JP2008541389A - Sofcスタック - Google Patents
Sofcスタック Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008541389A JP2008541389A JP2008511549A JP2008511549A JP2008541389A JP 2008541389 A JP2008541389 A JP 2008541389A JP 2008511549 A JP2008511549 A JP 2008511549A JP 2008511549 A JP2008511549 A JP 2008511549A JP 2008541389 A JP2008541389 A JP 2008541389A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sofc stack
- substrate
- contact element
- stack according
- contact
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 25
- 229910021525 ceramic electrolyte Inorganic materials 0.000 claims abstract 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 20
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 13
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 9
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 3
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 3
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017563 LaCrO Inorganic materials 0.000 description 1
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000428 cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N cobalt(ii) oxide Chemical compound [Co]=O IVMYJDGYRUAWML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000003115 supporting electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002459 sustained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
- H01M4/8621—Porous electrodes containing only metallic or ceramic material, e.g. made by sintering or sputtering
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/88—Processes of manufacture
- H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
- H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
- H01M4/8885—Sintering or firing
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0206—Metals or alloys
- H01M8/0208—Alloys
- H01M8/021—Alloys based on iron
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0232—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0241—Composites
- H01M8/0243—Composites in the form of mixtures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
- H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0215—Glass; Ceramic materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本発明は、セラミック電解質を有する隣接する2個の燃料電池の電極(3,4)を接続するための双極板(5)を具備し、この双極板(5)が、各々1枚の基板(6)と、この基板(6)に連結され基板の片側または両側に設けられた1個または複数個の接触要素(7)とを備えているSOFCスタックに関する。双極板は、基板(6)が剛性を有し、かつ気密であり、接触要素(7)が弾性であるかまたは塑性変形可能であり、かつ基板(6)の平面に対して垂直にガスを通過するように配置または形成されていることを特徴とする。双極板(5)はSOFCスタックを機械的に安定させ、電極(3,4)の確実な接触を保証する。電極(3,4)の製作誤差と、熱膨張またはクリーププロセスによるスタックの構成要素の相対的なずれが補正可能である。
Description
本発明は、請求項1の前提部分に記載したSOFCスタックに関する。
