JP5383650B2 - インターコネクタ構造体、該インターコネクタ構造体を有する反復ユニット、該反復ユニットを複数有する燃料電池スタック、および燃料電池スタック用のコンタクト構成を製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの少なくとも１つの膜電極接合体に電気的に接続させることができる燃料電池スタック用のインターコネクタ構造体に関する。

さらに、本発明は、燃料電池スタック用のコンタクト構成を製造するための方法に関する。

従来、いくつかの個々の燃料電池あるいは膜電極接合体が組み合わされて、いわゆる燃料電池ラックあるいは燃料電池スタックを成し、それによって、個々の燃料電池単独で提供することができる電力よりも大きい電力を実現する。ここで、燃料電池スタックの隣接する燃料電池は、それぞれ、接続用のインターコネクタ構造体によって電気的および機械的に互いに結合される。したがって、個々の燃料電池をインターコネクタ構造体によってこのように結合することにより、互いに積層されて直列に電気的に接続された燃料電池が形成され、それらが合わさって燃料電池スタックを成す。一般に、従来技術のインターコネクタ構造体では、ガス分配器構造が形成され、このガス分配器構造を通して、供給ガスがそれぞれの膜電極接合体に案内される。これらのガス分配器構造は、例えば、インターコネクタ構造体のハウジング部分によって部分的に形成することができる。このために、インターコネクタ構造体のハウジング部分に、チャネル状に延在する凹部あるいは隆起部が提供され、それらがガス・チャネルのチャネル壁部を形成する。さらに、燃料電池スタック内にインターコネクタ構造体を取り付けた状態で、さらなるチャネル壁部が、例えば膜電極接合体によって、特に隣接する膜電極接合体のアノードまたはカソードによって部分的に形成され、したがって、両方のチャネル壁部から形成されるガス・チャネルがハウジング部分の上下に形成される。燃料電池スタックのそのようなガス分配器構造は、しばしばマニホールドとも呼ばれる。これらのマニホールドを使用して、各膜電極接合体用の供給ガスを、対応する電極空間に分配する。

一般に、燃料電池スタックは、主にフェライト材料からなる。これらのフェライト材料は、高温で機械的安定性が低く、流動化または沿面漏れにより変形することがある。これは、特に、ガス・チャネルを有する上述したガス分配器構造の場合のように、薄肉シート金属からプレス加工された構造によって中空空間が形成される場合に当てはまる。そのような変形を回避するために、多くの場合に、対応する中空空間でスペーサあるいはディスタンスピースが使用され、それらは、インターコネクタ構造体のハウジング部分と膜電極接合体との間に提供され、それにより燃料電池スタックの安定性に寄与する。既知のインターコネクタ構造体の実施形態には、例えばフレームが設けられ、このフレームは、燃料電池スタックの周りにも縁部領域で延在し、特に、少なくとも部分的にはインターコネクタ構造体の一方または両方のハウジング部分のシート金属から直接得られるマニホールドの領域では、環状構造で延在する。このとき、張力下の燃料電池スタックでは、力の流れが、主にこれらの領域を通して、すなわち例えば縁部領域での環状構造を通して案内される。しかし、縁部領域にあるフレームを主に通り、燃料電池スタックのマニホールドの中央領域をあまり通らないそのような力の流れの案内あるいは力の伝達は、いくつかの大きな欠点をもたらす。例えば、力の流れはシーリング材料を通って進み、シーリング材料は、それぞれ個々の燃料電池とインターコネクタ構造体との間の溝に配置され、ほとんどの場合にはガラス・セラミックから形成される。しかし、ガラス・セラミックは、特に燃料電池スタックの動作中に生じる高い温度では、沿面漏れおよび流動化しやすい。この沿面漏れの挙動により、シールでの対応する歪が生じる場合、燃料電池スタックの張力は、時間と共に大幅に低減される。ディスタンスピースの使用は、個々のインターコネクタ構造体を安定化させるが、燃料電池スタック全体の安定性は、シールの沿面漏れの挙動により依然として大幅に低減される。シールの沿面漏れをできる限り回避するために、従来技術によれば、機械的に安定なセラミックまたは金属体とガラスとから構成されるいわゆるハイブリッド・シールの使用が提案されている。さらに、８５０℃を超える温度では、特にＳＯＦＣ燃料電池スタックの動作に関連してその温度になるとき、弾性部品の使用はほぼ不可能である。したがって、燃料電池スタックの縁部領域でのシールと、より内側に配置された燃料電池スタックの電気接触部（活性領域）とが、インターコネクタ構造体を介して、縁部でのシールと常に競合している。膜電極接合体のカソードとインターコネクタ構造体のハウジング部分、特にシート金属部分とを接着結合するのは難しいので、活性領域で作用する力の流れに依存することになる。縁部領域およびマニホールドで塊状材料の使用によって、例えばディスタンスピースまたはスペーサによって支持される燃料電池の場合、燃料電池スタックの活性領域での材料の沿面漏れは、燃料電池間の電気コンタクトの喪失、したがってシステム全体の劣化をもたらすことがある。

