JP2003529186A - 燃料電池スタックとその組立て及び使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも２つの積層された燃料電池ユニットと少なくとも１つの端板及び／又は１つのハウジング及び／又は１つの最外側の極板又は双極板を備え、これら燃料電池ユニットが相互に結合された燃料電池スタックにおいて、少なくとも２つの燃料電池ユニットを封止性及び固定性を持つ部材を介して１つのスタックに結合する。この部材は接着性をも示し、該部材を介して結合された燃料電池ユニットは相互に接着かつ封止された状態になる。そのため、締め付け装置により端板を経て加える封止圧が全く又は僅かしか必要ない。本発明はこの燃料電池スタックの組立て方法と使用方法にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、燃料電池スタック、その組立て方法及びこのような燃料電池スタッ
クの使用方法に関する。

【０００２】 ヨーロッパ特許第０７９５２０５号明細書により、燃料電池ユニットを機械的
に積層し、端板を介してねじボルトにより結合保持した燃料電池及び燃料電池ス
タックは公知である。封止部材としては機械的受けとして支持リングを備えた個
々の貫通部上の封止リップを使用している。しかしこの構造においては、システ
ムに制約され、バイポーラプレートとして形成した極板と膜との間に直接接触が
あり、これが腐食の問題を引き起こすことがある。

【０００３】 従ってこの公知の構造は、例えば高温型のポリマー電解質（ＰＥＭ）燃料電池
において普通の、比較的高い動作温度には適していない。

【０００４】 本発明の課題は、あらゆる型のＰＥＭ燃料電池に対しても有用であり、同時に
従来技術の欠点を克服した燃料電池スタックを提供することにある。

【０００５】 この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴により解決される。その他の構
成はそれに関連する請求項に記載してある。この燃料電池スタックを組立てる方
法は請求項１１の対象であり、その有効な使用方法は請求項１４に挙げてある。

【０００６】 本発明の対象は、少なくとも２つの積層された燃料電池ユニットと少なくとも
１つの端板及び／又は１つのハウジング及び／又は１つの最外側の極板又は双極
板を備え、これら燃料電池ユニットが相互に封止性及び固定性を持つ部材で結合
された燃料電池スタックである。更に、本発明の対象は、少なくとも２つの燃料
電池ユニットを封止性及び固定性を持つ部材を介して１つのスタックに結合する
燃料電池スタックの組立て方法であり、またこの種燃料電池スタックを、高温（
ＨＴ）−ＰＥＭ燃料電池を備える燃料電池システムで使用する方法である。

【０００７】 スタックの一実施例において、この部材は接着性をも示すので、該部材を介し
て結合された燃料電池ユニットは相互に接着かつ封止された状態になる。そのた
め、締め付け装置により端板を経て加える封止圧が全く又は僅かしか必要ない。

【０００８】 燃料電池セルの接着によりセルやスタック内部の力を吸収する後者の方式は、
薄肉、軽量で低廉な材料からなる端板の使用或いは中実の端板の完全な省略を可
能にし、しかもこの場合、このスタックの最外側の接触面は、最初と最後の燃料
電池ユニット、即ちスタックの最外側燃料電池ユニットの極板となる。

【０００９】 このスタックの１つの実施例では、この部材は弾性であり、スタックの非弾性
構造部、特に双極板、電極、膜及び／又はマトリクスのような構造部の熱による
体積変化は結合部材の弾性によって補償される。

【００１０】 スタックの他の構成において、この部材は断続的に部分弾性である。即ち、こ
れはこの部材が連続する範囲において切れ目なく弾性であるのではなく、交互に
弾性と非弾性、即ち機械的に剛直であり、従ってスタックは機械的強度をも備え
ていることを意味する。このために例えば非弾性部分を備えた部材範囲は例えば
ファイバで補強される。このファイバは金属、炭素、グラスファイバ等、即ち基
材と関連して引張り力を吸収するようなファイバとすることができる。この関連
においてグラスファイバ強化のプラスチックを挙げることができる。これも同様
に使用することができる

【００１１】 或いはまた、この部材を、範囲を定めて局部的に、例えば所謂放射架橋結合に
より架橋結合することも可能である。これにより同じ部材でも、周期的に、即ち
断続的に弾性・非弾性の性質とすることができる。この非弾性範囲は、好ましく
は、スタックの外側におくとよい。

【００１２】 本発明の枠内で、燃料電池ユニットの部材、例えば膜と電極とのユニットや極
板を、互いに同様に封止性と固定性を持つ部材を介して結合することができる。
この結合は、双極板と膜及び／又はマトリクスの間に直接接触が生じないように
構成するのがよい。膜或いはマトリクスにある酸が、この部材及び／又は極板の
表面被膜を侵食する危険があるからである。

