(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン交換膜式の燃料電池用の、シーラント（５０，７０）とバイポーラ板（１）との組立体であって、前記バイポーラ板（１）がプロトン供与燃料を移送するための第一の流路（２０）を備える陽極側と、プロトン受容流体を移送するための第二の流路（１２）を備える陰極側とを有し、前記シーラント（５０，７０）が前記バイポーラ板と隣接する電解膜（４０）との間のシールをするために、前記バイポーラ板（１）にお互いに平行して備えられているシーラント（５０，７０）とバイポーラ板（１）との組立体において、
前記シーラント（５０，７０）が流路（５４ａ，５４ｂ，７４ａ，７４ｂ）を提供する波形形状を有しており、前記バイポーラ板が前記電解膜の間で使用されているとき、前記流路（５４ａ，５４ｂ，７４ａ、７４ｂ）は、プロトン供与燃料又はプロトン受容流体が前記シーラントを横切ってかつ前記バイポーラ板に沿って移送されるように、前記シーラント（５０，７０）を横断していて、
前記シーラントがエラストマーであり、
ａ）前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池に流入するための流路を形成している貫通する入口穴（２）を有していて、前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池から流出するための流路を形成している貫通する出口穴（４）を有しており、
ｂ１）前記陰極側が、オキシダントガス用の入口流路を形成している一つ以上の溝（６）を備えている一つの縁部分（１０ａ）を有していて、前記陰極側は、オキシダントガス用の出口流路を形成する一つ以上の溝（８）を備えているもう一つの縁部分（１０ｂ）を有しており、前記入口流路の溝および前記出口流路の溝はそれぞれの前記縁部分の縁に延在していて、前記陰極側がオキシダントガス用の流路を形成している一つ以上の溝（１２）を有していて、前記一つ以上の溝（１２）はオキシダントガス用の入口流路とオキシダントガス用の出口流路とを接続しており、
ｂ２）前記陽極側が、前記入口穴（２）の内部から延伸している一つ以上の溝（１６）の形状である水素ガス用の入口流路を有していて、前記陽極側は、前記出口穴（４）の内部から延伸している一つ以上の溝（１８）の形状である水素ガス用の出口流路を有しており、そして前記陽極側が水素用の流路を形成する一つ以上の溝（２０）を有していて、前記溝（１６，２０，１８）は、水素ガス用の入口穴（２）から水素ガス用の出口穴（４）への水素の流体連通を提供しており、
ｃ）前記バイポーラ板における、前記陽極側及び前記陰極側との両方が、シーラントを受け入れるシーラントの溝（１４，１４ａ，１４ｂ）を備えていて、前記シーラントの溝は、ガスがオキシダントガス用の前記入口流路、オキシダントガス用の前記出口流路、水素ガス用の前記入口流路及び水素ガス用の前記出口流路以外からは漏洩することを効率よく防止するためにシーラントを受け入れることができるように、前記バイポーラ板の前記縁に沿って延在しており、前記シーラントの溝（１４ａ）が前記陰極側に設けられている場合、前記シーラントの溝（１４ａ）は、オキシダントガス用の前記入口流路の溝（６）及びオキシダントガス用の前記出口流路の溝（８）と交差していて、前記シーラントの溝（１４ｂ）が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝（１４ｂ）は、溝（１６）により形成されている水素ガス用の前記入口流路を介して流入する水素の前記流路と交差しており、前記シーラントの溝が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、溝（１８）により形成されている水素ガスの出口流路を介して流出する水素ガスの流路と交差している、
ことを特徴とするシーラント（５０，７０）とバイポーラ板（１）との組立体。
【請求項２】
前記第一の流路（２０）又は前記第二の流路（１２）又は前記第一の流路（２０）及び前記第二の流路（１２）とが前記シーラント（５０，７０）により囲まれている、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
前記シーラントの溝（１４，１４ａ，１４ｂ）が前記バイポーラ板（１）の縁全体に沿っている、請求項２に記載の組立体。
【請求項４】
請求項１−３のいずれか一項に記載の組立体のためのバイポーラ板。
【請求項５】
オキシダントガス用の前記入口流路を形成する前記溝（６）の数が２−２０である請求項４に記載のバイポーラ板。
【請求項６】
オキシダントガス用の前記出口流路を形成する前記溝（８）の数が、２−３０である請求項４又は５に記載のバイポーラ板。
【請求項７】
水素用の前記入口穴（２）から前記溝（２０）への流路を提供する溝（１６）の数が、１−１０である請求項４−６のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
【請求項８】
水素用の前記出口穴（４）から前記溝（２０）への流路を提供する溝（１８）の数が、１−１０である請求項４−７のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
【請求項９】
前記特徴ｃ）が、前記バイポーラ板における前記陽極側と前記陰極側とにシーラントの溝を含んでいる、請求項４−８のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
【請求項１０】
前記バイポーラ板は、炭素、結合剤を含んでいる炭素粉末、金属、耐蝕性のコーティングを備えた金属、合金、耐蝕性のコーティングを備えた合金、導電性のエラストマー配合物、及び導電性のセラミック材料のグループから選択された材料で作られている、請求項４−９のいずれか一項に記載のバイポーラ板。
【請求項１１】
請求項４−１０のいずれか一項に記載のバイポーラ板の製造方法であって、
ｉ）前記バイポーラ板の所望する寸法に一致する寸法を有している材料を準備する段階と