本発明は、一般的なインターコネクタ構造体、およびインターコネクタ構造体の構成要素を製造するための方法をさらに発展させ、燃料電池スタックの個々の燃料電池の接触を高い動作温度でも保証することができるようにするという目的に基づく。

この目的は、独立請求項の特徴によって実現される。

本発明のさらなる有利な実施形態は、従属請求項によって得られる。

本発明によるインターコネクタ構造体は、導電接続を確立するために、インターコネクタ構造体の少なくとも１つのハウジング部分と膜電極接合体との間に配置されるニッケル発泡体を備えることにより、一般的な従来技術を改良する。ニッケル発泡体は、好ましくは、膜電極接合体のアノードに接触する。これにより、アノードに面するインターコネクタ構造体の側に均質なニッケル表面が得られ、この表面は、理想的にはアノードのニッケルに結合することができる。

本発明によるインターコネクタ構造体は、有利には、燃料電池スタックのさらなる構成要素にも使用される塊状フェライト・クロム（ｆｅｒｒｉｔｉｃ ｃｈｒｏｍｅ）鋼または塊状フェライト鋼がニッケル発泡体内に埋め込まれることによって、さらに発展させることができる。そのようにして安定化されたニッケル発泡体の使用により、燃料電池スタックの活性領域を通る力の流れを、より一層効果的に案内することができる。このようにニッケル発泡体内に埋め込む材料としては、所要の電気的、熱的、機械的、および化学的特性を有する限り、燃料電池スタックを安定化させることに関連して使用することができる任意の材料を考慮することができる。ここで、特に、燃料電池スタックの一般的な構成要素、特にインターコネクタ・カセットにも使用される物質あるいは材料が好ましい。

さらに、フェライト・クロム鋼またはフェライト鋼が少なくとも１本のワイヤまたは１枚のシート金属ストリップの形態でニッケル発泡体内に埋め込まれるようにインターコネクタ構造体を形成することができる。これは、燃料電池スタックの張力によって生成される力の流れを、膜電極接合体（ＭＥＡ）、強く圧縮されたニッケル発泡体、ニッケル発泡体内に埋め込まれた少なくとも１本のワイヤまたは１枚のシート金属ストリップ、接触バーなど塊状材料を通して案内できるようにする。したがって、力の流れは、燃料電池スタックの活性領域をより多く通るように案内される。ニッケル発泡体の安定化は、好ましくは、フェライト・クロム鋼ワイヤまたはフェライト・クロム鋼シート金属ストリップなどの塊状材料を、例えばニッケル発泡体内にワイヤを圧延埋入（ｒｏｌｌｉｎｇ）することによって埋め込むことにより実現される。

さらに、本発明によるインターコネクタ構造体は、ワイヤが圧延されて、平らに圧延されたワイヤの表面部分がそれぞれハウジング部分と膜電極接合体とに接触するようにワイヤがニッケル発泡体内に配置されるように実現することができる。したがって、好適には、ワイヤは、少なくとも力の流れの中に直に存在する部分では平らに圧延されているので、インターコネクタ構造体のハウジング部分と膜電極接合体との間に線接触が存在しない。したがって、例えば、インターコネクタ構造体のハウジング部分と膜電極接合体とに関する、互いに面するワイヤの２つの平坦接触面あるいは表面部分が形成され、力の流れがそこを通ることができる。

本発明による反復ユニットは、本発明によるインターコネクタ構造体と、本発明によるインターコネクタ構造体に導電接続する膜電極接合体とを備える。

本発明による燃料電池スタックは、本発明による反復ユニットを複数備える。

特に本発明によるインターコネクタ構造体のハウジング部分と膜電極接合体との間に受け取られる安定化されたニッケル発泡体を有する燃料電池スタック用のコンタクト構成を製造するための本発明による方法では、初めに、ニッケル発泡体ストリングが製造される。その後、燃料電池スタックのさらなる構成要素にも使用されるフェライト・クロム鋼またはフェライト鋼が、少なくとも１本のワイヤまたは１枚のシート金属ストリップの形態でニッケル発泡体内に圧延埋入される。ここで、本発明によるインターコネクタ構造体に関連して説明した利点が同様に得られ、したがって、繰返しを避けるために、本発明によるインターコネクタ構造体に関連して説明した利点を参照する。

本発明による方法は、有利には、少なくとも１本のワイヤまたは１枚のシート金属ストリップが中に埋め込まれた安定化されたニッケル発泡体を、ストリング部分に切断することによって、さらに発展させることができる。

