JP2005502996A - 燃料電池のための電気的接触デバイス - Google Patents

Abstract

燃料電池成分への信頼性ある、腐食耐性の電気的接点を提供するための、非金属製の導電性エラストマー組成物を含む接触デバイス（１）。このような接触デバイスは、固体ポリマー電解質燃料電池スタック中のカーボンセパレータープレート（９）で電圧を測定するために特に有用である。燃料電池と接触するための改良された電気的接触デバイスは、非金属製の導電性エラストマー組成物を含む電気的接点を採用する。このデバイスは、直列スタックの複数の燃料電池への接続を作製するために、複数のこのような電気的接点を含み得る。このような接点（単数または複数）は、適切な支持体上に実装され、そして電気的に絶縁されて他の接点への短絡を防ぐ。このデバイスは、燃料電池に、電気的接点（単数または複数）が、上記支持体と燃料電池との間に圧縮されるように実装され得る。

Description

【技術分野】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、燃料電池と電気的に接触するため、そして特に固体ポリマー電解質燃料電池スタック中のカーボンセパレータープレートと接触するための電気的接触デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連する技術の説明）
電気化学的燃料電池は、燃料および酸化剤を変換して、電力および反応産物を生成する。好適なタイプの燃料電池は、固体ポリマー電解質またはイオン交換膜を採用する、固体ポリマー電気化学的燃料電池である。一般に、膜電解質は、２つの電極層（カソード層とアノード層）の間に配置され、膜電極アセンブリ（「ＭＥＡ」）を形成する。代表的な固体ポリマー電解質燃料電池では、このＭＥＡは、２つの導電性セパレーターまたは流体流動場プレート間に配置される。流体流動場プレートは、その中に形成された少なくとも１つの流れ経路を有し、流体反応物（燃料または酸化剤のいずれか）を、適切な電極層、すなわち、燃料側のアノードおよび酸化剤側のカソードに向ける。このセパレーターまたは流動場プレートはまた、電流コレクターとして作用し、そしてＭＥＡにための機械的支持を提供する。
【０００３】
単一の燃料電池の出力電圧は、比較的低い（例えば、１ボルト未満）ので、代表的には、燃料電池電源は、全体の出力電圧および供給電力を増加するために、通常、直列に（しかし、しばしば並列に）一緒に連結されている多くの電池を含む。直列形態では、代表的には、燃料電池は、所定のセパレータープレートの１つの側面を１つの電池のアノード側プレートとして供し、その一方、このプレートのもう他の側面を隣接電池のカソード側プレートとして供するように、スタック中に配列される。このようなセパレータープレートは、双極プレートと呼ばれる。複数の燃料電池のスタックは、燃料電池スタックと呼ばれる。代表的には、この燃料電池スタックは、タイロッドおよびエンドプレートによってそのアンンブルされた状態に一緒に保持される。一般に、圧縮機構が、内部スタックマニフォールドおよび流動場の周りのシーリングを確実にするため、そしてまた、前記プレートとＭＥＡとの間の適切な電気的接触を確実にするために必要である。
【０００４】
これら燃料電池における双極プレートは、特定の機械的、電気的および腐食耐性の要求に合致しなければならない。プレート構築における使用には金属が考慮され得るが、多くの従来の金属および合金は、不適切な腐食耐性に起因して適切ではない。その代わりに、腐食耐性金属製組成物が考慮され得るけれども、これら組成物の不動態化表面層を通じて電気的接触を作製することでは、しばしば困難に遭遇する。種々の種類のコーティングが、金属製双極プレートの使用を可能するために提案されている。例えは、公開された欧州特許出願ＥＰ １１０７３４０に開示されたものとして、双極プレートの作用表面をコートするために、導電性腐食耐性充填剤粒子を含む導電性腐食耐性ポリマーを用い得る。金属製組成物の好適な代替は、プレート構築のために適切なカーボンを使用することである。なぜなら、カーボンプレートは、適切に導電性とされ得、そして良好な腐食耐性を示すからである。
【０００５】
