(57)【要約】本発明に係るバイポーラプレートは、ポリマー壁（４２０）と、第１の電極（４３０）および第２の電極（４４０）とを含む。第１の電極はポリマー壁の第１の側に配置され、第２の電極はポリマー壁の第２の側に配置される。第１および第２の電極は、ポリマー壁中に部分的に埋め込まれ、これによってポリマー壁中で互いに電気的接触が形成される。これら電極の少なくとも１つは金属線の編物を備えており、この編物がポリマー壁中に部分的に埋め込まれる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の側および第２の側を備えたポリマー壁を備えたバイポーラプレートであって、このプレートは第１および第２の電極をさらに備え、この第１の電極は前記ポリマー壁の前記第１の側に配置され、前記第２の電極は前記ポリマー壁の前記第２の側に配置され、前記第１および前記第２の電極は前記ポリマー壁中に部分的に埋め込まれ、前記第１および前記第２の電極は前記ポリマー壁中で互いに電気的接触を形成するバイポーラプレートにおいて、前記第１または第２の電極の少なくとも一方が、前記ポリマー壁中に部分的に埋め込まれた金属線の編物を備えることを特徴とするバイポーラプレート。
【請求項２】
前記第１および前記第２の電極が、前記ポリマー壁中に部分的に埋め込まれた金属線の編物を備える請求項１に記載のバイポーラプレート。
【請求項３】
前記電極が金属線の編物からなる請求項１または２に記載のバイポーラプレート。
【請求項４】
前記第１および前記第２の電極が２層以上の金属線の織物を備えており、前記各電極において前記金属線の編物の層のうち１層のみが、前記ポリマー壁中に部分的に埋め込まれている請求項１から３のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項５】
前記金属線の編物が１０％未満の密度を有する請求項１から４のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項６】
前記ポリマー壁がポリマーシートである請求項１から５のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項７】
前記ポリマーシートが押出成形されたポリマーシートである請求項６に記載のバイポーラプレート。
【請求項８】
前記金属線の編物が、ＮｉまたはＮｉ合金の金属線を使用して提供される請求項１から７のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項９】
前記金属線の編物が、０．５ｍｍ未満の直径を有する金属線を備える請求項１から８のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項１０】
前記ポリマー壁が、フルオロポリマー、ポリオレフィン、またはポリアセタール、もしくはポリスルホンからなる群より選択されるポリマー材料を使用して提供される請求項１から９のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項１１】
前記ポリマー壁が０．５ｍｍを超える厚さを有し、前記ポリマー壁が５ｍｍ未満の厚さを有する請求項１から１０のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項１２】
前記第１および前記第２の電極がそれぞれ、前記ポリマー壁の厚さの半分を超える厚さを有する請求項１から１２のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項１３】
前記第１の電極および／または前記第２の電極が触媒を備える請求項１から１２のいずれか一項に記載のバイポーラプレート。
【請求項１４】
前記第１の電極および／または前記第２の電極が、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＷＣ、もしくはＡｕ、またはそれらの組み合わせからなる群より選択される触媒を備える請求項１３に記載のバイポーラプレート。
【請求項１５】
バイポーラプレートを提供する方法であって、
ポリマー壁を提供するステップと、
金属線の編物を備えた第１の電極を提供するステップと、
金属線の編物を備えた第２の電極を提供するステップと、
前記ポリマー壁の第１の側に前記第１の電極を提供するステップと、
前記ポリマー壁の第２の側に前記第２の電極を提供するステップと、
前記第１および前記第２の電極と前記ポリマー壁とを積層するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
