JP2001052724A - 平面状セルの積層体を有する燃料セル電池 - Google Patents

平面状セルの積層体を有する燃料セル電池

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Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料セル電池の製造におけるコストの低減を図
る。 【解決手段】電気化学的活性プレート（３）としてのＰ
ＥＮ及びインターコネクタ（４）が交互に配された、平
面状セル（３，４）の積層体（２）を有する燃料セル電
池（１）では、２種類の流体（１１，１２）が常にＰＥ
Ｎに接触して流れるように構成されたプロファイリング
を有するインターコネクタ（４）が１層に形成され、第
２の流体（１２）の流れの方向を反転させるための方向
転換領域（２４）が設けられ、動作時にＰＥＮにおいて
望ましくない熱応力の値を上回ることがないようにセル
の寸法が取られている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、平面状セルの積層
体を有する燃料セル電池及びその使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】中心に対して対称である燃料セル電池は
欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０４７３５４０号から知
られる。この燃料セル電池のインターコネクタは特殊な
温度平衡化体として構成されている。こうした平衡化体
は熱交換体であり、これにより、供給された空気が、燃
料セルの電気化学的活性要素であるＰＥＮ（ＰＥＮ：陽
極（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ），固体電
解質（ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ），陰極
（Ｎｅｇａｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ））に接触す
る前に反応熱が空気に伝達される。この熱交換体はプレ
ート状の中空体であり、その内部空間において空気への
熱伝達が行われる。インターコネクタの２つの外側面に
はプロファイリングがなされていて、これによりＰＥＮ
の電極への電気的接触が生じる一方でインターコネクタ
と反応成分（空気、燃料ガス）の電極との間の間隙状の
電極空間が形成される。
【０００３】電池が動作する際、ＰＥＮにおいて径方向
に温度勾配が生じる。この勾配は比較的小さく、熱応力
によってＰＥＮの感受性固体電解質に特に亀裂などの損
傷が与えられることはない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが熱交換体とし
て構成されたインターコネクタは高価であり、燃料セル
電池の製造コストに占める比重が非常に大きい。コスト
の低減を目的としたインターコネクタの製造のための提
案が既にいくつかなされている。例として欧州特許公開
公報第ＥＰ−Ａ−０９３６６８８号では、熱交換体とし
て構成されたインターコネクタについて述べられてい
る。その製造においては１乃至２の焼結体を用いるが、
この焼結体は、粉体混合物を完成部品の形状に押し固
め、その後に焼結することにより予備形成されている。
【０００５】上記の課題点を鑑み、本発明の目的は、更
なる製造コストの低減を可能とする燃料セル電池を提供
することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題は請求項１に
記載の発明によってその解決を図ることが可能である。
【０００７】すなわち、請求項１に記載される、本発明
に基づく平面状セルの積層体を有する燃料セル電池は以
下の特徴を有する。 ａ）電気化学的活性プレートとしてのＰＥＮ及びインタ
ーコネクタが交互に配される。
【０００８】ｂ）ＰＥＮ及びインターコネクタはそれぞ
れ第１の辺縁と第２の辺縁とを備え、第１の辺縁と第２
の辺縁との間にはほぼ一定の幅を有する直線状または湾
曲した領域が延びる。
【０００９】ｃ）この領域は小区画に分割され、小区画
を通じて前記２つの辺縁が連結される。 ｄ）インターコネクタがプロファイリングを有すること
により２種類の流体がセルを通じて別々に流れることが
可能である。
【００１０】ｅ）各小区画には、第１の辺縁において第
１の流体のための流入点、第２の辺縁において第２の流
体のための流入点、及び両方の流体のための流出点が設
けられる。
【００１１】ｆ）流出点は全体の共通の通路内に開口す
る。 ｇ）動作時にＰＥＮにおいて開放される反応熱のための
