JP2012521618A - 高温型燃料電池の陽極とインターコネクタとを導電的に接続する接触要素 - Google Patents

Abstract

本発明は高温型燃料電池の陽極とインターコネクタとを導電的に接続する接触要素に関する。本発明の目的は、高温型燃料電池の陽極とこれに関連するインターコネクタとの間に長期間安定した、より一層信頼性の高い導電接続を達成することである。本発明による接触要素は、高温型燃料電池の陽極とインターコネクタとの間に配置する。接触要素は２つの領域からなる導電性の部分要素で形成する。この点に関して、一方の各部分要素は陽極と接触し、他方の部分要素は各インターコネクタと接触する。部分要素には孔を形成し、相互に異なる熱膨張率を有する材料でそれぞれの部分要素を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温型燃料電池の陽極とインターコネクタとを導電的に接続する接触要素に関する。高温型燃料電池では、個々の燃料電池を結合させてスタックとし、その際にそれらを相互に導電的に接続することを常に行う。このために、バイポーラプレートとも呼ばれるインターコネクタを、個々の燃料電池の電極同士の間に配置する。従って、ある燃料電池の一電極からその隣の燃料電池の反対極の電極へと電流を流すことができる。

しかし、燃料又は酸化剤を電極に移動させる必要があるため、透過性又は有孔性である必要があり、これが導電性に影響する。

従って、これまでは電極とそれぞれ配置したインターコネクタとの間において、様々な構成の電流コネクタを使用してきた。この例としては、ファイバで形成した網状組織又は電流コネクタがある（独国特許出願公開第１０２３２０９３（Ａ１）号）。

高温型燃料電池の場合には、燃料電池の動作温度が高いために、一般的に熱膨張という更なる問題を考慮しなければならない。このことから、通例として燃料電池の全ての個々の本質的要素の材料、即ち電極とインターコネクタの材料、そして一部には電流コネクタの材料を選択する際に、固体電解質の熱膨張率を考慮する。この際には、わずかな差のみ許容すべきである。

陽極とこれに関連するインターコネクタとの間に導電的接続を提供する電流コネクタは、ニッケルで製造するのが通例である。ただし、ニッケルは熱膨張率がかなり大きい。高温型燃料電池を動作温度から室温に冷却すると、陽極との接触において長さが不足する。これにより陰極のセラミック接触に引っ張り歪みが生じ、接触が絶たれるおそれがある。このことで電気損失が生じ、達成できる電力が減少する。

陽極とインターコネクタとの間で、このようにニッケルで形成する導電接続の厚みを減少することについても、機械的歪みと製造公差をニッケルの延性で補償しなければならず、適切ではない。

陽極とインターコネクタとの間に網目状又は繊維状構造を用いて接点を形成することにおいて、燃料電池の動作中に局所的に変形が生じることで、導電性の高まったスポット、いわゆる「ホットスポット」が生じる。その部分にはより多くの電流が流れる。

このプロセスにおいて、これらの位置の接触が妨げられると、必然的に導電性が低下し、電気抵抗が増す。このことは、少なくとも陽極とインターコネクタとの間でこのように局所に限定的に多くの電流を流すことができる時間に、このような電流コネクタにはかかる接点が存在しないため、電源を切った従来の燃料電池を再始動させることに特に不利益な影響を及ぼす。

独国特許出願公開第１０２３２０９３（Ａ１）号

従って本発明の目的は、高温型燃料電池の陽極とこれに関連するインターコネクタとの間に長期間にわたって安定した、より信頼性の高い導電接続を達成することである。

本発明によれば、この目的は請求項１の特徴を有する接触要素によって達成される。本発明の有利な実施形態と更なる展開は、従属請求項に記載する技術的特徴を用いて達成できる。

本発明による接触要素は、２つの領域からなる導電性の部分要素で形成する。この点に関して、一方の部分要素は陽極と接触し、他方の部分要素は各インターコネクタと接触する。部分要素には燃料が接触要素を通過できる孔を形成するため、接触要素は透過性である。両部分要素は、相互に異なる熱膨張率を有する材料で形成する。

部分要素、そして全体としての接触要素も有孔性である。

接触要素は、２つより多くの部分要素で形成してもよい。このプロセスでも同様に熱膨張率を考慮する。

熱膨張率が異なることにより、温度が変化すると変形が生じる。接触要素に圧縮歪みが生じることにより、導電的接触を安定化することができる。圧縮歪みは、接触要素の表面に分布した形で発生する。これにより、陽極とインターコネクタとの間の有効な表面上のより多くの場所に分布した形で電流を流すことができる。

変形すると、接触要素の表面上にピークとトラフを分布させることができる。この点に関して、トラフは孔の位置にあることが好ましい。高温型燃料電池の動作温度から冷却すると接触要素が変形するが、陽極側に押される領域とインターコネクト側に押される領域を作り出すことに、これを利用することができる。これにより、電気接触を改善できる。

この効果はすべての更なる温度変化でも利用できる。

２つの部分要素を形成する材料の熱膨張率は、膨張量の差が少なくとも１ppm／Ｋとなるよう離れた値とすべきである。少なくとも７００℃から高温型燃料電池の動作温度までの温度範囲において、これを維持すべきである。

部分要素に形成する孔は、接触要素が燃料に対して透過性であるように、また一方の部分要素における各孔が他方の部分要素の各孔と連通するように配置すべきである。

部分要素の材料を選択する際、そしてそれらの寸法を決定する際には、高温型燃料電池の動作温度未満の少なくとも１００Ｋの温度で、２つの部分要素のサイズが同等となる又は同等となることができるよう考慮することができる。