ｉｉ）ＣＮＣ研削機械で余分な材料を研削し、所望する構造にする段階と、
ｉｉｉ）選択的に耐蝕性の被膜をバイポーラ板のコーティングする段階と、
を含んでいる、バイポーラ板の製造方法。
【請求項１２】
請求項４−１０のいずれか一項に記載のバイポーラ板の製造方法であって、
ｉ）成形及び／又は鋳造に適切な材料を準備する段階と、
ｉｉ）前記材料を前記バイポーラ板の所望する構造に成形する段階と、
ｉｉｉ）選択的に耐蝕性の被膜を前記バイポーラ板にコーティングする段階と、
を含んでいる、バイポーラ板の製造方法。
【請求項１３】
請求項４−１０のいずれか一項に記載のバイポーラ板の前記陰極側をシールするためのシーラント（５０）において、前記シーラントは前記バイポーラ板の前記陰極側の前記シーラントの溝（１４ａ）の中に受容されるようになっていて、そして前記縁部分（１０ａ，１０ｂ）に沿って延在している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっている部分（５２ａ，５２ｂ）における前記シーラントが、オキシダントガス用の前記入口流路の溝とオキシダントガス用の前記出口流路の溝とを有しており、一つ以上の切り欠き（５４ａ，５４ｂ）を有していて、オキシダントガスがオキシダントガス用の前記入口流路と出口流路それぞれを介して前記シーラントを通過できるようになっている、
シーラント。
【請求項１４】
前記シーラントにおける前記切り欠き（５４ａ，５４ｂ）の数が、オキシダントガス用の前記入口流路を形成する前記溝（６）の数及びオキシダントガス用の前記出口流路を形成する前記溝（８）の数それぞれに一致している、請求項１３に記載のシーラント。
【請求項１５】
請求項４−１０のいずれか一項に記載の前記陽極側をシールするためのシーラント（７０）において、前記シーラントが前記バイポーラ板の前記陽極側の前記シーラントの溝（１４ｂ）の中に受容されるようになっていて、
前記入口流路の溝（１６）と前記溝（２０）とを接続している水素ガスの前記流路と交差している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっている部分（７２）における前記シーラントは、一つ以上の切り欠き（７４ａ）を有しており、その切り欠きは水素ガスが前記水素ガス用の入口流路を形成する前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしていて、
そして、
前記出口流路の溝（１８）と前記溝（２０）とを接続している水素ガス用の流路と交差している前記シーラントの中へ受容されるようになっている部分（７６）における前記シーラントは、一つ以上の切り欠き（７４ｂ）を有しており、その切り欠きは、水素ガスが前記水素ガス用の出口流路を形成する前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしている、シーラント。
【請求項１６】
前記シーラントの前記切り欠き（７４ａ，７４ｂ）の数は、水素ガス用の前記入口流路を形成している溝（１６）の数と一致している、請求項１５に記載のシーラント。
【請求項１７】
前記シーラントは、炭化水素ゴム、置換炭化水素ゴム、フルオロ炭化水素ゴム、及びシリコンゴムのグループから選択された材料で作られている請求項１３−１６のいずれか一項に記載のシーラント。
【請求項１８】
前記シーラント材料が耐蝕性にすぐれ及び／又は水素の通過を防ぐことにすぐれている、請求項１７に記載のシーラント。
【請求項１９】
請求項１３−１８のいずれか一項に記載のシーラントの製造方法であって、
前記シーラント材料が前記シーラントの所望する構造に成形される段階を含んでいる、製造方法。
【請求項２０】
請求項４−１０のいずれか一項に記載の一つ以上のバイポーラ板と、請求項１３−１８のいずれか一項に記載の一つ以上のシーラントとを備えている、プロトン交換膜式の燃料電池スタック（９０）。
【請求項２１】
請求項２０に記載の燃料電池スタックを備えているプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置（１００）において、
前記プロトン交換膜式の燃料電池スタックは、二つの独立した部屋（１０４，１０６）が形成されている容器（１０２ａ，１０２ｂ）に格納されており、前記二つの独立した部屋（１０４，１０６）の第一の部屋（１０４）は、燃料電池スタックの酸素用の入口流路（６）を有している縁部分（１０ａ）を備えている側に設けられていて、前記二つの独立した部屋（１０４，１０６）の第二の部屋（１０６）は、燃料電池スタックの酸素用の前記出口流路を有している縁部分（１０ｂ）を備えている側に設けられていて、前記第一の部屋及び第二の部屋は、それぞれ酸素用の入口マニホールド及び酸素用の出口マニホールドを形成している、
プロトン交換膜式の燃料電池スタック装置。
【請求項２２】
請求項２０に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は請求項２１に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を使用した発電方法及び／又は発熱方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は請求項２１に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を予備電源装置として使用する方法。
【請求項２４】
請求項２０に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は請求項２１に記載のプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を連続的な発電装置として使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプロトン交換膜式の燃料電池用のバイポーラ板に関する。さらに、本発明はプロトン交換膜式の燃料電池スタックにおけるプレートを効率良くシールするためのシーラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
