JP2007537568A - 固形電解燃料電池のためのセル - Google Patents

Abstract

固形電解燃料電池は２つの双極板（３）、（４）間に位置する電極／膜（５）ユニットを有し、また、ある距離を隔てて双極板を保持するために一方の双極板（４）と電極／膜ユニット（５）との間に配置された少なくとも１つの導電性のクロス部材（６）を有し、電極／膜ユニット（５）は、双極板により画定された領域（１０）を、第１のガス（８）の通過のための少なくとも１つのチャンネルと、第２のガス（９）の通過のための少なくとも１つのチャンネルに分割できるように、形状づけられる。燃料電池はセルのスタックから成る。

Description

本発明は、固形電解燃料電池（solid-electrolyte fuel cell）に関する。

固形電解燃料電池は電気を発生させるための電気化学装置であり、反応ガス（reagent gas）を供給される個々のセル（cell;小室）のスタック（stack;積み重ね）により構成され、そこでは、電気の発生及び熱の放出により達成される化学反応が生じる。個々のセルは２つの双極板間に介在する「膜電極組立体」（ＭＥＡ；membrane electrode assembly）で構成される。膜電極組立体は陽子伝導性のポリマー膜により構成され、この膜は電解質として作用し、２０マイクロメートル（μｍ）ないし２００μｍの範囲の厚さを有し、２つの多孔性の電極間にクランプされ、各電極は拡散層（紙又は炭素布の基体）上に付着した（プラチナ電気触媒を支持する多孔性炭素の）活性層により構成される。２つの双極板は電気を収集し、反応ガス及び冷却流体を分配するように作用する。

反応ガス（reagent gas）は、第１に、膜電極組立体の第１の側に適用される水素と、第２に、膜電極組立体の他の側に適用される酸素又は空気とを含む。２つの双極板が膜電極組立体と接触するように電気的に接続されると、水素は、アノードとなる対応する双極板により収集される電子と、膜電極組立体を通って拡散する水素イオン（Ｈ^＋）とに分解される。膜電極組立体の他の側に適用される酸素はＨ^＋イオン及びカソードとなる関連する双極板により供給される電子と反応し、水を発生させる。このような反応は２つの双極板間の電気接続部を通って流れる電流を発生させる。次いで、電流は種々の目的に使用することができる。反応の熱は双極板内を流れる冷却水により除去される。

周知の例においては、双極板はガス流れチャンネル及び冷却流体流れチャンネルを形成するためにその中に機械加工されたリブを有する厚い黒鉛板により構成される。膜電極組立体は燃料電池のための個々のセルを構成するように２つの双極板間に挟まれる。燃料電池のための複数の個々のセルは燃料電池を形成するように積層（スタック化）される。次いで、２つの隣接する個々のセルの双極板は互いに接触する。黒鉛板の形状及び機械加工の程度は、２つの隣接するセルの双極板間の接触が良好な電気的接触を保証するように均一となるような圧力を有する大きな領域にわたって生じるようなものである。このような技術は、特に５ミリメートル（ｍｍ）ないし１センチメートル（ｃｍ）程度であるそれぞれの個々のセルにとって必要な厚さのため、高価となり、燃料電池を大型化するという欠点を有する。

この形式の燃料電池の構成のコストを減少させるため、黒鉛板の代わりにステンレス鋼のシートを使用する提案がなされた。このような例においては、ガス流れチャンネル及び冷却回路はステンレス鋼のシートを折り畳むか又はスタンピング加工することにより形成されたリブによって構成される。この技術は先の技術よりも安価であるが、履行が困難であるという欠点を有する。特にその理由は、良好な電気的接触従って燃料電池の良好な効率を得るのに必要なような、複雑な形状のチャンネル及び高精度の寸法のチャンネルを形成するのが困難だからである。

本発明の目的は、黒鉛で作った双極板（bipolar plates）を有する燃料電池の構成よりも一層安価で、双極板を折り畳み及びスタンピング加工により形成されたステンレス鋼で構成したような燃料電池を使用して、良好な寸法的特性従って良好な電気的接触を達成する、固形電解燃料電池のための構成を提案することにより、上述の欠点を克服することである。

この目的のため、本発明は２つの双極板間に位置する膜電極組立体を有する形式の固形電解燃料電池のためのセルを提供し、このセルは、双極板を離間した状態で保持するような方法で、双極板の１つと膜電極組立体との間に位置する少なくとも１つの導電性のスペーサを更に有し、膜電極組立体は、双極板間で画定されたスペーサを、第１のガスを通過させるための少なくとも１つのチャンネルと、第２のガスを通過させるための少なくとも１つのチャンネルとに分割するように、形状づけられる。好ましくは、少なくとも１つのスペーサは冷却流体を受け入れるためのチューブである。