部分要素の表面の形状とサイズを決定する際には、高温型燃料電池の動作温度未満の少なくとも１００Ｋの温度において、周囲に形成した外縁要素と部分要素の外縁部が接触するように、有利に決定することができる。ただし、すでに室温でこの状態となるようにしてもよい。

ただし、接触要素の部分要素の外縁部は、単独で若しくは周囲に前もって印を作成して外縁要素に固定するようにしてもよい、及び／又は、部分要素同士をその外縁部において互いに接続するようにしてもよい。

本発明で有利に使用できる変形を、これらの方法によって温度変化時に接触要素の表面上で行うことができる。

本発明による接触要素は柔軟に変形可能であると共に気体に対して透過性とすべきである。このために、部分要素を柔軟に変形可能で透過性のフィルムで形成することができる。

この点に関して、部分要素はそれぞれ、ニッケル、銅、鉄、コバルトから選択した異なる金属で、又はその合金で形成することができる。

接触要素の全体の厚さは最大で２ｍｍとすべきである。

本発明による接触要素の２つの部分要素の厚さは異なっていてもよい。この点に関して、それぞれの熱膨張率、機械的特性（例えば柔軟性）、及びそれぞれの導電性を考慮することができる。

部分要素の孔は、陽極表面及び／又はインターコネクタ表面の２０％から９０％、好ましくは４０％から６０％として、十分な燃料交換が行われ導電性を高く維持できることを保証すべきである。

孔は互いに規則的且つ等間隔となるよう配置し、各々の寸法及び形状を同等なものとすべきであるが、これは少なくとも中心領域において適用すべきである。孔は外縁部においては任意に異なるようにしてもよく、又は孔を全く設けないようにしてもよい。

接触要素の陽極と対向する側には熱膨張率の大きい部分要素を配置し、接触要素のインターコネクタに対向する側には熱膨張率の小さい部分要素を配置すべきである。

以下の例により本発明をより詳細に説明する。

本発明による接触要素を備えた高温型燃料電池の断面図である。 本発明による接触要素の一例の部分要素を示す図である。

高温型燃料電池の断面図を図１に示す。この点に関して、インターコネクタ３上に接触要素１をインターコネクタと陽極２の間に配置する。陽極２の上には固体電解質４と陰極５を配置する。

本例では、２つの部分要素１．１と１．２が接触要素１を形成する。この点に関して、インターコネクタ側に配置する部分要素１．１は純銅（２０℃でα＝１６．５＊１０^−３Ｋ^−１）で形成し、その厚さは２９０μｍである。陽極側に配置する第２の部分要素１．２は、１２０μｍ厚さの純ニッケル（２０℃でα＝１３．０＊１０^−３Ｋ^−１）の薄いフィルムで形成する。

１ 接触要素
１．１、１．２ 部分要素
２ 陽極
３ インターコネクタ
４ 固体電解質
５ 陰極

Claims (12)

1. 高温型燃料電池の陽極とインターコネクタとを導電的に接続する、前記陽極とインターコネクタとの間に配置した接触要素であって、
   前記接触要素（１）を２つの領域からなる導電性の部分要素（１．１及び１．２）で形成し、一方の部分要素（１．１）が前記陽極（２）と接触し、他方の部分要素（１．２）が前記インターコネクタ（３）と接触し、
   前記部分要素（１．１及び１．２）に孔を形成し、
   前記部分要素（１．１及び１．２）を、相互に異なる熱膨張率を有する材料で形成すること、
   を特徴とする接触要素。
2. 前記部分要素（１．１及び１．２）に形成した前記孔を、前記接触要素（１）が燃料に対して透過性となるよう配置すること、を特徴とする請求項１に記載の接触要素。
3. 前記部分要素（１．１及び１．２）が、前記高温型燃料電池の動作温度よりも少なくとも１００Ｋ低い温度において同等のサイズとなること、を特徴とする、請求項１又は２に記載の接触要素。
4. 前記高温型燃料電池の前記動作温度よりも少なくとも１００Ｋ低い温度において、前記部分要素（１．１及び１．２）の外縁部が、周囲に形成した外縁要素と接触すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
5. 前記接触要素（１）の前記部分要素（１．１及び１．２）の前記外縁部の周囲を外縁要素に固定する、及び／又は、前記部分要素（１．１及び１．２）同士を少なくともそれらの外縁部で相互に接続させること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
6. 前記接触要素（１）が柔軟に変形可能であること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
7. 前記部分要素（１．１及び１．２）が柔軟に変形可能な有孔フィルムであること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
8. ニッケル、銅、鉄、及びコバルトから選択した金属、又はこれら金属の合金で前記部分要素（１．１及び１．２）を形成すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
9. 前記部分要素（１．１）及び（１．２）の厚さが異なること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
10. 前記部分要素（１．１及び１．２）の前記孔が、前記陽極の表面及び／又はインターコネクタの表面の２０％から９０％を占めること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
11. 前記孔を互いに規則的且つ等間隔となるよう配置し、前記孔の各々の寸法及び形状が同等であること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。
12. 前記陽極側に配置した前記部分要素（１．２）が、前記インターコネクタ（３）に面する側に配置した前記部分要素（１．１）より大きい熱膨張率を有すること、を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の接触要素。

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