JPH11102721A - 周辺冷却装置を備えたイオン交換膜燃料電池 - Google Patents

周辺冷却装置を備えたイオン交換膜燃料電池

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JPH11102721A
JPH11102721A JP10220181A JP22018198A JPH11102721A JP H11102721 A JPH11102721 A JP H11102721A JP 10220181 A JP10220181 A JP 10220181A JP 22018198 A JP22018198 A JP 22018198A JP H11102721 A JPH11102721 A JP H11102721A
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マッシモ・ブラムビラ
Valerio Ceruti
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De Nora SpA
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン交換膜燃料電池に使用できるきわめて
低いコストで高速生産に適した２極板構造を得ること。 【解決手段】 イオン交換膜燃料電池は、複数の単位電
池からなる。各単位電池は、２つの２極板と、膜と、そ
の膜に密接する２つの電極と、２つの導体集電器と、２
つのガスケットとを有している。２極板は、ガスケット
の横窓をかいして流れる冷却媒体によってのみ周辺にそ
って冷却される。２極板の材料は、高熱伝導度を有して
いることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、周辺冷却装置を備
えたイオン交換膜燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】プロトン交換膜燃料電池（以下、ＰＥＭ
ＦＣという。）は、化学エネルギを電気エネルギに直接
変換するための最も単純で静的な装置のうちの１つであ
る。中間の熱工程が必要とされないので、エネルギ効率
は、供給燃料の低加熱値に関して言えば、特に６０％ま
での高さになる。燃料は純粋水素または不活性成分によ
って稀釈された水素であり、オキシダントは空気、濃縮
空気、または純粋酸素でもよく、動作温度は約７０−８
０℃である。
【０００３】他の形体の燃料電池については、燐酸、溶
融炭酸塩、または固体酸化物燃料電池のようなものがあ
り、ＰＥＭＦＣは下記の利点を提供する。
【０００４】о 高電流密度で、高表面電力密度（７ｋ
ｗ／ｍ2以下）を生じること。 о 可能な高容積重量密度（０．３÷０．５ｋｗ／ｋｇ
またはｌ） о 陰極と陽極との間の圧力不平衡に対する許容 о 低温での迅速始動（０℃およびそれ以下） о 鋭い遷移に対する適応性 これらの特徴は、高温加熱が必要とされないとき、連続
したユニットで遠隔無付属電力発電および共同発電のよ
うな電気運送および静止用途のための好ましい選択をＰ
ＥＭＦＣに与える。
【０００５】水素は、ＰＥＭＦＣに受け入れられるべき
唯一の燃料であり、異なる源から派生してもよい。
【０００６】通常、水素は、光輝焼鈍用スチール・ミル
のような水素を使用するプラントにおいてばかりではな
く、電解プラント、代表的にはクロルアルカリまたは塩
素酸塩プラント、および商業ガス製造ユニットにおい
て、副産物としてまたは廃ガスとして容易に確保でき
る。常態では、この水素はボイラで燃焼されるか、また
は大気中に排出されている。わずかな場合においての
み、還元工程において高価値化学剤として用いられる。
【０００７】純粋および稀釈の種々の程度の水素は、蒸
気再生、熱、または触媒反応部分酸化ユニットにおい
て、炭化水素およびアルコールのような種々の材料の変