燃料電池スタックから電力を引き出すために、代表的には、低抵抗性の電気的接続が、一対の銅またはコートされた銅バスプレートを用いて燃料電池スタックの各端部に提供される。しかし、他の理由のために、燃料電池スタックでは、１つ以上の電極に電気的に接続することが所望され得る。代表的には、これらの他の電気的接続は、全スタック電流を保持することは意図されない。例えば、個々の電池の電圧をモニターし、操作の間に異常に低い電圧を検出することが有用であり得る。順に、次いで、修正行為がとられ、電池（単数または複数）が電圧逆転を行うことを防ぎ、そしてそれ故、逆転関連損傷が、電池および／またはスタックに生ずることを防ぐ。（電圧逆転は、直列スタック中のより弱い電池がスタックにおいて他の電池と同じレベルで電流を提供し得ないとき、その電池で生じ得る。このような状況では、スタック中の他の電池により生成される充分に高い電流が、このより弱い電池を通じて強制的に流れ、そしてそれを逆の電圧にする。）各電池の電圧を測定すること、および各電圧を参照電圧と個々に比較することは、実際、面倒に見えるかもしれない。しかし、電池（単数または複数）に関する低電圧状態を検出し、そして次に修正活動のために信号伝達する、単純な回路構成を採用し得る。
【０００６】
このような燃料電池スタック中の個々の電池に信頼性ある電気的接続を作製することは、特にカーボンセパレータープレートを採用する電池に対して、やはり、問題であり得る。燃料電池進歩の設計として、このセパレータープレートは、漸次より薄くなり、そしてより間隔が狭くなっている。これは、スタック中の複数の燃料電池に対し電気的接点を整列し、そして設置することをより困難にしている。さらに、電池−電池間隔（すなわち、電池ピッチ）は、（熱変動、内部圧力変化、および経時的な電池成分の段階的な圧縮の結果として）製造許容範囲ならびにスタックの操作の間の拡張および収縮に起因して変動を受ける。従って、適切な接続は、これらの変動を収容しなければならない。なおさらに、燃料電池スタックは、振動を受け得、そしてそれ故、信頼性ある接続は、振動を受けるときでさえ、接続を維持し得なければならない。不適切に設置されたコネクターはまた、燃料電池中のシールを妨害し得る。
【０００７】
さらなる問題が、コネクター用の従来の金属組成物を採用するときに生じる。燃料電池の直ぐ近傍では、環境は、湿潤で、暑く、かつ酸性またはアルカリのいずれかである。例えば、固体ポリマー電解質燃料電池では、カーボンセパレータープレートは、幾分多孔性であり得る。これらプレートの直ぐ近傍における環境は、それ故、電池内側の環境に幾分類似であり得、その結果、金属製コネクターは、腐食を受け得る。順に、このコネクターはまた、汚染物の供給源であり得る。さらに、金属製成分の比較的良好な導電性は、直列スタック中の異なる電池に接続されるコネクター間の不適切な短絡の事象では不利であり得る。大電流が、そのような不適切な短絡を通じて流れ得、それによって災害を提示する。
【０００８】
このような電気的接続を作製するために種々の接触デバイスが考慮されている。銅タブおよびスペードタイプのコネクターが企図されたが、多くの前述の欠点を示した。公開されたＰＣＴ特許出願ＷＯ９９／６６３３９は、例えば、燃料電池スタック中の成分に圧力接続を作製する、可撓性スプリングワイヤ接点を採用するデバイスを示す。公開された欧州特許出願ＥＰ１００１６６６は、燃料電池スタック中の成分に電気的接続を作製するための、可撓性プリント回路板の使用を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、燃料電池内の改良された電気的接点に対する、特に、固体ポリマー電解質燃料電池スタック中の接触カーボンセパレータープレートに対する必要性が残っている。本発明は、これら必要性を満たし、そしてさらなる関連する利益を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の簡単な要旨）
燃料電池と接触するための改良された電気的接触デバイスは、非金属製の導電性エラストマー組成物を含む電気的接点を採用する。このデバイスは、直列スタックの複数の燃料電池への接続を作製するために、複数のこのような電気的接点を含み得る。このような接点（単数または複数）は、適切な支持体上に実装され、そして電気的に絶縁されて他の接点への短絡を防ぐ。このデバイスは、燃料電池に、電気的接点（単数または複数）が、上記支持体と燃料電池との間に圧縮されるように実装され得る。