【００１３】 この部材は、約３００℃迄安定なプラスチック製であるとよい。このため、例
えば同一或いは異なるモノマー単体から構成されたポリマー材料が適する。スタ
ック内での使用領域に応じ、プラスチック内に種々のモノマー単体及び添加物が
存在し得る。例えばこの部材として、エラストマ、好ましくは非弾性部分範囲及
び／又は周期的に部分弾性範囲を備えた接着性のエラストマが考えられる。

【００１４】 一実施例において、プラスチックはスタックを包囲する枠部材を形成する。他
の実施例では、このプラスチックは燃料電池ユニットを相互に軸方向通路及び／
又は所謂マニホールドの貫通部を封止して結合する支持及び／又は封止リングで
ある。更に他の実施例では、隣接する燃料電池セルの極板が、この部材により互
いに接着される。

【００１５】 配置に応じて、種々の部材を使用することもできる。特にプラスチックからな
る支持及び／又は封止リングは、既述のように、ある実施例では金属やガラスフ
ァイバで補強される。

【００１６】 更に別の実施例では、スタックは圧力を伝達する外部ハウジングに収納され、
少なくともプロセスガス及び／又は冷却媒体に関し内部マニホールドは不要とな
る。特に、その場合、燃料電池スタックは閉鎖型構造を形成する。

【００１７】 本発明では、燃料電池ユニットを相互に部分的に封止して結合する場合、開放
型の構造も実現できる。水素の帰還と改質器運転を備えた開放型構造では、必然
的な汚染に配慮し、ガス浄化膜を例えばガス管路に設けるのが好ましい。凝縮し
た液状生成水は、ガス拡散層を水の沸点以下の動作温度で詰まらせるので、これ
を取除くために、スタックは開放型構造において垂直方向のセル活性面を、この
水がこの活性セルの活性面から滴下するように配置するのがよい。

【００１８】 特別な実施例では、スタックを付加的に通しボルト及びねじボルトによって端
板に結合し、その際少なくとも１つの通しボルトを、例えば軸方向の供給通路を
通して案内するようにできる。

【００１９】 本発明のその他の特徴と細部を、図示の実施例による以下の説明で明らかにす
る。なお、各図において同一の又は同一作用する部分には同一又は互いに対応す
る符号を付している。

【００２０】 なお、スタックとは、少なくとも２つの燃料電池ユニットからなり、それに属
する配管及び冷却システムの少なくとも一部を備えた積層体を言う。

【００２１】 燃料電池設備とは、１つ又は複数の部分システムを持つ燃料電池システム全体
を言う。各部分システムは少なくとも１つの燃料電池ユニット、それに対応する
供給管路、即ちプロセスガス供給及び排出路、端板及び／又はハウジング及び／
又は最外側の極板、冷却媒体と冷却管路を持つ冷却システム及び所謂燃料電池ス
タック周辺機器を含む。これら周辺機器は、例えば改質器、圧縮器、送風機及び
／又はプロセスガス加熱用加熱装置と必要に応じその他のモジュールを含む。

【００２２】 図１で、符号１０は燃料電池スタックを示す。このスタックは多数の個々の燃
料電池ユニット１１、１１’・・・を１つの固定結合体に集積したものである。
各燃料電池ユニット１１、１１’・・・は、図２及び３に示すように、膜・電極
ユニット（ＭＥＡ）を含み、このＭＥＡは、例えば商品名「ナフィオン」で知ら
れている陽子伝導性の膜１１０と、その両側に配置された電極１１１、１１２と
、更に所謂極板、好ましくは２つの隣接する燃料電池ユニット１１及び１１’に
対する極板として形成された双極板１１５からなる。端板１２、１３並びに複数
の通しボルト１４、１５により全体の構成が結束されている。

【００２３】 このような構成において本質的なことは、個々の燃料電池ユニット１１、１１
’・・・が夫々それ自体封止され、１つの枠に保持されていることである。この
ため封止性及び固定性の部材が設けられ、その全体的構成を図２に２０で示す。

【００２４】 この部材２０を特別に形成することで個々の燃料電池ユニット１１、１１’・
・・を相互に結合し、固定し、同時に封止する。この部材２０は、範囲２１では
温度に起因する応力を吸収すべく弾性に形成しているが、他方範囲２２ではこの
部材は非弾性であり、そこでいわば剛直な枠として機能している。

【００２５】 燃料電池スタック１０の個々の燃料電池ユニット１１、１１’・・・の構造を
図２に示す。各燃料電池ユニット１１は、化学的及び／又は物理的に結合され、
電解質を担持する少なくとも１つの膜１１０及び／又はマトリクスと、この膜及
び／又はマトリクスの両側に設けられた２つの電極１１１、１１２を含む。少な
くとも１つの電極１１１、１１２に１つの反応室が接し、これは夫々１つの極板
又は２つの燃料電池ユニットに対し共通に、１つの双極板１１５及び／又はそれ
に対応する縁部構造で周囲に対し閉じている。なお、燃料電池ユニットは、プロ
セスガスを反応室に導入し、それから排出すべく構成している。例えば燃料電池
ユニットにプロセスガスや冷却媒体等を供給する軸方向通路１２０が存在する。

