JP2009533806A - 燃料電池用の極板、特に端板または双極板 - Google Patents

Abstract

本発明は、極板（１０，１２）の少なくとも一方の側からアクセス可能である少なくとも１つの流れ場（１６）を有する、燃料電池用の極板（１０，１２）、特に端板（１０）または双極板（１２）に関する。本発明によれば、複数のアクセス穴（１８）を経て少なくとも１つの流れ場（１６）にアクセス可能である。本発明は更に、燃料電池スタック用終端ユニットおよび繰り返しユニットと、燃料電池スタックとに関する。

Description

本発明は、極板の少なくとも一方の側からアクセス可能である少なくとも１つの流れ場を有する、燃料電池用の極板、特に端板（エンドプレート）または双極板（バイポーラプレート）に関する。本発明は更に、燃料電池スタック用の終端ユニットおよび繰り返しユニットと、燃料電池スタックに関する。

例えばＳＯＦＣ−燃料電池システムの場合、燃料電池スタックは積層された繰り返しユニットと２個の終端ユニットとからなっている。

図１，２，４および６は従来技術の極板を示している。この場合、図１は極板の概略的な断面図であり、図２は締付けによって変形した図１の極板を示し、図４は図１の部分Ｙの詳細図であり、図６は極板の斜視図である。公知の極板１０’はケーシング下側部分を形成しかつ詳細に図示していない流れ場１６’を有する流れ場板２２’と、ケーシング上側部分を形成する盲板２４’とを備えている。この盲板２４’は詳しく説明しない２つの作動媒体供給穴のほかに、アクセス穴１８’を有する。図６から最も判るように、アクセス穴から流れ場１６’にアクセス可能である。流れ場板２２’と盲板２４’は図示していない溶接継目によって気密に連結されている。アクセス穴１８’の上方および／またはアクセス穴内には、膜電極ユニット２６’が配置されている。この膜電極ユニットははんだガラスを用いて盲板２４’のエッジ領域に固定されている。実際の実施形の場合に付加的に設けられるシール、接触を行う層等は、見やすくするために図示していない。

膜電極ユニット２６’は例えば主としてイットリウム安定化酸化ジルコニウムにより製作可能であり一方、極板１０’はフェライト鋼によって製作可能である。このような異なる材料は異なる膨張係数を有し、この異なる膨張係数は、熱的な周期的変化の際に応力を生じる（例えばＳＯＦＣ燃料電池システムの場合、温度が室温と８００°Ｃ以上の動作温度との間で変動しうる）。イットリウム安定化酸化ジルコニウムとフェライト鋼は基本的には、塑性変形せずに引張り応力と圧縮応力を吸収することができる。しかしながら、特に図１から判る、狭いエッジを有する極板１０’の三次元構造により、曲げモーメントが発生し、それに伴い構造体が曲がることになる。更に、機械的な座屈による回避動作を生じることになる。膜電極ユニット２６’が、例えば室温で、圧縮応力を受け、流れ場板２２’と盲目板２４’からなる極板１０’が引張り応力を受けると、図４に示すような曲げモーメントが発生する。その際、圧縮応力と引張り応力の合力Ｆが腕の長さＬ_１で働く。この曲げモーメントは図２に示すように、極板１０’を変形させることになる。図示した変形は応力の弛緩である。つり合いが生じ、その際長さも変化する。例えば、図２に示した寸法ｘ_２は図１に示した寸法ｘ_１よりも大きい。

図２に示すような、繰り返しユニットまたは終端ユニット３０’の変形は、シールの割れ目および／または電気接点の引き剥がしまたは滑り落ちをもたらしうることになる。

そこで、本発明の根底をなす課題は、熱的な周期的変化の際の燃料電池スタック用終端ユニットおよび／または繰り返しユニットの変形を十分に低減させることである。

この課題は独立請求項に記載した特徴によって解決される。

本発明の有利な実施形と発展形態は、従属請求項から明らかである。

本発明に係る極板は、一般的な従来技術において、複数のアクセス穴を経て少なくとも１つの流れ場にアクセス可能であるように構成されている。この解決策は、大きな１つのアクセス穴の代わりに、複数の小さなアクセス穴が設けられている場合、アクセス穴の間に設けられた材料が構造体を補強し、曲げモーメントを小さくするという認識に基づいている。それによって、結果的に、終端ユニットおよび／または繰り返しユニットの変形が非常に小さくなる。これにより、周期的変化に対する強さが改善される。シールがもはや割れないので、シール性が改善される。更に、電気接点の引き剥がしまたは滑り落ちが防止されるので、燃料電池スタック全体の接点、すなわちアノード、カソード等の接触部の接点が劣化しにくくなる。

