(57)【要約】  本発明は、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配構造と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配構造（６０）とを含む、燃料電池のためのガス分配プレートに関する。分配構造（６０）のうちの少なくとも１つに少なくとも１つのワイヤ部材（８０）が設けられる。本発明は、隔膜によって互いに分離された第１の電極および第２の電極を有する少なくとも１つの隔膜・電極ユニットと、少なくとも１つの本発明によるガス分配プレートとを含んでいる燃料電池も対象とする。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（２１）へ燃料を分配するための第１の分配構造（５０）と、
第２の電極（２２）へ酸化剤を分配するための第２の分配構造（６０）と、を含む燃料電池（２）のためのガス分配プレート（４０）において、
前記分配構造（５０，６０）のうちの少なくとも１つに少なくとも１つのワイヤ部材（８０）が設けられることを特徴とするガス分配プレート。
【請求項２】
前記ワイヤ部材（８０）は丸形の断面を有することを特徴とする、請求項１に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項３】
前記ワイヤ部材（８０）は金属物質から製作されることを特徴とする、請求項１または２に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項４】
前記ワイヤ部材（８０）はナノ構造化および／またはミクロ構造化された表面を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項５】
前記ワイヤ部材（８０）は外装（８２）を付与されることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項６】
前記分配構造（５０，６０）は前記ワイヤ部材（８０）と物質接合式に結合された分離プレート（７５，７６）によって区切られることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項７】
前記ワイヤ部材（８０）と前記分離プレート（７５，７６）は共通のコーティング（８４）を付与されることを特徴とする、請求項６に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項８】
前記ワイヤ部材（８０）は少なくとも１つの屈曲部（８６）を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項９】
互いに傾いた方向に延びる少なくとも２つのワイヤ部材（８０）が設けられることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載のガス分配プレート（４０）。
【請求項１０】
燃料電池（２）において、
隔膜（１８）によって互いに分離された第１の電極（２１）および第２の電極（２２）を有する少なくとも１つの隔膜・電極ユニット（１０）と、
請求項１から９までのいずれか１項に記載の少なくとも１つのガス分配プレート（４０）と、
を含んでいる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配構造と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配構造とを含む、燃料電池のためのガス分配プレートに関する。本発明は、本発明による少なくとも１つのガス分配プレートを含む燃料電池も対象とする。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、連続的に供給される燃料と酸化剤との化学的な反応エネルギーが電気エネルギーへと変換されるガルバニ電池である。すなわち燃料電池は、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）と酸素（Ｏ２）が、水（Ｈ２Ｏ）、電気エネルギー、および熱に変換される。
【０００３】
電解槽は、水（Ｈ２Ｏ）を電気エネルギーによって水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）に分解する電気化学式のエネルギー変換器である。
【０００４】
