（図４における参照符号１）、１対のガス分配器
（２）、１対の集電装置（３）、ガス状の反応体を供給
し、過剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備
えた１対のガスケット（４）、１対のガス拡散電極
（５）、イオン交換膜（６）および２つの端板（７）を
含む各電池を発生した電流を取り出すための外部回路に
接続した。
スキームに従いスタックに組み立てた。１対の双極板
（図４における参照符号１）、１対のガス分配器
（２）、１対の集電装置（３）、ガス状の反応体を供給
し、過剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備
えた１対のガスケット（４）、１対のガス拡散電極
（５）、イオン交換膜（６）および２つの端板（７）を
含む各電池を発生した電流を取り出すための外部回路に
接続した。
【００４６】試験の間一定に保たれるおおよその操作条
件は、以下の通りである： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．０６mmを有するNafionR 112 ●集電装置：図３に示したような圧潰したニッケル−ク
ロム発泡体 ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備えたフ
レームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemou
rs, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板 ●アノード隔室（負）に、絶対圧３５００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、反応の化学量論量の１．
５倍の流速を有する純粋な水素を供給すること ●カソード隔室（正）に、絶対圧４０００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、精製合成空気を供給する
こと ●平均電池温度：７０℃ ●合計電流密度：８０００アンペア/m2活性面積 ●合計運転時間：９００時間
件は、以下の通りである： ●電極、ガス分配器および集電装置の寸法：２０cm×２
０cm ●膜：Du Pont de Nemours, USAより供給されている、
厚さ約０．０６mmを有するNafionR 112 ●集電装置：図３に示したような圧潰したニッケル−ク
ロム発泡体 ●膜の活性面積：２０cm×２０cm ●内部寸法２０cm×２０cmおよび外部寸法２５cm×２５
cm、厚さ１．６mmを有し、ガス状の反応体を供給し、過
剰の反応体および縮合物を排出するための溝を備えたフ
レームの形のガスケット。構成材料：Du Pont de Nemou
rs, USAより市販されているHytrelR ●外部寸法３０cm×３０cmと、厚さ５mmの市販のシート
を造形することによって得られる強制空気で冷却するた
めのフィンとを有するAnticorodal 100 TA 16(イタリア
共和国標準）アルミニウム合金製の双極板 ●アノード隔室（負）に、絶対圧３５００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、反応の化学量論量の１．
５倍の流速を有する純粋な水素を供給すること ●カソード隔室（正）に、絶対圧４０００００Pa、外部
容器中８０℃で予備湿潤した、精製合成空気を供給する
こと ●平均電池温度：７０℃ ●合計電流密度：８０００アンペア/m2活性面積 ●合計運転時間：９００時間
【００４７】各電池は、以下の別個の構成部分を備えて
いた： Ａ．平均孔径約０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５
０クロム−５０ニッケル合金製の図２に示した網状三次
元材料からなるガス分配器。このタイプの材料は、金属
発泡体の商品名の下に種々の供給元より市販されてお
り、入手可能である。 Ｂ．合計厚さ１．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールシート製のガス分配器 Ｈ．−Solution Technology, USAより商品名Nafion Sol
ution 5の下に市販されている膜と同一のポリマーより
なる水−アルコール懸濁液 −白金担持炭素を基体とする電気触媒粉末 −Du Pont de Nemours, USAより市販されているTeflon
30 NRの水性懸濁液を含有するインキより得られる薄膜
の形の電極 かくして得られたインキは、超音波によって一部凝固さ
せ、白金荷重２g/m2を得るまでアノードおよびカソード
の集電装置の１つの側にへらによって適用した。 Ｊ．Ｅ−ＴＥＫ，ＵＳＡにより商標ＥＬＡＴTMの下に供
給されている、厚さ０．５mmおよび白金荷重１０g/m2を
有する、膜と接触する側を活性炭に担持された電気触媒
粒子を含有するフィルムによって被覆された可撓性のカ
ーボン布より得られる電極。活性化された表面は、続い
て、Solution Technology, USAにより商品名“Nafion S
olution 5”の下に市販されているポリマーを含有する
懸濁液を噴霧することによって、膜のそれと類似のポリ
マーで被覆した。単一の電池についての平均電池電圧
は、ミリボルトで表し、表３に報告する。
いた： Ａ．平均孔径約０．２mmおよび厚さ１．３mmを有する５
０クロム−５０ニッケル合金製の図２に示した網状三次
元材料からなるガス分配器。このタイプの材料は、金属
発泡体の商品名の下に種々の供給元より市販されてお
り、入手可能である。 Ｂ．合計厚さ１．３mmを有する平坦化されていないAISI
304ステンレススチールシート製のガス分配器 Ｈ．−Solution Technology, USAより商品名Nafion Sol
ution 5の下に市販されている膜と同一のポリマーより
なる水−アルコール懸濁液 −白金担持炭素を基体とする電気触媒粉末 −Du Pont de Nemours, USAより市販されているTeflon
30 NRの水性懸濁液を含有するインキより得られる薄膜
の形の電極 かくして得られたインキは、超音波によって一部凝固さ
せ、白金荷重２g/m2を得るまでアノードおよびカソード
の集電装置の１つの側にへらによって適用した。 Ｊ．Ｅ−ＴＥＫ，ＵＳＡにより商標ＥＬＡＴTMの下に供
