JP2000517466A - ２つの部材を熱的、電気的および機械的に結合するための中間部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は２つの部材、特に２つの燃料電池を熱的、電気的および機械的に結合するための波形中間部材に関する。中間部材は波形にされており、各々の波形はそれぞれ波形山部／波形谷部に沿って何度も中断され、上方と下方に交互に打ち出されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ２つの部材を熱的、電気的および機械的に 結合するための中間部材 本発明は、２つの部材、特に２つの燃料電池を熱的、電気的および機械的に結 合するための中間部材に関する。 燃料電池を電気的、熱的および機械的に結合するために、たとえば双極プレー ト(Bipolarplatte)が公知である。この場合、双極プレートは連続して、すなわ ち穴や貫通部なしに形成されているので、公知技術に従って、双極プレートの能 動面(aktive Flaeche)に沿って流れる反応媒体は、このプレートの下方または上 方に存在できる。双極プレートを有していない他のすべての従来公知の中間部材 も、媒体と接触するためにそれぞれ１つの表面のみを利用する。 さらに双極プレートを連続して形成することは、冷却媒体または反応媒体が１ つの流れで能動面沿いに案内されて、流れの中心から流れの外側範囲への媒体の 交換が行われないという欠点を有している。流れの外側で媒体が消費されると、 この媒体は流れの中心から未消費の反応媒体によって補われることができず、流 れの外側にある新しい媒体によって補われなければならないので、簡単に言えば 、できるだけ小さい媒体流 直径で媒体の高い貫流速度が求められる。この場合の欠点は、媒体流の直径が小 さい場合でも、流れの中心にある媒体の部分は設備によって利用されないまま流 れることである。 最後に、公知の双極プレートまたは中間部材は、圧力伝達が均一に行われず、 双極プレートの最も高い隆起部で最大荷重を有するという欠点を有している。 したがって公知の双極プレートおよび／または中間部材には、能動面において 媒体流の内部で媒体流の中心から流れの外側への媒体の交換を引き起こす可能性 や、両側に存在している（そしてたとえば冷却システムで作用する）表面を媒体 との接触に利用する可能性が欠如しているだけでなく、機械的圧力を全面にわた ってできるだけ均一に伝達する可能性も欠如している。 それゆえ公知の双極プレートと同様に電気的、機械的および熱的に結合する中 間部材として燃料電池パイルに使用でき、同時に上記の欠点を減らした、または 完全に取り除いた双極プレートに対する需要がある。 それゆえ本発明の課題は、能動面上で媒体流において媒体流の中心から外側範 囲への媒体の交換が可能であるように形成された中間部材または双極プレートを 提供することである。さらに本発明の課題は、機械的圧力を均一に伝達する中間 部材を提供することである。最後に、本発明の課題は、能動的に利用される中間 部材の表面を最適化することである。 本発明の一般的知見は、双極プレートの中間部材の能動面に沿って鋭いエッジ を形成することによって、媒体は能動面に沿って流れる際に渦旋回させられ、こ の渦旋回が媒体流の中心から外側範囲への媒体の交換を引き起こすということで ある。さらに、本発明の一般的知見は、双極プレートの能動面が穴および貫通部 を形成することによって等しい材料コストで数倍にされ得ることである。最後に 、本発明の枠内で中間部材上の多数の隆起部およびへこみ部が均一な圧力伝達を 招くことが認識された。 本発明の対象は、各々の波形がその波形山部／波形谷部に沿って何度も中断さ れ、交互に上方および下方に打ち出し成形若しくはスタンピングされている、２ つの部材を熱的、機械的および電気的に結合するための波形中間部材である。そ の他の有利な構成が、請求項２以下および詳細な説明と図面、ならびに図面の説 明から明らかである。 