特表 2024-516306 水から水素及び酸素を生成する水電解スタック

(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】2024-04-12

(54)【発明の名称】水から水素及び酸素を生成する水電解スタック

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/00 20210101AFI20240405BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240405BHJP

   C25B 9/75 20210101ALI20240405BHJP

   C25B 13/02 20060101ALI20240405BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20240405BHJP

   C25B 13/05 20210101ALI20240405BHJP

【ＦＩ】

C25B9/00 A

C25B1/04

C25B9/75

C25B13/02 302

C25B15/08 302

C25B13/05

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023568042

(86)(22)【出願日】2021-05-03

(85)【翻訳文提出日】2023-12-27

(86)【国際出願番号】 EP2021061583

(87)【国際公開番号】W WO2022233386

(87)【国際公開日】2022-11-10

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519379879

【氏名又は名称】ヘラー・エレクトロライザー・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｈｏｅｌｌｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100129425

【弁理士】

【氏名又は名称】小川 護晃

(74)【代理人】

【識別番号】100168642

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 充司

(74)【代理人】

【識別番号】100217076

【弁理士】

【氏名又は名称】宅間 邦俊

(74)【代理人】

【氏名又は名称】池本 理絵

(72)【発明者】

【氏名】ヘラー，シュテファン

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA08

4K021CA09

4K021DB04

4K021DB31

4K021DB43

4K021DB49

4K021DB53

4K021DC01

4K021DC03

(57)【要約】

水電解スタック０は、水から水素及び酸素を生成するのに使用され、セルスタック１を形成するように配置される複数のＰＥＭ型電解セル２を有する。水供給用の第１のチャネルと水排出用及び生成ガス酸素排出用の第２のチャネルと生成ガス水素排出用の第３のチャネルとがセルスタック１を貫通する。電解セル２は、水素側でシールフレームを介してバイポーラプレートに隣接し、かつ、触媒コーティングされたプロトン交換膜を有し、また、バイポーラプレートの背面は、隣接するセルの膜に、酸素側で当接する。バイポーラプレートは、焼結コンポーネントとして設計され、中央穴部にチャネル形成要素を収容する金属フレームが上に位置する平坦な金属プレートを有し、その上に、中央穴部と、その内部に組み込まれる多孔質輸送層とを有する第２の金属フレームを有する。チャネル形成要素のチャネルは、セルスタックの第１のチャネルと第２のチャネルとを接続する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水から水素及び酸素を生成する水電解スタック（０）であって、セルスタック（１）を形成するように配置されるＰＥＭ構造の複数の電解セル（２）を有し、
前記電解セル（２）は、
前記セルスタック（１）を貫通する、水供給用の少なくとも１つの第１のチャネル（６）と、
前記セルスタック（１）を貫通する、酸素排出用及び水排出用の少なくとも１つの第２のチャネル（７）と、
前記セルスタック（１）を貫通する、水素排出用の少なくとも１つの第３のチャネル（８）と、
を有し、
前記電解セル（２）は、少なくとも１つの焼結コンポーネント（１９）から形成されるバイポーラプレート（１９）を有し、
前記焼結コンポーネント（１９）は、平坦な金属プレート（２０）と、第１の金属フレーム（２３）と、第２の金属フレーム（３０）と、によって構築され、
前記第１の金属フレーム（２３）は、前記平坦な金属プレート（２０）上に配置されてチャネル形成要素（２５、３９、４２）を有し、前記チャネル形成要素（２５、３９、４２）は第１の金属フレーム（２３）に統合され、
前記第２の金属フレーム（３０）は、前記第１の金属フレーム（２３）上に配置されて多孔質輸送層（３２、３９、４２）を有し、前記多孔質輸送層（３２、３９、４２）は第２の金属フレーム（３０）に統合され、
前記チャネル形成要素（２５、３９、４２）のチャネルは、前記セルスタック（１）を貫通するチャネル（６、７、８）のうちの前記第１のチャネル（６）を前記第２のチャネル（７）にライン接続する、水電解スタック。

【請求項2】

前記チャネル形成要素は、波形シート（２５）によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載の水電解スタック。

【請求項3】

前記波形シート（２５）の波間隔は、２ｍｍ未満であり、好ましくは１．５ｍｍ未満であり、特に好ましくは１．０ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項２に記載の水電解スタック。

【請求項4】

前記チャネル形成要素は、複数のチャネル（４０、４１）が貫通する連続的な多孔質輸送層（３９、４２）であることを特徴とする、請求項１に記載の水電解スタック。

【請求項5】

前記チャネル形成要素（２５、４０）のチャネルは、片側にて開放するように設計され、かつ、前記平坦な金属プレート（２０）によって閉鎖されることを特徴とする、請求項１～請求項４のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項6】

