JP2008541389A - Ｓｏｆｃスタック - Google Patents

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、Ｏ^２-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ＬａＣｒＯ_３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。

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。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。

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