流路は、クリーンで電気エネルギ及び熱への変換効率のよい装置である。この数十年の間に、異なるタイプの技術が開発されてきた。その中で注目されている技術の一つは、いわゆるプロトン交換膜式の燃料電池である。
【０００３】
プロトン交換膜式の燃料電池は、陽極と陰極とそれらの間に挟さまれたプロトン交換膜とを備えている。プロトン交換膜は、陽極に対面する側と陰極に対面する側とに触媒を備えている。プロトン交換膜式の燃料電池の原理は、陽極に対面しているプロトン交換膜の側に供給されている水素が、陽極に対面しているプロトン交換膜の側の触媒により下記化学反応を起こすことによるものである。
（１）陽極反応      Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
【０００４】
陽極は導電性の材料で作られているので、膜の陽極側で発生された電子を移動させ、プロトン交換膜の陽極側で発生されたプロトンは膜を通過してゆく。
【０００５】
酸素（又は空気）が膜の陰極側に供給される。電気負荷が燃料電池の陰極と陽極との間に接続されると、電気回路が形成され、陽極で発生された電子がこの電気負荷を介して陰極に移動してゆく。膜の陰極に対面している側における触媒により、膜の陰極側に供給された酸素は膜を通過してきたプロトン及び陰極に移動してゆく電子と反応し、反応式は以下のとおりである。
（２）陰極での反応：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ＋発熱
【０００６】
ここで、プロトン交換膜式の燃料電池で実際に起っている反応は以下のとおりである。
（３）２Ｈ2Ｏ＋Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋電力＋発熱
【０００７】
一つのプロトン交換膜式の燃料電池は１．２３Ｖの電圧を発生する。より高い電圧を発生するためには、通常多数のプロトン交換膜式の燃料電池を直列に接続していて、いわゆるプロトン交換膜式の燃料電池スタックと呼ばれている。燃料電池スタックは、経済的理由から、一つの流路の陰極を対応するスタックの隣接している流路の陽極に結合している。このことは、バイポーラ板を採用することにより達成されている。バイポーラ板は二つの側面をもつ板であって、一方の側面が一つの流路の陽極として作用し、他方の側面は対応する燃料電池スタックにおける隣接する流路の陰極として作用している。
【０００８】
プロトン交換膜式の燃料電池は非常に不安定なものであって、陽極に供給される水素には、別のガスが含まれていてはならない。さらに、陰極側に発生された熱に関して、燃料電池スタックを最適性能を維持する規定温度以下にするために陰極側を冷却しなければならない。燃料電池スタックの陰極側は酸素（又は空気）により冷却されてもよい。この場合、酸素の量は各セルの陽極側に供給される水素の量より大いものとなる。別の冷却方法はスタックの内部の冷却回路により実行されるものである。
【０００９】
前述の検針にもとづいて、近年、プロトン交換膜式の燃料電池の研究開発は、燃料電池の特定な物理的デザイン、詳しくはバイポーラ板の物理的デザインに焦点があてられてきた。
【００１０】
特許文献１はスタク構造におけるバイポーラ板を開示していて、バイポーラ板は、酸素と水素との電極の間に挟さまれていて、電極はバイポーラ板により隔離された電解液の容器に隣接している。電極はグリッド状のチャンネルで形成され、その製造方法が複雑で高価なものである。
【００１１】
より簡単な構造が特許文献２に開示されていて、バイポーラ板は正方形のＯ−リングとして形成されたエラストマー製のシーラントにより電極に対してシールされている。これらのＯ−リングは、酸素又は水素の漏洩を防いだが、製造方法が複雑なものとなっている。
【００１２】
特許文献３は、バイポーラ板の端から端まで連らなっているチャンネルを有しているバイポーラ板を備えたバイポーラスタック構造を開示している。チャンネルは繊維複合材料の板により電解液に対してシールされている。気密構造を達成するために、繊維複合材料の寸法精度が要求され、その製造方法は複雑なものとなっている。
【００１３】
前述したように、従来多くの異なるバイポーラ板の構造が開示されてきた。しかしながら、これらの開示された構造は技術的な要求を満足しているものの、構造が複雑で製造コストが高価なものとなっている。さらに、バイポーラ板に加えて冷却板が燃料電池スタックに含まれている場合、特に顕著なものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／００５９６６４号明細書
【特許文献２】国際公開第２００７／００３７５１号パンフレット
【特許文献３】国際公開第０３／００７７３４１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、前述の欠点を克服したプロトン交換膜式の燃料電池用のバイポーラ板を提供することであり、かつ本発明におけるバイポーラ板に使用するのに適したシーラントを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本目的は、プロトン交換膜式の燃料電池用の、シーラントとバイポーラ板との組立体により達成されていて、前記バイポーラ板が陽極側又は陰極側又は陽極側と陰極側とを有していて、前記陽極側はプロトン供与燃料を移送するための第一の流路を備えており、前記陰極側はプロトン受容流体を移送するための第二の流路を備えていて、前記シーラントが好ましくはエラストマシーラントであって、前記バイポーラ板と隣接する電解膜との間のシールをするために、前記バイポーラ板にお互いに平行して備えられているシーラントとバイポーラ板との組立体において、
前記シーラントが流路を有しており、前記流路は、プロトン供与燃料又はプロトン受容流体が前記シーラントを横切ってかつ前記バイポーラ板に沿って移送されるように、前記シーラントを横断していることを特徴としている。
【００１７】