熱担体媒体として第２の流体が供給される。
【００１２】（ｈ）本発明に基づき、インターコネクタ
は１層に形成され、そのプロファイリングは両方の流体
が常にＰＥＮに接触して流れるようにそれぞれ構成され
る。 （ｉ）第１の辺縁には第２の流体の流れの方向を反転さ
せるための方向転換領域が設けられる。
【００１３】（ｊ）更に、動作時にＰＥＮにおいて望ま
しくない熱応力の値を上回ることがないようにセルの寸
法が取られる。 本発明は以下の考察に関連する認識に基づくものであ
る。その結果が欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０４７３
５４０号に示されるモデル計算によって、ＰＥＮにおい
て開放された反応熱は、主として熱放射によってインタ
ーコネクタに伝達されることが示された。空気で満たさ
れた電極空間を通じた熱伝導による熱の輸送は事実上無
視することが可能である。インターコネクタの壁は各点
において、ＰＥＮ上の対応する点の温度と数ケルビンし
か違わない温度を有する。すなわちこの温度は空間内で
加熱されるべき空気の温度に大きくは依存していない。
この理由は壁と空気との間の熱流量が比較的小さいため
である。
【００１４】こうした条件がインターコネクタにおける
熱輸送において存在することはモデル計算の開示された
結果では明らかではない。こうした条件に気付くことが
できるならば、欧州特許公開公報第ＥＰ−Ａ−０４７３
５４０号に述べられる方法によって中空体として構成さ
れたインターコネクタが反応熱を取り除くうえで実際に
必要であるかとの疑問を抱くことが可能である。これを
異なる方法によって行い得るという答えは本発明に基づ
く解決策によって与えられる。空気（第２の流体）を流
入点において既にＰＥＮに接触させることにより、イン
ターコネクタを２層中空体（２つの壁、１つの空間を有
する）としてではなく、より経済的な１層に構成するこ
とが可能である。加熱を要する空気によりＰＥＮ内に更
なる温度勾配が生じる。接線方向（方位角方向）に沿っ
たこうした勾配は、公知のセルにおいて生じる径方向の
温度勾配と同程度の大きさを有する。したがって、１層
インターコネクタの使用において熱応力が実質的に大き
な値になることはないものと予想される。この温度勾配
の更なる要素を比較的低く保つことが可能な手段を設け
ることも可能である。
【００１５】上述の従来技術は中心に対して対称な燃料
セル電池に関連するものであるが、本発明に基づく解決
策は、例として、一側面において燃料ガス（第１の流
体）が、反対側の側面において空気（第２の流体）が供
給される長方形のセルを備える電池に適用することも可
能である。更に、第１の流体として、燃焼可能な成分を
有する任意のガス組成が使用され、第２の気体が酸素を
含有するガスである場合、仮定上、これらのガスによ
り、電流を供給する発熱反応をＰＥＮにおいて行うこと
が可能である。
【００１６】本発明に基づく燃料セル電池のインターコ
ネクタは１層に構成されることにより以下の更なる利点
を与える。すなわち、ａ）電池の質量が公知の電池の質
量よりも小さく、ｂ）構造的なサイズも小さくなってい
る点である。したがって本発明に基づく電池は、例とし
て、自動車や使用される場所に迅速に運搬することが可
能な緊急電力アグレゲートにおいて電流を供給する要素
として、移動用途において容易に使用することが可能で
ある。
【００１７】従属請求項２乃至９は本発明の有利な実施
形態に関するものであり、請求項１０の主題は移動用途
における使用である。すなわち、請求項２に記載の燃料
セル電池は、個々のインターコネクタが予備形成かつ焼
結した要素であるかまたはこれから製造されることを特
徴とする。
【００１８】請求項３に記載の燃料セル電池は、インタ
ーコネクタのプロファイリングがＰＥＮへの電気的接点
を与えるノブ状の隆起を有することを特徴とする。請求
項４に記載の燃料セル電池は、流体を流すためのインタ
ーコネクタのプロファイリングが特に第２の流体側にお
いて櫛状の隆起を有することと、これらの隆起がＰＥＮ
への電気的接点を与えることとを特徴とする。
【００１９】請求項５に記載の燃料セル電池は、櫛状隆
起の少なくとも一部がラセン形状を有するか、あるい
は、直線にて形成されるとともに径方向に向けられるこ
とを特徴とする。
【００２０】請求項６に記載の燃料セル電池は、各小区
画に方向転換領域に向かう通路が設けられ、該通路の断
面はＰＥＮに直交する方向に沿って、残りのプロファイ
リングの対応する深さと比較してより大きな深さを有す
ることを特徴とする。
【００２１】請求項７に記載の燃料セル電池は、電池の
動作時において、ＰＥＮ反応において生じる廃熱の少な
くとも１／３が放射によりセル積層体から放出されるよ