膜電極組立体は,波形とすることができ、少なくとも１つのスペーサは、少なくとも１つのガスがスペーサに平行に流れるのを許容するように、波形部に平行である。少なくとも１つのスペーサはまた、双極板と共働するその面に、ガスのための横方向の通路を提供するように少なくとも１つのくぼみを有し、それによって、第１のガスがスペーサに平行に流れ、第２のガスがスペーサに垂直に流れるのを可能にする。

少なくとも１つのスペーサは、膜電極組立体と共働するその面に、スペーサの下方で横方向の通路を提供するように少なくとも１つのくぼみを有し、活性の膜は、１つのガスがスペーサに平行に流れ、他方のガスがスペーサに垂直に流れるのを可能にするように少なくとも１つのくぼみと共働するような方法で形状づけられる。次いで、膜電極組立体は、膜電極組立体とのガスの接触面積を最大にするような方法でスペーサに平行に延びる空間内で広がるようにスペーサに対して垂直なガスの流れを許容するように、１方向において少なくとも１つのくぼみを有し、垂直方向においてくぼみを有する。好ましくは、膜電極組立体は複数のガス流れチャンネルを生じさせるように形状づけられる。好ましくは、双極板は平坦であり、例えばステンレス鋼のような導電性の金属のそれぞれのシートにより構成される。

本発明はまた本発明の少なくとも１つの燃料電池セルを有し、それと一緒に、その表面に垂直に少なくとも１つの燃料電池セルをクランプする手段を有する固形電解燃料電池を提供し、それによって、双極板とスペーサとセルとの間の接触地点で満足できる電気的接触を提供する。更に、固形電解燃料電池は、例えば、第１のガスが流れるのを許容するチャンネルと、第２のガスが流れるのを許容するチャンネルとを具備する周辺フレームを有することができ、これらのガス流れチャンネルは燃料電池のセルの対応するガス流れ空間内へ開口し、更に、燃料電池のセルの管状スペーサ内へ開口する冷却流体流れチャンネルを有する。

以下、添付図面を参照して非限定的な方法で本発明を一層詳細に説明する。図１は第１の実施の形態における燃料電池の２つの個々のセル１、１´のスタックを示す。ほぼ矩形の固形電解燃料電池の各個々のセル１、１´はスタックにより構成され、このスタックは、個々のセル１の底部から上方に向かって、ステンレス鋼の第１の平坦な板３と；膜電極組立体（ＭＥＡ）５と；セルの長手方向に延び、２つの隣接するスペーサ間で利用できる空の空間８を残すように離間した相互に平行な管状のスペーサ６と；スペーサ６上に位置するステンレス鋼の第２の平坦な板４とを有する。

各スペーサ６に整合して、膜電極組立体５は対応するスペーサと第１のステンレス鋼の板３との間に挟まれる。２つの隣接するスペーサ６間で、膜電極組立体５はスペーサ６間の空間を２つの空間９、１０に分割するように波形にされ、これら２つの空間は膜電極組立体の片側に位置し、活性ガスの流れを許容するように作用する。例として、第１のステンレス鋼の板３と膜電極組立体５との間に位置する空間９は水素ガスを受け取るのに適したチャンネルを構成し、一方、空間１０は空気を受け取るのに適したチャンネルを構成する。

チャンネル９内を流れる水素及びチャンネル１０内を流れる空気又は空気からの酸素は、膜電極組立体を通して、ステンレス鋼の板３により収集されている水素の分解により発生する電子、及び、水素イオンとステンレス鋼の板４及びスペーサ６を介して膜電極組立体５と接触している酸素とを組み合わせるのに必要な電子と反応する。反対の形状、すなわち、チャンネル９内を流れる水素及びチャンネル８を流れる空気も可能であることを認識すべきである。スペーサ６はチューブであり、例えば水のような冷却流体を運搬する。

個々のセル１に隣接する個々のセル１´は、それ自体第２のステンレス鋼の板５´と接触する膜電極組立体５´に支えられたスペーサ６´上に位置するステンレス鋼の板３と同じ方法で作られる。セル１と同じ方法において、膜電極組立体５は、水素及び空気の両方の流れのための空間９´、１０´をスペーサ６´間に画定するように、波形にされる。この構成においては、ステンレス鋼の板３は両方の個々のセル１、１´に対して共通である。