例えば、Ｏ−リングのようなシーラントをチャンネルに設けることにより、燃料の出入口又は流体の出入口を囲む気密なシールが簡単に達成される。従って、製作精度を必要とせずに、製造プロセスも簡単で、製造コストも安価なものとなっている。流路は切り欠きが設けられてもよくて、この場合用語「切り欠き」は必ずしも流路が完全に切り欠かれていることを意味するものではなくて、切り欠き状のものであればよい。好適な製造方法はエラストマー製のシーラントを成形することであって、シーラントは二つの成形部分の間に成形されていて、一方の成形部分は波形形状である。成形されたシーラントの波形形状は、流体である水素ガス及び空気が出入りする流路を提供している。
【００１８】
好適な実施形態において、第一のチャンネル又は第二のチャンネル又は両者は、シーラントに囲まれている。すなわち、シーラントが、例えばバイポーラ板の縁部分に沿って延在し、チャンネルを形成している。シーラントを所定位置に保持するために、バイポーラ板は溝を備えていてもよくて、その溝は、例えば浅い凹部又は深い溝である。
【００１９】
これに限定するものではないが、前述したように、プロトン交換膜式の燃料電池用の新規なバイポーラ板が結合体として使用されていて、前記バイポーラ板は陽極側と陰極側とを有しており、
ａ）前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池に流入するための流路を形成している貫通する入口穴を有していて、前記バイポーラ板は、水素ガスが前記プロトン交換膜式の燃料電池から流出するための流路を形成している貫通する出口穴を有しており、および
ｂ１）前記陰極側がオキシダントガス用の入口流路を形成している一つ以上の溝を備えている一つの縁部分を有していて、前記陰極側は、オキシダントガス用の出口流路を形成する一つ以上の溝を備えているもう一つの縁部分を有しており、前記入口流路の溝及び前記出口流路の溝はそれぞれの前記縁部分の縁に延在していて、前記陰極側がオキシダントガス用の流路を形成している一つ以上の溝を有していて、前記一つ以上の溝はオキシダントガス用の入口流路とオキシダントガス用の出口流路とを接続しており、及び／又は
ｂ２）前記陽極側が、前記入口穴の内部から延伸している一つ以上の溝の形状である水素ガス用の入口流路を有していて、前記陽極側は、前記出口穴の内部から延伸している一つ以上の溝の形状である水素ガス用の入口流路を有していて、前記陽極側は、前記出口穴の内部から延伸している一つ以上の溝の形状である水素ガス用の出口流路を有しており、そして前記陽極側が水素用の流路を形成する一つ以上の溝を有していて、前記溝は、水素ガス用の入口穴から水素ガス用の出口穴への水素の流体連通を提供しており、そして、
ｃ）前記バイポーラ板における、前記陽極側、又は陰極側、又は前記陽極側及び前記陰極側との両方が、シールを受け入れるシーラントの溝を備えていて、前記シーラントの溝は、ガスが前記チャンネル以外からは漏洩することを効率よく防止するためにシーラントを受け入れることができるように、前記バイポーラ板の前記縁に沿って延在しており、前記シーラントの溝が前記陰極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、オキシダントガス用の前記入口流路の溝及びオキシダントガス用の前記出口流路の溝と交差していて、前記シーラントの溝が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、溝により形成されている水素ガス用の前記入口流路を介して流入する水素の前記流路と交差しており、前記シーラントの溝が前記陽極側に設けられている場合、前記シーラントの溝は、溝により形成されている水素ガスの出口流路を介して流出する水素ガスの流路と交差していることを特徴とする、
バイポーラ板。
【００２０】
本発明は、バイポーラ板の製造方法にも関する。
【００２１】
以下に、前述したようなバイポーラ板の前記陰極側をシールするためのシーラントを説明する。前記シーラントは前記バイポーラ板の前記陰極側の前記シーラントの溝の中に受容されるようになっていて、そして前記縁部分に沿って延在している前記シーラントの溝の前記部分の中に受容されるようになっている部分における前記シーラントが、オキシダントガス用の前記入口流路の溝とオキシダントガス用の前記出口流路の溝とを有しており、一つ以上の切り欠きを有していて、オキシダントガスがオキシダントガス用の前記入口流路と出口流路それぞれを介して前記シーラントを通過できるようになっている。
【００２２】
本発明のさらなる実施形態は前述したような前記陽極側をシールするためのシーラントに関するものである。前記シーラントが前記バイポーラ板の前記陽極側の前記シーラントの溝の中に受容されるようになっていて、
前記入口流路の溝と前記溝とを接続している水素ガス用の前記流路と交差している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっている部分における前記シーラントは、一つ以上の切り欠きを備えており、その切り欠きは水素ガスが前記水素ガス用の入口流路を形成する前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしていて、
そして、
前記出口流路の溝と前記溝とを接続している水素ガス用の前記流路と交差している前記シーラントの溝の中に受容されるようになっている部分における前記シーラントは、一つ以上の切り欠きを備えており、その切り欠きは水素ガスが前記水素ガス用の出口流路を形成する前記溝を介して前記シーラントを通過することを可能にしている。
【００２３】
本発明のさらなる実施形態は、シーラントの製造方法に関するものである。
【００２４】
本発明のさらなる実施形態は、一つ以上のバイポーラ板と、一つ以上のシーラントとを備えている、プロトン交換膜式の燃料電池スタックに関するものである。
【００２５】
