JP4504199B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
図1が示すのは、複数の電圧セル(voltage-cell)を2通りの形でつないだ等価な直列接続の等価な概略回路図であり、図の上側部分は双極構成を、図の下側部分は単極構成を表す。双極構成では、電圧セルの向きはそれぞれ、正極と負極とが向き合う形となっており、これによって、電圧セルの配線は簡単なものにすることができる。それに対して、単極構成におけるセルの向きは、それぞれ、正極同士または負極同士が対になって向き合う形となっている。個々の電圧セルを直列に接続するには、比較的面倒な配線が必要となり、これが、双極構成の方がはるかに好まれる理由の一部となっている。
双極スタックでは、個々の電池のカソード領域は、直接隣接する電池のアノード領域から分離板(双極板)によって隔てられている。スタックにおいては、前記分離板がスタック全体のサイズに大きな割合を占め、これは、スタックのサイズに基づいて性能などの主要な特性を低下させてしまう。この問題は単極構成では発生しないが、それは、この構成の場合、隣接する2つの電池のそれぞれが、接続用のアノード部またはカソード部を有するからである。こうした接続アノード/カソード部の2つのアノードまたはカソードは、互いから電気的に絶縁されていなければならないが、流体部自体は、カソードおよびアノードの流体の電気伝導率が無視できるレベルに留まる限り、絶縁する必要はない。そして、これは通常のことである(ある程度の伝導率を(特にアノード流体が)有する場合でも)。
さらに、本発明は、燃料電池スタックの締め付けやクランプを簡略化および改良することを目的とする。
また、それらに従属する請求項では効果的な発展形を示す。また、添付図面を参照しながら、好ましい実施の形態として具体的なものを説明する。
フレーム要素も実質的にプレート形状となっている。「プレート」という語を省いたのは、積み重ねる形に配列されてスタックを形成する「プレート要素」との混同を避けることが目的である。
ただし、実際に必要なフレーム要素は1種類だけである。これは、電気配線に有用であると共にスタックの組立を簡略化し、さらに、その機械的特性(強度、機密性など)に関わってくる場合もある。
こうした部の形成には、対の形で方向決めされ、対応する形で構造化された電気的絶縁層によって互いから絶縁された電気導電プレート要素を用いればよく、それは、例えば、一方の側を絶縁コートした金属プレート(あるいは、一方の側を金属コートした絶縁プレート)を用いてプレート要素を製造する、という簡単なやり方で実現される。
リセスおよび/またはリブは、プレテンションが除かれる際、プレテンションの力を少なくとも部分的には吸収する。この効果と全体的な機械的安定性とは、プレテンションを除くのに先だってプレート要素のリブをフレーム要素とハンダ付けした場合、さらに向上させることができる。
図2は従来技術による単極スタックからのカットアウトを示す図であり、こうしたものは、例えば、特許文書:DE100 40 654 A1号において類似の形式で記述されている。当該文書では、スタックの設置および電気配線のための手段に関しても述べているが、これについては、図2では説明を簡略化するために示していない。
図3は、板要素と本発明のフレーム要素とから成る単極スタックを示す分解図である。
目線の方向がスタック方向と一致するため、図では1つの板要素10だけが上面図の形で見えている。図4は、図3の構成において使用される、本発明の2つの異なるフレーム要素20、30を示し、上面図(下側)とこれに関連付けた断面図(上側)とで示している。
流体誘導構造は例えば、並んで(例えば平行に)延びる複数のチャネルまたは1つの蛇行チャネルを有する、一貫した(coherent)穿孔構造によって形成することができる。リブは単極スタックの組立、または単極スタックの電気配線のために役立つ。しかし、これら両方の目的に同時に役立つ場合もあるだろう。