本発明の有利な実施形では、複数のアクセス穴が少なくとも１個または複数の補強ブレースによって互いに分離されている。例えば、長方形または正方形の大きな１つのアクセス穴を、互いに垂直に配置された補強ブレースによって、長方形または正方形の小さな複数のアクセス穴に分割することができる。これに関連して、後で詳しく説明するように、補強ブレースがいわゆる盲板の材料によって形成されると、きわめて有利である。

更に、本発明に係る極板にとって、極板が少なくとも１つの流れ場を有する流れ場板と、複数のアクセス穴を有する盲板とを備えていると有利である。従来技術に類似して、流れ場板と盲板は、例えば溶接によって、互いに気密に連結される。

本発明に係る極板の有利な実施形の場合、極板の少なくとも一部が鋼、特にフェライト鋼からなっている。フェライト鋼は例えば、ＳＯＦＣ燃料電池システムの運転時に発生するような温度に耐えるために適している。

更に、本発明に係る極板にとって、少なくとも１つの流れ場が水素を含む作動ガスを膜電極ユニットに供給するために設けられていると有利である。従来技術に類似して、膜電極ユニットは例えば大部分をイットリウム安定化酸化ジルコニウムによって製作可能である。

本発明に係る極板のある実施形態では、極板が端板である。燃料電池スタックの１枚の端板にとって、端板が水素を含む作動ガスを分配するための流れ場を含んでいることで十分である。

本発明に係る極板の他の実施形の場合、極板が双極板であり、アクセス穴とは反対の双極板の側に、酸素を含むガスを他の膜電極ユニットに供給するための分配手段が設けられている。この分配手段は例えば通路状に形成され、流れ場とは反対の流れ場板の側に固定されているかまたは流れ場と一体に形成されている。

本発明に係る燃料電池スタック用終端ユニットは特に、端板の少なくとも一方の側から複数のアクセス穴を経てアクセス可能である少なくとも１つの流れ場を有する、燃料電池スタック用端板の形をした極板と、複数のアクセス穴を覆っている膜電極ユニットとを備え、少なくとも１つの流れ場は、水素を含む作動ガスを膜電極ユニットに供給するために設けられている。

本発明に係る燃料電池スタック用繰り返しユニットは特に、端板の少なくとも一方の側から複数のアクセス穴を経てアクセス可能である少なくとも１つの流れ場を有する、燃料電池スタック用双極板の形をした極板と、複数のアクセス穴を覆っている膜電極ユニットとを備え、水素を含む作動ガスを膜電極ユニットに供給するために少なくとも１つの流れ場が設けられ、アクセス穴とは反対の双極板の側に、酸素を含むガスを、他の終端ユニットまたは繰り返しユニットに付設した他の膜電極ユニットに供給するために分配手段が設けられている。

更に、本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る少なくとも１個の終端ユニットと、本発明に係る複数の繰り返しユニットを備えている。

次に、本発明の好ましい実施の形態を、関連する図に基づいて例示的に詳しく説明する。

図１は従来技術に係る終端ユニットの、冒頭で既に説明した断面図であり、図２は同様に冒頭で既に説明した図１の終端ユニットの変形状態を示す図であり、図３は本発明に係る終端ユニットの実施の形態の概略的な断面図であり、図４は冒頭で既に説明した図１の部分Ｙの詳細図であり、図５は図５の部分Ｚの詳細図であり、図６は従来技術に係る極板の、冒頭で既に説明した斜視図であり、図７は本発明に係る極板の実施の形態の斜視図であり、図８は本発明に係る繰り返しユニットの実施の形態の概略的な断面図であり、図９は本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態の概略的な断面図である。

図において、同一または類似の参照符号は、同一または類似の要素を示している。この同一または類似の要素は繰り返しを避けるために、その少なくとも一部については１回だけしか説明しない。

図６と図７の比較によって最もよく判るように、本発明に係る極板１０は、１つの大きなアクセス穴１８’（図６参照）の代わりに、図７に示すような多数のアクセス穴１８を有する。この多数のアクセス穴１８は盲板２４の材料によって形成された多数の補強ブレース２０によって互いに分離されている。多数のアクセス穴１８から流れ場１６にアクセス可能である。この流れ場は流れ場板２２によって形成されているかまたは収容されている。流れ場板２２と盲板２４がフェライト鋼からなっていると有利である。