特に、陽子交換隔膜（Ｐｒｏｔｏｎ−Ｅｘｃｈａｎｇｅ−Ｍｅｍｂｒａｎ＝ＰＥＭ）型燃料電池が知られている。陽子交換隔膜型燃料電池は、陽子すなわち水素イオンに対して透過性である、中央に配置された隔膜を有している。酸化剤、特に空気酸素がそれによって燃料から、特に水素から、空間的に分離される。
【０００５】
さらに、陽子交換隔膜型燃料電池はアノードとカソードを有している。燃料が燃料電池のアノードに供給され、触媒によって電子を放出しながら酸化して陽子になる。陽子は隔膜を通ってカソードへ到達する。放出された電子は燃料電池から排出され、外部の電気回路を介してカソードへと流れる。
【０００６】
酸化剤は燃料電池のカソードに供給され、外部の電気回路からの電子および隔膜を通ってカソードに到達する陽子を受け取ることによって反応して水になる。こうして生じた水が燃料電池から排出される。全反応は次のとおりとなる：
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
【０００７】
その際に、燃料電池のアノードとカソードの間で電圧が印加される。電圧を高めるために、複数の燃料電池を機械的に相前後して配置して燃料電池スタックとし、電気的に直列につなげることができる。
【０００８】
アノードへ燃料を均等に分配するために、ならびにカソードへ酸化剤を均等に分配するために、バイポーラプレートとも呼ばれるガス分配プレートが設けられる。ガス分配プレートは、電極へ燃料ならびに酸化剤を分配するために、たとえば通路状の構造を有している。さらに通路状の構造は、反応のときに発生する水を排出するための役目を果たす。さらにガス分配プレートは、熱を運び出すための冷却液を燃料電池に導通するための構造を有することができる。
【０００９】
特許文献１より、２つのプレート半体から構成される、当分野に属するガス分配プレートを有する燃料電池が公知である。この場合、両方のプレート半体の各々が、反応ガスの分配のために設けられる分配構造を有している。
【００１０】
特許文献２より、燃料電池のためのガス分配プレートが公知である。このガス分配プレートは、たとえば溝として構成されるメアンダ状の通路を有している。メアンダ状の通路は、燃料電池に水素または酸素を導入するための役目を果たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１０２０１２２２１７３０Ａ１号明細書
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第１０２０１４２０７５９４Ａ１号明細書
【発明の概要】
【００１２】
第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配構造と、第２の電極へ酸化剤を分配するための第２の分配構造とを含む、燃料電池のためのガス分配プレートが提案される。あるいはこのガス分配プレートは、これ以外の電気化学式のエネルギー変換器、たとえば電解槽などでも適用することができる。
【００１３】
本発明によると、分配構造に少なくとも１つのワイヤ部材が設けられる。ワイヤ部材を適切に配置することで、分配構造の通路を的確に構成することができる。それにより、分配構造の貫流に影響を及ぼすことができる。
【００１４】
このとき少なくとも１つのワイヤ部材は、第２の電極へ酸化剤を分配するため、ならびに反応のときに発生する水を排出するための役目を果たす第２の分配構造に設けられるのが好ましい。あるいは少なくとも１つのワイヤ部材は、代替的または追加的に、第１の電極へ燃料を分配するための第１の分配構造に設けられていてもよい。
【００１５】
本発明の１つの好ましい実施形態では、ワイヤ部材は円形の、すなわち丸形の断面を有する。それにより、ワイヤ部材を比較的低コストかつ容易に製作することができる。あるいはワイヤ部材のこれ以外の断面形状も考えられる。たとえばワイヤ部材は楕円形、三角形、四角形、五角形、六角形、または多角形の断面を有することができる。
【００１６】
ワイヤ部材は金属物質から製作されるのが好ましい。このようにしてワイヤ部材が導電性であり、電気化学的な反応のときに燃料電池で放出される電子を伝導することができる。ワイヤ部材の考えられる材料として、たとえば銅、アルミニウム、銀、金、ならびに特殊鋼などの耐食性の金属が適している。あるいはグラファイトや普通鋼など、これ以外の好ましくは導電性の材料も考えられる。
【００１７】