複数の平面状燃料電池の配置構造が燃料電池スタックと呼ばれている。燃料電池はイオン電導性電解質、電極および電極を接触させるためおよび電極面にわたって燃料を分配するための要素からなっている。
燃料電池は一般的に、使用される電解質の材料によって区別される。電解質は更に、運転条件、特に運転温度を決定する。ここで使用される固体酸化物形燃料電池(SOFC−Solid oxide Fuel Cell)は800°C以上の温度で運転される。両側において2個の電極、すなわちアノードとカソードを介して接触させられるイオン電導性電解質としては、O2-イオンを伝導するが電子を絶縁するセラミックスが使用される。このようなセラミックスは例えばイットリウム安定化酸化ジルコニウムYSZである。セラミックスの導電性が良くないために好ましくは薄く形成された電解質(<50μm)は、自己支持形態または非自己支持形態で、例えばいわゆるASE(アノード支持電解質)として使用される。電極としては同様に、セラミック層、事情によっては金属を添加したセラミック層が使用される。電解質と電極からなるユニットはMEA(膜電極アセンブリmembrane electrodeassembly)と呼ばれ、燃料電池の基礎を形成している。
燃料電池スタック内では、個々の燃料電池が多数、電気的に直列に接続される。そのために、2個のMEAの間に、MEAのアノードを次のMEAのカソードに電気的に接続する要素が1個ずつが配置されている。電極面全体にわたってできるだけ良好な接触が要求される。この要素は双極板、インターコネクタまたは電流コレクタと呼ばれる。
燃料電池のアノードには通常は水素を含む還元燃料が供給され、カソードには酸化剤、例えば空気が供給される。双極板は2個のMEAの電気的接続のほかに、このガスの分離と、電極面上へ燃料と酸化剤の供給および分配の働きをする。そのために通常は、双極板の各側に、ガスを案内するための通路が形成されている。この通路は燃料電池のエッジ範囲において束ねられて外部のガス供給部に接続され、周囲に対して封止されている。
燃料電池スタックの両端には、いわゆる端板が使用される。この端板は一般的に、機械的な安定性をよくし、電極の平面に対して平行に流れを排出できるようにするために、双極板よりも厚くなっており、そして一方の側にのみガス案内の通路を備えている。端板のそのほかの構造および機能は双極板に類似しているので、以下において双極板について述べることは、端板にも当てはまる。
セラミック材料または金属からなる双極板が従来技術によって知られている。セラミック材料としては例えばLaCrO3が使用される。というのは、SOFCの運転温度が高い場合に、この材料は十分な導電性を有し、電解質の熱膨張状態に良好に適合可能であるからである。このような大きな面積のセラミック板の加工が困難であるので、製作コストが高いという欠点がある。双極板用の金属材料としては、フェライト合金を使用することができる。この合金の表面には酸化層が形成され、この酸化層によって金属の必要な耐食性が達成され、導電性が非常に損なわれることがない。双極板用のこのような合金は特許文献1(酸化アルミニウム層および/または酸化クロム層)あるいは特許文献2(酸化マンガン層および/または酸化コバルト層)から知られている。この両方(セラミック材料/金属材料)の場合、従来技術によるSOFCスタック用双極板は剛性があり、所定の厚さに形成されている。
燃料電池スタックの他の構成要素は、スタックを外部に対して封止するシールである。このシールは一般的に双極板と同じ平面内に設けられている。通常は、例えばソルダーガラスからなる剛性のあるシールが使用される。
個々の構成要素(燃料電池、双極板および端板)を1つのスタックに組み立てるために一般的に、2つの異なる方策が用いられる。
一方の方策では、スタックの材料結合的な連結が行われる。その際、個々の燃料電池はそのエッジに、双極板の周りに塗布されて硬化する封止ペースト、例えばソルダーガラスを備えている。この封止ペーストはスタックの加熱時、いわゆる接合時に硬化し、燃料電池を互いに連結する。電極の良好な接触のために、双極板が付加的にセラミックペースト層を備えることが知られている。このセラミックペースト層は好ましくは、接触させられる電極に一致する化学的組成を有する。このようなペーストは例えば特許文献3から知られている。しっかりと接合されたこの燃料電池スタックの場合、シールの後の収縮または広がりあるいは双極板の融解またはクリープが、スタックの接触損失または漏れを生じるという欠点がある。その理由は、シールや双極板の厚さの変化に対する補償要素が設けられていないことにある。
他の方策では、スタックが可撓性シールを備え、圧縮されている。この場合、外部に補償要素が設けられている。特許文献4には、ばねとして作用する緩衝要素がスタックの外側において予圧縮力路内に設けられているSOFCスタック用構造体が記載されている。この緩衝要素により、広い温度範囲にわたってほぼ一定の押圧力が達成される。特許文献5には、SOFCスタックを予圧縮するために、棒状の圧縮要素が設けられている。この場合、使用される材料の組み合わせによって、スタックに適合した熱膨張係数が得られる。これにより、広い温度範囲にわたって接触力を一定に保つかあるいは温度に依存して制御して所定の方法で変化させることができる。この方策の場合、弾性要素または補償要素がその都度外部に取り付けられ、それによって双極板や電極の製作誤差が補償されないし、更にシールが持続的に弾性でないと確実な接触が保証されない。
低温型燃料電池、例えば約100°Cで運転されるPEMFC(ポリマー電解質膜燃料電池)の場合、スタックを組み立てるための他の方策が知られている。この方策の場合、スタック内に、弾性的な補償要素が挿入される。このような補償要素は例えば電極と双極板の間で接触を良好にするために使用されるグラファイト繊維の目の細かい網であるかまたは弾性的に形成された双極板である。更に、電解質として使用されるポリマーフィルムも弾性である。この方策の場合、製作誤差も熱膨張も接触要素によって補償可能である。これは電極の確実な接触をもたらす。同時に、外部の補償要素を省略することができるので、スタックの構造がコンパクトになる。
