JP6038336B2 - 電解装置用バイポーラプレート及び電解装置、並びに、バイポーラプレートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は電解装置用、特に、ＰＥＭ電解装置用のバイポーラプレートであって、中心領域並びに中心領域を囲む周辺領域からなるバイポーラプレートに関する。更に、本発明は電解装置、特にＰＥＭ-電解装置であって、少なくともひとつの上記バイポーラプレートを有する電解装置に関する。また、本発明は上記バイポーラプレートの製造方法に関する。

電気化学電池は一般に知られており、これはガルバニ電池と電解セルに分類される。電解セルは電流が化学反応を促進する一つの装置であって、この場合少なくとも電気エネルギの一部は化学的エネルギに変換される。電解セルに対して、ガルバニ電池は化学的エネルギの電気的エネルギへの自発的変換のための補助的設備である。そのようなガルバニ電池として知られているものとしては例えば燃料電池がある。

電解セルを使って、電流によって水を分解することによって水素と酸素が生成されることは良く知られている。この場合主として二つの技術的な方法に区分され、すなわちアルカリイオン電解とＰＥＭ（陽子交換膜）-電解に区分される。

工学的電解装置の心臓部は二つの電極と一つの電解物質を有する電解セルである。ＰＥＭ電解セル内では電解物質は、陽子交換膜からなっており、その陽子交換膜上でその両側に電極が存在する。電解質膜と電極からなるユニットのことをＭＥＡ（膜/電極接合体）と呼ぶ。複数の電解セルからなる電解スタックの組立状態においては、電極はガス拡散層を介して所謂バイポーラプレートと接触している。ここで、バイポーラプレートはスタックの個々の電解セルを互いに分離させている。この場合、電解セルは間にある膜/電極接合体によって分離され、Ｏ₂側では正極となりＨ₂側は負極となる。

ＰＥＭ電解セルはＯ₂側では十分に脱塩された水が供給されており、アノード上で酸素ガスと陽子（Ｈ⁺）に分解される。該陽子は電解質膜を通過して移動しＨ₂側で再結合して水素ガスを生成する。電極を覆っているガス拡散膜はこのプロセスにおいて最適な水分布（及びこれによる膜の利用）並びに発生ガスの排気を確実にする。

原理的には電解セルは加圧状態又は無加圧で運転することができる。付加的な内圧は発生ガスを後々充填するのに有利であり電解セルの効率を低下させることはほとんどない。

上記電解セルの設計におけるひとつの重要な課題は、バイポーラプレートに用いる材料の選択である。電池の運転条件は、耐食技術上投入される材料に関して高い要求を課す。最高１２０℃の高い運転温度と最高５０バールの電解セルの内圧のもとで、バイポーラプレートの材料はＨ₂側では強い還元が行われＯ₂側では強い酸化が行われる条件に曝され、さらに、ここで、負もしくは正電位となる。つぎに、バイポーラプレートは電極及びこれに並列しているガス拡散層の外側で電解質膜と直接接触している。このことは電解質膜（スルホン化テフロンポリマー、例えばナフィオン（登録商標））の表面の強酸を考慮すると、これは耐食技術に対する更なる挑戦である。このために今日使用されているバイポーラプレートは、一般にチタン製又はステンレス鋼製である。多くの場合、頑丈な受圧部又は深絞のある板は、上記材料製としている。正側（Ｏ₂側）ではきわだった不動態領域であることから多くの場合純チタンが使用される。しかしながら、純チタンでさえも負側（Ｈ₂側）においてはこのような被膜がなければ不安定で腐食される。

チャレンジングな適用条件に加えて電解スタックの後々の組立の為に、バイポーラプレートの寸法精度に対し高い要求が課される。百を超える個々のセルからなるひとつのスタックを許容できるようシールする為にバイポーラプレートに許される寸法公差は極めて僅かである。

つまるところ、耐食性のスペックの為にコストのかかる材料（純チタン、高合金ステンレス鋼）が採用され、加工公差が僅かであることからバイポーラプレートの為の非常に高価な製造設備（しばしば大きなプラノミラー）が投入される。これらは膜/電極接合体と並んで電解スタックの中で最大のコスト要因を示す。

