JP2020522867A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、膜（１８）によって互いに仕切られている第１の電極（２１）と第２の電極（２２）とを備えた少なくとも１つの膜電極ユニット（１０）と、燃料を前記第１の電極（２１）に配分するための第１の配分領域（５０）と、酸化剤を前記第２の電極（２２）に配分するための第２の配分領域（６０）とを含んでいる少なくとも１つのバイポーラ板（４０）とを含んでいる燃料電池（２）に関する。【解決手段】 前記配分領域（５０，６０）のうちの少なくとも１つに、少なくとも１つのフラットな織物（８０）を有する配分ユニット（３０）が設けられ、前記フラットな織物（８０）は、この織物（８０）の***部（３２）が前記電極（２１，２２）の１つと接触するように、成形されている。【選択図】 図１５

Description

本発明は、膜によって互いに仕切られている第１の電極と第２の電極とを備えた少なくとも１つの膜電極ユニットと、少なくとも１つのバイポーラ板とを含んでいる燃料電池に関するものである。この場合、燃料電池のバイポーラ板は、燃料を前記第１の電極に配分するための第１の配分領域と、酸化剤を前記第２の電極に配分するための第２の配分領域とを含んでいる。

燃料電池は、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換するガルヴァーニ電池である。すなわち、燃料電池は電気化学的エネルギー変換器である。公知の燃料電池では、特に水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギー、熱に変換される。

電解槽は、水（Ｈ２Ｏ）を電気エネルギーにより水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）に分解する電気化学的エネルギー変換器である。

とりわけ、プロトン交換膜(Proton-Exchange-Membran=PEM)型燃料電池が知られている。さらに、燃料電池に対しても電解槽に対しても陰イオン交換膜が知られている。プロトン交換膜型燃料電池は、プロトンを透過させる、すなわち水素イオンを透過させる、中央に配置された膜を有している。これにより酸化剤、特に空気中酸素は、燃料から、特に水素から空間的に切り離されている。

プロトン交換膜型燃料電池は、さらに、アノードとカソードとを有している。燃料は燃料電池のアノードに供給され、触媒作用で電子を放出して酸化し、プロトンになる。プロトンは膜を通ってカソードに到達する。放出された電子は燃料電池から排出されて、外部の電気回路を介してカソードへ流れる。

酸化剤は、燃料電池のカソードに供給され、外部の電気回路からの電子の受容と、膜を通ってカソードへ到達したプロトンとを通じて反応し、水になる。このようにして発生した水は燃料電池から排出される。反応全体は以下のとおりである。

Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ

この場合、燃料電池のアノードとカソードとの間に電圧が印加される。電圧を高めるために、複数の燃料電池を機械的に互いに並列に配置して１つの燃料電池スタックを形成し、これら複数の燃料電池を電気的に直列に接続させることができる。

燃料をアノードに均一に配分するため、および、酸化剤をカソードに均一に配分するため、バイポーラ板が設けられている。バイポーラ板は、燃料と酸化剤とを電極に配分するためにたとえば通路状の構造を有している。通路状の構造は、さらに、反応の際に生じた水を排出するために用いられる。バイポーラ板は、さらに、熱を逃がすために冷却液をして燃料電池を通過させるための構造を有することができる。

特許文献１から、２つの板半部分から構成されているこの種のバイポーラ板を備えた燃料電池が知られている。この場合、両板半部分のそれぞれは、反応ガスを配分するために設けられた配分領域を有している。

特許文献２からも、燃料電池用のバイポーラ板が知られている。この場合、バイポーラ板は雷文模様の通路を有し、通路はたとえば溝として形成されている。この雷文模様の通路は、水素または酸素を燃料電池内へ導入するために用いられる。

独国特許出願公開第１０２０１２２２１７３０Ａ１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１４２０７５９４Ａ１号明細書

膜によって互いに仕切られている第１の電極と第２の電極とを備えた少なくとも１つの膜電極ユニットと、少なくとも１つのバイポーラ板とを含んでいる燃料電池が提案される。特に、燃料電池は、膜電極ユニットの両側にそれぞれバイポーラ板が接続しているように構成されている。その際、燃料電池のバイポーラ板は、燃料を第１の電極に配分するための第１の配分領域と、酸化剤を第２の電極に配分するための第２の配分領域とを含んでいる。