SOFCの高い運転温度では、少数の材料だけしか持続的な弾性を発揮せず、従って内部補償要素として適していない。PEMFCの変形可能なポリマー膜と異なり、SOFCのセラミックMEAは更に壊れやすい。この理由から、SOFCスタックの場合には、内部補償要素を有する満足できる方策は今まで実現されていない。
DE 197 05 874 A1
DE 100 50 010 A1
DE 199 41 282 A1
DE 196 45 111 C2
US 2002/0142204 A1
そこで、本発明の課題は、上記の要求を満たし、SOFCスタックのコンパクトな構造にも製作コストにも悪影響を与えない内部補償要素を備えたSOFCスタックを提供することである。
この課題は本発明に従い、双極板を具備し、この双極板が各々1枚の基板と、この基板に連結され基板の片側または両側に設けられた1個または複数個の接触要素とを備えている、SOFCスタックにおいて、基板が剛性を有し、かつ気密であり、接触要素が弾性であるかまたは塑性変形可能であり、かつ基板の平面に対して垂直にガスを通過するように配置または形成されていることによって解決される。
双極板の接触要素は本発明に従い内部補償要素を提供する。双極板は一方ではその基板によって剛性であるので、スタックを安定させ、MEAの破壊を防止する。双極板は他方では、接触要素により、電極の製作誤差または熱膨張またはクリーププロセス等に基づく局部的な厚さの差を補償することができる。
接触要素のガス透過性は反応ガスを電極に供給する働きをする。ガスの横方向分配は基板と接触要素の間で、場合によっては基板に加工された付加的な通路によって行われる。
内部補償要素を双極板に統合することにより、付加的な構成要素をスタックに挿入する必要がない。それによって、スタックの組み立てが複雑になることもないし、コンパクトな構造に悪影響を与えることもない。
有利な実施形態、例えば寸法形状や材料選択に関する有利な実施形態は、従属請求項の対象である。
次に、図に示した実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
図は本発明によるSOFCスタックの実施の形態を示す概略的な横断面図である。SOFCスタックの一部だけが示してある。燃料電池のMEA1が示してある。このMEA1はそれぞれ、電解質2と2個の電極のカソード3およびアノード4を備えている。MEA1の間または上方および下方には、基板6と接触要素7とからなる双極板5が設けられている。SOFCスタック内において外側の双極板5の上方および下方には、図示していない他のMEA1が接続している。剛性のあるシール8が双極板5の周囲において個々のMEA1の間に配置されている。
この実施の形態において、接触要素7はエキスパンデッドメタルによって製作されている。材料としては、希土類金属の微細高分散性酸化物を加えたフェライト金属が使用される。このような金属合金は、高温でも高い弾力性を有するという利点がある。というのは、微細な添加物が材料の大粒の再結晶化を阻止するからである。この材料の薄板は適切に切断され、そして伸ばされる。これにより、薄板の平面に対して垂直方向に弾性的である三次元構造体が生じる。接触要素7として使用する場合、上方に突出した突起部が接触点として作用し、切り込み部がガス通路として作用する。切り込み部の配置および長さを変更することにより、接触点の密度とガス通路の大きさとの相互の最適な調和をはかることができる。
最良のガス分布を保証するために、ガス通路の配置および/または大きさが異なる、上下に配置された多数のエキスパンデッドメタル製接触要素7を使用することができる。この場合、MEA1の近くにある接触要素7が、双極板5の近くにある接触(弾性)要素7よりも大きな密度で配置された一層小さなガス通路を有すると有利である。
接触要素7が電極の接触すべき面全体にわたって1つの部材で作られていると有利である。複数の接触要素7を並べてまたは上下に配置して使用する場合には、接触要素を例えば溶接によって材料結合的に相互連結すると有利である。それによって、表面酸化による、個々の接触要素7間の電気的な接触抵抗の上昇を防止することができる。
基板6のために同様にフェライト金属が使用される。基板の材料厚さは、基板6によってスタックが機械的に安定するように選定されている。接触要素7は基板6の両側に、例えばレーザ要素または点溶接によって材料結合的に連結されている。
基板6内には、燃料および/または酸化剤を分配するための通路を加工形成することができる。ガス分配は接触要素7の開放組織構造のみによって行うこともできる。
接触要素7の鋭いエッジによる電極3,4の損傷を防ぐために、伸ばした後で、突出する尖端部を圧延プロセスによって平滑にすることができる。これによって更に、接触要素が所定の厚さになる。他の方法では、圧力ピークを防止するために、接触要素7と電極3,4の間に多孔性の金属箔が挿入される。その結果更に、電極3,4の平面の方向の導電性が高められるという利点が生じる。金属箔は例えば溶接によって接触要素7に連結可能である。
図示した実施の形態では、接触要素7は弾性の特性を有するので、MEAの製作誤差と、熱膨張またはクリーププロセスによって生じるスタック構成要素の相互のずれを補正することができる。更に、衝撃や振動のような外部の影響による接触不調を防止することができる。
本発明の他の実施の形態では、上記と同じ作用が、塑性変形可能な接触要素7によって達成可能である。そのために、冒頭で述べた従来技術に従って、硬化するセラミックペーストを用いて、接触要素7に溶接された多孔性金属箔が、カソード3またはアノード4に材料結合的に連結される。その際、セラミックペーストはスクリーン印刷によってまたは吹き付け法によって塗布可能である。
