(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の電気化学セルと、
前記第１及び第２の電気化学セルの間に配置されたバイポーラ板と、を備え、
前記バイポーラ板は
前記第１の電気化学セルに面し、かつ吸気口と排水口との間に延在する第１の流路を規定する導体サポートと、
前記第１の流路の吸気口側において、前記導体サポートに付着された第１の導電性塗膜と、
前記第１の流路の中間位置において前記導体サポートに付着された第２の導電性塗膜であって、前記第１の導電性塗膜よりも大きい表面電気抵抗を示す第２の導電性塗膜と、を備えた、
燃料電池。
【請求項２】
前記バイポーラ板が、前記第１の流路の排水口側において、前記導体サポートに付着された第３の導電性塗膜を備え、
前記第２の導電性塗膜が前記第３の導電性塗膜よりも大きい表面電気抵抗を示している、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電性塗膜がそれぞれ、ポリマーマトリクスと前記ポリマーマトリクスに含まれる導電性粒子とを備えている、
請求項１、又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１及び第２の導電性塗膜が同じ前記ポリマーマトリクスと同じ前記導電性粒子とを異なる割合で含んでいる、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記第２の導電性塗膜が、前記第１の導電性塗膜の少なくとも２倍の表面電気抵抗を示している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記導電性塗膜が導体サポートの抵抗率の少なくとも２倍の抵抗率を示している、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１の流路が前記第１の電気化学セルのカソードに面している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
吸気口と排水口との間に延在する第１の流路を規定する導体サポートを有するバイポーラ板を準備するステップと、
前記第１の流路の吸気口側において前記導体サポートに第１の導電性塗膜を付着し、かつ、前記第１の流路の中間位置において前記導体サポートに第２の導電性塗膜を付着するステップであって、前記第１の導電性塗膜よりも大きい表面電気抵抗を示す前記第２の導電性塗膜を付着するステップと、
第１の電気化学セルに前記第１の流路が面するように、前記第１及び第２の電気化学セルの間にバイポーラ板を配置するステップと、を備えた燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記第１及び第２の導電性塗膜を付着するステップは、導電性粒子を含むポリマーマトリクスの堆積を含む、請求項８に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記第１及び第２の導電性塗膜は、同じ前記ポリマーマトリクスと同じ前記導電性粒子を異なる割合で含んでいる、請求項９に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に詳しくは、燃料電池の電流の収集に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、将来、大量生産されるモータ車両のため、または、多数のアプリケーションのための電源供給システムとして、期待されている。燃料電池は、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する電気化学装置である。通常、水素が燃料電池の燃料として用いられている。水素はセルの電極（アノード）で酸化され、空気からの酸素がセルの他方の電極（カソード）で減少する。電気化学反応は、カソードで水を生産して、酸素が減少して、陽子と反応する。燃料電池の大きな長所は、電力を生成する場所における大気汚染物質の放出を避けることできる点である。
【０００３】
例えば、陽子交換膜、すなわちＰＥＭ燃料電池は、特に小型化に対して有利な特性を示す。それぞれのセルは、陽子のみを通過させ、電子を通過させない電解質膜を有している。膜は、ＭＥＡとして参照される膜電極一体構造を形成するため、第１面上のアノードと、第２面上のカソードを有している。
【０００４】
