JP2007141840A - 燃料電池組立体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
高い作動効率で比較的容積の小さい燃料電池組立体を提供する。
【解決手段】
螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36は、筐体21を備えている。複数の電池組立体18は互いに電気的に接続されるように筐体21の中に配設される。電池組立体18は、それぞれ、負極2、正極11、及び負極2と正極11との間に配設された陽イオン移動膜14を備えた少なくとも一つの膜電極組立体17を有する。酸化剤ガスを流すための酸化剤流路12が、各電池組立体18の中に設けられている。燃料ガスを流すための燃料ガス通路13が電池組立体の周りに形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池及びその製造方法に関する。具体的には、本発明は、高い作動効率を有し、容積の比較的小さい、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体及びその製造方法に関する。

燃料電池技術は、固定用途及びけん引用途に適した、クリーンで高効率のエネルギーを供給できる可能性を秘めている。一般的な使用に対応するため、燃料電池は、室温近く、好ましくは摂氏100度よりも低い温度で、適度に高い反応効率が得られる形態で最もよく用いられる。しかしながら、それらの温度において適度な電位で商業的に有用な電流を得るために、触媒の最新技術、及び膜技術は、電極間での十分な動作範囲が要求される。現在の技術では、高い表面積を得るために、大きくて平たい仕様の電極とするのが一般的である。しかしながら、この電極を得るためには、精密に仕上げられた板材、大きな長方形のシール部材、及び電池として機能するための複雑な反応物の流れ場が必要となる。これらの設計は、低い信頼性で且つ高コストの製品につながる。

燃料電池の単位容積当たりの使用表面積を改良するために良く知られた技術の一つが、燃料電池の電極組立体を螺旋状に巻くことである。しかしながら、この技術は、燃料電池の安全で且つ効率的な作動に必要な要素である、燃料ガスを酸化剤から分離する機構を含まない。その技術は、可燃燃料と、燃料電池内に導かれる酸化剤の流れとが、触媒表面に導かれる前に混合されると推測される。さらに、その技術は、動的に完全な排出物に変わる燃料−酸化剤不活性混合物（fuel-oxidizer-inerts mixture）を制御する方法を提供することはできない。

商業的に可能なパッケージ内の高表面積電極の製造に使用される方法の一つが、しばしば端子の一つとして機能を果たすこともある、円筒芯材回りに電極部材を螺旋状に巻く方法である。これは、商業的な電池産業の中で使用される、一般的で、簡単に自動化できる技術であるが、燃料電池の性質として、（電極が巻かれているという理由で）活性剤の固定化ができないものとなる。さらに、燃料電池の反応における一般的に低い効率によって、分極に起因する多大な廃熱量の除去という追加の要求が生じる。

したがって、高い作動効率で比較的小さな容積の螺旋状に巻かれた燃料電池組立体が必要とされる。

本発明は、概して螺旋状に巻かれた燃料電池組立体を対象とする。螺旋状に巻かれた燃料電池組立体は、筐体及び、この筐体内で互いに電気接触するように配置された複数の電池組立体を含む。電池組立体は、それぞれ、陰極、陽極及び、陰極と陽極との間に配設された陽イオン移動膜を備えた少なくとも一つの膜電極組立体を有する。酸化剤ガスを流すために、各電池組立体内には酸化剤流路が設けられている。また、燃料ガスを流すために、電池組立体の周りに燃料ガス通路が形成される。

本発明は更に、燃料電池組立体を組み立てる方法を対象とする。この方法は、燃料ガスを流す円筒管を準備する工程、夫々が、少なくとも一つの膜電極組立体、及び膜電極組立体によって形成される酸化剤流路若しくは酸化剤ガスを流すための組立体を備えた複数の電池組立体を準備する工程、電池組立体を円筒管周りに巻くことによって電池組立体の周りに燃料ガス通路を形成する工程、及び円筒管と電池組立体との間を流体接続する工程を含む。

