特開 2022-66186 高導電路および低腐食性を備えた燃料電池用ポリメットプレート

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022066186

(43)【公開日】2022-04-28

(54)【発明の名称】高導電路および低腐食性を備えた燃料電池用ポリメットプレート

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0223 20160101AFI20220421BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/0256 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/0206 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/0213 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/0215 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/0221 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/0267 20160101ALI20220421BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20220421BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0223

H01M8/0247

H01M8/0256

H01M8/0206

H01M8/0213

H01M8/0215

H01M8/0221

H01M8/0267

H01M8/02

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021169840

(22)【出願日】2021-10-15

(31)【優先権主張番号】202021045274

(32)【優先日】2020-10-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IN

(71)【出願人】

【識別番号】518386656

【氏名又は名称】インディアン オイル コーポレイション リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＩＡＮ ＯＩＬ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(74)【代理人】

【識別番号】100148633

【弁理士】

【氏名又は名称】桜田 圭

(74)【代理人】

【識別番号】100147924

【弁理士】

【氏名又は名称】美恵 英樹

(72)【発明者】

【氏名】ソンカル、カピル

(72)【発明者】

【氏名】ジンダル、タルン

(72)【発明者】

【氏名】チュー、サチン

(72)【発明者】

【氏名】シャルマ、アロック

(72)【発明者】

【氏名】カプール、グルプリート シン

(72)【発明者】

【氏名】ラマクマール、サンカラ スリ ベンカタ

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA12

5H126AA14

5H126AA15

5H126BB06

5H126DD01

5H126EE03

5H126EE22

5H126GG02

5H126GG05

5H126GG11

5H126GG18

5H126JJ05

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高導電性および低腐食性を備えるとともに、冷却剤を介した電流漏れのないＰＥＭ燃料電池スタック用ポリメット（ＰｏｌｙＭＥＴ）プレートを提供する。
【解決手段】プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池用のポリメットプレート１０８－１は、ポリマー材を含む本体を含み、第１表面２０２と第１表面の反対側に第２表面２０４とを備える。ポリメットプレートは、第１表面上に、第１表面上の反応領域を画定する複数の面内導電路２０８を含み、複数の面内導電路は、第１表面上に導電材のシールとして形成される。ポリメットプレートは、第１表面と第２表面との間を貫通する、固体導電材で形成された面貫通導電路２１０を含み、かかる面貫通導電路は、面内導電路と電気的に結合している。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（１００）用のポリメットプレート（１０６）であって、前記ポリメットプレート（１０６）は、ポリマー材を含んでなる本体を含み、
前記本体は、
第１表面（２０２）と、前記第１表面（２０２）の反対側の第２表面（２０４）と、
導電材のシールとして前記第１表面（２０２）上の少なくとも１つのリブ上に形成されている複数の面内導電路（２０８）であって、前記第１表面上の反応領域を画定する、前記第１表面（２０２）上の複数の前記面内導電路（２０８）と、
前記面内導電路と電気的に結合している面貫通導電路であって、前記第１表面（２０２）および前記第２表面（２０４）の間を貫通する、固体導電材で形成された前記面貫通導電路と、
を含む、
ポリメットプレート（１０６）。

【請求項2】

前記本体が、前記ポリマー材単独、９０～９５体積％のガラス材およびポリマー材の組み合わせ、ポリメットプレート（１０６）の外周の面貫通導電路に付与された５～１０体積％の前記導電材のいずれかを含む、請求項１に記載のポリメットプレート（１０６）。

【請求項3】

前記本体が、熱伝導性ポリマー材を含んでなり、前記熱伝導性ポリマー材は熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーのいずれかであり、前記導電材は金属、カーボンパウダー、またはカーボンフィラーのいずれかである、請求項２に記載のポリメットプレート（１０６）。

【請求項4】

前記第１表面が、前記第１表面（２０２）に隣接して配置されたガス拡散層に燃料または空気のいずれかを分配するように構成された流れ場（１０８－１、１０８－２）を含む、請求項１に記載のポリメットプレート（１０６）。

【請求項5】

前記第２表面（２０４）上に、冷却剤が中を通って循環するように構成された熱除去ジャケット（２１２）を含む、請求項１に記載のポリメットプレート（１０６）。

【請求項6】

複数のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（１００）を接続して形成されるスタック用のＰＥＭ燃料電池（１００）であって、
前記ＰＥＭ燃料電池（１００）は、
プロトン交換膜（ＰＥＭ）（１０４）と、
前記ＰＥＭ（１０４）を挟む一対のガス拡散層（１０４－１、１０４－２）と、
を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（１０２）と、
それぞれがポリマー材を含む本体を含んでなる、前記ＭＥＡ（１０２）を挟む第１ポリメットプレート（１０６－１）および第２ポリメットプレート（１０６－２）と、
を含み、
前記本体は、
第１表面（２０２）と、前記第１表面（２０２）の反対側の第２表面（２０４）と、
導電材のシールとして前記第１表面（２０２）上の少なくとも１つのリブ上に形成されている複数の面内導電路（２０８）であって、前記第１表面（２０２）上の反応領域を画定する、前記第１表面（２０２）上の複数の前記面内導電路（２０８）と、
前記面内導電路と電気的に結合している面貫通導電路であって、前記第１表面（２０２）および前記第２表面（２０４）の間を貫通する、固体導電材で形成された前記面貫通導電路と、
を含む
ＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項7】

前記第１ポリメットプレート（１０６－１）および前記第２ポリメットプレート（１０６－２）は、前記ＰＥＭ燃料電池（１００）のカソードである、請求項６に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項8】

アノードポリメットプレート（１０６－１）の前記面内導電路（２０８）が、前記第１ガス拡散層（１０４－１）を介して電子を受け取り、前記カソードポリメットプレート（１０６－２）の前記面貫通導電路に電子を転送するように構成されている、請求項７に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。（暫定版の請求項８に対応）

【請求項9】

前記ＰＥＭ燃料電池（１００）動作中に放熱するために、熱可塑性材で形成された熱除去ジャケット（２１２）であって、前記第２ポリメットプレート（１０６－２）の前記第２表面（２０４）上の前記熱除去ジャケットに流体的に結合した冷却回路を含み、前記ポリマー材が前記冷却剤への電流漏れを抑制する、請求項６に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項10】

前記冷却回路に流体的に結合し、前記冷却剤の電気伝導度を低下させるように構成されたイオンバランスユニットを含む、請求項９に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＰＥＭ燃料電池スタックの開発のための高導電路および低腐食性を備えた、冷却剤を介した電流漏れがゼロのポリメット（ＰｏｌｙＭＥＴ）プレートに関する。また、本発明は、ポリメットプレートの設計を提供する。

【背景技術】

【0002】

ＰＥＭ燃料電池は、比較的高い効率性と汚染物質排出の少なさから、交通機関への活用に最も注目されている。ＰＥＭセルは、燃料電池スタックにおいて非常に重要な要素である、単極板または両極板を含む。一般的に、プレートは、燃料電池スタック全体の重量の約８０％、スタック全体のコストの約４５％を占める。単極板の主な機能は、膜電極アセンブリに機械的強度を与え、支持し、スタック内の反応気体を均一に分配し、スタック内の熱と水の管理を容易にし、個々のセル間の電気的接続を可能にすることである。

【0003】

現在、非多孔性グラファイトプレート、金属製プレート（シールあり、なしを含む）および多くのポリマー複合プレートなどを含む、ＰＥＭ燃料電池スタック用の単極板には、いくつかの種類の材料が使用されている。単極板の材料には、優れた電気および熱伝導性、低気体透過性、高機械強度、低腐食耐性および軽量性などの特定の特性が求められる。