換によって得られる。この場合、生成水素は二酸化炭素
によって稀釈され、また、それは硫化水素及び／又は一
酸化炭素のような不純物を含有していることもある。類
似の流れは、精製機において残ガスとしても得られる。
【０００８】ＰＥＭＦＣの利点は下記のようにいくつか
の欠点の対抗となる。
【０００９】о 上述した低動作温度、すなわち、６０
−８０℃。この温度は、ＰＥＭＦＣに電気および熱エネ
ルギの共同発電を伴う大型用途に対してかろうじて利点
をもたらす。 о 低動作温度のために一酸化炭素のような不純物によ
る触媒作用の有害化。 その結果、ＰＥＭＦＣに供給されるべき水素含有流が、
例えば不純レベルをｐｐｍ範囲にまで減少させるように
向けられた選択的触媒作用によって、または不純物の物
理的分離によって、例えば、パラジウム膜または圧力変
動吸収装置（ＰＳＡ）等によって予め前処理されなけれ
ばならない。この要求は、ＰＥＭＦＣが共同されず、し
たがって投資費用となる装置の複雑性を増すことにな
る。
【００１０】従来の単位電池の代表的構造が図１に示さ
れている。この単位電池は、２極板１７、イオン交換膜
２２、電極２０，２１（通常は、組立前に加熱および加
圧によって膜に接着される。このようにして得られた組
立体は膜電極組立体（ＭＥＡ）として市場に知られてい
る。）、周辺密封を与えるガスケット１８、水素および
酸素をＭＥＡに均質に分配しかつ動作中に小滴の形体で
形成される水を噴射することを保証するように向けられ
た選択的に疎水性の多孔導体積層物からなるガス拡散器
２３（集電器ともいう。）、動作中に発生された熱を除
去するのに要する通常液体状の冷却媒体を供給、回収
し、かつ水素の加熱値の約４０％にも達するようなチャ
ネル２４とからなる。
【００１１】図１に示すような複数の単位電池は、必要
な電力を供給できる積層体を形成するように一体に組み
付けられる。
【００１２】装置の良好な効率は、最小化されるべき種
々の界面において集中された抵抗降下のために、電力損
失を必要とする。これは、端板および張棒によって適当
な締付け圧力に積層体を保持することによって達成され
る。この圧力は、通常１０−２０ｋｇ／ｃｍ2である。
【００１３】すべての市場分析家は、市場に受け入れら
れるＰＥＭＦＣ装置としては、エア・コンプレッサ、水
素源、圧力、流量、温度制御器、中央処理ユニットのよ
うな必要な補助設備を備えた膜燃料電池は、ｋＷ電力当
り５００−１０００ＵＳドルの範囲の価額で提供されな
ければならないと述べている。これらの価額は、大量自
動生産、例えば少なくとも年１千基の場合に、達成され
うる。その結果、ＰＥＭＦＣのすべての要素は、幾何学
的形体および構造材料に関して適切に設計されなければ
ならない。
【００１４】図１に示す２極板は、低費用生産の要求に
合致していないことは容易に理解されるであろう。事
実、構造内の冷却媒体用のチャネルの存在が構造を複雑
化させている。チャネルをつくるために要する機械加工
は非常に遅くかつきわめて高価である。一方、適当なポ
リマまたは金属合金の鋳造は確かに費用の点でより有効
ではあるが、主として要求される複雑な設備と、いぜん
として長い生産時間とのために受け入れられうる市場価
額にする費用目標を達成できない。
【００１５】別の変更例は、冷却流体循環に適した内部
空間を残すように一体に結合された２つの殻からなる２
極板である。この解決は、溶接、もしくはろう付けによ
って、または適当なガスケットによってつくられる周辺
密封を必要とする。さらに、良好な電気的連続性が、２
つの殻の表面間に多数の接触点によって保証されなけれ
ばならない。この記載から、たとい単純化されたとして
も、２つの殻の構造は低費用生産を満たすものとしては
考えられないことは明らかである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
非常に低い費用で高速生産に特に適し、イオン交換膜燃