本発明によれば、配分領域のうちの少なくとも１つに、少なくとも１つのフラットな織物を有する配分ユニットが設けられている。この場合、フラットな織物は、この織物の***部が電極の１つと接触するように、成形されている。織物をこのように成形することにより、配分領域内で反応ガスを配分するための構造を合目的に形成させることができる。

好ましくは、織物は、酸化剤を第２の電極に配分するために、および、反応の際に生じた水を排出させるために用いられる第２の配分領域内に設けられている。しかし、これとは択一的にまたはこれに加えて、織物は燃料を第１の電極に配分するための第１の配分領域に設けられていてもよい。また、これとは択一的にまたはこれに加えて、織物は冷媒を通過させるための第３の配分領域に設けられていてもよい。

織物とは、本発明の意味では、互いに織り合わされているワイヤー、糸、または繊維から形成されている構造物と理解すべきである。その際、織物は比較的フラットに形成されている。織物は、本発明による成形の前は、織物面を定義している面内で、この織物面に対し垂直な方向でよりもはるかに広く延在している。

有利には、織物は有孔に且つ導電性を持つように形成されている。したがって、織物は酸化剤に対して、および燃料に対して、および排出される水に対しても透過性がある。さらに、織物は電極に対する導電結合部を成している。したがって、織物は電気化学的反応の際に燃料電池内で遊離する電子を誘導することができる。

本発明の有利な構成によれば、配分ユニットのフラットな織物は波形状に成形され、その際織物の***部は波山として形成されている。波山はたとえば直線状に形成されている。しかし、波山はこれとは異なる形状を有していてもよい。

本発明の１つの可能な実施態様によれば、織物の***部は、バイポーラ板の対応する配分領域において、燃料または酸化剤の流動方向に対し直角に延在している。

本発明の他の可能な実施態様によれば、織物の***部は、バイポーラ板の対応する配分領域において、燃料または酸化剤の流動方向に対し平行に延在している。

本発明の更なる可能な実施態様によれば、織物の***部は、バイポーラ板の対応する配分領域において、燃料または酸化剤の流動方向に対しある角度だけ傾斜して延在している。

本発明の更なる有利な実施態様によれば、フラットな織物は、この織物の***部を形成する局所高位部を有している。すなわち、織物は大部分が織物面内に延在し、その際局所高位部を形成する***部は織物面から特に直角に離間するように突出している。

本発明の１つの可能な実施態様によれば、織物の、局所高位部から形成されている***部は、切頭円錐状または半球状に形成されている。しかし、局所高位部の他の形態も考えられる。

配分ユニットの織物は、有利には、少なくとも、金属を含む繊維を有している。金属を含む繊維は、特に、織物の導電性を保証する。金属を含む繊維に対し可能な材料としては、たとえばチタン、銅、アルミニウム、ニッケル、または特殊鋼が適している。

配分ユニットの織物は、有利には、少なくとも、炭素を含んだ繊維を有している。炭素を含んだ繊維は、特に耐食性があり、補助的に織物の必要な機械的安定性を向上させる。

配分ユニットの織物は、有利には、少なくとも、プラスチックを含んだ繊維を有している。プラスチックを含んだ繊維は、他の材料から成る繊維に比べて比較的軽量であり、したがって織物の重量を軽減させる。さらに、プラスチックを含んだ繊維はコスト上好ましく、且つ耐食性がある。

本発明の有利な発展形態によれば、織物は少なくとも２つの異なる種類の繊維を有している。

本発明の更なる実施態様によれば、配分ユニットは、互いに積層されている少なくとも２つの織物を有している。この場合、少なくとも２つの織物の***部は互いにずらして配置されている。その際、互いに積層されている少なくとも２つの織物は異なる配向で配置されていてよい。互いに積層されている少なくとも２つの織物は同じように構成され、形成されていてよい。しかし、互いに積層されている少なくとも２つの織物は異なるように形成されていてもよい。たとえば、互いに積層されている少なくとも２つの織物は異なる材料から製造されていてよく、または、異なる有孔率を有していてよい。