前記チャネル形成要素（４２）のチャネル（４１）は、前記多孔質輸送層（４２）内の閉じたチャネルとして設計されることを特徴とする、請求項４に記載の水電解スタック。

【請求項7】

前記チャネル形成要素（２５、３９、４２）の複数のチャネルは、真っ直ぐ延び、及び／又は、波線の形状を有し、好ましくは互いに平行に延びることを特徴とする、請求項１～請求項６のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項8】

前記チャネル形成要素（２５、３９、４２）のチャネルは、障壁がないように構築されることを特徴とする、請求項１～請求項７のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項9】

前記平坦な金属プレート（２０）は、前記第１の金属フレーム（２３）に形成されたチャネル（２８）に向けて開口する穴部（２９）を有し、該チャネル（２８）は、前記セルスタック（１）を貫通する水素排出用の前記第３のチャネル（８）に向けて開口することを特徴とする、請求項１～請求項８のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項10】

フレーム（１７）が、前記バイポーラプレート（１９）における前記平坦な金属プレート（２０）によって形成される側に当接し、前記フレーム（１７）は、更なるチャネル形成要素が配置される中央穴部を有し、前記更なるチャネル形成要素のチャネルは、前記平坦な金属プレート（２０）の前記穴部（２９）にライン接続されることを特徴とする、請求項１～請求項９のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項11】

前記更なるチャネル形成要素は、ガス拡散層（３８）によって形成され、該ガス拡散層（３８）は、好ましくは、フェルト状に配置される炭素繊維からなることを特徴とする、請求項１０に記載の水電解スタック。

【請求項12】

前記更なるチャネル形成要素は、波形シート（４４）又はエキスパンドメタル（４３）によって形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の水電解スタック。

【請求項13】

前記更なるチャネル形成要素は、好ましくは、穴部を有する支持プレート（３６）及びガス拡散層（３８）が介在した状態で、触媒コーティングされたプロトン交換膜（１６）の水素側に当接することを特徴とする、請求項１～請求項１２のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項14】

前記焼結コンポーネント（１９）は、前記第２のフレーム（３０）まで達する微多孔質層（３３）によって片側が覆われることを特徴とする、請求項１～請求項１３のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項15】

前記微多孔質層（３３）は、個別の構成要素として製造され、前記焼結コンポーネント（１９）を形成するために焼結することによって、残りの構成要素（２０、２３、２５、３０、３２）に接続され、かつ、位置決めされることを特徴とする、請求項１～請求項１４のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項16】

前記微多孔質層（３３）が、スクリーン印刷又はステンシル印刷によって付与され、その後、焼結されることを特徴とする、請求項１～請求項１５のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項17】

前記バイポーラプレート（１９）は、前記第２のフレーム（３０）と、前記第２のフレーム（３０）に統合される前記多孔質輸送層（３２）と、前記多孔質輸送層（３２）に付与される前記微多孔質層（３３）とによって、プロトン交換膜（１６）の酸素側に当接することを特徴とする、請求項１～請求項１６のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項18】

前記第１の金属フレーム（２３）の厚さは、１ｍｍ未満であり、好ましくは０．８ｍｍ未満であり、特に好ましくは０．６ｍｍ未満であることを特徴とする、請求項１～請求項１７のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項19】

前記多孔質輸送層（３２、３９、４２）は、好ましくは合成繊維によって、特に好ましくはポリエチレン繊維によって、繊維強化された原料を用いて、製造されることを特徴とする、請求項１～請求項１８のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【請求項20】

前記セルスタック（１）を貫通するチャネル（６、７、８）へのライン接続を形成する穴部／凹部（２６、２７、２８）によって前記第１の金属フレーム（２３）にチャネルが形成されることを特徴とする、請求項１～請求項１９のいずれか１つに記載の水電解スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、セルスタックを形成するように配置されるＰＥＭ構造（ＰＥＭ型）の複数の電解セルからなる、水から水素及び酸素を生成する水電解スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

このタイプの電解スタックは、従来技術に属し、再生可能電力から「グリーン水素」を生成するために使用されることが増えている。このタイプのスタックは、ほとんどが２つのエンドプレート間に機械的にクランプされ、スタック側部の付近に、これらのスタック側部を貫通するチャネル（通路）を有し、このチャネルは、反応水も冷却水もＰＥＭ電解セルに供給し、一方では生成ガス酸素及び冷却水、また他方では生成ガス水素を排出（除去）するのに使用される。セルスタック内の水素の排出については比較的問題はないが、一方では水が電解セルの反応物として十分な量で供給され、他方では水が冷却水として供給及び排出される、水の供給については、技術的により要求が厳しい。