うにセルが寸法取りされることを特徴とする。
【００２２】請求項８に記載の燃料セル電池は、少なく
ともほぼ中心に対して対称となるようにセルが構成さ
れ、軸方向に延びる中央通路を介して第１の流体を供給
することが可能であり、好ましくはこの通路に第１の流
体を処理するためのリフォーマが配され、共通の通路は
流出点においてアウターバーナー室として設けられ、セ
ル積層体の周囲の積層体が透過性を有するように構成さ
れることにより、放射された反応熱が第２の流体がセル
内に流入する際に吸収されることを特徴とする。
【００２３】請求項９に記載の燃料セル電池は、小区画
のサイズが等しく、その数は４〜１０個であることを特
徴とする。請求項１０に記載の発明は、例として自動車
または緊急電力アグレゲートにおける電流供給要素とし
て、本発明に基づく燃料セル電池を移動用途において使
用することを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１〜図８
に基づき以下に詳細に説明する。図１に概略的に示され
る燃料セル電池１は、それぞれＰＥＮ３及びインターコ
ネクタ４からなる平面状セルの積層体２を備える（平面
図にて示されている）。ＰＥＮ３及びインターコネクタ
４は交互に配されている。ＰＥＮ３及びインターコネク
タ４は、それぞれ第１の辺縁２１及び第２の辺縁２２を
有する。辺縁２１と辺縁２２との間には領域２０が延び
る。領域２０はこの図では直線状のものが示されている
が、湾曲した構成も可能である。領域２０はほぼ一定の
幅を有し、２つの辺縁２１と２２とをつなぐ側線２３ａ
及び２３ｂを有する小区画２３に分割される。インター
コネクタ４は図２に示されるようなプロファイリングを
有し、これにより２種類の流体１１及び１２がセルを通
じて別々に流れる。各小区画には、第１の辺縁において
第１の流体１１の流入点２１１が、第２の辺縁において
第２の流体の流入点２１２が、更には両方の流体のため
の流出点２１３が設けられている。流出点２１３は、積
層体２に沿って延びる、第１の流体中に依然存在して依
然反応可能な成分を燃焼させるための、アフターバーナ
ー室として用いられる共通の通路５内に開口する。第２
の流体１２はＰＥＮ３上で解放される反応熱のための熱
担体媒体として与えられる。
【００２５】本発明に基づけば、インターコネクタ４は
１層に構成される。インターコネクタ４のプロファイリ
ングのそれぞれは、流体１１及び１２がいずれも常にＰ
ＥＮ３に接触して流れるように構成される。第１の辺縁
２１１には方向転換領域２４が設けられ、これにより第
２の流体１２の流れの方向が反転される。電池１は動作
時にＰＥＮ３において熱応力が望ましくない値を上回る
ことのないような寸法に構成されている。この寸法の取
り方はインターコネクタ４の厚さ、そのプロファイリン
グ、及びその幅（＝領域３０の幅）に関連する。空気因
子（化学量論的な空気過剰量を特定する因子）もこの寸
法取り、及び、積層体２によって放射６として周辺に放
出される熱量において一定の役割を果たす。
【００２６】周辺には、セル積層体２、またはその周囲
においてスリーブ１０が配される。セル積層体２が透過
性を有することにより、放射熱６を第２の流体１２のセ
ル積層体２への流入時に流体によって吸収することが可
能である。ＰＥＮ反応において発生する熱のかなりの割
合（少なくとも約１／３）が放射６によってセル積層体
２から運び出される点は有利である。すなわち、第２の
流体１２はセル積層体２内に比較的高温の状態で流入す
ることが可能であるため、流体１２との直接的接触によ
りＰＥＮ３において生じる更なる熱応力は比較的小さ
い。第１の辺縁２１側にリフォーマを配することによ
り、吸熱反応によって燃料がＰＥＮ反応に好適な形態に
変換されるため有利である。したがって放射６をこの吸
熱反応の熱源として用いることが可能である。１層イン
ターコネクタ４は有利に予備形成かつ焼結した構成部品
であるか、またはこうした材料にて形成される。製造に
用いられる材料はクロミウムを含有するため、焼結した
部品にも適当な保護層を設けなければならない。
【００２７】図２に示されるインターコネクタ４は隔壁
４０上にレリーフ状構造を形成するプロファイリングを
有する。これらのプロファイリングはノブ状の隆起４１
及び櫛状の隆起４２を有する。これらの隆起４１及び４
２はＰＥＮ３への電気的接点を与える一方、櫛状隆起４
２は、流体１１及び１２を、特に、辺縁２２からの流れ
１２ａとして流れる第２の流体１２側において（図
１）、方向転換領域２４（矢印１２’’）に流し、流れ
１２ｂとして逆方向に向ける機能を有する。
【００２８】燃料セル電池１は中心に対して対称となる
ように有利に構成される。図３では、小区画２３に対応