【００２６】 特に図２に封止部材２０の構成を詳細に示す。即ち、内側範囲に、変形して弾
性的に封止する封止部２１を設けている。外側範囲には、固定性を持ち、変形し
ない封止部２２を設けている。この構造、特に固定封止部２２により、全体の安
定性が得られる。

【００２７】 従来は端板として重い不撓板を使用し、これにより通しボルトの圧力を燃料電
池ユニットに伝えていた。ここに述べる封止部材を備えた本発明では、初めて「
セル内部の力吸収」により、軽量かつ薄肉の端板を使用することが可能となる。
場合によっては、このような専用部品を全く省略することもできる。

【００２８】 図１及び２において、燃料電池スタックは閉鎖型構造を形成している。開放型
構造は、燃料電池スタック１０の個々の燃料電池ユニット１１、１１’を垂直に
配置したものにおいて、対応する開口を下側範囲に設ける。

【００２９】 図２の燃料電池スタックを組立てるべく、夫々双極板１１５に、例えば加硫に
より変形可能な部分２１と変形不可能な部分２２を含む封止部材２０を設ける。
本来のＭＥＡは封止部分２１を持つ２つの双極板１１５間に挿入する。封止のた
め、封止部材２０の弾性部分２１を非弾性部分２２が互いに接する迄変形する力
が必要である。かくして固定した間隔の和が、スタックの全高寸法となる（図３
参照）。

【００３０】 図４は、封止部材、特に固定封止部３０に、予め接着面３１が封止部として設
けられることを示す。場合により、この封止部の一面側にのみ接着面を設けても
よい。これにより同様に、個々の燃料電池スタックの封止結合、この場合また固
定結合が、それ故全体の燃料電池スタック１０の双極板を使用して達成される。

【００３１】 図５は、封止部材４０が交互に固定性と封止性を持ち得ることを示す。この部
材４０は、例えば隆起状に予め形成され、弾性を持ち、膜１１０と電極１１１、
１１２とからなるＭＥＡを圧力締め付けするに適した膨出部４１を持っている。
極板側に向いた部分４２は、これに対して固定性を持っている。これらの性質は
他の材料、例えば金属材料からなるファイバを入れ或いはまた特定のポリマーに
おいて放射架橋重合することによって得ることができる。

【００３２】 図５による封止部材により、適当に重ね合わせるときに、一方では弾性部分に
おいてＭＥＡの封止を、同時に非弾性を持つ支持リングにおける固定を行うこと
ができるので、セル内部の力の吸収が可能となり、全体として端板及びその締め
付けに対する要求が小さくなる。このことは、特定の位置において使用されるプ
ラスチック材料により支持機能が実現されるが故に可能である。

【００３３】 上述の構成では、ハウジングとして一重或いは二重壁の容器を使った。その場
合、絶縁の可能性が関与しているので、二重壁構成において例えば空洞を潜熱蓄
熱材、好ましくはパラフィンで満たす。ハウジングを備え、それに圧力が加わる
開放型のスタック構成では、ハウジングは圧力的に安定でなければならない。

【００３４】 本発明は公知のスタック構造の熱安定性を改善し、動作温度を３００℃迄高め
ることを可能にする。これによりこのようなスタックを、特別な構成においてこ
のような動作温度で運転し、ＨＴ燃料電池と称されるＰＥＭ燃料電池に使用可能
となる。約６０℃の作動温度を持つＰＥＭ燃料電池と区別するため、ＨＴ−ＰＥ
Ｍ燃料電池は８０〜３００℃の作動温度を持っている。このようなＰＥＭ燃料電
池に侵食性のリン酸を使用する場合、材料の選択は特に重要である。

【００３５】 接着性のエラストマを縁部封止に使用することで、スタックにおける内部の力
の吸収に使用でき、これにより端板又は曲げ強度に対する要求が小さくなる。双
極板と膜との直接接触を回避したため、膜内に蓄積された酸による腐食の危険が
なくなるので、極板の寿命が大幅に延びる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 燃料電池システムの一部を構成する燃料電池スタックの断面を示す。