特許文献１により、中心領域と中心領域を取り囲む周辺領域からなるＰＥＭ-電解装置用のバイポーラプレートが公知である。中心領域も周辺領域も合成樹脂で成形されている。中央領域は複数の流路からなるひとつの流路領域を有している。中央領域は電導性の重合材で形成されるか、又は、基板材となる導電性のない合成樹脂材に接触ピン又は台形形状に走らせた板のような導電体をはめ込むことによって形成される。この種のバイポーラプレートを製造する場合、中央領域を分離した電導体エレメントの結合によって作るので、手間が掛かると同時にコスト高となる。その上、電極の全表面を均等に接触させるために、バイポーラプレートには電極と同じ大きさのひとつの追加的な電流分配板を必要とする。

欧州特許第２２０１１５７Ｂ１号明細書

本発明の課題は耐食性の要求を充足し、かつ、簡単で安価なコストで製造することができるバイポーラプレートを提供することである。

本発明によると上記課題は、電解装置用、特に、ＰＥＭ−電解装置のバイポーラプレートであって、中心領域、並びに、中心領域を囲む周辺領域を有し、中心領域は金属板からなり、周辺領域は合成樹脂フレームで成形され、ここで、前記合成樹脂フレームは少なくとも１つの熱可塑性樹脂、特に少なくとも１つの高温熱可塑性樹脂で成形され、前記金属板の周囲に射出成形され、ここで、分配流路（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）の間には、前記合成樹脂フレーム（６）の高い剛性と強度を実現するために複数のリブ要素（１０）が設けられたバイポーラプレートにより解決される。

更に、本発明によると前記課題は、ひとつの電解装置、特にＰＥＭ-電解装置であって少なくともひとつの前記バイポーラプレートを有する電解装置によって解決される。

更に、本発明によると前記課題は、上述のバイポーラプレートの製造方法であって、前記金属板を加工し、前記金属板の周囲に前記合成樹脂フレームが射出成形される製造方法によって解決される。

本発明は次のような考えに基づく。すなわち、バイポーラプレートの中心領域と周辺領域とは異なる機能であることから、これらの領域は分離した部分から構成することができ、バイポーラプレートの製造段階で初めてこれらが結合されるということである。バイポーラプレートの異なる領域はそもそも分離した構成要素であることから、それぞれの領域の異なった材料もまたこれらの領域の機能をもっとも良く適合させるようなものに選択することができる。

そこで、中心領域は、この中心領域の電気伝導度を最大に保証しそれに加えて特に製造が容易な、一枚の単純な特に平らな金属板で形成される。

これとは異なり、周辺領域は合成樹脂製の、特に非導電性の射出成形部である。合成樹脂フレームの製造を射出成形工法で行うことは、合成樹脂フレームの成形（例えば、穴や溝の形成）の点では極めて有利であり、従来の金属加工工法に比べて明らかにフレキシブルであり又何よりも数量が多い範囲については明らかにコスト的に有利である。構造上並びに安定性上の理由から、前記合成樹脂フレームは、好ましくは特に分配流路の間の面に形成されるリブ要素を有する。

特に、前記金属板は厚さが数ミリメートル、例えば1乃至２ミリメートルの一枚の矩形板であって、膜/電極接合体が接触するその表面には凹凸がない。この場合、前記流路領域は、特に、非導電性で凹凸のある挿入部品で実現される。凹凸のある挿入部品はガス拡散層の役割だけでなく流路構造としての役割も果たすので、これらの組み合わせにより追加的な流れ分配板を必要としない。

合成樹脂フレームは、この場合、前記金属板の周囲に射出成形される。まず、加工された前記金属板が合成樹脂フレームの製造のために投入される。合成樹脂フレームの製造においては、前記金属板と合成樹脂フレームは互いに緩みが無いよう結合されるので、完成したバイポーラプレートの中央領域と周辺領域とは一つの単一で不可分ユニットを構成する。このバイポーラプレートの形成は、非常に僅かな製造工程しか必要ないという点で傑出したものである。

耐食性及び耐熱性に対する高い要求を満足するため、合成樹脂フレームは少なくとも最低限、熱可塑性樹脂、少なくとも、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ），ポリフェニレンサルファイド（ＰＳＵ），ポリサルフォン（ＰＳＵ），ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又は芳香性ポリアミド（ＰＡ６／６Ｔ）のような高温熱可塑性樹脂を含むことが望ましい。