本発明の１つの好ましい発展例では、ワイヤ部材はナノ構造化および／またはミクロ構造化された表面を有している。ナノ構造化および／またはミクロ構造化された表面は、水によるワイヤ部材の湿潤に影響を及ぼす。このようにワイヤ部材に親水性または疎水性の特性を与えることができる。このことは、所望のプロセス条件に依存して、水の運び出しを改善したり遅らせたりすることができる。ナノ構造化ないしミクロ構造化は慣用されているさまざまな方式で行うことができ、このことは、すでにワイヤ部材の製造時に行うことができる。例として次の方式を挙げておく：電気化学方式（たとえば三次元の銅構造や金属構造の電気化学的な析出）、プラズマエッチング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、機械式の粗面化、リソグラフィ、レーザベースの方式（たとえばフェムト秒・レーザパルスによる金属物質の構造化）。
【００１８】
特に、ワイヤ部材がたとえば鋼材などの卑金属から製作されている場合に、ワイヤ部材を腐食から保護するために、ワイヤ部材は外装を備えていてよいのが好ましい。外装は特にプラスチックないしポリマーを含む。ワイヤ部材の電気絶縁性の外装にもかかわらず、燃料電池での電気化学反応のときに放出される電子に対する導電性を確保するために、隣接する導電性部材とのワイヤ部材のいくつかの接触個所は外装が施されない。さらに保護をする外装は、その導電性が要求事項を満たすように選択することができる。
【００１９】
分配構造は、ワイヤ部材と物質接合式に結合された分離プレートによって区切られるのが好ましい。分離プレートはたとえば薄い金属の薄板として構成され、分配構造をたとえば隣接する分配構造から分離する。ワイヤ部材を分離プレートと結合するために、特に拡散接合、溶接、レーザ溶接、抵抗溶接、はんだ付け、硬ろう付け、軟ろう付け、焼結などの方法が適用される。
【００２０】
本発明の好ましい発展例では、ワイヤ部材と分離プレートは共通のコーティングを付与される。このコーティングは特にプラスチックないしポリマーを含む。ガス分配プレートの製作にあたっては、まずワイヤ部材が分離プレートと結合され、次いでコーティングが塗布される。コーティングは、特に、特にワイヤ部材と分離プレートがたとえば鋼材などの卑金属で製作される場合に、ワイヤ部材ならびに分離プレートを腐食から保護するための役目を果たす。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態では、ワイヤ部材は少なくとも１つの屈曲部を有する。適切な屈曲部を有するワイヤ部材を相応に配置することで、分配構造の内部に、変化する幅をもつ通路を構成することができる。それにより、酸化剤が貫流するときに分配構造で圧力差が生じ、それに伴って変化する流速も生じる。それによって分配構造内部での混ぜ合せが改善される。
【００２２】
本発明の好ましい発展例では、互いに傾いた方向に延びる少なくとも２つのワイヤ部材が分配構造に設けられる。たとえばワイヤ部材が相上下して積層されて、互いに直角に向く。２つまたはそれ以上のワイヤ部材のこのような種類の配置によって、分配構造の多孔性を創出することができる。
【００２３】
隔膜によって互いに分離された第１の電極および第２の電極を有する少なくとも１つの隔膜・電極ユニットと、少なくとも１つの本発明によるガス分配プレートとを含む燃料電池も提案される。特にこの燃料電池は、隔膜・電極ユニットに両側でそれぞれガス分配プレートが後続するように構成される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によるガス分配プレートの実施形態は、分配構造のフレキシブルな構成を可能にする。ワイヤ部材は多種多様な実施形態で設置することができ、したがって、通路を多種多様なジオメトリーで形成することができる。ワイヤ部材は多種多様な材料で製作されていてよい。ワイヤ部材はコーティングされ、被覆され、外装され、または、さまざまな材料に同軸に埋設されていてよい。複数のワイヤ部材が相上下して配置されれば、多孔性の構造をガス分配プレートに生成することもできる。通路またはワイヤ部材のジオメトリーを適宜変更することで、ガス透過性ならびに水排出と水凝縮を制御することができる。特に、相応にシミュレーションで得られる知見を比較的迅速かつ容易に、実際的な検査のために具体化することができる。
【００２５】
ワイヤ部材の表面が適宜加工されることで、特に、ワイヤ部材の湿潤特性に影響を及ぼすことができる。さらに、分配構造の疎水性の特性をワイヤ部材の外装によって調整することができる。燃料電池または複数の燃料電池を有する燃料電池スタックの製作にあたって、ワイヤ部材を圧着によって摩擦接合式に分配構造で保持することも考えられる。その場合、たとえば溶接などによる追加の結合を不要にすることができる。
【００２６】