本発明のさらなる実施形態は、プロトン交換膜式の燃料電池スタック装置に関するものである。プロトン交換膜式の燃料電池スタックは燃料電池スタックを備えていて、前記プロトン交換膜式の燃料電池スタックは、二つの独立した部屋が形成されている容器１０２に格納されており、前記第一の部屋は、燃料電池スタックの酸素用の入口流路を有している縁部分を備えている側に設けられていて、前記第二の部屋は、燃料電池スタックの酸素用の前記出口流路８を有している縁部分を備えている側に設けられていて、前記第一の部屋及び第二の部屋は、それぞれ酸素用の入口マニホールド及び酸素用の出口マニホールドを形成している。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態は、プロトン交換膜式の燃料電池スタック又はプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を使用した発電方法及び／又は発熱方法に関する。
【００２７】
本発明のさらなる実施形態は、プロトン交換膜式の燃料電池スタック又はプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を予備電源装置として使用する方法に関する。
【００２８】
本発明のさらなる実施形態は、プロトン交換膜式の燃料電池スタック又はプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を連続的な発電装置として使用する方法に関する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明におけるバイポーラ板の陽極側の平面図である。
【図２】図２は、本発明におけるバイポーラ板の陰極側の平面図である。
【図３】図３は、本発明におけるバイポーラ板の陽極側をシールするためのシーラントの平面図である。
【図４】図４は、本発明におけるバイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラントの平面図である。
【図５】図５は、本発明におけるバイポーラ板の間に挟さまれた膜の平面図である。
【図６】図６は、一つのサンドイッチ要素の陽極側から見た斜視図であって、左から右に、プロトン交換膜のバイポーラ板の陽極側をシールするためのシーラント、プロトン交換膜のバイポーラ板、プロトン交換膜のバイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラント、および膜である。
【図７】図７は、一つのサンドイッチ要素の陰極側から見た斜視図であって左から右に、膜、プロトン交換膜のバイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラント、プロトン交換膜のバイポーラ板、およびプロトン交換膜のバイポーラ板の陽極側をシールするためのシーラントである。
【図８】図８は、本発明における燃料電池スタックアセンブリの拡大斜視図であって、バイポーラ板と膜とシーラントと端板とを図示している。
【図９】図９は、本発明における燃料電池スタック装置の拡大斜視図であって、燃料電池スタックが容器の中に入れられていて、その容器は二つの独立した区画を備えており、一方の区画は流入する酸素／空気用のマニホールドであって、他方の区画は排出される酸素／空気及び水蒸気のマニホールドである。
【図１０】図１０は、陽極側から見たバイポーラ板の別の実施形態を図示している。
【図１１】図１１は、陰極側から見たバイポーラ板の別の実施形態を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
バイポーラ板
本発明はプロトン交換膜の燃料電池スタックに使用するバイポーラ板を提供するものである。本発明によるバイポーラ板は単純な構造であって、製造が容易であって、従って製造コストが安価である。
【００３１】
本発明によるバイポーラ板は、二つの極を有していて、一方が図１に図示する陽極側である他方が図２に図示する陰極側である。バイポーラ板は貫通している入口穴２と出口穴４とを備えていて、入口穴２は流路に流入する水素ガス用の流路を形成していて、出口穴４は流路から流出する水素ガスの流路を形成している。
【００３２】
数枚のバイポーラ板がプロトン交換膜の燃料電池スタックに積み重ねられる場合、各バイポーラ板の水素ガス用の入口穴はお互いに同一位置となるように配置されていて、各バイポーラ板の入口穴は燃料電池スタックに流入する水素ガス用の流路を形成している。各バイポーラ板の水素ガス用の出口穴はお互いに同一位置となるように配置されていて、各バイポーラ板の出口穴は燃料電池スタックから流出する水素ガス用の流路を形成している。
【００３３】
バイポーラ板は四つの縁部分を有していて、隣接する縁部分はお互いに直交している。そのような構造において、入口穴２及び出口穴４はバイポーラ板の対向している隅に配置されていて、その配置が図１，２に図示されている。代りに、入口穴２及び出口穴４は同一の縁部分に配置されるように隣接する隅に配置されてもよい。
【００３４】
流路のバイポーラ板の陰極側
図２におけるバイポーラ板１の陰極側は、二つの縁部分１０ａ，１０ｂを備えている。一方の縁部分１０ａは、オキシダントガス用の入口流路を形成する一つ以上の溝６を備えている。他方の縁部分１０ｂは、オキシダントガス用の出口流路を形成する一つ以上の溝８を備えている。溝６，８は、縁部分１０ａ，１０ｂそれぞれの全体に延在するように配置されている。従って、バイポーラ板の縁部分における開口部が備えられていて、開口部は、バイポーラ板の陰極側における反応区画に酸素を供給する流路となっていて、さらに反応区画から酸素を排出する流路となっている。
【００３５】
溝６により形成された入口流路と、溝８により形成された出口流路とは溝１２を介して流体連通していて、従って、酸素が入口流路の溝６から溝１２を介してバイポーラ板の陰極側の反応区画に流入し、そして出口流路の溝８を介してバイポーラ板から流出するようになっている。入口流路の溝６を出口流路の溝８に接続している溝１２の形状は重要なものではなくて、自由に選択できるものである。しかしながら、流路１２は酸素をバイポーラ板の陰極側の領域、従って対応する膜の反応区画に効率的に供給する幾何学的形状が好ましく、できるだけ広いことが好ましい。
