特表 2023-547131 電気化学セルのための分配プレート、および電気化学セル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-09

(54)【発明の名称】電気化学セルのための分配プレート、および電気化学セル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0258 20160101AFI20231101BHJP

   H01M 8/026 20160101ALI20231101BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20231101BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20231101BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20231101BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231101BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0258

H01M8/026

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/23

H01M8/10 101

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023524528

(86)(22)【出願日】2021-10-06

(85)【翻訳文提出日】2023-06-16

(86)【国際出願番号】 EP2021077529

(87)【国際公開番号】W WO2022089898

(87)【国際公開日】2022-05-05

(31)【優先権主張番号】102020213580.0

(32)【優先日】2020-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100177839

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 玲児

(74)【代理人】

【識別番号】100172340

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 始

(74)【代理人】

【識別番号】100182626

【弁理士】

【氏名又は名称】八島 剛

(72)【発明者】

【氏名】ベルナー，ウルリヒ

(72)【発明者】

【氏名】シュナイテル，マニュエル

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA09

4K021DB16

4K021DB31

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

5H126AA08

5H126BB06

5H126DD02

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE05

5H126EE22

5H126EE46

5H126EE48

5H126JJ03

(57)【要約】

本発明は、電気化学セル（１）のための分配プレート（７）に関し、分配プレート（７）は、表面（１３）を有するウェブ（１２）と、底面（３３）を有する主通路（１１）とを含む構造を有し、ウェブ（１２）の表面（１３）は分配通路（６０）を有し、少なくとも１つの分配通路（６０）は、主通路（１１）の底面（３３）および／またはウェブ（１２）の側面（３１）と少なくとも１つの分配通路（６０）を接続する副通路（１５）を有し、副通路（１５）は少なくとも１つの分配通路（６０）よりも小さい直径を有する。さらに、本発明は電気化学セル（１）に関する。
【選択図】 図１３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学セル（１）のための分配プレート（７）において、前記分配プレート（７）は、表面（１３）を有するウェブ（１２）と、底面（３３）を有する主通路（１１）とを含む構造を有し、前記ウェブ（１２）の前記表面（１３）は分配通路（６０）を有し、少なくとも１つの分配通路（６０）は、主通路（１１）の底面（３３）および／またはウェブ（１２）の側面（３１）と少なくとも１つの前記分配通路（６０）を接続する副通路（１５）を有し、
前記副通路（１５）は少なくとも１つの前記分配通路（６０）よりも小さい直径を有する、分配プレート。

【請求項2】

前記副通路（１５）は前記主通路（１１）の前記底面（３３）もしくは前記ウェブ（１２）の前記側面（３１）の平坦部分（６２）で終わり、または、前記主通路（１１）の前記底面（３３）と前記ウェブ（１２）の前記側面（３１）との間のエッジ（５９）のところで終わることを特徴とする、請求項１に記載の分配プレート（７）。

【請求項3】

前記副通路（１５）は前記主通路（１１）の前記底面（３３）で別の副通路（１５，７０）に連通することを特徴とする、請求項１に記載の分配プレート（７）。

【請求項4】

前記別の副通路（１５，７０）は前記主通路（１１）に対して４５°よりも小さい配置角（７２）で配置されることを特徴とする、請求項３に記載の分配プレート（７）。

【請求項5】

前記副通路（１５）は端部構造（６４）に連通し、前記副通路（１５）は前記端部構造（６４）で少なくとも２つの下位通路（６６）に分岐し、少なくとも２つの前記下位通路（６６）はそれぞれ前記副通路（１５）よりも小さい直径を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の分配プレート（７）。

【請求項6】

前記副通路（１５）は第１の部分（１７）をもって、前記主通路（１１）に対して３０°から１５０°の範囲内の第１の角度（１９）で配置され、第２の部分（２１）をもって、前記主通路（１１）に対して４５°よりも小さい範囲内の第２の角度（２３）で配置さ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項に記載の分配プレート（７）。

【請求項7】

前記副通路（１５）は湾曲した進路を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項8】

前記副通路（１５）は部分的に少なくとも１つの前記分配通路（６０）の中に延びることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項9】

前記側面（３１）は少なくとも１つの滞留エッジ（６８）を有し、前記副通路（１５）は少なくとも部分的に少なくとも１つの前記滞留エッジ（６８）に沿って配置されることを特徴とする、請求項８に記載の分配プレート（７）。

【請求項10】

前記副通路（１５）の幅（２９）および／または深さ（２７）はそれぞれ１μｍから１５０μｍであることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項11】

前記副通路（１５）の横断面（３５）はＶ字型であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項12】

前記分配プレート（７）は特に内部構造化（７４）を有するコーティング（３７）を少なくとも部分的に有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項13】

前記副通路（１５）は前記コーティング（３７）に穿設されることを特徴とする、請求項１２に記載の分配プレート（７）。

【請求項14】

請求項１から１３までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）を含んでいる電気化学セル（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学セルのための分配プレートに関し、分配プレートは、表面を有するウェブと、底面を有する主通路とを含む構造を有し、ウェブの表面は分配通路を有する。さらに、本発明は電気化学セルに関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学セルは電気化学式のエネルギー変換器であり、燃料電池や電解槽の形態で知られている。