エキスパンデッドメタルからの接触要素7の上記製作のほかに、接触要素の他の製作方法が存在する。例えば薄板に穴を打ち抜き、薄板を弾性的な三次元構造体(波、台形等)に型打ち可能である。その代わりに、U字状の切り込みを薄板に打ち抜き形成し、発生した突出部を弾性的な舌片として薄板平面から押出し形成可能である。類似の方法で、渦巻き状または円形の切り込みを打ち抜き形成することができる。この切り込みは渦巻きばねまたは皿ばねを形成することになる。三次元的な構造体と材料内の貫通穴を有する薄板に基づく、明確に説明しなかった他の実施の形態が考えられ、本発明によるSOFCスタックの双極板5として適当な基板6と共に使用可能である。
1…MEA(ダイヤフラム電極アセンブリ)、2…電解質、3…カソード、4…アノード、5…双極板、6…基板、7…接触要素、8…シール
Claims (17)
- セラミック電解質を有する隣接する2個の燃料電池の電極(3,4)を接続するための双極板(5)を具備し、
この双極板(5)が、各々1枚の基板(6)と、この基板(6)に連結され基板の片側または両側に設けられた1個または複数個の接触要素(7)とを備えている、
SOFCスタックにおいて、
基板(6)が剛性を有し、かつ気密であり、
接触要素(7)が弾性であるかまたは塑性変形可能であり、かつ基板(6)の平面に対して垂直にガスを通過するように配置または形成されていることを特徴とするSOFCスタック。 - 基板(6)の材料がフェライト鋼であることを特徴とする請求項1に記載のSOFCスタック。
- 基板(6)が希土類金属の高分散性酸化物の添加剤を含む金属からなることを特徴とする請求項1または2に記載のSOFCスタック。
- 基板(6)がガスを分散させるための通路を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 接触要素(7)の材料がフェライト鋼であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 接触要素(7)が希土類金属の高分散性酸化物の添加剤を含む金属からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 接触要素(7)がエキスパンデッドメタルによって作られていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 接触要素(7)が穴を打ち抜き加工した波形薄板からなっていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 接触要素(7)が弾性的な舌片を型打ち加工した薄板からなっていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 基板(6)と接触要素(7)が材料結合的に相互連結されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 基板(6)と接触要素(7)が互いに溶接されていることを特徴とする請求項10に記載のSOFCスタック。
- 少なくとも1つの多孔性金属箔が設けられ、この金属箔が接触要素(7)の全面に配置されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載のSOFCスタック。
- 少なくとも1つの多孔性金属箔が、接触要素(7)に材料結合的に連結されていることを特徴とする請求項12に記載のSOFCスタック。
- 少なくとも1つの多孔性金属箔と接触要素(7)が互いに溶接されていることを特徴とする請求項13に記載のSOFCスタック。
- 少なくとも1つの多孔性金属箔と接触要素(7)が、SOFCスタックの運転温度で硬化する導電性セラミックペーストによって互いに連結されていることを特徴とする請求項12に記載のSOFCスタック。
- 少なくとも1つの多孔性金属箔と接触される電極(3,4)とが同様に、SOFCスタックの運転温度で硬化する導電性セラミックペーストによって互いに連結されていることを特徴とする請求項15に記載のSOFCスタック。
- セラミックペーストの化学的な組成が接触される電極(7)の組成に一致していることを特徴とする請求項15または16に記載のSOFCスタック。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102005022894A DE102005022894A1 (de) | 2005-05-18 | 2005-05-18 | SOFC-Stapel |
PCT/DE2006/000853 WO2006122534A2 (de) | 2005-05-18 | 2006-05-18 | Sofc-stapel |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008541389A true JP2008541389A (ja) | 2008-11-20 |
Family
ID=37125352
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008511549A Withdrawn JP2008541389A (ja) | 2005-05-18 | 2006-05-18 | Sofcスタック |
Country Status (10)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20090297904A1 (ja) |
EP (1) | EP1882279A2 (ja) |
JP (1) | JP2008541389A (ja) |
KR (1) | KR20080008408A (ja) |
CN (1) | CN101223664A (ja) |
BR (1) | BRPI0610685A2 (ja) |
CA (1) | CA2608813A1 (ja) |
DE (1) | DE102005022894A1 (ja) |
RU (1) | RU2007146984A (ja) |