本発明の実施形態について、図面と以下の記述を用いて詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】複数の燃料電池を有する燃料電池スタックを示す模式図である。
【図２】第１の実施形態に基づくガス分配プレートの分配構造である。
【図３】第２の実施形態に基づくガス分配プレートの分配構造である。
【図４】第３の実施形態に基づくガス分配プレートの分配構造である。
【図５】第４の実施形態に基づくガス分配プレートの分配構造である。
【図６】第５の実施形態に基づくガス分配プレートの分配構造である。
【図７】第６の実施形態に基づくガス分配プレートの分配構造である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態についての以下の説明では、同一または類似する部材には同じ符号が付されており、これらの部材を個別事例で繰り返して説明することはしない。各図面は本発明の対象物を模式的に示すにすぎない。
【００２９】
図１は、複数の燃料電池２を有する燃料電池スタックの模式図を示している。各々の燃料電池２が、第１の電極２１と、第２の電極２２と、隔膜１８とを含む隔膜・電極ユニット１０を有している。両方の電極２１，２２は隔膜１８の互いに向き合う側に配置され、そのようにして隔膜１８により互いに分離される。第１の電極２１は以下においてアノード２１とも呼び、第２の電極２２を以下においてカソード２２とも呼ぶ。隔膜１８はポリマー電解質隔膜として構成されている。隔膜１８は、水素イオンすなわちＨ＋イオンに対して透過性である。
【００３０】
さらに各々の燃料電池２は、隔膜・電極ユニット１０に両側で後続する２つのガス分配プレート４０を有している。ここに示す燃料電池スタックでの複数の燃料電池２の配置では、ガス分配プレート４０の各々は、互いに隣接して配置された２つの燃料電池２に帰属するとみなすことができる。
【００３１】
ガス分配プレート４０は、アノード２１のほうを向く、燃料を分配するための第１の分配構造５０をそれぞれ含んでいる。ガス分配プレート４０は、カソード２２のほうを向く、酸化剤を分配するための第２の分配構造６０もそれぞれ含んでいる。第２の分配構造６０は、同時に、反応時に燃料電池２の中で発生する水を排出するための役目を果たす。
【００３２】
さらにガス分配プレート４０は、第１の分配構造５０と第２の分配構造６０の間に配置された第３の分配構造７０を含んでいる。第３の分配構造７０は、ガス分配プレート４０に冷却剤を導通させ、それによって燃料電池２を冷却するための役目を果たす。
【００３３】
第１の分配構造５０と第３の分配構造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の分配構造６０と第３の分配構造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。ガス分配プレート４０の分離プレート７５，７６は、本例では薄い金属の薄板として構成されている。
【００３４】
燃料電池２の作動時に、燃料が第１の分配構造５０を介してアノード２１へ案内される。同様に、酸化剤が第２の分配構造６０を介してカソード２２へ案内される。本例では水素である燃料が、アノード２１で触媒により電子を放出しながら酸化して陽子となる。陽子は隔膜１８を通ってカソード２２へ到達する。放出される電子は燃料電池２から排出され、外部の電気回路を介してカソード２２へと流れる。本例では空気酸素である酸化剤が、外部の電気回路からの電子と、隔膜１８を通してカソード２２に到達する陽子とを受け取ることによって反応して水になる。
【００３５】
図２は、第１の実施形態に基づくガス分配プレート４０の第２の分配構造６０を示している。第２の分離プレート７６によって区切られる第２の分配構造６０に、複数の、本例では３つの、ワイヤ部材８０が設けられている。
【００３６】
ワイヤ部材８０は本例では丸形の断面を有している。ワイヤ部材８０は金属、本例ではアルミニウムで製作されている。このときワイヤ部材８０は第２の分離プレート７６と物質接合式に結合される。
【００３７】
図３は、第２の実施形態に基づくガス分配プレート４０の第２の分配構造６０を示している。第２の分離プレート７６によって区切られる第２の分配構造６０に、複数の、本例では３つの、ワイヤ部材８０が設けられている。
【００３８】
ワイヤ部材８０は本例では楕円形の断面を有している。ワイヤ部材８０は金属、本例では鋼材で製作されている。このときワイヤ部材８０は第２の分離プレート７６と物質接合式に結合される。ワイヤ部材８０と第２の分離プレート７６は、共通のコーティング８４を付与されている。コーティング８４はポリマーを含んでおり、ワイヤ部材８０ならびに第２の分離プレート７６を腐食から保護するための役目を果たす。