【0004】

グラファイトは、耐腐食性および表面接触抵抗または界面接触抵抗の低さなどの特性から、単極板の構成材料の主力である。しかし、グラファイトは脆く、密度が低いために、体積が大きく、そのため、気体を透過しやすく、機械特性が不十分である。さらに、プレート表面にチャネルを作るには複雑な機械加工が必要になり、時間およびコストがかかるため、大量生産には適していない。

【0005】

ポリマーおよびグラファイト粒子の混合物をベースとしたポリマー複合単極板が文献では推奨されてきた。この種類の材料は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂の射出成形などの製造プロセスにより合理的なコストで大量生産できる。ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、フェノール樹脂、およびビニルエステル樹脂をマトリクスとして用いたグラファイトベースの複合単極板には、いくつかの例がある。ポリマーマトリックスは、機械強度を向上させて、単極板に柔軟性を与える一方で、電気伝導性は比例して低下する。しかし、グラファイトにポリマーを組み込むと、化学的安定性がわずかに低下する。

【0006】

板状の金属は、十分な機械的安定性および電気および熱伝導性を有し、かつ、気体透過性が低いため、単極板の材料の候補として期待できる。しかし、金属製単極板では、電気化学反応中に水が発生するため、アノード／カソードチャンバーでの腐食の問題が生じる。結果として、燃料電池の腐食環境、特にアノード側で、Ｎｉ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｒ３＋などの副生成物が生成される。これらの副生成物は、触媒層や固体ポリマー電解質にとって有害である。

【0007】

燃料電池スタックでは、電気化学反応により副生成物として発生する熱をスタックから取り除き、セル内の温度を所望の温度に保つ必要がある。冷却剤は、閉回路で循環させて、スタックから熱を取り除くために使用される。これらの冷却剤は、基本組成物および添加剤パッケージで構成されている。基本組成物は、純水のみ、または純水およびエチレングリコールもしくはプロピレングリコールの混合物である。冷却剤の熱伝導率は非常に高くなければならず、一方で冷却剤の電気伝導率の増加は望ましくない。冷却剤の電気伝導率が高いと、長期的に２つの大きな問題が発生する。

【0008】

ＰＥＭ燃料電池で発生した電流は、電場を発生させることで、冷却剤を分極し、電荷漏れを引き起こす。すなわち、冷却剤を介して漏電し、燃料電池の電気効率に悪影響を及ぼす。冷却剤を介した漏電に加え、電気伝導率の高い冷却剤は、セルを電気的にショートさせ、スタックの劣化や性能低下の原因となりうる。

【0009】

イオンバランスユニットは、燃料電池システムの一部である冷却剤回路に設置され、冷却剤の電気伝導率をサイクルごとに低下させる。このため、システムが複雑になり、燃料電池システムのコストがあがる。以下の先行技術に開示されているように、様々な解決方法が存在する。

【0010】

特許文献１は、液体または気体で灌流されたプレート、例えば、導電材および非導電材で構成された双極板に関する。これらの材料は、プレートの表面上の端子パッドおよび／またはチャネルの一部を形成する。導電材は、プレートの表面上の電導管を形成し、非導電材は、チャネルの補強もしくはシールまたはプレート表面の周縁部の一部を形成することができる。

【0011】

特許文献２には、金属層および溶接された双極板が開示されている。金属層の間に冷却剤チャネルがある。各層は、はんだ金属（好ましくはＮｉ合金）を介して導電的に結合している。

【0012】

特許文献３は、ガス拡散層と接する双極表面間の接触界面の起伏を、その表面で発生する接触抵抗が低下するように導電材で充填した金属製双極板に関する。

【0013】

特許文献４には、金属製双極板の表面を十分に保護するために、金属基板および膨張グラファイト粉末を圧入し、金属基板の表面を覆うグラファイト層を形成することによる、金属製双極板の表面改質方法が記載されている。

【0014】

特許文献５には、ポリマーコーティングがフレームまたはベースの少なくとも一方に塗布され、ポリマーコーティングが電気絶縁体および／または腐食保護層、ならびに電気化学セル内のシールとして機能することにより、電気化学セルの製造、組み立ての複雑さおよびコストを削減するように構成された双極板が記載されている。

【0015】

しかし、上述のどの文献においても、燃料電池スタックの軽量化を維持しながらの、重量、腐食および電流漏れの問題を十分に解決していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】米国特許第６０７１６３５号明細書

【特許文献2】米国特許第５７７６６２４号明細書

【特許文献3】米国特許第８４５５１５５号明細書

【特許文献4】米国特許第９６４０８０６号明細書

【特許文献5】米国特許第１０３９６３６６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

本要約は、本発明の詳細な説明でさらに説明されている概念を簡略化したものである。この要約は、本発明の重要または本質的な発明概念を特定することを意図したものではなく、また、本発明の範囲を特定することを意図したものではない。

【0018】

本主題は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池用ポリメットプレートの態様に関するものである。ポリメットプレートは、ポリマー材および導電材をベースにしているため、従来のプレートと比較してポリメットプレートを軽量化でき、高い導電性を維持しつつ、出力重量比を高めることができる。

【課題を解決するための手段】

【0019】

一つの実施形態において、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池用のポリメットプレートが開示されている。ポリメットプレートは、ポリマー材を含む本体を含み、第１表面と、第１表面の反対側の第２表面と、を含む。ポリメットプレートは、第１表面上の反応領域を画定する第１表面上の複数の面内導電路を含み、複数の面内導電路は、第１表面上の導電材のシールとして形成される。また、ポリメットプレートは、第１表面と第２表面を貫通する、固体導電材で形成された面貫通導電路も含み、面貫通導電路は、面内導電路に電気的に結合している。

【0020】

別の実施形態において、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を含むプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池が開示されている。ＭＥＡは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）と、ＰＥＭを挟む一対のガス拡散層とを含む。また、ＰＥＭ燃料電池は、ＭＥＡを挟む第１ポリメットプレートと第２ポリメットプレートを含む。さらに、第１および第２ポリメットプレートのそれぞれは、ポリマー材の複合体を含む本体を含む。本体は、第１表面と、第１表面の反対側の第２表面とを含む。ポリメットプレートは、第１表面上の反応領域を画定する第１表面上の複数の面内導電路を含み、かつ複数の面内導電路は、第１表面上の導電材のシールとして形成されている。また、ポリメットプレートは、第１表面と第２表面間を貫通する、固体導電材で形成された面貫通導電路も含み、面貫通導電路は、面内導電路に電気的に結合している。

【発明の効果】

【0021】

本主題によれば、ポリマー材により、ポリメットプレートは、高い機械強度、軽量性、低コスト、良好な気密性、低接触抵抗性および低腐食耐性を有し、従来のグラファイトおよび金属製の単極板を製造する際に必要であった機械加工プロセスを省略することができる。一方で、ポリマー材に含まれる導電材は、ポリマー材を電気および熱伝導性にし、その電流漏れをゼロにすることができる。その結果、ポリメットプレートをベースにしたＰＥＭセルは、軽量であると同時に、ＰＥＭセルの最適な動作に必要な電気および熱伝導性を備えている。

【0022】

本発明の利点および特徴をさらに明確にするために、添付の図面に示された本発明の特定の実施形態を参照して、本発明のより具体的な説明を行う。これらの図面は、本発明の典型的な実施形態のみを描いたものであり、したがって、その範囲を限定するものとはみなされない。本発明は、添付の図面を用いて、さらに具体的かつ詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