複数の個々のセルが互いに積み重ねられた（スタック化された）とき、ステンレス鋼の板３、３´又は４は隣接するセルの対に対して共通となる。この構成は、ステンレス鋼の板３、３´又は４とスペーサ６又は６´と膜電極組立体５、５´との間の接触がスペーサ６、６´の直線状の側面に沿って生じるという利点を与える。この構成により、特別な平面をなんら必要とすることなく、可撓性のステンレス鋼の板３、３´、４を使用して、良好な電気接触を有する双極板を得ることができる。

膜電極組立体（ＭＥＡ）は波形部を提供するように予め形成できるか、または、スペーサが適所に配置された後に引き続いて取り外されるジグを使用して、組み立て工程中に波形にすることができる。燃料電池の作動において、膜電極組立体（ＭＥＡ）の波形部は他方のガスよりも大きな圧力での一方のガスを使用してシェーピングされる。

燃料電池を作るために、上述した種類の複数のセルが一緒に積み重ねられる。こうするため、ステンレス鋼の板が最初に適所に配置され、これに続き、（既に形成された又はジグを使用して形成された）膜電極組立体が配置され、次いで、その上に置かれた第２のステンレス鋼のシートを伴ってスペーサが適所に配置され、このシートの上に別の膜組立体が置かれ、これに続き、スペーサが配置され、次いで、別のステンレス鋼のシートが配置され、以下同様の配置が行われる。

個々のセルのスタックが形成された後、スタックは頂部の閉鎖板と底部の閉鎖板との間に置かれ、スタックはスペーサと双極板との間の限られたレベルの接触圧力を保証するように２つの閉鎖板間でクランプされる。次いで、組立体は、反応ガスを出入りさせるための及び冷却流体を出入りさせるための開口を有するフレーム（図示せず）内に置かれる。各ガスのための及び冷却流体のための出入り（導入及び排出）開口はガス又は流体を流れさせるチャンネルと整合させられる。閉鎖板及びフレームは詳細に説明しない。その理由は、例えば、これらは従来の燃料電池に使用されるものと同じものとすることができ、当業者は困難なくこれらを作る方法を知っているからである。

従って、燃料電池は、黒鉛の板を使用する代わりにステンレス鋼のシートのような安価な材料から形成することができ、厳しい公差を保証するための特殊な手段を使用する必要はない。これは、大幅なコスト節約を達成することを可能にする。燃料電池を作るこの方法はまたステンレス鋼の板のシェーピングに固有の危険性を回避し、スタック内の良好な電気的接触を保証する。この電気的接触の特性はまた燃料電池の効率を増大させるのに役立つ。

最後に、各セルの厚さを減少させることができるため、かなりの小型化を達成できる。従来既知の例と比べ、一層薄いステンレス鋼のシートを使用することが可能であり、それによって、セルの厚さを約５％減少させることができる。ガスと膜電極組立体との間の接触面積は増大し、それによって、燃料電池の比電力を増大させる。最後に、スペーサに平行な個々のセルの縁部において、膜電極組立体はステンレス鋼のシートに対して平坦化することができ、それによって、ガスケット機能を提供することが可能になる。

図２に示す第２の実施の形態においては、個々のセルは、長手方向において波形にされた膜電極組立体１５をその上に有するステンレス鋼の板１３により、及び、第１のステンレス鋼の板１３に接触する膜電極組立体の部分上に置かれたスペーサ１６上に位置する第２の平坦なステンレス鋼の板１４により、上述のように構成される。各スペーサ１６は第２のステンレス鋼の板１４に接触するようになるその面に設けられたくぼみ１７を有する。膜電極組立体１５は、２つの平坦なステンレス鋼の板１３、１４間に位置する空間をガス流れ空間１８、１９に分割する。

平坦な板１３と膜電極組立体１５との間に位置する空間１８は、スペーサ１６に平行に延び、スペーサ１６に平行な矢印Ｇ１で示す方向でのガスの流れを許容するチャンネルである。膜電極組立体１５により、２つの隣接するスペーサにより、及び第２のステンレス鋼の板１６により画定される空間１９はくぼみ１７を介して互いに連通する。その結果、第２のガスは第１のガスの流れ方向に対して垂直な矢印Ｇ２で示す方向に流れることができる。この構成は、各ガスのための出入り手段を明確に分離するという利点を有する。

図３に示す第３の実施の形態においては、個々のセルは、図４に示す形状を有する膜電極組立体２５をその上に配置したステンレス鋼の第１の平坦な板２３により構成される。複数の相互に平行な管状のスペーサ２６は膜電極組立体２５上に位置する。ステンレス鋼の第２の平坦な板２４は管状のスペーサ２６上に位置する。図４に示す膜電極組立体２５は、膜電極組立体２５の第１の方向に平行な第１の一連の長手方向のくぼみ２０及び第１の方向に垂直な膜電極組立体の第２の方向に平行に横断方向に延びる第２の一連のくぼみ２１により構成される格子構造体を有するように形状づけられる。

