JP6894509B2 - 燃料電池のためのバイポーラプレート及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配範囲と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配範囲とを含む、燃料電池のためのバイポーラプレートに関するものである。本発明は、膜によって互いに分離された、第１の電極と第２の電極を有する少なくとも１つの膜電極ユニットと、少なくとも１つのバイポーラプレートとを含む燃料電池に関するものでもある。

燃料電池は、連続的に供給される燃料及び酸化剤の化学的な反応エネルギーを電気的なエネルギーへ変換するガルバニ電池である。したがって、燃料電池は、電気化学式の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）及び酸素（Ｏ２）が水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギー及び熱へ変換される。

電気分解装置は、電気エネルギーを用いて水（Ｈ２Ｏ）を水素（Ｈ２）及び酸素（Ｏ２）へ分解する電気化学式のエネルギー変換装置である。

とりわけ、プロトン交換膜（Proton-Exchange-Membran＝ＰＥＭ）燃料電池が知られている。プロトン交換膜燃料電池は中央に配置された膜を備えており、この膜は、プロトン、すなわち水素イオンについて透過性を有している。これにより、酸化剤、特に大気酸素は、空間的に燃料、特に水素から分離されている。

プロトン交換膜燃料電池は、更にアノード及びカソードを備えている。燃料は、燃料電池のアノードに供給され、電子をプロトンへ放出しつつ触媒作用により酸化される。プロトンは、膜を通してカソードへ至る。放出された電子は、燃料電池から排出され、外部の電流回路を介してカソードへ流れる。

酸化剤は、カソードにおいて燃料電池へ供給され、外部の電流回路からの電子と、膜を通してカソードへ至るプロトンとを取り込むことで反応して水となる。このように生じた水は、燃料電池から排出される。全体的な反応は以下のとおりである：
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ

ここで、燃料電池のアノードとカソードの間には電圧が生じている。電圧を高めるために、複数の燃料電池は、機械的に相前後して燃料電池スタックへ配置されることができるとともに、電気的に直列に接続されることができる。

アノードへの燃料の均等な分配及びカソードへの酸化剤の均等な分配のために、バイポーラプレートが設けられている。バイポーラプレートは、電極への燃料及び酸化剤の分配のために、例えば通路状の構造を備えている。通路状の構造は、更に反応時に生じる水の排出にも寄与するものである。バイポーラプレートは、熱を放出するために燃料電池を通して冷却液体を通過させるための構造を更に備えることが可能である。

特許文献１から、２つのプレート半部から構成されている同種のバイポーラプレートを有する燃料電池が知られている。ここで、両プレート半部のそれぞれは、反応ガスを分配するために設けられた分配範囲を備えている。

特許文献２からも、燃料電池のためのバイポーラプレートが知られている。ここで、バイポーラプレートは、例えば溝として形成された蛇行状の通路を備えている。このとき、この蛇行状の通路は、水素又は酸素を燃料電池へ導入するために用いられる。

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

第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配範囲と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配範囲とを含む、燃料電池のためのバイポーラプレートが提案される。しかし、バイポーラプレートは、他の電気化学的なエネルギー変換装置、例えば電気分解装置においても用いられることが可能である。

このとき、本発明によれば、分配範囲には、少なくとも１つの織物が設けられている。織物の適切な配置及び形成により、分配範囲において反応ガスを分配するための目的に合った構造を形成することが可能である。

好ましくは、織物は、酸化剤を第２の電極へ分配するため、及び反応時に生じた水を排出するために用いられる第２の分配範囲に設けられる。しかし、これに代えて、又はこれに加えて、織物は、燃料を第１の電極へ分配するための第１の分配範囲にも設けられることが可能である。

本発明においては、織物は、互いに編み合わされたワイヤ、糸又は繊維で形成された構造と理解され得る。このとき、織物は、比較的平坦に形成されている。したがって、織物は、織物平面を規定する平面において、この織物平面に対して垂直な１つの方向よりも明らかに更に延在している。