本発明の特徴、態様、および利点は以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、よりよく理解できる。添付の図面において、図面中の各要素は、共通して同一の記号が付される。

【0024】

【図1】本開示の実施形態による、プロトン交換膜セルの概略側面図を示す。

【図2】本開示の実施形態による、アノードポリメットプレートの正面図および背面図を示す。

【図3】本開示の実施形態による、カソードポリメットプレートの正面図および背面図を示す。

【図4】本開示の実施形態による、アノードポリメットプレート上にあるカソードポリメットプレートの上面斜視図（Ａ）、アノードポリメットプレート上にあるカソードポリメットプレートの下面斜視図（Ｂ）、および（Ａ）の線１－１に沿って切り取った断面図（Ｃ）を示す。

【図5】本開示の実施形態による、ポリメットプレートおよびプレート材料としてグラファイトとＳＳを用いた従来の単極板のＩ－Ｖ分極曲線と電力密度曲線を示す。

【図6】ＰＥＭ燃料電池用ポリメットプレートおよび従来のグラファイト／ＳＳ単極板の電力密度の比較を示す。

【図7】ＰＥＭ燃料電池用ポリメットプレートおよび従来のグラファイト／ＳＳ単極板のスタック総体積の比較を示す。

【図8】ＰＥＭ燃料電池用ポリメットプレートおよび従来のグラファイト／ＳＳ単極板のスタック総質量の比較を示す。

【0025】

さらに、当業者であれば当然理解できることであるが、図面における各要素は簡略化して示されており、必ずしも一定の縮尺で記載されているとは限らない。例えばフローチャートは、本発明の態様の理解を助けるのに役立つ最も重要なステップに関する方法を示す。さらに、装置の構造に関して、装置の一つ以上の構成要素が従来の符号によって示されている場合があり、図面は本発明の実施形態を理解するために適切な、それらの具体的な詳細についてのみ示す可能性がある。これは、本開示に記載から利益を受ける当業者にとって、明らかな詳細について記載することで図面を不明瞭にしないようにするためである。

【発明を実施するための形態】

【0026】

本発明の原理の理解を促すために、図面に示された実施形態を参照しながら、専門用語を使用して説明する。しかしながら、当然に理解されることであるが、本発明の範囲を限定することは意図されておらず、本発明に関連する技術分野の当業者が通常思いつくような、図示されたシステムの変更およびさらなる修正、および図示された本発明の原理のさらなる応用を含むことが理解されよう。特に定義されていない限り、本開示で使用されているすべての技術的および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されているものと同じ意味を有する。本開示で提示されるシステム、方法、および例は、例示であり、限定しようとするものではない。

【0027】

例えば、本開示で使用されている「ｓｏｍｅ」という用語は、「ｎｏｎｅ」または「ｏｎｅ」または「ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ」または「ａｌｌ」と理解される。したがって、「ｎｏｎｅ」、「ｏｎｅ」、「ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ」、「ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ｏｎｅ， ｂｕｔ ｎｏｔ ａｌｌ」、または「ａｌｌ」という用語は、「ｓｏｍｅ」の定義に該当することになる。本開示で使用されている用語および構造は、いくつかの実施形態とその特定の特徴および要素を説明、教示、明らかにするためのものであり、したがって、本開示の精神および範囲をいかなる方法でも限定、制限、または縮小すると解釈すべきではないことを、当業者は理解されたい。

【0028】

例えば、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｈａｓ」、「ｃｏｎｓｉｓｔｓ」、および同様の文法的変形表記などの用語は、正確な限定または制限をするものではなく、特に明記しない限り、１つまたは複数の機能や要素の追加の可能性を排除するものではない。さらに、このような用語は、別段の記載がない限り、例えば、「ｍｕｓｔ ｃｏｍｐｒｉｓｅ」や「ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｉｎｃｌｕｄｅ」などが挙げられるがこれらに限られない、限定的な表現を用いた用語は、記載された特徴や要素のうち１つ以上の削除の可能性を排除するものではない。

【0029】

ある特徴や要素が一度しか使われないように制限されていたとしても、「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ」もしくは「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ」、または「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｆｅａｔｕｒｅ」もしくは「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｅｌｅｍｅｎｔ」と記載されることがある。さらに、「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ」または「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ」の特徴または要素という用語の使用は、「ｔｈｅｒｅ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ」や「ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｓ ｒｅｑｕｉｒｅｄ」などの限定的な表現で特定されない限り、その特徴または要素が全く含まれないことを排除するものではない。

【0030】

特に定義されていない限り、本開示で使用されているすべての用語、特に技術的およびまたは科学的な用語は、当業者が一般的に理解しているものと同じ意味を有する。

【0031】

本開示では、いくつかの実施形態を参照している。実施形態は、本開示の任意の特徴および／または要素の実現可能な例であることを理解されたい。いくつかの実施形態には、本開示の特定の特徴および／または要素が、潜在的な方法の１つまたは複数を説明する目的で記載されており、本開示の特定の特徴および／または要素は、独自性、有用性、および非自明性の要件を満たす。

【0032】

「第１の実施形態」、「さらなる実施形態」、「代替の実施形態」、「１つの実施形態」、「１つの実施形態」、「複数の実施形態」、「いくつかの実施形態」、「他の実施形態」、「追加の実施形態」、またはそれらの他の変形を含むがこれらに限定されないフレーズおよび／または用語の使用は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。特に明記しない限り、１つまたは複数の実施形態に関連して記載された１つまたは複数の特定の特徴および／または要素は、１つの実施形態に含まれることがあり、１つ以上の実施形態に含まれることがあり、すべての実施形態に含まれることもあり、または実施形態に含まれないこともある。本開示では、１つまたは複数の特徴および／または要素が、単一の実施形態のみの文脈で、または１つ以上の実施形態の文脈で、またはすべての実施形態の文脈で記載されることがあるが、代わりに、特徴および／または要素は、個別に、または任意の適切な組み合わせで、または全く記載されないことがある。逆に、別々の実施形態の文脈で説明された任意の特徴および／または要素は、代替的に、単一の実施形態の文脈で一緒に存在するものとして実現されてもよい。

【0033】

本開示に記載されている特定のおよびすべての詳細は、実施形態の文脈で使用されているため、必ずしも本開示における限定的要因と解釈すべきではない。

【0034】

以下に、本発明の実施形態について、添付図面を参照し、詳細に説明する。

【0035】

明確性担保のため、本開示における各構成要素の参照番号の接頭数字は、対応する構成要素が示されている図番号を示す。例えば、数字「１」で始まる参照番号は、少なくとも図１に示されている。同様に、数字「２」で始まる参照番号は、少なくとも図２に示されている。

【0036】

図１は、本開示の一つの実施形態におけるプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池１００を示す。ＰＥＭ燃料電池１００は、水素ガスを燃料、酸素を酸化剤として用い発電する電気化学セルであってもよい。ＰＥＭ燃料電池１００は、水素分子をイオン化して、外部回路を介して移動する電子を放出するために、白金などの触媒を用いてもよい。ＰＥＭ燃料電池１００は、ＰＥＭ燃料電池１００のコアを形成し得る膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）１０２を含んでもよい。ＭＥＡ１０２は、ＭＥＡ１０２の主要部分を形成するプロトン交換膜（ＰＥＭ）１０４を含んでもよい。ＰＥＭ１０４は、電子絶縁体および水素ガスおよび酸素ガス用バリアとして機能しながら、水素イオンを通過させる媒体として機能する半透過性の膜である。