織物は極端に開放気孔性であり、すなわち高い有孔率を持っている。使用する材料を織物の製造時に適当に変えることによって、織物を存在する条件および要件に適合させることができる。また、織物は特に発泡材に比べて非常に簡単に、コスト上好ましく製造できる。ガス、特に燃料または酸化剤をして織物を貫流させる際、ガス流に対し比較的わずかな圧力損失しか生じない。また、適当な金属繊維を使用すれば、織物の導電性は高い。所望の特性を備えた種々の材料を有利に組み合わせることができる。たとえば、導電性に優れた金属繊維と、炭素を含んだ、より耐食性のある繊維との組み合わせが考えられる。複数の薄いワイヤー状の織物を積層することによって配分ユニットの電気抵抗が上昇することがあるが、しかし種々の材料の使用が可能である。

本発明のいくつかの実施形態を、図面と以下の説明とを用いて詳細に述べる。

複数の燃料電池を備えた燃料電池スタックの概略図である。 第１変形実施形態による配分ユニットの斜視図である。 第２変形実施形態による配分ユニットの斜視図である。 第３変形実施形態による配分ユニットの斜視図である。 第４変形実施形態による配分ユニットの斜視図である。 第１実施形態による図２の配分ユニットの断面図である。 第２実施形態による図２の配分ユニットの断面図である。 第３実施形態による図２の配分ユニットの断面図である。 第５変形実施形態による配分ユニットの斜視図である。 図９の配分ユニットの断面図である。 第６変形実施形態による配分ユニットの平面図である。 図１１の配分ユニットの断面図である。 図１１の配分ユニットの他の断面図である。 図１１の配分ユニットの他の断面図である。 図２の配分ユニットを備えた図１の燃料電池スタックのバイポーラ板を示す図である。 図９の配分ユニットを備えた図１の燃料電池スタックのバイポーラ板を示す図である。

本発明の実施形態の以下の説明では、同一または類似の要素には同じ参照符号を付し、その際個々の事例でこれらの要素を繰り返し説明することは省略する。図は本発明の対象を図式的に示したものにすぎない。

図１は、複数の燃料電池２を備えた燃料電池スタック５の概略図である。各燃料電池２は膜電極ユニット１０を有し、膜電極ユニットは、第１の電極２１と、第２の電極２２と、膜１８とを含んでいる。両電極２１，２２は、膜１８の、互いに対向しあっている側に配置され、したがって膜１８によって互いに仕切られている。第１の電極２１を以下ではアノード２１とも記し、第２の電極２２を以下ではカソード２２とも記す。膜１８は固体高分子膜として形成されている。膜１８は水素イオンに対し、すなわちＨ^＋イオンに対し透過性がある。

各燃料電池２は、さらに、膜電極ユニット１０の両側に接続している２つのバイポーラ板４０を有している。ここに示したように、燃料電池スタック５内に複数の燃料電池２を配置した場合、バイポーラ板４０のそれぞれは、互いに隣接しあって配置された２つの燃料電池２に属するものと見なすことができる。

バイポーラ板４０は、それぞれ、アノード２１側に位置する、燃料を配分するための第１の配分領域５０を含んでいる。バイポーラ板４０は、それぞれ、カソード２２側に位置する、酸化剤を配分するための第２の配分領域６０をも含んでいる。第２の配分領域６０は、燃料電池２内での反応の際に生じた水を排出するためにも用いられる。第２の配分領域６０内には、配分ユニット３０が配置されている。

バイポーラ板４０は、本実施形態では、第３の配分領域７０を含み、第３の配分領域は、第１の配分領域５０と第２の配分領域６０との間に配置されている。第３の配分領域７０は、冷媒をしてバイポーラ板４０を通過させるために用いられ、したがって燃料電池２と燃料電池スタック５とを冷却するために用いられる。

第１の配分領域５０と第３の配分領域７０とは、第１の仕切り板７５によって互いに仕切られている。第２の配分領域６０と第３の配分領域７０とは、第２の仕切り板７６によって互いに仕切られている。バイポーラ板４０の仕切り板７５，７６は、本実施形態では、薄い金属板として形成されている。仕切り板７５，７６は他の材料から形成されていてもよく、たとえば炭素またはグラファイトから形成されていてもよい。

燃料電池２の作動時、燃料は第１の配分領域５０を介してアノード２１へ誘導される。同様に、酸化剤は配分ユニット３０を備えた第２の配分領域６０を介してカソード２２へ誘導される。燃料、本実施形態では水素は、アノード２１において触媒作用で電子を放出して酸化し、プロトンになる。プロトンは膜１８を通ってカソード２２へ到達する。放出された電子は燃料電池２から排出され、外部の電気回路を介してカソード２２へ流れる。酸化剤、本実施形態では空中酸素は、外部の電気回路からの電子の受容と、膜１８を通ってカソード２２へ到達したプロトンとを通じて反応し、水になる。