【００３９】
図４は、第３の実施形態に基づくガス分配プレート４０の第２の分配構造６０を示している。第２の分離プレート７６によって区切られる第２の分配構造６０に、複数の、本例では３つの、ワイヤ部材８０が設けられている。
【００４０】
ワイヤ部材８０は本例では丸形の断面を有している。ワイヤ部材８０は金属、本例では鋼材で製作されている。このときワイヤ部材８０はそれぞれ外装８２を付与されている。外装８２はポリマーを含んでおり、ワイヤ部材８０を腐食から保護する役目を果たす。ワイヤ部材８０は、ここには見えていない、外装８２のない接触個所を有している。接触個所でワイヤ部材８０が第２の分離プレート７６と物質接合式に結合される。
【００４１】
図５は、第４の実施形態に基づくガス分配プレート４０の第２の分配構造６０を示している。第２の分離プレート７６によって区切られる第２の分配構造６０に、複数のワイヤ部材８０が設けられており、図示した図面には３つのワイヤ部材８０を見ることができる。
【００４２】
ここでは、第２の分離プレート７６の上に直接載っている２つのワイヤ部材８０が、互いに平行に延びている。その他のワイヤ部材８０は、第２の分離プレート７６の上に直接載っている両方のワイヤ部材８０の上に載っており、これらに対して直角に延びている。他のワイヤ部材８０の上に載っているワイヤ部材８０はここでは湾曲しており、他のワイヤ部材８０の間の中間スペースで第２の分離プレート７６に接近している。
【００４３】
図６は、第５の実施形態に基づくガス分配プレート４０の第２の分配構造６０を示している。第２の分離プレート７６によって区切られる第２の分配構造６０に、複数のワイヤ部材８０が設けられており、図示した図面には３つのワイヤ部材８０を見ることができる。
【００４４】
ここでは、第２の分離プレート７６の上に直接載っている２つのワイヤ部材８０が、互いに平行に延びている。その他のワイヤ部材８０は、第２の分離プレート７６の上に直接載っている両方のワイヤ部材８０の上に載っており、これらに対して直角に延びている。他のワイヤ部材８０の上に載っているワイヤ部材８０は、本例では直線状かつ互いに平行に延びている。このように、他のワイヤ部材８０の上に載っているワイヤ部材８０は、第２の分離プレート７６に対して等しいままの間隔を有する。
【００４５】
図７は、第６の実施形態に基づくガス分配プレート４０の第２の分配構造６０を示している。第２の分離プレート７６によって区切られる第２の分配構造６０に、複数の、本例では４つの、ワイヤ部材８０が設けられている。
【００４６】
ワイヤ部材８０は屈曲部８６を有している。すなわちワイヤ部材８０は、区域的にのみ互いに平行に延びている。ここに示した前述の屈曲部８６を有するワイヤ部材８０の配置によって、第２の分配構造６９の内部でそれぞれのワイヤ部材８０の間に可変の幅をもつ通路が構成される。
【００４７】
ここでは、比較的狭い幅を有する第１の流動領域９１が生じている。第１の流動領域９１に比べて広い幅を有する、第２の流動領域９２も生じている。
【００４８】
燃料電池２の作動時に、酸化剤が第２の分配構造６０を通って流れるとき、酸化剤は第１の流動領域９１で第２の流動領域９２よりも高い流速を有する。さらに第１の流動領域９１の酸化剤は、第２の流動領域９２よりも低い圧力を有する。
【００４９】
本発明は、上述した実施例およびその中で強調した態様だけに限定されるものではない。むしろ、特許請求の範囲によって記述されている範囲内で、当業者の行為の枠内にある数多くの改変が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
２  燃料電池
１０  隔膜・電極ユニット
１８  隔膜
２１  第１の電極
２２  第２の電極
４０  ガス分配プレート
５０  第１の分配構造
６０  第２の分配構造
７５，７６  分離プレート
８０  ワイヤ部材
８２  外装
８４  コーティング
８６  屈曲部
【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】
2020514969.tif 000008
【図７】
2020514969.tif 000009
【国際調査報告】
2020514969.tif 000010
2020514969.tif 000011
2020514969.tif 000012
2020514969.tif 000013
2020514969.tif 000014
2020514969.tif 000015