する領域２０の部分が示されている。この構成では辺縁
２１は中央通路の表面上に位置し、これを介して第１の
流体１１をセル積層体２内に供給することが可能であ
る。長尺かつ円筒状のリフォーマはこの通路内に有利に
配される。
【００２９】図４は空気側から見たプロファイリングを
有するインターコネクタ４を示したものである。第２の
流体１２の空気の流れが矢印にて示されている。櫛状隆
起４２は螺旋形状を有する（図１〜４に基づく小区画
は、図には示されていないが、対応する螺旋形状を有す
る。小区画は６個ある。）。第２の流体１２（矢印１
２’）は流入点２１２から櫛状隆起４２によって形成さ
れる通路４３を通じて方向転換領域２４（矢印１２ａ）
へと流れる。方向転換領域２４において第２の流体の流
れの方向は逆転し（矢印１２”）、流体１２は逆方向に
向かって辺縁２２へと流れる（矢印１２ｂ）。流体１２
が逆方向に流れる通路４３の間の領域では、プロファイ
リングは×印４１’を有する範囲として部分概略的に示
されるノブ状隆起４１からなる。流出点２１３において
流体１２は通路状のアフターバーナー室５に流入する。
【００３０】通路４３は螺旋形状の代りに直線により構
成してもよく、インターコネクタ４の中心へと径方向に
向けられる。インターコネクタ４のプロファイリングは
６個の小区画２３の代りにこれよりも少ないかあるいは
多い、有利には４乃至１０個の小区画２３を有すること
も可能である。
【００３１】図５は、図４の１層インターコネクタ４の
裏面を示したものである。この面では、第１の流体１１
は中央通路（辺縁２１１内）から、ノブ状隆起４１’の
間を通り、櫛状隆起４２によって外側の辺縁２１２の流
出点２１３へと流れる。
【００３２】図６は、図４及び５のインターコネクタ４
を図４のＶＩ−ＶＩ線に沿って切った断面図である。セ
ル３，４における熱輸送を図の平面内の矢印にて示して
ある。通路４３の断面はＰＥＮ３に直交する方向に残り
のプロファイリングの深さと比較してより大きな深さを
有する。通路の断面積が比較的大きいことにより、ＰＥ
Ｎ４の越流領域３４３からの熱抽出が最小である流体１
２（矢印１２ａ）の流れが生ずる。この領域３４３の中
央では電流を発生する反応は事実上起きない。熱はイン
ターコネクタ４から領域３４３に流体１１側の櫛状隆起
４２を介して供給される。
【００３３】インターコネクタ４の空気側の側面は、第
２の流体１２（矢印１２’，１２ａ）が供給される際に
ノブ状隆起４１を有するプロファイリングを通じて流れ
るように構成することが可能である（図６）。電流発生
反応はこの供給領域においても同様に生じる。
【００３４】図８に基づくインターコネクタ４を備えた
更なる例示的実施形態では、図６及び７に基づく２つの
実施形態から与えられる供給通路４３の特徴が組み合わ
されている。通路４３のノブ状隆起４１のため、電流を
供給するＰＥＮ反応が、幾分低い程度ではあるもののこ
こでもやはり同様に生じる。
【００３５】
【発明の効果】本発明により、燃料セル電池の製造にお
いて更なるコストの低減を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく燃料セル電池を示す概略図。
【図２】特定のセル及び隣接する第２のＰＥＮの断面
図。
【図３】燃料セル電池の通常の基本的形態の特定領域を
示す平面図。
【図４】空気側から見たプロファイリングを有するイン
ターコネクタを示す概略図。
【図５】図４のインターコネクタの裏面を示す概略図。
【図６】セル積層体の一部の断面図。
【図７】図４のインターコネクタの一変形例を示す概略
図。
【図８】更なる別のインターコネクタの断面図。
【符号の説明】
１…燃料セル電池、２…積層体、３…ＰＥＮ、４…イン
ターコネクタ、５…共通通路、１１…第１の流体（燃料
ガス）、１２…第２の流体（空気）、２４…方向転換領
域、４１…プロファイリング（ノブ状隆起）、４２…プ
ロファイリング（櫛状隆起）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エマド バタヴィ スイス国 ＣＨ−8400 ヴィンターツール シュタインベルクガッセ 20 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 CC04 CC08 CV01 CV10 HH00 HH03 HH05

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 平面状セル（３，４）の積層体（２）を
    有する燃料セル電池（１）であって、 ａ）電気化学的活性プレート（３）としてのＰＥＮ及び
    インターコネクタ（４）が交互に配され、 ｂ）前記ＰＥＮ及びインターコネクタはそれぞれ第１の