WO (1) | WO2006122534A2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019091684A (ja) * | 2017-11-15 | 2019-06-13 | 日本碍子株式会社 | セルスタック |
WO2023119603A1 (ja) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | 日産自動車株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
WO2023119602A1 (ja) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | 日産自動車株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
Families Citing this family (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008036848A1 (de) * | 2008-08-07 | 2010-02-11 | Elringklinger Ag | Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einer Elektrode und einer Bipolarplatte sowie Brennstoffzelleneinheit |
DE102008052945B4 (de) | 2008-10-23 | 2014-06-12 | Staxera Gmbh | Brennstoffzellenstapel und Verfahren zu dessen Herstellung |
JP5337936B2 (ja) * | 2008-11-28 | 2013-11-06 | 日産自動車株式会社 | 固体高分子形燃料電池 |
FR2950635B1 (fr) * | 2009-09-28 | 2011-09-09 | Areva | Dispositif d'electrolyse |
WO2012040253A1 (en) | 2010-09-20 | 2012-03-29 | Nextech Materials, Ltd. | Fuel cell repeat unit and fuel cell stack |
CN102456906A (zh) * | 2010-10-27 | 2012-05-16 | 扬光绿能股份有限公司 | 燃料电池堆 |
JP6294826B2 (ja) | 2013-02-07 | 2018-03-14 | 日本特殊陶業株式会社 | 燃料電池およびその製造方法 |
DE102013206590A1 (de) | 2013-04-12 | 2014-10-16 | Elringklinger Ag | Interkonnektorelement und Verfahren zur Herstellung eines Interkonnektorelements |
CN103236513B (zh) * | 2013-05-03 | 2015-06-03 | 北京科技大学 | It-sofc电池堆合金连接体及电池堆的连接方法 |
JP6123642B2 (ja) * | 2013-11-08 | 2017-05-10 | トヨタ自動車株式会社 | 全固体電池の充電システム |
CN103700801A (zh) * | 2013-12-30 | 2014-04-02 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种固体氧化物燃料电池堆及其电池连接件 |
DE102014106491A1 (de) | 2014-05-08 | 2015-11-12 | Elringklinger Ag | Interkonnektorelement und Verfahren zur Herstellung eines Interkonnektorelements |
CN105140456B (zh) * | 2015-08-06 | 2017-08-11 | 江苏科技大学 | 一种平板式固体氧化物燃料电池 |
CN105336963B (zh) * | 2015-11-13 | 2017-10-10 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种平板式固体氧化物燃料电池用半柔性复合双极板及其制备方法 |
WO2017162214A1 (zh) * | 2016-03-25 | 2017-09-28 | 安徽巨大电池技术有限公司 | 电池组及其组装方法 |
US20190088974A1 (en) * | 2017-09-19 | 2019-03-21 | Phillips 66 Company | Method for compressing a solid oxide fuel cell stack |
DE102018212729A1 (de) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Schwellkompensationselements eines Batteriemoduls sowie Batteriemodul mit einem solchen |
CN113948748A (zh) * | 2021-10-14 | 2022-01-18 | 广东省科学院新材料研究所 | 一种连接板和固体氧化物燃料电池/电解池电堆 |
CN114899429B (zh) * | 2022-07-13 | 2022-10-14 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种双极板粘合工装 |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4016157A1 (de) * | 1989-06-08 | 1990-12-13 | Asea Brown Boveri | Vorrichtung zur umwandlung von chemischer energie in elektrische energie mittels in serie geschalteter flacher, ebener hochtemperatur-brennstoffzellen |