【００１１】
上記電気的接点中のエラストマー組成物は、エラストマーおよび非金属製の電気的導体を含む。この組成物は、この組成物自身が導電性であるように、十分な導体を含む。適切な導体は、カーボンまたは導電性ポリマーを含む。適切なエラストマーは、シリコーンである。代表的な組成物は、カーボン含浸シリコーンである。
【００１２】
接触デバイス中の電気的接点は、全部が導電性エラストマー組成物から作製され得る。例えば、これら接点は、適切な支持体中に実装されている導電性エラストマー組成物から形成されたパッドであり得る。あるいは、この電気的接点は、重層され得、そして交互する（エラストマー組成物から作製される）電気的導電性層、および（エラストマー層から作製される）電気的非導電性層を含み得る。この重層された構成で、接点および接点のための支持体の両方は、単一片で、同じ重層されたストックから創り出され得る（なぜなら、このような単一のデバイス中の各接点は、交互するエラストマー層により互いから電気的に絶縁されているからである）。櫛の形態が、接点が支持体と単一であるデバイスのために適切である。先行する実施形態中の接点の面と接触するために種々の形態が採用され得る。例えば、接触面は、矩形であり得る。
【００１３】
重層された実施形態中の各接点は、燃料電池への単一の所望の電気的接続を作製するために、複数の導電性層を含み得る。接点中に複数の層を有することは、接続困難性が任意の単一の導電層で経験される場合に適切な電気的接続を確実にし得る。例えば、接点中に３つより多い交互する導電性エラストマー組成物を有することが所望され得る。
【００１４】
上記電気的接触デバイスは、回路板であって、上記支持体中の電気的接点と係合する複数の金属製接点を含む回路板をさらに含み得る。この回路板は、上記支持体に対して圧縮され得、これは、次に、燃料電池に対して電気的接点を圧縮する。
【００１５】
上記エラストマーをベースにした電気的接触デバイスは、いくつかの所望の利点を提供する。それは可撓性であり、そしてそれ故、燃料電池への信頼性のある接続を維持し得る。このデバイスの（接点から支持体を通る）電気的抵抗は、例えば、約５００〜１５００オームの間の中間の大きさであり得、これは、電圧測定などの目的のために十分低いが、実質的電流が隣接する接点間（それ故、スタック中の隣接する燃料電池間）に生じる電気的短絡の事象で流れることを防ぐに十分高い。燃料電池と接点との間のインターフェースにおける腐食は、接点に適切な非金属製導体を用いることにより避けられ得る。それ故、改良された電気的接触デバイスは、種々の燃料電池タイプ、しかし、特に、固形ポリマー電解質燃料電池で採用されるカーボンセパレータープレートへの電気的接続を作製するために適切である。
【００１６】
本発明のこれらおよびその他の局面は、添付の図面および以下の詳細な説明を参照する際に明確である。
【００１７】
（本発明の詳細な説明）
本発明の電気的接触デバイスは、固形ポリマー電解質燃料電池スタック中の複数の双極カーボンセパレータープレートへの適度の抵抗をもつ電気的接触を作製するために特に適切である。従って、これは、燃料電池スタック中の電池電圧をモニターするために特に適切である。
【００１８】
このようなデバイスで採用される接点は、非金属製の導電性エラストマー組成物を含む。この組成物は、適切なエラストマーおよび非金属製電導体を含む。このエラストマーは、接触デバイスに可撓性を与え、そして（内部燃料電池シールで用いられるエラストマーのような）燃料電池構造と適合する任意の熱硬化性エラストマーまたは熱可塑性エラストマーから作製される。この組成物を導電性にするに十分な非金属製導体が採用される。この非金属製導体は、腐食に抵抗し、そして、好ましくは、接触されている材料に類似している。従って、カーボンセパレータープレートと接触するために、この非金属製導体として類似の粒子状カーボンが採用され得る。この適用のための代表的なエラストマー組成物は、カーボン含浸シリコーンである。
【００１９】