給されている、厚さ０．５mmおよび白金荷重１０g/m2を
有する、膜と接触する側を活性炭に担持された電気触媒
粒子を含有するフィルムによって被覆された可撓性のカ
ーボン布より得られる電極。活性化された表面は、続い
て、Solution Technology, USAにより商品名“Nafion S
olution 5”の下に市販されているポリマーを含有する
懸濁液を噴霧することによって、膜のそれと類似のポリ
マーで被覆した。単一の電池についての平均電池電圧
は、ミリボルトで表し、表３に報告する。
【００４８】
【表３】
【図１】本発明の電気化学電池の概略図である。
【図２】金属スポンジとして特定され、圧潰されていな
い、ガス分配器として使用される網状材料の拡大写真で
ある。
い、ガス分配器として使用される網状材料の拡大写真で
ある。
【図３】集電装置として使用した三次元セルの完全な圧
潰の際の同材料の拡大写真である。
潰の際の同材料の拡大写真である。
【図４】本発明の燃料電池スタックの概略図である。
１ 双極板 ２ ガス分配器 ３ 集電装置 ４ ガスケットフレーム ５ ガス拡散電極 ６ イオン交換膜 ７ 端板
フロントページの続き (71)出願人 597007765 Ｖｉａ Ｂｉｓｔｏｌｆｉ 35 − 20134 Ｍｉｌａｎ Ｉｔａｌｙ (72)発明者 マシーモ・ブラムビラ イタリア共和国ミラノ 20060，ビュセロ, ビア・ピアブ ８
Claims (15)
- 【請求項１】 ２つの端板（７）、金属または金属合金
製の双極板（１）、ガス流透過性の金属分配器（２）、
金属集電装置（３）、ガス状の反応体を供給し、過剰の
反応体と縮合物とを排出するための溝を備えたガスケッ
トフレーム（４）、２つのガス拡散電極（５）およびイ
オン交換膜（６）を含む電気化学電池において、 前記集電装置（３）が、山および突出部のない、多孔質
で、ガス流透過性の高度に分配され、セグメント化され
た接触面を有することを特徴とする電池。 - 【請求項２】 前記電池が、アノード隔室（陰極）に水
素を含有する反応体を、カソード隔室（陽極）に空気を
含有するオキシダントを供給される燃料電池である、請
求項１に記載の電池。 - 【請求項３】 前記集電装置（３）の少なくとも１つ
が、多孔度少なくとも５０％を有する網状三次元材料製
であり、その金属繊維の径が、０．１〜１mmを占め、そ
のセルが、生成物が残留変形能を有しないように、２つ
の平坦板の間に圧力を加えた後、完全に圧潰されてい
る、請求項１に記載の電池。 - 【請求項４】 前記集電装置（３）の少なくとも１つ
が、最終厚さ０．１〜０．５mmを占める、請求項１に記
載の電池。 - 【請求項５】 前記集電装置（３）の少なくとも１つ
が、ステンレススチール、高合金スチール、ニッケル、
ニッケル−クロム、導電性の酸化物類で被覆されたチタ
ン、金を含む群において選択される導電性で、かつ、耐
蝕性の材料製である、請求項１に記載の電池。 - 【請求項６】 前記集電装置（３）の少なくとも１つが
金網製である、請求項１に記載の電池。 - 【請求項７】 前記金網が、厚さ０．１〜０．３mmを占
め、多孔度５０％以上を有し、本質的に平坦である、請
求項６に記載の電池。 - 【請求項８】 前記金属分配器（２）の少なくとも１つ
が、多孔度少なくとも５０％を有する網状三次元材料製
であり、金属繊維の径が、０．１〜１mmを占め、電池の
締付の際に圧縮された後、残留変形能および弾性を有
し、前記分配器が、限られた面積内に多数の接触点を備
えた表面を有する、請求項３、請求項４、請求項５、請
求項６または請求項７に記載の電池。 - 【請求項９】 前記分配器（２）が、ステンレススチー
ル、高合金スチール、ニッケルおよびその合金、銅およ
びその合金を含む群において選択される、導電性で、か
つ、耐蝕性の材料製である、請求項１に記載の電池。 - 【請求項１０】 前記分配器（２）の少なくとも１つ
が、対角線１〜１０mm、厚さ１〜５mmの開口を有するメ
ッシュまたは平坦化されていないエキスパンデッドシー
トからなる、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６
または請求項７に記載の電池。 - 【請求項１１】 イオン交換膜（６）が、厚さ０．１mm
以下を有する、請求項１〜請求項１０に記載の電池。 - 【請求項１２】 ガス拡散電極（５）が、厚さ０．０３
mm以下を有する、請求項１〜請求項１１に記載の電池。 - 【請求項１３】 ガス拡散電極（５）が、前記集電装置
（３）に直接析出させた触媒塗膜製である、請求項３に
記載の電池。 - 【請求項１４】 電池の少なくとも１つが、請求項１〜
請求項１３の電池であることを特徴とする、電気的に直
列に接続された多数の電気化学電池。 - 【請求項１５】 ２つの完全に平坦な板の間に三次元網
状材料を位置決めし、前記板にその三次元網状材料を完
全に圧潰するまで垂直圧を加え、残留変形能を取り除く
ことを含む、請求項３に記載の集電装置を製造するため
の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT96MI001293A IT1284072B1 (it) | 1996-06-26 | 1996-06-26 | Cella elettrochimica a membrana provvista di elettrodi a diffusione gassosa contattati da portacorrente metallici lisci e porosi a |
| IT96/A001293 | 1996-06-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1055805A true JPH1055805A (ja) | 1998-02-24 |
| JP4550948B2 JP4550948B2 (ja) | 2010-09-22 |
Family
ID=11374481
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16996997A Expired - Lifetime JP4550948B2 (ja) | 1996-06-26 | 1997-06-26 | 高度に分配された接触面を有する多孔質平坦金属電流導体と接触するガス拡散電極を備えた膜電気化学電池 |