【0003】

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を電気エネルギーに変換する。周知の燃料電池では、特に水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）が水（Ｈ_２Ｏ）と電気エネルギーと熱に変換される。

【0004】

特にプロトン交換膜（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ＝ＰＥＭ）型燃料電池が知られている。プロトン交換膜型燃料電池は、プロトンすなわち水素イオンに対して透過性である、中央に配置された膜を有する。それによって酸化剤が、特に空気酸素が、燃料から、特に水素から、空間的に分離される。

【0005】

燃料電池はアノードとカソードを有している。燃料はアノードで燃料電池に供給され、電子を放出しながら触媒酸化されてプロトンとなり、これがカソードへと達する。放出された電子は燃料電池から導出され、外部電気回路を介してカソードへと流れる。

【0006】

酸化剤は、特に空気酸素は、カソードで燃料電池に供給され、外部電気回路からの電子とプロトンとを受け取ることによって反応して水になる。こうして生じた水は燃料電池から導出される。全反応は次のようになる：
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^‐ → ２Ｈ_２Ｏ

【0007】

このとき燃料電池のアノードとカソードの間で電圧が生じる。この電圧を高めるために、複数の燃料電池が、スタックまたは燃料電池積層体とも呼ばれる燃料電池スタックをなすように機械的に相上下して配置されて、電気的に直列につながれる。

【0008】

電気化学セルのスタックは、通常、個々のセルを互いに押圧してスタックに安定性を与えるエンドプレートを有している。エンドプレートは、電流を導出するためのスタックのプラス極ないしマイナス極としての役目も果たすことができる。

【0009】

電極すなわちアノードおよびカソードと膜とは、Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｏｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙとも呼ばれる膜電極接合体（ＭＥＡ）をなすように設計的にまとめられていてもよい。

【0010】

さらに電気化学セルのスタックは、ガス分配プレートまたは分配プレートとも呼ばれるバイポーラプレートを有している。バイポーラプレートは、アノードへ燃料を均等に分配するため、ならびに、カソードへ酸化剤を均等に分配するための役目を果たす。さらにバイポーラプレートは、通常、各電極に燃料と酸化剤を分配するため表面構造、特に通路状の構造を有している。特に燃料電池では、通路状の構造は反応時に発生する水を導出するための役目も果たす。これに加えてバイポーラプレートは、熱を排出するために電気化学セルを通る冷却媒体を導通するための構造を有することができる。

【0011】

バイポーラプレートは、酸素、水素、および水に関わる媒体案内のほか、膜との面状の電気接触も保証する。

【0012】

たとえば燃料電池スタックは、典型的には最大で数百の個々の燃料電池を含んでおり、これらがいわゆるサンドイッチとして層状に上下して積層される。個々の燃料電池がＭＥＡを有しており、ならびに、アノード側とカソード側にそれぞれバイポーラプレート半体を有している。燃料電池は、特に、アノード・モノポーラ・プレートと、カソード・モノポーラ・プレートとを、通常はそれぞれ型押しされた薄板の形態で含んでいて、これらが共同でバイポーラプレートを形成し、それに伴ってガスと液体を案内するための通路を形成し、これらの間で冷却媒体が流れる。

【0013】

さらに電気化学セルは、通常、ガス分配の役目を果たすガス拡散層を含んでいる。ガス拡散層はバイポーラプレートとＭＥＡとの間に配置され、典型的には、通路側すなわち隣接するバイポーラプレートの方向では、”ｇａｓ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｂａｃｋｉｎｇ”（ＧＤＢ）とも呼ばれる炭素繊維不織布で構成され、触媒側すなわち膜の方向では、”ｍｉｃｒｏ ｐｏｒｏｕｓ ｌａｙｅｒ”（ＭＰＬ）とも呼ばれるマイクロ多孔性層で構成される。

【0014】

燃料電池に対して電解槽は、電圧の印加のもとで好ましくは水を水素と酸素に分解するエネルギー変換器である。電解槽も、特にＭＥＡと、バイポーラプレートと、ガス拡散層とを有している。

【0015】

特にポリマー電解質膜を有する電気化学セルの効率にとっては、膜の上に配置される電極層が反応ガスの供給を均一に受けることが特別に重要である。

【0016】

周知の分配プレートは、特に通路と、それぞれこれに接する、ないし隣接する、ウェブとを有していて、これらが１つの構造を形成する。これらの通路は主通路またはチャネルとも呼ばれ、ウェブはランドとも呼ばれる。分配プレートの伸長平面に対して少なくとも部分的に平行であるウェブの表面は、電気化学セルの隣接するガス拡散層への、分配プレートの接触面を含む。ガスである水素と酸素は、分配プレートの通路から膜の反応ゾーンへとガス拡散層を通過する。分配プレートのウェブの上に載っているガス拡散層の領域は、およびこれに伴ってその下に位置するＭＥＡの対応する領域は、特に電気化学セルの流動条件のもとでは反応ガスの供給を比較的受けにくく、このことは、意図されず不均一な流量密度分布につながり得る。

【0017】

空気すなわち酸素が供給される膜の側では、燃料電池の作動時に水が発生し、これがガス拡散層を通って分配プレートの通路へと運ばれ、そこでセルから取り出されなくてはならない。膜を有する電気化学セルについての典型的な動作温度は１２０℃よりも低いので、水は典型的にはガス拡散層で凝縮して液体で存在する。ガス拡散層では水の輸送方向はガスの輸送方向と逆向きであり、溜まった水が反応ガスの、特に酸素の、追加供給を著しく妨げる可能性がある。