図３と図５において、多数のアクセス穴１８を形成する盲板２４の領域は破線で示してある。図４と図５の比較によって判るように、腕の長さＬ_２が図４の腕の長さＬ_１と比較して、補強ブレース２０によって非常に短くなっている。それによって、より小さな曲げモーメントが、補強ブレース２０に基づいて一層剛性の高い構造体に作用する。従って、本発明に係る終端ユニット３０（図３参照）の変形と、本発明に係る繰り返しユニット３４（図８参照）の変形が、従来技術と比較して非常に小さくなる。図８に示した繰り返しユニット３４は、酸素を含むガスを他の膜電極ユニットに供給するための分配装置２８が流れ場１６とは反対の流れ場板２２の側に設けられている点が、図３に示した終端ユニット３０と異なっている。この分配装置２８は専門家によく知られている任意の適切な方法で、例えばウェブ状に形成可能である。

本発明に係る２個の繰り返しユニット３４および詳しく図示していない他の構造の終端ユニット３６と、本発明に係る終端ユニット３０との協働が図９から明らかである。図９は本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態を示している。その際、各膜電極ユニットはそれ自体公知のように、各流れ場１６を経て水素を含む作動ガスを一方の側に供給可能であり、かつ各分配装置２８を経て酸素を含むガスを他方の側に供給可能である。燃料電池スタック３２の個々の構成要素が従来技術の場合のように非対称に形成されているが、全体として小さな曲げモーメントおよび剛性の大きな構造が生じる。この構造は温度変化によって応力が生じる際に、従来技術と比べて変形が非常に小さい。

上記説明、図面および特許請求の範囲に開示した本発明の特徴は、個々においても任意の組み合わせでも本発明を実現するために重要である。

従来技術に係る終端ユニットの、冒頭で既に説明した断面図である。 同様に冒頭で既に説明した図１の終端ユニットの変形状態を示す図である。 本発明に係る終端ユニットの実施の形態の概略的な断面図である。 冒頭で既に説明した図１の部分Ｙの詳細図である。 図５の部分Ｚの詳細図である。 従来技術に係る極板の、冒頭で既に説明した斜視図である。 本発明に係る極板の実施の形態の斜視図である。 本発明に係る繰り返しユニットの実施の形態の概略的な断面図である。 本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態の概略的な断面図である。

符号の説明

１０，１０’…極板、１２…極板、１４…燃料電池、１６，１６’…流れ場、１８，１８’…アクセス穴、２０…補強ブレース、２２，２２’…流れ場板、２４，２４’…盲板、２６，２６’…膜電極ユニット、２８…分配装置、３０，３０’…終端ユニット、３２…燃料電池スタック、３４…繰り返しユニット、３６…他の種類の終端ユニット

Claims (10)

1. 極板（１０，１２）の少なくとも一方の側からアクセス可能である少なくとも１つの流れ場（１６）を有する燃料電池用の極板（１０，１２）、特に端板（１０）または双極板（１２）において、複数のアクセス穴（１８）を介して少なくとも１つの流れ場（１６）にアクセス可能であることを特徴とする極板（１０，１２）。
2. 複数のアクセス穴（１８）が少なくとも１個または複数の補強ブレース（２０）によって互いに分離されていることを特徴とする請求項１記載の極板（１０，１２）。
3. 極板が少なくとも１つの流れ場（１６）を有する流れ場板（２２）と、複数のアクセス穴（１８）を有する盲板（２４）とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の極板（１０，１２）。
4. 極板の少なくとも一部が鋼、特にフェライト鋼からなっ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極板（１０，１２）。
5. 少なくとも１つの流れ場（１６）が水素を含む作動ガスを膜電極ユニット（２６）に供給するために設けられてい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極板（１０，１２）。
6. 極板が端板（１０）であることを特徴とする請求項５記載の極板（１０，１２）。
7. 極板は双極板（１２）であり、アクセス穴（１８）とは反対の双極板（１２）の側に、酸素を含むガスを他の膜電極ユニット（２６）に供給するための分配手段（２８）が設けられることを特徴とする請求項５記載の極板（１０，１２）。
8. 請求項６記載の極板（１０）と、
   複数のアクセス穴（１８）を覆う膜電極ユニット（２６）と
   を備える燃料電池スタック（３２）用の終端ユニット（３２）。
9. 請求項７記載の極板（１２）と、
   複数のアクセス穴（１８）を覆う膜電極ユニット（２６）と
   を備える燃料電池スタック（３２）用の繰り返しユニット（３４）。
10. 請求項８記載の少なくとも１個の終端ユニット（３０）と、
    請求項９記載の複数の繰り返しユニット（３４）と
    を備える燃料電池スタック（３２）。

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