【0037】

また、ＭＥＡ１０２は、ＰＥＭ１０４を挟む、第１ガス拡散層１０６－１と第２ガス拡散層１０６－２とを含む一対のガス拡散層１０６を含んでいてもよい。ガス拡散層１０６は、ガス拡散層１０６に接しているＰＥＭ１０４の表面全体に、ガスや空気を拡散するように構成されている。例えば、第１ガス拡散層１０６－１は、ＰＥＭ１０４の一方の表面に水素ガスを均一に拡散し、第２ガス拡散層１０６－２は、ＰＥＭ１０４の他方の表面に空気中の酸素を均一に拡散してもよい。ガス拡散層１０６は、ＰＥＭ１０４の一方の表面を介して水素イオンを均一に透過し、ＰＥＭ１０４の他方の表面において、水素イオンを酸素によって均一に還元し水を発生させるために、気体の適切な拡散を確実にするために必要である。また、ガス拡散層１０６は、電子の交換を促進してもよい。

【0038】

一つの実施例において、ＰＥＭ燃料電池１００は、一対のポリメットプレート１０８を含み、一対のポリメットプレート１０８は、ＭＥＡ１０２を挟むように、ガス拡散層１０６の各側に第１ポリメットプレート１０８－１と第２ポリメットプレート１０８－２とを含んでいる。ポリメットプレート１０８は、様々な役割を担うように構成されている。まず、ポリメットプレート１０８は、ＰＥＭ燃料電池１００に構造的強度を与える。また、ポリメットプレート１０８は、触媒反応のための燃料および酸素の供給を可能にする。さらに、ポリメットプレート１０８は、集電板として機能し、これに外部回路を接続することができる。あるいは、ポリメットプレート１０８は、ＰＥＭ燃料電池１００および他のＰＥＭ燃料電池１００の結合を可能にして、ＰＥＭ燃料電池１００のＰＥＭ燃料電池スタックを形成してもよい。いずれの場合も、ポリメットプレート１０８は、電子がＰＥＭ燃料電池１００の外部を移動できるように電気的接続を可能にする。ポリメットプレート１０８の詳細については、図２および図３に関連して後述する。

【0039】

一つの実施例において、各ポリメットプレート１０８は、一対のガス拡散層１０６への燃料または空気のいずれかの分配経路を提供しうる流れ場１１０－１、１１０－２を含んでいる。例えば、第１流れ場１１０－１は、水素ガスをガス拡散層１０６－１に分配する一方、第２流れ場１１０－２は、空気をガス拡散層１０６－２に分配してもよい。さらに、流れ場１１０－１、１１０－２は、腐食の発生を減少させる熱可塑性材を含んでいてもよい。一つの実施例において、腐食の割合は、同じ寸法の従来の流れ場よりも３０％～４０％減少する。

【0040】

また、ＰＥＭ燃料電池１００は、ＰＥＭ燃料電池１００の動作中に発生する熱を除去するために、ＰＥＭ燃料電池１００に冷却剤を循環するように構成された冷却回路を含んでもよい。一つの実施例において、冷却回路は、閉回路であって、水などの冷却剤を循環させている。一つの実施例において、冷却回路は、ポリメットプレート１０８から熱を除去するように構成されている。従来、冷却回路内の冷却剤は、従来のプレートからの電流漏れによりイオン化され、かかるイオン化により、冷却回路の冷却性能に影響を与えるとともに、冷却剤のイオン化により、ＰＥＭ燃料電池１００のショートを引き起こす可能性がある。かかる問題は、後述の実施形態で詳細に説明するポリメットプレート１０８の構造と形状により、ポリメットプレート１０８からの電流漏れを防ぐことで軽減される。

【0041】

また、ＰＥＭ燃料電池１００は、冷却回路に流体的に結合したイオンバランスユニット（図示せず）を含んでいてもよく、冷却剤の電気伝導性を低下させて冷却剤の動作寿命を向上するように構成されていてもよい。

【0042】

一つの実施例において、第１ポリメットプレート１０８－１は、ＰＥＭ燃料電池１００のアノードであり、一方、第２ポリメットプレート１０８－２は、ＰＥＭ燃料電池１００のカソードである。一つの実施例において、アノードポリメットプレート１０８－１および第１ガス拡散層１０６－１が、アノードチャンバーを画定する一方で、カソードポリメットプレート１０８－２および第２ガス拡散層１０６－２が、カソードチャンバーを画定する。さらに、アノードポリメットプレート１０８－１は、その上に水素ガスをイオン化するための触媒層を含んでいてもよい。動作中、アノードポリメットプレート１０８－１は、水素イオンおよび自由電子を形成するために水素ガスをイオン化してもよい。アノードチャンバー内の水素イオンは、第１ガス拡散層１０６－１を介して固体ＰＥＭ１０４を通じ移動してもよい。一方で、アノードポリメットプレート１０８－１は、自由電子を収集してもよい。アノードポリメットプレート１０８－１上の収集された電子は、外部回路を介してカソードポリメットプレート１０８－２に移動する。

【0043】

一方で、カソードポリメットプレート１０８－２は、外部回路に結合し、外部回路を介してアノードポリメットプレート１０８－２から電子を受け取ってもよい。さらに、カソードポリメットプレート１０８－２は、空気中の酸素分子に電子を供給し、酸素分子を分割し酸素イオンを形成し、ＰＥＭ１０４を通じカソードチャンバーに移動した水素イオンと結合して水分子を形成してもよい。次に。ポリメットプレート１０８の構造的な詳細と、ポリメットプレート１０８がどのようにしてＰＥＭ燃料電池１００の動作を可能にするかについて説明する。

【0044】

図２から図４は、本開示の一つの実施形態におけるポリメットプレート１０８の詳細な概略図を示している。具体的には、図２は、アノードポリメットプレート１０８－１の正面図および背面図を示し、図３は、カソードポリメットプレート１０８－２の正面図および背面図を示している。さらに、図４は、アノードポリメットプレート１０８－１上にあるカソードポリメットプレート１０８－２の上面斜視図（Ａ）、アノードポリメットプレート１０８－２上にあるカソードポリメットプレート１０８－２の下面斜視図（Ｂ）、および（Ａ）の線１－１に沿って切り取った断面図（Ｃ）を相対的に示している。

【0045】

ポリメットプレート１０８の本体は、金属ポリマー複合体であってもよい。一つの実施例において、ポリメットプレート１０８は、ポリマー材および導電材で形成されている。一つの実施例において、ポリマー材は、熱可塑性ポリマーまたは熱硬化性ポリマーのいずれかであってもよい。ポリマー材は、適切な放熱を可能にする良好な熱伝導性を有し、それによって、ＰＥＭ燃料電池１００の性能を高めることができる。一つの実施例において、ポリメットプレート１０８は、ポリマー材単独で、またはガラスおよび９０～９５体積％のポリマー材の組み合わせで、形成される。

【0046】

ポリマー材の使用は、従来の金属ベースまたはグラファイトベースのプレートに比べて様々な利点がある。例えば、ポリマー材は、金属またはグラファイトよりも軽いため、ポリメットプレート１０８は従来のプレートよりも軽くなる。さらに、ポリマー材は、機械加工または鋳造よりも容易な射出成形によって容易に成形することができ、そのためポリメットプレート１０８は、従来のプレートよりも経済的に製造することができる。さらに、ポリマー材は、従来のグラファイトベースのプレートよりも良好な気体不透過性を有することがあり、それによって、ＰＥＭ燃料電池１００のより良好な機密性を達成することができる。