【0018】

すなわち、電気化学セルの出力密度が高くなるほどいっそう多くの水が生成され、そのために、ガス拡散層と分配プレートの空気通路側との間の接触領域で、液体の水量の搬出が不十分になる可能性がある。

【0019】

特許文献１は、ウェブの斜面に追加の溝が主通路の方向と平行に設けられる、バイポーラプレートのための改良されたドレーンシステムを記載している。

【0020】

特許文献２は、水排出が改良されたバイポーラプレートを記載しており、バイポーラプレートのウェブは、主通路の方向に対して横向きに配置された追加の通路システムを有している。追加の通路システムのそれぞれ２つの通路が、共通の流出部を有している。さらに、分配プレートの主通路の交差構造が開示されているが、これは高い圧力損失につながる。

【0021】

特許文献３も同じく改良されたドレーンシステムを有するバイポーラプレートに関し、ウェブは主通路の方向に対して横向きに刻み目を有し、ウェブの斜面に沿って追加の溝が主通路の方向と平行に存在する。

【0022】

これらの文献に記載されている通路は、その寸法決めに基づいて水の排出の役目を果たすものであり、ウェブの下での酸素供給を改善することになるガス輸送のために設計されたものではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0023】

【特許文献1】特開２０２０－４７４４１号公報

【特許文献2】特開２０２０－４７４４３号公報

【特許文献3】特開２０２０－４７４４０号公報

【発明の概要】

【0024】

電気化学セルのための分配プレートが提案され、分配プレートは、表面を有するウェブと、底面を有する主通路とを含む構造を有し、ウェブの表面は分配通路を有し、特に前記分配通路のうちの少なくとも１つの分配通路は、特に隣接する主通路の底面および／またはウェブの側面と少なくとも１つの分配通路を特に流体接続する副通路を有し、副通路は少なくとも１つの分配通路よりも小さい直径、好ましくは小さい幅および／または深さ、特に小さい横断面を有する。さらに、分配プレートを含む電気化学セルが提案される。

【0025】

好ましくは燃料電池または電解槽である電気化学セルは、少なくとも１つの分配プレートと、少なくとも１つのガス拡散層と、少なくとも１つの膜ないし膜電極接合体とを含むのが好ましい。特に、それぞれ１つのガス拡散層が分配プレートと膜との間に配置される。

【0026】

ガス拡散層は多孔性構造を有するのが好ましく、約１０から１５バールの高い圧力のもとで分配プレートに当接するのがさらに好ましい。膜は、たとえばパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）を含む、特にナフィオンを含む、またはパーフルオロスルホン酸（ＰＦＳＡ）からなる、特にナフィオンからなる、ポリマー電解質膜であるのが好ましい。さらに、アルカリ膜を利用することもできる。

【0027】

ガス拡散層は不織布、特に炭素繊維不織布、および場合によりマイクロ多孔性層を含むのが好ましく、不織布は分配プレートのほうを向くガス拡散層の側に配置される。ガス拡散層は、炭素繊維不織布および場合によりマイクロ多孔性層からなるのがさらに好ましい。不織布では、厚み方向での、すなわち膜に向かう方向でのガス透過性は、平面での、すなわち膜と平行の方向での、ガス透過性に匹敵していてよい。

【0028】

分配プレートは、グラファイトなどの炭素、特殊鋼やチタンなどの金属および／または金属を含む合金を含むのが好ましい。分配プレートは炭素、金属、および／または合金で構成されるのがさらに好ましい。特に分配プレートのベースプレートは炭素、金属、および／または合金からなる。

【0029】

分配通路は主としてバイポーラプレートのウェブの下のガス拡散層に、およびそれに伴ってこれに後続する電極に、ガスを、特に酸素を、供給するための役目を果たす。分配通路は、特にガス拡散層がウェブの上に載っている区域に、ガスを案内する。少なくとも１つの分配通路は、２つの、特に２つの隣接する、主通路を接続するのが好ましい。それに対して、副通路は主として発生した液体の反応水をウェブから主通路へ、特に隣接する主通路へ、排出する。１つを超える分配通路が副通路を有するのが好ましい。分配通路ごとに１つの副通路が存在するのがさらに好ましい。副通路はドレーン通路、毛管通路、溝、あるいは微視的に小さな溝状の構造とも呼ぶことができる。

【0030】

少なくとも１つの分配通路と副通路は、特に、電気化学セルの中で隣接して配置されたガス拡散層のほうを向いている分配プレートの側に配置される。

【0031】

バイポーラプレートとも呼ぶことができる分配プレートは波形の構造を有するのが好ましく、ウェブと主通路が交互に、かつ好ましくはそれぞれ互いに平行に、配置される。

【0032】

ウェブの表面は、接触面とも呼ぶことができる、隣接して配置されたガス拡散層が当接する少なくとも１つの接触領域をそれぞれ含むのが好ましい。ウェブの接触領域は、主通路の底面に対して実質的に平行に配置されるのが好ましい。実質的に平行にとは、接触領域が位置する平面と底面とが３０°よりも小さい、さらに好ましくは２０°よりも小さい、いっそう好ましくは１０°よりも小さい、特に５°よりも小さい、角度をなすことであると解釈される。

