(57)【要約】【課題】離隔プレートの位置で反応ガスの離隔機能を回復することによって不利な点を克服して、各基本セルにおけるアノード及びカソードにおける拡散層の位置で水から反応ガスを離隔する。【解決手段】本発明は、各膜電極要素（１）間に供給プレート（１０）と接触する高さでシールを提供することを可能にする。焼結層（２０）、又は、拡散層（３Ｂ、４Ｂ）を形成するための微小孔構造材料のいずれかによって生成された封止手段は、各供給プレート（１０）の冷却チャネル（１５）の開口面に対向して、アノード（３）及びカソード（４）の拡散層（３Ｂ、４Ｂ）に、それぞれ配置される。ＰＥＭ燃料電池の出願である。【選択図】図３
2008016450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の基本的なセル構造であって、
２つの拡散層（３Ｂ、４Ｂ）上に、２つの平坦な接触表面（２３、２４）を有する膜電極アセンブリ（１）、
少なくとも１つの冷却チャネル（１５）が前記膜電極アセンブリ（１）の接触面（２３、２４）に接触して、反応ガス循環チャネル（１４）の形成された分配表面を有する前記膜電極アセンブリ（１）の各側部上に位置する供給プレート（１０）、
前記反応ガス循環チャネル（１４）及び前記少なくとも１つの冷却チャネルの間の封止手段、
を備え、
前記封止手段は、各供給プレート（１０）の前記冷却チャネル（１５）に少なくとも対向して、前記膜電極アセンブリ（１）におけるアノード（３）の拡散層（３Ｂ）及びカソード（４）の拡散層（４Ｂ）の、少なくとも表面上にあって、これらの表面の高さに少なくとも位置していることを特徴とする、構造。
【請求項２】
前記封止手段は、前記アノード（３）の拡散層（３Ｂ）の表面及び前記カソード（４）の拡散層（４Ｂ）の表面において一定の厚さで、前記冷却チャネル（１５）に対向して配置される焼締層（２０）によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記焼結層（２０）が接着材料によって作製されることを特徴とする請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記焼結層（２０）の接着材料がのりで作製されることを特徴とする請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記焼結層（２０）の接着材料が薄板状に作製されることを特徴とする請求項３に記載の構造。
【請求項６】
前記アノード（３）の拡散層（３Ｂ）及び前記カソード（４）の拡散層（４Ｂ）において一定の厚さで前記冷却チャネル（１５）に対向して配置される焼結層（２０）によって、前記封止手段が構成されることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【請求項７】
前記焼結層（２０）が疎水性材料によって作製されることを特徴とする請求項６に記載の構造。
【請求項８】
前記封止手段は、前記アノード（３）の拡散層（３Ｂ）及び前記カソード（４）の拡散層（４Ｂ）を構成している微小孔構造材料によって作製されることを特徴とする請求項１に記載の構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
持続可能な発展における現状の問題及び化石燃料資源の予測される減少によって、可能であれば再利用可能であって効率的なエネルギー源に対する絶えず増大する必要性が生じている。
【０００２】
従って、本発明は、民間用及び軍用の両方において産業的に適用されうる燃料電池の分野に関し、そして、固定設備及び様々な輸送手段に関する燃料電池の分野に関する。
【０００３】
定置での用途は、例えば、病院、及び、電力供給の中断の可能性を無くさなければならない他のサービスビルディングに関する。輸送に関する用途は、トラック、電車、潜水艦及び都市の公共の輸送車両（例えばバス及び路面電車）の駆動に関する。
【背景技術】
【０００４】