【0003】

電解セルにチタンエキスパンドメタル、チタンフェルト、又は焼結チタン粉末からなる多孔質輸送層（多孔性輸送層）を設けることが、従来技術に属する。輸送チャネルは、これらの輸送層にプロセス媒体を供給する又はこれらの輸送層からプロセス媒体を排出することを可能にするために必要であり、この輸送チャネルは、高電力密度の場合にセルの十分な供給を保証するために、輸送層の後側（背面側）に設けられる。加えて、スタンピング加工されたチャネルを有するバイポーラプレートを使用し、それにより、スタックを貫通するサイドチャネル内を運ばれる水を十分な量でＰＥＭにもたらし、再び排出することができることが、従来技術に属する。代替的に、これらのチャネルは、輸送層と平坦なバイポーラプレートとの間にエキスパンドメタルを挿入することによって形成される。双方の変形例は欠点を有する。チャネルをバイポーラプレートにスタンピング加工する場合、これらのチャネルは、輸送層に向かって開放し、輸送層によってブリッジ（架け渡し）されなければならない。低い動作圧力で動作する電解槽の場合、これはたいてい問題にならないが、一方、動作圧力が増加する場合、支持要素、例えば有孔プレートを挿入し、多孔質輸送層がチャネルに押し込まれないようにしなければならない。このタイプの支持要素は、全体サイズ及びコストを増大させる。

【0004】

この点で、エキスパンドメタルが輸送層と平坦なバイポーラプレートとの間に挿入される変形例が、より有益である。しかしながら、エキスパンドメタルの構築に起因して、貫流方向内を横断し、貫流中の更なる障壁を形成する金属セクションが形成される。これは、エキスパンドメタルがスタック内で強く圧縮される場合に特に問題となる。また、多層支持体（shoring）が必要となることが多く、これにより、個々の電解セルの厚さ、ひいてはセルスタックの厚さが増大し、更に、製造コストの増大にもつながる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

この背景技術に対して、本発明は、特に上述した問題を回避するために、上述したタイプの水電解スタックをその構造に関して簡略化及び改善するという目的に基づく。

【課題を解決するための手段】

【0006】

この目的は、請求項１に明記された特徴を有する水電解スタックによって達成される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項、以下の説明、及び図面に明記される。

【0007】

本発明に係る水から水素及び酸素を生成する水電解スタックは、セルスタックを形成するように配置される高分子電解質膜（Polymer Electrolyte Membrane）構造の複数の電解セルを有する。セルスタックを貫通する少なくとも１つの第１のチャネルが、水を電解セルに供給するために設けられ、セルスタックを貫通する少なくとも１つの第２のチャネルが、余分な水／冷却水を排出（除去）すると共に、酸素を排出するために設けられる。更に、セルスタックを貫通する少なくとも１つの第３のチャネルが、水素を排出するために設けられる。電解セルは、少なくとも１つの焼結コンポーネント（焼結部品）から形成されるバイポーラプレートを有する。この焼結コンポーネントは、第１の金属フレームが上に配置される平坦な金属プレートを使用して構築され、第１の金属フレームは、この第１の金属フレームに統合されるチャネル形成要素をその中央穴部（中央凹部）に有する。第２の金属フレームが第１の金属フレーム上に配置され、第２の金属フレームは、その中央穴部に統合される多孔質輸送層を有する。この場合、チャネル形成要素は、セルスタックを貫通するチャネルのうち、第１のチャネルを第２のチャネルにライン接続（管路接続、流路接続）するように配置される。

【0008】

水電解スタックの基本的構造は、典型的に、セルスタックを貫通する、水を供給するための第１のチャネルと、また、通常はその反対側に配置され、同様にセルスタックを貫通し、余分な水／冷却水を排出するために設けられ、かつ、電気化学反応中に形成される酸素を排出するための第２のチャネルとを有する。セルスタックを貫通する第３のチャネルは、同様に、水電解スタックの残りの側部の付近に配置される２つの対向するチャネルによって対にして形成してもよいが、単一のチャネル又は隣り合うチャネルによって形成してもよい。このチャネルは、電気化学反応中に形成される水素を排出するために使用される。

【0009】

本発明に係る水電解スタックのバイポーラプレートは、少なくとも１つの焼結コンポーネントから形成され、有利には、バイポーラプレートは、好ましくはチタン又はチタン合金からなる１つのみの焼結コンポーネントから形成される。この場合、バイポーラプレートの構造は、非常に材料節減されて効果的であり、全体高さも比較的小さい。