【0033】

ガス拡散層の多孔性構造により、高い流量密度のもとで典型的には液体の形態で存在する水の自然な流出が難しくなり、そのために水の滞留が起こり得る。水の滞留は接触領域で、電気化学セルの出力密度を制約する可能性がある。

【0034】

ウェブは、特にウェブの表面に含まれる側面を有するのが好ましい。ウェブの表面は、隣接する主通路の底面にそれぞれ続くそれぞれ２つの側面をウェブごとに含むのがさらに好ましい。側面は斜面とも呼ぶことができ、底面に対して斜角をなして配置されるのが好ましく、斜角はさらに好ましくは９０°から１３５°の範囲内、いっそう好ましくは９０°から１２５°の範囲内、特に好ましくは９５°から１１０°の範囲内にある。さらに側面は、接触領域に対して折曲されて配置されるのが好ましい。底面は少なくとも部分的に平面状であるのが好ましい。

【0035】

主通路は好ましくは直線状に、さらに好ましくは互いに平行に、分配プレートに配置される。

【0036】

副通路は、好ましくは三角形、すなわちＶ字型、円形、正方形、または多角形である横断面を有する。副通路の横断面はＶ字型であるのがさらに好ましい。副通路の横断面は、副通路の長さにわたって一定であってよく、またはサイズおよび／またはジオメトリーに関して変化することができる。副通路の幅および／または深さは、特に第１の部分では、それぞれ１μｍから１５０μｍであるのが好ましく、さらに好ましくは１μｍから１００μｍ、特別に好ましくは１μｍから５０μｍ、いっそう好ましくは１μｍから１０μｍ、特に好ましくは１μｍから６μｍである。

【0037】

分配プレートに隣接して配置されるガス拡散層は繊維を含むのが好ましく、副通路の幅は、たとえば約８μｍであるガス拡散層の繊維直径よりも小さいのがさらに好ましい。副通路の幅は、ガス拡散層の繊維直径より大きくてもよい。副通路の幅は、あるいは深さも、隣接するガス拡散層の構造に依存して選択することができる。

【0038】

さらに副通路の直径は、特に深さおよび／または幅は、副通路が毛管作用を特に水に関して形成するように選択されるのが好ましい。直径とは、特に、横断面の最大の直径であると理解される。

【0039】

分配通路は、好ましくは長方形、三角形、またはＵ字型である横断面を有する。主通路の横断面は、少なくとも１つの分配通路の横断面より少なくとも係数５０だけ大きいのが好ましい。分配通路幅および／または分配通路深さはそれぞれ１０μｍから４００μｍであるのが好ましく、分配通路幅および／または分配通路深さはそれぞれ５０μｍよりも大きく、特に最大で１５０μｍであるのがさらに好ましい。

【0040】

分配通路はたとえば波形、互いに平行、十字形、台形、またはハニカム形に配置されていてよい。分配通路は主通路とともに２０°から７０°、さらに好ましくは３０°から６０°、特に３０°から４５°の分配角をなすのが好ましい。

【0041】

分配プレートは少なくとも部分的にコーティングを有するのが好ましい。コーティングは、分配プレートのベースプレートの材料よりも親水性または疎水性であってよい。

【0042】

コーティングは疎水性であってよく、特にロータス効果を有することができる。疎水性とは、平滑な表面を有する鋼材の湿潤性よりも水による湿潤性が劣ることと理解されるのが好ましく、水滴に関する接触角が７０°よりも大きく、特に８０°よりも大きいことと理解されるのがさらに好ましい。コーティングは特に接触領域に存在することができ、それは、たとえばそこで接触抵抗を低下させるためである。さらにコーティングは、底面に存在することができる。さらにコーティングは、副通路の内部にのみ、または外部にのみ、存在することができる。

【0043】

コーティングは、ススやグラファイトなどの炭素、特に炭素粒子と、特に有機性の結合剤、たとえば人工樹脂および／またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含むのが好ましい。結合剤は熱可塑性または熱硬化性であってよい。コーティングは、好ましくは１ｎｍから２００μｍ、さらに好ましくは５ｎｍから１００μｍ、特別に好ましくは５ｎｍから５０μｍの範囲内の層厚を有する。ウェブの接触領域では、５μｍを超える層厚が存在するのが好ましい。側面と底面では、層厚が１μｍよりも小さいのが好ましい。

【0044】

さらに分配プレートは、任意選択として、内部構造化を有するコーティングを少なくとも部分的に有する。副通路はコーティングの内部構造化によって形成されていてよい。内部構造化は親水性に構成されるのが好ましく、それにより水が内部構造化の中へ、灯心の中へのように引き込まれる。親水性とは、平滑な表面を有する鋼材の湿潤性よりも水による湿潤性が良いことと理解されるのが好ましく、水滴に関する接触角が４０°よりも小さく、特に１０°よりも小さいことと理解されるのがさらに好ましい。コーティングは親水性の成分、たとえばヒドロキシ基、カルボニル基、および／またはカルボシキル基を有する酸化された炭素粒子を、特に炭素分配プレートに適用可能であるポリマー結合剤とともに含むことができる。さらに親水性の表面特性は、たとえば、たとえば酸素または酸による表面処理によって生成することができる。コーティングは０．１から１０μｍの範囲内の表面粗さＲａを有するのが好ましく、０．１μｍから２０μｍ、さらに好ましくは１μｍから１０μｍの最大のピークツーバレー距離（ｂｕｌｋ ｐｅａｋ－ｔｏ－ｖａｌｌｅｙ ｍａｘｍｕｍ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を有するのがさらに好ましい。