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する電気化学的なデバイスである。この電気化学的生成器の動作原理は、水の電気化学的合成反応に基づく。多くの燃料電池は、電気化学的セルとも呼ばれる一連の基本的な段階によって構成され、これらの各々は、例えば空気又は酸素といった燃焼物質及び例えば水素といった燃料を連続的に供給される、２つの電極である、アノード、及びカソードで構成される基本エレメントを含んでいる。ここで、前記２つのガスの元素は、電解質として作用するイオン交換膜によって離隔される。プロトン交換膜型の燃料電池の場合、アノードにおいて、燃料は、触媒酸化を経てプロトン（陽子）及び電子を放出する。生成された電子は、外部電気回路に沿って循環し、その一方で、陽子は電解質からカソードまで輸送されて、このカソードで、陽子は電子及び酸素によって再結合される。このカソードの還元は、水の生成及び２つの電極との間の電位差の形成によって達成される。
【０００５】
多くの種類の燃料電池が、共存しており、それらの電解質及び作動温度によって区別される。低温域（１００℃より下の温度）で作動する燃料電池に対して、最先端の技術は、高分子電解質燃料電池によって表される。この文書に記載されている本発明は、高分子電解質がプロトン交換膜であるＰＥＭ（「プロトン交換膜」燃料電池）を使用する。
【０００６】
所望の電流及び電圧値を得るために、燃料電池のコアは、適切な数で積層される基本的な電気化学的セルのアセンブリによって構成される。燃料電池における基本セルのこの種の積層物は、一般に「スタック」と呼ばれる。
【０００７】
図１において、ＰＥＭ型燃料電池における各基本セルは、「ＥＭＥ」と呼ばれる膜電極アセンブリ１の両側に配列されて反応ガス（すなわち燃料及び燃焼物質）の供給を確実にする２つの離隔プレート１０で構成される。この膜電極アセンブリ１は、プロトン交換膜２、及び、２つの触媒ガス拡散電極（すなわち、アノード３及びカソード４）を具備する。そして、各々は、活性層３Ａ、４Ａ、そして、拡散層３Ｂ、４Ｂによって構成されている。アノード３において、拡散層３Ｂを介して拡散した後、２つの反応ガスのうちの１つである水素は、活性層３Ａにおいて触媒酸化されて、陽子及び電子を生じる。図１の上部に線図的に示されているように、電子は、アノード３からカソード４への外部電気回路をたどるが、構成要素は、反応物ガスの分離をも行っている。カソード４において、酸素（他の反応ガス）は、接触還元を受けて、陽子及び電子と再結合されて、水を生じる。
【０００８】
ＰＥＭ型燃料電池の多くの基本セルにおいて、極性又は双極性（バイポーラ）プレートと呼ばれる離隔プレート１０も、反応ガス、すなわち酸素又は空気及び水素を分配する機能、生成された電子を集める機能、及び、水を含む反応生成物を排出する機能を実行する。各離隔プレート１０は、その一面（一方の面）で列Ｎの基本セルのアノード３に接触し、その一方で、他面（他方の面）で列Ｎ＋１の基本セルのカソード４に接触している。
【０００９】
従って、反応ガスは、反応ガス循環チャネル１４によって、各離隔プレート１０の２つの表面を循環する。
【００１０】
加えて、高出力の燃料電池において、離隔プレート１０、すなわち、極性又は双極性プレートの最終的な機能は、燃料電池における異なる基本セル間に冷却液を循環させることによって、基本セルのスタックを冷却することである。冷却液は、そして、離隔プレート１０において特に設計されてそして集積される、冷却チャネル１５を循環する。この段階において、一般によく使用される冷却液が水である点に留意する必要がある。
【００１１】
冷却液が循環する冷却チャネル１５は、従来においてスタック中に配置されて、単に冷却液の分配だけを目的とする特定のプレートにおいて集積される。先の場合において、反応ガス及び冷却液の分配は、同一のプレート中又は同一のプレート上では実行されていない。しかしながら、複数の基本的な電気化学的電池間において特定の冷却セルを挿入すると、スタックの最終的な容積を増加させてしまい、このことは、例えば省スペース化が望まれる輸送型の用途において大きな不具合を構成してしまう。
【００１２】