【0047】

一方、導電材は、電子の形で電荷を収集および分配できるように形成される。グラファイトまたは金属で作られた従来のプレートのように、プレート表面全体にわたって電荷を収集および分配するのではなく、ポリメットプレート１０８表面の目指した位置に導電材が配置されているため、従来のプレートのように表面全体に導電性を持たせることなく、ポリメットプレート１０８表面に電荷を収集および分配させることができる。その結果、金属またはグラファイトでポリメットプレート１０８全体を製造しなくとも、ポリメットプレート１０８によって従来のプレートの電気伝導性が実現される。一つの実施例において、導電材は、金属、カーボンパウダー、またはカーボンフィラーのいずれかである。

【0048】

本開示において、電荷は表面全体ではなく適切な場所に形成されるので、ポリメットプレート１０８を冷却する冷却剤のごくわずかな量が導電材の当該場所と接触することになる。このように接触が少ないと、ポリメットプレート１０８を冷却する冷却剤への電流漏れがなく、冷却剤のイオン化を防ぐことができる。さらに、ポリメットプレート１０８の内部に存在する導電材は、常に電荷を除去しているため、さらに電流漏れを防ぐ。電流漏れの防止により、ＰＥＭ燃料電池１００の動作寿命および性能が向上する。また、電流漏れの防止により、あるＰＥＭ燃料電池１００からの電流漏れがゼロであることは、他のＰＥＭ燃料電池１００の動作に影響を与えないため、スタックを構成するすべてのＰＥＭ燃料電池１００の冷却に同じ冷却剤が使用される、ＰＥＭ燃料電池１００のスタックの性能を向上させることができる。さらに、電流漏れの防止により、冷却剤の動作寿命も長くなる。

【0049】

次に、図２から図４における、アノードポリメットプレート１０８－１およびカソードポリメットプレート１０８－２の構造的詳細について、説明する。以下の説明は、簡潔さを保つために、アノードポリメットプレート１０８－１およびカソードポリメットプレート１０８－２に関して同時に行う。さらに、特に言及しない限り、「ポリメットプレート１０８」という表現は、アノードポリメットプレート１０８－１およびカソードポリメットプレート１０８－２の両方を意味する。ポリメットプレート１０８本体は、第１表面２０２と、第１表面２０２の反対側に第２表面２０４とを有していてもよい。さらに、図４（Ｃ）に示すとおり、第１表面２０２および第２表面２０４は、幅Ｌを有していてもよく、ポリメットプレート１０８本体は、第１表面２０２および第２表面２０４の間に厚さＴを有していてもよい。一つの実施例において、第１表面２０２は、ガス拡散層１０６－１、１０６－２（図１に示す）に接しており、一方、第２表面２０４は、コレクタワイヤ（図示せず）に結合しても、または冷却剤を受け入れてもよい。第１表面２０２は、ポリメットプレート１０８の動作を促進するように構成されていてもよい。例えば、第１表面２０２は、第１表面２０２の幅Ｌにわたって配置され得る複数のリブを含んでもよい。リブは、２つの機能を有してもよい。第１に、リブは、アノードポリメットプレート１０８－１の場合は電子の収集を可能にし、カソードポリメットプレート１０８－２の場合は電子の放出を可能にしてもよい。第２に、リブは、ポリメットプレート１０８に構造的強度を与えてもよい。

【0050】

一つの実施例において、ポリメットプレート１０８は、導電路を含んでいる。例えば、ポリメットプレート１０８は、複数の面内導電路２０８を含んでもよい。面内導電路２０８は、第１表面２０２のリブ上に導電材のシールとして形成されてもよい。一つの実施例において、面内導電路２０８は、リブのすべての表面に形成されてもよい。面内導電路２０８は、第１表面２０２上に配置されてもよく、第１表面２０２上の反応領域２０６を形成してもよい。反応領域２０６は、ＰＥＭ燃料電池１００内の電気化学反応が起こり得る領域としてもよい。さらに、面内導電路２０８は、矩形平板状の反応領域２０６を形成するように構成されてもよい。

【0051】

さらに、面内導電路２０８は、第１表面２０２全体に電子を流すことができるように構成される。一つの実施例において、図２に示されるように、アノードポリメットプレート１０８－１の場合、面内導電路２０８は、リブで収集された電子を移動させ得る。例えば、第１ポリメットプレート１０８－１の場合、面内導電路２０８は、第１ガス拡散層１０６－１を介して電子を収集することができる。別の実施例においては、図３に示されるように、カソードポリメットプレート１０６－２の場合、リブ上の面内導電路は、第１表面２０２上のリブ全体に電子を分配する。

【0052】

面内導電路２０８に加えて、ポリメットプレート１０８は、面貫通導電路２１０を含んでもよい。面貫通導電路２１０は、第１表面２０２と第２表面２０４との間において本体を通る固体導電材によって形成されてもよい。一つの実施例において、図４（Ｃ）に示されるように、面貫通導電路２１０は、面内導電路２０８の外周に形成され、電子がポリメットプレート１０８の厚さＴを横切って移動することができるように、面内導電路２０８に電気的に結合していてもよい。一つの実施例において、図２に示されるように、面貫通導電路２１０は、電子を、アノードポリメットプレート１０８－２の第１表面２０２上の面内導電路から流すことができる。同様に、図３に示されるように、面貫通導電路２１０は、カソードポリメットプレート１０８の面内導電路２０８へ電子を分配することができる。一つの実施例において、ポリメットプレート１０８の外周における面貫通導電路２１０に付加される導電材は、ポリメット１０８の５～１０体積％である。

【0053】

一つの実施例において、カソードポリメット層１０６－２の第２表面２０４は、冷却剤を受け入れるように構成された熱除去ジャケット２１２を含んでいてもよい。熱除去ジャケット２１２は、ＰＥＭ燃料電池１００のための冷却回路の一部であってもよい。明らかに示されているように、熱除去ジャケット２１２と面内伝導経路を有するリブとの接触は、最小の接触となり、その結果、電流漏れがゼロになる。熱除去ジャケット２１２は、電気を通さない熱可塑性材で形成されてもよい。結果として、熱除去ジャケット２１２は、その中を流れる冷却剤への電流漏れを低減することができる。

【0054】

一つの実施例において、アノードポリメットプレート１０６－１の面内導電路２０８は、第１ガス拡散層１０４－１を介して電子を受け取り、カソードポリメットプレート１０６－２の面貫通導電路に電子を移動させるように構成されている。移動方法は、ＰＥＭ燃料電池１００の動作に関連して後述する。

【0055】

次に、ポリメットプレート１０８の動作について説明する。図２のとおり、面内導電路２０８を含む、アノードポリメット層１０６－１の第１表面２０２の部分を、第１領域Ａ１とする。さらに、面貫通導電路２１０を含む、第１表面２０２の部分を、第２領域Ａ２とし、面貫通導電路２１０を含む、第２表面２０２の部分を、第３領域Ａ３とする。さらに、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２は、同一平面上にあり、互いに電気的に結合している。図３のとおり、面貫通導電路２０４を含む、カソードポリメット層１０６ー２の第２表面２０４の部分を、第４領域Ａ４とし、面貫通導電路２０４を含む、カソードポリメット層１０６－２の第１表面２０２の部分を、第５領域Ａ５とする。さらに、面内導電路２０８を含む、カソードポリメット層１０６－２の第１表面２０２の部分を、第６領域Ａ６とする。さらに、第５領域Ａ５および第６領域Ａ６は、同一平面上にあり、互いに電気的に結合している。