電気化学反応槽中での請求項１から１４のいずれか一項に記載のバイポーラプレートの使用。
【請求項１７】
Ｈ2を製造するための請求項１から１４のいずれか一項に記載のバイポーラプレートの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電気化学的方法に使用するためのバイポーラプレートに関する。本発明は、そのようなバイポーラプレートを提供する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラプレートは、電気化学的プロセス、例えば燃料電池への使用が周知である。電気化学的プロセスの反応槽は、液密性および気密性の障壁によって互いに分離されたアノードおよびカソード室を含むことができる。一方、導電性電極は、このアノードおよびカソード室の中に設けられる。バイポーラプレートは、アノード室とカソード室の間の液体および気体の障壁として機能することができる。
【０００３】
場合によっては、アノード側およびカソード側の電極は、互いに電気的接触した状態にある。欧州特許第２２９４７３号明細書には、このようなバイポーラプレートが記載されており、このプレートは、ポリマー壁と、このポリマー壁の一方の側にそれぞれある第１および第２の電極とを備えている。これらの電極は、波形で場合により穿孔されている金属シート、または編み込まれた構造の形態の波形ワイヤメッシュを使用して提供される。これらの電極は、ポリマー壁中に部分的に埋め込まれ、ポリマー壁中で互いに電気的に接触する。孔あき金属板の剛性、およびポリマー壁中に固定される金属が比較的多量であるため、ポリマー壁中に電極を埋め込むことが比較的困難となり、ポリマー壁中の両方の電極に必要な接触に関して不確実性が生じる。このような量の金属シートが存在することで、電極中に分散した反応物ガスの排出のために大きな圧力低下が必要となる。また、バイポーラプレートの重量が比較的大きくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、当分野で現在公知のバイポーラプレートの代替物となるバイポーラプレートを提供することである。本発明の別の目的は、ポリマー壁中の電極の埋め込みを容易にすることである。本発明の別の目的は、ポリマー壁への電極の固定が改善されたバイポーラプレートを提供することである。本発明の別の目的は、ポリマー壁中の両電極とより確実に接触したバイポーラプレートを提供することである。本発明のさらに別の目的は、電気化学反応の結果生じたガスの排出が改善されたバイポーラプレートを提供することである。本発明の別の目的は、電極全面の上に、電気化学反応の反応物であるガスの分散を促進することである。本発明の別の目的は、電気化学反応に使用される液体の分散が改善されたバイポーラプレートを得ることである。本発明のさらに別の目的は、重量が減少したバイポーラプレートを提供することである。本発明のさらに別の目的は、より安価に製造されるバイポーラプレートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るバイポーラプレートは、ポリマー壁と、第１および第２の電極とを備える。第１の電極はポリマー壁の第１の側に配置され、第２の電極はポリマー壁の第２の側に配置される。両方の電極は、ポリマー壁の中に部分的に埋め込まれ、このポリマー壁の中で互いに電気的接触を形成する。本発明に係るバイポーラプレートは、第１または第２の電極の少なくとも一方が、ポリマー壁中に部分的に埋め込まれた金属線の編物を備えることを特徴とする。場合によっては、両方の電極が金属線の編物を含み、これらがポリマー壁中に部分的に埋め込まれている。さらにこれらの電極は、金属線の編物からなってもよい。場合によっては各電極は２層以上の金属線の編物を備え、全ての層は順に積層している。ポリマー壁に最も近い層が、ポリマー壁中に部分的に埋め込まれる。
【０００６】
金属線の編物を使用すると、その編物の埋め込みが容易になり、より正確に行うことができることも分かった。ポリマー壁中に部分的に埋め込まれた金属線編物を使用すると、ポリマー壁中の電極の固定が改善されることも分かった。両方の電極がポリマー壁中に部分的に埋め込まれ、ポリマー壁中で電気的接触が形成されると、固定が改善されたことで、経時による電極間の電気的接触がより確実になる。場合により各電極で２層以上の金属線編物からなる電極を備えた本発明に係るバイポーラプレートを電気化学的プロセスに使用すると、化学反応で得られたガスを、より容易に、より小さな圧力低下で電極から排出することができることが分かった。また、ガスを反応物として使用する場合、このようなガスが電極体積全体にわたってより容易かつ均一に分散し、分散に必要な圧力が小さくなることも分かった。さらに、電気化学反応中に使用する液体が電極体積全体にわたってより容易かつ均一に分散することも分かった。波形シートなどと比較すると、電極を形成するために必要な金属量が減少するので、バイポーラプレートがより軽量になる。より少ない量の金属を含むことで、バイポーラプレートの製造費を削減することもできる。