図面を参照すると、本発明による螺旋状に巻かれた燃料電池組立体の図示された実施形態が、参照符号36によって概略的に示される。図2に示すように、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36は、層状で且つ、概して筒状に巻かれた構造の中で互いに物理的且つ電気的に接続された複数の電池組立体18を含む。図3、更には図4及び5に示すように、各電池組立体18は、複数の凹部4において電池組立体18に沿って互いに接続された一組の膜電極組立体（membrane electrode assembly: MEA）17を含む。図3に示すように各MEA 17は、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36の中で負極即ち、陰極として機能する、多孔性で化学的に不活性の導電層2を含む。図3〜5に示すように、負極2は、高アスペクト比（aspect ratio）を有し、複数の底面1及び凹部4を形成するように造られる。螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36の中で正極即ち、陽極として機能する多孔性で化学的に不活性の導電層11が、凹部4の外側境界形状と一致し、そして負極2の底面1と入れ子状に重なるよう造られる。

負極触媒層3が、負極2上にコーティングされる。負極触媒層3は、電着、化学蒸着（chemical vapor deposition: CVD）を用いた蒸着、塗装、或いは別の方法によって、負極2上に供給される。正極触媒層10が、正極11上にコーティングされる。正極触媒層10は、電着、化学蒸着（chemical vapor deposition: CVD）を用いた蒸着、塗装、或いは別の方法によって、正極11上に供給され得る。陽イオン移動膜14が、負極2上の負極触媒層3と正極11上の正極触媒層10との間に挟まれる。各MEA 17の形成において、負極2、負極触媒層3、陽イオン移動膜14、正極触媒層10及び、正極11が、本技術分野の当業者によって良く知られている技術によって、圧力を掛けられ共に接着され得る。

電池組立体18の夫々において、MEA 17の二つが凹部4において互いに結合されるように並設される。凹部4の間において、二つのMEA 17は、酸化剤流路12を形成すべく、互いに間隙を介して配設される。図3に示すように、凹部4の夫々において、MEA 17は突合せ面9に沿って、例えば溶接やリベット打ちのような適切な技術によって、互いに結合される。図2に示すように、隣接する電池組立体18は、夫々の底面1の間の物理的/電気的結合部において、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36内の層状構成の中で、互いに物理的且つ電気的に取り付けられる。各凹部4の凹面5が、各電池組立体18の一方側から他方側に直接的な燃料ガスの流れを許容するためのガス流孔（不図示）を形成すべく、穴を開けられる場合がある。各電池組立体18の短端部（short end）（不図示）が、先細に狭くなって閉じられる。

図3に示すように、電池組立体18の夫々の長端部において、電池組立体18内のMEA 17を保護するため、ガス通路7を持つスペーサ8が、MEA 17の正極11の間に備えられる。スペーサ8の夫々は、酸化剤ガスがガス通路7を介して通過するのを可能とする導電性の接触面6を形成し、MEA 17間に所望の間隙を保持する。各スペーサ8は、例えば、孔を持ち且つ、型打ちされた金属、鋳物、金属化された多孔室セラミック或いは、高多孔性連続気泡金属発泡体（high-porosity open-cell metal foam）であり得る。

図2に示すように、導電性の金属片である陰極管19が、正電流収集タブとして機能するため、電気接点19aにおいて備えられる電気接点と共に、スペーサ8と各電池組立体18の正極11との間に挿入される。陰極管19は、正極11の表面に対して溶接或いは他の方法で取り付けられ得る。