【0045】

コーティングは、たとえばレーザ焼結によって塗布することができ、または、金属、セラミック、ポリマー、もしくはこれらの混合物を分配プレートにパターンで塗布するための役目も果たす方式で塗布することができる。コーティング方式のさらに別の例はスプレーコーティングである。

【0046】

その代替として、まず粉末などのコーティング材料を分配プレートに塗布することができ、これを接触領域で再び除去し、次いで、選択的な（レーザ）焼結法を実行することができる。それによってたとえば主通路だけに、内部構造化を含むコーティングを装備することができる。たとえばマスクおよび／またはスクリーン印刷によって、コーティングを選択的に行うことができる。

【0047】

コーティングを面状に塗布し、次いで、たとえばレーザ法または機械的な方法により、部分的に除去することもでき、それにより副通路が露出するようにし、特に副通路の側壁がコーティングによって形成される。

【0048】

分配通路および／または副通路は、特に薄板である分配プレートのベースプレートに、および／または分配プレートのコーティングに、穿設されていてよい。後者の場合、層厚は５μｍを超えるのが好ましい。分配通路および／または副通路はコーティングされていてよく、または未コーティングであってよい。

【0049】

第１の好ましい実施形態では、副通路は主通路の底面もしくはウェブの側面の平坦部分で終わり、または、主通路の底面とウェブの側面の間のエッジのところで終わる。副通路は最終点で、すなわち一定の幅と深さとを有する区域で、唐突に終わるのがさらに好ましい。その代替として最終点の方向で、副通路の幅および／または深さが縮小していてよい。唐突にという概念は、特に、別の副通路への連通部や複数の通路への分岐部が最終点に存在しないことであると理解される。

【0050】

第２の好ましい実施形態では、副通路は主通路の底面で別の副通路に連通する。別の副通路は底面にのみ配置されるのが好ましい。別の副通路は、側面と底面の間のエッジに沿って配置されていてよく、別の副通路は特に第１の側で側面によって区切られる。側面と底面が出会うエッジは、切断縁または切断線とも呼ぶことができる。さらに、別の副通路は主通路の対称軸に沿って配置されていてよく、別の副通路はそれぞれ隣接する両方の側面に対して同一の間隔を有することができる。このことは、別の副通路が主通路の中央に延びていると表現することもできる。別の副通路は、主通路に対して４５°よりも小さい配置角で配置されるのが好ましい。主通路ごとに１つの別の副通路が存在していてよく、または、それぞれ少なくとも１つの副通路がウェブから連通する複数の別の副通路が存在していてよい。

【0051】

第３の好ましい実施形態では、副通路は端部構造に連通し、副通路は端部構造で少なくとも２つの下位通路に分岐し、少なくとも２つの下位通路はそれぞれ副通路よりも小さい直径を有する。特に、少なくとも２つの下位通路の横断面のそれぞれのサイズは、副通路の横断面のサイズよりも小さい。端部構造は、微細構造または拡張部とも呼ぶことができ、それによって液体の水の表面積が効果的に広くなり、それにより液体の水の排出を、および／または主通路で案内される気相への水の気化を、改善することができる。端部構造は少なくとも３つの下位通路を有するのがさらに好ましく、少なくとも１つの下位通路が別の少なくとも２つの他の下位通路へと分岐することができる。副通路と、下位通路のうちの少なくとも１つとは、２０°から７０°、さらに好ましくは３０°から６０°、たとえば４５°の範囲内の角度を部分的に形成するのが好ましい。さらに、少なくとも２つの下位通路は副通路に対して実質的に平行のアライメントで終わるのが好ましい。下位通路は、それぞれの分岐部の間では直線状の進路を有するのが好ましい。

【0052】

副通路は第１の部分をもって、主通路に対して３０°から１５０°の範囲内の第１の角度で配置され、第２の部分をもって、主通路に対して４５°よりも小さい範囲内の第２の角度で配置されるのが好ましい。

【0053】

特に少なくとも１つの分配通路の表面および／または内部に直接的にある副通路の第１の部分は、主通路に対して実質的に直交して配置されるのがさらに好ましい。「実質的に直交して」とは、第１の角度が６０°から１２０°、さらに好ましくは８０°から１００°、特別に好ましくは８５°から９５°であることであると理解される。

【0054】

副通路の第２の部分は主通路に対して実質的に平行に配置されるのがさらに好ましい。「実質的に平行に」とは、第２の角度が３０°よりも小さく、好ましくは２０°よりも小さく、さらに好ましくは１０°よりも小さく、特に好ましくは５°よりも小さいことであると理解される。