【００３６】
バイポーラ板は、バイポーラ板の陰極側と陽極側との縁部分にシーラント用の溝１４ａを有していて、そのシーラント用の溝１４ａはシールを受け入れるようになっている。このことが図６，７に図示されている。燃料電池スタックに一体に積み重ねる場合、シーラントの溝１４ａに設けられたシーラントは酸素又は酸素／水蒸気が燃料電池スタックの陰極側（除く流路）からの漏洩を防止している。
【００３７】
シーラントの溝１４ａは、陰極側において水素用の入口穴２を囲んでいて、同様に出口穴４も囲んでいる。シーラントが入口穴２及び出口穴４を囲む場合、入口穴２又は出口穴４を源とする水素は燃料電池スタックのバイポーラ板の陰極側には漏洩しないようになっている。
【００３８】
縁部分１０ａ及び１０ｂにおいて、シーラントの溝１４ａは酸素用の入口流路の溝６及び出口流路の溝８と交差している。しかしながら、後述するように、シーラントに関連する縁部分において、縁部分１０ａ及び１０ｂに対応する位置におけるシーラントは、酸素の通過を可能にする多数の切り欠きを有している。
【００３９】
入口流路の溝６の数は任意に選択されるものである。しかしながら、入口流路の溝の数は、２−２０，４−１８，５−１５，７−１４又は８−１２であって、好ましくは９，１０又は１１である。
【００４０】
出口流路の溝８の数は任意に選択されるものである。しかしながら出口流路の溝の数は、２−３０，５−２５，７−２４，８−２２，１０−１０又は１２−１８であって、好ましくは１３，４，１５，２６又は１７である。
【００４１】
四つの縁部分を有していて、隣接している縁部分がお互いに直交している幾何学的形状のバイポーラ板における好適な実施形態において、入口流路の溝６を備えている縁部分１０ａが出口流路の溝８を備えている縁部分１０ｂに対向して配置されていることが好ましく、その配置が図２に図示されている。しかしながら、縁部分１０ａ，１０ｂの隣接する縁部分は別の実施形態であってもよい。
【００４２】
図２はバイポーラ板の陰極側の平面図である。図２は水素用の入口穴２と水素用の出口穴４とを備えたバイポーラ板１を図示している。さらに、バイポーラ板はその陰極側に酸素用の入口流路を備えていて、その入口流路は縁部分１０ａの端部から延伸している溝６ａ−６ｏの形状である。さらに、陰極側は酸素用の出口流路を備えていて、その出口流路は縁部分１０ｂの端部から延伸する溝８ａ−８ｏの形状である。溝６ａ−６ｏは流路１２を介して溝８ａ−８ｏに接続されている（図２参照）。図２は、バイポーラ板の陰極側のシーラントの溝１４を図示している。シーラントの溝１４ａは陽極側の他のすべての溝（溝６ａ−６ｏ及び８ａ−８ｏの外側部分を除く）を囲んでいて、従ってガスの漏洩が効果的に防止されている。
【００４３】
代りに、図１１ａに図示するように（拡大図１１ｂも含めて）、酸素用の入口流路及び出口流路とは、単にシーラントにより形成されている。溝６ａ−６ｏ及び８ａ−８ｏは必要なくて、製造上は利点のあるものである。
【００４４】
流路のバイポーラ板の陽極側
図１に図示するように、流路の陽極側は、水素ガス用の入口流路１ｂを備えていて、入口流路１６は一つ以上の溝１６の形状であって、それらの溝１６は水素用の入口穴２の内部から延伸している。同様に、陽極側はさらに出口流路を備えていて、出口流路は一つ以上の溝１８の形状であって、それらの溝１８は水素用の出口穴４の内部から延伸している。
【００４５】
さらに、陽極側は水素用の流路２０を有している。流路は、流路の陽極側に供給される水素の効率的に分配するためのものであって、従って、膜の陽極側における対応する反応区画に供給される水素を効率的に分配する。流路２０は入口流路の溝１６を出口流路の溝１８に接続している。
【００４６】
入口流路の溝１６を出口流路の溝１８に接続している溝２０の幾何学的形状は特別なものではなくて、自由に選択できるものである。しかしながら、流路２０は水素をバイポーラ板の陰極側の領域、従って対応する膜の陽極側の反応区画に効率的に供給する幾何学的形状が好ましく、できるだけ広いことが好ましい。
【００４７】
水素用の溝１６，２０，１８は、水素が入口穴２から溝１６及び流路２０を介して水素用の出口穴４に流れることを可能にしている。
【００４８】
バイポーラ板は、バイポーラ板の陽極側とバイポーラ板との縁部分にシーラント用の溝１４ｂを有していて、そのシーラント用の溝１４ｂはシールを受け入れるようになっている。このことが図６，７に図示されている。燃料電池スタックに一体に積み重ねる場合、シーラントの溝１４ｂに設けられたシーラントは水素が燃料電池スタックの陰極側（除く流路）からの漏洩を防止している。
【００４９】
試験は以下のことを示している。もし陰極側のシーラントの形状が陽極側のシーラントの形状に酷似していると、すなわちシールが、バイポーラ板の表面に直交する方向から見てお互いに重なるように配置されている場合、シール性能が最適なものとなる。バイポーラ板の陰極側が水素用の入口穴２及び出口穴４それぞれを囲んでいるシーラントの溝を備えているので、バイポーラ板の陽極側が、水素用の入口穴２及び出口穴４それぞれを囲んでいるシーラントの溝を備えることは好適である。
【００５０】
陽極側において水素用の入口穴２を囲んでいるシーラントの溝を備えることは、シーラントの溝１４ｂが陽極側において入口穴２から入口流路の溝１６を介して流路２０に流入する水素と交差するとの結果をもたらしている。同様に陽極側において水素用の出口穴４を囲んでいるシーラントの溝を備えることは、シーラントの溝１４ｂが、陽極側において流路２０から出口流路の溝１６を介して出口穴に流入する水素と交差するとの結果をもたらしている。
【００５１】
後述するようにシーラントに関連する区画において、水素の流路とシーラントの溝１４ｂとの交差部分に対応する位置におけるシーラントは、水素の通過を可能にする多数の切り欠きを有している。
【００５２】
入口流路の溝１６及び出口流路の溝１８それぞれの数は、自由に選択できるものであって、バイポーラ板の寸法に依存するものである。しかしながら、入口流路の溝１６及び出口流路の溝１８それぞれの数は,１−１０，２−９，３−８，４−７，又は５若しくは６が好ましい。