図2及び6に示すように、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36において、非導電性のエラストマー・シール15が、シール面15aが各エラストマー・シール15と各電池組立体18との間に設けられるように、隣接する燃料電池組立体18の長端部（long end）の間に備えられる。結合された電池組立体18は、導電性を有し、端部が閉じられて孔の空けられた円筒管25の周りに巻かれる。その円筒管25の開口端は、燃料源（不図示）に接続されている。上記円筒管25の内部から外部への燃料ガスの流れを許容し、それにより、物理的且つ電気的に結合された電池組立体18の間及び上に燃料ガス通路13を形成するため、円筒管25の長手方向に沿って通気開口26が設けられる。組立体に頑健性を加えるため、円筒管25に対して突起（不図示）を設けるようにしてもよい。最も内部にある電池組立体18は、電気接点28の複数の点によって円筒管25に電気的に結合される。電気接点28は、巻き圧力又は該電気接点28での溶接のいずれかによって保持される。円筒管25の外表面は、回路の短絡を防止すべく、絶縁ポリマー25aでコーティングされる。

図1及び図2に示すように、層状で且つ巻かれて構成される電池組立体18は、例えば高密度ポリエチレンのような非導電性の材質で、筒状の開口端を有する筐体21の中に挿入される。筐体21の閉じられている側の端部は、円筒管25を保持している。その向かい側に位置する筐体21の開口端側には、酸化剤輸送管30が設けられている。加えて、筐体21に酸化剤排出開口23を設けてもよいし、専用の酸化剤排出管（不図示）を設けてもよい。図2に示すように、環状の燃料排出孔24（燃料孔）及び上記筐体21と同心状に配設された可撓管29が、逆止弁を構成するように、筐体21の外側に設けられている。これにより燃料ガス流のパージ若しくは循環が促進される。

層状で且つ巻かれて構成され、互いに結合された電池組立体18を筐体21の中に挿入したのち、陰極管19によって陰極タブ束20（cathode tab bundle）が形成される。図1に示すように、酸化剤輸送管30は、筐体21の開口端を閉じるため、好ましくは絶縁材であるキャップ22に嵌め込まれるのが一般的である。キャップ22は一般的に、環状の溶接部27に沿って筐体21の開口端に取り付けられ、それにより、陰極タブ束20が酸化剤輸送管30の内部に挿入される。陰極タブ束20は、輸送管30の内側に溶接或いは他の方法で取り付けられ得る。キャップ22が絶縁体の場合或いは、キャップ22及び筐体21が気密性と電気絶縁性とを有する物質（不図示）によって分離されている場合、筐体21は、図2に示すような摩擦取り付け部28aを介する電気接続性を増加させるための、ニッケル・コートされた軟鋼のような導電性材質によって構成してもよい。酸化剤輸送管30は、電気導電性の材質からなり、酸化剤ガス源（不図示）に接続される。

本発明の実施において、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36は、自動車用燃料電池又は据え置き型の燃料電池に適用可能である。円筒管25は、水素のような燃料ガスを収容する燃料ガス源（不図示）に接続される。酸化剤輸送管30は、例えば酸素のような酸化剤ガス40を収容する酸化剤ガス源（不図示）に接続される。燃料ガス38は燃料ガス源から円筒管25及び通気開口26の夫々を通って流れ、燃料ガス38は最も内部にある電池組立体18の負極2（図3参照）に接触する。燃料ガス38の一部は、一般的には電池組立体18の夫々の凹面5（図3）内に設けられた燃料ガス開口（不図示）を通って、最も内部にある電池組立体18を越えて、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体の中の外側の電池組立体18に向かって徐々に流れていく。同時に、酸化剤ガス40が酸化剤ガス源（不図示）から、酸化剤輸送管30を通り、そして各電池組立体18のスペーサ8を通って酸化剤流路12内に流れる。各電池組立体18の酸化剤流路12は、凹部4付近で互いに接続されているので、酸化剤ガスは、酸化剤流路12の至るところ、即ちそれぞれの燃料電池組立体18に対して自由に流れることが可能である。

電池組立体18の夫々において、燃料ガス30は多孔性の負極2を通って流れ、そして負極2上の負極触媒層3に接触する。負極触媒層3において、水素燃料ガスがプロトンと電子に分けられることは一般的である。電子は、一般的に電気モーター（不図示）を駆動する外部回路（不図示）を通って分配され、そして正極11上の正極触媒層10に戻る。プロトンは、負極触媒層3から、陽イオン移動膜14を通って、正極触媒層10に流れる。