料電池の使用に適した２極板を提供することによって、
従来の欠点を克服することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の２極板は、薄い
平らなシートからなる。そのシートには、水素および酸
素を含有するガスを供給しかつ排気ガスおよび生成水を
回収するに必要な穴を、冷却流体の出入口の外に設けら
れている。その流路はシートの４辺にそって、好ましく
は２つの対向辺にそって集中している。
【００１８】
【発明の実施の形態】図２−７を参照して、本発明の燃
料電池の実施例について説明する。
【００１９】図２を参照すれば、２極板１７は、水素を
含有するガスを供給する入口１と、排気ガスを排出する
出口２と、酸素を含有するガスを供給する入口３と、消
費されたガスを解放する出口４と、冷却流体を供給する
入口５と、冷却流体を解放する出口６とからなる。電極
−膜成形体によって占有される面積は破線で表されてい
る。中空空間１６は、張棒の通過を許すように設けられ
ている。図２に示す２極板１７は、適当な形状の工具を
用いて連続コイルから薄いシートを切断することによっ
て単独の工程でつくられてもよい。
【００２０】可能な構成材料として、技術文献および特
許文献は下記の変更例を示唆している。
【００２１】о 黒鉛 о 黒鉛−ポリマ組成物（ＵＳ４，３３９，３２２，Ｂ
ａｌｋｏ等） о フェーライトまたはオーステナイト系ステンレス鋼 о チタニウム о アルミニウムおよびその合金（ＵＳ ５,４８２,７
９２,Ｆａｉｔａ等） 自動切断工程を受けるためにストリップまたは薄いシー
トを得る可能性がないので、黒鉛はそのもろさのために
本発明の要求に合致しないことは明白である。黒鉛−ポ
リマ組成物は十分に強くなく、切断工程中にしばしば破
損する。以上のことから、自動生産に適した市場のポリ
マは、市場で入手可能であるが、その電導度があまりに
も低く、したがって電流によって生ずる抵抗降下は、そ
れが燃料電池の電流効率を不利にするので、受け入れが
たい。
【００２２】逆に、すべての金属材料は自動切断操作に
適し、良好な電導度を有し、本発明の２極板を製造する
ための潜在的候補として考えられうる。
【００２３】図３は、本発明の２極板に連結されるべき
ガスケット１８を示す。ガスケット１８は、水素を含有
するガスを各単位電池の陰極に分配し、かつ、排気ガス
を解放する関連した分配チャネル１３，１４および凸条
１９（破線）と、酸素含有ガスおよび消費されたガスの
両者の縦の流れをつくるために凸条１９（破線）を備え
た穴１０，１１と、外部への漏れを避けるために凸条
（破線）を備えた冷却流体の循環用窓１２と、電極およ
び膜（説明を簡単にするために図示されていない）を収
納しかつ外部へのガス気密を保証するために凸条を備え
ている内部中空空間１５とからなっている。
【００２４】図３に現されたガスケットは、縦軸に関し
て対称になっていることに注意されたい。これは、単に
１８０°回転するただけで酸素含有ガスの供給のために
同じガスケットを使用できるようにする。この場合、分
配チャネルをもつ穴８，９が酸素含有ガスを各単位電池
に供給しかつ消費されたガスを解放する働きをし、ま
た、穴１０，１１が水素含有ガスと排気ガスの縦の流れ
をつくる働きをする。
【００２５】電極は自由領域とまったく同じ寸法をして
いるけれども、膜はわずかに大きく、したがって、横ず
れせずに２つの隣接ガスケット間の密封が行われる。
【００２６】このことは、図４からもただちにわかるで
あろう。図４においては、図２，３の参照番号が同じ要
素を示すために用いられている。図４に示すように、酸
素および水素をそれぞれ含有するガスを供給される電極
２０，２１は、膜２２に直接接触している。単位電池の
種々の要素が一体に圧縮されたとき、縦のチャネルが形
成される。その縦のチャネルは、穴１，３と８，１０お
よび穴２，４と９，１１とを互いに重ね合せることによ