水素は膜を通過する陽子を生産するためにアノードで酸化される。この反応で生産された電子は収電板又は流れ板に向かって移動して、その後、電流を形成するためにセルの外部の電気回路に流れる。カソードにおいて、酸素が減少し、水を形成するために陽子と反応する。
【０００５】
燃料電池は、例えば、金属で形成され、他の流れ板の上に積層された複数の流れ板を有していてもよい。ＭＥＡは、２つの流れ板の間に配置される。流れ板は膜に向かう又は膜からの反応物質と生成物質とをガイドするための流路とオリフィスとを備えていてもよい。流れ板は、また、アノードで生成された電子の収電器を形成するため、かつ、隣接するセルのカソードまでこれらの電子を伝導するため導電性である。ガス拡散層は、電極と流れ板の間に挿入され、流れ板と接触している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＥＡは空気と水素の流路の長さに渡って不均質の動作を示す。カソード側では、例えば、流路の入口（乾燥状態）と出口（浸水状態）の間のガスの相対的な湿度の変化は、電流密度の不均質に影響を与える。電流密度は、不十分な水分の結果として、流路入口で、小さくなるかもしれない。電流密度は、また、ＭＥＡに流れることが可能な過剰な水分の結果と酸素の減少の結果として、流路出口でも小さくなるかもしれない。この電流密度の不均質は、ガス拡散層におけるカーボンの局所的な腐食、あるいは、膜及び又は電極の劣化を促進するかもしれない。この電流密度の不均質は、より大量の触媒の必要と、燃料電池のコストへの影響を与えることを導くかもしれない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明はこの欠点に対処すること、及びこの技術的問題への代替案を提供することを目的とするものである。本発明はそれゆえ、付随するクレームで定義された燃料電池に関するものある。
本発明はさらに付随するクレームで定義された燃料電池を製造する方法に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の他の特徴と長所は、いかなる限定なしで、付随する図面を参照した以下の記載から明らかになるであろう。
【図１】図１は、燃料電池の一例を分解斜視図である。
【図２】図２は、流路の経路の一例を備えたバイポーラ板の上面図である。
【図３】図３は、本発明のかかる燃料電池の一例のためのバイポーラ板の、流路の断面に沿った図である。
【図４】図４は、図３に示すバイポーラ板の等価電気回路図である。
【図５】図５は、流路の入口と出口との間における先行技術にかかる燃料電池のバイポーラ板を横切る電流密度を示す図である。
【図６】図６は、流路の入口と出口との間における本発明にかかるバイポーラ板塗膜の伝導率の図である
【図７】図７は、流路の入口と出口との間における本発明にかかる燃料電池のバイポーラ板を横切る電流密度を示す図である。
【図８】図８は、燃料電池を製造する方法の一例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池２のセル１のスタックを模式的に示す分解斜視図である。燃料電池２は、多層のセル１を有している。セル１は、陽子交換膜又はポリマー電解質膜タイプである。
【００１０】
燃料電池２は、それぞれのセル１の入口に水素を供給する燃料源１２０を備えている。燃料電池２は、それぞれのセルの入口に空気を供給する空気源１２２も備えており、空気源１２２は酸化剤として使用される酸素を含んでいる。それぞれのセル１は、また、排出路を備えている。それぞれのセル１はまた、冷却回路（図２に示す）を提示している。それぞれのセル１は、膜電極一体構造１１０を備えている。図示された燃料電池２は、特に膜電極一体構造、すなわちＭＥＡ１１０を有している。膜電極一体構造１１０は、電解質１１３と、カソード１１２（図１では不図示）と、電解質の各側面に配置され、この電解質１１３に取り付けられたアノード１１１と、を備えている。
【００１１】
流れ板のペアは、隣接するＭＥＡのペアの間に配置される。それぞれの流れ板は、例えば、金属シートにより生成されており、通常はステンレス鋼で形成されている。それぞれのペアの流れ板は、バイポーラ板１０３を形成するため、堅固に接続されている。バイポーラ板１０３は、ＭＥＡ１１０のカソードに向かって設けられた金属シート１０２と、他のＭＥＡ１１０のアノードに向かって設けられた金属シート１０１（図１には不図示）とを備えている。金属シート１０１、１０２は、流路１０６（図１には不図示）を規定する起伏面を有している。金属シート１０１、１０２は、溶接１０４によって堅固に接続されている。金属シート１０１と金属シート１０２の組み合わせは導体サポートを形成する。