正極触媒層10において、外部回路から戻ってくる電子が、陽イオン移動膜14からのプロトンと結合して排水を形成する。未反応の酸化剤ガス40が、排水を、酸化剤流路12から、電池組立体18の排出端部におけるガス通路7を通して分配する。未反応の酸化剤ガス40及び排水は、筐体21の酸化剤排出開口23を通して、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36から排出される。

燃料電池組立動作が容易に自動化される工程を含むので、本発明の螺旋状に巻かれた燃料電池組立体36が効率的な製造に適していることは、本技術分野の当業者にとって当然のことである。本発明の電池成分材料は、本技術分野及び、従来の製造領域において良く知られているものである。本発明の螺旋状に巻かれた燃料電池組立体は、比較的小さな容積の中に大きな電極表面積を有する。本発明の電池組立体の螺旋構造は、平衡な内圧の下で優れた保形性能を持つ、筒状の筐体内に保持される
酸化剤ガスの供給時における流れ抵抗は、超並列横流通路（massively parallel cross-current pathways）によって低減される。これは、均一且つ高い酸化剤濃度をもたらし、そして、燃料電池冷却用の一連の不活性物質の使用を可能にする。酸化剤ガス通路は、スペーサにおける流れ抵抗を変更することで最適な水管理を行えるように調整され得る。電気経路は、ガスの流れ抵抗を増加させることなく、最大化される。本燃料電池組立体の構造は、複数の電池の直列接続によって電圧を容易に高くでき、また、電極の表面積の増加によって電流を容易に大きくできる。付属構造、例えば、ガス拡散層（Gas Diffusion Layer: GDL)を通じた拡散に起因する動的抵抗が、最小化される。もし、非導電性活性剤が使用されるならば、直列電圧を可能とするために、共通の連結管が使用され得る。部品の諸元の組み合わせによって、燃料電池コンセプトが容易に最適化される。

以上、本発明の最良の実施形態を説明してきたが、本発明において種々の修正が行われ得ること、そして特許請求の範囲が、本発明の技術思想及び範囲に含まれるそのような修正の全てを保護することを目的としていることは、認識及び理解できるであろう。

本発明による、螺旋状に巻かれた燃料電池組立体の実施形態の例の一つを示す斜視図である。 図1に示す螺旋状に巻かれた燃料電池組立体の長手方向の断面図である。 螺旋状に巻かれた燃料電池組立体の構成部品である電極組立体の一部の断面図である。 電極組立体の一部の側面斜視図である。 電極組立体の一部の端部斜視図である。 螺旋状に巻かれた燃料電池組立体の中で巻かれ、そして互いに接続された複数の電極組立体の斜視図である。

符号の説明

2． 負極
3． 負極触媒層
8. スペーサ
10． 正極触媒層
11. 正極
12． 酸化剤流路
13. 燃料ガス通路
14. 陽イオン移動膜
17． 膜電極組立体（MEA）
18． 電池組立体
19. 陰極管
21. 筐体
25. 円筒管
30. 酸化剤輸送管
36． 燃料電池組立体
38． 燃料ガス
40. 酸化剤ガス

Claims (20)