燃料電池スタック中の複数カーボンセパレータープレートに接続するための代表的な電気的接触デバイスを図１ａおよび１ｂに示す。櫛形状のデバイス１は、支持体３に実装された矩形の面をもつ１１の電気的接点２を備える。デバイス１は、交互する、（カーボン含浸シリコーンから作製される）導電性層、および（シリコーンのみから作製される）非導電性層を備える層状構造を有する。図１ａに示される図では、交互する層は、Ｘ−Ｚ平面に平行に横たわる。従って、このデバイスは、ＸおよびＺ方向に導電性であるが、Ｙ方向には導電性ではない。次いで、各接点２のＹ−Ｚ面は、支持体３の対向する側面上の同じサイズのＹ−Ｚ面への導電経路を提供する。しかし、各接点２は、適切な非導電性層によりＹ方向では、互いから電気的に絶縁されている。図１ｂは、以下の実施例で採用される電気的接触デバイスの実際の顕微鏡写真の平面図を示す。より濃い層はカーボン含浸シリコーンであり、そしてより薄い層はシリコーンである。各接点に存在する１つより多く（例えば、＞３）の導電性層を有することが所望される。なぜなら、これは、任意の所定の層が、セパレータープレートと貧弱な接点を作製する場合、全体的に満足すべき電気的接続を提供し得るからである。このデバイスは、重層されたストックの単一ブロックから、その中に単に適切なスロットを櫛の歯を形成するために機械加工することによって作製され得る。図１ｂに示されるデバイスは、代表的には、接点あたり約７の導電性層を有する。
【００２０】
スタック中の複数のセパレーターと接触するための代替デバイスは、適切な支持体中に実装されたカーボン含浸シリコーンのみ（すなわち、層なし）から作製された複数のパッドを含む。この場合の支持体は、互いからの接点を絶縁するために異なる非導電性材料から作製される。あるいは、デバイスは、単に１つの接点のみを有し得、そして１つのこのようなデバイスは、スタック中の所望の接点の各々のために採用され得る。
【００２１】
上記の電気的接触デバイスは、燃料電池スタック中の電池への信頼性ある接続を提供する。順に、次いで、この電気的接触デバイスは、燃料電池スタックから離れ、従来の金属製コネクターと信頼のある接触を行うために用いられる。代表的な固形ポリマー電解質燃料スタックの周りの環境は、スタックからの距離とともにより急速に腐食性でなくなるので、電気的接触デバイスは、極めてコンパクトであり得る。例えば、従来の金属製コネクターへの満足な接点は、スタックから離れて１ｃｍのオーダーから作製され得る。
【００２２】
図２は、図１ａに示されるような１１の電気的接触デバイスを、１１０電池の固形ポリマー燃料電池スタックのための適切な電圧モニタリングおよび／またはコントロール回路網にインターフェースするために用いられ得るプリント回路板アセンブリ４を示す。（この実施形態では、隣接する板５ａおよび５ｂ上の端部接点６は、同じ燃料電池に接続して整列を支援する。）アセンブリ４は、プリント回路板５ａおよび５ｂの２つの平行な並びを備える。板５ａおよび５ｂの各々は、図１ａに示されるような電気的接触デバイス１の支持体３のＹ−Ｚ面と係合するための１１の金属製接点６を備え、そしてそれによって各金属製接点６をデバイス１中の対応する非金属製接点２に電気的に接続する。板５ａおよび５ｂは、２つの並びで交互交替的であり、スタックの寸法の変動（例えば、セパレーター−セパレーター距離またはセパレーター幅変動）を収容する。金属接点６は、金または金メッキ金属のような、腐食耐性金属組成物で作製され得る。プリント回路板５ａおよび５ｂは、接触デバイス１を燃料電池スタックに対して均一に圧縮するために用いられ得る従来の剛直性材料から作製される。２つの応諾する直線状圧縮バーを用いて、プリント回路板５ａおよび５ｂの２つの個々の並びに圧縮力を付与し得る。
【００２３】
プリント回路板５ａおよび５ｂは、順に、可撓性セクション７により主板８に連結される。主板８もまた、剛直な従来の材料から作製され得、そして燃料電池スタックのための適切な電圧モニタリングおよび／または制御回路構成を備え得る。主板８は、燃料電池スタック用のハウジング上に実装され、その一方、プリント回路板５ａおよび５ｂは、スタック自身に実装される。可撓性セクション７は、スタック成分中の許容性を収容し、そしてハウジングに対し、スタック中の燃料電池の動きを可能にする。可撓性セクション７は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）ポリイミドのような材料から作製され得、そして各金属製コネクター６を主板８上の適切な位置に接続するための導電性トレースをその上に有する。