って供給ガスの流れを許し、かつ、排気ガスおよび生成
水の解放を許す。穴１，８と２，９とを互いに重ね合せ
ることによって形成された、酸素含有ガスの供給および
残留ガスの解放をするための縦のチャネルは分配器１
３，１４によって電極２０に接続される。他方、穴３，
１０と４，１１とを互いに重ね合せることによって形成
された、水素含有ガスの供給および残留ガスの解放をす
る縦のチャネルは類似の分配器によって電極２１に接続
される。
【００２７】冷却媒体は、穴５と窓１２とを連通するこ
とによって形成されたチャネルをかいして供給され、各
２極板１７のシートに接触する各窓１２によって画定さ
れた空間をかいして流れ、そして、穴６と窓１２とを互
いに重ね合せることによって形成されたチャネルをかい
して解放される。熱交換を増進させるために、特に冷却
流体が空気のような気体である場合に、出発シートから
２極板を切断するさいに、生産サイクルの経済性に影響
を及ぼさず、穴５と窓６との間の２極板１７のシートの
一部に凹凸またはフィンを設けることが有効であること
がわかった。
【００２８】適当な冷却流体は、低い粘性の半水または
有機液である。
【００２９】長時間安定した性能を維持するように燃料
電池に用いられるべき本発明の２極板を製造するために
適切な材料は、下記の表に示すように、非常に広い範囲
内で変りうる熱伝導度を考慮に入れて選択されなければ
ならない。
【００３０】２極板の自動生産に適した金属材料の熱伝
導度（Ｗ／ｍ℃）： オーステナイト系ステンレス鋼 １６ フェーライト系ステンレス鋼 ２６ チタニウム １７ アルミニウムおよびその合金 ２００ 通常、熱伝導度は、従来の２極板にとっては厳密なもの
ではない。実際に、熱はむしろ減少した厚みを通して板
壁に垂直に除去され、したがって限られた熱勾配で除去
される。逆に、熱伝導度は本発明の２極板の重要な因子
となる。この場合、冷却は周辺領域で起る。
【００３１】図５は、２極板の長さおよび厚みがそれぞ
れ２０ｃｍと０．２ｃｍで、電流密度が３５００Ａｍｐ
ｅｒｅ／ｍ2で、各単位電池の電圧が０．７Ｖ（消費水
素の低加熱値の４０％を除去される熱量に相当する）
で、冷却媒体の温度が５０℃であると仮定して、構成に
用いられる金属の熱伝導度の関数として、本発明の２極
板について算定された熱勾配を示す。
【００３２】１００℃を超えると、膜は電導度をひどく
低下させる脱水作用を容易に受けるので、２極板の中心
軸に対応して集中される最大温度に対応した最大勾配が
５０℃を超えることができない。
【００３３】この結果は、１００Ｗ／ｍ℃以上の金属の
熱伝導度によって得られることがわかった。
【００３４】したがって、アルミニウムおよびその合金
が特に適している。フェライト系ステンレス鋼、チタニ
ウムのような低い熱伝導度をもつ材料は、５０℃の最大
勾配を維持するために、数センチメートルに限られた幅
をもつ２極板を要求する。したがって、これらの材料
は、まだ使用できても、燃料電池に使用するには実用的
ではない。
【００３５】限られた幅の問題は、厚みを増加させるこ
とによって解決されうる。しかし、積層体の重量および
全体の費用を増加させないことばかりではなく、シート
を単純に切断することによって２極板を製造することに
必要な限界値がある。この限界値はたぶん約０．３ｃｍ
になるので、ステンレス鋼またはチタニウムからなる本
発明の２極板の幅はいぜんとして小さくなる。その幅
は、電流密度を減少させることによって増加されること
もできるが、これは燃料電池をあまりにもめんどうなも
のにするので、受け入れられない。ステンレス鋼および
チタニウムよりも高い電導度を有する他の金属（例え
ば、炭素鋼、ニッケル、銅）の使用は、考えられたが、
しかし、腐食の問題のために除外された。非常に厳しい
時代において板に穴を明けるということの外に腐食とい
うことは、むしろ厚みを減らし、膜を封鎖し、したがっ
て電導度に悪影響を及ぼす金属イオンをさらに解放する