このとき、本発明の有利な一形態によれば、織物は多孔性に形成されている。したがって、織物は、上記織物平面に対して平行な方向において、織物平面に対して垂直な方向と同様に、酸化剤、燃料及び排出されるべき水について透過性を有している。

好ましくは、織物は導電的に形成されている。これにより、織物は、電極に対する導電的な接続を形成している。したがって、織物は、電気化学的な反応時に燃料電池において遊離する電子を導くことができる。

本発明の有利な一形態によれば、織物は、少なくとも１つの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ものである。金属を含む繊維のための考えられる材料として、例えばチタン、銅、アルミニウム又は特殊鋼が適している。

本発明の有利な別の一形態によれば、織物は、少なくとも１つの炭素を含む繊維を有している。炭素を含む繊維は、特に耐腐食性を有するとともに、織物の必要な機械的な安定性を更に高めるものである。

本発明の有利な更なる一形態によれば、織物は、少なくとも１つの合成樹脂を含む繊維を有している。合成樹脂を含む繊維は、他の材料から成る繊維と比較して比較的軽量であり、したがって織物の重量を軽減するものである。

本発明の考えられる一形態によれば、織物は、１種類のみの繊維を備えている。

本発明の他の考えられる一形態によれば、織物は、異なる少なくとも２種類の繊維を備えている。

本発明の有利な発展形成によれば、分配範囲には、少なくとも２つの織物が重なり合ってスタックされている。このとき、重なり合ってスタックされた織物は、同様に構成され、かつ、形成されることが可能である。しかし、重なり合ってスタックされた織物は、異なる態様で形成されることも可能である。例えば、重なり合ってスタックされた織物は、様々な材料で製造されることができるか、又は様々な多孔性を有することができる。

膜によって互いに分離された、第１の電極と第２の電極を有する少なくとも１つの膜電極ユニットと、少なくとも１つの本発明によるバイポーラプレートとを含む燃料電池も提案される。特に、燃料電池は、バイポーラプレートがそのつど両側で膜電極ユニットへ接続されるように構成されている。

織物は、極度に開放気孔状であり、したがって高い多孔性を有している。織物の製造に際して用いられる材料の適当なバリエーションにより、織物は、存在する条件及び要求に適合されることが可能である。織物の構造は、非常に容易に変更可能である。例えば、織物は、流れ方向において、始端部では終端部より小さな孔が形成されるように構成されることが可能である。特に発泡材に比べて、織物は、非常に単純かつ安価に製造されることも可能である。ガスが織物を通過するときには、織物平面に対して垂直なガス流について比較的わずかな圧力損失しか生じない。織物の、織物と隣り合うカソードとの比較的少ない接触点のみが存在するため、カソードにおける水の蓄積は大きく回避される。有利には、異なる材料を所望の特別な特性と組み合わせることが可能である。例えば、良好な導電性を有する金属製の繊維と炭素を含む繊維との組合せが考えられ、これら繊維は、より良好な耐腐食性を有している。加えて、一方では耐腐食性を有し、他方では織物の湿潤特性を設定し得るコーティングも考えられる。織物の高さ、すなわち織物平面に対して垂直な延長は、例えばより厚い繊維を用いることで、分配範囲の高さに適合されることが可能である。他の可能性は、複数の薄いワイヤ状の織物を積み重ねることである。これにより、高さにわたって様々な材料の使用も可能となる。

本発明の実施形態を、図面及び以下の説明に基づいて詳細に説明する。

複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの概略的な図である。 第１の実施形態による、バイポーラプレートの分配範囲のための織物を示す図である。 第２の実施形態による、バイポーラプレートの分配範囲のための織物を示す図である。 図１に基づく燃料電池スタックのバイポーラプレートを拡大して概略的に示す図である。

本発明の実施形態の以下の説明では、同一又は類似の要素が同一の符号で示されており、個々の具体例におけるこれら要素の繰り返しの説明は省略する。各図は、本発明の対象を概略的にのみ図示している。

