JP2004516626A

JP2004516626A - 低温燃料電池

Info

Publication number: JP2004516626A
Application number: JP2002551932A
Authority: JP
Inventors: ハルトナック、ヘルベルト; レルシュ、ヨーゼフ; マッテヤート、アルノ; シュトラッサー、カール
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2021-12-10
Also published as: US20040048135A1; CA2432115A1; DE10063720A1; JP3978138B2; EP1344268A2; WO2002050935A2; US6849351B2; WO2002050935A3; CA2432115C; DE50102644D1; EP1344268B1

Abstract

低温燃料電池（１）の導電接続板（５）は、水で湿った純酸素及び純水素に対して優れた耐食性を示さねばならず、かつ同時に機械的に加工可能でなければならない。この問題を解決するため、本発明はニッケル５０〜６５重量％、クロム１２〜２２重量％、モリブデン１０〜１８重量％、鉄４〜１０重量％及びタングステン０．５〜５重量％から成る導電接続板（５）を備えた燃料電池提案する。この接続板は０．０８〜０．３ｍｍと薄く、かつ十分な安定性を有するように形成でき、熱放散性にも優れている。

Description

【０００１】
本発明は、電極と、該電極を隣接する低温燃料電池の電極と電気的に接続する導電接続板とを有する低温燃料電池に関する。
【０００２】
燃料電池は、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）を一緒に通流することで、電気化学反応に基づき電気と熱エネルギを発生する。そのため燃料電池に水素と酸素を、その純粋な形で又は水素に富む燃料ガスと空気として供給する。燃料電池に流す作動ガスの種類は、燃料電池が作動する作動環境で主に決まる。例えば気密に閉鎖した空間内で作動する燃料電池設備の燃料電池は、通常、純酸素と純水素で作動する。これらガスは、燃料電池の作動中にほぼ残渣生じることなく反応して水（Ｈ_２Ｏ）となり、従って燃料電池設備は全く排ガスを生じることがない。
【０００３】
作動温度に応じ、燃料電池は低温、中温及び高温燃料電池に分類され、他方それらは異なる技術上の実施形態により互いに区分される。低温燃料電池は、２００℃迄の温度領域で作動する燃料電池のことである。
【０００４】
多数の平面状燃料電池からなる燃料電池積層体には、燃料電池積層体を覆う上方の導電接続板の下に少なくとも１つの電解質電極ユニット、別の導電接続板、更に別の電解質−電極ユニット、更に別の導電接続板等が存在する。その際電解質−電極ユニットは、２つの電極、即ちアノードとカソード及びアノード、カソード間に配置され、膜として形成された電解質を含む。その際、隣接する各２つの導電接続板の間にある電解質電極ユニットは、その両側でそれらに間接又は直接に隣接する導電接続板と共に、燃料電池を形成する。導電接続板は、特に燃料電池の電極を、この導電接続板に隣接する燃料電池の電極と接続する役目をし、その際電極は直接に導電接続板に隣接している必要はなく、それらと例えば接触層又は保護層を介して電気的な接続状態にあればよい。
【０００５】
燃料電池のアノードと、これに隣接する導電接続板の間に、燃料電池のアノードガス室が形成されている。このガス室を、燃料電池の作動中に水素（Ｈ_２）又は水素を含む燃料ガスが流れる。導電接続板のもう一方の側には、この導電接続板と、隣接する燃料電池のカソードとの間に形成された、隣接する燃料電池のカソードガス室がある。該ガス室を、この燃料電池の作動中に酸素又は酸素を含む作動ガスが通流する。特に純酸素と純水素で作動する場合、導電接続板は腐食性の強い作動ガスに曝される。大抵の低温燃料電池、特にポリマ電解質膜燃料電池（ＰＥＮ燃料電池）では、燃料ガスを付加的に湿めらせる。従って導電接続板は、作動ガスばかりでなく、付加的に水にも曝されることになる。水と例えば純酸素は、低温燃料電池の作動温度で、腐食性の著しい媒質を形成する。
【０００６】
国際公開第００／５９０５６号パンフレットから、クロムベース合金から成る導電接続板を持つ燃料電池が公知である。この接続板は、比較的脆いという欠点を持つ。従ってこの燃料電池は、成形性に劣り、溶接性も極めて悪く、従って必要な安定性を得るべく厚く形成せねばならない。
【０００７】
従って本発明の課題は、特に耐食性で、かつ機械的に良好に加工可能な導電接続板を有する低温燃料電池を提供することにある。
【０００８】
この課題は、導電接続板がニッケル５０〜６５重量％、クロム１２〜２２重量％、モリブデン１０〜１８重量％、鉄４〜１０重量％及びタングステン０．５〜５重量％を含む、冒頭に記載した形式の低温燃料電池により解決される。
【０００９】
このような組成の導電接続板は、水が共存しても、また高温でも酸素に対し著しい耐食性を示す。更にこの種導電接続板は、機械的に容易に変形する。従ってこの導電接続板は、亀裂を生ずることなく曲げて所望の形に成形でき、また例えば深絞り法で所望の形、溝又はスペーサに型押し（エンボス加工）できる。更に上述の材料から成る導電接続板は、種々の方法で良好に溶接でき、またそれらは隣接する構造部材と簡単に気密に接合可能である。他の利点として、この導電接続板はガス漏れせず、かつ水素環境内で脆化しない点が挙げられる。更にこの導電接続板は、特に良好に電流と熱を導出する。