基本セルのスタックの体積を減らすために、そして、仏国特許出願２８６３７８０号明細書において説明されるように、反応ガス１４の循環のためのチャネルとして冷却チャネル１５が単数又は複数の同一表面に設立されている離隔プレート１０を使用することが可能である。このように、離隔プレート及び冷却チャネル１５は、同一平面上である。加えて、単数又は複数の冷却チャネル１５は、離隔プレート１０の一方又は両方の表面に位置する。
【００１３】
図２において、同一の離隔プレート１０の両面で冷却が行われる場合、一面から他面へのプレートの貫通路１６によって、単一の冷却チャネル１５が離隔プレート１０の両面上で同時に冷却を提供することが可能である。そして、離隔プレート１０は、冷却チャネル１５中に複数のスルーホール１６を具備する。離隔プレート１０の周縁部で、反応ガスを供給するための孔１１及び１２、及び、冷却液を供給及び排出するための孔１３が留意される。
【００１４】
そして、図１のアノード３及びカソード４上の、３Ｂ及び４Ｂでそれぞれ示される拡散層を通る冷却液から反応ガスを封止する問題が存在している。貫通路１６を得るために、離隔プレート１０を貫通させるために、離隔プレート１０の各側部において、程度は小さいが、問題が生じる。最終的に、離隔プレート１０の各側部において、一方の反応ガス及び他方の反応ガスとの封止の問題も存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、従って、離隔プレート１０の位置で反応ガスの離隔機能を回復することによってこの不利な点を克服して、各基本セルにおけるアノード３及びカソード４における拡散層３Ｂ及び４Ｂの位置で水から反応ガスを離隔することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的のために、本発明の主となる対象物は、以下のものを備える基本的な燃料電池構造である。すなわち、
・２つの拡散層上に、平面の接触面を有する膜電極アセンブリ、
・反応ガス及び冷却液の分配のために同一平面上のチャネルの循環のための少なくとも一つの表面が、隣接する前記膜電極アセンブリの少なくとも一つの平面接触面で接触する、離隔プレート、
・反応ガス循環チャネル及び少なくとも一つの冷却チャネル間の封止手段、
を備える。
【００１７】
本発明によれば、前記封止手段は、前記冷却チャネルに対向して、前記離隔プレートの循環表面に接触して、前記接触表面を構成する各々の拡散層の少なくとも表面上にあり、これらの表面の高さに少なくとも位置する。
【００１８】
本発明における第１の実施の形態は、前記膜電極アセンブリの各接触面における表面層の焼結緻密化を、表面で又は特定の厚さで、実行することからなる。
【００１９】
この緻密化は、例えばのり又は薄板状の接着手段によって、実行されうる。
【００２０】
第２の実施の形態は、特定の厚さで拡散層に添加される疎水性材料によって焼結層を提供することからなる。
【００２１】
最後に、本発明の第３の実施の形態は、前記膜電極アセンブリとともに接触面を各々構成している２つの拡散層を構成するために微小孔構造材料を使用することからなる。
【００２２】
本発明及びその様々な技術的特徴は、３つの図面の添付された以下の説明を読むことで、よりよく理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
[本発明の３つの実施の形態における詳細な説明]
図３において、各基本セルは、特に、各基本セルにおける電極であるアノード３及びカソード４のそれぞれの拡散層３Ｂ及び４Ｂの高さでの、各膜電極要素１用の封止手段を備えている。この目的は、冷却液（例えば水）が反応ガス（例えば酸素及び水素）の一方又は両方と混ざるのを防止すること、又は、前記２つの反応ガスが各々と混ざるのを防止すること、である。
【００２４】
分配プレート１０を通る冷却チャネル１５を用いるためにプレート１０を供給するためのみならず、その分配表面上における少なくとも１つの冷却チャネル１５を各々含むプレートを供給するために、これらの封止手段が適用されることに留意すべきである。
【００２５】
図３に示すように、反応ガス供給チャネル１４及び冷却チャネル１５は、同一平面上に位置して、同様に開口している。この同一平面は、各供給プレート１０とアノード３の平面接触面２３間、及び、各供給プレート１０とカソード４の接触面２４間における、接触平面である。従って、封止手段が無ければ、単数又は複数の反応ガス循環チャネル１４中を循環する反応ガスのいくらかがこの接触平面を通過して冷却チャネル１５に到達しうると仮定することは、合理的である。
