JP2012516525A - 燃料電池スタック用相互接続器構成 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの膜電極組立体（５２）と電気的に接触させることができ、燃料電池スタック（３４）のカソード流れ場（５８）を燃料電池スタック（３４）のアノード流れ場（６０）から分離するように構成されている燃料電池スタック（３４）用相互接続器構成（１０）に関する。本発明は、空洞（５４）を通るガスの流れはカソード流れ場（５８）またはアノード流れ場（６０）を通るガスの流れの５％以下であるようにアノード流れ場（６０）およびカソード流れ場（５８）から分離された空洞（５４）を相互接続器構成（１０）が含むことを特徴とする。また、本発明は、燃料電池スタックと、相互接続器構成を製造する方法とに関する。

Description

本発明は、燃料電池スタックの少なくとも１つの膜電極組立体と電気的に接続させることができ、燃料電池スタックのカソード流れ場と燃料電池スタックのアノード流れ場とを互いに分離するように構成されている燃料電池スタック用相互接続器構成に関する。

また、本発明は、上述の種類の相互接続器構成を含む燃料電池スタックに関する。

さらに、本発明は、相互接続器構成を製造する方法に関する。

従来、それぞれが膜電極組立体であるいくつかの個々の燃料電池を、それぞれが燃料電池スタックであるいわゆる燃料電池ラックに組み合わせて、個々の燃料電池がそれだけで供給できるよりも大きい電力を実現する。この場合、燃料電池スタックの隣接燃料電池はそれぞれ、相互接続器構成の接続によって互いに機械的にだけでなく電気的にも結合されている。相互接続器構成による個々の燃料電池のこの結合のために、互いの上に積み重ねられ、直列に電気的に接続された燃料電池が生成され、燃料電池は一緒に燃料電池スタックを形成する。一般に、供給ガスをそれぞれの膜電極組立体に案内する、先行技術の相互接続器構成においてガス分配器構造が形成される。例えば、これらのガス分配器構造を相互接続器構成のハウジング部によって部分的に形成することができる。このために、通常、ガス通路の通路壁部を形成する、相互接続器構成のハウジング部で通路のように通じるそれぞれが凹部である張出部が設けられる。次に、両方の通路壁部から形成されるガス通路をハウジング部の下および上に生成するように、例えば、膜電極組立体によって部分的に、特に隣接膜電極組立体のアノードまたはカソードによって、更なる通路壁部を燃料電池スタック内の相互接続器構成の搭載状態で形成する。各膜電極組立体用の供給ガスは、マニホールドを介して対応する電極空間に分配される。