図２は、第１変形実施形態による配分ユニット３０の斜視図である。配分ユニット３０はフラットな織物８０を有している。フラットな織物８０は波形状に成形されており、織物８０の***部３２を形成する波山を有している。***部３２は直線状に形成され、酸化剤の第２の流動方向４４に対し直角に延在している。

図３は、第２変形実施形態による配分ユニット３０の斜視図である。配分ユニット３０はフラットな織物８０を有している。フラットな織物８０は波形状に成形されており、織物８０の***部３２を形成する波山を有している。***部３２は直線状に形成され、酸化剤の第２の流動方向４４に対し平行に延在している。

図４は、第３変形実施形態による配分ユニット３０の斜視図である。配分ユニット３０はフラットな織物８０を有している。フラットな織物８０は波形状に成形されており、織物８０の***部３２を形成する波山を有している。***部３２は直線状に形成され、酸化剤の第２の流動方向４４に対しある角度だけ傾斜して延在している。

図５は、第４変形実施形態による配分ユニット３０の斜視図である。配分ユニット３０はフラットな織物８０を有している。フラットな織物８０は波形状に成形されており、織物８０の***部３２を形成する波山を有している。***部３２は本実施形態では直線状に形成されておらず、蛇行線の形状に、または、ヘリンボーンとして、または、ジグザクに形成されている。***部３２は、酸化剤の第２の流動方向４４に対し略平行に延在している。

図６は、第１実施形態による図２の配分ユニット３０の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。配分ユニット３０の織物８０は正弦関数の形状に成形されている。***部３２は正弦関数の極大値である。

図７は、第２実施形態による図２の配分ユニット３０の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。配分ユニット３０の織物８０は、とりわけ矩形関数の形状に成形されている。***部３２は矩形関数の極大値である。有利には、ここではフラットな載置点である。

図８は、第３実施形態による図２の配分ユニット３０の切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。配分ユニット３０の織物８０は三角関数または鋸歯関数の形状に成形されている。***部３２は三角関数または鋸歯関数の極大値である。

図３に図示した第２変形実施形態による配分ユニット３０、図４に図示した第３変形実施形態による配分ユニット３０、図５に図示した第４変形実施形態による配分ユニット３０も、図６、図７または図８の図示に対応して成形された織物８０を有していてよい。

図９は、第５変形実施形態による配分ユニット３０の斜視図である。配分ユニット３０はフラットな織物８０を有している。フラットな織物８０は、織物８０の***部３２を形成する局所高位部を有している。織物８０の***部３２は、たとえば本実施形態では切頭円錐状に形成されている。

図１０は、図９の配分ユニット３０の切断線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。織物８０の、切頭円錐状に形成された***部３２は、互いに平行に延在している。

図１１は、第６変形実施形態による配分ユニット３０の平面図である。配分ユニット３０はフラットな織物８０を有している。フラットな織物８０は、織物８０の***部３２を形成する局所高位部を有している。第６変形実施形態による配分ユニット３０は、***部３２と、有利には酸化剤の第２の流動方向４４に対し平行に延在している直線通路との混合部を含んでいる。図１１では、より分かりやすく説明するため、切断線Ｃ，Ｄ，Ｅ以外に補助線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ４，Ｘ５も記入されている。

図１２は、図１１の配分ユニット３０の切断線Ｄ−Ｄに沿った断面図である。図１３は、図１１の配分ユニット３０の切断線Ｅ−Ｅに沿った断面図である。図１４は、図１１の配分ユニット３０の切断線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。

図２、図３、図４、図５、図９、図１１に図示した配分ユニット３０の織物８０は、たとえば金属を含んだ繊維、炭素を含んだ繊維、およびプラスチックを含んだ繊維を有している。これらの繊維は、フラットに形成された構造に織られている。したがって、織物８０は有孔に且つ導電性を持つように形成されている。

図１５は、２つの膜電極ユニット１０の間に配置されている、図１の燃料電池スタック５のバイポーラ板４０の拡大概略図である。仕切り板７５，７６は、フラットな薄い金属板として形成され、それらの間に冷媒を通過させるための第３の配分領域７０を形成している。第１の仕切り板７５と、隣接している膜電極ユニット１０のアノード２１との間に、第１の配分領域５０がある。