第１の一連のくぼみ２０のくぼみは膜電極組立体の全長にわたって延びるが、各くぼみは両端で閉じられる。横断方向のくぼみ２１は長手方向のくぼみ２０よりも小さな高さを有し、膜電極組立体の全幅にわたって延び、膜電極組立体の縁部で開口する。スペーサ２６は膜電極組立体の横断方向のくぼみ２１に対して補足的な形状のくぼみ２７を含む。その結果、膜電極組立体２５の２つの長手方向のくぼみ２０間に位置するスペーサ２６は膜電極組立体の横断方向のくぼみ２１に嵌合し、これらの横断方向のくぼみ２１が矢印Ｇ２で示す横断方向のガスを通過させることができるようにする。

この実施の形態においては、２つのスペーサ２６間で空の空間が存在し、膜電極組立体２５及び第２のステンレス鋼の板２４は矢印Ｇ１で示す方向にガスが流れるのを許容する。膜電極組立体の横断方向のくぼみ２１と底部のステンレス鋼の板２３との間で利用できる空間は第１の方向に垂直な方向Ｇ２において第２のガスを通過させるための横方向の流れチャンネル２９を構成する。上述の実施の形態におけるように、この構成は、第１のガスのための出入り（導入及び排出）地点が第２のガスのための導入又は排出地点から分離されるのを可能にするという利点を有する。

更に、横断方向のチャンネル２９内を流れるガスが長手方向のチャンネル２０の下で広がることができるので、膜電極組立体とのガスの接触面積が最大となる。この構成においては、ガスの一方は矢印Ｇ１に対応する方向にほぼ直線状のチャンネル内を流れ、一方、第２のガスは端デッドゾーンを含む流れ空間内を流れる。その結果、ほぼ直線状のチャンネルに、水を形成するように反応するガス即ち空気、一層一般的には酸素を含むガスを供給するのが好ましい。次いで、デッド端部を含む形状を有するチャンネルには水素ガスが供給される。

上述の３つの実施の形態においては、燃料電池内での任意の１つの個々のセルの電極組立体はステンレス鋼の単一の平坦な板と一組のスペーサとの間に挟まれる。換言すれば、すべてのスペーサは膜電極組立体の同じ面上に存在する。しかし、他の構成を想定することができ、例えば、膜電極組立体は第１のステンレス鋼の板とひとつおきのスペーサとの間及び第２のステンレス鋼の板と中間のスペーサとの間の双方に挟むことができる。

膜電極組立体の特定の形状及びスペーサと平坦なステンレス鋼の板との間で膜電極組立体をクランプする方法が何であろうと、燃料電池を形成するように個々のセルのスタックを作ることが可能である。スタックは、膜電極組立体及びスペーサを第１のステンレス鋼の板上に配置し、次いで、これを第２の平坦なステンレス鋼の板で覆い、次いで、膜電極組立体及びスペーサを第２の平坦なステンレス鋼の板上に再度配置し、これを第３の平坦なステンレス鋼の板で覆い、以下これを繰り返すことにより、得られる。

出来上がったスタックは２つの閉鎖板間に配置され、スペーサと膜電極組立体との間で、平坦なステンレス鋼の板間の満足できる電気的接触を保証するように閉鎖板間でクランプされる。接触を満足できるようなものにするためには、適当な可撓性を提供するのに十分なほど平坦なステンレス鋼の板を薄くするだけで十分である。

個々のセルのスタックの一例を図５に概略的に示し、図５では、個々のセルのスタックの１／４のみを示す。この例においては、個々のセル３０はクランプ手段（図示せず）により２つの端板３１、３２間でクランプされ、この手段は任意の形式のものとすることができ、その提供方法は当業者に知られているものである。個々のセルは、上述のように、交差する経路に沿って流体の流れを許容するような形式のものである。個々のセルのスタックの側面は４つの側板（その２つのみを図で部分的に示す）により構成される。

これらの側板は、第１に、スペーサ３６に平行で、第１のガスのために流れチャンネル４０内へ開口する穴３９を備えた板３３を有し、第２に、板３３に垂直で、それに沿って冷却流体を流れさせることができるようにスペーサ３６の内部に開口する穴３と、第２の反応ガスの流れを可能にするために個々のセルのチャンネル３８内へ開口する穴３５とを備えた板３４を有する。図示の実施の形態においては、スペーサ３６は側板３４に固定される。しかし、このような形状は必須ではない。組立体は組立てられ、当業者により作り方が知られているガスケット（図示せず）によりシールが提供される。