【0010】

平坦な金属プレートと多孔質輸送層が統合された更なるフレームとの間の金属フレームに配置されるチャネル形成要素は、電解セルの酸素側の供給及び排出のために設けられる。膜への反応物／冷却水供給、並びに膜からの冷却水排出及び酸素排出の高い効果は、スタック内で第１のチャネルと第２のチャネルとを互いに接続する複数のチャネルを有するチャネル形成要素によって保証される。バイポーラプレートのチャネル形成要素は、フレーム内に統合されるため、例えば８０バールの高い動作圧力を有する水電解スタックの動作の場合でも、比較的低い圧力に対応すればよい。特に、チャネル形成要素は、バイポーラプレートが全体的に波状の形状である場合のように、耐圧要素としての圧力機器に対する指令の対象にはならない。このため、チャネル形成要素に使用する材料厚さを小さくすることができる。大きく妨げのない貫流断面が形成され、これは、特に水がスタックを貫流するのに有利である。水素側にも適切な水素排出部を配置する必要があるが、これは、水素側で発生する圧力と、小さな流れ断面しか必要としないガス状水素とに起因して、構成が実質的により容易である。

【0011】

本発明に係る焼結コンポーネントは、平坦な金属プレートと、平坦な金属プレート上に配置され、チャネル形成要素が統合される（組み込まれる）第１の金属フレームと、第１の金属フレーム上に配置され、多孔質輸送層が統合される（組み込まれる）第２の金属フレームとによって構築される。この設計は、確定的なものとして理解すべきではなく、本発明に係るこの焼結コンポーネントの少なくとも存在する構成要素を表すものである。個々の構成要素は、典型的に、全てチタンから形成され、固体として製造されるか、又は、例えばＭＩＭ射出成形においてグリーンパーツ又はブラウンパーツとして製造されて組み立てられ、その後、一体焼結コンポーネント、ひいてはバイポーラプレートを形成するために、例えばセラミックプレート間で焼結される。

【0012】

バイポーラプレートの酸素側に設けられるチャネル形成要素は、本発明によれば、輪郭加工シート、通常は波形シートによって形成するか、又は複数のチャネルが貫通する多孔質輸送層によって形成することができる。輪郭加工シートが本質的に流れ誘導機能を有することから、チャネルにおいて大きな流れ断面を実現することができる。この断面は、正弦波状に延在する必要はなく、好ましくは矩形波又は丸みを帯びた矩形波を形成してもよい。これは、貫流能力に関して有利である。酸素側におけるこのチャネル形成要素の波形シートは、波間隔が２ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満、特に好ましい設計では１．０ｍｍ未満となるように構築されることが有利である。従って、比較的幅狭で高さのあるチャネルを実現することができ、それが有利である。

【0013】

チャネル形成要素が多孔質輸送層として形成される場合、チャネル形成要素は、チャネルが輸送層に完全に統合されるか、又はチャネルが少なくとも片側に向かって開放するように形成されるように構成することができる。後者の場合、チャネルが平坦な金属プレートによって閉鎖されるように構成することが有利である。このようにして、比較的薄い輸送層に対して大きなチャネル断面を達成することができる。チャネルは、グリーンパーツの射出成形中、熱的若しくは化学的に溶解される対応するロッドを挿入することによって、又は輸送層の表面にスタンピング加工することによって形成することができる。

【0014】

この場合、本発明によれば、可能な限り小さな貫流抵抗を達成するために、チャネル形成要素の複数のチャネルを可能な限り真っ直ぐに、かつ、互いに対して平行に配置することが有利である。しかしながら、波線形状を有する複数のチャネルを、有利には、障壁のない通過が維持される一方で、コンポーネントの固定支持機能が向上するように、互いに平行にオフセットして配置することが有利であり得る。また、チャネルは、好ましくは真っ直ぐで妨げのない通路を有するように成形されるが、側壁は、この支持機能を達成するために、波状に構成される。

【0015】

本発明の意味において、障壁がない（バリアフリーである）というのは、流れ方向に対して横断方向又は斜めに角度を付けて障害物が配置される場合に通常当てはまるように、流れに乱流を引き起こす衝突体がチャネル内に存在しないことを意味するように理解されたい。従って、波状に延在するチャネルは、例えば、空間内で正弦波状又は波状に本体を通って延在する場合、障壁がないものであり得る。

【0016】

基本的に、チャネル形成要素は、該要素の端部が、水を供給するか又は水及び酸素を排出するための（セルスタックを貫通する）第１のチャネル又は第２のチャネルに開口するように、第１の金属フレーム内に配置及び形成することができる。しかしながら、スタックを高圧で動作させる場合、垂直チャネル間に連続的にこのチャネル形成要素を形成するのではなく、例えばスタンピング加工によって、対応するチャネルを、金属フレームの両側に設けることが、支持にとって有利であり得、この対応するチャネルは、チャネル形成要素のチャネルと好ましくは同一平面にあり、該チャネルを、スタックを貫通する第１のチャネル又は第２のチャネルにライン接続する。１つのそのような設計は、より高い安定性を有し、又はより小さな支持荷重のためにチャネル形成要素をレイアウトすることを可能にする。