図１には、複数の燃料電池２を有する燃料電池スタック５の概略的な図が示されている。各燃料電池２は膜電極ユニット１０を備えており、この膜電極ユニットは、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の互いに反対側に配置されており、したがって、膜１８によって互いに分離されている。第１の電極２１を以下ではアノード２１と呼び、第２の電極２２を以下ではカソード２２と呼ぶ。膜１８は、高分子電解質膜として形成されている。膜１８は、水素イオン、したがってＨ^＋イオンに対して透過性を有している。

各燃料電池２は更に２つのバイポーラプレート４０を備えており、これらバイポーラプレートは、両側で膜電極ユニット１０に接続されている。燃料電池スタック５における複数の燃料電池２のここで図示した配置においては、各バイポーラプレート４０は、互いに隣り合って配置された２つの燃料電池２に属するものとみなされることができる。

バイポーラプレート４０は、それぞれ、アノード２１に対向する、燃料電池を分配するための第１の分配範囲５０を含んでいる。バイポーラプレート４０は、それぞれ、カソード２２に対向する、酸化剤を分配するための第２の分配範囲６０も含んでいる。第２の分配範囲６０は、同時に、燃料電池２における反応時に生じる水を排出するために用いられる。

バイポーラプレート４０は更に第３の分配範囲７０を含んでおり、この第３の分配範囲は、第１の分配範囲５０と第２の分配範囲６０の間に配置されている。第３の分配範囲７０は、バイポーラプレート４０を通して冷媒を通過させ、これにより燃料電池２及び燃料電池スタック５を冷却するために用いられる。

第１の分配範囲５０と第３の分配範囲７０は、第１の分離プレート７５によって互いに分離されている。第２の分配範囲６０と第３の分配範囲７０は、第２の分離プレート７６によって互いに分離されている。ここでは、バイポーラプレート４０の分離プレート７５，７６は、薄い金属製の薄板として形成されている。

燃料電池２の動作時には、燃料は、第１の分配範囲５０を介してアノード２１へ導かれる。同様に、酸化剤は、第２の分配範囲６０を介してカソード２２へ導かれる。燃料、ここでは水素は、アノード２１において、電子をプロトンへ放出しつつ触媒作用により酸化される。プロトンは、膜１８を通してカソード２２へ至る。放出された電子は、燃料電池２から排出され、外部の電流回路を介してカソード２２へ流れる。酸化剤、ここでは大気酸素は、外部の電流回路からの電子と、膜１８を通してカソード２２へ至るプロトンとを取り込むことで反応して水となる。

図２には、第１の実施形態による、バイポーラプレート４０の分配範囲５０，６０のための織物８０が示されている。第１の実施形態による織物８０は、金属を含む複数の繊維８１及び炭素を含む複数の繊維８２を備えている。図示においては、それぞれ１つのみの上述の繊維８１，８２が示されている。

繊維８１，８２は、平坦に形成された構造へ編み合わされている。このとき、第１の実施形態による織物８０は、主に、法線方向Ｎに対して直交する織物平面において延在している。

図３には、第２の実施形態による、バイポーラプレート４０の分配範囲５０，６０のための織物８０が示されている。第２の実施形態による織物８０は、金属を含む複数の繊維８１、炭素を含む複数の繊維８２及び合成樹脂を含む複数の繊維８３を備えている。図示においては、それぞれ１つのみの上述の繊維８１，８２，８３が示されている。

繊維８１，８２，８３は、平坦に形成された構造へ編み合わされている。このとき、第２の実施形態による織物８０は、主に、法線方向Ｎに対して直交する織物平面において延在している。このとき、第２の実施形態による織物８０は、図２に図示された第１の実施形態による織物８０よりも更に法線方向Ｎへ延在している。