【0056】

図２および図４のとおり、アノードポリメットプレート１０８－１において、アノードチャンバー内で水素酸化が起こり、アノードポリメット層１０６－１上のアノード触媒層の表面上でプロトン（水素イオン）と電子とに分割される。プロトンは、固体ＰＥＭ１０４を介してアノードポリメット層１０６－１からカソードポリメット層１０６－２へ移動し、電子は、第１ガス拡散層１０６－１を介してアノード触媒層から第１領域Ａ１に移動する。これらの電子は、第１領域Ａ１から第２領域Ａ２に移動している。第２領域Ａ２および第３領域Ａ３は電気的に結合しているので、電子はさらに第２領域Ａ２から第３領域Ａ３に移動する。電子は、第３領域Ａ３から外部回路にアノードポリメット層１０６－１から出ることができる。

【0057】

図３および４のとおり、カソードポリメットプレート１０８－２において、第２表面２０４は、一方の側に熱除去ジャケット２１２を有し、もう一方の側に、上述のカソードチャンバーを有する。カソードチャンバーでは、酸素還元反応が起こり、電気化学反応を完結させるために電子が必要となる。図３に示すように、これらの電子は、外部回路を介してカソードポリメットプレート１０８－２の第４領域Ａ４で受け取られる。さらに、酸素還元反応に必要となる電子は、面貫通導電路２１０を介して、第４領域Ａ４から第５領域Ａ５に移動することができる。第５領域Ａ５において、カソードポリメットプレート１０８－２上の第６領域Ａ６へと電子は移動し、第６領域Ａ６において、面内導電路２０８は電子を提供し、酸素を酸素イオンに還元し、これが水素イオンと結合して水を形成する。

【0058】

図５から７は、従来のプレートと比較したポリメットプレート１０８の利点を示すシミュレーションデータを示す。具体的には、図５は、ポリメットプレートおよびプレート材としてグラファイトおよびＳＳを使用した従来の単極板のＩ－Ｖ分極曲線５００および電力密度曲線を示している。さらに、図６は、ポリメットプレート１０８と、ＰＥＭ燃料電池用の従来のグラファイト／ＳＳ単極板との電力密度の比較を示すグラフ６００を示し、図７は、ポリメットプレート１０８と、ＰＥＭ燃料電池用の従来のグラファイト／ＳＳ単極板とのスタック総体積の比較を示すグラフ７００を示している。さらに、図８は、本ポリメットプレート１０８とＰＥＭ燃料電池用の従来のグラファイト／ＳＳ単極板とのスタック総質量の比較を示すグラフ８００を示している。

【0059】

上述のシミュレーションにおいて、基本設計との比較を目的として、ＰＥＭ燃料電池１００単極板１０８の設計および従来の設計は、同じ寸法で作成された。ベースラインモデルとして、流用できるデータベースに登録されている標準的な材料特性を使用した。ポリメットプレート１０８の材料は、面貫通導電路２１０の外周にＳＳインサートを備えた熱導電性ポリマーとして選択された。従来のグラファイト（ＩＳＯ－６３）およびＳＳ－３１６Ｌも、燃料電池プレートの従来の設計のための単極板材料として個別に使用された。

【0060】

シミュレーション過程において、ポリメットプレート１０８の複雑なジオメトリは、より大きな領域の離散的な局所的近似値として使用できるよう単純な要素に分割された。セルの長さに沿った高アスペクト比の純粋な直交六面体メッシュが開発された。高い収束率を実現するため、触媒層からガス拡散層へのメッシュの段階的な拡張が行われた。要素メッシュが急激に変化しないよう、コンフォーマルメッシュ機能を使用して、ジオメトリ内に共通する接面部と端部は、すべてメッシュ化された。「命名セレクション」機能を使用して、すべてのジオメトリドメインおよび面が、その材料および機能に応じて、例えば、固体および流体のドメイン、対称および壁のインターフェースなどに従って、記述された。

【0061】

次に、関連するメッシュを含む最終的なジオメトリが流体シミュレーションに使用された。関連する物理的性質（ジュール熱、電気化学源、バトラー・ボルマー率、半電池電位など）は、ＧＤＬおよび気体チャネルの液体飽和を考慮した電流密度の計算、その後のすべてのチャネルの出口における液体除去の計算のために選択された。

【0062】

入口境界条件は、通常の実験方法に従って指定された。イオン電流が外部境界を介して燃料電池を離れることはないため、すべての外部境界上において、膜相電位のためのフラックス境界条件はゼロとなる。固相電位の場合、外部電気回路と接しているアノード側およびカソード側に外部境界が存在する。燃料電池で生じた電流は、これらの境界を通過するのみである。他のすべての外部境界では、フラックス境界条件はゼロとなる。Ｉ－Ｖ曲線の計算方法は、最初に１．１Ｖの高ポテンシオスタット電圧（または低電流密度）でシミュレーションを計算し、続いてセル電圧を、０．１Ｖから０．４Ｖまで、段階的に（電流密度を増加しながら）下げた。このような方法により、計算者を発散させることなく短期間で安定した値とすることができた。

【0063】

図５に示すように、電流密度全体にわたって、ポリメットプレート１０８（ポリマー電圧）の電圧曲線は、グラファイトプレートの電圧曲線（グラファイト電圧）および金属プレートの電圧曲線（ＳＳ－３１６Ｌ電圧）と重なる。かかる重なりは、ポリメットプレート１０８が、グラファイトおよび金属プレートと比較して同様の電気的特性を有することを示している。同様に、電流密度全体にわたって、ポリメットプレート１０８（ポリマー電力）の電力曲線は、グラファイトプレートの電力曲線（グラファイト電力）および金属プレートの電力曲線（ＳＳ－３１６Ｌ電力）と重なる。かかる重なりは、ポリメットプレート１０８による電力出力が、グラファイトまたは金属プレートと同じであることを示している。

【0064】

図６に示すように、ポリメットプレート１０８の電力密度は、金属プレートの電力密度よりもほぼ５倍高い電力密度（ｋＷ／ｋｇ）を有することができる。さらに、ポリメットプレート１０８の電力密度は、グラファイトプレートの電力密度のさらに３倍高い。より高い電力密度であることにより、従来のグラファイトプレートまたは金属プレートベースの燃料電池の性能を達成するための重量とサイズを削減できる。かかる削減により、ＰＥＭ燃料電池１００はコンパクトになり、自動車での使用に理想的となる。

【0065】

図７は、ポリメットプレート１０８、グラファイトプレート、および金属プレートによって形成されたスタック総体積を示すグラフ７００を示す。図のとおり、ポリメットプレート１０８のスタックの総体積は、２．５倍小さいため、ＰＥＭ燃料電池１００の体制もより小さく、そのため、ＰＥＭ燃料電池１００は、グラファイトプレートベースの燃料電池よりもコンパクトになる。他方、ポリメットプレート１０８のスタックの総体積は、金属プレートベース燃料電池の１．１倍大きく、それにより、ＰＥＭ燃料電池１００は、金属プレートベースの燃料電池とほぼ同じサイズになる。

【0066】

最後に、図８は、スタック総質量を１グラムの単位で示すグラフ８００を示す。ポリメットプレート１０８のスタックの総質量は、金属プレートのスタック総質量のほぼ５分の１とすることができる。さらに、ポリメットプレート１０８のスタック総質量は、グラファイトプレートのスタック総質量のさらに３分の１となる。スタックの総質量が小さいほど、ＰＥＭ燃料電池１００の質量を小さくすることができる。