【００１２】
公知であるセル１の動作中に、空気はＭＥＡと金属シート１０２の間を流れ、水素は、ＭＥＡと金属シート１０１の間を流れる。水素は、ＭＥＡを通過する陽子を生成するためにアノード１１１で酸化される。この反応によって生成された電子は、金属シート１０２によって収電される。生成された電子は、電流を形成するため、燃料電池２に接続された電気的負荷に与えられる。酸素は水を形成するため、カソード１１２で減少し、陽子と反応する。アノードとカソードにおける反応は、以下の式で与えられる。
H２→２H＋＋２e−:アノード
４H＋＋４e−＋O２→２H２O：カソード
【００１３】
その動作中において、燃料電池のセルは通常アノードとカソードの間に０．７ＶのオーダのＤＣ電圧を発生する。アノード１１１又はカソード１１２で使用される触媒材料は、その優れた触媒性能のため、有利に白金で形成されている。
【００１４】
図２は、燃料電池２の金属シート１０２の一例を示す上面図である。金属シート１０２は、平行する流体流れを規定する流路１０６の範囲を定める。流路１０６は、吸気ダクト１２５と排水ダクト１２６との間に延在している。金属シート１０２は、冷却液体ダクト１２４で横切られている。
【００１５】
図３は、流路における燃料電池の断面図である。ガス拡散層１２２は、公知の手法で、カソード１１２と金属シート１０２との間に挿入されている。ガス拡散層１２１は、公知の手法で、アノード１１１と金属シート１０１との間に挿入されている。冷却液体チャネル４３は、金属シート１０１と金属シート１０２との間に配置されている。
【００１６】
カソード１１２側において金属シート１０２に規定された流路１０６は、複数の導電性塗膜により覆われている。アノード１１１側において金属シート１０１に規定された流路１０６もまた、複数の導電性塗膜によって覆われている。アノード側又はカソード側において、バイポーラ板１０３の１面のみが、導電性塗膜によって覆われていると考えられる。
【００１７】
バイポーラ板１０３は、流路１０６において金属シート１０２に付着された導電性塗膜１４１〜１４３を有している。導電性塗膜１４１は、流路１０６の吸気口において金属シート１０２に付着しており、例えば、有利には流路の長さの５〜１５％の範囲で示す長さに渡っている。導電性塗膜１４２は、流路１０６の中間位置において金属シート１０２に付着しており、例えば、有利には流路の長さの２５〜５０％の範囲で示す長さに渡っている。導電性塗膜１４３は、流路１０６の排水口において金属シート１０２に付着しており、例えば、有利には流路の長さの５〜１５％の範囲で示す長さに渡っている。
【００１８】
導電性塗膜１４２は、導電性塗膜１４１よりも大きい表面電気抵抗と、導電性塗膜１４３よりも大きい表面電気抵抗を示す。流路１０６に沿った表面電気抵抗のそのような違いを用いることで、吸気口と排水口とにおいてバイポーラ板１０３を横切る電流密度を増加させ、かつ、その中間位置においてバイポーラ板１０３を横切る電流密度を減少させることができるかもしれない。したがって、バイポーラ板１０３を横切る電流密度は、均一になり、その結果、経時的な劣化を減少することができる。
【００１９】
図４は、バイポーラ板１０３の等価電気回路図を示している。層１４０は、導電性塗膜１４１〜１４３の組み合わせを示している。層１４５は、金属シート１０１に配置された導電性塗膜の組み合わせを示している。金属シート１０１、１０２で形成された導体サポートは、バイポーラ板１０３の面での電気的接合部を規定しており、抵抗１５２で示されている。層１４０、１４５の異なる塗膜は、バイポーラ板１０３の厚さにおける異なる電気的接合部を導入しており、抵抗１５１で示されている。異なる導電性塗膜の表面抵抗の違いの結果、抵抗１５１は異なる値を示す。バイポーラ板１０３の厚さを横切る電流が与えられたとき、異なる抵抗１５１の値は抵抗１５２を横切る横断電流を導入する。バイポーラ板１０３における横断電流を促進するために、層１４０、１４５の導電性塗膜は、有利には、金属シート１０１、１０２により形成された導体サポートの少なくとも２倍の抵抗率を示している。
【００２０】