中間部材が、良好な熱伝導性および導電性を有し、さらに機械的圧力を伝達す るための適当な弾性を有している金属から成ることが好ましい。 好ましい実施形態において、中間部材は金属、たとえばばね青銅(Federbronze )、あるいはその他の銅合金もしくはアルミニウム合金から成る。「スタック」 、すなわち燃料電池パイル、たとえば電池を形成する 際の接触抵抗を少なくするために、本発明による中間部材は組付けの前に表面処 理、たとえば金メッキを施すことができる。このような表面処理は双極プレート の通常導電性および熱伝導性を改善するために実施される。 中間部材の厚さは最大０．５ｍｍであってよく、好ましくは０．０１〜０．４ ｍｍであり、特に好ましくは中間部材は約０．０５ｍｍの厚さである。 ここで「波形中間部材」または「波形双極プレート」と呼ばれるのは、熱的、 機械的および電気的な伝導性のある平坦なプレート、シート、ディスク、あるい は波形板と同様に波形構造を有しているその他の比較的偏平に形成された物体で ある。この場合、波形山部の高さもしくは波形山部と波形谷部との間の高さの差 は任意であり、中間部材、特に燃料電池パイルに使用される中間部材の通常の寸 法に相応している。 また「波形山部または波形谷部に沿った波形の個々の中断」と呼ばれるのは、 下方と上方に交互に曲げられてループのように曲げ出された個々の積層体の形成 を可能にする貫通部である。この場合、「ループ」という言葉は、上方が丸くさ れた、あるいは上方が鋭い、もしくは非常に鋭い「曲げ出し」を意味する（図で は２、２ａおよび２ｂで示されている）。 上記の貫通部のこの単純な構造的な方策により、媒体が中間部材の上方か下方 のいずれかを流れるだけで はなく、媒体を同時に中間部材の上および下に沿って案内することが可能である 。そうすることによって中間部材の表面は著しく、最大１０倍以上に高められて いる。表面の拡大によって「能動面」、すなわちたとえば双極プレートと冷媒と の熱的接触のために利用できる接触面も拡大される。このことは、当該システム の作用効率を高める働きをする。 積層体を交互に上方および下方に打ち出し成形若しくはスタンピングすること によって、波形に沿ってエッジが形成されるので、これに沿って流れる媒体流は 渦旋回させられる。ここで「媒体流」と呼ばれるのは、中間部材または双極プレ ートの当該能動面に沿って流れ、その際にシステムによって沈静化、消費または 加熱される、その都度対象となる反応媒体（たとえば冷媒）の流れである。 中間部材の能動面の拡大も、冷媒流または反応媒体流における渦旋回の形成も 、効率、すなわちシステムにおける媒体の効率的利用を改善する。 本発明によって中間部材を形成する別の利点は、圧力伝達に関するものであり 、積層体が上方と下方に交互に打ち出されていることによって、圧力がある部分 から次の部分へ、たとえばある燃料電池から別の燃料電池へ均一に伝達される。 ここで冷媒と呼ばれるのは、空気、不活性ガス、水、その他の気体や液体など 、あらゆる種類の冷媒であ る。しかし、本発明により好ましくは空気またはその他の気相冷媒が冷媒として 用いられる。 本発明は、あらゆる種類の燃料電池を対象としているが、有利にはＰＥＭ燃料 電池（Plymer Elektrolyt Membran fuel cell）を対象としている。特に本発明 では、空気冷却によって運転されるＰＥＭ燃料電池からなる燃料電池パイルまた は「スタック」（空冷ＰＥＭ電池）の作製が考慮された。 以下に、本発明を略図に基づき詳しく説明する。 唯一の図は、波形板状の構造を有する中間部材１を示している。この場合、個 々の波形はその波形山部に沿って何回も中断されており、そうすることによって 形成される積層体２が、あるときはたとえば２ａに示されているように上方に向 き、あるときはたとえば２ｂに示されているようにように下方に向いている。冷 媒または反応媒体の媒体流は中間部材の能動面上を、矢印３で示されている方向 に沿って流れ、個々の波形の間でハッチングされている中間部材の連続した表面 に沿って流れることも、波形の個々の積層体によって形成された（閉じられてい ない）通路を貫流することもできる。