EP0432381A1 (de) * | 1989-10-12 | 1991-06-19 | Asea Brown Boveri Ag | Bauteilanordnung zur Stromführung für keramische Hochtemperatur-Brennstoffzellen |
EP0446680A1 (de) * | 1990-03-15 | 1991-09-18 | Asea Brown Boveri Ag | Stromkollektor zur Stromführung zwischen benachbarten stapelförmig angeordneten Hochtemperatur-Brennstoffzellen |
CH682270A5 (ja) * | 1991-03-05 | 1993-08-13 | Ulf Dr Bossel | |
DE19645111C2 (de) * | 1996-11-01 | 1998-09-03 | Aeg Energietechnik Gmbh | Raumsparende Zellstapelanordnung aus Festoxidbrennstoffzellen |
DE19705874C2 (de) * | 1997-02-15 | 2000-01-20 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Stromkollektor für SOFC-Brennstoffzellenstapel |
AUPP042597A0 (en) * | 1997-11-17 | 1997-12-11 | Ceramic Fuel Cells Limited | A heat resistant steel |
DE19941282A1 (de) * | 1999-08-31 | 2001-03-01 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Schicht zwischen Kathode und Interkonnektor einer Brennstoffzelle sowie Herstellungsverfahren einer solchen Schicht |
DE10027311A1 (de) * | 2000-06-05 | 2001-12-13 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung von Elektroden in Hochtemperaturbrennstoffzellen |
DE10033898B4 (de) * | 2000-07-12 | 2009-06-18 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Hochtemperaturbrennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel |
DE10050010A1 (de) * | 2000-10-10 | 2002-04-18 | Forschungszentrum Juelich Gmbh | Interkonnektor für eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle |
US6835486B2 (en) * | 2001-03-27 | 2004-12-28 | Fuelcell Energy, Ltd. | SOFC stack with thermal compression |
US6843406B2 (en) * | 2002-09-27 | 2005-01-18 | Battelle Memorial Institute | Gas-tight metal/ceramic or metal/metal seals for applications in high temperature electrochemical devices and method of making |
DE10317388B4 (de) * | 2003-04-15 | 2009-06-10 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Brennstoffzelle und/oder Elektrolyseur sowie Verfahren zu deren/dessen Herstellung |
-
2005
- 2005-05-18 DE DE102005022894A patent/DE102005022894A1/de not_active Ceased
-
2006
- 2006-05-18 WO PCT/DE2006/000853 patent/WO2006122534A2/de active Application Filing
- 2006-05-18 CA CA002608813A patent/CA2608813A1/en not_active Abandoned
- 2006-05-18 JP JP2008511549A patent/JP2008541389A/ja not_active Withdrawn
- 2006-05-18 RU RU2007146984/09A patent/RU2007146984A/ru not_active Application Discontinuation
- 2006-05-18 EP EP06742360A patent/EP1882279A2/de not_active Withdrawn