上述のバイポーラプレートを特許文献１に記載されたバイポーラプレートと比較したときの本質的な違いは、導電性の中央領域が全面金属で形成されており合成樹脂を一切含まない、ということである。上記の金属板は例えば矩形板のような単純な幾何形状である。従来技術の合成樹脂製バイポーラプレートとは異なり、上述のバイポーラプレートの合成樹脂フレームはひとつの分離した構成要素であるため、前記金属板の製造工程は合成樹脂フレームの製造工程から独立している。

好ましいことに作動媒体の分配流路は合成樹脂フレーム内にのみに集結している。ここで分配流路は、ここでは作動媒体の水、酸素及び水素の流入及び流出用であると理解するべきである。特に、電解スタックの全周囲は、例えば電解スタックに沿った水の供給水路と個々のセルへの流入部とシールエレメントを有し、合成樹脂フレームと一体結合している。このことは合成樹脂フレームの成形し易さの点から特に有利である。バイポーラプレートのすべての凹凸形状は合成樹脂フレームの範囲に施されているため、前記金属板は非常にシンプルな表面形状を呈しており、特に金属板上には分配流路用の溝が無く、これ以外の凹凸形状も無い。すなわち、前記金属板はフラットで滑らかな表面を有している。射出成形工法の利点は、この場合、前記金属板の周囲への直接成形に対して有効であるだけではなく、前記金属板を挿入する二つの半割り殻の分離成形に対しても有効である。

ひとつの好ましい実施例によると、合成樹脂フレームの中にシール部材を挿入する溝を少なくともひとつ設置することである。この溝はその目的に合わせて少なくとも中央領域を囲んで伸びている。別の実施例では、中央領域、及び、少なくとも一つ又は複数の分配流路が対応して成形された溝に挿入される、単一の一体通しシール部材でシールされることである。別の実施例では分配流路は別々にシールされる。

別の又は追加的な実施例では、シール部材が一体結合した合成樹脂フレームの要素となるよう、好ましくは、シール部品を合成樹脂フレーム上に射出成形することである。今日の射出成形技術によれば、合成樹脂フレームとこれに一体結合する別の材料製のシール部品とをたった１つの工程で製造することができる。これにより、全てのバイポーラプレートを製造する時間が短縮される。ここで、シール部材としてはフレーム残部に比べてより弾力性のある合成樹脂が使用される。

別の好ましい実施例によると、合成樹脂フレームが複数の種類の合成樹脂を含む。合成樹脂フレームの個々の領域は、材料仕様に応じ異なった重合材から形成することができる（多要素射出成形、サンドイッチ構造）。

例えば、膜/電極接合体と直接接触する領域では非常に耐性のあるＰＥＥＫ又はＰＰＳで形成され、それほど大きな機械的負荷がかからない合成樹脂フレームの他の部分はコストが安価な合成樹脂で成形される。

前記金属板は目的に応じてチタン又はステンレス鋼で形成される。

合成樹脂フレームの使用によりバイポーラプレートの腐食問題は減少する。バイポーラプレートの金属部分は電解質膜と直接接触しないので、それにより強酸化された表面に曝されることはない。電解質膜は合成樹脂フレームのみに接触する。このことから合成樹脂フレーム用合成樹脂は化学耐性が充分なものが選定される（例えば、ＰＥＥＫ，ＰＰＳ）。

バイポーラプレートの外形図。

本発明のひとつの実施例を図に基づいてより詳細に説明する。図１は、詳細を図示していないＰＥＭ−電解装置用のバイポーラプレート２を示す。バイポーラプレート２は1枚の金属板４からなる中央領域３、並びに、合成樹脂フレーム６で形成される周辺領域５からなる。図示した実施例では、バイポーラプレート２は、加工された金属板４の周りに合成樹脂フレーム６を射出成形することにより製造されており、そのため前記金属板４と合成樹脂フレーム６とは固く結合している。

中央領域３は、作動中に膜/電極接合体の電解質膜とは直接接触しない領域である。
周辺領域は、バイポーラプレート２の領域であって、前記中央領域を取り囲み、部分的には電解質膜（ＰＥＭ）に直接接触している領域である。

金属板４は両面が平らで滑らかな表面を有し、もっぱらチタン製又はステンレス鋼製の一枚の平板である。前記金属板４はその厚さが数ミリメートルのオーダーで、特に１ないし２ミリメートルである。前記金属板４の大きさはここには詳細を図示していない膜/電極接合体の活性電極面積に原則として一致する。前記金属板４の大きさは、電解セルの組立状態において前記金属板４がガス拡散層を介して電極のひとつと単に間接的にのみ接触するように選定される。電解セルやＰＥＭ-電解装置の組立状態では、前記金属板４と膜/電極接合体の強酸化した電解質膜表面とが直接接触することはない。