【0017】

電解セルの水素運搬側からバイポーラプレートを通して水素の排出を可能にするために、本発明の発展形態によれば、複数の穴部（凹部）又は複数の開口（孔）を有する平坦な金属プレートを備えることが有利であり、これらの穴部又は開口は、例えばスタンピング加工によって第１の金属フレームに形成されるチャネルに向けて開口し、該チャネルは、セルスタックを貫通する、水素を排出するための第３のチャネルに向けて開口する。これらのチャネルは、片側が開放しており、焼結後、上に配置される第２の金属フレームによって覆われ、第２の金属フレームによって閉鎖することができる。平坦な金属プレートにおける穴部は、生成ガス水素の十分な通過を確実にする、隣り合う孔（開口）の列として構成されることが有利である。

【0018】

電解セルの水素側における焼結コンポーネントの平坦な金属プレートにおける穴部に対して好適な排出を確実にするために、バイポーラプレートの平坦な金属プレートによって形成される側にフレームを設けることが有利であり、このフレームは、この側にシール式に当接し、更なるチャネル形成要素が配置される中央穴部を有し、更なるチャネル形成要素のチャネルは、平坦な金属プレートにおける穴部にライン接続される。同時に、このフレームは、バイポーラプレートとＰＥＭとの間のシール要素を形成し、バイポーラプレートに面する片側（一側）と、ＰＥＭに面するもう片側（他側）とにおいて、周縁シールを有することが有利である。シールは、スタックを貫通するチャネルを形成する穴部の周りに延在すると共に、電解セルの作用部分（活動部分）を形成する中央穴部の周りに延在するように配置される。

【0019】

電解セルの水素側に配置されるこの更なるチャネル形成要素は、規則的又は不規則な炭素繊維から構築されるガス拡散層として形成することができることが有利である。ここでは、フェルト状の編地を形成するように接続される炭素繊維が配置されることが好ましい。

【0020】

代替的に、このチャネル形成要素は、波形シート又はエキスパンドメタルによって形成してもよい。通常、水素は圧力駆動によってスタック内で所定の経路を見出すため、水素側では、障壁がないチャネル経路は不要である。

【0021】

１つ以上の穴部を有する支持プレートによって支持され得るガス拡散層を、水素側のチャネル形成要素として使用することもできる。この支持プレートは、フレームと共に一体的に形成することができ、このフレームに、板金からなるフレームの材料が、中央穴部の領域において押し込まれ、それにより、ガス拡散層に必要な空間が形成されるようになっている。

【0022】

酸素側のプロトン交換膜（ＰＥＭ）の全体表面にわたって水の実質的に均一な供給を確実にするために、片側において焼結コンポーネントを覆う微多孔質層を、特に微多孔質層が第２のフレームに達するまでもたらすことが有利である。微多孔質層をこの領域まで延伸させることは、フレーム内のチャネル形成要素又はガス拡散層の間の隙間がこれによって覆われ、従って、膜の表面にわたって反応物の完全に均一な供給が行われることから、特に有利である。

【0023】

このタイプの微多孔質層は、残りの構成要素（特に第２のフレーム、及び、穴部に統合され、焼結コンポーネントを形成するために焼結することによって残りの構成要素に接続される構成要素）上に配置される個別の構成要素、例えば、フィルム又はフィルムのグリーンパーツ若しくはブラウンパーツとして製造されることが有利である。微多孔質層は、代替的に、スクリーン印刷又はステンシル印刷によって構成要素に付与してもよく、その後、微多孔質層が焼結される。

【0024】

バイポーラプレートは、第２のフレームと、第２のフレーム内に統合された多孔質輸送層と、多孔質輸送層に付与された微多孔質層とによって、プロトン交換膜の酸素側に当接する。

【0025】

各電解セルは、バイポーラプレートと、シールフレームと、触媒コーティングされたプロトン交換膜（ＰＥＭ）とからなる。セルは、互いに積み重ねられ、そのため、バイポーラプレートは、２つの隣り合う電解セルの一部である。電解セルのこのスタックは、互いに機械的に固定される２つのエンドプレート間にクランプされる（挟み込まれる）。

【0026】

その中央穴部に上述したチャネル形成要素を備える第１の金属フレームの厚さは、１ｍｍ未満、好ましくは０．８ｍｍ未満、特に有利には更には０．６ｍｍ未満であることが有利である。これにより、スタックの全体的な高さ、及び製造にかかる材料コストが低減される。