一般に、燃料電池スタックは主に、フェライト系材料からなる。これらのフェライト系材料は、高温で機械的安定性が低く、流れまたはクリープによる変形で知られている。これは、特に、ガス通路を有する上述のガス分配器構造の場合と同様に薄肉板金から加圧された構造によって空洞を形成する場合である。そのような変形を避けるために、相互接続器構成のハウジング部と膜電極組立体との間に設けられる、対応する空洞でそれぞれが間隔片であるスペーサを使用することが多く、従って燃料電池スタックの安定化に貢献する。既知の相互接続器構成の実施形態には、例えば、特に相互接続器構成の一方または両方のハウジング部の板金から直接少なくとも部分的に得られるマニホールドの領域で環状構造によって、縁領域で燃料電池スタックの周りにも延びるフレームが設けられている。張力がかかった状態の燃料電池スタックでは、次に、これらの領域を介して、即ち、例えば縁領域における環状構造を介して力の流れが主に案内される。しかし、縁領域でフレームを介して主に生じ、そしてはるかに少ないが、燃料電池スタックのマニホールドの中心領域を介して生じるそのような力の流れの案内、相対的に力の伝達は、いくつかの重大な欠点の原因となる。例えば、力の流れは、個々の燃料電池と相互接続器構成との間の溝にそれぞれ構成され、ほとんどの場合、ガラスセラミックスから形成された封止材料を通過する。しかし、ガラスセラミックスは、特に燃料電池スタックの動作中に生じる高温で、クリープを起こし、流動する傾向がある。封止体上の対応する歪みと共に、このクリープ挙動のせいで徐々に燃料電池スタックの張力が大幅に減少する。間隔片を使用すると、個々の相互接続器構成が安定化するけれども、燃料電池スタックの安定性は全体として、封止体のクリープ挙動のせいで依然として大幅に減少する。できるだけ封止体のクリープを避けるために、先行技術によれば、機械的に安定なセラミックスまたは金属体およびガラスで構成されるいわゆるハイブリッド封止体の使用が示唆されている。さらに、特にＳＯＦＣ燃料電池スタックの動作に関連して生じるような、８５０℃を超える温度で、弾性部品を使用する可能性がほとんどない。従って、燃料電池スタックの縁領域における封止体および内部にさらに構成された燃料電池スタック（活動領域）の電気的接触は、相互接続器構成を介して縁で封止体と常に競合している。膜電極組立体のカソードと相互接続器構成のハウジング部、特に板金部との間に接着剤を形成するのが難しいので、活動領域で作用する力の流れの依存性がある。塊状材料の使用によって、例えば間隔片またはスペーサによって縁領域およびマニホールドで支持された燃料電池の場合、燃料電池スタックの活動領域における材料のクリープは、燃料電池間の電気的接触の低下、従って全システムの劣化の原因となることがある。

従って、国際公開第２００８／１１９３２８Ａ１号パンフレットでは、導電接続を行うために相互接続器構成の少なくとも１つのハウジング部と膜電極組立体との間に介在されたニッケル発泡体を相互接続器構成が含むことを提案している。ニッケル発泡体は、特に、膜電極組立体のアノードと接触していてもよい。これと一緒に、アノードのニッケルと理想的に接合できる、アノードに面する相互接続器構成の側面上に均質ニッケル面が得られる。

図１は、国際公開第２００８／１１９３２８Ａ１号パンフレットから知られているように例示的な実施形態による燃料電池スタック３４における一般的な相互接続器構成１０の断面を概略的に示す。以下の説明を簡略化するために、３つの膜電極組立体５２および２つの相互接続器構成のみを示す。しかし、燃料電池スタック３４は、膜電極組立体を接続する相互接続器構成１０を有する任意の数の膜電極組立体５２を含むことができる。図示の場合、発明による相互接続器構成１０は、少なくともアノード１２と電解質１４とカソード１６とをそれぞれ含む２つの膜電極組立体５２の間に構成されている。この場合、各膜電極組立体５２と膜電極組立体５２のアノード１２に接触している相互接続器構成１０とは、燃料電池スタックの繰り返し単位となる。

相互接続器構成１０は、上ハウジング部２２と下ハウジング部２６とを含む。上ハウジング部２２は、ガラスセラミックス封止体２０を介して相互接続器構成１０の上に構成された膜電極組立体５２の電解質１４に結合されている。一方、下ハウジング部２６は、数本の接触棒３０を介して相互接続器構成１０の下に構成された膜電極組立体５２のカソード１６に結合されている。この場合、任意の数の接触棒３０を設けることができる。下ハウジング部２６、上ハウジング部２２およびアノード１２は、中に埋め込まれる線１８を有するニッケル発泡体２８を収容する中間空間を形成する。線は、具体的にはフェライト系クロム鋼線である。この場合、各線１８は、下ハウジング部２６の張出部に収容され、その張出部のベースとそれぞれ接触している。さらに、線１８は、上の膜電極組立体５２のアノード１２に接触している。下ハウジング部２６における張出部の数に対応する張出部に任意の数の線１８を構成することができる。下ハウジング部２６の底部側に、即ち、下ハウジング部２６と下の膜電極組立体５２との間に、下ハウジング部２６、接触棒３０および下の膜電極組立体５２に形成された張出部によってガス通路３２がそれぞれ形成されている。この場合、高い酸素含有量または純酸素を有するガスはガス通路３２を通って案内される一方、豊富な水素含有量または純水素を有するガスはニッケル発泡体２８を通って案内されるのが好ましい。この場合、平坦に圧延された線１８の平面部分だけが、上の膜電極組立体５２のアノード１２および下ハウジング部２６、特に下ハウジング部２６の張出部のベースと接触しているように各線１８を圧延する。この場合、上ハウジング部２２および下ハウジング部２６は、溶接シーム２４を介して互いに接続されている。

