JP2011501368A

JP2011501368A - こけら板構造で配置された単セルを備えた燃料電池配列及びその使用目的

Info

Publication number: JP2011501368A
Application number: JP2010530342A
Authority: JP
Inventors: ツェッダ，マーリオ; オスツィポク，ミヒャエル
Original assignee: フラウンホーファー・ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デア・アンゲヴァンテン・フォルシュング・エー・ファウ
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2011-01-06
Also published as: EP2195874A1; US20110212378A1; KR20100089086A; DE102007050617A1; WO2009053069A1

Abstract

本発明は、少なくとも２つの単セルを備えた燃料電池配列に関し、単セルは、互いに非平行に、即ちオフセット又は互いにこけら板構造で配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つの単セルを備えた燃料電池配列（fuel cell arrangement：燃料電池装置、燃料電池配置）に関し、単セルが、互いに非平行（non-parallel）に配置、即ち、互いに対してオフセット又はこけら板構造（in a shingle construction：屋根板構造）で配置されている。

複数の電気化学セルの電気配線は、例えば黒鉛板のような導電性層を介して、積層配列で実装されている。このような積層型燃料電池は、そのアスペクト比から特定の用途で統合することに適さないことが多い。電気配線は、導電性層によって確保され、セルのアノードが、電圧加算のために隣接するセルのカソードに接続している。これらの導電性層は、平行に配置され、平面型燃料電池の全体構成を形成する。従って、隣接するセルの電気接続は、外部で案内される接点を介してのみ可能となる。これには、特別の構造的なスペースを必要とし、延設された電線及びこれによる一層高い電気抵抗のために電圧損失が増加する。電気配線は、現在まで、外部で案内される接点を介した平面配列か、傾斜した電流放電器を利用したものになっている。傾斜した電流放電器は、特に、動作中に生じる一般的燃料電池層構造での厚み変化を補償できない。その結果、電流放電器と燃料電池電極との間の接触抵抗が変化して弱められ、出力が減じる。

上記した不都合に鑑みて、本発明の目的は、複数の単セルの電気配線が確保され、電気配線が、できる限り特別な電流放電器を不要とし、できる限りシンプルになるようにする燃料電池配列を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の燃料電池や、請求項１６に記載の使用目的によって解決される。各従属請求項によってより有利に展開される。

本発明に係る燃料電池は、少なくとも２つの電気化学単セルを備え、各前記電気化学単セルは、
ａ）アノード側に配置された少なくとも１つの電流放電機構（１）と、
ｂ）燃料供給源と、
ｃ）アノード側電極（６）と、膜（５）と、カソード側電極（４）とを備えた膜電極構造（ＭＥＡ）と、
ｄ）オキシダント供給源と、
ｅ）カソード側に配置された少なくとも１つの電流放電機構（８）と、を備え、
各前記電気化学単セルは、少なくとも１つの隣接する前記電気化学単セルに対して電気的に直接に接続され、前記少なくとも１つの隣接する電気化学単セルに対してオフセットして配置されている。

本発明の要旨は、単セルが互いに電気的に直接に接続されていることにある。例えば、直列に（in series）接続された単セルの配列では、第１のセルのカソードが直接に第２のセルのアノードに接続されることになる。燃料電池の電極は、追加の電極接続手段、例えばケーブル、ワイヤー又は接点がなくても、直接接続によって、好ましくは互いに接触されることが理解できる。燃料電池は、直線的でなくオフセットして配置され、好ましくは非平行に配置されることを要旨とする。

上記の解決手段によって、次の有利な効果を生じる。

・燃料電池スタックのように厚み変化を補償でき、電流放電器は、高精度なエッジングを必要とせず、一層経済的に生産することができる。

・層構造の機械的な柔軟性によって、燃料電池はスペーサを介して電流放電器に接着され得る。傾斜した電流放電器の場合には、機械的な応力がこの接着剤に作用しない。この結果、接着によってシールを形成することができる。

・こけら板構造の利点として、燃料電池供給路は、燃料電池の設置面に対して傾斜して配置される。この結果、アノード放電器からのガス状副生成物の放出が、パッシブな方法で（in a passive manner:消極的な方法）援助（assisted：支援）される。

・電気配線を組み込むことによって、最大の導電断面で（on the largest cross-section）、即ち電極の幅全体に渡って、電流を隣接する電極へ運ぶ。この結果、平面電池で電流に対する最短路が実現され、オーム抵抗が減ずる。

・電気接続の単部品構造（one-part construction）も主要な利点である。接触圧による付加的な接触抵抗がない。互いに分離した２つの電流放電器を接続する場合、従来型の解決策で保証するためには大きな接触面が常に必要となる。

特に好ましくは、燃料電池がこけら板構造で配置される。燃料電池の配置を非平行に構成することで、構造方向、即ち単セルが接続されるベクトル方向に、互いに対して回転又は傾斜して配置される。