【０００７】
本発明に係るバイポーラプレートの製造に使用される金属線編物製品は、従来技術のバイポーラプレートのように波形にする必要はない。したがって、バイポーラプレートの製造において１ステップを回避することができ、さらに製造費が削減される。
【０００８】
０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲の直径を有する金属線を使用して、金属線の編物を形成することができる。より好ましくは、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲、例えば０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲、または０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲の直径を有する金属線を使用することができる。金属線として、ＮｉまたはＮｉ合金でできた金属線を使用することができる。あるいは、チタン、チタン合金、ステンレス鋼合金、例えばＡＩＳＩ３００シリーズまたはＡＩＳＩ４００シリーズの合金を使用することができ、例えばＡＩＳＩ３０２、ＡＩＳＩ３０４、ＡＩＳＩ３１０、ＡＩＳＩ３１６、ＡＩＳＩ３１６Ｌ、ＡＩＳＩ３４７、ＡＩＳＩ４３０、ＡＩＳＩ４３４、またはＡＩＳＩ４４４を使用することができる。
【０００９】
ポリマー壁は好ましくはポリマーシートである。ポリマー壁の厚さは、好ましくは０．５ｍｍを超えるが５ｍｍ未満である。この厚さの選択は、ポリマー壁の気体および液体の不浸透性に影響することがあり、ポリマー壁を通過する気体分子の拡散係数に影響することがある。
【００１０】
ポリマー壁として、ポリマー壁を得るために使用されたポリマー材料は、好ましくは、ポリテトラフルオルエチレンなどのフルオロポリマーや、ポリプロピレン、ポリエチレン、高密度ポリエチレンなどのポリオレフィンや、ポリアセタール、ポリスルホンからなる群より選択される。最も好ましくは、ポリマー壁は、押出成形法で得られたポリマーシートである。押出成形されたポリマーシートは、程度のより高い気密性および液密性が保証される。
【００１１】
２つの電極（少なくとも１つの電極が金属線の編物を備える）は、ポリマー壁に部分的に埋め込まれる。最も好ましくは、複数の金属線の編物が、ポリマー壁を用いて互いに積層される。ポリマー壁はポリマーシートが好ましい。電極の金属線編物の１つが埋め込まれる深さは、両方の電極がポリマー壁中で互いに接触して、２つの電極の間で電気的接触が形成されるように選択される。
【００１２】
ポリマー壁の両側で埋め込まれていない金属線編物の一部をさらに有するために、金属線編物の厚さは、ポリマー壁の厚さの半分を超える。好ましくは、金属線編物は５ｍｍ未満の厚さを有する。
【００１３】
金属線編物の密度は、好ましくは１０％未満である。
【００１４】
電極は、部分的に埋め込まれた金属線編物と隣接して追加の要素、例えばスペーシング要素または触媒担持要素を含むことができる。場合によっては、例えば１層が他方の上部に位置するように２層以上の金属線編物を各電極に対して使用することで、電極に十分な体積を付与したり、または電極に他の要素を付与したりすることができる。
【００１５】
一方または両方の電極上に、電気化学反応に使用するための触媒が存在してもよい。例えば、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＷＣ、もしくはＡＵ、またはそれらの組み合わせからなる群より選択された触媒を使用することができる。第１の電極上の触媒は、第２の電極上の触媒と同じ場合もあるし、異なる場合もある。場合によっては、触媒が電極のある領域のみに存在する。一例として、触媒は、ポリマー壁から除去した電極の側にのみ存在することができる。例えば、電極は、本発明に係るポリマー壁中に部分的に埋め込まれた第１の金属線織物を備えることができる。第１の金属線編物と触媒担体との間のスペーシング層として機能する第２の金属線編物が、第１の金属線編物の上部に存在する。第２の金属線編物の上部には、触媒が被覆された第３の金属繊維編物が、触媒担体として機能させるために設けられる。