本実施の形態では、図4の右下側にある上面図で示すフレーム要素20は、主に単極スタックの電気配線のために働く。本例でのスタックは、スタックの端にある2つの別個の板要素10と中間にある6組の板要素10とによって形成されている。図3において側面に設けられているリブ12は、電気配線のために働くものであり、側面に配置されたフレーム要素20の穿孔(リセス)21を通り抜ける形となる(すなわち、個々に、端側において対の形で間に設けられた2つの穿孔21の中にある)。それらは導体部分25とハンダ付けされ(導体部分25のそれぞれはお互いとの接触を持たない)、それによって、図1(下側)に示すものと同等の電気配線が出来上がる。また、このハンダ付工程に伴う結果として、スタック構造の機械的強度も向上する。
フレーム要素が、図3の構造化に従って用いられる場合(ただし、両方の側に導電面を備える場合)、アノードの各々の組およびカソードの各々の組に対して必要なフレーム要素10は1つだけとなる。この場合、図4のフレーム要素20、30の開口部21、31は全て同じサイズで構成し、さらに等しい距離で設けなければならない。このことは、必要な板要素の数が減ること以外にも、スタック構造のさらなる簡略化を意味するであろう。よって、こうした発展形は一般的に、図に示した構成にもまして好ましいものである。
図5に図示した板要素110は、その作りにおいては、図3に図示した板要素10に類似であるが、図3のものとは対照的に、1つの部分として構成されている。
前記板要素110のスタックの電気配線に対しては、図3および図4に図示したのと同じ板要素20が使用される。さらに、図3の板要素と異なる点として、板要素10では上側と下側とに設けられていた単独のリブ12の代わりに、流体を誘導する働きもするリブが対の形で設けられている。この流体誘導のために、前記リブは孔115〜118をそれぞれ有する。これらの孔はそれぞれ、スタック軸に沿って流体を誘導する働きをするが、孔116、118はさらに、流れチャネル114への流体の供給または同チャネルからの流体の放出のために働く。
単極燃料電池スタックの構造については、絶縁層と当該絶縁層をはさむ2つの導電層とから成る積層体の形で板要素を構成すれば、さらに単純化することができる。ここでは、板要素を対にした構成とする必要はなく、それは、単一の板要素が、2つの隣接する別個のセルのアノードまたはカソード領域の2つの電極(アノードまたはカソード)を有する形とすることができるからである。スタックの構築については、電解質ユニットと板要素とを交互に積み重ねていくだけでよい。こうした板要素は、図7〜11に述べる例に対して使用される。ただし、図3、5における本発明の板要素10、110についても、このように構成することができる。フレーム要素のリセス31、131と組み合わされる穿孔21それぞれとは、適宜形を変えなければならない。
板要素210では、両方の面が導電性であり、これらの面は、間にはさまれた非導電性の中間層によって互いから電気的に絶縁されている。板要素210は、周囲フレーム部分211、および、当該フレーム部分211の対向する2つの側面から外向きに延びるリブ212と内向きに延びるウェッビング213と、を有する。ウェッビング213は、フレームの反対側の側面までは延びておらず、また、ウェッビング213の間の穿孔によって蛇行チャネル214形作られるように、互い違いの形で配置されている。フレーム部分211には、やはり4つの孔215、216、217、218が設けられており、そのうち、径方向に対向する位置にある2つの孔216、218は、貫通開口部216a、218aを介して蛇行チャネル214につながっている。
フレーム要素220は規則的なパターンを成す複数の穿孔221を有し、これらは、図7の板要素210のリブ212を収容する働きをする。フレーム要素220の片側には導体部分225が設けられており、それらは各々が2つ以上の穿孔221の間を延び、それによって、穿孔に収容される板要素210のリブの単極配線を作り上げる。穿孔221に通されるリブ212の正面側および裏面側は、それぞれのアノード端子接触(またはカソード端子接触)を形成する。前記の接触のペアは、お互いから電気的に絶縁されていなければならないので、対応する導体部分225同士が導電的に接続された状態にならないよう、あらゆる手段を用いて配慮しなければならない。さらに、フレーム要素220は開口部229を有し、ここにエンドプレート250のリブ259を挿入することができる。図9および図10に示すように、前記エンドプレート250は、スタックの両端にあってこれを完成させる。さらに、通常、流体の供給および放出のための貫通開口部がエンドプレートに設けられる(図示せず)。