【0055】

副通路の第２の部分が第２の角度で配置されることで、主通路内での気相の主流動方向への副通路のアライメントが行われる。

【0056】

副通路は、特に副通路の第１の部分を副通路の第２の部分と接続する、円形の進路とも呼ぶことができる湾曲した進路を有するのが好ましい。その代替または追加として副通路は、少なくとも１つの、好ましくは１つを超える、屈曲と呼ぶこともできる方向転換を有する直線状の進路を有することができる。第１の部分および／または第２の部分も、それぞれ湾曲した進路を有することができる。

【0057】

副通路の２つを超える部分が存在することもでき、それにより、主通路との関係において２つを超える角度を調整することができる。

【0058】

少なくとも１つの分配通路が副通路を有することは、特に、副通路が分配通路の少なくとも１つの延長部を形成することであると理解される。副通路は少なくとも１つの分配通路の表面または内部で、特に直接的に始まることができる。副通路は少なくとも１つの分配通路の中で、ないしは少なくとも１つの分配通路の内部で、部分的に延びるのが好ましい。このことは、副通路と少なくとも１つの分配通路がオーバーラップすると表現することもできる。副通路は、少なくとも１つの分配通路の全長に存在することもできる。少なくとも１つの分配通路は、副通路が部分的に配置される底部を有するのが好ましい。副通路の直径は、少なくとも１つの分配通路において一定であってよく、または主通路の方向で増大することができる。

【0059】

ウェブの側面は少なくとも１つの滞留エッジを有することができ、副通路は少なくとも部分的に少なくとも１つの滞留エッジに沿って配置されるのが好ましい。複数の滞留エッジが、分配プレートに型押されていてよい、たとえばオフセットされた隆起部を形成することができる。少なくとも１つの滞留エッジは、主通路から分配通路への気相の強化された流動につながる。特に、少なくとも１つの滞留エッジは、少なくとも１つの分配通路への入口に同一平面上で配置される。

【0060】

上述した各実施形態の構成要件を互いに自由に組み合わせ可能である。

【発明の効果】

【0061】

本発明の分配プレートによって、接触領域でのガス拡散層へのガス供給が改善されるだけでなく、すなわち、ウェブの下方の領域への特に酸素への浸透が改善されるだけでなく、接触領域から分配プレートの主通路への水搬出も改善される。

【0062】

分配通路によって接触領域へのガス流入が改善され、副通路は、分配通路からの液体の水の良好な流出のために作用する。分配通路の特別なジオメトリーにより、ガス供給をいっそう改善することができる。副通路の小さい直径によって、水の搬出をいっそう促進する毛管作用が生じる。

【0063】

主通路にある別の副通路により、主通路の内部での流出もいっそう最適化される。

【0064】

これに加えて、場合により存在する端部構造により、液体の水の表面積を効率的に広くする構造がさらに存在し、それにより排出と、主通路内部での気相への気化が改善される。

【0065】

主通路から分配通路へのガス方向転換のために作用する滞留エッジは、副通路とともに滞留エッジに沿って接触領域のドレナージにも寄与する。

【0066】

さらに、場合により存在するコーティングの内部構造化へ液体の水を吸い込むことができ、主通路へと輸送することができる。

【0067】

本発明の実施形態について、図面と以下の記述とを用いて詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0068】

【図1】従来技術に基づく電気化学セルを示す模式図である。

【図2】分配プレートを有する燃料電池積層体である。

【図3】ガス拡散層と分配プレートの間の接触領域である。

【図4】分配通路を有する分配プレートを示す部分図である。

【図5】分配通路と副通路とを有する分配プレートを示す部分図である。

【図6】第１の切断平面に沿って示す断面図である。

【図7】分配通路の内部に副通路を有する分配プレートを示す部分図である。

【図8】第２の切断平面に沿って示す断面図である。

【図9】第３の切断平面に沿って示す断面図である。

【図10】副通路と端部構造とを有する分配プレートを示す部分図である。

【図11】端部構造の別の実施形態である。

【図12】端部構造のさらに別の実施形態である。

【図13】副通路と別の副通路とを有する分配プレートを示す部分図である。

【図14】滞留エッジを有する分配プレートを示す部分図である。

【図15】滞留エッジと副通路とを有する分配プレートを示す部分図である。

【図16】第２の切断平面に沿って示す別の断面図である。

【図17】第１の切断平面に沿って示す別の断面図である。

【図18】滞留エッジと副通路と別の副通路とを有する分配プレートを示す部分図である。

【発明を実施するための形態】

【0069】

本発明の実施形態についての以下の説明では、同一または類似の部材には同一の符号が付されており、これらの部材について個別ケースで繰り返し説明することはしない。図面は本発明の対象物を模式的に表しているにすぎない。

【0070】

図１は、従来技術に基づく燃料電池の形態の電気化学セル１を模式的に示している。電気化学セル１は、膜２を電解質として有している。膜２はカソード空間３９をアノード空間４１から分離する。

【0071】

カソード空間３９とアノード空間４１には、膜２の上にそれぞれ電極層３と、ガス拡散層５と、分配プレート７とが配置されている。膜２と電極層３との複合体を、膜電極接合体４とも呼ぶことができる。

【0072】

分配プレート７は、たとえばカソード空間３９での酸素４３およびアノード空間４１での水素４５の、ガス拡散層５へのガス供給のための主通路１１を有している。分配プレート７の上に主通路１１とウェブ１２が交互にある。