【００１０】
本発明の有利な実施形態では、導電接続板が空洞を形成する２枚の金属薄板を含み、該接続板は、有利な実施形態では、空洞を形成する金属薄板だけでなっていてもよい。上記材料を導電接続板に選ぶことで、該接続板を、安定性のためコンパクトな形に製造する必要がなくなる。更にこの接続板の材料は、十分に硬くて可撓性なので、空洞を形成する２枚の薄い金属板は導電接続板に十分な安定性を与える。この際空洞は燃料電池の作動中に冷却水又は熱水が貫流する冷却水室の役目をするよう形成してもよい。これは、この種燃料電池の場合、多量の熱を燃料電池から環境内に搬出せねばならない低温燃料電池に特に有利である。冷却水が貫流する空洞を形成する２枚の金属薄板から成る導電接続板は、この問題を容易に、かつ効果的に解決する。加えてこの導電接続板は加圧状態の冷却水も、亀裂又はガス漏れの恐れなく入れておける十分な安定性を備えている。
【００１１】
この金属薄板が、空洞領域内で０．０８〜０．３ｍｍの厚さを有するとよい。前記の特殊な材料の選択により、この導電接続板の金属薄板を特に薄く、しかも十分な安定性を有するように製造できる。この材料の可撓性で、しかも同時にその引張り強さは、空洞の内側と外側の環境との数バールの圧力差の下で、導電接続板の空洞の破壊を阻止できる。この薄板の著しい薄さにより、ガス室と導電接続板の空洞との間の特に良好な熱の搬送を保証できる。
【００１２】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、この低温燃料電池は純酸素と純水素での作動に適する。上記の導電接続板は、湿潤性の純酸素及び純水素に対しても極めて良好な耐食性を示す。
【００１３】
本発明の１実施例を図面の基づき以下に説明する。
【００１４】
図１は、電解質電極ユニット３と、このユニット３に隣接した２つの導電接続板５とから成る低温燃料電池１の断面を示す。電解質電極ユニット３はアノード７、電解質９及びカソード１１から成る。電解質電極ユニット３と導電接続板５は、封止部１３内に収容されている。導電接続板５は各２枚の金属薄板１５、１７から成り、それらの間に空洞が形成されている。この低温燃料電池１に隣接して、同様に２つの電極２１を有する電解質−電極ユニットから成るもう１つの低温燃料電池が配置されている。
【００１５】
導電接続板５の両方の金属薄板１５、１７は、各々ニッケル５７重量％、モリブデン１６重量％、クロム１５重量％、鉄５重量％、タングステン４重量％、コバルト１．５重量％、マンガン０．５重量％及びその他の金属１重量％と不純物を含む。導電接続板５の両方の金属薄板１５及び１７は、それらの全面にわたって厚さがほぼ０．１５ｍｍであり、型押し２２を備えている。低温燃料電池１の外側にある封止部１３内で両金属板１５、１７は溶接されている。
【００１６】
この低温燃料電池１は、ポリマ電解質膜型燃料電池（ＰＥＭ燃料電池）であり、作動ガスとしての純酸素と純水素で作動すべく構成されている。低温燃料電池１の作動中に湿った水素は、この低温燃料電池１のアノード７と、導電接続板５の一方の金属薄板１７との間に配置されたアノードガス室２３に流入する。更に水で湿った酸素は、カソード１１と、２つの導電接続板５のもう一方の金属薄板１５との間に配置されたカソードガス室２５に流入する。低温燃料電池１の作動中に反応熱を排出すべく、冷却水が軸溝２７から導電接続板５の流動方向２９に空洞１９内に流入する。金属薄板１５、１７を通り空洞１９内に流入する反応熱は、冷却水に吸収され、続く過程で、流動方向２９にもう１つの軸溝３１内を流れ、そこを経て燃料電池から流出する。導電接続板５の金属薄板１５、１７は２００℃迄の温度にも、湿った水素及び酸素に対しても優れた耐食性を示す。更にこれら金属薄板は、損傷することなく燃料ガス室２３、２５と、空洞１９との間の１０バール迄の圧力差を、十分な変形性と可撓性とにより受容する。
【００１７】
【図面の簡単な説明】
【図１】低温燃料電池の概略断面図。
【符号の説明】
１、２０低温燃料電池、３、２１電解質電極ユニット、５導電接続板、７アノード、９電解質、１１カソード、１３パッキン、１５、１７金属薄板、１９空洞、２２型押し、２３アノードガス室、２５カソードガス室、２７、３１軸溝、２９流動方向

Claims

電極（７、１１）と、該電極（７、１１）を隣接する低温燃料電池の電極（２１）と電気的に接続する導電接続板（５）とを有する低温燃料電池（１）において、導電接続板（５）がニッケル５０〜６５重量％、クロム１２〜２２重量％、モリブデン１０〜１８重量％、鉄４〜１０重量％及びタングステン０．５〜５重量％を含むことを特徴とする燃料電池。
導電接続板（５）が、空洞（１９）を形成する２枚の金属薄板（１５、１７）から成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
空洞（１９）の領域内の金属薄板（１５、１７）が、０．０８〜０．３ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
純酸素と純水素で作動することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の燃料電池。