第２の仕切り板７６と、隣接している他の膜電極ユニット１０のカソード２２との間に、第２の配分領域６０があり、該第２の配分領域は、図２に図示した第１の変形実施形態による配分ユニット３０を有している。配分ユニット３０の織物８０は、該織物８０の***部３２がカソード２２と接触するように配置されている。さらに、織物８０は第２の仕切り板７６とも接触している。

図１６は、２つの膜電極ユニット１０の間に配置されている、図１の燃料電池スタック５のバイポーラ板４０の拡大概略図である。仕切り板７５，７６は、フラットな薄い金属板として形成され、それらの間に冷媒を通過させるための第３の配分領域７０を形成している。第１の仕切り板７５と、隣接している膜電極ユニット１０のアノード２１との間に、第１の配分領域５０がある。

第２の仕切り板７６と、隣接している他の膜電極ユニット１０のカソード２２との間に、第２の配分領域６０があり、該第２の配分領域は、図９に図示した第５の変形実施形態による配分ユニット３０を有している。配分ユニット３０の織物８０は、該織物８０の***部３２がカソード２２と接触するように配置されている。さらに、織物８０は第２の仕切り板７６とも接触している。

図１５と図１６に図示したバイポーラ板４０では、燃料、本実施形態では水素は、第１の流動方向４３において第１の配分領域５０内へ誘導される。酸化剤、本実施形態では空中酸素は、第２の流動方向４４において第２の配分領域６０内へ誘導される。本実施形態では、第１の流動方向４３と第２の流動方向４４とは互いに平行に延びている。第１の流動方向４３と第２の流動方向４４とが互いに逆方向に、または、互いに直交して延びていることも考えられる。

本発明は、ここで説明した実施形態およびその中で明らかになった観点に限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲によって記載された範囲内であれば、専門的処理の範囲内にある多くの改変が可能である。

２ 燃料電池
１０ 膜電極ユニット
１８ 膜
２１ 第１の電極
２２ 第２の電極
３０ 配分ユニット
３２ ***部
４０ バイポーラ板
４３ 第１の流動方向
４４ 第２の流動方向
５０ 第１の配分領域
６０ 第２の配分領域
８０ 織物

Claims (10)

1. 膜（１８）によって互いに仕切られている第１の電極（２１）と第２の電極（２２）とを備えた少なくとも１つの膜電極ユニット（１０）と、
   燃料を前記第１の電極（２１）に配分するための第１の配分領域（５０）と、酸化剤を前記第２の電極（２２）に配分するための第２の配分領域（６０）とを含んでいる少なくとも１つのバイポーラ板（４０）と、
   を含んでいる燃料電池（２）において、
   前記配分領域（５０，６０）のうちの少なくとも１つに、少なくとも１つのフラットな織物（８０）を有する配分ユニット（３０）が設けられ、
   前記フラットな織物（８０）は、この織物（８０）の***部（３２）が前記電極（２１，２２）の１つと接触するように、成形されている、
   ことを特徴とする燃料電池（２）。
2. 前記織物（８０）が有孔に且つ導電性を持つように形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池（２）。
3. 前記フラットな織物（８０）が波形状に成形されていること、前記織物（８０）の前記***部（３２）が波山として形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池（２）。
4. 前記織物（８０）の前記***部（３２）が、前記燃料または前記酸化剤の流動方向（４３，４４）に対し直角に延在していることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池（２）。
5. 前記織物（８０）の前記***部（３２）が、前記燃料または前記酸化剤の流動方向（４３，４４）に対し平行に延在していることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池（２）。
6. 前記織物（８０）の前記***部（３２）が、前記燃料または前記酸化剤の流動方向（４３，４４）に対し傾斜して延在していることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池（２）。
7. 前記フラットな織物（８０）が、この織物（８０）の前記***部（３２）を形成する局所高位部を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池（２）。
8. 前記織物（８０）の前記***部（３２）が切頭円錐状または半球状に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池（２）。
9. 前記織物（８０）が少なくとも２つの異なる種類の繊維を有していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池（２）。
10. 前記配分ユニット（３０）が、互いに積層されている少なくとも２つの織物（８０）を有し、この少なくとも２つの織物（８０）の前記***部（３２）が互いにずらして配置されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池（２）。

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