    辺縁（２１）と第２の辺縁（２２）とを備え、第１の辺
    縁（２１）と第２の辺縁（２２）との間にはほぼ一定の
    幅を有する直線状または湾曲した領域（２０）が延び、 ｃ）この領域は小区画（２３）に分割され、該小区画
    （２３）を通じて前記２つの辺縁（２１，２２）が連結
    され、 ｄ）インターコネクタがプロファイリング（４１，４
    ２）を有することにより２種類の流体（１１，１２）が
    セルを通じて別々に流れることが可能であり、 ｅ）各小区画には、第１の辺縁（２１）において第１の
    流体（１１）のための流入点（２１１）、第２の辺縁
    （２２）において第２の流体のための流入点（２１
    ２）、及び両方の流体（１１，１２）のための流出点
    （２１３）が設けられ、 ｆ）前記流出点（２１３）はセル積層体（２）全体の共
    通の通路（５）内に開口し、 ｇ）動作時にＰＥＮにおいて開放される反応熱のための
    熱担体媒体として前記第２の流体（１２）が供給される
    燃料セル電池（１）において、 インターコネクタ（４）は１層に形成され、そのプロフ
    ァイリングは両方の流体が常にＰＥＮに接触して流れる
    ようにそれぞれ構成されることと、第１の辺縁（２１）
    には第２の流体（１２）の流れの方向を反転させるため
    の方向転換領域（２４）が設けられることと、動作時に
    ＰＥＮにおいて望ましくない熱応力の値を上回ることが
    ないようにセルの寸法が取られていることとを特徴とす
    る燃料セル電池。
  2. 【請求項２】 個々のインターコネクタ（４）は予備形
    成かつ焼結した要素であるかまたはこれから製造される
    ことを特徴とする請求項１に記載の燃料セル電池。
  3. 【請求項３】 インターコネクタ（４）のプロファイリ
    ングはＰＥＮ（３）への電気的接点を与えるノブ状の隆
    起（４１）を有することを特徴とする請求項１または２
    に記載の燃料セル電池。
  4. 【請求項４】 流体（１１，１２）を流すためのインタ
    ーコネクタ（４）のプロファイリングは特に第２の流体
    （１２）側において櫛状の隆起（４２）を有すること
    と、これらの隆起はＰＥＮ（３）への電気的接点を与え
    ることとを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に
    記載の燃料セル電池。
  5. 【請求項５】 前記櫛状隆起（４２）の少なくとも一部
    はラセン形状を有するか、あるいは、直線にて形成され
    るとともに径方向に向けられることを特徴とする請求項
    ４に記載の燃料セル電池。
  6. 【請求項６】 各小区画（２３）には方向転換領域（２
    ４）に向かう通路（４３）が設けられ、該通路（４３）
    の断面はＰＥＮ（３）に直交する方向に沿って、残りの
    プロファイリングの対応する深さと比較してより大きな
    深さを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれ
    か１項に記載の燃料セル電池。
  7. 【請求項７】 電池（１）の動作時において、ＰＥＮ反
    応において生じる廃熱の少なくとも１／３が放射（６）
    によりセル積層体（２）から放出されるようにセルが寸
    法取りされることを特徴とする請求項１乃至６のいずれ
    か１項に記載の燃料セル電池。
  8. 【請求項８】 少なくともほぼ中心に対して対称となる
    ようにセルは構成され、軸方向に延びる中央通路を介し
    て第１の流体（１１）を供給することが可能であり、好
    ましくはこの通路に第１の流体（１１）を処理するため
    のリフォーマが配され、共通の通路は流出点においてア
    ウターバーナー室として設けられ、セル積層体（２）の
    周囲の積層体（２）が透過性を有するように構成される
    ことにより、放射された反応熱は第２の流体がセル内に
    流入する際に吸収されることを特徴とする請求項１乃至
    ７のいずれか１項に記載の燃料セル電池。
  9. 【請求項９】 前記小区画（２３）はサイズが等しく、
    その数は４〜１０個であることを特徴とする請求項８に
    記載の燃料セル電池。
  10. 【請求項１０】例として自動車または緊急電力アグレゲ
    ートにおける電流供給要素としての、移動用途における
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料セル電池の
    使用。
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