図8〜10に示す導体パターン(導体部分225によって形成されるもの)は、単なる一例としてのみ理解すべきである。これを、あらためて図11に図示する。図の上側部分は、図8〜10で実現されているような導体構造に対応している。ここでは、導体部分225は対の形で設けられ、2つの穿孔221を接続する。より分かりやすくするために、導体部分225は黒くしておいた。また、図11の下側部分に示すように、個々の導電部分225が横方向(スタック軸に対して垂直な方向)全体にわたって延びる、という形も可能であり、そうする場合、2つの波状の導体部分225によって、切れ目のない波状絶縁領域226、または、一定間隔で穿孔221によって中断される波状絶縁領域が囲まれている、という形になる。こうした構造体は、従来からのプリント回路基板や通常のリソグラフィ法を用いて簡単なやり方で生産することができ、これまでは複雑だった単極スタックの配線が相当に単純化される。
本発明は、広く言えば、組立しやすい構造の単極燃料電池スタック(同時にスペースを取らず重量も軽くできるもの)を可能にする要素を提供するものである。当該要素は、特に電気配線を単純化すると同時に、気密や機械的強度などの特性を向上させる。
1.単極スタックの複雑な電気配線は、本発明によって大きく簡略化される。フレーム要素に設置される導体が、すでに電流配線をあらかじめ決めており、それによって、電流放電ラグとして働く板要素リブが誤って接触する危険を排除する。
2.電流放出手段として働く板要素の接触が、適正に設置された導体を介して実現され、そのため、接触ラグとして作用する電流放電手段のリブを異なる形で配置する必要がなくなる。
Claims (7)
- 導電性の両面と、これら両面の間に挟まれた非導電性の中間層とを有する板要素と、電解質ユニットとを交互に積み重ねて形成された構造体が、当該構造体の積み重ね方向に沿った両側に前記各板要素と直角になるように配置された一対のフレーム要素の間に設けられた燃料電池スタックであって、
前記各板要素には、両側の側面から外部に延び、かつ、電流放電手段として働くリブがそれぞれ設けられており、
前記各フレーム要素には、前記リブのそれぞれを収容する穿孔が設けられるとともに、相互に隣接する一対の前記板要素にそれぞれ設けられたリブの正面側同士および裏面側同士をそれぞれ接続する第1導体部分および第2導体部分が、当該リブのそれぞれを収容する一対の穿孔毎に当該一対の穿孔間に設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記第1導体部分に接続される前記各リブの正面側が、当該第1導体部分とハンダ付され、前記第2導体部分に接続される前記各リブの裏面側が、当該第2導体部分とハンダ付されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。
- 前記各フレーム要素にそれぞれ設けられた前記第1導体部分および前記第2導体部分は、それぞれ規則的なパターンを形成していることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池スタック。
- 前記各フレーム要素には、前記第1導体部分および前記第2導体部分を含むプリント回路基板が設けられていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池スタック。
- 前記構造体の積み重ね方向の両側端にはエンドプレートが配置されており、前記各フレーム要素のそれぞれには、前記各エンドプレートに設けられたリブが挿入される開口部がそれぞれ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燃料電池スタック。
- 前記板要素のそれぞれに、前記電解質ユニットに流体を誘導するチャンネルが設けられていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
- 前記板要素は、前記電解質ユニットを挟んで交互に配置された第1板要素および第2板要素であり、
前記第1板要素に設けられた前記リブと、前記第2板要素に設けられた前記リブとが前記積み重ね方向にずれて配置され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燃料電池スタック。
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