【００２４】
図３は、固体ポリマー電解質燃料電池スタック１０中のセパレータープレート９に接続された電気的接触デバイス１の概略図である。スタック１０は、燃料電池の一連のスタックを含み、その各々は、２つのカーボンベースの双極セパレータープレート９間に挟持された膜電極アセンブリ１１を備える。図３に示されるように、膜電極アセンブリ１１中の膜電解質は、セパレータープレート９のエッジを超え、そして接点２を分割するスロット中に伸び、それによって燃料電池スタック１０に対してデバイス１を整列することを支援し、そして隣接する接点２間の短絡を防ぐ。（ナイロンまたはその他の適切な材料から作製される）保持具１２は、プリント回路板５ａをもつデバイス１を整列するため、およびこれら２つをともに保持するために供される。圧縮力（矢印１３によって示される）が、対応圧縮バー（図示せず）により付与され、これは、金属製接点６をデバイス１に対して圧縮し、そしてまたはデバイス１をセパレータープレート９に対して圧縮する。対応圧縮バーはスタック上に実装され得、そして１つの端部がスタック中の動きを収容するために浮遊（転置）される。
【００２５】
先行する図面に示されるエラストマーベースの電気的接触デバイスは、複数の燃料電池への信頼性ある接続を提供する。このデバイスは、迎合的であり、そして操作間のスタックの寸法変化を取り扱い得（このデバイス中で用いられる材料は、燃料電池スタック中で用いられる材料と類似であり、そしてそれ故、類似の熱膨張性質を有する）、そしてスタックにより経験される代表的なショックおよび振動をとり扱い得る。カーボン含浸デバイスの電気抵抗は、電圧測定を受容可能であるに十分低く、なお、接点間の短回路の事象で有意な電流を防ぐに十分高い。接触されているセパレータープレートに類似である非金属製導体の使用は、接点とセパレータープレートとの間のインターフェースにおける任意の有意な腐食を避ける。
【００２６】
先行する図面に示された実施形態の代替実施形態は、容易に認識され得る。例えば、支持体は、代わりに、電気的に絶縁性の材料から作製され得、そして接点は、この絶縁性支持体を通じ、なおそれによって保持されて伸び得る。別のオプションとして、より少ない（デバイスあたり１つ程度）または１１より多い接点が所定のデバイスで採用され得る。この数は、種々の部材の寸法および所望の許容度に一部依存する。
【実施例】
【００２７】
接触デバイスを、電池電圧モニタリング装置を、７２ｋｗ固体ポリマー電解質燃料電池スタックに連結する目的のために製作した。これらのデバイスは、示され、および上記のような層状構造を有し（すなわち、交互するカーボン含浸シリコーン層、およびシリコーン層からなる）、そしてＺ−ａｘｉｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ Ｃｏ．によって下請製造された。この適用に受容可能なデバイスは、図１に関して、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向にそれぞれ約１ｃｍ、２．５ｃｍ、０．５ｃｍであった。
【００２８】
７２ｋｗスタックをモニタリング装置とともに５００時間に亘り連続的に稼動し、接点欠陥または電池短絡は観察されなかった。金スプリングフィンガー接点が採用された先の試行では、操作の平均約３８０時間毎に欠陥（フィンガー破壊、腐食に起因する接点損失、または電池短絡のいずれか）が生じた。
【００２９】
１１０電池スタック中のセパレーターに接続された類似のデバイスを用いる別の試験では、各接点の抵抗（すなわち、各接点のセパレーター接続のインターフェース抵抗）が、スタック操作の前に記録された。接点抵抗は、初期には、すべて約３００〜５００オームの範囲であった。連続操作の２時間後、各接点の抵抗を再び記録した。セパレーター接続への接点のすべてについて、接点抵抗の変動は観察されなかった。次いで、類似の１１０電池スタック実施形態を振動試験に供した。再び、各接点の初期の接点抵抗は、約３００〜５００オームの範囲であった。次いで、このスタックを、ＵＳＡＢＣおよびＩＥＣ−６８−２−６耐久性試験条件（３．５ｇ加速で振動数範囲１０〜１９０Ｈｚおよび高振動数で０．７５ｇ）に従って横方向に振動した。接点抵抗は、振動試験の後、３００オーム未満であった。非金属製接触デバイスは、スタック中のセパレータープレートへの信頼性ある接点を作製し、そして従来の金属製接触デバイスを超える改良された性能を示す。