【００２６】
提案された解決策は、冷却チャネル１５に対向して、アノード３の拡散層３Ｂ及びカソード４の拡散層４Ｂにおける、表面の高さ又は特定の厚さ位置で、封止手段を搭載することからなる。実際、本発明における２つの実施の形態において、各冷却チャネル１５に対向して、冷却チャネル１５の断面よりも大きいか又はそれ以下の幅を有して、各側部に延在し又は延在されない焼結層２０が、提供される。それ故、この焼結層２０が不浸透性であるか、又は、液体若しくは反応ガスに対して等価な特性を有している場合には、冷却液（例えば水）のシーリングが反応ガス循環チャネル１４に対して保証されるということが理解される。
【００２７】
このような焼結層２０は、例えば、アノード３及びカソード４における拡散層３Ｂ及び４Ｂのそれぞれの表面２３及び２４上に配置される接着剤等によってといった、様々な方法で作製されうる。もちろん、図３のシール層２０で示すように、この接着剤は、冷却チャネル１５に対向して配置されなければならない。接着材料が、のり、フィルム又は薄板の形態でありうることに留意すべきである。第２の解決策は、アノード３の拡散層３Ｂの表層２３上に、そして、カソード４の拡散層４Ｂの表層２４上に、より正確に配置される疎水性材料によって焼結層２０を生成することから成る。この種の疎水性材料は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）でありえる。
【００２８】
本発明による生成封止手段のために提案される第３の解決策は、冷却チャネル１５の全体の開口面を、他のものとともに覆うために、微小孔構造材料で作製される各拡散層を飽和させることからなる。微小孔構造材料で作製されるこの種の拡散層は、それから、ガス粒子の通過を許容するが液滴の通過を遮断する、約１ミクロンのオーダーの小径を有する多数の微小細孔が形成される。
【００２９】
冷却チャネル１５の高さでのこれらの封止手段は、燃料電池の基本セルの積層において使用される他の材料及びシールから独立していることに留意すべきである。これらのシールは、特に、この特許出願の図に示されていない供給プレートに常に存在する外部シールである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、従来技術による基本的な燃料電池の構造の部分断面図である。
【図２】図２は、冷却チャネル及び反応ガス分配チャネルが同一平面上である従来技術の例による離隔プレートの分配表面の一般的な線図である。
【図３】図３は、本発明による基本的なセル構造の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  膜電極アセンブリ（ＥＭＥ）
２  プロトン交換膜
３  アノード
３Ａ  活性層
３Ｂ  拡散層
４  カソード
４Ａ  活性層
４Ｂ  拡散層
１０  離隔プレート
１１−１３  孔
１４  反応ガス循環（供給）チャネル
１５  冷却チャネル
１６  貫通路（スルーホール）
２０  焼結層（シール層）
【図１】
2008016450.tif 000003
【図２】
2008016450.tif 000004
【図３】
2008016450.tif 000005
【外国語明細書】
2008016450.tif 000006
2008016450.tif 000007
2008016450.tif 000008
2008016450.tif 000009
2008016450.tif 000010
2008016450.tif 000011
2008016450.tif 000012
2008016450.tif 000013
2008016450.tif 000014
2008016450.tif 000015
2008016450.tif 000016
2008016450.tif 000017
2008016450.tif 000018
2008016450.tif 000019