【0027】

特に層の厚さが非常に薄い場合、多孔質輸送層の固有の安定性は、焼結前には常に保証されるわけではないため、これは、構成要素を取り扱う際に有用であるが、多孔質輸送層は、本発明の発展形態によれば、好ましくは合成繊維、特に好ましくはポリエチレン繊維によって繊維強化された原料（原材料）を用いて製造することができる。これらの繊維は、グリーンパーツからブラウンパーツへの処理中、遅くとも焼結中に除去される。

【0028】

焼結コンポーネントのチャネル形成要素に設けられるチャネルは、セルスタックを貫通する対応するチャネルまで達するか、又は、耐圧能力に関して有利であるように、中央穴部とセルスタックを貫通するチャネルとの間の領域において、第１のフレームにおける対応するチャネル形状穴部によって形成されるチャネルによって接続することができる。そのような穴部は、単純なスタンピング加工によって安価に製造することができ、このプロセスにおいて、セルスタックを貫通するチャネルへのライン接続が行われるように、或る特定の重なり（オーバーラップ）が配置される。

【0029】

本発明を、図面に示す例示的な実施形態に基づいて以下により詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明に係る水電解スタックの非常に簡略化された斜視図である。

【図2】図１に係るスタックの個々の電解セルの構造の非常に簡略化された分解図である。

【図3】焼結コンポーネントによって形成されるバイポーラプレートの構造の第１の実施形態の分解図である。

【図4】組立形態における図２に係る構成要素の斜視部分断面図である。

【図5】図４に係る構成要素に対応する部分断面図である。

【図6】図５に係る図における代替的な設計を示す図である。

【図6.1】斜めに延在する断面線による図６に係る断面図である。

【図7】図５に係る図における更なる設計変形例を示す図である。

【図8】図５に係る図における代替的な設計変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

電解スタックの基本的構造は、従来技術に属し、引用される国際公開第２０１９／２２８６１６号に詳細に記載されている。従って、図１を用いて例示される電解スタック０は、スタック１を形成するように互いに重ねて配置されて２つのエンドプレート３間にクランプされ、かつ、電気的に直列に接続される複数の電解セル２からなる。電気接続部４及び５は、スタック０の側部から延びている。セル２の供給は、セルスタック１を貫通するチャネル６、７、８、すなわち、反応水も冷却水も供給するための第１のチャネル６と、冷却水及び生成ガス酸素を排出（除去）するための第２のチャネル７とを介して行われる。これらの第１のチャネル６及び第２のチャネル７は、対向してセルスタック１の長手側部に対して平行に配置される。更に、セルスタック１の横断方向側部には、スタック１を貫通し、生成ガス水素を排出（除去）するのに使用される３つの第３のチャネル８が設けられる。スタック０の図示の実施形態において、セルスタック１は、下側エンドプレート９と上側エンドプレート１０との間に絶縁プレート３が統合された状態でクランプされ、下側エンドプレート９及び上側エンドプレート１０は、それぞれ皿ばねスタック１２が統合された１０個のボルト１１によって締結される。この場合、チャネル６、７、８は、上側エンドプレート１０におけるチャネル接続部まで延び、この図では、チャネル接続部１３及び１４は、第１のチャネル６及び第２のチャネル７を接続するために設けられるが、チャネル接続部１５は、第３のチャネル８に接続され、生成ガス水素を排出するのに使用される。

【0032】

電解セル２は、触媒コーティングされたプロトン交換膜１６（ＰＥＭ）（膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）とも呼ばれる）を有し、その水素側には、シールフレーム１７が当接し、シールフレーム１７は、セル２の作用部分（活動部分）をシールする、すなわち、膜１６をその側部に配置されたチャネル６、７、８に対してシールする、及びチャネル６、７、８自体を外部に対してシールする。ＰＥＭ１６の水素側、すなわち、生成ガス水素が解放（放出）される側に当接するこのシールフレーム１７は、ＰＥＭ１６に面しない側にもシール１８が設けられ、そこでバイポーラプレート１９に当接する。バイポーラプレート１９は、チタン製の焼結コンポーネント（焼結部品）として設計され、その構造も以下に説明される。次のバイポーラプレート１９の他方の側は、ＰＥＭ１６の他方の側、すなわち、酸素が生成ガスとして解放（放出）されると共に、水が反応物として導入され、また、水が冷却のために通流する側に当接する。これは、このタイプのスタックにおいて通常である。電流は、エンドプレート４、９、１０間の電気接続部４、５を介して供給される。