アノード１２、ガラスセラミックス封止体２０、上ハウジング部２２（盲板）、下ハウジング部２６（流れ場板）および線１８は一緒に、アノード流れ場６０を規定する。カソード１６、接触棒３０および流れ場板２６は一緒に、特に通路３２を含むカソード流れ場５８を規定する。燃料電池スタック３４の動作中、水素に富んだガスまたは純水素（燃料ガス）はそれぞれ、アノード流れ場６０を流れる一方、酸素に富んだガスまたは純酸素はそれぞれ、カソード流れ場５８を流れる。

アノード流れ場６０は、アノード１２に突出しないが盲板２２に突出する領域５４を含む（突出部はスタック方向Ｚである）。従って、領域５４を流れる燃料ガスをアノード１２によって吸収することができない。よって、領域５４は、燃料ガスが使用されることなく相互接続器構成１０を流れることがある望ましくないガスバイパスを形成する。

本発明の目的は、ガスバイパスを避ける、または少なくとも減少するように、一般的な相互接続器構成および一般的な燃料電池スタックをさらに開発することにある。この目的を、独立請求項の特徴によって実現する。更なる開発および有用な実施形態を従属請求項に記載する。

本発明は、空洞を通るガスの流れはカソードまたはアノード流れ場を通るガスの流れの５％以下であるようにアノード流れ場およびカソード流れ場から分離された空洞を相互接続器構成が含むという点で一般的な先行技術と区別される。従って、ガスバイパスを大幅に避けることができる。特に好ましい実施形態によれば、空洞を通るガスの流れは、カソードまたはアノード流れ場を通るガスの流れの２％以下、より好ましくは１％以下である。空洞を流れるガスが無い実施形態が、最適である。

空洞はアノード流れ場にもカソード流れ場にも連通することができないものとして提供してもよい。従って、空洞を通るガスバイパスを完全に避けることができる。これは、実施形態によっては、例えば、空洞を規定する構成要素を溶接することによって、実現できる。

好ましい実施形態によれば、空洞は、細長く、カソードまたはアノード流れ場によって規定された流れ方向と平行に延びている。従って、空洞を、カソードまたはアノード流れ場の形状にそれぞれ簡単に適合させることができる。

カソード流れ場をアノード流れ場から分離する流れ場板によって少なくとも部分的に空洞を画定することができる。

これに関連して、流れ場板は波状ジグザグ形または蛇行の断面を有し、空洞は流れ場板の張出部内に位置していることを提供してもよい。そのような流れ場板は通常、アノードおよびカソードに沿ってそれぞれガスを案内する通路を規定するのに使用される。従って、通路と同様にして空洞を規定することができ、空洞は、通路が平行している程度に通路と略平行に延びている。

張出部は盲板によって橋渡しされるようにさらに考えてもよい。盲板を、例えば張出部の２つの側面上の流れ場板に溶接する、即ち２つの溶接シームによって接続することができる。

空洞は相互接続器構成の縁領域に位置するように考えてもよい。代わりに、中空室が相互接続器構成の中心領域に位置していてもよい。スタック方向に作用する力を伝達するのに設けられた相互接続器構成のそれぞれの燃料電池スタックの領域内に空洞が位置していることが特に好ましい。