【0067】

本開示によれば、ポリメットプレート１０８は、従来の解決方法と比較して、以下の技術的利点を有しる。
－ポリメットプレートの質量をグラファイト単極板の３分の１にすることができる。
－ポリメットプレートの質量を金属単極板の５分の１にすることができる。
－ポリメットプレートによる燃料電池スタックの電力密度をグラファイトによる燃料電池スタックの電力密度（ｋＷ／ｋｇ）の３倍にすることができる。
－ポリメットプレートによる燃料電池スタックの電力密度を金属による燃料電池スタックの電力密度（ｋＷ／ｋｇ）の５倍にすることができる。
－金属ベースの単極板と比較して、アノード／カソードチャンバーの反応領域の腐食を３０～４０％削減できる。
－スタックから熱を除去するために使用される冷却剤の寿命を延長できる。
－熱除去ジャケット内の冷却剤を介した電流漏れがゼロであるため、燃料電池スタックの性能と寿命を向上できる。
－燃料電池システムからイオンバランスユニットを除去できる。
－ポリメットプレートの軽量化により、スタッキングに使用されるエンドプレートの質量を削減できる。
－燃料電池スタックの重量およびサイズを削減でき、輸送およびモビリティの際に好適となる。

【0068】

本開示を説明するために専門用語を使用したが、それにより生じる限定は意図していない。当業者には明らかであるように、本開示で示される本発明の概念を実施するための方法には、様々な実用的な修正を加えることができる。図面および上述の説明は、実施形態の例示である。当業者であれば当然理解できることであるが、記載された要素のうちの１つまたは複数の要素を単一の機能的要素にうまく組み合わしてもよい。あるいは、特定の要素を複数の機能的要素に分割してもよい。ある実施形態における要素を別の実施形態に追加してもよい。

【0069】

（付記）
（付記１）
プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（１００）用のポリメットプレート（１０６）であって、前記ポリメットプレート（１０６）は、ポリマー材を含んでなる本体を含み、
前記本体は、
第１表面（２０２）と、前記第１表面（２０２）の反対側の第２表面（２０４）と、
導電材のシールとして前記第１表面（２０２）上の少なくとも１つのリブ上に形成されている複数の面内導電路（２０８）であって、前記第１表面上の反応領域を画定する、前記第１表面（２０２）上の複数の前記面内導電路（２０８）と、
前記面内導電路と電気的に結合している面貫通導電路であって、前記第１表面（２０２）および前記第２表面（２０４）の間を貫通する、固体導電材で形成された前記面貫通導電路と、
を含む、
ポリメットプレート（１０６）。

【0070】

（付記２）
前記本体が、前記ポリマー材単独、９０～９５体積％のガラス材およびポリマー材の組み合わせ、ポリメットプレート（１０６）の外周の面貫通導電路に付与された５～１０体積％の前記導電材のいずれかを含む、付記１に記載のポリメットプレート（１０６）。

【0071】

（付記３）
前記本体が、熱伝導性ポリマー材を含んでなり、前記熱伝導性ポリマー材は熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーのいずれかであり、前記導電材は金属、カーボンパウダー、またはカーボンフィラーのいずれかである、付記２に記載のポリメットプレート（１０６）。

【0072】

（付記４）
前記第１表面が、前記第１表面（２０２）に隣接して配置されたガス拡散層に燃料または空気のいずれかを分配するように構成された流れ場（１０８－１、１０８－２）を含む、付記１に記載のポリメットプレート（１０６）。

【0073】

（付記５）
前記第２表面（２０４）上に、冷却剤が中を通って循環するように構成された熱除去ジャケット（２１２）を含む、付記１に記載のポリメットプレート（１０６）。

【0074】

（付記６）
複数のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（１００）を接続して形成されるスタック用のＰＥＭ燃料電池（１００）であって、
前記ＰＥＭ燃料電池（１００）は、
プロトン交換膜（ＰＥＭ）（１０４）と、
前記ＰＥＭ（１０４）を挟む一対のガス拡散層（１０４－１、１０４－２）と、
を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（１０２）と、
それぞれがポリマー材を含む本体を含んでなる、前記ＭＥＡ（１０２）を挟む第１ポリメットプレート（１０６－１）および第２ポリメットプレート（１０６－２）と、
を含み、
前記本体は、
第１表面（２０２）と、前記第１表面（２０２）の反対側の第２表面（２０４）と、
導電材のシールとして前記第１表面（２０２）上の少なくとも１つのリブ上に形成されている複数の面内導電路（２０８）であって、前記第１表面（２０２）上の反応領域を画定する、前記第１表面（２０２）上の複数の前記面内導電路（２０８）と、
前記面内導電路と電気的に結合している面貫通導電路であって、前記第１表面（２０２）および前記第２表面（２０４）の間を貫通する、固体導電材で形成された前記面貫通導電路と、
を含む
ＰＥＭ燃料電池（１００）。

【0075】

（付記７）
前記第１ポリメットプレート（１０６－１）および前記第２ポリメットプレート（１０６－２）は、前記ＰＥＭ燃料電池（１００）のカソードである、付記６に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【0076】

（付記８）
アノードポリメットプレート（１０６－１）の前記面内導電路（２０８）が、前記第１ガス拡散層（１０４－１）を介して電子を受け取り、前記カソードポリメットプレート（１０６－２）の前記面貫通導電路に電子を転送するように構成されている、付記７に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。（暫定版の付記８に対応）

【0077】

（付記９）
前記ＰＥＭ燃料電池（１００）動作中に放熱するために、熱可塑性材で形成された熱除去ジャケット（２１２）であって、前記第２ポリメットプレート（１０６－２）の前記第２表面（２０４）上の前記熱除去ジャケットに流体的に結合した冷却回路を含み、前記ポリマー材が前記冷却剤への電流漏れを抑制する、付記６に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【0078】

（付記１０）
前記冷却回路に流体的に結合し、前記冷却剤の電気伝導度を低下させるように構成されたイオンバランスユニットを含む、付記９に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2022-02-14

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0043】

一方で、カソードポリメットプレート１０８－２は、外部回路に結合し、外部回路を介してアノードポリメットプレート１０８－１から電子を受け取ってもよい。さらに、カソードポリメットプレート１０８－２は、空気中の酸素分子に電子を供給し、酸素分子を分割し酸素イオンを形成し、ＰＥＭ１０４を通じカソードチャンバーに移動した水素イオンと結合して水分子を形成してもよい。次に。ポリメットプレート１０８の構造的な詳細と、ポリメットプレート１０８がどのようにしてＰＥＭ燃料電池１００の動作を可能にするかについて説明する。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0044】

図２から図４は、本開示の一つの実施形態におけるポリメットプレート１０８の詳細な概略図を示している。具体的には、図２は、アノードポリメットプレート１０８－１の正面図および背面図を示し、図３は、カソードポリメットプレート１０８－２の正面図および背面図を示している。さらに、図４は、アノードポリメットプレート１０８－１上にあるカソードポリメットプレート１０８－２の上面斜視図（Ａ）、アノードポリメットプレート１０８－１上にあるカソードポリメットプレート１０８－２の下面斜視図（Ｂ）、および（Ａ）の線１－１に沿って切り取った断面図（Ｃ）を相対的に示している。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0051】

さらに、面内導電路２０８は、第１表面２０２全体に電子を流すことができるように構成される。一つの実施例において、図２に示されるように、アノードポリメットプレート１０８－１の場合、面内導電路２０８は、リブで収集された電子を移動させ得る。例えば、第１ポリメットプレート１０８－１の場合、面内導電路２０８は、第１ガス拡散層１０６－１を介して電子を収集することができる。別の実施例においては、図３に示されるように、カソードポリメットプレート１０８－２の場合、リブ上の面内導電路は、第１表面２０２上のリブ全体に電子を分配する。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0052】