- 2006-05-18 BR BRPI0610685-4A patent/BRPI0610685A2/pt not_active IP Right Cessation
- 2006-05-18 KR KR1020077028597A patent/KR20080008408A/ko not_active Application Discontinuation
- 2006-05-18 CN CNA2006800263227A patent/CN101223664A/zh active Pending
- 2006-05-18 US US11/920,640 patent/US20090297904A1/en not_active Abandoned
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019091684A (ja) * | 2017-11-15 | 2019-06-13 | 日本碍子株式会社 | セルスタック |
WO2023119603A1 (ja) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | 日産自動車株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
WO2023119602A1 (ja) * | 2021-12-23 | 2023-06-29 | 日産自動車株式会社 | 固体酸化物形燃料電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102005022894A1 (de) | 2006-11-23 |
US20090297904A1 (en) | 2009-12-03 |
CA2608813A1 (en) | 2006-11-23 |
BRPI0610685A2 (pt) | 2010-07-20 |
EP1882279A2 (de) | 2008-01-30 |
KR20080008408A (ko) | 2008-01-23 |
WO2006122534A2 (de) | 2006-11-23 |
WO2006122534A3 (de) | 2007-06-21 |
CN101223664A (zh) | 2008-07-16 |
RU2007146984A (ru) | 2009-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2008541389A (ja) | Sofcスタック | |
JP3667732B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
US7745035B2 (en) | Separator and fuel cell using thereof | |
US20100196774A1 (en) | Fuel cell | |
US20040209147A1 (en) | Sealing structure for a fuel cell, as well as a method for producing it, and a fuel cell with the sealing structure | |
US8431284B2 (en) | Low electrical resistance bipolar plate-diffusion media assembly | |
JP4828841B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP2003068318A (ja) | 固体高分子型燃料電池のセル及び固体高分子型燃料電池 | |
US8071252B2 (en) | Interconnector for high-temperature fuel cells | |
JP2008508679A (ja) | 端部が保護された触媒被覆した拡散媒体と膜電極集成体 | |
JP4599115B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP4889880B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP5383650B2 (ja) | インターコネクタ構造体、該インターコネクタ構造体を有する反復ユニット、該反復ユニットを複数有する燃料電池スタック、および燃料電池スタック用のコンタクト構成を製造するための方法 | |
JPH06290797A (ja) | 積層型燃料電池 | |
JP4287364B2 (ja) | 溶融炭酸塩型燃料電池とその製造方法 | |
JPH1092447A (ja) | 積層形燃料電池 | |
US11411275B2 (en) | Spring member, fuel cell unit, fuel cell stack, and method for manufacturing fuel cell stack | |
KR20170140839A (ko) | 연료전지 셀 구조 | |
JP5181572B2 (ja) | 燃料電池のセパレータ、セパレータ製造方法及び燃料電池製造方法 | |
JP4249563B2 (ja) | 燃料電池およびその運転方法 | |
JP2006269176A (ja) | 溶融炭酸塩形の燃料電池 | |
JPH07153473A (ja) | 積層型燃料電池 | |
KR101479682B1 (ko) | 고체 산화물 연료전지의 제조방법 | |
JP4373364B2 (ja) | 平板型固体酸化物形燃料電池スタック | |
JP2005108777A (ja) | 燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20090514 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090526 |