Country Status (21)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6022634A (ja) |
| EP (1) | EP0817297B1 (ja) |
| JP (1) | JP4550948B2 (ja) |
| KR (1) | KR100463277B1 (ja) |
| AR (1) | AR007620A1 (ja) |
| AU (1) | AU725060B2 (ja) |
| BR (1) | BR9703725A (ja) |
| CA (1) | CA2207425A1 (ja) |
| CZ (1) | CZ199897A3 (ja) |
| DE (1) | DE69716351T2 (ja) |
| DK (1) | DK0817297T3 (ja) |
| ES (1) | ES2184928T3 (ja) |
| ID (1) | ID17514A (ja) |
| IN (1) | IN192435B (ja) |
| IT (1) | IT1284072B1 (ja) |
| MX (1) | MX9704782A (ja) |
| NO (1) | NO972774L (ja) |
| RU (1) | RU97111178A (ja) |
| SG (1) | SG63718A1 (ja) |
| SK (1) | SK87097A3 (ja) |
| TR (1) | TR199700540A2 (ja) |
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| JP2002542591A (ja) * | 1999-04-21 | 2002-12-10 | ヌベラ・フュエル・セルズ・ヨーロッパ・ソチエタ・ア・レスポンサビリタ・リミタータ | 液体水の直接的噴射に基づく冷却装置を備える燃料電池 |
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| JP2005158324A (ja) * | 2003-11-21 | 2005-06-16 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| WO2007069404A1 (ja) * | 2005-12-16 | 2007-06-21 | Kabushiki Kaisha Equos Research | 燃料電池用電極、燃料電池のセル及び燃料電池のスタック |
| JP2008243403A (ja) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池セル及び燃料電池スタック |
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| JP2010061992A (ja) * | 2008-09-03 | 2010-03-18 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2015529379A (ja) * | 2012-08-17 | 2015-10-05 | ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド | 電気化学セルで使用するためのバイポーラプレートの設計 |
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|---|---|---|---|---|
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| US6376113B1 (en) * | 1998-11-12 | 2002-04-23 | Idatech, Llc | Integrated fuel cell system |
| US6146780A (en) * | 1997-01-24 | 2000-11-14 | Lynntech, Inc. | Bipolar separator plates for electrochemical cell stacks |
| US6232010B1 (en) * | 1999-05-08 | 2001-05-15 | Lynn Tech Power Systems, Ltd. | Unitized barrier and flow control device for electrochemical reactors |
| DE19815796C2 (de) | 1998-04-08 | 2000-06-08 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Brennstoffzellenstapel mit einer eine poröse Wand aufweisenden bipolaren Platte |
| JP2000164225A (ja) * | 1998-11-25 | 2000-06-16 | Toshiba Corp | 固体高分子電解質型燃料電池のセパレータおよびその製造方法 |
| US6602631B1 (en) | 1999-01-26 | 2003-08-05 | Lynntech Power Systems, Ltd. | Bonding electrochemical cell components |
| US6284401B1 (en) * | 1999-04-19 | 2001-09-04 | George A. Marchetti | Thin graphite bipolar plate with associated gaskets and carbon cloth flow-field for use in an ionomer membrane fuel cell |
| US6503654B2 (en) * | 1999-05-19 | 2003-01-07 | George A. Marchetti | Thin graphite bipolar plate with associated gaskets and carbon cloth flow-field for use in an ionomer membrane fuel cell |
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