【図２】 図１によるスタックの縁部領域の断面を部分的に示す。

【図３】 燃料電池スタックの組立て前の断面を部分的に示す。

【図４】 燃料電池スタックの組立て前の断面を部分的に示す。

【図５】 交互に固定及び／又は封止部として形成された封止部材を示す。

【符号の説明】 １０ 燃料電池スタック １１、１１’ 燃料電池ユニット １２、１３ 端板 １４、１５、１６、１７ 通しボルト ２０、３０、４０ 封止部材 ２１、２２ 封止部分 ３１ 接着面 ４１ 膨出部 ４２ 固定性部分 １１０ 膜 １１１、１１２ 電極 １１５ 極板 １２０ 軸方向通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バルトアウフ、マンフレート ドイツ連邦共和国 デー‐91056 エルラ ンゲン ハウンドルファー シュトラーセ 21 (72)発明者 フォン ヘルモルト、リットマール ドイツ連邦共和国 デー‐91052 エルラ ンゲン ドナウシュトラーセ 14 (72)発明者 ポッピンガー、マンフレート ドイツ連邦共和国 デー‐91080 ウッテ ンロイト ルーシュタインヴェーク ５ (72)発明者 ブリュック、ロルフ ドイツ連邦共和国 デー‐51429 ベルギ ッシュ グラートバッハ フレーベルシュ トラーセ 12 (72)発明者 グローセ、ヨアヒム ドイツ連邦共和国 デー‐91056 エルラ ンゲン イン デア ロイト 126 (72)発明者 コニークツニー、イエルク‐ロマーン ドイツ連邦共和国 デー‐53721 ジーク ブルク バーンホフシュトラーセ 17 (72)発明者 ブーフナー、ペーター ドイツ連邦共和国 デー‐91332 ハイリ ゲンシュタット リンデンヴェーク 17 (72)発明者 マッテヤート、アルノ ドイツ連邦共和国 デー‐91088 ブーベ ンロイト ヤーンシュトラーセ ３ アー (72)発明者 メールトレッター、イゴール ドイツ連邦共和国 デー‐91054 ブッケ ンホーフ グラースヴェーク 42 (72)発明者 ムント、コンラート ドイツ連邦共和国 デー‐91080 ウッテ ンロイト ランゲンブルッカー ヴェーク 10 (72)発明者 ヴァイトハス、マンフレート ドイツ連邦共和国 デー‐90427 ニュル ンベルク シュニークリンガー シュトラ ーセ 285 (72)発明者 ライチッヒ、マイケ ドイツ連邦共和国 デー‐53579 エルペ ル ハイステラー シュトラーセ ３ ア ー Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 BB10 CX07 CX08 EE18

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも２つの積層された燃料電池ユニット、２つの端板、
   ２つの最外側の極板又は双極板及び／又は１つのハウジングを備え、この燃料電
   池ユニット（１１、１１’・・・）が一方で封止性、他方で固定性を持つ部材（
   ２０、３０、４０）で相互に結合されている燃料電池スタック。
2. 【請求項２】部材（２０、３０、４０）が熱的に安定なプラスチックである
   ことを特徴とする請求項１記載のスタック。
3. 【請求項３】部材（２０、３０、４０）が燃料電池ユニット（１１、１１’
   ・・・）を封止して接着していることを特徴とする請求項１又は２記載のスタッ
   ク。
4. 【請求項４】部材（２０、４０）がエラストマであり、弾性及び／又は断続
   的に部分弾性であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載のスタック。
5. 【請求項５】この部材（２０、４０）が少なくとも部分的にファイバで補強
   されていることを特徴とする請求項４記載のスタック。
6. 【請求項６】この部材（２０、４０）が断続的に架橋結合していることを特
   徴とする請求項４記載のスタック。
7. 【請求項７】燃料電池ユニット内の極板と膜との間の直接接触が存在してい
   ないことを特徴とする請求項１から６の１つに記載のスタック。
8. 【請求項８】この部材が少なくとも１つの支持リング及び／又は封止リング
   の形で存在することを特徴とする請求項１から７の１つに記載のスタック。
9. 【請求項９】ハウジングが圧力を伝達する外部ハウジングであることを特徴
   とする請求項１から８の１つに記載のスタック。
10. 【請求項１０】端板が通しボルトを介して保持され、少なくとも１つの通し
    ボルトがスタックの軸方向の供給通路に通されていることを特徴とする請求項１
    から９の１つに記載のスタック。
11. 【請求項１１】少なくとも２つの燃料電池ユニットを１つのスタックに結合
    し、その際封止性及び固定性を持つ部材を使用する請求項１から１０の１つに記
    載のスタックの組立て方法。
12. 【請求項１２】燃料電池ユニットの封止のために部材の弾性、該ユニットの
    固定のために部材の非弾性を利用することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 【請求項１３】接着によって燃料電池ユニットの非弾性部材との封止を行う
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 【請求項１４】ＨＴ−ＰＥＭ燃料電池において、請求項１から１０の１つに
    記載の燃料電池スタックを使用する方法。