1. 筐体と、
   上記筐体内に互いに電気的に接続された状態で配設され、負極、正極、及び上記負極と上記正極との間に配設された陽イオン導電膜を備えた少なくとも一つの膜電極組立体をそれぞれ有する複数の電池組立体と、
   酸化剤ガスを流すために上記複数の電池組立体にそれぞれ設けられた酸化剤流路と、
   燃料ガスを流すために上記複数の電池組立体の周りに形成された燃料ガス通路と、を有する、
   燃料電池組立体。
2. 上記筐体には、上記酸化剤流路と流体接続される複数の酸化剤排出開口が設けられている、
   請求項1に記載の燃料電池組立体。
3. 上記筐体に支持され、上記酸化剤流路と流体接続される酸化剤輸送管を更に有する、
   請求項1又は2に記載の燃料電池組立体。
4. 上記複数の電池組立体の間に配設される複数のシール部材を更に有する、
   請求項1乃至3のいずれか一つに記載の燃料電池組立体。
5. 上記燃料ガスを流すために上記燃料ガス通路と流体接続するように設けられた円筒管を更に有し、
   上記電池組立体は、上記円筒管の周りに概略円筒状に巻かれるように配設される、
   請求項1乃至4のいずれか一つに記載の燃料電池組立体。
6. 上記円筒管には、該円筒管内と上記燃料ガス通路とを流体接続する複数の通気開口が形成されている、
   請求項5に記載の燃料電池組立体。
7. 上記筐体に支持された可撓管を更に有する、
   請求項1乃至6のいずれか一つに記載の燃料電池組立体。
8. 上記可撓管に近接する上記筐体には、複数の燃料孔が形成されている、
   請求項7に記載の燃料電池組立体。
9. 概略筒状の筐体と、
   上記筐体内に互いに電気的に接続した状態で配設され、負極、正極、及び上記負極と上記正極との間に配設された陽イオン導電膜を備えた膜電極組立体同士が結合されてなる該膜電極組立体の組を有する複数の電池組立体と、
   酸化剤ガスを流すために上記複数の電池組立体にそれぞれ設けられた酸化剤流路と、
   燃料ガスを流すために上記複数の電池組立体の周りに形成された燃料ガス通路と、を有する、
   燃料電池組立体。
10. 上記結合された膜電極組立体の組は、上記正極が上記酸化剤流路に面し、且つ上記負極が上記燃料ガス通路に面するように配置される、
    請求項9に記載の燃料電池組立体。
11. 上記電池組立体には、それぞれ、複数の底面及び複数の凹部が形成されている、
    請求項9又は10に記載の燃料電池組立体。
12. 上記電池組立体は、上記複数の底面で互いに物理的且つ電気的に接続される、
    請求項11に記載の燃料電池組立体。
13. 上記筐体には、上記酸化剤流路に流体接続される複数の酸化剤排出開口が設けられている、
    請求項9乃至12のいずれか一つに記載の燃料電池組立体。
14. 上記筐体に支持され、上記酸化剤流路に流体接続される酸化剤輸送管をさらに有する、
    請求項9乃至13のいずれか一つに記載の燃料電池組立体。
15. 上記燃料ガスを流すために上記燃料ガス通路と流体接続するように設けられた円筒管を更に有し、
    上記電池組立体は、上記円筒管の周りに概略円筒状に巻かれるように配置される、
    請求項9乃至14のいずれか一つに記載の燃料電池組立体。
16. 上記円筒管には、該円筒管と上記燃料ガス通路とを流体接続する複数の通気開口が設けられている、
    請求項15に記載の燃料電池組立体。
17. 燃料電池組立体の製造方法において、
    燃料ガスを流すための円筒管を準備する工程と、
    少なくとも一つの膜電極組立体と、酸化剤ガスを流すために上記少なくとも一つの膜電極組立体によって形成された酸化剤流路と、をそれぞれ有する複数の電池組立体を準備する工程と、
    上記電池組立体を上記円筒管の周りに巻くことによって上記電池組立体の周りに燃料ガス通路を形成する工程と、
    上記円筒管と上記電池組立体とを流体接続する工程と、を有する、方法。
18. 概略円筒状の筐体を準備する工程と、
    上記筐体内に上記電池組立体及び上記円筒管を配設する工程と、を有する、
    請求項17に記載の方法。
19. 上記筐体に、上記酸化剤流路と流体接続される複数の酸化剤排出開口を設ける工程を有する、
    請求項18に記載の方法。
20. 上記筐体に、酸化剤輸送管を備えたキャップを設ける工程と、
    上記酸化剤輸送管を上記酸化剤流路と流体接続させる工程と、を有する、
    請求項18又は19に記載の方法。