【００１６】
本発明に係るバイポーラプレートは、あらゆる種類の電気化学反応槽、例えば燃料電池、電解槽、またはＨ2製造ユニットにおいて使用することができる。
【００１７】
電極が２層以上の金属線編物を備える場合、一部の層のみを触媒で被覆することができる。最も好ましくは、ポリマー壁中に部分的に埋め込まれた金属線編物は触媒で被覆されない。
【００１８】
さらなる目的は、バイポーラプレートを提供する方法であって、この方法は、
ポリマー壁を提供するステップと、
金属線の編物を備えた第１の電極を提供するステップと、
金属線の編物を備えた第２の電極を提供するステップと、
前記ポリマー壁の第１の側に前記第１の電極を提供するステップと、
前記ポリマー壁の第２の側に前記第２の電極を提供するステップと、
前記第１および前記第２の電極と前記ポリマー壁とを積層するステップとを含む。
【００１９】
本発明の方法によって、より経済的な方法でバイポーラプレートが提供され、その間の制御が容易であるので、一部のプロセスパラメータ、例えば積層中の圧力はあまり重要とならない。後者は、金属線編物がその表面に対して垂直方向に有する弾性に起因する。
【００２０】
場合によっては、本発明に係るバイポーラプレートの製造方法は、一方または両方の金属線編物を触媒で被覆するステップをさらに含む。
【００２１】
場合によっては、バイポーラプレートの製造方法は、２層以上の金属線編物を含む電極を得るために、積層するステップの前または後で、異なる金属線編物の層を別の層の上に加えるステップをさらに含む。
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係るバイポーラプレート１１０の側面図を図１に示す。ポリマー壁１２０は、２つの外面を有し、少なくとも一方の表面１２１において、電極の一部である金属線編物１３０が、ポリマー壁１２０中に部分的に埋め込まれている。ポリマー壁１２０の反対側１２２には、場合により、反対側１２２における電極の一部である別の金属線編物１４０（図１では明快さのために省略）が、ポリマー壁１２０中に部分的に埋め込まれている。
【００２４】
図２にバイポーラプレート１１０の断面図を示す。このプレートは、金属線編物（１３０および１４０）を備えた２つの電極を有し、ポリマー壁１２０の片側にこれら電極が１つずつある。
【００２５】
バイポーラプレート１１０は、厚さ２２１が例えば２ｍｍであるポリマー壁１２０を含む。好ましくは押出成形されたＨＤＰＰ、ＨＤＰＥ、ポリスルホン、またはポリアセタールのシートであるポリマー壁１２０の両方の側１２１および１２２において、金属線編物１３０および１４０が、ポリマー壁１２０の厚さ２２１の半分をわずかに超える深さで部分的に埋め込まれる。ポリマー壁中に埋め込まれない実質的な体積を電極に付与し、反応物ガスまたは反応物液体の供給のガスを排出するために電極に空隙体積を付与するために、金属線編物の厚さ２３３および２４３は、ポリマー壁１２０の厚さ２２１の半分を実質的に超えるものと理解されたい。
【００２６】
場合によっては、金属線編物１３０は、ＰｔおよびＲｕを主成分とする触媒で被覆することができる。金属線編物１４０は、ＰｔおよびＩｒを主成分とする触媒で被覆することができる。
【００２７】
金属線編物１３０および１４０は、機械ゲージ５（針床１インチ当たり５本の針）を使用した二重編目構造（横編みの縦糸のいずれか）であってよい。直径２５０μｍのニッケル線を使用することができる。
【００２８】
ポリマー壁として好ましいポリマーシート中に金属線編物を積層することによって、ポリマー壁中に編物が埋め込まれるのが好ましい。
【００２９】
本発明に係る別のバイポーラプレートの断面を図３に示す。
【００３０】
バイポーラプレート３１０は、高密度ポリプロピレン（ＨＤＰＰ）、ポリスルホン、ポリアセタール、または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）の押出成形されたポリマーシートであるポリマー壁３２０を含む。ポリマーシートの厚さ３２１は約１ｍｍである。ポリマー壁３１１の一方の側には、２層の金属線編物（３３１および３３２で示されている）を含む第１の電極３３０が配置され、ポリマー壁３２０に最も近い金属線編物の層３３１は、ポリマー壁３２０中に部分的に埋め込まれている。層３３１および層３３２の厚さの合計である電極の厚さ（３３３で示されている）は約７ｍｍであり、層３３１および３３２のそれぞれは約３．５ｍｍの厚さを有する。