【００３０】
本発明の特定の部材、実施形態および適用を示し、そして説明してきたが、勿論、本発明は、それらに制限されないことを理解すべきである。なぜなら、本開示の思想および範囲から逸脱することなく、特に先行する教示を考慮して、当業者により改変がなされ得るからである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の櫛形状の電気的接触デバイスの斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施例の電気的接触デバイスの実際の顕微鏡写真の平面図であり、そして交互する導電性（より濃い）および非導電性（より薄い）層を示す。
【図２】図２は、個々の燃料電池の電圧を測定するために、燃料電池スタックに複数の接触デバイスを実装するためのプリント回路板装置を示す。
【図３】図３は、固形ポリマー電解質燃料電池スタック中の複数のセパレータープレートと接触する電気的接触デバイスを示す。

Claims (20)

1. 燃料電池と接触するための電気的接触デバイスであって：
   非金属製の導電性エラストマー組成物を含む少なくとも１つの電気的接点；および
   該電気的接点が実装される支持体、を備える、デバイス。
2. 前記支持体上に実装され、そして互いに電気的に絶縁されている複数の電気的接点をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記エラストマー組成物が、エラストマーおよび非金属製の電気的導体を含む、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記導体が、カーボンまたは導電性ポリマーである、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記エラストマーが、シリコーンを含む、請求項３に記載のデバイス。
6. 前記電気的接点が、重層され、そして交互する電気的に導電性のエラストマー組成物層および電気的に非導電性のエラストマー層を含む、請求項３に記載のデバイス。
7. 前記電気的接点が、３より多い交互する電気的に導電性のエラストマー組成物層を含む、請求項６に記載のデバイス。
8. 前記支持体が、重層され、そして交互する電気的に導電性のエラストマー組成物層および電気的に非導電性のエラストマー層を含む、請求項６に記載のデバイス。
9. 前記接点が、前記支持体と単一である、請求項８に記載のデバイス。
10. 前記電気的接触デバイスの抵抗が、約５００〜１５００オームの範囲にある、請求項１に記載のデバイス。
11. 前記接点の接触面が矩形である、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記接点がパッドを備える、請求項２に記載のデバイス。
13. 前記複数の電気的接点および前記支持体が、櫛を形成する、請求項２に記載のデバイス。
14. 複数の金属製接点を備える回路板をさらに備え、ここで、該回路板中の金属製接点が、前記支持体中の電気的接点と係合する、請求項２に記載のデバイス。
15. 請求項１に記載の電気的接触デバイスを備える、燃料電池。
16. 前記燃料電池が、固体ポリマー電解質燃料電池である、請求項１５に記載の燃料電池。
17. 前記電気的接点が、セパレータープレートと接触する、請求項１５に記載の燃料電池。
18. 前記セパレータープレートが、カーボンを含む、請求項１７に記載の燃料電池。
19. 前記電気的接触デバイスが、前記燃料電池に、前記電気的接点が前記支持体と前記セパレータープレートとの間に圧縮されるように実装されている、請求項１７に記載の燃料電池。
20. 燃料電池と電気的に接触する方法であって：
    非金属製の導電性のエラストマー組成物を含む少なくとも１つの電気的接点を提供する工程；
    該電気的接点を支持体上に実装する工程；および
    該支持体と燃料電池との間に該電気的接点を圧縮する工程、を包含する、方法。