図５は、流路に沿って均一な表面抵抗を示す従来技術のバイポーラ板を横切る電流密度の一例を示している。横座標の位置は、吸気口と排水口の間における流路１０６の長さに関する割合として定義されている（カソード側の流路が参照のため取り入られている）。
【００２１】
図６は、流路１０６に付着された層の材料の電気伝導率の一例を示しており、電気伝導率値ρｍｉｎから電気伝導率値ρＭａｘの間を変化し、対数目盛で示されている。形成された層は、表面抵抗が層材料の部分的な電気伝導率に反比例するように、連続的な厚さを示すかもしれない。当業者は、この層の望ましい部分的な電気伝導率を取得するために、層材料の部分的領域を形成するための方法を知っている。
【００２２】
図７は、本発明にかかるバイポーラ板を横切る電流密度の一例を示しており、流路の中間位置での表面抵抗はその流路の両端での表面抵抗よりも大きくなる。図５に示す電流密度の図と比較して、流路の長さに渡って、明らかに電流密度がより均一になっているのが示されている。
【００２３】
バイポーラ板の導体サポートに付着された塗膜は、均質な表面抵抗、又は表面抵抗の連続する変化を示すかもしれない。中間位置は、それぞれ異なった表面抵抗を有する異なる塗膜を有している。制限されない方法で、異なる表面抵抗を示す複数の塗膜を取得するため、以下の解決策が考案されるかもしれない。
【００２４】
例えば、異なる塗膜は、異なる導電率を示す材料を含んでおり、例えば、銀（約５ｍΩ／ｃｍ２）、ナノチューブ（約１５ｍΩ／ｃｍ２）、又はグラファイト（約２５ｍΩ／ｃｍ２）である。
【００２５】
さらに、異なる表面抵抗は、異なる塗膜に対して異なる厚さを用いることで、選択的には、同じ組成を示す異なる塗膜を選択的に用いることで、取得されるよう計画されるかもしれない。
【００２６】
導電性塗膜を形成するため、十分な量の導電性粒子が含まれるポリマーマトリクスを含む堆積形成において、塗膜を形成することも考えられる。異なる塗膜は、同一のポリマーマトリクスかつ同一の導電性粒子の異なる割合で製造される。
【００２７】
例えば、グラファイト粒子の３０％〜７０％の質量割合で、グラファイト粒子を含むポリウレタンマトリクスが製造される（ポリウレタンの質量による割合が補完である）。グラファイト粒子の３０％の質量割合で堆積されたポリウレタンマトリクスは、典型的には２５ｍΩ／ｃｍ２の抵抗率を示し、グラファイト粒子の７０％の質量割合で堆積されたポリウレタンマトリクスは、典型的には６０ｍΩ／ｃｍ２の抵抗率を示す。図８は、本発明にかかる燃料電池を設計し、製造するための方法の一例に組み込まれたステップを示すフローチャートを示す。
【００２８】
予備的な設計ステップ３０１で、燃料電池は、従来技術によって、電気化学セルとバイポーラ板とを用いて、組み立てられる。局所電流取得カードを用いることで、流路１０６に沿った電流密度の分布が決定される。このような取得カードは、例えば、図５に示されたようなグラフを取得するために用いられる。決定された電流密度は、流路に沿った相対的な湿度の変化と、カソード流路に沿った酸素量が考慮される。
【００２９】
流路に沿って決定された電流密度を基に、ステップ３０２において、バイポーラ板を横切る電流密度を均一にするため、流路に沿ってバイポーラ板に塗布される導電性塗膜が選択される。ステップ３０３において、バイポーラ板の導体サポートを形成するために、プレス加工された２つの金属シートが組み立てられる。導体サポートは、ステップ３０１で組み立てられた燃料電池のそれと同一である。
【００３０】
ステップ３０４で、導電性塗膜が導体サポートの１面、又は２面に堆積され、選択された導電性塗膜に対応する。このステップは、例えば、流路に沿った異なるインクの堆積によって組み込まれてもよい。インクは、導電性粒子を含むポリマー材料のマトリクスを含んでいてもよい。
【００３１】
ステップ３０５で、２つの電気化学セルは、バイポーラ板の各側面に配置され、例えば、２つの膜電極一体構造である。ガス拡散層が、電気化学セルとバイポーラ板との間に挿入されてもよい。電気化学セルとガス拡散層は、ステップ３０１で組み立てられた燃料電池のそれらと同一である。
【００３２】
ステップ３０６で、他の電気化学セルと他のバイポーラ板を用いてスタックを形成することと、センターピン、シール、又はクランプ板等の他の構成要素を追加することで、燃料電池の製造が継続される。
【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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