ＰＥＭ−電解装置の組立てた状態において、構造の安定化及び電解装置の無故障運転を可能にするため、図示したバイポーラプレートを追加的の接触エレメント、分配エレメント、支持エレメント又は補強エレメントにより補強することができる。

前記金属板４とは異なり、合成樹脂フレーム６は明確な凹凸のある表面を有している。合成樹脂フレーム６の四隅は、水の供給、及び、電解セル内で発生した酸素ガス及び水素ガスの排出のための分配流路８ａ、８ｂ、８ｃ、及び、８ｄが設けられている。分配流路８ａ、８ｂ、８ｃ及び８ｄの間には、合成樹脂フレーム６の高い剛性と強度を実現するために複数のリブ要素が設けられる。また、中央領域の周りには、はめ込みシール部材受用の溝１２が形成される。更に、図示した実施例では、溝１２は、前記金属板４並びに分配流路８ｂ，８ｄが一つの環状のシール部品でシールされるように、分配流路８ｂ、８ｄを囲んで（短く断続して）延びている。分配流路８ａ，８ｃの周囲は独立した溝１４が設けられているので、これらの溝１４に装着されるシール部材は単に対応するそれらの分配流路，８ａ，８ｃのみをシールしている。他の実施例として、中央のシール部材は前記中央領域の周りを延びている。分配流路８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄは個別にシールされる。

合成樹脂フレーム６は、少なくとも、１つの熱可塑性樹脂、特に、例えばＰＥＥＫ又はＰＰＳのような高温熱可塑性樹脂で形成する。合成樹脂フレーム６の様々な機能範囲に対する要求に応じて、合成樹脂フレーム６を異なった材料で成形することもできる。高い機械的応力に曝される機能範囲、例えば分配流路８ａ、８ｂ、８ｃ及び８ｄでは、追加的なエレメント、例えば金属製又は合成樹脂製の挿入エレメントで補強することもできる。

上述のバイポーラプレート２は、何より、コストを抑えて製造できるものとして際立っている。上記金属板４のみがチタンやステンレス鋼のような高級材料製である。バイポーラプレートのそれ以外の部分はコスト的に有利な合成樹脂製である。本発明による合成樹脂フレーム６の製造方法は、合成樹脂フレーム６の成形に関して大きな自由度があるので、これにより本発明によるバイポーラプレート２は、簡単に、そして僅かな工程で製造することができる。

２ バイポーラプレート
３ 中心領域
４ 金属板
５ 周辺領域
６ 合成樹脂フレーム
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ 分配流路
１２ 溝
１４ 溝

Claims (8)

1. 電解装置用のバイポーラプレート（２）であって、中心領域（３）、並びに、中心領域（３）を囲む周辺領域（５）からなり、前記中心領域（３）は金属板（４）からなり、前記周辺領域（５）は合成樹脂フレーム（６）で成形され、さらに、前記合成樹脂フレーム（６）は熱可塑性樹脂で成形され、前記金属板（４）の周りに成形され、ここで、分配流路（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）の間には、前記合成樹脂フレーム（６）の高い剛性と強度を実現するために複数のリブ要素（１０）が設けられることを特徴とする、バイポーラプレート。
2. 合成樹脂フレーム（６）にのみ作動媒体用の分配流路（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）が一体結合され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。
3. 合成樹脂フレーム（６）に少なくとも一つの溝（１２、１４）がシール部材の挿入用に設けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載のバイポーラプレート。
4. 合成樹脂フレーム（６）にシール部材が成形されたことを特徴とする、請求項３に記載のバイポーラプレート。
5. 合成樹脂フレーム（６）が複数の種類の合成樹脂を含むことを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１つに記載のバイポーラプレート。
6. 前記金属板（４）がチタン製又はステンレス鋼製であることを特徴とする、請求項１ないし５のいずれか１つに記載のバイポーラプレート。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（２）を少なくとも１枚有する電解装置。
8. 前記金属板（４）が加工され、合成樹脂フレーム（６）が前記金属板（４）の周りに成形される、請求項１ないし６のいずれか１つに記載のバイポーラプレート（２）の製造方法。

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