【0033】

図２及び図３を用いて例示されるバイポーラプレート１９の構造において、バイポーラプレートは、矩形の形状を有するチタン製の平坦な金属プレート２０を有し、その角部には、スタック０を組み立てる際のガイドバー用の穴部２１と、またその長手側部には、セルスタック１における第１のチャネル６及び第２のチャネル７を形成する穴部と、またその短手側部には、セルスタック１における第３のチャネル８を形成する３つの穴部とが設けられ、第３のチャネル８は、ここでは３つの部分チャネルから形成される。第３のチャネル８用の穴部と平行して、対向する側部に、窒素を供給するために設けられる穴部２２が設けられ、これを使用して、スタック０は、動作を停止する前にフラッシング（洗浄）される。

【0034】

バイポーラプレート１９は、焼結コンポーネントとして設計され、図３を用いて例示される、いずれもチタンからなる構成要素から構築される。このバイポーラプレート１９の片側は、平坦な金属プレート２０によって形成され、その他方の側は第１の金属フレーム部材２３に当接し、第１の金属フレーム部材２３は、中央穴部２４と、更にまた、第１のプレート２０におけるチャネルと重なってチャネル６、７、８を形成する穴部と、またガイドバー用の穴部及び窒素チャネル用の穴部とを有する。中央穴部２４は、第１の金属フレーム部材２３の穴部２４において、第１のチャネル６と第２のチャネル７との間に延在する複数のチャネルが形成されるように配置される波形シート２５を統合するために設けられる。しかしながら、これらのチャネルは、第１のチャネル６及び第２のチャネル７に直接開口せず、第１の金属フレーム部材２３において、中央穴部２４とスタックを貫通する第１のチャネル６及び第２のチャネル７用の穴部との間に凹部（圧痕）によって形成される複数の中間チャネル２６、２７に開口する。

【0035】

更に、この第１のフレーム部材２３は、横断方向において、中央穴部２４の幅狭（短手）の側から第３のチャネル８を画定する穴部まで実質的に延在する複数のチャネル形成凹部（圧痕）２８を有する。これらの凹部（穴部）を介して、平坦なプレート２０における穴部２９を通る水素は、水素を排出するための第３のチャネル８内に導かれる。中間チャネル２６及び２７、並びにまたチャネル形成凹部２８によって形成されるチャネルは、第１の金属フレーム部材２３における凹部（圧痕）によって又はコーム状（櫛状）に配置された穴部によって形成することができ、これらは、一方では必要なライン接続を形成し、他方ではチャネル６、７への対応する重なり（オーバーラップ）によって達成され得る物質接続を維持したままとなるように配置しなければならない。

【0036】

この第１のフレーム部材２３は、第２の金属フレーム部材３０に隣接し、第２の金属フレーム部材３０は、同様に、重なるチャネル穴部及びガイドバー用の穴部と、更にまた、チタン繊維から形成される多孔質輸送層３２（ＰＴＬ：Porous Transport Layer）が統合される中央穴部３１とを有する。この層３２は、繊維強化原料から形成される。この透過性輸送層３２と穴部３１の縁部とは、同じくチタンから形成される微多孔質輸送層３３（微多孔質層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer））によって覆われる。後にバイポーラプレート１９を形成するこれらの構成要素２０、２３、２５、３０、３２、３３は、互いに重なった状態で焼結され、それにより、チタンからなる一体コンポーネント１９が形成される。コンポーネント１９の一方の側、すなわち酸素側は、ＰＥＭ１６に当接し、他方の側は、シールフレーム１７を介して後続のＰＥＭ１６に当接する。ＰＥＭ１６を保護するために、バイポーラプレート１９は、ＰＥＭ１６に直接当接せず、保護フィルム３４によって分離される。保護フィルム３４は、同様に、中央穴部３５と、対応するチャネル形成穴部と、ガイドバー用の穴部とを有し、従って、電解セルの作用領域（活動領域）の外側でのみ有効である。

【0037】

このシールフレーム１７は、セルの作用部分（活動部分）である位置に、すなわち、金属フレーム部材２３に設けられる中央穴部２４と重なる位置に、支持プレート３６を有し、この支持プレートは、膜１６から水素を排出するために、フレーム自体の材料によって形成され、閉鎖されるか又は穿孔されて形成することができる。この支持プレート３６は、ＰＥＭ１６に直接当接せず、炭素繊維から形成されるガス拡散層３８（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が介在した状態で当接する。この支持プレートは、第３のチャネル８用の穴部の付近に、バイポーラプレートコンポーネントの平坦なプレート２０における穴部２９と重なる長手方向スロット３７を有し、この長手方向スロット３７を介して水素排出が行われる。

【0038】

図４及び図５を用いて例示される実施形態において、波形シート２５は、断面がいくらか正弦波状に形成され、断面において波高に比べて顕著な波間隔を有する。ただし、図６に係る断面図が示すように、波間隔が波高に比べてそれほど顕著でない全く異なる構成としてもよい。この正弦波形状は、矩形波へと逸脱し、その場合、特に良好に流れることができる断面をもたらすことができる。