【００５３】
図１は、本発明におけるバイポーラ板の陽極側の平面図である。図１は、水素用の入口穴２と水素用の出口穴４とを図示している。さらにバイポーラ板は陽極側に水素ガス用の入口流路を備えていて、その入口流路は入口穴２の内部から延伸する溝１６ａ−１６ｇの形状をしている。さらに、陽極側は入口流路を備えていて、出口流路は水素用の出口穴４の内部から延伸する溝１８ａ−１８ｇの形状をしている。図１は、溝１６ａ−１６ｇが流路２０を介して溝１８ａ−１８ｇに接続されていることも図示している。さらに、図１は陽極側におけるシーラントの溝１４ｂも図示している。シーラントの溝１４ｂは陽極側の他のすべての溝を囲んでいるので、ガスが漏洩することを効率的に防止している。
【００５４】
図１０に図示するように、水素用の入口流路はシーラント７０だけで形成されていてもよい。溝１６ａ−１６ｏ及び１８ａ−１８ｏは必要ないけれども製造上は利点がある。
【００５５】
本発明におけるバイポーラ板の一つの実施形態において、バイポーラ板は前述した陽極側の特徴を備えているだけでもよい。
【００５６】
本発明におけるバイポーラ板の他の実施形態において、バイポーラ板は前述した陰極側の特徴を備えているだけでもよい。
【００５７】
本発明におけるバイポーラ板のさらなる他の実施形態において、バイポーラ板は前述した陽極側及び陰極側の特徴を備えているだけでもよい。
【００５８】
本発明におけるバイポーラ板の製造方法
本発明における第二の観点は、バイポーラ板の製造方法である。
【００５９】
バイポーラ板はいずれの適切な材料であってもよい。バイポーラ板の材料は、導電性であって耐蝕性のものであることが重要なことである。適切な材料は、炭素、結合剤を含んでいる炭素粉末、金属、耐蝕性のコーティングを備えた金属、合金、耐蝕性のコーティングを備えた合金、導電性のエラストマー配合物、及び導電性のセラミック材料のグループから選択されてもよい。
【００６０】
バイポーラ板は従来の技術で製造されてもよい。本発明におけるバイポーラ板の製造方法の好適な実施形態は、
ｉ）バイポーラ板の所望する寸法に一致する寸法を有している材料を準備する段階と
ｉｉ）例えばＣＮＣ研削機械で余分な材料を研削し所望する構造にする段階と、
ｉｉｉ）選択的に耐蝕性の被膜をバイポーラ板にコーティングする段階と、
を含んでいる。
【００６１】
バイポーラ板の製造方法の他の好適な実施形態は、
ｉ）成形及び／又は鋳造に適切な材料を準備する段階と、
ｉｉ）材料をバイポーラ板の所望する構造に成形する段階と、
ｉｉｉ）選択的に耐蝕性の被膜をバイポーラ板にコーティングする段階と、
を含んでいる。
【００６２】
本発明におけるバイポーラ板の陰極側と陽極側とをシールするためのシーラント及びその製造プロセス
本発明における第三の観点は、本発明における陰極側をシールするためのシーラントに関するものである。シーラントは、バイポーラ板の陰極側における溝による流路を効率的にシールするために、バイポーラ板の陰極側のシーラントの溝１４ａの中に取り付けるようになっている。部分５２ａ，５２ｂにおけるシーラントは、縁部分１０ａ，１０ｂに沿って延在しているシーラントの溝の部分に適合するものであって、酸素ガス用の入口流路の溝と出口流路の溝とを備えており、そして一つ以上の切り欠き５４ａ，５４ｂを備えていて、切り欠きは、酸素がそれぞれの酸素用の入口流路と出口流路とを介してシーラントを通過することを可能にしている。
【００６３】
バイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラントの好適な実施形態において、シーラントにおける切り欠き５４ａ，５５ｂそれぞれの数は、酸素ガス用の入口流路を形成している溝６の数と、酸素ガス用の出口流路を形成する溝８の数それぞれに一致している。
【００６４】
図４は、バイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラントの平面図である。図４は、図２のバイポーラ板の陰極側のシーラントの溝１４ａの中に完全に適合することを可能にしている形状のシーラント材料を備えている。図４におけるシーラントは縁部分５２ａ及び５２ｂにおける切り欠きチャンネル５４ａ及び５４ｂそれぞれを備えている。切り欠きは酸素ガスが流路を出入りする通路を提供している。
【００６５】
本発明における第四の観点は、本発明における陽極側をシールするためのシーラントに関するものである。シーラントは、バイポーラ板の陽極側における溝による流路を効率的にシールするために、バイポーラ板の陽極側のシーラントの溝１４ｂの中に取り付けるようになっている。
【００６６】
入口流路の溝１６と溝２０とを接続している水素ガス用の流路と交差しているシーラントの溝の中に受容されるようになっている部分７２における陽極側のシーラントは、一つ以上の切り欠き７４ａを備えており、その切り欠きは水素ガスが入口流路を形成する溝を介してシーラントを通過することを可能にしている。さらに、出口流路の溝１８と溝２０とを接続している水素ガス用の流路と交差しているシーラントの溝の中へ受容されるようになっている部分７６における陽極側のシーラントは、一つ以上の切り欠き７４ｂを備えており、その切り欠きは水素ガスが出口流路を形成する溝を介してシーラントを通過することを可能にしている。
【００６７】
バイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラントの好適な実施形態において、シーラントにおける切り欠き７４ａ，７４ｂそれぞれの数は、水素ガス用の入口流路を形成している溝１６の数と、水素ガス用の出口流路を形成する溝１８の数それぞれに一致している。
【００６８】
図３は、バイポーラ板の陽極側をシールするためのシーラントの平面図である。図３は、図１のバイポーラ板の陽極側のシーラントの溝１４ｂの中に完全に適合することを可能にしている形状のシーラント材料を備えている。図３におけるシーラントは縁部分７２ａ及び７２ｂにおける切り欠きチャンネル７４ａ及び７４ｂそれぞれを備えている。切り欠きは水素ガスが流路を出入りする通路を提供している。