図４には、図１に基づく燃料電池スタック５のバイポーラプレート４０が拡大して概略的に図示されており、このバイポーラプレートは、２つの膜電極ユニット１０の間に配置されている。分離プレート７５，７６は、平坦で薄い金属製の薄板として形成されているとともに、互いの間で、冷媒を通過させるための第３の分配範囲７０を形成する。第１の分離プレート７５と、隣り合う膜電極ユニット１０のアノード２１との間には、第１の分配範囲５０が存在している。第２の分離プレート７６と、他の隣り合う膜電極ユニット１０のカソード２２との間には、第１の分配範囲５０が存在している。

燃料、ここでは水素は、第１の流れ方向４３へ、第１の分配範囲５０において導かれる。酸化剤、ここでは大気酸素は、第２の流れ方向４４へ、第２の分配範囲６０において導かれる。ここでは、第１の流れ方向４３及び第２の流れ方向４４は互いに平行に延びている。第１の流れ方向４３と第２の流れ方向４４が互いに逆に延びているか、又は互いに直交して延びていることも考えられる。

酸化剤を分配するため、及び反応時に燃料電池２において生じる水を排出するための第２の分配範囲６０には、第２の実施形態による織物８０が配置されている。織物８０は、第２の分離プレート７６から第２の分配範囲６０を通って隣り合う膜電極ユニット１０のカソード２２まで延在している。織物８０の法線方向Ｎは、第１の流れ方向４３及び第２の流れ方向４４に対して直交して延びている。

このとき、織物８０は、多孔性であり、したがって、導入される酸化剤に対して透過性を有している。織物８０は、導電性を有し、したがって、第２の分離プレート７６とカソード２２の間の導電的な結合を形成している。

本発明は、ここに記載した実施例及びこれにおいて強調される態様に制限されていない。むしろ、各請求項に記載された範囲内で、当業者の実務の範囲にある多数の変更が可能である。

２ 燃料電池
５ 燃料電池スタック
１０ 膜電極ユニット
１８ 膜
２１ 電極（アノード）
２２ 電極（カソード）
４０ バイポーラプレート
４３ 第１の流れ方向
４４ 第２の流れ方向
５０ 第１の分配範囲
６０ 第２の分配範囲
７０ 第３の分配範囲
７５ 第１の分離プレート
７６ 第２の分離プレート
８０ 織物
８１ 繊維
８２ 繊維
８３ 繊維
Ｎ 法線方向

Claims (9)

1. 燃料電池（２）のためのバイポーラプレート（４０）であって、
   第１の電極（２１）へ燃料を分配するための第１の分配範囲（５０）と、
   第２の電極（２２）へ酸化剤を分配するための第２の分配範囲（６０）と、
   を含む、前記バイポーラプレート（４０）において、
   前記分配範囲（５０，６０）のうち少なくとも１つに少なくとも１つの織物（８０）が設けられていて、
   少なくとも２つの織物（８０）が前記分配範囲（５０，６０）において互いに上下に重ねられていることを特徴とするバイポーラプレート。
2. 前記織物（８０）が、多孔性に形成されてい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（４０）。
3. 前記織物（８０）が、導電的に形成されてい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（４０）。
4. 前記織物（８０）が、少なくとも１つの金属を含む繊維（８１）を備えていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート（４０）。
5. 前記織物（８０）が、少なくとも１つの炭素を含む繊維（８２）を備えていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート（４０）。
6. 前記織物（８０）が、少なくとも１つの合成樹脂を含む繊維（８３）を備えていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート（４０）。
7. 前記織物（８０）が、１つの種類のみの繊維（８１，８２，８３）を備えていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート（４０）。
8. 前記織物（８０）が、少なくとも２つの異なる種類の繊維（８１，８２，８３）を備えていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載のバイポーラプレート（４０）。
9. 膜（１８）によって互いに分離された、第１の電極（２１）と第２の電極（２２）を有する少なくとも１つの膜電極ユニット（１０）と、請求項１から８までのいずれか１項に記載の少なくとも１つのバイポーラプレート（４０）とを含む、燃料電池（２）。

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