【0039】

波形シート２５と同様の波形シート４４（図６、図６．１）又はエキスパンドメタル４３（図４、図５）も、シールフレーム１７に統合することができ、これらは、チャネル形成に加えて、電解セル２の作用部分（活動部分）内に力を均一に分配するために、特にばね作用も有するべきである。

【0040】

水素側では、酸素側よりも腐食要件が低く、そのため、金属シールシート１７及び場合によってはこの側に位置するエキスパンドメタル４３又は波形シート４４も、必ずしもチタンから製造されず、代替的に、腐食保護コーティングを有する高級鋼から製造される場合もある。

【0041】

バイポーラプレートを形成する焼結コンポーネント１９におけるチャネル形成要素に関しては、波形シートの代わりに、対応するチャネルのスタンピング加工によって、第２のフレーム部材３０におけるＰＴＬ３２及び第１のフレーム部材２３における波形シート２５に代わる多孔質輸送層３９に形成することもできる。このＰＴＬ３９は、平坦な金属プレート２０に向かって開放した複数のチャネル４０を有し、チャネル４０は、ＰＴＬ３９の一端から他端へと延在し、互いに隣り合って平行に配置される。焼結コンポーネント１９におけるこれらのチャネルは、焼結後に端部においてのみ依然として開放しているが、その後、平坦な金属プレート２０又はそれによって形成される焼結材料によってこの片側が閉鎖される。

【0042】

図８は、図７におけるＰＴＬ３９の場合と同様に、複数のチャネル４１がＰＴＬ４２を貫通する設計変形例を示しているが、ここでは、チャネル４１は、ＰＴＬ４２内に完全に位置し、端部においてのみ開放（開口）している。

【0043】

図７及び図８を用いて例示される設計変形例において、第１のフレーム部材２３における中央穴部２４は、スタックを貫通する第１のチャネル６の穴部と第２のチャネル７の穴部との間に連続的に設けられる。ここで、穴部２４内に統合され、第１のチャネル６と第２のチャネル７との間のチャネル輸送のために使用されるチャネル形成要素として、波形シート２５は設けられず、チャネル４０、４１が貫通する多孔質輸送層３９又は４２の形態のチャネル形成要素が設けられる。チャネルは、片側において、すなわち、平坦なプレート２０に向かって開放し、平坦なプレート２０によって閉鎖される。その結果、比較的大きなチャネル断面を形成することができ、更に、これらのチャネル４０、４１は、多孔質輸送層３９、４２に統合されているため、輸送チャネルに向かって常に透過性があり、すなわち、チャネル４０、４１は、第１の設計変形例のチャネル形成波形シート２５の場合と同様に、或る特定のガイド特性を有するが、流体密チャネル壁を有しない。

【符号の説明】

【0044】

０ 電解スタック
１ セルスタック
２ 電解セル
３ 絶縁プレート
４ 電気接続部
５ 電気接続部
６ 水供給用の第１のチャネル
７ 水排出用及び酸素排出用の第２のチャネル
８ 水素排出用の第３のチャネル
９ 下側エンドプレート
１０ 上側エンドプレート
１１ ボルト
１２ 皿ばねスタック
１３ 水供給用のチャネル接続部
１４ 水排出用及び酸素排出用のチャネル接続部
１５ 水素排出用のチャネル接続部
１６ プロトン交換膜（ＰＥＭ）、膜電極接合体（ＭＥＡ）とも呼ばれる
１７ シールフレーム
１８ 吹付け成形シール
１９ バイポーラプレート、焼結コンポーネント
２０ 平坦な金属プレート
２１ 位置合わせピン用の穴部
２２ 窒素フラッシング用の穴部
２３ 第１の金属フレーム部材
２４ ２３における中央穴部
２５ 波形シート
２６ 水用の中間チャネル
２７ 水及び酸素用の中間チャネル
２８ チャネル形成凹部
２９ ２０における水素用の穴部
３０ 第２の金属フレーム部材
３１ ３０における中央穴部
３２ 多孔質輸送層（ＰＴＬ）
３３ 微多孔質輸送層、微多孔質層（ＭＰＬ）とも呼ばれる
３４ 保護フィルム
３５ 保護フィルムにおける中央穴部
３６ シールフレームにおける支持プレート
３７ スロット
３８ ガス拡散層（ＧＤＬ）
３９ 図７におけるＰＴＬ
４０ 図７におけるチャネル
４１ 図８におけるチャネル
４２ 図８におけるＰＴＬ
４３ 水素側のエキスパンドメタル
４４ 水素側の波形シート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図6.1】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】