好ましくは、燃料電池の配置は、一次元的及び二次元的の双方又は一方で配置されている。

更に好ましくは、少なくとも２つの電気化学単セルは、一次元的に配置され、単セルが接続される方向の方向ベクトルと電流放電機構に対する法線との角度αが５°から８５°の間である。通常の場合、燃料電池の境界を画する２つの電流放電機構が、互いに平行な平面で構成されている。従って、個々の燃料電池は、１つのおよそモノリシックの（one more or less monolithic）立方型構造となる。この燃料電池の配置により、個々の燃料電池の電流放電機構の法線が互いに対して傾斜して配置され、燃料電池はそれぞれ互いに直接接触する。

好ましくは、各電気化学単セルは、少なくとも１つの隣接する電気化学単セルに直接に直列で接続されている。

更に好ましくは、燃料電池は、少なくとも３つの電気化学単セルを収容し、燃料電池の両端の単セルは、電気的に直接に１つの隣接する単セルにそれぞれ接続され、一方、それらの間に配置された少なくとも１つの単セルは、電気的に直接に２つの隣接する単セルにそれぞれ接続されている。

好ましくは、燃料電池の両端の電気化学単セルのそれぞれについては、アノード側又はカソード側に配置された一方の電流放電機構が、隣接する単セルに接続されておらず、一方、それらの間に配置された単セルについては、アノード側及びカソード側に配置された双方の電流放電機構が、それぞれ少なくとも１つの隣接する単セルに接続されている。

好ましくは、両端の電気化学単セルの一方が、隣接する電気化学単セルに接続されておらずアノード側に配置された電流放電機構を備え、両端の電気化学単セルの他方が、隣接する電気化学単セルに接続されておらずカソード側に配置された電流放電機構を備える。

更に好ましくは、燃料電池の両端の電気化学単セルの間に配置された電気化学単セルのアノード側に配置された電流放電機構のそれぞれが、その隣接する単セルのカソード側に配置された電流放電機構に対して電気的に直接に接続され、この単セルのカソード側に配置された電流放電機構のそれぞれが、その隣接する単セルのアノード側に配置された電流放電機構に電気的に直接に接続されている。

更に好ましくは、燃料電池の複数の電気化学単セルが、１つのハウジングに組み込まれている。これによって、燃料電池は、ハウジング内において、ハウジングの壁面に対して平行ではない１つの平面に配置される。本発明によれば、単セルが傾斜する（例えば角度αで）平面は、傾斜が生じる方向にハウジングの壁面に対して非平行に延設している。

更に好ましくは、少なくとも２つの電気化学単セルが、スペーサーを介して接着されている。２つの隣接する単セルの膜電極構造が、一般的な電流放電器（common current discharger）の前側又は後側で接着されており、接着剤が両側に塗られたフレーム状のスペーサーを用いており、先ず、膜電極構造の設置スペースが規定され、次に、２つの膜電極ユニットが電流放電器で接続されて一般的な構造（common arrangement）を形成し、そして、この構造が周囲に対してシールされるようになっている。

更に好ましくは、燃料供給源が、複数の分配路として構成され、オキシダント供給源が、複数の分配路として構成され、これらのうちの双方又は一方が実現されている。

単セルは、一般的なものに制限されることなく選択されるが、好ましくは、アルカリ性又は塩基性の平面型燃料電池、特にダイレクトアルコール燃料電池が用いられる。更に好ましくは、単セルが、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭ）と、メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）と、エタノール形燃料電池（ＤＥＦＣ）と、セラミック形燃料電池（ＳＯＦＣ）とからなるか、これらの組み合わせからなるグループの中から選択される。

このタイプの燃料電池システムは、特に電子ユニット供給源のために用いられ、非常に長期間に渡って動作が保証され、エネルギー消費が低くなっており、例えば、環境モニタリングのセンサー、交通測定技術及び経路設定システムの装置、ＧＳＭ、ＧＰＳ、ＧＰＲＳナビゲーションシステム、バッテリー充電システム、例えばＰＤＡ、携帯電話、ラップトップコンピューターのような消費者範囲で用いられるハウジング組み込み型エネルギー供給ユニット、例えばスキャナ、カードリーダーのような記録装置と、インテリジェント及び／又は機能的なハウジング及び／又はパッケージのために用いられる。