【００３１】
層３３１は、０．５ｍｍをわずかに超える深さでポリマー壁中に埋め込まれている。
【００３２】
ポリマー壁の反対側３１２には、２層の金属線編物（３４１および３４２で示されている）を含む第２の電極３４０が配置され、ポリマー壁３２０に最も近い金属線編物の層３４１は、ポリマー壁３２０中に部分的に埋め込まれている。層３４１および層３４２の厚さの合計である電極の厚さ（３４３で示されている）は約７ｍｍであり層３４１および３４２のそれぞれは約３．５ｍｍの厚さを有する。
【００３３】
層３４１は、０．５ｍｍをわずかに超える深さでポリマー壁中に埋め込まれている。
【００３４】
金属線編物製品３３１および３４１の両方が、ポリマー壁の厚さ３２１の半分をわずかに超える深さで埋め込まれているので、両方の金属線編物３３１および３４１の間、したがって両方の電極３３０および３４０の間の電気的接触が保証される。
【００３５】
例えば、金属線編物３３１、３３２、３４１および３４１は、機械ゲージ５（針床１インチ当たり５本の針）を使用した１層のジャージーニット構造であってよい。直径２５０μｍのニッケル線を使用すると、約３．５ｍｍの厚さを有し、重量４７．５ｇ／ｍ2および密度１．７％を有する金属線編物を得ることができる。
【００３６】
場合によっては、層３３２は、ＰｔおよびＩｎを主成分とする触媒で被覆することができる。層３４２は、ＰｔおよびＩｒを主成分とする触媒で被覆することができる。
【００３７】
本発明に係る別のバイポーラプレートの断面を図４に示す。
【００３８】
バイポーラプレート４１０は、高密度ポリプロピレン（ＨＤＰＰ）、ポリスルホン、ポリアセタール、または高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）の押出成形されたポリマーシートであるポリマー壁４２０を含む。ポリマーシートの厚さ４２１は約１ｍｍである。ポリマー壁４１１の一方の側には、３層の金属線編物（４３１、４３２、および４３３で示されている）を含む第１の電極４３０が配置され、ポリマー壁４２０に最も近い金属線編物の層４３１は、ポリマー壁４２０中に部分的に埋め込まれている。層４３１、層４３２、および層４３３の厚さの合計である電極の厚さ（４３４で示されている）は約１０．５ｍｍであり、層４３１、４３２、および４３３のそれぞれは約３．５ｍｍの厚さを有する。
【００３９】
層４３１は、０．５ｍｍをわずかに超える深さでポリマー壁中に埋め込まれている。
【００４０】
ポリマー壁の反対側４１２には、３層の金属線編物（４４１、４４２、および４４３で示されている）を含む第２の電極４４０が配置され、ポリマー壁４２０に最も近い金属線編物の層４４１は、ポリマー壁４２０中に部分的に埋め込まれている。層４４１、層４４２、および層４４３の厚さの合計である電極の厚さ（４４４で示されている）は約１０．５ｍｍであり、層３４１および３４２のそれぞれは約３．５ｍｍの厚さを有する。
【００４１】
層４４１は、０．５ｍｍをわずかに超える深さでポリマー壁中に埋め込まれている。
【００４２】
金属線編物製品４３１および４４１の両方が、ポリマー壁の厚さ４２１の半分をわずかに超える深さで埋め込まれているので、両方の金属線編物４３１および４４１の間、したがって両方の電極４３０および４４０の間の電気的接触が保証される。
【００４３】
金属線編物４４１、４４２、４４３、４３１、４３２、および４３３は、図３に示される実施形態に使用される金属線編物と同じものであってよい。
【００４４】
金属線編物４３２および４４２は、第１の金属線編物４３１および４４１と、第３の金属線編物４３３および４４３との間のスペーシング層として機能し、金属線編物４３３にはＰｔおよびＩｎを主成分とする触媒が被覆され、金属線編物４４３にはＰｔおよびＩｒを主成分とする触媒が被覆される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係るバイポーラプレートを概略的に示す側面図である。
【図２】図１の本発明に係るバイポーラプレートの面ＡＡ’に沿った概略的な断面図である。
【図３】本発明に係る別のバイポーラプレートの概略的な断面図である。
【図４】本発明に係る別のバイポーラプレートの概略的な断面図である。
【図１】
2006524747.tif 000003
【図２】
2006524747.tif 000004
【図３】
2006524747.tif 000005
【図４】
2006524747.tif 000006
【国際調査報告】
2006524747.tif 000007
2006524747.tif 000008