空洞は力の封鎖によって少なくとも部分的に封止されていることがさらに有利である。しかし、代わりに、材料の封鎖によって完全に空洞を封止してもよい。

本発明による燃料電池スタックは、本発明による少なくとも１つの相互接続器構成を含むという点で一般的な先行技術と区別される。

本発明による相互接続器構成を製造する方法は、空洞を部分的に画定する第１の要素が第２の要素に溶接され、空洞を部分的に画定するように考える。

ここで、添付図面を参照して例として本発明を説明する。

一般的な燃料電池スタックを通る略断面を示す。 本発明による燃料電池スタックを通る略断面を示す。 流れ場板と流れ場板に接続された盲板とを通る略断面を示す。 相互接続器構成上の略平面図を示す。 盲板に接続された流れ場板の略斜視図を示す。 相互接続器構成上の略平面図を示す。 相互接続器構成を製造する方法のフローチャートを示す。

図２に概略的に示す燃料電池スタック３４を、領域５４はアノード流れ場６０にもカソード流れ場５８にも連通していない空洞であるという点で図１に関連して記載した燃料電池スタックと区別する。空洞５４は、盲板２２、流れ場板２６、および盲板２２と流れ場板２６とを連結する封止板５６によって画定されている。封止板５６は、溶接シーム６６に沿って盲板２２に溶接されている。さらに、封止板５６は、更なる溶接シーム６８に沿って流れ場板２６に溶接されている。従って、空洞５４は、アノード流れ場６０とカソード流れ場５８の両方から気密に分離されている。空洞５４を通るガスの流れは、あり得ない。空洞５４に、例えば空気を充填してもよい。溶接シーム２４、６６および６８は、それら自体で閉じられている。しかし、溶接シーム６６は、溶接シーム２４にそれぞれ繋がれた２つの端部を有することもできる。この場合、溶接シーム６６および溶接シーム２４は一緒に、空洞５４を囲む溶接シーム２４、６６を形成する。

関連実施形態（図示せず）によれば、少なくとも溶接シーム６６が不要である。次に、空洞５４を画定する要素２２、６６、２６は、力の封鎖によってそれらの非溶接接合部で互いに封止されている。この場合、アノード流れ場６０からのガス（通常、燃料ガス）は空洞５４に拡散すると想定する必要がある。しかし、この場合も、空洞５４を通るガスの流れはアノード流れ場６０を通るガスの流れと比べて無視できるほど少ないことを実現できる。

図３は、相互接続器構成内で使用するために設けられた流れ場板２６および盲板２２の断面を概略的に示す。盲板２２は、２つの溶接シーム２４、６６に沿って流れ場板２６に溶接されている。盲板２２および流れ場板２６は一緒に、略波形鉄板形状を有する流れ場板２６の張出部内に位置している空洞５４を規定する。別の実施形態によれば、溶接シーム６６が不要であり、この場合、空洞５４を、例えば力の封鎖によって封止してもよい。

図４は、相互接続器構成１０上の略平面図を示す。カソード流れ場５８およびアノード流れ場６０の両側の各々で、細長い空洞５４は、カソード流れ場５８およびアノード流れ場６０と平行に延びている。第１のマニホールド６２は図では見えないアノード流れ場６０に、および第２のマニホールド６４はアノード流れ場６０から、燃料ガスを輸送するのに役立つ。

図５に透視画法で表した流れ場板２６および盲板２２の構成は、盲板２２を流れ場板２６の下に構成するという点のみで図３に示す実施形態と異なる。

図６は、更なる実施形態による相互接続器構成１０上の平面図を示す。カソード流れ場５８の上流および下流のそれぞれに、流れる酸素に富んだガス７０に対する流れの障害物を各々が形成するマニホールド６２およびマニホールド６４がそれぞれ酸素に富んだガスの流れ方向と垂直に（即ち、Ｚ方向に）位置している。カソード流れ場５８内で酸素に富んだガス７０の最適な分配を達成するために、カソード流れ場５８の通路３２は、マニホールド６２の流れの影およびマニホールド６４の前の動的圧力帯にそれぞれガス７０を搬送するように、まっすぐでなく流線型に曲がっている。カソード流れ場５８の両側の各々で、細長い空洞５４は、酸素に富んだガス７０の流れ方向と平行に延びている。２つの空洞５４は、ここでは見えないアノード流れ場にもカソード流れ場５８にも連通していない。