面内導電路２０８に加えて、ポリメットプレート１０８は、面貫通導電路２１０を含んでもよい。面貫通導電路２１０は、第１表面２０２と第２表面２０４との間において本体を通る固体導電材によって形成されてもよい。一つの実施例において、図４（Ｃ）に示されるように、面貫通導電路２１０は、面内導電路２０８の外周に形成され、電子がポリメットプレート１０８の厚さＴを横切って移動することができるように、面内導電路２０８に電気的に結合していてもよい。一つの実施例において、図２に示されるように、面貫通導電路２１０は、電子を、アノードポリメットプレート１０８－１の第１表面２０２上の面内導電路から流すことができる。同様に、図３に示されるように、面貫通導電路２１０は、カソードポリメットプレート１０８－２の面内導電路２０８へ電子を分配することができる。一つの実施例において、ポリメットプレート１０８の外周における面貫通導電路２１０に付加される導電材は、ポリメット１０８の５～１０体積％である。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0053】

一つの実施例において、カソードポリメット層１０８－２の第２表面２０４は、冷却剤を受け入れるように構成された熱除去ジャケット２１２を含んでいてもよい。熱除去ジャケット２１２は、ＰＥＭ燃料電池１００のための冷却回路の一部であってもよい。明らかに示されているように、熱除去ジャケット２１２と面内伝導経路を有するリブとの接触は、最小の接触となり、その結果、電流漏れがゼロになる。熱除去ジャケット２１２は、電気を通さない熱可塑性材で形成されてもよい。結果として、熱除去ジャケット２１２は、その中を流れる冷却剤への電流漏れを低減することができる。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0054】

一つの実施例において、アノードポリメットプレート１０８－１の面内導電路２０８は、第１ガス拡散層１０６－１を介して電子を受け取り、カソードポリメットプレート１０８－２の面貫通導電路に電子を移動させるように構成されている。移動方法は、ＰＥＭ燃料電池１００の動作に関連して後述する。

【手続補正7】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0055】

次に、ポリメットプレート１０８の動作について説明する。図２のとおり、面内導電路２０８を含む、アノードポリメット層１０８－１の第１表面２０２の部分を、第１領域Ａ１とする。さらに、面貫通導電路２１０を含む、第１表面２０２の部分を、第２領域Ａ２とし、面貫通導電路２１０を含む、第２表面２０４の部分を、第３領域Ａ３とする。さらに、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２は、同一平面上にあり、互いに電気的に結合している。図３のとおり、面貫通導電路２１０を含む、カソードポリメット層１０８ー２の第２表面２０４の部分を、第４領域Ａ４とし、面貫通導電路２１０を含む、カソードポリメット層１０８－２の第１表面２０２の部分を、第５領域Ａ５とする。さらに、面内導電路２０８を含む、カソードポリメット層１０８－２の第１表面２０２の部分を、第６領域Ａ６とする。さらに、第５領域Ａ５および第６領域Ａ６は、同一平面上にあり、互いに電気的に結合している。

【手続補正8】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0056】

図２および図４のとおり、アノードポリメットプレート１０８－１において、アノードチャンバー内で水素酸化が起こり、アノードポリメット層１０８－１上のアノード触媒層の表面上でプロトン（水素イオン）と電子とに分割される。プロトンは、固体ＰＥＭ１０４を介してアノードポリメット層１０８－１からカソードポリメット層１０８－２へ移動し、電子は、第１ガス拡散層１０６－１を介してアノード触媒層から第１領域Ａ１に移動する。これらの電子は、第１領域Ａ１から第２領域Ａ２に移動している。第２領域Ａ２および第３領域Ａ３は電気的に結合しているので、電子はさらに第２領域Ａ２から第３領域Ａ３に移動する。電子は、第３領域Ａ３から外部回路にアノードポリメット層１０８－１から出ることができる。

【手続補正9】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（１００）用のポリメットプレート（１０８）であって、前記ポリメットプレート（１０８）は、ポリマー材を含んでなる本体を含み、
前記本体は、
第１表面（２０２）と、前記第１表面（２０２）の反対側の第２表面（２０４）と、
導電材のシールとして前記第１表面（２０２）上の少なくとも１つのリブ上に形成されている複数の面内導電路（２０８）であって、前記第１表面上の反応領域を画定する、前記第１表面（２０２）上の複数の前記面内導電路（２０８）と、
前記面内導電路と電気的に結合している面貫通導電路であって、前記第１表面（２０２）および前記第２表面（２０４）の間を貫通する、固体導電材で形成された前記面貫通導電路と、
を含む、
ポリメットプレート（１０８）。

【請求項2】

前記本体が、前記ポリマー材単独、９０～９５体積％のガラス材およびポリマー材の組み合わせ、ポリメットプレート（１０８）の外周の面貫通導電路に付与された５～１０体積％の前記導電材のいずれかを含む、請求項１に記載のポリメットプレート（１０８）。

【請求項3】

前記本体が、熱伝導性ポリマー材を含んでなり、前記熱伝導性ポリマー材は熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーのいずれかであり、前記導電材は金属、カーボンパウダー、またはカーボンフィラーのいずれかである、請求項２に記載のポリメットプレート（１０８）。

【請求項4】

前記第１表面が、前記第１表面（２０２）に隣接して配置されたガス拡散層に燃料または空気のいずれかを分配するように構成された流れ場（１１０－１、１１０－２）を含む、請求項１に記載のポリメットプレート（１０８）。

【請求項5】

前記第２表面（２０４）上に、冷却剤が中を通って循環するように構成された熱除去ジャケット（２１２）を含む、請求項１に記載のポリメットプレート（１０８）。

【請求項6】

複数のプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池（１００）を接続して形成されるスタック用のＰＥＭ燃料電池（１００）であって、
前記ＰＥＭ燃料電池（１００）は、
プロトン交換膜（ＰＥＭ）（１０４）と、
前記ＰＥＭ（１０４）を挟む一対のガス拡散層（１０６－１、１０６－２）と、
を含む膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）（１０２）と、
それぞれがポリマー材を含む本体を含んでなる、前記ＭＥＡ（１０２）を挟む第１ポリメットプレート（１０８－１）および第２ポリメットプレート（１０８－２）と、
を含み、
前記本体は、
第１表面（２０２）と、前記第１表面（２０２）の反対側の第２表面（２０４）と、
導電材のシールとして前記第１表面（２０２）上の少なくとも１つのリブ上に形成されている複数の面内導電路（２０８）であって、前記第１表面（２０２）上の反応領域を画定する、前記第１表面（２０２）上の複数の前記面内導電路（２０８）と、
前記面内導電路と電気的に結合している面貫通導電路であって、前記第１表面（２０２）および前記第２表面（２０４）の間を貫通する、固体導電材で形成された前記面貫通導電路と、
を含む、
ＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項7】

前記第１ポリメットプレート（１０８－１）および前記第２ポリメットプレート（１０８－２）は、前記ＰＥＭ燃料電池（１００）のカソードである、請求項６に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項8】

アノードポリメットプレート（１０８－１）の前記面内導電路（２０８）が、前記第１ガス拡散層（１０６－１）を介して電子を受け取り、前記カソードポリメットプレート（１０８－２）の前記面貫通導電路に電子を転送するように構成されている、請求項７に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項9】

前記ＰＥＭ燃料電池（１００）動作中に放熱するために、熱可塑性材で形成された熱除去ジャケット（２１２）であって、前記第２ポリメットプレート（１０８－２）の前記第２表面（２０４）上の前記熱除去ジャケットに流体的に結合した冷却回路を含み、前記ポリマー材が前記冷却剤への電流漏れを抑制する、請求項６に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【請求項10】

前記冷却回路に流体的に結合し、前記冷却剤の電気伝導度を低下させるように構成されたイオンバランスユニットを含む、請求項９に記載のＰＥＭ燃料電池（１００）。

【外国語明細書】