【0073】

ウェブ１２の表面１３には、分配プレート７と、これに隣接して配置されたガス拡散層５との間にそれぞれ接触領域４７が構成されている。さらにウェブ１２は側面３１を有しており、主通路１１は底面３３を有している。

【0074】

図２は、複数の分配プレート７と、膜２を含む膜電極接合体４とを含む燃料電池積層体を示している。分配プレート７により、酸素４３ないし酸素４３が含まれている空気と、水素４５とが膜電極接合体４へと案内される。酸素４３ないし酸素４３が含まれている空気が供給される分配プレート７の主通路１１では、水５１が排出される。さらに、分配プレート７は冷却剤４９を案内するための役目を果たす。

【0075】

図３は、ガス拡散層５と分配プレート７との間の接触領域４７を示している。ここでは分配プレート７のウェブ１２が、ガス拡散層５と接触している。さらに内部構造化７４を有するコーティング３７が、分配プレート７のウェブ１２の上に配置されている。水素４５は主通路１１からガス拡散層５を通って、膜２の上に配置された電極層３へと到達する。

【0076】

図４は、主通路１１とウェブ１２とを交互に有している分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。主通路１１に沿って、主流動方向５３が存在する。主通路１１のアライメントとの関係において配置角７２が表されている。さらに、主通路１１はそれぞれ対称軸５５を有している。

【0077】

ウェブ１２はそれぞれ表面１３を有していて、そのうち主通路１１の底面３３に対して折曲されて配置されている部分を側面３１と呼ぶ。ウェブ１２の表面１３の接触領域４７に、分配通路６０が配置されている。ウェブ１２の側面３１に、主通路１１の底面３３が後続している。

【0078】

図５は、分配通路６０と副通路１５とを有する分配プレート７の部分の斜視平面図を示している。図５の分配プレート７は、図４に示す分配プレート７に実質的に相当しているが、４つの分配通路６０にそれぞれ副通路１５が配置されるという相違があり、この副通路は隣接する主通路１１へ、ないしは隣接する側面３１へ、水５１を案内し、そのようにして、それぞれの分配通路６０を主通路１１ないし側面３１と接続する。副通路１５は分配通路６０で始まっている。

【0079】

各々の副通路１５の第１の部分１７は隣接する主通路１１に対して第１の角度１９で配置され、各々の副通路１５の第２の部分２１は隣接する主通路１１に対して第２の角度２３で配置されている。ここに図示した副通路１５は湾曲した進路を有しており、それにより、隣接する主通路１１に対して相対的にその配置が進路につれて変化していく。副通路１５はそれぞれ分配通路６０では主通路１１に対して実質的に垂直に配置され、主通路１１ないし主通路１１の近傍では主通路１１に対して実質的に平行に配置されている。

【0080】

第１の副通路８２は、隣接する主通路１１の底面３３の平坦部分６２で終わっている。第２の副通路８４は、主通路１１の底面３３とウェブ１２の側面３１との間のエッジ５９のところで終わっている。第３の副通路８６はウェブ１２の側面３１で終わっており、それにより、側面３１から隣接する主通路１１の底面３３へと水５１が流れ出ることができる。さらに、第１の切断平面７６がマーキングされている。

【0081】

図６は、図５に示した第１の切断平面７６に沿った断面図を示している。副通路１５はウェブ１２の側面３１に配置され、Ｖ字型である横断面３５を有している。副通路１５は幅２９と深さ２７を有している。

【0082】

図７は、分配通路６０の内部に副通路１５を有する分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。図７の分配プレート７は、図５に示す分配プレート７に実質的に相当しているが、副通路１５が部分的にそれぞれ分配通路６０の中に延びているという相違があり、副通路１５は分配通路６０の底部８８に配置されている。それに応じて副通路１５は、ガス拡散層５との接触領域４７に部分的に配置されている。これに加えて、第２の切断平面７８と第３の切断平面８０がマーキングされている。

【0083】

図８は、図７に示す第２の切断平面７８に沿った断面図を示している。ウェブ１２の表面１３に分配通路６０が配置され、分配通路６０の底部８８に副通路１５がある。

【0084】

図９は、図７に示している第３の切断平面８０に沿った断面図を示している。第２の副通路８４は、側面３１と底面３３との間のエッジ５９に配置されている。第３の副通路８６はウェブ１２の側面３１にある。

【0085】

図１０は、２つを超える下位通路６６を有する端部構造６４に連通する副通路１５を有する分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。それぞれ同一の長さ９０を有しているが互いにオフセットされて配置された複数の下位通路６６が存在する。端部構造６４は、主通路１１の底面３３に配置されている。

【0086】

図１１は端部構造６４の別の実施形態を示しており、下位通路６６はそれぞれ異なる長さ９０を有しており、長さ９０は端部構造６４の内部で内から外に向かって減っていく。

【0087】

図１２は、下位通路６６を有する端部構造６４のさらに別の実施形態を示しており、下位通路６６はグループで互いにオフセットされて配置されている。

【0088】

図１３は、分配通路６０と、副通路１５と、別の副通路７０とを有する分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。副通路１５は部分的に分配通路６０の内部に配置され、主通路１１の対称軸５５に沿って配置された別の副通路７０にそのすべてが連通する。別の副通路７０の配置角７２は図示した実施形態では０°であり、それに応じて別の通路７０は主通路１１と平行に延びている。さらに、副通路１５の幅２９と深さ２７は分配通路６０の中で流出方向に伴って増えていく。