燃料電池は閉じることができ、各流体のための流れチャンネルへ反応ガス及び冷却流体を運ぶことができ、ガス及び流体を収集することができる任意の構成を使用できることを理解されたい。

第１の実施の形態における固形電解燃料電池の２つの個々のセルのスタックの部分破断斜視図である。 第１の実施の形態の変形例における固形電解燃料電池の個々のセルの部分破断斜視図である。 固形電解燃料電池の個々のセルの第２の実施の形態を示す部分破断斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の固形電解燃料電池における個々のセルのための膜電極組立体（ＭＥＡ）の破断斜視図である。 燃料電池を閉じるための側板を備えた固形電解燃料電池のための複数の個々のセルを有するスタックの破断斜視図である。

Claims (10)

1. ２つの双極板（３、３´、４、１３、１４、２３、２４）間に位置する膜電極組立体（５、５´、１５、２５）を有する形式の固形電解燃料電池のためのセルであって、
   双極板を離間した状態で保持するように、双極板（３、４、１４,２４）の１つと膜電極組立体（５、５´、１５、２５）との間に位置する少なくとも１つの導電性のスペーサ（６、６´、１６、２６）を更に有し；
   膜電極組立体（５、５´、１５、２５）が、双極板間に画定される空間（１０、１０´）を、第１のガス（８、８´、１８、２８）を通過させるための少なくとも１つのチャンネルと、第２のガス（９、９´、１９、２９）を通過させるための少なくとも１つのチャンネルとに分割するように、形状づけられることを特徴とする燃料電池セル。
2. 少なくとも１つのスペーサ（６、６´、１６、２６）が冷却流体を受け入れるためのチューブであることを特徴とする請求項１の燃料電池セル。
3. 膜電極組立体(５、５´）が波形をしており、少なくとも１つのスペーサ（６、６´）は、少なくとも１つのガスがスペーサ（６、６´）に平行に流れるのを許容するように、波形部に平行となっていることを特徴とする請求項１又は２の燃料電池セル。
4. 少なくとも１つのスペーサ（１６）が、双極板（１４）と共働するその一面に、ガスがスペーサ（１６）に垂直に流れるのを可能にするように少なくとも１つのくぼみ（１７）を有することを特徴とする請求項１の燃料電池セル。
5. 少なくとも１つのスペーサ（２６）が、膜電極組立体（２５）と共働するその一面に、少なくとも１つのスペーサ（２６）の下方で横方向の流れチャンネル（２９）を提供するための少なくとも１つのくぼみ（２７）を有し、活性の膜（２５）は、１つのガスが少なくとも１つのスペーサ（２６）に平行に流れるのを可能にし、かつ、他のガスが少なくとも１つのスペーサ（２６）に垂直に流れるのを可能にするように、形状づけられることを特徴とする請求項１又は２の燃料電池セル。
6. 活性の膜（２５）が、膜電極組立体とのガスの接触面積を最大にするために少なくとも１つのスペーサ（２６）に平行に延びる空間内で広がるように少なくとも１つのスペーサ（２６）に対して垂直なガスの流れを許容するように、１方向において少なくとも１つの長手方向のくぼみ（２０）を有し、垂直方向において少なくとも１つの横断方向のくぼみ（２１）を有することを特徴とする請求項５の燃料電池セル。
7. 膜電極組立体（５、５´、１５、２５）が複数のガス流れチャンネルを形成するように形状づけられることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの燃料電池セル。
8. 双極板（３、３´、４、１３、１４、２３、２４）が平面であり、ステンレス鋼のような導電性の金属のそれぞれのシートにより構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかの燃料電池セル。
9. 固形電解燃料電池であって、
   双極板とスペーサとセルとの間の接触地点で満足できる電気的接触を提供するように、請求項１ないし８のいずれかの少なくとも１つの燃料電池セルと、少なくとも１つの燃料電池セルをその表面に垂直にクランプする手段とを有することを特徴とする固形電解燃料電池。
10. 第１のガスの流れを許容するチャンネルと、第２のガスの流れを許容するチャンネルとを具備する周辺フレームを更に備え、ガス流れチャンネルが燃料電池のセルの対応するガス流れ空間内に開口しており、また、冷却流体流れチャンネルが燃料電池のセルの管状のスペーサ内へ開口していることを特徴とする請求項９の固形電解燃料電池。

Images