以下、図面によって本発明の好ましい実施形態を例として説明する。

燃料電池スタックにおける本発明によるインターコネクタ構造体の図である。 安定化されたニッケル発泡体を製造するための本発明による方法を行うように適合された製造経路の図である。

図１は、燃料電池スタック３４内の本発明によるインターコネクタ構造体１０を図示する。以下の説明を単純にするために、３つの膜電極接合体５２と２つのインターコネクタ構造体１０とのみを示す。しかし、燃料電池スタック３４は、任意の数の膜電極接合体５２を備えることができ、インターコネクタ構造体１０がそれらの膜電極接合体５２に接続される。図示の場合には、本発明によるインターコネクタ構造体１０は、２つの膜電極接合体５２の間に配置され、膜電極接合体５２は、それぞれ、少なくとも１つのアノード１２と、少なくとも１つの電解質１４と、少なくとも１つのカソード１６とを備える。ここで、各膜電極接合体５２と、膜電極接合体５２のアノード１２に接触するインターコネクタ構造体１０とが、燃料電池スタックの反復ユニットを形成する。

インターコネクタ構造体１０は、上側ハウジング部分２２と下側ハウジング部分２６とを備える。上側ハウジング部分２２は、ガラス・セラミック・シール２０を介して、インターコネクタ構造体１０の上に配置された膜電極接合体５２の電解質１４に結合される。他方で、下側ハウジング部分２６は、複数の接触バー３０を介して、このインターコネクタ構造体１０の下に配置された膜電極接合体５２のカソード１６に結合される。ここで、任意の数の接触バー３０を提供することができる。下側ハウジング部分２６と、上側ハウジング部分２２と、アノード１２とが中間空間を形成し、ワイヤ１８を中に埋め込まれたニッケル発泡体２８が、この中間空間内に受容される。ワイヤは、特にフェライト・クロム鋼ワイヤである。ここで、各ワイヤ１８は、下側ハウジング部分２６の隆起部に受容され、それぞれその隆起部ベースと接触する。さらに、ワイヤ１８は、上側の膜電極接合体５２のアノード１２と接触する。下側ハウジング部分２６での隆起部の数に対応して、任意の数のワイヤ１８を隆起部に配置することができる。下側ハウジング部分２６の底部側に、すなわち下側ハウジング部分２６と下側の膜電極接合体５２との間に、下側ハウジング部分２６に形成された隆起部と、接触バー３０と、下側の膜電極接合体５２とによって、ガス・チャネル３２がそれぞれ形成される。好ましくは、この場合、高い酸素含有量を有するガスまたは純粋な酸素は、ガス・チャネル３２を通して案内され、他方、水素含有量が多いガスまたは純粋な水素は、ニッケル発泡体２８を通して案内される。ここで、各ワイヤ１８が圧延され、それにより、平らに圧延されたワイヤ１８の表面部分のみが、上側の膜電極接合体５２のアノード１２と、下側ハウジング部分２６、特に下側ハウジング部分２６の隆起部のベースとに接触する。この場合、上側ハウジング部分２２と下側ハウジング部分２６とは、溶接シーム２４によって互いに接続される。

図２は、安定化されたニッケル発泡体を製造するための本発明による方法を行うように適合された製造経路を図示する。初めに、１本または複数本のワイヤ・ストリング３６が、製造経路内の溝を設けられた案内ローラ４０を通して互いに平行に案内される。ここで、案内ローラ４０の溝を使用して、互いに平行に延びるワイヤ・ストリング３６の距離を設定することができる。案内ローラ４０を通って進んだ後、ワイヤ・ストリング３６は、それらの上側および下側で、ワイヤ・ローラ４２を使用して圧延プロセスを施される。それにより、少なくとも上部側および底部側で平らに圧延された圧延ワイヤ・ストリング５０が得られる。その後、ワイヤ・ストリング５０は、製造経路内のさらなる案内ローラ４０を通って、製造経路内の２つのニッケル発泡体ローラ４４の間に到達する。同時に、この位置で、互いに平行に配置された圧延ワイヤ・ストリング５０の数に少なくとも対応する幅を有するニッケル発泡体ストリング３８が、ニッケル発泡体ローラ４４の間に案内される。ニッケル発泡体ローラ４４を通って進んだ後、ワイヤ・ストリング５０は、ニッケル発泡体ローラ４４による圧延埋入により、ニッケル発泡体ストリング３８内に埋め込まれる。このようにして、安定化されたニッケル発泡体ストリングが形成される。その後、圧延ワイヤ・ストリング５０を中に埋め込まれた安定化されたニッケル発泡体ストリングが、切断デバイス５６を使用して切断プロセスを施され、それにより、インターコネクタ構造体１０に適合された、あるいはインターコネクタ構造体１０用に構成された個々のニッケル発泡体ストリング部分４８が形成される。