この場合、媒体にとって、在来型の双極の 中断されていない構造よりもはるかに多くの中間部材１の表面が提供されること は明らかである。なぜならば、中間部材のハッチングされた表面だけでなく、双 極または中間部材のハッチングされていない本来の下 側も広範囲にわたって接触されるからである。 同様に、各々の積層体が、媒体の流動方向に対して横断方向に位置している２ つのエッジを形成していることが明瞭に見える。これらのエッジでは媒体流の渦 旋回が行われ、その結果として媒体が流れの中心から媒体流の外側範囲に達し、 それによって媒体流の内部で消費された媒体と未消費の媒体とが絶えず交換され る。そうすることによって、媒体の需要を著しく減らすことが可能である。 さらに本発明による中断された波形構造を有する中間部材は、（集合器の相応 の波形によって中間部材がセルパイルの圧縮によって固定されると）機械的圧力 を伝達するのに特によく適している。なぜならば個々の積層体によって、均一な 圧力伝達が可能だからである。この場合、中間部材は個々の燃料電池の隣接する 集合器に特別に固定される必要はない。 本発明による中間部材は、燃料電池パイルの個々の燃料電池の間で機械的圧力 および電流を問題なく伝達するのに適しており、さらに燃料電池の集合器から貫 流する冷媒、たとえば冷却空気への損熱の誘導を最適に保証するのにも適してい る。この場合、本発明により中間部材の接触表面は電極面積より１０倍以上大き く、さらに中間部材の能動面上に存在する反応媒体の利用が最適化される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年８月２５日（１９９８．８．２５） 【補正内容】 請求の範囲 1. ２つの燃料電池を結合するための波形中間部材において、 各々の波形がその波形山部／波形谷部に沿って何度も中断され、交互に上方 および下方に打ち出し成形されていることを特徴とする波形中間部材。 2. 空気冷却された２つの燃料電池を結合するために用いられる、請求項１記載 の波形中間部材。 3. ばね青銅および／または銅合金および／またはアルミニウム合金から成る、 請求項１または２記載の波形中間部材。 4. 請求項１から４までのいずれか１項記載の中間部材を燃料電池パイルにおけ る冷却板および接触板として使用することを特徴とする、波形中間部材の使用法 。 5. 請求項４記載の中間部材を空気冷却された燃料電池のパイルに使用すること を特徴とする、波形中間部材の使用法。 6. 請求項１から３までのいずれか１項記載の中間部材をパイルの個々の燃料電 池を互いに支持するために使用することを特徴とする、波形中間部材の使用法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リットマー フォン ヘルモルト ドイツ連邦共和国 Ｄ―91052 エアラン ゲン ドーナウシュトラーセ 14

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. ２つの部材を熱的、機械的および電気的に結合するための波形中間部材にお いて、 各々の波形がその波形山部／波形谷部に沿って多重に中断され、上方と下方 に交互に打ち出し成形されていることを特徴とする、２つの部材を熱的、機械的 および電気的に結合するための波形中間部材。 2. 金属から成る、請求項１記載の波形中間部材。 3. 導電性および／または熱伝導性を改善するために表面が処理されている、請 求項１または２記載の波形中間部材。 4. 表面が金などの貴金属で被覆されている、請求項１から３までのいずれか１ 項記載の波形中間部材。 5. 請求項１から４までのいずれか１項記載の波形中間部材を燃料電池パイルに おける冷却板および接触板として使用することを特徴とする、波形中間部材の使 用法。 6. 請求項１から４までのいずれか１項記載の波形中間部材をパイルの個々の燃 料電池を互いに支持するための燃料電池パイルに使用することを特徴とする、波 形中間部材の使用法。