【0089】

図１４は、ウェブ１２の側面３１に構成された滞留エッジ６８を有する分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。ウェブ１２の他の側面３１も、任意選択として、少なくとも１つの滞留エッジ６８を有することができる。

【0090】

図１５は、滞留エッジ６８およびこれに沿って配置された副通路１５を有する分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。

【0091】

図１６は、図１５に示されている第２の切断平面７６に沿った断面図を示している。

【0092】

図１７は、図１５に示されている第２の切断平面７６に沿った断面図を示している。ウェブ１２の側面３１にある滞留エッジ６８に沿った副通路１５が明らかとなる。

【0093】

図１８は、分配通路６０と、副通路１５と、滞留エッジ６８と、別の副通路７０とを有する分配プレート７の一部分の斜視平面図を示している。副通路１５は滞留エッジ６８のうちの１つに沿って延びており、主通路１１の対称軸５５と平行に延びる別の副通路７０に連通する。

【0094】

本発明は、上に説明した実施例およびその中で強調されている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記載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】

【0095】

１ 電気化学セル
７ 分配プレート
１１ 主通路
１２ ウェブ
１３ 表面
１５ 副通路
１７ 第１の部分
１９ 第１の角度
２１ 第２の部分
２３ 第２の角度
２７ 深さ
２９ 幅
３１ 側面
３３ 底面
３５ 横断面
３７ コーティング
５９ エッジ
６０ 分配通路
６２ 平坦部分
６４ 端部構造
６６ 下位通路
６８ 滞留エッジ
７０ 副通路
７２ 配置角
７４ 内部構造化

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【手続補正書】

【提出日】2023-06-16

【手続補正1】

【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】

電気化学セル（１）のための分配プレート（７）において、前記分配プレート（７）は、表面（１３）を有するウェブ（１２）と、底面（３３）を有する主通路（１１）とを含む構造を有し、前記ウェブ（１２）の前記表面（１３）は分配通路（６０）を有し、少なくとも１つの分配通路（６０）は、主通路（１１）の底面（３３）および／またはウェブ（１２）の側面（３１）と少なくとも１つの前記分配通路（６０）を接続する副通路（１５）を有し、
前記副通路（１５）は少なくとも１つの前記分配通路（６０）よりも小さい直径を有する、分配プレート。

【請求項2】

前記副通路（１５）は前記主通路（１１）の前記底面（３３）もしくは前記ウェブ（１２）の前記側面（３１）の平坦部分（６２）で終わり、または、前記主通路（１１）の前記底面（３３）と前記ウェブ（１２）の前記側面（３１）との間のエッジ（５９）のところで終わることを特徴とする、請求項１に記載の分配プレート（７）。

【請求項3】

前記副通路（１５）は前記主通路（１１）の前記底面（３３）で別の副通路（１５，７０）に連通することを特徴とする、請求項１に記載の分配プレート（７）。

【請求項4】

前記別の副通路（１５，７０）は前記主通路（１１）に対して４５°よりも小さい配置角（７２）で配置されることを特徴とする、請求項３に記載の分配プレート（７）。

【請求項5】

前記副通路（１５）は端部構造（６４）に連通し、前記副通路（１５）は前記端部構造（６４）で少なくとも２つの下位通路（６６）に分岐し、少なくとも２つの前記下位通路（６６）はそれぞれ前記副通路（１５）よりも小さい直径を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の分配プレート（７）。

【請求項6】

前記副通路（１５）は第１の部分（１７）をもって、前記主通路（１１）に対して３０°から１５０°の範囲内の第１の角度（１９）で配置され、第２の部分（２１）をもって、前記主通路（１１）に対して４５°よりも小さい範囲内の第２の角度（２３）で配置さ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項に記載の分配プレート（７）。

【請求項7】

前記副通路（１５）は湾曲した進路を有することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項8】

前記副通路（１５）は部分的に少なくとも１つの前記分配通路（６０）の中に延びることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項9】

前記側面（３１）は少なくとも１つの滞留エッジ（６８）を有し、前記副通路（１５）は少なくとも部分的に少なくとも１つの前記滞留エッジ（６８）に沿って配置されることを特徴とする、請求項８に記載の分配プレート（７）。

【請求項10】

前記副通路（１５）の幅（２９）および／または深さ（２７）はそれぞれ１μｍから１５０μｍであることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項11】

前記副通路（１５）の横断面（３５）はＶ字型であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項12】

前記分配プレート（７）は内部構造化（７４）を有するコーティング（３７）を少なくとも部分的に有することを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）。

【請求項13】

前記副通路（１５）は前記コーティング（３７）に穿設されることを特徴とする、請求項１２に記載の分配プレート（７）。

【請求項14】

請求項１から１３までのいずれか１項に記載の分配プレート（７）を含んでいる電気化学セル（１）。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９１

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0091】

図１６は、図１５に示されている第２の切断平面７８に沿った断面図を示している。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００９２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0092】

図１７は、図１５に示されている第１の切断平面７６に沿った断面図を示している。ウェブ１２の側面３１にある滞留エッジ６８に沿った副通路１５が明らかとなる。

【国際調査報告】