【００６９】
バイポーラ板の陽極側又は陰極側におけるシーラントは、いずれの適切な材料であってもよい。シーラントの好適な材料は、炭化水素ゴムや置換炭化水素ゴムのような、又はフルオロ炭化水素ゴムのようなエラストマー、又はシリコンゴムのグループから選択されるものでよい。シーラントの材料は、耐蝕性に著しくすぐれ及び／又は水素の通過を防ぐことに著しくすぐれたものであることが好ましい。用語“著しくすぐれている”は、材料が、燃料電池スタックの運転中にさらされる運転条件のもとで数ヶ月〜数年にわたる長期にばく露された後でも所定の性能を有していることを意味している。
【００７０】
本発明における第五の観点は、シーラントの製造プロセスに関する。シーラントはエラストマ技術分野における従来の方法で製造される。好ましくは、シーラントの材料は、シーラントの材料を所望するシーラントの構造形状に成形することにより製造される。
【００７１】
プロトン交換膜（proton exchange membrane）
本発明におけるバイポーラ板に使用されるプロトン交換膜につき図５を参照して説明する。プロトン交換膜は従来技術において使用されているいずれの適切な材料で作られていてもよい。当業者はそれをよく知っている。プロトン交換膜は、一方の側面に陽極反応触媒するための触媒を備えていて、他方の側面に陰極反応を触媒する触媒を備えている。使用される触媒は従来のタイプのものでよい。プロトン交換膜の陽極側及び陰極側における触媒として使用する適切な材料は、当業者においては公知なものである。プロトン交換膜がバイポーラ板の表面の寸法に一致寸法を有していることが望ましい。さらに、プロトン交換膜は、水素が流路を出入りすることを可能にする穴を有していることが望ましい。
【００７２】
図５は、触媒材料４６を備えたプロトン交換膜４０を図示している。プロトン交換膜４０は、本発明におけるプロトン交換膜の表面の寸法に一致する寸法を有している。さらに、プロトン交換膜４０は穴４２，４４を備えていて、穴４２，４４は水素が流路を出入りすることを可能にしている。
【００７３】
本発明におけるプロトン交換膜式の燃料電池スタック
本発明における第六の観点は、プロトン交換膜式の燃料電池スタックに関するものであって、プロトン交換膜式の燃料電池スタックは一つ以上のバイポーラ板と一つ以上のシーラントとを備えている。
【００７４】
図６は、一つのサンドイッチ要素の陽極側から見た斜視図であって、左から右に、プロトン交換膜のバイポーラ板の陽極側をシールするためのシーラント７０、プロトン交換膜のバイポーラ板１、プロトン交換膜のバイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラント５０、および膜４０である。
【００７５】
図７は、一つのサンドイッチ要素の陰極側から見た斜視図であって左から右に、膜４０、プロトン交換膜のバイポーラ板の陰極側をシールするためのシーラント５０、プロトン交換膜のバイポーラ板１、およびプロトン交換膜のバイポーラ板の陽極側をシールするためのシーラント７０である。
【００７６】
本発明におけるプロトン交換膜式の燃料電池スタックは、図６及び／又は７に図示するようなサンドイッチユニットを二つ以上備えている。燃料電池スタックの端部は端板で終点となっている。端板の構造は当業者においては公知なものである。
【００７７】
図８は、本発明における燃料電池スタックアセンブリ９０を図示していて、燃料電池スタックアセンブリはバイポーラ板１、膜４０、シーラント７０，５０及び端板９２を備えている。
【００７８】
本発明における第七の観点は、プロトン交換膜式の燃料電池スタック装置に関するものであって、プロトン交換膜式の燃料電池スタック装置はプロトン交換膜式の燃料電池スタック９０を備えていて、そのプロトン交換膜式の燃料電池スタックは、二つの独立した部屋１０４，１０６が形成されている容器１０２に格納されており、第一の部屋１０４は、燃料電池スタックの酸素用の入口流路６を有している縁部分１０ａを備えている側に設けられていて、第二の部屋１０６は、燃料電池スタックの酸素用の出口流路８を有している縁部分１０ｂを備えている側に設けられている。従って、独立した二つの部屋は、酸素用の入口マニホールドと酸素用の出口マニホールドとを形成している。このことが、酸素／空気を縁部分１０ａを備えている独立した部屋の中へ、従って入口流路の溝６の中へポンプ駆動することを可能にしているので、陰極側に対面している膜の反応区画に酸素を定常的に供給することを可能にしている。
【００７９】
図９は、本発明における燃料電池スタック装置１００の拡大斜視図であって、燃料電池スタック９０が容器１０２ａ，１０２ｂの中に入れられていて、その容器は二つの独立した区画１０４，１０６を備えており、一方の区画は流入する酸素／空気用のマニホールドであって、他方の区画は排出される酸素／空気及び水蒸気のマニホールドである。
【００８０】
本発明におけるプロトン交換膜式の燃料電池スタックの使用方法
本発明における第八の観点は、本発明によるプロトン交換膜式の燃料電池スタック又は本発明によるプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置を使用した発電方法及び／又は発熱方法に関する。
【００８１】
本発明による第九の観点は、予備電源としてのプロトン交換膜式の燃料電池スタックの使用方法及び／又は本発明によるプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置の使用方法に関する。
【００８２】
本発明における第十の観点は、連続的な電力供給装置としてのプロトン交換膜式の燃料電池スタックの使用方法及び／又は本発明によるプロトン交換膜式の燃料電池スタック装置の使用方法に関する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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