２つの単セルがこけら板構造で配置された燃料電池を示す。

本発明について図面に基づいて詳細に説明するが、本発明は図面で示されるものに限定されるものではない。

図１は、こけら板構造、即ち傾斜して配置された２つの単セルを示し、燃料電池の配列に関する。単セルは、アノード側に設けられた電流放電機構１と、燃料分配のために電流放電機構１に隣接する分配路２と、燃料分配路２から離れて配置された膜電極構造（ＭＥＡ）と、アノード側電極６と、これと隣接する膜５と、カソード側電極４と、複数のオキシダント路７に接続されたカソード側電流放電機構８とを備える。本発明によると、単セルは直列に接続され、第１の燃料電池のアノードを形成する電流放電機構１は、直接に右の単セルの電流放電機構８に接続されている。これにより、例えば接点、セルコネクタやケーブルなどの付加的な補助を介することなく単セルを接続できる。これによって、単セルは１つのハウジング３に組み込まれ、完全な燃料電池モジュールが単一ユニットとして生産される。燃料電池は、（ハウジングの上側又は下側に対応する図において）ハウジングに対して燃料電池の非平行な配列に対応した方法で配置される。単セルの配列は、ハウジング３に対して傾斜した方法で実現される。電流放電機構１又は８に対する法線９と、単セルが連続して配置される方向である方向ベクトル１０との角度は、５°から８５°の間となっている。

Claims

少なくとも２つの電気化学単セルを備え、各前記電気化学単セルは、
ａ）アノード側に配置された少なくとも１つの電流放電機構（１）と、
ｂ）燃料供給源と、
ｃ）アノード側電極（６）と、膜（５）と、カソード側電極（４）とを備えた膜電極構造（ＭＥＡ）と、
ｄ）オキシダント供給源と、
ｅ）カソード側に配置された少なくとも１つの電流放電機構（８）と、を備え、
各前記電気化学単セルは、少なくとも１つの隣接する前記電気化学単セルに対して電気的に直接に接続され、前記少なくとも１つの隣接する電気化学単セルに対してオフセットして配置されていることを特徴とする燃料電池。
前記単セルは、互いに対して非平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記単セルは、こけら板構造に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記電気化学単セルは、一次元的及び二次元的の双方又は一方で配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
前記少なくとも２つの電気化学単セルは、一次元的に配置され、前記単セルが接続される方向の方向ベクトル（１０）と前記電流放電機構（１又は８）に対する法線（９）との角度αが５°から８５°の間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
前記２つの電流放電機構（１及び８）は、互いに平行な平面で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
前記各電気化学単セルは、前記少なくとも１つの隣接する電気化学単セルに直接に直列で接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
前記燃料電池は、少なくとも３つの電気化学単セルを収容し、前記燃料電池の両端の前記単セルは、電気的に直接に１つの隣接する単セルにそれぞれ接続され、一方、それらの間に配置された少なくとも１つの前記単セルは、電気的に直接に２つの隣接する単セルにそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
前記燃料電池の前記両端の電気化学単セルのそれぞれについては、前記アノード側又は前記カソード側に配置された一方の前記電流放電機構（１，８）が、隣接する単セルに接続されておらず、一方、それらの間に配置された単セルについては、前記アノード側及び前記カソード側に配置された双方の前記電流放電機構（１，８）が、それぞれ少なくとも１つの隣接する単セルに接続されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
前記両端の電気化学単セルの一方が、隣接する電気化学単セルに接続されておらず前記アノード側に配置された電流放電機構（１）を備え、前記両端の電気化学単セルの他方が、隣接する電気化学単セルに接続されておらず前記カソード側に配置された電流放電機構（８）を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池。
前記燃料電池の前記両端の電気化学単セルの間に配置された電気化学単セルの前記アノード側に配置された電流放電機構（１）のそれぞれが、その隣接する単セルのカソード側に配置された電流放電機構（８）に対して電気的に直接に接続され、この単セルの前記カソード側に配置された電流放電機構（８）のそれぞれが、その隣接する単セルの前記アノード側に配置された電流放電機構（１）に電気的に直接に接続されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
前記少なくとも２つの電気化学単セルが、１つのハウジング（３）に組み込まれていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
前記少なくとも２つの電気化学単セルが、スペーサーを介して接着されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池。
前記燃料供給源が、複数の分配路（２）として構成され、前記オキシダント供給源が、複数の分配路（７）として構成され、これらのうちの双方又は一方が実現されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池。
少なくとも１つの電気化学単セルが、高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭ）と、メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）と、エタノール形燃料電池（ＤＥＦＣ）と、セラミック形燃料電池（ＳＯＦＣ）とからなるか、これらの組み合わせからなるグループの中から選択されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料電池。
電動装置及び電子ユニットの双方又は一方の電流供給源として用いられることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の燃料電池。
前記電動装置及び前記電子ユニットの双方又は一方は、センサー、特に環境モニタリングのセンサーと、交通測定技術及び経路設定システムの装置と、ＧＳＭ、ＧＰＳ、ＧＰＲＳナビゲーションシステムと、バッテリー充電システムと、例えばＰＤＡ、携帯電話、ラップトップコンピューターのような消費者範囲で用いられるハウジング組み込み型エネルギー供給ユニットと、例えばスキャナ、カードリーダーのような記録装置と、インテリジェント及び／又は機能的なハウジング及び／又はパッケージとからなるグループの中から選択されることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池。