ことがわかった。アルミニウムおよびその合金の場合、
この問題は、これらの材料でつくられた２極板をもつ燃
料電池の長期間の稼働によって現わされているように無
視されうる。
【００３６】２極板の横部分にそう低い動作温度は、積
極的因子である。事実、酸素含有ガスが適度であり、か
つ、長期間稼働のさいのガスケットの機械的特徴を妨げ
ないことをさらに助長するような領域においては低い電
流密度をそれはもっている。動作中、アルミニウムおよ
びその合金は低電導酸化膜で被覆されるようになる。こ
の酸化膜は、２極板と膜電極集合体との間の接触抵抗を
増加させ、したがって、燃料電池の電気効率を低下させ
る。この問題は、ＵＳ ５，４８２，７９２において言
及され、解決されている。そこでは、２極板と電極との
間に入れられるべき集電器の使用を述べ、その集電器が
恒久的な良好な電器接触を与える厳しさを備えた表面を
特徴としている。
【００３７】下記の実施例は、アルミニウムまたはその
合金からなり、ＵＳ ５，４８２，７９２に記載された
集電器を備えた本発明の２極板で組み立てられた燃料電
池積層体を説明している。
【００３８】
【実施例１】燃料電池積層体は、次のものからなる８箇
の単位電池を含めて組み立てられた。
【００３９】о ９９．９％のアルミニウムからなり、
図２に示すように設計され、１５×１５ｃｍ、厚み１ｃ
ｍの作動面積（図２の７）をもった９つの２極板。 о 図３に示し、１５×１５ｃｍ、厚み０．２ｃｍの内
部有効空間（図３の１５）をもった９つのガスケット。
水素および酸素を含有するガスの循環のための穴、分配
チャネル、内部有効空間、冷却液流用窓は、０．０２ｃ
ｍの厚みをもつ凸条を設けられた。構成材料は射出成形
に適した熱可塑性プラスチック（Ｈｙｔｒｅｌ（登録商
標）、米国デュポン社製）であった。 о １ｍｇ／ｃｍ2の密度の炭素基体プラチナからなる
触媒によって米国Ｅ−ＴＥＫ社によって供給されたＥＬ
ＡＴ（商品名）の１６箇の電極。 о 米国デュポン社によって供給されたＮａｆｉｏｎ
（登録商標）１１７の８箇の膜。 о 厚み０．２ｃｍをもち、ＵＳ ５，４８２，７９２
の実施例１に記載された網状材料からなる１６箇の集電
器（図１の２３）。
【００４０】種々の成分は、１５ｋｇ／ｃｍ2の接触圧
力を得るために、張棒によってＡｎｔｉｃｏｒｏｄａｌ
１００アルミニウム合金からなる２ｃｍの厚みの２枚
の端板間で締め付けられた。
【００４１】冷却媒体は、５０℃の入口温度と６０℃の
出口温度をもつ半水であった。
【００４２】燃料電池は、６０％の相対湿度に達するよ
うに加えられた水蒸気によって、純粋水素と空気とが供
給された。入口ガス温度は６０℃で、他方、空気圧は
３，４，そして最後に５バール（ａｂｓ）であった。水
素圧力は、空気よりも約０．２バール高く維持された。
【００４３】図６は電流出力の関数としての電池電圧挙
動を示し、また、図７は、４００Ａｍｐｅｒｅ／ｍ2の
電流密度の各単位電池の電圧を示す。図７は、本発明の
装置の再生挙動を示すために、単位電池が同じ電圧で実
質的に作動されたことを明らかに示す。２つだけの終端
電池（第１および第８）は、高い熱分散のためにわずか
に低い値を示すが、これはわずかに低い動作温度を含め
ている。
【００４４】電池は、性能にいかなる認知できる減衰を
生ぜずに合計６８０時間の間欠動作をした。
【００４５】
【実施例２】比較のために、８箇の単位電池からなる燃
料電池が、２極板を除いて実施例１と同じ要素を用いて
組み立てられた。２極板はＵＮＩ ４５１４式のアルミ
ニウム−シリコン合金の圧縮ダイキャスティングによっ
て得られた。
【００４６】２極板は、厚みが５ｍｍで、半水流（図１
の２４）用のチャネルを設けられた。
【００４７】本実施例の燃料電池は、ＵＳ ５，４８
２，７９２に記載されているように従来技術の代表とし
て考えられなければならない。
【００４８】電池は、実施例１に示す同様な条件で作動