図７におけるフローチャートは、アノード流れ場にもカソード流れ場にも連通していない空洞を有する相互接続器構成を製造する方法を例示する。まず、盲板および流れ場板を、図示しないステップで製造する。ステップＳ１では、空洞を一緒に規定するように盲板および流れ場板を互いに構成する。空洞は、特に細長くてもよい。盲板および流れ場板を、少なくとも２つのシームに沿って溶接する。

上述の明細書、図面および特許請求の範囲に開示された本発明の特徴は、任意の組合せでだけでなく個々に本発明を実施するのに必須である。

１０ 相互接続器構成
１２ 膜電極組立体のアノード
１４ 膜電極組立体の電解質
１６ 膜電極組立体のカソード
１８ 線
２０ ガラスセラミックス封止体
２２ 上ハウジング部、盲板、第２の要素
２４ 溶接シーム
２６ 下ハウジング部、流れ場板、第１の要素
２８ ニッケル発泡体
３０ 接触棒
３２ ガス通路
３４ 燃料電池スタック
３６ 線ストリング
３８ ニッケル発泡体ストリング
４０ 案内ローラ
４２ 線ローラ
４４ ニッケル発泡体ローラ
４６ 切断装置
４８ 安定化ニッケル発泡体ストリング部分
５０ 圧延線ストリング
５２ 膜電極組立体
５４ 空洞
５６ 封止体
５８ カソード流れ場
６０ アノード流れ場
６２ マニホールド
６４ マニホールド
６６ 溶接シーム
６８ 溶接シーム
７０ ガス

Claims (10)

1. 少なくとも１つの膜電極組立体（５２）と電気的に接触させることができ、燃料電池スタック（３４）のカソード流れ場（５８）を前記燃料電池スタック（３４）のアノード流れ場（６０）から分離するように構成されている燃料電池スタック（３４）用相互接続器構成（１０）であって、空洞（５４）を通るガスの流れは前記カソードまたはアノード流れ場（５８、６０）を通るガスの流れの５％以下であるように前記アノード流れ場（６０）および前記カソード流れ場（５８）から分離された前記空洞（５４）を含むことを特徴とする相互接続器構成（１０）。
2. 前記空洞（５４）は、前記アノード流れ場（６０）および前記カソード流れ場（５８）に連通することができないことを特徴とする、請求項１に記載の相互接続器構成（１０）。
3. 前記空洞（５４）は、細長く、前記カソード流れ場または前記アノード流れ場によって規定された流れ方向（ｘ）と平行に延びていることを特徴とする、請求項１または２に記載の相互接続器構成（１０）。
4. 前記空洞（５４）は、前記カソード流れ場（５８）を前記アノード流れ場（６０）から分離する流れ場板（２６）によって少なくとも部分的に画定されていることを特徴とする、請求項１、２または３のいずれか一項に記載の相互接続器構成（１０）。
5. 前記流れ場板（２６）は波状ジグザグ形または蛇行の断面を有し、前記空洞（５４）は前記流れ場板（２６）の張出部内に位置していることを特徴とする、請求項４に記載の相互接続器構成（１０）。
6. 前記張出部は盲板（２２）によって橋渡しされていることを特徴とする、請求項５に記載の相互接続器構成（１０）。
7. 前記空洞（５４）は前記相互接続器構成の縁領域に位置し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相互接続器構成（１０）。
8. 前記空洞（５４）は力の封鎖によって少なくとも部分的に封止されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の相互接続器構成（１０）。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の相互接続器構成（１０）を含む燃料電池スタック（３４）。
10. 少なくとも部分的に前記空洞（５４）を画定する第１の要素（２６）を、少なくとも部分的に前記空洞（５４）を画定する第２の要素（２２）に溶接するステップ
    を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の相互接続器構成（１０）を製造する方法。

Images