上述の明細書、図面、および特許請求の範囲で開示された本発明の特徴は、個別に、また任意の組合せで、本発明の実施に本質的なものとなりうる。

１０ インターコネクタ構造体
１２ 膜電極接合体のアノード
１４ 膜電極接合体の電解質
１６ 膜電極接合体のカソード
１８ ワイヤ
２０ ガラス・セラミック・シール
２２ 上側ハウジング部分
２４ 溶接シーム
２６ 下側ハウジング部分
２８ ニッケル発泡体
３０ 接触バー
３２ ガス・チャネル
３４ 燃料電池スタック
３６ ワイヤ・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 ワイヤ・ローラ
４４ ニッケル発泡体ローラ
４６ 切断デバイス
４８ 安定化されたニッケル発泡体ストリング部分
５０ 圧延ワイヤ・ストリング
５２ 膜電極接合体

Claims (5)

1. 燃料電池スタック（３４）の第１の膜電極接合体（５２）及び第２の膜電極接合体（５２）を電気的に接続させることができる燃料電池スタック（３４）用のインターコネクタ構造体（１０）であって、
   前記膜電極接合体（５２）の各々は、アノード（１２）及びカソード（１６）と、前記アノード（１２）と前記カソード（１６）との間に挟まれた電解質（１４）と、を備え、
   前記インターコネクタ構造体（１０）は、上側ハウジング部分（２２）と下側ハウジング部分（２６）とを備え、
   前記上側ハウジング部分（２２）は、前記第１の膜電極接合体（５２）の前記電解質（１４）に結合可能とされ、
   前記下側ハウジング部分（２６）は、前記インターコネクタ構造体（１０）の下に配置された前記第２の膜電極接合体（５２）の前記カソード（１６）に結合可能とされ、
   前記インターコネクタ構造体（１０）がニッケル発泡体（２８）を備え、前記ニッケル発泡体（２８）が、前記インターコネクタ構造体（１０）の前記下側ハウジング部分（２６）と前記膜電極接合体（５２）との間に、前記第１の膜電極接合体（５２）のアノード（１２）と前記インターコネクタ構造体（１０）の前記下側ハウジング部分（２６）との間の導電接続を確立するために配置され、
   前記燃料電池スタック（３４）のさらなる構成要素にも使用されるフェライト・クロム鋼（１８）またはフェライト鋼が、前記ニッケル発泡体（２８）内に埋め込まれ、
   前記フェライト・クロム鋼または前記フェライト鋼が、少なくとも１本のワイヤ（１８）の形態で前記ニッケル発泡体（２８）内に埋め込まれ、
   前記ワイヤ（１８）が上部側および底部側で平らに圧延され、平らに圧延された前記ワイヤ（１８）の表面部分がそれぞれ前記ハウジング部分（２６）と前記第１の膜電極接合体（５２）とに接触するように、前記ワイヤ（１８）が前記ニッケル発泡体（２８）内に配置されることを特徴とするインターコネクタ構造体（１０）。
2. 請求項１に記載のインターコネクタ構造体（１０）と、前記インターコネクタ構造体（１０）に導電接続する膜電極接合体（５２）とを有する反復ユニット。
3. 請求項２に記載の反復ユニットを複数有している燃料電池スタック（３４）。
4. 安定化されたニッケル発泡体（２８）を備える燃料電池スタック（３４）用のコンタクト構成を製造するための方法であって、
   前記ニッケル発泡体（２８）が、上側ハウジング部分（２２）及び下側ハウジング部分（２６）を備えたインターコネクタ構造体（１０）の前記下側ハウジング部分（２６）と、膜電極接合体（５２）の前記下側ハウジング部分（２６）に面しているアノード（１２）との間に受容される方法において、
   ニッケル発泡体ストリング（３８）を製造するステップと、
   前記燃料電池スタック（３４）のさらなる構成要素にも使用されるフェライト・クロム鋼またはフェライト鋼を、少なくとも１本のワイヤ（１８）の形態で前記ニッケル発泡体ストリング（３８）内に圧延埋入して前記ニッケル発泡体（２８）を製造するステップであって、前記ワイヤ（１８）は上部側および底部側で平らに圧延され、平らに圧延された前記ワイヤ（１８）の表面部分はそれぞれ前記下側ハウジング部分（２６）と前記膜電極接合体（５２）の前記アノード（１２）とに接触するように、前記ワイヤ（１８）が前記ニッケル発泡体ストリング（３８）内に配置されているステップとを含むことを特徴とする方法。
5. 前記ニッケル発泡体ストリング（３８）を切断し、複数の前記ニッケル発泡体（２８）を得ることを特徴とする請求項４に記載の方法。

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