され、同様な性能をほぼ得た。特に、各単位電池の電圧
は、実施例１のそれよりも平均値が５ｍＶ高かった。こ
のことは、本発明の装置に関して無視しうる改良を得る
ことを従来の複雑で高価な冷却装置が許したことを示し
ている。本発明の装置は、現実に安く、軽く、小型の燃
料電池を提供している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の単位電池の代表的構造を示す側面図で
ある。
【図２】 ２つの垂直辺にそって冷却装置を備えた本発
明の２極板の正面図である。
【図３】 図２の２極板用ガスケットの正面図である。
【図４】 本発明にもとづく単位電池の側面図である。
【図５】 ２つの異なる動作条件における本発明の２極
板の熱勾配を示すグラフである。
【図６】 実施例１の燃料電池積層体の電流出力の機能
としての電池電圧挙動を示すグラフである。
【図７】 実施例１の各単位電池の電圧を示すグラフで
ある。
【符号の説明】
１，３，５：入口 ２，４，６：出口 ８，
９，１０，１１：穴 １２：窓 １３：チャネル １７：
２極板 １８：ガスケット ２０，２１：電極 ２２：
膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 597007765 Ｖｉａ Ｂｉｓｔｏｌｆｉ 35 − 20134 Ｍｉｌａｎ Ｉｔａｌｙ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２枚の２極板によって画定される少なく
    とも１つの単位電池からなる燃料電池であって、前記単
    位電池は、イオン交換膜と、該膜に密接する２つの電極
    と、分配チャネルを設けられた２つのガスケットとから
    なり、前記燃料電池は、水素および酸素を含有するガス
    を供給しかつ排気ガスおよび生成水を解放する縦のチャ
    ネルとおよび冷却媒体を流すチャネルとがさらに設けら
    れていて、前記２極板が水素および酸素を含有するガス
    を前記単位電池に供給しかつ排気ガスおよび生成水を取
    り除く穴と、ならびに冷却流体の流れのための窓とを設
    けられた平らなシートからつくられ、前記流れが前記２
    極板の周辺領域に集中されることを特徴とした燃料電
    池。
  2. 【請求項２】 前記２極板が金属であることを特徴とし
    た請求項１記載の燃料電池。
  3. 【請求項３】 冷却液流のための２極板の周辺領域が２
    つの対向辺に限定されていることを特徴とした請求項１
    記載の燃料電池。
  4. 【請求項４】 前記２極板の周辺領域が熱交換を増進さ
    せるために起伏またはフィンを設けられていることを特
    徴とした請求項１記載の燃料電池。
  5. 【請求項５】 前記２極板が１００Ｗ／ｍ℃以上の熱伝
    導度を有していることを特徴とした請求項１記載の燃料
    電池。
  6. 【請求項６】 前記２極板がアルミニウムまたはアルミ
    ニウム合金からなることを特徴とした請求項１記載の燃
    料電池。
  7. 【請求項７】 前記の各単位電池が、凹凸を設けられた
    ２つの多孔導体集電器からさらになることを特徴とした
    請求項１記載の燃料電池。
  8. 【請求項８】 前記冷却流体は、半水、低粘性有機液、
    空気からなることを特徴とした請求項１記載の燃料電
    池。
  9. 【請求項９】 適当な工具によってシートまたはストリ
    ップを単独の工程で切断することからなる前記請求項の
    うちの任意の１つに記載された燃料電池を製造する方
    法。
JP10220181A 1997-08-04 1998-08-04 周辺冷却装置を備えたイオン交換膜燃料電池 Pending JPH11102721A (ja)

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